劉海燕+戴鵬+張成建+王國棟

0 引言

直角坐標型拆垛上料機實際上就是一個直線運動機構(gòu)，其核心部件是直線運動單元，它是由運動框架、傳動機構(gòu)、直線運動滑軌和伺服電機等組成。運動框架的材料通常為精制鋁型材作為基體，鋁型材具有很多優(yōu)點：組裝成產(chǎn)品時，采用專用鋁型材配件，不需要焊接，環(huán)保，易于安裝、拆卸，且重量輕、剛度大。其截面形狀要確保其具有足夠的機械強度和直線度。直線運動滑軌是由軸承光杠和運動滑塊組成。驅(qū)動系統(tǒng)通常為步進電機或伺服電機。傳動機構(gòu)可根據(jù)不同的精度要求采用同步齒形帶、齒條或滾珠絲杠。

1 直線運動單元簡介

直線運動單元是把絲桿、導軌、同步齒形帶以及齒輪齒條等各種不同部件進行精密組裝，集成到一個運動單元中的一種運動單元。它實現(xiàn)了直線運動平臺的模塊化和規(guī)范化[20]。還可以通過數(shù)字控制軟件方便地實現(xiàn)運動速度、加速度及運動距離的柔性變化。

根據(jù)不同的動力與運動傳動形式直線運動單元一般可分為以下幾類： 滾珠絲杠、滾珠導軌型；滾珠絲杠、滑動導軌型；同步齒形帶、滾珠導軌型以及齒輪齒條，滾珠導軌等類型。此外還有直線提升單元，它通常于其它直線運動單元配合在一起使用，用于X-Y-Z的配置。不同的類型分別用于不同的速度、加速度、負載、加工成本、使用壽命等要求條件下。

直線運動單元具有與傳統(tǒng)的機械運動結(jié)構(gòu)形式不同的特點比如：模塊化、組合式和獨立式的結(jié)構(gòu)等。直線運動單元以其獨特的優(yōu)點在全自動機械手、數(shù)控機床上下料機構(gòu)以及汽車噴涂、生產(chǎn)線上的包裝及搬運、等各行各業(yè)中得到了極其廣泛的應用。直線運動單元的出現(xiàn)，為工程技術(shù)人員的設計選型工作帶來極大的方便。工程技術(shù)人員可根據(jù)生產(chǎn)實際需要對伺服電機，聯(lián)軸器，伺服驅(qū)動等進行相應的選擇，即可方便地搭配出X-Y和X-Y-Z等機械運動結(jié)構(gòu)形式，進而組合完成所需要的運動控制系統(tǒng)。

2 機械運動單元結(jié)構(gòu)設計

1）懸臂式直角坐標型結(jié)構(gòu)

懸臂式的結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點主要在于其所占空間較小，布置比較靈活，比較適用在對工作空間有嚴格要求的場合。但是由于此結(jié)構(gòu)形式有懸臂的存在，在承載力較大時較大的彎曲變形就會產(chǎn)生。因此，這就要求支撐懸臂的部件有較好的抗彎剛度。由此可知懸臂式直角坐標型結(jié)構(gòu)不適用于承載能力較大的場合。

2）壁掛式直角坐標型結(jié)構(gòu)

壁掛式直角坐標型的結(jié)構(gòu)方式比較緊湊，適用于工作空間較為狹小的情況下。但同時它上下運動時，其上下行程的大小和上下方向的負載能力也受到了限制。

3）龍門式直角坐標型結(jié)構(gòu)

單根龍門式直線運動單元的長度可達6米，典型的龍門式直角坐標型結(jié)構(gòu)布置方案。本文即采用龍門龍門式直角坐標型結(jié)構(gòu)作為上料機機械運動單元結(jié)構(gòu)布置方式。

龍門式直角坐標型結(jié)構(gòu)布置方案它行程大，單根龍門式直線運動單元的長度是6米，龍門式直角坐標式機器人有很多突出的優(yōu)點[22，23]，承載能力強，運行平穩(wěn)等。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床拆垛上料機只需在控制程序的控制下按一定的速度和節(jié)拍將板料運送到工作臺即可。由于實際生產(chǎn)中需要較大的行程，以青島科力達QS2516Z數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床為例其加工板材尺寸2500×1250mm，鑒于實際生產(chǎn)需求，及以上幾種運動機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的特點，拆垛上料機運動機構(gòu)布置方案確定為龍門式直角坐標型結(jié)構(gòu)形式。由于拆垛上料機對運動精度的要求并不太高，運動速度也不是很大，并且不存在切削力和切削振動，故此對上料機龍門架的設計要求不高，選用用工字鋼或槽鋼等型鋼進行焊接成型即可。

