小型多关节工业机器人设计- .pdf

o g y 小型多关节工业机器人设计 四川普什宁江机床有限公司研发院 都江堰6 1 1 8 3 0 赵军 通用机床研究所所长赵 军 工业机器人与 自动供料装置 物流线连接组成 自动装配单元 完成 自动化物流生产线上的装配作 业 小型多关节 工业机器人为数控五轴关节坐标形 式 运动关节轴 采用带编码 器交流 伺服 电动机 驱 动 半 闭环位置反馈的开放式数控 系统 交流伺服 电动机直接驱动摆线减速机 谐波减速器等机构 最大限度地减少传动误差 各关节主支撑回转导轨 采用高精度 高刚性的十字交叉滚柱轴承 保证关 节运动的 灵活及工业机器人高精度重复定位 配置 不同的手指附件装置可满足 自动化物流生产线的装 配工序要求 适 用于汽车 摩托车 工程机械及家 电行业 自动化生产线上 小型多关节工业机器人的 外形尺 寸及运动空 间位置如图1 所示 手腕外形轴 侧投影如 图2 所示 Z 小 l5 O 一 兰 i l 6 o 1 5 2 9 8 0 图1 外形尺寸及运动空间位置 冬厦 k1 r T 小型多关节工业机器人特点 1 高 精 度 工 业 机 器 人 各关节的传动平稳 性 重复定位精 度 是工业机器人性能 主要指标 在小型 图2 手腕外形轴侧投影 多关节装配工业机器人本体结构设计中 突破机械 传统设 计观念 采用大减速 比高精 度的摆线减速 机 通过伺服电动机直接与摆线减速机相联接 驱 动工业机器人关节运动 改善工业机器人原有的传 动链长 传动结构复杂 传动误差火的缺点 通过 数控系统对位置误差及反向间隙进行补偿 保证工 业机器人位置重复精度不大于 0 0 5 mm 小型多关节工业机器人采用 自制 复合型 高精 度十字交叉滚子轴承如图3 所示 因轴承中圆柱 滚 子在呈9 0 的V形沟槽滚动面上相互垂直的排列 轴承可承受径向负荷 轴 向负荷及倾覆力矩等所有 方 向的负荷 内外圈的 尺寸最大限 度地 小型化 外 圈采用两体分割的构造 轴承预紧量可调整 通 过施加预紧负荷 而获得高刚性 高精度 轴承回 转 轴 向跳动精度不大于 0 0 1 mm 该 轴承应 用 于工业工业机器人 的关节 回转部位 从而缩小工业 机器人关节支撑件安装空 间及简化支撑结构 提高 工业机 器人传动刚性及运动几何精度 班 图3 十字交叉滚子轴承结构 2 模块化设计为扩大开发出的工业机器人 自身通用性 适应 不同自动化生产线 的要求 将交 流伺服电动机 摆线减速机及十字交 叉滚子轴承集 成化 模块化设计如 图4 所示 与物流 系统 自动线 的针对性 单一准确性相结合 达到柔性可调和高 效 高精度的 目的 根据 工业机 器人的不 同功能需求 不 同负荷及 精度要求进行模块化组合 模块之 间具有统一的 标准化的界面 达到缩短设计制造周期 降低制造 成本的 目的 工 业 机 器 人 控 制 系统 预 留与 外界 设备 相 连 接 的 各类 I 0接 口 如 I O P r e c e s s 插接头式 I 0 M 0 du l e a 插 槽 式 I O MO d ul e b 整 体式 I O Link Ad u p t e r 等 以便于 物 流 系 统 自动线 连 图4 关节模块组合 1 摆线减速机2 十字交叉滚子轴承 3 交流伺服电动机 接 适应工业机 器人可重构化 及满足 自动化生产线 柔性化要求 3 高速 度工业 机器人快 速直线移动 速度 1 5 0 0 mm s 满足 自动生产线高节拍的工作效率要 求 在额 定负 载和最 大速度 条件下 工业机 器人 按 图5 所示轨迹从 点运动 i lJ D点 并从D点返 回到 点 按A c ID DC B A 进 行 循环 运动 用仪表 计 时 其结 果不 大 于4 s 可 适 应 自动 生产线5 s 件高生 产节拍的要求 图5 运动速度测试 4 控制 系统高柔性装配工业机器人应用得 好 坏 控制策 略与方 法及其 对应软 硬件 系统 是关 键 