一篇文章帶您讀懂工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計過程 - 全文

　　對于工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計與大多數(shù)機(jī)械設(shè)計過程相同;首先要知道為什么要設(shè)計機(jī)器人？機(jī)器人能實現(xiàn)哪些功能？活動空間（有效工作范圍）有多大？了解基本的要求后，接下來的工作就好作了。

　　首先是根據(jù)基本要求確定機(jī)器人的種類，是行走的提升（舉升）機(jī)械臂、還是三軸的坐標(biāo)機(jī)器人、還是六軸的機(jī)器人等。選定了機(jī)器人的種類也就確定了控制方式，也就有了在有限的空間內(nèi)進(jìn)行設(shè)計的指導(dǎo)方向。

　　接下來的要做的就是設(shè)計任務(wù)的確定。這是一個相對復(fù)雜的過程，在實現(xiàn)這一復(fù)雜過程的第一步是將設(shè)計要求明確的規(guī)定下來;第二步是按照設(shè)計要求制作機(jī)械傳動簡圖，分析簡圖，制定動作流程表（圖），初步確定傳動功率、控制流程和方式;第三步是明確設(shè)計內(nèi)容，設(shè)計步驟、攻克點、設(shè)計計算書、草圖繪制，材料、加工工藝、控制程序、電路圖繪制;第四步是綜合審核各方面的內(nèi)容，確認(rèn)生產(chǎn)。

　　下面我將以六軸工業(yè)機(jī)器人作為設(shè)計對象來闡明這一設(shè)計過程：

　　在介紹機(jī)器人設(shè)計之前我先說一下機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域可以說是非常廣泛的，在自動化生產(chǎn)線上的就有很多例子，如垛碼機(jī)器人、包裝機(jī)器人、轉(zhuǎn)線機(jī)器人;在焊接方面也有很例子，如汽車生產(chǎn)線上的焊接機(jī)器人等等;現(xiàn)在機(jī)器人的發(fā)展是非常的迅速，機(jī)器人的應(yīng)用也在民用企業(yè)的各個行業(yè)得以延伸。機(jī)器人的設(shè)計人才需求也越來越大。

　　六軸機(jī)器人的應(yīng)用范籌不同，設(shè)計形式也各不相同。現(xiàn)在世界上生產(chǎn)機(jī)器人的公司也很多，結(jié)構(gòu)各有特色。在中國應(yīng)用最多的如：ABB、Panasonic、FANUK、莫托曼等國外進(jìn)口的機(jī)器人。

　　既然機(jī)器人的應(yīng)用那么廣泛，在我國卻沒有知名的生產(chǎn)公司。對于作為中國機(jī)械工程技術(shù)人員來說是一個值得思考的問題！有關(guān)機(jī)器人技術(shù)方面探討太少了？從業(yè)人員還不能成群體？雖然在很多地方可以看到機(jī)器的論術(shù)，可是卻沒有真正形成普及的東西。

　　即然是要說設(shè)計，那我就從頭一點一點的說起。力求講的通俗簡明一些，講得不對的地方還請各位指正！

　　六軸機(jī)器人是多關(guān)節(jié)、多自由度的機(jī)器人，動作多，變化靈活;是一種柔性技術(shù)較高的工業(yè)機(jī)器人，應(yīng)用面也最廣泛。那么怎樣去從頭開始的設(shè)計它呢？工作范圍又怎樣去確定？動作怎樣去編排呢？位姿怎樣去控制呢？各部位的關(guān)節(jié)又是有怎么樣的要求呢？等等。。。。。。讓我們帶著眾多的疑問慢慢的往下走吧！

　　首先我們設(shè)定：機(jī)器人是六軸多自由度的機(jī)器人，手爪夾持二氧氣體保護(hù)焊標(biāo)準(zhǔn)焊槍;完成點焊、連續(xù)焊等不同要求的焊接部件，工藝要求、工藝路線變化快的自動生線上。最大伸長量：1700mm;轉(zhuǎn)動270度;底座與地平線水平固定;全電機(jī)驅(qū)動。

