线缆搬运机器人手臂的机械系统设计

孙建宇

(江苏中利集团股份有限公司,江苏 常熟 215542)

传统人工搬运码垛存在劳动强度大、工作效率低等问题，用自动化程度高的设备来代替重复的体力劳动已成趋势。码垛机器人不仅可提高生产质量和生产率，而且保障了人身安全，改善了劳动环境，减轻了劳动强度，同时对于节约原材料消耗以及降低生产成本也有着十分重要的意义[1]。将工业机器人技术应用于运输工业领域，实现码垛作业的自动化，可以加快物流速度，获得整齐一致的物垛，减少物料的破损和浪费[2]。因此，就提高生产规模和生产效率而言，码垛机器人正发挥着越来越重要的作用，高性能、低成本的码垛机器人将具有广阔的应用市场[3-5]。本文结合电缆大规模生产的需求，设计了一种六自由度成卷线缆搬运机器人，并对关键部位的零部件进行工作能力校核。

1 机器人手臂结构设计要求

成卷线缆搬运作业对机器人的功能要求可归纳为：

1)成卷电线的夹持。需要考虑成卷电线的材质、质量和形状等物理特点(如外形尺寸和一定的柔性)以及完成包膜后的线卷位置与姿态。本文所述成卷电线的外形尺寸为内径135mm、外径250mm、高62mm、质量约10kg。成卷的电线由图1右边的自动包膜机包膜后侧立于包膜机导轨上，然后机器人末端执行器伸入成卷电线的内孔，采用膨胀法夹持(抓取)线卷。

图1 机械臂各工位布局

2)成卷电线的搬运和码垛。机器人手臂将线卷翻转至水平状态后送至图1左边铲板上(托盘)的特定位置，铲板尺寸一般为1 100mm×1 100mm×120mm，码放规格为4行4列10层。

机器人手臂结构设计时，需考虑搬运作业的环境、空间布局以及与周围已有设备的衔接和联动。具体注意点是：1)包膜装置有一定高度，机器人手臂在运动中，不能向后运动；2)包膜机外围有送线机构，高约160mm，机器人手臂动作时，应至少先垂直提升200mm才不会碰到设备；3)线缆属于电气安全产品，机器人手臂放下时，速度应缓慢，防止电线被挤伤；4)单卷线缆生产时间少于1min，故整个动作应该在30s内完成。

2 机器人手臂传动结构设计

根据初步确定的机械臂空间布局安排，考虑将大臂结构设计为L形，以减小对电机力矩的要求。机械臂的关节配置和运动简图如图2所示。

2.1 腰部关节

图2 机械臂的运动简图

机器人腰部关节的结构方案如图3所示，驱动电机固定在底座上，通过键与直齿圆柱齿轮相连，经一对速比为i=1的齿轮将力矩传递，驱动腰部运动。由于整个机身的质量很大一部分集中在腰部，因此要求腰部结构具有较高的稳定性。为了满足这一要求，将机座的上部设计为筒状结构，靠法兰与机座底部相连。为了便于定位安装，在底座下半部分与机座筒相接触的部位做一小段凹槽，同样的在机座筒底部做一块凸台。腰部的回转轴做成空心轴，在满足强度要求的基础上尽可能地减轻质量。轴上的零件通过轴肩以及套筒进行定位。考虑到轴承受力的特点，选用一对角接触球轴承，采用面对面的安装形式对轴进行支撑。内圈均靠轴肩顶住定位，下端轴承的外圈靠机座筒里的台阶挡住，上端轴承的外圈靠轴承盖压紧。轴承盖与轴承之间需要加密封圈。在腰部回转轴的最顶端，靠螺钉连接一个面积较大的回转平台，主要用于方便其他关节的支撑和安装。此外，为了增加机座的稳定性，在机座底部增加了若干辅助支撑，图中未标明。

1—回转平台；2—轴承盖；3—机座筒；4—角接触球轴承；5—传动轴；6—底座；7—直齿圆柱齿轮；8—键；9—驱动电机

2.2 大臂关节

图4是大臂关节的局部二维图。对于大臂关节，电机通过键传递力矩，直接带动大臂运动，提高传递效率，同时大大缩短传动链。对大臂关节的支撑，主要是通过一对滚动轴承实现的。为了方便安装，设计了剖分式的轴承座。轴承的内外圈分别靠轴承座以及大臂上的台阶顶住实现固定。在轴承座的一侧，可以安装固定电机。

