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靈貓設計

工業機器人設計加工步驟?

來源:admin 發布時間:2020-02-25 流量:76 人


首先是根據基本要求確定機器人的種類,是行走的提升(舉升)機械臂、還是三軸的坐標機器人、還是六軸的機器人等。選定了機器人的種類也就確定了控制方式,也就有了在有限的空間內進行設計的指導方向,一個批量機器人產品的開發由以下幾個流程組成:這里需要的技能是對行業,對市場,對成本,對公司戰略,對其他開發環節和生產制造過程的綜合認識以及商業敏感。這是在長期工作中慢慢建立起來的。
 
1. 需求分析和產品定義。
產品管理人員在這個階段搜集市場信息,走訪客戶,了解競爭對手,最終總結出一種產品需求,以及需求所針對的典型行業和典型工藝。根據市場提出市場預期,一年能賣多少臺,目標價格區間,目標行業應用的現狀和發展趨勢等。根據需求,提出一份產品性能指標,定量的具體的對預期產品進行產品功能層面的描述,例如使用環境,工作范圍,最高速度,額定負載,實現某典型工藝軌跡的時間,IP等級,電源類型,重量限制,使用壽命,需要遵循哪些認證和標準等等。
 
2. 前期研究和可行性分析
針對前一步提出的產品性能指標,機械,仿真,驅動,電氣,軟件領域的工程師開始從各自的技術角度對指標進行評估。主要從技術可行性和成本兩個方向切入,期間還需要采購和生產人員的協助。目標是確定在技術和成本間是否存在一個可盈利的平衡點。在這個階段另一個重要內容是對競爭對手相似產品進行詳盡的分析和測試,盡可能把對手的經驗轉化為自己產品的優勢。
 
本階段結束后會得到一個概念方案,并且對開發周期和成本有了估計。這些內容會以可行性分析報告,項目計劃,成本分析,風險評估等形式成為輸出文檔供管理層決策是否正式開始開發項目,在這個階段各個領域都會有資深的工程師參加。各個領域涉及的知識和技術會在后面其他開發階段介紹。
 
3. 計算與仿真
前面的概念方案雖然缺乏大部分細節,但依靠大致的尺寸,負載,速度,典型工藝軌跡等信息已經可以對產品進行粗略的建模和仿真計算。依照概念方案中的幾何尺寸信息可以建立機器人的運動學模型。在這樣的基礎上,外部負載是已經定義,自然質量負載和摩擦力根據經驗估計,這樣可以進一步獲得動力學模型。以目標速度和軌跡作為輸入進行動力學仿真就獲得了兩項重要的數據:
a. 各驅動軸扭矩;
b. 各關節受力情況;其中前者作為驅動系統開發和選型的依據,而后者是機械結構設計的依據。
 
仿真計算工作是機器人開發過程中系統層和元件層的接口,面向產品功能的性能指標在這里被轉化為面向技術實現的各元件性能參數。在這個階段格外需要經典力學,多體動力學仿真,對機械系統,電氣系統以及控制理論的綜合知識要有深刻的理解。需要熟練使用仿真計算工具,Matlab/Simulink, Modelica, Adams, 或各種機器人領域內的軟件。當然工具的使用并不是最重要的,對知識的理解永遠是第一位。
 
比較各方面后,決定采用行星齒輪傳動機械結構。行星齒輪在傳動的過程中有裝配間隙和機械磨損所造成的間隙;要消除這些機械間隙首先就要讓齒輪副的配合間隙要小,齒輪材料經熱處理后表面要耐磨,因此行星齒輪副的設計計算不能按常規行星齒輪的設計方法去計算。機器人的手腕是很靈活的關節,而且是要做正反兩個方向的回轉。怎么樣安裝電機是一個問題;行星齒輪傳動機構與手腕俯仰關節連接是一個問題。
 
4. 驅動系統選型開發
驅動系統包括從電源,伺服驅動器,電機,到減速機的一系列元件,更多被叫做powertrain。因為不同元件涉及的領域差別較大,通常由電力電子(power electronic),伺服電機,減速機三個領域的工程師合作完成。
 
根據經仿真計算得出的轉速扭矩需求,在上述三個領域內的產品內選擇已有的標準型號,在標準型號的基礎上進行優化,或開發新型號。這里設計的三個元件驅動器,伺服電機,減速機是工業機器人最核心的三個零部件,承載了物理層的大部分關鍵技術,也是元件成本的大頭。三個元件都是工業系統中的常用元件,但對性能要求與其他應用(除了精密加工和航空航天)比要高一些。因為安裝空間有限且封閉,在緊湊型和熱量管理上的要求尤其高。
 
在這個階段,工程師需要對相關領域的知識有深入理解,例如電力電子,電機驅動與控制 (基于空間向量),電機(主要是無刷永磁電機)設計,電機相關的電磁學,各種減速機設計和應用,軸承與潤滑等。如果不涉及元件開發只是選型則需要對各種元件的性能參數有深入的理解,且有大量應用經驗。
 
5. 機械設計
常規的運動系統機械設計。設計輸入有以下幾方面,一是經過仿真計算的機械部分子系統性能指標(長度,空間運動范圍,重量),二是各節點受力分析,三是驅動系統的安裝要求,四是功能性能指標中對安裝方式和應用環境的要求。綜合這些輸入,機械工程師需要選擇適當的材料,設計合理的結構實現以上要求。
其中力學分析結果作為有限元分析的輸入,由機械工程師對設計進行有限元計算,驗證結構的強度。
 
機械設計:根據設計要求及工藝描述設計各關節的機械機構,確定各部件的材料和加工工藝;制作計算書,驗算機械強度、驅動功率和給出最大抓(舉)重量,各運動路徑的慣量計算,位姿的控制計算。驗算機器人各關鍵部件使用壽命。結合控制程序及電路制作機器人維修保養說明書。
 
6. 控制柜設計
典型的工業驅動控制系統電氣柜設計。柜體為驅動系統中的電源和啟動器,控制系統中的工控計算機(大多廠商選擇工控計算機而不是PLC加運動控制器方案),以及通信總線系統提供安裝,操作,維護的環境。布局,熱量管理,以及相關設計標準(IEC, UL, GB, CE)的執行是關鍵。
 
知識體系:低壓電氣系統設計,伺服驅動系統應用,電氣柜風道和散熱設計,本質安全,現場總線的連接,各種設計標準。熟練使用CAD軟件(Eplan, Autodesk)
 
有了這樣一個文件,我們就好設計了;那么我們首先就要做的是:繪制機器人動運簡圖,規劃機器人運動軌跡,做好這些我們就可以進行機械機構的設計,同時可以考慮程序的線路圖了。
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