桁架機器人關鍵部件結構優化設計

于美森，杜銀明

（青島科捷機器人有限公司，山東 青島 266100）

桁架機器人作為一種多自由度以及用于各種任務中的自動化設備，不僅可以進行自動化控制、還可以在空間XYZ直角坐標系基礎上進行反復編程。在桁架式機器人中使傳統的物流方式發生了根本性的轉變，使其工作運行環境得到了有效地改善，使其機械零部件在生產過程中，實現數字化、信息化以及無人化生產管理，不僅使產品的生產質量得以有效保障，還大大提升了勞動生產率，將工人從繁重的體力勞動中解放出來，使現代制造技術達到一個嶄新的水平。

1 桁架機器人整體結構設計

桁架機器人的整體框架為龍門式結構，框架包括立柱、滑臺、橫梁和豎梁。具體構造如圖1所示。在桁架機器人的立柱下方有物料輸送臺，在位于立柱大約70mm的位置安裝安全防護網。圖1顯示，在整個桁架機器人中運行期間的主要力量支撐來源于立柱，當橫梁和Z方向工作部件(滑臺、豎梁及末端負載)發生重力作用后，其中Z方向工作部件的重心距離立柱中心距離505mm。從理論力學知識可以知道，立柱產生的變形不僅與力的大小有關，而且與力到立柱中心的距離有關，此時橫梁及Z軸運動部件的質量會對立柱造成偏心傾覆力矩，造成立柱的變形，而這種變形會在末端執行器上產生放大作用，影響末端運動精度及整機的穩定性。因此，為了使桁架機器人的整體剛度得以提升，增加桁架機器人的剛度及穩定性，需要從以下兩方面進行。

（1）縮短橫梁上Z軸運動部件與立柱中心線的距離以減小偏心力矩的大小。

（2）為了提升橫梁的堅韌度，通過降低橫梁的彎度變形量，減少橫梁因為扭轉時對尾部精確值的影響，對機器人的橫梁采取優化設計。

圖1 改進后桁架機器人整體布局示意圖

圖2 桁架機器人整體布局示意圖

2 桁架機器人立柱的結構預改進設計

立柱可以保證桁架機器人中構造的穩定，一般采用鋼管和鋼板焊接而成的，在鏈接立柱和橫梁的位置呈L型結構，這樣不僅可以及時調整橫梁的工作面，還可以使位于橫梁上的豎梁（Z軸）的軸線始終垂直于立柱的安裝平面，如圖1所示。不過如果利用圖中的方法對橫梁和z軸進行鏈接時，支撐力量主要來源于連接面，這樣會引起橫梁在偏心力的作用下造成變形。對其結構進行改進設計時，要特別注意外界干涉，如圖1所示，和立柱有70mm距離的物料輸送裝置，在考慮安全問題的基礎上可以將距離調整為20mm，圖2是采取改進設計后的結構圖，通過減少橫梁及Z軸運動部件的重心距與立柱中心線的位置，還需要將橫梁和立柱鏈接的位置進行改進設計，利用將接觸面積擴大化處理。從原來的側面接觸改成側面和底面接觸，同時要使用加強筋，提高結合面的強度和剛度。

3 桁架機器人橫梁的多目標尺寸優化設計

橫梁(Y軸)是桁架機器人中的結構構造中最關鍵的一個基本構件，在橫梁(Y軸)中安裝著一些導軌和齒輪條，這些導軌運動方向朝向Y軸，還承受著構造中Z軸方向的重量以及滑臺的作用。在桁架機器人結構進行優化設計過程中，需要注意的是末端執行器的精準度的設計，其精準度直接受到橫梁的堅硬度的影響。在滿足使用標準要求以及生產工藝標準要求的基礎上，為了進一步提升桁架機器人的工作性能，對橫梁結構進行優化設計。

一般生產橫梁所采用的材料為鋼管和鋼板，鋼管采用無縫方形，長度是200×200×10 mm的方形鋼管，數量為兩根，總長度是5 m，兩個方形鋼管通過鍵進行連接固定。所使用的方管每個厚度相同，由于承受力與截面的面積相關，因此通過優化設計橫梁截面尺寸，減少橫梁的扭轉變形及Z向的彎曲變形。

4 桁架機器人結構改進

對桁生機器人橫梁結構進行優化設計過程中，建模時所選用的矩形鋼管尺寸為250×150×6。對三維模型的靜力進行有限元分析過程中，采用Solidworks Simulation軟件進行，承受力度為20kg時，圖3中所顯示的是桁架機器人節點的應力荷載情況，圖4所顯示的是節點發生變形之后的云圖，比較20kg承受力下的分析結果如表1所示。

通過表1對比結果顯示：在經過對桁生機器人的構造進行優化設計之后，其變形量降低在0%～29%之間。經過優化設計之后，桁生機器人的結構發生變形最大數值和最大應力減小數值具有較為突出的改變，這充分說明，當桁生機器人通過優化設計之后，只在結構上發生了變化，其結構上有較大的優越性，其它方面，如網格劃分的能力一樣、材料屬性相同、制約力和承受力度都一致。

圖3 綜合改進后巧架機器人節點等效應力分布云圖

圖4 綜合改進后巧架機器人節點變形云圖

表1 綜合改進前后結果對比

5 結語

對桁生機器人的結構進行優化設計效果較好，通過優化設計改造后的桁生機器人，其變形量在20%～29%之間。桁生機器人在經過結構改造之后，其成本在投入一樣的情況下，桁生機器人在性能上更勝一籌，在市場競爭過程中更有影響力和競爭力。