桁架式機器人的機械設計與研究

（無錫貝斯特精機股份有限公司，江蘇 無錫 214161）

桁架式機器人的機械設計與研究

朱金權(quán)

（無錫貝斯特精機股份有限公司，江蘇 無錫 214161）

本文介紹了桁架機器人的基本組成、結(jié)構(gòu)特點、傳動系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設計時的相關計算, 為桁架機器人在工業(yè)制造領域的普及和應用提供相關技術(shù)支持。

桁架機器人；橫梁；結(jié)構(gòu)特點；結(jié)構(gòu)設計；設計計算

1 概述

桁架式機器人是一種綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能等多學科而形成的高新技術(shù)產(chǎn)品。是一種能進行自動控制的、可重復編程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作設備。隨著國內(nèi)企業(yè)用人成本的不斷增加，桁架式工業(yè)機器人在制造業(yè)中實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)、擺脫單調(diào)重復的體力勞動、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面具有明顯的優(yōu)勢，在高溫、有毒場合具有人工無法替代的作用，在機械加工業(yè)具有廣泛的運用，了解和掌握桁架式機器人的特點、結(jié)構(gòu)和設計，對推動我國機器人的運用具有現(xiàn)實的指導意義。

2 結(jié)構(gòu)形式與特點

2.1 結(jié)構(gòu)形式：

桁架機器人的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，總體為龍門框架結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)加工零件生產(chǎn)工藝要求，可以將多臺加工設備（加工中心或數(shù)控設備）組合成一個獨立的自動化生產(chǎn)單元，實現(xiàn)零件的自動化、批量化生產(chǎn)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)龍門跨度的長短，為提高設備上橫梁的剛性，可在兩端立柱之間適當增加中間立柱，中間立柱的位置一般以跨度5～6米為宜。按照這種布置形式，桁架機器人可以盡可能多得將多臺加工設備組合在同一加工單元內(nèi)，最大限度的滿足加工要求，提高生產(chǎn)效率。

2.2 設備特點：

2.2.1 運動部件直線運行，最大直線運行速度達150m/min（即2.5m/s），速度5倍于機床的運行速度；

2.2.2 運動時的加速度2倍于機床的加速度，達到10m/s2；

2.2.3 重復定位精度高，達到±0.05mm，完全能滿足一般自動加工設備的定位精度要求；

2.2.4 最大限度地將零件加工工藝所需加工設備有機組合在一個加工單元內(nèi)，實現(xiàn)加工功能化、規(guī)模化；

2.2.5 立體龍門空間結(jié)構(gòu)，占地面積少，維護維修方便；

3 設備組成

3.1 立柱:立柱是桁架機器人的基本結(jié)構(gòu)件之一，是支承上部橫梁，固定桁架機器人于安裝基礎平面的重要結(jié)構(gòu)零件。通常采用“冷拔無縫方形鋼管”和鋼板焊接而成，上部設計成L型結(jié)構(gòu)用于連接橫梁，能方便安裝時調(diào)整橫梁的工作面，使安裝于橫梁上的豎軸（Z軸）的軸線垂直作用于立柱安裝基礎平面，同時為增加立柱的穩(wěn)定性，立柱下部的安裝面應使上部橫梁受力作用點落在立柱下部的安裝底板有效范圍內(nèi)，以減少因上部橫梁和Z軸運動部件的質(zhì)量對立柱造成的偏心傾覆力矩。

3.2 橫梁:橫梁是桁架機器人的另一重要基本結(jié)構(gòu)件之一，它的剛度、強度直接影響到整個設備的精度。因此橫梁的設計是桁架機器人設計的關鍵，它是桁架機器人的X軸，其上安裝有Z軸沿橫梁運動的導軌組件和齒輪齒條傳動機構(gòu)，承載著機械手抓取機構(gòu)的自重、機械手抓取的外部負載、整個Z軸機構(gòu)的自重等載荷。橫梁兩端裝有限制Z軸運動超出行程的行程限位器和端蓋。

3.3 豎軸:豎軸又稱為Z軸，是機器人上下運動的軸，它上部安裝于和X軸相連接的托板上，下部裝有抓取工件的機械手，其上裝有Z軸上下運動的導軌組件和齒輪齒條傳動機構(gòu)。Z軸上端部裝有Z軸運動限位器和端蓋。

