噴涂機(jī)器人行走系統(tǒng)改造

周化文

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130022）

目前，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用在汽車(chē)制造業(yè)中，其不僅能夠滿足生產(chǎn)線上汽車(chē)多型號(hào)的需求，也能夠滿足設(shè)備連續(xù)工作的要求。一汽轎車(chē)股份公司的汽車(chē)噴涂過(guò)程就由噴涂機(jī)器人來(lái)完成，所用噴涂機(jī)器人從法國(guó)艾斯曼公司進(jìn)口。但是這種機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中存在著一定的安全隱患，在其經(jīng)過(guò)3年左右的使用后，出現(xiàn)了多次因I軸同步帶輪脫落，導(dǎo)致噴涂機(jī)器人觸地的事故。由于汽車(chē)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)是緊密相關(guān)的，這一個(gè)環(huán)節(jié)的故障會(huì)使整個(gè)工廠的所有汽車(chē)生產(chǎn)線停止工作，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。為此，本文針對(duì)這種機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)中的設(shè)計(jì)不足，進(jìn)行了分析、重新設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)設(shè)備改造，解決了之前出現(xiàn)的問(wèn)題，保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

1 事故原因分析

噴涂機(jī)器人是汽車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中車(chē)身噴漆的主要設(shè)備。一汽轎車(chē)噴涂車(chē)間的噴涂生產(chǎn)線有幾十臺(tái)噴涂機(jī)器人。這些噴涂機(jī)器人在生產(chǎn)線安裝使用的前3年一直都處于正常的工作狀態(tài)。但之后就多次出現(xiàn)了噴涂機(jī)器人脫落觸地的事故，每次事故都會(huì)造成幾十萬(wàn)到上百萬(wàn)的損失。經(jīng)檢查，事故的原因基本一致，都是由于機(jī)器人行走傳動(dòng)系統(tǒng)的同步帶輪脫落導(dǎo)致的。

行走傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)噴涂機(jī)器人的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，是噴涂機(jī)器人各部件中載荷最大的部件。如果行走傳動(dòng)系統(tǒng)損壞，會(huì)導(dǎo)致噴涂機(jī)器人直接落到地上，造成噴涂機(jī)器人上其他重要部件的損壞。

經(jīng)過(guò)對(duì)事故損壞設(shè)備的分析，發(fā)現(xiàn)同步帶輪脫落主要有兩種表現(xiàn)：同步帶輪的安裝螺釘?shù)穆菝睌嗔咽Ш屯綆л喌穆葆敯惭b孔斷裂。

如圖1所示，減速器與同步帶輪的連接方式是靠螺釘壓緊減速器輸出軸端面與帶輪端面。同步帶輪的緊固螺釘為7個(gè)高強(qiáng)度M8內(nèi)六角螺釘及一個(gè)定位銷(xiāo)釘，單個(gè)螺釘?shù)谋ＷC載荷為35 kN。這樣的固定方式在短時(shí)間內(nèi)使用沒(méi)有問(wèn)題，但是不適合長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)使用。

圖1 原減速器與同步帶輪連接形式

通過(guò)對(duì)同步帶輪工作中的受力狀態(tài)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，如圖2所示，同步帶輪在傳遞扭矩的同時(shí)還要承受?chē)娡繖C(jī)器人和配重共同形成的向下的力F。經(jīng)計(jì)算F大小為4 200 N左右。力F的作用位置與輸出軸的端面有一定的距離，這樣處于連接位置下方的螺釘?shù)穆菝本褪艿揭粋€(gè)向外的力F1的作用。并且噴涂機(jī)器人在使用中需要頻繁的換向，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)都要受到一定的沖擊與振動(dòng)。設(shè)備運(yùn)行的初期這些作用的影響還不明顯，但在振動(dòng)和力F1的長(zhǎng)期共同作用下，同步帶輪和減速器輸出軸端面會(huì)出現(xiàn)變形，表現(xiàn)為在減速器輸出軸端面與同步帶輪端面的接觸處就會(huì)出現(xiàn)微小間隙e。當(dāng)間隙出現(xiàn)后，振動(dòng)也隨之加劇。這樣的狀態(tài)導(dǎo)致了兩種后果：

