等離子去板坯毛刺機器人機構設計與研究

朱寶林，許四祥，郝 奇，江天琦

（安徽工業大學機械工程學院，安徽馬鞍山 243002）

現代化的大型連鑄機采用火焰切割的方式將連鑄坯切割成定尺長度，火焰切割后熔融的鋼液向下流動導致板坯底部粘連有一條呈冰柱狀毛刺，嚴重影響了軋鋼成品的表面質量和軋輥的壽命［1］。目前常用的去毛刺機主要分為刮刀式和錘刀式，前者主要利用刮刀將毛刺鏟除，后者主要利用高速轉動的錘刀將毛刺以脆性斷裂的形式去除。但這兩種方法去除毛刺的質量一般，刀具壽命較低，嚴重影響軋鋼的生產質量和效率［2-3］。本課題組提出了一種去除板坯毛刺的系統［4］，但系統中使用的龍門架搭載等離子槍的切割方式靈活性不強，且切割精度不高。在此基礎上，提出了一種5自由度專用機器人等離子切割板坯毛刺的新方法。

鑒于此，擬正向設計一種專用的工業機器人本體搭載等離子切割裝備來完成去毛刺作業，并對該機器人進行相關部件的設計和選型。采用ADAMS軟件對其進行動力學仿真研究，以此驗證機構設計和零部件選型的合理性。

1 總體設計方案

該機器人主要用來搭載等離子切割設備，代替傳統冶金連鑄過程中的機械去板坯毛刺裝置，能滿足快速、實時、高效的去除板坯毛刺需求。所以其需要具備工作范圍大、動作靈活、結構較緊湊等特點。擬正向設計的機器人按圖1所示連鑄生產線進行布置，其中機器人布置在輥架左側底座處，切割的工作點位于板坯的右下角點。

圖1 連鑄生產線布置圖

如圖1所示，機器人工作空間范圍L≥500＋250＋1 600＝2 550 mm，即機器人的工作最遠點應大于2 550 mm，故將該機器人工作空間定為2 600 mm。機器人工作空間主要由大臂和小臂決定，大臂和小臂的長度可由式（1）（2）初步設計。

由式 （1）和 （2）知；L大臂≥825 mm；L小臂≤1 775 mm。

根據機器人的工況，5個自由度即可靈活地完成該工作任務，故設計機器人為5自由度關節式機器人。考慮到等離子切割槍的質量，預設負載為5 kg，參考國內外相關類型的機器人，初步設計機器人相關參數如表1所示。

表1 機器人基本性能參數

2 傳動方案的設計與選擇

為保證等離子切割機器人的運動精度，方便建立閉環控制系統，故采用伺服電機作為各軸的驅動裝置，同時采用RV減速器和行星減速器作為相關關節的減速裝置，這不僅使關節結構緊湊，而且有較大的減速比，傳動精確可靠［5］。

2.1 S軸傳動方案設計與選擇

S軸方案1如圖2（a）所示，電機安裝在基座上面，其輸出軸末端安裝有一個直齒輪，直齒輪與RV減速器上的齒輪嚙合，然后經減速器降低速度提升扭矩，由第一關節軸帶動整個腰部在基座上回轉。

S軸方案2如圖2（b）所示，交流伺服電機安裝在基座底部，輸出軸與減速器直接相連，帶動第一關節軸轉動，使整個腰部在基座上回轉。

方案1與方案2在傳動實現上都是可行的。兩者均采用了減速比大、質量輕、體積小、精度高、承載能力較強的RV減速器。方案1雖然多了一對齒輪嚙合傳動，但結構簡單，承載能力強，安裝維修也較方案2簡單［6］。故綜上考慮，選取方案1。根據方案1傳動方案，S軸三維設計如圖2（c）所示。

圖2 S軸傳動設計與選擇

2.2 L軸和U軸傳動方案設計與選擇

大臂和小臂都采用的是電機與減速器直連，直接帶動大臂與小臂的回轉運動，如圖3（a）所示。這種設計方案結構簡單緊湊，安裝方便，通常用于負載較小的機器人（L負載≤30 kg）［7-8］，根據設計方案L軸和U軸三維設計如3（b）所示。

圖3 L軸和U軸傳動設計與選擇

2.3 B軸和T軸傳動方案設計與選擇

B軸傳動方案如圖4所示，交流伺服電機經行星減速器減速，減速器與齒輪1連接，直齒輪1與齒輪2嚙合，將扭矩通過第1傳動軸傳遞至錐齒輪1，錐齒輪1與錐齒輪2嚙合帶動錐齒輪2轉動，從而帶動整個腕關節實現俯仰運動。

