工业机器人平衡机构设计及仿真实测分析.pdf

技术与创新 2024 年 第 1 期 总第 226 期 造纸装备及材料78工业机器人平衡机构设计及仿真实测分析余天荣，傅志锋广州数控设备有限公司，广东 广州 510535摘要：随着“碳中和”政策的出台，节能减排成为未来工业机器人发展的重要趋势。工业机器人是先进制造业的关键支撑装备，为了降低工业机器人的能耗，可通过本体增加平衡机构设计的方法，平衡掉部分输出负载转矩，从而降低电机功耗。基于此，文章介绍几种常见工业机器人平衡机构类型，基于机构原理设计了平衡机构，并对工业机器人平衡机构进行仿真分析和实际测试，实现了工业机器人能耗的降低。关键词：工业机器人；节能降耗；平衡机构设计分类号：TH1121 设计背景及目标传统的工业机器人想要减少能耗，通常有几种方法，控制算法优化、本体的轻量化设计和增加平衡机构设计1。平衡机构设计一般用于大负载工业机器人，通过增加配重块、弹簧平衡缸、氮气平衡缸、液压平衡缸的方法，平衡抵消掉部分输出负载转矩，从而降低对电机的输出转矩和功率要求，减少电机功耗。使用增加平衡机构设计的方法简单、可靠，可以在不影响机器人本体性能的情况下，达到较好的节能降耗的效果。机器人长期连续运行工作，预期可以实现单轴降低能耗约 20%的目标。2 常见平衡机构类型机器人在末端负载相同的情况下，负载对 2 轴产生的扭矩最大，为了降低 2 轴电机输出扭矩和功率要求，减小电机选型规格，可以通过增加重物平衡块、弹簧平衡缸、氮气平衡缸、液压平衡缸的方法，平衡抵消掉部分输出负载转矩，降低对电机的输出转矩和功率要求，从而降低电机功耗2。常见的平衡机构有配重块、弹簧缸、氮气缸、液压缸四种类型，四种结构各有优缺点，如表 1 所示，需要根据各机器人本体特点要求进行选择设计。表 1 不同机器人平衡机构的优缺点类型优点缺点配重块结构简单、免维护尺寸大、质量大弹簧缸稳定可靠、寿命长、受环境影响小占用空间大、质量比气缸大氮气缸尺寸小、质量轻、安装方便稳定性差、寿命短、需要定期维护液压缸尺寸小、压力大、稳定性较好价格昂贵、使用维护麻烦配重块平衡效果一般，但其结构简单，易于调整，工作可靠，但增加了机器人本体的质量和惯量，适用于不平衡力矩较小的情况。弹簧缸平衡机构结构简单，平衡效果也较好，工作可靠，适用于中小负载，由于成本低、稳定性好等特点，应用较为广泛，但其结构较复杂，拆装麻烦，质量重。在运动过程中，弹簧缸的摆动范围较大，占用空间大3。氮气和液压平衡缸在阻尼性能及平衡效果方面表现优良，但因其平衡系统复杂、价格较高，以及装卸与维修难度较大，故在应用于配重平衡机构和弹簧平衡机构时，无法满足工作需求。3 平衡机构设计3.1 机构原理分析以气缸平衡机构为例进行说明，这种平衡机构原理如图 1 所示。气缸平衡机构的输出端负载力矩 M1为（1）式中：M11为重力矩；M12为惯性力矩；J 为本体对关节轴的转动惯量；为二轴运动平均角加速度。气缸产生的平衡力矩 M2为（2）式中：F 为气缸活塞推力。作者简介：余天荣，男，本科，工程师，研究方向为工业机器人。文章编号：2096-3092（2024）01-0078-03造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 技术与创新79静力平衡条件为 M2=M11；动平衡条件为 M2=M11+M12。氮气缸产生的平衡力矩一般是不能达到实现动平衡的条件的，只能抵消其中一部分的输出力矩，从而减小电机的输出力矩要求。但是在合理的设计下，氮气缸产生的平衡力矩是可以达到静力平衡条件的，即可以在机器人不带负载、只受重力影响的静态条件下，氮气平衡缸的拉力可以把机器人本体的大臂拉住，使其处在一个静止的平衡状态4。