工業機器人機械結構模塊化設計

姚林杰

湖北大學知行學院機械與自動化學院 湖北 武漢 430011

引言

科技的快速發展使我國各行業發展迅速。機器人設計過程中,機械系統設計屬于十分重要的內容及組成部分,也是整體設計中的關鍵內容。在機器人機械系統設計中,并行設計屬于比較重要的一種設計模式,也是比較科學的一種方法。

1 機器人機械系統設計特點

首先,復雜性特點。就機器人機械結構的整體而言,其相當于通過關節將一系列懸臂杵件進行串連的開式鏈,然而由于誤差以及變形不斷產生,在對結構實行設計過程中,不但要使開鏈結構能夠保證靈活性以及能動性,并且對于該結構所產生運動傳遞以及誤差補償、消除等相關問題需要進行處理,也就導致機械結構設計相對比較復雜。其次,依賴性特點。在整個機器人構成中,由于機械系統、感知系統及控制系統屬于構成一個整體,存在十分密切的聯系,因而在機械系統整體設計過程中,其設計方案、結構方案等,需要在確定感知系統及控制系統的方法、方式及手段的基礎上才能夠得以實現,因而具有依賴性特點。再次,協調性特點。對于機器人機械系統而言,其形式及實現手段等方面因素,對于控制系統結構以及其復雜程度等方面均會產生直接影響,并且對于其它系統部件具體結構,以及安裝與調控也會產生影響,因而在對機械系統進行設計過程中,需要協調其它各個系統,在此基礎上才能夠使系統設計取得更加理想的效果,滿足實際設計需求。

2 模塊劃分方法及理論

在對工業機器人進行市場調查與功能分析的基礎上,將機器人產品分成一系列相對通用的功能模塊,并定義模塊的接口及各模塊要求。模塊劃分時要考慮的因素如下:(1)模塊劃分的原則是以盡可能少的模塊組成更多產品。(2)模塊結構及功能有一定的獨立性和完整性。(3)為了保證相同功能模塊的互換和不同功能模塊的組合,模塊應具有可組合性和可互換性兩個特征。

3 機器人伺服電機與減速器選型

機器人每個關節的運動都是通過伺服電機通過減速器提升扭矩后產生的。伺服電機主要根據以下6個參數進行選型:①額定轉速；②最高轉速；③額定轉矩；④額定功率；⑤轉動慣量；⑥慣量比。目前市場中適合用于機器人使用的伺服電機主要有松下、山洋、翡葉動力和臺達以及拉法特等。考慮電機的性價比,JR-80機器人采用松下A6系列伺服電機作為驅動電機。可用于工業機器人上應用的高精度減速器有RV 減速器和諧波減速器兩大類,諧波減速器因為其結構特點的原因不適用于大負載的工作環境,因此JR-80機器人選用RV 減速器作為機器人的傳動系統。

4 優化設計流程

在工業機器人結構設計工作中,要確定臂長后對其進行優化處理,在最小工作空間范圍內提升操作效果,維護機械結構設計實效性。另外,要對主體結構進行綜合設計,完善負載慣量估算過程,對驅動力矩予以詳細判定,并進行集中優化驅動部件選型工作,完善傳動裝置設計效果,按照電氣布線和電氣接口設計要點提升實際效率。最后要進行設計產品精度和出圖管理,秉持精細化管理機制,對產品精度進行全面分析,有效整合不同零部件尺寸結構,按照標準化設計要求對機器人樣品進行加工生產管理,保證生產改進機制能發揮實際價值。

5 工業機器人模塊化參數化設計的實現

1.機器人模塊化參數化實現流程進行機器人模塊化參數化設計時,用戶先根據實際工況確定模塊種類、數量及裝配方式,再逐項確定機器人各模塊的尺寸參數,從而確定機器人的機械本體結構。不同的尺寸參數、模塊種類和數量對應結構相似、尺寸不同的機器人。2.搬運機器人模塊化參數化實現案例,以某工況搬運機器人為例進行模塊化設計,抓取對象為長50mm、寬60mm、高50mm 的長方體,質量為0.5kg。經計算,機器人的最大工作半徑為1740mm。(1)搬運機器人模塊選擇,為完成搬運任務,選擇5個模塊組成機器人,分別是執行器模塊、繞z軸旋轉關節、2個繞x(y)軸俯擺關節及底座平臺。(2)搬運機器人參數確定,從執行器末端開始,機器人連桿的長度分別為100mm、160mm、250mm、410mm。所選某品牌減速電機型號分別為2個TN80-40和ZL28-0.75-15S、ZF32-0.75-30S,電機軸徑分別為10mm、10mm、28mm、32mm。3.機器人總圖設計根據機器人零部件參數表,構建組成搬運機器人各模塊零部件的三維模型并將其組裝成機器人的各個模塊,再將各模塊裝配起來,最終完成特定工況下工業機器人的設計。

6 機器人機械系統并行設計模式分析

在機器人機械系統的設計過程中,其并行設計模式的構成主要包括具體方案設計,領域內相關技術分析,實行綜合評價,還包括機械系統具體設計等有關部分。由此可知,方案設計以及領域技術分析所對應的就是普通設計中的概念設計,而綜合評價以及系統具體設計所對應的內容就是普通設計中具體設計。在機器人實際設計過程中,其運動方案設計及傳動方案設計會涉及到很多方面內容,包括機器人機構、誤差檢測辨識以及軌跡規劃等相關技術,還包括軟硬件補償技術、振動與防治,還有動力學參數辨識及關節柔性等有關方面內容,因而需要傳動系統、機構運動以及控制系統,還包括電子系統及制造工藝與裝配等有關各個方面技術作為支持,另外,機器人運動及傳動形式對于支持技術系統有關方法及方式也具有決定性作用。因此,運動方案設計與傳動裝置方案設計,還有支撐系統分析設計,彼此之間存在并行設計協作關系,從而使其它機械系統方案和其它相關系統方案之間能夠實現協調,使設計能夠更加有效可靠,并且更加便捷。

結語

在機器人機械系統的實際設計過程中,并行設計模式屬于比較有效的一種模式,并且也是比較理想的一種模式,通過并行設計模式的應用,可使機械系統設計更加具有科學性及合理性。