工业机器人结构设计

开发与创新文章编号：1002-6673 (2012) 06-013-03工业机器人结构设计朱同波，爲凡，刘伟(闽南理工学院，福建泉州362700)摘 要：在了解工业机器人在国内外现状的基础上.根据工业机器人内部结构和工作原理.对机器人腕部 进行结构设计.为工业上机器人的设计提供理论煤考、设计炼考和数据冬考.为工业设计者提供设 计理论和设计实践的参考。关键词：机器人；结构设计；专用轴承；动力布置中图分类号：TB47, TP242 文献标识码：A doi: 10.3969/j.issn. 1W2-6673.2012.06.()05Industrial Robot Structure DesignZHU Tong-Bo、CAI ban. LIU Wei(Minnan University of Science and Technology. Quanzhou Fujian 362700,China)Abstract: In the industrial robot in understanding situation at home and abroad. and on the basis of industrial robot according to internal structure and working principle of the robot wrist structure design. On the design of the robot for industry co provide theoretical reference, design reference data for reference, and industrial designers with design theory and design practice reference.Key words： robot； structure design; special bearing； power arrangement#开发与创新#开发与创新0引言机器人是杲典型的机电一体化数字化装备，技术附 加值咼，应用范rar,作为先逬制造业的支撑技术和信 息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来 越重要的作用。从20世纪下半叶起，世界机器人产业 一直保持着稳步增长的良好势头。根据发达国家产业 发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势，到 2015年中国机器人市场的容圮约达十几万台套。1工业机器人的基本工作原理工业机器人是一种生产装备，其基本功能是提供 作业所须的运动和动力，其基本工作原理是通过操作机 上各运动构件的运动，自动地实现手部作业的动作功能 及技术要求。因此在基本功能及基本工作原理上，工业 机器人与机床有相同之处：二者的末端执行器都有位置 变化要求，而且都是通过坐标运动来实现末端执行器的 位置变化要求。当然机器人也有其独待的要求，是按关 节形式运动为主，同时机器人的灵活性要求很高，其刚 度、稍度要求相对较低。收稿日期：2012-10-09 作者简介：朱同波（1986-）,男.教师。研究方向：机械设计 制造；蔡凡（1986-）,女，放师。研究方向：电子通信工程。2工业机器人结构系统2.1工业机器人构造从功能角度分析可将机器人分解成四个部分：操作 机、末端执行器、传感系统、控制器。操作机：是由机座、手臂和手腕、传动机构、驱动 系统等组成，其功能是使手腕具有某种工作空间.并调 整手腕使末端执行器实现作业任务要求的动作。末端执行器：也叫工业机器人的手部，它足安装在 工业机器人手腕上虫接抓握工件或执行作业的部件。感器系统：是指要机器人与人一样有效的完成工 作，必须对外界状况进行判断的感觉功能。与机器人控 制最紧密相关的是触觉。视觉适合于检测对欽是否存 在，检测其犬概的位置、姿势等状态。相比之下，継觉 协助视觉，能够检测岀对欽更细微的状态。控制器：机器人控制系统是机器人的大脑，是决定 机器人功能和性能的主要因素。主要是控制工业机器人 住工作空间中的运动位宜、姿态和轨迹、操作顺序及动 作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人 机交互界面、在线操作提ZK和便用方便等待点。在机器 人中采用的控制系统有：点位的和轮廓的；同步的和异 步的；数字的和模拟的。