徐會正

（清研同創(chuàng)機器人（天津）有限公司，天津, 300300）

0 引言

目前，隨著國內(nèi)工業(yè)機器人需求量的日益劇增，噴涂工業(yè)機器人的發(fā)展也非常迅速，本文就噴涂工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計進行闡述。

1 噴涂工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

從外觀上看，機器人的電機需要全部內(nèi)置，故將電機布置在一個密封腔內(nèi)，使得機器人外表面更加圓滑，不會凹凸不平。密封腔有利于實現(xiàn)噴涂機器人的正壓防爆功能，外表面圓滑可以方便機器人機衣（保護機器人本體，防止油漆將機器人本體過度污染）的穿戴。

大部分噴涂機器人本體都具有防爆功能，為實現(xiàn)該功能普遍采用正壓系統(tǒng)防爆的方式，若想實現(xiàn)正壓，就需要有密閉腔。具有防爆功能的機器人本體可以置于危險的工作環(huán)境中，而控制柜、正壓系統(tǒng)柜等均需放置于安全區(qū)域內(nèi)。通過正壓系統(tǒng)，即將電機或具有本安特性的元器件安裝于本體內(nèi)的密封腔內(nèi)，在該腔內(nèi)填充一定壓力的氣體（一般為潔凈空氣），保證密封腔內(nèi)的壓力大于外界大氣壓，從而使外界危險氣體（油霧等）不能進入，隔絕危險氣體與電機等帶電元器件的接觸，即可實現(xiàn)防爆功能。同時還特別要求在開始啟動機器人時，需要正壓系統(tǒng)先進行吹掃，即將機器人本體密封腔內(nèi)的氣體全部換掉，保證機器人本體內(nèi)元器件在上電前接觸的氣體也是安全的，該吹掃壓力是正壓壓力的10倍左右，流量至少為該密封腔容積的5倍。

為保證安全，機器人還需要安裝一些檢測裝置，如安全閥、壓力傳感器、流量計、調(diào)壓閥等。其中，安全閥一般安裝在機器人本體上密封腔的排氣口處，在吹掃時多余的氣體從該處排走，同時也避免氣體壓力突然增大可能造成的危險；壓力傳感器一般設(shè)置為2個，主要作用是檢測密封腔內(nèi)的氣體壓力，確保防爆功能的有效性，其中一個壓力傳感器設(shè)置的壓力值高一些，在檢測到密封腔內(nèi)的壓力低于該值時，機器人控制系統(tǒng)會提示報警，如報警燈或聲音提示等，另一個傳感器壓力值設(shè)置為低壓值，該值為保證防爆功能有效性的最低值，若該壓力傳感器檢測到密封腔內(nèi)的壓力值低于該值時，機器人控制系統(tǒng)便會完全切斷機器人本體內(nèi)所有的元器件，使機器人立即停機；正壓系統(tǒng)中的流量計可以檢測吹掃時從機器人本體密封腔內(nèi)排出的氣體流量要大于該密封腔容積的5倍；調(diào)壓閥一般設(shè)置為2個，一個為吹掃用的調(diào)壓閥，另一個為正壓調(diào)壓閥（該閥一般為精密調(diào)壓閥）。

機器人本體線纜的設(shè)計也非常重要，一般噴涂工業(yè)機器人為六軸串聯(lián)結(jié)構(gòu)，例如第一、第二、第三軸結(jié)構(gòu)均采用中空C系列RV減速機，可以很好地實現(xiàn)線纜的走線設(shè)計，線纜可以直接從減速機的中間穿過，如圖1所示[1]；同時可以將第四、第五、第六軸電機均布置在第三軸關(guān)節(jié)處，即第三、第四、第五、第六軸的電機在一個腔體內(nèi)，這樣能很好地解決線纜的穿線設(shè)計。

圖1 采用C系列減速機的中空穿纜結(jié)構(gòu)圖

第一、第二、第三軸結(jié)構(gòu)也可以采用E系列的非中空RV減速機，若采用該種類型的減速機，穿線有一定的困難，第一軸可以采用普遍的U形結(jié)構(gòu)穿線方式，如圖2所示。第二、第三軸需要做單獨的走線通道或?qū)⒌诙?、第三軸處線纜做外置處理，若采用外置穿線方式需要做線纜與本體間的密封，以保證機器人本體腔體的密封性。另外，機器人本體與控制柜間的線纜也需要做正壓防爆處理，因為該部分線纜有一部分需要置于危險環(huán)境中。

圖2 U形結(jié)構(gòu)穿線

大多數(shù)的噴涂機器人手腕結(jié)構(gòu)緊湊，其類型包括有中空手腕結(jié)構(gòu)（3R），如圖3所示；Lemma結(jié)構(gòu)（BBR），如圖4所示；叉臂結(jié)構(gòu)（RBR）的手腕形式，如圖5所示[2]。

圖3 中空手腕（3R）

圖4 Lemma手腕（BBR）

圖5 叉臂手腕結(jié)構(gòu)（RBR）

1.2 中空手腕結(jié)構(gòu)（3R）

圖6 所示為ABB IRB5500 中空手腕[3]，圖中的1、2、3為三個傳動軸及傳動軸上的齒輪，分別與第五、六、四軸的中空大齒輪嚙合，從而實現(xiàn)第五、六、四軸的運動。

