小型多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)

四川普什寧江機(jī)床有限公司研發(fā)院 （都江堰 611830） 趙 軍

通用機(jī)床研究所所長(zhǎng) 趙 軍

工業(yè)機(jī)器人與自動(dòng)供料裝置、物流線(xiàn)連接組成自動(dòng)裝配單元，完成自動(dòng)化物流生產(chǎn)線(xiàn)上的裝配作業(yè)。小型多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人為數(shù)控五軸關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式，運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸采用帶編碼器交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，半閉環(huán)位置反饋的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。交流伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)擺線(xiàn)減速機(jī)、諧波減速器等機(jī)構(gòu)，最大限度地減少傳動(dòng)誤差；各關(guān)節(jié)主支撐回轉(zhuǎn)導(dǎo)軌采用高精度、高剛性的十字交叉滾柱軸承，保證關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的靈活及工業(yè)機(jī)器人高精度重復(fù)定位；配置不同的手指附件裝置可滿(mǎn)足自動(dòng)化物流生產(chǎn)線(xiàn)的裝配工序要求，適用于汽車(chē)、摩托車(chē)、工程機(jī)械及家電行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上。小型多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人的外形尺寸及運(yùn)動(dòng)空間位置如圖1所示，手腕外形軸側(cè)投影如圖2所示。

圖1 外形尺寸及運(yùn)動(dòng)空間位置

小型多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人特點(diǎn)

圖2 手腕外形軸側(cè)投影

（1）高精度 工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的傳動(dòng)平穩(wěn)性、重復(fù)定位精度是工業(yè)機(jī)器人性能主要指標(biāo)，在小型多關(guān)節(jié)裝配工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，突破機(jī)械傳統(tǒng)設(shè)計(jì)觀(guān)念，采用大減速比高精度的擺線(xiàn)減速機(jī)，通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)直接與擺線(xiàn)減速機(jī)相聯(lián)接，驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，改善工業(yè)機(jī)器人原有的傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)誤差大的缺點(diǎn)。通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)位置誤差及反向間隙進(jìn)行補(bǔ)償，保證工業(yè)機(jī)器人位置重復(fù)精度不大于±0.05mm。

小型多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人采用自制復(fù)合型、高精度十字交叉滾子軸承如圖3所示，因軸承中圓柱滾子在呈90°的V形溝槽滾動(dòng)面上相互垂直的排列，軸承可承受徑向負(fù)荷、軸向負(fù)荷及傾覆力矩等所有方向的負(fù)荷。內(nèi)外圈的尺寸最大限度地小型化，外圈采用兩體分割的構(gòu)造，軸承預(yù)緊量可調(diào)整，通過(guò)施加預(yù)緊負(fù)荷，而獲得高剛性、高精度，軸承回轉(zhuǎn)、軸向跳動(dòng)精度不大于±0.01mm。該軸承應(yīng)用于工業(yè)工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)部位，從而縮小工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)支撐件安裝空間及簡(jiǎn)化支撐結(jié)構(gòu)，提高工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)剛性及運(yùn)動(dòng)幾何精度。

圖3 十字交叉滾子軸承結(jié)構(gòu)

（2）模塊化設(shè)計(jì) 為擴(kuò)大開(kāi)發(fā)出的工業(yè)機(jī)器人自身通用性，適應(yīng)不同自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的要求，將交流伺服電動(dòng)機(jī)、擺線(xiàn)減速機(jī)及十字交叉滾子軸承集成化、模塊化設(shè)計(jì)如圖4所示，與物流系統(tǒng)自動(dòng)線(xiàn)的針對(duì)性、單一準(zhǔn)確性相結(jié)合，達(dá)到柔性可調(diào)和高效、高精度的目的。

根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的不同功能需求、不同負(fù)荷及精度要求進(jìn)行模塊化組合，模塊之間具有統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的界面，達(dá)到縮短設(shè)計(jì)制造周期、降低制造成本的目的。

