輕量化工業(yè)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

余天榮 傅志鋒 黃浩墘

摘要：隨著雙碳政策的出臺(tái)，節(jié)能減排成為未來(lái)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的重要趨勢(shì)。要降低工業(yè)機(jī)器人的能耗，最直接有效的方式就是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體的輕量化設(shè)計(jì)。鑒于此，概述了輕量化工業(yè)機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；雙碳；輕量化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP242.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）07-0056-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.07.015

1? ? 設(shè)計(jì)背景及目標(biāo)

1.1? ? 工業(yè)機(jī)器人本體的發(fā)展趨勢(shì)

工業(yè)機(jī)器人是先進(jìn)制造業(yè)的關(guān)鍵支撐裝備，大力發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，對(duì)于打造中國(guó)制造新優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，加快制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)具有重要意義。近幾年，我國(guó)持續(xù)勞工荒，人工成本快速上漲，加上勞工對(duì)工作健康環(huán)境日益重視，傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，使用機(jī)器人替代人，已成為未來(lái)工業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。

隨著“我國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”重大戰(zhàn)略決策的出臺(tái)，節(jié)能減排成為未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)的必然趨勢(shì)[1]，而想要降低能耗需要技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的負(fù)載自重比極低，電機(jī)的功耗大部分用于負(fù)荷機(jī)器人本體本身的運(yùn)動(dòng)，真正用于做有用功負(fù)載搬運(yùn)的能量占比很少，往往不到10%，造成極大的能源浪費(fèi)。要降低工業(yè)機(jī)器人的能耗，最直接有效的方式就是提高機(jī)器人的負(fù)載自重比，即進(jìn)行本體的輕量化設(shè)計(jì)[2]。

1.2? ? 設(shè)計(jì)目標(biāo)

經(jīng)調(diào)研，傳統(tǒng)6～8 kg負(fù)載的機(jī)器人負(fù)載自重比小于1：20。本文目標(biāo)為通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)，使得6～8 kg負(fù)載機(jī)器人在相近性能參數(shù)的前提下，本體重量降低50%以上，即本體重量在60 kg左右，負(fù)載自重比達(dá)到1：10以上。

2? ? 輕量型工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)小六軸工業(yè)機(jī)器人的減速器配置為1～3軸采用3個(gè)擺線針輪減速器，4～6軸采用3個(gè)諧波減速器。6個(gè)減速器的總重量為25 kg，加上6個(gè)電機(jī)的總重量為35 kg。鑄件1～3軸采用鑄鐵件，總重量為100 kg，4～6軸采用鑄鋁件，總重量為30 kg，鑄件總重量為130 kg，電機(jī)減速器加鑄件的總重量為165 kg。由此可見(jiàn)，采用傳統(tǒng)的配置方案，機(jī)器人本體是很難實(shí)現(xiàn)大幅度減重的。因此，本文輕量化機(jī)器人設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)減速器重新進(jìn)行選型，6個(gè)軸都采用了諧波減速器，鑄件全部采用鑄鋁件，可以大幅降低本體重量，在此基礎(chǔ)上重新進(jìn)行電機(jī)選型，可以大幅降低電機(jī)的功率要求，從而減小電機(jī)尺寸，減輕電機(jī)重量。基于此，重新進(jìn)行本體鑄件的設(shè)計(jì)，可以減小鑄件的尺寸和重量。完成設(shè)計(jì)后，重新對(duì)電機(jī)、減速器、鑄件進(jìn)行仿真分析校核，反復(fù)驗(yàn)證修改，最終達(dá)到使用要求。

2.1? ? 初步擬定設(shè)計(jì)參數(shù)

初定機(jī)器人的負(fù)載、本體重量、臂展與各軸最大速度等參數(shù)，要求機(jī)器人本體整機(jī)防護(hù)等級(jí)在IP65以上，如表1所示。

2.2? ? 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以J1軸為例，采用中空減速器，同步帶傳動(dòng)，便于穿線。2～5軸采用類似傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，整機(jī)內(nèi)走線，便于密封，整機(jī)防護(hù)等級(jí)可以達(dá)到IP65。6軸采用電機(jī)減速器直連的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，一致性、可靠性高。

本體結(jié)構(gòu)模塊化、緊湊化設(shè)計(jì)。1、2軸底座部分，3、4軸箱體部分，5、6軸腕體部分形成標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，便于獨(dú)立安裝和自由組合。RB06Q1-1430、RB08Q1-1230、RB06Q1-1600采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)不同模塊和連桿的組合，得到不同臂展、不同負(fù)載、不同速度的工業(yè)機(jī)器人本體，形成系列化產(chǎn)品，以滿足不同客戶、不同應(yīng)用場(chǎng)合的使用要求。

2.3? ? 本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）重量輕，本體重量約為60 kg，負(fù)載自重比約為1：10，節(jié)省空間，節(jié)能；

2）防護(hù)等級(jí)高，整機(jī)IP65，對(duì)惡劣應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性更高；

3）整機(jī)的安裝占地面積小，可360°安裝，輕松實(shí)現(xiàn)狹小空間內(nèi)工作；

4）模塊化、系列化設(shè)計(jì)。

3? ? 輕量型工業(yè)機(jī)器人仿真分析校核

3.1? ? 輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人的帶載作業(yè)為瞬態(tài)過(guò)程，其關(guān)鍵零部件如關(guān)節(jié)臂、齒輪、軸承等在作業(yè)過(guò)程中是動(dòng)態(tài)的受力過(guò)程。因此這些零部件的強(qiáng)度計(jì)算不能按照靜態(tài)問(wèn)題去分析，需要使用動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)器人帶載作業(yè)，并提取關(guān)鍵零部件的動(dòng)態(tài)載荷，將其輸入有限元分析軟件中對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度分析，為關(guān)鍵受力部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。使用有限元分析軟件進(jìn)行剛強(qiáng)度分析，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足剛強(qiáng)度要求的前提下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的輕量化設(shè)計(jì)，降低成本，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。工業(yè)機(jī)器人輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)路線如圖1所示。

