【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 間接傳動(dòng)經(jīng)速比遠(yuǎn)1的傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)相連經(jīng)濟(jì)、對(duì)在和變化不敏感，便于制動(dòng)設(shè)計(jì)、方便一些運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換傳動(dòng)精度低、結(jié)構(gòu)不緊湊、引入誤差，降低可靠性直接驅(qū)動(dòng)不經(jīng)中間關(guān)節(jié)或減速比=1的傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)相連精度高，振動(dòng)小，傳動(dòng)損耗小、可靠性高，響應(yīng)快控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難，對(duì)傳感原件要求高，成本高機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)的時(shí)侯，要綜合考慮各種因素，既要滿足規(guī)定的運(yùn)動(dòng)形式、給定運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還要遵循機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈要短，且關(guān)節(jié)相對(duì)位移移動(dòng)小，完成同樣的動(dòng)作，在條件允許的情況下優(yōu)先選擇構(gòu)件少和運(yùn)動(dòng)副少的機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人的傳動(dòng)成本大大的降低，減輕整個(gè)機(jī)器人的重量，節(jié)省了材料，不但提高了機(jī)器人的剛度，而且減少振動(dòng)，也降低了由于零件的制造、安裝誤差而形成的累積誤差【12】；低副機(jī)構(gòu)加工方便，有較高的承載能力，所以優(yōu)先選用低副。根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，綜合以上傳動(dòng)形式的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮初步選擇如圖24的兩種傳動(dòng)方案及布置方式（a）、（b）。圖24 5自由度裝配加工機(jī)器人的傳動(dòng)方案與布置形式 Transmission scheme amp。 arrangement of 5Dof robot （a）（b）通過比較兩種傳動(dòng)方式,傳動(dòng)方案(b)手腕結(jié)構(gòu)輕，結(jié)構(gòu)緊湊，采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器的俯仰，把電機(jī)合理的安裝在大臂的里面，使結(jié)構(gòu)緊湊充分利用了大臂里面的空間，并且使電機(jī)后置，平衡了機(jī)器人以基座為軸線兩端的質(zhì)量，所以選擇方案（b）的傳動(dòng)方案與布置形式。方案（b）腰部關(guān)節(jié)由伺服電機(jī)經(jīng)過諧波減速器驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，安裝和拆卸方便，便于維修。五自由度裝配加工機(jī)器人的直線移動(dòng)關(guān)節(jié)采用摩擦小，剛度高，承載能力大的直線組件，由交流伺服電機(jī)帶動(dòng)大臂、小臂、手腕移動(dòng)，滿足機(jī)器人工作空間高度上的要求。機(jī)器人小臂和手腕的擺動(dòng)均是通過同步帶傳動(dòng)，由于大臂小臂均是一端固定在直線組件上一端懸空，設(shè)計(jì)中為了平衡機(jī)器人兩端的質(zhì)量，減少由于末端重量太大，產(chǎn)生一定的力矩，對(duì)系統(tǒng)的影響，參照已有的機(jī)器人綜合考慮把小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)和手腕伺服電機(jī)均配置在大臂接近于基座軸線。手腕的俯仰，因?yàn)樾枰呐ぞ剌^小，所需要的電機(jī)質(zhì)量小，按照就近放置的原則，把伺服電機(jī)放在手腕的末端直接帶動(dòng)手腕的俯仰【13】。各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都采用交流伺服電機(jī)與諧波減速器連接的傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，諧波減速器承載能力強(qiáng)、旋轉(zhuǎn)精度高、小體積、大轉(zhuǎn)矩、高減速比，可以獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn)。直線采用帶抱閘的伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)具有自鎖功能的直線組件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。機(jī)械系統(tǒng)主要構(gòu)件包括基座、支架、腰部、大臂、小臂、腕關(guān)節(jié)、電主軸支架、交流伺服電機(jī)、諧波減速器等【14】。