徐開元，何玉安，蔡智勇

(上海第二工業(yè)大學(xué) 智能制造工程系，上海 201209)

0 引言

數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)上下料功能對(duì)于提高機(jī)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(jī)器人是實(shí)現(xiàn)智能制造的直接體現(xiàn)。桁架式數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)器人占地面積小，結(jié)構(gòu)與控制原理簡(jiǎn)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(jī)械手的技術(shù)要求，確定具有二自由度的大桁架機(jī)械手作為最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。亞曉丹[2]完成了桁架式機(jī)床上下料機(jī)器人分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)。朱金權(quán)[3]研究一種桁架機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式、特點(diǎn)、設(shè)備組成與傳動(dòng)系統(tǒng)，獲得了系統(tǒng)化的桁架機(jī)器人設(shè)計(jì)方法。邊弘曄[4]對(duì)機(jī)床上下料專用機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析與優(yōu)化，使機(jī)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(jī)器人的結(jié)構(gòu)建模、仿真與控制問(wèn)題。Chung H[6]研究了工業(yè)機(jī)器人柔性制造單元的編程與仿真系統(tǒng)開發(fā)的問(wèn)題，為工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)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(jī)床的軌跡轉(zhuǎn)換為6軸工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的位姿優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)出一種剛度校核算法，通過(guò)仿真，驗(yàn)證了機(jī)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(jī)械手的物理模型，分析了機(jī)械手的負(fù)載傳遞問(wèn)題。朱?？礫9]對(duì)懸臂形式的直角坐標(biāo)機(jī)器人，進(jìn)行剛度強(qiáng)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(jī)床裝卸機(jī)器人研究成果具有良好的應(yīng)用價(jià)值與學(xué)術(shù)意義，但是系統(tǒng)化的提出機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程的研究還不充分。本文基于機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)需求，提出一種系統(tǒng)化的機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并以實(shí)例建立了一個(gè)三自由度桁架式直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，用以完成機(jī)床的上下料作業(yè)。最后，對(duì)機(jī)器人的各個(gè)部件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)流程

本文提出一種系統(tǒng)化的工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法，如圖1所示。具體步驟如下：

Step1：確定機(jī)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度與作業(yè)空間；根據(jù)工件的重量，確定機(jī)器人的有效載荷。

Step2：機(jī)器人功能樹建立 根據(jù)作業(yè)任務(wù)，確定目標(biāo)機(jī)器人的功能，并分解出相應(yīng)的子功能。

Step3：確定機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu) 利用公理化設(shè)計(jì)方法，結(jié)合機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)，將機(jī)器人的功能及子功能分別映射出相應(yīng)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)部件。

圖1 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)流程

Step4：完成機(jī)器人部件的詳細(xì)設(shè)計(jì) 首先根據(jù)機(jī)器人的自由度與運(yùn)動(dòng)軌跡的特點(diǎn)，確定機(jī)器人的布局形式。其次，完成機(jī)器人零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括支撐部件、驅(qū)動(dòng)部件、傳動(dòng)部件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。最后，完成機(jī)器人各零部件 的強(qiáng)度校核。

2 桁架式上下料機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例

基于第1節(jié)的機(jī)器人系統(tǒng)化設(shè)計(jì)流程，針對(duì)某類數(shù)控臥式機(jī)床的上下料機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)器人的設(shè)計(jì)初衷是滿足生產(chǎn)工藝的需要，本文研究的工藝問(wèn)題是數(shù)控臥式機(jī)床的自動(dòng)上下料，其中數(shù)控機(jī)床是并排放置，成一字形布局。

2.1 機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)

圖3 三坐標(biāo)直角機(jī)器人的CAD模型

(1)自由度。3自由度能夠較好滿足機(jī)床上下料的任務(wù)需求，所以本文機(jī)器人采用3個(gè)自由度設(shè)計(jì)方案，分別是機(jī)器人在機(jī)床之間沿x軸的移動(dòng)自由度、機(jī)器人的手臂沿y軸的上下移動(dòng)以及沿z軸的直線移動(dòng)；

