[发明专利]一种工业机器人的弹簧式平衡缸及二轴关节的选型方法

说明书

本发明涉及一种工业机器人的弹簧式平衡缸及二轴关节的选型方法。本发明所述的一种工业机器人的弹簧式平衡缸及二轴关节的选型方法包括：根据T₁、T₂、T_f、T_0max、T和i得到所述二轴关节中电机的正常启停转矩率η₁和匀速运动负载率η₂，根据所述电机和减速机的型号参数和η₁与η₂设置所述二轴关节中电机和减速机的选型约束条件。本发明具有降低装配难度、优化二轴关节部位的优点。

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，特别是涉及一种工业机器人的弹簧式平衡缸及二轴关节的选型方法。

背景技术

工业机器人在工业生产中发挥着越来越重要的作用。工业机器人中臂杆重心不通过关节转轴从而产生偏重力矩。在六轴工业机器人中，二轴关节承受的偏重力矩最大，因此常在二轴关节处设置平衡装置，使得当大臂转动一定角度时，由于平衡装置位置变化产生不通过关节轴线的平衡力，从而平衡二轴关节的偏重力矩。这种方法能有效减小电机负载，延长减速机寿命。市面上的平衡装置包括配重式、弹簧式、液压-气动式等，其中以弹簧式平衡缸为常用的平衡装置。请参阅图1，为其中一种带弹簧式平衡缸的工业机器人，包括弹簧式平衡缸1、大臂2、支架3、二轴关节4和三轴关节5，所述弹簧式平衡缸1一端与所述大臂2连接，并通过支架3进行支撑，所述二轴关节4和三轴关节5分别设置在所述大臂2的两端。

目前在对弹簧式平衡缸进行选型时，常出现所得弹簧刚度和预压缩量参数过大的情况。而根据公式弹簧刚度k＝Gd⁴/(8nD³)，式中G为材料剪切弹性模量，d为弹簧线径，n为有效圈数，D为中心直径，若要满足较大的弹簧刚度k，则要求增大弹簧线径d，减小有效圈数n和中心直径D，这大大增加了制造难度；同时弹簧预压缩量较大，压缩弹簧所需力较大，使得装配难度较大。与此同时，二轴关节在运行过程中存在电机的输出转矩长时间超过额定转矩，使用寿命较小的情况。检索相关论文，如《工具技术》2014年第48卷No.12中对工业机器人弹簧式平衡缸的参数进行了研究，其通过对机器人模型进行简化后，对弹簧式平衡缸相关参数对不平衡力矩的影响分别进行了探讨，主要研究内容为不同参数对平衡缸提供的平衡力矩的影响规律，相关数据均为大臂静止状态下不同角度的不平衡力矩，忽略了运动状态对关节的影响，电机额定转矩小于实际所需转矩，转矩率偏高。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种工业机器人的弹簧式平衡缸及二轴关节的选型方法，其具有降低装配难度、优化二轴关节部位的优点。

一种工业机器人的弹簧式平衡缸及二轴关节的选型方法，所述方法包括：

步骤S1、将工业机器人的结构简化为二维模型，其中，弹簧式平衡缸的支点为A，弹簧式平衡缸与大臂连接点的回转中心为B，二轴关节回转轴线为C，大臂上三轴回转轴线为D，设AC长度为l₁，BC长度为l₂；

步骤S2、确定工业机器人的设计参数和结构参数，所述设计参数包括所述二轴关节的设定运行角度θ、加减速时间t和二轴关节转速n，所述结构参数包括二轴关节前端负载的重量m、最大转动惯量J，和其重心相对二轴关节回转轴线最远距离l₀；

步骤S3、根据所述设计参数和结构参数，计算得到二轴关节前端负载正常启停所需最大转矩T₁、所述二轴关节运行任意角度所承受的重力矩T₂和弹簧式平衡缸在所述二轴关节运行角度范围内所提供的最大平衡力矩T_0max；