工業(yè)機器人的設(shè)計方法

工業(yè)機器人與機床在基本功能和基本工作原理上有相似之處,但其特征及要求不同。因此從設(shè)計方法學上看,工業(yè)機器人的設(shè)計方法與機床設(shè)計方法基本相通,但其具體的設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計要求及設(shè)計技術(shù)又有很大差別。

工業(yè)機器人總體方案的設(shè)計方法也可以分為分析式設(shè)計方法和創(chuàng)成式設(shè)計方法。

工業(yè)機器人設(shè)計內(nèi)容與步驟

1.總體設(shè)計

(1)基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計根據(jù)任務(wù)的來源不同,按制造廠的產(chǎn)品規(guī)劃或用戶訂貨要求來確定。在總體方案設(shè)計階段首先要確定的主要參數(shù)有如下幾種

1)用途。如搬運、點焊,等等。

2)額定負載。額定負載是指在機器人規(guī)定的性能范圍內(nèi),機械接口處所能承受負載的允許值。它主要根據(jù)作用于機械接口處的力和力矩,包括機器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件的重量及慣性力(矩)、外界的作用力(矩)(如切削機器人的切削力)來確定。

3)按作業(yè)要求確定工作空間,同時要考慮作業(yè)對象對機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)要求,以便為后續(xù)方案設(shè)計中的自由度設(shè)計提供依據(jù)。

4)額定速度。指工業(yè)機器人在額定負載、勻速運動過程中,機械接口中心的最大速度。應(yīng)綜合考慮作業(yè)效率要求、作業(yè)線協(xié)調(diào)生產(chǎn)要求、慣性力(矩)、驅(qū)動與控制方式、定位方式和精度要求等各種因素來確定。其中慣性力(矩)這一因素,由于機器人的總體結(jié)構(gòu)尚未設(shè)計故該階段只能概略估計。

5)驅(qū)動方式的選擇。目前所采用的方式有電動機、液壓和氣動三種類型。

6)性能指標。按作業(yè)要求確定。一般指末端執(zhí)行器的位姿準確度及位姿重復(fù)性(點位控制)、軌跡準確度及軌跡重復(fù)性(軌跡控制)、最小定位時間及分辨率等。同時還可對機械結(jié)構(gòu)的剛度、關(guān)節(jié)幾何運動精度等提出要求

(2)總體方案設(shè)計

1)運動功能方案設(shè)計該階段的主要設(shè)計任務(wù)是設(shè)計確定機器人的自由度數(shù)、各關(guān)節(jié)運動的性質(zhì)及排列順序、在基準狀態(tài)時各關(guān)節(jié)軸的方向,設(shè)計出運動原理圖。

2)傳動系統(tǒng)方案設(shè)計根據(jù)動力及速度參數(shù)、驅(qū)動方式等選擇傳動方式和傳動元件,設(shè)計出傳動原理圖。

3)結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計根據(jù)機器人的工作空間、運動功能方案及傳動方案,確定關(guān)節(jié)的形式,各構(gòu)件的概略形狀、尺寸

4)參數(shù)設(shè)計確定在基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計階段尚無法考慮的一些參數(shù),如單軸速度、單軸負載、單軸運動范圍等。該項工作應(yīng)與3)設(shè)計工作交叉進行。

5)控制系統(tǒng)方案設(shè)計近期設(shè)計的工業(yè)機器人基本上都采用計算機控制系統(tǒng)。

6)總體方案評價經(jīng)過1)~5)的設(shè)計工作,機器人的總體方案基本生成,可以同時設(shè)計若干個方案,進行評價比較,選擇較好的方案。對所設(shè)計的方案可以從如下幾個方面進行綜合評價:工作空間、運動速度、加速度、成本分析、可靠性分析、精度分析等。為了對方案的工作空間進行評價,首先需用計算法或作圖法求出實際的工作空間,檢驗其是否滿足工作空間的設(shè)計要求,然后再對各方案進行比較。同樣的,先求出各軸的速度,然后進行額定速度校驗及方案比較。進行評價后選擇比較好的方案,并進一步進行修改設(shè)計(或總體優(yōu)化設(shè)計),作為后續(xù)詳細設(shè)計的依據(jù)。

2.詳細設(shè)計：詳細設(shè)計內(nèi)容包括裝配圖設(shè)計、零件圖設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計。

3.總體評價：總體設(shè)計階段所得的設(shè)計結(jié)果,是各構(gòu)件及關(guān)節(jié)的概略形狀及尺寸,通過詳細設(shè)計將其細化,而且總體設(shè)計階段尚未考慮的細節(jié)也已具體化,因此各部分尺寸會有一些變化,需要對設(shè)計進行總體評價,檢測其是否能滿足所需設(shè)計指標的要求。

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