工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)流程

1、工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)流程對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與大多數(shù)機(jī)械設(shè)計(jì)過程相同；首先要知道為什么要設(shè)計(jì)機(jī)器 人？機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)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 來的工作就好作了。 5 V3 S9 P Y1 $ c（ e1 S2 m$ ?首先是根據(jù)基本要求確定機(jī)器人的種類， 是行走的提升（舉升）機(jī)械臂、 還是三軸的坐標(biāo)機(jī) 器人、 還是六軸的機(jī)器人等。 選定了機(jī)器人的種類也就確定了控制方式， 也就有了在有限的 空間內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)的指導(dǎo)方向。） + ?1 1 E; L& V接下來的要做的就是設(shè)計(jì)任務(wù)的確定。 這是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過程， 在實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜過程的第 一步是將設(shè)計(jì)要求明確的規(guī)定

2、下來；第二步是按照設(shè)計(jì)要求制作機(jī)械傳動(dòng)簡圖，分析簡圖， 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(shè)計(jì)內(nèi)容，設(shè) 計(jì)步驟、攻克點(diǎn)、設(shè)計(jì)計(jì)算書、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(nèi)容，確認(rèn)生產(chǎn)。/ F& w, B1 R: f! A下面我將以六軸工業(yè)機(jī)器人作為設(shè)計(jì)對(duì)象來闡明這一設(shè)計(jì)過程。 在介紹機(jī)器人設(shè)計(jì)之前我先說一下機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。 機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域可以說是非常廣泛 的，在自動(dòng)化生產(chǎn)線上的就有很多例子，如垛碼機(jī)器人、包裝機(jī)器人、轉(zhuǎn)線機(jī)器人；在焊接 方面也有很例子， 如汽車生產(chǎn)線上的焊接機(jī)器人等等； 現(xiàn)在機(jī)器人的發(fā)展是非常的迅速，

3、 機(jī) 器人的應(yīng)用也在民用企業(yè)的各個(gè)行業(yè)得以延伸。機(jī)器人的設(shè)計(jì)人才需求也越來越大。 六軸機(jī)器人的應(yīng)用范籌不同，設(shè)計(jì)形式也各不相同?，F(xiàn)在世界上生產(chǎn)機(jī)器人的公司也很多， 結(jié)構(gòu)各有特色。在中國應(yīng)用最多的如：ABB 、Panasonic、 FANUK 、莫托曼等國外進(jìn)口的機(jī)器人。即然機(jī)器人的應(yīng)用那么廣泛， 在我國卻沒有知名的生產(chǎn)公司。 對(duì)于作為中國機(jī)械工程技術(shù)人 員來說是一個(gè)值得思考的問題！ 有關(guān)機(jī)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(jī)器的論術(shù)，可是卻沒有真正形成普及的東西。即然是要說設(shè)計(jì)， 那我就從頭一點(diǎn)一點(diǎn)的說起。 力求講的通俗簡明一些， 講得不對(duì)的地方還 請(qǐng)各位指

4、正！ 六軸機(jī)器人是多關(guān)節(jié)、多自由度的機(jī)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(jī)器人， 應(yīng)用面也最廣泛。 那么怎樣去從頭開始的設(shè)計(jì)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(jié)又是有怎么樣的要求呢？等等。 。讓 我們帶著眾多的疑問慢慢的往下走吧！4 y8 m0 e 4 M9 f K5 # E7 E首先我們設(shè)定： 機(jī)器人是六軸多自由度的機(jī)器人， 手爪夾持二氧氣體保護(hù)焊標(biāo)準(zhǔn)焊槍； 完成 點(diǎn)焊、 連續(xù)焊等不同要求的焊接部件，工藝要求、 工藝路線變化快的自動(dòng)生線上。 最大伸長 量：1700mm ;轉(zhuǎn)動(dòng)270度；底座與地平線水平固定；全電機(jī)驅(qū)動(dòng)。好了，有了這樣的

