抓取細(xì)長工件桁架機(jī)器人典型組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙 健,齊關(guān)宇,于同春

(沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 特種機(jī)器人BG， 沈陽 110027)

機(jī)器人的出現(xiàn)是人類在利用機(jī)械進(jìn)行勞動(dòng)生產(chǎn)上的里程碑，全球諸多國家在近半個(gè)世紀(jì)的機(jī)器人實(shí)踐表明，在各行各業(yè)中，機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為未來工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展方向[1]。航空航天、汽車、工程機(jī)械、電子電器、醫(yī)療服務(wù)、物流等行業(yè)已經(jīng)大量使用機(jī)器人[2]，機(jī)器人的普及是提高社會生產(chǎn)效率，推動(dòng)企業(yè)和社會生產(chǎn)力發(fā)展的重要手段[3]。

21世紀(jì)以來，我國對機(jī)器人技術(shù)引領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展寄予厚望，在國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、國家科技重大專項(xiàng)規(guī)劃中對機(jī)器人技術(shù)研究給予極大重視，機(jī)器人技術(shù)是未來高新技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)之一，對國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)具有重要意義[4]。例如，在汽車工業(yè)上，六軸機(jī)器人用于白車身焊接以及白車身噴漆，大幅度降低職業(yè)病發(fā)病率的同時(shí)，也大幅度提高噴涂、焊接質(zhì)量[5]；在物流行業(yè)中，立體倉庫、分揀機(jī)器人的高效運(yùn)行，為企業(yè)節(jié)約了時(shí)間成本[6]；在加工行業(yè)中，桁架機(jī)器人與加工設(shè)備組成自動(dòng)化生產(chǎn)線，由于某些工件工藝較多，加工設(shè)備連線較長，對于較長自動(dòng)化生產(chǎn)線采用桁架機(jī)器人可縮短兩道工序間轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，在低成本、高質(zhì)量的前提下提高生產(chǎn)效率[7]。

桁架機(jī)器人是具有多自由度的一種典型多用途工業(yè)機(jī)器人，各自由度可建成空間直角關(guān)系，因其運(yùn)動(dòng)簡單、精度高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在一些精密加工、焊接、裝配、自動(dòng)碼垛以及最近興起的3D打印等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)，金石機(jī)器人常州股份有限公司研發(fā)了無線桁架機(jī)器人，由于其摒棄傳統(tǒng)線纜及拖鏈，采用無線傳輸動(dòng)力電和信號的形式，具有噪聲低、運(yùn)行速度高等優(yōu)點(diǎn)，最高速度可達(dá)300 m/min。除此之外，金石機(jī)器人常州股份有限公司還具有桁架機(jī)器人的滾輪導(dǎo)軌技術(shù)、超長橫梁和導(dǎo)軌的拼接工藝以及桁架機(jī)器人的熱補(bǔ)償技術(shù)。寧夏巨能機(jī)器人股份有限公司研發(fā)的GS系列2軸桁架機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化，也可實(shí)現(xiàn)多臺聯(lián)機(jī)，簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)和電控方式，也便于現(xiàn)場自動(dòng)化設(shè)備的升級改造。GS系列3軸桁架機(jī)器人以橫梁三軸、平行雙豎軸、交叉雙豎軸等多種組合方式，組建多種工序的自動(dòng)化生產(chǎn)線。Güdel中國(上海固都自動(dòng)化工程有限公司)是瑞士Güdel集團(tuán)設(shè)立在中國上海的全資子公司。該公司依據(jù)不同的負(fù)載及運(yùn)動(dòng)速度，將桁架機(jī)器人細(xì)分為不同型號，以滿足不同的生產(chǎn)環(huán)境。由于型號繁多，Güdel更專注于直線運(yùn)動(dòng)模塊、組件OEM、系統(tǒng)集成。

隨著國內(nèi)外桁架機(jī)器人的不斷發(fā)展，桁架機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷增多，其主要的發(fā)展方向均為模塊安裝、減少設(shè)計(jì)周期。但實(shí)際情況較為復(fù)雜，需要非標(biāo)設(shè)計(jì)解決特定的問題。本文提出的桁架機(jī)器人T軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了桁架機(jī)器人Z軸末端抓取機(jī)構(gòu)無法到達(dá)行程以外空間的不足。

