某六自由度電焊噴涂機(jī)器人的臂桿平衡方法案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u16519某六自由度電焊噴涂機(jī)器人的臂桿平衡方法案例分析 1147101.1質(zhì)量平衡法 152041.2彈簧力平衡法 245221.3氣動(dòng)和液壓平衡法 348751.4小結(jié) 4為了保持機(jī)器人的靜態(tài)平衡，需要在每個(gè)關(guān)節(jié)處施加一定的驅(qū)動(dòng)力矩來(lái)平衡重力產(chǎn)生的偏置力矩。因此，偏置轉(zhuǎn)矩的大小直接決定了關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩和功率，其波動(dòng)幅度直接影響驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性。過(guò)大的偏置力矩不僅會(huì)增加關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載，還會(huì)降低傳動(dòng)系統(tǒng)的精度和壽命[1]。在工作過(guò)程中，機(jī)器人的連桿大多處于懸臂狀態(tài)，而工業(yè)機(jī)器人每個(gè)連桿的自重一般為負(fù)載的10~20倍[2]。連桿自重產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩遠(yuǎn)大于負(fù)載產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩。設(shè)計(jì)一種平衡機(jī)構(gòu)來(lái)平衡連桿的自重和負(fù)載產(chǎn)生的靜偏力矩是非常有意義的。目前，工業(yè)機(jī)器人的平衡方法主要有配重平衡法、彈簧平衡法、氣缸平衡法、機(jī)械阻尼平衡法、彈簧凸輪平衡法[3]、彈簧氣動(dòng)混合平衡法[4]等。1.1質(zhì)量平衡法為了在靜態(tài)狀態(tài)下達(dá)到質(zhì)量平衡，我們應(yīng)該合理分配身體各部位的質(zhì)量分布，使重心盡量落在腰部中間，腰部與底座相連，這樣它的穩(wěn)定性就會(huì)大大提高。也可以在適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行配重，使臂的重心落在支點(diǎn)上。本文以kuka662/100機(jī)器人為例，將III、IV、V軸電機(jī)安裝在臂肩上，以達(dá)到配重平衡的目的。這種方法雖然會(huì)增加動(dòng)臂的總質(zhì)量，但由于總扭矩減小，對(duì)各關(guān)節(jié)的沖擊減小，甚至可以成為良性沖擊。當(dāng)質(zhì)量平衡法不能達(dá)到平衡效果時(shí)，可用彈簧力或其它可控力（如氣、液、電能）進(jìn)行補(bǔ)償。1.2彈簧力平衡法圖5-1彈簧平衡原理當(dāng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量平衡不能解決平衡問(wèn)題，或因空間問(wèn)題不方便采用第一種方法時(shí)，可考慮采用彈簧平衡法。其原理是通過(guò)長(zhǎng)彈簧平衡各部件的重力，如圖5-1所示，從而達(dá)到不影響系統(tǒng)平衡的目的。由于主杠桿臂的平衡問(wèn)題發(fā)生在小臂上，因此以小臂為研究對(duì)象（桿2），在桿2的尾端離轉(zhuǎn)動(dòng)中心為處安裝一根長(zhǎng)彈簧。長(zhǎng)彈簧的另一端安裝在長(zhǎng)度為的固定連桿1上，固定連桿1的另一端固定在轉(zhuǎn)動(dòng)中心O上。如果桿2的原始位置和固定桿1垂直，工作時(shí)臂桿2順時(shí)針轉(zhuǎn)了一個(gè)角度θ，則在工作位置上彈簧力產(chǎn)生的平衡力矩為：式中為固定連桿1和彈簧間的夾角；且有和由上可得：式中，為彈簧拉伸后的長(zhǎng)度；為彈簧的初始長(zhǎng)度；為彈簧的剛度系數(shù)。在實(shí)踐中，由于多種因素，彈簧的剛度難以完全滿足要求。此時(shí)，彈簧的長(zhǎng)度和剛度應(yīng)正確更改。1.3氣動(dòng)和液壓平衡法與彈簧力平衡法相比，氣動(dòng)平衡法和液壓平衡法效果更好。兩種方法的原理和功能大致相同，但氣液法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，前者不具備：1。壓力一旦調(diào)整，就是一個(gè)固定值，即使桿臂位置發(fā)生變化，壓力裝置也能保持良好的穩(wěn)定性；2;2.與彈簧系統(tǒng)相比，氣液系統(tǒng)的壓力（平衡力）可獨(dú)立調(diào)節(jié)，更方便可調(diào)，更好地保持機(jī)體的穩(wěn)定性。但這種平衡方法也有缺點(diǎn)，因?yàn)樗墙柚饬?lái)平衡的，外力來(lái)自氣動(dòng)泵或液壓泵，泵體的質(zhì)量和體積一般較大，增加了泵體的整體體積和質(zhì)量，而且結(jié)構(gòu)也不像前兩種方法那么簡(jiǎn)單。同時(shí)，其安全性和可靠性不如前兩種方法。如果采用這樣的方案，就必須考慮能量中斷時(shí)的預(yù)防措施，以免極臂因重量而滑動(dòng)，從而避免事故的發(fā)生。如圖5-2所示為KUKA662/100型機(jī)器人小臂氣動(dòng)平衡系統(tǒng)原理圖，氣動(dòng)平衡的工作原理如下：圖5-2小臂氣動(dòng)平衡系統(tǒng)原理壓縮氣入口；2-壓力開(kāi)關(guān)；3-單向閥；4-壓力表；5-手動(dòng)排氣閥；6-消聲器；7-控制開(kāi)關(guān)；8-儲(chǔ)氣罐；9-平衡氣缸當(dāng)空氣壓力達(dá)到規(guī)定值時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)2將氣路與外部氣源分離，并在氣體支架8和平衡缸9之間形成氣動(dòng)回路。當(dāng)動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)時(shí)，缸體和動(dòng)臂一起向上移動(dòng)，增加缸體下部的壓力，從而產(chǎn)生與動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)方向的平衡扭矩，從而平衡手腕的平衡。圖5-2中的圖7顯示了控制開(kāi)關(guān)的操作。它向機(jī)器人控制器發(fā)出信號(hào)。如果衛(wèi)星系統(tǒng)接收到的指令信號(hào)為1，機(jī)器人將開(kāi)始工作，以確保機(jī)器人的安全，不會(huì)因氣壓不足而干擾平衡。平衡系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是可調(diào)性。當(dāng)機(jī)器人手腕承受不同的負(fù)載時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)壓力開(kāi)關(guān)2來(lái)調(diào)節(jié)氣體壓力，達(dá)到最佳的平衡效果。1.4小結(jié)機(jī)器在工作時(shí)，會(huì)有很大的振動(dòng)和擺動(dòng)（尤其是小手臂）。針對(duì)上述突出問(wèn)題，本章給出了三種解決方法：質(zhì)量平衡法和彈簧力平衡法；氣動(dòng)和液壓平衡法。綜上所述，本文提出了以下解決方案：首先，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中考慮了質(zhì)量平衡問(wèn)題，避免將電