潔凈環(huán)境中鋼管轉(zhuǎn)運(yùn)伺服滑臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張守健 張 勇

（1.沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽 110169；2.東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，遼寧 沈陽 110167）

0 前言

目前，生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)重復(fù)性勞動(dòng)用機(jī)器人取代成已成為一種趨勢(shì)。其優(yōu)點(diǎn)主要有2 個(gè)：1）降低企的業(yè)生產(chǎn)成本。2）提高產(chǎn)品的的生產(chǎn)效率。該項(xiàng)目成功應(yīng)用于某公司多種規(guī)格鋼管搬運(yùn)。省去了人工參與的搬運(yùn)、碼放等工序，產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率大幅提高。

該產(chǎn)品的成功應(yīng)用，表明其具有廣闊的應(yīng)用前景。可運(yùn)用于鋼鐵、國(guó)防、航空航天、汽車制造、機(jī)械工業(yè)等具有相類似產(chǎn)品規(guī)格的行業(yè)，根據(jù)項(xiàng)目的具體需求，設(shè)計(jì)出符合生產(chǎn)要求的伺服滑臺(tái)，該產(chǎn)品已設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，具有占有場(chǎng)地小，施工和調(diào)試時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用SolidWorks 軟件進(jìn)行三維建模，運(yùn)用ANSYS 對(duì)關(guān)鍵部件橫梁進(jìn)行受力分析，三維建?？梢杂行z驗(yàn)設(shè)計(jì)圖形是否存在干涉等情況，有限元分析單元可以對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的強(qiáng)度校核。保證設(shè)計(jì)的產(chǎn)品符合總體要求。

1 總體設(shè)計(jì)描述

項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的伺服滑臺(tái)，與現(xiàn)有的加工機(jī)床、傳輸線、鋼管緩存庫以及鋼管存料庫聯(lián)成自動(dòng)化生產(chǎn)線。機(jī)器人外加第七軸伺伺服滑臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多工位之間的連接。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際生產(chǎn)需求，要求設(shè)備的總體節(jié)拍輸送線的傳輸速度滿足實(shí)際工況，項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)參數(shù)，見表1。

表1 總體參數(shù)表

項(xiàng)目需要對(duì)3 種規(guī)格的鋼管進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，對(duì)鋼管的夾具設(shè)計(jì)要求能方便更換，產(chǎn)品規(guī)格如下，見表2。

表2 產(chǎn)品規(guī)格表

2 項(xiàng)目主要設(shè)備

2.1 伺服滑臺(tái)

設(shè)備主要由5 個(gè)部分組成，包括伺服滑臺(tái)本體、機(jī)器人底座、六軸機(jī)器人、拖鏈系統(tǒng)以及鋼管夾具、控制系統(tǒng)。

設(shè)備底座采用拼接式連接的方式，設(shè)備整體用化學(xué)錨栓固定在地面上，并在錨栓孔中注入植筋膠，增加其與地面固緊力；本體線纜通過拖鏈系統(tǒng)，連接到電氣總控柜上，位于地面的電纜線，通過走線槽封閉起來，防止線纜外露。生產(chǎn)鋼管型號(hào)會(huì)隨著市場(chǎng)的變化有所調(diào)整，為了后期拓展，夾具設(shè)計(jì)為可調(diào)形式，采用八角型材，內(nèi)部設(shè)有斜支撐，剛度較好，上面有多組定位孔，安裝螺釘時(shí)用鉚釘槍將螺母安裝在八角型材上，氣缸在夾具上的位置可調(diào)，滿足對(duì)不同規(guī)格產(chǎn)品夾持的需求，夾具采用特氟龍材質(zhì)，防止對(duì)鋼管夾持時(shí)產(chǎn)生劃痕，夾持鋼管采用兩指平行氣缸，夾具兩端配有電容式傳感器，判斷工件在每次夾持時(shí)是否以經(jīng)夾持到位。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初，充分考慮了設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的安裝，因使用場(chǎng)地沒有吊車，并且設(shè)備安裝在二樓，場(chǎng)地狹小，起重設(shè)備無法進(jìn)入，研究人員自行設(shè)計(jì)了一組可以拆卸的龍門架，同時(shí)配合現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)的腳手架，使設(shè)備成功落位。

伺服滑臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 伺服滑臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