　　好了，有了這樣的基本要求我們就可以做初步的方案的思考了。

　　首先是全電機(jī)驅(qū)動的，那么我們在考慮方案的時候就不要去考慮液壓和氣壓的各種結(jié)構(gòu)了，也就是傳動機(jī)構(gòu)只能用齒輪齒條、連桿機(jī)構(gòu)等機(jī)械機(jī)構(gòu)了。

　　機(jī)器人是用于焊接方面的，那么我們就去考察有人工行為下的各種焊接手法和方法。這里就有一個很復(fù)雜的東西在里面，那就是焊接工藝;即然焊藝定不下來，我們就給它區(qū)分一下，在常用焊接里有單點點焊、連續(xù)斷點點焊、連續(xù)平縫焊接、填角焊接、立縫焊接、仰焊、環(huán)縫焊等等。。。。。。

　　搞清了各種焊方法，也就明白了要實現(xiàn)這些復(fù)雜的動作就要有一套可行的控制方式才行;在機(jī)械沒有完全設(shè)計出來之前可以不做太多的控制方案思考，有一個大概的輪廓概念就行了，待機(jī)械結(jié)構(gòu)做完，各方面的驅(qū)動功率確定下來之后再做詳細(xì)的程序。

　　焊槍是用常用的標(biāo)準(zhǔn)的焊槍，也就是說焊槍是隨時可以更換下來的，也就要求我們要做到對焊槍的夾持部分進(jìn)行快速鎖定與松開。

　　焊槍在焊接過程中要進(jìn)行各種焊接姿態(tài)調(diào)整，那么機(jī)械手腕就要很靈活，在各個方位角度上都可調(diào)節(jié)。

　　有了上面的基本要求和設(shè)定條件，方案推理也有了條理，接下來我們就把設(shè)計要求明確下來，設(shè)計方向就不會有太大的偏離了。

　　設(shè)計任務(wù)

　　設(shè)計要求：機(jī)器人適用于焊接領(lǐng)域，可以完成各種焊接動作;為了機(jī)器人能適應(yīng)各種焊接工藝，在線調(diào)整工藝快速，編制控制程序時采用柔性控制程序，自適應(yīng)在線、離線示教程序;焊縫、焊池、焊道成像跟蹤，自動調(diào)節(jié)焊機(jī)的各項參數(shù)。

　　機(jī)器人采用全伺服驅(qū)動，地面固定安裝。六軸控制，各關(guān)節(jié)運動靈活，按工藝描述表設(shè)計各軸動作范圍，盡量使機(jī)構(gòu)緊湊，整體外形美觀。

　　設(shè)計內(nèi)容

　　機(jī)械設(shè)計：根據(jù)設(shè)計要求及工藝描述設(shè)計各關(guān)節(jié)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，確定各部件的材料和加工工藝;制作計算書，驗算機(jī)械強(qiáng)度、驅(qū)動功率和給出最大抓（舉）重量，各運動路徑的慣量計算，位姿的控制計算。驗算機(jī)器人各關(guān)鍵部件使用壽命。結(jié)合控制程序及電路制作機(jī)器人維修保養(yǎng)說明書。

　　程序控制設(shè)計：根據(jù)設(shè)計要求與機(jī)械工程師最后制定的工藝路線設(shè)計控制流程;結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)與驅(qū)動、信號反饋方式，設(shè)計機(jī)器人運動程序;程序要具有自適應(yīng)功能，自動定點跟蹤，對焊機(jī)電流、電壓實時監(jiān)測，并自動調(diào)節(jié);焊道、焊池用成像監(jiān)測判別技術(shù)。

　　設(shè)計電路圖

　　有了這樣一個文件，我們就好設(shè)計了;那么我們首先就要做的是：繪制機(jī)器人動運簡圖，規(guī)劃機(jī)器人運動軌跡，做好這些我們就可以進(jìn)行機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計，同時可以考慮程序的線路圖了。

　　先做一個簡圖，來研究一下運動規(guī)跡。

　　機(jī)器人運動簡圖：

　　當(dāng)我們把機(jī)械運動簡圖畫好后，一般的情況下是先對簡圖進(jìn)行分析;雖然簡圖不能全部反映機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成，但是它卻表現(xiàn)出了要設(shè)計的物體的總體輪廓。

