1設計背景及目標
1.1工業(yè)機器人本體的發(fā)展趨勢
工業(yè)機器人是先進制造業(yè)的關(guān)鍵支撐裝備,大力發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè),對于打造中國制造新優(yōu)勢,推動工業(yè)轉(zhuǎn)型升級,加快制造強國建設具有重要意義。近幾年,我國持續(xù)勞工荒,人工成本快速上漲,加上勞工對工作健康環(huán)境日益重視,傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級,使用機器人替代人,已成為未來工業(yè)發(fā)展的新趨勢。
隨著“我國力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰,2060年前實現(xiàn)碳中和”重大戰(zhàn)略決策的出臺,節(jié)能減排成為未來工業(yè)生產(chǎn)的必然趨勢[1],而想要降低能耗需要技術(shù)的進步和創(chuàng)新。傳統(tǒng)工業(yè)機器人的負載自重比極低,電機的功耗大部分用于負荷機器人本體本身的運動,真正用于做有用功負載搬運的能量占比很少,往往不到10%,造成極大的能源浪費。要降低工業(yè)機器人的能耗,最直接有效的方式就是提高機器人的負載自重比,即進行本體的輕量化設計[2]。
1.2設計目標
經(jīng)調(diào)研,傳統(tǒng)6~8 kg負載的機器人負載自重比小于1:20。本文目標為通過輕量化設計,使得6~8 kg負載機器人在相近性能參數(shù)的前提下,本體重量降低50%以上,即本體重量在60 kg左右,負載自重比達到1:10以上。
2輕量型工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)設計
傳統(tǒng)小六軸工業(yè)機器人的減速器配置為1~3軸采用3個擺線針輪減速器,4~6軸采用3個諧波減速器。6個減速器的總重量為25 kg,加上6個電機的總重量為35 kg。鑄件1~3軸采用鑄鐵件,總重量為100 kg,4~6軸采用鑄鋁件,總重量為30 kg,鑄件總重量為130 kg,電機減速器加鑄件的總重量為165 kg。由此可見,采用傳統(tǒng)的配置方案,機器人本體是很難實現(xiàn)大幅度減重的。因此,本文輕量化機器人設計對電機減速器重新進行選型,6個軸都采用了諧波減速器,鑄件全部采用鑄鋁件,可以大幅降低本體重量,在此基礎上重新進行電機選型,可以大幅降低電機的功率要求,從而減小電機尺寸,減輕電機重量?；诖?重新進行本體鑄件的設計,可以減小鑄件的尺寸和重量。完成設計后,重新對電機、減速器、鑄件進行仿真分析校核,反復驗證修改,最終達到使用要求。
2.1初步擬定設計參數(shù)
初定機器人的負載、本體重量、臂展與各軸最大速度等參數(shù),要求機器人本體整機防護等級在IP65以上,如表1所示。
2.2傳動結(jié)構(gòu)設計
以J1軸為例,采用中空減速器,同步帶傳動,便于穿線。2~5軸采用類似傳動結(jié)構(gòu),整機內(nèi)走線,便于密封,整機防護等級可以達到IP65。6軸采用電機減速器直連的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單緊湊,一致性、可靠性高。
本體結(jié)構(gòu)模塊化、緊湊化設計。1、2軸底座部分,3、4軸箱體部分,5、6軸腕體部分形成標準化、模塊化設計,便于獨立安裝和自由組合。RB06Q1—1430、RB08Q1—1230、RB06Q1—1600采用模塊化設計,通過不同模塊和連桿的組合,得到不同臂展、不同負載、不同速度的工業(yè)機器人本體,形成系列化產(chǎn)品,以滿足不同客戶、不同應用場合的使用要求。
2.3本體結(jié)構(gòu)特點
1)重量輕,本體重量約為60 kg,負載自重比約為1:10,節(jié)省空間,節(jié)能;
2)防護等級高,整機IP65,對惡劣應用環(huán)境的適應性更高;
3)整機的安裝占地面積小,可360O安裝,輕松實現(xiàn)狹小空間內(nèi)工作;
4)模塊化、系列化設計。
3輕量型工業(yè)機器人仿真分析校核
3.1輕量化設計技術(shù)
