轻量化工业机器人本体设计

时间：2024-04-12 13:34:21

关键字：工业机器人双碳轻量化设计

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[导读]工业机器人是先进制造业的关键支撑装备,大力发展机器人产业,对于打造中国制造新优势,推动工业转型升级,加快制造强国建设具有重要意义。近几年,我国持续劳工荒,人工成本快速上涨,加上劳工对工作健康环境日益重视,传统制造业转型升级,使用机器人替代人,已成为未来工业发展的新趋势。

1设计背景及目标

1.1工业机器人本体的发展趋势

工业机器人是先进制造业的关键支撑装备,大力发展机器人产业,对于打造中国制造新优势,推动工业转型升级,加快制造强国建设具有重要意义。近几年,我国持续劳工荒,人工成本快速上涨,加上劳工对工作健康环境日益重视,传统制造业转型升级,使用机器人替代人,已成为未来工业发展的新趋势。

随着“我国力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和”重大战略决策的出台,节能减排成为未来工业生产的必然趋势[1],而想要降低能耗需要技术的进步和创新。传统工业机器人的负载自重比极低,电机的功耗大部分用于负荷机器人本体本身的运动,真正用于做有用功负载搬运的能量占比很少,往往不到10%,造成极大的能源浪费。要降低工业机器人的能耗,最直接有效的方式就是提高机器人的负载自重比,即进行本体的轻量化设计[2]。

1.2设计目标

经调研,传统6~8 kg负载的机器人负载自重比小于1:20。本文目标为通过轻量化设计,使得6~8 kg负载机器人在相近性能参数的前提下,本体重量降低50%以上,即本体重量在60 kg左右,负载自重比达到1:10以上。

2轻量型工业机器人本体结构设计

传统小六轴工业机器人的减速器配置为1~3轴采用3个摆线针轮减速器,4~6轴采用3个谐波减速器。6个减速器的总重量为25 kg,加上6个电机的总重量为35 kg。铸件1~3轴采用铸铁件,总重量为100 kg,4~6轴采用铸铝件,总重量为30 kg,铸件总重量为130 kg,电机减速器加铸件的总重量为165 kg。由此可见,采用传统的配置方案,机器人本体是很难实现大幅度减重的。因此,本文轻量化机器人设计对电机减速器重新进行选型,6个轴都采用了谐波减速器,铸件全部采用铸铝件,可以大幅降低本体重量,在此基础上重新进行电机选型,可以大幅降低电机的功率要求,从而减小电机尺寸,减轻电机重量。基于此,重新进行本体铸件的设计,可以减小铸件的尺寸和重量。完成设计后,重新对电机、减速器、铸件进行仿真分析校核,反复验证修改,最终达到使用要求。

2.1初步拟定设计参数

初定机器人的负载、本体重量、臂展与各轴最大速度等参数,要求机器人本体整机防护等级在IP65以上,如表1所示。

2.2传动结构设计

以J1轴为例,采用中空减速器,同步带传动,便于穿线。2~5轴采用类似传动结构,整机内走线,便于密封,整机防护等级可以达到IP65。6轴采用电机减速器直连的结构,结构简单紧凑,一致性、可靠性高。

本体结构模块化、紧凑化设计。1、2轴底座部分,3、4轴箱体部分,5、6轴腕体部分形成标准化、模块化设计,便于独立安装和自由组合。RB06Q1—1430、RB08Q1—1230、RB06Q1—1600采用模块化设计,通过不同模块和连杆的组合,得到不同臂展、不同负载、不同速度的工业机器人本体,形成系列化产品,以满足不同客户、不同应用场合的使用要求。

2.3本体结构特点

1)重量轻,本体重量约为60 kg,负载自重比约为1:10,节省空间,节能;

2)防护等级高,整机IP65,对恶劣应用环境的适应性更高;

3)整机的安装占地面积小,可360O安装,轻松实现狭小空间内工作;

4)模块化、系列化设计。

3轻量型工业机器人仿真分析校核

3.1轻量化设计技术

工业机器人的带载作业为瞬态过程,其关键零部件如关节臂、齿轮、轴承等在作业过程中是动态的受力过程。因此这些零部件的强度计算不能按照静态问题去分析,需要使用动力学仿真机器人带载作业,并提取关键零部件的动态载荷,将其输入有限元分析软件中对关键零部件进行强度分析,为关键受力部件的结构优化设计提供数据支持。使用有限元分析软件进行刚强度分析,可以实现关键零部件的结构优化,在满足刚强度要求的前提下实现机器人的轻量化设计,降低成本,提升产品竞争力。工业机器人轻量化设计技术路线如图1所示。