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機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法

星之球激光 來源:中華工控網(wǎng)2011-12-09 我要評論(0 )   

操作機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法 1. 操作機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)原則 (1)最小運(yùn)動慣量原則 由于操作機(jī)運(yùn)動部件多,運(yùn)動狀態(tài)經(jīng)常改變,必然產(chǎn)生沖擊和振動,采用最小運(yùn)動慣量原則,可...

 操作機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法
    1. 操作機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)原則
   (1)最小運(yùn)動慣量原則   由于操作機(jī)運(yùn)動部件多,運(yùn)動狀態(tài)經(jīng)常改變,必然產(chǎn)生沖擊和振動,采用最小運(yùn)動慣量原則,可增加操作機(jī)運(yùn)動平穩(wěn)性,提高操作機(jī)動力學(xué)特性。為此,在設(shè)計(jì)時應(yīng)注意在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下,盡量減小運(yùn)動部件的質(zhì)量,并注意運(yùn)動部件對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心配置。
   (2)尺度規(guī)劃優(yōu)化原則當(dāng)設(shè)計(jì)要求滿足一定工作空間要求時,通過尺度優(yōu)化以選定最小的臂桿尺寸,這將有利于操作機(jī)剛度的提高,使運(yùn)動慣量進(jìn)一步降低。
   (3)高強(qiáng)度材料選用原則   由于操作機(jī)從手腕、小臂、大臂到機(jī)座是依次作為負(fù)載起作用的,選用高強(qiáng)度材料以減輕零部件的質(zhì)量是十分必要的。
   (4)剛度設(shè)計(jì)的原則   操作機(jī)設(shè)計(jì)中,剛度是比強(qiáng)度更重要的問題,要使剛度最大,必須恰當(dāng)?shù)剡x擇桿件剖面形狀和尺寸,提高支承剛度和接觸剛度,合理地安排作用在臂桿上的力和力矩,盡量減少桿件的彎曲變形。
   (5)可靠性原則   機(jī)器人操作機(jī)因機(jī)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)較多,可靠性問題顯得尤為重要。一般來說,元器件的可靠性應(yīng)高于部件的可靠性,而部件的可靠性應(yīng)高于整機(jī)的可靠性??梢酝ㄟ^概率設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出可靠度滿足要求的零件或結(jié)構(gòu),也可以通過系統(tǒng)可靠性綜合方法評定操作機(jī)系統(tǒng)的可靠性。
   (6)工藝性原則   機(jī)器人操作機(jī)是一種高精度、高集成度的自動機(jī)械系統(tǒng),良好的加工和裝配工藝性是設(shè)計(jì)時要體現(xiàn)的重要原則之一。僅有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而無良好的工藝性,必然導(dǎo)致操作機(jī)性能的降低和成本的提高。
    2.操作機(jī)的設(shè)計(jì)方法和步驟
   (1)確定工作對象和工作任務(wù)  開始設(shè)計(jì)操作機(jī)之前,首先要確定工作對象、工作任務(wù)。
    1)焊接任務(wù):如果工作對象是一輛汽車或是一個復(fù)雜曲面的物體,工作任務(wù)是對其進(jìn)行弧焊或點(diǎn)焊,則要求機(jī)器人的制造精度很高,弧焊任務(wù)對機(jī)器人的軌跡精度和位姿精度及速度穩(wěn)定性有很高的要求,點(diǎn)焊任務(wù)對機(jī)器人的位姿精度有很高的要求,兩種任務(wù)都要求機(jī)器人具備擺弧的功能,同時要能在狹小的空間內(nèi)自由地運(yùn)動,具備防碰撞功能,故機(jī)器人的自由度至少為六個。
    2)噴漆任務(wù):如果工作對象是一輛汽車或是一個復(fù)雜曲面的物體,工作任務(wù)是噴涂汽車的內(nèi)部和車門或是復(fù)雜曲面物體的表面,則要求機(jī)器人手腕要靈活,能夠在狹小的空間內(nèi)自由地運(yùn)動,具備防碰撞功能;要求機(jī)器人能夠在長時間內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定可靠地工作;同時要求機(jī)器人具備光滑的流線型外表面,漆、氣管線最好能從其橫臂和手腕內(nèi)部通過,使機(jī)器人外表不易積漆積灰,不會污染已噴好的工作對象,且漆、氣管線也不易損壞;因噴漆機(jī)器人是在易燃易爆的工作環(huán)境中工作,故要具備防爆的功能。同時對機(jī)器人的軌跡精度和位姿精度及速度穩(wěn)定性也有較高的要求。機(jī)器人的自由度至少應(yīng)為六個。
    3)搬運(yùn)任務(wù):如果工作對象比較笨重,工作任務(wù)是定點(diǎn)搬運(yùn),定位精度要求高,則對機(jī)器人的承載能力和定位精度有高的要求。如果工作對象比較輕巧,工作任務(wù)也是定點(diǎn)搬運(yùn),但要求輕拿輕放,且定位精度要求高,則對機(jī)器人的速度穩(wěn)定和定位精度有高的要求。
    4)裝配任務(wù):對機(jī)器人的速度穩(wěn)定密和位姿精度有很高的要求。
    有些機(jī)器人能完成多種工作任務(wù),如MOTOMAN-SKI20系列機(jī)器人,既可以用于搬運(yùn)也可以用于點(diǎn)焊,具有快速、精巧、強(qiáng)有力和安全性高的特點(diǎn);另一種MOTOMAN-SK6/SK16系列機(jī)器人,可以完成弧焊、搬運(yùn)、涂膠、噴釉和裝配多種任務(wù),具有高速、精巧和可靠性高的特點(diǎn)。
    設(shè)計(jì)新型機(jī)器人時,要充分考慮以上諸多因素,并應(yīng)多參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型,參考其設(shè)計(jì)參數(shù),經(jīng)過反復(fù)研究和比較,確定出所要機(jī)械部分的特點(diǎn),定出設(shè)計(jì)方案。
    下面以一臺六自由度交流伺服通用機(jī)器人為例講一下設(shè)計(jì)過程,如圖14所示。
   (2)確定設(shè)計(jì)要求
    1)負(fù)載:根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求,參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型,確定機(jī)器人的負(fù)載。一般噴漆和弧焊機(jī)器人的負(fù)載為5~6kg。
    2)精度:根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求,參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型,確定機(jī)器人未端的最大復(fù)合速度和機(jī)器人各單軸的最大角速度。
    3)精度:根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求,參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型,確定機(jī)器人的重復(fù)定位精度、如弧焊機(jī)器人的重復(fù)定位精度為±0.4mm,ABB公司開發(fā)的Model 5003型噴漆機(jī)器人的重復(fù)定位精度為±1mm。同時要確定構(gòu)成機(jī)器人的零件的精度、臂體的尺寸精度、形位精度和傳動鏈的間隙,如齒輪的精度和傳動間隙;還要確定機(jī)器人上所用的元器件的精度,如減速器的傳動精度、軸承的精度等等。

