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0769-85842789所屬欄目：技術(shù)文章作者：越聯(lián)儀器點(diǎn)擊率：發(fā)布時(shí)間：2015-08-18 17:31:10
對于工業(yè)機器人的設計與大多數機械設計過(guò)程相同;首先要知道為什么要設計機器人？機器人能實(shí)現哪些功能？活動(dòng)空間(有效工作范圍)有多大？了解基本的要求后，接下來(lái)的工作就好作了。
首先是根據基本要求確定機器人的種類(lèi)，是行走的提升(舉升)機械臂、還是三軸的坐標機器人、還是六軸的機器人等。選定了機器人的種類(lèi)也就確定了控制方式，也就有了在有限的空間內進(jìn)行設計的指導方向。
接下來(lái)的要做的就是設計任務(wù)的確定。這是一個(gè)相對復雜的過(guò)程，在實(shí)現這一復雜過(guò)程的第一步是將設計要求明確的規定下來(lái);第二步是按照設計要求制作機 械傳動(dòng)簡(jiǎn)圖，分析簡(jiǎn)圖，制定動(dòng)作流程表(圖)，初步確定傳動(dòng)功率、控制流程和方式;第三步是明確設計內容，設計步驟、攻克點(diǎn)、設計計算書(shū)、草圖繪制，材 料、加工工藝、控制程序、電路圖繪制;第四步是綜合審核各方面的內容，確認生產(chǎn)。
下面我將以六軸工業(yè)機器人作為設計對象來(lái)闡明這一設計過(guò)程：
在介紹機器人設計之前我先說(shuō)一下機器人的應用領(lǐng)域。機器人的應用領(lǐng)域可以說(shuō)是非常廣泛的，在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上的就有很多例子，如垛碼機器人、包裝機器 人、轉線(xiàn)機器人;在焊接方面也有很例子，如汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上的焊接機器人等等;現在機器人的發(fā)展是非常的迅速，機器人的應用也在民用企業(yè)的各個(gè)行業(yè)得以延伸。 機器人的設計人才需求也越來(lái)越大。
六軸機器人的應用范籌不同，設計形式也各不相同。現在世界上生產(chǎn)機器人的公司也很多，結構各有特色。在中國應用最多的如：ABB、Panasonic、FANUK、莫托曼等國外進(jìn)口的機器人。
既然機器人的應用那么廣泛，在我國卻沒(méi)有知名的生產(chǎn)公司。對于作為中國機械工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)值得思考的問(wèn)題!有關(guān)機器人技術(shù)方面探討太少了？從業(yè)人員還不能成群體？雖然在很多地方可以看到機器的論術(shù)，可是卻沒(méi)有真正形成普及的東西。
六軸機器人是多關(guān)節、多自由度的機器人，動(dòng)作多，變化靈活;是一種柔性技術(shù)較高的工業(yè)機器人，應用面也最廣泛。那么怎樣去從頭開(kāi)始的設計它呢？工作范圍又怎樣去確定？動(dòng)作怎樣去編排呢？位姿怎樣去控制呢？各部位的關(guān)節又是有怎么樣的要求呢？
首先我們設定：機器人是六軸多自由度的機器人，手爪夾持二氧氣體保護焊標準焊槍;完成點(diǎn)焊、連續焊等不同要求的焊接部件，工藝要求、工藝路線(xiàn)變化快的自動(dòng)生線(xiàn)上。最大伸長(cháng)量：1700mm;轉動(dòng)270度;底座與地平線(xiàn)水平固定;全電機驅動(dòng)。
首先是全電機驅動(dòng)的，那么我們在考慮方案的時(shí)候就不要去考慮液壓和氣壓的各種結構了，也就是傳動(dòng)機構只能用齒輪齒條、連桿機構等機械機構了。
機器人是用于焊接方面的，那么我們就去考察有人工行為下的各種焊接手法和方法。這里就有一個(gè)很復雜的東西在里面，那就是焊接工藝;即然焊藝定不下來(lái)，我們就給它區分一下，在常用焊接里有單點(diǎn)點(diǎn)焊、連續斷點(diǎn)點(diǎn)焊、連續平縫焊接、填角焊接、立縫焊接、仰焊、環(huán)縫焊等等。
搞清了各種焊方法，也就明白了要實(shí)現這些復雜的動(dòng)作就要有一套可行的控制方式才行;在機械沒(méi)有完全設計出來(lái)之前可以不做太多的控制方案思考，有一個(gè)大概的輪廓概念就行了，待機械結構做完，各方面的驅動(dòng)功率確定下來(lái)之后再做詳細的程序。