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)預(yù)留與外界設(shè)備相連接的各類(lèi)I/O接口，如：I/O Precess插接頭式、I/O Modulea插槽式、I/O Moduleb整體式、I/O Link Adupter等，以便于物流系統(tǒng)自動(dòng)線(xiàn)連接，適應(yīng)工業(yè)機(jī)器人可重構(gòu)化及滿(mǎn)足自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)柔性化要求。

（3）高速度 工業(yè)機(jī)器人快速直線(xiàn)移動(dòng)速度1500mm/s，滿(mǎn)足自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)高節(jié)拍的工作效率要求。在額定負(fù)載和最大速度條件下，工業(yè)機(jī)器人按圖5所示軌跡從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)，并從D點(diǎn)返回到A點(diǎn)（按ABCD—DCBA）進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動(dòng)。用儀表計(jì)時(shí)，其結(jié)果不大于4s，可適應(yīng)自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)5s/件高生產(chǎn)節(jié)拍的要求。

（4）控制系統(tǒng)高柔性 裝配工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用得好壞，控制策略與方法及其對(duì)應(yīng)軟硬件系統(tǒng)是關(guān)鍵。將工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)按“工業(yè)機(jī)器人群”考慮，其控制既能適應(yīng)群體系統(tǒng)控制，也能保證各獨(dú)立工業(yè)機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)配合，同時(shí)每個(gè)獨(dú)立工業(yè)機(jī)器人的控制方式和結(jié)構(gòu)，能方便地實(shí)現(xiàn)與其他工業(yè)機(jī)器人或自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的連接及通信。獨(dú)立工業(yè)機(jī)器人的控制從系統(tǒng)的角度出發(fā)，使之具有與其他工業(yè)機(jī)器人與設(shè)備的互聯(lián)和協(xié)調(diào)的工作能力，以工程數(shù)據(jù)庫(kù)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)為支撐技術(shù)，規(guī)劃好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議及各種規(guī)范的軟硬件接口，所有控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的柔性和適應(yīng)性。

圖4 關(guān)節(jié)模塊組合

圖5 運(yùn)動(dòng)速度測(cè)試

工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)規(guī)格參數(shù)

工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)規(guī)格參數(shù)如附表所列。

工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)規(guī)格參數(shù)

工業(yè)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

小型多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人總體布置如圖6所示，工業(yè)機(jī)器人對(duì)于不同的自動(dòng)線(xiàn)而各異，但其基本組成是一樣的。一般是由工業(yè)機(jī)器人本體、工業(yè)機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)、帶力傳感器機(jī)械手指、視覺(jué)系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)用控制軟件等組成，其基本框架如圖7所示。

圖6 工業(yè)機(jī)器人總體布置

圖7 小型多關(guān)節(jié)裝配工業(yè)機(jī)器人基本組成

工業(yè)機(jī)器人本體各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

（1）J5軸 J5軸為工業(yè)機(jī)器人手腕回轉(zhuǎn)軸之一，是工業(yè)機(jī)器人與外界手部裝置相連接的接口關(guān)節(jié)，用于改變手部在空間的方位。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在保證本身剛度和強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于減輕臂部的負(fù)載。結(jié)構(gòu)如圖8所示。

交流伺服電動(dòng)機(jī)5經(jīng)平鍵帶動(dòng)諧波減速器3驅(qū)動(dòng)十字交叉滾子軸承1回轉(zhuǎn)。

J5軸關(guān)節(jié)傳動(dòng)利用諧波減速裝置的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件較少，體積小，重量輕，同時(shí)嚙合齒數(shù)多，傳動(dòng)精度高，承載能力大，傳動(dòng)比范圍寬且特別大等，加上自制的高精度、高剛性十字交叉滾子軸承1，使關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。

