新型桁架機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐

王士宇

（上海固都自動(dòng)化工程有限公司，上海201206）

0 引言

在自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，人們?cè)絹碓絻A向柔性化、自動(dòng)化生產(chǎn)，機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)應(yīng)運(yùn)而生，在自動(dòng)化工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，機(jī)器人通過各種應(yīng)用也在不斷進(jìn)行著細(xì)分，桁架式機(jī)器人就是應(yīng)用較為廣泛的典型類型之一。桁架機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床自動(dòng)上下料領(lǐng)域、自動(dòng)化流水輸送線的自動(dòng)上下料領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，它具有自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多自由度、運(yùn)動(dòng)空間直角關(guān)系的特點(diǎn)，特別適用于多品種、大批量的柔性化作業(yè)，能夠有效提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度。

1 桁架機(jī)器人開發(fā)過程

隨著自動(dòng)化水平的提高，桁架機(jī)器人被應(yīng)用在越來越多的領(lǐng)域。我們開發(fā)了性能更優(yōu)的新型桁架機(jī)器人以適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)合，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 桁架機(jī)器人結(jié)構(gòu)

該桁架機(jī)器人采用獨(dú)特的桁架系統(tǒng)，可以保證立柱靈活地安裝在橫梁的任意位置。在橫梁表面，每隔100 mm加工好螺紋孔，可保證立柱位置的自由調(diào)整以及接油盤、拖鏈支架等部件的安裝。通過每隔100 mm調(diào)整減震器的位置，可調(diào)整桁架的使用行程。橫梁是模塊化結(jié)構(gòu)，采用標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度（6 m），通過精密的連接元件緊固連接，可保證任意長(zhǎng)度的無限制拼接。

桁架機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）X、Y、Z三個(gè)移動(dòng)軸，采用重載鋼管和鋁型材承重梁結(jié)構(gòu)。

（2）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，斜齒條、齒輪傳遞動(dòng)力。

（3）采用獨(dú)特的滾輪導(dǎo)軌的導(dǎo)向系統(tǒng)。

在相同質(zhì)量流率的情況下，隨著微通道分支數(shù)n的增大，熱沉最大熱應(yīng)力σ逐漸降低。當(dāng)質(zhì)量流率=1.5g/s時(shí)，微通道分支數(shù)為n =8，與n=3、4、6時(shí)的最大熱應(yīng)力相比較，分別降低0.106、0.061、0.025GPa，降低幅度分別為26.9%、17.5%、8.0%。

（4）Z軸工作端配置夾具，進(jìn)行加工零件的上下料。

（5）電控系統(tǒng)輸出端為標(biāo)準(zhǔn)快插接口，即插即用。

1.1 導(dǎo)軌導(dǎo)向系統(tǒng)的研發(fā)

1.1.1 滾輪的選擇

在導(dǎo)軌導(dǎo)向系統(tǒng)的研發(fā)過程中，通過對(duì)比傳統(tǒng)的滾珠滑塊導(dǎo)軌與滾輪導(dǎo)軌的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)滾輪導(dǎo)軌具有速度快、壽命長(zhǎng)、易安裝和耐粉塵的特點(diǎn)，更適合磨齒機(jī)的工作環(huán)境。我們選擇了滾輪導(dǎo)軌，確認(rèn)使用FR25系列的偏心滾輪。該偏心滾輪端面有兩個(gè)孔，可以通過開口扳手和圓柱卡鉗按照設(shè)定的值來調(diào)整背隙和預(yù)緊滾輪，可延長(zhǎng)滾輪使用壽命。

1.1.2 齒輪、齒條的選擇

選擇齒條時(shí)，必須校核導(dǎo)軌系統(tǒng)的齒輪是否與所需的驅(qū)動(dòng)力和力矩匹配。計(jì)算時(shí)，需要考慮齒根應(yīng)力系數(shù)SF≥1.4，同時(shí)需要考慮應(yīng)力系數(shù)SH≥1。

1.1.3 滾輪導(dǎo)軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

每根導(dǎo)軌上放置兩個(gè)滾輪支撐組；每個(gè)支撐組內(nèi)有三個(gè)滾輪，在滾動(dòng)的過程中，滾輪軸承只承受徑向力，處于最理想的受力狀態(tài)。四個(gè)支撐組合起來使用，可承受各個(gè)方向的力和翻轉(zhuǎn)力矩。滾輪導(dǎo)軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 滾輪導(dǎo)軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 移動(dòng)軸承重梁的研發(fā)

