設(shè)計(jì)新型機(jī)器人時(shí)褥傍，要充分考慮諸多因素，并應(yīng)多參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型喇聊，參考其設(shè)計(jì)參數(shù)恍风，經(jīng)過反復(fù)研究和比較，確定出所要機(jī)械部分的特點(diǎn)誓篱，定出設(shè)計(jì)方案朋贬。

1. 操作機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)原則

（1）最小運(yùn)動(dòng)慣量原則 由于操作機(jī)運(yùn)動(dòng)部件多，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)經(jīng)常改變窜骄，必然產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)锦募，采用最小運(yùn)動(dòng)慣量原則，可增加操作機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性邻遏，提高操作機(jī)動(dòng)力學(xué)特性糠亩。為此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下准验，盡量減小運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量赎线，并注意運(yùn)動(dòng)部件對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心配置疆虑。

（2）尺度規(guī)劃優(yōu)化原則當(dāng)設(shè)計(jì)要求滿足一定工作空間要求時(shí)，通過尺度優(yōu)化以選定最小的臂桿尺寸徽橄，這將有利于操作機(jī)剛度的提高澄月，使運(yùn)動(dòng)慣量進(jìn)一步降低。

（3）高強(qiáng)度材料選用原則 由于操作機(jī)從手腕遂遂、小臂脂惊、大臂到機(jī)座是依次作為負(fù)載起作用的，選用高強(qiáng)度材料以減輕零部件的質(zhì)量是十分必要的悟肉。

（4）剛度設(shè)計(jì)的原則 操作機(jī)設(shè)計(jì)中峡黍，剛度是比強(qiáng)度更重要的問題，要使剛度最大油蒙，必須恰當(dāng)?shù)剡x擇桿件剖面形狀和尺寸居串，提高支承剛度和接觸剛度，合理地安排作用在臂桿上的力和力矩保地，盡量減少桿件的彎曲變形撰拯。

（5）可靠性原則 機(jī)器人操作機(jī)因機(jī)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)較多嗓奢，可靠性問題顯得尤為重要讼撒。一般來說，元器件的可靠性應(yīng)高于部件的可靠性股耽，而部件的可靠性應(yīng)高于整機(jī)的可靠性根盒。可以通過概率設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出可靠度滿足要求的零件或結(jié)構(gòu)物蝙，也可以通過系統(tǒng)可靠性綜合方法評定操作機(jī)系統(tǒng)的可靠性炎滞。

（6）工藝性原則 機(jī)器人操作機(jī)是一種高精度、高集成度的自動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)诬乞，良好的加工和裝配工藝性是設(shè)計(jì)時(shí)要體現(xiàn)的重要原則之一册赛。僅有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而無良好的工藝性，必然導(dǎo)致操作機(jī)性能的降低和成本的提高震嫉。

2．操作機(jī)的設(shè)計(jì)方法和步驟

（1）確定工作對象和工作任務(wù) 開始設(shè)計(jì)操作機(jī)之前森瘪，首先要確定工作對象、工作任務(wù)票堵。

1）焊接任務(wù)：如果工作對象是一輛汽車或是一個(gè)復(fù)雜曲面的物體扼睬，工作任務(wù)是對其進(jìn)行弧焊或點(diǎn)焊，則要求機(jī)器人的制造精度很高悴势，弧焊任務(wù)對機(jī)器人的軌跡精度和位姿精度及速度穩(wěn)定性有很高的要求补搅，點(diǎn)焊任務(wù)對機(jī)器人的位姿精度有很高的要求，兩種任務(wù)都要求機(jī)器人具備擺弧的功能歪眨，同時(shí)要能在狹小的空間內(nèi)自由地運(yùn)動(dòng)众被，具備防碰撞功能，故機(jī)器人的自由度至少為六個(gè)蛉增。