可根据机器人的技术与经济要 求及工艺任务的特点来选择控制系统的具体方案。2.2主要结构尺寸根据AHV6L教工业机器人的主要参数进行设计, 主要结构尺寸如图1所示。机器人的工作范围见图2。 选择型号为SGMAH41A,额定功率为100W.额定转 矩为0.318Nm,额定转速为3000r/mint贾最为0.7kg的 交流伺服电动机。（2）B轴和T轴电机的选择。根据设计要求取相同型 号的电机，选择型号为SGMAH-01A交流伺服电动机。3.4传动比的确定（1）R轴总传动比的确定。角速度3=400。/8。即g 6.98r/mino再求实际转速M：M为转（r/min）o最后求得总传动比:n，=<w_=60x6:98_=66_69r/min15开发与创新3腕部设计（2）用同样的方法，可求得：B轴总传动比ift2=15；#开发与创新在设计中为减轻机器人本体的重址选用铸铝材料。 3.1手腕结构的确定手腕是联接手臂和末端执行器的部件，其功能是在 手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐 标（自由度）的基础上，再由手腕来实现末端执行器在 作业空间的三个姿态（方位）坐标，即实现三个旋转自 由度。通过机械接口，联接并支承末端执行器。根据机 器人的作业要求来决定其应具有的自由度数目。3.2基本参数的确定确定了空间结构和手腕结构后，可确定手腕回转、 手腕摆动及手腕旅转三个姿态的自由度。其参数见表1 （参数来于SSA2000工业机器人）。表1机器人的主要规格参数手腕回转 （R轴）手腕摆动（B»）手腕能转 （TH）额定载荷滋量大速度/（皿）±150°400°/$180,/-45°4000/3±360°600°/s31.4手原回转（R轴）±150°400°/s动作范围手腕虑动（B轴）180°/-45°400°/s手炭转（T轴）±360600%额定載荷3灯銀大速度1.4m/s3.3手腕电机的选择（1）R紬电机的选择。手腕的最大负荷质ft m=3kgt 初估腕部的质ft ml=3kgo最大运动速度V =1.4 m/s,取 轴承的效率为0.9。功率 p=-E5L=mgy_=i>sL£=46.7w0%0.9取各齿轮和联轴器效率总和为0.9,则：P 士器-51.8W考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率p.=100WoT轴总传动比i “TO。（3）传动比的分配。传动比分配时要充分考虑到各级 传动的合理性以及齿轮的结构尺寸，要做到结构合理。 R轴传动比分配：R轴总的传动比i 1=15,该传动经 :谐波滅速器直接驱动小臂回转；B轴传动比分配：B 轴总的传动比ig2=15,该传动先经谐波减速器减速， 再经两级传动，第一极传动为圆锥齿轮传动，传动比 i«=l,第二极传动为同步齿形带传动，传动比i2t=l； :T轴传动比分配：T轴总的传动比i a 3=10,该传动经谐 波减速器减速再经三级传动。第一极传动为圆锥齿轮传 动，传动比i3.=l,第二极传动为同步带传动，传动比 ixFl,第三极传动为圆锥齿轮传动，传动比in=l.35o3.5谐波减速器的选择谐波齿轮减速器是一种新型的机械传动变速机构。 与普通齿轮传动相比，具有体积小，重轻，结构简单， :它与传动比相当的普通减速器比较，其零件减少50%, 体积和敕最均减少1/3左右或更多。传动比范围大（单级 传动比为40-350,多级传动比可达1600-100000）,传 动效率高（单级传动效率耳385%）,传动精度高，承载能 :力强等特点。根据所选择的电机，选择型号为SGMAH-01A.额 定功率为100 W,额定转矩为Q318N-m.额定转速为 3000 "min的交流伺眼电动机。同时选择XB1谐波减速 机，机型为25,减速比为40,输岀力矩为l.ON-m,输 入转速为3000 r/mino为了订货和维修方便，三轴均采 用同一种减速器。:3.6売体的设计机座部分采用铸铝材料，方形结构，臂厚512mmo 机身部分采用铸铝材料，圆简形结构，臂厚78mm。大 臂外壳采用铸铝材料，厚度均为28mm。小臂箱体和小 :片外壳采用铸铝材料，结构为方形，侧面为铸件其它三 |面为铸铝板材。手腕外壳和手腕箱体采用铸铝材料，结 16开发与创新构为方形，两侧面、背面、底面为铸件，瑞面和正面为 铸铝板材，臂厚58mmo其它部分具体尺寸由结构决 定.见图3。4机器人轴承设计为冠形插入式结构。适合 安装在工业机器人的腕 部、肘部等关节部位。