焊槍是用常用的標準的焊槍?zhuān)簿褪钦f(shuō)焊槍是隨時(shí)可以更換下來(lái)的，也就要求我們要做到對焊槍的夾持部分進(jìn)行快速鎖定與松開(kāi)。
焊槍在焊接過(guò)程中要進(jìn)行各種焊接姿態(tài)調整，那么機械手腕就要很靈活，在各個(gè)方位角度上都可調節。
有了上面的基本要求和設定條件，方案推理也有了條理，接下來(lái)我們就把設計要求明確下來(lái)，設計方向就不會(huì )有太大的偏離了。
設計要求：機器人適用于焊接領(lǐng)域，可以完成各種焊接動(dòng)作;為了機器人能適應各種焊接工藝，在線(xiàn)調整工藝快速，編制控制程序時(shí)采用柔性控制程序，自適應在線(xiàn)、離線(xiàn)示教程序;焊縫、焊池、焊道成像跟蹤，自動(dòng)調節焊機的各項參數。
機器人采用全伺服驅動(dòng)，地面固定安裝。六軸控制，各關(guān)節運動(dòng)靈活，按工藝描述表設計各軸動(dòng)作范圍，盡量使機構緊湊，整體外形美觀(guān)。
機械設計：根據設計要求及工藝描述設計各關(guān)節的機械機構，確定各部件的材料和加工工藝;制作計算書(shū)，驗算機械強度、驅動(dòng)功率和給出最大抓(舉)重量，各運動(dòng)路徑的慣量計算，位姿的控制計算。驗算機器人各關(guān)鍵部件使用壽命。結合控制程序及電路制作機器人維修保養說(shuō)明書(shū)。
程序控制設計：根據設計要求與機械工程師最后制定的工藝路線(xiàn)設計控制流程;結合機械結構與驅動(dòng)、信號反饋方式，設計機器人運動(dòng)程序;程序要具有自適應功能，自動(dòng)定點(diǎn)跟蹤，對焊機電流、電壓實(shí)時(shí)監測，并自動(dòng)調節;焊道、焊池用成像監測判別技術(shù)。
有了這樣一個(gè)文件，我們就好設計了;那么我們首先就要做的是：繪制機器人動(dòng)運簡(jiǎn)圖，規劃機器人運動(dòng)軌跡，做好這些我們就可以進(jìn)行機械機構的設計，同時(shí)可以考慮程序的線(xiàn)路圖了。
先做一個(gè)簡(jiǎn)圖，來(lái)研究一下運動(dòng)規跡。
當我們把機械運動(dòng)簡(jiǎn)圖畫(huà)好后，一般的情況下是先對簡(jiǎn)圖進(jìn)行分析;雖然簡(jiǎn)圖不能全部反映機械結構的組成，但是它卻表現出了要設計的物體的總體輪廓。
那么對于我們這個(gè)機器人的簡(jiǎn)圖，我們從哪里著(zhù)手分析才合理呢？
首先，我們看一下設計任務(wù)書(shū)的內容。從任務(wù)書(shū)中知道，六個(gè)軸中有三個(gè)軸是做旋轉運動(dòng)的，其余作擺角運動(dòng)。
結合任務(wù)書(shū)，我們看一下簡(jiǎn)圖，是不是第1軸、第4軸和第六軸是做轉動(dòng)的，也就是說(shuō)我們要檢查一下我們所畫(huà)的簡(jiǎn)圖是不是與任務(wù)書(shū)中的要求相符合，符合了也就代表我們的設計思路與要求(客戶(hù)要求)相同，可以進(jìn)行下一步工作，如果不同，就得重新畫(huà)簡(jiǎn)圖。
從簡(jiǎn)圖知道，機器人的手臂伸縮范圍較大;如果把手臂全部伸直，而且我們假設地把它們看成同一鋼體，這樣就形成一端固定的懸臂梁。
應用力學(xué)知識體系中的有關(guān)梁的分析我們知道，要搞清懸臂梁的變形量，首先要知道梁的重量和截面慣量。
由簡(jiǎn)圖知道，由于有多個(gè)關(guān)節連接，要知道截面形狀和慣量不太容易，只有把所有的機構都設計完成后才會(huì )知道想求的參數。
由簡(jiǎn)圖看出，第二軸擔負著(zhù)手臂的上下運動(dòng)，而且手臂又比較長(cháng)，在運動(dòng)的過(guò)程中必然存在著(zhù)慣性沖量，也就是說(shuō)，當大臂的運動(dòng)速度很慢時(shí)，慣性就很小; 如果速度加快，慣性就加大，這個(gè)慣性沖量是與速度有著(zhù)線(xiàn)性關(guān)系;怎樣保持一定的速度，又不讓?xiě)T性隨著(zhù)變化呢？大家都知道，增加阻尼，可有效消除這種關(guān)系。 這樣，大家就可以理解簡(jiǎn)圖上兩個(gè)彈簧的用意了。
即然是這樣，那我們就從手腕開(kāi)始設計。也說(shuō)是大家所說(shuō)的從上到下的設計方法。
設計手腕要考慮哪些問(wèn)題呢？可以知道的是有一把焊槍?zhuān)笜尩闹亓坎皇呛苤兀瑫r(shí)要有夾持焊槍的手爪。也就是說(shuō)手腕在轉動(dòng)時(shí)的負載是不大的，選擇驅動(dòng)功率不大的元件就行了。
