工業(yè)機器人設(shè)計流程

1、工業(yè)機器人設(shè)計流程對于工業(yè)機器人的設(shè)計與大多數(shù)機械設(shè)計過程相同；首先要知道為什么要設(shè)計機器人？機器人能實現(xiàn)哪些功能？活動空間（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 S9PY1 $c（ e1 S2m$?首先是根據(jù)基本要求確定機器人的種類，是行走的提升（舉升）機械臂、還是三軸的坐標機器人、還是六軸的機器人等。選定了機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)進行設(shè)計的指導(dǎo)方向。 ） + ?1 1 E; L& V接下來的要做的就是設(shè)計任務(wù)的確定。這是一個相對復(fù)雜的過程，在實現(xiàn)這一復(fù)雜過程的第一步是將設(shè)計要求明確的規(guī)定下來；第二步是按照設(shè)計要求制作機械傳動

2、簡圖，分析簡圖，制定動作流程表（圖） ，初步確定傳動功率、控制流程和方式；第三步是明確設(shè)計內(nèi)容，設(shè)計步驟、攻克點、設(shè)計計算書、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，確認生產(chǎn)。 / F& w, B1 R: f! A下面我將以六軸工業(yè)機器人作為設(shè)計對象來闡明這一設(shè)計過程。在介紹機器人設(shè)計之前我先說一下機器人的應(yīng)用領(lǐng)域。機器人的應(yīng)用領(lǐng)域可以說是非常廣泛的，在自動化生產(chǎn)線上的就有很多例子，如垛碼機器人、包裝機器人、轉(zhuǎn)線機器人；在焊接方面也有很例子，如汽車生產(chǎn)線上的焊接機器人等等；現(xiàn)在機器人的發(fā)展是非常的迅速，機器人的應(yīng)用也在民用企業(yè)的各個行業(yè)得以延伸。機器人的設(shè)

3、計人才需求也越來越大。六軸機器人的應(yīng)用范籌不同，設(shè)計形式也各不相同。現(xiàn)在世界上生產(chǎn)機器人的公司也很多，結(jié)構(gòu)各有特色。在中國應(yīng)用最多的如： ABB 、 Panasonic、 FANUK 、莫托曼等國外進口的機器人。即然機器人的應(yīng)用那么廣泛，在我國卻沒有知名的生產(chǎn)公司。對于作為中國機械工程技術(shù)人員來說是一個值得思考的問題！有關(guān)機器人技術(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，那我就從頭一點一點的說起。力求講的通俗簡明一些，講得不對的地方還請各位指正！六軸機器人是多關(guān)節(jié)、多自由度的機器人，動作多，變化靈活；是一種柔性技術(shù)較

4、高的工業(yè)機器人，應(yīng)用面也最廣泛。那么怎樣去從頭開始的設(shè)計它呢？工作范圍又怎樣去確定？動作怎樣去編排呢？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 : _# e4 M9 f K5 # E7 E首先我們設(shè)定：機器人是六軸多自由度的機器人，手爪夾持二氧氣體保護焊標準焊槍；完成點焊、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生線上。最大伸長量： 1700mm ；轉(zhuǎn)動 270 度；底座與地平線水平固定；全電機驅(qū)動。好了，有了這樣的基本要求我們就可以做初步的方案的思考了。 - i 8 r#U h首先是全電機驅(qū)動的，那么我們

5、在考慮方案的時候就不要去考慮液壓和氣壓的各種結(jié)構(gòu)了，也就是傳動機構(gòu)只能用齒輪齒條、連桿機構(gòu)等機械機構(gòu)了。 w7p*J4O:p）N） l/x2J機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點焊、連續(xù)斷點點焊、連續(xù)平縫焊接、填角焊接、立縫焊接、仰焊、環(huán)縫焊等等。 。 。 。 。 。搞清了各種焊方法，也就明白了要實現(xiàn)這些復(fù)雜的動作就要有一套可行的控制方式才行；在機械沒有完全設(shè)計出來之前可以不做太多的控制方案思考，有一個大概的輪廓概念就行了，待機械結(jié)構(gòu)做完，各方面的驅(qū)動