3.4 托板:托板是桁架機器人運動及驅(qū)動機構(gòu)的安裝主體零件，其上安裝有如下零部件：

3.4.1 驅(qū)動Z軸沿X軸運動的電機及減速機組件；

3.4.2 驅(qū)動Z軸上下運動的電機及減速機組件；

3.4.3 沿X軸和Z軸運動時的潤滑系統(tǒng)；

3.4.4 Z軸上下運動時的電纜及氣管拖鏈；

3.4.5 沿X軸和Z軸運動的導軌滑塊或?qū)驖L輪組件及相應潤滑和刮削保護罩;

為提高Z軸運動時的重復定位精度，減少Z軸運動時的運動慣量，托板通常采用鋁合金材料，以減輕自身質(zhì)量，減少運動慣性沖擊。

3.5 手爪：手爪是桁架機器人運動時抓取工件的執(zhí)行機構(gòu)，它安裝于桁架機器人Z軸的下端。根據(jù)抓取工件的大小、質(zhì)量、形狀及工作節(jié)拍的不同，抓手的結(jié)構(gòu)也發(fā)生相應的變化，為有效實現(xiàn)手爪的抓取功能，手爪上需要設計并安裝如下功能部件，并確定相關技術(shù)參數(shù)：

3.5.1 爪手定位功能部件：確定爪手

與工件之間的正確位置，實現(xiàn)爪手準確抓取工件的部件，通常采用導銷、導套定位；

3.5.2 工件抓取或松開部件：實現(xiàn)爪手抓取工件時，夾緊與松開的部件，設計時需計算爪手的額定抓取質(zhì)量，它是機械手的重要參數(shù)之一。根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)形式，設計時需考慮如下：

（1）工件在爪手中的定位方式：固定機械擋塊定位、可調(diào)機械擋塊定位、行程開關，電位器及各種位置設定和檢測傳感裝置；

（2）夾緊與松開的驅(qū)動方式：氣動、液動、電動或機械傳動；

（3）手指夾持范圍：針對工件的形狀和夾緊位置，為確保爪手能正確取放工件，手指夾緊和松開的范圍大??；

（4）定位檢測位置傳感器：在定位功能部件上安裝的定位檢測傳感器，用于在爪手抓取工件前給爪手的驅(qū)動（電機控制器、氣缸或油缸的電磁閥）發(fā)出定位到位信號的裝置；

（5）夾緊、松開位置傳感器：在工件抓取或松開部件上安裝的定位檢測傳感器，用于爪手夾緊、松開工件到位后給機器人發(fā)出定位到位信號的裝置，便于機器人接收到夾緊、松開信號后執(zhí)行后面相關動作；

（6）爪手的自由度數(shù)目及驅(qū)動源：為順利抓取和放置工件，需考慮整個爪手共有幾個運動自由度，同時需考慮這些自由度實現(xiàn)的驅(qū)動源：氣缸、油缸、電機的布置及安裝方式，氣壓、油壓大小、電機的型號或規(guī)格等；

（7）整個爪手的質(zhì)量：爪手的質(zhì)量是爪手未抓取工件時爪手自身的質(zhì)量，它是計算機器人承載能力的參考因素之一。桁架機器人的承載能力取決于爪手的額定抓取質(zhì)量及整個爪手的自身質(zhì)量，兩者之和的大小是各軸相關設計計算的依據(jù)。

（8）拖鏈：拖鏈是桁架機器人運動時各個運動軸上通信電纜、氣管、油管、信號線的固定、連結(jié)和支承的載體，它具有方便、美觀、牢固、耐磨、低噪音的特點，在桁架機器人行業(yè)中已廣泛使用。

3.6 潤滑系統(tǒng)：桁架機器人的齒輪齒條、導軌滑塊、導向滾輪等各運動部分，由于不停地高速運動，運動部件之間會發(fā)熱、磨損，從而影響設備的精度。為此，在各運動部件處設置潤滑點。將潤滑系統(tǒng)安裝在托板上，電動潤滑泵將潤滑脂不斷輸出，通過潤滑系統(tǒng)控制器，將潤滑脂定時、定量地輸送至各潤滑點，實現(xiàn)集中潤滑。

4 傳動系統(tǒng)