4)示教方式:根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求,確定機(jī)器人的示教方式。一般機(jī)器人的示教方式有下列幾種:
    ①離線示教(離線編程);
    ②示教盒示教;
    ③人工手把手示教。
    如果是噴漆機(jī)器人,就應(yīng)該具備人工手把手示教的功能,而對于其他機(jī)器人,有前兩種功能就可以了。
    5)工作空間:根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求,參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型,確定機(jī)器人的工作空間的大小和形狀。
    6)尺寸規(guī)劃:根據(jù)對工作空間的要求,參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型,確定機(jī)器人的臂桿長度和臂桿轉(zhuǎn)角,并進(jìn)行尺寸優(yōu)化。
   (3)機(jī)器人運(yùn)動的耦合分析   對大多數(shù)非直接驅(qū)動的機(jī)器人而言,前面關(guān)節(jié)的運(yùn)動會引起后面關(guān)節(jié)的附加運(yùn)動,產(chǎn)生運(yùn)動耦合效應(yīng)。比如將六個軸的電動機(jī)均裝在機(jī)器人的轉(zhuǎn)塔內(nèi),通過鏈條、連桿或齒輪傳動其他關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì),再比如同心的齒輪套傳動腕部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì),都會產(chǎn)生運(yùn)動耦合效應(yīng)。為了解耦,在編機(jī)器人運(yùn)動學(xué)控制軟件時,后面的關(guān)節(jié)要多轉(zhuǎn)一個相應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)來補(bǔ)償。對一臺六自由度的機(jī)器人來講,如果從2、3軸之間開始就有運(yùn)動耦合,且3、4、5、6軸之間都有運(yùn)動耦合,那么3、4、5、6軸電動機(jī)就必須多轉(zhuǎn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)(有時是正轉(zhuǎn),有時是反轉(zhuǎn),依結(jié)構(gòu)而定),來消除運(yùn)動耦合的影響,3軸要消除2軸的,4軸要消除2軸和3軸的,依此類推,如果都要正轉(zhuǎn),到了6軸,電動機(jī)就必須有相當(dāng)高的速度來消除那么多軸的影響,有時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速會不夠,且有運(yùn)動耦合關(guān)系的軸太多,機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析和控制就會很麻煩。故設(shè)計(jì)六自由度的交流伺服機(jī)器人,一般情況下,前4個軸的運(yùn)動都設(shè)計(jì)成是相對獨(dú)立的,而運(yùn)動耦合只發(fā)生在4、5、6軸之間,即5軸的運(yùn)動受到4軸運(yùn)動的影響,6軸的運(yùn)動受到4軸和5軸運(yùn)動的影響。這樣做,既能保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊湊,又不會使有耦合關(guān)系的軸大多。#p#分頁標(biāo)題#e#
   (4)機(jī)器人手臂的平衡  平衡機(jī)器人操作手臂的重力矩優(yōu)點(diǎn)如下:
    ·如果是噴漆機(jī)器人,則便于人工手把手示教。
    ·使驅(qū)動器基本上只需克服機(jī)器人運(yùn)動時的慣性力,而忽略重力矩的影響。故可選用體積較小、功耗較小的驅(qū)動器。
    ·免除了機(jī)器人手臂在自重下落下傷人的危險。
    ·在伺服控制中因減少了負(fù)載變化的影響,因而可實(shí)現(xiàn)更精確的伺服控制。
    一般機(jī)器人操作機(jī)因1軸轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn),故不要平衡,4、5、6軸的手臂往往因重力很小,也不要平衡,故要平衡的是2、3軸手臂的重力矩。
    1)配重平衡機(jī)構(gòu):此種機(jī)構(gòu)原理如圖2a所示。設(shè)手臂質(zhì)量為m1,配重質(zhì)量為m2,因關(guān)節(jié)中心在同一直線上,則不平衡力矩為
                                       M1=m1glcosγ
    配重產(chǎn)生的力矩為
                                       M2=m2gl´cosγ
    靜力平衡條件為
                                           M1=M2
     即                                   m1l=m2l´