圖6 ABB IRB5500中空手腕

該結(jié)構(gòu)傳動軸偏置，可以實現(xiàn)中間位置的中空，進而可以穿管走線，防止線纜或氣管與外部部件的干涉；且手腕各軸可以實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，非常靈活，該手腕3個軸能同時處在同一軸線上。

另外，還有一種比較常用的中空手腕結(jié)構(gòu)是揚州科文機器人有限公司的中空手腕結(jié)構(gòu)[4]，具體傳動結(jié)構(gòu)如圖7所示。該中空手腕的3個旋轉(zhuǎn)軸軸線成一定角度，一般為120°或135°。

圖7 揚州科文中空手腕結(jié)構(gòu)圖

圖7中第六軸的傳動路徑為：當(dāng)?shù)诹S主動小齒輪轉(zhuǎn)動時，會帶動第六軸從動中空大齒輪轉(zhuǎn)動，接著帶動第六軸一級主動錐齒輪轉(zhuǎn)動，再帶動與之嚙合的第六軸一級從動錐齒輪轉(zhuǎn)動，繼而帶動安裝在上面的第六軸二級主動錐齒輪轉(zhuǎn)動，然后驅(qū)動第六軸輸出法蘭旋轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)機器人第六軸的運動。

該手腕在設(shè)計時要注意潤滑的密封設(shè)計，防止漏油與滲油。密封設(shè)計一般采用動密封與靜密封相結(jié)合的設(shè)計方式，動密封一般采用旋轉(zhuǎn)類油封，在安裝油封時一定要特別注意，不能損傷油封的唇部，且需要在油封唇內(nèi)涂抹一定量的潤滑脂，來保證密封的可行性；靜密封O型圈的材質(zhì)一般選用材料性能好的，如氟橡膠。

目前，采用中空結(jié)構(gòu)手腕的機器人品牌主要有杜爾涂裝系統(tǒng)工程（上海）有限公司、ABB集團公司、川崎重工業(yè)株式會社（以下簡稱川崎）、安川電機（中國）有限公司、希美埃(蕪湖)機器人技術(shù)有限公司（以下簡稱希美埃）等。

1.3 Lemma手腕結(jié)構(gòu)(BBR)

Lemma手腕結(jié)構(gòu)也是噴涂機器人常用的結(jié)構(gòu)形式之一，即機器人的第四軸與第五軸是同時擺動，都可以實現(xiàn)360°的運動，第六軸是旋轉(zhuǎn)運動，這樣機器人手腕的活動范圍更大，更加靈活。采用該手腕結(jié)構(gòu)的機器人品牌主要有川崎、希美埃，如圖8、圖9所示。

圖8 川崎Lemma手腕

圖9 CMA Lemma手腕

Lemma手腕結(jié)構(gòu)的傳動原理如圖10所示。采用該手腕結(jié)構(gòu)三根傳動軸一般為同軸布置，第四、第五、第六軸均可實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)運動，手腕靈活。除了傳動結(jié)構(gòu)的布置外，該手腕的主要難點在于錐齒輪的設(shè)計與機械加工。一般該類型的錐齒輪采購螺旋錐齒輪，因為其可以有效增加機器人末端的負載，并減少傳動噪音。目前該類錐齒輪的專業(yè)齒輪制造商已有標準化產(chǎn)品，用戶可以進行選擇使用，該種錐齒輪除齒輪部位外，齒輪軸及其中心孔還可以進行追加工，這樣可以降低成本。

圖10 Lemma手腕結(jié)構(gòu)傳動簡圖

1.4 叉臂手腕結(jié)構(gòu)（RBR）

該種結(jié)構(gòu)的機器人手腕也是普通工業(yè)機器人常用的結(jié)構(gòu)之一，該手腕第四、第五、第六軸電機的布置比較靈活，可以放置在第三軸關(guān)節(jié)處，也可以布置在手腕內(nèi)或小臂中。

采用該種手腕結(jié)構(gòu)的機器人品牌主要有ABB、希美埃(如圖11所示）、川崎(如圖12所示）等。

圖 11 CMA GR6160

RBR傳動原理有兩種形式，其中，第五軸繞A旋轉(zhuǎn)軸擺動，如圖13所示；另一種，如圖14所示，第五軸繞B旋轉(zhuǎn)軸擺動。

圖13 叉臂手腕結(jié)構(gòu)簡圖（繞A軸擺動）

圖14 叉臂手腕結(jié)構(gòu)簡圖（繞B擺動）

2 結(jié)論

在設(shè)計噴涂工業(yè)機器人時，設(shè)計人員除了考慮其防爆功能外，尤其要考慮機器人的手腕結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計任務(wù)與末端安裝工具（旋杯或噴槍等）來設(shè)計手腕，同時要考慮成本，C系列的中空RV減速機相對E系列貴一些，但走線相對簡單些；也可以第一軸采用C系列的RV減速機，第二、三軸采用E系列RV減速機的組合設(shè)計方式，綜合全面考慮才能設(shè)計出合理的噴涂機器人結(jié)構(gòu)。

希望本文能給設(shè)計者提供一部分思路。