導(dǎo)語：機床上下料機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:上下料工業(yè)機器人是一種提高數(shù)控機床自動化水平的有效手段。面向上下料機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，提出一種基于公理化映射機理的機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，詳細(xì)闡述了該方法流程，完成了桁架式上下料機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計實例。結(jié)果表明，所設(shè)計的機器人具有良好的可行性，使機器人設(shè)計過程更加系統(tǒng)化，并建立了機器人技術(shù)指標(biāo)、功能規(guī)劃和機械結(jié)構(gòu)三個領(lǐng)域之間的集成映射關(guān)系。

關(guān)鍵詞:上下料機器人;公理化設(shè)計;機器人技術(shù)指

標(biāo)數(shù)控機床的自動上下料功能對于提高機床生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本具有重要作用，上下料機器人是實現(xiàn)智能制造的直接體現(xiàn)。桁架式數(shù)控機床上下料機器人占地面積小，結(jié)構(gòu)與控制原理簡單，結(jié)構(gòu)可靠性高，易于操作，故得到了廣泛應(yīng)用。目前，已有很多研究成果。王成龍［1］研究了大桁架機械手的技術(shù)要求，確定具有二自由度的大桁架機械手作為最優(yōu)的設(shè)計方案。亞曉丹［2］完成了桁架式機床上下料機器人分析與改進(jìn)設(shè)計。朱金權(quán)［3］研究一種桁架機器人的結(jié)構(gòu)形式、特點、設(shè)備組成與傳動系統(tǒng)，獲得了系統(tǒng)化的桁架機器人設(shè)計方法。邊弘曄［4］對機床上下料專用機器人的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析與優(yōu)化，使機器人的結(jié)構(gòu)性能得到改善。Ramadian［5］研究了數(shù)控銑床高精度裝卸機器人的結(jié)構(gòu)建模、仿真與控制問題。ChungH［6］研究了工業(yè)機器人柔性制造單元的編程與仿真系統(tǒng)開發(fā)的問題，為工業(yè)機器人在數(shù)控機床上的使用提供了一種方法。Xiong［7］提出了一種利用冗余自由度，將五軸數(shù)控機床的軌跡轉(zhuǎn)換為6軸工業(yè)機器人運動軌跡的位姿優(yōu)化方法，設(shè)計出一種剛度校核算法，通過仿真，驗證了機器人剛度性能的提高。郭斌［8］提出一類薄板零件沖床上下料機械手的物理模型，分析了機械手的負(fù)載傳遞問題。朱?？担?］對懸臂形式的直角坐標(biāo)機器人，進(jìn)行剛度強度分析，得到了應(yīng)力應(yīng)變更小的優(yōu)化結(jié)果。已有數(shù)控機床裝卸機器人研究成果具有良好的應(yīng)用價值與學(xué)術(shù)意義，但是系統(tǒng)化的提出機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計流程的研究還不充分。本文基于機器人的技術(shù)指標(biāo)需求，提出一種系統(tǒng)化的機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，并以實例建立了一個三自由度桁架式直角坐標(biāo)機器人的設(shè)計方案，用以完成機床的上下料作業(yè)。最后，對機器人的各個部件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。

1工業(yè)機器人設(shè)計流程

本文提出一種系統(tǒng)化的工業(yè)機器人的設(shè)計方法，如圖1所示。具體步驟如下:Step1:確定機器人的技術(shù)指標(biāo)根據(jù)作業(yè)任務(wù)的性質(zhì)，確定機器人的運動自由度與作業(yè)空間;根據(jù)工件的重量，確定機器人的有效載荷。Step2:機器人功能樹建立根據(jù)作業(yè)任務(wù)，確定目標(biāo)機器人的功能，并分解出相應(yīng)的子功能。Step3:確定機器人的組成結(jié)構(gòu)利用公理化設(shè)計方法，結(jié)合機器人的技術(shù)指標(biāo)，將機器人的功能及子功能分別映射出相應(yīng)的機器人結(jié)構(gòu)部件。圖1工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)化設(shè)計流程Step4:完成機器人部件的詳細(xì)設(shè)計首先根據(jù)機器人的自由度與運動軌跡的特點，確定機器人的布局形式。其次，完成機器人零部件的詳細(xì)設(shè)計，包括支撐部件、驅(qū)動部件、傳動部件、執(zhí)行機構(gòu)等。最后，完成機器人各零部件的強度校核。

