操作機整機設計原則和設計方法
1. 操作機整機設計原則
（1）最小運動慣量原則 由于操作機運動部件多，運動狀態經常改變，必然產生沖擊和振動，采用最小運動慣量原則，可增加操作機運動平穩性，提高操作機動力學特性。為此，在設計時應注意在滿足強度和剛度的前提下，盡量減小運動部件的質量，并注意運動部件對轉軸的質心配置。
（2）尺度規劃優化原則當設計要求滿足一定工作空間要求時，通過尺度優化以選定最小的臂桿尺寸，這將有利于操作機剛度的提高，使運動慣量進一步降低。
（3）高強度材料選用原則 由于操作機從手腕、小臂、大臂到機座是依次作為負載起作用的，選用高強度材料以減輕零部件的質量是十分必要的。
（4）剛度設計的原則 操作機設計中，剛度是比強度更重要的問題，要使剛度最大，必須恰當地選擇桿件剖面形狀和尺寸，提高支承剛度和接觸剛度，合理地安排作用在臂桿上的力和力矩，盡量減少桿件的彎曲變形。
（5）可靠性原則 機器人操作機因機構復雜、環節較多，可靠性問題顯得尤為重要。一般來說，元器件的可靠性應高于部件的可靠性，而部件的可靠性應高于整機的可靠性。可以通過概率設計方法設計出可靠度滿足要求的零件或結構，也可以通過系統可靠性綜合方法評定操作機系統的可靠性。
（6）工藝性原則 機器人操作機是一種高精度、高集成度的自動機械系統，良好的加工和裝配工藝性是設計時要體現的重要原則之一。僅有合理的結構設計而無良好的工藝性，必然導致操作機性能的降低和成本的提高。
2．操作機的設計方法和步驟
（1）確定工作對象和工作任務 開始設計操作機之前，首先要確定工作對象、工作任務。
1）焊接任務：如果工作對象是一輛汽車或是一個復雜曲面的物體，工作任務是對其進行弧焊或點焊，則要求機器人的制造精度很高，弧焊任務對機器人的軌跡精度和位姿精度及速度穩定性有很高的要求，點焊任務對機器人的位姿精度有很高的要求，兩種任務都要求機器人具備擺弧的功能，同時要能在狹小的空間內自由地運動，具備防碰撞功能，故機器人的自由度至少為六個。
2）噴漆任務：如果工作對象是一輛汽車或是一個復雜曲面的物體，工作任務是噴涂汽車的內部和車門或是復雜曲面物體的表面，則要求機器人手腕要靈活，能夠在狹小的空間內自由地運動，具備防碰撞功能；要求機器人能夠在長時間內連續穩定可靠地工作；同時要求機器人具備光滑的流線型外表面，漆、氣管線最好能從其橫臂和手腕內部通過，使機器人外表不易積漆積灰，不會污染已噴好的工作對象，且漆、氣管線也不易損壞；因噴漆機器人是在易燃易爆的工作環境中工作，故要具備防爆的功能。同時對機器人的軌跡精度和位姿精度及速度穩定性也有較高的要求。機器人的自由度至少應為六個。
3）搬運任務：如果工作對象比較笨重，工作任務是定點搬運，定位精度要求高，則對機器人的承載能力和定位精度有高的要求。如果工作對象比較輕巧，工作任務也是定點搬運，但要求輕拿輕放，且定位精度要求高，則對機器人的速度穩定和定位精度有高的要求。
4）裝配任務：對機器人的速度穩定密和位姿精度有很高的要求。
有些機器人能完成多種工作任務，如MOTOMAN－SKI20系列機器人，既可以用于搬運也可以用于點焊，具有快速、精巧、強有力和安全性高的特點；另一種MOTOMAN－SK6／SK16系列機器人，可以完成弧焊、搬運、涂膠、噴釉和裝配多種任務，具有高速、精巧和可靠性高的特點。
設計新型機器人時，要充分考慮以上諸多因素，并應多參考國內外同類產品的先進機型，參考其設計參數，經過反復研究和比較，確定出所要機械部分的特點，定出設計方案。
下面以一臺六自由度交流伺服通用機器人為例講一下設計過程，如圖14所示。
（2）確定設計要求
1）負載：根據用戶工作對象和工作任務的要求，參考國內外同類產品的先進機型，確定機器人的負載。一般噴漆和弧焊機器人的負載為5～6kg。
2）精度：根據用戶工作對象和工作任務的要求，參考國內外同類產品的先進機型，確定機器人未端的最大復合速度和機器人各單軸的最大角速度。
