細長臂打磨機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計*

王光越

(中國船舶重工集團公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

細長臂打磨機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計*

王光越

(中國船舶重工集團公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

針對細長圓筒形薄壁殼體設(shè)計了打磨機器人，對打磨機器人進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計,并利用有限元軟件ANSYS對細長臂進行了優(yōu)化，以此來保證打磨的精度和效率。試驗結(jié)果顯示，該機器人具有良好的穩(wěn)定性，能實現(xiàn)高精度的打磨。

機器人；打磨；細長臂；結(jié)構(gòu)設(shè)計

Abstract: In this paper, a grinding robot for slender cylindrical thin shell is designed. In order to ensure the accuracy and efficiency of grinding, the structure of the grinding robot is designed，and the slender arm is optimalized by using the finite elements software ANSYS. The experiment shows that the robot has good stability and can achieve a high grinding precision.

Key words: robot; polishing; slender arms; structure design

0 引 言

在日常生活中，一些細長圓筒形薄壁殼體的內(nèi)壁需要一定的平滑度，由于殼體內(nèi)壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且加工空間狹小，普通人工打磨是不能完成的，因此需要借助于打磨機器人來完成打磨任務(wù)。在打磨過程中，由于殼體很長，打磨機器人的臂也很長，打磨過程中容易出現(xiàn)震顫和下沉等現(xiàn)象，影響打磨的精度。筆者對于長度為5 m的圓筒形薄壁殼體設(shè)計了打磨機器人，對打磨機器人進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和細長臂的優(yōu)化，以此來保證打磨的精度和效率。

1 工作原理

打磨機器人的主要結(jié)構(gòu)包括底座部件、大臂驅(qū)動部件、小臂和腕部驅(qū)動部件、傳動部件、打磨電機、打磨頭以及拖鏈部件組成。由于細長臂打磨機器人的主要功能是由電機帶動打磨臂完成圓形桶壁的打磨工作，因此需要將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為打磨臂的往復(fù)平移運動或者旋轉(zhuǎn)運動。這里選擇的多自由度打磨機械手臂包括大臂，小臂和腕部。大臂實現(xiàn)的是平移運動，小臂和腕部實現(xiàn)的是旋轉(zhuǎn)運動，整個機械臂在水平面運動。腕部的端部安裝有打磨頭，可用于實現(xiàn)長圓柱殼體內(nèi)壁的打磨。同時被打磨的圓柱形殼體裝夾在一個可旋轉(zhuǎn)的小車上。通過調(diào)整各個伺服電機使機械臂末端的打磨頭與圓柱形殼體內(nèi)壁之間處在一個合適的位置上。按下開關(guān)，使圓柱形殼體不斷的緩慢旋轉(zhuǎn)，同時啟動打磨機器人，將機械臂末端的打磨盤與圓形殼體內(nèi)壁緊密接觸，完成打磨任務(wù)?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 打磨機器人1.驅(qū)動部件 2.底座部件 3.機械臂 4.打磨部件

2 方案設(shè)計

2.1 機械大臂設(shè)計

在整個打磨機械臂中，大臂長4.6 m，因此大臂的設(shè)計影響整個打磨機器人的工作精度和效率，考慮到打磨桶壁入口大小和打磨臂長度的限制，這里選擇大臂采用的是120×140(mm)的矩形方管，壁厚為8 mm。

在整個設(shè)計過程中，最需要考慮細長臂的三個方面的要素。

(1) 自身重量的影響。由于整個大臂長度有4.6 m，而大臂的固定方式則是最左端固定在移動板上面，大臂的右端連接著小臂和腕部，因此在打磨的時候必須對自重給予一定的補償，如果打磨臂下沉太多，不但會給打磨臂的安裝和調(diào)試帶來麻煩，同時也會影響到打磨的精度。

(2) 打磨臂剛度的影響。打磨臂在打磨的過程中，豎直方向的剛度主要是由大臂的剛度來決定的，而水平方向的剛度主要是由傳動鏈決定的。如果大臂豎直方向的剛度太差，在打磨力的作用下，打磨盤下沉太多，就是去了打磨的作用。因此大臂在豎直方向上必須保證一定的剛度。

