長行程桁架機(jī)器人典型組件的模塊化設(shè)計(jì)

趙 健,張育嶠

(沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司 特種機(jī)器人BG，沈陽 110027)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技的進(jìn)步，我們將迎來智能時代，中國制造2025將“高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人”作為大力推動的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，國內(nèi)的智能機(jī)器人和自動化工廠進(jìn)入了發(fā)展的新高潮。

桁架機(jī)器人(Gantry robot)是工業(yè)機(jī)器人的一大分支，建立在直角x、y、z三坐標(biāo)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對工件進(jìn)行工位調(diào)整或?qū)崿F(xiàn)工件的軌跡運(yùn)動等功能，控制核心通過PLC、單片機(jī)等工業(yè)控制器實(shí)現(xiàn)，控制器對各種輸入信號分析處理并做出邏輯判斷后，對繼電器、電機(jī)驅(qū)動器等輸出元件下達(dá)執(zhí)行命令，完成x，y，z三軸之間的聯(lián)合運(yùn)動，以此實(shí)現(xiàn)一整套的全自動作業(yè)流程。

桁架機(jī)器人由本體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，其中本體包括橫梁、導(dǎo)軌、十字滑座、立柱和基座等[1]。桁架機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)靈活可變，便于維修，能在惡劣環(huán)境下長期工作，廣泛應(yīng)用于汽車、電商物流、化工機(jī)械、電子半導(dǎo)體等行業(yè)的自動化中。而長行程桁架機(jī)器人在很多領(lǐng)域和場合具有不可替代的作用，成為了智能工廠中必不可少的一環(huán)。綜合文獻(xiàn)[1-4]本文基于實(shí)際中最典型的XZ二軸桁架機(jī)器人，討論了桁架機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)，特別是針對X軸模塊和立柱模塊，給出了機(jī)械結(jié)構(gòu)方案、X軸標(biāo)準(zhǔn)模塊的尺寸確定方法和相關(guān)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

長行程二軸桁架機(jī)器人總體設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的思想和原則，設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)與產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)基本原則相似。把設(shè)備分成幾個組成部分，每部分作為一個模塊，具有獨(dú)立功能、一致的輸入、輸出接口，相同種類的模塊可重用和互換，相關(guān)模塊的排列組合就可以形成最終設(shè)備。

按上述原則可以將長行程二軸桁架機(jī)器人分為X軸模塊、Z軸模塊、立柱模塊、電控系統(tǒng)模塊等幾大模塊，對每個模塊進(jìn)行模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是X軸模塊為較長行程，使其模塊化可以解決諸多安裝及設(shè)計(jì)上的問題。長行程二軸桁架機(jī)器人的模塊化結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2為作者設(shè)計(jì)的長行程模塊化桁架機(jī)器人實(shí)物，左側(cè)為全長200 m的兩條桁架機(jī)器人生產(chǎn)線。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)中需要對整線的布局，即生產(chǎn)線上需要放置的所有設(shè)備做詳細(xì)的確定，并且位置公差應(yīng)確定在100～200 mm左右，而且設(shè)計(jì)及施工過程中設(shè)備無法根據(jù)工藝變更做復(fù)雜的位置調(diào)整，一旦工藝改變，桁架機(jī)器人的橫梁立柱部分則需要重新制造；傳統(tǒng)的桁架機(jī)器人的設(shè)計(jì)上一般采用直線導(dǎo)軌的拼接形式，行程超過十幾米后安裝相當(dāng)不便，而且需要對每一段的拼接處做詳細(xì)設(shè)計(jì)。以圖2左側(cè)實(shí)物為例，生產(chǎn)線上有機(jī)床幾十臺，若工業(yè)變更則需要對機(jī)床做相應(yīng)的位置調(diào)整，因此通過對桁架機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)可以解決上述問題。

桁架機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)的核心思想就是：通過對較長行程的軸、立柱做模塊化設(shè)計(jì)，并分解其拼接的方法，使橫梁不變的情況下，立柱可以任意在橫梁某個位置生根固定，從而形成類似積木一樣可以任意移動重組的模塊結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到使設(shè)計(jì)、安裝簡化的目的。目前國際上比較著名的設(shè)計(jì)如德國Liebherr、瑞士GüDEL等公司均已對桁架機(jī)器人采用不同形式的模塊化設(shè)計(jì)。本文也結(jié)合采納其設(shè)計(jì)的精華部分做著重論述。

圖1 長行程二軸桁架機(jī)器人模塊化結(jié)構(gòu)圖

圖2 長行程二軸桁架機(jī)器人實(shí)物

1.2 傳動形式選擇

長行程二軸桁架機(jī)器人的傳動形式可以有多種，如絲杠、齒形帶、齒輪齒條、氣動等，需根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境選擇伺服、變頻電機(jī)的驅(qū)動方式。因采用了模塊化設(shè)計(jì)的理念，故優(yōu)先采用齒輪齒條傳動方式設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)在于可任意在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上增加或減少模塊的數(shù)量，從而拼接出設(shè)備所需要的長度。以下選取X軸模塊、立柱模塊兩個主要的模塊組件做詳細(xì)論述。

