姚林杰

湖北大學(xué)知行學(xué)院機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)院 湖北 武漢 430011

引言

科技的快速發(fā)展使我國各行業(yè)發(fā)展迅速。機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中,機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)屬于十分重要的內(nèi)容及組成部分,也是整體設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容。在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,并行設(shè)計(jì)屬于比較重要的一種設(shè)計(jì)模式,也是比較科學(xué)的一種方法。

1 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

首先,復(fù)雜性特點(diǎn)。就機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體而言,其相當(dāng)于通過關(guān)節(jié)將一系列懸臂杵件進(jìn)行串連的開式鏈,然而由于誤差以及變形不斷產(chǎn)生,在對結(jié)構(gòu)實(shí)行設(shè)計(jì)過程中,不但要使開鏈結(jié)構(gòu)能夠保證靈活性以及能動(dòng)性,并且對于該結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)傳遞以及誤差補(bǔ)償、消除等相關(guān)問題需要進(jìn)行處理,也就導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對比較復(fù)雜。其次,依賴性特點(diǎn)。在整個(gè)機(jī)器人構(gòu)成中,由于機(jī)械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)及控制系統(tǒng)屬于構(gòu)成一個(gè)整體,存在十分密切的聯(lián)系,因而在機(jī)械系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)過程中,其設(shè)計(jì)方案、結(jié)構(gòu)方案等,需要在確定感知系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的方法、方式及手段的基礎(chǔ)上才能夠得以實(shí)現(xiàn),因而具有依賴性特點(diǎn)。再次,協(xié)調(diào)性特點(diǎn)。對于機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)而言,其形式及實(shí)現(xiàn)手段等方面因素,對于控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及其復(fù)雜程度等方面均會產(chǎn)生直接影響,并且對于其它系統(tǒng)部件具體結(jié)構(gòu),以及安裝與調(diào)控也會產(chǎn)生影響,因而在對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中,需要協(xié)調(diào)其它各個(gè)系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上才能夠使系統(tǒng)設(shè)計(jì)取得更加理想的效果,滿足實(shí)際設(shè)計(jì)需求。

2 模塊劃分方法及理論

在對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行市場調(diào)查與功能分析的基礎(chǔ)上,將機(jī)器人產(chǎn)品分成一系列相對通用的功能模塊,并定義模塊的接口及各模塊要求。模塊劃分時(shí)要考慮的因素如下:(1)模塊劃分的原則是以盡可能少的模塊組成更多產(chǎn)品。(2)模塊結(jié)構(gòu)及功能有一定的獨(dú)立性和完整性。(3)為了保證相同功能模塊的互換和不同功能模塊的組合,模塊應(yīng)具有可組合性和可互換性兩個(gè)特征。

3 機(jī)器人伺服電機(jī)與減速器選型

機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是通過伺服電機(jī)通過減速器提升扭矩后產(chǎn)生的。伺服電機(jī)主要根據(jù)以下6個(gè)參數(shù)進(jìn)行選型:①額定轉(zhuǎn)速；②最高轉(zhuǎn)速；③額定轉(zhuǎn)矩；④額定功率；⑤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；⑥慣量比。目前市場中適合用于機(jī)器人使用的伺服電機(jī)主要有松下、山洋、翡葉動(dòng)力和臺達(dá)以及拉法特等?？紤]電機(jī)的性價(jià)比,JR-80機(jī)器人采用松下A6系列伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)?？捎糜诠I(yè)機(jī)器人上應(yīng)用的高精度減速器有RV 減速器和諧波減速器兩大類,諧波減速器因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)的原因不適用于大負(fù)載的工作環(huán)境,因此JR-80機(jī)器人選用RV 減速器作為機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

在工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中,要確定臂長后對其進(jìn)行優(yōu)化處理,在最小工作空間范圍內(nèi)提升操作效果,維護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)效性。另外,要對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),完善負(fù)載慣量估算過程,對驅(qū)動(dòng)力矩予以詳細(xì)判定,并進(jìn)行集中優(yōu)化驅(qū)動(dòng)部件選型工作,完善傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)效果,按照電氣布線和電氣接口設(shè)計(jì)要點(diǎn)提升實(shí)際效率。最后要進(jìn)行設(shè)計(jì)產(chǎn)品精度和出圖管理,秉持精細(xì)化管理機(jī)制,對產(chǎn)品精度進(jìn)行全面分析,有效整合不同零部件尺寸結(jié)構(gòu),按照標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)要求對機(jī)器人樣品進(jìn)行加工生產(chǎn)管理,保證生產(chǎn)改進(jìn)機(jī)制能發(fā)揮實(shí)際價(jià)值。