伺服滑臺(tái)底座采用封閉式結(jié)構(gòu)[1]，底座與底座連接采用插接形式，保證多段拼接時(shí)不會(huì)出現(xiàn)過定位；X軸的模塊采用滾輪導(dǎo)向，即滾輪軸承在矩形導(dǎo)軌上滾動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)形式比傳統(tǒng)的直線導(dǎo)軌形式具有高速度、高精度、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)；封板采用304 不銹鋼鏡片拋光，拼接處采用密封條與上壓板扣壓，保證整體密封性能，符合千級(jí)環(huán)境下潔凈度的要求。伺服滑臺(tái)底座結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。六軸機(jī)器人的選型[2]如下。

圖2 伺服滑臺(tái)底座結(jié)構(gòu)

根據(jù)最大的工件質(zhì)量、工裝夾具質(zhì)量總和、六軸復(fù)合運(yùn)行時(shí)各軸運(yùn)行速度以及加速度所產(chǎn)生的負(fù)載來對(duì)六軸機(jī)器人進(jìn)行選型。因?yàn)楣ぜL(zhǎng)徑比較大，進(jìn)行選型時(shí)運(yùn)用SolidWorks 計(jì)算夾具的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并在機(jī)器人選型軟件中輸入其計(jì)算的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量數(shù)值，在機(jī)器人百分百速度運(yùn)行時(shí)，滿足了整體性能要求，計(jì)算如下。

（12.5+33+10）×1.2=66.6kg，安全系數(shù)取 1.2。

經(jīng)計(jì)算選擇SR80A 六軸機(jī)器人滿足總體要求，具體參數(shù)見表3。

表3 六軸機(jī)器人參數(shù)

第七軸電機(jī)和減速機(jī)選型計(jì)算如下。

X軸計(jì)算：伺服滑臺(tái)設(shè)計(jì)完畢后，需要根據(jù)測(cè)繪和計(jì)算得出第七軸電機(jī)總共的負(fù)載，同時(shí)考慮安全系數(shù)和慣量比匹配等要求[3]。

經(jīng)計(jì)算所得參數(shù)如下。額定力矩T2N的計(jì)算如下。

按加速力矩計(jì)算額定扭矩如下。

根據(jù)以上計(jì)算，選用減速機(jī)如下。

慣量匹配計(jì)算如下。

式中：J減速機(jī)為減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J移動(dòng)部件為移動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

負(fù)載慣量

選擇帶抱閘電機(jī)慣量Jm=79.2kg?cm2

慣量匹配λ=J/Jm=375.83/79.2=4.75（1 ≤λ≤10）

綜上所述，電機(jī)與減速機(jī)的選型匹配。

2.2 傳輸線

針對(duì)潔凈環(huán)境中的輸送線，在設(shè)計(jì)中采用如下結(jié)構(gòu)形式[4]。1）機(jī)體機(jī)架、支腿為鋁型材。2）動(dòng)力SEW 變頻減速電機(jī)，型號(hào)WF20DRS71S4-BE05-HF，額定功率0.37 kW，額定轉(zhuǎn)速71 r/min，額定扭矩37 N·m，220 V，50 Hz 制動(dòng)器。3）驅(qū)動(dòng)形式減速電機(jī)線體一端一側(cè)法蘭連接，通過防塵同步帶模組帶動(dòng)工件，線體需實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。4）防塵同步帶模組產(chǎn)品輸送線由一組同步帶構(gòu)成，二者動(dòng)力來至于同一電機(jī)。減速機(jī)上的輸出軸帶動(dòng)2 條同步帶使其同向轉(zhuǎn)動(dòng)，2 條同步帶再分別將動(dòng)力傳遞至兩滑塊實(shí)現(xiàn)工件同步傳動(dòng)，模組有效行程6 000 mm，導(dǎo)程135 mm。5）輸送工裝產(chǎn)品輸送線工裝主體采用4080 型材，下與兩模組滑塊連接固定，型材上固定兩V 型工裝用于支撐玻璃管工件，工裝材料采用聚四氟乙烯。工裝型材側(cè)面固定若干組聚氨酯塊防止工件在運(yùn)輸中掉落脫離線體。6）定位裝置線體上料端（EMS 下料處）通過兩根型材及安裝其上的導(dǎo)向裝置與EMS 相關(guān)部件進(jìn)行定位，完成精準(zhǔn)上料。7）防護(hù)裝置根據(jù)需方要求，考慮到工況防塵等級(jí)，在機(jī)架上平面布置鋁塑板進(jìn)行防塵保護(hù)。8）表面涂裝結(jié)構(gòu)件進(jìn)行噴塑處理，色號(hào)待定。9）檢測(cè)裝置在EMS 下料處布置2 對(duì)接近開關(guān)以檢測(cè)工件有無及工件定向，接近開關(guān)通過型材固定在地面上。10）設(shè)備零部件加工標(biāo)準(zhǔn)化，通用可互換性強(qiáng)。設(shè)備工作面應(yīng)平整光滑，接口連接處應(yīng)光滑平整過渡。所有設(shè)備工作面邊角處應(yīng)去毛刺并倒鈍角、焊縫均應(yīng)打磨光滑。11）設(shè)備工作時(shí)噪聲≤75 dB（離設(shè)備1 m 遠(yuǎn)）。12）驅(qū)動(dòng)裝置無滲油現(xiàn)象，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，連續(xù)運(yùn)行4 h 后溫度不大于80 ℃，且油溫不高于85 ℃。13）設(shè)備上的金屬外露表面，除不銹鋼材料或鋁材外，用噴塑涂層、鍍鋅等防腐保護(hù)，與工件接觸部位采用特氟龍。驅(qū)動(dòng)裝置配有防護(hù)罩。14）輸送形式：采用往復(fù)式運(yùn)行15）輸送線速度：3 m/min～8 m/min，速度可調(diào)，運(yùn)行平穩(wěn)。16）傳輸線定位精度：重復(fù)定位精度±0.1 mm。上下料由六軸機(jī)器人機(jī)械手完成。