薄 :壁交叉滚子轴承通常有满滚子结构和带冲压保持架 或隔离件的结构形式。为 便于装配.交叉滚子轴承5 漾动体外因或内圈采用双半结图4薄廉四点接竝球轴承 构，用螺钉连接，内、外因滾道与轴承轴线呈45。角， 滚道之间交譬放置互成90°的圆柱滚子.滚子直径一般:应大于滚子长度，可承受径向载荷及两个方向的轴向载 荷以及倾覆力矩，相当于两套接触角«=45°的角接触釉 承背靠背安装的组配。特别适合安装在工业机器人的腰 部、肩部等关节部位。17开发与创新球轴承是机器人和机械手机构中最常用的轴承。它 能承受径向和轴向载荷.摩擦较小。其机器人专用轴承 四点接触式设计以及高精度加工。这种轴承比同等轴轻 的常规中系列四点接M轴承轻25倍。它的内圈（或外 圈）由两个半圈精确拼配而成，而其整体外圈（或内圈） 的沟曲率半径较小，使钢球与内、外圈在四个“点”上 接触，既加大了径向负荷能力，又能以紧凑的尺寸承受 很的两个方向的轴向负荷，并且有很好的两个方向的轴 向限位能力，因为它的轴向游隙相对较小，而其接触角 （一般取为35。）又较大。工业机器人专用薄壁四点接融球轴承通常有带密封 圈和不带密封圈的结构形式（见图4）。其主要由内圈、外 團、保持架、钢球或非接舷式密封圈组成。内、外圈均 为整体结构.钢球与内.外因沟道呈四点接触保持架5结束语各种工业机器人可以以单机形式使用.也可以作为 生产系统中的一种构成部分使用。随着社会需求发展的 变化.工业生产多品种小批就方向发展对制造系统的 柔性要求越来越高。工业机器人灵活性好。因此在柔性 制造系统内各种应用越来越多。参考文献：1冯辛安机械制适装备技术MJJ匕京:机械工业出版社.2008.（2郭巧现代机痔人学M北京:北京理工大学出版社.1999.:黄继昌徐巧色尊实用机构图册叫北京:机械工业出版社2008.4日日本机器人学会馬版机器人技术手州叫北京：科学岀版社. 2007.#开发与创新#开发与创新图3 PLC与HMI通讯连接关 廉示童图Fig3 Exhibition of the communication relationship between PLC and HMI（上接第24页）滤器、高压板式过滤器，从3号口出， 回到装备主油路，实现利用装备动力的滤油功能；内 部动力过滤：电確阀D2得电，传动油从吸油过滤器进 入油泵，经强磁过滤器、高压板式过滤器冋到清洗机内 部油箱，实现对滤清机油箱的滤油功能；外油进清洗 机：电磁阀D1得电，外部传动油经1号口、吸油过滤 器进入油泵，经强磁过滤器、高压板式过滤器，进入清 洗机内部油箱，实现滤清机油箱的补油功能；向装备 内加油：电磁阀D2、D5得电，传动油从吸油过滤器进 入油泵，从3号口出去，到达装备加油口，实现装备加 油、补油功能。（3）控制原理：选用可编程序控制器（PLC）作为清洗 设备电气控制系统的主控单元；选用液晶显示的人机界 面控制系统（HMI）作为显示、操作单元。把PLC和HMI 二者有机结合，实现控制过程中流员和时间的设定、液位和滤清器堵塞报警指 示。两者的通讯连接关 系如图3所示。6结束语工程装备传动油滤 清机集多种功能于一 体，按系统提示操作， 通过连接不同的管路， 可实现传动系统的压力 清洗、动力加油、废油收集.利用被保养装备动力进行传动油过滤，传动油液 过滤精度可达到10pm。所有滤清过程可以实现定时作 业，所有补油、加油可以实现定量操作。极大地简化了 :使用人员的摸作难度.提高了传动系统保养的效率。#开发与创新#工业机器人结构设计作者：朱同波，蔡凡，刘伟，ZHU Tong-Bo, CAI Fan， LIU Wei作者单位：闽南理工学院福建泉州362700刊名：机电产品开发与创新英文刊名：Development & Innovation of Machinery & Electrical Products年，卷（期）: 被引用次数：2012,25(6)2次参考文献（4条）1. 冯辛安机械制造装备技术20082. 郭巧现代机器人学19993. 黄继昌;徐巧鱼实用机构图册20084. 日本机器人学会新版机器人技术手册2007引证文献（2条）1. 方启程，周俊，戴文静,李金波基于Petri网的柔性制造系统中工业机器人故障诊断期刊论文-上海工程技术大学学报2015（3）2. 黄世亮基于RR&PI机构的五自由度混联机械臂的研究学位论文硕士 2013引用本文格式：朱同波.蔡凡.刘伟.ZHU Tong-Bo CAI Fan. LIU Wei工业机器人结构设计期刊论文-机电产品开发与创新2012（6）