移動式四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真*

□文懷興 □岳瑞芳

陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 西安 710021

工業(yè)機(jī)器人指應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)和多自由度機(jī)器人。我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展迅速。隨著工業(yè)4.0及中國制造2025的提出，我國制造業(yè)將迎來巨大的發(fā)展機(jī)遇。在未來幾十年的發(fā)展中，工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)的生產(chǎn)過程中將會占據(jù)越來越大的比重，在制造業(yè)領(lǐng)域的地位將會變得更加重要。筆者通過對比目前工業(yè)生產(chǎn)中主要應(yīng)用的關(guān)節(jié)機(jī)器人和三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，對移動式四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

目前，在我國工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用范圍比較廣的有關(guān)節(jié)機(jī)器人和直角坐標(biāo)機(jī)器人，其中直角坐標(biāo)機(jī)器人主要包括龍門式和壁掛式。關(guān)節(jié)機(jī)器人自由度高，可移動范圍廣，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作負(fù)載較小。直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，工作負(fù)載大，但體積大，工作范圍小。綜合分析以上兩種機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，筆者設(shè)計了移動式四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

安裝于絲杠螺母副上的X軸步進(jìn)電機(jī)帶動X軸同步帶輪，驅(qū)動X軸同步帶，實現(xiàn)X軸方向的左右運(yùn)動。同步帶輪與齒輪齒條相比柔性好，對機(jī)械加工要求低。Y軸步進(jìn)電機(jī)帶動Y軸同步帶輪，驅(qū)動Y軸同步帶，最終驅(qū)動腳輪在軌道上滾動，實現(xiàn)Y軸方向的前后運(yùn)動。

選用T型絲杠螺母副，由Z軸步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠，繞Z軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而驅(qū)動螺母及固定在其上的整個手臂作Z軸方向的上下運(yùn)動。

圖1 機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)

C軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動，固定于底板上的C軸步進(jìn)電機(jī)帶動回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置運(yùn)動，進(jìn)而使機(jī)器人的整個上部作C軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

1.2 C軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動副結(jié)構(gòu)

由于X軸、Y軸、Z軸的傳動方案保持了三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，筆者不再詳細(xì)介紹。下面主要介紹C軸回轉(zhuǎn)副，也就是機(jī)器人腰部回轉(zhuǎn)副結(jié)構(gòu)方案的選擇及比較。

腰部回轉(zhuǎn)副是機(jī)器人最關(guān)鍵的運(yùn)動副之一，支撐著整個機(jī)器人的上部運(yùn)動，因此必須要能承受較大的扭矩及傾覆力矩。根據(jù)設(shè)計要求及相關(guān)資料，參照市場上成熟的產(chǎn)品，常見的腰部回轉(zhuǎn)副結(jié)構(gòu)如圖2所示。

方案1通過電機(jī)驅(qū)動諧波減速器，再將諧波減速器的輸出軸連接到腰部的主軸。

方案2通過電機(jī)驅(qū)動一對外嚙合齒輪減速器，再將減速器輸出軸連接至腰部主軸。

方案3通過電機(jī)驅(qū)動一對蝸輪蝸桿減速器，再將減速器輸出軸連接至腰部主軸。

方案4通過電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置，直接連接機(jī)器人上部。

在前三個設(shè)計方案中，方案1結(jié)構(gòu)最為簡單，安裝拆卸也極為方便，但由于電機(jī)和腰部主軸直接相連，承載能力較差，特別是對機(jī)器人工作時上部的動載荷平衡要求較高，同時，使用的諧波減速器價格昂貴。

方案2在使用諧波減速器的基礎(chǔ)上增加了外嚙合齒輪減速器，增大了減速比，但同時增大了整個腰部關(guān)節(jié)的體積和復(fù)雜度，增加了成本。

圖2 常見腰部回轉(zhuǎn)副結(jié)構(gòu)

方案3使用了蝸輪蝸桿減速器。由于蝸輪蝸桿本身結(jié)構(gòu)比較緊湊，減速比大，因此方案3的體積和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度介于方案1和方案2之間[1]。同時，蝸輪蝸桿傳動具有較高的承載能力，并且具有自鎖性，價格較低?？梢姡谇叭齻€方案之間比較，方案3是比較理想的。

方案4使用了回轉(zhuǎn)驅(qū)動，其核心部件采用回轉(zhuǎn)支承，在蝸輪蝸桿的基礎(chǔ)上集成了蝸輪蝸桿安裝時需要的支撐軸承、安裝架等構(gòu)件，結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時能承受較大的軸向力、徑向力和傾轉(zhuǎn)力矩。

對比分析四個方案，最終確定方案4作為C軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動副的具體結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)建模

完成移動式四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的虛擬樣機(jī)設(shè)計，需要先選擇合理的計算機(jī)輔助設(shè)計軟件對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模。筆者在綜合分析對比了各建模軟件后，選擇Unigraphics軟件完成機(jī)器人的結(jié)構(gòu)建模。Unigraphics是一個交互式的計算機(jī)輔助設(shè)計制造軟件，功能強(qiáng)大，可以方便實現(xiàn)各種復(fù)雜實體的建模[2]，主要模塊包括零件造型、曲面造型、鈑金設(shè)計、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、高級渲染、圖形輸出、特征識別等。筆者先進(jìn)行零件的建模，再完成整機(jī)的裝配。整機(jī)的建模過程如圖3所示。