T軸傳動方案如圖5所示，交流伺服電機通過行星減速器，經過一系列齒輪傳動，將扭矩傳遞至錐齒輪6處，從而帶動機器人末端實現連續回轉運動。

圖4 B軸傳動方案

圖5 T軸傳動方案

圖6 是根據B軸和T軸傳動方案所設計的機器人小臂三維圖和機器人腕關節三維圖。

圖6 B和T軸三維設計圖

根據上述所選擇傳動方案和機器人各關節設計的三維圖，將各個關節在SolidWorks進行裝配，可得機器人三維設計圖，如圖7所示。

圖7 機器人三維設計圖

3 電機及減速器的選型計算

為了能匹配到合適的電機和減速器，需要從力矩、轉速以及慣量匹配等選型準則入手。由于伺服電機及減速器的選型方法和其工作方式有關，不同的工作方式，其參數的選擇也就不同。當伺服電機以周期工作制工作時，應選擇最大加速力矩為其力矩參數；當以連續工作制工作時，應選擇額定輸出力矩為其力矩參數［9］。因此，在選擇電機和減速器時，要先判斷伺服電機的工作方式，然后再進行相關選型計算。

3.1 S軸電機及減速器選型計算

以S軸為例進行電機和減速器的選型。如圖8所示，當大臂和小臂都處于水平狀態時，第1關節處的負載慣量最大，處于最危險工況處，此時重力和摩擦力可以忽略不計。由SolidWorks中分析功能可知，關節1的轉動慣量為194.497 kg·m2，第 1軸最大轉速為 90（°）／s（15 r／min），達到最大轉速所需時間0.15 s，安全系數為1.3。

關節1角加速度為：

關節1啟動慣性力矩為：

所以關節1的驅動力矩為：

初選伺服電機是安川SGM7G-30A6，其額定輸出功率為2.4 kW，額定扭矩為15.1 N·m，最大扭矩為45.1 N·m，額定轉速為1 500 r／min，最高轉速為3 000 r／min，轉子轉動慣量為53.9×10-4kg·m2，帶制動器，慣量比許用值為［λ］＝7。初選減速器，型號為RV-200C-34.86-A-B，減速比為34.86∶1，容許最高輸出轉速30 r／min，瞬時容許最大力矩17 640 N·m，其15 r／min時的輸出轉矩為1 961 N·m，容許力矩為8 820 N·m。由于電機和減速機是齒輪嚙合，其齒數比為110∶40，故整體減速比i＝34.86×110／40＝95.7。

圖8 第一關節處危險工況

首先將關節驅動力矩轉換成電機末端慣性力矩：

進行慣量匹配計算：

減速機末端的轉速為：

綜上，由式（6）～（8）可以得到所選電機和減速器滿足轉速、轉矩和慣量匹配要求，所以選型是合理的。

同理，可以根據S軸選型過程對其他關節進行電機和減速器的選型，選型結果如表2所示。

3.2 等離子切割機器人動力學仿真

機器人ADAMS動力學分析旨在評估尚在研究設計中的機器人本體結構、運動學和動力學的合理性，以此來優化模型［10-12］。

表2 電機及減速器選型結果表

仿真流程簡述如下：首先將建好的機器人模型以parasolid文件格式導入ADAMS動力學軟件中，并配置模型相關的質量、顏色以及關節間的約束；然后確定導入的機器人與需要切割板坯之間的位置關系［13］，選擇機器人末端建立仿真的TCP點；最后給機器人各關節添加驅動函數，使TCP點按照預設運動軌跡完成切割任務，仿真結果如圖9所示。

圖9 機器人運動軌跡仿真結果

圖10 （a）（b）和（c）分別代表機器人 TCP點的位移、速度以及加速度曲線圖。圖10（a）中位移曲線在0～12 s內運動平穩，在12～29 s呈現為一條近似直線段軌跡，這與仿真中該段過程為切割板坯毛刺階段相吻合；圖10（b）中速度曲線在0～10 s和10～12 s內各為一段拋物線軌跡，這一階段為TCP點接近板坯切割起點，在這過程中有加減速過程，與拋物線運動速度軌跡相吻合，在12～29 s為一段加速、近似勻速、再減速的直線切割運動軌跡，這與切割過程相一致；圖10（c）中加速度曲線光滑連續沒有出現斷裂。綜上，所設計的機器人動力學性能良好，能穩定地完成切割運動，達到預期要求。

圖11為仿真過程中S軸關節力和力矩曲線圖，從圖中可以得出S軸的峰值扭矩為：T＝2 370 N·m。

圖10 機器人TCP點的位移、速度以及加速度曲線

圖11 S軸力和力矩曲線

將關節驅動力矩轉換成電機末端慣性力矩：

由式（9）和（10）可得，TS和 T1相差不大，兩者的差距主要是因為電機選型計算是按照最危險工況計算的，所以T1偏大，而且在仿真過程中也沒有達到最險工況，所以S軸電機選型達到要求。同理可驗證其他關節電機的選型計算結果。

4 結束語

在原龍門架式搭載等離子切割設備的基礎上，提出了一種5自由度專用工業機器人搭載等離子切割裝備去除板坯毛刺的新方法，正向設計了一種專用機器人本體，并對其進行了傳動結構的選擇和設計，以及電機和減速器的選型。

通過ADAMS動力學軟件仿真機器人運動軌跡仿真，結果表明機器人運動位移、速度以及加速度曲線光滑連續，沒有出現斷裂現象，動力學性能良好；從力與力矩曲線分析可得所選的電機和減速器也符合性能要求，驗證了該機器人機構設計的合理性和可行性。