朱金權(quán)

摘 要：本文介紹了桁架機(jī)器人的基本組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、傳動(dòng)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的相關(guān)計(jì)算， 為桁架機(jī)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(jī)器人；橫梁；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1概述

桁架式機(jī)器人是一種綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)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(dòng)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(guó)內(nèi)企業(yè)用人成本的不斷增加，桁架式工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)、擺脫單調(diào)重復(fù)的體力勞動(dòng)、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在高溫、有毒場(chǎng)合具有人工無(wú)法替代的作用，在機(jī)械加工業(yè)具有廣泛的運(yùn)用，了解和掌握桁架式機(jī)器人的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)機(jī)器人的運(yùn)用具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

2結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)

2.1結(jié)構(gòu)形式：

桁架機(jī)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(tái)加工設(shè)備（加工中心或數(shù)控設(shè)備）組合成一個(gè)獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)單元，實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)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(zhǎng)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(jī)器人可以盡可能多得將多臺(tái)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(diǎn)：

2.2.1運(yùn)動(dòng)部件直線運(yùn)行，最大直線運(yùn)行速度達(dá)150m/min（即2.5m/s），速度5倍于機(jī)床的運(yùn)行速度；

2.2.2運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度2倍于機(jī)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(dòng)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(jī)組合在一個(gè)加工單元內(nèi)，實(shí)現(xiàn)加工功能化、規(guī)?；?；

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(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)件之一，是支承上部橫梁，固定桁架機(jī)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(wú)縫方形鋼管”和鋼板焊接而成，上部設(shè)計(jì)成L型結(jié)構(gòu)用于連接橫梁，能方便安裝時(shí)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(shí)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量對(duì)立柱造成的偏心傾覆力矩。

3.2橫梁：橫梁是桁架機(jī)器人的另一重要基本結(jié)構(gòu)件之一，它的剛度、強(qiáng)度直接影響到整個(gè)設(shè)備的精度。因此橫梁的設(shè)計(jì)是桁架機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它是桁架機(jī)器人的X軸，其上安裝有Z軸沿橫梁運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌組件和齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，承載著機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)的自重、機(jī)械手抓取的外部負(fù)載、整個(gè)Z軸機(jī)構(gòu)的自重等載荷。橫梁兩端裝有限制Z軸運(yùn)動(dòng)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(jī)器人上下運(yùn)動(dòng)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(jī)械手，其上裝有Z軸上下運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌組件和齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。Z軸上端部裝有Z軸運(yùn)動(dòng)限位器和端蓋。

3.4托板：托板是桁架機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及驅(qū)動(dòng)機(jī)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(dòng)Z軸沿X軸運(yùn)動(dòng)的電機(jī)及減速機(jī)組件；

3.4.2驅(qū)動(dòng)Z軸上下運(yùn)動(dòng)的電機(jī)及減速機(jī)組件；

3.4.3沿X軸和Z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的潤(rùn)滑系統(tǒng)；

3.4.4 Z軸上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的電纜及氣管拖鏈；

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

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

3.5手爪：手爪是桁架機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)抓取工件的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它安裝于桁架機(jī)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(shí)現(xiàn)手爪的抓取功能，手爪上需要設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)爪手抓取工件時(shí)，夾緊與松開的部件，設(shè)計(jì)時(shí)需計(jì)算爪手的額定抓取質(zhì)量，它是機(jī)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(jì)時(shí)需考慮如下：

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

（2）夾緊與松開的驅(qū)動(dòng)方式：氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)或機(jī)械傳動(dòng)；

（3）手指夾持范圍：針對(duì)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??；

（4）定位檢測(cè)位置傳感器：在定位功能部件上安裝的定位檢測(cè)傳感器，用于在爪手抓取工件前給爪手的驅(qū)動(dòng)（電機(jī)控制器、氣缸或油缸的電磁閥）發(fā)出定位到位信號(hào)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(cè)傳感器，用于爪手夾緊、松開工件到位后給機(jī)器人發(fā)出定位到位信號(hào)的裝置，便于機(jī)器人接收到夾緊、松開信號(hào)后執(zhí)行后面相關(guān)動(dòng)作；