6、功率確定下來之后再做詳細的程序。 % R7 4 v2 B1 u, * d）y3 B; n焊槍是用常用的標準的焊槍，也就是說焊槍是隨時可以更換下來的，也就要求我們要做到對焊槍的夾持部分進行快速鎖定與松開。 ）b!sm7V6; s#X焊槍在焊接過程中要進行各種焊接姿態(tài)調(diào)整，那么機械手腕就要很靈活，在各個方位角度上都可調(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)計要求明確下來，設(shè)計方向就不會有太大的偏離了。設(shè)計任務(wù)，d） I8 r+ Q） I$ 設(shè)計要求機器人適用于焊接領(lǐng)域，可以完成各種焊接動作；為了機器人能適應(yīng)各種焊接工藝，在線調(diào)整工藝快速，編制控制程序時采用柔性控制程

7、序，自適應(yīng)在線、離線示教程序；焊縫、焊池、焊道成像跟蹤，自動調(diào)節(jié)焊機的各項參數(shù)。機器人采用全伺服驅(qū)動，地面固定安裝。六軸控制，各關(guān)節(jié)運動靈活，按工藝描述表設(shè)計各軸動作范圍，盡量使機構(gòu)緊湊，整體外形美觀。 $j3o4b#* A+ L8W#o%k工藝描述 六軸動作順序動作范圍 速度范圍 定位精度驅(qū)動功率電器元件 y（ N! - Q# l1 軸（回旋）360 度0.75Kw6f( k: t o7 n2 D9 B2 軸（大臂俯仰）160 度1.5KwX2 臺7_P)l& L1 3l/x9X) Q3 軸（前臂俯仰）210 度0.5Kw4 軸（小臂旋轉(zhuǎn)）270 度0.35Kw9w/t5 U& P) a*k

8、9 . |%R M5 軸（手腕俯仰）150 度300Kw6 軸（手腕旋轉(zhuǎn)）360 度200w設(shè)計內(nèi)容機械設(shè)計：根據(jù)設(shè)計要求及工藝描述設(shè)計各關(guān)節(jié)的機械機構(gòu)，確定各部件的材料和加工工藝；制作計算書，驗算機械強度、驅(qū)動功率和給出最大抓（舉）重量，各運動路徑的慣量計算，位姿的控制計算。驗算機器人各關(guān)鍵部件使用壽命。結(jié)合控制程序及電路制作機器人維修保養(yǎng)說明書。程序控制設(shè)計：根據(jù)設(shè)計要求與機械工程師最后制定的工藝路線設(shè)計控制流程；結(jié)合機械結(jié)構(gòu)與驅(qū)動、信號反饋方式，設(shè)計機器人運動程序；程序要具有自適應(yīng)功能，自動定點跟蹤，對焊機電流、電壓實時監(jiān)測，并自動調(diào)節(jié)；焊道、焊池用成像監(jiān)測判別技術(shù)。設(shè)計電路圖 % ?!

9、 j! w（ w2 有了這樣一個文件，我們就好設(shè)計了；那么我們首先就要做的是：繪制機器人動運簡圖，規(guī)劃機器人運動軌跡，做好這些我們就可以進行機械機構(gòu)的設(shè)計，同時可以考慮程序的線路圖了。 K/z0S$A2 A5w#d） v! L6 & u先做一個簡圖，來研究一下運動規(guī)跡當我們把機械運動簡圖畫好后，一般的情況下是先對簡圖進行分析；雖然簡圖不能全部反映機械結(jié)構(gòu)的組成，但是它卻表現(xiàn)出了要設(shè)計的物體的總體輪廓。 4J）N!A* X. q:x%N那么對于我們這個機器人的簡圖，我們從哪里著手分析才合理呢？首先，我們看一下設(shè)計任務(wù)書的內(nèi)容。從任務(wù)書中知道，六個軸中有三個軸是做旋轉(zhuǎn)運動的，其余作擺角運動。 -?

