一篇文章帶您學習工業機器人的設計過程！

最新 09-09

對於工業機器人的設計與大多數機械設計過程相同;首先要知道為什麼要設計機器人?機器人能實現哪些功能?活動空間(有效工作範圍)有多大?了解基本的要求後，接下來的工作就好作了。

首先是根據基本要求確定機器人的種類，是行走的提升(舉升)機械臂、還是三軸的坐標機器人、還是六軸的機器人等。選定了機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進行設計的指導方向。

接下來的要做的就是設計任務的確定。這是一個相對複雜的過程，在實現這一複雜過程的第一步是將設計要求明確的規定下來;第二步是按照設計要求製作機械傳動簡圖，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;第三步是明確設計內容，設計步驟、攻克點、設計計算書、草圖繪製，材料、加工工藝、控制程序、電路圖繪製;第四步是綜合審核各方面的內容，確認生產。

下面我將以六軸工業機器人作為設計對象來闡明這一設計過程：

在介紹機器人設計之前我先說一下機器人的應用領域。機器人的應用領域可以說是非常廣泛的，在自動化生產線上的就有很多例子，如垛碼機器人、包裝機器人、轉線機器人;在焊接方面也有很例子，如汽車生產線上的焊接機器人等等;現在機器人的發展是非常的迅速，機器人的應用也在民用企業的各個行業得以延伸。機器人的設計人才需求也越來越大。

六軸機器人的應用范籌不同，設計形式也各不相同。現在世界上生產機器人的公司也很多，結構各有特色。

既然機器人的應用那麼廣泛，在我國卻沒有知名的生產公司。對於作為中國機械工程技術人員來說是一個值得思考的問題!有關機器人技術方面探討太少了?從業人員還不能成群體?雖然在很多地方可以看到機器的論術，可是卻沒有真正形成普及的東西。

即然是要說設計，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!

六軸機器人是多關節、多自由度的機器人，動作多，變化靈活;是一種柔性技術較高的工業機器人，應用面也最廣泛。那麼怎樣去從頭開始的設計它呢?工作範圍又怎樣去確定?動作怎樣去編排呢?位姿怎樣去控制呢?各部位的關節又是有怎麼樣的要求呢?等等......讓我們帶著眾多的疑問慢慢的往下走吧!

首先我們設定：機器人是六軸多自由度的機器人，手爪夾持二氧氣體保護焊標準焊槍;完成點焊、連續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;轉動270度;底座與地平線水平固定;全電機驅動。

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。

首先是全電機驅動的，那麼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構了，也就是傳動機構只能用齒輪齒條、連桿機構等機械機構了。

機器人是用於焊接方面的，那麼我們就去考察有人工行為下的各種焊接手法和方法。這裡就有一個很複雜的東西在裡面，那就是焊接工藝;即然焊藝定不下來，我們就給它區分一下，在常用焊接里有單點點焊、連續斷點點焊、連續平縫焊接、填角焊接、立縫焊接、仰焊、環縫焊等等......

搞清了各種焊方法，也就明白了要實現這些複雜的動作就要有一套可行的控制方式才行;在機械沒有完全設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，待機械結構做完，各方面的驅動功率確定下來之後再做詳細的程序。

焊槍是用常用的標準的焊槍，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行快速鎖定與鬆開。

焊槍在焊接過程中要進行各種焊接姿態調整，那麼機械手腕就要很靈活，在各個方位角度上都可調節。

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

設計任務

設計要求：機器人適用於焊接領域，可以完成各種焊接動作;為了機器人能適應各種焊接工藝，在線調整工藝快速，編製控制程序時採用柔性控制程序，自適應在線、離線示教程序;焊縫、焊池、焊道成像跟蹤，自動調節焊機的各項參數。

機器人採用全伺服驅動，地面固定安裝。六軸控制，各關節運動靈活，按工藝描述表設計各軸動作範圍，盡量使機構緊湊，整體外形美觀。

設計內容

機械設計：根據設計要求及工藝描述設計各關節的機械機構，確定各部件的材料和加工工藝;製作計算書，驗算機械強度、驅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。驗算機器人各關鍵部件使用壽命。結合控制程序及電路製作機器人維修保養說明書。

程序控制設計：根據設計要求與機械工程師最後制定的工藝路線設計控制流程;結合機械結構與驅動、信號反饋方式，設計機器人運動程序;程序要具有自適應功能，自動定點跟蹤，對焊機電流、電壓實時監測，並自動調節;焊道、焊池用成像監測判別技術。

設計電路圖

有了這樣一個文件，我們就好設計了;那麼我們首先就要做的是：繪製機器人動運簡圖，規劃機器人運動軌跡，做好這些我們就可以進行機械機構的設計，同時可以考慮程序的線路圖了。

先做一個簡圖，來研究一下運動規跡。

機器人運動簡圖：

當我們把機械運動簡圖畫好後，一般的情況下是先對簡圖進行分析;雖然簡圖不能全部反映機械結構的組成，但是它卻表現出了要設計的物體的總體輪廓。

那麼對於我們這個機器人的簡圖，我們從哪裡著手分析才合理呢?