气缸平衡机构多用在重载搬运和点焊的机器人上，气压缸的质量轻，但受环境影响较大；液压缸相对稳定，体积小，平衡力大。3.2 结构设计3.2.1 弹簧缸平衡结构弹簧缸平衡结构通常将拉杆头的拉耳设计在大臂的外侧，而弹簧缸的支撑点则设置在转盘上。这种结构设计相对简单，符合一般工程设计的原则。这种结构设计对大臂的干涉较少，大臂的设计限制少，刚度可以设计得较大。这种设计弹簧拉力的力臂会较大，会造成弹簧的行程过大，影响弹簧的使用寿命。弹簧的工作载荷应该控制在试验载荷的 20%80%，适当缩短弹簧工作行程有利于延长弹簧寿命。因此，弹簧缸设计的关键点之一是合理控制拉杆头中心到二轴中心的距离，减小拉力力臂，压缩弹簧工作行程，根据极端工况下弹簧需承受的拉力、工作行程以及初始状态下的预拉力，确定弹簧的初始长度、刚度系数、最小压缩量、最大压缩量，再根据使用寿命校核线径、中径、节距等参数。弹簧缸的安装尺寸设计、弹簧参数的设计是一个反复修正的过程，一般而言，弹簧的拉力越大，行程越小越好，据此可以设计 2 条或 3 条弹簧的组合弹簧。另外，应该合理设计弹簧缸支撑点的位置，以减小弹簧缸的摆动幅度，减少占用空间5。3.2.2 氮气缸平衡结构氮气缸结构有两种安装方式，分别是氮气缸横置和氮气缸竖置。在氮气缸横置的情况下，将其分为压缩缸和拉缸。其中，拉缸的安装方式与弹簧缸相似，其特性也与弹簧缸相类似。这种结构设计能够有效地减少缸与大臂之间的相互干扰，从而提升大臂的刚性。氮气缸横置会造成氮气缸运动时与大臂产生大范围干涉，需要将大臂的材料去除一部分，造成大臂的刚度降低，但是由于氮气缸的支撑点起到辅助支撑大臂的作用，这种连接方式刚度比氮气缸竖置的方式要高6。氮气缸竖置分为大臂外置和内置两种形式，大臂外置即将氮气缸安装在大臂外面，这种安装方式对大臂的设计影响小，大臂的刚性好，但是占用空间大。大臂内置即将氮气缸安装在大臂的内部，这种安装方式会造成氮气缸与大臂容易发生干涉，因此大臂的尺寸需要做得较大，这样会对大臂的刚度有较大的影响，但是占用空间小，不容易与周围设备干涉，也更安全7。以氮气缸竖置且大臂内置的结构形式为例，一般氮气缸的一头固定在大臂上端，拉杆头固定在转盘接近二轴中心处。由于装配时会产生较大的累积误差，支撑轴承选用调心轴承。氮气缸产生的拉力很大，可以合理设计氮气缸的安装尺寸，减小拉杆的行程和缸的摆动范围，并提升大臂的刚度。可以根据极限状态下氮气缸需要产生的压力和工作行程，对氮气缸进行初步的选型，并根据氮气缸的压力特性图，选定氮气缸的充气气压、刚度系数和初始压力值等参数8。通过校核计算和动力学仿真分析，对连接尺寸和氮气缸参数进行反复优化修正。氮气缸在最大压力状态下可产生的压力非常大，可能会超过减速器可承受的极限，因此需要对二轴减速器的径向力和弯矩进行校核。氮气缸的选型，除了要考虑对电机输出力矩的影响，也要考虑对减速器的弯矩的影响，当弹簧缸的推力过大时，会造成减速器在工作的过程中所受弯矩超过允许值，影响减速器的寿命。并且，在运转过程中会导致减速器发生异响。同时，过大的推力也会造成大臂发生较大的变形，从而降低本体的精度。因此，e0XYmgmF气缸l-llry竖直距离；x水平距离；e弹簧另一端安装点到二轴中心的距离；l弹簧在大臂上的安装点到二轴中心的距离；l-l气缸大臂安装点到负载的距离；m负载；mg负载的重力；F气缸推力；r大臂与水平方向夹角。图 1 气缸平衡机构原理图 技术与创新 2024 年 第 1 期 总第 226 期 造纸装备及材料80应该综合考虑各方面的影响因素，才能进行合理的设计和氮气缸选型，从而使机器人本体的性能达到综合最佳。