4.1 伺服電機：伺服電機是驅(qū)動各運動部件（X軸、Z軸）運動的動力源，安裝于托板上，電機主軸前端與減速機的輸入端相連，在減速機的輸出軸上裝有帶動各運動部件運動的齒輪，齒輪與齒條相嚙合，齒條固定于各自軸的橫梁上，通過電機的啟停和正反轉(zhuǎn)帶動齒輪的停止和轉(zhuǎn)動，從而帶動各軸作相應的啟停和往復運動。伺服電機常采用三菱、西門子等品牌，根據(jù)需要選擇帶“電磁制動器”的伺服電機，使電機在斷電停機時能實現(xiàn)可靠制動，保證各運動部件（X軸、Z軸）運動時的可靠性、安全性。由于Z軸是帶動工件上下運動的承載部件，驅(qū)動Z軸運動的電機需要克服Z軸本身質(zhì)量、工件質(zhì)量和手爪質(zhì)量，為保證Z軸運動的安全，驅(qū)動Z軸運動的伺服電機必須具有“電磁制動器”功能。

為提高驅(qū)動各運動部件（X軸、Z軸）的驅(qū)動能力，減少伺服電機的扭矩或功率，根據(jù)各運動部件實際運動速度和承載能力大小，可在各伺服電機輸出軸上安裝減速比合適的減速機，減速機通常采用與伺服電機相匹配的同品牌減速機，以保證傳動精度與可靠性。

4.2 導軌滑塊：導軌滑塊是各運動部件（X軸、Z軸）精確運動的導向機構(gòu)，具有大承載、高精度、高速度、高可靠性、低磨損、標準化、系列化的優(yōu)點，在桁架機器人中已廣泛使用?；瑝K安裝在托板上，內(nèi)有鋼球，使滑塊與導軌之間的接觸為滾動摩擦，大大降低了二者之間的運動摩擦阻力；導軌安裝在橫梁上。由于導軌與滑塊之間的低摩擦性，使得采用導軌與滑塊裝置具有如下優(yōu)點：

4.2.1 動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅(qū)動信號與機械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高系統(tǒng)的響應速度和靈敏度；

4.2.2 電機驅(qū)動功率大幅下降，只相當于普通機械的1/10；

4.2.3 適應高速直線運動，其瞬時速度比滑動導軌提高約10倍；

4.2.4 能實現(xiàn)高定位精度和重復定位精度。實現(xiàn)無間隙運動，提高機械系統(tǒng)的運動剛度；在成對使用導軌副時，具有“誤差均化效應”，從而降低基礎件（導軌安裝面）加工精度要求；

4.2.5 導軌采用表面硬化處理，使導軌具有良好的可校性；心部保持良好的機械性能；

4.2.6 簡化了機械結(jié)構(gòu)的設計和制造；

4.3 齒輪齒條：齒輪齒條是安裝在各自運動部件（X軸、Z軸）上，通過電機驅(qū)動，實現(xiàn)各運動部件運動的傳動部件，齒條安裝在各運動部件的橫梁上，與導軌滑塊平行布置。齒輪與安裝在“托板”上的減速機的輸出軸相連，并與齒條嚙合傳遞運動。齒輪齒條齒面的熱處理可按：調(diào)質(zhì)、感應淬火、全淬火或滲氮處理。齒輪齒條材質(zhì)常為：碳 鋼45、42CrMo4V、16MnCr5等， 齒面硬度可達到HRC55～60，齒條長度從1000mm～3000mm不等，精度從5級～11級不同。根據(jù)不同的承載情況，選擇不同的材質(zhì)、硬度和精度。

5 設計計算

5.1 X軸橫梁的相關計算：

根據(jù)X軸橫梁的布置形式可將橫梁按兩點支承結(jié)構(gòu)計算橫梁的相關參數(shù)，包括：剪切力Q、彎矩M。

5.1.1 初始條件：

（1）橫梁及導軌自身質(zhì)量W1;

（2）托板及其上的包含Z軸部件的總質(zhì)量W2；

（3）手抓自身質(zhì)量W3；

（4）工件自身質(zhì)量W4；

（5）重力加速度：g;