(2)精度。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定上下料機(jī)器人的重復(fù)定位精度為0.2mm；

(3)有效載荷。設(shè)定機(jī)器人的裝卸對(duì)象為20kg的工件，機(jī)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6kg，因此機(jī)器人的手部負(fù)載為26kg；

(4)作業(yè)空間。機(jī)器人的作業(yè)空間是根據(jù)機(jī)床在車間中的布局與機(jī)床的尺寸來(lái)設(shè)計(jì)的。某車間實(shí)例中，并排呈一字型的兩臺(tái)機(jī)床，其間距為4000mm，機(jī)器人在機(jī)床y方向的單向移動(dòng)距離為1000mm。機(jī)床工作臺(tái)上方垂直空間為350mm，故設(shè)定手抓z向垂直抓取距離為500mm。

2.2 機(jī)器人的功能樹建立

機(jī)床上下料機(jī)器人的總功能是裝卸工件，將總功能逐級(jí)分解，建立上下料桁架機(jī)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(jī)器人的自由度，可以確定機(jī)器人具備三個(gè)方向的移動(dòng)功能，同時(shí)根據(jù)機(jī)器人的工作內(nèi)容，機(jī)器人還應(yīng)具備抓取工件、穩(wěn)定支撐、與機(jī)床通信等功能。

2.3 映射出組成結(jié)構(gòu)

上下料機(jī)器人是一種開鏈?zhǔn)降慕Y(jié)構(gòu)，基于機(jī)器人的功能域，按照一一對(duì)應(yīng)原則，映射出機(jī)器人的機(jī)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(dòng)功能”對(duì)應(yīng)“運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)”，“X向移動(dòng)”對(duì)應(yīng)著“X向移動(dòng)機(jī)構(gòu)”，“X向傳動(dòng)”對(duì)應(yīng)著“X向滾珠絲杠”，“Y向驅(qū)動(dòng)”對(duì)應(yīng)著“Y向驅(qū)動(dòng)電機(jī)”，“引導(dǎo)移動(dòng)”和“支撐機(jī)體”分別對(duì)應(yīng)著“導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)”、“立柱與底座”。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理是：X向移動(dòng)平臺(tái)載著Y向機(jī)械臂沿X軸實(shí)現(xiàn)機(jī)床間的移動(dòng)，Y向機(jī)械臂帶動(dòng)Z向機(jī)械臂沿Y軸移動(dòng)，Z向機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓的Z向垂直抓取移動(dòng)。

圖2 上下料機(jī)器人的工藝域—結(jié)構(gòu)域映射模型

2.4 組成部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)第一節(jié)中的Step4的內(nèi)容，對(duì)桁架式上下料工業(yè)機(jī)器人及其各組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。在完成機(jī)器人各個(gè)部件初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將各部件組裝出上下料機(jī)器人的裝配模型，如圖3所示。本車間實(shí)例中，機(jī)床呈一字形布局，故機(jī)器人的整體框架呈直線形狀。

部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)共包含5個(gè)部分，分別是立柱、底座、滾珠絲杠、末端機(jī)械手與滾動(dòng)導(dǎo)軌。除此之外，滾動(dòng)導(dǎo)軌很適合用于要求移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、靈敏，以及實(shí)現(xiàn)精密定位的場(chǎng)合。

(1)立柱

立柱是矗立在數(shù)控機(jī)床之間，支撐機(jī)器人軌道，使其能夠在數(shù)控機(jī)床上方空間中移動(dòng)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(hào)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(qiáng)。利用三角形穩(wěn)定性原理，立柱底端焊接有4個(gè)三腳架來(lái)支撐，三腳架與地面用地腳螺栓連接。對(duì)直角坐標(biāo)機(jī)器人在工作狀態(tài)時(shí)起到一個(gè)非常穩(wěn)固的支撐作用。