參考已有同類機(jī)器人的參數(shù)，結(jié)合實(shí)際的工作情況，機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)如表22表22 五自由度裝配加工機(jī)器人技術(shù)參數(shù)Table 22 5DOF serial robot technology parameters結(jié) 構(gòu) 形 式串聯(lián)型自由度5（4個(gè)回轉(zhuǎn)一個(gè)移動(dòng)）關(guān)節(jié)速度腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)直線關(guān)節(jié)小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)末端執(zhí)行器俯仰關(guān)節(jié)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)直線關(guān)節(jié)小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)末端執(zhí)行器回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)幾何尺寸大臂關(guān)節(jié)直線關(guān)節(jié)小臂關(guān)節(jié)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分，也是基礎(chǔ)組成部分，一般的機(jī)器人由基座、腰部、臂部、腕部、末端執(zhí)行器等幾部分組成，每一部分都可以包含有若干個(gè)零件，每個(gè)零件可以有多個(gè)自由度，把他們連接起來就構(gòu)成一個(gè)具有多自由度機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)器人常見的結(jié)構(gòu)形式是用其坐標(biāo)系描述的，分為直角坐標(biāo)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人、球坐標(biāo)機(jī)器人、開鏈連桿式關(guān)節(jié)型機(jī)器人及移動(dòng)型機(jī)器人，在何部位采用何種關(guān)節(jié)，則要求他做何種運(yùn)動(dòng)而決定，機(jī)器人的關(guān)節(jié)保證了機(jī)器人各部位的可動(dòng)性。機(jī)器人機(jī)械部分設(shè)計(jì)的合理性和可靠性直接影響整個(gè)機(jī)器人的綜合性能和控制精度，所以機(jī)械部分的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說具有至關(guān)重要的作用。機(jī)器人的基座，支撐著機(jī)器人上部所有的質(zhì)量，所以要求基座的接觸面要足夠大，具有足夠的剛度和穩(wěn)定性，一般機(jī)器人的基座有固定式和移動(dòng)式兩種【15】。機(jī)器人的臂部，相當(dāng)于人類的胳膊，上接腰身，下連手腕，通常由大臂和小臂組成，一般帶動(dòng)末端執(zhí)行器做平面運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的腕部，一般有二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，以實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器必要的姿態(tài)，但對(duì)于復(fù)雜的作業(yè)，如焊接和噴漆往往需要三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。末端執(zhí)行器，是工業(yè)機(jī)器人和大多數(shù)服務(wù)型機(jī)器人直接從事工作的部分，根據(jù)機(jī)器人的類型，可以設(shè)計(jì)成夾持型的夾爪，也可以是某種工具，也可以是非夾持型的。采用模塊化設(shè)計(jì)還可以有效地提高設(shè)計(jì)的重用性，增加系統(tǒng)的可靠性，并能根據(jù)客戶需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理配置從而滿足市場(chǎng)的不同需求，五自由度裝配加工機(jī)器人基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)、直線組件的設(shè)計(jì)、大臂和小臂、手腕等。這一節(jié)我們將采用模塊化設(shè)計(jì)的思想對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)、直線組件、大臂、小臂及其驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。回轉(zhuǎn)臺(tái)又稱機(jī)器人的基座，是機(jī)器人重要的組成部分，用來實(shí)現(xiàn)腰部關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度和腰部零件的剛度對(duì)末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)精度有很大的影響。因此腰座與其連接的手臂要有可靠的定位基準(zhǔn)面?；惺苎b配加工機(jī)器人臂部及后面桿件的全部重量、工作中的工作載荷和外載荷，安裝機(jī)器人的回轉(zhuǎn)臺(tái)的安裝面要足夠大【15】。在設(shè)計(jì)中，采用十字交叉滾子軸承為機(jī)器人基座的支承元件，十字交叉滾子軸承是一種圓柱滾子在軸承內(nèi)外圈之間垂直交叉排列的軸承，其單個(gè)軸承能夠承受徑向力、軸向力、傾覆力矩和其他聯(lián)合載荷單獨(dú)作用或者聯(lián)合作用。本文腰關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)由安川交流伺服電機(jī)作為輸入把HD諧波減速器柔輪輸出的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與之相固聯(lián)的基座回轉(zhuǎn)【16】。機(jī)器人的腰關(guān)節(jié)模塊外形圖如圖25所示。由于交叉滾子軸承內(nèi)圈回轉(zhuǎn)的精度比外環(huán)回轉(zhuǎn)的精度高，故本文選擇交叉滾子軸承內(nèi)圈回轉(zhuǎn)的方式。圖26表示了采用十字交叉圓柱滾子軸承內(nèi)圈回轉(zhuǎn)時(shí)的安裝方式。