Forearm to an industrial robot with a payload of 700 kg

Under hösten har ett examensarbete i maskinkonstruktion genomförts på ABB Robotics i Västerås där syftet har varit att konstruera en överarm till en industrirobot. ABB:s industrirobotar har en maximal hanteringsvikt på 500 kg vilket inte alltid är tillräckligt. Då efterfrågan för en starkare robot ökar så ska detta examensarbete utreda och ta fram ett konceptförslag på en överarm för 700 kg hanteringsvikt. En kravspecifikation sattes upp tillsammans med företaget där de viktigaste kraven listades. Överarmen kan delas in i tre delar med varsin axel, armhuset med axel 4, handleden med axel 5 och tilthuset med axel 6. En avgörande del av examensarbetet är kraftöverföringen med kompaktväxlar till de tre axlarna, då dessa avgör hur resten av överarmen blir. För att sätta mig in hur kraftöverföringen kan lösas gjordes en undersökning där både ABB:s befintliga robotar samt konkurrenters robotar ingick. Fyra olika konceptförslag togs fram med olika lösningar på kraftöverföringen till de olika axlarna. Mycket arbete gick åt att kontrollera livslängden på de olika kompaktväxlarna med ett särskilt program. En urvalsmatris användes för att välja ut två koncept för vidare utveckling med CADmodeller. De förslag som valdes ut var dels ett förslag som liknar dagens robot för 500 kg och dels en variant med kuggremdrift på axel 4 och 5. I dag sitter kompaktväxlarna som driver axlarna 4 och 5 parallellt med axeln, vilket kräver att kugghjul används för att överföra momentet då det är på utgående sidan av växeln. Den andra varianten har kuggväxeln placerad i linje med axeln vilket gör att kuggsteget kan ersättas med en kuggrem på ingående sida där momentet är lägre. Dagens lösning på kraftöverföringen blev det slutgiltiga valet, då det kunde genomföras efter vissa ändringar av kraven samt önskemål om att använda samma lösning på transmissionen till axel 4 och 5. Slutligen valdes en typ och storlek av växel som kan användas till alla tre axlarna. Modeller togs fram på armhus, tilthus och handled. Då handleden var den mest kritiska komponenten koncentrerades mycket av arbetet där. Dimensioneringen av kraftöverföringen kontrollerades och blev godkänd. Även en FE-analys av gjutgodset till handleden gjordes där vissa laster ledde till höga spänningar, dock inom ett litet område. Min rekommendation blir att för kunna gå vidare med konceptet måste lägre krav på livslängden tillämpas, då handleden annars blir för stor och otymplig.During the autumn 2006 a master thesis in mechanical engineering has been carried out at ABB Robotics with the aim of constructing a forearm to an industrial robot. The current models of robots have a maximum payload of 500 kg, which is not always sufficient. The demand for a stronger robot is growing and this master thesis is going to explore and generate a concept to a forearm with a payload of 700 kg. A product specification was put together with the company, corresponding to their demands. The forearm is made up from the three axes 4, 5 and 6. Axis 4 is located in the back of the forearm “in the shoulder of the robot”. In the front of the forearm, located in the wrist, axis 5 is used to move the house which axis 6 is mounted in. The transmission is a vital part in this thesis, as the transmissions will determine also the forearms other dimensions. A study of the transmission in ABB current robots and their competitors was performed. Four different concepts with different solutions of the transmission were developed. The working life of the gearboxes is a crucial part of the construction of the transmission. A selections matrix was used to select two concepts for further development with CAD-models. The two different concepts were one that was similar to today’s robot (500 kg) and one with belt drive on axis 4 and 5. In the present 500 kg robot the gearboxes to axis 4 and 5 are located parallel in relation to the axis. This solution demands a gear stage to move the axis. In the second solution the gearbox is located in line with the axis and the gear stage can be replaced with a belt drive since the torque on the motor side is lower. The motor is still located parallel with the axis. Today’s concept solution for the transmission was the final choice, with this solution you can meet the demands with some small adjustments and you get an acceptable size on the wrist. One goal was to use the same solution of transmission in axis 4 that is on axis 5 and to use one type and size of gearbox. This was accomplished and one type/size of gearbox can be used for all three axes. Three models on shoulder, wrist and housing (axis 6) were put together. The wrist was the most critical component and much of the work was concentrated here. A control of the dimensioning of the transmission was accomplished and approved. An FE-analysis was used for dimensioning of the wrist castings and the results for some load cases indicated high stresses, but only in a small region. My recommendation is that this concept is worth to develop further. The lifetime requirement should be somewhat reduced though, to avoid a too bulky design