　　那么對于我們這個機(jī)器人的簡圖，我們從哪里著手分析才合理呢？

　　首先，我們看一下設(shè)計任務(wù)書的內(nèi)容。從任務(wù)書中知道，六個軸中有三個軸是做旋轉(zhuǎn)運動的，其余作擺角運動。

　　結(jié)合任務(wù)書，我們看一下簡圖，是不是第1軸、第4軸和第六軸是做轉(zhuǎn)動的，也就是說我們要檢查一下我們所畫的簡圖是不是與任務(wù)書中的要求相符合，符合了也就代表我們的設(shè)計思路與要求（客戶要求）相同，可以進(jìn)行下一步工作，如果不同，就得重新畫簡圖。

　　從簡圖知道，機(jī)器人的手臂伸縮范圍較大;如果把手臂全部伸直，而且我們假設(shè)地把它們看成同一鋼體，這樣就形成一端固定的懸臂梁。

　　應(yīng)用力學(xué)知識體系中的有關(guān)梁的分析我們知道，要搞清懸臂梁的變形量，首先要知道梁的重量和截面慣量。

　　由簡圖知道，由于有多個關(guān)節(jié)連接，要知道截面形狀和慣量不太容易，只有把所有的機(jī)構(gòu)都設(shè)計完成后才會知道想求的參數(shù)。

　　由簡圖看出，第二軸擔(dān)負(fù)著手臂的上下運動，而且手臂又比較長，在運動的過程中必然存在著慣性沖量，也就是說，當(dāng)大臂的運動速度很慢時，慣性就很小;如果速度加快，慣性就加大，這個慣性沖量是與速度有著線性關(guān)系;怎樣保持一定的速度，又不讓慣性隨著變化呢？大家都知道，增加阻尼，可有效消除這種關(guān)系。這樣，大家就可以理解簡圖上兩個彈簧的用意了。

　　即然是這樣，那我們就從手腕開始設(shè)計。也說是大家所說的從上到下的設(shè)計方法。

　　設(shè)計手腕要考慮哪些問題呢？可以知道的是有一把焊槍，焊槍的重量不是很重，同時要有夾持焊槍的手爪。也就是說手腕在轉(zhuǎn)動時的負(fù)載是不大的，選擇驅(qū)動功率不大的元件就行了。

　　要讓手腕在360度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，而且后面緊跟著又有一個上下擺動的關(guān)節(jié);手腕又是在機(jī)器人手臂的最前端，當(dāng)然總體質(zhì)量不能太重。用什么樣的機(jī)構(gòu)最好呢？下面我們考慮幾個方案：

　　1.如簡圖所示，采用行星齒輪傳動。電機(jī)驅(qū)動太陽輪，行星輪繞太陽輪轉(zhuǎn)動，內(nèi)齒輪經(jīng)行星輪減速與太陽輪反向運動，電機(jī)與太陽輪同軸安裝。

　　2.多級齒輪減速傳，電機(jī)安裝于手腕一側(cè)。

　　3.擺線針輪減速傳動，電機(jī)與偏心軸同軸安裝。

　　4.蝸輪蝸桿減速傳動，電機(jī)有兩種安裝方式;一種與輸出軸成90度安裝，另一種與輸出軸同軸線反向錯位安裝。

　　如上所述，還有很多種方式方法，到底選哪一種最好呢？這樣我們就要做比較了。從上面的方案里看，第2種方法是不行的;第4種方法如果采用，手腕的結(jié)構(gòu)就會很大，不利于機(jī)器人在運動時做精密定位。這樣我們?nèi)コ藘煞N方法，我們再比較一下第1種和第3種方法;

　　行星齒輪傳動，傳動比大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，齒輪副配合有間隙，不能自鎖。如果采用就得提高齒輪精度，由于是精密傳動，齒輪材料也不能按常規(guī)齒輪選用材料，加工工藝相對常規(guī)齒輪相復(fù)雜的多。

　　擺線針輪傳動，傳動比大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動間隙小，可以自鎖。如果采用，手腕的尺寸不會太小，并且零件加工困難，精度不易保證。

