350公斤工件大行程龍門式搬運(yùn)機(jī)器人
作者：周文寶
職務(wù)：沈陽百格機(jī)器人有限公司技術(shù)部經(jīng)理
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產(chǎn)品：德國BergerLahr公司和Roboworker公司中國總代理
一、直角坐標(biāo)機(jī)器人介紹
機(jī)器人按ISO8373定義為：位置可以固定或移動(dòng)、能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個(gè)或3個(gè)以上自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。這里自由度就是指可運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的軸。作為在各行各業(yè)中被廣泛應(yīng)用直角坐標(biāo)機(jī)器人主要是以直線運(yùn)動(dòng)軸為主，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸通常對應(yīng)直角坐標(biāo)系中的X軸，Y軸和Z軸，一般X軸和Y軸是水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)軸，Z軸是上下運(yùn)動(dòng)軸。在一些應(yīng)用中Z軸上帶有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，或帶有一個(gè)擺動(dòng)軸和一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。在絕大多數(shù)情況下直角坐標(biāo)機(jī)器人的各個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸間的夾角為直角。直角坐標(biāo)機(jī)器人不僅經(jīng)濟(jì)性好，編程簡單和易維修，而且可以方便組合成各種樣式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，其帶載能力從10公斤到幾噸，超大行程到幾十米，高運(yùn)行速度可達(dá)到每秒8米，加速度可達(dá)到每秒4米，重復(fù)定位精度可達(dá)到0.05mm或0.01mm。 在現(xiàn)代化制造業(yè)中，經(jīng)常要把幾百公斤到上噸的工件從一個(gè)工位搬到另一個(gè)工位。搬運(yùn)過程有時(shí)是2D的XZ方式運(yùn)動(dòng)，有時(shí)是3D的XYZ方式運(yùn)動(dòng)，有時(shí)搬運(yùn)到位后還要把工件轉(zhuǎn)動(dòng)90度。而搬運(yùn)一般要求幾個(gè)方向同時(shí)運(yùn)動(dòng)，速度通常是30米/分到60米/分，大加速度可達(dá)到2m/s2，當(dāng)上下運(yùn)動(dòng)的Z軸較長時(shí)，幾個(gè)方向同時(shí)減速會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)大的沖擊力和晃動(dòng)。而在很多應(yīng)用中對晃動(dòng)要求很小，定位精度通常達(dá)到0.1mm。直角坐標(biāo)機(jī)器人非常適用上面的這些要求，但在實(shí)際應(yīng)用中有很多參數(shù)必須經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算來確定，下面結(jié)合一個(gè)應(yīng)用例子來介紹龍門式機(jī)器人是如何實(shí)現(xiàn)大負(fù)載大行程高速運(yùn)轉(zhuǎn)的。
二、任務(wù)描述
在一些大型精密機(jī)械和機(jī)電設(shè)備的生產(chǎn)過程中，對于需要經(jīng)常傳動(dòng)但又要防止生銹的工件來說，油浸處理就非常的必要。本項(xiàng)目中需要搬運(yùn)的工件及對應(yīng)抓取手爪的總重量為350kg，其水平運(yùn)動(dòng)距離為4米，而上下運(yùn)動(dòng)行程為2米，運(yùn)行速度為1米/秒。那么采用龍門機(jī)器人搬運(yùn)就顯得非常的必要。本項(xiàng)目為浸油輸送線的一部分，用機(jī)械手浸油，浸油輸送線主要完成自動(dòng)上下料、機(jī)械手搬運(yùn)浸油、吹氣淋油、工件輸送、碼箱、輸送到穿梭車等工作。工件輸送都是放在浸油筐中來實(shí)現(xiàn)，避免了工件間，及工件和操作臺(tái)、輸送軌道間的磕碰，即保證了工件的質(zhì)量，又達(dá)到了工件浸油防銹的目的。
輸送線的起始部分為工件存放處，主要功能就是把加工車間加工完成的齒輪、軸等工件放到浸油筐中，然后由中轉(zhuǎn)小車把若干浸油筐運(yùn)到上料輸送輥道上，然后由機(jī)器人抓取浸油。浸油機(jī)械手為浸油過程的主要設(shè)備，當(dāng)通過前段的輥道輸送線把浸油筐輸送到位后，定位系統(tǒng)完成浸油筐的定位，定位準(zhǔn)備好后發(fā)給機(jī)械手上料指令；機(jī)械手在左端就緒位置下降500毫米，然后抓取浸油筐后上升200毫米，XZ軸再同時(shí)運(yùn)動(dòng)，其中Z軸上升300毫米，X軸高速運(yùn)動(dòng)2000毫米。這時(shí)浸油筐到達(dá)油箱的上方，要下降2000毫米及停頓2秒保證充分浸油，然后上升2000毫米后繼續(xù)右行，右行到位下降，機(jī)械手把浸油筐放到輸送線上，繼續(xù)前行準(zhǔn)備吹氣淋油，機(jī)械手返回到左端的原始位置，準(zhǔn)備對下一浸油筐進(jìn)行浸油。
三、選型理論分析
