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工业机器人机械设计方法分析

学术杂志网   |   2020-10-21

【摘要】本文通过分析工业机器人的机械构造与普通机械构造之间的区别,并设计和分析机器人结构算法,将理论与实践结合,进行对机器人机械设计的一些讨论。

【关键词】机器人机械设计;机器人算法

1国内机器人产业现状

中国的机器人研究始于上世纪,1997年,北京机械工业自动化实验室在江苏嘉兴开办,这是我国的第一个以机器人为主题进行讨论的大型会议,通过这次会议于1993年分别在广州和沈阳成立机器人研究专业委员会。随着国家相继开办专门研究的项目,以及科技攻关计划的开始,工业机器人已被纳入发展计划。经过多年的发展,我国已经掌握了机器人的结构、机器人体运动控制和计算方法、离线编程等一系列技术,包括自诊断和机床的基本技术方面。人为控制是所有相关关键技术的系统。在零件部分和机械方面,首先开发了谐波齿轮,星形齿轮,薄壁轴承等。在电气方面也有伺服电机及其驱动器,并成功投入使用。这主要由机器人数来表示。当使用国产机器并运送人时,国产机器已成功地用于汽车和摩托车生产线。但是,核心技术方面的突破仍然欠缺。工业机械成本的四个主要部分分为:主体成本的2%,服务成本的2%,减速器的36%和控制的12%。目前,除机器的主要部分外,大量的公司主要依靠进口这三个核心部件(电机,伺服驱动器,控制系统)。主要对中国的机械加工技术,国产机器,加工程度和稳定性等方面有限制,国内公司目前正在进一步完善。许多机器的引擎是内部制造的,并已成功用于运输机器。但是,在高速和高精度方面,仍然对机器的部分性能有所欠缺。我国正在根据市场情况逐渐改变电机和减速器等关键部件[3]。

2工业机器人与普通机械设计的区别

机器工程师的机器设计主要内容是机器工程师的机器主体的结构和驱动力。与一般机械设计相比,工业机械的机械设计具有相似之处,但机器人设计也有许多不同的地方。第一,运动分析的方法不同于动态和静态力学术分析的方法。工业机器人的机器结构采用开放式运动链,因此根据机器人的运动和力分析可能很复杂。变化程度、最终执行力、关节与运动(力矩)等关系无法通过常规组织分析方法来解决,而需要建立开放空间链的组织运动解决功率和分析方法。机器人的研究主要是研究端部执行器的位置、速度、加速度与各环节的驱动力(力矩)之间的关系。开链装置的每个关节的运动都受到其他关节的运动的影响,并快速变化的关节的重负载和惯性负载,在运动条件下,也会发生很大变化。机器人是多输入,多输出,非线性,紧密集成的位置,时变,动态,学术系统,能力和学术分析,比通常的分析方法更加复杂。第二,机器人的机器设计不仅要满足强度要求,而且设计还必须具有刚性和准确性。许多链接连接到机器人,有时传动链会变长,并且机械误差和弹性变形会累积,从而难以保证机器人的刚度和尖端精度。设计机器人的时候,刚度和准确性非常重要,关节错误和连杆变形会在开始和结束时造成一倍甚至数几倍的变形。刚性设计的主要任务是材料选择、结构设计、加强制造技术(主要是热处理等),并确保足够的屈服强度和设计精度。如果主要任务得到合理分配,系统将在成本和准确性之间取得更好的平衡[2]。第三,是机器人的机械机制。特别是在动态系统的传输方面,机器人伺服系统是循环组织的。机器人的机械设计具有机械、电气集成以及设计和选择的特征。一般的机械设计考虑集中在不同的方面。例如,由于减小了驱动惯性,因此考虑了运动部件惯性控制的典型机械设计。就机器人而言,这是由于减少了机械和电气时间、固定数量以及提高了机器人的快速响应能力。面对面思考。通用机械设计和共振频率的控制以确保共振频率不被破坏。机器人根据身体运动的稳定性和速度以及控制程度来控制共振频率。

3工业机器人设计原则

3.1最小惯性的原理

机器人的运动由几个部分组成,互相牵连,致使动臂的运动状态频繁变化。由于惯性,这不可避免地引起机体运动的冲击和振动。如果在设计中充分采用最小惯性原理,则可以使机器人更加平稳的运动,减少因为颤动引起的动感。并改善机器人的动力,在设计机器人时,应注意在足够的刚性和强度的条件下,尽可能减轻运动部件的质量,并且连杆的质心应尽可能靠近旋转轴线。

3.2最佳尺寸的原理

满足一定的弹性变形限制,在机器人的结构尺寸条件下,有足够的空间处理许多任务时,对它进行优化以使其重量减小。

3.3高比强度的材料选择原则

对于最小惯性原理,手臂作为重要的运动部件,应该使用轻质材料,另一方面,机器人在变形运动中必须克服最大的力矩。在这一点上,人的机器末端变形通常是最强的。因此,测量哪种材料比强度(=强度/密度)更合适。在成本预算范围内,应尽可能选择比强度更高的材料。

3.4高刚度的构造原理

材料的刚度会影响机器的精度。刚度比强度更重要。在一定载荷下,材料的刚度越大,结构变形越小。为了提高机器人的精度并减少最终的变形量,有必要使用具有高刚度即高弹性模量的材料。同时,对与结构或结构来说,刚度不仅与其自身的弹性模量有关,而且与结构的横截面和形状有关,因此必须适当地设计横截面的形状和大小,以提高刚度和接触刚度。合理地将力和力矩布置在元件上,尽可能减少元件的弯曲和变形。