2）噴漆任務(wù)：如果工作對象是一輛汽車或是一個(gè)復(fù)雜曲面的物體唤抚，工作任務(wù)是噴涂汽車的內(nèi)部和車門或是復(fù)雜曲面物體的表面，則要求機(jī)器人手腕要靈活践寄，能夠在狹小的空間內(nèi)自由地運(yùn)動(dòng)说庶，具備防碰撞功能；要求機(jī)器人能夠在長時(shí)間內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定可靠地工作檩渐；同時(shí)要求機(jī)器人具備光滑的流線型外表面秆牍，漆、氣管線最好能從其橫臂和手腕內(nèi)部通過剃拇，使機(jī)器人外表不易積漆積灰支读，不會污染已噴好的工作對象，且漆害淤、氣管線也不易損壞扇雕；因噴漆機(jī)器人是在易燃易爆的工作環(huán)境中工作，故要具備防爆的功能窥摄。同時(shí)對機(jī)器人的軌跡精度和位姿精度及速度穩(wěn)定性也有較高的要求镶奉。機(jī)器人的自由度至少應(yīng)為六個(gè)。

3）搬運(yùn)任務(wù)：如果工作對象比較笨重崭放，工作任務(wù)是定點(diǎn)搬運(yùn)哨苛，定位精度要求高，則對機(jī)器人的承載能力和定位精度有高的要求币砂。如果工作對象比較輕巧，工作任務(wù)也是定點(diǎn)搬運(yùn)决摧，但要求輕拿輕放，且定位精度要求高蜜徽，則對機(jī)器人的速度穩(wěn)定和定位精度有高的要求。

4）裝配任務(wù)：對機(jī)器人的速度穩(wěn)定密和位姿精度有很高的要求拘鞋。

有些機(jī)器人能完成多種工作任務(wù)，如MOTOMAN－SKI20系列機(jī)器人驶闰，既可以用于搬運(yùn)也可以用于點(diǎn)焊，具有快速申蔗、精巧侯砸、強(qiáng)有力和安全性高的特點(diǎn)些玖；另一種MOTOMAN－SK6／SK16系列機(jī)器人，可以完成弧焊步垢、搬運(yùn)、涂膠易解、噴釉和裝配多種任務(wù)，具有高速腥椒、精巧和可靠性高的特點(diǎn)。

設(shè)計(jì)新型機(jī)器人時(shí)家夺，要充分考慮以上諸多因素，并應(yīng)多參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型拉馋，參考其設(shè)計(jì)參數(shù)惨好，經(jīng)過反復(fù)研究和比較煌茴，確定出所要機(jī)械部分的特點(diǎn)日川，定出設(shè)計(jì)方案。

下面以一臺六自由度交流伺服通用機(jī)器人為例講一下設(shè)計(jì)過程龄句。

（2）確定設(shè)計(jì)要求

1）負(fù)載：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型晴消，確定機(jī)器人的負(fù)載。一般噴漆和弧焊機(jī)器人的負(fù)載為5～6kg战决。

2）精度：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型窘燎，確定機(jī)器人未端的最大復(fù)合速度和機(jī)器人各單軸的最大角速度秘挥。

3）精度：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求昂待，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人的重復(fù)定位精度哪蒙、如弧焊機(jī)器人的重復(fù)定位精度為±0.4mm，ABB公司開發(fā)的Model 5003型噴漆機(jī)器人的重復(fù)定位精度為±1mm。同時(shí)要確定構(gòu)成機(jī)器人的零件的精度庆猫、臂體的尺寸精度、形位精度和傳動(dòng)鏈的間隙月培，如齒輪的精度和傳動(dòng)間隙；還要確定機(jī)器人上所用的元器件的精度杉畜，如減速器的傳動(dòng)精度、軸承的精度等等此叠。

4）示教方式：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，確定機(jī)器人的示教方式猬错。一般機(jī)器人的示教方式有下列幾種：

①離線示教（離線編程）；

②示教盒示教倦炒；

③人工手把手示教晶会。

如果是噴漆機(jī)器人毁兼，就應(yīng)該具備人工手把手示教的功能禀瓜，而對于其他機(jī)器人，有前兩種功能就可以了丹仅。

5）工作空間：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型橘沾，確定機(jī)器人的工作空間的大小和形狀。

