模塊化工業(yè)機(jī)器人減速器模塊的編碼研究

摘 要：文章簡(jiǎn)單評(píng)述了現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的模塊劃分及編碼原則，重點(diǎn)對(duì)減速器模塊中的RV減速器進(jìn)行了參數(shù)分析，并研究出具體的編碼方法。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；模塊化編碼；RV減速器

引言

隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人有著多規(guī)模、多種類、小批量和復(fù)雜化等特點(diǎn)。與現(xiàn)代模塊化工業(yè)機(jī)器人相比，傳統(tǒng)機(jī)器人的“一種需求，一次設(shè)計(jì)”會(huì)產(chǎn)生多種弊端。模塊化工業(yè)機(jī)器人的誕生即能滿足客戶的需求，又能在規(guī)格、品種、設(shè)計(jì)周期和成本上得到優(yōu)化。因此工業(yè)機(jī)器人的模塊化和編碼研究顯得尤為重要[1]。

1 模塊的劃分與編碼原則

1.1 模塊化思想

模塊化最早期思想起源于積木，利用積木原理把整個(gè)機(jī)器人分成若干個(gè)具有獨(dú)立功能的模塊，這些相互獨(dú)立的模塊根據(jù)不同的組成，來達(dá)到設(shè)計(jì)需要。模塊化理念的運(yùn)用，在不同程度上可以達(dá)到大大縮減整個(gè)設(shè)計(jì)周期（研發(fā)周期、生產(chǎn)周期），降低設(shè)計(jì)成本，滿足不同機(jī)器人的互換性要求，提高機(jī)器人設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性[2]。

構(gòu)建模塊化工業(yè)機(jī)器人模塊需具備以下幾點(diǎn)功能特性：（1）每個(gè)模塊都是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，可以完成該模塊的特定功能，模塊與模塊之間相互獨(dú)立，從而減少整個(gè)模塊系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性，大大降低了工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)、制造成本。（2）工業(yè)機(jī)器人的模塊化可以分為主動(dòng)模塊和被動(dòng)模塊，主動(dòng)模塊：具有獨(dú)立的控制功能和驅(qū)動(dòng)功能，并可以驅(qū)動(dòng)被動(dòng)模塊，使被動(dòng)模塊完成指定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。（3）模塊與模塊之間能夠進(jìn)行有效安裝，各個(gè)模塊應(yīng)達(dá)到一定的互換性要求，同時(shí)獨(dú)立模塊間可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的控制和信息的傳遞功能。（4）模塊與模塊之間應(yīng)滿足在動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的獨(dú)立性。

1.2 模塊劃分原則

按工業(yè)機(jī)器人的不同功能來劃分模塊是目前比較常見的方法之一，首先對(duì)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的不同功能進(jìn)行合理分析，一般劃分為必要功能模塊和非必要功能模塊。模塊化的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜多樣，模塊與模塊之間的本質(zhì)就是相互的耦合關(guān)系，從而滿足模塊化的互換性要求，使組成的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)需要[3]。根據(jù)特定的邏輯關(guān)系使工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中的不同功能聯(lián)系在一起，使不同的獨(dú)立模塊間擁有不同的獨(dú)立功能。盡可能滿足模塊與模塊之間相互獨(dú)立、無干涉和無關(guān)聯(lián)等要求。

模塊在劃分時(shí)應(yīng)注意以下問題：（1）模塊劃分種類的總數(shù)不宜過多，過多的模塊組合會(huì)降低工業(yè)機(jī)器人的模塊化系統(tǒng)的精度，失去模塊化思想的意義。（2）劃分模塊時(shí)保證每一個(gè)模塊都具有獨(dú)立功能，并應(yīng)考慮完成獨(dú)立功能的可行性。（3）模塊在滿足獨(dú)立功能的前提下，盡量控制模塊的重量和體積。（4）劃分模塊時(shí)，應(yīng)考慮環(huán)境和經(jīng)濟(jì)等因素。

1.3 模塊的劃分

模塊一般根據(jù)機(jī)械本體和驅(qū)動(dòng)裝置來進(jìn)行劃分，對(duì)于機(jī)械本體部分，根據(jù)每次零件或者是工業(yè)機(jī)器人上的不同位置所完成的不同功能區(qū)劃分模塊。以六自由度工業(yè)機(jī)器人為例，一般可以分為：底座模塊、肩關(guān)節(jié)模塊、大臂模塊、肘關(guān)節(jié)模塊、小臂模塊、腕關(guān)節(jié)模塊和功能模塊。其中本體部分由底座模塊、大臂模塊、小臂模塊和功能模塊組成；驅(qū)動(dòng)裝置部分由肩關(guān)節(jié)模塊、肘關(guān)節(jié)模塊和腕關(guān)節(jié)模塊組成。這些關(guān)節(jié)型模塊是工業(yè)機(jī)器人核心的技術(shù)之一，特別是應(yīng)用在關(guān)節(jié)型模塊中的RV減速器技術(shù)。目前應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的減速器一般分兩種，一種是RV減速器，另一種是諧波減速器。在關(guān)節(jié)模塊中，由于RV減速器具有更高的剛度和回轉(zhuǎn)精度要求，一般放置在肩關(guān)節(jié)模塊和肘關(guān)節(jié)模塊中，用于連接底座模塊和大臂模塊、大臂模塊和小臂模塊等重負(fù)載的位置。而諧波減速器一般放置在腕關(guān)節(jié)模塊中，用于連接小臂模塊和功能模塊。

