吴文杰，石旗勇

(1.贵阳职业技术学院 装备制造分院,贵州 贵阳 550081；2.浙江万丰科技开发股份有限公司，浙江 绍兴 312500)

0 引言

工业机器人是一种可模仿人手臂动作、柔性好、结构紧凑、能替代人进行重复劳动的自动化设备[1]。在铸造领域，机器人除用于搬运铸件外，还广泛用于浇铸、造型、制芯、下芯、清理以及检验等工序[2]。机器人长期处于高温多粉尘的铸造环境中，故障频率较高，距离工作区最近的手腕故障频率更高，需要经常维护维修。而传统工业机器人手腕电机通常布置于小臂后端，然后再通过传动轴将动力传递至手腕单元，分别驱动腕部摆动和手部转动。这样的结构能在一定程度减小腕部体积，但其零件多、装配关系复杂，维修难度较大。手腕属于工业机器人本体结构中的关键部件，对机器人的作业灵活性有重要影响[3]，如何优化手腕结构，使其加工、装配以及维护更简便，具有更好的工作精度及可靠性，成为机器人研制单位重点研究的课题。

针对上述问题，设计了一种重载铸造机器人手腕，将电机直接内置于手腕内部，用组块化程度更高的RV减速器代替多级齿轮减速结构，减少了零部件数量，缩短了传动链，使整个手腕结构更加简单，加工、装配和维修更加容易。

1 工业机器人总体设计

1.1 六自由度串联式机器人结构

六自由度串联式机器人是由基座、大臂、小臂和手腕四大构件通过J1～J6六个关节顺序串联形成的空间机构，其结构如图1所示。J1、J4、J6为转动关节，由伺服电机通过减速器带动旋转；J2、J3和J5为摆动关节，由电机通过减速器或其他减速装置带动摆动，摆动范围受机械结构限制。其中，手腕由J5和J6两个关节组成，手腕具有俯仰和摆动2个自由度，用于调整机器人末端姿态[4]。

图1 六自由度工业机器人结构

1.2 工业机器人手腕设计目标

设计一种六自由度串联式大型工业机器人手腕结构，主要设计指标为：手腕额定负载250 kg，J5轴动作范围为±125°，J5轴最大运动速度为120 (°)/s，J5轴允许弯矩为1 400 Nm；J6轴动作范围为±360°，J6轴最大运动速度为190 (°)/s，J6轴允许弯矩为770 Nm。

1.3 手腕总体设计方案

关节变形是造成六自由度工业机器人绝对定位精度偏低的因素之一，传动带、齿轮箱等传动机构变形是引起关节变形的主要因素[5]。手腕是六自由度工业机器人的关键部位，需要在较小的空间内布置较多的零件，设计结构合理、关节变形小、制造工艺性好的手腕难度较大。因此，在结构设计上应尽可能地采用短传动链结构，增加传动链刚性，减小形变。此外，在满足功能、性能的前提下，提高零件的组块性，减少零件数量，更有利于产品的加工、装配和维护。考虑到大型工业机器人腕部在工作情况下传动链承受较大的负载和冲击载荷，为保证传动链具有足够的刚性，本设计中手腕采用齿轮传动结构，为减少零件数量，在结构上采用组块化程度更高的RV减速器，手腕总体结构如图2所示。其特点是：J5轴电机置于腕部壳体内部，通过2级齿轮传动驱动J5轴RV减速器；J6轴电机安装在手部壳体内，直接驱动J6轴RV减速器。整个手腕各传动链更短，各传动链零件数量更少，更加便于加工和维护。

1-腕部壳体；2-右盖；3-第一齿轮；4-轴座；5-第一轴承；6-惰轮；7-第二齿轮；8-J5轴RV减速器；9-J6轴电机；10-J6轴RV减速器；11-法兰盘；12-第三齿轮；13-手部壳体；14-支撑轴；15-支撑轴承；16-J6轴线缆；17-J5轴电机；18-左盖