6）尺寸規(guī)劃：根據(jù)對工作空間的要求仲它，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型拄弯，確定機(jī)器人的臂桿長度和臂桿轉(zhuǎn)角幻林，并進(jìn)行尺寸優(yōu)化。

（3）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的耦合分析 對大多數(shù)非直接驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人而言沪饺，前面關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)會引起后面關(guān)節(jié)的附加運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)耦合效應(yīng)整葡。比如將六個(gè)軸的電動(dòng)機(jī)均裝在機(jī)器人的轉(zhuǎn)塔內(nèi)，通過鏈條啼器、連桿或齒輪傳動(dòng)其他關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，再比如同心的齒輪套傳動(dòng)腕部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)端壳，都會產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)耦合效應(yīng)枪蘑。為了解耦损谦，在編機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)控制軟件時(shí)咆上，后面的關(guān)節(jié)要多轉(zhuǎn)一個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)來補(bǔ)償。對一臺六自由度的機(jī)器人來講爷凫，如果從2、3軸之間開始就有運(yùn)動(dòng)耦合理若，且3、4涡似、5、6軸之間都有運(yùn)動(dòng)耦合怨怒，那么3、4榴痢、5、6軸電動(dòng)機(jī)就必須多轉(zhuǎn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)（有時(shí)是正轉(zhuǎn)粤策，有時(shí)是反轉(zhuǎn)，依結(jié)構(gòu)而定）叮盘，來消除運(yùn)動(dòng)耦合的影響，3軸要消除2軸的柔吼，4軸要消除2軸和3軸的，依此類推愈魏，如果都要正轉(zhuǎn)，到了6軸串塑，電動(dòng)機(jī)就必須有相當(dāng)高的速度來消除那么多軸的影響北苟，有時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會不夠琉枚，且有運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系的軸太多酌涮，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和控制就會很麻煩更鼻。故設(shè)計(jì)六自由度的交流伺服機(jī)器人，一般情況下措铸，前4個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)都設(shè)計(jì)成是相對獨(dú)立的，而運(yùn)動(dòng)耦合只發(fā)生在4讽渐、5锰玩、6軸之間揭斥，即5軸的運(yùn)動(dòng)受到4軸運(yùn)動(dòng)的影響，6軸的運(yùn)動(dòng)受到4軸和5軸運(yùn)動(dòng)的影響辣胚。這樣做眶衙，既能保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊湊柠横，又不會使有耦合關(guān)系的軸大多窃款。

（4）機(jī)器人手臂的平衡 平衡機(jī)器人操作手臂的重力矩優(yōu)點(diǎn)如下：

·如果是噴漆機(jī)器人，則便于人工手把手示教雁乡。

·使驅(qū)動(dòng)器基本上只需克服機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力，而忽略重力矩的影響曲饱。故可選用體積較小珠月、功耗較小的驅(qū)動(dòng)器扩淀。

·免除了機(jī)器人手臂在自重下落下傷人的危險(xiǎn)。

·在伺服控制中因減少了負(fù)載變化的影響啤挎，因而可實(shí)現(xiàn)更精確的伺服控制驻谆。

一般機(jī)器人操作機(jī)因1軸轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)庆聘，故不要平衡，4商寝、5、6軸的手臂往往因重力很小愁淀，也不要平衡，故要平衡的是2曙椎、3軸手臂的重力矩。

1）配重平衡機(jī)構(gòu)：此種機(jī)構(gòu)原理如圖2a所示卤诗。設(shè)手臂質(zhì)量為m1，配重質(zhì)量為m2肤币，因關(guān)節(jié)中心在同一直線上愁反，則不平衡力矩為

M1＝m1glcosγ

配重產(chǎn)生的力矩為

M2＝m2gl′cosγ

靜力平衡條件為

M1＝M2

即 m1l＝m2l′

這種平衡機(jī)構(gòu)簡單，平衡效果好方庭，易于調(diào)整酱固，工作可靠头朱，但增加了手臂的慣量和關(guān)節(jié)的負(fù)載龄减，適用于不平衡力矩較小的情況。