5.1.2 橫梁所受外力：F=W2+W3+W4，方向垂直向下。橫梁不考自重時計算示意圖如圖2所示：

圖中：l：橫梁的總有效跨度；

l1：托板左側(cè)導向滑塊距橫梁左端尺寸；

l2：托板右側(cè)導向滑塊距橫梁右端尺寸；

表1

圖2

l3：Z軸托板上兩導向滑塊之間距離；

q外：除橫梁自重外所有外力所產(chǎn)生的均布載荷，

5.1.3 桁架機器人在外力作用下的設計計算公式表，見表1。

5.1.4 橫梁只考慮自重時的計算示意圖如圖3所示。

圖3

5.1.5 桁架機器人在自重作用下的設計計算公式，見表2。

橫梁實際工作中所受作用力是自重和外力共同作用的結(jié)果，是上述兩種狀態(tài)計算參數(shù)的矢量疊加，見表3。

表2

表3

5.1.6橫梁彎曲強度校核：

（1）橫梁可以等效為一個等截面中心對稱的桿件結(jié)構(gòu)，對整個橫梁截面來說，最大應力發(fā)生在彎矩最大的截面上。其值為：

式中：WZ為抗彎截面系數(shù)。

（2）強度條件：產(chǎn)生最大彎矩的截面稱為危險截面，危險截面上產(chǎn)生最大應力的點稱為危險點。即：

式中：[σ]為材料的許用應力。

σ0為材料的極限應力。對于脆性材料：σ0=σb；對于塑性材料：σ0=σs。n為安全系數(shù)。對于脆性材料：n=2.5～3.0；對于塑性材料：n=1.5～2.0。

（3）橫梁剪切強度校核：最大彎曲剪切應力通常發(fā)生在截面中性軸處，該處的正應力為零，最大剪切應力作用點處于純剪切應力狀態(tài)。橫梁是一個等截面直梁，最大彎曲剪切應力發(fā)生在剪力最大的截面上。最大彎曲剪切應力不得超過材料在純剪切時許用剪應力。即：

式中：Q總max是發(fā)生在截面上的最大剪切力；Szmax是所求應力點外的面積到中性軸的靜面矩，靜面矩S＝應力點面積A×應力點面積形心對某軸的標矩；IZ是橫梁截面對中性軸Z的慣性矩；b是橫梁截面的寬度；[τ]是材料的剪切許用應力，它與與材料的許用應力[σ]之間，存在如下關系：對于塑性材料：[τ]=0.6～0.8[σ]；對于脆性材料：[τ]=0.8～1.0[σ]

5.2 導軌滑塊承載能力計算:

導軌滑塊是X軸運動時的導向機構(gòu)，它由兩根導軌和四只滑塊組成。兩導軌固定在橫梁側(cè)面的安裝面上，四只滑塊與托板固定聯(lián)接，托板上裝有X軸驅(qū)動部件、Z軸驅(qū)動部件、整個Z軸部件、軌道潤滑裝置等。

5.2.1 初始條件：

（1）工件質(zhì)量m1;

（2）托板自身質(zhì)量m2;

（3）托板上負載的質(zhì)量m3：包括X軸驅(qū)動部件、Z軸驅(qū)動部件、整個Z軸部件、軌道潤滑裝置等;

（4）重力加速度：g;

5.2.2 計算模型如圖4所示：

圖中：mg=（m1+m2+m3）g：滑塊所受總負載；

L0：兩滑塊水平方向中心線之間的距離；

L1：兩導軌垂直方向中心線之間的距離；

L2：滑塊所受總負載幾何中心與托板水平幾何中心線水平方向的距離（如圖）；

L3：滑塊所受總負載幾何中心與導軌幾何中心線前后水平方向的距離（如圖）；

P1、P2、P3、P4：滑塊1、滑塊2、滑塊3、滑塊4分別所受徑向力（如圖4所示）；

P1T、P2T、P3T、P4T：滑塊1、滑塊2、滑塊3、滑塊4分別所受側(cè)向力（如圖4所示）；

表4

5.2.3 計算公式，見表4。

5.3 驅(qū)動電機扭矩計算:

圖4

圖5

驅(qū)動電機是驅(qū)動橫梁上運動部件的動力源，由于桁架機器人對運動部件的運動速度和重復定位精度有相應的要求，驅(qū)動電機均采用伺服電機，伺服電機驅(qū)動能力的大小一般由電機的額定扭矩來決定。因此，設計時需要計算驅(qū)動電機的扭矩。