（6）爪手的自由度數(shù)目及驅(qū)動(dòng)源：為順利抓取和放置工件，需考慮整個(gè)爪手共有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，同時(shí)需考慮這些自由度實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)源：氣缸、油缸、電機(jī)的布置及安裝方式，氣壓、油壓大小、電機(jī)的型號(hào)或規(guī)格等；

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

（8）拖鏈：拖鏈?zhǔn)氰旒軝C(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸上通信電纜、氣管、油管、信號(hào)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(diǎn)，在桁架機(jī)器人行業(yè)中已廣泛使用。

3.6潤(rùn)滑系統(tǒng)：桁架機(jī)器人的齒輪齒條、導(dǎo)軌滑塊、導(dǎo)向滾輪等各運(yùn)動(dòng)部分，由于不停地高速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)部件之間會(huì)發(fā)熱、磨損，從而影響設(shè)備的精度。為此，在各運(yùn)動(dòng)部件處設(shè)置潤(rùn)滑點(diǎn)。將潤(rùn)滑系統(tǒng)安裝在托板上，電動(dòng)潤(rùn)滑泵將潤(rùn)滑脂不斷輸出，通過(guò)潤(rùn)滑系統(tǒng)控制器，將潤(rùn)滑脂定時(shí)、定量地輸送至各潤(rùn)滑點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)集中潤(rùn)滑。

4傳動(dòng)系統(tǒng)

4.1伺服電機(jī)：伺服電機(jī)是驅(qū)動(dòng)各運(yùn)動(dòng)部件（X軸、Z軸）運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，安裝于托板上，電機(jī)主軸前端與減速機(jī)的輸入端相連，在減速機(jī)的輸出軸上裝有帶動(dòng)各運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)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(guò)電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒輪的停止和轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)各軸作相應(yīng)的啟停和往復(fù)運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)常采用三菱、西門子等品牌，根據(jù)需要選擇帶“電磁制動(dòng)器”的伺服電機(jī)，使電機(jī)在斷電停機(jī)時(shí)能實(shí)現(xiàn)可靠制動(dòng)，保證各運(yùn)動(dòng)部件（X軸、Z軸）運(yùn)動(dòng)時(shí)的可靠性、安全性。由于Z軸是帶動(dòng)工件上下運(yùn)動(dòng)的承載部件，驅(qū)動(dòng)Z軸運(yùn)動(dòng)的電機(jī)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(yùn)動(dòng)的安全，驅(qū)動(dòng)Z軸運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)必須具有“電磁制動(dòng)器”功能。

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

4.2導(dǎo)軌滑塊：導(dǎo)軌滑塊是各運(yùn)動(dòng)部件（X軸、Z軸）精確運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向機(jī)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(diǎn)，在桁架機(jī)器人中已廣泛使用?；瑝K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(dòng)摩擦，大大降低了二者之間的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)：

4.2.1動(dòng)、靜摩擦力之差很小，隨動(dòng)性極好，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)與機(jī)械動(dòng)作滯后的時(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)功率大幅下降，只相當(dāng)于普通機(jī)械的1/10；

4.2.3適應(yīng)高速直線運(yùn)動(dòng)，其瞬時(shí)速度比滑動(dòng)導(dǎo)軌提高約10倍；

4.2.4能實(shí)現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度。實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)剛度；在成對(duì)使用導(dǎo)軌副時(shí)，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(jī)械性能；

4.2.6簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造；

4.3齒輪齒條：齒輪齒條是安裝在各自運(yùn)動(dòng)部件（X軸、Z軸）上，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)部件，齒條安裝在各運(yùn)動(dòng)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(jī)的輸出軸相連，并與齒條嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)。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(zhǎng)度從1000mm～3000mm不等，精度從5級(jí)～11級(jí)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(yǔ)

桁架機(jī)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(jī)器人的相關(guān)結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，對(duì)桁架機(jī)器人的設(shè)計(jì)、優(yōu)化機(jī)器人的參數(shù)、最大限度發(fā)揮桁架機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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