3）精度：根據用戶工作對象和工作任務的要求，參考國內外同類產品的先進機型，確定機器人的重復定位精度、如弧焊機器人的重復定位精度為±0.4mm，ABB公司開發的Model 5003型噴漆機器人的重復定位精度為±1mm。同時要確定構成機器人的零件的精度、臂體的尺寸精度、形位精度和傳動鏈的間隙，如齒輪的精度和傳動間隙；還要確定機器人上所用的元器件的精度，如減速器的傳動精度、軸承的精度等等。
4）示教方式：根據用戶工作對象和工作任務的要求，確定機器人的示教方式。一般機器人的示教方式有下列幾種：
①離線示教（離線編程）；
②示教盒示教；
③人工手把手示教。
如果是噴漆機器人，就應該具備人工手把手示教的功能，而對于其他機器人，有前兩種功能就可以了。
5）工作空間：根據用戶工作對象和工作任務的要求，參考國內外同類產品的先進機型，確定機器人的工作空間的大小和形狀。
6）尺寸規劃：根據對工作空間的要求，參考國內外同類產品的先進機型，確定機器人的臂桿長度和臂桿轉角，并進行尺寸優化。
（3）機器人運動的耦合分析 對大多數非直接驅動的機器人而言，前面關節的運動會引起后面關節的附加運動，產生運動耦合效應。比如將六個軸的電動機均裝在機器人的轉塔內，通過鏈條、連桿或齒輪傳動其他關節的設計，再比如同心的齒輪套傳動腕部關節的設計，都會產生運動耦合效應。為了解耦，在編機器人運動學控制軟件時，后面的關節要多轉一個相應的轉數來補償。對一臺六自由度的機器人來講，如果從2、3軸之間開始就有運動耦合，且3、4、5、6軸之間都有運動耦合，那么3、4、5、6軸電動機就必須多轉相應的轉數（有時是正轉，有時是反轉，依結構而定），來消除運動耦合的影響，3軸要消除2軸的，4軸要消除2軸和3軸的，依此類推，如果都要正轉，到了6軸，電動機就必須有相當高的速度來消除那么多軸的影響，有時電動機的轉速會不夠，且有運動耦合關系的軸太多，機器人的運動學分析和控制就會很麻煩。故設計六自由度的交流伺服機器人，一般情況下，前4個軸的運動都設計成是相對獨立的，而運動耦合只發生在4、5、6軸之間，即5軸的運動受到4軸運動的影響，6軸的運動受到4軸和5軸運動的影響。這樣做，既能保證機械結構的緊湊，又不會使有耦合關系的軸大多。#p#分頁標題#e#
（4）機器人手臂的平衡 平衡機器人操作手臂的重力矩優點如下：
·如果是噴漆機器人，則便于人工手把手示教。
·使驅動器基本上只需克服機器人運動時的慣性力，而忽略重力矩的影響。故可選用體積較小、功耗較小的驅動器。
·免除了機器人手臂在自重下落下傷人的危險。
·在伺服控制中因減少了負載變化的影響，因而可實現更精確的伺服控制。
一般機器人操作機因1軸轉塔旋轉，故不要平衡，4、5、6軸的手臂往往因重力很小，也不要平衡，故要平衡的是2、3軸手臂的重力矩。
1）配重平衡機構：此種機構原理如圖2a所示。設手臂質量為m1，配重質量為m2，因關節中心在同一直線上，則不平衡力矩為
M1＝m1glcosγ
配重產生的力矩為
M2＝m2gl´cosγ
靜力平衡條件為
M1＝M2
即 m1l＝m2l´
這種平衡機構簡單，平衡效果好，易于調整，工作可靠，但增加了手臂的慣量和關節的負載，適用于不平衡力矩較小的情況。
2）彈簧平衡機構：其原理如圖2b所示，臂的不平衡力矩為
M1＝M11-M12＝mglcosγ-Ia
式中 M11——靜不平衡力矩；
M12——慣性力矩；
I——手臂對關節軸的轉動慣量；
a——臂運動平均加速度。
彈簧產生的平衡力矩為
式中 k——彈簧剛度；
l´——彈簧在手臂上安裝點到關節軸的距離；
e——彈簧另一端安裝點到關節軸的距離；
R——彈簧自由長度。
靜力平衡條件為
M2＝M11
動力平衡條件為
M2＝M11+M12
這種平衡機構結構簡單，平衡效果也較好，工作可靠，適用于中小負載，但平衡范圍較小。
3）氣缸平衡機構：這種平衡機構原理如圖2c所示。手臂不平衡力矩為
