四川普什寧江機床有限公司研發(fā)院 （都江堰 611830） 趙 軍

通用機床研究所所長 趙 軍

工業(yè)機器人與自動供料裝置、物流線連接組成自動裝配單元，完成自動化物流生產(chǎn)線上的裝配作業(yè)。小型多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人為數(shù)控五軸關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式，運動關(guān)節(jié)軸采用帶編碼器交流伺服電動機驅(qū)動，半閉環(huán)位置反饋的開放式數(shù)控系統(tǒng)。交流伺服電動機直接驅(qū)動擺線減速機、諧波減速器等機構(gòu)，最大限度地減少傳動誤差；各關(guān)節(jié)主支撐回轉(zhuǎn)導(dǎo)軌采用高精度、高剛性的十字交叉滾柱軸承，保證關(guān)節(jié)運動的靈活及工業(yè)機器人高精度重復(fù)定位；配置不同的手指附件裝置可滿足自動化物流生產(chǎn)線的裝配工序要求，適用于汽車、摩托車、工程機械及家電行業(yè)自動化生產(chǎn)線上。小型多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人的外形尺寸及運動空間位置如圖1所示，手腕外形軸側(cè)投影如圖2所示。

圖1 外形尺寸及運動空間位置

小型多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人特點

圖2 手腕外形軸側(cè)投影

（1）高精度 工業(yè)機器人各關(guān)節(jié)的傳動平穩(wěn)性、重復(fù)定位精度是工業(yè)機器人性能主要指標(biāo)，在小型多關(guān)節(jié)裝配工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，突破機械傳統(tǒng)設(shè)計觀念，采用大減速比高精度的擺線減速機，通過伺服電動機直接與擺線減速機相聯(lián)接，驅(qū)動工業(yè)機器人關(guān)節(jié)運動，改善工業(yè)機器人原有的傳動鏈長，傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動誤差大的缺點。通過數(shù)控系統(tǒng)對位置誤差及反向間隙進行補償，保證工業(yè)機器人位置重復(fù)精度不大于±0.05mm。

小型多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人采用自制復(fù)合型、高精度十字交叉滾子軸承如圖3所示，因軸承中圓柱滾子在呈90°的V形溝槽滾動面上相互垂直的排列，軸承可承受徑向負(fù)荷、軸向負(fù)荷及傾覆力矩等所有方向的負(fù)荷。內(nèi)外圈的尺寸最大限度地小型化，外圈采用兩體分割的構(gòu)造，軸承預(yù)緊量可調(diào)整，通過施加預(yù)緊負(fù)荷，而獲得高剛性、高精度，軸承回轉(zhuǎn)、軸向跳動精度不大于±0.01mm。該軸承應(yīng)用于工業(yè)工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)部位，從而縮小工業(yè)機器人關(guān)節(jié)支撐件安裝空間及簡化支撐結(jié)構(gòu)，提高工業(yè)機器人傳動剛性及運動幾何精度。

圖3 十字交叉滾子軸承結(jié)構(gòu)

（2）模塊化設(shè)計 為擴大開發(fā)出的工業(yè)機器人自身通用性，適應(yīng)不同自動化生產(chǎn)線的要求，將交流伺服電動機、擺線減速機及十字交叉滾子軸承集成化、模塊化設(shè)計如圖4所示，與物流系統(tǒng)自動線的針對性、單一準(zhǔn)確性相結(jié)合，達到柔性可調(diào)和高效、高精度的目的。

根據(jù)工業(yè)機器人的不同功能需求、不同負(fù)荷及精度要求進行模塊化組合，模塊之間具有統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的界面，達到縮短設(shè)計制造周期、降低制造成本的目的。

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)預(yù)留與外界設(shè)備相連接的各類I/O接口，如：I/O Precess插接頭式、I/O Modulea插槽式、I/O Moduleb整體式、I/O Link Adupter等，以便于物流系統(tǒng)自動線連接，適應(yīng)工業(yè)機器人可重構(gòu)化及滿足自動化生產(chǎn)線柔性化要求。

（3）高速度 工業(yè)機器人快速直線移動速度1500mm/s，滿足自動生產(chǎn)線高節(jié)拍的工作效率要求。在額定負(fù)載和最大速度條件下，工業(yè)機器人按圖5所示軌跡從A點運動到D點，并從D點返回到A點（按ABCD—DCBA）進行循環(huán)運動。用儀表計時，其結(jié)果不大于4s，可適應(yīng)自動生產(chǎn)線5s/件高生產(chǎn)節(jié)拍的要求。

（4）控制系統(tǒng)高柔性 裝配工業(yè)機器人應(yīng)用得好壞，控制策略與方法及其對應(yīng)軟硬件系統(tǒng)是關(guān)鍵。將工業(yè)機器人控制系統(tǒng)按“工業(yè)機器人群”考慮，其控制既能適應(yīng)群體系統(tǒng)控制，也能保證各獨立工業(yè)機器人之間的協(xié)調(diào)配合，同時每個獨立工業(yè)機器人的控制方式和結(jié)構(gòu)，能方便地實現(xiàn)與其他工業(yè)機器人或自動生產(chǎn)線的連接及通信。獨立工業(yè)機器人的控制從系統(tǒng)的角度出發(fā)，使之具有與其他工業(yè)機器人與設(shè)備的互聯(lián)和協(xié)調(diào)的工作能力，以工程數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)為支撐技術(shù)，規(guī)劃好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議及各種規(guī)范的軟硬件接口，所有控制軟件采用模塊化設(shè)計技術(shù)，增強控制系統(tǒng)的柔性和適應(yīng)性。