總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，圖中尺寸單位為mm。

圖3 傳輸線結(jié)構(gòu)圖

3 ANSYS 有限元分析

ANSYS 有多種運(yùn)行環(huán)境，主要有3 個(gè)分析模塊：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。通過前期處理、夾具、載荷進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，力的加載，固定端的約束進(jìn)行總體分析。分析結(jié)果的精度取決于材料屬性、夾具以及載荷。要使結(jié)果有效，指定材料屬性必須輸入正確的彈性模量、泊松比和密度等參數(shù)，夾具與載荷也必須符合零件的實(shí)際工況[5]。

靜態(tài)分析根據(jù)材料、夾具以及載荷計(jì)算零件中的位移、應(yīng)變以及應(yīng)力。材料在應(yīng)力達(dá)到某個(gè)程度時(shí)失效。不同材料可承受不同程度的應(yīng)力。

因六軸機(jī)器人在做鋼管轉(zhuǎn)運(yùn)過程中會(huì)導(dǎo)致滑臺(tái)底座中的頂板支撐梁部分有偏載荷作用，選取頂板支撐梁進(jìn)行受力分析，材料選擇Q345，受力約束為梁的兩端，載荷簡(jiǎn)化為集中載荷施加在梁的中間。

有限元分析應(yīng)力圖如圖4 所示，有限元分析位移圖如圖5 所示，從圖4 和圖5 中可以看出最大應(yīng)力3.5036 MPa，最大應(yīng)變1.8222×10-5mm，而Q345 鋼材料的屈服強(qiáng)度為345 MPa，345 MPa ＞3.5036 MPa。因此，強(qiáng)度方面滿足要求；從圖4 中可以看出，最大變形位于橫梁中上部Max。從圖5中可以看出最大變形處為0.012567mm～0.014138mm。其中，最大變形點(diǎn)為0.014138（mm）。變形量符合整體結(jié)構(gòu)精度要求：0.5 mm ＞0.014138 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 有限元分析應(yīng)力圖

圖5 有限元分析位移圖

運(yùn)用ANSYS 不僅可以對(duì)重要零部件進(jìn)行受力分析，也可以對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，驗(yàn)證其可靠性，逐步對(duì)設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)重要部件逐步改進(jìn)，改進(jìn)后的模型強(qiáng)度和剛度都有提高，同時(shí)也降低了自身的重量。

4 結(jié)語

該項(xiàng)目首次在潔凈環(huán)境中運(yùn)用六軸機(jī)器人、伺服滑臺(tái)、傳輸線，作為鋼管的運(yùn)輸設(shè)備，完成了鋼管在各單元之間的搬運(yùn)，針對(duì)特殊環(huán)境，對(duì)部分結(jié)構(gòu)做了特殊的設(shè)計(jì)，滿足了項(xiàng)目的總體要求，截至發(fā)稿前，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，節(jié)拍已提升至2.5 min/件。項(xiàng)目運(yùn)用SolidWorks 軟件進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果滿足強(qiáng)度要求，保證了產(chǎn)品的安全可靠，同時(shí)縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期，修改相關(guān)參數(shù)，即可進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，使論文產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。項(xiàng)目成功應(yīng)用于實(shí)際中，為伺服滑臺(tái)在潔凈環(huán)境中、長(zhǎng)行程中的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)，并為后續(xù)項(xiàng)目的推廣打下了基礎(chǔ)。