1 桁架機(jī)器人T軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 T軸設(shè)計(jì)的功能與目的

常規(guī)桁架機(jī)器人總體設(shè)計(jì)采用模塊化思想與原則，可將常規(guī)桁架機(jī)器人分為立柱、X軸、Y軸、Z軸。常規(guī)桁架機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、模塊化安裝等優(yōu)點(diǎn)，模塊之間安裝具有相匹配的接口，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行組合[8]。

常規(guī)桁架機(jī)器人只有3個(gè)自由度，即X軸、Y軸、Z軸，3個(gè)方向平動(dòng)，導(dǎo)致桁架機(jī)器人抓取范圍受到結(jié)構(gòu)因素限制[9]，桁架機(jī)器人的抓取機(jī)構(gòu)只能到達(dá)X軸、Y軸行程所覆蓋的空間，只適用于傳統(tǒng)機(jī)械加工行業(yè)中，機(jī)床頂部自動(dòng)門與其配合，以此實(shí)現(xiàn)常規(guī)機(jī)械加工設(shè)備上下料。但一些特殊加工設(shè)備只能在側(cè)面配備自動(dòng)門，例如在光纖行業(yè)中，沉積設(shè)備、燒結(jié)設(shè)備中的物料出入的自動(dòng)門均在側(cè)面[10]。

本文提出桁架機(jī)器人加裝擺動(dòng)T軸，解決桁架機(jī)器人抓取范圍受限，提高桁架機(jī)器人靈活性，拓寬桁架機(jī)器人應(yīng)用范圍[11]。如特殊加工設(shè)備正上方無法開門，桁架機(jī)器人抓取不能從正上方進(jìn)入加工設(shè)備。加裝T軸后，桁架機(jī)器人可解決此類問題[12]。

T軸設(shè)計(jì)采用自頂向下設(shè)計(jì)原則，首先設(shè)計(jì)抓取機(jī)構(gòu)，其次根據(jù)實(shí)際需要確定T軸結(jié)構(gòu)、校核剛度與強(qiáng)度，最后設(shè)計(jì)T軸驅(qū)動(dòng)組件[13]，分析抓取機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

1.2 抓取機(jī)構(gòu)

桁架機(jī)器人常用抓取可分為兩類：摩擦力抓取、結(jié)構(gòu)抓取[14]。

圖1 摩擦力夾持

1.2.1 摩擦力抓取

設(shè)計(jì)桁架機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)時(shí)，一般選用電缸或氣缸作為動(dòng)力輸出，如圖1所示，電缸或氣缸下端裝有兩個(gè)手指，電缸或氣缸閉合時(shí)可夾住工件，實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作。如果抓取機(jī)構(gòu)靠摩擦力將工件提起，需要考慮正壓力及摩擦系數(shù)是否滿足所有工況，不同手指材質(zhì)和表面粗糙度直接影響摩擦系數(shù)。在正壓力不變的情況下，可通過選用不同材質(zhì)和表面粗糙度來提高摩擦系數(shù)，從而達(dá)到提高抓取性能的目的[15],如表1所示。

F=(m×(a+g)×S)/μ

(1)

通過公式(1)計(jì)算出相應(yīng)正壓力，選出最適合的電缸或氣缸以及手指材質(zhì)及表面粗糙度。對于一般電缸或氣缸而言，工件重心到手指安裝面距離越大，電缸或氣缸可提供夾緊力越小，具體情況依據(jù)不同產(chǎn)品的性能參數(shù)而定[16]。

表1 摩擦力抓取相關(guān)參數(shù)

摩擦力抓取具有結(jié)構(gòu)簡單，手指加工成本低廉、易更換等優(yōu)點(diǎn)。由于夾持力有限，當(dāng)工件重量超過氣缸或電缸閉合產(chǎn)生的摩擦力時(shí)，則不能選用摩擦力抓取的方式。

