大负载工业机器人弹簧平衡机构参数设计方法

技术领域

本发明涉及工业机器人和机械转动零件技术领域，尤其涉及大负载工业机器人弹簧平衡机构参数设计方法。

背景技术

对大负载工业机器人的能耗小、本体的体积小、以及稳定性和可操作性等提出越来越高的要求，采用弹簧平衡缸所产生的力矩来抵消因末端负载和本体自重的偏心重力矩方式，才能选择小功率的电机，从而使得电机能耗更低和体积更小，因此，弹簧平衡缸设计的关键是需要设计出合理的弹簧平衡缸结构参数。国内埃夫特机器人和新松机器人等，以及国外ABB机器人和发那科机器人等采用弹簧平衡缸结构，但是没有公开弹簧平衡缸结构参数设计相关方法。

弹簧平衡缸属于间接配重法，弹簧平衡缸是间接配重法中最常见的方法之一，但是随着大负载工业机器人的负载要求增大，弹簧平衡缸的体积越大。弹簧平衡缸需要计算平衡装置存储弹性势能在机器人发生变化时释放或存储的能量，其机构的安装位置和参数等相关设计技术属于商业机密，机器人厂家很少在网上公幵的相关资料和文献。刘蕾等学者把机器人弹簧平衡缸的弹簧参数和弹簧缸的安装位置作为优化变量，平衡结构相关参数经过优化后，机器人的不平衡力矩得到降低。

本发明弹簧平衡缸结构参数设计的方法，根据大负载工业机器人的负载和最大臂展的要求，设计合理的弹簧平衡缸结构参数，既能够满足克服偏心重力矩的要求，选择较小的电机功率，又能使大负载工业机器人的结构更紧凑，本体的重量更轻。

发明内容

本发明的目的是随着大负载工业机器人的负载要求增大，弹簧平衡缸的体积越大、重量越大等问题，设计合理的大负载工业机器人弹簧平衡缸参数用于克服偏心重力矩，提供一种快准稳的大负载工业机器人弹簧平衡机构参数设计方法。

大负载工业机器人弹簧平衡机构参数设计方法，步骤如下：

步骤1：获取驱动关节本体的质量m1、质心x轴偏心距Lx1、质心y轴偏心距Ly1和本体惯量J1；负载质量m2、负载x轴偏心距Lx2、负载y轴偏心距Ly2和负载惯量J2；已知电机输出转速n，减速机速比i，加速度时间t1，匀速时间t2，减速度时间t3；

步骤2：计算T

步骤3：计算T

步骤4：计算

步骤5：已知电机功率P，电机效率e

步骤6：对电机在减速机输出端所能提供的额定转矩与减速机输出端需要提供的平均输出转矩进行比较，只有以下两种情况：

情况一，如果判定准则：T

情况二，如果判定准则：T

步骤7：多弹簧叠加时，计算

步骤8：输出弹簧设计参数。

本发明的有益效果为：首先计算末端负载和本体自重的偏心重力矩值；其次，根据初定电机功率，计算电机所能提供的转矩值；然后，确定大臂关节中弹簧平衡缸所需要提供的力矩；最后，采用弹簧平衡缸选型方法快速的得到弹簧参数。本发明一种快准稳的大负载工业机器人弹簧平衡机构参数设计方法，有效的降低大负载工业机器人的质量和体积，降低机器人电机功率，进一步降低机器人的能耗。

附图说明

附图1为本发明的一种弹簧与大臂关节布置图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

一种快准稳的大负载工业机器人弹簧平衡机构参数设计方法是通过以下几个步骤实现的：

步骤1：获取驱动关节本体的质量m1、质心x轴偏心距Lx1、质心y轴偏心距Ly1和本体惯量J1；负载质量m2、负载x轴偏心距Lx2、负载y轴偏心距Ly2和负载惯量J2；已知电机输出转速n，减速机速比i，加速度时间t1，匀速时间t2，减速度时间t3；

步骤1结束后进行步骤2。

步骤2：计算T

g为重力加速度，T

步骤2结束后进行步骤3。

步骤3：计算T

步骤3结束后进行步骤4。

步骤4：计算

步骤4结束后进行步骤5。

步骤5：已知电机功率P，电机效率e

步骤5结束后进行步骤6。

步骤6：对电机在减速机输出端所能提供的额定转矩与减速机输出端需要提供的平均输出转矩进行比较，只有以下两种情况：

情况一，如果判定准则：T

情况二，如果判定准则：T

步骤6结束后进行步骤7。

步骤7：多弹簧叠加时，计算

步骤7结束后进行步骤8。

步骤8：输出弹簧设计参数。

实施例1

步骤1：获取驱动关节本体的质量m1＝512.73kg、质心x轴偏心距Lx1＝1.12m、质心y轴偏心距Ly1＝0m，本体惯量J

步骤1结束后进行步骤2。

步骤2：重力加速度g＝9.8m/s

T

步骤2结束后进行步骤3。

步骤3：计算机器人匀速运行所需要转矩

T

步骤3结束后进行步骤4。

步骤4：计算减速机输出端需要提供的平均输出转矩

步骤4结束后进行步骤5。

步骤5：已知电机功率P＝6.8KW，电机效率e

步骤5结束后进行步骤6。

步骤6：对电机在减速机输出端所能提供的额定转矩与减速机输出端需要提供的平均输出转矩进行比较；情况二，如果判定准则：T

步骤6结束后进行步骤7。

步骤7：假设三根弹簧叠加，弹簧支撑安装位置与驱动轴旋转中心的距离L＝0.6m，弹簧摆动角度

F

F

三根弹簧材料为60Si2MnA，该材料的许用切应力为[τ]＝800MPa,旋绕比C＝0.005；根据

以此类推，第2个弹簧丝直径d

以此类推，第3个弹簧丝直径d

步骤7结束后进行步骤8。

步骤8：输出弹簧设计参数。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。