5、基本要求我們就可以做初步的方案的思考了。 - i 8 r# U h 首先是全電機(jī)驅(qū)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(jié)構(gòu)了， 也就是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)只能用齒輪齒條、連桿機(jī)構(gòu)等機(jī)械機(jī)構(gòu)了。 w7 p* J4 O: p） N） l/ x2 J機(jī)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(fù)雜的東西在里面，那就是焊接工藝；即然焊藝定不下來，我們就給它區(qū)分一下， 在常用焊接里有單點(diǎn)點(diǎn)焊、連續(xù)斷點(diǎn)點(diǎn)焊、連續(xù)平縫焊接、填角焊接、立縫焊接、仰焊、環(huán) 縫焊等等。 。 o o o o o搞清了各種焊方法， 也就明白了要實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的動(dòng)作就要有一套可行的

6、控制方式才行；在機(jī)械沒有完全設(shè)計(jì)出來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(jī)械結(jié)構(gòu)做完，各方面的驅(qū)動(dòng)功率確定下來之后再做詳細(xì)的程序。% R7 4 v2 B1 u, * d） y3 B; n焊槍是用常用的標(biāo)準(zhǔn)的焊槍， 也就是說焊槍是隨時(shí)可以更換下來的， 也就要求我們要做到對(duì) 焊槍的夾持部分進(jìn)行快速鎖定與松開。 ） b! s m7 V6 ; s# X 焊槍在焊接過程中要進(jìn)行各種焊接姿態(tài)調(diào)整， 那么機(jī)械手腕就要很靈活， 在各個(gè)方位角度上 都可調(diào)節(jié)。有了上面的基本要求和設(shè)定條件， 方案推理也有了條理， 接下來我們就把設(shè)計(jì)要求明確下來， 設(shè)計(jì)方向就不會(huì)有太大的偏離了。設(shè)計(jì)任務(wù)，

7、d） 18葉Q） 1$ 設(shè)計(jì)要求機(jī)器人適用于焊接領(lǐng)域， 可以完成各種焊接動(dòng)作； 為了機(jī)器人能適應(yīng)各種焊接工藝， 在線調(diào)整工藝快速， 編制控制程序時(shí)采用柔性控制程序，自適應(yīng)在線、 離線示教 程序；焊縫、焊池、焊道成像跟蹤，自動(dòng)調(diào)節(jié)焊機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)。機(jī)器人采用全伺服驅(qū)動(dòng)，地面固定安裝。 六軸控制，各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)靈活，按工藝描述表設(shè)計(jì)各軸動(dòng)作范圍，盡量使機(jī)構(gòu)緊湊，整體外形美觀。$ j3 o4 b# * A+ L8 W# o% k工藝描述 六軸動(dòng)作順序 動(dòng)作范圍速度范圍定位精度 驅(qū)動(dòng)功率電器元件 y( N! - Q# l1 軸（回旋）360 度0.75Kw6 f( k: t o7 n2 D9 B2 軸（大臂

8、俯仰）160 度1.5KwX2臺(tái)7 _ P) l& L1 3 l/ x9X) Q3 軸（前臂俯仰）210 度0.5KwM4 軸（小臂旋轉(zhuǎn)）270 度0.35Kw9 w/ t5 U& P) a* k9 . |% R5 軸（手腕俯仰）150 度300Kw6 軸（手腕旋轉(zhuǎn)）360 度200w設(shè)計(jì)內(nèi)容機(jī)械設(shè)計(jì)： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求及工藝描述設(shè)計(jì)各關(guān)節(jié)的機(jī)械機(jī)構(gòu)， 確定各部件的材料和加工工藝；制作計(jì)算書，驗(yàn)算機(jī)械強(qiáng)度、驅(qū)動(dòng)功率和給出最大抓（舉）重量，各運(yùn)動(dòng) 路徑的慣量計(jì)算， 位姿的控制計(jì)算。 驗(yàn)算機(jī)器人各關(guān)鍵部件使用壽命。 結(jié)合控制程序及電路 制作機(jī)器人維修保養(yǎng)說明書。程序控制設(shè)計(jì)： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求與機(jī)械工程師

