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1、?開發(fā)與創(chuàng)新? 文章編號(hào)：1002-6673 (2012) 06-013-03 工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 朱同波，爲(wèi)凡，劉偉 (閩南理工學(xué)院，福建泉州362700) 摘 要：在了解工業(yè)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上.根據(jù)工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理.對(duì)機(jī)器人腕部 進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).為工業(yè)上機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供理論煤考、設(shè)計(jì)煉考和數(shù)據(jù)冬考.為工業(yè)設(shè)計(jì)者提供設(shè) 計(jì)理論和設(shè)計(jì)實(shí)踐的參考。 關(guān)鍵詞：機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；專用軸承；動(dòng)力布置 中圖分類號(hào)：TB47, TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi: 10.3969/j.issn. 1W2-6673.2012.06.()05 Industrial Rob

2、ot Structure Design ZHU Tong-Bo、CAI ban. LIU Wei (Minnan University of Science and Technology. Quanzhou Fujian 362700,China) Abstract: In the industrial robot in understanding situation at home and abroad. and on the basis of industrial robot according to internal structure and working principle

3、of the robot wrist structure design. On the design of the robot for industry co provide theoretical reference, design reference data for reference, and industrial designers with design theory and design practice reference. Key words： robot； structure design; special bearing； power arrangement #

4、 ?開發(fā)與創(chuàng)新? # ?開發(fā)與創(chuàng)新? 0引言 機(jī)器人是杲典型的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備，技術(shù)附 加值咼，應(yīng)用范rar,作為先逬制造業(yè)的支撐技術(shù)和信 息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè)，將對(duì)未來(lái)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起越來(lái) 越重要的作用。從20世紀(jì)下半葉起，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè) 一直保持著穩(wěn)步增長(zhǎng)的良好勢(shì)頭。根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)業(yè) 發(fā)展與升級(jí)的歷程和工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)，到 2015年中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)的容圮約達(dá)十幾萬(wàn)臺(tái)套。 1工業(yè)機(jī)器人的基本工作原理 工業(yè)機(jī)器人是一種生產(chǎn)裝備，其基本功能是提供 作業(yè)所須的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，其基本工作原理是通過操作機(jī) 上各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)手部作業(yè)的動(dòng)作功能

5、及技術(shù)要求。因此在基本功能及基本工作原理上，工業(yè) 機(jī)器人與機(jī)床有相同之處：二者的末端執(zhí)行器都有位置 變化要求，而且都是通過坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的 位置變化要求。當(dāng)然機(jī)器人也有其獨(dú)待的要求，是按關(guān) 節(jié)形式運(yùn)動(dòng)為主，同時(shí)機(jī)器人的靈活性要求很高，其剛 度、稍度要求相對(duì)較低。 收稿日期：2012-10-09 作者簡(jiǎn)介：朱同波（1986-）,男.教師。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì) 制造；蔡凡（1986-）,女，放師。研究方向：電子通信工程。  2工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 2.1工業(yè)機(jī)器人構(gòu)造 從功能角度分析可將機(jī)器人分解成四個(gè)部分：操作 機(jī)、末端執(zhí)行器、傳感系統(tǒng)、控制器。 操作機(jī)：是由機(jī)座、手臂和手腕

6、、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)等組成，其功能是使手腕具有某種工作空間.并調(diào) 整手腕使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)作業(yè)任務(wù)要求的動(dòng)作。 末端執(zhí)行器：也叫工業(yè)機(jī)器人的手部，它足安裝在 工業(yè)機(jī)器人手腕上蟲接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。 感器系統(tǒng)：是指要機(jī)器人與人一樣有效的完成工 作，必須對(duì)外界狀況進(jìn)行判斷的感覺功能。與機(jī)器人控 制最緊密相關(guān)的是觸覺。視覺適合于檢測(cè)對(duì)欽是否存 在，檢測(cè)其犬概的位置、姿勢(shì)等狀態(tài)。相比之下，継覺 協(xié)助視覺，能夠檢測(cè)岀對(duì)欽更細(xì)微的狀態(tài)。 控制器：機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定 機(jī)器人功能和性能的主要因素。主要是控制工業(yè)機(jī)器人 住工作空間中的運(yùn)動(dòng)位宜、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動(dòng) 作的時(shí)間等

