桁架機(jī)器人關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

于美森，杜銀明

（青島科捷機(jī)器人有限公司，山東 青島 266100）

桁架機(jī)器人作為一種多自由度以及用于各種任務(wù)中的自動(dòng)化設(shè)備，不僅可以進(jìn)行自動(dòng)化控制、還可以在空間XYZ直角坐標(biāo)系基礎(chǔ)上進(jìn)行反復(fù)編程。在桁架式機(jī)器人中使傳統(tǒng)的物流方式發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，使其工作運(yùn)行環(huán)境得到了有效地改善，使其機(jī)械零部件在生產(chǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化以及無人化生產(chǎn)管理，不僅使產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量得以有效保障，還大大提升了勞動(dòng)生產(chǎn)率，將工人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，使現(xiàn)代制造技術(shù)達(dá)到一個(gè)嶄新的水平。

1 桁架機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

桁架機(jī)器人的整體框架為龍門式結(jié)構(gòu)，框架包括立柱、滑臺、橫梁和豎梁。具體構(gòu)造如圖1所示。在桁架機(jī)器人的立柱下方有物料輸送臺，在位于立柱大約70mm的位置安裝安全防護(hù)網(wǎng)。圖1顯示，在整個(gè)桁架機(jī)器人中運(yùn)行期間的主要力量支撐來源于立柱，當(dāng)橫梁和Z方向工作部件(滑臺、豎梁及末端負(fù)載)發(fā)生重力作用后，其中Z方向工作部件的重心距離立柱中心距離505mm。從理論力學(xué)知識可以知道，立柱產(chǎn)生的變形不僅與力的大小有關(guān)，而且與力到立柱中心的距離有關(guān)，此時(shí)橫梁及Z軸運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量會對立柱造成偏心傾覆力矩，造成立柱的變形，而這種變形會在末端執(zhí)行器上產(chǎn)生放大作用，影響末端運(yùn)動(dòng)精度及整機(jī)的穩(wěn)定性。因此，為了使桁架機(jī)器人的整體剛度得以提升，增加桁架機(jī)器人的剛度及穩(wěn)定性，需要從以下兩方面進(jìn)行。

（1）縮短橫梁上Z軸運(yùn)動(dòng)部件與立柱中心線的距離以減小偏心力矩的大小。

（2）為了提升橫梁的堅(jiān)韌度，通過降低橫梁的彎度變形量，減少橫梁因?yàn)榕まD(zhuǎn)時(shí)對尾部精確值的影響，對機(jī)器人的橫梁采取優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 改進(jìn)后桁架機(jī)器人整體布局示意圖

圖2 桁架機(jī)器人整體布局示意圖

2 桁架機(jī)器人立柱的結(jié)構(gòu)預(yù)改進(jìn)設(shè)計(jì)

立柱可以保證桁架機(jī)器人中構(gòu)造的穩(wěn)定，一般采用鋼管和鋼板焊接而成的，在鏈接立柱和橫梁的位置呈L型結(jié)構(gòu)，這樣不僅可以及時(shí)調(diào)整橫梁的工作面，還可以使位于橫梁上的豎梁（Z軸）的軸線始終垂直于立柱的安裝平面，如圖1所示。不過如果利用圖中的方法對橫梁和z軸進(jìn)行鏈接時(shí)，支撐力量主要來源于連接面，這樣會引起橫梁在偏心力的作用下造成變形。對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意外界干涉，如圖1所示，和立柱有70mm距離的物料輸送裝置，在考慮安全問題的基礎(chǔ)上可以將距離調(diào)整為20mm，圖2是采取改進(jìn)設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)圖，通過減少橫梁及Z軸運(yùn)動(dòng)部件的重心距與立柱中心線的位置，還需要將橫梁和立柱鏈接的位置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，利用將接觸面積擴(kuò)大化處理。從原來的側(cè)面接觸改成側(cè)面和底面接觸，同時(shí)要使用加強(qiáng)筋，提高結(jié)合面的強(qiáng)度和剛度。

3 桁架機(jī)器人橫梁的多目標(biāo)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

橫梁(Y軸)是桁架機(jī)器人中的結(jié)構(gòu)構(gòu)造中最關(guān)鍵的一個(gè)基本構(gòu)件，在橫梁(Y軸)中安裝著一些導(dǎo)軌和齒輪條，這些導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向朝向Y軸，還承受著構(gòu)造中Z軸方向的重量以及滑臺的作用。在桁架機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，需要注意的是末端執(zhí)行器的精準(zhǔn)度的設(shè)計(jì)，其精準(zhǔn)度直接受到橫梁的堅(jiān)硬度的影響。在滿足使用標(biāo)準(zhǔn)要求以及生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提升桁架機(jī)器人的工作性能，對橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一般生產(chǎn)橫梁所采用的材料為鋼管和鋼板，鋼管采用無縫方形，長度是200×200×10 mm的方形鋼管，數(shù)量為兩根，總長度是5 m，兩個(gè)方形鋼管通過鍵進(jìn)行連接固定。所使用的方管每個(gè)厚度相同，由于承受力與截面的面積相關(guān)，因此通過優(yōu)化設(shè)計(jì)橫梁截面尺寸，減少橫梁的扭轉(zhuǎn)變形及Z向的彎曲變形。

4 桁架機(jī)器人結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對桁生機(jī)器人橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，建模時(shí)所選用的矩形鋼管尺寸為250×150×6。對三維模型的靜力進(jìn)行有限元分析過程中，采用Solidworks Simulation軟件進(jìn)行，承受力度為20kg時(shí)，圖3中所顯示的是桁架機(jī)器人節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力荷載情況，圖4所顯示的是節(jié)點(diǎn)發(fā)生變形之后的云圖，比較20kg承受力下的分析結(jié)果如表1所示。

通過表1對比結(jié)果顯示：在經(jīng)過對桁生機(jī)器人的構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，其變形量降低在0%～29%之間。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，桁生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形最大數(shù)值和最大應(yīng)力減小數(shù)值具有較為突出的改變，這充分說明，當(dāng)桁生機(jī)器人通過優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，只在結(jié)構(gòu)上發(fā)生了變化，其結(jié)構(gòu)上有較大的優(yōu)越性，其它方面，如網(wǎng)格劃分的能力一樣、材料屬性相同、制約力和承受力度都一致。

圖3 綜合改進(jìn)后巧架機(jī)器人節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力分布云圖

圖4 綜合改進(jìn)后巧架機(jī)器人節(jié)點(diǎn)變形云圖

表1 綜合改進(jìn)前后結(jié)果對比

5 結(jié)語

對桁生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)效果較好，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)改造后的桁生機(jī)器人，其變形量在20%～29%之間。桁生機(jī)器人在經(jīng)過結(jié)構(gòu)改造之后，其成本在投入一樣的情況下，桁生機(jī)器人在性能上更勝一籌，在市場競爭過程中更有影響力和競爭力。