潔凈環境中鋼管轉運伺服滑臺的設計與應用

張守健 張 勇

（1.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110169；2.東軟醫療系統股份有限公司，遼寧 沈陽 110167）

0 前言

目前，生產企業內重復性勞動用機器人取代成已成為一種趨勢。其優點主要有2 個：1）降低企的業生產成本。2）提高產品的的生產效率。該項目成功應用于某公司多種規格鋼管搬運。省去了人工參與的搬運、碼放等工序，產品質量、生產效率大幅提高。

該產品的成功應用，表明其具有廣闊的應用前景?？蛇\用于鋼鐵、國防、航空航天、汽車制造、機械工業等具有相類似產品規格的行業，根據項目的具體需求，設計出符合生產要求的伺服滑臺，該產品已設計為標準化產品，具有占有場地小，施工和調試時間快等優點。在設計階段，運用SolidWorks 軟件進行三維建模，運用ANSYS 對關鍵部件橫梁進行受力分析，三維建模可以有效檢驗設計圖形是否存在干涉等情況，有限元分析單元可以對設計的結構進行必要的強度校核。保證設計的產品符合總體要求。

1 總體設計描述

項目中設計的伺服滑臺，與現有的加工機床、傳輸線、鋼管緩存庫以及鋼管存料庫聯成自動化生產線。機器人外加第七軸伺伺服滑臺，實現多工位之間的連接。根據項目的實際生產需求，要求設備的總體節拍輸送線的傳輸速度滿足實際工況，項目的總體設計參數，見表1。

表1 總體參數表

項目需要對3 種規格的鋼管進行轉運，對鋼管的夾具設計要求能方便更換，產品規格如下，見表2。

表2 產品規格表

2 項目主要設備

2.1 伺服滑臺

設備主要由5 個部分組成，包括伺服滑臺本體、機器人底座、六軸機器人、拖鏈系統以及鋼管夾具、控制系統。

設備底座采用拼接式連接的方式，設備整體用化學錨栓固定在地面上，并在錨栓孔中注入植筋膠，增加其與地面固緊力；本體線纜通過拖鏈系統，連接到電氣總控柜上，位于地面的電纜線，通過走線槽封閉起來，防止線纜外露。生產鋼管型號會隨著市場的變化有所調整，為了后期拓展，夾具設計為可調形式，采用八角型材，內部設有斜支撐，剛度較好，上面有多組定位孔，安裝螺釘時用鉚釘槍將螺母安裝在八角型材上，氣缸在夾具上的位置可調，滿足對不同規格產品夾持的需求，夾具采用特氟龍材質，防止對鋼管夾持時產生劃痕，夾持鋼管采用兩指平行氣缸，夾具兩端配有電容式傳感器，判斷工件在每次夾持時是否以經夾持到位。

項目設計之初，充分考慮了設備現場的安裝，因使用場地沒有吊車，并且設備安裝在二樓，場地狹小，起重設備無法進入，研究人員自行設計了一組可以拆卸的龍門架，同時配合現場搭設的腳手架，使設備成功落位。

伺服滑臺總體結構如圖1 所示。

圖1 伺服滑臺總體結構

伺服滑臺底座采用封閉式結構[1]，底座與底座連接采用插接形式，保證多段拼接時不會出現過定位；X軸的模塊采用滾輪導向，即滾輪軸承在矩形導軌上滾動，這種結構形式比傳統的直線導軌形式具有高速度、高精度、低噪聲等優點；封板采用304 不銹鋼鏡片拋光，拼接處采用密封條與上壓板扣壓，保證整體密封性能，符合千級環境下潔凈度的要求。伺服滑臺底座結構如圖 2 所示。六軸機器人的選型[2]如下。

圖2 伺服滑臺底座結構

根據最大的工件質量、工裝夾具質量總和、六軸復合運行時各軸運行速度以及加速度所產生的負載來對六軸機器人進行選型。因為工件長徑比較大，進行選型時運用SolidWorks 計算夾具的轉動慣量，并在機器人選型軟件中輸入其計算的轉動慣量數值，在機器人百分百速度運行時，滿足了整體性能要求，計算如下。

