重載鑄造機(jī)器人手腕優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳文杰，石旗勇

(1.貴陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 裝備制造分院,貴州 貴陽 550081；2.浙江萬豐科技開發(fā)股份有限公司，浙江 紹興 312500)

0 引言

工業(yè)機(jī)器人是一種可模仿人手臂動(dòng)作、柔性好、結(jié)構(gòu)緊湊、能替代人進(jìn)行重復(fù)勞動(dòng)的自動(dòng)化設(shè)備[1]。在鑄造領(lǐng)域，機(jī)器人除用于搬運(yùn)鑄件外，還廣泛用于澆鑄、造型、制芯、下芯、清理以及檢驗(yàn)等工序[2]。機(jī)器人長期處于高溫多粉塵的鑄造環(huán)境中，故障頻率較高，距離工作區(qū)最近的手腕故障頻率更高，需要經(jīng)常維護(hù)維修。而傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人手腕電機(jī)通常布置于小臂后端，然后再通過傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞至手腕單元，分別驅(qū)動(dòng)腕部擺動(dòng)和手部轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣的結(jié)構(gòu)能在一定程度減小腕部體積，但其零件多、裝配關(guān)系復(fù)雜，維修難度較大。手腕屬于工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，對機(jī)器人的作業(yè)靈活性有重要影響[3]，如何優(yōu)化手腕結(jié)構(gòu)，使其加工、裝配以及維護(hù)更簡便，具有更好的工作精度及可靠性，成為機(jī)器人研制單位重點(diǎn)研究的課題。

針對上述問題，設(shè)計(jì)了一種重載鑄造機(jī)器人手腕，將電機(jī)直接內(nèi)置于手腕內(nèi)部，用組塊化程度更高的RV減速器代替多級齒輪減速結(jié)構(gòu)，減少了零部件數(shù)量，縮短了傳動(dòng)鏈，使整個(gè)手腕結(jié)構(gòu)更加簡單，加工、裝配和維修更加容易。

1 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

1.1 六自由度串聯(lián)式機(jī)器人結(jié)構(gòu)

六自由度串聯(lián)式機(jī)器人是由基座、大臂、小臂和手腕四大構(gòu)件通過J1～J6六個(gè)關(guān)節(jié)順序串聯(lián)形成的空間機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。J1、J4、J6為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，由伺服電機(jī)通過減速器帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)；J2、J3和J5為擺動(dòng)關(guān)節(jié)，由電機(jī)通過減速器或其他減速裝置帶動(dòng)擺動(dòng)，擺動(dòng)范圍受機(jī)械結(jié)構(gòu)限制。其中，手腕由J5和J6兩個(gè)關(guān)節(jié)組成，手腕具有俯仰和擺動(dòng)2個(gè)自由度，用于調(diào)整機(jī)器人末端姿態(tài)[4]。

圖1 六自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

1.2 工業(yè)機(jī)器人手腕設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)一種六自由度串聯(lián)式大型工業(yè)機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)，主要設(shè)計(jì)指標(biāo)為：手腕額定負(fù)載250 kg，J5軸動(dòng)作范圍為±125°，J5軸最大運(yùn)動(dòng)速度為120 (°)/s，J5軸允許彎矩為1 400 Nm；J6軸動(dòng)作范圍為±360°，J6軸最大運(yùn)動(dòng)速度為190 (°)/s，J6軸允許彎矩為770 Nm。

1.3 手腕總體設(shè)計(jì)方案

關(guān)節(jié)變形是造成六自由度工業(yè)機(jī)器人絕對定位精度偏低的因素之一，傳動(dòng)帶、齒輪箱等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變形是引起關(guān)節(jié)變形的主要因素[5]。手腕是六自由度工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵部位，需要在較小的空間內(nèi)布置較多的零件，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、關(guān)節(jié)變形小、制造工藝性好的手腕難度較大。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)盡可能地采用短傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)，增加傳動(dòng)鏈剛性，減小形變。此外，在滿足功能、性能的前提下，提高零件的組塊性，減少零件數(shù)量，更有利于產(chǎn)品的加工、裝配和維護(hù)?？紤]到大型工業(yè)機(jī)器人腕部在工作情況下傳動(dòng)鏈承受較大的負(fù)載和沖擊載荷，為保證傳動(dòng)鏈具有足夠的剛性，本設(shè)計(jì)中手腕采用齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，為減少零件數(shù)量，在結(jié)構(gòu)上采用組塊化程度更高的RV減速器，手腕總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其特點(diǎn)是：J5軸電機(jī)置于腕部殼體內(nèi)部，通過2級齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)J5軸RV減速器；J6軸電機(jī)安裝在手部殼體內(nèi)，直接驅(qū)動(dòng)J6軸RV減速器。整個(gè)手腕各傳動(dòng)鏈更短，各傳動(dòng)鏈零件數(shù)量更少，更加便于加工和維護(hù)。

1-腕部殼體；2-右蓋；3-第一齒輪；4-軸座；5-第一軸承；6-惰輪；7-第二齒輪；8-J5軸RV減速器；9-J6軸電機(jī)；10-J6軸RV減速器；11-法蘭盤；12-第三齒輪；13-手部殼體；14-支撐軸；15-支撐軸承；16-J6軸線纜；17-J5軸電機(jī)；18-左蓋