1.2.1 承重梁截面的設(shè)計(jì)

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，F(xiàn)P桁架機(jī)器人的最大工作負(fù)載范圍定義為Fmax=1 000 N，即可滿足大部分的應(yīng)用。

X、Y軸采用160 mm×160 mm特殊定制的鋼管；Z軸采用鋁型材，材質(zhì)為AW-6063 T6，截面尺寸如圖3所示。經(jīng)力學(xué)校核，該截面符合承載要求。

圖3 截面尺寸

1.2.2 行程與最大載荷

X、Y軸均有支撐結(jié)構(gòu)，單體最大行程可達(dá)6 m，可以拼接延伸，最大載荷不受行程影響。因Z軸連接工作端，Z軸最大行程2.5 m。經(jīng)分析驗(yàn)算，Z軸最大載荷與行程關(guān)系如下：

1.2.3 Z軸承重橫梁的變形計(jì)算分析

按照最大行程，承重橫梁在最大載荷作用下的變形量為：

即該截面的鋁型材在6 m長(zhǎng)的跨距、100 kg負(fù)載的作用下，變形量為0.4 mm。

從上面的數(shù)據(jù)可以看出，該形式的承重梁具有很好的剛性，在相當(dāng)負(fù)載之下，依然可以保證極小的變形量，適合高精度的工藝要求。

1.2.4 承重梁的特點(diǎn)

X、Y軸由160 mm×160 mm特殊定制的鋼管及滾輪導(dǎo)軌、斜齒條組成。斜齒條全部經(jīng)過精密切割，外表面經(jīng)過精密的研磨，最大偏差僅為0.02 mm，沿橫梁依次拼接。平導(dǎo)軌的表面經(jīng)過硬化處理，硬度可達(dá)56-62HR。滾輪由硬化軸承鋼制作而來，與導(dǎo)軌研磨面相接觸。這種滾子軸承配合將使允許軸向和徑向時(shí)達(dá)到最高精度，任何間隙都可以通過偏心軸迅速和容易地消除。

Z軸采用鋁型材，具有良好的防銹性能，型材端部的結(jié)構(gòu)可直接打孔，方便安裝工件抓取裝置。此外，鋁型材側(cè)面T槽方便了限位開關(guān)、傳感器等零件的安裝。

1.3 電控系統(tǒng)

PLC采用西門子系列，PLC系統(tǒng)具有以太網(wǎng)通信接口。電控柜安裝帶觸摸屏的工控一體機(jī)，用于設(shè)備操作。

2 桁架機(jī)器人在實(shí)踐中的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)線上，工件經(jīng)常需要在流水線與加工工位之間來回上下料動(dòng)作，這類工作繁復(fù)簡(jiǎn)單，傳統(tǒng)應(yīng)用手工線進(jìn)行上下料存在許多弊端。而隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，許多企業(yè)廣泛采用工業(yè)機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)上下料的工藝過程，桁架機(jī)器人在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用可謂大勢(shì)所趨。

2.1 桁架機(jī)器人在機(jī)床行業(yè)的應(yīng)用

瑞士法斯勒（Faessler）公司是一家全球知名的機(jī)床生產(chǎn)制造商。該公司生產(chǎn)的HMX-400齒輪珩磨機(jī)是一種非常知名的機(jī)床設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的硬齒輪的精加工。機(jī)床設(shè)計(jì)工作周期時(shí)間25 s，工件最大重量10 kg。

我們?yōu)樵摍C(jī)床提供了ZP-3系列桁架。桁架運(yùn)行速度為Y軸125 m/min、Z軸90 m/min，最終每21 s完成一個(gè)加工周期。該桁架機(jī)器人最終成為HMX-400齒輪珩磨機(jī)的工件上下料自動(dòng)化標(biāo)配系統(tǒng)，得到了客戶的認(rèn)可。

