模塊化工業機器人減速器模塊的編碼研究

摘 要：文章簡單評述了現代工業機器人的模塊劃分及編碼原則，重點對減速器模塊中的RV減速器進行了參數分析，并研究出具體的編碼方法。

關鍵詞：工業機器人；模塊化編碼；RV減速器

引言

隨著現代化的發展，工業機器人有著多規模、多種類、小批量和復雜化等特點。與現代模塊化工業機器人相比，傳統機器人的“一種需求，一次設計”會產生多種弊端。模塊化工業機器人的誕生即能滿足客戶的需求，又能在規格、品種、設計周期和成本上得到優化。因此工業機器人的模塊化和編碼研究顯得尤為重要[1]。

1 模塊的劃分與編碼原則

1.1 模塊化思想

模塊化最早期思想起源于積木，利用積木原理把整個機器人分成若干個具有獨立功能的模塊，這些相互獨立的模塊根據不同的組成，來達到設計需要。模塊化理念的運用，在不同程度上可以達到大大縮減整個設計周期（研發周期、生產周期），降低設計成本，滿足不同機器人的互換性要求，提高機器人設計系統的可靠性[2]。

構建模塊化工業機器人模塊需具備以下幾點功能特性：（1）每個模塊都是一個獨立的個體，可以完成該模塊的特定功能，模塊與模塊之間相互獨立，從而減少整個模塊系統的關聯性，大大降低了工業機器人的設計周期和設計、制造成本。（2）工業機器人的模塊化可以分為主動模塊和被動模塊，主動模塊：具有獨立的控制功能和驅動功能，并可以驅動被動模塊，使被動模塊完成指定的機械運動。（3）模塊與模塊之間能夠進行有效安裝，各個模塊應達到一定的互換性要求，同時獨立模塊間可以實現獨立的控制和信息的傳遞功能。（4）模塊與模塊之間應滿足在動力學和運動學的獨立性。

1.2 模塊劃分原則

按工業機器人的不同功能來劃分模塊是目前比較常見的方法之一，首先對工業機器人系統的不同功能進行合理分析，一般劃分為必要功能模塊和非必要功能模塊。模塊化的設計比較復雜多樣，模塊與模塊之間的本質就是相互的耦合關系，從而滿足模塊化的互換性要求，使組成的工業機器人系統滿足設計需要[3]。根據特定的邏輯關系使工業機器人系統中的不同功能聯系在一起，使不同的獨立模塊間擁有不同的獨立功能。盡可能滿足模塊與模塊之間相互獨立、無干涉和無關聯等要求。

模塊在劃分時應注意以下問題：（1）模塊劃分種類的總數不宜過多，過多的模塊組合會降低工業機器人的模塊化系統的精度，失去模塊化思想的意義。（2）劃分模塊時保證每一個模塊都具有獨立功能，并應考慮完成獨立功能的可行性。（3）模塊在滿足獨立功能的前提下，盡量控制模塊的重量和體積。（4）劃分模塊時，應考慮環境和經濟等因素。

1.3 模塊的劃分

模塊一般根據機械本體和驅動裝置來進行劃分，對于機械本體部分，根據每次零件或者是工業機器人上的不同位置所完成的不同功能區劃分模塊。以六自由度工業機器人為例，一般可以分為：底座模塊、肩關節模塊、大臂模塊、肘關節模塊、小臂模塊、腕關節模塊和功能模塊。其中本體部分由底座模塊、大臂模塊、小臂模塊和功能模塊組成；驅動裝置部分由肩關節模塊、肘關節模塊和腕關節模塊組成。這些關節型模塊是工業機器人核心的技術之一，特別是應用在關節型模塊中的RV減速器技術。目前應用在工業機器人領域的減速器一般分兩種，一種是RV減速器，另一種是諧波減速器。在關節模塊中，由于RV減速器具有更高的剛度和回轉精度要求，一般放置在肩關節模塊和肘關節模塊中，用于連接底座模塊和大臂模塊、大臂模塊和小臂模塊等重負載的位置。而諧波減速器一般放置在腕關節模塊中，用于連接小臂模塊和功能模塊。

2 RV減速器編碼方法

2.1 模塊編碼的目的、作用和原則

模塊化編碼的目的就是運用特定字母和數字的組合來代替復雜的機械本體，從而避免了文字或口述上的多樣性、多義性和非標準化等誤區。模塊化編碼使信息描述代碼化，使信息描述具有唯一性、完整性、簡潔性、易處理性、可擴展性和同位性等要求。

（1）唯一性：模塊的編碼和所指代的模塊間必須滿足一一對應關系。（2）完整性：模塊編碼要盡可能完整地表達該模塊信息，要能滿足模塊化設計與制造全過程的需要，包括模塊的選擇、組合以及模塊化管理等。（3）簡潔性：編碼的位數在滿足模塊功能和數據的基本描述的前提下盡可能最小。（4）易處理性：使計算機在處理過程中更加快捷有效。（5）擴展性：在編碼時，盡可能的貼近制造工廠的規定和要求，提高在信息傳遞方面的可行性，方便以后編輯和改動。（6）同位性：編碼要使各個模塊的編碼位數相同，取位數最多的模塊編碼設為基礎編碼位數，位數少的模塊編碼位數應該用數字0來進行補位。

2.2 RV減速器的參數分析

圖1是RV傳動的機構簡圖，它由漸開線行星齒輪傳動和擺線針輪行星傳動兩部分組成。漸開線行星齒輪與曲柄軸連為一體，作為RV減速器的第一級傳動。當漸開線太陽輪順時針方向旋轉時，漸開線行星齒輪在公轉的同時并逆時針方向自轉，通過曲柄軸帶動擺線輪做偏心運動。此時，擺線輪因受與之嚙合的針輪約束，在其繞針輪軸線公轉的同時并順時針方向自轉。同時將順時針方向轉動通過曲柄軸傳遞給行星架輸出機構，完成減速輸出。

其中RV減速器的主要參數分別為：總傳動比i，一級傳動比i1，二級傳動比i2，最大功率KW，輸出轉數n，輸出扭矩M，中心距mm。

在進行RV減速器的模塊化選擇時，除了要對RV減速器的參數進行選擇，還要對輸入方式、輸出方式和安裝位置進行選擇。RV減速器的輸入形式主要分為：孔輸入（FA）、軸輸入（FB）和法蘭盤輸入（FC）。輸出形式主要分為：單輸出（DZ）、雙輸出（SZ）和法蘭輸出（Z）。RV減速器有六種安裝方式如圖2所示：

2.3 RV減速器編碼的設定

根據RV減速器的基本參數、輸出形式和安裝方式，對RV減速器的具體編碼形式如圖3所示。具體實例如圖4所示。

3 結束語

文章簡單介紹了模塊化和模塊化編碼的概念，對關節型機器人進行了簡單的模塊劃分，并對RV減速器模塊進行了參數分析，設計出一套編碼體系。在對工業機器人進行設計時，為縮短產品的開發、生產周期，降低生產成本，提高設計的重復使用性，增加系統的可靠性提供理論依據。

參考文獻

[1]陳航，殷國富，趙偉，等.工業機器人模塊化設計研究[J].機械，2009（03）：56-58.

[2]沈允文，郭偉，譚超毅.RV減速器及其在機器人上的應用[J].齒輪，1988（05）：51-54.

[3]宋松.工業機器人RV減速器關鍵部件制造及對我國精密機床發展思考[J].金屬加工（冷加工），2015（08）：34-36.

作者簡介：關欣（1989-），女，碩士研究生，助教，主要研究方向：機械設計，數控技術，復雜曲面加工等。