5 工業(yè)機(jī)器人模塊化參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

1.機(jī)器人模塊化參數(shù)化實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行機(jī)器人模塊化參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí),用戶先根據(jù)實(shí)際工況確定模塊種類、數(shù)量及裝配方式,再逐項(xiàng)確定機(jī)器人各模塊的尺寸參數(shù),從而確定機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)。不同的尺寸參數(shù)、模塊種類和數(shù)量對應(yīng)結(jié)構(gòu)相似、尺寸不同的機(jī)器人。2.搬運(yùn)機(jī)器人模塊化參數(shù)化實(shí)現(xiàn)案例,以某工況搬運(yùn)機(jī)器人為例進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),抓取對象為長50mm、寬60mm、高50mm 的長方體,質(zhì)量為0.5kg。經(jīng)計(jì)算,機(jī)器人的最大工作半徑為1740mm。(1)搬運(yùn)機(jī)器人模塊選擇,為完成搬運(yùn)任務(wù),選擇5個(gè)模塊組成機(jī)器人,分別是執(zhí)行器模塊、繞z軸旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、2個(gè)繞x(y)軸俯擺關(guān)節(jié)及底座平臺。(2)搬運(yùn)機(jī)器人參數(shù)確定,從執(zhí)行器末端開始,機(jī)器人連桿的長度分別為100mm、160mm、250mm、410mm。所選某品牌減速電機(jī)型號分別為2個(gè)TN80-40和ZL28-0.75-15S、ZF32-0.75-30S,電機(jī)軸徑分別為10mm、10mm、28mm、32mm。3.機(jī)器人總圖設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)器人零部件參數(shù)表,構(gòu)建組成搬運(yùn)機(jī)器人各模塊零部件的三維模型并將其組裝成機(jī)器人的各個(gè)模塊,再將各模塊裝配起來,最終完成特定工況下工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

6 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)并行設(shè)計(jì)模式分析

在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,其并行設(shè)計(jì)模式的構(gòu)成主要包括具體方案設(shè)計(jì),領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)技術(shù)分析,實(shí)行綜合評價(jià),還包括機(jī)械系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)等有關(guān)部分。由此可知,方案設(shè)計(jì)以及領(lǐng)域技術(shù)分析所對應(yīng)的就是普通設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì),而綜合評價(jià)以及系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)所對應(yīng)的內(nèi)容就是普通設(shè)計(jì)中具體設(shè)計(jì)。在機(jī)器人實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,其運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)及傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)會涉及到很多方面內(nèi)容,包括機(jī)器人機(jī)構(gòu)、誤差檢測辨識以及軌跡規(guī)劃等相關(guān)技術(shù),還包括軟硬件補(bǔ)償技術(shù)、振動(dòng)與防治,還有動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識及關(guān)節(jié)柔性等有關(guān)方面內(nèi)容,因而需要傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)以及控制系統(tǒng),還包括電子系統(tǒng)及制造工藝與裝配等有關(guān)各個(gè)方面技術(shù)作為支持,另外,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及傳動(dòng)形式對于支持技術(shù)系統(tǒng)有關(guān)方法及方式也具有決定性作用。因此,運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)與傳動(dòng)裝置方案設(shè)計(jì),還有支撐系統(tǒng)分析設(shè)計(jì),彼此之間存在并行設(shè)計(jì)協(xié)作關(guān)系,從而使其它機(jī)械系統(tǒng)方案和其它相關(guān)系統(tǒng)方案之間能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào),使設(shè)計(jì)能夠更加有效可靠,并且更加便捷。

結(jié)語

在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,并行設(shè)計(jì)模式屬于比較有效的一種模式,并且也是比較理想的一種模式,通過并行設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用,可使機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加具有科學(xué)性及合理性。