小型多關節工業機器人設計

四川普什寧江機床有限公司研發院 （都江堰 611830） 趙 軍

通用機床研究所所長 趙 軍

工業機器人與自動供料裝置、物流線連接組成自動裝配單元，完成自動化物流生產線上的裝配作業。小型多關節工業機器人為數控五軸關節坐標形式，運動關節軸采用帶編碼器交流伺服電動機驅動，半閉環位置反饋的開放式數控系統。交流伺服電動機直接驅動擺線減速機、諧波減速器等機構，最大限度地減少傳動誤差；各關節主支撐回轉導軌采用高精度、高剛性的十字交叉滾柱軸承，保證關節運動的靈活及工業機器人高精度重復定位；配置不同的手指附件裝置可滿足自動化物流生產線的裝配工序要求，適用于汽車、摩托車、工程機械及家電行業自動化生產線上。小型多關節工業機器人的外形尺寸及運動空間位置如圖1所示，手腕外形軸側投影如圖2所示。

圖1 外形尺寸及運動空間位置

小型多關節工業機器人特點

圖2 手腕外形軸側投影

（1）高精度 工業機器人各關節的傳動平穩性、重復定位精度是工業機器人性能主要指標，在小型多關節裝配工業機器人本體結構設計中，突破機械傳統設計觀念，采用大減速比高精度的擺線減速機，通過伺服電動機直接與擺線減速機相聯接，驅動工業機器人關節運動，改善工業機器人原有的傳動鏈長，傳動結構復雜，傳動誤差大的缺點。通過數控系統對位置誤差及反向間隙進行補償，保證工業機器人位置重復精度不大于±0.05mm。

小型多關節工業機器人采用自制復合型、高精度十字交叉滾子軸承如圖3所示，因軸承中圓柱滾子在呈90°的V形溝槽滾動面上相互垂直的排列，軸承可承受徑向負荷、軸向負荷及傾覆力矩等所有方向的負荷。內外圈的尺寸最大限度地小型化，外圈采用兩體分割的構造，軸承預緊量可調整，通過施加預緊負荷，而獲得高剛性、高精度，軸承回轉、軸向跳動精度不大于±0.01mm。該軸承應用于工業工業機器人的關節回轉部位，從而縮小工業機器人關節支撐件安裝空間及簡化支撐結構，提高工業機器人傳動剛性及運動幾何精度。

圖3 十字交叉滾子軸承結構

（2）模塊化設計 為擴大開發出的工業機器人自身通用性，適應不同自動化生產線的要求，將交流伺服電動機、擺線減速機及十字交叉滾子軸承集成化、模塊化設計如圖4所示，與物流系統自動線的針對性、單一準確性相結合，達到柔性可調和高效、高精度的目的。

根據工業機器人的不同功能需求、不同負荷及精度要求進行模塊化組合，模塊之間具有統一的、標準化的界面，達到縮短設計制造周期、降低制造成本的目的。

工業機器人控制系統預留與外界設備相連接的各類I/O接口，如：I/O Precess插接頭式、I/O Modulea插槽式、I/O Moduleb整體式、I/O Link Adupter等，以便于物流系統自動線連接，適應工業機器人可重構化及滿足自動化生產線柔性化要求。

（3）高速度 工業機器人快速直線移動速度1500mm/s，滿足自動生產線高節拍的工作效率要求。在額定負載和最大速度條件下，工業機器人按圖5所示軌跡從A點運動到D點，并從D點返回到A點（按ABCD—DCBA）進行循環運動。用儀表計時，其結果不大于4s，可適應自動生產線5s/件高生產節拍的要求。

（4）控制系統高柔性 裝配工業機器人應用得好壞，控制策略與方法及其對應軟硬件系統是關鍵。將工業機器人控制系統按“工業機器人群”考慮，其控制既能適應群體系統控制，也能保證各獨立工業機器人之間的協調配合，同時每個獨立工業機器人的控制方式和結構，能方便地實現與其他工業機器人或自動生產線的連接及通信。獨立工業機器人的控制從系統的角度出發，使之具有與其他工業機器人與設備的互聯和協調的工作能力，以工程數據庫和現場總線網絡為支撐技術，規劃好數據結構、通信協議及各種規范的軟硬件接口，所有控制軟件采用模塊化設計技術，增強控制系統的柔性和適應性。