首先，我們看一下設計任務書的內容。從任務書中知道，六個軸中有三個軸是做旋轉運動的，其餘作擺角運動。

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

從簡圖知道，機器人的手臂伸縮範圍較大;如果把手臂全部伸直，而且我們假設地把它們看成同一鋼體，這樣就形成一端固定的懸臂樑。

應用力學知識體系中的有關梁的分析我們知道，要搞清懸臂樑的變形量，首先要知道梁的重量和截面慣量。

由簡圖知道，由於有多個關節連接，要知道截面形狀和慣量不太容易，只有把所有的機構都設計完成後才會知道想求的參數。

由簡圖看出，第二軸擔負著手臂的上下運動，而且手臂又比較長，在運動的過程中必然存在著慣性衝量，也就是說，當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，這個慣性衝量是與速度有著線性關係;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，可有效消除這種關係。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計。也說是大家所說的從上到下的設計方法。

設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。也就是說手腕在轉動時的負載是不大的，選擇驅動功率不大的元件就行了。

要讓手腕在360度範圍內轉動，而且後面緊跟著又有一個上下擺動的關節;手腕又是在機器人手臂的最前端，當然總體質量不能太重。用什麼樣的機構最好呢?下面我們考慮幾個方案：

1.如簡圖所示，採用行星齒輪傳動。電機驅動太陽輪，行星輪繞太陽輪轉動，內齒輪經行星輪減速與太陽輪反向運動，電機與太陽輪同軸安裝。

2.多級齒輪減速傳，電機安裝於手腕一側。

3.擺線針輪減速傳動，電機與偏心軸同軸安裝。

4.蝸輪蝸桿減速傳動，電機有兩種安裝方式;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種方法如果採用，手腕的結構就會很大，不利於機器人在運動時做精密定位。這樣我們去除了兩種方法，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，結構複雜，齒輪副配合有間隙，不能自鎖。如果採用就得提高齒輪精度，由於是精密傳動，齒輪材料也不能按常規齒輪選用材料，加工工藝相對常規齒輪相複雜的多。

擺線針輪傳動，傳動比大，結構複雜，傳動間隙小，可以自鎖。如果採用，手腕的尺寸不會太小，並且零件加工困難，精度不易保證。

比較各方面後，決定採用行星齒輪傳動機械結構。行星齒輪在傳動的過程中有裝配間隙和機械磨損所造成的間隙;要消除這些機械間隙首先就要讓齒輪副的配合間隙要小，齒輪材料經熱處理後表面要耐磨，因此行星齒輪副的設計計算不能按常規行星齒輪的設計方法去計算。機器人的手腕是很靈活的關節，而且是要做正反兩個方向的迴轉。怎麼樣安裝電機是一個問題;行星齒輪傳動機構與手腕俯仰關節連接是一個問題。

還有，手腕的運動速可能是非等速的;怎麼樣去控制電機?又怎麼樣去採集反饋信號?發出的控制信號到執行單元的過程中有沒外部干擾?它來自哪裡?

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，怎樣去實現運動精度?影響運動精度的因素有哪些?

在設計手腕這前一定要搞清楚影響手腕的各方面的因素及內容，問題得到解答後再真正開始手腕的設計。

下面給出伺服電機的的技術參數：

型號：MSMD04ZS1V

額定輸出功率：400W

額定轉矩：1.3N.m最大轉矩：3.8N.m

額定轉速/最高轉速：3000/5000rpm

電機慣量(有制動器)：1.7×10-4Kg.m2

變壓器容量：0.9KVA

編碼器：17位(解析度：131072).7線制增量式/絕對式.

適配驅動器型號：MBDDT2210

位置控制接線圖:

17位增量式/絕對式編碼器接線圖:

既然我們選用了行星齒輪傳動，那麼我們就要進行行星齒輪的相關計算。

首先選定模數，由於機器人手腕部分結構要求盡量的小，輸出的轉矩也相應不是很大，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，模數的選擇計算要按輸出轉矩的數倍來計算，也就是說：在按強度計算模數時，安全係數選大些。同時由於結構的限制，盡量選用小模數。有關齒輪的計算公式大家可以查閱《齒輪設計手冊》。這裡我選用模數為：1m選定了模數，下面就要計算傳動比，有關行星齒輪傳動的計算大家可查閱《齒輪設計手冊》或《機械設計手冊》內的《齒輪傳動部分》，裡面有詳細的介紹和計算範例。在此不作介紹和引用。