重載鑄造機器人手腕優化設計

吳文杰，石旗勇

(1.貴陽職業技術學院 裝備制造分院,貴州 貴陽 550081；2.浙江萬豐科技開發股份有限公司，浙江 紹興 312500)

0 引言

工業機器人是一種可模仿人手臂動作、柔性好、結構緊湊、能替代人進行重復勞動的自動化設備[1]。在鑄造領域，機器人除用于搬運鑄件外，還廣泛用于澆鑄、造型、制芯、下芯、清理以及檢驗等工序[2]。機器人長期處于高溫多粉塵的鑄造環境中，故障頻率較高，距離工作區最近的手腕故障頻率更高，需要經常維護維修。而傳統工業機器人手腕電機通常布置于小臂后端，然后再通過傳動軸將動力傳遞至手腕單元，分別驅動腕部擺動和手部轉動。這樣的結構能在一定程度減小腕部體積，但其零件多、裝配關系復雜，維修難度較大。手腕屬于工業機器人本體結構中的關鍵部件，對機器人的作業靈活性有重要影響[3]，如何優化手腕結構，使其加工、裝配以及維護更簡便，具有更好的工作精度及可靠性，成為機器人研制單位重點研究的課題。

針對上述問題，設計了一種重載鑄造機器人手腕，將電機直接內置于手腕內部，用組塊化程度更高的RV減速器代替多級齒輪減速結構，減少了零部件數量，縮短了傳動鏈，使整個手腕結構更加簡單，加工、裝配和維修更加容易。

1 工業機器人總體設計

1.1 六自由度串聯式機器人結構

六自由度串聯式機器人是由基座、大臂、小臂和手腕四大構件通過J1～J6六個關節順序串聯形成的空間機構，其結構如圖1所示。J1、J4、J6為轉動關節，由伺服電機通過減速器帶動旋轉；J2、J3和J5為擺動關節，由電機通過減速器或其他減速裝置帶動擺動，擺動范圍受機械結構限制。其中，手腕由J5和J6兩個關節組成，手腕具有俯仰和擺動2個自由度，用于調整機器人末端姿態[4]。

圖1 六自由度工業機器人結構

1.2 工業機器人手腕設計目標

設計一種六自由度串聯式大型工業機器人手腕結構，主要設計指標為：手腕額定負載250 kg，J5軸動作范圍為±125°，J5軸最大運動速度為120 (°)/s，J5軸允許彎矩為1 400 Nm；J6軸動作范圍為±360°，J6軸最大運動速度為190 (°)/s，J6軸允許彎矩為770 Nm。

1.3 手腕總體設計方案

關節變形是造成六自由度工業機器人絕對定位精度偏低的因素之一，傳動帶、齒輪箱等傳動機構變形是引起關節變形的主要因素[5]。手腕是六自由度工業機器人的關鍵部位，需要在較小的空間內布置較多的零件，設計結構合理、關節變形小、制造工藝性好的手腕難度較大。因此，在結構設計上應盡可能地采用短傳動鏈結構，增加傳動鏈剛性，減小形變。此外，在滿足功能、性能的前提下，提高零件的組塊性，減少零件數量，更有利于產品的加工、裝配和維護?？紤]到大型工業機器人腕部在工作情況下傳動鏈承受較大的負載和沖擊載荷，為保證傳動鏈具有足夠的剛性，本設計中手腕采用齒輪傳動結構，為減少零件數量，在結構上采用組塊化程度更高的RV減速器，手腕總體結構如圖2所示。其特點是：J5軸電機置于腕部殼體內部，通過2級齒輪傳動驅動J5軸RV減速器；J6軸電機安裝在手部殼體內，直接驅動J6軸RV減速器。整個手腕各傳動鏈更短，各傳動鏈零件數量更少，更加便于加工和維護。

1-腕部殼體；2-右蓋；3-第一齒輪；4-軸座；5-第一軸承；6-惰輪；7-第二齒輪；8-J5軸RV減速器；9-J6軸電機；10-J6軸RV減速器；11-法蘭盤；12-第三齒輪；13-手部殼體；14-支撐軸；15-支撐軸承；16-J6軸線纜；17-J5軸電機；18-左蓋

