工業機器人機械結構模塊化設計

董澤鋒

碧桂園控股有限公司 廣東 佛山 528000

引言

目前工業機器人設計周期長，成本高，每種機器人配置的應用范圍有限，難以適應市場需求和變化。為了解決上述問題，本文提出了一種工業機器人模塊化的參數化設計方法。用戶可以通過對模塊進行選擇、模塊尺寸選擇的確定和模塊組裝，完成滿足工作要求的工業機器人結構設計。本設計方法簡單，加工周期縮短，產品質量相對較高，維護方便便捷，產品成本較低，具有非常大的市場潛力。

1 模塊化設計思想及其優勢

1.1 模塊化設計思想

模塊化設計是一個漸進的產品設計和生產過程。模塊化的設計思想由來已久，基本構想是利用產品系統的整體功能，在功能分析的基礎上，將整個產品分成若干特定的模塊，然后采用不同的模塊組合，得到不同品種、不同功能的產品，以滿足市場的不同需求。

1.2 工業機器人模塊化設計過程

模塊化設計需要分析工業機器人的功能，劃分和設計了一些通用功能模塊，并對這些模塊進行了選型和配置。功能不同的工業機器人，或者是功能類似的工業機器人，其性能不同、成本是不同的。工業機器人一般情況下都是可以進行機器人的模塊化設計，模塊化設計的優點就是可以有效降低成本，縮短設計周期，改進和維護產品方便操作提高產品市場競爭力等[1]。

2 模塊劃分及接口設計

2.1 模塊劃分方法及理論

在對工業機器人市場調研和功能分析的基礎上，將機器人產品劃分為若干個比較常見的功能模塊，并對各個模塊的接口和需求進行了分析和定義。模塊分配中需要考慮的因素如下：

（1）模塊化產品分割及模塊化產品的基本原理采用以少博大為原則。

（2）模塊的機械結構，其實際的功能具有一定的獨立性和完整性。

（3）需要確保同一種功能的模塊互換性，還可以根據不同的功能進行模塊化的組合，則模塊必須具有“組合”和“互換”的兩個特征。

2.2 模塊劃分及各模塊功能

本文以關節類型的機器人作為研究對象。關節型的機器人是由關節交替連接的連桿組成的。關節型機器人總計可以分為四個模塊設計，假設平行于機器人連接位置的為x軸，而垂直于機器人連接位置的是y軸和z軸。

（1）執行器模塊A：執行器模塊分為三種類型：吸附式執行器、機械夾緊驅動執行器和其他類型執行器（如攝像機、焊槍等）。

（2）繞y軸的搖擺臂模塊B：它提供繞軸的搖擺運動。

（3）繞z軸的旋轉臂模塊C：它提供繞連桿的回轉運動。

（4）基板模塊D：基板模塊可實現機器人的支撐、旋轉、轉動、連接和安裝功能，將機器人固定到指定位置或連接到移動設備。

2.3 接口設計

通過標準接口使用不同系列的模塊使這個接口應盡可能小，接口應簡單、穩定、可靠，促進模塊的快速組合[2]。

3 工業機器人模塊化參數化設計的實現

3.1 機器人模塊化參數化設計的實現流程

在機器人的模塊化參數設計中，用戶首先根據實際操作條件確定組件的類型、數量和組裝方式，然后確定機器人每個模塊的尺寸參數，以確定機器人的機械結構的差異。機器人尺寸模塊的類型和數目對應于結構類似和尺寸不同的機器人。

具體流程如下：

（1）實際工況，即根據機器人所從事的工作類別進行系統的模擬分析。

（2）工作半徑計算，機械手的設計需要根據工作的半徑作為計算標準，半徑過長容易造成精細度不準確，半徑過低容易造成銜接不準確，只有合理的計算，反復的調試驗證，才能達到既定的效果。

（3）確定模塊種類、數量，機器人模塊種類和數量參數的設計可以為制造裝配做好充分的數據支持，在標準化的執行中能夠得到很好的體現。

（4）確定模塊及裝配，根據數據進行模塊確定和裝配步驟的制定，對整個機器人來說是非常重要的，在確定模塊之前應遵循簡單、靈活和標準化的原則。

（5）設計完成。

3.2 機器人總圖設計

我們可以根據機器人的零件參數表，先建立起機器人的各項模塊組件，從建立三維模型開始，同時需要在機器人的各模塊中進行反復的組裝和拼接，完成在大部分的工作情況下的工業機器人的設計[3]。

4 結束語

本文提出了一個工業機器人模塊化的設計方案。結果表明，本次設計的工業機器人模塊從設計方法的角度而言是可行的，完全可以用于其他的機器人模塊化的設計上面。模塊化分工的好壞直接決定了模塊化系列化的成敗，合理的集成這些模塊決定了整個機器的指定功能指標是否實現。所以模塊劃分與集成是工業機器人模塊化建設的關鍵。