線纜搬運(yùn)機(jī)器人手臂的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫建宇

(江蘇中利集團(tuán)股份有限公司,江蘇 常熟 215542)

傳統(tǒng)人工搬運(yùn)碼垛存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低等問題，用自動(dòng)化程度高的設(shè)備來代替重復(fù)的體力勞動(dòng)已成趨勢。碼垛機(jī)器人不僅可提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)率，而且保障了人身安全，改善了勞動(dòng)環(huán)境，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)對于節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本也有著十分重要的意義[1]。將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)輸工業(yè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)碼垛作業(yè)的自動(dòng)化，可以加快物流速度，獲得整齊一致的物垛，減少物料的破損和浪費(fèi)[2]。因此，就提高生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)效率而言，碼垛機(jī)器人正發(fā)揮著越來越重要的作用，高性能、低成本的碼垛機(jī)器人將具有廣闊的應(yīng)用市場[3-5]。本文結(jié)合電纜大規(guī)模生產(chǎn)的需求，設(shè)計(jì)了一種六自由度成卷線纜搬運(yùn)機(jī)器人，并對關(guān)鍵部位的零部件進(jìn)行工作能力校核。

1 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

成卷線纜搬運(yùn)作業(yè)對機(jī)器人的功能要求可歸納為：

1)成卷電線的夾持。需要考慮成卷電線的材質(zhì)、質(zhì)量和形狀等物理特點(diǎn)(如外形尺寸和一定的柔性)以及完成包膜后的線卷位置與姿態(tài)。本文所述成卷電線的外形尺寸為內(nèi)徑135mm、外徑250mm、高62mm、質(zhì)量約10kg。成卷的電線由圖1右邊的自動(dòng)包膜機(jī)包膜后側(cè)立于包膜機(jī)導(dǎo)軌上，然后機(jī)器人末端執(zhí)行器伸入成卷電線的內(nèi)孔，采用膨脹法夾持(抓取)線卷。

圖1 機(jī)械臂各工位布局

2)成卷電線的搬運(yùn)和碼垛。機(jī)器人手臂將線卷翻轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)后送至圖1左邊鏟板上(托盤)的特定位置，鏟板尺寸一般為1 100mm×1 100mm×120mm，碼放規(guī)格為4行4列10層。

機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮搬運(yùn)作業(yè)的環(huán)境、空間布局以及與周圍已有設(shè)備的銜接和聯(lián)動(dòng)。具體注意點(diǎn)是：1)包膜裝置有一定高度，機(jī)器人手臂在運(yùn)動(dòng)中，不能向后運(yùn)動(dòng)；2)包膜機(jī)外圍有送線機(jī)構(gòu)，高約160mm，機(jī)器人手臂動(dòng)作時(shí)，應(yīng)至少先垂直提升200mm才不會(huì)碰到設(shè)備；3)線纜屬于電氣安全產(chǎn)品，機(jī)器人手臂放下時(shí)，速度應(yīng)緩慢，防止電線被擠傷；4)單卷線纜生產(chǎn)時(shí)間少于1min，故整個(gè)動(dòng)作應(yīng)該在30s內(nèi)完成。

2 機(jī)器人手臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)初步確定的機(jī)械臂空間布局安排，考慮將大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為L形，以減小對電機(jī)力矩的要求。機(jī)械臂的關(guān)節(jié)配置和運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2所示。

2.1 腰部關(guān)節(jié)

