摘要：现如今，在我国经济飞速发展的大背景下，国内的传统工业机器人具有工作空间大、结构紧凑、灵活性好等优势，已由早期的物料搬运、点焊、喷涂等操作逐渐应用于制孔、铣削、磨削等高精度金属切削加工领域。然而，工业机器人相比于机床刚性较弱，金属切削过程中的切削载荷使机器人末端刀具偏离期望的加工轨迹，外部激振力极易引发机器人颤振，影响机器人加工精度；此外，关节减速器内部齿隙也会严重影响机器人精度。对采用机器人刚度优化、机器人加工误差补偿、机器人传动间隙补偿、机器人加工振动抑制等提高机器人精度方法的研究现状做了总结，提出了两种提高机器人精度的机器人结构改进设计，分别为基于双电机驱动的无间隙传动机器人结构和基于四边形机构的高刚性机械臂结构，并对新型机器人的结构特点进行了阐述。
关键词：提高；机器人结构刚度；关节精度；方法
引言
金属切削机床是机械加工的主要设备，工业机器人主要用于物料搬运、点焊、喷涂等操作。目前，航空航天、船舶、高铁等领域需要在装配现场开展大量制孔、磨削、铣削等切削加工，并且需要装配的零部件通常尺寸较大，工装设备复杂，传统的多轴数控加工中心占地面积较大、灵活性不高，往往无法适应此类大型复杂结构件的现场加工需求。工业机器人工作空间大、结构紧凑、灵活性高，可以弥补机床的不足，由此工业机器人已由早期的简单操作逐渐应用于铣削、钻孔、磨削等高精度金属切削加工领域，然而使用工业机器人进行机械加工仍存在一些技术问题需要解决。
1提高机器人加工精度方法的研究现状
1.1机器人刚度的优化方法
刚度是影响机器人加工性能的重要指标。基于机器人钻孔加工系统中工业机器人的柔性模型，定义了机器人加工性能的定量评价指标。通过选择优化性能指标的刀具姿态进行钻孔作业，保证沉头孔加工深度和孔的轴向精度。此外，通过机器人末端钻孔执行器施加压紧力可以提高系统的整体刚性，有效地提高了钻孔稳定性和孔径加工精度。
1.2机器人加工误差的补偿方法
工业机器人的低刚性导致机器人的绝对位置精度较低，仅通过优化机器人姿态等方式改善机器人的刚度无法满足加工精度要求。基于机器人动态变形模型及嵌入机器人内部力传感器反馈的切削力，对刀具偏移量进行实时预测并在线补偿。根据搅拌摩擦焊过程中机器人末端执行器内部压力传感器实时测量的外部载荷及试验辨识的机器人关节刚度，计算得到搅拌头的位置偏差，将位置偏差值的一部分作为补偿量对机器人进行实时位置补偿。利用光学测量系统对机器人和微执行机构在线跟踪，将传统工业机器人与外部压电驱动补偿机构相结合实现工具与工件间相对位置误差的在线修正。对机器人的加工误差补偿需要获得准确的机器人模型，或者配合精密的外部测量设备，在一定程度上增加了补偿的难度及成本，此外，机器人加工误差量较大也会导致补偿效果不理想。
1.3机器人传动间隙消除方法
齿隙广泛存在于机器人关节减速器，是影响传动系统动态性能和稳态精度的重要因素。齿隙具有不可微的非线性特性，对齿隙的准确补偿难度较大。双蜗杆蜗轮传动机械消隙方式主要应用于机器人的回转机构，但机械消隙方式存在一定局限性。与机械消隙方法相比，双电机驱动消隙是一种较为先进的电气消隙控制方式。德国西门子公司在其数控系统840D中，通过在伺服控制回路中增加力矩补偿控制环节，将电机额定扭矩的一部分作为消隙偏置力矩，实现双电机主从消隙控制功能。中科院沈阳自动化研究所设计了一种新型重载高精度机器人搅拌摩擦焊设备，其中A/B轴双摆头的摆轴均采用双电机驱动且具备电气消隙能力。
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1.4机器人加工振动的抑制方法
