桁架式機器人的機械設(shè)計與研究

朱金權(quán)

摘 要：本文介紹了桁架機器人的基本組成、結(jié)構(gòu)特點、傳動系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計時的相關(guān)計算， 為桁架機器人在工業(yè)制造領(lǐng)域的普及和應(yīng)用提供相關(guān)技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：桁架機器人；橫梁；結(jié)構(gòu)特點；結(jié)構(gòu)設(shè)計；設(shè)計計算

中圖分類號：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A1概述

桁架式機器人是一種綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)產(chǎn)品。是一種能進(jìn)行自動控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作設(shè)備。隨著國內(nèi)企業(yè)用人成本的不斷增加，桁架式工業(yè)機器人在制造業(yè)中實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)、擺脫單調(diào)重復(fù)的體力勞動、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面具有明顯的優(yōu)勢，在高溫、有毒場合具有人工無法替代的作用，在機械加工業(yè)具有廣泛的運用，了解和掌握桁架式機器人的特點、結(jié)構(gòu)和設(shè)計，對推動我國機器人的運用具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

2結(jié)構(gòu)形式與特點

2.1結(jié)構(gòu)形式：

桁架機器人的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，總體為龍門框架結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)加工零件生產(chǎn)工藝要求，可以將多臺加工設(shè)備（加工中心或數(shù)控設(shè)備）組合成一個獨立的自動化生產(chǎn)單元，實現(xiàn)零件的自動化、批量化生產(chǎn)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)龍門跨度的長短，為提高設(shè)備上橫梁的剛性，可在兩端立柱之間適當(dāng)增加中間立柱，中間立柱的位置一般以跨度5～6米為宜。按照這種布置形式，桁架機器人可以盡可能多得將多臺加工設(shè)備組合在同一加工單元內(nèi)，最大限度的滿足加工要求，提高生產(chǎn)效率。

2.2設(shè)備特點：

2.2.1運動部件直線運行，最大直線運行速度達(dá)150m/min（即2.5m/s），速度5倍于機床的運行速度；

2.2.2運動時的加速度2倍于機床的加速度，達(dá)到10m/s2；

2.2.3重復(fù)定位精度高，達(dá)到±0.05mm，完全能滿足一般自動加工設(shè)備的定位精度要求；

2.2.4最大限度地將零件加工工藝所需加工設(shè)備有機組合在一個加工單元內(nèi)，實現(xiàn)加工功能化、規(guī)?；?/p>

2.2.5立體龍門空間結(jié)構(gòu)，占地面積少，維護(hù)維修方便；

3設(shè)備組成

3.1立柱：立柱是桁架機器人的基本結(jié)構(gòu)件之一，是支承上部橫梁，固定桁架機器人于安裝基礎(chǔ)平面的重要結(jié)構(gòu)零件。通常采用“冷拔無縫方形鋼管”和鋼板焊接而成，上部設(shè)計成L型結(jié)構(gòu)用于連接橫梁，能方便安裝時調(diào)整橫梁的工作面，使安裝于橫梁上的豎軸（Z軸）的軸線垂直作用于立柱安裝基礎(chǔ)平面，同時為增加立柱的穩(wěn)定性，立柱下部的安裝面應(yīng)使上部橫梁受力作用點落在立柱下部的安裝底板有效范圍內(nèi)，以減少因上部橫梁和Z軸運動部件的質(zhì)量對立柱造成的偏心傾覆力矩。

3.2橫梁：橫梁是桁架機器人的另一重要基本結(jié)構(gòu)件之一，它的剛度、強度直接影響到整個設(shè)備的精度。因此橫梁的設(shè)計是桁架機器人設(shè)計的關(guān)鍵，它是桁架機器人的X軸，其上安裝有Z軸沿橫梁運動的導(dǎo)軌組件和齒輪齒條傳動機構(gòu)，承載著機械手抓取機構(gòu)的自重、機械手抓取的外部負(fù)載、整個Z軸機構(gòu)的自重等載荷。橫梁兩端裝有限制Z軸運動超出行程的行程限位器和端蓋。

3.3豎軸：豎軸又稱為Z軸，是機器人上下運動的軸，它上部安裝于和X軸相連接的托板上，下部裝有抓取工件的機械手，其上裝有Z軸上下運動的導(dǎo)軌組件和齒輪齒條傳動機構(gòu)。Z軸上端部裝有Z軸運動限位器和端蓋。