這種平衡機(jī)構(gòu)簡單,平衡效果好,易于調(diào)整,工作可靠,但增加了手臂的慣量和關(guān)節(jié)的負(fù)載,適用于不平衡力矩較小的情況。
    2)彈簧平衡機(jī)構(gòu):其原理如圖2b所示,臂的不平衡力矩為
                                 M1=M11-M12=mglcosγ-Ia
式中 M11——靜不平衡力矩;
     M12——慣性力矩;
       I——手臂對關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量;
       a——臂運(yùn)動平均加速度。
    彈簧產(chǎn)生的平衡力矩為

式中  k——彈簧剛度;
     l´——彈簧在手臂上安裝點(diǎn)到關(guān)節(jié)軸的距離;
     e——彈簧另一端安裝點(diǎn)到關(guān)節(jié)軸的距離;
      R——彈簧自由長度。
    靜力平衡條件為
                               M2=M11
    動力平衡條件為
                              M2=M11+M12
    這種平衡機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,平衡效果也較好,工作可靠,適用于中小負(fù)載,但平衡范圍較小。
    3)氣缸平衡機(jī)構(gòu):這種平衡機(jī)構(gòu)原理如圖2c所示。手臂不平衡力矩為
                             M1=M11+M12=mglcosγ+Ia
    汽缸產(chǎn)生的平衡力矩為

