3—DOF工業機器人的結構設計

1.概述

隨著工業技術和經濟的驚人發展，標志著多品種中、小批量生產最新水平的FMS（柔性制造系統），FA（工廠自動化）技術更加引人注目；作為FMS、FA技術重要組成之一的工業機器人技術也將得到迅速發展。應用工業機器人是提高生產過程自動化，改善勞動環境條件，提高產品質量和生產效率手段之一。本設計介紹了關于工業機器人的一些基本常識和原理，包括工業機器人的組成、分類、主要技術性能參數和工業機器人的運動分析，并參考通用型工業六自由度機器人的結構。根據對工業六自由度機器人的總體結構及傳動系統的分析和探討，進行三自由度工業機器人的結構設計。關鍵在于三軸（臂）的傳動系統的設計以及整體的結構設計，避免運動的干涉，在本次設計中主要負責第一臂與底座的結構設計及其傳動原理，對第一臂與底座的各零部件的結構設計。

2.第一臂的結構

臂的結構圖（圖2-1）及其傳動原理簡圖（圖2-2）：

該手臂實現工業機器人的回轉運動，整個系統由伺服電動機驅動。為了實現傳動的設計要求以及結構的最優化設計要求，整個減速系統采用了三級直齒輪傳動，且所有的直齒輪都裝在一個箱體（減速箱）里面。然而，與一般情況不同的是，第三級直齒輪直接固定在機座上，從而使其它的（上級的直齒輪）傳動機構繞著它轉動，且電動機又固定在大臂上，所以導致大臂帶著電動機、減速箱一起作回轉運動。

最初，所有類型的已知的傳動傳動比U：直齒圓柱齒輪傳動，u≤4；螺旋齒輪，u≤6；蝸桿蝸輪傳動，5≤u≤70，常用15≤u≤50；擺線齒輪，11≤u≤87（單）。然后，每個預算的傳動軸，發動機轉速的主要1500r/min，U1 = 1500 / 15 = 100， u2=1500/20=75。

3. 傳動方案的確定

傳動的確定：蝸桿蝸輪傳動特性：（1）蝸桿傳動容易實現自鎖，具有安全保護作用；（2）在蝸輪傳動方面，需要兩級傳動來滿足蝸桿蝸輪的要求，蝸輪傳動是雙軸交錯的，從而增加了構造的復雜度，同時也增加了旋轉載荷，即蝸輪傳動結構緊湊，能獲得較大的傳動比。（3）傳輸是低效的，摩擦發熱，因此，蝸輪齒與齒速度大，摩擦損失。（4）蝸輪用有色金屬材料，成本高。為了滿足需求，選擇等四個階段的傳輸，它是必要的圓柱直齒輪傳動。如果選用三級傳動，則需要直齒輪即可。可以在相同的條件下，選用斜齒輪傳動比圓柱齒輪傳動（在結構上尺寸上）要小得多。于是，傳動齒輪的選擇。斜齒輪傳動的優點，具有以下優勢：（1）具有結構緊湊，高功率，高速度；（2）具有良好的性能，傳輸距離是不適合的場合（3）特別需要的設備制造、安裝精度高，成本高。總上所述，最佳抉擇方案為采納齒輪傳動。

4.總結

在現代工業中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。化工等連續性生產過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業中，加工、裝配等生產是不連續的。機器人的出現并得到應用，為這些作業的機械化奠定了良好的基礎。

作者簡介：李海峰（1987-），碩士，單位：山東協和學院機電學院。