柔性制造系統(tǒng)中機器人行走系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

楊天時，張伯俊

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222）

機器人行走系統(tǒng)是柔性制造系統(tǒng)中物流運輸系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，將搬運機器人放置在行走系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)物料在加工機床之間以及存儲站與機床之間的運輸、搬運、存放等工作，將分散的、相互獨立的加工及物料裝卸、存儲等設(shè)備聯(lián)系成一體[1-2]。本文以某公司研制的用于柔性制造車間物流運輸系統(tǒng)的機器人行走系統(tǒng)為例，對機器人行走系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行介紹和分析。

1 機器人行走系統(tǒng)的組成

機器人行走系統(tǒng)是由一個機械系統(tǒng)與控制、識別系統(tǒng)組成的機電一體化集成系統(tǒng)，機械系統(tǒng)是機器人行走系統(tǒng)的主體部分，是實現(xiàn)搬運機器人移動行走的執(zhí)行機構(gòu)。通過控制系統(tǒng)與識別系統(tǒng)等組成的柔性制造系統(tǒng)的物流運輸子系統(tǒng)，實現(xiàn)行走系統(tǒng)按照主控系統(tǒng)運行控制指令，完成搬運機器人的調(diào)度任務(wù)。按照實際生產(chǎn)需求，搬運機器人沿著運輸線軌道快速直線運動，在系統(tǒng)各個單元設(shè)備之間進行物料的搬運、存儲和交換。

機器人行走系統(tǒng)由工作臺、直線運動及定位檢測機構(gòu)等組成，如圖1所示。

圖1 ES165D工業(yè)機器人行走系統(tǒng)三維模型

2 機器人行走系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 運輸?shù)鬃捌鋵?dǎo)軌的設(shè)計

運輸?shù)鬃捌鋵?dǎo)軌是承載搬運機器人的基礎(chǔ)和運動導(dǎo)向，其結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)機器人自身重量、工作載荷、運行速度以及幾何精度等技術(shù)要求而進行。重載有軌運行線結(jié)構(gòu)要求便于高度和直線度的調(diào)整以及要保證較高的剛性。本文中所涉及的小規(guī)格柔性制造系統(tǒng)，對導(dǎo)軌系統(tǒng)在全長范圍內(nèi)的等高度要求不高，因此采用外購直線導(dǎo)軌。如圖2所示的機器人行走系統(tǒng)，該系統(tǒng)運輸線底座由多段鑄鐵底座拼接而成，分配多個支撐點；同時，采用滾珠直線導(dǎo)軌作為運動導(dǎo)軌，滿足了機器人直線位置幾何精度的技術(shù)要求。

圖2 機器人行走系統(tǒng)運輸?shù)鬃捌鋵?dǎo)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

2.2 運動驅(qū)動機構(gòu)

行走系統(tǒng)水平直線運動采用伺服電機通過減速機驅(qū)動齒輪齒條運動，從而帶動工作臺及機器人在運輸線軌道上做往返快速直線運動。設(shè)計時以運動速度、加速度、工作負載等參數(shù)作為初始條件，對齒輪齒條模數(shù)與齒數(shù)、伺服電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、負載慣量等進行校核計算及優(yōu)化匹配；同時，為確保行走系統(tǒng)能夠準確、快捷地將工作臺和機器人送至系統(tǒng)指定的工位，還必須設(shè)計合理的位置檢測系統(tǒng)，保證機器人運動位置的精確度。驅(qū)動機構(gòu)如圖3所示。

圖3 機器人行走系統(tǒng)驅(qū)動機構(gòu)

2.3 有限元模態(tài)分析

利用Solidworks建立行走系統(tǒng)方案的實體模型，并在不影響計算精度的前提下對實體模型進行必要的簡化，其中包括刪除倒角、小孔和對整體結(jié)構(gòu)強度和剛度影響較小的局部小結(jié)構(gòu)，填平對結(jié)果影響不大的小臺階面。通過Solidworks與ANSYS Workbench無縫連接，將簡化后的幾何模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進行模態(tài)分析。簡化模型如圖4所示。

圖4 機器人行走系統(tǒng)有限元模型

將求得的行走系統(tǒng)前8階固有頻率和振型列于表1，對應(yīng)的部分振型圖如圖5至圖8所示。從圖中的振型可以看出：前5階振型發(fā)生在行走系統(tǒng)的兩端為側(cè)向扭轉(zhuǎn)振型，對工作臺部分無顯著影響；后3階振型局部振型表現(xiàn)為在工作臺一側(cè)或兩側(cè)之間的縱梁發(fā)生了相對的運動，尤其是第7、第8階振型，工作臺左側(cè)的縱梁產(chǎn)生了局部振型，其原因是行走系統(tǒng)的導(dǎo)軌之間無橫梁支撐，導(dǎo)致局部剛度降低，但對工作臺和工作臺下縱梁的部位影響不大。

表1 計算結(jié)果

圖5 第1階振型

圖6 第2階振型

2.4 有限元剛度校核

圖7 第7階振型

圖8 第8階振型

機器人行走系統(tǒng)靜態(tài)載荷=2000 kg（機器人自重）+165 kg（機器人工作最大載荷）=2165 kg。同時，考慮到機器人工作時的載荷大于靜態(tài)載荷，所以將系統(tǒng)靜態(tài)載荷乘以動載荷系數(shù)1.5。因此，對工作臺與機器人底座接觸的表面施加32475 N的壓力，計算剛度分析結(jié)果如圖9所示。行走系統(tǒng)的最大等效變形為0.097079 mm，滿足機器人在垂直方向上集合精度的要求。

圖9 機器人行走系統(tǒng)承受機器人及工作載荷時的變形量

3 結(jié)束語

本文介紹了機器人行走系統(tǒng)，其運輸?shù)鬃啥嗉T鐵連接而成，導(dǎo)軌采用滾珠直線導(dǎo)軌，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)既保證了支撐剛度，又保證了機器人行走的幾何精度和定位精度；同時，利用Solidworks和ANSYS Workbench有限元仿真軟件分別進行了行走系統(tǒng)的三維實體建模和有限元仿真計算，確保了結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性，為機器人行走系統(tǒng)的成功研制奠定了基礎(chǔ)。該機器人行走系統(tǒng)已經(jīng)在某柔性制造車間中成功地實現(xiàn)了應(yīng)用，機器人運行平穩(wěn)、噪聲低，啟動、停止時未發(fā)生沖擊現(xiàn)象并且滿足了快速移動速率為20 m/min的技術(shù)要求。實際運行表明：該結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，其主要技術(shù)性能指標均達到設(shè)計要求。

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