【文章內(nèi)容簡介】 間接傳動經(jīng)速比遠1的傳動裝置與關(guān)節(jié)相連經(jīng)濟、對在和變化不敏感，便于制動設(shè)計、方便一些運動轉(zhuǎn)換傳動精度低、結(jié)構(gòu)不緊湊、引入誤差，降低可靠性直接驅(qū)動不經(jīng)中間關(guān)節(jié)或減速比=1的傳動裝置與關(guān)節(jié)相連精度高，振動小，傳動損耗小、可靠性高，響應(yīng)快控制系統(tǒng)設(shè)計困難，對傳感原件要求高，成本高機構(gòu)傳動設(shè)計的時侯，要綜合考慮各種因素，既要滿足規(guī)定的運動形式、給定運動軌跡、運動規(guī)律，還要遵循機構(gòu)的運動鏈要短，且關(guān)節(jié)相對位移移動小，完成同樣的動作，在條件允許的情況下優(yōu)先選擇構(gòu)件少和運動副少的機構(gòu)，使機器人的傳動成本大大的降低，減輕整個機器人的重量，節(jié)省了材料，不但提高了機器人的剛度，而且減少振動，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)本項目特點，綜合以上傳動形式的優(yōu)缺點，綜合考慮初步選擇如圖24的兩種傳動方案及布置方式（a）、（b）。圖24 5自由度裝配加工機器人的傳動方案與布置形式 Transmission scheme amp。 arrangement of 5Dof robot （a）（b）通過比較兩種傳動方式,傳動方案(b)手腕結(jié)構(gòu)輕，結(jié)構(gòu)緊湊，采用電機直接驅(qū)動末端執(zhí)行器的俯仰，把電機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，并且使電機后置，平衡了機器人以基座為軸線兩端的質(zhì)量，所以選擇方案（b）的傳動方案與布置形式。方案（b）腰部關(guān)節(jié)由伺服電機經(jīng)過諧波減速器驅(qū)動回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)簡單，通用性強，安裝和拆卸方便，便于維修。五自由度裝配加工機器人的直線移動關(guān)節(jié)采用摩擦小，剛度高，承載能力大的直線組件，由交流伺服電機帶動大臂、小臂、手腕移動，滿足機器人工作空間高度上的要求。機器人小臂和手腕的擺動均是通過同步帶傳動，由于大臂小臂均是一端固定在直線組件上一端懸空，設(shè)計中為了平衡機器人兩端的質(zhì)量，減少由于末端重量太大，產(chǎn)生一定的力矩，對系統(tǒng)的影響，參照已有的機器人綜合考慮把小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的伺服電機和手腕伺服電機均配置在大臂接近于基座軸線。手腕的俯仰，因為需要的扭矩較小，所需要的電機質(zhì)量小，按照就近放置的原則，把伺服電機放在手腕的末端直接帶動手腕的俯仰【13】。各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)運動都采用交流伺服電機與諧波減速器連接的傳動方式實現(xiàn)，諧波減速器承載能力強、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。直線采用帶抱閘的伺服電機直接驅(qū)動具有自鎖功能的直線組件，結(jié)構(gòu)簡單。機械系統(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、諧波減速器等【14】。參考已有同類機器人的參數(shù)，結(jié)合實際的工作情況，機器人的技術(shù)參數(shù)如表22表22 五自由度裝配加工機器人技術(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個回轉(zhuǎn)一個移動）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)運動范圍腰部回轉(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)機器人的機械系統(tǒng)是機器人的重要組成部分，也是基礎(chǔ)組成部分，一般的機器人由基座、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零件，每個零件可以有多個自由度，把他們連接起來就構(gòu)成一個具有多自由度機械系統(tǒng)。機器人常見的結(jié)構(gòu)形式是用其坐標系描述的，分為直角坐標機器人、圓柱坐標機器人、球坐標機器人、開鏈連桿式關(guān)節(jié)型機器人及移動型機器人，在何部位采用何種關(guān)節(jié)，則要求他做何種運動而決定，機器人的關(guān)節(jié)保證了機器人各部位的可動性。機器人機械部分設(shè)計的合理性和可靠性直接影響整個機器人的綜合性能和控制精度，所以機械部分的設(shè)計對于整個系統(tǒng)來說具有至關(guān)重要的作用。機器人的基座，支撐著機器人上部所有的質(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，一般機器人的基座有固定式和移動式兩種【15】。機器人的臂部，相當于人類的胳膊，上接腰身，下連手腕，通常由大臂和小臂組成，一般帶動末端執(zhí)行器做平面運動。機器人的腕部，一般有二個轉(zhuǎn)動自由度，以實現(xiàn)末端執(zhí)行器必要的姿態(tài)，但對于復(fù)雜的作業(yè)，如焊接和噴漆往往需要三個轉(zhuǎn)動自由度。