工業機械臂結構設計要點和性能探究

摘 要：工業機械臂具有工作空間大、占地空間小及可控性好等方面優點，在各類生產行業有廣泛的應用。但工業機械臂普遍存在負載小、剛性不足及關節伺服電機負載大的問題。針對上述現象本文提出一種基于四桿機構原理的新型機械臂結構。利用平行四邊形框架抵消外部彎矩，減小關節電機對大臂的驅動功率，提高整機剛度。

關鍵詞：工業機械臂；新型機械臂結構；負載；剛度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.019

0 引言

工業機械臂是一種仿生機電設備，能模擬人手動作通過改變目標物體的位姿來實現作業。可完成搬運、焊接、切割、噴涂及裝配等工作。工業機械臂操作可控，可實現人機交互，用途比較廣泛。由于工業機械臂的結構特點，整體架構屬于費力杠桿，并且傳動齒輪間隙的存在也會降低機械臂的剛度及運動精度。因此提高機械手臂的負載能力、提高整體剛度及降低驅動能耗成了機械臂性能提升的關鍵問題。

1 機械臂結構設計

工業機械臂的主要部件包括回轉部、大臂、小臂及腕部。回轉部可完成整機的回轉運動，大臂和小臂的配合運動可實現機械臂末端的空間位置移動，腕部能實現俯仰軸與擺軸兩個動作。各部件的運動配合實現機械臂設定的運動軌跡。

1.1 大臂、小臂結構

大臂由平衡缸、電動缸及大臂梁組成，小臂由電動缸II、平衡缸II及小臂梁組成，均為平行四邊形框架結構構形式，電動缸安裝在各自的對角線上，電動缸由關節電機、離合器、絲杠、推桿及缸體等零部件組成，端部的關節電機通過離合器帶動絲杠旋轉，絲杠上的螺母驅動推桿伸縮，推桿的伸縮帶動四邊形框架夾角的變化，從而實現機械臂的水平和豎直方向的移動。

1.2 機械臂回轉部結構

回轉部由伺服電機、渦輪、蝸桿、回轉支撐、回轉軸、立柱、箱體等零部件組成。為了平衡渦輪的側向推力及消除渦輪與蝸桿之間的間隙。蝸桿采用對稱布置的形式。2臺伺服電機帶動蝸桿旋轉，驅動與渦輪連接的機體做回轉運動。這個結構的有點是可傳遞扭矩大，自鎖性好，精度高，節省一個減速器。

1.3 機械臂腕部

機械臂的腕部由渦輪蝸桿傳動副、支撐件、4臺伺服電機、俯仰部件、輸出法蘭等部分。能實現俯仰軸與擺軸兩個動作。兩個動作依靠差動原理來實現。U型支撐兩側對稱布置差動輸入單元，差動輸入單元由伺服電機、渦輪蝸桿傳動副及錐齒輪等部件組成。通過傳動軸及中空軸將U型支撐兩側的錐齒輪及渦輪蝸桿聯結。差動輸出單元由錐齒輪及擺軸組成。利用伺服電機控制兩側渦輪的傳動實現俯仰軸與擺軸兩個動作。

2 機械臂能耗分析

新結構的機械臂驅動功率較其他結構機械臂明顯降低，負載質心無偏移時能耗比二連桿機械臂降低約25%，比TITAN工業機械臂降低約35%。負載質心偏移500mm時能耗比二連桿機械臂降低約45%，比TITAN工業機械臂降低約52%。

3 機械臂剛度分析

本文利用有限元分析方法對機械臂桿件進行剛度分析，分析前將模型中對分析結果影響不大的孔、倒角等部分進行壓縮處理，然后給模型添加比較可靠的邊界條件，再把模型網格化，最后得到機械臂工作空間內的x、y及z方向的剛度分布如圖所示。機械臂x方向的剛度與負載的關系為2.3～245N/μm，機械臂y方向的剛度與負載的關系為2.7～15N/μm，機械臂z方向的剛度與負載的關系為7.7～13.1N/μm，綜合剛度由于同樣負載下的其他結構機械臂。

4 結論

本文論述了常規機械臂存在的一些問題，指出機械臂優化的關鍵點，設計了一種采用平行四邊形框架結構的新型機械臂，機械臂大臂及小臂的驅動依靠四邊形對角線上的電動缸來完成，腕部的運動靠差數原理實現。回轉運動利用底座上渦輪兩側的雙蝸桿傳動實現。與其他結構機械臂相比同工作條件下驅動能耗降低，同驅動功率下負載能力提高，同負載下整機剛度明顯提高。可廣泛應用在負載大及末端運動要求精度較高的場合。

參考文獻：

[1]孫龍飛.機械手臂結構設計與性能分析[J].農業機械學報，2017

（08）.

[2]梁亮.某自動裝填機械手的結構設計與分析[J].南京理工大學， 2015.

[3]武戰君等.基于Pro/E和ANSYS的機器人手臂性能分析和結構優化設計[J].長春理工大學學報（自然科學版），2011.

[4]鹿玲等.基于Kane方程的冗余驅動5UPS/PRPU并聯機床動力學分析[J].農業機械學報，2016（06）.

[5]徐海黎等.工業機器人的最優時間與最優能量軌跡規劃[J].機械工程學報，2010（09）.

作者簡介：古家希（1985-），男，重慶人，本科，中級工程師，講師，研究方向：自動化控制技術。