1.3 技術(shù)參數(shù)確定

根據(jù)客戶需求，確定了長行程二軸桁架機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)，用符號表示如圖3所示，包括各軸行程、極限位置、總長度、總高度等，各技術(shù)參數(shù)的意義如表1所示。

圖3 長行程二軸桁架機(jī)器人技術(shù)參數(shù)

2 典型組件的設(shè)計(jì)

X軸模塊的傳動采用齒輪齒條方式，當(dāng)X軸模塊總長度Lx>10 m時，可確定為長行程桁架機(jī)器人。為了提高加工效率，便于運(yùn)輸和組裝調(diào)試，X軸模塊也采取模塊化設(shè)計(jì)，即將整個X軸模塊設(shè)計(jì)成由N個標(biāo)準(zhǔn)模塊組裝而成。

表1 技術(shù)參數(shù)含義

2.1 X軸標(biāo)準(zhǔn)模塊橫梁長度Lxa的確定

X軸標(biāo)準(zhǔn)模塊如圖4所示，X軸模塊組件總成如圖5所示。

圖4 X軸標(biāo)準(zhǔn)模塊

圖5 X軸模塊組件總成

圖4中Lc為齒條長度，Ld為導(dǎo)軌長度，Lcd為導(dǎo)軌探出長度，用Lxa表示標(biāo)準(zhǔn)模塊橫梁長度，Lm表示標(biāo)準(zhǔn)模塊總長度，根據(jù)圖4及高等數(shù)學(xué)公式得

Lx=N×Lxa

(1)

Lm=Lxa+Lcd

(2)

Lcd=Lc/2=Ld/2

(3)

X軸標(biāo)準(zhǔn)模塊一般采取方鋼管材焊接后機(jī)械加工的工藝生產(chǎn)，按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6728-2002，方鋼管材常規(guī)長度為6 m、12 m，考慮運(yùn)輸、加工安裝及撓度變形等因素，可將X軸標(biāo)準(zhǔn)模塊橫梁長度設(shè)計(jì)為6 m以內(nèi)(不包含端部的堵蓋厚度)。考慮標(biāo)準(zhǔn)齒條長度Lc，則X軸標(biāo)準(zhǔn)模塊橫梁長度Lxa理論尺寸為

Lxa=n×Lc

(4)

如標(biāo)準(zhǔn)m=3直齒齒條長度Lc=1 017.87 mm，n=5時可滿足Lxa<6 m的條件，將數(shù)據(jù)帶入公式(4)

Lxa=n×Lc=5×1 017.87=5 089.2 mm

(5)

考慮加工誤差，需對X軸標(biāo)準(zhǔn)模塊橫梁長度Lxa的理論尺寸進(jìn)行公差修正，給出合理的設(shè)計(jì)公差?；驹瓌t是根據(jù)孔“+”、軸“-”原則，同時考慮裝配原則，即裝配過程中兩個導(dǎo)軌間會有縫隙，導(dǎo)軌的孔、橫梁螺紋孔、齒條安裝孔等公差需要能夠相互兼容。圖6為標(biāo)準(zhǔn)模塊導(dǎo)軌及齒條安裝[11]。

圖6 導(dǎo)軌及齒條安裝及剖面圖

(6)

同理右極限偏差

E2=E1=1.2 mm

(7)

折算到橫梁上的以及孔由于基準(zhǔn)造成的偏差修正t=0.3 mm，所以

Emax=1.2+0.3=1.5 mm

(8)

如選不同基準(zhǔn)進(jìn)行加工，會造成公差增大，如分別選擇橫梁的左右端面為基準(zhǔn)，最大縫隙E0=Emax×2=3 mm，所以根據(jù)以上計(jì)算過程可得X軸標(biāo)準(zhǔn)模塊橫梁長度及公差修正為

(9)

最終優(yōu)化取整得

(10)

2.2 X軸模塊橫梁的應(yīng)力、形變分析

采用7 m和10 m兩種規(guī)格的橫梁組件作為數(shù)學(xué)模型進(jìn)行Simulation分析，材料選擇Q235，對橫梁進(jìn)行固定，Z方向施加重力及遠(yuǎn)程載荷，Z軸負(fù)方向1 500 mm和Y軸負(fù)向300 mm施加1t的載荷[12]，分析結(jié)果如圖7所示。