(2)底座

底座是固定在立柱頂端，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的3個(gè)運(yùn)動(dòng)起支撐導(dǎo)引作用。機(jī)器人的作業(yè)空間決定了機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸，底座X向的長(zhǎng)度是4000mm，這是根據(jù)機(jī)器人工作空間來(lái)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(yùn)動(dòng)的電機(jī)和軸承座，它是X向運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵支撐部分。

(3)X向滾珠絲杠

桁架式機(jī)器人橫跨在并排的兩臺(tái)數(shù)控機(jī)床之間，由X向滾珠絲杠作為機(jī)器人的傳動(dòng)部件。相比Z、Y向滾珠絲杠，X向滾珠絲杠是傳動(dòng)距離最遠(yuǎn)、剛度強(qiáng)度要求最高的絲杠。因此，本節(jié)將對(duì)它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)某工程應(yīng)用手冊(cè)中絲杠的精度標(biāo)準(zhǔn)，本文采用C10級(jí)精度作為X向滾珠絲杠的精度標(biāo)準(zhǔn)，以保證0.2mm的重復(fù)定位精度。

根據(jù)X方向的工作空間，設(shè)計(jì)出行程4000mm的定制滾珠絲杠與絲杠副。該滾珠絲杠的最大驅(qū)動(dòng)力300N，絲杠材料為45號(hào)鋼，σs=355MPa；梯形螺紋β=15°。

根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和X向的最大速度，計(jì)算絲杠導(dǎo)程。X向運(yùn)動(dòng)選擇松下MDMA152電機(jī)，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為4000rpm。電機(jī)與滾珠絲桿直連，傳動(dòng)比為1。設(shè)定X向最大運(yùn)動(dòng)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(shí)例中，取絲杠導(dǎo)程為1mm。通過(guò)公式(2)，計(jì)算滾珠絲杠的中徑d2。

(2)

公式(2)中，F(xiàn)為最大驅(qū)動(dòng)力(N)，[P]為允許使用的壓強(qiáng)數(shù)值(MPa)；d2為滾珠絲桿的中徑數(shù)值，單位為mm；當(dāng)ζ作為梯形螺紋的時(shí)候ζ=0.8；可以計(jì)算得到d2≥3.46mm。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的梯形螺紋，螺紋的公稱直徑d=20mm，中徑d2=19mm。

(4)末端機(jī)械手

機(jī)器人的末端執(zhí)行器是連接操作機(jī)腕部的直接用于作業(yè)的機(jī)構(gòu)。工業(yè)機(jī)器人的手腕，有用于連接各種末端執(zhí)行器的機(jī)械接口，按照作業(yè)內(nèi)容的不同機(jī)器人選用不同的手抓或工具裝在其上，可以完成對(duì)應(yīng)的作業(yè)任務(wù)，使得機(jī)器人具備良好的柔性。

機(jī)械手爪夾持力26kg，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，其設(shè)計(jì)模型如圖3所示。通過(guò)氣缸的充放氣驅(qū)動(dòng)機(jī)械手抓中間連桿的伸縮，從而帶動(dòng)手指的夾緊與松開。

3 結(jié)論

本文建立了一套工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)流程，第一步根據(jù)機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)確定機(jī)器人的功能模型，進(jìn)一步通過(guò)公理化映射理論構(gòu)建出桁架式機(jī)床上下料直角坐標(biāo)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，最后完成關(guān)鍵機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)機(jī)器人能夠完成上下料工作任務(wù)，具有良好的運(yùn)動(dòng)可行性。本文提出的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法具有一定的普適性，也適用于其他工作類型的機(jī)器人的設(shè)計(jì)。根據(jù)工作需要，確定機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)，依據(jù)技術(shù)指標(biāo)完成機(jī)器人的設(shè)計(jì)研發(fā)，這是我國(guó)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(jī)器人設(shè)計(jì)思想的先進(jìn)性。