圖25 五自由度裝配加工機(jī)器人的回轉(zhuǎn)臺(tái)模塊 The model of 5DOF assembly processing robot’s waist圖26 交叉滾子軸承的安裝方式Fig Cross cylindrical roller bearing installation method1回轉(zhuǎn)臺(tái)，2,6內(nèi)六角螺釘，3上壓圈，4基座，5下壓圈，7交叉滾子軸承常用的直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有普通滑動(dòng)導(dǎo)軌、液壓導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌【17】。前面兩種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，但是導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)隨速度變化，低速時(shí)容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，磨損大，通常用于對(duì)精度要求低的場(chǎng)合。氣浮導(dǎo)軌剛度和阻尼低，對(duì)制造精度和環(huán)境空氣條件要求較高。滾動(dòng)導(dǎo)軌在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用最廣泛，因?yàn)榫哂心Σ列?、剛度高、承載能力大、精度高，容易制造成標(biāo)準(zhǔn)件。因此，本設(shè)計(jì)中我們采用南京工藝裝備制造公司的DZHK600精密工作臺(tái)為五自由度裝配加工機(jī)器人的升降關(guān)節(jié)。（1）此直線導(dǎo)軌副采用滾珠絲杠副，并且工作臺(tái)由FFB型滾珠絲杠副和GGB船型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌組成，并且施加一定的預(yù)載荷，消除了間隙，提高了接觸剛度和定位精度，可實(shí)現(xiàn)無間隙運(yùn)動(dòng)，具有高效率、高精度、壽命長(zhǎng)、磨損小、簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)。（2）本文所采用的滾珠絲杠副軸承采用常見的一端固定，另一端簡(jiǎn)支的支承形式，這樣可以釋放絲杠由于受熱而發(fā)生的變形，減少熱變形對(duì)絲杠導(dǎo)軌精度的影響。從而提高了導(dǎo)軌副的運(yùn)動(dòng)精度。（3）工作臺(tái)整體剛性較強(qiáng)，根據(jù)功能要求的不同，參照工作臺(tái)的的承載能力可以進(jìn)行各種組合使用。主要技術(shù)參數(shù)：如表23表23精密線性模組技術(shù)參數(shù)Table 23 Precision linear model technical data工作臺(tái)型號(hào)搭載重量（N）工作臺(tái)高度(mm)臺(tái)面尺寸(mm)工作行程(mm)滾珠絲杠副滾動(dòng)導(dǎo)軌副公稱直徑(mm)導(dǎo)程(mm)公稱尺寸(mm)DZHK2500120405*38060025535五自由度裝配加工機(jī)器人一般通過機(jī)架或者基座安裝在固定地點(diǎn)或安裝在自動(dòng)導(dǎo)航車上組成移動(dòng)式機(jī)器人。機(jī)架或基座是裝配加工機(jī)器人重要的組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到機(jī)器人的整機(jī)性能和運(yùn)動(dòng)精度。所以，在進(jìn)行基座或機(jī)架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇合理的材料及結(jié)構(gòu)，減少對(duì)機(jī)器人的影響，盡量滿足以下基本要求【18】：1) 機(jī)架應(yīng)具有足夠的接觸面積、足夠的剛度來承載機(jī)器人本體的所有重量和一些未知的外載荷。2) 機(jī)架應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性，受外界因素影響小、抵抗震動(dòng)，并盡量減少熱載荷對(duì)機(jī)架的影響。3) 若作為裝配加工機(jī)器人的支架，要盡量減小機(jī)架的重量，對(duì)于基座來說支架也是負(fù)載，滿足要求的情況下盡量降低成本。鑄造彎板一般用于零部件的檢測(cè)和機(jī)械加工中的裝夾，也可以用來支撐一些工作臺(tái)。具有剛性好、成本低、位置精度高、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)。因此本文采用鑄鐵彎板機(jī)架來支撐機(jī)器人直線關(guān)節(jié)及大臂等部分。圖27是設(shè)計(jì)的5自由度裝配加工機(jī)器人支架的三維模型。圖27 五自由度裝配加工機(jī)器人機(jī)架的三維模型 The 3dimension model of 5DOF assembly processing robot’s rack五自由度裝配加工機(jī)器人相當(dāng)于有移動(dòng)關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成的具有開鏈?zhǔn)竭B桿結(jié)構(gòu)，機(jī)器人整體靜、動(dòng)態(tài)性能和其臂部關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)及布置形式、末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)及重量有直接關(guān)系，對(duì)機(jī)器人整體的穩(wěn)定性、工作效率、可靠性都有很大影響，因此在進(jìn)行這些部件時(shí)要選擇合理的材料和機(jī)械結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中機(jī)器人大臂、小臂、手腕均為鑄鋁合金，因?yàn)殇X合金具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖28所示。