2桁架式上下料機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計實例

基于第1節(jié)的機器人系統(tǒng)化設(shè)計流程，針對某類數(shù)控臥式機床的上下料機器人進(jìn)行設(shè)計。機器人的設(shè)計初衷是滿足生產(chǎn)工藝的需要，本文研究的工藝問題是數(shù)控臥式機床的自動上下料，其中數(shù)控機床是并排放置，成一字形布局。2．1機器人技術(shù)指標(biāo)。(1)自由度。3自由度能夠較好滿足機床上下料的任務(wù)需求，所以本文機器人采用3個自由度設(shè)計方案，分別是機器人在機床之間沿x軸的移動自由度、機器人圖3三坐標(biāo)直角機器人的CAD模型的手臂沿y軸的上下移動以及沿z軸的直線移動;(2)精度。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定上下料機器人的重復(fù)定位精度為0．2㎜;(3)有效載荷。設(shè)定機器人的裝卸對象為20㎏的工件，機器人的有效載荷=工件重量+末端執(zhí)行器的自重，自重大約為6㎏，因此機器人的手部負(fù)載為26㎏;(4)作業(yè)空間。機器人的作業(yè)空間是根據(jù)機床在車間中的布局與機床的尺寸來設(shè)計的。某車間實例中，并排呈一字型的兩臺機床，其間距為4000㎜，機器人在機床y方向的單向移動距離為1000㎜。機床工作臺上方垂直空間為350㎜，故設(shè)定手抓z向垂直抓取距離為500㎜。2．2機器人的功能樹建立。機床上下料機器人的總功能是裝卸工件，將總功能逐級分解，建立上下料桁架機器人的功能模型，如圖2中的功能域所示。功能分解的依據(jù)是:根據(jù)步驟1中機器人的自由度，可以確定機器人具備三個方向的移動功能，同時根據(jù)機器人的工作內(nèi)容，機器人還應(yīng)具備抓取工件、穩(wěn)定支撐、與機床通信等功能。2．3映射出組成結(jié)構(gòu)。上下料機器人是一種開鏈?zhǔn)降慕Y(jié)構(gòu)，基于機器人的功能域，按照一一對應(yīng)原則，映射出機器人的機械結(jié)構(gòu)，如圖2的結(jié)構(gòu)域所示，圖中箭頭代表映射。例如，“移動功能”對應(yīng)“運動系統(tǒng)”，“X向移動”對應(yīng)著“X向移動機構(gòu)”，“X向傳動”對應(yīng)著“X向滾珠絲杠”，“Y向驅(qū)動”對應(yīng)著“Y向驅(qū)動電機”，“引導(dǎo)移動”和“支撐機體”分別對應(yīng)著“導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)”、“立柱與底座”。機器人的運動原理是:X向移動平臺載著Y向機械臂沿X軸實現(xiàn)機床間的移動，Y向機械臂帶動Z向機械臂沿Y軸移動，Z向機械臂實現(xiàn)機械手抓的Z向垂直抓取移動。2．4組成部件的詳細(xì)設(shè)計。根據(jù)第一節(jié)中的Step4的內(nèi)容，對桁架式上下料工業(yè)機器人及其各組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。在完成機器人各個部件初步設(shè)計的基礎(chǔ)上，將各部件組裝出上下料機器人的裝配模型，如圖3所示。本車間實例中，機床呈一字形布局，故機器人的整體框架呈直線形狀。部件的詳細(xì)設(shè)計共包含5個部分，分別是立柱、底座、滾珠絲杠、末端機械手與滾動導(dǎo)軌。除此之外，滾動導(dǎo)軌很適合用于要求移動部件運動平穩(wěn)、靈敏，以及實現(xiàn)精密定位的場合。(1)立柱立柱是矗立在數(shù)控機床之間，支撐機器人軌道，使其能夠在數(shù)控機床上方空間中移動的支撐結(jié)構(gòu)。本文采用截面為矩形，方柱體中空的立柱結(jié)構(gòu)。采用45號鋼材，硬度可以達(dá)到HRC55，這種結(jié)構(gòu)節(jié)省材料，且剛度強。利用三角形穩(wěn)定性原理，立柱底端焊接有4個三腳架來支撐，三腳架與地面用地腳螺栓連接。