長行程機器人地軌的結(jié)構(gòu)分析

王志挺

（廣州明珞汽車裝備有限公司，廣東廣州510530）

0 引言

機器人地軌又稱機器人行走軸、機器人外軸、第七軸，其作用主要是帶動工業(yè)機器人，使其能在指定路線上進行移動，擴大機器人的作業(yè)半徑，提高機器人的使用效率。機器人第七軸，即機器人安裝在可以移動的基座上通過導軌裝置進行直線運動的行走系統(tǒng)裝置。采用該線性滑軌可增加作業(yè)空間或在機器人作業(yè)區(qū)移動工件/工具，通常用于搬運、點焊、弧焊等機器人作業(yè)。它能確保整條生產(chǎn)線上的生產(chǎn)效率最大化，有了直線導軌，可以進行長距離的移動，作業(yè)空間將顯著增大。另一項重要優(yōu)勢：第七軸以附加軸的形式工作，采用機器人的控制系統(tǒng)進行控制，因此無需增加額外的控制系統(tǒng)。

地軌由一個高強度的結(jié)構(gòu)件焊接構(gòu)成并經(jīng)過精密加工，直線導軌和斜齒輪齒條都經(jīng)過硬化和研磨處理，標配的APEX行星齒輪箱可搭配多種廠家伺服馬達、伺服電機，移動拖鏈可集成在基本模塊上。

1 工作原理

第七軸是一個水平結(jié)構(gòu)的線性移動機器人的單軸單元，如同附件軸一樣由機器人控制系統(tǒng)控制。機器人安裝在動力滑臺的BASE平面上，機器人控制柜通過拖鏈系統(tǒng)給動力滑臺提供電能及控制信號，動力滑臺由驅(qū)動裝置、交流伺服電機及減速機和齒輪通過安裝在滑軌底座上的齒條沿直線導軌方向驅(qū)動。動力滑臺的運動范圍由可編程的軟件限位開關(guān)限制及機械止擋限位加以保護。

2 結(jié)構(gòu)組成

機器人地軌主要由5部分組成：機器人、地軌底座、驅(qū)動裝置、動力滑臺、長行程拖鏈（圖1）。

圖1 機器人地軌3D示意圖

2.1 地軌底座

2.1.1 地軌底座的組成

2.1.1.1 支撐底板

支撐座通過M20化學錨栓固定在地面上，底座通過支撐座上的支撐螺桿和高度調(diào)節(jié)螺桿調(diào)整線性滑軌的高度及水平，調(diào)試完成后，底座和支撐座用配焊塊焊接固定，防止底座晃動。

2.1.1.2 超程開關(guān)

在機器人控制系統(tǒng)軟限位失效的情況下，動力滑臺觸發(fā)超程開關(guān)后發(fā)出信號，強制伺服電機停止。

2.1.1.3 機械限位

在軟限位失效的情況下，通過機械硬限位阻止動力滑臺沖出滑軌底座。

2.1.1.4 原點校正塊

又稱“機械原點”，設(shè)定機器人動力滑臺的位移原點作為電氣原點，當電氣原點丟失時，通過機械原點找回或校正電氣原點（注意：當原點設(shè)定或校正完成后，原點校正塊必須從其安裝支座上拆下，裝在支座安裝面上，防止動力滑臺撞擊支座變形導致原點位置偏移）。

2.1.1.5 直線滑軌

通過導軌上的滑塊與動力滑臺連接，使動力滑臺在直線導軌的長度范圍內(nèi)做直線運動。

2.1.1.6 齒條

作為驅(qū)動裝置的一部分安裝在底座上，把電機輸出的旋轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)化為推力驅(qū)動動力滑臺做直線運動。

2.1.2 齒條裝配注意事項

標準齒條設(shè)計有固定的側(cè)隙，裝配時需要根據(jù)組裝距離（公差為H7～H8）進行組裝。組裝距離a=齒條的嚙合高度+齒輪的分度圓半徑（圖2）。

（1）研磨齒條是安裝面經(jīng)過研磨加工的高精度產(chǎn)品，安裝齒條的基面精度低會對產(chǎn)品的性能產(chǎn)生影響。參考圖3，將齒條組裝在高精度平行度和垂直度的基面（推薦值為10 μm以內(nèi)）。

圖2 輪齒尺寸配合示意圖

圖3 齒條的安裝方式

（2）如果齒條沒有貼緊固定在基面上，運轉(zhuǎn)中可能會產(chǎn)生移動而引起無法預知的問題。另外，為使緊固螺釘在剪切方向不承受負荷，需同時使用銷釘固定齒條。

（3）對于端面經(jīng)過加工的齒條，端面部的齒距為負公差（-0.4～-0.05 mm）。齒條連接使用時，如果將兩根齒條的端面緊貼在一起，連接部的齒距會變小而成為故障的原因。應參考齒條安裝步驟，正確組裝。

（4）啟動中有噪音及振動等異常時，需確認齒輪及組裝狀態(tài)。齒輪防止噪音及振動的對策有高精度、齒面粗糙度、正確的輪齒接觸，詳細內(nèi)容可參考KHK齒輪技術(shù)資料的《齒輪的噪音及對策》。