9、最后制定的工藝路線設(shè)計(jì)控制流程； 結(jié)合 機(jī)械結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)、信號(hào)反饋方式，設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序； 程序要具有自適應(yīng)功能， 自動(dòng)定點(diǎn) 跟蹤，對(duì)焊機(jī)電流、電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測，并自動(dòng)調(diào)節(jié)；焊道、焊池用成像監(jiān)測判別技術(shù)。設(shè)計(jì)電 路圖 % ?! j! w（ w2 有了這樣一個(gè)文件， 我們就好設(shè)計(jì)了；那么我們首先就要做的是： 繪制機(jī)器人動(dòng)運(yùn)簡圖，規(guī) 劃機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡， 做好這些我們就可以進(jìn)行機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)， 同時(shí)可以考慮程序的線路圖 了。% K z0 S$ A2 A5 w# d） v! L6 & u先做一個(gè)簡圖，來研究一下運(yùn)動(dòng)規(guī)跡 當(dāng)我們把機(jī)械運(yùn)動(dòng)簡圖畫好后， 一般的情況下是先對(duì)簡圖進(jìn)行分析； 雖然簡圖不能全部反映

10、機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成，但是它卻表現(xiàn)出了要設(shè)計(jì)的物體的總體輪廓。4 J） N! A* X. q: x% N那么對(duì)于我們這個(gè)機(jī)器人的簡圖，我們從哪里著手分析才合理呢？ 首先，我們看一下設(shè)計(jì)任務(wù)書的內(nèi)容。 從任務(wù)書中知道， 六個(gè)軸中有三個(gè)軸是做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的， 其余作擺角運(yùn)動(dòng)。 - ?7 d B8 C. Y0 q/ , z: T 結(jié)合任務(wù)書，我們看一下簡圖， 是不是第 1軸、第 4軸和第六軸是做轉(zhuǎn)動(dòng)的， 也就是說我們 要檢查一下我們所畫的簡圖是不是與任務(wù)書中的要求相符合， 符合了也就代表我們的設(shè)計(jì)思 路與要求（客戶要求）相同，可以進(jìn)行下一步工作，如果不同，就得重新畫簡圖。從簡圖知道， 機(jī)器人的手臂伸縮范圍較大

11、； 如果把手臂全部伸直， 而且我們假設(shè)地把它們看 成同一鋼體，這樣就形成一端固定的懸臂梁。應(yīng)用力學(xué)知識(shí)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。 % : g p Z q8 3 C. M由簡圖知道， 由于有多個(gè)關(guān)節(jié)連接， 要知道截面形狀和慣量不太容易， 只有把所有的機(jī)構(gòu)都 設(shè)計(jì)完成后才會(huì)知道想求的參數(shù)。5人3 CO _$ i! t, h5 r由簡圖看出， 第二軸擔(dān)負(fù)著手臂的上下運(yùn)動(dòng)， 而且手臂又比較長， 在運(yùn)動(dòng)的過程中必然存在 著慣性沖量，也就是說，當(dāng)大臂的運(yùn)動(dòng)速度很慢時(shí)，慣性就很??；如果速度加快，慣性就加 大，這個(gè)慣性沖量是與速度有著線性關(guān)系； 怎

12、樣保持一定的速度， 又不讓慣性隨著變化呢？ 大家都知道，增加阻尼， 可有效消除這種關(guān)系。這樣，大家就可以理解簡圖上兩個(gè)彈簧的用 意了。 3 H: o（ a! l% k7 W2 J 即然是這樣，那我們就從手腕開始設(shè)計(jì)。也說是大家所說的從上到下的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)手腕要考慮哪些問題呢？可以知道的是有一把焊槍， 焊槍的重量不是很重， 同時(shí)要有夾 持焊槍的手爪。也就是說手腕在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的負(fù)載是不大的，選擇驅(qū)動(dòng)功率不大的元件就行了。8 |$ u9 B% , q z（ d要讓手腕在 36O 度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)， 而且后面緊跟著又有一個(gè)上下擺動(dòng)的關(guān)節(jié)； 手腕又是在機(jī)器 人手臂的最前端， 當(dāng)然總體質(zhì)量不能太重。 用什么樣的

