趙明俠

(寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 寶雞 721013)

隨著全球制造業(yè)深入發(fā)展及勞動(dòng)力成本逐年攀升，國(guó)內(nèi)外都在積極發(fā)展智能制造以達(dá)到將制造業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)的目的。在智能制造的改革中，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)勢(shì)必會(huì)取得更大發(fā)展。隨著我國(guó)社會(huì)結(jié)構(gòu)改革深化，在珠三角等諸多地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)用工荒等勞動(dòng)力匱乏難題,許多低技術(shù)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)已經(jīng)大范圍出現(xiàn)因勞動(dòng)成本增加而導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。隨著人們對(duì)多種類、高機(jī)動(dòng)和自由靈活的工業(yè)機(jī)器人需求日益增多，優(yōu)化高新機(jī)器人結(jié)構(gòu)勢(shì)必成為未來(lái)制造業(yè)改革發(fā)展的重要方向。

現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人一般為六自由度，存在作業(yè)范圍較窄、作業(yè)工序單一等一系列缺點(diǎn)，在面對(duì)大型加工機(jī)體比如汽車車體噴涂、打磨及大型工作臺(tái)裝配時(shí)很難滿足其工藝要求，因此在汽車工業(yè)、船舶重工、電子行業(yè)及機(jī)械加工等領(lǐng)域?qū)ρ邪l(fā)多功能工業(yè)機(jī)器人的需求更加迫切?；诖吮尘埃瑸橥ㄓ玫牧杂啥葯C(jī)器人設(shè)計(jì)合理的第七軸——行進(jìn)軸并提供了校核方案，這對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人增加工作效益及制造業(yè)的深化改革具有重要意義。本文以某型號(hào)工業(yè)機(jī)器人為樣本，通過(guò)Creo建模軟件為其設(shè)計(jì)第七軸——行進(jìn)軸并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行校核，從而保證其可安全可靠地投入生產(chǎn)實(shí)踐中。

1 行進(jìn)軸設(shè)計(jì)基本要求

工業(yè)機(jī)器人第七軸——行進(jìn)軸的主要作用是使機(jī)器人在水平軸向方向進(jìn)行二維運(yùn)動(dòng)，而第八軸的主要作用是讓機(jī)器人沿豎直軸向方向運(yùn)動(dòng)。在多軸機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，應(yīng)在滿足機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)的情況下，盡量考慮后續(xù)第八軸的安裝。行進(jìn)軸的具體工作過(guò)程為：通過(guò)控制安放在工作臺(tái)下的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使齒輪嚙合行進(jìn)軸上的齒條，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的多軸移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)拖鏈將電纜電線安置于拖鏈的內(nèi)置中段鏤空處進(jìn)行防護(hù)。其初步設(shè)計(jì)三視圖如圖1所示。

1—移動(dòng)滑板；2—電線軟管；3—齒條；4—導(dǎo)軌；5—齒輪；6—底座；7—變速器；8—伺服電機(jī)；9—拖鏈

設(shè)計(jì)行進(jìn)軸的基本要求是其自身結(jié)構(gòu)可以滿足多款多型號(hào)機(jī)器人的二維運(yùn)動(dòng)，使工業(yè)機(jī)器人可以在軸上進(jìn)行線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而擴(kuò)大傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)范圍。在行進(jìn)軸的設(shè)計(jì)中應(yīng)該選取穩(wěn)定且精確的傳動(dòng)方式，一般可以采用導(dǎo)軌滑塊的傳動(dòng)方式，如有更精確的要求可以采用絲杠傳動(dòng)。在行進(jìn)軸的技術(shù)參數(shù)設(shè)置中，應(yīng)該根據(jù)不同的工況條件進(jìn)行具體的尺寸規(guī)劃，在搭載電機(jī)方面應(yīng)滿足伺服電機(jī)靈活多變的運(yùn)行條件且將滑臺(tái)的慣性控制在合理的范圍之內(nèi)，同時(shí)應(yīng)合理校核驗(yàn)證所選機(jī)構(gòu)的力與力矩的承載能力，從而確保實(shí)際生產(chǎn)中的安全性與可靠性。

2 行進(jìn)軸的改良方案設(shè)計(jì)

在實(shí)際工作中，機(jī)器人的工況較為復(fù)雜，例如圖1的方案中，通常搭載輕載型機(jī)器人，機(jī)器人本體基座在與移動(dòng)底板進(jìn)行鉸接后會(huì)存在線路和機(jī)體不能進(jìn)行有效分離的問(wèn)題，這是因?yàn)槌醪椒桨冈O(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)平面與拖鏈存在尺寸干涉。相對(duì)于初始方案，改良后的行進(jìn)軸改變了滑塊和導(dǎo)軌的數(shù)目，使工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行更加流暢。因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人相對(duì)其他類型機(jī)器人更加笨重，故采用In-booth結(jié)構(gòu)(方案一)和Clean-wall結(jié)構(gòu)(方案二)來(lái)增加工業(yè)機(jī)器人的延伸性，使其活動(dòng)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。兩種設(shè)計(jì)方案如圖2和圖3所示。

1—移動(dòng)車架；2—齒條；3—底座；4—導(dǎo)軌Ⅰ；5—拖鏈支架；6—導(dǎo)軌Ⅱ；7—護(hù)蓋

通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，方案二相對(duì)于方案一更加全面，其防護(hù)效果優(yōu)良，增加了護(hù)蓋，在一些易腐蝕工況下可以更好地保護(hù)導(dǎo)軌，從而延長(zhǎng)第七軸的使用壽命；相對(duì)于方案二而言，方案一在造價(jià)上有很大的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)核算較方案二可節(jié)約約45%的成本。