2）彈簧平衡機(jī)構(gòu)：其原理如圖2b所示希停，臂的不平衡力矩為

M1＝M11-M12＝mglcosγ-Ia

式中 M11——靜不平衡力矩宠能；

M12——慣性力矩；

I——手臂對關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量棵薛；

a——臂運(yùn)動(dòng)平均加速度。

彈簧產(chǎn)生的平衡力矩為

式中 k——彈簧剛度学岔；

l′——彈簧在手臂上安裝點(diǎn)到關(guān)節(jié)軸的距離庙曹；

e——彈簧另一端安裝點(diǎn)到關(guān)節(jié)軸的距離；

R——彈簧自由長度渊伐。

靜力平衡條件為

M2＝M11

動(dòng)力平衡條件為

M2＝M11+M12

這種平衡機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單阀严，平衡效果也較好仙商，工作可靠，適用于中小負(fù)載钞钙，但平衡范圍較小。

3）氣缸平衡機(jī)構(gòu)：這種平衡機(jī)構(gòu)原理如圖2c所示瘫怜。手臂不平衡力矩為

M1＝M11+M12＝mglcosγ+Ia

汽缸產(chǎn)生的平衡力矩為

式中 F——汽缸活塞推力本刽；

其余參數(shù)同上。

靜力平衡條件為

M2＝M11

動(dòng)力平衡條件為

M2＝M11+M12

汽缸平衡機(jī)構(gòu)多用在重載搬運(yùn)和點(diǎn)焊機(jī)器人操作機(jī)上暗挑，液壓的體積小，平衡力大炸裆；氣動(dòng)的具有很好的阻尼作用，但體積較大国拇。

（5）機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析 機(jī)器人因各軸的重力矩均已基本平衡郭宪，故在這些軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)主要需克服的是由各軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所帶來的動(dòng)力矩预第。

1軸：經(jīng)分析闯智，當(dāng)機(jī)器人末端伸到最遠(yuǎn)處時(shí)，1軸運(yùn)轉(zhuǎn)起來的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為最大犹耻。計(jì)算可得到此處1軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1如起動(dòng)時(shí)間取為T1春探，則動(dòng)力矩為

M1＝J1ω1/T1

2軸：經(jīng)分析，當(dāng)小臂相對于大臂的夾角為最大時(shí)辑皿，2軸運(yùn)轉(zhuǎn)起來的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為最大，經(jīng)計(jì)算可得到此處2軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J2律适。如起動(dòng)時(shí)間取為T2遏插，則動(dòng)力矩為

M2＝J2ω2/T2

3軸：機(jī)器人小臂相對于大臂上部中心運(yùn)轉(zhuǎn)起來的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量即是3軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。同理有

M3＝J3ω3/T3

4軸：4軸無重力矩平衡裝置厂僧，故4軸電動(dòng)機(jī)既要克服起動(dòng)時(shí)的動(dòng)力矩了牛，也要克服運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由手腕和負(fù)載引起的重力矩。經(jīng)計(jì)算白魂，得出4軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，繼而計(jì)算出4軸所需的傳動(dòng)扭矩蕴坪。

5軸：5軸也無重力矩平衡裝置，故5軸電動(dòng)機(jī)也是既要克服起動(dòng)時(shí)的動(dòng)力矩度限，也要克服運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由手腕和負(fù)載引起的重力矩怨拍。經(jīng)計(jì)算，得出5軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量务冠，繼而計(jì)算出的5軸所需的傳動(dòng)扭矩萍捌。

6軸：6軸也無重力矩平衡裝置丈揖，故6軸電動(dòng)機(jī)也是既要克服起動(dòng)時(shí)的動(dòng)力矩逗耕，也要克服運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由手腕和負(fù)載引起的重力矩。經(jīng)計(jì)算椿疗，得出6軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，繼而計(jì)算出的6軸所需的傳動(dòng)扭矩糠悼。