3.4托板：托板是桁架機器人運動及驅(qū)動機構(gòu)的安裝主體零件，其上安裝有如下零部件：

3.4.1驅(qū)動Z軸沿X軸運動的電機及減速機組件；

3.4.2驅(qū)動Z軸上下運動的電機及減速機組件；

3.4.3沿X軸和Z軸運動時的潤滑系統(tǒng)；

3.4.4 Z軸上下運動時的電纜及氣管拖鏈；

3.4.5沿X軸和Z軸運動的導(dǎo)軌滑塊或?qū)驖L輪組件及相應(yīng)潤滑和刮削保護(hù)罩；

為提高Z軸運動時的重復(fù)定位精度，減少Z軸運動時的運動慣量，托板通常采用鋁合金材料，以減輕自身質(zhì)量，減少運動慣性沖擊。

3.5手爪：手爪是桁架機器人運動時抓取工件的執(zhí)行機構(gòu)，它安裝于桁架機器人Z軸的下端。根據(jù)抓取工件的大小、質(zhì)量、形狀及工作節(jié)拍的不同，抓手的結(jié)構(gòu)也發(fā)生相應(yīng)的變化，為有效實現(xiàn)手爪的抓取功能，手爪上需要設(shè)計并安裝如下功能部件，并確定相關(guān)技術(shù)參數(shù)：

3.5.1爪手定位功能部件：確定爪手與工件之間的正確位置，實現(xiàn)爪手準(zhǔn)確抓取工件的部件，通常采用導(dǎo)銷、導(dǎo)套定位；

3.5.2工件抓取或松開部件：實現(xiàn)爪手抓取工件時，夾緊與松開的部件，設(shè)計時需計算爪手的額定抓取質(zhì)量，它是機械手的重要參數(shù)之一。根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計時需考慮如下：

（1）工件在爪手中的定位方式：固定機械擋塊定位、可調(diào)機械擋塊定位、行程開關(guān)，電位器及各種位置設(shè)定和檢測傳感裝置；

（2）夾緊與松開的驅(qū)動方式：氣動、液動、電動或機械傳動；

（3）手指夾持范圍：針對工件的形狀和夾緊位置，為確保爪手能正確取放工件，手指夾緊和松開的范圍大小；

（4）定位檢測位置傳感器：在定位功能部件上安裝的定位檢測傳感器，用于在爪手抓取工件前給爪手的驅(qū)動（電機控制器、氣缸或油缸的電磁閥）發(fā)出定位到位信號的裝置；

（5）夾緊、松開位置傳感器：在工件抓取或松開部件上安裝的定位檢測傳感器，用于爪手夾緊、松開工件到位后給機器人發(fā)出定位到位信號的裝置，便于機器人接收到夾緊、松開信號后執(zhí)行后面相關(guān)動作；

（6）爪手的自由度數(shù)目及驅(qū)動源：為順利抓取和放置工件，需考慮整個爪手共有幾個運動自由度，同時需考慮這些自由度實現(xiàn)的驅(qū)動源：氣缸、油缸、電機的布置及安裝方式，氣壓、油壓大小、電機的型號或規(guī)格等；

（7）整個爪手的質(zhì)量：爪手的質(zhì)量是爪手未抓取工件時爪手自身的質(zhì)量，它是計算機器人承載能力的參考因素之一。桁架機器人的承載能力取決于爪手的額定抓取質(zhì)量及整個爪手的自身質(zhì)量，兩者之和的大小是各軸相關(guān)設(shè)計計算的依據(jù)。

（8）拖鏈：拖鏈?zhǔn)氰旒軝C器人運動時各個運動軸上通信電纜、氣管、油管、信號線的固定、連結(jié)和支承的載體，它具有方便、美觀、牢固、耐磨、低噪音的特點，在桁架機器人行業(yè)中已廣泛使用。

3.6潤滑系統(tǒng)：桁架機器人的齒輪齒條、導(dǎo)軌滑塊、導(dǎo)向滾輪等各運動部分，由于不停地高速運動，運動部件之間會發(fā)熱、磨損，從而影響設(shè)備的精度。為此，在各運動部件處設(shè)置潤滑點。將潤滑系統(tǒng)安裝在托板上，電動潤滑泵將潤滑脂不斷輸出，通過潤滑系統(tǒng)控制器，將潤滑脂定時、定量地輸送至各潤滑點，實現(xiàn)集中潤滑。

