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工业机器人操作机设计原则和设计方法

1. 操作机整机设计原则

(1)小运动惯量原则 由于操作机运动部件多,运动状态经常改变,必然产生冲击和振动,采用小运动惯量原则,可增加操作机运动平稳性,提高操作机动力学特性。为此,在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下,尽量减小运动部件的质量,并注意运动部件对转轴的质心配置。

(2)尺度规划优化原则当设计要求满足一定工作空间要求时,通过尺度优化以选定小的臂杆尺寸,这将有利于操作机刚度的提高,使运动惯量进一步降低。

(3)高强度材料选用原则 由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的,选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。

(4)刚度设计的原则 操作机设计中,刚度是比强度更重要的问题,要使刚度,必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸,提高支承刚度和接触刚度,合理地安排作用在臂杆上的力和力矩,尽量减少杆件的弯曲变形。

(5)可靠性原则 机器人操作机因机构复杂、环节较多,可靠性问题显得尤为重要。一般来说,元器件的可靠性应高于部件的可靠性,而部件的可靠性应高于整机的可靠性。可以通过概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构,也可以通过系统可靠性综合方法评定操作机系统的可靠性。

(6)工艺性原则 机器人操作机是一种高精度、高集成度的自动机械系统,良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理的结构设计而无良好的工艺性,必然导致操作机性能的降低和成本的提高。

2.操作机的设计方法和步骤

(1)确定工作对象和工作任务 开始设计操作机之前,首先要确定工作对象、工作任务。

1)焊接任务:如果工作对象是一辆汽车或是一个复杂曲面的物体,工作任务是对其进行弧焊或点焊,则要求机器人的制造精度很高,弧焊任务对机器人的轨迹精度和位姿精度及速度稳定性有很高的要求,点焊任务对机器人的位姿精度有很高的要求,两种任务都要求机器人具备摆弧的功能,同时要能在狭小的空间内自由地运动,具备防碰撞功能,故机器人的自由度至少为六个。

2)喷漆任务:如果工作对象是一辆汽车或是一个复杂曲面的物体,工作任务是喷涂汽车的内部和车门或是复杂曲面物体的表面,则要求机器人手腕要灵活,能够在狭小的空间内自由地运动,具备防碰撞功能;要求机器人能够在长时间内连续稳定可靠地工作;同时要求机器人具备光滑的流线型外表面,漆、气管线能从其横臂和手腕内部通过,使机器人外表不易积漆积灰,不会污染已喷好的工作对象,且漆、气管线也不易损坏;因喷漆机器人是在易燃易爆的工作环境中工作,故要具备防爆的功能。同时对机器人的轨迹精度和位姿精度及速度稳定性也有较高的要求。机器人的自由度至少应为六个。

3)搬运任务:如果工作对象比较笨重,工作任务是定点搬运,定位精度要求高,则对机器人的承载能力和定位精度有高的要求。如果工作对象比较轻巧,工作任务也是定点搬运,但要求轻拿轻放,且定位精度要求高,则对机器人的速度稳定和定位精度有高的要求。

4)装配任务:对机器人的速度稳定密和位姿精度有很高的要求。

有些机器人能完成多种工作任务,如MOTOMAN-SKI20系列机器人,既可以用于搬运也可以用于点焊,具有快速、精巧、强有力和性高的特点;另一种MOTOMAN-SK6/SK16系列机器人,可以完成弧焊、搬运、涂胶、喷釉和装配多种任务,具有高速、精巧和可靠性高的特点。

设计新型机器人时,要充分考虑以上诸多因素,并应多参考国内外同类产品的先进机型,参考其设计参数,经过反复研究和比较,确定出所要机械部分的特点,定出设计方案。

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