1—大臂；2—键；3—大臂电机；4—滚动轴承；5—轴承座；6—小臂电机；7—键；8—滚动轴承

2.3 小臂关节

图5体现了小臂的结构形式，小臂的运动是通过电机带动链轮实现的，电机与链轮通过键进行连接，该链轮的轴向定位通过一个套筒实现。小臂关节的驱动电机与大臂驱动电机同轴安装。

1—链轮；2—键；3—套筒；4—轴承盖；5—回转轴；6—轴承；7—键；8—小臂

驱动电机通过链轮将力矩传递到小臂回转轴，再通过键连接带动小臂运动。小臂的支撑是通过一对轴承实现的。轴承内外圈分别靠轴肩以及轴承盖顶住。小臂回转轴上的零件靠轴肩以及套筒定位。

2.4 机械臂三维模型

基于机械臂的结构方案和各关节的结构设计，构建的机械臂三维模型如图6所示。驱动电机安装于底座上，通过腰部关节驱动回转平台转动。大臂驱动电机和小臂驱动电机同轴安装于回转平台上，大臂驱动电机直接驱动大臂关节；小臂驱动电机通过链轮驱动小臂回转。

图6 机械臂三维图

3 电机选择及主要结构件工作能力校核

3.1 电机选择

机器人机械臂的静载荷主要包括线缆的重力和机械臂的重力。机械臂结构的自重负载可由平衡机构进行部分平衡，剩余自重负载可通过将线缆重力适当放大加以考虑。线缆的质量为10kg，为了使选择的电机能够充分满足工作要求，将工作负载放大为20kg。当机械臂均位于水平位置时，负载对关节产生的力矩最大，于是可以得到各关节电机的最大力矩如下。

关节3：

T3=20kg×10N/kg×(0.15m+0.85m)=200N·m

关节2：

T2=20kg×10N/kg×(0.15m+0.85m+0.9m)=380N·m

关节1：经查阅相关资料，关节1的负载力矩通常与关节2的负载力矩很接近，于是初步选取T1=T2=380N·m。

根据上面的力矩要求，查阅相关电机的参数资料以及产品介绍，选用带通用减速机的SGMGH 型伺服电机，能完全满足要求。

3.2 齿轮校核

1)齿轮的种类、材料、热处理方式以及精度的选取。

腰部关节(图3)采用一对齿轮传动主要是为了电机错位布置，不存在变速问题，故速比为i=1。由于传递的力矩比较大，因此齿轮的结构也比较大，故该齿轮选用锻造齿轮，材料为20CrMnTi。为了增强该齿轮的整体性能，采用表面渗碳淬火，使齿轮表面硬度达到260HBS。齿轮精度为6级，齿面粗糙度Ra=0.8μm，在齿根处进行强化处理(如喷丸)。

2)齿轮强度校核。

①根据选定的电机规格以及减速比，可以确定该对齿轮传动传递的转矩(即关节1的负载转矩)为T1=380 000N·mm。根据作业空间的限制，确定分度圆直径d1=d2=335.5mm，大小齿轮的齿数z1=z2=61，模数确定为m=5.5，齿宽为b1=65mm，b2=60mm。

②齿根弯曲疲劳强度校核。

根据机械设计手册确定齿根弯曲疲劳强度计算的使用系数KA=1.00，动载荷系数KV=1.07，齿间载荷分配系数Kα=1.0,齿向载荷分配系数Kβ=1.09，所以齿根弯曲疲劳强度计算的载荷系数为

K=KA×KV×Kα×Kβ≈1.17

计算圆周力Ft：

重合度系数Yε=0.67，应力修正系数YSa=1.95，齿形系数YFa=2.27。

由于两个齿轮仅齿宽不同，所以只需校核窄齿宽齿轮(图3中传动轴5上的齿轮7)的齿根弯曲强度。窄齿宽齿轮的齿根弯曲应力为

许用的弯曲应力

因此该对齿轮的齿根弯曲疲劳强度满足要求。

③齿面接触疲劳强度校核。

由机械设计手册可确定齿面接触疲劳强度的使用系数KA=1.00，动载荷系数KV=1.07,齿间载荷分配系数Kα=1.0，齿向载荷分配系数Kβ=1.09，所以齿面接触疲劳强度计算的载荷系数为

K=KA×KV×Kα×Kβ≈1.17

窄齿宽齿轮的齿面接触应力为

因此该对齿轮的齿面接触强度也满足设计要求。

4 结束语

本文针对工业生产中成卷线缆包膜后的搬运码垛要求，设计了一种六自由度关节式线缆搬运机器人，给出了主要关节的结构和驱动电机的规格型号，并对腰部关节中的齿轮传动机构进行了强度校核，确保其在强度方面能满足工作要求。