要讓手腕在360度范圍內轉動(dòng)，而且后面緊跟著(zhù)又有一個(gè)上下擺動(dòng)的關(guān)節;手腕又是在機器人手臂的最前端，當然總體質(zhì)量不能太重。用什么樣的機構最好呢？下面我們考慮幾個(gè)方案：
1.如簡(jiǎn)圖所示，采用行星齒輪傳動(dòng)。電機驅動(dòng)太陽(yáng)輪，行星輪繞太陽(yáng)輪轉動(dòng)，內齒輪經(jīng)行星輪減速與太陽(yáng)輪反向運動(dòng)，電機與太陽(yáng)輪同軸安裝。
2.多級齒輪減速傳，電機安裝于手腕一側。
3.擺線(xiàn)針輪減速傳動(dòng)，電機與偏心軸同軸安裝。
4.蝸輪蝸桿減速傳動(dòng)，電機有兩種安裝方式;一種與輸出軸成90度安裝，另一種與輸出軸同軸線(xiàn)反向錯位安裝。
如上所述，還有很多種方式方法，到底選哪一種最好呢？這樣我們就要做比較了。從上面的方案里看，第2種方法是不行的;第4種方法如果采用，手腕的結構就會(huì )很大，不利于機器人在運動(dòng)時(shí)做精密定位。這樣我們去除了兩種方法，我們再比較一下第1種和第3種方法;
行星齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比大，結構復雜，齒輪副配合有間隙，不能自鎖。如果采用就得提高齒輪精度，由于是精密傳動(dòng)，齒輪材料也不能按常規齒輪選用材料，加工工藝相對常規齒輪相復雜的多。
擺線(xiàn)針輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比大，結構復雜，傳動(dòng)間隙小，可以自鎖。如果采用，手腕的尺寸不會(huì )太小，并且零件加工困難，精度不易保證。
比較各方面后，決定采用行星齒輪傳動(dòng)機械結構。行星齒輪在傳動(dòng)的過(guò)程中有裝配間隙和機械磨損所造成的間隙;要消除這些機械間隙首先就要讓齒輪副的配 合間隙要小，齒輪材料經(jīng)熱處理后表面要耐磨，因此行星齒輪副的設計計算不能按常規行星齒輪的設計方法去計算。機器人的手腕是很靈活的關(guān)節，而且是要做正反 兩個(gè)方向的回轉。怎么樣安裝電機是一個(gè)問(wèn)題;行星齒輪傳動(dòng)機構與手腕俯仰關(guān)節連接是一個(gè)問(wèn)題。
還有，手腕的運動(dòng)速可能是非等速的;怎么樣去控制電機？又怎么樣去采集反饋信號？發(fā)出的控制信號到執行單元的過(guò)程中有沒(méi)外部干擾？它來(lái)自哪里？
再有，就是手腕在運動(dòng)過(guò)程中的精度;手腕在空間做相對運動(dòng)，怎樣去實(shí)現運動(dòng)精度？影響運動(dòng)精度的因素有哪些？
在設計手腕這前一定要搞清楚影響手腕的各方面的因素及內容，問(wèn)題得到解答后再真正開(kāi)始手腕的設計。
即然我們選用了行星齒輪傳動(dòng)，那么我們就要進(jìn)行行星齒輪的相關(guān)計算。
首先選定模數，由于機器人手腕部分結構要求盡量的小，輸出的轉矩也相應不是很大，但是，它卻會(huì )在正反兩個(gè)方向上存在著(zhù)高速換向的可能，也就是說(shuō)在換 向時(shí)齒輪要克服很大的慣性力，因此，模數的選擇計算要按輸出轉矩的數倍來(lái)計算，也就是說(shuō)：在按強度計算模數時(shí)，安全系數選大些。同時(shí)由于結構的限制，盡量 選用小模數。有關(guān)齒輪的計算公式大家可以查閱《齒輪設計手冊》。這里我選用模數為：1m選定了模數，下面就要計算傳動(dòng)比，有關(guān)行星齒輪傳動(dòng)的計算大家可查 閱《齒輪設計手冊》或《機械設計手冊》內的《齒輪傳動(dòng)部分》，里面有詳細的介紹和計算范例。在此不作介紹和引用。
行星齒輪傳動(dòng)，必定有一個(gè)結構是浮動(dòng)的，在機器人手腕部分是不是也適用呢？哪一部分做輸了出？哪一部分浮動(dòng)？
首先，機器人手腕做360度轉動(dòng)，結構又比較小，再者就是它的輸出部分是要有一個(gè)法蘭，用來(lái)安裝夾持執行部件的。
如果讓行星架浮動(dòng)，行星齒輪分布在太陽(yáng)輪圓周上，讓它浮動(dòng)時(shí)，在運轉過(guò)程中它不是繞定軸轉動(dòng)，也就是說(shuō)它不滿(mǎn)足輸出法蘭的轉動(dòng)條件。
現在我們考慮一下讓內齒轉動(dòng)，法蘭固定在內齒輪上，這樣就可以保證法蘭的轉動(dòng)條件。
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