1.2.2 結(jié)構(gòu)夾持

當(dāng)工件較重，且工件結(jié)構(gòu)不允許承受較大夾緊力時(shí)，可選用結(jié)構(gòu)夾持形式實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作。如圖2所示，電缸或氣缸下端加裝的兩個(gè)手指可根據(jù)工件外形特征進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)夾持可用較小的夾持力搬運(yùn)較重的工件，選型時(shí)主要考慮電缸或氣缸承載能力和手指強(qiáng)度[17]。

圖2 結(jié)構(gòu)夾持

1.2.3 輔助夾持

在摩擦力夾持與結(jié)構(gòu)夾持的基礎(chǔ)上，本文對其進(jìn)一步優(yōu)化，針對所搬運(yùn)工件外形提出輔助夾持形式。即工件的全部重量通過圓柱銷(搬運(yùn)銷)作用于整體的結(jié)構(gòu)上，抓取機(jī)構(gòu)中電缸或氣缸只用于輔助夾持，起到穩(wěn)定作用，如圖3所示。

圖3 輔助夾持結(jié)構(gòu)平面圖

本文提出的T軸采用輔助夾持的搬運(yùn)方式抓取細(xì)長工件，如圖4所示，細(xì)長工件有掛接銷孔、搬運(yùn)銷孔，工件長度3 000 mm，直徑35 mm，材質(zhì)為玻璃，質(zhì)量m=40 kg，工件的全部重量通過搬運(yùn)銷穿過搬運(yùn)銷孔作用于搬運(yùn)結(jié)構(gòu)上。由于一個(gè)搬運(yùn)銷無法約束工件的全部自由度，在桁架機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，工件會產(chǎn)生晃動(dòng)，影響桁架機(jī)器人上料精度。

圖4 細(xì)長工件

如圖5所示，抓取機(jī)構(gòu)中選用氣缸將工件夾持，以此保證工件在搬運(yùn)結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定。受力簡圖如圖6所示，計(jì)算出工件重心到搬運(yùn)結(jié)構(gòu)距離，工件在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力需要由氣缸產(chǎn)生的夾持力克服。暫定桁架機(jī)器人水平移動(dòng)時(shí)加速度a=0.05 m/s2，工件質(zhì)心距離掛接結(jié)構(gòu)L1=1.4 m，工件質(zhì)心在桁架機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力F1=a·m，相對掛接結(jié)構(gòu)的力矩為M1=F1·L1。

所選氣缸閉合時(shí)，手指與玻璃棒產(chǎn)生的摩擦力相對掛接結(jié)構(gòu)的力矩為M2=F2·L2。玻璃與聚四氟乙烯的系數(shù)f=0.2，氣缸夾持力為F，M2=F·f·L2。為保證搬運(yùn)過程玻璃棒穩(wěn)定，M2>M1，F(xiàn)2·L2>2.8 N·m，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)L2=0.05 m，F(xiàn)>(2.8 N·m)·(f·L2)，綜上所得，氣缸夾持至少為280 N?？紤]到各個(gè)方面安全因素，氣缸夾持力選用500 N。

圖5 抓取機(jī)構(gòu)

圖6 抓取機(jī)構(gòu)受力簡圖

2 T軸設(shè)計(jì)校核與參數(shù)確定

2.1 T軸結(jié)構(gòu)校核

為提高桁架機(jī)器人綜合性能，選用兩種材料6061鋁合金和Q345分別對T軸進(jìn)行有限元分析，對比應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)，選出適合的材料進(jìn)行加工制作[19]，材料性能參數(shù)如表2所示。

表2 所選材料性能參數(shù)

(1)選用6061合金

根據(jù)實(shí)際尺寸需求設(shè)計(jì)T軸結(jié)構(gòu)，材料定為6061鋁合金。應(yīng)用鋼絲螺套與螺釘裝配各個(gè)結(jié)構(gòu)件，為方便接線將T軸設(shè)計(jì)為中空形式，并且在加固隔板中開有走線孔，為降低重量將兩側(cè)鋁板進(jìn)行開孔設(shè)計(jì),T軸結(jié)構(gòu)如圖7所示[20]。

圖7 T軸結(jié)構(gòu)示意圖

將模型中圓角、倒角、孔進(jìn)行簡化后，應(yīng)用solidworks進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖8、9所示，最大應(yīng)力46 MPa，最大位移1.08 mm。

