工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法分析

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摘要：工業(yè)機(jī)器人是智能化的制造設(shè)備，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)效率的提高具有很大影響。對(duì)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和改良，能夠提高機(jī)器人的使用能力，是當(dāng)代工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)方法

1工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)原則

1.1遵循和注意最小慣量的原則

機(jī)器人的各個(gè)零部件在進(jìn)行活動(dòng)的過(guò)程中，因慣性沖擊對(duì)本身影響很大，設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意最小慣量原則，以此使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，減少運(yùn)動(dòng)末端的誤差[1]。具體設(shè)計(jì)方法是減輕運(yùn)動(dòng)部件的自身重量，使運(yùn)動(dòng)連桿的重心最大程度的接近轉(zhuǎn)軸。

1.2設(shè)計(jì)尺度最優(yōu)為原則

可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能的條件下，對(duì)機(jī)器人的零部件選擇做到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和最優(yōu)的大小，以保證所使用的零部件自身的重量更輕，應(yīng)用的尺度更小，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的更加精密性。

1.3選用比強(qiáng)度高的材料原則

進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)制造材料的選擇時(shí)，選擇高比強(qiáng)度的材料，并且以最小慣量和最優(yōu)尺度為原則。機(jī)器人需要進(jìn)行克服峰值力矩，要進(jìn)行材料的選擇要求比強(qiáng)度對(duì)機(jī)器人的制造而言很重要。因此，在經(jīng)費(fèi)允許的情況下，必須進(jìn)行選擇比強(qiáng)度更高的材料。

1.4進(jìn)行高剛度的設(shè)計(jì)原則

材料的剛度決定了機(jī)器的精度，材料的剛度太低容易出現(xiàn)堆擠，設(shè)計(jì)過(guò)程中最好選擇剛度更高的應(yīng)用材料，以此來(lái)降低材料的彈性。同時(shí)進(jìn)行截面形狀的建設(shè)對(duì)材料的溝瀆產(chǎn)生影響，進(jìn)行合理的力矩分配對(duì)材料的變形情況能夠減輕。

1.5設(shè)計(jì)過(guò)程中的可靠性原則

進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須進(jìn)行機(jī)器人的可靠性的測(cè)試和預(yù)估，具體的測(cè)試方法有機(jī)器人的使用壽命的計(jì)算、列筆法、查表法和概率計(jì)算等方法。機(jī)器的應(yīng)用軟件的可靠性也必須進(jìn)行測(cè)試，在機(jī)器人經(jīng)過(guò)調(diào)試出廠以前，還要進(jìn)行定時(shí)烤機(jī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)和收集有可能產(chǎn)生的故障和失誤。

1.6設(shè)計(jì)的工藝性原則

在進(jìn)行機(jī)器人零部件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該想到工藝要求，工藝要求太高的機(jī)器人零部件將使機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造程本增加很多，相對(duì)制造容易、好維修、裝配輕松的零部件對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)生產(chǎn)和加工制造更為適合。

2工業(yè)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的程序步驟

工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳎O(shè)計(jì)也要根據(jù)相應(yīng)的步驟進(jìn)行。

2.1必須明確設(shè)計(jì)的任務(wù)和目的

這是進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)第一步。機(jī)器人不是萬(wàn)能的，各個(gè)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)有需要設(shè)計(jì)的目的，不一樣的工作區(qū)域的機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案是不一樣的[2]，不一樣的使用功能的機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)和技術(shù)要點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)是不相同的。

2.2進(jìn)行方案設(shè)計(jì)

在明確了機(jī)器人設(shè)計(jì)目的和任務(wù)后，開(kāi)始進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，最少也要準(zhǔn)備十幾種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行備用。方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵是進(jìn)行機(jī)器人的動(dòng)力源的確定，機(jī)器的型態(tài)進(jìn)行明確，同時(shí)確定自由度數(shù)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)范圍及傳動(dòng)方式的確定，最終，依據(jù)方案設(shè)計(jì)計(jì)算出合理的成本預(yù)算。

2.3進(jìn)行臂長(zhǎng)優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)分析

設(shè)計(jì)過(guò)程中，在確定了機(jī)器人的臂長(zhǎng)后，進(jìn)行臂長(zhǎng)的最大優(yōu)化，使機(jī)械手臂可以應(yīng)用在最小的工作空間范圍并能夠完成最靈活的操作工作。

2.4對(duì)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要進(jìn)行五個(gè)步驟，第一，對(duì)主體結(jié)構(gòu)的進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括夾具的設(shè)計(jì)，機(jī)器人的負(fù)載慣量的估算，進(jìn)行各驅(qū)動(dòng)力矩的詳細(xì)計(jì)算，所應(yīng)用的滾珠及絲杠的型號(hào)大小的選擇，對(duì)機(jī)械的大臂和小臂進(jìn)行計(jì)算；第二，對(duì)驅(qū)動(dòng)部件進(jìn)行選型，主要是服侍電機(jī)和相應(yīng)關(guān)電機(jī)的型號(hào)的選擇；第三，對(duì)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，主要是進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，選擇合適的傳動(dòng)比；第四步驟是，進(jìn)行電氣布線及相關(guān)電氣接口的設(shè)計(jì)；第五部，進(jìn)行各個(gè)關(guān)鍵部件的受力情況進(jìn)行詳細(xì)的研究分析。

2.5進(jìn)行設(shè)計(jì)產(chǎn)品的精度和出圖及樣品加工

機(jī)器人設(shè)計(jì)和加工都必須講究精度，必須對(duì)產(chǎn)品的精度展開(kāi)全方位的評(píng)估。主要的工作是對(duì)各個(gè)零部件的尺寸大小進(jìn)行確定，每個(gè)部件的形態(tài)位置的公差進(jìn)行再一次確定以及每個(gè)零部件的表面光滑程度等。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行機(jī)器人樣品的加工生產(chǎn)。

2.6對(duì)樣品生產(chǎn)中的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的樣品生產(chǎn)時(shí)，有可能產(chǎn)生這樣那樣的問(wèn)題和不足，這在設(shè)計(jì)過(guò)程中是正常現(xiàn)象。工程師技術(shù)人員應(yīng)該及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題，收集整理，對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)考慮不全面的部位進(jìn)行彌補(bǔ)，對(duì)發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)的設(shè)計(jì)改進(jìn)。同時(shí)還要隨時(shí)進(jìn)行備用方案的應(yīng)用，是以最小的改變的條件下代替原方案。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，工業(yè)機(jī)器人是未來(lái)工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展方向。工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須以最小慣量、最優(yōu)尺度和高比強(qiáng)度材料為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)原則，遵循設(shè)計(jì)步驟進(jìn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)，保證機(jī)器人的質(zhì)量和進(jìn)行應(yīng)用的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉瑞軒.四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化[D].北京:北方工業(yè)大學(xué),2017.

[2]范鵬飛.SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2016.

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作者：鄭會(huì)翔 單位：巨輪中德機(jī)器人智能制造有限公司