【導(dǎo)讀】機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備，技術(shù)附加值高，應(yīng)用范圍廣，作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè)，將對(duì)未來(lái)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起越來(lái)越重要的作用。以下將介紹工業(yè)機(jī)器人的基本原理、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、零件設(shè)計(jì)、軸承設(shè)計(jì)。
1 工業(yè)機(jī)器人的基本工作原理
工業(yè)機(jī)器人是一種生產(chǎn)裝備，其基本功能是提供作業(yè)所須的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。其基本工作原理是通過(guò)操作機(jī)上各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)手部作業(yè)的動(dòng)作功能及技術(shù)要求。因此在基本功能及基本工作原理上，工業(yè)機(jī)器人與機(jī)床有相同之處：二者的末端執(zhí)行器都有位置變化要求，而且都是通過(guò)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的位置變化要求。當(dāng)然機(jī)器人也有其獨(dú)特的要求，是按關(guān)節(jié)形式運(yùn)動(dòng)為主，同時(shí)機(jī)器人的靈活性要求很高，其剛度、精度要求相對(duì)較低。
2 工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
2.1 工業(yè)機(jī)器人構(gòu)造
從功能角度分析可將機(jī)器人分解成四個(gè)部分：操作機(jī)、末端執(zhí)行器、傳感系統(tǒng)、控制器。
操作機(jī)：是由機(jī)座、手臂和手腕、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。其功能是使手腕具有某種工作空間，并調(diào)整手腕使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)作業(yè)任務(wù)要求的動(dòng)作。
末端執(zhí)行器：也叫工業(yè)機(jī)器人的手部，它是安裝在工業(yè)機(jī)器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。
感器系統(tǒng)：是指要機(jī)器人與人一樣有效的完成工作。必須對(duì)外界狀況進(jìn)行判斷的感覺功能。與機(jī)器人控制最緊密相關(guān)的是觸覺。視覺適合于檢測(cè)對(duì)象是否存在，檢測(cè)其大概的位置、姿勢(shì)等狀態(tài)。相比之下，觸覺協(xié)助視覺，能夠檢測(cè)出對(duì)象更細(xì)微的狀態(tài)。
控制器：機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素。主要是控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等。具有編程簡(jiǎn)單、軟件菜單操作、友好的人機(jī)交互界面、在線操作提示和使用方便等特點(diǎn)。
在機(jī)器人中采用的控制系統(tǒng)有：點(diǎn)位的和輪廓的；同步的和異步的；數(shù)字的和模擬的?？筛鶕?jù)機(jī)器人的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)要求及工藝任務(wù)的特點(diǎn)來(lái)選擇控制系統(tǒng)的具體方案。
2.2 主要結(jié)構(gòu)尺寸
根據(jù)A II—V6L型工業(yè)機(jī)器人的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖I所示。機(jī)器人的工作范圍見圖2。
3 工業(yè)機(jī)器人零件設(shè)計(jì)
3.1 手腕結(jié)構(gòu)的確定
手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件，其功能是在手臂和機(jī)座實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)位置坐標(biāo)(自由度)的基礎(chǔ)上，再由手腕來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)姿態(tài)(方位)坐標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。通過(guò)機(jī)械接口，聯(lián)接并支承末端執(zhí)行器。根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)要求來(lái)決定其應(yīng)具有的自由度數(shù)目。