式中  F——汽缸活塞推力;
    其余參數(shù)同上。
    靜力平衡條件為
                                 M2=M11
    動力平衡條件為
                                M2=M11+M12
    汽缸平衡機(jī)構(gòu)多用在重載搬運(yùn)和點(diǎn)焊機(jī)器人操作機(jī)上,液壓的體積小,平衡力大;氣動的具有很好的阻尼作用,但體積較大。
    (5)機(jī)器人動力學(xué)分析   機(jī)器人因各軸的重力矩均已基本平衡,故在這些軸運(yùn)轉(zhuǎn)時,電動機(jī)主要需克服的是由各軸轉(zhuǎn)動慣量所帶來的動力矩。
    1軸:經(jīng)分析,當(dāng)機(jī)器人末端伸到最遠(yuǎn)處時,1軸運(yùn)轉(zhuǎn)起來的轉(zhuǎn)動慣量為最大。計(jì)算可得到此處1軸的轉(zhuǎn)動慣量J1如起動時間取為T1,則動力矩為
                               M1=J1ω1/T1
    2軸:經(jīng)分析,當(dāng)小臂相對于大臂的夾角為最大時,2軸運(yùn)轉(zhuǎn)起來的轉(zhuǎn)動慣量為最大,經(jīng)計(jì)算可得到此處2軸的轉(zhuǎn)動慣量為J2。如起動時間取為T2,則動力矩為
                               M2=J2ω2/T2
    3軸:機(jī)器人小臂相對于大臂上部中心運(yùn)轉(zhuǎn)起來的轉(zhuǎn)動慣量即是3軸的轉(zhuǎn)動慣量。同理有
                               M3=J3ω3/T3
    4軸:4軸無重力矩平衡裝置,故4軸電動機(jī)既要克服起動時的動力矩,也要克服運(yùn)轉(zhuǎn)時由手腕和負(fù)載引起的重力矩。經(jīng)計(jì)算,得出4軸的轉(zhuǎn)動慣量,繼而計(jì)算出4軸所需的傳動扭矩。
    5軸:5軸也無重力矩平衡裝置,故5軸電動機(jī)也是既要克服起動時的動力矩,也要克服運(yùn)轉(zhuǎn)時由手腕和負(fù)載引起的重力矩。經(jīng)計(jì)算,得出5軸的轉(zhuǎn)動慣量,繼而計(jì)算出的5軸所需的傳動扭矩。
    6軸:6軸也無重力矩平衡裝置,故6軸電動機(jī)也是既要克服起動時的動力矩,也要克服運(yùn)轉(zhuǎn)時由手腕和負(fù)載引起的重力矩。經(jīng)計(jì)算,得出6軸的轉(zhuǎn)動慣量,繼而計(jì)算出的6軸所需的傳動扭矩。
    (6)電動機(jī)的選用   選用好交流伺服電動機(jī),是操作機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于機(jī)器人要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、運(yùn)動特性好,故希望在同樣功率的情況下,電動機(jī)重量要輕、外形尺寸要小。特別是裝在機(jī)器人橫臂或立臂內(nèi)部的電動機(jī),重量要盡可能輕,外形尺寸要盡可能小。
    根據(jù)動力學(xué)計(jì)算得到的各軸所需的傳動扭矩,除以減速器的減速比,再將傳動鏈的效率,如減速機(jī)的效率、軸承的效率和齒輪的效率等考慮進(jìn)去,并考慮各軸所需的轉(zhuǎn)速(運(yùn)動耦合因素也要考慮在內(nèi)),就可以選用電動機(jī)了。#p#分頁標(biāo)題#e#
    在選用時要注意,交流伺服電動機(jī)的速度是可調(diào)節(jié)的,且在相當(dāng)大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩是恒定的,故選用電動機(jī)時只要電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速大于各軸所需的最高轉(zhuǎn)速就行。
    同時還要注意與交流伺服電動機(jī)配置在一起的位置編碼器的選用,并注明電動機(jī)是否需要帶制動器等。
   (7)減速器的選用  機(jī)器人上所用的減速器,常見的有RV減速器和諧波減速器。
    RV減速器具有長期使用不需再加潤滑劑、壽命長、剛度好、減速比大、低振動、高精度、保養(yǎng)便利等優(yōu)點(diǎn),適用于在機(jī)器人上使用。它的傳動效率為0.8,相對于同樣減速比的齒輪組,這樣的效率是很高的。
    它的缺點(diǎn)是重量重,外形尺寸較大。
    諧波減速器的優(yōu)點(diǎn)是重量較輕,外形尺寸較小,減速比范圍大,精度高。
    機(jī)器人設(shè)計(jì)中,一般1、2、3軸均采用RV減速器,4、5、6軸常用諧波減速器。
   (8)機(jī)器人臂體校核   機(jī)器人的手臂要進(jìn)行強(qiáng)度校核和剛度校核,在滿足強(qiáng)度和剛度的情況下,手臂要盡可能采用輕型材料,以減少運(yùn)動慣量,并給平衡機(jī)構(gòu)減少壓力。
   (9)機(jī)構(gòu)零件校核
    1)軸承校核:設(shè)計(jì)中所用的所有重要軸承都要經(jīng)過強(qiáng)度校核。在滿足尺寸和強(qiáng)度要求的情況下,盡可能地選用國產(chǎn)軸承,以降低機(jī)器人的成本。
    2)軸的校核:設(shè)計(jì)中所用的所有較重要的軸都要經(jīng)過強(qiáng)度校核和剛度校核。
    3)齒輪選用:設(shè)計(jì)中所用的所有齒輪都要經(jīng)過強(qiáng)度校核。
    4)鍵及花鍵:設(shè)計(jì)中所用的所有較重要的鍵及花鍵都要經(jīng)過強(qiáng)度校核。
    5)銷與螺釘:設(shè)計(jì)中所用的所有較重要的銷與螺釘都要經(jīng)過強(qiáng)度校核。
   (10)機(jī)械加工工藝性考慮校核   機(jī)器人的設(shè)計(jì)要充分考慮加工裝配的方便,且要便于維修和調(diào)整。
 

 

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