双臂机器人模块化关节与中心轴制造工艺研究

张　　波　　吴正勇　周保牛

（常州机电职业技术学院，常州213164）

双臂机器人模块化关节与中心轴制造工艺研究

张波吴正勇周保牛

（常州机电职业技术学院，常州213164）

关节是双臂机器人功能组件最为重要的部件，关节的模块化设计与制造工艺是技术关键。本文分析了模块化关节制造工艺方法，以关节典型零件中心轴为例，讨论了中心轴加工工艺路线、中心轴热处理和中心轴虚拟加工，为零件的工艺优化奠定基础，为零部件质量提供保障。

双臂机器人关节中心轴

1模块化关节的设计

采用机电一体化和模块化方法，将驱动、传动、制动及检测融为一体，关节内部集成了电机、减速器、制动器和位置传感器、力矩传感器、温度传感器等诸多传感器、信号处理电路、驱动电路、实时串行通讯总线及DSP。关节整体结构紧凑。提出根据功能划分不同的模块形式，包括旋转关节模块、连杆模块、接头模块等，提高关节的可重构性。旋转关节的结构形式采用分体式电机。

机电一体化单关节采用谐波减速器，刚轮固定，柔轮输出；减速比大、多齿啮合、传动平稳。关节由固定部分与转动部分组成，外壳设计为圆柱形。固定部分包括有电机定子、制动器、谐波减速器刚轮、编码器以及控制、驱动电路板等，转动部分含有电机转子、谐波减速器柔轮与波发生器、深沟球轴承等。减速器、电机、制动器、位置反馈元件采用顺序串联结构，中空部分有一连续的空心长轴将其连接起来，内套有穿线管，防止线缆随空心轴转动发生绕线。固定部分与关节外壳固定；转动部分与关节输出端连接。

由于机器人一体化关节要求体积小、重量轻、输出功率或力矩大，因此必须开发高功率密度的驱动系统。为实现高功率密度的目标，要在一定体积下输出更大的功率、力矩，方法有提高电机的速度或者设计新型结构电机。本项目采用结构更紧凑的分体式电机，可实现低速大转矩。

由于紧凑化、小型化设计，机电一体化关节的发热情况严重，可以通过设计散热片、散热槽，电路板上加装散热风扇，大的热耗散件，如电机定子、制动器等，与外壳紧紧连接，或在与外壳之间的间隙内填充导热硅脂，用来把关节中的热量尽可能地传导到壳体上，以减小与外界环境的热路阻；合理设计控制电路，减少功率损耗等措施来解决散热问题。

2模块化关节制造工艺方法

关节是双臂机器人功能组件最为关键部件，为保证关节研发成功，并能顺利实现产业化大量生产，先进行关节主要部件的单件试制，装配，分析装配后关节所能达到精度，改进关节部分部件设计要求，进行大批量生产。由于关节部件均属于精密零件，为降低生产复杂度，需利用关节精度分析，进行装配工艺方法的选择，拟采用修配法进行零部件尺寸精度的分配。其整体过程如图1所示。

图1关节研制思路

在分析关节装配精度时，采用模块化、模型化分析计算，实现主要零部件的精度自动生成，对于大量生产需要进行精度的分析与计算，装配精度取决于零件生产工艺方法及生产设备，也与装配方法选择有关。关键零件生产工艺也很关键，主要有中心轴、法兰、穿线管、外壳等。

图2关节结构示意图

3中心轴制造工艺方法（关节典型零件）

（1）中心轴加工艺路线。中心轴属于细长杆件，其中有细深孔，要保证其精度要求，也要保证良好的性能，因此对生产加工及热处理均有较高要求，毛坏拟采用40Cr棒料。

中心轴单件工艺采用少工序原则，其加工工艺路线：下料--锻造--调质--切削加工--感应加热淬火+低温回火--精加工--检验。见下表：

表 中心轴加工艺路线

（2）中心轴热处理。中心轴通过调质处理（40Cr淬火后进行高温回火），以改善组织，得到基体强度，为最终热处理做组织准备。提高中心轴综合性能，同时由于中心轴圆柱与端面有较高的垂直度要求，通过粗精加工分开提高零件位置度精度，在精加工之前采用表面淬火热处理和低温回火提高零件表面硬度。

图3中心轴调质（淬火+高温回火）工艺曲线

调质的作用：改善组织，得到基体强度，为最终热处理做组织准备。

感应淬火：曲轴表面得到M，曲轴心部为强、塑、韧性较高的调质组织。

低温回火：使表面的淬火M转变成回火M，消除淬火应力，稳定组织，减少脆性

（3）中心轴虚拟加工。虚拟制造是对实际制造活动的抽象，实际制造是虚拟制造的实例，虚拟制造是一种更高层次上的计算机技术在设计、制造、管理等各个环节中的应用，虚拟制造有助于在实际生产之前对加工方法的校验，减少加工失误。

采用vericut软件对中心轴加工过程进行模拟仿真，实现真正生产前的虚拟制造，以检验工艺流程的正确性，虚拟加工后零件的尺寸可以进行仿真分析，根据结果对加工工艺进行修正，虚拟加工过程如下图所示：

图4虚拟制造功能图

图5中心轴虚拟加工仿真

4结语

双臂机器人机电一体化和模块化关节开发是重要的研究领域，优化双臂机器人关键零部件结构及制造工艺，选择合理的成型方法、热处理工艺和精密加工工艺，为双臂机器人关键功能部件的研制提供技术参考。

［1］樊绍巍，宗华，邱景辉，陈兆芃.机器人灵巧手柔性关节自适应阻抗控制 ［J］.电机与控制学报，2012，16（12）：78-86.

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［3］吴伟国，侯月阳.机器人关节用挠性驱动单元研制与负载特性试验 ［J］.机械工程学报，2015，50（13）：16-21.

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Research on Manufacturing Technology of Modular Joint and Central Axis of Dual Arm Robot

ZHANG Bo，WU Zhenyong，ZHOU Baoniu
（Changzhou Institute of Mechatronic Technology，Changzhou 213164）

The joint is the most important component of the functional components of the dual arm robot，so the modular design and manufacturing process of the joint is the key technology.This paper analyses the modular joint manufacturing process，in a typical joint parts of the center shaft as an example，discusses the center axis machining process route，a central shaft heat treatment and center axis virtual machining and lay the foundation for the parts of the process optimization，and provide guarantee for the quality of the parts.

dual arm robot；joint；center axis