(3) 打磨臂的模態(tài)分析。模態(tài)分析是機械設(shè)計中比較常用的一個分析。利用模態(tài)分析，可以得到打磨臂的固有頻率和振形。由于整個機器在電機的帶動作用下運轉(zhuǎn)，因此，應(yīng)該盡量時打磨臂的固有頻率遠離電機的轉(zhuǎn)動的頻率以避免出現(xiàn)共振而使機器損壞的情況。

為了減輕整個打磨臂的重量，同時保證大臂具有足夠的剛度，需要對機械大臂進行剛度分析和模態(tài)分析，經(jīng)過比較得到最終的方案。大臂的前半部分用截面為120×140 mm，壁厚為8 mm的矩形方管，長度為3.6 m，后半部分用截面為80×80 mm，壁厚為4 mm的正方形方管長度為0.6 m，中間用厚度為6 mm的斜板焊接在一起，長度為0.4 m。方案如圖2所示。

圖2 大臂結(jié)構(gòu)圖

2.2 大臂傳動設(shè)計

大臂總長4.6 m，左端部固定在移動板上，具有一個在水平面內(nèi)沿軸線方向平移的自由度。這一級需要將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為大臂的平移運動，因此可以采用滾珠絲杠傳動或者齒輪齒條傳動[1]。滾珠絲杠的傳動特點是傳動平穩(wěn)，傳動精確。但在本次設(shè)計中，由于大臂特別長，因此滾珠絲杠也特別長，這容易引起滾珠絲杠的彎曲，造成傳動不精確，影響最終的打磨效果。而對于齒輪齒條傳動，我們可以將齒條安裝在底座支架的上橫梁上，而電機、減速器和齒輪依次連接在一起固定在移動板上。這樣電機的旋轉(zhuǎn)運動通過減速器降速后傳遞給齒輪，齒輪在齒條上滾動帶動移動板向前移動，而打磨機械手的大臂又通過螺栓固定在移動板上，這樣就將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為大臂的往復(fù)平移運動。同時，由于齒條安裝在支架的上橫梁上，不會產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，解決了滾珠絲杠的彎曲問題。

移動板上面帶動大臂完成往復(fù)平移運動，移動板的下面則固定在平行導(dǎo)軌上，來保證大臂移動的精度。然而，考慮到大臂比較長，若兩端均使用平行導(dǎo)軌，雖然可以得到較高的精度，但對于制造和安裝的精度要求均比較高，同時也不易調(diào)整間隙，在工作過程中容易造成移動板移動困難，甚至出現(xiàn)移動板卡死不能移動的現(xiàn)象。為了解決以上難題，我們可以將一側(cè)的導(dǎo)軌傳動換成滾動軸承的滾動，而另一側(cè)的導(dǎo)軌則保留下來。這樣做的好處是一方面，我們保留了導(dǎo)軌移動平行度和平穩(wěn)性比較好的特點，另一方面，通過滾動軸承在滑軌上的滾動，可以適應(yīng)一些比較惡劣的環(huán)境條件，實現(xiàn)間隙可調(diào)，這會大大減輕打磨機器人以后的安裝和維護工作的強度。

2.3 傳動齒輪齒條的設(shè)計計算

在這次打磨機器人的齒輪齒條傳動中，齒輪的設(shè)計顯的尤為重要。一方面，齒輪的重量影響到整個機構(gòu)的響應(yīng)速度。若齒輪太重，它的轉(zhuǎn)動慣量就會比較大，系統(tǒng)響應(yīng)的延遲就會比較大；若齒輪太輕，尺寸較小，帶負(fù)載的能力就會比較弱，同時強度也會降低，影響齒輪的使用壽命。另一方面，齒輪的尺寸太小或者太大，在安裝時也會出現(xiàn)一定的問題。因此選用齒輪時應(yīng)充分考慮以上因素。

