五轴弧焊机器人传动机构的设计

五轴弧焊机器人传动机构的设计与分析
戚松制造学院 0743021004
摘要：本文总结并具体应用了示教、再现(T/P)式全电动多关节型五轴弧焊机器人传动机构的设计原则以及各关节传动机构的若干实用可行的设讣方案，并进行了分析比较。

1.引言
设计T/P式具有点位控制(PTP)、连续控制(CP)功能的全电动多关节型五轴弧焊机器人本体的关键问题之一就是传动机构的设计。

本文将详细介绍其传动机构的设计原则，并具体应用于各关节传动机构设计和分析的若千方案。

2.弧焊机器人简介及其传动机构的总设计原则
弧焊机器人持重只有10k g左右，重复精度应±0．2mm为佳，焊接速度范围大约需要0．2～ 2 m/min，高速移动时的速度达60m/min左右，T/P式，具有PTP、CP控制功能，目前国内主要应用的驱动器有直流和交流伺服电机(以下用M表示)，主要应用的减速方式是谐波减速器(以下用R表示)、滚珠丝杠副、行星齿轮机构、齿轮及蜗轮蜗杆传动；本体主要由机身回转(RT自由度)，上臂俯仰(UA自由度)、前臂俯仰(FA自由度)、手腕回转(TW自由度)和手腕上下摆动(BW自由发)构成。

为了满足焊接作业和控制对弧焊机器人本体的基本要求，在传动机构的设计中应着重保证：①足够高的传动精度和刚度；②传动平稳，噪音小；⑧偏重力矩小，运动部分重量轻，惯量小；④摩擦小，传动效率高；⑤总体布局合理，造型美观；⑥成本低，经济性好。

下面将应用这些总设计原则，具体分析各关节传动机构的重点设计要求，并据此设计和分析若干传动方案。

3.机身回转传动机构的设计与分析
机身是直接支承和传动手臂的部件，承载重且受力情况复杂，转动惯量及其变化幅度大，误差放大比最大。

因此，高旋转精度和刚性是机身设计时应首先予以保证。

方案一 M1经R1直接驱动RT轴(图1 )。

方案二参见图1。

M1经摆线行星轮减速器直接驱动RT轴。

方案三图2所示，M1经同步齿形带、R1驱动RT轴。

方案四如图34。

M1经斜齿轮、R1、直齿轮驱动RT轴。

方案五 M1 经蜗杆蜗轮，直齿轮驱动RT轴(图4)。

上述方案的共同优点是：驱动装置都安装在不参与运动的铸铁底座上，支承刚度高，RT 轴转动惯量小。

它们的特点列于表1。

此外，方案一还有一个缺点：按“折算力矩值最小”,“转矩储备最大,“惯量匹配”原则综台考虑所确定的最佳减速比很可能会使R1的激励频率等于伺服系统的自然频率，而又很难两全齐美;方案二和五不存在这一问题，但方案二必须采用等角速比机构J方案三可通过合理选择带传动比来改变R1的激励频率，同步齿形带还能缓和载荷冲击；方案四能通过合理分配各级减速比来避免伺服系统振荡，还可使折算转角误差尽量小。

4.手臂俯仰传动机构的设计与分析
臂部是弧焊机器人的主要执行部件，它支承着腕部和焊枪，并以UA、FA两个自由度的合成运动形成前后，上下工作面。

臂部总重量较大，都是悬臂结构，机械刚性差，有偏重力矩存在，在运动时直接承受腕部和焊枪的静、动载荷，受力状况随位置和速度的变化而变化，尤其当运动状态变化时，将引起较大冲击和振动，影响工作平稳性和定位精度，且误差放大比也较大，因此，降低手臂重量，偏重力矩和转动惯量，保证较高的传动精度和足够的传动刚度等将是手臂俯仰传动机构设计的主要目标。

4.1 手臂俯仰传动机构的设计方案
方案一自由度UA如图5(a)，由铰接安装
于机身后一例的M 通过滚珠丝杠驱动铰接
安装于上臂上的螺母来实现;自由度FA如图
5(b)，由铰接安装于机身后另一侧的M3通过
滚珠丝杠一螺母副驱动平行四边形连杆机
构的铰接点来实现。

方案二如图6(a)，两套M—R装置都固定在机身回转休上，相对位于肩关节两侧。

其一直接驱动上臂俯仰;另一通过驱动平行四边形连杆机构的曲柄来获得前臂与之相同的平面平行运动。

方案三 UA轴传动方案与图6(a)相同；M3
一R3装置也类似地安装于上臂另一侧的肘关
节处，直接驱动前臂俯仰。

4.2 手臂俯仰传动方案的分析比较
方案一、二、四中，上臂运动时都可保持前臂姿态不变，使操作和坐标变换的计算都比较方便、简单；它们前臂的驱动装置都配置在机身回转体上，减轻了上臂的负荷、偏重力矩和转动惯嚣及其传动元件和电机的负载，降低了整机重心；FA轴传动中都增加了一级平行四边形连杆机构或齿形带传动，可消除电机的波动，使结构平稳。

