數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床拆垛上料機(jī)械運(yùn)動(dòng)單元研究

劉海燕+戴鵬+張成建+王國棟

0 引言

直角坐標(biāo)型拆垛上料機(jī)實(shí)際上就是一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其核心部件是直線運(yùn)動(dòng)單元，它是由運(yùn)動(dòng)框架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、直線運(yùn)動(dòng)滑軌和伺服電機(jī)等組成。運(yùn)動(dòng)框架的材料通常為精制鋁型材作為基體，鋁型材具有很多優(yōu)點(diǎn)：組裝成產(chǎn)品時(shí)，采用專用鋁型材配件，不需要焊接，環(huán)保，易于安裝、拆卸，且重量輕、剛度大。其截面形狀要確保其具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和直線度。直線運(yùn)動(dòng)滑軌是由軸承光杠和運(yùn)動(dòng)滑塊組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常為步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可根據(jù)不同的精度要求采用同步齒形帶、齒條或滾珠絲杠。

1 直線運(yùn)動(dòng)單元簡介

直線運(yùn)動(dòng)單元是把絲桿、導(dǎo)軌、同步齒形帶以及齒輪齒條等各種不同部件進(jìn)行精密組裝，集成到一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元中的一種運(yùn)動(dòng)單元。它實(shí)現(xiàn)了直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的模塊化和規(guī)范化[20]。還可以通過數(shù)字控制軟件方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度、加速度及運(yùn)動(dòng)距離的柔性變化。

根據(jù)不同的動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)形式直線運(yùn)動(dòng)單元一般可分為以下幾類： 滾珠絲杠、滾珠導(dǎo)軌型；滾珠絲杠、滑動(dòng)導(dǎo)軌型；同步齒形帶、滾珠導(dǎo)軌型以及齒輪齒條，滾珠導(dǎo)軌等類型。此外還有直線提升單元，它通常于其它直線運(yùn)動(dòng)單元配合在一起使用，用于X-Y-Z的配置。不同的類型分別用于不同的速度、加速度、負(fù)載、加工成本、使用壽命等要求條件下。

直線運(yùn)動(dòng)單元具有與傳統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式不同的特點(diǎn)比如：模塊化、組合式和獨(dú)立式的結(jié)構(gòu)等。直線運(yùn)動(dòng)單元以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在全自動(dòng)機(jī)械手、數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)構(gòu)以及汽車噴涂、生產(chǎn)線上的包裝及搬運(yùn)、等各行各業(yè)中得到了極其廣泛的應(yīng)用。直線運(yùn)動(dòng)單元的出現(xiàn)，為工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)選型工作帶來極大的方便。工程技術(shù)人員可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要對(duì)伺服電機(jī)，聯(lián)軸器，伺服驅(qū)動(dòng)等進(jìn)行相應(yīng)的選擇，即可方便地搭配出X-Y和X-Y-Z等機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而組合完成所需要的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

2 機(jī)械運(yùn)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）懸臂式直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)

懸臂式的結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)主要在于其所占空間較小，布置比較靈活，比較適用在對(duì)工作空間有嚴(yán)格要求的場合。但是由于此結(jié)構(gòu)形式有懸臂的存在，在承載力較大時(shí)較大的彎曲變形就會(huì)產(chǎn)生。因此，這就要求支撐懸臂的部件有較好的抗彎剛度。由此可知懸臂式直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)不適用于承載能力較大的場合。

2）壁掛式直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)

壁掛式直角坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)方式比較緊湊，適用于工作空間較為狹小的情況下。但同時(shí)它上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，其上下行程的大小和上下方向的負(fù)載能力也受到了限制。

3）龍門式直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)

單根龍門式直線運(yùn)動(dòng)單元的長度可達(dá)6米，典型的龍門式直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)布置方案。本文即采用龍門龍門式直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)作為上料機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)布置方式。

龍門式直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)布置方案它行程大，單根龍門式直線運(yùn)動(dòng)單元的長度是6米，龍門式直角坐標(biāo)式機(jī)器人有很多突出的優(yōu)點(diǎn)[22，23]，承載能力強(qiáng)，運(yùn)行平穩(wěn)等。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床拆垛上料機(jī)只需在控制程序的控制下按一定的速度和節(jié)拍將板料運(yùn)送到工作臺(tái)即可。由于實(shí)際生產(chǎn)中需要較大的行程，以青島科力達(dá)QS2516Z數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床為例其加工板材尺寸2500×1250mm，鑒于實(shí)際生產(chǎn)需求，及以上幾種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，拆垛上料機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案確定為龍門式直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)形式。由于拆垛上料機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的要求并不太高，運(yùn)動(dòng)速度也不是很大，并且不存在切削力和切削振動(dòng)，故此對(duì)上料機(jī)龍門架的設(shè)計(jì)要求不高，選用用工字鋼或槽鋼等型鋼進(jìn)行焊接成型即可。