2 RV減速器編碼方法

2.1 模塊編碼的目的、作用和原則

模塊化編碼的目的就是運(yùn)用特定字母和數(shù)字的組合來代替復(fù)雜的機(jī)械本體，從而避免了文字或口述上的多樣性、多義性和非標(biāo)準(zhǔn)化等誤區(qū)。模塊化編碼使信息描述代碼化，使信息描述具有唯一性、完整性、簡(jiǎn)潔性、易處理性、可擴(kuò)展性和同位性等要求。

（1）唯一性：模塊的編碼和所指代的模塊間必須滿足一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。（2）完整性：模塊編碼要盡可能完整地表達(dá)該模塊信息，要能滿足模塊化設(shè)計(jì)與制造全過程的需要，包括模塊的選擇、組合以及模塊化管理等。（3）簡(jiǎn)潔性：編碼的位數(shù)在滿足模塊功能和數(shù)據(jù)的基本描述的前提下盡可能最小。（4）易處理性：使計(jì)算機(jī)在處理過程中更加快捷有效。（5）擴(kuò)展性：在編碼時(shí)，盡可能的貼近制造工廠的規(guī)定和要求，提高在信息傳遞方面的可行性，方便以后編輯和改動(dòng)。（6）同位性：編碼要使各個(gè)模塊的編碼位數(shù)相同，取位數(shù)最多的模塊編碼設(shè)為基礎(chǔ)編碼位數(shù)，位數(shù)少的模塊編碼位數(shù)應(yīng)該用數(shù)字0來進(jìn)行補(bǔ)位。

2.2 RV減速器的參數(shù)分析

圖1是RV傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，它由漸開線行星齒輪傳動(dòng)和擺線針輪行星傳動(dòng)兩部分組成。漸開線行星齒輪與曲柄軸連為一體，作為RV減速器的第一級(jí)傳動(dòng)。當(dāng)漸開線太陽(yáng)輪順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，漸開線行星齒輪在公轉(zhuǎn)的同時(shí)并逆時(shí)針方向自轉(zhuǎn)，通過曲柄軸帶動(dòng)擺線輪做偏心運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，擺線輪因受與之嚙合的針輪約束，在其繞針輪軸線公轉(zhuǎn)的同時(shí)并順時(shí)針方向自轉(zhuǎn)。同時(shí)將順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)通過曲柄軸傳遞給行星架輸出機(jī)構(gòu)，完成減速輸出。

其中RV減速器的主要參數(shù)分別為：總傳動(dòng)比i，一級(jí)傳動(dòng)比i1，二級(jí)傳動(dòng)比i2，最大功率KW，輸出轉(zhuǎn)數(shù)n，輸出扭矩M，中心距mm。

在進(jìn)行RV減速器的模塊化選擇時(shí)，除了要對(duì)RV減速器的參數(shù)進(jìn)行選擇，還要對(duì)輸入方式、輸出方式和安裝位置進(jìn)行選擇。RV減速器的輸入形式主要分為：孔輸入（FA）、軸輸入（FB）和法蘭盤輸入（FC）。輸出形式主要分為：?jiǎn)屋敵觯―Z）、雙輸出（SZ）和法蘭輸出（Z）。RV減速器有六種安裝方式如圖2所示：

2.3 RV減速器編碼的設(shè)定

根據(jù)RV減速器的基本參數(shù)、輸出形式和安裝方式，對(duì)RV減速器的具體編碼形式如圖3所示。具體實(shí)例如圖4所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章簡(jiǎn)單介紹了模塊化和模塊化編碼的概念，對(duì)關(guān)節(jié)型機(jī)器人進(jìn)行了簡(jiǎn)單的模塊劃分，并對(duì)RV減速器模塊進(jìn)行了參數(shù)分析，設(shè)計(jì)出一套編碼體系。在對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為縮短產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)計(jì)的重復(fù)使用性，增加系統(tǒng)的可靠性提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳航，殷國(guó)富，趙偉，等.工業(yè)機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械，2009（03）：56-58.

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作者簡(jiǎn)介：關(guān)欣（1989-），女，碩士研究生，助教，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)，數(shù)控技術(shù)，復(fù)雜曲面加工等。