3 整機(jī)裝配及關(guān)鍵零部件校核

1—移動(dòng)車架；2—齒條；3—底座；4—導(dǎo)軌Ⅰ；5—拖鏈支架；6—導(dǎo)軌Ⅱ；7—護(hù)蓋

采用改進(jìn)的兩種方案后均需要對(duì)一些關(guān)鍵零部件進(jìn)行校核。經(jīng)過(guò)尺寸校核，建立相適應(yīng)的機(jī)器人模型，并裝配于方案一的移動(dòng)車架上。在正式投產(chǎn)之前，還有許多參數(shù)需要調(diào)試，其中很重要的一部分就是對(duì)于內(nèi)置滑塊的校核。滑塊的承載能力直接關(guān)系到整機(jī)的運(yùn)行壽命和可靠性。根據(jù)機(jī)器人自重(560kg)及腕部負(fù)重，作出移動(dòng)車架下滑塊的應(yīng)力、應(yīng)變和總變形云圖加以分析，滑塊選用上銀HGH30CA系列，材料為結(jié)構(gòu)鋼。根據(jù)上銀產(chǎn)品手冊(cè)的校核標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)滑塊進(jìn)行靜載荷和扭矩校核。HGH30CA系列滑塊截面圖如圖4所示，主要尺寸見(jiàn)表1。

圖4 HGH30CA系列滑塊截面圖

參數(shù)數(shù)值/mm W60B44B18H210H18H45T12WR28N16

有限元模型的有效性主要在于在第七軸——行進(jìn)軸的鐵板與滑塊間的變形和應(yīng)力應(yīng)變間的差別大小是否在合理范圍之內(nèi)，滑塊是機(jī)器人和行進(jìn)軸結(jié)構(gòu)連接的關(guān)鍵，故而在仿真過(guò)程中需要為其匹配一定的剛度和強(qiáng)度，其材料的機(jī)械性能要求構(gòu)成較為均勻且滿足各向同性?；瑝K材料選用調(diào)質(zhì)鋼，其彈性模量E為210GPa，切變模量為81GPa，泊松比為0.259 2，密度為7.85×103kg/m3。利用ANSYS Workbench軟件對(duì)滑塊進(jìn)行自定義劃分網(wǎng)格的過(guò)程中，通過(guò)智能等級(jí)的設(shè)定控制網(wǎng)格的劃分精度，可以將網(wǎng)格進(jìn)行精準(zhǔn)劃分，最終有限元模型有124 211個(gè)節(jié)點(diǎn)、 30 254個(gè)單元。

在對(duì)三維模型進(jìn)行仿真之前，首先應(yīng)該對(duì)不影響或者影響很小的零件附屬連接位置進(jìn)行簡(jiǎn)化，其次針對(duì)工件具體的工作過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)載荷和約束的說(shuō)明。由于滑塊在滑動(dòng)過(guò)程中有其內(nèi)溝限定的自鎖結(jié)構(gòu)，故而限定滑動(dòng)過(guò)程的自由度只有軸向運(yùn)動(dòng)，其只能在導(dǎo)軌上進(jìn)行滑動(dòng)。第一種工況是機(jī)器人在滑塊上方通過(guò)連接板對(duì)滑塊施加垂直面力，具體施加力為6kN，經(jīng)仿真可得滑塊總變形、應(yīng)力和應(yīng)變的云圖，如圖5～7所示。

圖5 垂直面力總變形云圖

圖6 垂直面力應(yīng)變?cè)茍D

通過(guò)有限元分析仿真可知，在垂直面力的作用下，滑塊有較小的變化，但由于機(jī)器人本體平行移動(dòng)過(guò)程中是多組滑塊對(duì)機(jī)器人進(jìn)行綜合負(fù)載，故實(shí)際情況較仿真的影響小，可滿足工作要求。

圖7 垂直面力應(yīng)力云圖

移動(dòng)車架下的滑塊除了會(huì)受到垂直面力，還會(huì)因?yàn)闄C(jī)械手在連接滑塊的連接板上進(jìn)行作業(yè)擺動(dòng)，勢(shì)必會(huì)對(duì)滑塊造成力矩扭轉(zhuǎn)作用，因而第二種工況是機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中發(fā)生各個(gè)方向的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，需要對(duì)滑塊進(jìn)行橫向的力矩仿真，以確保其在橫向受到扭轉(zhuǎn)力矩作用時(shí)的作業(yè)安全可靠。圖8～10為在橫向力矩530N·m作用下滑塊的總變形、應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D。仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

圖8 橫向力矩總變形云圖

圖9 橫向力矩應(yīng)變?cè)茍D

通過(guò)表2的仿真結(jié)果可知，垂直面力對(duì)滑塊的影響較大，根據(jù)上銀HGH30CA系列手冊(cè)，該滑塊可以滿足機(jī)器人第七軸——行進(jìn)軸結(jié)構(gòu)運(yùn)行要求，驗(yàn)證了七軸工業(yè)機(jī)器人方案設(shè)計(jì)的合理性。

圖10 橫向力矩應(yīng)力云圖

受載最大變形/μm最大應(yīng)力/MPa最大應(yīng)變/μm600kg0.3646.8476.8530N·m6.093222.32.3

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人第七軸——行進(jìn)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)為機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行的設(shè)計(jì)提供了較大的工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對(duì)行進(jìn)軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行工況加載分析，求得了所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)，并證明了參數(shù)的合理性，為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)。