3.2? ? 動(dòng)力學(xué)校核

在三維軟件Solidworks中建立輕量型機(jī)器人幾何模型，并對(duì)模型機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，將其保存為x_t格式導(dǎo)出。在動(dòng)力學(xué)軟件Adams中導(dǎo)入模型。

在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真中，為校核電機(jī)減速器的性能，一般取其最大臂展下單軸的極限速度的90%作為校核工況。現(xiàn)取輕量型機(jī)器人J1軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)最高速度為220（°）/s，關(guān)節(jié)加減速時(shí)間0.25 s，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)選用STEP函數(shù)驅(qū)動(dòng)表達(dá)式為：

STEP（TIME， 0， 0， 0.25， 198D）+STEP（TIME， 0.3， 0，

0.55， -198D）+STEP（TIME， 0.6， 0， 0.85， -198D）+

STEP（TIME， 0.9， 0， 1.15， 198D）

如圖2所示，J1軸關(guān)節(jié)啟動(dòng)包括加速、勻速、減速三個(gè)階段，由于關(guān)節(jié)自身存在摩擦，在加速階段驅(qū)動(dòng)扭矩與摩擦力矩方向相反，驅(qū)動(dòng)力矩克服摩擦力矩驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)做加速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)扭矩最大；在減速階段驅(qū)動(dòng)扭矩與摩擦力矩方向相同，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)做減速運(yùn)動(dòng)，故在減速階段關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩將略小于加速階段。

基于上述分析可得，考慮摩擦力矩作用，J1軸關(guān)節(jié)在極限工況下所需最大扭矩為998 N·m，減速階段所需扭矩為562 N·m；由輕量型機(jī)器人J1軸所選電機(jī)、減速器型號(hào)參數(shù)可得電機(jī)最大扭矩8.4 N·m；減速器減速比100；減速器與電機(jī)之間采用同步帶傳動(dòng)，減速比為4/3。經(jīng)計(jì)算電機(jī)所需最大扭矩為：

998×■×■÷95%≈7.9 N·m＜8.4 N·m

符合電機(jī)減速器要求。

3.3? ? 動(dòng)態(tài)靜力學(xué)校核

通常的靜力學(xué)校核往往采用靜態(tài)載荷，該種校核簡(jiǎn)單方便，但無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算機(jī)器人關(guān)節(jié)在整個(gè)加減速階段的載荷的動(dòng)態(tài)變化對(duì)零部件應(yīng)力及形變的影響。本文采用一種動(dòng)態(tài)靜力學(xué)校核方法，先獲取機(jī)器人在動(dòng)力學(xué)仿真分析中所得到的各關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)載荷曲線，截取某一時(shí)刻的載荷導(dǎo)入有限元分析軟件，從而得到動(dòng)態(tài)載荷的靜力學(xué)仿真結(jié)果。

現(xiàn)取機(jī)器人底座零件做動(dòng)態(tài)靜力學(xué)校核，對(duì)底座做受力分析可得，底座底部與地面接觸，通過(guò)螺栓連接固定；底座頂部的J1軸減速器安裝面與J1軸減速器連接，承受各個(gè)方向的力和扭矩。

如圖3所示，在Adams動(dòng)力學(xué)仿真軟件中導(dǎo)出J1軸關(guān)節(jié)底座動(dòng)態(tài)載荷。

基于上述分析可得，在J1軸極限工況中，J1軸關(guān)節(jié)在加速階段承受的載荷最大，取加速階段0.12 s時(shí)刻，其負(fù)載類型及大小如表2所示。

打開(kāi)Solidworks底座模型文件，將表2所得動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Simulation插件中，定義底座材料屬性：設(shè)置小臂為鑄鋁材料，網(wǎng)格劃分對(duì)底座三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，建立約束，固定底座底部的安裝面，得到底座的應(yīng)力云圖、位移云圖如圖4所示。

模型最大應(yīng)力45.71 MPa，最大變形量0.291 9 mm，均符合該輕量型機(jī)器人性能要求。同理導(dǎo)入J2軸最大臂展極限工況動(dòng)力學(xué)仿真數(shù)據(jù)，劃分網(wǎng)格，建立約束，底座的應(yīng)力云圖、位移云圖如圖5所示。

模型最大應(yīng)力43.37 MPa，最大變形量0.084 56 mm，均符合該輕量型機(jī)器人性能要求。

4? ? 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)機(jī)器人正向設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)電機(jī)減速器重新進(jìn)行選型，重新設(shè)計(jì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及零件，借助數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，通過(guò)仿真分析校核，確認(rèn)輕量型機(jī)器人性能參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，將每個(gè)軸的關(guān)節(jié)做成標(biāo)準(zhǔn)模塊，進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，以滿足不同客戶、不同應(yīng)用場(chǎng)合的使用要求。

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收稿日期：2023-11-30

作者簡(jiǎn)介：余天榮（1987—），男，廣東茂名人，機(jī)械工程師，研究方向：工業(yè)機(jī)器人。