五軸弧焊機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1、五軸弧焊機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析戚松 制造學(xué)院 0743021004摘要：本文總結(jié)并具體應(yīng)用了示教、再現(xiàn)(T/P)式全電動(dòng)多關(guān)節(jié)型五軸弧焊機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則以及各關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的若干實(shí)用可行的設(shè)訃方案，并進(jìn)行了分析比較。1.引言設(shè)計(jì)T/P式具有點(diǎn)位控制(PTP)、連續(xù)控制(CP)功能的全電動(dòng)多關(guān)節(jié)型五軸弧焊機(jī)器人本體的關(guān)鍵問題之一就是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本文將詳細(xì)介紹其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，并具體應(yīng)用于各關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的若千方案。2.弧焊機(jī)器人簡(jiǎn)介及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總設(shè)計(jì)原則弧焊機(jī)器人持重只有10k g左右，重復(fù)精度應(yīng)02mm為佳，焊接速度范圍大約需要02 2 m/min， 高速移動(dòng)時(shí)的速

2、度達(dá)60m/min左右，T/P式，具有PTP、CP控制功能， 目前國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器有直流和交流伺服電機(jī)(以下用M表示)， 主要應(yīng)用的減速方式是諧波減速器(以下用R表示)、滾珠絲杠副、行星齒輪機(jī)構(gòu)、齒輪及蝸輪蝸桿傳動(dòng)； 本體主要由機(jī)身回轉(zhuǎn)(RT自由度)， 上臂俯仰(UA自由度)、前臂俯仰(FA自由度)、手腕回轉(zhuǎn)(TW自由度)和手腕上下擺動(dòng)(BW自由發(fā))構(gòu)成。為了滿足焊接作業(yè)和控制對(duì)弧焊機(jī)器人本體的基本要求， 在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)著重保證： 足夠高的傳動(dòng)精度和剛度； 傳動(dòng)平穩(wěn)， 噪音?。?偏重力矩小， 運(yùn)動(dòng)部分重量輕，慣量?。?摩擦小，傳動(dòng)效率高； 總體布局合理， 造型美觀； 成本低， 經(jīng)濟(jì)性

3、好。下面將應(yīng)用這些總設(shè)計(jì)原則， 具體分析各關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)設(shè)計(jì)要求， 并據(jù)此設(shè)計(jì)和分析若干傳動(dòng)方案。3.機(jī)身回轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析機(jī)身是直接支承和傳動(dòng)手臂的部件， 承載重且受力情況復(fù)雜，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其變化幅度大，誤差放大比最大。因此，高旋轉(zhuǎn)精度和剛性是機(jī)身設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先予以保證。方案一 M1經(jīng)R1直接驅(qū)動(dòng)RT軸(圖1 )。方案二 參見圖1。M1經(jīng)擺線行星輪減速器直接驅(qū)動(dòng)RT軸。方案三 圖2所示，M1經(jīng)同步齒形帶、R1驅(qū)動(dòng)RT軸。方案四 如圖34。M1經(jīng)斜齒輪、R1、直齒輪驅(qū)動(dòng)RT軸。方案五 M1 經(jīng)蝸桿蝸輪， 直齒輪驅(qū)動(dòng)RT軸(圖4)。上述方案的共同優(yōu)點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)裝置都安裝在不參與運(yùn)動(dòng)的鑄鐵底座

4、上，支承剛度高，RT軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。它們的特點(diǎn)列于表1。此外，方案一還有一個(gè)缺點(diǎn)：按“折算力矩值最小”,“轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備最大,“慣量匹配”原則綜臺(tái)考慮所確定的最佳減速比很可能會(huì)使R1的激勵(lì)頻率等于伺服系統(tǒng)的自然頻率，而又很難兩全齊美;方案二和五不存在這一問題，但方案二必須采用等角速比機(jī)構(gòu)J方案三可通過合理選擇帶傳動(dòng)比來改變R1的激勵(lì)頻率，同步齒形帶還能緩和載荷沖擊；方案四能通過合理分配各級(jí)減速比來避免伺服系統(tǒng)振蕩，還可使折算轉(zhuǎn)角誤差盡量小。4.手臂俯仰傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析臂部是弧焊機(jī)器人的主要執(zhí)行部件， 它支承著腕部和焊槍，并以UA、FA兩個(gè)自由度的合成運(yùn)動(dòng)形成前后，上下工作面。臂部總重量較大， 都是