1.4 關鍵零件減速器的選擇

工業機器人關節通常采用RV減速器或諧波減速器進行減速增力[6-9]。諧波減速器主要由剛輪、柔輪和波發生器組成，具有傳動比大、結構緊湊、體積小等特點，但由于在每轉工作中柔輪均發生變形，在重載情況下較容易發生疲勞損壞，因此，通常適用于小型化和低、中載荷的情景。而RV減速器是在傳統針擺行星減速器基礎上發展起來的新型減速裝置，其傳動精度高、抗沖擊能力強，結構中無柔性體零件，故其疲勞強度、剛度和壽命較諧波減速器更高[10]，比較適合于中、重載荷的情景。本研究中的手腕，額定負載達250 kg，采用諧波減速器無法滿足設計壽命要求，因此選用日本Nabtesco公司的RV減速器。RV減速器有C系列、E系列和N系列，C系列為中空結構，不滿足手腕結構要求；N系列為E系列的升級版本，同樣性能下N系列的尺寸和重量較E系列小，但價格較高。為減小手腕尺寸，同時控制成本，經綜合考慮，J6軸減速器選用RV-80E-80型，減速器外殼轉動時速比為80∶1；J5軸減速選用RV-125N-111型，減速器外殼轉動時速比為111∶1,經計算校核，所選減速器滿足設計要求。

2 傳動組件設計

2.1 腕部擺動設計

腕部擺動組件結構如圖3所示。腕部殼體為Y狀結構且內部中空，Y型叉的內側相對設置有J5軸RV減速器和支撐軸承,J5軸電機安裝在腕部殼體內腔中并通過二級齒輪減速驅動J5軸RV減速器。腕部擺動傳動鏈為：J5軸電機→第一齒輪→惰輪→第二齒輪→J5軸RV減速器。腕部擺動速度nJ5為：

其中：n5為J5軸電機轉速；iRV5為J5軸RV減速器減速比；Za為第一齒輪齒數；Zc為第二齒輪齒數。

由于機械加工誤差的存在，齒輪傳動存在間隙。要提高傳動精度，在齒輪傳動結構上，重點考慮消除齒輪傳動間隙[11]。本設計中將惰輪設計成可調整形式，以消除齒輪傳動間隙，具體結構如圖3所示。惰輪4通過第一軸承6套裝在軸座3上，惰輪中心位于第一齒輪2和第二齒輪5中心連線的一側，即惰輪4、第一齒輪2和第二齒輪5三者中心的連線構成一鈍角三角形，惰輪中心位于鈍角頂點上。裝配時，通過調整螺釘7將軸座3向第一齒輪2和第二齒輪5中心連線方向頂靠，使得相鄰兩個齒輪間緊密貼合，消除齒輪間隙。

1-腕部殼體；2-第一齒輪；3-軸座；4-惰輪；5-第二齒輪；6-第一軸承；7-調整螺釘

2.2 手部轉動組件設計

手部轉動組件結構如圖4所示。手部殼體為U狀結構，手部殼體5末端設置有J6軸RV減速器4，減速器端部設有安裝工具用的法蘭3，J6軸電機插裝在U型叉內部直接驅動J6軸RV減速器4。U型叉的外側壁面上設置有兩個凸耳，分別用于與腕部中J5軸RV減速器和支撐軸承連接，其中與支撐軸承連接的凸耳中空，J6軸電機線纜從中引出進入腕部殼體內部。手部轉動傳動鏈為：J6軸電機→第三齒輪→J6軸RV減速器→法蘭。手部轉動速度nJ6為：

nJ6=n6/iRV6.

其中：n6為J6軸電機轉速；iRV6為J6軸RV減速機減速比。

3 結語

為解決鑄造機器人手腕維修不便的問題，設計了一種重載機器人手腕總體方案及具體傳動結構。與傳統結構相比，碗部擺動組件和手部轉動組件相互獨立，模塊性更強，同時采用組塊性更強的RV減速器，各組件集成度更高，零件更少，更利于生產制造和裝配以及維修，各軸傳動鏈更短，傳動精度得到進一步提升，更好地滿足了機器人在鑄造領域的使用要求。

1-J6軸電機；2-第三齒輪；3-法蘭；4-J6軸RV減速器；5-手部殼體；6-支撐軸；7-J6軸線纜；8-線夾