新型桁架機器人的研發與應用實踐

王士宇

（上海固都自動化工程有限公司，上海201206）

0 引言

在自動化工業生產領域，人們越來越傾向柔性化、自動化生產，機器人自動化生產應運而生，在自動化工業領域得到了廣泛應用。目前，機器人通過各種應用也在不斷進行著細分，桁架式機器人就是應用較為廣泛的典型類型之一。桁架機器人在數控機床自動上下料領域、自動化流水輸送線的自動上下料領域有著非常廣泛的應用，它具有自動控制、可重復編程、多自由度、運動空間直角關系的特點，特別適用于多品種、大批量的柔性化作業，能夠有效提高生產效率和自動化程度。

1 桁架機器人開發過程

隨著自動化水平的提高，桁架機器人被應用在越來越多的領域。我們開發了性能更優的新型桁架機器人以適應各種應用場合，其結構如圖1所示。

圖1 桁架機器人結構

該桁架機器人采用獨特的桁架系統，可以保證立柱靈活地安裝在橫梁的任意位置。在橫梁表面，每隔100 mm加工好螺紋孔，可保證立柱位置的自由調整以及接油盤、拖鏈支架等部件的安裝。通過每隔100 mm調整減震器的位置，可調整桁架的使用行程。橫梁是模塊化結構，采用標準長度（6 m），通過精密的連接元件緊固連接，可保證任意長度的無限制拼接。

桁架機器人主要結構特點如下：

（1）X、Y、Z三個移動軸，采用重載鋼管和鋁型材承重梁結構。

（2）伺服電機驅動，斜齒條、齒輪傳遞動力。

（3）采用獨特的滾輪導軌的導向系統。

在相同質量流率的情況下，隨著微通道分支數n的增大，熱沉最大熱應力σ逐漸降低。當質量流率=1.5g/s時，微通道分支數為n =8，與n=3、4、6時的最大熱應力相比較，分別降低0.106、0.061、0.025GPa，降低幅度分別為26.9%、17.5%、8.0%。

（4）Z軸工作端配置夾具，進行加工零件的上下料。

（5）電控系統輸出端為標準快插接口，即插即用。

1.1 導軌導向系統的研發

1.1.1 滾輪的選擇

在導軌導向系統的研發過程中，通過對比傳統的滾珠滑塊導軌與滾輪導軌的特點，發現滾輪導軌具有速度快、壽命長、易安裝和耐粉塵的特點，更適合磨齒機的工作環境。我們選擇了滾輪導軌，確認使用FR25系列的偏心滾輪。該偏心滾輪端面有兩個孔，可以通過開口扳手和圓柱卡鉗按照設定的值來調整背隙和預緊滾輪，可延長滾輪使用壽命。

1.1.2 齒輪、齒條的選擇

選擇齒條時，必須校核導軌系統的齒輪是否與所需的驅動力和力矩匹配。計算時，需要考慮齒根應力系數SF≥1.4，同時需要考慮應力系數SH≥1。

1.1.3 滾輪導軌系統結構

每根導軌上放置兩個滾輪支撐組；每個支撐組內有三個滾輪，在滾動的過程中，滾輪軸承只承受徑向力，處于最理想的受力狀態。四個支撐組合起來使用，可承受各個方向的力和翻轉力矩。滾輪導軌系統結構如圖2所示。

圖2 滾輪導軌系統結構

1.2 移動軸承重梁的研發

1.2.1 承重梁截面的設計

根據市場調研，FP桁架機器人的最大工作負載范圍定義為Fmax=1 000 N，即可滿足大部分的應用。

X、Y軸采用160 mm×160 mm特殊定制的鋼管；Z軸采用鋁型材，材質為AW-6063 T6，截面尺寸如圖3所示。經力學校核，該截面符合承載要求。

圖3 截面尺寸

1.2.2 行程與最大載荷

X、Y軸均有支撐結構，單體最大行程可達6 m，可以拼接延伸，最大載荷不受行程影響。因Z軸連接工作端，Z軸最大行程2.5 m。經分析驗算，Z軸最大載荷與行程關系如下：

1.2.3 Z軸承重橫梁的變形計算分析

按照最大行程，承重橫梁在最大載荷作用下的變形量為：

即該截面的鋁型材在6 m長的跨距、100 kg負載的作用下，變形量為0.4 mm。

從上面的數據可以看出，該形式的承重梁具有很好的剛性，在相當負載之下，依然可以保證極小的變形量，適合高精度的工藝要求。

1.2.4 承重梁的特點

X、Y軸由160 mm×160 mm特殊定制的鋼管及滾輪導軌、斜齒條組成。斜齒條全部經過精密切割，外表面經過精密的研磨，最大偏差僅為0.02 mm，沿橫梁依次拼接。平導軌的表面經過硬化處理，硬度可達56-62HR。滾輪由硬化軸承鋼制作而來，與導軌研磨面相接觸。這種滾子軸承配合將使允許軸向和徑向時達到最高精度，任何間隙都可以通過偏心軸迅速和容易地消除。