1.4 關(guān)鍵零件減速器的選擇

工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)通常采用RV減速器或諧波減速器進(jìn)行減速增力[6-9]。諧波減速器主要由剛輪、柔輪和波發(fā)生器組成，具有傳動(dòng)比大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等特點(diǎn)，但由于在每轉(zhuǎn)工作中柔輪均發(fā)生變形，在重載情況下較容易發(fā)生疲勞損壞，因此，通常適用于小型化和低、中載荷的情景。而RV減速器是在傳統(tǒng)針擺行星減速器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型減速裝置，其傳動(dòng)精度高、抗沖擊能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)中無柔性體零件，故其疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命較諧波減速器更高[10]，比較適合于中、重載荷的情景。本研究中的手腕，額定負(fù)載達(dá)250 kg，采用諧波減速器無法滿足設(shè)計(jì)壽命要求，因此選用日本Nabtesco公司的RV減速器。RV減速器有C系列、E系列和N系列，C系列為中空結(jié)構(gòu)，不滿足手腕結(jié)構(gòu)要求；N系列為E系列的升級版本，同樣性能下N系列的尺寸和重量較E系列小，但價(jià)格較高。為減小手腕尺寸，同時(shí)控制成本，經(jīng)綜合考慮，J6軸減速器選用RV-80E-80型，減速器外殼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)速比為80∶1；J5軸減速選用RV-125N-111型，減速器外殼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)速比為111∶1,經(jīng)計(jì)算校核，所選減速器滿足設(shè)計(jì)要求。

2 傳動(dòng)組件設(shè)計(jì)

2.1 腕部擺動(dòng)設(shè)計(jì)

腕部擺動(dòng)組件結(jié)構(gòu)如圖3所示。腕部殼體為Y狀結(jié)構(gòu)且內(nèi)部中空，Y型叉的內(nèi)側(cè)相對設(shè)置有J5軸RV減速器和支撐軸承,J5軸電機(jī)安裝在腕部殼體內(nèi)腔中并通過二級齒輪減速驅(qū)動(dòng)J5軸RV減速器。腕部擺動(dòng)傳動(dòng)鏈為：J5軸電機(jī)→第一齒輪→惰輪→第二齒輪→J5軸RV減速器。腕部擺動(dòng)速度nJ5為：

其中：n5為J5軸電機(jī)轉(zhuǎn)速；iRV5為J5軸RV減速器減速比；Za為第一齒輪齒數(shù)；Zc為第二齒輪齒數(shù)。

由于機(jī)械加工誤差的存在，齒輪傳動(dòng)存在間隙。要提高傳動(dòng)精度，在齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上，重點(diǎn)考慮消除齒輪傳動(dòng)間隙[11]。本設(shè)計(jì)中將惰輪設(shè)計(jì)成可調(diào)整形式，以消除齒輪傳動(dòng)間隙，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。惰輪4通過第一軸承6套裝在軸座3上，惰輪中心位于第一齒輪2和第二齒輪5中心連線的一側(cè)，即惰輪4、第一齒輪2和第二齒輪5三者中心的連線構(gòu)成一鈍角三角形，惰輪中心位于鈍角頂點(diǎn)上。裝配時(shí)，通過調(diào)整螺釘7將軸座3向第一齒輪2和第二齒輪5中心連線方向頂靠，使得相鄰兩個(gè)齒輪間緊密貼合，消除齒輪間隙。

1-腕部殼體；2-第一齒輪；3-軸座；4-惰輪；5-第二齒輪；6-第一軸承；7-調(diào)整螺釘

2.2 手部轉(zhuǎn)動(dòng)組件設(shè)計(jì)

手部轉(zhuǎn)動(dòng)組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。手部殼體為U狀結(jié)構(gòu)，手部殼體5末端設(shè)置有J6軸RV減速器4，減速器端部設(shè)有安裝工具用的法蘭3，J6軸電機(jī)插裝在U型叉內(nèi)部直接驅(qū)動(dòng)J6軸RV減速器4。U型叉的外側(cè)壁面上設(shè)置有兩個(gè)凸耳，分別用于與腕部中J5軸RV減速器和支撐軸承連接，其中與支撐軸承連接的凸耳中空，J6軸電機(jī)線纜從中引出進(jìn)入腕部殼體內(nèi)部。手部轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)鏈為：J6軸電機(jī)→第三齒輪→J6軸RV減速器→法蘭。手部轉(zhuǎn)動(dòng)速度nJ6為：

nJ6=n6/iRV6.

其中：n6為J6軸電機(jī)轉(zhuǎn)速；iRV6為J6軸RV減速機(jī)減速比。

3 結(jié)語

為解決鑄造機(jī)器人手腕維修不便的問題，設(shè)計(jì)了一種重載機(jī)器人手腕總體方案及具體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，碗部擺動(dòng)組件和手部轉(zhuǎn)動(dòng)組件相互獨(dú)立，模塊性更強(qiáng)，同時(shí)采用組塊性更強(qiáng)的RV減速器，各組件集成度更高，零件更少，更利于生產(chǎn)制造和裝配以及維修，各軸傳動(dòng)鏈更短，傳動(dòng)精度得到進(jìn)一步提升，更好地滿足了機(jī)器人在鑄造領(lǐng)域的使用要求。

1-J6軸電機(jī)；2-第三齒輪；3-法蘭；4-J6軸RV減速器；5-手部殼體；6-支撐軸；7-J6軸線纜；8-線夾