朱寶林，許四祥，郝 奇，江天琦

（安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243002）

現(xiàn)代化的大型連鑄機(jī)采用火焰切割的方式將連鑄坯切割成定尺長(zhǎng)度，火焰切割后熔融的鋼液向下流動(dòng)導(dǎo)致板坯底部粘連有一條呈冰柱狀毛刺，嚴(yán)重影響了軋鋼成品的表面質(zhì)量和軋輥的壽命［1］。目前常用的去毛刺機(jī)主要分為刮刀式和錘刀式，前者主要利用刮刀將毛刺鏟除，后者主要利用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的錘刀將毛刺以脆性斷裂的形式去除。但這兩種方法去除毛刺的質(zhì)量一般，刀具壽命較低，嚴(yán)重影響軋鋼的生產(chǎn)質(zhì)量和效率［2-3］。本課題組提出了一種去除板坯毛刺的系統(tǒng)［4］，但系統(tǒng)中使用的龍門(mén)架搭載等離子槍的切割方式靈活性不強(qiáng)，且切割精度不高。在此基礎(chǔ)上，提出了一種5自由度專(zhuān)用機(jī)器人等離子切割板坯毛刺的新方法。

鑒于此，擬正向設(shè)計(jì)一種專(zhuān)用的工業(yè)機(jī)器人本體搭載等離子切割裝備來(lái)完成去毛刺作業(yè)，并對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)部件的設(shè)計(jì)和選型。采用ADAMS軟件對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究，以此驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件選型的合理性。

1 總體設(shè)計(jì)方案

該機(jī)器人主要用來(lái)搭載等離子切割設(shè)備，代替?zhèn)鹘y(tǒng)冶金連鑄過(guò)程中的機(jī)械去板坯毛刺裝置，能滿(mǎn)足快速、實(shí)時(shí)、高效的去除板坯毛刺需求。所以其需要具備工作范圍大、動(dòng)作靈活、結(jié)構(gòu)較緊湊等特點(diǎn)。擬正向設(shè)計(jì)的機(jī)器人按圖1所示連鑄生產(chǎn)線進(jìn)行布置，其中機(jī)器人布置在輥架左側(cè)底座處，切割的工作點(diǎn)位于板坯的右下角點(diǎn)。

圖1 連鑄生產(chǎn)線布置圖

如圖1所示，機(jī)器人工作空間范圍L≥500＋250＋1 600＝2 550 mm，即機(jī)器人的工作最遠(yuǎn)點(diǎn)應(yīng)大于2 550 mm，故將該機(jī)器人工作空間定為2 600 mm。機(jī)器人工作空間主要由大臂和小臂決定，大臂和小臂的長(zhǎng)度可由式（1）（2）初步設(shè)計(jì)。

由式 （1）和 （2）知；L大臂≥825 mm；L小臂≤1 775 mm。

根據(jù)機(jī)器人的工況，5個(gè)自由度即可靈活地完成該工作任務(wù)，故設(shè)計(jì)機(jī)器人為5自由度關(guān)節(jié)式機(jī)器人?？紤]到等離子切割槍的質(zhì)量，預(yù)設(shè)負(fù)載為5 kg，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)類(lèi)型的機(jī)器人，初步設(shè)計(jì)機(jī)器人相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)器人基本性能參數(shù)

2 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)與選擇

為保證等離子切割機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度，方便建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，故采用伺服電機(jī)作為各軸的驅(qū)動(dòng)裝置，同時(shí)采用RV減速器和行星減速器作為相關(guān)關(guān)節(jié)的減速裝置，這不僅使關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊，而且有較大的減速比，傳動(dòng)精確可靠［5］。

2.1 S軸傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)與選擇

S軸方案1如圖2（a）所示，電機(jī)安裝在基座上面，其輸出軸末端安裝有一個(gè)直齒輪，直齒輪與RV減速器上的齒輪嚙合，然后經(jīng)減速器降低速度提升扭矩，由第一關(guān)節(jié)軸帶動(dòng)整個(gè)腰部在基座上回轉(zhuǎn)。

S軸方案2如圖2（b）所示，交流伺服電機(jī)安裝在基座底部，輸出軸與減速器直接相連，帶動(dòng)第一關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使整個(gè)腰部在基座上回轉(zhuǎn)。