（12.5+33+10）×1.2=66.6kg，安全系數取 1.2。

經計算選擇SR80A 六軸機器人滿足總體要求，具體參數見表3。

表3 六軸機器人參數

第七軸電機和減速機選型計算如下。

X軸計算：伺服滑臺設計完畢后，需要根據測繪和計算得出第七軸電機總共的負載，同時考慮安全系數和慣量比匹配等要求[3]。

經計算所得參數如下。額定力矩T2N的計算如下。

按加速力矩計算額定扭矩如下。

根據以上計算，選用減速機如下。

慣量匹配計算如下。

式中：J減速機為減速機轉動慣量，J移動部件為移動部件轉動慣量。

負載慣量

選擇帶抱閘電機慣量Jm=79.2kg?cm2

慣量匹配λ=J/Jm=375.83/79.2=4.75（1 ≤λ≤10）

綜上所述，電機與減速機的選型匹配。

2.2 傳輸線

針對潔凈環境中的輸送線，在設計中采用如下結構形式[4]。1）機體機架、支腿為鋁型材。2）動力SEW 變頻減速電機，型號WF20DRS71S4-BE05-HF，額定功率0.37 kW，額定轉速71 r/min，額定扭矩37 N·m，220 V，50 Hz 制動器。3）驅動形式減速電機線體一端一側法蘭連接，通過防塵同步帶模組帶動工件，線體需實現往復運動。4）防塵同步帶模組產品輸送線由一組同步帶構成，二者動力來至于同一電機。減速機上的輸出軸帶動2 條同步帶使其同向轉動，2 條同步帶再分別將動力傳遞至兩滑塊實現工件同步傳動，模組有效行程6 000 mm，導程135 mm。5）輸送工裝產品輸送線工裝主體采用4080 型材，下與兩模組滑塊連接固定，型材上固定兩V 型工裝用于支撐玻璃管工件，工裝材料采用聚四氟乙烯。工裝型材側面固定若干組聚氨酯塊防止工件在運輸中掉落脫離線體。6）定位裝置線體上料端（EMS 下料處）通過兩根型材及安裝其上的導向裝置與EMS 相關部件進行定位，完成精準上料。7）防護裝置根據需方要求，考慮到工況防塵等級，在機架上平面布置鋁塑板進行防塵保護。8）表面涂裝結構件進行噴塑處理，色號待定。9）檢測裝置在EMS 下料處布置2 對接近開關以檢測工件有無及工件定向，接近開關通過型材固定在地面上。10）設備零部件加工標準化，通用可互換性強。設備工作面應平整光滑，接口連接處應光滑平整過渡。所有設備工作面邊角處應去毛刺并倒鈍角、焊縫均應打磨光滑。11）設備工作時噪聲≤75 dB（離設備1 m 遠）。12）驅動裝置無滲油現象，運轉平穩，連續運行4 h 后溫度不大于80 ℃，且油溫不高于85 ℃。13）設備上的金屬外露表面，除不銹鋼材料或鋁材外，用噴塑涂層、鍍鋅等防腐保護，與工件接觸部位采用特氟龍。驅動裝置配有防護罩。14）輸送形式：采用往復式運行15）輸送線速度：3 m/min～8 m/min，速度可調，運行平穩。16）傳輸線定位精度：重復定位精度±0.1 mm。上下料由六軸機器人機械手完成。

總體結構如圖3 所示，圖中尺寸單位為mm。

圖3 傳輸線結構圖

3 ANSYS 有限元分析

ANSYS 有多種運行環境，主要有3 個分析模塊：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。通過前期處理、夾具、載荷進行網格的劃分，力的加載，固定端的約束進行總體分析。分析結果的精度取決于材料屬性、夾具以及載荷。要使結果有效，指定材料屬性必須輸入正確的彈性模量、泊松比和密度等參數，夾具與載荷也必須符合零件的實際工況[5]。

靜態分析根據材料、夾具以及載荷計算零件中的位移、應變以及應力。材料在應力達到某個程度時失效。不同材料可承受不同程度的應力。

因六軸機器人在做鋼管轉運過程中會導致滑臺底座中的頂板支撐梁部分有偏載荷作用，選取頂板支撐梁進行受力分析，材料選擇Q345，受力約束為梁的兩端，載荷簡化為集中載荷施加在梁的中間。

有限元分析應力圖如圖4 所示，有限元分析位移圖如圖5 所示，從圖4 和圖5 中可以看出最大應力3.5036 MPa，最大應變1.8222×10-5mm，而Q345 鋼材料的屈服強度為345 MPa，345 MPa ＞3.5036 MPa。因此，強度方面滿足要求；從圖4 中可以看出，最大變形位于橫梁中上部Max。從圖5中可以看出最大變形處為0.012567mm～0.014138mm。其中，最大變形點為0.014138（mm）。變形量符合整體結構精度要求：0.5 mm ＞0.014138 mm，符合設計要求。

圖4 有限元分析應力圖

圖5 有限元分析位移圖

運用ANSYS 不僅可以對重要零部件進行受力分析，也可以對整體結構進行分析，驗證其可靠性，逐步對設計的模型進行優化，對重要部件逐步改進，改進后的模型強度和剛度都有提高，同時也降低了自身的重量。

4 結語

該項目首次在潔凈環境中運用六軸機器人、伺服滑臺、傳輸線，作為鋼管的運輸設備，完成了鋼管在各單元之間的搬運，針對特殊環境，對部分結構做了特殊的設計，滿足了項目的總體要求，截至發稿前，設備運行平穩，節拍已提升至2.5 min/件。項目運用SolidWorks 軟件進行三維結構的設計，并對關鍵部件進行了有限元分析，分析結果滿足強度要求，保證了產品的安全可靠，同時縮短了產品開發的周期，修改相關參數，即可進行相關結構進行參數化設計，使論文產品標準化、系列化。項目成功應用于實際中，為伺服滑臺在潔凈環境中、長行程中的應用積累了經驗，并為后續項目的推廣打下了基礎。