五軸弧焊機器人傳動機構(gòu)的設(shè)計

1、五軸弧焊機器人傳動機構(gòu)的設(shè)計與分析戚松 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)式全電動多關(guān)節(jié)型五軸弧焊機器人傳動機構(gòu)的設(shè)計原則以及各關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)的若干實用可行的設(shè)訃方案，并進行了分析比較。1.引言設(shè)計T/P式具有點位控制(PTP)、連續(xù)控制(CP)功能的全電動多關(guān)節(jié)型五軸弧焊機器人本體的關(guān)鍵問題之一就是傳動機構(gòu)的設(shè)計。本文將詳細介紹其傳動機構(gòu)的設(shè)計原則，并具體應(yīng)用于各關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)設(shè)計和分析的若千方案。2.弧焊機器人簡介及其傳動機構(gòu)的總設(shè)計原則弧焊機器人持重只有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

2、速移動時的速度達60m/min左右，T/P式，具有PTP、CP控制功能， 目前國內(nèi)主要應(yīng)用的驅(qū)動器有直流和交流伺服電機(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、行星齒輪機構(gòu)、齒輪及蝸輪蝸桿傳動； 本體主要由機身回轉(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(BW自由發(fā))構(gòu)成。為了滿足焊接作業(yè)和控制對弧焊機器人本體的基本要求， 在傳動機構(gòu)的設(shè)計中應(yīng)著重保證： 足夠高的傳動精度和剛度； 傳動平穩(wěn)， 噪音??； 偏重力矩小， 運動部分重量輕，慣量??； 摩擦小，傳動效率高； 總體布局合理， 造型美觀； 成本

3、低， 經(jīng)濟性好。下面將應(yīng)用這些總設(shè)計原則， 具體分析各關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)的重點設(shè)計要求， 并據(jù)此設(shè)計和分析若干傳動方案。3.機身回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)的設(shè)計與分析機身是直接支承和傳動手臂的部件， 承載重且受力情況復(fù)雜，轉(zhuǎn)動慣量及其變化幅度大，誤差放大比最大。因此，高旋轉(zhuǎn)精度和剛性是機身設(shè)計時應(yīng)首先予以保證。方案一 M1經(jīng)R1直接驅(qū)動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RT軸。方案三 圖2所示，M1經(jīng)同步齒形帶、R1驅(qū)動RT軸。方案四 如圖34。M1經(jīng)斜齒輪、R1、直齒輪驅(qū)動RT軸。方案五 M1 經(jīng)蝸桿蝸輪， 直齒輪驅(qū)動RT軸(圖4)。上述方案的共同優(yōu)點是：驅(qū)動裝置都安裝在不參與運

4、動的鑄鐵底座上，支承剛度高，RT軸轉(zhuǎn)動慣量小。它們的特點列于表1。此外，方案一還有一個缺點：按“折算力矩值最小”,“轉(zhuǎn)矩儲備最大,“慣量匹配”原則綜臺考慮所確定的最佳減速比很可能會使R1的激勵頻率等于伺服系統(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構(gòu)J方案三可通過合理選擇帶傳動比來改變R1的激勵頻率，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.手臂俯仰傳動機構(gòu)的設(shè)計與分析臂部是弧焊機器人的主要執(zhí)行部件， 它支承著腕部和焊槍，并以UA、FA兩個自由度的合成運動形成前后，上下工作面。臂部總重量

5、較大， 都是懸臂結(jié)構(gòu)， 機械剛性差， 有偏重力矩存在，在運動時直接承受腕部和焊槍的靜、動載荷，受力狀況隨位置和速度的變化而變化，尤其當運動狀態(tài)變化時，將引起較大沖擊和振動， 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)動慣量， 保證較高的傳動精度和足夠的傳動剛度等將是手臂俯仰傳動機構(gòu)設(shè)計的主要目標。4.1 手臂俯仰傳動機構(gòu)的設(shè)計方案方案一 自由度UA如圖5(a)， 由鉸接安裝于機身后一例的M 通過滾珠絲杠驅(qū)動鉸接安裝于上臂上的螺母來實現(xiàn);自由度FA如圖5(b)，由鉸接安裝于機身后另一側(cè)的M3通過滾珠絲杠一螺母副驅(qū)動平行四邊形連桿機構(gòu)的鉸接點來實現(xiàn)。方案二

6、如圖6(a)，兩套MR裝置都固定在機身回轉(zhuǎn)休上，相對位于肩關(guān)節(jié)兩側(cè)。其一直接驅(qū)動上臂俯仰;另一通過驅(qū)動平行四邊形連桿機構(gòu)的曲柄來獲得前臂與之相同的平面平行運動。方案三 UA軸傳動方案與圖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)動前臂俯仰。4.2 手臂俯仰傳動方案的分析比較方案一、二、四中， 上臂運動時都可保持前臂姿態(tài)不變，使操作和坐標變換的計算都比較方便、簡單； 它們前臂的驅(qū)動裝置都配置在機身回轉(zhuǎn)體上，減輕了上臂的負荷、偏重力矩和轉(zhuǎn)動慣囂及其傳動元件和電機的負載， 降低了整機重心；FA軸傳動中都增加了一級平行四邊形連桿機構(gòu)或齒形帶傳動，可消除電機的波動，使結(jié)構(gòu)平

