摘 要：工業(yè)機(jī)械臂具有工作空間大、占地空間小及可控性好等方面優(yōu)點(diǎn)，在各類生產(chǎn)行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。但工業(yè)機(jī)械臂普遍存在負(fù)載小、剛性不足及關(guān)節(jié)伺服電機(jī)負(fù)載大的問題。針對(duì)上述現(xiàn)象本文提出一種基于四桿機(jī)構(gòu)原理的新型機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。利用平行四邊形框架抵消外部彎矩，減小關(guān)節(jié)電機(jī)對(duì)大臂的驅(qū)動(dòng)功率，提高整機(jī)剛度。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)械臂；新型機(jī)械臂結(jié)構(gòu)；負(fù)載；剛度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.019

0 引言

工業(yè)機(jī)械臂是一種仿生機(jī)電設(shè)備，能模擬人手動(dòng)作通過改變目標(biāo)物體的位姿來實(shí)現(xiàn)作業(yè)?？赏瓿砂徇\(yùn)、焊接、切割、噴涂及裝配等工作。工業(yè)機(jī)械臂操作可控，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，用途比較廣泛。由于工業(yè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，整體架構(gòu)屬于費(fèi)力杠桿，并且傳動(dòng)齒輪間隙的存在也會(huì)降低機(jī)械臂的剛度及運(yùn)動(dòng)精度。因此提高機(jī)械手臂的負(fù)載能力、提高整體剛度及降低驅(qū)動(dòng)能耗成了機(jī)械臂性能提升的關(guān)鍵問題。

1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)械臂的主要部件包括回轉(zhuǎn)部、大臂、小臂及腕部?；剞D(zhuǎn)部可完成整機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，大臂和小臂的配合運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端的空間位置移動(dòng)，腕部能實(shí)現(xiàn)俯仰軸與擺軸兩個(gè)動(dòng)作。各部件的運(yùn)動(dòng)配合實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.1 大臂、小臂結(jié)構(gòu)

大臂由平衡缸、電動(dòng)缸及大臂梁組成，小臂由電動(dòng)缸II、平衡缸II及小臂梁組成，均為平行四邊形框架結(jié)構(gòu)構(gòu)形式，電動(dòng)缸安裝在各自的對(duì)角線上，電動(dòng)缸由關(guān)節(jié)電機(jī)、離合器、絲杠、推桿及缸體等零部件組成，端部的關(guān)節(jié)電機(jī)通過離合器帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠上的螺母驅(qū)動(dòng)推桿伸縮，推桿的伸縮帶動(dòng)四邊形框架夾角的變化，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的水平和豎直方向的移動(dòng)。

1.2 機(jī)械臂回轉(zhuǎn)部結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)部由伺服電機(jī)、渦輪、蝸桿、回轉(zhuǎn)支撐、回轉(zhuǎn)軸、立柱、箱體等零部件組成。為了平衡渦輪的側(cè)向推力及消除渦輪與蝸桿之間的間隙。蝸桿采用對(duì)稱布置的形式。2臺(tái)伺服電機(jī)帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)與渦輪連接的機(jī)體做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)結(jié)構(gòu)的有點(diǎn)是可傳遞扭矩大，自鎖性好，精度高，節(jié)省一個(gè)減速器。

1.3 機(jī)械臂腕部

機(jī)械臂的腕部由渦輪蝸桿傳動(dòng)副、支撐件、4臺(tái)伺服電機(jī)、俯仰部件、輸出法蘭等部分。能實(shí)現(xiàn)俯仰軸與擺軸兩個(gè)動(dòng)作。兩個(gè)動(dòng)作依靠差動(dòng)原理來實(shí)現(xiàn)。U型支撐兩側(cè)對(duì)稱布置差動(dòng)輸入單元，差動(dòng)輸入單元由伺服電機(jī)、渦輪蝸桿傳動(dòng)副及錐齒輪等部件組成。通過傳動(dòng)軸及中空軸將U型支撐兩側(cè)的錐齒輪及渦輪蝸桿聯(lián)結(jié)。差動(dòng)輸出單元由錐齒輪及擺軸組成。利用伺服電機(jī)控制兩側(cè)渦輪的傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)俯仰軸與擺軸兩個(gè)動(dòng)作。

2 機(jī)械臂能耗分析

新結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)功率較其他結(jié)構(gòu)機(jī)械臂明顯降低，負(fù)載質(zhì)心無偏移時(shí)能耗比二連桿機(jī)械臂降低約25%，比TITAN工業(yè)機(jī)械臂降低約35%。負(fù)載質(zhì)心偏移500mm時(shí)能耗比二連桿機(jī)械臂降低約45%，比TITAN工業(yè)機(jī)械臂降低約52%。

3 機(jī)械臂剛度分析

本文利用有限元分析方法對(duì)機(jī)械臂桿件進(jìn)行剛度分析，分析前將模型中對(duì)分析結(jié)果影響不大的孔、倒角等部分進(jìn)行壓縮處理，然后給模型添加比較可靠的邊界條件，再把模型網(wǎng)格化，最后得到機(jī)械臂工作空間內(nèi)的x、y及z方向的剛度分布如圖所示。機(jī)械臂x方向的剛度與負(fù)載的關(guān)系為2.3～245N/μm，機(jī)械臂y方向的剛度與負(fù)載的關(guān)系為2.7～15N/μm，機(jī)械臂z方向的剛度與負(fù)載的關(guān)系為7.7～13.1N/μm，綜合剛度由于同樣負(fù)載下的其他結(jié)構(gòu)機(jī)械臂。

4 結(jié)論

本文論述了常規(guī)機(jī)械臂存在的一些問題，指出機(jī)械臂優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種采用平行四邊形框架結(jié)構(gòu)的新型機(jī)械臂，機(jī)械臂大臂及小臂的驅(qū)動(dòng)依靠四邊形對(duì)角線上的電動(dòng)缸來完成，腕部的運(yùn)動(dòng)靠差數(shù)原理實(shí)現(xiàn)?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)利用底座上渦輪兩側(cè)的雙蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。與其他結(jié)構(gòu)機(jī)械臂相比同工作條件下驅(qū)動(dòng)能耗降低，同驅(qū)動(dòng)功率下負(fù)載能力提高，同負(fù)載下整機(jī)剛度明顯提高。可廣泛應(yīng)用在負(fù)載大及末端運(yùn)動(dòng)要求精度較高的場(chǎng)合。

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作者簡(jiǎn)介：古家希（1985-），男，重慶人，本科，中級(jí)工程師，講師，研究方向：自動(dòng)化控制技術(shù)。