一種多機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種多機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

多機(jī)器人系統(tǒng)是各種工作線的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子模塊被分解，印刷板的廣泛應(yīng)用，以及組裝過(guò)程的自動(dòng)化，傳感器技術(shù)的發(fā)展允許機(jī)器人從汽車制造部門的搬運(yùn)、噴漆、焊接和安裝到電子工業(yè)板的不同部件的安裝和焊接。在裝配和制造行業(yè)的生產(chǎn)能力中，一項(xiàng)任務(wù)通常包括許多不同的序要求的序列。該操作工作量大，操作內(nèi)容簡(jiǎn)單，工作空間小。多機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用可以靈活、方便地調(diào)整生產(chǎn)流程，組織工作任務(wù)，相互協(xié)作，高效、準(zhǔn)確地完成任務(wù)。1人組成和模型設(shè)計(jì)多機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用于機(jī)器人群控系統(tǒng),其整體機(jī)械結(jié)構(gòu)由支架、工作平臺(tái)、環(huán)形導(dǎo)軌、移動(dòng)平臺(tái)以及4個(gè)機(jī)器人組成,包括2種不同功能的機(jī)器人,如圖1所示.平臺(tái)支架采用方體鋁型材桁架結(jié)構(gòu),平臺(tái)選用日本進(jìn)口鋁合金板加工,支撐機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的雙直線導(dǎo)軌采用日本THK直線導(dǎo)軌,中間環(huán)形導(dǎo)軌選用英國(guó)HepcoMotion導(dǎo)軌及BCP44轉(zhuǎn)向滑座,機(jī)器人分別為SA1400型串聯(lián)機(jī)器人和三自由度Delta并聯(lián)機(jī)器人2局部設(shè)備設(shè)計(jì)多機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在已有基礎(chǔ)上進(jìn)行的局部機(jī)構(gòu)重點(diǎn)創(chuàng)新設(shè)計(jì),以保證傳動(dòng)的精度要求和系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行的可執(zhí)行性和高效精準(zhǔn)2.1cc自動(dòng)識(shí)別機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一般機(jī)器人平臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置位于工作平臺(tái)的上面,其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工作空間狹小,且預(yù)緊裝置難以靈活調(diào)節(jié).自動(dòng)預(yù)緊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái),系統(tǒng)選用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),齒輪齒條傳動(dòng)采用日本KAMO新型TCC齒條滾輪傳動(dòng),具有零背隙、高精度、低噪聲、低振動(dòng)和實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高速化等優(yōu)點(diǎn),自動(dòng)預(yù)緊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖2和3所示.將整個(gè)機(jī)構(gòu)置于工作平臺(tái)下面,動(dòng)力線和信號(hào)線從平臺(tái)底下傳輸,以減少線束對(duì)工作空間的影響.結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì),以節(jié)省空間,且重心與機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的重心在一個(gè)豎直平面內(nèi),以克服下置布局重心偏移引起的傳動(dòng)過(guò)程振動(dòng),從而保證了移動(dòng)的平穩(wěn)性.模塊化設(shè)計(jì)是在一塊板上安裝驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和減速器,另一塊板上安裝同步帶傳動(dòng)的主從帶輪,驅(qū)動(dòng)板把動(dòng)力傳遞到傳動(dòng)板,傳動(dòng)板在預(yù)緊裝置的作用力下使?jié)L輪與齒條完全嚙合.預(yù)緊裝置設(shè)計(jì)為可調(diào)彈簧并安裝在驅(qū)動(dòng)板上,力作用在傳動(dòng)板上并使整個(gè)機(jī)構(gòu)相聯(lián),通過(guò)調(diào)節(jié)螺母來(lái)調(diào)節(jié)預(yù)緊力的大小.2.2移動(dòng)平臺(tái)解耦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)解耦特性對(duì)于機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)精度的控制非常重要,經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)解耦的機(jī)構(gòu)更容易控制,并且可以達(dá)到更高的運(yùn)動(dòng)精度.移動(dòng)平臺(tái)的解耦機(jī)構(gòu)如圖4所示.移動(dòng)平臺(tái)安裝在工作平臺(tái)直線導(dǎo)軌的4個(gè)滑塊上,并用螺釘完全固定.由于直線導(dǎo)軌較長(zhǎng),所以導(dǎo)軌的安裝很難達(dá)到完全平行等距,加上受機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中慣性力的作用,移動(dòng)平臺(tái)和滑塊的完全固定將導(dǎo)致移動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)間斷啟停甚至卡死的現(xiàn)象,左列滑塊通過(guò)移動(dòng)平板在螺釘預(yù)緊力的作用下直接與右列滑塊耦合,所以在設(shè)計(jì)中對(duì)右列滑塊與平臺(tái)之間加裝解耦裝置,通過(guò)間隙配合的軸承與軸在軸向的移動(dòng)副來(lái)解耦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),整個(gè)移動(dòng)平臺(tái)縱向移動(dòng)完全解耦,依靠左列滑塊的微小間隙來(lái)保證運(yùn)行的可靠性.2.3獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的裝置一般生產(chǎn)線的多個(gè)轉(zhuǎn)向工作臺(tái)是在一個(gè)大功率的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下同步運(yùn)轉(zhuǎn)的,各個(gè)工作臺(tái)不能獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn),其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便但缺少柔性.