3.5原始可靠性

在机器人设计阶段,从组件到系统机器的可靠性都是可以预测的。预测组件可靠性的办法很多,如有效寿命计算,查表法,类比法,概率计算法等。为了提高软件的可靠性,可以使用多重分析、神经网络、对分类收益树等实现对可靠性的判断。在机器人的制造阶段,要对一些主要零件进行可靠性测试。在从工厂调试机器人之前,应先进行诸如时序检查之类的测试机测试。机器人出厂后,需要收集机器人故障的示例。通过提供数据以提高系统可靠性。

3.6工艺的原始原理

设计产品零件时,必须考虑易于制造,易于维护(维护设计)和易于安装的问题。机械操纵器是高度集成的高精度机械系统。仅以合理的结构进行设计,并不方便,因为难以进行加工或组件容易出现故障,从而导致拆卸,重新安装或后续维护等一系列问题。同时机器人的性能将降低,人工和维修成本将增加。[1]

4明确设计任务

清楚地明确使用和要求任务(用于分析工业环境)。尽管工业机器对于专用设备而言并不相同,但它们更加灵活,但设计和制造全能机器人是不现实的,同时也是无用的,不是必需的。不在同一域中的计算机在结构上有更大的差异。例如,喷漆机器人必须设计为防爆型,而水下机器人必须考虑诸如密封车身等方面。因此,很明显,必须清楚的明确机器人的设计理念。显然,机器人具有诸多特征和需求数量。机器人的主要参数包括固定负载和有限负载,工作区域,自动定位的精度,最大移动速度和安装方法。明确工业机械的技术要求。包括外部观察和结构,电气和气动设备,机器的可靠性和安全性(必须符合“工业机器人技术和机器人技术安全规定”)。

5机械结构设计

此处以给某公司玻璃机上料和下料运动设计为例,通过结合机器人设计要求,给出的一种设计方法。

5.1主体结构设计

从最后一个构件开始,一个接一个地设计,然后逐步进行。目的是计算杆件上的力和关节处的力矩。从相关部分的设计和杆的结构,来设计机器的主要结构。在主要结构设计阶段,首先要考虑的问题是电气布线,电气布置和平衡问题。

5.2初始设计夹具和负载惯量估算

要拿放玻璃使用正压吸盘,夹具的初步估计,以及总质量为2kg的负载,总惯量为20x104kgm2。5.2.1与滚珠丝杠选择相关的驱动扭矩的计算为了尽可能减轻端杆的重量,选择花键滚珠丝杠。根据螺钉末端的负载要求和速度要求,可以预先选择线柱,并且线协会可以检查负载,导轨,速度,螺母等,并选择适当的型号。一旦确定了螺钉模型,就可以知道螺钉的质量,旋转和惯性参数,因此可以使用螺钉来驱动载荷上下,或者用力推动小臂关节并旋转载荷。可以驱动螺丝必要的驱动力。5.2.2小臂设计在机器人的初始设计中,小臂的结构设计中有很多方案,但是在原型机制造中,这两个方案均未处理,第一个方案忽视了工艺性的考虑,需要采用多轴机床,建造成本高:第二个计划是组装工艺,维护困难,提出了很高的加工要求,并且制造过程体现在零件加工中。确保加工的准确性是非常困难的,并可能最终采用备份计划。5.2.3大臂设计大臂主要起支撑作用,首先确定好小臂,滚动球,螺钉等,大小端的强度足以估算。

6机器人轨迹算法研究

笛卡尔路径规划使用操纵器终点位置的笛卡尔坐标来描述任务。在笛卡尔空间中,通常使用直线轨迹规划,圆形轨迹规划和样条轨迹规划。线性插值算法:该算法分为两种情况:第一种情况是起点和终点以空间中点的坐标形式给出。可以得到单位矢量,然后可以根据移动速度获得t处对应点的坐标位置。第二种情况是通过教学获得的起点和终点。然后,根据每个关节的角度,当机器人在第一个和终点时,可以使用机器人的向前运动学来唯一确定机器人的起点和终点位置以及姿势,然后使用矢量方法插值计算。圆弧插补算法:圆弧插补的思想是将圆弧转换为平面圆弧,然后确定圆弧的中心和半径,并通过比较角度确定圆弧的方向。在极坐标的情况下,根据角速度和时间获得弧极坐标,并最终将其转换为笛卡尔空间中的离散点。样条插值算法:如果机器人末端没有严格的轨迹精度要求,但是必须控制轨迹使其不与环境碰撞,则可以使用样条轨迹规划。这样做的优点是,不仅提高了机器人运动的流畅性和计算能力,而且可以预测效率和空间的近似轨迹。目前,三至五次多项式插值法主要用于规划样条曲线的过大轨迹。姿态插值算法:姿态描述方法包括欧拉角和旋转矩阵,四元数。由于欧拉角描述了空间旋转变换,因此存在插值困难,万向架死锁和数据冗余等问题,这些问题占用了很多资源。然而,使用四元数来描述旋转变换不仅不会发生上述问题,而且还可以通过插值使其更平滑。四元数插值计算的速度很快,在实际应用中,四元数主要用于描述机器人的姿势。直线,圆弧和样条曲线的姿态插值都可以取代四元数理论进行插值。通过分析对笛卡尔空间中各种算法研究,从而利用笛卡尔空间中规划的轨迹来解决对机器人算法研究。

参考文献

[1]JohnJ.Craig.机械人学导论[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2]蔡自兴.机械人学[M].北京:清华大学出版,2000.

[3]刘松国.六自由度串联机器人运动优化与轨迹跟踪控制研究[D].武汉:湖北中医学院.

作者:张鑫 单位:江苏联合职业技术学院南京工程分院

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