吳雙峰，莊 圓，李 周，姬海翔，紀 翀WU Shuang-feng， ZHUANG Yuan， LI Zhou， JI Hai-xiang， JI Chong（.機械科學研究總院先進制造技術研究中心，北京 00044；2.機械科學研究總院江蘇分院，常州 2364）

大型桁架式鋼板自動分揀機器人設計研究

吳雙峰1，2，莊 圓1，李 周1，姬海翔1，紀 翀1
WU Shuang-feng1，2， ZHUANG Yuan1， LI Zhou1， JI Hai-xiang1， JI Chong1
（1.機械科學研究總院先進制造技術研究中心，北京 100044；2.機械科學研究總院江蘇分院，常州 213164）

針對鋼板不同規(guī)格、任意排布角度的自動分揀、碼放的需求，闡述了一款大型桁架式鋼板自動分揀機器人的機械設計方案，并對機器人整機進行了有限元分析。分析結果表明，機器人Y梁變形過大，需進行修正。采用負重加工的方式對變形進行預補償，使Y梁的最大變形理論值減小為0.4mm。通過現(xiàn)場調(diào)試，測得機器人綜合定位精度達±2mm，滿足了鋼板自動分揀的精度要求。

桁架機器人；鋼板自動分揀；有限元分析；負重加工

0　引言

隨著國內(nèi)制造企業(yè)用人成本的不斷增加，企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的期望也越來越迫切。工業(yè)機器人的應用使工人在規(guī)?；a(chǎn)過程中擺脫了單調(diào)重復的體力勞動，改善了工作環(huán)境，同時提高了產(chǎn)品質(zhì)量，因此成為了企業(yè)自動化改造的必然選擇［1～3］。桁架式工業(yè)機器人以其高可靠性、高速度、大負載、大行程、低成本等特點，在物料搬運傳輸領域有著獨特的優(yōu)勢，應用前景十分廣闊［4］。

傳統(tǒng)鋼結構車間采用等離子切割機切割鋼板，鋼板以人工分揀為主，工人勞動強度大，生產(chǎn)效率低，工作環(huán)境惡劣。因此設計了一款大型桁架式鋼板自動分揀機器人，用于代替人工實現(xiàn)鋼板的自動分揀。

1　結構方案

為滿足自動化生產(chǎn)需求，機器人需實現(xiàn)單塊重量500kg以內(nèi)不同規(guī)格、任意排布角度的鋼板自動分揀、碼放，且綜合定位精度不大于±2mm。

1.1總體設計方案

鋼板分揀過程中機器人移動的行程大，生產(chǎn)節(jié)拍快，因此采用適用于大行程、高速度、高精度、控制簡單的桁架式結構分揀機器人主體結構。整體初步設計如圖1所示。

1.2傳動系統(tǒng)設計

機器人的Y軸、Z軸均采用齒輪齒條驅(qū)動、直線導軌導向的傳動方式，齒輪由伺服電機驅(qū)動，形成了精度較高的閉環(huán)控制［5，6］。

圖1　機器人總體設計方案

由于機器人Y軸方向跨距達10米，受加工裝配精度及熱脹冷縮的影響，架體上的X軸軌道難以保證很高的平行度，無法采用與Y軸、Z軸相同的傳動方式，因而此處采用滾輪與輕軌組合的傳動方式。伺服電機驅(qū)動滾輪在軌道上運動，電機的轉(zhuǎn)動參數(shù)反饋給自身編碼器，形成了半閉環(huán)控制。由于機器人運行過程中滾輪與軌道不可避免的發(fā)生相對滑動，且長時間運行會造成滾輪磨損，進而在X軸方向形成累計誤差，而半閉環(huán)控制方式無法對以上誤差進行補償。因此需在X軸方向增加外部反饋，從而使X軸傳動系統(tǒng)形成全閉環(huán)控制，對誤差進行修正［7］，其機械方案如圖2所示。

圖2　X軸閉環(huán)檢測系統(tǒng)