圖2 螺釘受力分析

（1）同步帶輪與減速器輸出軸端面發(fā)生松動(dòng)，原本運(yùn)動(dòng)時(shí)扭矩的傳遞靠同步帶輪與輸出軸端面間的摩擦力傳遞，現(xiàn)在完全靠螺釘與同步帶輪螺釘安裝孔的側(cè)壁的接觸來(lái)傳遞。這樣在交變載荷的作用下，同步帶輪的螺釘安裝孔迅速變形，進(jìn)而發(fā)生斷裂。

（2）隨著間隙e的逐漸加大，螺釘?shù)穆菝笔艿降臎_擊越來(lái)越強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到螺帽的疲勞強(qiáng)度后導(dǎo)致螺帽的失效脫落。這兩種情況在機(jī)器人的工作中是同時(shí)存在的，哪種情況先發(fā)生，事故就表現(xiàn)為哪種形式。

通過(guò)以上的分析，可以看出機(jī)器人脫落觸地的這兩種表現(xiàn)形式都是由于同步帶輪的安裝方式不合理造成的。

2 改造方案

通過(guò)對(duì)事故原因的分析，我們認(rèn)為要想提高整個(gè)行走傳動(dòng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，就必須改變靠同步帶輪的連接螺釘同時(shí)承受扭矩及噴涂機(jī)器人自身重量的安裝方式。由于行走傳動(dòng)系統(tǒng)中使用的減速器為國(guó)外生產(chǎn)零件，如果更換減速器，將要對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的控制程序及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行很大的改動(dòng)，這樣需要進(jìn)行多次的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)驗(yàn)證，這就使改造周期變長(zhǎng)并存在一定的風(fēng)險(xiǎn)?；谶@個(gè)考慮，我們決定仍使用原來(lái)的減速器。根據(jù)這些條件和要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了新的行走傳動(dòng)系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 行走傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖

在這個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中，同步帶輪A固定在一根傳動(dòng)軸上，傳動(dòng)軸的一端固定另一個(gè)同步帶輪B，傳動(dòng)軸使用兩個(gè)軸承支撐固定。減速器的輸出軸上也固定一個(gè)同步帶輪C。

在工作的時(shí)候，電機(jī)帶動(dòng)減速器，減速器的輸出軸通過(guò)同步帶輪C、同步帶輪B，將運(yùn)動(dòng)傳遞到同步帶輪A。同步帶輪A帶動(dòng)噴涂機(jī)器人進(jìn)行行走運(yùn)動(dòng)。

這個(gè)新的行走傳動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)于在原來(lái)的傳動(dòng)系統(tǒng)中增加了一級(jí)傳動(dòng)。增加這一級(jí)傳動(dòng)使得整個(gè)系統(tǒng)的受力狀態(tài)有了很大的改善。同步帶輪C與減速器輸出軸的連接，雖然因?yàn)闇p速器的特殊結(jié)構(gòu)而沒(méi)有改變，但是緊固螺釘現(xiàn)在只是傳遞扭矩，不再承受壓力，所以不會(huì)再受到交變載荷的影響，沒(méi)有了交變載荷的影響，傳動(dòng)系統(tǒng)中的同步帶輪和減速器輸出軸也不會(huì)發(fā)生變形，扭矩靠減速器輸出軸端面與同步帶輪C端面之間的摩擦力傳遞的狀態(tài)也就不會(huì)改變。噴涂機(jī)器人和配重的重量通過(guò)傳動(dòng)軸作用在支撐軸承上，不會(huì)對(duì)其他部件造成影響。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 行走傳動(dòng)系統(tǒng)總圖

3 結(jié)束語(yǔ)

改造前的行走傳動(dòng)系統(tǒng)中的同步帶輪安裝形式存在嚴(yán)重的安全隱患，其結(jié)構(gòu)會(huì)使相關(guān)部件因變形而出現(xiàn)縫隙，從而導(dǎo)致緊固螺釘會(huì)因交變載荷的作用而斷裂或者同步帶輪安裝孔斷裂，為生產(chǎn)帶來(lái)很大的損失。改造后的行走傳動(dòng)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性及安全性顯著提高，解決了因系統(tǒng)失效而帶來(lái)的隱患。同時(shí)也因安裝位置的改變，使設(shè)備維修也較原來(lái)更為方便。