3.2 基本參數(shù)的確定
確定了空間結(jié)構(gòu)和手腕結(jié)構(gòu)后，可確定手腕回轉(zhuǎn)、手腕擺動(dòng)及手腕旋轉(zhuǎn)三個(gè)姿態(tài)的自由度。其參數(shù)見表l (參數(shù)來(lái)于SSA2000工業(yè)機(jī)器人)。
3.3 手腕電機(jī)的選擇
（1）R軸電機(jī)的選擇。選擇型號(hào)為SGMAH-0IA，額定功率為IOOW，額定轉(zhuǎn)矩為0．318N·m。額定轉(zhuǎn)速為3000rlmin，重量為0.7kg的交流伺服電動(dòng)機(jī)。
（2）B軸和T軸電機(jī)的選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求取相同型號(hào)的電機(jī)，選擇型號(hào)為SGMAH-01A交流伺服電動(dòng)機(jī)。
3.4 傳動(dòng)比的確定
3.5 諧波減速器的選擇
諧波齒輪減速器是一種新型的機(jī)械傳動(dòng)變速機(jī)構(gòu)。 與普通齒輪傳動(dòng)相比，具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。它與傳動(dòng)比相當(dāng)?shù)钠胀p速器比較，其零件減少50％。 體積和重量均減少l，3左右或更多。傳動(dòng)比范圍大(單級(jí)傳動(dòng)比為40～350，多級(jí)傳動(dòng)比可達(dá)1600～100000)，傳動(dòng)效率高(單級(jí)傳動(dòng)效率饑≥85％)，傳動(dòng)精度高。承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。 根據(jù)所選擇的電機(jī)，選擇型號(hào)為SGMAH—OIA，額定功率為loo W，額定轉(zhuǎn)矩為0．318 N·m，額定轉(zhuǎn)速為 3000 drain的交流伺服電動(dòng)機(jī)。同時(shí)選擇XBl諧波減速機(jī)，機(jī)型為25，減速比為40，輸出力矩為1．0N·m，輸入轉(zhuǎn)速為3000 r／min。為了訂貨和維修方便，三軸均采用同一種減速器。
3.6 殼體的設(shè)計(jì)
機(jī)座部分采用鑄鋁材料，方形結(jié)構(gòu)，臂厚5～12mm。機(jī)身部分采用鑄鋁材料，圓筒形結(jié)構(gòu)，臂厚-8mm。大臂外殼采用鑄鋁材料，厚度均為6-Smm。小臂箱體和小臂外殼采用鑄鋁材料，結(jié)構(gòu)為方形，側(cè)面為鑄件其它三面為鑄鋁板材。手腕外殼和手腕箱體采用鑄鋁材料，結(jié)構(gòu)為方形，兩側(cè)面、背面、底面為鑄件，端面和正面為鑄鋁板材。臂厚5-8ram。其它部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)決定，見圖3。
4 機(jī)器人軸承設(shè)計(jì)
球軸承是機(jī)器人和機(jī)械手機(jī)構(gòu)中最常用的軸承。它能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小。其機(jī)器人專用軸承四點(diǎn)接觸式設(shè)計(jì)以及高精度加工。這種軸承比同等軸徑的常規(guī)中系列四點(diǎn)接觸軸承輕25倍。它的內(nèi)圈(或外圈)由兩個(gè)半圈精確拼配而成，而其整體外圍(或內(nèi)圈) 的溝曲率半徑較小，使鋼球與內(nèi)、外圈在四個(gè)“點(diǎn)”上接觸。既加大了徑向負(fù)荷能力，又能以緊湊的尺寸承受很的兩個(gè)方向的軸向負(fù)荷，并且有很好的兩個(gè)方向的軸向限位能力，因?yàn)樗妮S向游隙相對(duì)較小。而其接觸角 (一般取為35)又較大。工業(yè)機(jī)器人專用薄壁四點(diǎn)接觸球軸承通常有帶密封圈和不帶密封圈的結(jié)構(gòu)形式(見圖4)。其主要由內(nèi)圈、外 圍、保持架、鋼球或非接觸式密封圈組成。內(nèi)、外圈均為整體結(jié)構(gòu)。鋼球與內(nèi)、外因溝道呈四點(diǎn)接觸．保持架為冠形插入式結(jié)構(gòu)。
各種工業(yè)機(jī)器人可以以單機(jī)形式使用，也可以作為生產(chǎn)系統(tǒng)中的一種構(gòu)成部分使用。隨著社會(huì)需求發(fā)展的變化，工業(yè)生產(chǎn)多品種小批量方向發(fā)展，對(duì)制造系統(tǒng)的柔性要求越來(lái)越高。工業(yè)機(jī)器人靈活性好，因此在柔性制造系統(tǒng)內(nèi)各種應(yīng)用越來(lái)越多。
