工业机械臂结构设计要点和性能

工业机械臂结构设计要点和性能工业机械臂结构设计要点和性能 2018/03/28 摘要：工业机械臂具有工作空间大、占地空间小及可控性好等方面优点，在各类生产行业有广泛的应用。但工业机械臂普遍存在负载小、刚性不足及关节伺服电机负载大的问题。针对上述现象本文提出一种基于四杆机构原理的新型机械臂结构。利用平行四边形框架抵消外部弯矩，减小关节电机对大臂的驱动功率，提高整机刚度。关键词：工业机械臂；新型机械臂结构；负载；刚度0引言工业机械臂是一种仿生机电设备，能模拟人手动作通过改变目标物体的位姿来实现作业。可完成搬运、焊接、切割、喷涂及装配等工作。工业机械臂操作可控，可实现人机交互，用途比较广泛。由于工业机械臂的结构特点，整体架构属于费力杠杆，并且传动齿轮间隙的存在也会降低机械臂的刚度及运动精度。因此提高机械手臂的负载能力、提高整体刚度及降低驱动能耗成了机械臂性能提升的关键问题。1机械臂结构设计工业机械臂的主要部件包括回转部、大臂、小臂及腕部。回转部可完成整机的回转运动，大臂和小臂的配合运动可实现机械臂末端的空间位置移动，腕部能实现俯仰轴与摆轴两个动作。各部件的运动配合实现机械臂设定的运动轨迹。1.1大臂、小臂结构大臂由平衡缸、电动缸及大臂梁组成，小臂由电动缸II、平衡缸II及小臂梁组成，均为平行四边形框架结构构形式，电动缸安装在各自的对角线上，电动缸由关节电机、离合器、丝杠、推杆及缸体等零部件组成，端部的关节电机通过离合器带动丝杠旋转，丝杠上的螺母驱动推杆伸缩，推杆的伸缩带动四边形框架夹角的变化，从而实现机械臂的水平和竖直方向的移动。1.2机械臂回转部结构回转部由伺服电机、涡轮、蜗杆、回转支撑、回转轴、立柱、箱体等零部件组成。为了平衡涡轮的侧向推力及消除涡轮与蜗杆之间的间隙。蜗杆采用对称布置的形式。2台伺服电机带动蜗杆旋转，驱动与涡轮连接的机体做回转运动。这个结构的有点是可传递扭矩大，自锁性好，精度高，节省一个减速器。1.3机械臂腕部机械臂的腕部由涡轮蜗杆传动副、支撑件、4台伺服电机、俯仰部件、输出法兰等部分。能实现俯仰轴与摆轴两个动作。两个动作依靠差动原理来实现。U型支撑两侧对称布置差动输入单元，差动输入单元由伺服电机、涡轮蜗杆传动副及锥齿轮等部件组成。通过传动轴及中空轴将U型支撑两侧的锥齿轮及涡轮蜗杆联结。差动输出单元由锥齿轮及摆轴组成。利用伺服电机控制两侧涡轮的传动实现俯仰轴与摆轴两个动作。2机械臂能耗分析新结构的机械臂驱动功率较其他结构机械臂明显降低，负载质心无偏移时能耗比二连杆机械臂降低约25%，比TITAN工业机械臂降低约35%。负载质心偏移500mm时能耗比二连杆机械臂降低约45%，比TITAN工业机械臂降低约52%。3机械臂刚度分析本文利用有限元分析方法对机械臂杆件进行刚度分析，分析前将模型中对分析结果影响不大的孔、倒角等部分进行压缩处理，然后给模型添加比较可靠的边界条件，再把模型网格化，最后得到机械臂工作空间内的x、y及z方向的刚度分布如图所示。机械臂x方向的刚度与负载的关系为2.3245N/m，机械臂y方向的刚度与负载的关系为2.715N/m，机械臂z方向的刚度与负载的关系为7.713.1N/m，综合刚度由于同样负载下的其他结构机械臂。4结论本文论述了常规机械臂存在的一些问题，指出机械臂优化的关键点，设计了一种采用平行四边形框架结构的新型机械臂，机械臂大臂及小臂的驱动依靠四边形对角线上的电动缸来完成，腕部的运动靠差数原理实现。回转运动利用底座上涡轮两侧的双蜗杆传动实现。与其他结构机械臂相比同工作条件下驱动能耗降低，同驱动功率下负载能力提高，同负载下整机刚度明显提高。可广泛应用在负载大及末端运动要求精度较高的场合。参考文献：1孙龙飞.机械手臂结构设计与性能分析J.农业机械学报,2017(08).2梁亮.某自动装填机械手的结构设计与分析J.南京理工大学,2015.3武战君等.基于Pro/E和ANSYS的机器人手臂性能分析和结构优化设计J.长春理工大学学报(自然科学版),2011.4鹿玲等.基于Kane方程的冗余驱动5UPS/PRPU并联机床动力学分析J.农业机械学报,2016(06).5徐海黎等.工业机器人的最优时间与最优能量轨迹规划J.机械工程学报,2010(09).