5.3.1 初始條件

（1）電機驅(qū)動的總載荷量G（托板上所有零件及Z軸自重W2、手爪質(zhì)量W3、工件質(zhì)量W4）。

（2）G=W2+W3+W4，

（3）驅(qū)動齒輪的直徑D；

（4）電機中心到上軌道中心距離L1；

（5）電機中心到下軌道中心距離L2；

（6）軌道運動式的摩擦系數(shù)μ

5.3.2 計算模型如圖5所示。

（1）在總載荷G的作用下運動部件在上下兩軌道上所受的力可以分解為徑向力和側(cè)向力，運動時所受的滑動摩擦力是上述兩種力共同作用的結(jié)果，上軌道所受摩擦力F1=μ×（P1T+P2T+P1+P2），下導軌上所受的摩擦力F2=μ×（P3T+P4T+P3+P4）。上下軌道上所受滑動摩擦力的合力與電機轉(zhuǎn)動時作用在齒輪齒側(cè)面分度圓上的傳動力大小FRZ相等，方向相反，即：FRZ=F1+F2，運動部件啟動和停止時由于加速度的存在，運動部件存在慣性力，加速時慣性力與運動方向相同為正，減少時慣性力與運動方向相反 為負。F慣=M×a=（W2+W3+W4）×a。

（2）在運動部件啟動時，運動部件加速運動F總=F慣+FRZ，此時電機需輸出最大的驅(qū)動力才能驅(qū)動運動部件運行。

（3）電機輸出功率計算：

式中：P：電機的輸出功率；

ν：運動部件勻速運行時的速度;

η：運動時的機械效率

（4）伺服電機扭矩的計算:

式中：P：電機的輸出功率；

ν：電機運行時的轉(zhuǎn)速：

T：電機的輸出扭矩;

（5）電機型號的確定：根據(jù)計算電機的輸出扭矩，選擇所需的電機。

式中：T額：電機的額定輸出扭矩；

i：與電機相連接的減速機的減速比；

T：電機的輸出扭矩；

n：電機運行時的安全系數(shù)；

5.4移動速度計算

“移動速度”是桁架機器人的主要參數(shù)之一，桁架機器人運行速度的快慢直接影響機器人工作的節(jié)拍，從而決定機器人的工作效率。

5.4.1 工作方式及運動特點

（1）桁架機器人的工作方式：

● 機械手在某一位置處于靜止狀態(tài)；

● 當電氣控制系統(tǒng)接受到某一控制信號后桁架帶動機械手由靜止狀態(tài)開始加速啟動；

● 機械手按某一運動軌跡運行到特定位置執(zhí)行特定的動作。

（2）運動特點：上述運動過程可分解三個部階段

● 機械手由靜止到勻速運動中的加速運動階段；

● 機械手勻速運動階段；

● 機械手勻速運動到特定位置停止的減速階段；

5.4.2 初始條件

（1）機械手開始處于靜止狀態(tài)，初始運行速度v0=0；

（2）機械手由靜止到勻速運動過程中的加速度a加；

（3）機械手由靜止到勻速運動過程中的加速時間t加；

（4）機械手勻速運動時的速度v,

（5）機械手由勻速運動到靜止過程中的加速度a減,

（6）機械手由勻速運動到靜止過程中的減速時間t減,

5.4.3 計算公式：

加速過程：v=v0+a加t加

減速過程：v=v0-a減t減

5.5 物理單位說明

5.5.1 重力加速度：g（9.81m/s2）;時間：s；

5.5.2 質(zhì)量：Kg；扭矩:N.m速度：m/s

5.5.3 長度：m；負載：N功率：Kw

5.5.4 均布載荷：N/m；

5.5.5 加速度:m/s2轉(zhuǎn)速：r/min

結(jié)語

桁架機器人在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)獲得了廣泛的應用，研究桁架機器人的相關結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，對桁架機器人的設計、優(yōu)化機器人的參數(shù)、最大限度發(fā)揮桁架機器人的優(yōu)勢，具有重要的現(xiàn)實指導意義。

[1]聞邦椿，張義民，鄂中凱等，機械設計手冊，第1卷.-5版。北京：機械工業(yè)出版社2010.1：1-127

Wen B C, Zhang Y M,E Z K, etc. Mechanical Design Handbook, Volume 1. -5 Edition. Beijing: Mechanical Industry Press 2010.1: 1-127

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