4 工业机器人平衡机构仿真分析根据机器人模型动力学仿真分析，可得到各轴所需的传动扭矩。结合减速器的减速比、传动链的效率，将减速机的效率和齿轮的效率等因素考虑进去，并考虑各轴所需的转速（运动耦合因素也要考虑在内），然后才可以进行电机参数计算校核。通过某一静态姿态对平衡机构的受力进行分析，如图 2 所示，进行选型设计和校核，但是要知道平衡机构在动态过程中的作用情况和整个节拍的能耗减少情况，可以进行动力学仿真分析校核。将氮气缸以刚度系数接近的弹簧替代，加入动力学仿真模型中，设定二轴运动工况进行运动仿真，得到机器人第 2 轴的力矩-时间曲线，可以看到机器人第 2 轴在不同时刻下的输出力矩大小。再把氮气缸去除，以同样的工况进行仿真，得到机器人第 2 轴在没有氮气缸平衡机构下的力矩曲线，作为分析对比9。图 2 工业机器人平衡机构仿真分析分析机器人第 2 轴仿真分析结果发现，氮气缸在机器人整个运动过程中都起到明显的平衡作用，在极限位姿下，第 2 轴电机所需的输出转矩降低了约 40%。通过求导功率参数对比，在一般工况下，氮气缸的节能降耗效果可以达到 20%以上。因此，也可以据此降低电机的选型规格要求，从而降低成本10。5 工业机器人平衡机构实际测试经过仿真分析可以得到氮气平衡缸理论设计的预期使用效果，然而，仿真分析结果存在一定的误差。因此，为了确保设计的准确性和可靠性，需要进行实际测试，以进一步验证理论设计的使用效果。让机器人分别在不安装氮气缸和安装氮气缸两种情况下单轴运行同一段程序，持续 24 h，分别统计两种情况下机器人的能耗数据，可以得出氮气平衡缸的节能效果。经实验验证，安装氮气缸后，单轴节能降耗效果能达到 20%以上。6 结束语节能减排是未来工业机器人发展的重要趋势，通过采用高强度材料、加入轻量化设计、优化控制算法、增加平衡机构设计等方法都可以有效地降低机器人的工作能耗。但是经过综合，从实现的难度、工艺可行性、可靠性和一致性等多方面考虑，增加平衡机构设计是一种目前较容易实现，工艺性较好，成本适中，稳定性和可靠性较高的一种方法。采用合理的设计，可以不降低本体的刚度，在保持本体的高刚高精的同时，也可以保持极高的一致性和稳定性。通过机器人平衡机构设计、仿真分析、实际测试，证明平衡机构设计具有降低机器人的工作能耗的作用。参考文献1 张于贤,盛铁锋,钟素红,等.考虑机器人故障的生产线工位冗余设计J.工业工程,2023,26(6):155-164.2 李家鹏,王剑,李学伟,等.工业机器人装箱与码垛工作站数字孪生系统设计与优化J.现代制造工程,2023(10):44-49.3 杨永,杨进兴,黄伟龙,等.基于激光传感器的工业机器人动态抓取系统设计J.传感器与微系统,2023,42(10):84-87.4 刘太岸,刘祚时,范雨婷.基于PLC的半自磨机介质取运自动控制系统设计J.有色金属(选矿部分),2023(4):149-155.5 喻宁娜,莫胜撼.工业机器人机械臂加强装置优化设计研究J.造纸装备及材料,2023,52(7):36-38.6 陈子阳,刘伟.基于数字孪生工业机器人建模与远程监控系统的设计J.制造业自动化,2023,45(6):17-22.7 吴锦辉,张德权,韩旭.工业机器人参数容差稳健性设计J.机械工程学报,2023,59(11):147-158.8 孙维.重载工业机器人机构设计与性能保障D.汕头:汕头大学,2021.9 武广平.重载物料转运机器人机构设计与分析D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020.10 薛琛.基于工业机器人的线束自动包覆设备研究D.上海:上海应用技术大学,2020.