7、。具有編程簡(jiǎn)單、軟件菜單操作、友好的人 機(jī)交互界面、在線操作提ZK和便用方便等待點(diǎn)。在機(jī)器 人中采用的控制系統(tǒng)有：點(diǎn)位的和輪廓的；同步的和異 步的；數(shù)字的和模擬的?？筛鶕?jù)機(jī)器人的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)要 求及工藝任務(wù)的特點(diǎn)來(lái)選擇控制系統(tǒng)的具體方案。 2.2主要結(jié)構(gòu)尺寸 根據(jù)AH?V6L教工業(yè)機(jī)器人的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì), 主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。機(jī)器人的工作范圍見圖2。 選擇型號(hào)為SGMAH41A,額定功率為100W.額定轉(zhuǎn) 矩為0.318N?m,額定轉(zhuǎn)速為3000r/mint賈最為0.7kg的 交流伺服電動(dòng)機(jī)。 （2）B軸和T軸電機(jī)的選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求取相同型 號(hào)的電機(jī)，選擇型號(hào)為SGMAH-01A

8、交流伺服電動(dòng)機(jī)。 3.4傳動(dòng)比的確定 （1）R軸總傳動(dòng)比的確定。角速度3=400。/8。即g 6.98r/mino再求實(shí)際轉(zhuǎn)速M(fèi)： M為轉(zhuǎn)^（r/min）o最后求得總傳動(dòng)比: n，=<^w_=60x6:98_=66_69r/min 15 ?開發(fā)與創(chuàng)新? 3腕部設(shè)計(jì) （2）用同樣的方法，可求得：B軸總傳動(dòng)比ift2=15； # ?開發(fā)與創(chuàng)新? 在設(shè)計(jì)中為減輕機(jī)器人本體的重址選用鑄鋁材料。 3.1手腕結(jié)構(gòu)的確定 手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件，其功能是在 手臂和機(jī)座實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)位置坐 標(biāo)（自由度）的基礎(chǔ)上，再由手腕來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)

9、行器在 作業(yè)空間的三個(gè)姿態(tài)（方位）坐標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)自 由度。通過機(jī)械接口，聯(lián)接并支承末端執(zhí)行器。根據(jù)機(jī) 器人的作業(yè)要求來(lái)決定其應(yīng)具有的自由度數(shù)目。 3.2基本參數(shù)的確定 確定了空間結(jié)構(gòu)和手腕結(jié)構(gòu)后，可確定手腕回轉(zhuǎn)、 手腕擺動(dòng)及手腕旅轉(zhuǎn)三個(gè)姿態(tài)的自由度。其參數(shù)見表1 （參數(shù)來(lái)于SSA2000工業(yè)機(jī)器人）。 表1機(jī)器人的主要規(guī)格參數(shù) 手腕回轉(zhuǎn) （R軸） 手腕擺動(dòng) （B»） 手腕能轉(zhuǎn) （TH） 額定載 荷滋 量大速度 /（皿） ±150°400°/$ ?180,/-45°4000/3 ±360°60

10、0°/s 3 1.4 手原回轉(zhuǎn)（R軸） ±150° 400°/s 動(dòng)作范圍 手腕慮動(dòng)（B軸） ?180°/-45° 400°/s 手炭轉(zhuǎn)（T軸） ±360^ 600% 額定載荷 3燈 銀大速度 1.4m/s 3.3手腕電機(jī)的選擇 （1）R紬電機(jī)的選擇。手腕的最大負(fù)荷質(zhì)ft m=3kgt 初估腕部的質(zhì)ft ml=3kgo最大運(yùn)動(dòng)速度V =1.4 m/s,取 軸承的效率為0.9。 功率 p=-E5L=mgy_=i>s^L£=46.7w 0 %

11、0.9 取各齒輪和聯(lián)軸器效率總和為0.9,則： P 士器-51.8W 考慮到傳動(dòng)損失和摩擦，最終的電機(jī)功率p.=100Wo T軸總傳動(dòng)比i “TO。 （3）傳動(dòng)比的分配。傳動(dòng)比分配時(shí)要充分考慮到各級(jí) 傳動(dòng)的合理性以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。 ①R軸傳動(dòng)比分配：R軸總的傳動(dòng)比i €1=15,該傳動(dòng)經(jīng) :諧波滅速器直接驅(qū)動(dòng)小臂回轉(zhuǎn)；②B軸傳動(dòng)比分配：B 軸總的傳動(dòng)比ig2=15,該傳動(dòng)先經(jīng)諧波減速器減速， 再經(jīng)兩級(jí)傳動(dòng)，第一極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比 i«=l,第二極傳動(dòng)為同步齒形帶傳動(dòng)，傳動(dòng)比i2t=l；③ :T軸傳動(dòng)比分配：T軸總的傳動(dòng)比i a 3=10,該傳動(dòng)經(jīng)