圖3 機(jī)器人整機(jī)建模過程

機(jī)器人腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的傳動部件是回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置，其傳動實質(zhì)是蝸輪蝸桿傳動，且該蝸桿是環(huán)面蝸桿。環(huán)面蝸桿傳動具有良好的傳動性能和承載能力，在重載、高傳動比行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，但由于加工難度大,滾刀的精確磨削技術(shù)和傳動強(qiáng)度計算尚未完全解決，限制了其推廣和應(yīng)用[3]。當(dāng)今，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展比較成熟，提高環(huán)面蝸桿加工精度的關(guān)鍵是建立精確的三維模型。因此，以回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置中的關(guān)鍵零件環(huán)面蝸桿為例，闡述使用Unigraphics軟件建立精確三維模型的方法，其它零部件不再做詳細(xì)介紹。

2.1 環(huán)面蝸桿基本參數(shù)

回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置中SE7B型環(huán)面蝸桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示。圖4中的ni為回轉(zhuǎn)支撐上的螺紋半徑，na為頂板上的螺紋半徑。

2.2 環(huán)面蝸桿螺旋線參數(shù)方程

環(huán)面蝸桿的螺旋線可以看作是一個運(yùn)動點(diǎn)C，繞Z軸作勻速運(yùn)動，同時沿Z軸勻速移動另一個點(diǎn)M。點(diǎn)M也繞Z軸以與點(diǎn)C相同的角速度移動[4]。點(diǎn)C的運(yùn)動簡圖如圖5所示。

圖4 環(huán)面蝸桿結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5 點(diǎn)C運(yùn)動簡圖

根據(jù)運(yùn)動關(guān)系，可列出點(diǎn)C的參數(shù)方程為：

式中：a為環(huán)面蝸桿與蝸輪的中心距，a=（d1+d2）/2，d1為蝸輪直徑；d2為蝸桿直徑；θ為環(huán)面蝸桿包絡(luò)蝸輪的工作角，θ=360（z'+1）/z2，z'為蝸桿包圍蝸輪的齒數(shù)，z'=z2/10；z2為蝸輪齒數(shù)，z2=z1i，z1為環(huán)面蝸桿的頭數(shù)；i為蝸輪蝸桿傳動比；θ1為蝸桿勻速圓周運(yùn)動的角變量；θ3為點(diǎn)C位移矢量與Z軸的夾角。

2.3 生成環(huán)面蝸桿螺旋線

基于上文得到的環(huán)面蝸桿螺旋線方程，在Unigraphics軟件中輸入環(huán)面蝸桿齒根圓的螺旋線方程[5]，得到齒根圓螺旋線，如圖6所示。

圖6 齒根圓螺旋線

通過相同方式，在Unigraphics軟件輸入另外一根齒根圓和兩根齒頂圓的螺旋線方程，得到另外三條齒面螺旋線，如圖7所示。

圖7 齒面螺旋線

2.4 生成環(huán)面蝸桿實體

在Unigraphics軟件建模中，經(jīng)常使用的方法是由點(diǎn)形成線，再由線生成面，最后由面生成體。在已經(jīng)建立的環(huán)面蝸桿四條螺旋線的基礎(chǔ)上建立點(diǎn)，由點(diǎn)建立齒槽橫截面的輪廓線，如圖8所示。形成齒槽面后，通過旋轉(zhuǎn)方式生成環(huán)面蝸桿輪齒部分實體，再通過實體化的方式生成環(huán)面蝸桿輪齒，如圖9所示。

圖8 齒槽橫截面輪廓線

圖9 環(huán)面蝸桿輪齒

生成環(huán)面蝸桿輪齒之后，再進(jìn)行必要的修飾，如圓角、倒角等，最后加上蝸桿的其它部分，得到環(huán)面蝸桿的實體模型[6]，如圖10所示。

圖10 環(huán)面蝸桿實體模型

3 仿真

Unigraphics軟件為用戶提供了多種仿真分析工具，包括靜態(tài)分析、流體分析、公差分析和數(shù)控加工等。用戶可以在不需要現(xiàn)場測試的情況下，測試計算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,從而有助于降低成本和縮短時間[7]。

移動式四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的整個運(yùn)動過程分為整機(jī)沿X軸方向平移、整機(jī)繞Z軸旋轉(zhuǎn)、機(jī)械臂沿Z軸向下運(yùn)動、手爪抓取物體、機(jī)械臂上移五種運(yùn)動。在Unigraphics軟件中進(jìn)行運(yùn)動仿真，首先設(shè)置連桿，將模型中能夠滿足運(yùn)動需要的部件連接在一起[8]，如圖11所示。其次，創(chuàng)建運(yùn)動副，將各個連桿連接起來，完成指定運(yùn)動，如圖12所示。再次，通過Step函數(shù)設(shè)置各個環(huán)節(jié)的運(yùn)動時間、順序及路徑，將各個運(yùn)動步驟連接起來[9]，如圖13所示。最后，為機(jī)械手的關(guān)鍵部件設(shè)置干涉，防止出現(xiàn)穿透或碰撞[10]，如圖14所示。運(yùn)動仿真界面如圖15所示。

4 結(jié)束語

在現(xiàn)有的三自由度機(jī)器人基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計了移動式四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，并在Unigraphics軟件中完成了機(jī)器人結(jié)構(gòu)的實體建模，對結(jié)構(gòu)和運(yùn)動的可行性進(jìn)行了仿真，確認(rèn)了設(shè)計的合理性。

圖11 連桿設(shè)置界面

圖12 運(yùn)動副創(chuàng)建界面

圖13 Step函數(shù)設(shè)置界面

圖14 干涉設(shè)置界面

圖15 運(yùn)動仿真界面