工业机器人机械结构模块化设计

董泽锋

碧桂园控股有限公司 广东 佛山 528000

引言

目前工业机器人设计周期长，成本高，每种机器人配置的应用范围有限，难以适应市场需求和变化。为了解决上述问题，本文提出了一种工业机器人模块化的参数化设计方法。用户可以通过对模块进行选择、模块尺寸选择的确定和模块组装，完成满足工作要求的工业机器人结构设计。本设计方法简单，加工周期缩短，产品质量相对较高，维护方便便捷，产品成本较低，具有非常大的市场潜力。

1 模块化设计思想及其优势

1.1 模块化设计思想

模块化设计是一个渐进的产品设计和生产过程。模块化的设计思想由来已久，基本构想是利用产品系统的整体功能，在功能分析的基础上，将整个产品分成若干特定的模块，然后采用不同的模块组合，得到不同品种、不同功能的产品，以满足市场的不同需求。

1.2 工业机器人模块化设计过程

模块化设计需要分析工业机器人的功能，划分和设计了一些通用功能模块，并对这些模块进行了选型和配置。功能不同的工业机器人，或者是功能类似的工业机器人，其性能不同、成本是不同的。工业机器人一般情况下都是可以进行机器人的模块化设计，模块化设计的优点就是可以有效降低成本，缩短设计周期，改进和维护产品方便操作提高产品市场竞争力等[1]。

2 模块划分及接口设计

2.1 模块划分方法及理论

在对工业机器人市场调研和功能分析的基础上，将机器人产品划分为若干个比较常见的功能模块，并对各个模块的接口和需求进行了分析和定义。模块分配中需要考虑的因素如下：

（1）模块化产品分割及模块化产品的基本原理采用以少博大为原则。

（2）模块的机械结构，其实际的功能具有一定的独立性和完整性。

（3）需要确保同一种功能的模块互换性，还可以根据不同的功能进行模块化的组合，则模块必须具有“组合”和“互换”的两个特征。

2.2 模块划分及各模块功能

本文以关节类型的机器人作为研究对象。关节型的机器人是由关节交替连接的连杆组成的。关节型机器人总计可以分为四个模块设计，假设平行于机器人连接位置的为x轴，而垂直于机器人连接位置的是y轴和z轴。

（1）执行器模块A：执行器模块分为三种类型：吸附式执行器、机械夹紧驱动执行器和其他类型执行器（如摄像机、焊枪等）。

（2）绕y轴的摇摆臂模块B：它提供绕轴的摇摆运动。

（3）绕z轴的旋转臂模块C：它提供绕连杆的回转运动。

（4）基板模块D：基板模块可实现机器人的支撑、旋转、转动、连接和安装功能，将机器人固定到指定位置或连接到移动设备。

2.3 接口设计

通过标准接口使用不同系列的模块使这个接口应尽可能小，接口应简单、稳定、可靠，促进模块的快速组合[2]。

3 工业机器人模块化参数化设计的实现

3.1 机器人模块化参数化设计的实现流程

在机器人的模块化参数设计中，用户首先根据实际操作条件确定组件的类型、数量和组装方式，然后确定机器人每个模块的尺寸参数，以确定机器人的机械结构的差异。机器人尺寸模块的类型和数目对应于结构类似和尺寸不同的机器人。

具体流程如下：

（1）实际工况，即根据机器人所从事的工作类别进行系统的模拟分析。

（2）工作半径计算，机械手的设计需要根据工作的半径作为计算标准，半径过长容易造成精细度不准确，半径过低容易造成衔接不准确，只有合理的计算，反复的调试验证，才能达到既定的效果。

（3）确定模块种类、数量，机器人模块种类和数量参数的设计可以为制造装配做好充分的数据支持，在标准化的执行中能够得到很好的体现。

（4）确定模块及装配，根据数据进行模块确定和装配步骤的制定，对整个机器人来说是非常重要的，在确定模块之前应遵循简单、灵活和标准化的原则。

（5）设计完成。

3.2 机器人总图设计

我们可以根据机器人的零件参数表，先建立起机器人的各项模块组件，从建立三维模型开始，同时需要在机器人的各模块中进行反复的组装和拼接，完成在大部分的工作情况下的工业机器人的设计[3]。

4 结束语

本文提出了一个工业机器人模块化的设计方案。结果表明，本次设计的工业机器人模块从设计方法的角度而言是可行的，完全可以用于其他的机器人模块化的设计上面。模块化分工的好坏直接决定了模块化系列化的成败，合理的集成这些模块决定了整个机器的指定功能指标是否实现。所以模块划分与集成是工业机器人模块化建设的关键。