在X軸軌道兩側(cè)裝有齒輪齒條檢測機構，彈簧壓緊齒輪使之與齒條保持嚙合，機器人在X軸方向運動的同時帶動檢測齒輪在齒條上運動，齒輪末端連接編碼器，代替伺服電機自身的編碼器檢測機器人X軸方向的速度、位置信息，并與給定值相比較，形成全閉環(huán)控制，消除了因滾輪與軌道間相對滑動、滾輪磨損造成的誤差，大大提高了X軸的運動精度，齒輪齒條閉環(huán)控制原理如圖3所示。

圖3　閉環(huán)控制原理

采用此種方式進行機械傳動，在保證機器人運行精度的同時，降低了兩側(cè)軌道的平行度要求，便于加工制造及安裝，有效節(jié)約了機器人的成本。

1.3執(zhí)行機構設計

采用電永磁吸盤作為機器人的末端執(zhí)行機構，避免使用過程中因突然斷電導致鋼板掉落［8］。由于鋼板為任意角度排布，為滿足鋼板自動分揀、碼放，末端執(zhí)行機構需實現(xiàn)0～360°整周連續(xù)回轉(zhuǎn)。此外，鋼板重量、幾何尺寸、排布密度差距大，單一電磁吸盤無法適用于全部規(guī)格的鋼板，因此設計了主、副兩個電磁吸盤，氣缸通過收回、頂出副吸頭完成主、副吸盤之間的切換，且兩個吸盤的吸引力大小可分別分級調(diào)節(jié)，以適應不同規(guī)格鋼板自動化分揀的生產(chǎn)需求。執(zhí)行機構設計方案如圖4所示。

機器人Z軸分為上下兩段，中間由回轉(zhuǎn)支撐連接，伺服電機驅(qū)動回轉(zhuǎn)支撐即可帶動Z軸底部的執(zhí)行機構完成高精度的整周回轉(zhuǎn)。

2　機械結構靜力學分析

導向的方式，由于Z軸在Y軸上移動，故Y軸橫梁的變形和振動直接影響末端執(zhí)行機構的定位精度［9］。本文對機器人整機進行有限元分析［10，11］，由于機器人整機結構較復雜，有限元建模過程中需按以下原則進行適當?shù)暮喕?/p>

機器人Y軸、Z軸均采用齒輪齒條驅(qū)動、直線導軌

圖4　執(zhí)行機構

1）去除結構中的圓角、倒角以及不影響強度的小孔；

2）結構中的傳動機構不影響整機的強度，建模時可適當省略或簡化為質(zhì)量單元；

3）滑塊與導軌、車輪與輕軌間的接觸難以進行建模，在靜力分析時，可采用剛性單元連接周圍節(jié)點的方式簡化以上模型。

按照以上原則進行模型簡化，并劃分有限元網(wǎng)格。在末端執(zhí)行機構上施加500kg的載荷，對整體模型施加重力載荷，約束架體底面所有自由度，進行有限元求解，得出機器人的應力及位移云圖。

圖5　機器人受力云圖

圖6　機器人位移云圖

由有限元云圖可知，機器人最大受力為25.7MPa，遠遠小于材料的許用應力，因而機械結構強度滿足使用要求。機器人最大變形量為3.37mm，方向沿Z軸方向，其中由Y梁、Z梁自重引起的變形為2.73mm，由載荷引起的變形為0.64mm。

機器人變形主要由Y梁的變形引起，而Y梁的變形直接影響了機器人末端執(zhí)行機構的定位精度。由于Y梁變形較大，無法滿足機器人的精度要求，因此在加工過程中施加適當?shù)念A變性，對Y梁的變形進行修正。

3　基于靜力學分析的改進措施

機器人Y梁的變形主要由Y軸、Z軸的重力引起，為克服自重引起的變形影響，需對Y梁進行適當?shù)姆聪蝾A變性處理，本文采用Y軸橫梁負重加工的方式實現(xiàn)。橫梁加工過程中，在中間位置施加一定的載荷，加工完成后卸去載荷，Y梁回彈產(chǎn)生一定的反向變形，其效果等效于在未變形的Y梁中間位置施加一個假象的集中力。