13、機(jī)構(gòu)最好呢？下面我們考慮幾個(gè)方案： 1如簡圖所示，采用行星齒輪傳動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽輪，行星輪繞太陽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)齒輪經(jīng)行星輪減速與太陽輪反向運(yùn)動(dòng)，電機(jī)與太陽輪同軸安裝。% t: j; u） gO R2多級(jí)齒輪減速傳，電機(jī)安裝于手腕一側(cè)。3擺線針輪減速傳動(dòng)，電機(jī)與偏心軸同軸安裝。4蝸輪蝸桿減速傳動(dòng)，電機(jī)有兩種安裝方式；一種與輸出軸成9O 度安裝，另一種與輸出軸同軸線反向錯(cuò)位安裝。 O o6 L% Y7 _+ t8 I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(jié)構(gòu)就會(huì)很大， 不利于機(jī) 器人在運(yùn)

14、動(dòng)時(shí)做精密定位。 這樣我們?nèi)コ藘煞N方法， 我們再比較一下第 1 種和第 3 種方法； f2 D+ B+ 5 _行星齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)復(fù)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(guī)齒輪選用材料， 加工工藝相對(duì)常規(guī) 齒輪相復(fù)雜的多。擺線針輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)復(fù)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。1 D! K5 T（ e*）3 B8 x） A比較各方面后， 決定采用行星齒輪傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)。 行星齒輪在傳動(dòng)的過程中有裝配間 隙和機(jī)械磨損所造成的間隙； 要消除這些機(jī)械間隙首先就要讓齒輪副的

15、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(shè)計(jì)計(jì)算不能按常規(guī)行星齒輪的設(shè)計(jì)方法去 計(jì)算。 機(jī)器人的手腕是很靈活的關(guān)節(jié)， 而且是要做正反兩個(gè)方向的回轉(zhuǎn)。 怎么樣安裝電機(jī)是 一個(gè)問題；行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與手腕俯仰關(guān)節(jié)連接是一個(gè)問題。& q* V . E+ , r2 r# ?! R還有， 手腕的運(yùn)動(dòng)速可能是非等速的； 怎么樣去控制電機(jī)？又怎么樣去采集反饋信號(hào)？發(fā)出的控制信號(hào)到執(zhí)行單元的過程中有沒外部干擾？它來自哪里？！ 丫! # O- 8 丫5 x7 h;* W再有， 就是手腕在運(yùn)動(dòng)過程中的精度； 手腕在空間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 怎樣去實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)精度？影響 運(yùn)動(dòng)精度的因素有哪些？ o* wO

16、 b3 % P- G: b! ; R1 q. z問題得到解答后再真正開始在設(shè)計(jì)手腕這前一定要搞清楚影響手腕的各方面的因素及內(nèi)容， 手腕的設(shè)計(jì)。下面給出伺服電機(jī)的的技術(shù)參數(shù)：型號(hào)： MSMD04ZS1V額定輸出功率：400W 3 A A0 b W: A) A& L: t額定轉(zhuǎn)矩：1.3 N.m 最大轉(zhuǎn)矩：3.8 N.m額定轉(zhuǎn)速 / 最高轉(zhuǎn)速：3000/5000 rpm o u# o) f； |8 a# I3 i o電機(jī)慣量(有制動(dòng)器)：1.7 X 10 -4Kg.m2變壓器容量：0.9 KVA編碼器：17位(分辨率：131072) . 7線制增量式/絕對(duì)式.適配驅(qū)動(dòng)器型號(hào)：MBDDT2210 S) & L% d5 m； |$ g位置控制接線圖 :N1 Q5 d2 E! B2 v. o( V# & A& V* rPUIS2