對直角坐標(biāo)機器人在工作狀態(tài)時起到一個非常穩(wěn)固的支撐作用。(2)底座底座是固定在立柱頂端，對工業(yè)機器人的3個運動起支撐導(dǎo)引作用。機器人的作業(yè)空間決定了機器人移動機構(gòu)的尺寸，底座X向的長度是4000㎜，這是根據(jù)機器人工作空間來確定的。底座上面有兩列孔，用于安裝導(dǎo)軌。此外，面上制有螺紋孔，同理用于連接X向運動的電機和軸承座，它是X向運動的關(guān)鍵支撐部分。(3)X向滾珠絲杠桁架式機器人橫跨在并排的兩臺數(shù)控機床之間，由X向滾珠絲杠作為機器人的傳動部件。相比Z、Y向滾珠絲杠，X向滾珠絲杠是傳動距離最遠(yuǎn)、剛度強度要求最高的絲杠。因此，本節(jié)將對它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)某工程應(yīng)用手冊中絲杠的精度標(biāo)準(zhǔn)，本文采用C10級精度作為X向滾珠絲杠的精度標(biāo)準(zhǔn)，以保證0．2㎜的重復(fù)定位精度。根據(jù)X方向的工作空間，設(shè)計出行程4000㎜的定制滾珠絲杠與絲杠副。該滾珠絲杠的最大驅(qū)動力300N，絲杠材料為45號鋼，σs=355MPa;梯形螺紋β=15°。根據(jù)電機額定轉(zhuǎn)速和X向的最大速度，計算絲杠導(dǎo)程。X向運動選擇松下MDMA152電機，電機最高轉(zhuǎn)速為4000rpm。電機與滾珠絲桿直連，傳動比為1。設(shè)定X向最大運動速度50mm/s，即3000mm/min。則絲杠最小導(dǎo)程為:Ph=Vmax/i•nmax=3000/1×4000≈0．75mm/r(1)在實例中，取絲杠導(dǎo)程為1㎜。通過公式(2)，計算滾珠絲杠的中徑d2。d2≥ξFψ［P槡］(2)公式(2)中，F(xiàn)為最大驅(qū)動力(N)，［P］為允許使用的壓強數(shù)值(MPa);d2為滾珠絲桿的中徑數(shù)值，單位為㎜;當(dāng)ζ作為梯形螺紋的時候ζ=0．8;可以計算得到d2≥3．46㎜。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的梯形螺紋，螺紋的公稱直徑d=20㎜，中徑d2=19mm。(4)末端機械手機器人的末端執(zhí)行器是連接操作機腕部的直接用于作業(yè)的機構(gòu)。工業(yè)機器人的手腕，有用于連接各種末端執(zhí)行器的機械接口，按照作業(yè)內(nèi)容的不同機器人選用不同的手抓或工具裝在其上，可以完成對應(yīng)的作業(yè)任務(wù)，使得機器人具備良好的柔性。機械手爪夾持力26㎏，采用氣動驅(qū)動方式，其設(shè)計模型如圖3所示。通過氣缸的充放氣驅(qū)動機械手抓中間連桿的伸縮，從而帶動手指的夾緊與松開。

3結(jié)論

本文建立了一套工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)化設(shè)計流程，第一步根據(jù)機器人的技術(shù)指標(biāo)確定機器人的功能模型，進(jìn)一步通過公理化映射理論構(gòu)建出桁架式機床上下料直角坐標(biāo)機器人的機械結(jié)構(gòu)組成，最后完成關(guān)鍵機械部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。所設(shè)計機器人能夠完成上下料工作任務(wù)，具有良好的運動可行性。本文提出的系統(tǒng)化設(shè)計方法具有一定的普適性，也適用于其他工作類型的機器人的設(shè)計。根據(jù)工作需要，確定機器人的技術(shù)指標(biāo)，依據(jù)技術(shù)指標(biāo)完成機器人的設(shè)計研發(fā)，這是我國先進(jìn)制造水平不斷提升的體現(xiàn)，也表明了本文工業(yè)機器人設(shè)計思想的先進(jìn)性。

作者:徐開元 何玉安 蔡智勇 單位:上海第二工業(yè)大學(xué)