但也使它们的传动路线加长了。

而方案三在这些方面正好相反。

方案一、二均采用平行四边形连杆机构取代了开式链中的一个构件，既提高了承载能力，又提高了传动刚度，使之可在所有方向上快速运动。

但也限制了工作空间，且由于铰接处磨损等原因引起的误差将较大。

而其它两种方案没有这些情况，但方案四的传动刚度稍低。

此外，由于方案一中的两只驱动装置偏离RT轴较远，因此RT轴的转动惯量较大；方案二由于UF轴轴向尺寸较大，因此也存在RT轴转动惯量大的问题，且使肩关节结构较复杂;方案三可使M—R装置尽量地缩进各自的关节中，从而在这方面大有改善；方案四也能使UA轴的轴向尺寸有所缩短，肩部结构得到简化。

为了进一步改善UF轴轴向尺寸长的缺点，还可将M2、M3竖装，M和R之间增加一级锥齿轮传动，如图6(b)。

尽管传动路线长了，但因锥齿轮副位于高速级，所以对传动精度的影响不会太大，而且可调整R的激励频率、减小折算惯量。

但噪音和冲击将增大。

5.腕部关节传动机构的设计与分析
腕部处于臂部的最前端，它连同焊枪的静动载荷均由悬伸的手臂承受。

显然，腕部的重量、动载荷和传动机构等直接影响着臂部的结构、重量、工作空间和运转性能。

因此，在腕部传动机构设计时，必须力求结构紧凑、重量轻、布局合理。

为此，常将手腕驱动装置安置在远离腕部的地方，采用链或同心刚性套筒等把运动传至手腕，再通过锥齿轮差动机构实现TW 、BW 自自由度。

5.1 手腕差动机构的方案与分析
差动机构之一参见图8，传至手腕的两个运动
分别成为两个中心轮的回转运动，当它们以同
速同向运动时，完成BW自由度；当它们以同速
反向运动时，完成TW自由度，当它们不管朝什
么方向以不同的速度运动时，TW、BW 自由度
同时产生。

差动机构之二参见图9，传至手腕的运动之
一通过锥齿轮传动将回转轴变换9O°，实现TW
自由度；传至手腕的另一运动直接传给腕壳
体，产生BW自由度，但同时将引起“诱导运
动”。

这两种差动机构都可使腕部结构紧凑、轻巧、传动扭矩大，有利于改善其运动性能，并适于高温作业。

其中，方案二有时可省去一只锥齿轮，从而能提高传动精度，降低噪音和腕部重量，而方案一能减小其轴承内的反作用力和轮齿上的载荷。

5.2 腕驱动装置的布局和传动形式及其分析
方案一如图8(图中以差动机构之一为例，以下各方案均以差动机构之二为例)。

将M4-R4、M5一R5布置在前臂末端，通过减速齿
轮、同心刚性套筒及锥齿轮副将运动
传至腕部
方案二如图9，将M 一R 、M 一R 对
称布置在前臂末端，通过链条把运动传
至手腕。

方案三圈l0所示，将M 一R 、M 一R
对称布置在驱动前臂俯仰的平行四边
形机构的曲柄末，通过两级链条把运动
传至手腕。

方案四如图1，将M 一R 、M ～R。

固
定在机身回转体上、对称布置于肩关节两
侧，通过两级链条把运动传至手腕。

方
案一和二中的M—R装置对前臂起静力平
衡作用，方案三中的M～R装置对上臂和
前臂均赶定的静力平衡作用。

从而它们
既在工作空间任意位置上都减轻了此手
臂传动元件和电机的负载，又减小了此
手腕的静态偏重力矩。

但却导致了手腕系
统固有频率的减小，增大了该手臂的重量
和较下之臂的偏重力矩，增大了RT轴转动
惯量，其中方案一和二在上臂处于极限位置时尤为突出。

它们还限制了工作空间。

而方案四的效果正好与它们相反。

方案一和二的传动路线最短，使传动精效率和刚度均较高，成本和传动链惯性较低。

但整机重心较高。

而其它两方案与之相反方案一中，作用在传动轴上的载荷小，噪音较小，能使前臂刚度增大、外形细长、整齐、结构简单。

但有刚性冲击。

而其它方案中均采用了链条传动，其缺点是：传动精度低，运动惯性大、瞬时速度不均匀、运动平稳性较差、噪音大、占用空间大、价格较贵，而且M—R装置外伸尺寸也都偏长。

为此，还可采用同步齿形带把M 的运动传至安装在手腕中的R，再通过锥齿轮差动机构传动，实现TW、BW自由度。

但将使腕部的体积和重量有所增加。

此外，在上述各关节的所有传动方案中，M直接驱动R方式居多。

其缺点是R传功构件的同
轴度要求高，由于电机轴对基准所允许的不同轴度往往较大，若波发生器与轴采用刚性联接，将导致载荷沿啮合区分布不均，力的平衡被破坏，使运动精度、寿命和效率等降低，甚至引起轴折断的情况。

6.结束语
本文介绍的五轴弧焊机器人各关节传动机构的所有设计方案都是实用可行的;所总结的传动机构的设计原则和对各种传动方案优缺点的分析比较，便于在结构设计中保证重点、扬长避短。

它们对其它用途的全电动多关节型机器人传动机构的设计也有参考价值。