M1＝M11+M12＝mglcosγ+Ia
汽缸產生的平衡力矩為
式中 F——汽缸活塞推力；
其余參數同上。
靜力平衡條件為
M2＝M11
動力平衡條件為
M2＝M11+M12
汽缸平衡機構多用在重載搬運和點焊機器人操作機上，液壓的體積小，平衡力大；氣動的具有很好的阻尼作用，但體積較大。
（5）機器人動力學分析 機器人因各軸的重力矩均已基本平衡，故在這些軸運轉時，電動機主要需克服的是由各軸轉動慣量所帶來的動力矩。
1軸：經分析，當機器人末端伸到最遠處時，1軸運轉起來的轉動慣量為最大。計算可得到此處1軸的轉動慣量J1如起動時間取為T1，則動力矩為
M1＝J1ω1/T1
2軸：經分析，當小臂相對于大臂的夾角為最大時，2軸運轉起來的轉動慣量為最大，經計算可得到此處2軸的轉動慣量為J2。如起動時間取為T2，則動力矩為
M2＝J2ω2/T2
3軸：機器人小臂相對于大臂上部中心運轉起來的轉動慣量即是3軸的轉動慣量。同理有
M3＝J3ω3/T3
4軸：4軸無重力矩平衡裝置，故4軸電動機既要克服起動時的動力矩，也要克服運轉時由手腕和負載引起的重力矩。經計算，得出4軸的轉動慣量，繼而計算出4軸所需的傳動扭矩。
5軸：5軸也無重力矩平衡裝置，故5軸電動機也是既要克服起動時的動力矩，也要克服運轉時由手腕和負載引起的重力矩。經計算，得出5軸的轉動慣量，繼而計算出的5軸所需的傳動扭矩。
6軸：6軸也無重力矩平衡裝置，故6軸電動機也是既要克服起動時的動力矩，也要克服運轉時由手腕和負載引起的重力矩。經計算，得出6軸的轉動慣量，繼而計算出的6軸所需的傳動扭矩。
（6）電動機的選用 選用好交流伺服電動機，是操作機設計的關鍵。由于機器人要求結構緊湊、重量輕、運動特性好，故希望在同樣功率的情況下，電動機重量要輕、外形尺寸要小。特別是裝在機器人橫臂或立臂內部的電動機，重量要盡可能輕，外形尺寸要盡可能小。
根據動力學計算得到的各軸所需的傳動扭矩，除以減速器的減速比，再將傳動鏈的效率，如減速機的效率、軸承的效率和齒輪的效率等考慮進去，并考慮各軸所需的轉速（運動耦合因素也要考慮在內），就可以選用電動機了。#p#分頁標題#e#
在選用時要注意，交流伺服電動機的速度是可調節的，且在相當大的轉速范圍內電動機輸出的轉矩是恒定的，故選用電動機時只要電動機的額定轉速大于各軸所需的最高轉速就行。
同時還要注意與交流伺服電動機配置在一起的位置編碼器的選用，并注明電動機是否需要帶制動器等。
（7）減速器的選用 機器人上所用的減速器，常見的有RV減速器和諧波減速器。
RV減速器具有長期使用不需再加潤滑劑、壽命長、剛度好、減速比大、低振動、高精度、保養便利等優點，適用于在機器人上使用。它的傳動效率為0.8，相對于同樣減速比的齒輪組，這樣的效率是很高的。
它的缺點是重量重，外形尺寸較大。
諧波減速器的優點是重量較輕，外形尺寸較小，減速比范圍大，精度高。
機器人設計中，一般1、2、3軸均采用RV減速器，4、5、6軸常用諧波減速器。
（8）機器人臂體校核 機器人的手臂要進行強度校核和剛度校核，在滿足強度和剛度的情況下，手臂要盡可能采用輕型材料，以減少運動慣量，并給平衡機構減少壓力。
（9）機構零件校核
1）軸承校核：設計中所用的所有重要軸承都要經過強度校核。在滿足尺寸和強度要求的情況下，盡可能地選用國產軸承，以降低機器人的成本。
2）軸的校核：設計中所用的所有較重要的軸都要經過強度校核和剛度校核。
3）齒輪選用：設計中所用的所有齒輪都要經過強度校核。
4）鍵及花鍵：設計中所用的所有較重要的鍵及花鍵都要經過強度校核。
5）銷與螺釘：設計中所用的所有較重要的銷與螺釘都要經過強度校核。
（10）機械加工工藝性考慮校核 機器人的設計要充分考慮加工裝配的方便，且要便于維修和調整。
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