10、7d B8C.Y0q/, 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)計思路與要求（客戶要求）相同，可以進行下一步工作，如果不同，就得重新畫簡圖。從簡圖知道，機器人的手臂伸縮范圍較大；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。 %:gpZ q83 C.M由簡圖知道，由于有多個關(guān)節(jié)連接，要知道截面形狀和慣量不太容易，只有把所有的機構(gòu)都設(shè)計完

11、成后才會知道想求的參數(shù)。5 A3 c0_$ i! t, h5 r由簡圖看出，第二軸擔負著手臂的上下運動，而且手臂又比較長，在運動的過程中必然存在著慣性沖量，也就是說，當大臂的運動速度很慢時，慣性就很?。蝗绻俣燃涌?，慣性就加大，這個慣性沖量是與速度有著線性關(guān)系；怎樣保持一定的速度，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。也說是大家所說的從上到下的設(shè)計方法。設(shè)計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，同時要有夾持焊槍的手爪。

12、也就是說手腕在轉(zhuǎn)動時的負載是不大的，選擇驅(qū)動功率不大的元件就行了。 8|$u9 B% , q z(d要讓手腕在360 度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，而且后面緊跟著又有一個上下擺動的關(guān)節(jié)；手腕又是在機器人手臂的最前端，當然總體質(zhì)量不能太重。用什么樣的機構(gòu)最好呢？下面我們考慮幾個方案：1 如簡圖所示，采用行星齒輪傳動。電機驅(qū)動太陽輪，行星輪繞太陽輪轉(zhuǎn)動，內(nèi)齒輪經(jīng)行星輪減速與太陽輪反向運動，電機與太陽輪同軸安裝。 % t: j; u) g0 R2 多級齒輪減速傳，電機安裝于手腕一側(cè)。3 擺線針輪減速傳動，電機與偏心軸同軸安裝。4 蝸輪蝸桿減速傳動，電機有兩種安裝方式；一種與輸出軸成90 度安裝，另一種與輸出軸同軸線

13、反向錯位安裝。 0o6L%Y7_+t8I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)就會很大，不利于機器人在運動時做精密定位。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，傳動比大，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，齒輪材料也不能按常規(guī)齒輪選用材料，加工工藝相對常規(guī)齒輪相復(fù)雜的多。擺線針輪傳動，傳動比大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動間隙小，可以自鎖。如果采用，手腕的尺寸不會太小，并且零件加工困難，精度

14、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機械結(jié)構(gòu)。行星齒輪在傳動的過程中有裝配間隙和機械磨損所造成的間隙；要消除這些機械間隙首先就要讓齒輪副的配合間隙要小，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)計計算不能按常規(guī)行星齒輪的設(shè)計方法去計算。機器人的手腕是很靈活的關(guān)節(jié)，而且是要做正反兩個方向的回轉(zhuǎn)。怎么樣安裝電機是一個問題；行星齒輪傳動機構(gòu)與手腕俯仰關(guān)節(jié)連接是一個問題。 & q* V.E+, r2r#?!R還有，手腕的運動速可能是非等速的；怎么樣去控制電機？又怎么樣去采集反饋信號？發(fā)出的控制信號到執(zhí)行單元的過程中有沒外部干擾？它來自哪

15、里？ ！Y! #0-8 丫5x7h;* W再有，就是手腕在運動過程中的精度；手腕在空間做相對運動，怎樣去實現(xiàn)運動精度？影響運動精度的因素有哪些？o*w0 b3%P-G:b! ; R1q. z在設(shè)計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，問題得到解答后再真正開始手腕的設(shè)計。下面給出伺服電機的的技術(shù)參數(shù)：型號： MSMD04ZS1V額定輸出功率：400W3 N 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 0 u#o)f； |8 a# I3 i, o電機慣量(有制動器)：1.7 x10-4Kg.m2變壓器容量：0.9 KVA編碼器：17位(分辨率：131072) . 7線制增量式/絕對式.適配驅(qū)動器型號：MBDDT221O S)