　　比較各方面后，決定采用行星齒輪傳動機(jī)械結(jié)構(gòu)。行星齒輪在傳動的過程中有裝配間隙和機(jī)械磨損所造成的間隙;要消除這些機(jī)械間隙首先就要讓齒輪副的配合間隙要小，齒輪材料經(jīng)熱處理后表面要耐磨，因此行星齒輪副的設(shè)計計算不能按常規(guī)行星齒輪的設(shè)計方法去計算。機(jī)器人的手腕是很靈活的關(guān)節(jié)，而且是要做正反兩個方向的回轉(zhuǎn)。怎么樣安裝電機(jī)是一個問題;行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)與手腕俯仰關(guān)節(jié)連接是一個問題。

　　還有，手腕的運動速可能是非等速的;怎么樣去控制電機(jī)？又怎么樣去采集反饋信號？發(fā)出的控制信號到執(zhí)行單元的過程中有沒外部干擾？它來自哪里？

　　再有，就是手腕在運動過程中的精度;手腕在空間做相對運動，怎樣去實現(xiàn)運動精度？影響運動精度的因素有哪些？

　　在設(shè)計手腕這前一定要搞清楚影響手腕的各方面的因素及內(nèi)容，問題得到解答后再真正開始手腕的設(shè)計。

　　下面給出伺服電機(jī)的的技術(shù)參數(shù)：

　　型號：MSMD04ZS1V

　　額定輸出功率：400W

　　額定轉(zhuǎn)矩：1.3N.m最大轉(zhuǎn)矩：3.8N.m

　　額定轉(zhuǎn)速/最高轉(zhuǎn)速：3000/5000rpm

　　電機(jī)慣量（有制動器）：1.7×10-4Kg.m2

　　變壓器容量：0.9KVA

　　編碼器：17位（分辨率：131072）.7線制增量式/絕對式。

　　適配驅(qū)動器型號：MBDDT2210

　　位置控制接線圖：

　　17位增量式/絕對式編碼器接線圖：

　　即然我們選用了行星齒輪傳動，那么我們就要進(jìn)行行星齒輪的相關(guān)計算。

　　首先選定模數(shù)，由于機(jī)器人手腕部分結(jié)構(gòu)要求盡量的小，輸出的轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)不是很大，但是，它卻會在正反兩個方向上存在著高速換向的可能，也就是說在換向時齒輪要克服很大的慣性力，因此，模數(shù)的選擇計算要按輸出轉(zhuǎn)矩的數(shù)倍來計算，也就是說：在按強(qiáng)度計算模數(shù)時，安全系數(shù)選大些。同時由于結(jié)構(gòu)的限制，盡量選用小模數(shù)。有關(guān)齒輪的計算公式大家可以查閱《齒輪設(shè)計手冊》。這里我選用模數(shù)為：1m選定了模數(shù)，下面就要計算傳動比，有關(guān)行星齒輪傳動的計算大家可查閱《齒輪設(shè)計手冊》或《機(jī)械設(shè)計手冊》內(nèi)的《齒輪傳動部分》，里面有詳細(xì)的介紹和計算范例。在此不作介紹和引用。

　　行星齒輪傳動，必定有一個結(jié)構(gòu)是浮動的，在機(jī)器人手腕部分是不是也適用呢？哪一部分做輸了出？哪一部分浮動？

　　首先，機(jī)器人手腕做360度轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)又比較小，再者就是它的輸出部分是要有一個法蘭，用來安裝夾持執(zhí)行部件的。

　　如果讓行星架浮動，行星齒輪分布在太陽輪圓周上，讓它浮動時，在運轉(zhuǎn)過程中它不是繞定軸轉(zhuǎn)動，也就是說它不滿足輸出法蘭的轉(zhuǎn)動條件。

　　現(xiàn)在我們考慮一下讓內(nèi)齒轉(zhuǎn)動，法蘭固定在內(nèi)齒輪上，這樣就可以保證法蘭的轉(zhuǎn)動條件。

　　下面給出手腕的結(jié)構(gòu)圖，無浮動部件，內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動。