4傳動系統(tǒng)

4.1伺服電機：伺服電機是驅(qū)動各運動部件（X軸、Z軸）運動的動力源，安裝于托板上，電機主軸前端與減速機的輸入端相連，在減速機的輸出軸上裝有帶動各運動部件運動的齒輪，齒輪與齒條相嚙合，齒條固定于各自軸的橫梁上，通過電機的啟停和正反轉(zhuǎn)帶動齒輪的停止和轉(zhuǎn)動，從而帶動各軸作相應(yīng)的啟停和往復(fù)運動。伺服電機常采用三菱、西門子等品牌，根據(jù)需要選擇帶“電磁制動器”的伺服電機，使電機在斷電停機時能實現(xiàn)可靠制動，保證各運動部件（X軸、Z軸）運動時的可靠性、安全性。由于Z軸是帶動工件上下運動的承載部件，驅(qū)動Z軸運動的電機需要克服Z軸本身質(zhì)量、工件質(zhì)量和手爪質(zhì)量，為保證Z軸運動的安全，驅(qū)動Z軸運動的伺服電機必須具有“電磁制動器”功能。

為提高驅(qū)動各運動部件（X軸、Z軸）的驅(qū)動能力，減少伺服電機的扭矩或功率，根據(jù)各運動部件實際運動速度和承載能力大小，可在各伺服電機輸出軸上安裝減速比合適的減速機，減速機通常采用與伺服電機相匹配的同品牌減速機，以保證傳動精度與可靠性。

4.2導(dǎo)軌滑塊：導(dǎo)軌滑塊是各運動部件（X軸、Z軸）精確運動的導(dǎo)向機構(gòu)，具有大承載、高精度、高速度、高可靠性、低磨損、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的優(yōu)點，在桁架機器人中已廣泛使用。滑塊安裝在托板上，內(nèi)有鋼球，使滑塊與導(dǎo)軌之間的接觸為滾動摩擦，大大降低了二者之間的運動摩擦阻力；導(dǎo)軌安裝在橫梁上。由于導(dǎo)軌與滑塊之間的低摩擦性，使得采用導(dǎo)軌與滑塊裝置具有如下優(yōu)點：

4.2.1動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅(qū)動信號與機械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度；

4.2.2電機驅(qū)動功率大幅下降，只相當(dāng)于普通機械的1/10；

4.2.3適應(yīng)高速直線運動，其瞬時速度比滑動導(dǎo)軌提高約10倍；

4.2.4能實現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度。實現(xiàn)無間隙運動，提高機械系統(tǒng)的運動剛度；在成對使用導(dǎo)軌副時，具有“誤差均化效應(yīng)”，從而降低基礎(chǔ)件（導(dǎo)軌安裝面）加工精度要求；

4.2.5導(dǎo)軌采用表面硬化處理，使導(dǎo)軌具有良好的可校性；心部保持良好的機械性能；

4.2.6簡化了機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造；

4.3齒輪齒條：齒輪齒條是安裝在各自運動部件（X軸、Z軸）上，通過電機驅(qū)動，實現(xiàn)各運動部件運動的傳動部件，齒條安裝在各運動部件的橫梁上，與導(dǎo)軌滑塊平行布置。齒輪與安裝在“托板”上的減速機的輸出軸相連，并與齒條嚙合傳遞運動。齒輪齒條齒面的熱處理可按：調(diào)質(zhì)、感應(yīng)淬火、全淬火或滲氮處理。齒輪齒條材質(zhì)常為：碳鋼45、42CrMo4V、16MnCr5等，齒面硬度可達(dá)到HRC55～60，齒條長度從1000mm～3000mm不等，精度從5級～11級不同。根據(jù)不同的承載情況，選擇不同的材質(zhì)、硬度和精度。

結(jié)語

桁架機器人在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，研究桁架機器人的相關(guān)結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，對桁架機器人的設(shè)計、優(yōu)化機器人的參數(shù)、最大限度發(fā)揮桁架機器人的優(yōu)勢，具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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