圖4 關節模塊組合

圖5 運動速度測試

工業機器人的主要技術規格參數

工業機器人的主要技術規格參數如附表所列。

工業機器人的主要技術規格參數

工業機器人本體設計

小型多關節工業機器人總體布置如圖6所示，工業機器人對于不同的自動線而各異，但其基本組成是一樣的。一般是由工業機器人本體、工業機器人電氣控制系統、帶力傳感器機械手指、視覺系統、工業機器人專用控制軟件等組成，其基本框架如圖7所示。

圖6 工業機器人總體布置

圖7 小型多關節裝配工業機器人基本組成

工業機器人本體各運動關節軸的結構設計：

（1）J5軸 J5軸為工業機器人手腕回轉軸之一，是工業機器人與外界手部裝置相連接的接口關節，用于改變手部在空間的方位。結構設計中，在保證本身剛度和強度的前提下，盡可能使結構緊湊，重量輕，以利于減輕臂部的負載。結構如圖8所示。

交流伺服電動機5經平鍵帶動諧波減速器3驅動十字交叉滾子軸承1回轉。

J5軸關節傳動利用諧波減速裝置的特點：結構簡單，零件較少，體積小，重量輕，同時嚙合齒數多，傳動精度高，承載能力大，傳動比范圍寬且特別大等，加上自制的高精度、高剛性十字交叉滾子軸承1，使關節整體結構緊湊，重量輕。

（2）J4軸 J4軸為工業機器人手腕回轉軸之一，驅動J5軸回轉，用于改變手部在空間的方位。結構設計中，除要求與J5軸設計要求相同外，考慮到該軸的傳動布置，采用三級齒輪減速形式。結構如圖9所示。

交流伺服電動機8經平鍵帶動軸齒7經兩級雙聯齒輪3、5和齒輪1減速，其中通過調整雙聯齒輪3、5的支撐軸來控制傳動齒輪間隙，達到減小齒隙及傳動噪聲，提高傳動精度的目的。自制的高精度、高剛性十字交叉滾子軸承2保證J5軸運動精度；輔助支撐架11即作為J5軸的輔助支撐點，又起到內藏式走線支架的作用。在J4軸結構零件設計上，注重零件的重量及轉動慣量問題，在強度、剛性足夠的情況下，盡量減輕零件的重量和轉動慣量，達到減少手臂和腰關節負荷，提高工業機器人整體性能的要求。

（3）J3、J4軸 該兩軸組成工業機器人的手臂系統，工業機器人的臂部用于支承腕部與手部，帶動手部按一定的運動軌跡由初始位置到達另一指定位置。結構如圖10所示。交流伺服電動機3、9直接聯接在擺線減速機2、8上，縮短傳動鏈，減小傳動誤差，同時將兩個回轉關節軸固定在主支撐臂1上，其傳動剛性由主支撐臂1零件強度決定，使手臂傳動剛性很容易得到保證；在主支撐臂1的另一端，留出足夠的空間用于工業機器人電纜、氣管等設置，輔助支撐臂11即作為走線槽又起到輔助支撐的作用。

圖8 J5軸結構

圖9 J4軸結構

（4）J1軸 J1軸為工業機器人腰關節回轉軸，驅動工業機器人手臂以上各關節做大范圍的回轉運動，使工業機器人手部工作器在工業機器人運動范圍內工作。結構如圖11所示。

伺服電動機2聯接擺線減速器4進行一級減速，通過與擺線減速器輸出端相聯接的齒輪副5、7進行二級減速，構成J1軸機械傳動系統，整套傳動系統密封在油池箱內，起到降低齒輪傳動噪聲、減小齒輪磨損的作用。

（5）機械手指附件 機械手指附件結構如圖12所示：根據工業機器人的工作性質、工作負荷及針對零件的形狀而設計，作為工業機器人的特殊訂貨部件。圖12所示交換式機械手主要用于生產線的裝配工位及機床加工零件上下料，對于噴漆、冷卻、焊接等工序只需在工業機器人腕關節聯接處配置氣槍、水槍和焊槍等裝置，即能實現不同工序的要求，用兩個機械手指可同時實現零件的自動上下料換裝工作，提高工業機器人的利用率。

圖10 J3、J4軸結構

圖11 J1軸結構

圖12 機械手指附件