Z軸采用鋁型材，具有良好的防銹性能，型材端部的結構可直接打孔，方便安裝工件抓取裝置。此外，鋁型材側面T槽方便了限位開關、傳感器等零件的安裝。

1.3 電控系統

PLC采用西門子系列，PLC系統具有以太網通信接口。電控柜安裝帶觸摸屏的工控一體機，用于設備操作。

2 桁架機器人在實踐中的應用

在工業生產線上，工件經常需要在流水線與加工工位之間來回上下料動作，這類工作繁復簡單，傳統應用手工線進行上下料存在許多弊端。而隨著工業自動化的發展，許多企業廣泛采用工業機器人來實現上下料的工藝過程，桁架機器人在各個行業的應用可謂大勢所趨。

2.1 桁架機器人在機床行業的應用

瑞士法斯勒（Faessler）公司是一家全球知名的機床生產制造商。該公司生產的HMX-400齒輪珩磨機是一種非常知名的機床設備，廣泛應用于各個領域的硬齒輪的精加工。機床設計工作周期時間25 s，工件最大重量10 kg。

我們為該機床提供了ZP-3系列桁架。桁架運行速度為Y軸125 m/min、Z軸90 m/min，最終每21 s完成一個加工周期。該桁架機器人最終成為HMX-400齒輪珩磨機的工件上下料自動化標配系統，得到了客戶的認可。

美國格里森（Gleason）公司是知名的齒輪精加工機床生產制造商。該公司生產的300TWG數控蝸桿砂輪磨齒機具備全數控化、高精度化、磨削高速化、功能復合化等特性。該機床結構小而緊湊，用戶在安裝和搬移機床時，無需使用特殊的起重設備或特殊的地基。該機床設計性能如下：工作周期時間18 s，工件最大重量35 kg，軸最大行程450 mm。

我們為該機床提供了ZP-4系列桁架作為其上下料工序的標準模塊。桁架運行速度為Y軸160 m/min、Z軸112 m/min，最終每16 s完成一個加工周期。該桁架機器人完全滿足磨齒機高精度、高速度工況下的自動上下料工作，是桁架產品在高端機床應用的典型案例。

2.2 桁架機器人在零部件加工行業的應用

美國卡特彼勒（Caterpillar）公司是知名的工程機械和礦山設備生產廠家。公司生產使用的齒圈應用在自己的履帶牽引機和挖掘機上。從上料加工到成品離線，齒圈的加工全部自動化完成，整個生產步驟包括：兩個不相合齒輪牽引，一個去毛刺機床，一個清洗機，還有進給和退出功能的工程傳送帶。所有加工步驟均由桁架機器人實現自動化功能。

我們提供了兩條FP系列桁架機器人組合結構，一條桁架線安排兩齒輪牽引，另一條線實現去毛刺和清洗的工藝方案，每條線都由線性桁架實現自動化操作。桁架Z軸工作端采用液壓抓手進行齒圈抓取，可完成直徑從280 mm到470 mm的工件的生產加工。采用架空式的支撐結構，滿足了客戶既減少空間又符合人機工程學的要求。比較起安裝在地面的處理系統，桁架式更容易實現對加工中心的維護任務。較之前的自動化系統，每個零件的成本降低了7%，人力資源成本降至到50%。

2.3 桁架機器人在物流行業的應用

桁架機器人在物流的輸送、搬運、碼垛等方面有很多典型的應用。在上海煙草集團的一個物流碼垛項目中，要實現煙箱的拾取碼垛。客戶將煙箱托盤輸送到桁架的取料點位置，桁架機械手將抓取煙箱并放置到放箱輸送機上，最多時為3箱同時抓取，每個煙箱重量20 kg，單次工作時間大約為20 s。

我們提供了FP-4型三自由度桁架機器人用于煙箱的拆盤和拆垛。整條輸送線利用長行程桁架機械手，拼接長度達到65 m。桁架運行速度為X、Y軸150 m/min，Z軸90 m/min，最大工作負載120 kg。抓手采用真空吸盤的形式，抓取位置為煙箱兩側表面。最終實現了對煙箱的拆垛和自動化輸送。

3 結語

在中國，機械手的工業應用前景巨大，工業機器人替代人工的節點已經到來，桁架機器人正在改變著中國制造業。桁架機器人架空式結構使得車間內設備布置更為集中緊湊，提高了廠房單位面積的使用率。使用桁架機器人可以提高生產過程中的自動化程度，有利于加快材料的傳送、工件的裝卸，從而提高勞動生產率，降低生產成本，加快實現工業生產自動化的步伐。

[1]上海派然濤工業技術有限公司.重載鋁型材的龍門機械手應用案例[Z]，2015.