12、諧 波減速器減速再經(jīng)三級(jí)傳動(dòng)。第一極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳 動(dòng)，傳動(dòng)比i3.=l,第二極傳動(dòng)為同步帶傳動(dòng)，傳動(dòng)比 ixFl,第三極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比in=l.35o 3.5諧波減速器的選擇 諧波齒輪減速器是一種新型的機(jī)械傳動(dòng)變速機(jī)構(gòu)。 與普通齒輪傳動(dòng)相比，具有體積小，重■輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， :它與傳動(dòng)比相當(dāng)?shù)钠胀p速器比較，其零件減少50%, 體積和敕最均減少1/3左右或更多。傳動(dòng)比范圍大（單級(jí) 傳動(dòng)比為40-350,多級(jí)傳動(dòng)比可達(dá)1600-100000）,傳 動(dòng)效率高（單級(jí)傳動(dòng)效率耳385%）,傳動(dòng)精度高，承載能 :力強(qiáng)等特點(diǎn)。 根據(jù)所選擇的電機(jī)，選擇型號(hào)為SGMAH-01A.額 定功率

13、為100 W,額定轉(zhuǎn)矩為Q318N-m.額定轉(zhuǎn)速為 3000 "min的交流伺眼電動(dòng)機(jī)。同時(shí)選擇XB1諧波減速 機(jī)，機(jī)型為25,減速比為40,輸岀力矩為l.ON-m,輸 入轉(zhuǎn)速為3000 r/mino為了訂貨和維修方便，三軸均采 用同一種減速器。 :3.6売體的設(shè)計(jì) 機(jī)座部分采用鑄鋁材料，方形結(jié)構(gòu)，臂厚5~12mmo 機(jī)身部分采用鑄鋁材料，圓簡(jiǎn)形結(jié)構(gòu)，臂厚7~8mm。大 臂外殼采用鑄鋁材料，厚度均為28mm。小臂箱體和小 :片外殼采用鑄鋁材料，結(jié)構(gòu)為方形，側(cè)面為鑄件其它三 |面為鑄鋁板材。手腕外殼和手腕箱體采用鑄鋁材料，結(jié) 16 ?開發(fā)與創(chuàng)新? 構(gòu)為方形，兩側(cè)面、

14、背面、底面為鑄件，瑞面和正面為 鑄鋁板材，臂厚5~8mmo其它部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)決 定.見圖3。 4機(jī)器人軸承設(shè)計(jì)  為冠形插入式結(jié)構(gòu)。適合 安裝在工業(yè)機(jī)器人的腕 部、肘部等關(guān)節(jié)部位。薄 :壁交叉滾子軸承通常有滿 滾子結(jié)構(gòu)和帶沖壓保持架 或隔離件的結(jié)構(gòu)形式。為 便于裝配.交叉滾子軸承 5 ?漾動(dòng)體 外因或內(nèi)圈采用雙半結(jié)圖4薄廉四點(diǎn)接竝球軸承 構(gòu)，用螺釘連接，內(nèi)、外因滾道與軸承軸線呈45。角， 滾道之間交譬放置互成90°的圓柱滾子.滾子直徑一般 :應(yīng)大于滾子長(zhǎng)度，可承受徑向載荷及兩個(gè)方向的軸向載 荷以及傾覆力矩，相當(dāng)于兩套接觸角«=45°的角接觸釉

15、承背靠背安裝的組配。特別適合安裝在工業(yè)機(jī)器人的腰 部、肩部等關(guān)節(jié)部位。 17 ?開發(fā)與創(chuàng)新? 球軸承是機(jī)器人和機(jī)械手機(jī)構(gòu)中最常用的軸承。它 能承受徑向和軸向載荷.摩擦較小。其機(jī)器人專用軸承 四點(diǎn)接觸式設(shè)計(jì)以及高精度加工。這種軸承比同等軸輕 的常規(guī)中系列四點(diǎn)接M軸承輕25倍。它的內(nèi)圈（或外 圈）由兩個(gè)半圈精確拼配而成，而其整體外圈（或內(nèi)圈） 的溝曲率半徑較小，使鋼球與內(nèi)、外圈在四個(gè)“點(diǎn)”上 接觸，既加大了徑向負(fù)荷能力，又能以緊湊的尺寸承受 很的兩個(gè)方向的軸向負(fù)荷，并且有很好的兩個(gè)方向的軸 向限位能力，因?yàn)樗妮S向游隙相對(duì)較小，而其接觸角 （一般取為35。）又較大。 工業(yè)機(jī)器人專用

16、薄壁四點(diǎn)接融球軸承通常有帶密封 圈和不帶密封圈的結(jié)構(gòu)形式（見圖4）。其主要由內(nèi)圈、外 團(tuán)、保持架、鋼球或非接舷式密封圈組成。內(nèi)、外圈均 為整體結(jié)構(gòu).鋼球與內(nèi).外因溝道呈四點(diǎn)接觸■保持架  5結(jié)束語(yǔ) 各種工業(yè)機(jī)器人可以以單機(jī)形式使用.也可以作為 生產(chǎn)系統(tǒng)中的一種構(gòu)成部分使用。隨著社會(huì)需求發(fā)展的 變化.工業(yè)生產(chǎn)多品種小批就方向發(fā)展■對(duì)制造系統(tǒng)的 柔性要求越來(lái)越高。工業(yè)機(jī)器人靈活性好。因此在柔性 制造系統(tǒng)內(nèi)各種應(yīng)用越來(lái)越多。 參考文獻(xiàn)： ［1］ 馮辛安?機(jī)械制適裝備技術(shù)［MJJ匕京:機(jī)械工業(yè)出版社.2008. （2］ 郭巧?現(xiàn)代機(jī)痔人學(xué)［M］?北京:北京理工大學(xué)出版社.1999. :

