工業(yè)機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計要點和性能探究

摘 要：工業(yè)機械臂具有工作空間大、占地空間小及可控性好等方面優(yōu)點，在各類生產(chǎn)行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。但工業(yè)機械臂普遍存在負載小、剛性不足及關(guān)節(jié)伺服電機負載大的問題。針對上述現(xiàn)象本文提出一種基于四桿機構(gòu)原理的新型機械臂結(jié)構(gòu)。利用平行四邊形框架抵消外部彎矩，減小關(guān)節(jié)電機對大臂的驅(qū)動功率，提高整機剛度。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機械臂；新型機械臂結(jié)構(gòu)；負載；剛度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.019

0 引言

工業(yè)機械臂是一種仿生機電設(shè)備，能模擬人手動作通過改變目標(biāo)物體的位姿來實現(xiàn)作業(yè)?？赏瓿砂徇\、焊接、切割、噴涂及裝配等工作。工業(yè)機械臂操作可控，可實現(xiàn)人機交互，用途比較廣泛。由于工業(yè)機械臂的結(jié)構(gòu)特點，整體架構(gòu)屬于費力杠桿，并且傳動齒輪間隙的存在也會降低機械臂的剛度及運動精度。因此提高機械手臂的負載能力、提高整體剛度及降低驅(qū)動能耗成了機械臂性能提升的關(guān)鍵問題。

1 機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

工業(yè)機械臂的主要部件包括回轉(zhuǎn)部、大臂、小臂及腕部?；剞D(zhuǎn)部可完成整機的回轉(zhuǎn)運動，大臂和小臂的配合運動可實現(xiàn)機械臂末端的空間位置移動，腕部能實現(xiàn)俯仰軸與擺軸兩個動作。各部件的運動配合實現(xiàn)機械臂設(shè)定的運動軌跡。

1.1 大臂、小臂結(jié)構(gòu)

大臂由平衡缸、電動缸及大臂梁組成，小臂由電動缸II、平衡缸II及小臂梁組成，均為平行四邊形框架結(jié)構(gòu)構(gòu)形式，電動缸安裝在各自的對角線上，電動缸由關(guān)節(jié)電機、離合器、絲杠、推桿及缸體等零部件組成，端部的關(guān)節(jié)電機通過離合器帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠上的螺母驅(qū)動推桿伸縮，推桿的伸縮帶動四邊形框架夾角的變化，從而實現(xiàn)機械臂的水平和豎直方向的移動。

1.2 機械臂回轉(zhuǎn)部結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)部由伺服電機、渦輪、蝸桿、回轉(zhuǎn)支撐、回轉(zhuǎn)軸、立柱、箱體等零部件組成。為了平衡渦輪的側(cè)向推力及消除渦輪與蝸桿之間的間隙。蝸桿采用對稱布置的形式。2臺伺服電機帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動與渦輪連接的機體做回轉(zhuǎn)運動。這個結(jié)構(gòu)的有點是可傳遞扭矩大，自鎖性好，精度高，節(jié)省一個減速器。

1.3 機械臂腕部

機械臂的腕部由渦輪蝸桿傳動副、支撐件、4臺伺服電機、俯仰部件、輸出法蘭等部分。能實現(xiàn)俯仰軸與擺軸兩個動作。兩個動作依靠差動原理來實現(xiàn)。U型支撐兩側(cè)對稱布置差動輸入單元，差動輸入單元由伺服電機、渦輪蝸桿傳動副及錐齒輪等部件組成。通過傳動軸及中空軸將U型支撐兩側(cè)的錐齒輪及渦輪蝸桿聯(lián)結(jié)。差動輸出單元由錐齒輪及擺軸組成。利用伺服電機控制兩側(cè)渦輪的傳動實現(xiàn)俯仰軸與擺軸兩個動作。

2 機械臂能耗分析

新結(jié)構(gòu)的機械臂驅(qū)動功率較其他結(jié)構(gòu)機械臂明顯降低，負載質(zhì)心無偏移時能耗比二連桿機械臂降低約25%，比TITAN工業(yè)機械臂降低約35%。負載質(zhì)心偏移500mm時能耗比二連桿機械臂降低約45%，比TITAN工業(yè)機械臂降低約52%。

3 機械臂剛度分析

本文利用有限元分析方法對機械臂桿件進行剛度分析，分析前將模型中對分析結(jié)果影響不大的孔、倒角等部分進行壓縮處理，然后給模型添加比較可靠的邊界條件，再把模型網(wǎng)格化，最后得到機械臂工作空間內(nèi)的x、y及z方向的剛度分布如圖所示。機械臂x方向的剛度與負載的關(guān)系為2.3～245N/μm，機械臂y方向的剛度與負載的關(guān)系為2.7～15N/μm，機械臂z方向的剛度與負載的關(guān)系為7.7～13.1N/μm，綜合剛度由于同樣負載下的其他結(jié)構(gòu)機械臂。

4 結(jié)論

本文論述了常規(guī)機械臂存在的一些問題，指出機械臂優(yōu)化的關(guān)鍵點，設(shè)計了一種采用平行四邊形框架結(jié)構(gòu)的新型機械臂，機械臂大臂及小臂的驅(qū)動依靠四邊形對角線上的電動缸來完成，腕部的運動靠差數(shù)原理實現(xiàn)?；剞D(zhuǎn)運動利用底座上渦輪兩側(cè)的雙蝸桿傳動實現(xiàn)。與其他結(jié)構(gòu)機械臂相比同工作條件下驅(qū)動能耗降低，同驅(qū)動功率下負載能力提高，同負載下整機剛度明顯提高。可廣泛應(yīng)用在負載大及末端運動要求精度較高的場合。

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作者簡介：古家希（1985-），男，重慶人，本科，中級工程師，講師，研究方向：自動化控制技術(shù)。