通過上述分析可知，圖7b、7d的最大許用應(yīng)力值設(shè)小于220 MPa，應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求，通過對7 m、10 m兩種橫梁的受力分析，其理論安裝變形的位移均小于2 mm，而根據(jù)圖8中的實(shí)際工程案例采用激光測量儀測量，實(shí)際變形量小于2 mm，可證明采用上述兩種形式的橫梁均符合設(shè)計(jì)要求。綜上所述采用Simulation對位移及應(yīng)力分析和實(shí)際應(yīng)用案例的結(jié)論均可以滿足拼接精度的使用要求。

2.3 導(dǎo)軌、滾輪軸承、齒條的選擇

導(dǎo)軌(guide rail)主要采用金屬材料制成的槽或脊，可承受、固定、引導(dǎo)移動裝置或設(shè)備并減少其摩擦的裝置，導(dǎo)軌的精度主要由導(dǎo)軌的加工工藝保證。本設(shè)計(jì)中可采用直線導(dǎo)軌或鑲鋼導(dǎo)軌，根據(jù)設(shè)備工況、負(fù)載和適用條件來決定。直線導(dǎo)軌可根據(jù)生產(chǎn)廠家的樣本查閱承載能力和性能參數(shù)直接選用；鑲鋼導(dǎo)軌可直接選用，也可根據(jù)經(jīng)濟(jì)成本需要自行設(shè)計(jì)，自行設(shè)計(jì)時導(dǎo)軌材料應(yīng)選擇機(jī)械性能較好的合金鋼并進(jìn)行淬火處理，HRC要大于55，設(shè)計(jì)用于安裝定位的銷孔處無需淬火處理，目的是便于配鉆或鉸孔。

滾輪模塊是配合導(dǎo)軌一起使用的組件，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)每個滑板組件上配置有4組滾輪組件，每套滾輪組件都有3種滾輪，包括承重滾輪、導(dǎo)向滾輪和調(diào)節(jié)滾輪。導(dǎo)輪模塊組件可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成偏心或同心結(jié)構(gòu)，主要取決于安裝精、負(fù)載度及具體的使用環(huán)境；對于需要定位精度一般的零件可以采取同心式設(shè)計(jì)，而對于需要有一定調(diào)整量的設(shè)計(jì)而言可以選擇偏心式設(shè)計(jì)。

圖7 7 m、10 mX軸模塊受力分析有限元圖

圖8 激光測量儀

齒條、導(dǎo)軌的拼接設(shè)計(jì)同樣適用于直線導(dǎo)軌，當(dāng)X軸為較長行程模塊時，涉及到導(dǎo)軌和齒條(或其他傳動組件如：絲杠或齒形帶)的拼接組裝，即以齒條為基準(zhǔn)對導(dǎo)軌進(jìn)行拼接，標(biāo)準(zhǔn)段導(dǎo)軌設(shè)計(jì)為正常公差，而部分拼接段因以齒條為基準(zhǔn)會對拼接造成公差累積，當(dāng)正常段無法繼續(xù)拼接時可用下差段導(dǎo)軌替換標(biāo)準(zhǔn)段導(dǎo)軌。

2.4 立柱模塊結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

立柱模塊可在橫梁上有效跨距內(nèi)任意移動，進(jìn)行立柱模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，依據(jù)模塊化設(shè)計(jì)要求，應(yīng)做好立柱模塊與X軸模塊及立柱模塊與Z軸模塊的接口設(shè)計(jì)。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮長行程桁架機(jī)器人靜止及工作狀態(tài)的重量分布，根據(jù)重心確定尺寸，將主體結(jié)構(gòu)盡量平均分布在重心兩側(cè)，圖9為立柱模塊外形圖，圖9中G為機(jī)器人重心，A1、B1分別為立柱底板的長、寬，H1為有效高度。

圖9 立柱模塊外形圖

立柱模塊地腳組件設(shè)計(jì)時，考慮到立柱可在整個長行程的跨距內(nèi)具備足夠的高度方向(Z方向，調(diào)整量可達(dá)100 mm左右)的調(diào)整量，即需要設(shè)計(jì)有比較大的調(diào)整量的地腳組件，并且可以對X、Y、Z的角向做一定量的補(bǔ)償，詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 地腳螺栓組件截面圖

3 結(jié)論

本文討論了長行程桁架機(jī)器人及模塊化設(shè)計(jì)思想和原則，對長行程二軸桁架機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，提出了X軸模塊和立柱模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，給出了X軸標(biāo)準(zhǔn)模塊長度理論尺寸和公差修正的計(jì)算方法，對導(dǎo)軌齒條及立柱模塊地腳螺栓等組成部分的選擇提供了設(shè)計(jì)思路和注意事項(xiàng)。依據(jù)此思想和方法設(shè)計(jì)制造的長行程二軸桁架機(jī)器人，經(jīng)安裝調(diào)試和及實(shí)際使用，符合技術(shù)參數(shù)要求，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，符合使用要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。