抑制机器人加工振动的方式主要包括主动控制和被动控制两种，主动振动抑制是将前馈控制和反馈控制相结合来抑制振动，被动振动抑制是通过增加机器人的整体刚度来实现。通过在机器人末端安装压脚装置来增加系统的动态刚度来提高机器人制孔精度和稳定性的方法较为常见。将末端执行器压脚位移作为实时补偿信号，根据制孔过程中压脚振动的频率特性引入低通滤波器来提高锪窝深度及加工孔表面质量。利用压脚与工件接触面之间的摩擦力平衡动态切削力来达到抑制振动的目的。对于薄壁工件，压脚的压紧力过大会导致工件发生较大变形。
2基于双电机驱动的机器人关节及本体设计
2.1机器人关节结构设计
关节包括四组伺服电机及行星减速机构，驱动部件均安装于支撑件内部，其中两组电机对称布置在支撑件上下两端，并分别与小直齿轮联接，两小直齿轮分别与支撑架固连的大直齿轮啮合，两组电机共同驱动支撑架并带动输出法兰作俯仰运动。另外两组电机通过同步带将动力传送至支撑架内部的锥齿轮a和锥齿轮b，锥齿轮a和b同时与锥齿轮c啮合，共同驱动锥齿轮c及输出轴和输出法兰作回转运动。
2.2机器人腕部结构设计
A/B轴摆头是五轴机床的核心功能部件，直接影响机床的加工性能。在国外，经过多年的研究与发展，A/B双摆头技术相对成熟，国内针对双摆头的研究起步较晚，带A/B轴的五轴加工中心只有少数国内企业具有研发能力，沈阳机床VMC13120U是国内首台使用A/B双摆头的五轴联动加工中心，北京航空制造工程研究所为国内飞机制造工厂提供了带A/B双摆角铣头的机床产品。目前，A/B双摆头主要采用双蜗杆蜗轮副消隙方式，蜗轮蜗杆磨损后产生的间隙无法自动补偿；摆头的摆角范围大多限制在±30°以内，航空企业通常需要做大量的专用工装满足大角度切削加工要求。双摆头结构的传动部分主要由第一差动输入、第二差动输入和差动输出3部分组成。第一差动输入包含两台伺服电机及其驱动的主、从动蜗杆，蜗轮及锥齿轮；第二差动输入与第一差动输入部件关于U型支撑部件对称安装于U型支撑件的外侧；差动输出部分主要包含大、小锥齿轮及摆轴。双摆头的主轴部分位于U型支撑件外部并与摆轴联接，两个轴的第一级驱动均采用蜗轮蜗杆副传动，蜗轮通过联接轴将扭矩传递给另一端的锥齿轮，并作用于摆轴上安装的两个锥齿轮。通过控制四台伺服电机的转速和转角可以实现双摆头的摆动和俯仰运动，即A轴和B轴的运动。
2.3六自由度机械臂结构设计
参考国内外典型的机械臂结构设计了基于双电机驱动的六自由度关节型机械臂，主要由腰关节、肩关节、肘关节和腕关节组成，其中腰部具有一个回转自由度，肩关节有一个回转自由度，肘关节有回转和俯仰两个自由度，腕关节包含回转和俯仰两个自由度。机器人腰部和肩关节各由两台伺服电机驱动，肘关节和腕关节各由4台伺服电机驱动。机器人每个自由度的运动均采用双电机驱动，通过双电机主从消隙控制消除机器人关节的传动间隙，提高机械臂的运动精度。
结语
工业机器人与金属切削机床相比具有工作空间大、灵活性好等优势，然而将工业机器人直接应用于机械加工领域还存在一些问题亟待解决。其中，机器人刚性较差和机器人关节的传动间隙是影响机器人加工精度的主要因素。为了进一步提高机器人的精度，提出了两种提高机器人精度的机器人结构改进设计，分别为基于双电机驱动的无间隙传动机器人结构和基于四边形机构的高刚性机械手结构。设计了具备消隙能力的机器人关节结构和腕部结构，可以用于高精度多自由度机器人系统。
参考文献：
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论文作者:于帅涛
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/29
标签：机器人论文; 精度论文; 加工论文; 刚度论文; 关节论文; 齿轮论文; 结构论文; 《基层建设》2019年第6期论文;