圖4 關(guān)節(jié)模塊組合

圖5 運動速度測試

工業(yè)機器人的主要技術(shù)規(guī)格參數(shù)

工業(yè)機器人的主要技術(shù)規(guī)格參數(shù)如附表所列。

工業(yè)機器人的主要技術(shù)規(guī)格參數(shù)

工業(yè)機器人本體設(shè)計

小型多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人總體布置如圖6所示，工業(yè)機器人對于不同的自動線而各異，但其基本組成是一樣的。一般是由工業(yè)機器人本體、工業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)、帶力傳感器機械手指、視覺系統(tǒng)、工業(yè)機器人專用控制軟件等組成，其基本框架如圖7所示。

圖6 工業(yè)機器人總體布置

圖7 小型多關(guān)節(jié)裝配工業(yè)機器人基本組成

工業(yè)機器人本體各運動關(guān)節(jié)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計：

（1）J5軸 J5軸為工業(yè)機器人手腕回轉(zhuǎn)軸之一，是工業(yè)機器人與外界手部裝置相連接的接口關(guān)節(jié)，用于改變手部在空間的方位。結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在保證本身剛度和強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于減輕臂部的負(fù)載。結(jié)構(gòu)如圖8所示。

交流伺服電動機5經(jīng)平鍵帶動諧波減速器3驅(qū)動十字交叉滾子軸承1回轉(zhuǎn)。

J5軸關(guān)節(jié)傳動利用諧波減速裝置的特點：結(jié)構(gòu)簡單，零件較少，體積小，重量輕，同時嚙合齒數(shù)多，傳動精度高，承載能力大，傳動比范圍寬且特別大等，加上自制的高精度、高剛性十字交叉滾子軸承1，使關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。

（2）J4軸 J4軸為工業(yè)機器人手腕回轉(zhuǎn)軸之一，驅(qū)動J5軸回轉(zhuǎn)，用于改變手部在空間的方位。結(jié)構(gòu)設(shè)計中，除要求與J5軸設(shè)計要求相同外，考慮到該軸的傳動布置，采用三級齒輪減速形式。結(jié)構(gòu)如圖9所示。

交流伺服電動機8經(jīng)平鍵帶動軸齒7經(jīng)兩級雙聯(lián)齒輪3、5和齒輪1減速，其中通過調(diào)整雙聯(lián)齒輪3、5的支撐軸來控制傳動齒輪間隙，達到減小齒隙及傳動噪聲，提高傳動精度的目的。自制的高精度、高剛性十字交叉滾子軸承2保證J5軸運動精度；輔助支撐架11即作為J5軸的輔助支撐點，又起到內(nèi)藏式走線支架的作用。在J4軸結(jié)構(gòu)零件設(shè)計上，注重零件的重量及轉(zhuǎn)動慣量問題，在強度、剛性足夠的情況下，盡量減輕零件的重量和轉(zhuǎn)動慣量，達到減少手臂和腰關(guān)節(jié)負(fù)荷，提高工業(yè)機器人整體性能的要求。

（3）J3、J4軸 該兩軸組成工業(yè)機器人的手臂系統(tǒng)，工業(yè)機器人的臂部用于支承腕部與手部，帶動手部按一定的運動軌跡由初始位置到達另一指定位置。結(jié)構(gòu)如圖10所示。交流伺服電動機3、9直接聯(lián)接在擺線減速機2、8上，縮短傳動鏈，減小傳動誤差，同時將兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸固定在主支撐臂1上，其傳動剛性由主支撐臂1零件強度決定，使手臂傳動剛性很容易得到保證；在主支撐臂1的另一端，留出足夠的空間用于工業(yè)機器人電纜、氣管等設(shè)置，輔助支撐臂11即作為走線槽又起到輔助支撐的作用。

圖8 J5軸結(jié)構(gòu)

圖9 J4軸結(jié)構(gòu)

（4）J1軸 J1軸為工業(yè)機器人腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動工業(yè)機器人手臂以上各關(guān)節(jié)做大范圍的回轉(zhuǎn)運動，使工業(yè)機器人手部工作器在工業(yè)機器人運動范圍內(nèi)工作。結(jié)構(gòu)如圖11所示。

伺服電動機2聯(lián)接擺線減速器4進行一級減速，通過與擺線減速器輸出端相聯(lián)接的齒輪副5、7進行二級減速，構(gòu)成J1軸機械傳動系統(tǒng)，整套傳動系統(tǒng)密封在油池箱內(nèi)，起到降低齒輪傳動噪聲、減小齒輪磨損的作用。

（5）機械手指附件 機械手指附件結(jié)構(gòu)如圖12所示：根據(jù)工業(yè)機器人的工作性質(zhì)、工作負(fù)荷及針對零件的形狀而設(shè)計，作為工業(yè)機器人的特殊訂貨部件。圖12所示交換式機械手主要用于生產(chǎn)線的裝配工位及機床加工零件上下料，對于噴漆、冷卻、焊接等工序只需在工業(yè)機器人腕關(guān)節(jié)聯(lián)接處配置氣槍、水槍和焊槍等裝置，即能實現(xiàn)不同工序的要求，用兩個機械手指可同時實現(xiàn)零件的自動上下料換裝工作，提高工業(yè)機器人的利用率。

圖10 J3、J4軸結(jié)構(gòu)

圖11 J1軸結(jié)構(gòu)

圖12 機械手指附件