5、懸臂結(jié)構(gòu)， 機(jī)械剛性差， 有偏重力矩存在，在運(yùn)動(dòng)時(shí)直接承受腕部和焊槍的靜、動(dòng)載荷，受力狀況隨位置和速度的變化而變化，尤其當(dāng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)，將引起較大沖擊和振動(dòng)， 影響工作平穩(wěn)性和定位精度，且誤差放大比也較大，因此， 降低手臂重量， 偏重力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 保證較高的傳動(dòng)精度和足夠的傳動(dòng)剛度等將是手臂俯仰傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。4.1 手臂俯仰傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案方案一 自由度UA如圖5(a)， 由鉸接安裝于機(jī)身后一例的M 通過滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)鉸接安裝于上臂上的螺母來實(shí)現(xiàn);自由度FA如圖5(b)，由鉸接安裝于機(jī)身后另一側(cè)的M3通過滾珠絲杠一螺母副驅(qū)動(dòng)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)的鉸接點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。方案二 如圖6(a)

6、，兩套MR裝置都固定在機(jī)身回轉(zhuǎn)休上，相對(duì)位于肩關(guān)節(jié)兩側(cè)。其一直接驅(qū)動(dòng)上臂俯仰;另一通過驅(qū)動(dòng)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)的曲柄來獲得前臂與之相同的平面平行運(yùn)動(dòng)。方案三 UA軸傳動(dòng)方案與圖6(a)相同；M3一R3裝置也類似地安裝于上臂另一側(cè)的肘關(guān)節(jié)處， 直接驅(qū)動(dòng)前臂俯仰。4.2 手臂俯仰傳動(dòng)方案的分析比較方案一、二、四中， 上臂運(yùn)動(dòng)時(shí)都可保持前臂姿態(tài)不變，使操作和坐標(biāo)變換的計(jì)算都比較方便、簡(jiǎn)單； 它們前臂的驅(qū)動(dòng)裝置都配置在機(jī)身回轉(zhuǎn)體上，減輕了上臂的負(fù)荷、偏重力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣囂及其傳動(dòng)元件和電機(jī)的負(fù)載， 降低了整機(jī)重心；FA軸傳動(dòng)中都增加了一級(jí)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)或齒形帶傳動(dòng)，可消除電機(jī)的波動(dòng)，使結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。但也使它

7、們的傳動(dòng)路線加長(zhǎng)了。而方案三在這些方面正好相反。方案一、二均采用平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)取代了開式鏈中的一個(gè)構(gòu)件， 既提高了承載能力，又提高了傳動(dòng)剛度， 使之可在所有方向上快速運(yùn)動(dòng)。但也限制了工作空間， 且由于鉸接處磨損等原因引起的誤差將較大。而其它兩種方案沒有這些情況，但方案四的傳動(dòng)剛度稍低。此外， 由于方案一中的兩只驅(qū)動(dòng)裝置偏離RT軸較遠(yuǎn)， 因此RT軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大；方案二由于UF軸軸向尺寸較大， 因此也存在RT軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的問題，且使肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜;方案三可使MR裝置盡量地縮進(jìn)各自的關(guān)節(jié)中，從而在這方面大有改善；方案四也能使UA軸的軸向尺寸有所縮短，肩部結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。為了進(jìn)一步改善UF軸軸向

8、尺寸長(zhǎng)的缺點(diǎn)，還可將M2、M3豎裝，M和R之間增加一級(jí)錐齒輪傳動(dòng)，如圖6(b)。盡管傳動(dòng)路線長(zhǎng)了，但因錐齒輪副位于高速級(jí)，所以對(duì)傳動(dòng)精度的影響不會(huì)太大， 而且可調(diào)整R的激勵(lì)頻率、減小折算慣量。但噪音和沖擊將增大。5.腕部關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析腕部處于臂部的最前端，它連同焊槍的靜動(dòng)載荷均由懸伸的手臂承受。顯然， 腕部的重量、動(dòng)載荷和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量、工作空間和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此， 在腕部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)， 必須力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、布局合理。為此，常將手腕驅(qū)動(dòng)裝置安置在遠(yuǎn)離腕部的地方，采用鏈或同心剛性套筒等把運(yùn)動(dòng)傳至手腕，再通過錐齒輪差動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)TW 、BW 自自由度。5.1 手