（2）J4軸 J4軸為工業(yè)機(jī)器人手腕回轉(zhuǎn)軸之一，驅(qū)動(dòng)J5軸回轉(zhuǎn)，用于改變手部在空間的方位。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除要求與J5軸設(shè)計(jì)要求相同外，考慮到該軸的傳動(dòng)布置，采用三級(jí)齒輪減速形式。結(jié)構(gòu)如圖9所示。

交流伺服電動(dòng)機(jī)8經(jīng)平鍵帶動(dòng)軸齒7經(jīng)兩級(jí)雙聯(lián)齒輪3、5和齒輪1減速，其中通過(guò)調(diào)整雙聯(lián)齒輪3、5的支撐軸來(lái)控制傳動(dòng)齒輪間隙，達(dá)到減小齒隙及傳動(dòng)噪聲，提高傳動(dòng)精度的目的。自制的高精度、高剛性十字交叉滾子軸承2保證J5軸運(yùn)動(dòng)精度；輔助支撐架11即作為J5軸的輔助支撐點(diǎn)，又起到內(nèi)藏式走線(xiàn)支架的作用。在J4軸結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)上，注重零件的重量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量問(wèn)題，在強(qiáng)度、剛性足夠的情況下，盡量減輕零件的重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，達(dá)到減少手臂和腰關(guān)節(jié)負(fù)荷，提高工業(yè)機(jī)器人整體性能的要求。

（3）J3、J4軸 該兩軸組成工業(yè)機(jī)器人的手臂系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人的臂部用于支承腕部與手部，帶動(dòng)手部按一定的運(yùn)動(dòng)軌跡由初始位置到達(dá)另一指定位置。結(jié)構(gòu)如圖10所示。交流伺服電動(dòng)機(jī)3、9直接聯(lián)接在擺線(xiàn)減速機(jī)2、8上，縮短傳動(dòng)鏈，減小傳動(dòng)誤差，同時(shí)將兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸固定在主支撐臂1上，其傳動(dòng)剛性由主支撐臂1零件強(qiáng)度決定，使手臂傳動(dòng)剛性很容易得到保證；在主支撐臂1的另一端，留出足夠的空間用于工業(yè)機(jī)器人電纜、氣管等設(shè)置，輔助支撐臂11即作為走線(xiàn)槽又起到輔助支撐的作用。

圖8 J5軸結(jié)構(gòu)

圖9 J4軸結(jié)構(gòu)

（4）J1軸 J1軸為工業(yè)機(jī)器人腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人手臂以上各關(guān)節(jié)做大范圍的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使工業(yè)機(jī)器人手部工作器在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)工作。結(jié)構(gòu)如圖11所示。

伺服電動(dòng)機(jī)2聯(lián)接擺線(xiàn)減速器4進(jìn)行一級(jí)減速，通過(guò)與擺線(xiàn)減速器輸出端相聯(lián)接的齒輪副5、7進(jìn)行二級(jí)減速，構(gòu)成J1軸機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，整套傳動(dòng)系統(tǒng)密封在油池箱內(nèi)，起到降低齒輪傳動(dòng)噪聲、減小齒輪磨損的作用。

（5）機(jī)械手指附件 機(jī)械手指附件結(jié)構(gòu)如圖12所示：根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的工作性質(zhì)、工作負(fù)荷及針對(duì)零件的形狀而設(shè)計(jì)，作為工業(yè)機(jī)器人的特殊訂貨部件。圖12所示交換式機(jī)械手主要用于生產(chǎn)線(xiàn)的裝配工位及機(jī)床加工零件上下料，對(duì)于噴漆、冷卻、焊接等工序只需在工業(yè)機(jī)器人腕關(guān)節(jié)聯(lián)接處配置氣槍、水槍和焊槍等裝置，即能實(shí)現(xiàn)不同工序的要求，用兩個(gè)機(jī)械手指可同時(shí)實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)上下料換裝工作，提高工業(yè)機(jī)器人的利用率。

圖10 J3、J4軸結(jié)構(gòu)

圖11 J1軸結(jié)構(gòu)

圖12 機(jī)械手指附件