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前言

隨著人民群眾經(jīng)濟水平的不斷提升，高端技術(shù)產(chǎn)品的競爭越來越激烈，傳統(tǒng)制造企業(yè)的發(fā)展受到了嚴(yán)重的沖擊，尤其是工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用代替了流水線工人，制造企業(yè)為了承擔(dān)高額的成本費用為大量裁員。由此可見，現(xiàn)階段我國制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正處于瓶頸階段，要想有效改善這種情況，進一步推動制造業(yè)發(fā)展的新形勢，還需要加強對高端技術(shù)產(chǎn)品的研究與開發(fā)，進一步提升工業(yè)機器人的工作效率，降低其生產(chǎn)成本，推動制造業(yè)的自動化發(fā)展。

一、復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂的基本介紹

復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂主要由機械本體、動力系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和傳感器檢測系統(tǒng)四個方面組成。其中機械本體是指機座和動力機構(gòu)，像是機械手臂、末端和機械手腕都是機械本體中的重要組成部分，一般情況下，在設(shè)計復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂的時候，都會將機械手臂運動方向的設(shè)計為三個自由度，機座的運動方向為一個自由度，機械手腕的運動方向為兩個自由度，最大限度的確保了復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂的運動范圍；動力系統(tǒng)是復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂能夠正常運動的基本保障，主要通過動力裝置和傳動機構(gòu)的配合來執(zhí)行相應(yīng)的動作；電控系統(tǒng)主要根據(jù)輸入的指令來控制機械本體和動力系統(tǒng)的正常使用；傳感器檢測系統(tǒng)能夠使復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂具有觸覺、視覺和力覺，即使處于較為復(fù)雜的工作環(huán)境下，復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂也能夠正常運行。常見的傳感器有位移傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、三維力傳感器等[1]。

二、復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂的優(yōu)勢地位

近幾年來，中國制造業(yè)的發(fā)展正面臨著轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，工業(yè)機器人的研究與開發(fā)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域經(jīng)濟建設(shè)的必然趨勢，而我國在工業(yè)機器人制造方面卻始終停留在傳統(tǒng)階段，所使用的技術(shù)工藝、設(shè)計理念都比較守舊，仍然存在著工作半徑小、工作效率低、應(yīng)用載荷大、造價控制高等方面的問題，還需要進一步作出完善。復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂的設(shè)計能夠有效解決上述問題，盡可能降低機械臂對減速器一類關(guān)鍵部件的依賴程度，彌補傳統(tǒng)關(guān)節(jié)式工業(yè)機器人先天不足的弊端，進一步提高了關(guān)節(jié)式工業(yè)機器人的工作效率。

三、復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

(一)機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

要想確保復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂能夠充分發(fā)揮出其使用優(yōu)勢，加強對復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究是非常必要的，尤其是針對其機械運動組成、工作原理、受力情況等相關(guān)基本信息的研究。圖一為機械系統(tǒng)運動的基本構(gòu)成。

圖一 機械系統(tǒng)運動的基本構(gòu)成

其中，左側(cè)為驅(qū)動復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂運動的左視圖，右側(cè)為機械傳動系統(tǒng)的運動主視圖。如圖一所示，機械系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要包括四個方面，分別是基座、傳動機構(gòu)、控制機構(gòu)和伸縮運動機構(gòu)。復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂的工作原理也是圍繞著這四個方面進行的，首先利用基座將機械臂固定住，并且保持在一定的方向上，通過伺服電機的運行來帶動錐齒輪的轉(zhuǎn)動，并且將動力傳遞給兩側(cè)錐齒輪，再由兩側(cè)錐齒輪傳遞給與其同軸的直線模組，在絲杠副的驅(qū)動下伸出剪叉式機構(gòu)，最后利用直線導(dǎo)軌進行剪叉式機構(gòu)的支撐與輔助，確保復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂的正常運行。

(二)復(fù)合剪叉式結(jié)構(gòu)設(shè)計

復(fù)合剪叉式結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個機械臂設(shè)計內(nèi)容的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性將會直接影響到傳動機構(gòu)的設(shè)計、錐齒齒箱的結(jié)構(gòu)尺寸、伺服電機的選型等后續(xù)工作，因此，加強對復(fù)合剪叉式結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究是非常必要的。復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂在實際應(yīng)用的過程中主要以直線運動和轉(zhuǎn)動為主，其中靜態(tài)狀態(tài)下會對軸承和銷軸產(chǎn)生徑向力，而運動狀態(tài)下會對產(chǎn)生徑向力及由慣性力和阻力而共同引起的部分軸向力。因此，在進行滾珠軸承設(shè)計的時候，需要確保滾珠軸承能夠承受徑向力的作用，同時還能夠承受部分軸向力的作用。中間連接件是復(fù)合剪叉式機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵部件，其尺寸、型號的選擇將會直接影響到整個復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂的受力特性，還需要對其中間連接件的設(shè)計作出進一步的研究。

(三)傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要分為兩個方面，分別是直線模組結(jié)構(gòu)設(shè)計和直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計。直線模組結(jié)構(gòu)設(shè)計需要結(jié)合復(fù)合剪叉式結(jié)構(gòu)設(shè)計中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算，分別從復(fù)合剪叉式受到外部載荷和不受外部載荷兩個角度進行分析，進一步確定滾珠絲杠的參數(shù)，但是所得到的滾珠絲杠參數(shù)并不是最終結(jié)果，還需要針對其他物理量進行滾珠絲杠尺寸設(shè)計和校對。直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計是復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂中傳動機構(gòu)的重要組成部分，與直線模組結(jié)構(gòu)設(shè)計不同的是，直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有滾珠絲杠來進行精確定位，還需要結(jié)合其他參數(shù)進行分析。

(四)錐齒齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)直線模組和直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計確定以后，就可以開始進行錐齒齒輪箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在不影響復(fù)合剪叉式機構(gòu)正常收縮的情況下，對直線模組和直線導(dǎo)軌運動輸入端部與復(fù)合剪叉式機構(gòu)固定端點圍成的尺寸進行分析，確保所形成的錐齒齒輪箱空間最大化。通常錐齒齒輪箱主要分為兩個部分，分別是錐齒輪箱箱體和錐齒輪組，只有確定錐齒輪箱體內(nèi)錐齒輪組的尺寸和結(jié)構(gòu)，才能夠進一步確定錐齒輪箱箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而設(shè)計出既能夠滿足復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂剛性要求。

結(jié)論

綜上分析可知，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，關(guān)節(jié)式工業(yè)機器人在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越常見，其結(jié)構(gòu)設(shè)計將會直接影響到復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂的使用性能。目前，我國在關(guān)節(jié)式工業(yè)機器人的使用上還存在很多的不足之處，為了能夠有效緩解這些問題，本文提出了一種長跨度、高速度、高精度的復(fù)合剪叉式工業(yè)機械臂，能夠有效彌補傳統(tǒng)關(guān)節(jié)式工業(yè)機器人在使用過程中存在的不足之處，對于推動我國制造業(yè)的發(fā)展有很大的幫助。