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1 概述

有別于傳統(tǒng)鑄造車間，自動化鑄造工廠利用桁架機器人完成砂芯的自動抓取、搬運和翻轉(zhuǎn)，桁架機器人能夠通過編程控制實現(xiàn)多自由度運動，其各行走軸采用滾輪導軌副，使得其在砂芯轉(zhuǎn)運生產(chǎn)線這種惡劣工作環(huán)境能夠可靠穩(wěn)定的運行，還能夠夾持砂芯在布局有清砂房、浸涂池、清洗池、組芯平臺等模塊的障礙物環(huán)境中，靈活完成設(shè)定功能動作。在程序設(shè)定時，對所有障礙物信息和桁架運動軌跡都有做設(shè)定，但在實際生產(chǎn)中，會出現(xiàn)環(huán)境信息變動而沒有變更程序的情況，也有需要切換到人工操作的情況，在這兩種情況下，都可能出現(xiàn)桁架手抓及夾持砂芯碰撞到障礙物的情形。為保障生產(chǎn)線正常流轉(zhuǎn)，需要桁架機器人能夠穩(wěn)定運行，這就需要在設(shè)計桁架時對結(jié)構(gòu)中易于彎曲變形的Z 軸做設(shè)計優(yōu)化，通過選取合理的鋁型材骨架及傳動導軌的安裝位置組合，來確保Z 軸在承受相應(yīng)碰撞后依然能夠可靠使用，使用精度不受影響。

2 桁架機器人功能結(jié)構(gòu)特點

桁架機器人的運動表現(xiàn)在6 個軸上，如圖1 所示，其中X 軸滑臺在橫向搬運時動作，Y 軸滑臺在左右移動時動作，Z 軸在上下運動時動作，C 軸在砂芯轉(zhuǎn)向時動作，W 軸在夾持砂芯時動作，B 軸在砂芯翻轉(zhuǎn)時動作。在桁架機器人工作時，需要多軸聯(lián)動來完成設(shè)定動作，當Z 軸向下運動到下限值時，其受力狀態(tài)類似于一種一端半剛性支撐固定的懸臂梁，這種結(jié)構(gòu)在伸出端受到橫向沖撞力時，由于力臂長的原因使得作用在固定端的力矩很大，屬于整機中結(jié)構(gòu)最薄弱位置。嚴重撞擊發(fā)生時，表現(xiàn)在Z 軸與C 軸連接盤的損壞和Z 軸鋁型材彎曲（不可恢復），連接盤損壞是考慮薄弱設(shè)計，其容易更換且造成的損失小，將破壞集中表現(xiàn)在此處，可以保護其他重要部件不受損壞，而Z 軸鋁型材塑性變形則會直接影響精度，導致運動干涉，屬于嚴重設(shè)備故障。

圖1 桁架機器人示意圖

3 Z 軸分析計算

3.1 Z 軸鋁型材截面選型

Z 軸鋁型材截面外形受關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的空間及驅(qū)動電機的負載特性限制，外形尺寸需做到280 mm×280 mm，長度L=4 150 mm.考慮到鋁型材截面形狀及此處驅(qū)動電機的負載特性，在外形尺寸一定、重量引入載荷在一定范圍限制的條件下，設(shè)計四種鋁型材截面（見圖2）.在表1 中對其影響剛度的慣性矩及設(shè)定長度的總重量做了對比分析。

表1 各種截面鋁型材性能對比

彎曲剛度D=EI（N·mm2），材料一致，彈性模量E 一致，決定型材抗彎曲能力的剛度與型材截面慣性矩成正比［1］。在最大外形尺寸和重量不發(fā)生大的變化的情況下，復雜化型材內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖2a）、b）、c）所示，對剛度增強的幅度不大，此時Z 軸選型需要以重量及制造難易程度為選型依據(jù)，保證強度的同時減輕重量，降低制造成本。選取Z 軸鋁型材剛性和重量要求相矛盾，在重量增加劇烈而剛度增加不明顯的情況，型材1（圖2a））相較于其他截面型材更為簡單，易于制作，在導軌、齒條安裝用槽口及連接螺紋處壁厚更厚，連接強度更為可靠。