方案1與方案2在傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)上都是可行的。兩者均采用了減速比大、質(zhì)量輕、體積小、精度高、承載能力較強(qiáng)的RV減速器。方案1雖然多了一對(duì)齒輪嚙合傳動(dòng)，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承載能力強(qiáng)，安裝維修也較方案2簡(jiǎn)單［6］。故綜上考慮，選取方案1。根據(jù)方案1傳動(dòng)方案，S軸三維設(shè)計(jì)如圖2（c）所示。

圖2 S軸傳動(dòng)設(shè)計(jì)與選擇

2.2 L軸和U軸傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)與選擇

大臂和小臂都采用的是電機(jī)與減速器直連，直接帶動(dòng)大臂與小臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖3（a）所示。這種設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，安裝方便，通常用于負(fù)載較小的機(jī)器人（L負(fù)載≤30 kg）［7-8］，根據(jù)設(shè)計(jì)方案L軸和U軸三維設(shè)計(jì)如3（b）所示。

圖3 L軸和U軸傳動(dòng)設(shè)計(jì)與選擇

2.3 B軸和T軸傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)與選擇

B軸傳動(dòng)方案如圖4所示，交流伺服電機(jī)經(jīng)行星減速器減速，減速器與齒輪1連接，直齒輪1與齒輪2嚙合，將扭矩通過(guò)第1傳動(dòng)軸傳遞至錐齒輪1，錐齒輪1與錐齒輪2嚙合帶動(dòng)錐齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)腕關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。

T軸傳動(dòng)方案如圖5所示，交流伺服電機(jī)通過(guò)行星減速器，經(jīng)過(guò)一系列齒輪傳動(dòng)，將扭矩傳遞至錐齒輪6處，從而帶動(dòng)機(jī)器人末端實(shí)現(xiàn)連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖4 B軸傳動(dòng)方案

圖5 T軸傳動(dòng)方案

圖6 是根據(jù)B軸和T軸傳動(dòng)方案所設(shè)計(jì)的機(jī)器人小臂三維圖和機(jī)器人腕關(guān)節(jié)三維圖。

圖6 B和T軸三維設(shè)計(jì)圖

根據(jù)上述所選擇傳動(dòng)方案和機(jī)器人各關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的三維圖，將各個(gè)關(guān)節(jié)在SolidWorks進(jìn)行裝配，可得機(jī)器人三維設(shè)計(jì)圖，如圖7所示。

圖7 機(jī)器人三維設(shè)計(jì)圖

3 電機(jī)及減速器的選型計(jì)算

為了能匹配到合適的電機(jī)和減速器，需要從力矩、轉(zhuǎn)速以及慣量匹配等選型準(zhǔn)則入手。由于伺服電機(jī)及減速器的選型方法和其工作方式有關(guān)，不同的工作方式，其參數(shù)的選擇也就不同。當(dāng)伺服電機(jī)以周期工作制工作時(shí)，應(yīng)選擇最大加速力矩為其力矩參數(shù)；當(dāng)以連續(xù)工作制工作時(shí)，應(yīng)選擇額定輸出力矩為其力矩參數(shù)［9］。因此，在選擇電機(jī)和減速器時(shí)，要先判斷伺服電機(jī)的工作方式，然后再進(jìn)行相關(guān)選型計(jì)算。

3.1 S軸電機(jī)及減速器選型計(jì)算

以S軸為例進(jìn)行電機(jī)和減速器的選型。如圖8所示，當(dāng)大臂和小臂都處于水平狀態(tài)時(shí)，第1關(guān)節(jié)處的負(fù)載慣量最大，處于最危險(xiǎn)工況處，此時(shí)重力和摩擦力可以忽略不計(jì)。由SolidWorks中分析功能可知，關(guān)節(jié)1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為194.497 kg·m2，第 1軸最大轉(zhuǎn)速為 90（°）／s（15 r／min），達(dá)到最大轉(zhuǎn)速所需時(shí)間0.15 s，安全系數(shù)為1.3。

關(guān)節(jié)1角加速度為：

關(guān)節(jié)1啟動(dòng)慣性力矩為：

所以關(guān)節(jié)1的驅(qū)動(dòng)力矩為：

初選伺服電機(jī)是安川SGM7G-30A6，其額定輸出功率為2.4 kW，額定扭矩為15.1 N·m，最大扭矩為45.1 N·m，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r／min，最高轉(zhuǎn)速為3 000 r／min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為53.9×10-4kg·m2，帶制動(dòng)器，慣量比許用值為［λ］＝7。初選減速器，型號(hào)為RV-200C-34.86-A-B，減速比為34.86∶1，容許最高輸出轉(zhuǎn)速30 r／min，瞬時(shí)容許最大力矩17 640 N·m，其15 r／min時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩為1 961 N·m，容許力矩為8 820 N·m。由于電機(jī)和減速機(jī)是齒輪嚙合，其齒數(shù)比為110∶40，故整體減速比i＝34.86×110／40＝95.7。