美國(guó)格里森（Gleason）公司是知名的齒輪精加工機(jī)床生產(chǎn)制造商。該公司生產(chǎn)的300TWG數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)具備全數(shù)控化、高精度化、磨削高速化、功能復(fù)合化等特性。該機(jī)床結(jié)構(gòu)小而緊湊，用戶在安裝和搬移機(jī)床時(shí)，無需使用特殊的起重設(shè)備或特殊的地基。該機(jī)床設(shè)計(jì)性能如下：工作周期時(shí)間18 s，工件最大重量35 kg，軸最大行程450 mm。

我們?yōu)樵摍C(jī)床提供了ZP-4系列桁架作為其上下料工序的標(biāo)準(zhǔn)模塊。桁架運(yùn)行速度為Y軸160 m/min、Z軸112 m/min，最終每16 s完成一個(gè)加工周期。該桁架機(jī)器人完全滿足磨齒機(jī)高精度、高速度工況下的自動(dòng)上下料工作，是桁架產(chǎn)品在高端機(jī)床應(yīng)用的典型案例。

2.2 桁架機(jī)器人在零部件加工行業(yè)的應(yīng)用

美國(guó)卡特彼勒（Caterpillar）公司是知名的工程機(jī)械和礦山設(shè)備生產(chǎn)廠家。公司生產(chǎn)使用的齒圈應(yīng)用在自己的履帶牽引機(jī)和挖掘機(jī)上。從上料加工到成品離線，齒圈的加工全部自動(dòng)化完成，整個(gè)生產(chǎn)步驟包括：兩個(gè)不相合齒輪牽引，一個(gè)去毛刺機(jī)床，一個(gè)清洗機(jī)，還有進(jìn)給和退出功能的工程傳送帶。所有加工步驟均由桁架機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化功能。

我們提供了兩條FP系列桁架機(jī)器人組合結(jié)構(gòu)，一條桁架線安排兩齒輪牽引，另一條線實(shí)現(xiàn)去毛刺和清洗的工藝方案，每條線都由線性桁架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。桁架Z軸工作端采用液壓抓手進(jìn)行齒圈抓取，可完成直徑從280 mm到470 mm的工件的生產(chǎn)加工。采用架空式的支撐結(jié)構(gòu)，滿足了客戶既減少空間又符合人機(jī)工程學(xué)的要求。比較起安裝在地面的處理系統(tǒng)，桁架式更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)加工中心的維護(hù)任務(wù)。較之前的自動(dòng)化系統(tǒng)，每個(gè)零件的成本降低了7%，人力資源成本降至到50%。

2.3 桁架機(jī)器人在物流行業(yè)的應(yīng)用

桁架機(jī)器人在物流的輸送、搬運(yùn)、碼垛等方面有很多典型的應(yīng)用。在上海煙草集團(tuán)的一個(gè)物流碼垛項(xiàng)目中，要實(shí)現(xiàn)煙箱的拾取碼垛。客戶將煙箱托盤輸送到桁架的取料點(diǎn)位置，桁架機(jī)械手將抓取煙箱并放置到放箱輸送機(jī)上，最多時(shí)為3箱同時(shí)抓取，每個(gè)煙箱重量20 kg，單次工作時(shí)間大約為20 s。

我們提供了FP-4型三自由度桁架機(jī)器人用于煙箱的拆盤和拆垛。整條輸送線利用長(zhǎng)行程桁架機(jī)械手，拼接長(zhǎng)度達(dá)到65 m。桁架運(yùn)行速度為X、Y軸150 m/min，Z軸90 m/min，最大工作負(fù)載120 kg。抓手采用真空吸盤的形式，抓取位置為煙箱兩側(cè)表面。最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙箱的拆垛和自動(dòng)化輸送。

3 結(jié)語

在中國(guó)，機(jī)械手的工業(yè)應(yīng)用前景巨大，工業(yè)機(jī)器人替代人工的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)到來，桁架機(jī)器人正在改變著中國(guó)制造業(yè)。桁架機(jī)器人架空式結(jié)構(gòu)使得車間內(nèi)設(shè)備布置更為集中緊湊，提高了廠房單位面積的使用率。使用桁架機(jī)器人可以提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度，有利于加快材料的傳送、工件的裝卸，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的步伐。

[1]上海派然濤工業(yè)技術(shù)有限公司.重載鋁型材的龍門機(jī)械手應(yīng)用案例[Z]，2015.