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工业机器人的设计方法

工业机器人与机床在基本功能和基本工作原理上有相似之处,但其特征及要求不同。因此从设计方法学上看,工业机器人的设计方法与机床设计方法基本相通,但其具体的设计内容、设计要求及设计技术又有很大差别。

工业机器人总体方案的设计方法也可以分为分析式设计方法和创成式设计方法。

工业机器人设计内容与步骤

1.总体设计

(1)基本技术参数设计根据任务的来源不同,按制造厂的产品规划或用户订货要求来确定。在总体方案设计阶段首先要确定的主要参数有如下几种

1)用途。如搬运、点焊,等等。

2)额定负载。额定负载是指在机器人规定的性能范围内,机械接口处所能承受负载的允许值。它主要根据作用于机械接口处的力和力矩,包括机器人末端执行器的重量、抓取工件的重量及惯性力(矩)、外界的作用力(矩)(如切削机器人的切削力)来确定。

3)按作业要求确定工作空间,同时要考虑作业对象对机器人末端执行器的位置和姿态要求,以便为后续方案设计中的自由度设计提供依据。

4)额定速度。指工业机器人在额定负载、匀速运动过程中,机械接口中心的最大速度。应综合考虑作业效率要求、作业线协调生产要求、惯性力(矩)、驱动与控制方式、定位方式和精度要求等各种因素来确定。其中惯性力(矩)这一因素,由于机器人的总体结构尚未设计故该阶段只能概略估计。

5)驱动方式的选择。目前所采用的方式有电动机、液压和气动三种类型。

6)性能指标。按作业要求确定。一般指末端执行器的位姿准确度及位姿重复性(点位控制)、轨迹准确度及轨迹重复性(轨迹控制)、最小定位时间及分辨率等。同时还可对机械结构的刚度、关节几何运动精度等提出要求

(2)总体方案设计

1)运动功能方案设计该阶段的主要设计任务是设计确定机器人的自由度数、各关节运动的性质及排列顺序、在基准状态时各关节轴的方向,设计出运动原理图。

2)传动系统方案设计根据动力及速度参数、驱动方式等选择传动方式和传动元件,设计出传动原理图。

3)结构布局方案设计根据机器人的工作空间、运动功能方案及传动方案,确定关节的形式,各构件的概略形状、尺寸

4)参数设计确定在基本技术参数设计阶段尚无法考虑的一些参数,如单轴速度、单轴负载、单轴运动范围等。该项工作应与3)设计工作交叉进行。

5)控制系统方案设计近期设计的工业机器人基本上都采用计算机控制系统。

6)总体方案评价经过1)~5)的设计工作,机器人的总体方案基本生成,可以同时设计若干个方案,进行评价比较,选择较好的方案。对所设计的方案可以从如下几个方面进行综合评价:工作空间、运动速度、加速度、成本分析、可靠性分析、精度分析等。为了对方案的工作空间进行评价,首先需用计算法或作图法求出实际的工作空间,检验其是否满足工作空间的设计要求,然后再对各方案进行比较。同样的,先求出各轴的速度,然后进行额定速度校验及方案比较。进行评价后选择比较好的方案,并进一步进行修改设计(或总体优化设计),作为后续详细设计的依据。

2.详细设计：详细设计内容包括装配图设计、零件图设计和控制系统设计。

3.总体评价：总体设计阶段所得的设计结果,是各构件及关节的概略形状及尺寸,通过详细设计将其细化,而且总体设计阶段尚未考虑的细节也已具体化,因此各部分尺寸会有一些变化,需要对设计进行总体评价,检测其是否能满足所需设计指标的要求。

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