但是,環(huán)形導(dǎo)軌運(yùn)轉(zhuǎn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)與一般的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)有所不同,可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng),如圖5所示.每個(gè)工作臺(tái)都由獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)并帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng),齒輪與齒條的預(yù)緊裝置采用彈簧預(yù)緊杠桿機(jī)構(gòu),以使齒輪齒條嚙合緊密,從而保證了直線和轉(zhuǎn)彎的平穩(wěn)移動(dòng).由于環(huán)形導(dǎo)軌寬度遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度,各個(gè)電動(dòng)機(jī)供電成了設(shè)計(jì)的難點(diǎn),采用中心導(dǎo)電滑環(huán)已經(jīng)無(wú)法解決該問(wèn)題.為此,本文設(shè)計(jì)了環(huán)形導(dǎo)電槽,通過(guò)導(dǎo)電槽上的環(huán)形導(dǎo)電片給每個(gè)電動(dòng)機(jī)供電,以使電動(dòng)機(jī)有獨(dú)立的電流通斷和大小控制裝置來(lái)控制工作臺(tái)的起停和移動(dòng)速度.3設(shè)計(jì)方案的合理性分析在多機(jī)器人系統(tǒng)中,平臺(tái)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的部分,其中將選型設(shè)計(jì)與構(gòu)型設(shè)計(jì)科學(xué)合理地結(jié)合在一起3.1機(jī)構(gòu)的組合和工作原理在自動(dòng)預(yù)緊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,采用簡(jiǎn)單的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法滿足所需功能要求,也無(wú)法達(dá)到總體的設(shè)計(jì)目標(biāo).為了對(duì)單一傳動(dòng)的不足進(jìn)行彌補(bǔ),本文設(shè)計(jì)時(shí)把模塊化的驅(qū)動(dòng)板塊、傳動(dòng)板塊和2個(gè)板塊之間的預(yù)緊裝置組合起來(lái),使各自所具備的優(yōu)點(diǎn)有效地集中起來(lái),進(jìn)而設(shè)計(jì)出可以達(dá)到平臺(tái)設(shè)計(jì)要求的新機(jī)構(gòu).自動(dòng)預(yù)緊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新符合組合原理,整個(gè)機(jī)構(gòu)短小、傳動(dòng)緊湊,減少了振動(dòng)導(dǎo)致的累積誤差,也符合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈縮短的原則.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理如圖6所示.電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器帶動(dòng)帶輪傳動(dòng)而完成滾輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),并轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)的平移運(yùn)動(dòng).整個(gè)傳動(dòng)過(guò)程嚙合緊密,移動(dòng)平穩(wěn),布置方便,易于安裝和維修,且預(yù)緊力調(diào)節(jié)靈活.3.2選取合理運(yùn)動(dòng)副和降低尺寸原則結(jié)構(gòu)耦合是指2個(gè)或2個(gè)以上機(jī)構(gòu)間通過(guò)相互作用而彼此影響的現(xiàn)象,解耦就是將2種運(yùn)動(dòng)分離開來(lái)處理,常用的解耦方法是忽略或簡(jiǎn)化對(duì)所研究問(wèn)題影響較小的一種運(yùn)動(dòng),只分析主要運(yùn)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)與導(dǎo)軌之間通過(guò)滑塊接觸組成縱向運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)副.設(shè)計(jì)中,為了運(yùn)動(dòng)解耦在單側(cè)滑塊與平臺(tái)之間增加一個(gè)軸與軸承間隙配合的軸向線接觸移動(dòng)副,線接觸運(yùn)動(dòng)副綜合了點(diǎn)接觸和面接觸運(yùn)動(dòng)副的優(yōu)點(diǎn),以在移動(dòng)過(guò)程中與徑向各個(gè)方向接觸.移動(dòng)平臺(tái)解耦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新符合選取合理的運(yùn)動(dòng)副原則,且豎直方向采用軸與軸承結(jié)構(gòu)保證了豎直方向的尺寸和剛度,其移動(dòng)原理如圖7所示.在平臺(tái)縱向移動(dòng)的同時(shí),橫向運(yùn)動(dòng)副只做解耦而不影響主運(yùn)動(dòng),解耦裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,零件小,安裝調(diào)試方便.3.3選擇合適的原動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)方式原則環(huán)形導(dǎo)軌工作臺(tái)的移動(dòng)是相互獨(dú)立的,采用伺服電動(dòng)機(jī)很難解決動(dòng)力線和信號(hào)線的傳輸問(wèn)題,所以采用低壓普通直流電動(dòng)機(jī)從導(dǎo)電槽獲電.電動(dòng)機(jī)的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式增強(qiáng)了移動(dòng)工作臺(tái)的柔性,符合多機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)電路板的柔性裝配要求.獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處在于選取了合適的原動(dòng)機(jī),并且采用了合理的驅(qū)動(dòng)方式,其移動(dòng)傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖如圖8所示.從圖中可以看出,此機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案合理.4動(dòng)力學(xué)性能分析多機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)依據(jù)生產(chǎn)線的現(xiàn)實(shí),在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和提高,設(shè)計(jì)了自動(dòng)預(yù)緊傳動(dòng)、移動(dòng)平臺(tái)解耦和獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向工作臺(tái)等機(jī)構(gòu),符合電路板