工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法

工業(yè)機(jī)器人與機(jī)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(jì)方法學(xué)上看,工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法與機(jī)床設(shè)計(jì)方法基本相通,但其具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)技術(shù)又有很大差別。

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

工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟

1.總體設(shè)計(jì)

(1)基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)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(jì)階段首先要確定的主要參數(shù)有如下幾種

1)用途。如搬運(yùn)、點(diǎn)焊,等等。

2)額定負(fù)載。額定負(fù)載是指在機(jī)器人規(guī)定的性能范圍內(nèi),機(jī)械接口處所能承受負(fù)載的允許值。它主要根據(jù)作用于機(jī)械接口處的力和力矩,包括機(jī)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(jī)器人的切削力)來確定。

3)按作業(yè)要求確定工作空間,同時(shí)要考慮作業(yè)對(duì)象對(duì)機(jī)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(jì)中的自由度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4)額定速度。指工業(yè)機(jī)器人在額定負(fù)載、勻速運(yùn)動(dòng)過程中,機(jī)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(dòng)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(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)尚未設(shè)計(jì)故該階段只能概略估計(jì)。

5)驅(qū)動(dòng)方式的選擇。目前所采用的方式有電動(dòng)機(jī)、液壓和氣動(dòng)三種類型。

6)性能指標(biāo)。按作業(yè)要求確定。一般指末端執(zhí)行器的位姿準(zhǔn)確度及位姿重復(fù)性(點(diǎn)位控制)、軌跡準(zhǔn)確度及軌跡重復(fù)性(軌跡控制)、最小定位時(shí)間及分辨率等。同時(shí)還可對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度、關(guān)節(jié)幾何運(yùn)動(dòng)精度等提出要求

(2)總體方案設(shè)計(jì)

1)運(yùn)動(dòng)功能方案設(shè)計(jì)該階段的主要設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)確定機(jī)器人的自由度數(shù)、各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)及排列順序、在基準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)各關(guān)節(jié)軸的方向,設(shè)計(jì)出運(yùn)動(dòng)原理圖。

2)傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)根據(jù)動(dòng)力及速度參數(shù)、驅(qū)動(dòng)方式等選擇傳動(dòng)方式和傳動(dòng)元件,設(shè)計(jì)出傳動(dòng)原理圖。

3)結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)器人的工作空間、運(yùn)動(dòng)功能方案及傳動(dòng)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(jì)確定在基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)階段尚無法考慮的一些參數(shù),如單軸速度、單軸負(fù)載、單軸運(yùn)動(dòng)范圍等。該項(xiàng)工作應(yīng)與3)設(shè)計(jì)工作交叉進(jìn)行。

5)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)近期設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人基本上都采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

6)總體方案評(píng)價(jià)經(jīng)過1)~5)的設(shè)計(jì)工作,機(jī)器人的總體方案基本生成,可以同時(shí)設(shè)計(jì)若干個(gè)方案,進(jìn)行評(píng)價(jià)比較,選擇較好的方案。對(duì)所設(shè)計(jì)的方案可以從如下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià):工作空間、運(yùn)動(dòng)速度、加速度、成本分析、可靠性分析、精度分析等。為了對(duì)方案的工作空間進(jìn)行評(píng)價(jià),首先需用計(jì)算法或作圖法求出實(shí)際的工作空間,檢驗(yàn)其是否滿足工作空間的設(shè)計(jì)要求,然后再對(duì)各方案進(jìn)行比較。同樣的,先求出各軸的速度,然后進(jìn)行額定速度校驗(yàn)及方案比較。進(jìn)行評(píng)價(jià)后選擇比較好的方案,并進(jìn)一步進(jìn)行修改設(shè)計(jì)(或總體優(yōu)化設(shè)計(jì)),作為后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

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

3.總體評(píng)價(jià)：總體設(shè)計(jì)階段所得的設(shè)計(jì)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(xì)設(shè)計(jì)將其細(xì)化,而且總體設(shè)計(jì)階段尚未考慮的細(xì)節(jié)也已具體化,因此各部分尺寸會(huì)有一些變化,需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行總體評(píng)價(jià),檢測(cè)其是否能滿足所需設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

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