（5）為了避免損傷，齒輪都是單獨包裝。產(chǎn)品由包裝盒中取出時，需認真檢查，如果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品有生銹、刮痕、壓痕，應將產(chǎn)品退還代理店更換。

（6）操作處理方法不同，也會造成變形及損壞。特別是長齒條或環(huán)形齒輪等容易變形的產(chǎn)品，在操作使用時應謹慎小心。

（7）啟動前需確認：輪齒接觸是否偏向一端，是否有適當?shù)膫?cè)隙（要避免無側(cè)隙使用），有沒有足夠的潤滑。

2.2 驅(qū)動裝置

2.2.1 伺服電機

伺服電機主要由一個帶內(nèi)置電磁制動器和行程測量系統(tǒng)的電機組成。電磁制動器用于防止動力滑臺在停機時移動。電磁制動器在無電流時合上，即銜鐵在永久磁鐵磁場的作用下被拉向電磁制動器；如果有電流流過電磁制動器，則永久磁鐵磁場強度降低，銜鐵被釋放。伺服電機被固定在齒輪箱的側(cè)面。電機電纜和控制電纜通過插頭連接。

2.2.2 減速機

電機轉(zhuǎn)速通過減速機減速后被齒輪傳遞到齒條上，減速機通過安裝板固定在動力滑臺上，齒輪按法蘭連接方式與減速機安裝固定，齒輪箱已加潤滑脂。

2.2.3 齒輪調(diào)整塊

通過調(diào)節(jié)螺釘移動減速機安裝板上的減速機和齒輪，調(diào)節(jié)齒輪與齒條之間的側(cè)隙，從而保證齒輪能夠圓滑順暢地旋轉(zhuǎn)傳動。

2.3 動力滑臺

動力滑臺用于支承機器人。動力滑臺機器人BASE具有一個配備兩個定位銷的連接面，連接面的布孔圖取決于機器人的型號。動力滑臺通過滑軌底座直線導軌上的滑塊安裝板固定連接進行直線運動引導。安裝電纜和油氣管的拖鏈系統(tǒng)的移動端與固定在動力滑臺上的隨動連接器連接。

動力滑臺的運動范圍由可編程的軟件限位開關(guān)限制。如超過允許行程，則通過超程觸發(fā)塊滑軌底座上的超程開關(guān)和機械限位停止動力滑臺的運動。

動力滑臺原點位置可通過原點校正組件加以校準，為此配備了專用的原點校正塊。

2.4 長行程拖鏈

2.4.1 長行程拖鏈的結(jié)構(gòu)

拖鏈系統(tǒng)由拖鏈、插頭板和一個隨動連接器組成。拖鏈系統(tǒng)用于安裝包括機器人、能量供應及介質(zhì)供應的電纜和管路，拖鏈內(nèi)部采用隔片將各條電纜和管路分開，這些電纜和管路是為運行線性滑軌和機器人以及連接的工具而配備的。導向槽在滑軌底座上固定，拖鏈安放在導向槽中（圖4）。拖鏈固定端在導向槽安裝固定，拖鏈移動端在動力滑臺上則通過隨動連接器固定。

拖鏈的長度視動力滑臺的行程長度而定。

2.4.2 拖鏈安裝要求及注意事項

圖4 長行程拖鏈示意圖

（1）為達到更大的架空長度，拖鏈都有一個預應力，在零負載自由狀態(tài)下呈微微上拱狀，其實際安裝高度需要放大。帶負載狀態(tài)下允許塌腰的高度最大不超過50 mm，否則拖鏈后退時會產(chǎn)生向下的切應力，容易導致拖鏈脫節(jié)或者斷裂。對于垂直方向上懸掛使用的拖鏈則使用無預應力。

（2）拖鏈的彎曲半徑R由最大電纜或油氣管的外徑?jīng)Q定，R一般要等于或大于最大電纜外徑的7.5倍或最大油氣管外徑的10倍，這樣才能保證電纜的使用壽命和正常使用。

（3）拖鏈內(nèi)管線填充不能超過拖鏈內(nèi)腔空間的80%。如果拖鏈填充過滿，運行中拖鏈將無法達到其最小彎曲半徑，彎折處應力集中，受到破壞。

（4）管線填充重量不得超過拖鏈能承受的最大載荷（具體數(shù)值查閱選型樣本）。

（5）電纜和介質(zhì)管排布時要注意重量對稱。

（6）電纜和管線周圍需要留出一定的空間：圓電纜10%，扁電纜10%，氣管5%～10%，水管20%，其他介質(zhì)管15%～20%。要保證電纜和介質(zhì)管能夠在拖鏈內(nèi)自由運動，否則它們將會磨損，縮短使用壽命甚至無法使用。

3 結(jié)語

機器人地軌技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍、應用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人地軌應用情況是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志，本文對長行程機器人地軌結(jié)構(gòu)進行了分析，此類地軌適用于機床工件上下料、焊接、裝配、噴涂、檢驗、鑄造、鍛壓、熱處理、金屬切削加工、搬運、碼垛等工作，能夠滿足工廠自動化生產(chǎn)線的實際需要，地軌的行進采用伺服電機控制，定位精度高。