龍門式直角坐標結(jié)構(gòu)型的拆垛上料機，由于龍門式結(jié)構(gòu)其自身的特點，它必定會在某個方向上有兩根平行的軸，因此在驅(qū)動和傳動上就會產(chǎn)生問題。驅(qū)動和傳動有以下幾種方式：一種方式是兩軸中只驅(qū)動一個軸，這種方式必定會使另一軸成為從動軸，由于從動軸阻力的影響，必將會使拆垛上料機在兩軸所在平面內(nèi)產(chǎn)生變形；一種方式是同時并且分別驅(qū)動兩軸，這就要求兩軸完全協(xié)調(diào)與同步，這種方式對運動控制系統(tǒng)的要求就會大大增加。還有一種方式是通過傳動裝置用一個驅(qū)動同時驅(qū)動兩個軸，這種驅(qū)動方式可以保證兩軸的協(xié)調(diào)和同步。

3 拆垛上料機直線運動機構(gòu)驅(qū)動與傳動方式

直線運動機構(gòu)驅(qū)動方式主要有以下兩種。第一種方式，采用直線電機作為驅(qū)動源，直接驅(qū)動運動軸沿XYZ三個方向運動。速度變化、推力大小、定位精度主要通過控制直線電機來實現(xiàn)。這種方式能夠減少中間傳動環(huán)節(jié)的誤差，適合高速高精密加工的需求。但由于直線電機的成本較高，這也是限制直線電機廣泛應用的最主要原因之一。第二種方式，采用伺服電機和減速機加滾珠絲桿、同步齒形帶或齒輪齒條的方式。為了保證傳動精度的要求，減速機選用高性能的行星減速機。

通過分析可知，X軸的行程為需在4000mm以上，由于跨度較大，滾珠絲杠和齒輪齒條傳動則不宜采用。否則由于自重而產(chǎn)生的彎曲變形及熱變形將無法避免，同步齒形帶傳動能夠滿足X軸較大行程的要求。因此X軸采用德國百格拉PAS44BB型號的同步齒形帶傳動直線運動單元，龍門式雙X軸結(jié)構(gòu)。為了保證兩根X軸運動的同步，采用一個3000W的伺服電機，兩軸間采用鋼軸實現(xiàn)同步驅(qū)動。出于驅(qū)動扭矩及慣量的匹配，需要配一臺行星減速機。

對于Y軸來說行程相對較短，因此采用滾珠絲杠或齒輪齒條傳動方式的直線運動單元均可。Y軸采用德國百格拉ELK40型滾珠絲杠直線運動單元。因為Y軸為雙端支撐，中間懸空結(jié)構(gòu)，如果選擇的截面不夠，上料時如果高速運動時將不能保拆垛上料機運動的平穩(wěn)性，將有可能發(fā)生振顫。因此同樣選用雙Y軸將Z軸夾在中間的結(jié)構(gòu)形式，兩根運動單元并排使用。這種方式不僅能夠很好的平衡負載，具有較好的承載能力，而且穩(wěn)定性較好。兩根直線運動單元由一臺2500W伺服電機驅(qū)動以保證運動的同步。同樣也需要匹配行星減速機。

Z軸的運動行程與Y軸類似，采用德國百格拉ELK系列雙滑快全包圍滾珠絲杠直線運動單元。該運動單元可以同時完成物體提升和旋轉(zhuǎn)兩個運動。該軸上的伺服電機因需要提升物體快速需要克服較大的重力和加速度，因此需要較大的驅(qū)動功率。驅(qū)動方式采用4000W一臺帶抱閘的伺服電機，并匹配一臺行星減速機進行驅(qū)動。

實現(xiàn)板料旋轉(zhuǎn)功能的是Z軸單元中的一根旋轉(zhuǎn)軸，它是與Z軸直線運動單元集成在一起的。旋轉(zhuǎn)軸的最上端為驅(qū)動端，與一個伺服電機安裝在一起，長軸的最下端作為負載端，用于安裝端拾器。因板料一般較重，轉(zhuǎn)動慣量大，端拾器不能直接安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，必須加一臺盤式減速機才能匹配。伺服電機通過旋轉(zhuǎn)軸將動力先輸出到盤式減速機再傳輸?shù)截撦d，以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)負載的功能。

4 本章小結(jié)

本章對拆垛上料機的機械運動系統(tǒng)進行了研究，研究了模塊化的運動單元—直線運動單元，完成了數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床拆垛上料機的機械運動單元的結(jié)構(gòu)設計與選擇，采用龍門龍門式直角坐標型結(jié)構(gòu)作為上料機機械運動單元結(jié)構(gòu)布置方式。分析了目前常用的不同驅(qū)動方式及傳動機構(gòu)的特點及上料機各軸在使用中受力和行程的不同，確定了拆垛上料機機械運動單元各軸的驅(qū)動及傳動方式。

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基金項目：2015年國創(chuàng)項目 小型落地棗收獲機

編號：201513324004