7、穩(wěn)。但也使它們的傳動路線加長了。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構(gòu)取代了開式鏈中的一個構(gòu)件， 既提高了承載能力，又提高了傳動剛度， 使之可在所有方向上快速運動。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，但方案四的傳動剛度稍低。此外， 由于方案一中的兩只驅(qū)動裝置偏離RT軸較遠， 因此RT軸的轉(zhuǎn)動慣量較大；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)得到簡化。為了進一步改

8、善UF軸軸向尺寸長的缺點，還可將M2、M3豎裝，M和R之間增加一級錐齒輪傳動，如圖6(b)。盡管傳動路線長了，但因錐齒輪副位于高速級，所以對傳動精度的影響不會太大， 而且可調(diào)整R的激勵頻率、減小折算慣量。但噪音和沖擊將增大。5.腕部關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)的設(shè)計與分析腕部處于臂部的最前端，它連同焊槍的靜動載荷均由懸伸的手臂承受。顯然， 腕部的重量、動載荷和傳動機構(gòu)等直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量、工作空間和運轉(zhuǎn)性能。因此， 在腕部傳動機構(gòu)設(shè)計時， 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)動裝置安置在遠離腕部的地方，采用鏈或同心剛性套筒等把運動傳至手腕，再通過錐齒輪差動機構(gòu)實現(xiàn)TW 、BW 自自由度

9、。5.1 手腕差動機構(gòu)的方案與分析差動機構(gòu)之一參見圖8，傳至手腕的兩個運動分別成為兩個中心輪的回轉(zhuǎn)運動，當它們以同速同向運動時，完成BW自由度；當它們以同速反向運動時，完成TW自由度，當它們不管朝什么方向以不同的速度運動時，TW、BW 自由度同時產(chǎn)生。差動機構(gòu)之二參見圖9，傳至手腕的運動之一通過錐齒輪傳動將回轉(zhuǎn)軸變換9O°，實現(xiàn)TW 自由度；傳至手腕的另一運動直接傳給腕殼體，產(chǎn)生BW自由度，但同時將引起“誘導(dǎo)運動” 。這兩種差動機構(gòu)都可使腕部結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、傳動扭矩大，有利于改善其運動性能，并適于高溫作業(yè)。其中，方案二有時可省去一只錐齒輪，從而能提高傳動精度，降低噪音和腕部重量，而方

10、案一能減小其軸承內(nèi)的反作用力和輪齒上的載荷。5.2 腕驅(qū)動裝置的布局和傳動形式及其分析方案一如圖8(圖中以差動機構(gòu)之一為例，以下各方案均以差動機構(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 及錐齒輪副將運動傳至腕部方案二如圖9，將M 一R 、M 一R 對稱布置在前臂末端，通過鏈條把運動傳至手腕。方案三圈l0所示，將M 一R 、M 一R對稱布置在驅(qū)動前臂俯仰的平行四邊形機構(gòu)的曲柄末，通過兩級鏈條把運動傳至手腕。方案四如圖1， 將M 一R 、M R。固定在機身回轉(zhuǎn)體上、對稱布置于肩關(guān)節(jié)兩側(cè)， 通過兩級鏈條把運動傳至手腕。方案一和二中的MR裝置對前臂起靜力平衡作用

11、， 方案三中的MR裝置對上臂和前臂均趕 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元件和電機的負載， 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)動慣量， 其中方案一和二在上臂處于極限位置時尤為突出。它們還限制了工作空間。而方案四的效果正好與它們相反。方案一和二的傳動路線最短，使傳動精效率和剛度均較高，成本和傳動鏈慣性較低。但整機重心較高。而其它兩方案與之相反方案一中，作用在傳動軸上的載荷小，噪音較小，能使前臂剛度增大、外形細長、整齊、結(jié)構(gòu)簡單。但有剛性沖擊。而其它方案中均采用了鏈條傳動， 其缺點是： 傳動精度低， 運動慣性大、瞬時速度不均勻、運動平穩(wěn)性較差、噪音大、占用空間大、價格較貴， 而且MR裝置外伸尺寸也都偏長。為此，還可采用同步齒形帶把M的運動傳至安裝在手腕中的R，再通過錐齒輪差動機構(gòu)傳動，實現(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)的所有傳動方案中，M直接驅(qū)動R方式居多。其缺點是R傳功構(gòu)件的同軸度要求高， 由于電機軸對基準所允許的不同軸度往往較大