将工业机器人控制 系统按 工业机器人群 考 虑 其控制既能适应群体系统控制 也能保证各独 立工业机器人之间的协调配合 同时每个独立工业 机 器人的控制方式和结构 能方便地实现与其他 工 业机 器人或 自动生产线的连接 及通信 独立工业机 器人 的控制从系统的角度 出发 使之具有与其他 工 业机 器人与设备的互联和协调的工作能力 以工程 数据库和现场总线网络为支撑技术 规划好数据结 构 通信协议及各种规范的软硬件接 口 所有控制 软件采用模块化设计技术 增强控制系统的柔性和 适应性 工业机器人的主要技术规格参数 工业机器人的主要技术规格参数如附表所列 工业机器人的主要技术规格参数 T专题技术 上o p i c a l T e c h n o l o g y 参数 1 轴 轴 轴 轴 轴 结构形式 多关节型式 数 控轴 数 5 轴 最大运 动范围R mm 6 9 0 手部 负荷 质量 k g 3 重复定位精 度 mm 0 O 5 机械部 分重量 k g 1 2 0 运动范 围 3 2 0 1 8 0 2 6 0 3 0 0 7 2 0 运动转速 s 1 5 0 1 3 0 2 0 0 3 6 0 3 6 0 工业机器人本体设计 小型 多关节 工业机器人总 体布置如 图6 所示 工业机器人对于不 同的 自动 线而各异 但其基本组 成是一样的 一般是 由工业机器人本体 工业机器 人 电气控 制 系统 带 力传感 器机 械手指 视觉 系 统 工业机器人专用控制软 件等组成 其基本框架 如 图7 所示 图6 工业机器人总体布置 1 机器人本体2 电器控制柜3 示教盘4 操作台面 l 小型多关 节 l I工业机器人 I I 机 器人 I I 力 传感 器 I l 视觉 I l 电 气 控 I l 专用 控 I I本 体l l 机械手 指 I I 系 统 体l I 制系统 I l 制软 件 l 图7 小型多关节装配工业机器人基本组成 工业机器人本体各运动关节轴的结构设计 1 J 5 轴 轴 为工业 机器人手 腕 回转轴 之 一 是工业机器人与外界手部装置相连接 的接 口关 节 用于改变手部在空 间的方位 结构设计 中 在 保 证本 身刚度 和强度 的前提 下 尽可 能使结构 紧 凑 重量轻 以利于减轻 臂部 的负载 结构 如图8 所示 交流伺服 电动机5 经平键带动谐波减速器3 驱动 十字交叉滚子轴承1 回转 参 磊 冷 加 工 2 9 臂 传动 刚性 很容 易 得 到保证 在 主支 撑臂1 的另一端 留 出足够 的空 间用于 工业 机 器人 电缆 气 管等设 置 辅 助 支撑 臂 1 1 即作为走 线 槽又起 到辅 助 支 撑的作用 4 J l 轴 l 轴 为 工业机 器人 腰 关节 回转轴 驱动 工业机 器 人手 臂以 斗 O 6 l U J l 8 髓 1 明 I目 E H l I r 一 r I 哪 甲 L L 留 暇 厂 1 一 7 U U J U 图l 0 3 J 4 轴结构 l 主支撑臂2 8 摆线减速机 3 9 伺服电动机4 7 联接板 5 6 刚性挡销1 0 2 轴支撑座 I 1 辅助支撑臂 l 2 十字交叉滚子轴承 l 3 J 3 轴支撑座1 4 轴承 上 各关节做大范围的回转运动 使工业机器人手部 工作器在工业机器人运动范围内工作 结构如图1 l 所 示 伺服电动机2 联接摆线减 速器4 进行一级减速 通过 与 摆线减速 器输 出端相联接 的 齿轮副5 7 进行二级减速 构成 1 轴机械 传动 系统 整 套 传 动 系 统 密 封 在 油 池 箱 内 起 到 降 低 齿 轮 传 动 噪 声 减小齿轮磨损的作用 5 机械 手指 附件机 械 手 指 附 件 结 构 如 图 l 2 所 示 根据工业机器人的工作性 零件的形状而设计 作为工业 件 图1 2 所示 交换 式 机械手 主要用于生 产 线 的装配工位及机 床 加 工零件上下料 对 于 喷漆 冷却 焊 接 等 工序只需在 工业 机 器人