复合剪叉式工业机械臂的结构设计与研究

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前言

随着人民群众经济水平的不断提升，高端技术产品的竞争越来越激烈，传统制造企业的发展受到了严重的冲击，尤其是工业机器人的广泛应用代替了流水线工人，制造企业为了承担高额的成本费用为大量裁员。由此可见，现阶段我国制造产业的发展正处于瓶颈阶段，要想有效改善这种情况，进一步推动制造业发展的新形势，还需要加强对高端技术产品的研究与开发，进一步提升工业机器人的工作效率，降低其生产成本，推动制造业的自动化发展。

一、复合剪叉式工业机械臂的基本介绍

复合剪叉式工业机械臂主要由机械本体、动力系统、电控系统和传感器检测系统四个方面组成。其中机械本体是指机座和动力机构，像是机械手臂、末端和机械手腕都是机械本体中的重要组成部分，一般情况下，在设计复合剪叉式工业机械臂的时候，都会将机械手臂运动方向的设计为三个自由度，机座的运动方向为一个自由度，机械手腕的运动方向为两个自由度，最大限度的确保了复合剪叉式工业机械臂的运动范围；动力系统是复合剪叉式工业机械臂能够正常运动的基本保障，主要通过动力装置和传动机构的配合来执行相应的动作；电控系统主要根据输入的指令来控制机械本体和动力系统的正常使用；传感器检测系统能够使复合剪叉式工业机械臂具有触觉、视觉和力觉，即使处于较为复杂的工作环境下，复合剪叉式工业机械臂也能够正常运行。常见的传感器有位移传感器、转角传感器、三维力传感器等[1]。

二、复合剪叉式工业机械臂的优势地位

近几年来，中国制造业的发展正面临着转型升级的关键时期，工业机器人的研究与开发已经成为工业领域经济建设的必然趋势，而我国在工业机器人制造方面却始终停留在传统阶段，所使用的技术工艺、设计理念都比较守旧，仍然存在着工作半径小、工作效率低、应用载荷大、造价控制高等方面的问题，还需要进一步作出完善。复合剪叉式工业机械臂的设计能够有效解决上述问题，尽可能降低机械臂对减速器一类关键部件的依赖程度，弥补传统关节式工业机器人先天不足的弊端，进一步提高了关节式工业机器人的工作效率。

三、复合剪叉式工业机械臂的结构设计

(一)机械系统的结构分析

要想确保复合剪叉式工业机械臂能够充分发挥出其使用优势，加强对复合剪叉式工业机械臂结构设计的研究是非常必要的，尤其是针对其机械运动组成、工作原理、受力情况等相关基本信息的研究。图一为机械系统运动的基本构成。

图一 机械系统运动的基本构成

其中，左侧为驱动复合剪叉式工业机械臂运动的左视图，右侧为机械传动系统的运动主视图。如图一所示，机械系统整体结构主要包括四个方面，分别是基座、传动机构、控制机构和伸缩运动机构。复合剪叉式工业机械臂的工作原理也是围绕着这四个方面进行的，首先利用基座将机械臂固定住，并且保持在一定的方向上，通过伺服电机的运行来带动锥齿轮的转动，并且将动力传递给两侧锥齿轮，再由两侧锥齿轮传递给与其同轴的直线模组，在丝杠副的驱动下伸出剪叉式机构，最后利用直线导轨进行剪叉式机构的支撑与辅助，确保复合剪叉式工业机械臂的正常运行。

(二)复合剪叉式结构设计

复合剪叉式结构设计是整个机械臂设计内容的关键，其结构设计的合理性将会直接影响到传动机构的设计、锥齿齿箱的结构尺寸、伺服电机的选型等后续工作，因此，加强对复合剪叉式结构设计的研究是非常必要的。复合剪叉式工业机械臂在实际应用的过程中主要以直线运动和转动为主，其中静态状态下会对轴承和销轴产生径向力，而运动状态下会对产生径向力及由惯性力和阻力而共同引起的部分轴向力。因此，在进行滚珠轴承设计的时候，需要确保滚珠轴承能够承受径向力的作用，同时还能够承受部分轴向力的作用。中间连接件是复合剪叉式机构设计的关键部件，其尺寸、型号的选择将会直接影响到整个复合剪叉式工业机械臂的受力特性，还需要对其中间连接件的设计作出进一步的研究。

(三)传动机构结构的设计

传动机构结构的设计主要分为两个方面，分别是直线模组结构设计和直线导轨结构设计。直线模组结构设计需要结合复合剪叉式结构设计中的相关数据进行计算，分别从复合剪叉式受到外部载荷和不受外部载荷两个角度进行分析，进一步确定滚珠丝杠的参数，但是所得到的滚珠丝杠参数并不是最终结果，还需要针对其他物理量进行滚珠丝杠尺寸设计和校对。直线导轨结构设计是复合剪叉式工业机械臂中传动机构的重要组成部分，与直线模组结构设计不同的是，直线导轨结构设计没有滚珠丝杠来进行精确定位，还需要结合其他参数进行分析。

(四)锥齿齿轮箱结构设计

当直线模组和直线导轨结构设计确定以后，就可以开始进行锥齿齿轮箱结构的设计，在不影响复合剪叉式机构正常收缩的情况下，对直线模组和直线导轨运动输入端部与复合剪叉式机构固定端点围成的尺寸进行分析，确保所形成的锥齿齿轮箱空间最大化。通常锥齿齿轮箱主要分为两个部分，分别是锥齿轮箱箱体和锥齿轮组，只有确定锥齿轮箱体内锥齿轮组的尺寸和结构，才能够进一步确定锥齿轮箱箱体的结构设计，从而设计出既能够满足复合剪叉式工业机械臂刚性要求。

结论

综上分析可知，随着科学技术的不断发展，关节式工业机器人在制造领域中的应用越来越常见，其结构设计将会直接影响到复合剪叉式工业机械臂的使用性能。目前，我国在关节式工业机器人的使用上还存在很多的不足之处，为了能够有效缓解这些问题，本文提出了一种长跨度、高速度、高精度的复合剪叉式工业机械臂，能够有效弥补传统关节式工业机器人在使用过程中存在的不足之处，对于推动我国制造业的发展有很大的帮助。