圖8 6061合金結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力云圖

圖9 6061合金結(jié)構(gòu)件最大位移云圖

(2)選用Q345

采用材料Q345重新建模，結(jié)構(gòu)件厚度改為原模型的一半，其他結(jié)構(gòu)及外形尺寸與原模型一致，應(yīng)用焊接工藝裝配各個(gè)結(jié)構(gòu)件，按照同樣的外部載荷進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖10、圖11所示，最大應(yīng)力47 MPa，最大位移0.39 mm[21]。

圖10 Q345結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力云圖

兩種情況均未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)，但6061合金變形較大，對T軸剛度有一定影響，從而會導(dǎo)致桁架機(jī)器人定位誤差較大，所以選擇Q345材料進(jìn)行加工制作[22]。

圖11 Q345結(jié)構(gòu)件最大位移云圖

2.2 T軸安裝形式

圖12為某型號桁架機(jī)器人Z軸下端加裝T軸的實(shí)物圖，T軸前端裝有抓取機(jī)構(gòu)，可抓取工件。

圖12 桁架機(jī)器人T軸模型

桁架機(jī)器人Z軸下端裝有電機(jī)、RV減速機(jī)，考慮T軸內(nèi)部走線，采用中空軸形式RV減速機(jī)，將傳感器、氣管等線纜均在中空軸下端預(yù)留快速插頭，方便安裝與維護(hù)。RV減速機(jī)固定法蘭安裝在Z軸末端，T軸安裝在RV減速機(jī)輸出法蘭上[23]。

2.3 技術(shù)參數(shù)

2.3.1 簡化模型

依照項(xiàng)目需求確定T軸焊接組件長度，抓取機(jī)構(gòu)依照項(xiàng)目需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，應(yīng)用桁架機(jī)器人搬運(yùn)工件，設(shè)備A、設(shè)備B、設(shè)備C為不同工序加工設(shè)備，設(shè)備A與設(shè)備C分布在桁架機(jī)器人兩側(cè)，設(shè)備B在桁架機(jī)器人正下方，使用傳統(tǒng)桁架機(jī)器人只能滿足設(shè)備B上下料，設(shè)備A與設(shè)備C所在位置無法到達(dá)，則需通過加裝T軸實(shí)現(xiàn)為設(shè)備A、設(shè)備C上下料。

如圖13所示，設(shè)備A、設(shè)備C間距為LA+LB，為簡化設(shè)計(jì)，桁架機(jī)器人中心線與設(shè)備A、設(shè)備C連線的中心線重合。即LA=LB，La=Lb，可得出T軸的抓取中心至回轉(zhuǎn)中心距離為：L=LA-La，Z軸的豎直行程依照設(shè)備A、設(shè)備B、設(shè)備C 3臺設(shè)備工位的最大高度和最小高度進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文不再論述。私服電機(jī)通過RV減速機(jī)驅(qū)動(dòng)T軸旋轉(zhuǎn)，依照本文事例：回轉(zhuǎn)半徑為1 535 mm，回轉(zhuǎn)角度為±90°。

2.3.2 確定參數(shù)

完成T軸設(shè)計(jì)后，通solidworks軟件得到包含工件的T軸總重M=105 kg和相對于回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JT=95 kg·m2。

根據(jù)節(jié)拍分析確定工件加速度a=1.35 m·s-2，線速度v，回轉(zhuǎn)半徑r=1.535 m(上文提到的L=LA-La)，可由

v=ω×r

(2)

對公式(2)兩端求導(dǎo)得

(3)

(4)

由(4)得出角速度α=0.9 rad·s-2。

驅(qū)動(dòng)T軸組件所需扭矩

N=JT×α

(5)

由(5)得出驅(qū)動(dòng)T軸所需要扭矩N=85.5 N·m。

根據(jù)負(fù)載選擇私服電機(jī)，型號為1FK7063-2AF71，具體性能參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)性能參數(shù)表