9、腕差動(dòng)機(jī)構(gòu)的方案與分析差動(dòng)機(jī)構(gòu)之一參見圖8，傳至手腕的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)分別成為兩個(gè)中心輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它們以同速同向運(yùn)動(dòng)時(shí)，完成BW自由度；當(dāng)它們以同速反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，完成TW自由度，當(dāng)它們不管朝什么方向以不同的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，TW、BW 自由度同時(shí)產(chǎn)生。差動(dòng)機(jī)構(gòu)之二參見圖9，傳至手腕的運(yùn)動(dòng)之一通過錐齒輪傳動(dòng)將回轉(zhuǎn)軸變換9O，實(shí)現(xiàn)TW 自由度；傳至手腕的另一運(yùn)動(dòng)直接傳給腕殼體，產(chǎn)生BW自由度，但同時(shí)將引起“誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)” 。這兩種差動(dòng)機(jī)構(gòu)都可使腕部結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、傳動(dòng)扭矩大，有利于改善其運(yùn)動(dòng)性能，并適于高溫作業(yè)。其中，方案二有時(shí)可省去一只錐齒輪，從而能提高傳動(dòng)精度，降低噪音和腕部重量，而方案一能減小其軸承內(nèi)的反作

10、用力和輪齒上的載荷。5.2 腕驅(qū)動(dòng)裝置的布局和傳動(dòng)形式及其分析方案一如圖8(圖中以差動(dòng)機(jī)構(gòu)之一為例，以下各方案均以差動(dòng)機(jī)構(gòu)之二為例)。將M4-R4、M5一R5布置在前臂末端，通過減速齒輪、同心剛性套筒 及錐齒輪副將運(yùn)動(dòng)傳至腕部方案二如圖9，將M 一R 、M 一R 對(duì)稱布置在前臂末端，通過鏈條把運(yùn)動(dòng)傳至手腕。方案三圈l0所示，將M 一R 、M 一R對(duì)稱布置在驅(qū)動(dòng)前臂俯仰的平行四邊形機(jī)構(gòu)的曲柄末，通過兩級(jí)鏈條把運(yùn)動(dòng)傳至手腕。方案四如圖1， 將M 一R 、M R。固定在機(jī)身回轉(zhuǎn)體上、對(duì)稱布置于肩關(guān)節(jié)兩側(cè)， 通過兩級(jí)鏈條把運(yùn)動(dòng)傳至手腕。方案一和二中的MR裝置對(duì)前臂起靜力平衡作用， 方案三中的MR裝置對(duì)

11、上臂和前臂均趕 定的靜力平衡作用。從而它們既在工作空間任意位置上都減輕了此手臂傳動(dòng)元件和電機(jī)的負(fù)載， 又減小了此手腕的靜態(tài)偏重力矩。但卻導(dǎo)致了手腕系統(tǒng)固有頻率的減小，增大了該手臂的重量和較下之臂的偏重力矩，增大了RT軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 其中方案一和二在上臂處于極限位置時(shí)尤為突出。它們還限制了工作空間。而方案四的效果正好與它們相反。方案一和二的傳動(dòng)路線最短，使傳動(dòng)精效率和剛度均較高，成本和傳動(dòng)鏈慣性較低。但整機(jī)重心較高。而其它兩方案與之相反方案一中，作用在傳動(dòng)軸上的載荷小，噪音較小，能使前臂剛度增大、外形細(xì)長(zhǎng)、整齊、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但有剛性沖擊。而其它方案中均采用了鏈條傳動(dòng)， 其缺點(diǎn)是： 傳動(dòng)精度低， 運(yùn)動(dòng)慣性大、瞬時(shí)速度不均勻、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較差、噪音大、占用空間大、價(jià)格較貴， 而且MR裝置外伸尺寸也都偏長(zhǎng)。為此，還可采用同步齒形帶把M的運(yùn)動(dòng)傳至安裝在手腕中的R，再通過錐齒輪差動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)TW、BW自由度。但將使腕部的體積和重量有所增加。此外， 在上述各關(guān)節(jié)的所有傳動(dòng)方案中，M直接驅(qū)動(dòng)R方式居多。其缺點(diǎn)是R傳功構(gòu)件的同軸度要求高， 由于電機(jī)軸對(duì)基準(zhǔn)所允許的不同軸度往往較大，