針對該任務(wù)要求及現(xiàn)場空間位置限制，我們先選定機(jī)器人的形式是二維XZ直角坐標(biāo)機(jī)器人，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)節(jié)拍和速度分析。根據(jù)速度分析得出各個(gè)軸各自的大加速度和減速度。然后再計(jì)算出單獨(dú)運(yùn)動(dòng)和兩軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大沖擊力。這里計(jì)算出XYZ三個(gè)方向的大沖擊力Fx,Fy和Fz及產(chǎn)生的扭曲力矩Mx,My和Mz。當(dāng)XZ兩個(gè)軸同時(shí)減速時(shí)的大沖擊力是合成減速度，要以合成減速度來計(jì)算Fx,Fy和Fz及產(chǎn)生的扭曲力矩Mx,My和Mz。在計(jì)算不同軸扭曲力矩Mx,My和Mz時(shí)要考慮等效負(fù)載的重心位置，總重力和減速時(shí)產(chǎn)生的沖擊力。
Z軸選型分析：在選擇上下運(yùn)動(dòng)的Z軸時(shí)，根據(jù)先面計(jì)算出的大沖擊力Fx,Fy和Fz及產(chǎn)生的扭曲力矩Mx,My和Mz，采用了兩根RoboworkerRSL90運(yùn)動(dòng)軸和120mm寬超強(qiáng)齒型帶組成的復(fù)合軸。由于總長度幾乎達(dá)到了3米，在X軸以1米/秒速度下快速減速時(shí)對Z軸產(chǎn)生非常強(qiáng)大的沖擊力和晃動(dòng)。為了有更大的抗沖擊能力和產(chǎn)生小的晃動(dòng)，對兩根RSL90運(yùn)動(dòng)軸我們采用四個(gè)超長滑塊，上下兩端采用40毫米厚的高強(qiáng)度連接鋁板。選用的120mm寬超強(qiáng)齒型的額定拉力是2000KG，破壞拉力達(dá)7000 KG。Z軸的實(shí)際帶載能力可達(dá)800 KG，帶350KG的負(fù)載可以長期高效可靠工作。
X軸選型分析：采用了兩根5米長的德國RoboworkerRSL90運(yùn)動(dòng)軸，每根運(yùn)動(dòng)軸帶兩個(gè)滑塊。單個(gè)300mm滑塊RSL90型運(yùn)動(dòng)軸的大負(fù)載能力可達(dá)360KG，這里采用的雙滑塊剛性聯(lián)結(jié)負(fù)載能力可以增加5倍。當(dāng)把兩根運(yùn)動(dòng)軸并排剛性連接起來使用時(shí)，其負(fù)載能力可以增加2倍，所以這里采用的雙軸雙滑塊結(jié)構(gòu)其負(fù)載能力可增加到2噸。而負(fù)載（含手爪），Z軸及Z軸與X軸的連接板和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等總重量大約600KG，所以兩根運(yùn)動(dòng)軸四滑塊結(jié)構(gòu)完全能承受600KG負(fù)載及加減速時(shí)產(chǎn)生的沖擊力。兩根X軸鋁材的底面與支架上面鋼板全部完全接觸，支架的強(qiáng)度很高，所以不會(huì)產(chǎn)生任何壓力變形。
XZ軸連接板的設(shè)計(jì)：連接板的設(shè)計(jì)不僅要考慮機(jī)械方面的裝配配合精度，材料的物理強(qiáng)度，連接螺絲桿的拉力等，更要考慮在主要受沖擊方向加大加強(qiáng)連接板，必要時(shí)增加連接板。主要螺絲桿和螺絲帽要加膠，以防長期振動(dòng)后變松動(dòng)。
四、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器選型:
該機(jī)器人的運(yùn)行速度達(dá)1米/秒，加速度2m/s2，，選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須有足夠的驅(qū)動(dòng)力，通常要比理論計(jì)算值高出100%。選擇Z軸電機(jī)時(shí)要考慮Z軸和負(fù)載的自重，整個(gè)Z軸運(yùn)動(dòng)的加速力和磨擦力。選用德國Neugart精密行星減速機(jī)和德國帶抱閘的伺服電機(jī)，負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比值為5.12，實(shí)際大出力比所需求的大出力超出289%，**系數(shù)為289%。X軸的驅(qū)動(dòng)選用德國Neugart精密行星減速機(jī)和德國產(chǎn)伺服電機(jī)，負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比值為6.82，出力**系數(shù)為212%。數(shù)控系統(tǒng)選用德國恩格哈公司的D22數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，易二次開發(fā)，這里主要用G代碼G01和G04。
現(xiàn)場安裝：機(jī)器人在加速和減速時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，而且通常每天要工作24小時(shí)，所以機(jī)器人必須被牢固地安裝在支架上。機(jī)器人的支架要有足夠的抗沖擊力，要有地腳，以保證在長期高速高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)沖擊下，沒有任何晃動(dòng)。此外在安裝時(shí)要保證運(yùn)動(dòng)軸間的平行度、平面度和垂直度。右面的圖像是現(xiàn)場安裝后的照片。
五、結(jié)論
采用ROBOWORKER公司的機(jī)器人后使上面的產(chǎn)品生產(chǎn)速度和質(zhì)量大為提高，而且省去大量人力和財(cái)力。該機(jī)器人運(yùn)行半年后就收回所投入的成本。該機(jī)器人運(yùn)行一年來非常平穩(wěn)可靠，在正常維護(hù)下至少運(yùn)行十年。這是沈陽萊茵機(jī)點(diǎn)公司2007年在國內(nèi)目前做成的大負(fù)載機(jī)器人，從中積累了許多實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，為以后其它應(yīng)用提供更大行程，更大負(fù)載的高動(dòng)態(tài)龍門機(jī)器人和懸臂機(jī)器人打下了很好的基礎(chǔ)。目前還有兩臺(tái)500公斤負(fù)載，大約4*2*1米有效行程的上下料機(jī)器人正在進(jìn)行中。隨著大批量全自動(dòng)化生產(chǎn)工業(yè)的迅猛發(fā)展，這類直角坐標(biāo)機(jī)器人將具有更加廣范的市場前景和發(fā)展?jié)摿Γ?/span>