末端執(zhí)行器，是工業(yè)機器人和大多數(shù)服務(wù)型機器人直接從事工作的部分，根據(jù)機器人的類型，可以設(shè)計成夾持型的夾爪，也可以是某種工具，也可以是非夾持型的。采用模塊化設(shè)計還可以有效地提高設(shè)計的重用性，增加系統(tǒng)的可靠性，并能根據(jù)客戶需要對系統(tǒng)進行合理配置從而滿足市場的不同需求，五自由度裝配加工機器人基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括回轉(zhuǎn)臺設(shè)計、直線組件的設(shè)計、大臂和小臂、手腕等。這一節(jié)我們將采用模塊化設(shè)計的思想對回轉(zhuǎn)臺、直線組件、大臂、小臂及其驅(qū)動裝置進行設(shè)計?；剞D(zhuǎn)臺又稱機器人的基座，是機器人重要的組成部分，用來實現(xiàn)腰部關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運動，腰部軸系及傳動鏈的精度和腰部零件的剛度對末端執(zhí)行器的運動精度有很大的影響。因此腰座與其連接的手臂要有可靠的定位基準面?；惺苎b配加工機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，安裝機器人的回轉(zhuǎn)臺的安裝面要足夠大【15】。在設(shè)計中，采用十字交叉滾子軸承為機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作為輸入把HD諧波減速器柔輪輸出的回轉(zhuǎn)運動帶動與之相固聯(lián)的基座回轉(zhuǎn)【16】。機器人的腰關(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)時的安裝方式。圖25 五自由度裝配加工機器人的回轉(zhuǎn)臺模塊 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，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)動機構(gòu)主要有普通滑動導(dǎo)軌、液壓導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌【17】。前面兩種結(jié)構(gòu)簡單成本低，但是導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)隨速度變化，低速時容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，磨損大，通常用于對精度要求低的場合。氣浮導(dǎo)軌剛度和阻尼低，對制造精度和環(huán)境空氣條件要求較高。滾動導(dǎo)軌在工業(yè)機器人中應(yīng)用最廣泛，因為具有摩擦小、剛度高、承載能力大、精度高，容易制造成標準件。因此，本設(shè)計中我們采用南京工藝裝備制造公司的DZHK600精密工作臺為五自由度裝配加工機器人的升降關(guān)節(jié)。（1）此直線導(dǎo)軌副采用滾珠絲杠副，并且工作臺由FFB型滾珠絲杠副和GGB船型直線滾動導(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，可實現(xiàn)無間隙運動，具有高效率、高精度、壽命長、磨損小、簡潔等優(yōu)點。（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，減少熱變形對絲杠導(dǎo)軌精度的影響。從而提高了導(dǎo)軌副的運動精度。（3）工作臺整體剛性較強，根據(jù)功能要求的不同，參照工作臺的的承載能力可以進行各種組合使用。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工作臺型號搭載重量（N）工作臺高度(mm)臺面尺寸(mm)工作行程(mm)滾珠絲杠副滾動導(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器人一般通過機架或者基座安裝在固定地點或安裝在自動導(dǎo)航車上組成移動式機器人。機架或基座是裝配加工機器人重要的組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性直接關(guān)系到機器人的整機性能和運動精度。所以，在進行基座或機架設(shè)計時應(yīng)盡量選擇合理的材料及結(jié)構(gòu)，減少對機器人的影響，盡量滿足以下基本要求【18】：1) 機架應(yīng)具有足夠的接觸面積、足夠的剛度來承載機器人本體的所有重量和一些未知的外載荷。2) 機架應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性，受外界因素影響小、抵抗震動，并盡量減少熱載荷對機架的影響。3) 若作為裝配加工機器人的支架，要盡量減小機架的重量，對于基座來說支架也是負載，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和機械加工中的裝夾，也可以用來支撐一些工作臺。具有剛性好、成本低、位置精度高、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點。因此本文采用鑄鐵彎板機架來支撐機器人直線關(guān)節(jié)及大臂等部分。圖27是設(shè)計的5自由度裝配加工機器人支架的三維模型。