17、⑶黃繼昌■徐巧色■尊?實(shí)用機(jī)構(gòu)圖冊(cè)［叫北京:機(jī)械工業(yè)出版社?2008. ［4］［日］日本機(jī)器人學(xué)會(huì)馬版機(jī)器人技術(shù)手州叫北京：科學(xué)岀版社. 2007. # ?開發(fā)與創(chuàng)新? # ?開發(fā)與創(chuàng)新? 圖3 PLC與HMI通訊連接關(guān) 廉示童圖 Fig3 Exhibition of the communication relationship between PLC and HMI （上接第24頁(yè)）濾器、高壓板式過濾器，從3號(hào)口出， 回到裝備主油路，實(shí)現(xiàn)利用裝備動(dòng)力的濾油功能；③內(nèi) 部動(dòng)力過濾：電確閥D2得電，傳動(dòng)油從吸油過濾器進(jìn) 入油泵，經(jīng)強(qiáng)磁過濾器、高壓板式過

18、濾器冋到清洗機(jī)內(nèi) 部油箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾清機(jī)油箱的濾油功能；④外油進(jìn)清洗 機(jī)：電磁閥D1得電，外部傳動(dòng)油經(jīng)1號(hào)口、吸油過濾 器進(jìn)入油泵，經(jīng)強(qiáng)磁過濾器、高壓板式過濾器，進(jìn)入清 洗機(jī)內(nèi)部油箱，實(shí)現(xiàn)濾清機(jī)油箱的補(bǔ)油功能；⑤向裝備 內(nèi)加油：電磁閥D2、D5得電，傳動(dòng)油從吸油過濾器進(jìn) 入油泵，從3號(hào)口出去，到達(dá)裝備加油口，實(shí)現(xiàn)裝備加 油、補(bǔ)油功能。 （3）控制原理：選用可編程序控制器（PLC）作為清洗 設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的主控單元；選用液晶顯示的人機(jī)界 面控制系統(tǒng)（HMI）作為顯示、操作單元。把PLC和HMI 二者有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)控制過程中流員和時(shí)間的設(shè)定、液位和濾清器堵塞報(bào)警指 示。兩者的通訊連接關(guān) 系如圖

19、3所示。 6結(jié)束語(yǔ) 工程裝備傳動(dòng)油濾 清機(jī)集多種功能于一 體，按系統(tǒng)提示操作， 通過連接不同的管路， 可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的壓力 清洗、動(dòng)力加油、廢油 收集.利用被保養(yǎng)裝備動(dòng)力進(jìn)行傳動(dòng)油過濾，傳動(dòng)油液 過濾精度可達(dá)到10pm。所有濾清過程可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)作 業(yè)，所有補(bǔ)油、加油可以實(shí)現(xiàn)定量操作。極大地簡(jiǎn)化了 :使用人員的摸作難度.提高了傳動(dòng)系統(tǒng)保養(yǎng)的效率。 # ?開發(fā)與創(chuàng)新? # 工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 作者： 朱同波，蔡凡，劉偉，ZHU Tong-Bo, CAI Fan， LIU Wei 作者單位： 閩南理工學(xué)院福建泉州362700 刊名： 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新

20、 英文刊名： Development & Innovation of Machinery & Electrical Products 年，卷（期）: 被引用次數(shù)： 2012,25(6) 2次 參考文獻(xiàn)（4條） 1. 馮辛安機(jī)械制造裝備技術(shù)2008 2. 郭巧現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)1999 3. 黃繼昌;徐巧魚實(shí)用機(jī)構(gòu)圖冊(cè)2008 4. 日本機(jī)器人學(xué)會(huì)新版機(jī)器人技術(shù)手冊(cè)2007 引證文獻(xiàn)（2條） 1. 方啟程，周俊，戴文靜,李金波 基于Petri網(wǎng)的柔性制造系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)器人故障診斷 ［期刊論文］-上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)2015（3） 2. 黃世亮基于RR&PI機(jī)構(gòu)的五自由度混聯(lián)機(jī)械臂的研究［學(xué)位論文］碩士 2013 引用本文格式：朱同波.蔡凡.劉偉.ZHU Tong-Bo CAI Fan. LIU Wei工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［期刊論文］-機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新2012（6）