圖2 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)簡圖

機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)方案如圖3所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在底座上，通過鍵與直齒圓柱齒輪相連，經(jīng)一對速比為i=1的齒輪將力矩傳遞，驅(qū)動(dòng)腰部運(yùn)動(dòng)。由于整個(gè)機(jī)身的質(zhì)量很大一部分集中在腰部，因此要求腰部結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性。為了滿足這一要求，將機(jī)座的上部設(shè)計(jì)為筒狀結(jié)構(gòu)，靠法蘭與機(jī)座底部相連。為了便于定位安裝，在底座下半部分與機(jī)座筒相接觸的部位做一小段凹槽，同樣的在機(jī)座筒底部做一塊凸臺(tái)。腰部的回轉(zhuǎn)軸做成空心軸，在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上盡可能地減輕質(zhì)量。軸上的零件通過軸肩以及套筒進(jìn)行定位。考慮到軸承受力的特點(diǎn)，選用一對角接觸球軸承，采用面對面的安裝形式對軸進(jìn)行支撐。內(nèi)圈均靠軸肩頂住定位，下端軸承的外圈靠機(jī)座筒里的臺(tái)階擋住，上端軸承的外圈靠軸承蓋壓緊。軸承蓋與軸承之間需要加密封圈。在腰部回轉(zhuǎn)軸的最頂端，靠螺釘連接一個(gè)面積較大的回轉(zhuǎn)平臺(tái)，主要用于方便其他關(guān)節(jié)的支撐和安裝。此外，為了增加機(jī)座的穩(wěn)定性，在機(jī)座底部增加了若干輔助支撐，圖中未標(biāo)明。

1—回轉(zhuǎn)平臺(tái)；2—軸承蓋；3—機(jī)座筒；4—角接觸球軸承；5—傳動(dòng)軸；6—底座；7—直齒圓柱齒輪；8—鍵；9—驅(qū)動(dòng)電機(jī)

2.2 大臂關(guān)節(jié)

圖4是大臂關(guān)節(jié)的局部二維圖。對于大臂關(guān)節(jié)，電機(jī)通過鍵傳遞力矩，直接帶動(dòng)大臂運(yùn)動(dòng)，提高傳遞效率，同時(shí)大大縮短傳動(dòng)鏈。對大臂關(guān)節(jié)的支撐，主要是通過一對滾動(dòng)軸承實(shí)現(xiàn)的。為了方便安裝，設(shè)計(jì)了剖分式的軸承座。軸承的內(nèi)外圈分別靠軸承座以及大臂上的臺(tái)階頂住實(shí)現(xiàn)固定。在軸承座的一側(cè)，可以安裝固定電機(jī)。

1—大臂；2—鍵；3—大臂電機(jī)；4—滾動(dòng)軸承；5—軸承座；6—小臂電機(jī)；7—鍵；8—滾動(dòng)軸承

2.3 小臂關(guān)節(jié)

圖5體現(xiàn)了小臂的結(jié)構(gòu)形式，小臂的運(yùn)動(dòng)是通過電機(jī)帶動(dòng)鏈輪實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)與鏈輪通過鍵進(jìn)行連接，該鏈輪的軸向定位通過一個(gè)套筒實(shí)現(xiàn)。小臂關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸安裝。

1—鏈輪；2—鍵；3—套筒；4—軸承蓋；5—回轉(zhuǎn)軸；6—軸承；7—鍵；8—小臂

驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過鏈輪將力矩傳遞到小臂回轉(zhuǎn)軸，再通過鍵連接帶動(dòng)小臂運(yùn)動(dòng)。小臂的支撐是通過一對軸承實(shí)現(xiàn)的。軸承內(nèi)外圈分別靠軸肩以及軸承蓋頂住。小臂回轉(zhuǎn)軸上的零件靠軸肩以及套筒定位。

2.4 機(jī)械臂三維模型

基于機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)方案和各關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)建的機(jī)械臂三維模型如圖6所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝于底座上，通過腰部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)和小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸安裝于回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)大臂關(guān)節(jié)；小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過鏈輪驅(qū)動(dòng)小臂回轉(zhuǎn)。

圖6 機(jī)械臂三維圖

3 電機(jī)選擇及主要結(jié)構(gòu)件工作能力校核

3.1 電機(jī)選擇

機(jī)器人機(jī)械臂的靜載荷主要包括線纜的重力和機(jī)械臂的重力。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的自重負(fù)載可由平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行部分平衡，剩余自重負(fù)載可通過將線纜重力適當(dāng)放大加以考慮。線纜的質(zhì)量為10kg，為了使選擇的電機(jī)能夠充分滿足工作要求，將工作負(fù)載放大為20kg。當(dāng)機(jī)械臂均位于水平位置時(shí)，負(fù)載對關(guān)節(jié)產(chǎn)生的力矩最大，于是可以得到各關(guān)節(jié)電機(jī)的最大力矩如下。