齒輪的模數(shù)是齒輪的一個重要的參數(shù)。齒數(shù)一定時，模數(shù)越大，齒輪強度越高，承載能力越強，但同時齒輪的尺寸也會增大。由于齒輪的輪廓線為漸開線形式，而齒輪的加工一般用展成法加工也有用成型法的。在加工過程中，微觀的看，齒輪的表面并不是平滑的曲面，而是由無數(shù)小平面組成的，所以模數(shù)越大，齒輪表面的折線就越大，為此，在設(shè)計齒輪傳動時，在結(jié)構(gòu)強度允許的條件下，盡量選擇小模數(shù)齒輪。根據(jù)齒輪模數(shù)的選擇范圍，初步選定齒輪的模數(shù)m=4，考慮到安裝尺寸的要求，齒條安裝在移動板的下面，齒輪齒條嚙合時，齒輪的齒根圓半徑應(yīng)大于減速器半徑和板厚之和。經(jīng)過設(shè)計計算，齒根圓半徑大于77 mm?？紤]到安裝誤差等因素的影響，這里取齒輪齒數(shù)為45?？紤]到齒輪重量的影響，采用中間打孔的方式，齒輪經(jīng)過鍛造而成[2]。

經(jīng)過計算，直齒圓柱齒輪的主要參數(shù)如表1所列。

表1 齒輪參數(shù)表

對于本次設(shè)計的筒壁打磨機器人，打磨力并不是很大，而且直線導(dǎo)軌安裝在支架的上橫梁上，具有較大的承載能力，這里我們選擇導(dǎo)軌的型號是BRH-A&AL，導(dǎo)軌的最大寬度為20 mm。

在這次方案中，采用了齒輪齒條傳動。安裝時，齒條如果安裝在導(dǎo)軌的外側(cè)，齒輪就在打磨機器人的最外邊移動，這樣安裝對操作人員具有危險性。同時，齒輪安裝在外部也更易受到環(huán)境的影響，對齒輪齒條的潤滑也不利。所以采取細長臂打磨機器人一端的最外面是導(dǎo)軌，然后才是齒輪。細長臂打磨機器人的另一端則用來安置拖鏈。具體布局如圖3所示。

圖3 大臂電機結(jié)構(gòu)圖1.底座 2.軸承 3.移動板 4.電機 5.減速機 6.電機安裝板 7.傳動齒輪 8.齒條 9.滑塊 10.導(dǎo)軌

2.4 小臂和腕部設(shè)計

小臂和腕部各具有一個水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)自由度，驅(qū)動電機安裝在機械臂末端移動板上。小臂和腕部采用鏈傳動的方式，驅(qū)動電機安裝在電機支架上在大臂與小臂、小臂和腕部之間通過芯軸連接，芯軸上安

裝的小鏈輪通過鏈條分別與小臂電機和腕部電機相連，實現(xiàn)小臂和腕部的旋轉(zhuǎn)運動。機械臂末端的打磨電機通過螺釘固定在腕部內(nèi)，打磨電機的末端伸出軸安裝打磨輪，以完成圓筒內(nèi)壁打磨任務(wù)。

圖4 小臂腕部結(jié)構(gòu)圖 1.大臂 2.小臂鏈條 3.小臂芯軸 4.小臂鏈輪 5.腕部鏈輪 6.腕部芯軸 7.打磨電機 8.打磨輪

3 結(jié) 語

根據(jù)目前機械傳動的常用方式以及現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合打磨機器人的具體要求，設(shè)計了打磨機器人的總體結(jié)構(gòu)，并提出了采用齒輪齒條的傳動方案，并通過一端安裝導(dǎo)軌，另一端安裝滾動軸承的方式來保證安裝精度。經(jīng)過實物現(xiàn)場運行測試,各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

[1] 聞邦椿．機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010．

[2] 孫志禮，冷興聚，魏延剛,等．機械設(shè)計[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，2000．

Structure Design of Grinding Robot with Slender Arms

WANG Guang-yue

(The710ResearchInstitute，CSIC，YichangHubei443003，China)

2014-06-09

王光越(1987-)，男，湖北襄陽人，助理工程師，研究方向：工業(yè)機器人。

TH12

A

1007-4414(2014)04-0163-03