姚林杰

湖北大學(xué)知行學(xué)院機械與自動化學(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。機器人設(shè)計過程中,機械系統(tǒng)設(shè)計屬于十分重要的內(nèi)容及組成部分,也是整體設(shè)計中的關(guān)鍵內(nèi)容。在機器人機械系統(tǒng)設(shè)計中,并行設(shè)計屬于比較重要的一種設(shè)計模式,也是比較科學(xué)的一種方法。

1 機器人機械系統(tǒng)設(shè)計特點

首先,復(fù)雜性特點。就機器人機械結(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)實行設(shè)計過程中,不但要使開鏈結(jié)構(gòu)能夠保證靈活性以及能動性,并且對于該結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生運動傳遞以及誤差補償、消除等相關(guān)問題需要進行處理,也就導(dǎo)致機械結(jié)構(gòu)設(shè)計相對比較復(fù)雜。其次,依賴性特點。在整個機器人構(gòu)成中,由于機械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)及控制系統(tǒng)屬于構(gòu)成一個整體,存在十分密切的聯(lián)系,因而在機械系統(tǒng)整體設(shè)計過程中,其設(shè)計方案、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)上才能夠得以實現(xiàn),因而具有依賴性特點。再次,協(xié)調(diào)性特點。對于機器人機械系統(tǒng)而言,其形式及實現(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,因而在對機械系統(tǒng)進行設(shè)計過程中,需要協(xié)調(diào)其它各個系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上才能夠使系統(tǒng)設(shè)計取得更加理想的效果,滿足實際設(shè)計需求。

2 模塊劃分方法及理論

在對工業(yè)機器人進行市場調(diào)查與功能分析的基礎(chǔ)上,將機器人產(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特征。

3 機器人伺服電機與減速器選型

機器人每個關(guān)節(jié)的運動都是通過伺服電機通過減速器提升扭矩后產(chǎn)生的。伺服電機主要根據(jù)以下6個參數(shù)進行選型: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)動慣量；⑥慣量比。目前市場中適合用于機器人使用的伺服電機主要有松下、山洋、翡葉動力和臺達以及拉法特等?？紤]電機的性價比,JR-80機器人采用松下A6系列伺服電機作為驅(qū)動電機?？捎糜诠I(yè)機器人上應(yīng)用的高精度減速器有RV 減速器和諧波減速器兩大類,諧波減速器因為其結(jié)構(gòu)特點的原因不適用于大負載的工作環(huán)境,因此JR-80機器人選用RV 減速器作為機器人的傳動系統(tǒng)。

4 優(yōu)化設(shè)計流程

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

5 工業(yè)機器人模塊化參數(shù)化設(shè)計的實現(xiàn)

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

6 機器人機械系統(tǒng)并行設(shè)計模式分析

在機器人機械系統(tǒng)的設(shè)計過程中,其并行設(shè)計模式的構(gòu)成主要包括具體方案設(shè)計,領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)技術(shù)分析,實行綜合評價,還包括機械系統(tǒng)具體設(shè)計等有關(guān)部分。由此可知,方案設(shè)計以及領(lǐng)域技術(shù)分析所對應(yīng)的就是普通設(shè)計中的概念設(shè)計,而綜合評價以及系統(tǒng)具體設(shè)計所對應(yīng)的內(nèi)容就是普通設(shè)計中具體設(shè)計。在機器人實際設(shè)計過程中,其運動方案設(shè)計及傳動方案設(shè)計會涉及到很多方面內(nèi)容,包括機器人機構(gòu)、誤差檢測辨識以及軌跡規(guī)劃等相關(guān)技術(shù),還包括軟硬件補償技術(shù)、振動與防治,還有動力學(xué)參數(shù)辨識及關(guān)節(jié)柔性等有關(guān)方面內(nèi)容,因而需要傳動系統(tǒng)、機構(gòu)運動以及控制系統(tǒng),還包括電子系統(tǒng)及制造工藝與裝配等有關(guān)各個方面技術(shù)作為支持,另外,機器人運動及傳動形式對于支持技術(shù)系統(tǒng)有關(guān)方法及方式也具有決定性作用。因此,運動方案設(shè)計與傳動裝置方案設(shè)計,還有支撐系統(tǒng)分析設(shè)計,彼此之間存在并行設(shè)計協(xié)作關(guān)系,從而使其它機械系統(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)計能夠更加有效可靠,并且更加便捷。

結(jié)語

在機器人機械系統(tǒng)的實際設(shè)計過程中,并行設(shè)計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)計模式的應(yīng)用,可使機械系統(tǒng)設(shè)計更加具有科學(xué)性及合理性。