關(guān)節(jié)3：

T3=20kg×10N/kg×(0.15m+0.85m)=200N·m

關(guān)節(jié)2：

T2=20kg×10N/kg×(0.15m+0.85m+0.9m)=380N·m

關(guān)節(jié)1：經(jīng)查閱相關(guān)資料，關(guān)節(jié)1的負(fù)載力矩通常與關(guān)節(jié)2的負(fù)載力矩很接近，于是初步選取T1=T2=380N·m。

根據(jù)上面的力矩要求，查閱相關(guān)電機(jī)的參數(shù)資料以及產(chǎn)品介紹，選用帶通用減速機(jī)的SGMGH 型伺服電機(jī)，能完全滿足要求。

3.2 齒輪校核

1)齒輪的種類、材料、熱處理方式以及精度的選取。

腰部關(guān)節(jié)(圖3)采用一對齒輪傳動(dòng)主要是為了電機(jī)錯(cuò)位布置，不存在變速問題，故速比為i=1。由于傳遞的力矩比較大，因此齒輪的結(jié)構(gòu)也比較大，故該齒輪選用鍛造齒輪，材料為20CrMnTi。為了增強(qiáng)該齒輪的整體性能，采用表面滲碳淬火，使齒輪表面硬度達(dá)到260HBS。齒輪精度為6級，齒面粗糙度Ra=0.8μm，在齒根處進(jìn)行強(qiáng)化處理(如噴丸)。

2)齒輪強(qiáng)度校核。

①根據(jù)選定的電機(jī)規(guī)格以及減速比，可以確定該對齒輪傳動(dòng)傳遞的轉(zhuǎn)矩(即關(guān)節(jié)1的負(fù)載轉(zhuǎn)矩)為T1=380 000N·mm。根據(jù)作業(yè)空間的限制，確定分度圓直徑d1=d2=335.5mm，大小齒輪的齒數(shù)z1=z2=61，模數(shù)確定為m=5.5，齒寬為b1=65mm，b2=60mm。

②齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊確定齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的使用系數(shù)KA=1.00，動(dòng)載荷系數(shù)KV=1.07，齒間載荷分配系數(shù)Kα=1.0,齒向載荷分配系數(shù)Kβ=1.09，所以齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的載荷系數(shù)為

K=KA×KV×Kα×Kβ≈1.17

計(jì)算圓周力Ft：

重合度系數(shù)Yε=0.67，應(yīng)力修正系數(shù)YSa=1.95，齒形系數(shù)YFa=2.27。

由于兩個(gè)齒輪僅齒寬不同，所以只需校核窄齒寬齒輪(圖3中傳動(dòng)軸5上的齒輪7)的齒根彎曲強(qiáng)度。窄齒寬齒輪的齒根彎曲應(yīng)力為

許用的彎曲應(yīng)力

因此該對齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求。

③齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核。

由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可確定齒面接觸疲勞強(qiáng)度的使用系數(shù)KA=1.00，動(dòng)載荷系數(shù)KV=1.07,齒間載荷分配系數(shù)Kα=1.0，齒向載荷分配系數(shù)Kβ=1.09，所以齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的載荷系數(shù)為

K=KA×KV×Kα×Kβ≈1.17

窄齒寬齒輪的齒面接觸應(yīng)力為

因此該對齒輪的齒面接觸強(qiáng)度也滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文針對工業(yè)生產(chǎn)中成卷線纜包膜后的搬運(yùn)碼垛要求，設(shè)計(jì)了一種六自由度關(guān)節(jié)式線纜搬運(yùn)機(jī)器人，給出了主要關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的規(guī)格型號，并對腰部關(guān)節(jié)中的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核，確保其在強(qiáng)度方面能滿足工作要求。