1.4 关键零件减速器的选择

工业机器人关节通常采用RV减速器或谐波减速器进行减速增力[6-9]。谐波减速器主要由刚轮、柔轮和波发生器组成，具有传动比大、结构紧凑、体积小等特点，但由于在每转工作中柔轮均发生变形，在重载情况下较容易发生疲劳损坏，因此，通常适用于小型化和低、中载荷的情景。而RV减速器是在传统针摆行星减速器基础上发展起来的新型减速装置，其传动精度高、抗冲击能力强，结构中无柔性体零件，故其疲劳强度、刚度和寿命较谐波减速器更高[10]，比较适合于中、重载荷的情景。本研究中的手腕，额定负载达250 kg，采用谐波减速器无法满足设计寿命要求，因此选用日本Nabtesco公司的RV减速器。RV减速器有C系列、E系列和N系列，C系列为中空结构，不满足手腕结构要求；N系列为E系列的升级版本，同样性能下N系列的尺寸和重量较E系列小，但价格较高。为减小手腕尺寸，同时控制成本，经综合考虑，J6轴减速器选用RV-80E-80型，减速器外壳转动时速比为80∶1；J5轴减速选用RV-125N-111型，减速器外壳转动时速比为111∶1,经计算校核，所选减速器满足设计要求。

2 传动组件设计

2.1 腕部摆动设计

腕部摆动组件结构如图3所示。腕部壳体为Y状结构且内部中空，Y型叉的内侧相对设置有J5轴RV减速器和支撑轴承,J5轴电机安装在腕部壳体内腔中并通过二级齿轮减速驱动J5轴RV减速器。腕部摆动传动链为：J5轴电机→第一齿轮→惰轮→第二齿轮→J5轴RV减速器。腕部摆动速度nJ5为：

其中：n5为J5轴电机转速；iRV5为J5轴RV减速器减速比；Za为第一齿轮齿数；Zc为第二齿轮齿数。

由于机械加工误差的存在，齿轮传动存在间隙。要提高传动精度，在齿轮传动结构上，重点考虑消除齿轮传动间隙[11]。本设计中将惰轮设计成可调整形式，以消除齿轮传动间隙，具体结构如图3所示。惰轮4通过第一轴承6套装在轴座3上，惰轮中心位于第一齿轮2和第二齿轮5中心连线的一侧，即惰轮4、第一齿轮2和第二齿轮5三者中心的连线构成一钝角三角形，惰轮中心位于钝角顶点上。装配时，通过调整螺钉7将轴座3向第一齿轮2和第二齿轮5中心连线方向顶靠，使得相邻两个齿轮间紧密贴合，消除齿轮间隙。

1-腕部壳体；2-第一齿轮；3-轴座；4-惰轮；5-第二齿轮；6-第一轴承；7-调整螺钉

2.2 手部转动组件设计

手部转动组件结构如图4所示。手部壳体为U状结构，手部壳体5末端设置有J6轴RV减速器4，减速器端部设有安装工具用的法兰3，J6轴电机插装在U型叉内部直接驱动J6轴RV减速器4。U型叉的外侧壁面上设置有两个凸耳，分别用于与腕部中J5轴RV减速器和支撑轴承连接，其中与支撑轴承连接的凸耳中空，J6轴电机线缆从中引出进入腕部壳体内部。手部转动传动链为：J6轴电机→第三齿轮→J6轴RV减速器→法兰。手部转动速度nJ6为：

nJ6=n6/iRV6.

其中：n6为J6轴电机转速；iRV6为J6轴RV减速机减速比。

3 结语

为解决铸造机器人手腕维修不便的问题，设计了一种重载机器人手腕总体方案及具体传动结构。与传统结构相比，碗部摆动组件和手部转动组件相互独立，模块性更强，同时采用组块性更强的RV减速器，各组件集成度更高，零件更少，更利于生产制造和装配以及维修，各轴传动链更短，传动精度得到进一步提升，更好地满足了机器人在铸造领域的使用要求。

1-J6轴电机；2-第三齿轮；3-法兰；4-J6轴RV减速器；5-手部壳体；6-支撑轴；7-J6轴线缆；8-线夹