初步選擇RV減速機(jī)，型號為RDS-027C，具體性能參數(shù)見表4所示。

表4 減速機(jī)性能參數(shù)表

電機(jī)扭矩經(jīng)過減速機(jī)放大后為N1×i=1 704.2 N·m，此扭矩遠(yuǎn)大于所需要的扭矩[24]。

減速機(jī)本體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2=3.04×10-4kg·m2，轉(zhuǎn)化到電機(jī)軸處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

(6)

將上述數(shù)值帶入公式(6)得到全部負(fù)載轉(zhuǎn)化為電機(jī)所驅(qū)動(dòng)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1.742×10-3kg·m2，根據(jù)私服電機(jī)特性，電機(jī)所驅(qū)動(dòng)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J與電機(jī)本體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1之比小于3[25]。

J/J1=1.1<3

(7)

故所選電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配較好。

圖14 T軸模塊示意圖

核算后T軸模塊質(zhì)量M=105 kg，取安全系數(shù)f=1.3，T軸模塊總重力按照G=1 337.7 N校核減速機(jī)承載能力(重力加速度取：9.8 m·s-2)，小于減速機(jī)的容許軸向載荷6 533 N[26]。

由于T軸模塊重心不與T軸模塊回轉(zhuǎn)中心重合，產(chǎn)生傾覆力矩，如圖14所示，重心至回轉(zhuǎn)中心的距離為：l=0.5 m，重力產(chǎn)生的傾覆力矩

T傾覆=l×G

(8)

將l與G帶入公式(8)中得到

T傾覆=1 337.7 N ×0.5 m=668.8 N·m，小于減速機(jī)的容許傾覆力矩980 N·m。

綜上，通過公式(5)確定所選電機(jī)與減速機(jī)扭矩可驅(qū)動(dòng)T軸旋轉(zhuǎn)。通過公式(7)驗(yàn)證電機(jī)、減速機(jī)與T軸慣量匹配，通過公式(8)驗(yàn)證減速機(jī)輸出端法蘭可承擔(dān)T軸產(chǎn)生傾覆力矩。由于T軸回轉(zhuǎn)速度較低，故不作轉(zhuǎn)速校核[27]。

2.3.3 抓取中心的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖15 桁架機(jī)器人俯視圖

桁架機(jī)器人俯視圖如圖15所示，OY為桁架機(jī)器人Y軸。OX為桁架機(jī)器人X軸，AB為桁架機(jī)器人T軸。本文中桁架機(jī)器人Y軸、X軸、T軸聯(lián)動(dòng)，并在PLC系統(tǒng)中設(shè)定T軸平行于OY時(shí)為零位，Z軸單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，為得到桁架機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，將T軸在AB位置時(shí)定為φ=0°(零位)，T軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)。

T軸角速度為ω，經(jīng)歷時(shí)間t后到達(dá)AC位置，AC與AB的夾角:φ=ω×t,φ=∈(-90°,90°)

如T軸擺動(dòng)至C位置時(shí)，抓取中心在XOY坐標(biāo)系的坐標(biāo)為

XC=VXt+rsin(ωt)

(9)

YC=VYt+rcos(ωt)

(10)

公式(9)、(10)中VX,VY是桁架機(jī)器人的X軸與Y軸驅(qū)動(dòng)速度，在長行程桁架機(jī)器人中可認(rèn)為是常數(shù)，分別將公式(9)、(10)對時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)可得抓取中心在XOY坐標(biāo)系中的運(yùn)行速度

(11)

(12)

(13)

(14)

4 結(jié)論

本文簡述常規(guī)桁架機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)。針對抓取空間受限問題提出解決方案，即加裝典型組件T軸，并對T軸自頂向下設(shè)計(jì)過程進(jìn)行論述。首先在結(jié)構(gòu)夾持的基礎(chǔ)上提出輔助夾持形式，其次設(shè)計(jì)T軸結(jié)構(gòu)并校核強(qiáng)度、剛度，最后從驅(qū)動(dòng)扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、承載能力3個(gè)方面對所選電機(jī)、減速機(jī)進(jìn)行校核。分析抓取中心在坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)方程，為編寫電氣程序提供理論依據(jù)，從而確定本文提出T軸模塊可以彌補(bǔ)常規(guī)桁架機(jī)器人的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，拓寬桁架機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域。