機器人在運行過程中，Z梁自重及載重作用于Y梁，其作用位置隨Z梁移動而變化。此外，Y梁還受自身重力及假象集中力作用，受力簡圖如圖7所示。

圖7　Y梁受力簡圖

其中，Y軸自重產(chǎn)生的均布力q=GY/L，Z軸及載重產(chǎn)生的集中力F=GZ+G載重，N為假象集中力，L為Y梁長度，截面的彎曲剛度系數(shù)為EI。由于加工、運行過程中Y梁均受自重影響，因此負重加工時不考慮圖中均布力的影響。Z軸位置距Y軸端部距離為x，梁該處的變形大小為：

而當Z梁運行至Y梁中心位置，即x=L/2時，集中力F在Y梁中間位置處的變形最大。施加適當?shù)募傧蠹辛，使得該處的變形為零，即：

求解得N=F，而F=GZ+G載重，GZ=10kN，此處G載重取鋼板最大重量的一半，即G載重=2.5kN，故N=12.5kN。

Y梁的變形隨著載重大小及Z梁的移動而變化，由式（1）得，在運行過程中Y梁的變形為：

式中，0≤x≤10m，10KN≤F≤15kN。

利用MATLAB求解式（3）的最大值，得出x=2.12m，F(xiàn)=10kN時，w（x）取最大值0.4mm，即Y梁的最大變形的理論值為0.4mm。

4　安裝調(diào)試

在以上計算分析的基礎上對機器人進行加工制造，并開發(fā)了基于歐姆龍NJ控制器的機器人控制系統(tǒng)，完成了現(xiàn)場的安裝調(diào)試。

圖8　應用現(xiàn)場圖片

通過現(xiàn)場調(diào)試，測得門架機器人綜合定位精度達±2mm，滿足了鋼板自動分揀的精度要求。

5　結論

本文設計了一款大型桁架式四坐標機器人，代替人工完成鋼板自動化分揀。文章詳細闡述了機器人傳動系統(tǒng)、執(zhí)行機構的機械設計方案，并對機器人整機進行有限元分析。由有限元分析結果可知，機器人Y梁變形過大，無法滿足精度要求，因此Y梁采用負重加工的方式對變形進行補償，補償后Y梁的最大變形量理論值減小為0.4mm。通過現(xiàn)場安裝調(diào)試，測得機器人綜合定位精度達±2mm，滿足了鋼板自動分揀的精度要求。

［1］ 趙杰.我國工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)［J］.航空制造技術，2013（12）.

［2］ 朱金權.桁架式機器人的機械設計與研究［J］.中國新技術新產(chǎn)品，2014（17）：18-21.

［3］ 王田苗，陶永.我國工業(yè)機器人技術現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略［J］.機械工程學報，2014，50（9）：1-13.

［4］ Lasota P A， Rossano G F， Shah J A.Toward safe close-proximity human-robot interaction with standard industrial robots［A］. Automation Science and Engineering［C］.（CASE），2014 IEEE International Conference on. IEEE，2014：339-344.

［5］ 董冠華，胡曉兵，殷國富，等.基于視覺檢測的直角坐標機器人精度分析［J］.制造業(yè)自動化，2013，35（15）：29-31.

［6］ 舒志兵，張志遠，周培.基于虛擬主從同步控制的龍門式機器人系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.機床與液壓，2016（2）：159-161.

［7］ 杜滔.齒輪反饋組合機構的組成條件與機構特性［J］.機械設計，2014，31（11）：49-52.

［8］ 郎素萍，強冬梅.電永磁吸盤及其應用的研究［J］.天津成人高等學校聯(lián)合學報，2004，6（2）：82-85.

［9］ 李江，曾憲杰，曾憲任.導軌式機器人桁架的強度設計［J］.中小企業(yè)管理與科技，2015（2）：186-187.

［10］ 于鋒釗，趙明揚，辛立明，等.基于ANSYS的龍門式直角坐標機器人橫梁分析［J］.機械設計與制造，2008，46（5）：182-183.

［11］ 方梁菲.基于傳統(tǒng)方法和有限元仿真的某大型龍門架強度分析［J］.赤峰學院學報：自然科學版，2014，30（22）：37-39.

Research on large truss robots for steel plate automatic sorting

TP242.2

A

1009-0134（2016）08-0111-03

2016-06-20

北京市科技新星計劃（Z131104000413090）

吳雙峰（1978 -），男，河北人，高級工程師，碩士，研究方向為機械制造及其自動化。