工业机械臂结构设计要点和性能探究

摘 要：工业机械臂具有工作空间大、占地空间小及可控性好等方面优点，在各类生产行业有广泛的应用。但工业机械臂普遍存在负载小、刚性不足及关节伺服电机负载大的问题。针对上述现象本文提出一种基于四杆机构原理的新型机械臂结构。利用平行四边形框架抵消外部弯矩，减小关节电机对大臂的驱动功率，提高整机刚度。

关键词：工业机械臂；新型机械臂结构；负载；刚度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.019

0 引言

工业机械臂是一种仿生机电设备，能模拟人手动作通过改变目标物体的位姿来实现作业。可完成搬运、焊接、切割、喷涂及装配等工作。工业机械臂操作可控，可实现人机交互，用途比较广泛。由于工业机械臂的结构特点，整体架构属于费力杠杆，并且传动齿轮间隙的存在也会降低机械臂的刚度及运动精度。因此提高机械手臂的负载能力、提高整体刚度及降低驱动能耗成了机械臂性能提升的关键问题。

1 機械臂结构设计

工业机械臂的主要部件包括回转部、大臂、小臂及腕部。回转部可完成整机的回转运动，大臂和小臂的配合运动可实现机械臂末端的空间位置移动，腕部能实现俯仰轴与摆轴两个动作。各部件的运动配合实现机械臂设定的运动轨迹。

1.1 大臂、小臂结构

大臂由平衡缸、电动缸及大臂梁组成，小臂由电动缸II、平衡缸II及小臂梁组成，均为平行四边形框架结构构形式，电动缸安装在各自的对角线上，电动缸由关节电机、离合器、丝杠、推杆及缸体等零部件组成，端部的关节电机通过离合器带动丝杠旋转，丝杠上的螺母驱动推杆伸缩，推杆的伸缩带动四边形框架夹角的变化，从而实现机械臂的水平和竖直方向的移动。

1.2 机械臂回转部结构

回转部由伺服电机、涡轮、蜗杆、回转支撑、回转轴、立柱、箱体等零部件组成。为了平衡涡轮的侧向推力及消除涡轮与蜗杆之间的间隙。蜗杆采用对称布置的形式。2台伺服电机带动蜗杆旋转，驱动与涡轮连接的机体做回转运动。这个结构的有点是可传递扭矩大，自锁性好，精度高，节省一个减速器。

1.3 机械臂腕部

机械臂的腕部由涡轮蜗杆传动副、支撑件、4台伺服电机、俯仰部件、输出法兰等部分。能实现俯仰轴与摆轴两个动作。两个动作依靠差动原理来实现。U型支撑两侧对称布置差动输入单元，差动输入单元由伺服电机、涡轮蜗杆传动副及锥齿轮等部件组成。通过传动轴及中空轴将U型支撑两侧的锥齿轮及涡轮蜗杆联结。差动输出单元由锥齿轮及摆轴组成。利用伺服电机控制两侧涡轮的传动实现俯仰轴与摆轴两个动作。

2 机械臂能耗分析

新结构的机械臂驱动功率较其他结构机械臂明显降低，负载质心无偏移时能耗比二连杆机械臂降低约25%，比TITAN工业机械臂降低约35%。负载质心偏移500mm时能耗比二连杆机械臂降低约45%，比TITAN工业机械臂降低约52%。

3 机械臂刚度分析

本文利用有限元分析方法对机械臂杆件进行刚度分析，分析前将模型中对分析结果影响不大的孔、倒角等部分进行压缩处理，然后给模型添加比较可靠的边界条件，再把模型网格化，最后得到机械臂工作空间内的x、y及z方向的刚度分布如图所示。机械臂x方向的刚度与负载的关系为2.3～245N/μm，机械臂y方向的刚度与负载的关系为2.7～15N/μm，机械臂z方向的刚度与负载的关系为7.7～13.1N/μm，综合刚度由于同样负载下的其他结构机械臂。

4 结论

本文论述了常规机械臂存在的一些问题，指出机械臂优化的关键点，设计了一种采用平行四边形框架结构的新型机械臂，机械臂大臂及小臂的驱动依靠四边形对角线上的电动缸来完成，腕部的运动靠差数原理实现。回转运动利用底座上涡轮两侧的双蜗杆传动实现。与其他结构机械臂相比同工作条件下驱动能耗降低，同驱动功率下负载能力提高，同负载下整机刚度明显提高。可广泛应用在负载大及末端运动要求精度较高的场合。

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作者简介：古家希（1985-），男，重庆人，本科，中级工程师，讲师，研究方向：自动化控制技术。