龍門式直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)型的拆垛上料機(jī)，由于龍門式結(jié)構(gòu)其自身的特點(diǎn)，它必定會(huì)在某個(gè)方向上有兩根平行的軸，因此在驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)上就會(huì)產(chǎn)生問題。驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)有以下幾種方式：一種方式是兩軸中只驅(qū)動(dòng)一個(gè)軸，這種方式必定會(huì)使另一軸成為從動(dòng)軸，由于從動(dòng)軸阻力的影響，必將會(huì)使拆垛上料機(jī)在兩軸所在平面內(nèi)產(chǎn)生變形；一種方式是同時(shí)并且分別驅(qū)動(dòng)兩軸，這就要求兩軸完全協(xié)調(diào)與同步，這種方式對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求就會(huì)大大增加。還有一種方式是通過傳動(dòng)裝置用一個(gè)驅(qū)動(dòng)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)軸，這種驅(qū)動(dòng)方式可以保證兩軸的協(xié)調(diào)和同步。

3 拆垛上料機(jī)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)方式

直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式主要有以下兩種。第一種方式，采用直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸沿XYZ三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。速度變化、推力大小、定位精度主要通過控制直線電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。這種方式能夠減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差，適合高速高精密加工的需求。但由于直線電機(jī)的成本較高，這也是限制直線電機(jī)廣泛應(yīng)用的最主要原因之一。第二種方式，采用伺服電機(jī)和減速機(jī)加滾珠絲桿、同步齒形帶或齒輪齒條的方式。為了保證傳動(dòng)精度的要求，減速機(jī)選用高性能的行星減速機(jī)。

通過分析可知，X軸的行程為需在4000mm以上，由于跨度較大，滾珠絲杠和齒輪齒條傳動(dòng)則不宜采用。否則由于自重而產(chǎn)生的彎曲變形及熱變形將無法避免，同步齒形帶傳動(dòng)能夠滿足X軸較大行程的要求。因此X軸采用德國百格拉PAS44BB型號(hào)的同步齒形帶傳動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)單元，龍門式雙X軸結(jié)構(gòu)。為了保證兩根X軸運(yùn)動(dòng)的同步，采用一個(gè)3000W的伺服電機(jī)，兩軸間采用鋼軸實(shí)現(xiàn)同步驅(qū)動(dòng)。出于驅(qū)動(dòng)扭矩及慣量的匹配，需要配一臺(tái)行星減速機(jī)。

對(duì)于Y軸來說行程相對(duì)較短，因此采用滾珠絲杠或齒輪齒條傳動(dòng)方式的直線運(yùn)動(dòng)單元均可。Y軸采用德國百格拉ELK40型滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)單元。因?yàn)閅軸為雙端支撐，中間懸空結(jié)構(gòu)，如果選擇的截面不夠，上料時(shí)如果高速運(yùn)動(dòng)時(shí)將不能保拆垛上料機(jī)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，將有可能發(fā)生振顫。因此同樣選用雙Y軸將Z軸夾在中間的結(jié)構(gòu)形式，兩根運(yùn)動(dòng)單元并排使用。這種方式不僅能夠很好的平衡負(fù)載，具有較好的承載能力，而且穩(wěn)定性較好。兩根直線運(yùn)動(dòng)單元由一臺(tái)2500W伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)以保證運(yùn)動(dòng)的同步。同樣也需要匹配行星減速機(jī)。

Z軸的運(yùn)動(dòng)行程與Y軸類似，采用德國百格拉ELK系列雙滑快全包圍滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)單元。該運(yùn)動(dòng)單元可以同時(shí)完成物體提升和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)。該軸上的伺服電機(jī)因需要提升物體快速需要克服較大的重力和加速度，因此需要較大的驅(qū)動(dòng)功率。驅(qū)動(dòng)方式采用4000W一臺(tái)帶抱閘的伺服電機(jī)，并匹配一臺(tái)行星減速機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

實(shí)現(xiàn)板料旋轉(zhuǎn)功能的是Z軸單元中的一根旋轉(zhuǎn)軸，它是與Z軸直線運(yùn)動(dòng)單元集成在一起的。旋轉(zhuǎn)軸的最上端為驅(qū)動(dòng)端，與一個(gè)伺服電機(jī)安裝在一起，長軸的最下端作為負(fù)載端，用于安裝端拾器。因板料一般較重，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，端拾器不能直接安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，必須加一臺(tái)盤式減速機(jī)才能匹配。伺服電機(jī)通過旋轉(zhuǎn)軸將動(dòng)力先輸出到盤式減速機(jī)再傳輸?shù)截?fù)載，以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)負(fù)載的功能。

4 本章小結(jié)

本章對(duì)拆垛上料機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，研究了模塊化的運(yùn)動(dòng)單元—直線運(yùn)動(dòng)單元，完成了數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床拆垛上料機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選擇，采用龍門龍門式直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)作為上料機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)布置方式。分析了目前常用的不同驅(qū)動(dòng)方式及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及上料機(jī)各軸在使用中受力和行程的不同，確定了拆垛上料機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)單元各軸的驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)方式。

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基金項(xiàng)目：2015年國創(chuàng)項(xiàng)目 小型落地棗收獲機(jī)

編號(hào)：201513324004