工业机器人操作机的结构及设计
01 机电—班 袁媛
工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备.特别适合于多品种、变批量的柔性生产.它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用. 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域.机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志.机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.本文主要介绍操作机的结构及其设计原则.
一.操作机的不同结构及其特点
1.直角坐标型操作机 这类操作机的手部在空间三个相互垂直的方向X、Y、Z上作移动运动,运动是独立的,如图1a所示.其控制简单,运动直观性强,易达到高精度,但操作灵活性差,运动的速度较低,操作范围较小而占据的空间相对较大.
2.圆柱坐标型操作机 这类操作机在水平转台上装有立柱,水平臂可沿立柱上下运动并可在水平方向伸缩,如图1b所示.其工作范围较大,运动速度较高,但随着水平臂沿水平方向伸长,其线位移分辨精度越来越低. 3.球坐标型操作机 也称极坐标型操作机,工作臂不仅可绕垂直轴旋转,还可绕水平轴作俯仰运动,且能沿手臂轴线作伸缩运动,如图12c所示.其操作比圆柱坐标型更为灵活,并能扩大机器人的工作空间,但旋转关节反映在未端执行器上的线位移分辨率是一个变量.
4.关节型操作机 这类操作机由多个关节联接的机座、大臂、小臂和手腕等构成,大小臂既可在垂直于机座的平面内运动,也可实现绕垂直轴的转动,如图1d所示.其操作灵活性最好,运动速度较高,操作范围大,但精度受手臂位姿的影响,实现高精度运动较困难.
二.操作机腰部、臂部和腕部结构
1.腰部结构 操作机腰部包括机座和腰关节,机座承受机器人全部重量,要有足够的强度和刚度,一般用铸铁或铸钢制造,机座要有一定的尺寸以保证操作机的稳定,并满足驱动装置及电缆的安装.腰关节是负载最大的运动轴,对末端执行器运动精度影响最大,故设计精度要求高.腰关节的轴可采用普通轴承的支承结构,图1所示为PUMA机器人腰部结构.其优点是结构简单、安装调整方便,但腰部高度较高.现在大多数机器人的腰关节均采用大直径交叉滚子轴承支承的结构,既可使机座高度大大降低,又具有更好的支承刚度.
2.臂部结构
臂部的作用是连结腰部和腕部,实现操作机在空间中的运动.手臂的长度尺寸要满足工作空间的要求,由于手臂的刚度、强度直接影响机器人的整体运动刚度,同时又要灵活运动,故应尽可能选用高强度轻质材料,减轻其重量.在臂体设计中,也应尽量设计成封闭形和局部带加强肋的结构,以增加刚度和强度.手臂结构可分为伸缩型结构、旋转伸缩型结构和屈伸型结构.图2示出了PUMA560机器人小臂传动结构.
3.腕部结构
腕部用来连接操作机手臂和末端执行器,并决定末端执行器在空间里的姿态.腕部一般应有2~3个自由度,结构要紧凑,质量较小,各运动轴采用分离传动.图3a所示为P-100机器人腕部结构(其中,轴1~轴3为手臂轴,未画出)是一种典型的3轴分立型式,图3b为JRS-80机器人的手腕原理图,本图是类似P100典型手腕的实际结构的一种型式.
三.操作机整机设计原则和设计方法
1. 操作机整机设计原则 (1)最小运动惯量原则 由于操作机运动部件多,运动状态经常改变,必然产生冲击和振动,采用最小运动惯量原则,可增加操作机运动平稳性,提高操作机动力学特性.为此,在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下,尽量减小运动部件的质量,并注意运动部件对转轴的质心配置. (2)尺度规划优化原则当设计要求满足一定工作空间要求时,通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸,这将有利于操作机刚度的提高,使运动惯量进一步降低. (3)高强度材料选用原则 由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的,选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的. (4)刚度设计的原则 操作机设计中,刚度是比强度更重要的问题,要使刚度最大,必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸,提高支承刚度和接触刚度,合理地安排作用在臂杆上的力和力矩,尽量减少杆件的弯曲变形. (5)可靠性原则 机器人操作机因机构复杂、环节较多,可靠性问题显得尤为重要.一般来说,元器件的可靠性应高于部件的可靠性,而部件的可靠性应高于整机的可靠性.可以通过概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构,也可以通过系统可靠性综合方法评定操作机系统的可靠性. (6)工艺性原则 机器人操作机是一种高精度、高集成度的自动机械系统,良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一.仅有合理的结构设计而无良好的工艺性,必然导致操作机性能的降低和成本的提高.

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