圖27 五自由度裝配加工機器人機架的三維模型 The 3dimension model of 5DOF assembly processing robot’s rack五自由度裝配加工機器人相當于有移動關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)組成的具有開鏈式連桿結(jié)構(gòu)，機器人整體靜、動態(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，對機器人整體的穩(wěn)定性、工作效率、可靠性都有很大影響，因此在進行這些部件時要選擇合理的材料和機械結(jié)構(gòu)。在設(shè)計中機器人大臂、小臂、手腕均為鑄鋁合金，因為鋁合金具有強度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)如圖28所示。圖28 五自由度裝配加工機器人的臂部模塊 The model of 5DOF assembly processing robot’s arm、轉(zhuǎn)矩的計算高速電主軸可以簡單的認為是“電機+主軸”，電主軸將電機的轉(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，一般配備變頻電源使用。電主軸一般按照支承型式、潤滑方式、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，潤滑設(shè)施即可。選用電主軸時需要從以下幾個方面考【56】： 對于高速電主軸來說，功率和轉(zhuǎn)速要同時考慮，不同轉(zhuǎn)速下相同功率的電主軸外形尺寸相差懸殊。功率輸出一樣的時候，低速電主軸需要更大體積的電機；轉(zhuǎn)速相同時，轉(zhuǎn)矩大的電機需要更大的體積。 同樣轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩大的電機需要更大的體積，但是放棄了高速性，電主軸的優(yōu)勢不能很好的體現(xiàn)。 電主軸的工作轉(zhuǎn)速要選用適當，避免造成浪費，選用時應(yīng)該考慮所有的速度應(yīng)用范圍，選用最低工作轉(zhuǎn)速低于實際所需時易造成電主軸體積偏大，相反會造成配套電源或潤滑轉(zhuǎn)置的難度。五自由度裝配加工機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器人的電主軸主要用于鉆（擴、鉸）削加工，由于在加工的過程中，電主軸會產(chǎn)生軸向力及轉(zhuǎn)矩，對后面的構(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。通過查詢機械加工工藝手冊，得到鉆孔時軸向力和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)化公式，此公式是通過大量實驗，通過測力儀測得的數(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際加工條件與所得經(jīng)驗公式條件不符合時，各種因素對切削力的修正系數(shù)之積。取刀具直徑d為6mm，式中各個系數(shù)如表25表24 電主軸技術(shù)參數(shù)Table 24 Electric spindle technical parameters主軸型號轉(zhuǎn)速r/min電機Motor變頻器安裝尺寸潤滑冷卻軸端連接KWAHz80XD24C240001440080200油脂水ER11表25 鉆削各個系數(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)針對機器人結(jié)構(gòu)的實際情況來對交流伺服電機和諧波減速器，進行選型。諧波減速器由三個主要部分組成，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。利用柔輪在運動的時候與剛輪的齒數(shù)差產(chǎn)生的彈性機械波來傳遞力、力矩、運動的一種新型行星齒輪傳動，實際中雙波傳動因為結(jié)構(gòu)簡單且傳動比大被廣泛應(yīng)用【19】。對于諧波減速器的三個基本部分，固定的方式不同，輸出的傳動比是不同的，當波發(fā)生器固定時，若剛輪輸入而柔輪輸出，傳動比略大于1，反之，傳動比略小于1。而當波發(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，實際中很少見。而當通常波發(fā)生器為輸入時，柔輪、鋼輪兩個任何一個固定，另一個輸出，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、柔輪作為輸出帶動機器人的各關(guān)節(jié)運動。目前廣泛用于工業(yè)機器人中的諧波減速器有三種，帶杯形柔輪的諧波傳動、帶環(huán)形柔輪的外齒合復(fù)波式諧波傳動，帶環(huán)形柔輪的諧波減速傳動。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相連接，輸出直接與各關(guān)節(jié)相連，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖29所示.圖29 諧波減速器的結(jié)構(gòu)簡圖 Structural diagram of the harmonic reducer 伺服電機的選擇一般根據(jù)以下幾個公式【52】 （21）式中： ： 在機器人的基座處建立局部坐標系，通過solid edge的檢查功能，測量繞Z軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量 J=