3.2 力學模型簡化

圖2 常見鋁型材截面

對Z 軸有扭彎作用的力由意外撞擊、翻轉(zhuǎn)時手爪端整體的重心變化及空氣阻力三種方式產(chǎn)生，其中以意外撞擊產(chǎn)生的力影響最大，后續(xù)分析計算時以撞擊力為主要分析對象。桁架機器人意外碰撞到障礙物可能發(fā)生在單軸運動時，也有可能發(fā)生在多軸聯(lián)動時，其中多軸聯(lián)動涉及障礙物影響因素多，發(fā)生的概率及影響都較大。桁架機器人多個運動的方向互相垂直90°，聯(lián)動動作由不同運動構(gòu)成，其中校核主要是為保證Z 軸極限情況下的安全性能，Z 軸鋁型材在Z 方向上由四組滾輪限位，對其X、Y方向及轉(zhuǎn)動自由度均有了限制，屬于半剛性固定，可將其簡化，按照懸臂梁固定端處理，如圖3 所示[2]。

圖3 受力示意圖

3.3 Z 軸受力計算

為滿足生產(chǎn)效率和負載要求，各軸的運動速度、加速時間及負載在設(shè)計時已按照生產(chǎn)節(jié)拍確定。為方便后續(xù)計算，在表2 列出了1.5 t 桁架機器人的運動參數(shù)。

表2 1.5 t 桁架機器人的運動參數(shù)

已知選用Z 軸的型材截面積s=18 682.5 mm2，由附表2 得知，其X 方向慣性矩Ix=802 839 158 mm4，Y 方向慣性矩Iy=793 595 965mm4.

許用應(yīng)力【δ】=δs/n，δs為屈服強度極限，鋁型材為塑性材料，由拉拔成型，此處n 按照鑄件取值范圍1.6～2.5，此處取值2.

許用載荷Fq=【δ】s=（145×106/2）×16 882.5×10-6=1 354 481 N，極 限 撓 度 Wxmax=FqL3/3EIx=135 448×2.93/（3×6.9×1 010×802 839 158×10-6）=0.198 m=198 mm，Wymax=FqL3/3EIy=201 mm.

X 軸運動碰撞急停瞬時沖擊力Fx=ma=mv/t=8 400×0.9/1=7 560 N，此時產(chǎn)生的撓度Wx=FxL3/3EI=4.5 mm.

Y 軸運動碰撞急停瞬時沖擊力Fy=ma=mv/t=4900×1/1=490N，此時產(chǎn)生的撓度Wy=FyL3/3EI=2.9 mm.

Z 軸制動器和驅(qū)動電機失靈時，會發(fā)生自由落體運動，其加速度等于重力加速度，產(chǎn)生的力FZ=mg=3 830×9.8=37 534 N，此力作用下Z 軸的變形主要表現(xiàn)為軸向拉壓，不產(chǎn)生彎曲。

各軸單獨運動撞擊時，許用載荷（Fq）＞附加載荷（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z），極限擾度（Wxmax，Wymax）＞擾度變形值（Wx，Wy），許用載荷和擾度都沒有超過許用值，所以Z 軸鋁型材不會失效。

3.4 仿真分析

利用SolidWorks 的simulation 插件對X 軸運動碰撞急停時Z 軸的靜應(yīng)力進行分析驗算，由圖4 中可知變形位移為4.69 mm，與公式計算Wx=4.5 mm接近，通過此兩種分析結(jié)果對比，可對Z 軸鋁型材強度設(shè)計的可靠性做進一步確認。

手爪單側(cè)撞擊時，會在Z 軸鋁型材上產(chǎn)生一個扭矩，此時Z 軸會發(fā)生彎曲變形，將Z 軸向下運動產(chǎn)生的最大撞擊力FZ作用在單側(cè)手爪上時，由圖5形變色階對比來看，由端頭最大結(jié)果可知Z 軸最大變形為12 mm～14 mm，此變形比前面計算擾度限值小，符合設(shè)計要求。

4 總結(jié)

通過理論計算與分析仿真，驗證了已選型Z 軸鋁型材在極端情況下不會發(fā)生塑性變形失效的情況，其制造難度最小，成本最低，適合批量化生產(chǎn)制作，但是考慮到整體精度及碰撞后連接節(jié)點的穩(wěn)定性，還需要在程序上及時做出更新，通過增加耐撞能力及減少碰撞發(fā)生來共同保證設(shè)備安全運行。

圖4 X 方向撞擊變形分析

圖5 單側(cè)手爪撞擊變形分析