圖8 第一關(guān)節(jié)處危險(xiǎn)工況

首先將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩轉(zhuǎn)換成電機(jī)末端慣性力矩：

進(jìn)行慣量匹配計(jì)算：

減速機(jī)末端的轉(zhuǎn)速為：

綜上，由式（6）～（8）可以得到所選電機(jī)和減速器滿(mǎn)足轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和慣量匹配要求，所以選型是合理的。

同理，可以根據(jù)S軸選型過(guò)程對(duì)其他關(guān)節(jié)進(jìn)行電機(jī)和減速器的選型，選型結(jié)果如表2所示。

3.2 等離子切割機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真

機(jī)器人ADAMS動(dòng)力學(xué)分析旨在評(píng)估尚在研究設(shè)計(jì)中的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的合理性，以此來(lái)優(yōu)化模型［10-12］。

表2 電機(jī)及減速器選型結(jié)果表

仿真流程簡(jiǎn)述如下：首先將建好的機(jī)器人模型以parasolid文件格式導(dǎo)入ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件中，并配置模型相關(guān)的質(zhì)量、顏色以及關(guān)節(jié)間的約束；然后確定導(dǎo)入的機(jī)器人與需要切割板坯之間的位置關(guān)系［13］，選擇機(jī)器人末端建立仿真的TCP點(diǎn)；最后給機(jī)器人各關(guān)節(jié)添加驅(qū)動(dòng)函數(shù)，使TCP點(diǎn)按照預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡完成切割任務(wù)，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡仿真結(jié)果

圖10 （a）（b）和（c）分別代表機(jī)器人 TCP點(diǎn)的位移、速度以及加速度曲線圖。圖10（a）中位移曲線在0～12 s內(nèi)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在12～29 s呈現(xiàn)為一條近似直線段軌跡，這與仿真中該段過(guò)程為切割板坯毛刺階段相吻合；圖10（b）中速度曲線在0～10 s和10～12 s內(nèi)各為一段拋物線軌跡，這一階段為T(mén)CP點(diǎn)接近板坯切割起點(diǎn)，在這過(guò)程中有加減速過(guò)程，與拋物線運(yùn)動(dòng)速度軌跡相吻合，在12～29 s為一段加速、近似勻速、再減速的直線切割運(yùn)動(dòng)軌跡，這與切割過(guò)程相一致；圖10（c）中加速度曲線光滑連續(xù)沒(méi)有出現(xiàn)斷裂。綜上，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)性能良好，能穩(wěn)定地完成切割運(yùn)動(dòng)，達(dá)到預(yù)期要求。

圖11為仿真過(guò)程中S軸關(guān)節(jié)力和力矩曲線圖，從圖中可以得出S軸的峰值扭矩為：T＝2 370 N·m。

圖10 機(jī)器人TCP點(diǎn)的位移、速度以及加速度曲線

圖11 S軸力和力矩曲線

將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩轉(zhuǎn)換成電機(jī)末端慣性力矩：

由式（9）和（10）可得，TS和 T1相差不大，兩者的差距主要是因?yàn)殡姍C(jī)選型計(jì)算是按照最危險(xiǎn)工況計(jì)算的，所以T1偏大，而且在仿真過(guò)程中也沒(méi)有達(dá)到最險(xiǎn)工況，所以S軸電機(jī)選型達(dá)到要求。同理可驗(yàn)證其他關(guān)節(jié)電機(jī)的選型計(jì)算結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

在原龍門(mén)架式搭載等離子切割設(shè)備的基礎(chǔ)上，提出了一種5自由度專(zhuān)用工業(yè)機(jī)器人搭載等離子切割裝備去除板坯毛刺的新方法，正向設(shè)計(jì)了一種專(zhuān)用機(jī)器人本體，并對(duì)其進(jìn)行了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)，以及電機(jī)和減速器的選型。

通過(guò)ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件仿真機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡仿真，結(jié)果表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位移、速度以及加速度曲線光滑連續(xù)，沒(méi)有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，動(dòng)力學(xué)性能良好；從力與力矩曲線分析可得所選的電機(jī)和減速器也符合性能要求，驗(yàn)證了該機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可行性。