工業(yè)機器人的帶載作業(yè)為瞬態(tài)過程,其關(guān)鍵零部件如關(guān)節(jié)臂、齒輪、軸承等在作業(yè)過程中是動態(tài)的受力過程。因此這些零部件的強度計算不能按照靜態(tài)問題去分析,需要使用動力學仿真機器人帶載作業(yè),并提取關(guān)鍵零部件的動態(tài)載荷,將其輸入有限元分析軟件中對關(guān)鍵零部件進行強度分析,為關(guān)鍵受力部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供數(shù)據(jù)支持。使用有限元分析軟件進行剛強度分析,可以實現(xiàn)關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,在滿足剛強度要求的前提下實現(xiàn)機器人的輕量化設計,降低成本,提升產(chǎn)品競爭力。工業(yè)機器人輕量化設計技術(shù)路線如圖1所示。
3.2動力學校核
在三維軟件Solidworks中建立輕量型機器人幾何模型,并對模型機械結(jié)構(gòu)進行設計簡化,將其保存為x—t格式導出。在動力學軟件Adams中導入模型。
在機器人動力學仿真中,為校核電機減速器的性能,一般取其最大臂展下單軸的極限速度的90%作為校核工況?，F(xiàn)取輕量型機器人J1軸進行動力學仿真分析,關(guān)節(jié)驅(qū)動最高速度為220(O)/s,關(guān)節(jié)加減速時間0.25 s,關(guān)節(jié)驅(qū)動選用STEP函數(shù)驅(qū)動表達式為:
STEP(TIME,0,0,0.25,198D)十STEP(TIME,0.3,0,
0.55,—198D)十STEP(TIME,0.6,0,0.85,—198D)十
STEP(TIME,0.9,0,1.15,198D)
如圖2所示,J1軸關(guān)節(jié)啟動包括加速、勻速、減速三個階段,由于關(guān)節(jié)自身存在摩擦,在加速階段驅(qū)動扭矩與摩擦力矩方向相反,驅(qū)動力矩克服摩擦力矩驅(qū)動關(guān)節(jié)做加速運動,此時關(guān)節(jié)驅(qū)動扭矩最大;在減速階段驅(qū)動扭矩與摩擦力矩方向相同,驅(qū)動關(guān)節(jié)做減速運動,故在減速階段關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩將略小于加速階段。
基于上述分析可得,考慮摩擦力矩作用,J1軸關(guān)節(jié)在極限工況下所需最大扭矩為998 N.m,減速階段所需扭矩為562 N.m;由輕量型機器人J1軸所選電機、減速器型號參數(shù)可得電機最大扭矩8.4 N.m;減速器減速比100;減速器與電機之間采用同步帶傳動,減速比為4/3。經(jīng)計算電機所需最大扭矩為:
符合電機減速器要求。
3.3動態(tài)靜力學校核
通常的靜力學校核往往采用靜態(tài)載荷,該種校核簡單方便,但無法準確計算機器人關(guān)節(jié)在整個加減速階段的載荷的動態(tài)變化對零部件應力及形變的影響。本文采用一種動態(tài)靜力學校核方法,先獲取機器人在動力學仿真分析中所得到的各關(guān)節(jié)動態(tài)載荷曲線,截取某一時刻的載荷導入有限元分析軟件,從而得到動態(tài)載荷的靜力學仿真結(jié)果。
現(xiàn)取機器人底座零件做動態(tài)靜力學校核,對底座做受力分析可得,底座底部與地面接觸,通過螺栓連接固定;底座頂部的J1軸減速器安裝面與J1軸減速器連接,承受各個方向的力和扭矩。
如圖3所示,在Adams動力學仿真軟件中導出J1軸關(guān)節(jié)底座動態(tài)載荷。
基于上述分析可得,在J1軸極限工況中,J1軸關(guān)節(jié)在加速階段承受的載荷最大,取加速階段0.12 s時刻,其負載類型及大小如表2所示。
打開solidworks底座模型文件,將表2所得動力學數(shù)據(jù)導入simulation插件中,定義底座材料屬性:設置小臂為鑄鋁材料,網(wǎng)格劃分對底座三維模型進行簡化處理,建立約束,固定底座底部的安裝面,得到底座的應力云圖、位移云圖如圖4所示。
模型最大應力45.71 Mpa,最大變形量0.291 9 mm,均符合該輕量型機器人性能要求。同理導入J2軸最大臂展極限工況動力學仿真數(shù)據(jù),劃分網(wǎng)格,建立約束,底座的應力云圖、位移云圖如圖5所示。
模型最大應力43.37Mpa,最大變形量0.084 56mm,均符合該輕量型機器人性能要求。
4結(jié)束語
本文通過機器人正向設計技術(shù),對電機減速器重新進行選型,重新設計傳動結(jié)構(gòu)及零件,借助數(shù)字樣機技術(shù),通過仿真分析校核,確認輕量型機器人性能參數(shù)達到了設計目標。通過模塊化設計,將每個軸的關(guān)節(jié)做成標準模塊,進行系列化設計,以滿足不同客戶、不同應用場合的使用要求。
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