（6）電動(dòng)機(jī)的選用 選用好交流伺服電動(dòng)機(jī)，是操作機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵痒蓬。由于機(jī)器人要求結(jié)構(gòu)緊湊滴劲、重量輕顾复、運(yùn)動(dòng)特性好，故希望在同樣功率的情況下萧芙，電動(dòng)機(jī)重量要輕假丧、外形尺寸要小拯羽。特別是裝在機(jī)器人橫臂或立臂內(nèi)部的電動(dòng)機(jī)链愉，重量要盡可能輕，外形尺寸要盡可能小寸芦。

根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到的各軸所需的傳動(dòng)扭矩子敷，除以減速器的減速比婆仪，再將傳動(dòng)鏈的效率，如減速機(jī)的效率任团、軸承的效率和齒輪的效率等考慮進(jìn)去，并考慮各軸所需的轉(zhuǎn)速（運(yùn)動(dòng)耦合因素也要考慮在內(nèi)）揍忍，就可以選用電動(dòng)機(jī)了贾虽。

在選用時(shí)要注意，交流伺服電動(dòng)機(jī)的速度是可調(diào)節(jié)的绰咽，且在相當(dāng)大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩是恒定的地粪，故選用電動(dòng)機(jī)時(shí)只要電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速大于各軸所需的最高轉(zhuǎn)速就行取募。

同時(shí)還要注意與交流伺服電動(dòng)機(jī)配置在一起的位置編碼器的選用，并注明電動(dòng)機(jī)是否需要帶制動(dòng)器等蟆技。

（7）減速器的選用 機(jī)器人上所用的減速器质礼，常見的有RV減速器和諧波減速器。

RV減速器具有長期使用不需再加潤滑劑砰粹、壽命長造挽、剛度好、減速比大纽宇、低振動(dòng)、高精度藻着、保養(yǎng)便利等優(yōu)點(diǎn)娜摇，適用于在機(jī)器人上使用。它的傳動(dòng)效率為0.8纲析，相對于同樣減速比的齒輪組组漏，這樣的效率是很高的。

它的缺點(diǎn)是重量重右蕊，外形尺寸較大吮螺。

諧波減速器的優(yōu)點(diǎn)是重量較輕，外形尺寸較小萝风，減速比范圍大紫岩，精度高泉蝌。

機(jī)器人設(shè)計(jì)中，一般1贪磺、2枚从、3軸均采用RV減速器，4、5嫡靠、6軸常用諧波減速器。

（8）機(jī)器人臂體校核 機(jī)器人的手臂要進(jìn)行強(qiáng)度校核和剛度校核疏形，在滿足強(qiáng)度和剛度的情況下触咧，手臂要盡可能采用輕型材料坡牛，以減少運(yùn)動(dòng)慣量，并給平衡機(jī)構(gòu)減少壓力衔掸。

（9）機(jī)構(gòu)零件校核

1）軸承校核：設(shè)計(jì)中所用的所有重要軸承都要經(jīng)過強(qiáng)度校核敞映。在滿足尺寸和強(qiáng)度要求的情況下振愿，盡可能地選用國產(chǎn)軸承弛饭，以降低機(jī)器人的成本孩哑。

2）軸的校核：設(shè)計(jì)中所用的所有較重要的軸都要經(jīng)過強(qiáng)度校核和剛度校核横蜒。

3）齒輪選用：設(shè)計(jì)中所用的所有齒輪都要經(jīng)過強(qiáng)度校核。

4）鍵及花鍵：設(shè)計(jì)中所用的所有較重要的鍵及花鍵都要經(jīng)過強(qiáng)度校核迄岸。

5）銷與螺釘：設(shè)計(jì)中所用的所有較重要的銷與螺釘都要經(jīng)過強(qiáng)度校核苗泰。

（10）機(jī)械加工工藝性考慮校核 機(jī)器人的設(shè)計(jì)要充分考慮加工裝配的方便笋再，且要便于維修和調(diào)整缤贯。

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