圖28 五自由度裝配加工機(jī)器人的臂部模塊 The model of 5DOF assembly processing robot’s arm、轉(zhuǎn)矩的計(jì)算高速電主軸可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為是“電機(jī)+主軸”，電主軸將電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接安裝在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸可以直接裝卡刀具，因而具有結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)能高效的特點(diǎn)，一般配備變頻電源使用。電主軸一般按照支承型式、潤(rùn)滑方式、冷卻方式、換刀型式、用途來分類。電主軸一般的選用只需配套滿足功率，電流和使用要求的變頻電源和外用冷卻，潤(rùn)滑設(shè)施即可。選用電主軸時(shí)需要從以下幾個(gè)方面考【56】： 對(duì)于高速電主軸來說，功率和轉(zhuǎn)速要同時(shí)考慮，不同轉(zhuǎn)速下相同功率的電主軸外形尺寸相差懸殊。功率輸出一樣的時(shí)候，低速電主軸需要更大體積的電機(jī)；轉(zhuǎn)速相同時(shí)，轉(zhuǎn)矩大的電機(jī)需要更大的體積。 同樣轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩大的電機(jī)需要更大的體積，但是放棄了高速性，電主軸的優(yōu)勢(shì)不能很好的體現(xiàn)。 電主軸的工作轉(zhuǎn)速要選用適當(dāng)，避免造成浪費(fèi)，選用時(shí)應(yīng)該考慮所有的速度應(yīng)用范圍，選用最低工作轉(zhuǎn)速低于實(shí)際所需時(shí)易造成電主軸體積偏大，相反會(huì)造成配套電源或潤(rùn)滑轉(zhuǎn)置的難度。五自由度裝配加工機(jī)器人的電主軸選用洛陽軸研科技股份公司的80XD24C電主軸，其技術(shù)參數(shù)如表24。五自由度裝配加工機(jī)器人的電主軸主要用于鉆（擴(kuò)、鉸）削加工，由于在加工的過程中，電主軸會(huì)產(chǎn)生軸向力及轉(zhuǎn)矩，對(duì)后面的構(gòu)件具有很大的影響，所以必須考慮到電主軸等效過來的軸向力及扭矩。通過查詢機(jī)械加工工藝手冊(cè)，得到鉆孔時(shí)軸向力和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)化公式，此公式是通過大量實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)力儀測(cè)得的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)學(xué)方法處理得到的計(jì)算式，常見的形式為：式中 由工件的材料和切削條件決定為實(shí)際加工條件與所得經(jīng)驗(yàn)公式條件不符合時(shí)，各種因素對(duì)切削力的修正系數(shù)之積。取刀具直徑d為6mm，式中各個(gè)系數(shù)如表25表24 電主軸技術(shù)參數(shù)Table 24 Electric spindle technical parameters主軸型號(hào)轉(zhuǎn)速r/min電機(jī)Motor變頻器安裝尺寸潤(rùn)滑冷卻軸端連接KWAHz80XD24C240001440080200油脂水ER11表25 鉆削各個(gè)系數(shù)Table 25 Drilling each coefficient加工材料刀具材料軸向力轉(zhuǎn)矩F(N)T()鑄鐵高速鋼420鋼高速鋼600最終取F1==1034N,T1==。本節(jié)針對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況來對(duì)交流伺服電機(jī)和諧波減速器，進(jìn)行選型。諧波減速器由三個(gè)主要部分組成，即：具有內(nèi)齒的剛輪，諧波發(fā)生器、具有外齒的容易變形的柔輪。利用柔輪在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候與剛輪的齒數(shù)差產(chǎn)生的彈性機(jī)械波來傳遞力、力矩、運(yùn)動(dòng)的一種新型行星齒輪傳動(dòng)，實(shí)際中雙波傳動(dòng)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且傳動(dòng)比大被廣泛應(yīng)用【19】。對(duì)于諧波減速器的三個(gè)基本部分，固定的方式不同，輸出的傳動(dòng)比是不同的，當(dāng)波發(fā)生器固定時(shí)，若剛輪輸入而柔輪輸出，傳動(dòng)比略大于1，反之，傳動(dòng)比略小于1。而當(dāng)波發(fā)生器輸出，無論剛輪輸入、柔輪固定還是剛輪固定、柔輪輸入，都具較大的增速比，實(shí)際中很少見。而當(dāng)通常波發(fā)生器為輸入時(shí)，柔輪、鋼輪兩個(gè)任何一個(gè)固定，另一個(gè)輸出，都具有較大的減速比【44】。本文主要采用比較常見的固定方式，即波發(fā)生器為輸入，剛輪固定、柔輪作為輸出帶動(dòng)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。目前廣泛用于工業(yè)機(jī)器人中的諧波減速器有三種，帶杯形柔輪的諧波傳動(dòng)、帶環(huán)形柔輪的外齒合復(fù)波式諧波傳動(dòng)，帶環(huán)形柔輪的諧波減速傳動(dòng)。本文選用的諧波減速器均為日本Harmonic Drive生產(chǎn)的SHF—2UH,其輸入端直接與電機(jī)相連接，輸出直接與各關(guān)節(jié)相連，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖29所示.圖29 諧波減速器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Structural diagram of the harmonic reducer 伺服電機(jī)的選擇一般根據(jù)以下幾個(gè)公式【52】 （21）式中： ： 在機(jī)器人的基座處建立局部坐標(biāo)系，通過solid edge的檢查功能，測(cè)量繞Z軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=