喷涂机器人行走系统改造

周化文

（长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春130022）

目前，工业机器人已经广泛应用在汽车制造业中，其不仅能够满足生产线上汽车多型号的需求，也能够满足设备连续工作的要求。一汽轿车股份公司的汽车喷涂过程就由喷涂机器人来完成，所用喷涂机器人从法国艾斯曼公司进口。但是这种机器人的行走机构的设计中存在着一定的安全隐患，在其经过3年左右的使用后，出现了多次因I轴同步带轮脱落，导致喷涂机器人触地的事故。由于汽车生产的各个环节是紧密相关的，这一个环节的故障会使整个工厂的所有汽车生产线停止工作，造成重大的经济损失。为此，本文针对这种机器人行走机构中的设计不足，进行了分析、重新设计。经过设备改造，解决了之前出现的问题，保证了生产的正常进行。

1 事故原因分析

喷涂机器人是汽车生产过程中车身喷漆的主要设备。一汽轿车喷涂车间的喷涂生产线有几十台喷涂机器人。这些喷涂机器人在生产线安装使用的前3年一直都处于正常的工作状态。但之后就多次出现了喷涂机器人脱落触地的事故，每次事故都会造成几十万到上百万的损失。经检查，事故的原因基本一致，都是由于机器人行走传动系统的同步带轮脱落导致的。

行走传动系统负责喷涂机器人的上下往复运动，是喷涂机器人各部件中载荷最大的部件。如果行走传动系统损坏，会导致喷涂机器人直接落到地上，造成喷涂机器人上其他重要部件的损坏。

经过对事故损坏设备的分析，发现同步带轮脱落主要有两种表现：同步带轮的安装螺钉的螺帽断裂失效和同步带轮的螺钉安装孔断裂。

如图1所示，减速器与同步带轮的连接方式是靠螺钉压紧减速器输出轴端面与带轮端面。同步带轮的紧固螺钉为7个高强度M8内六角螺钉及一个定位销钉，单个螺钉的保证载荷为35 kN。这样的固定方式在短时间内使用没有问题，但是不适合长时间的连续使用。

图1 原减速器与同步带轮连接形式

通过对同步带轮工作中的受力状态进行分析发现，如图2所示，同步带轮在传递扭矩的同时还要承受喷涂机器人和配重共同形成的向下的力F。经计算F大小为4 200 N左右。力F的作用位置与输出轴的端面有一定的距离，这样处于连接位置下方的螺钉的螺帽就受到一个向外的力F1的作用。并且喷涂机器人在使用中需要频繁的换向，从而导致整个系统都要受到一定的冲击与振动。设备运行的初期这些作用的影响还不明显，但在振动和力F1的长期共同作用下，同步带轮和减速器输出轴端面会出现变形，表现为在减速器输出轴端面与同步带轮端面的接触处就会出现微小间隙e。当间隙出现后，振动也随之加剧。这样的状态导致了两种后果：

图2 螺钉受力分析

（1）同步带轮与减速器输出轴端面发生松动，原本运动时扭矩的传递靠同步带轮与输出轴端面间的摩擦力传递，现在完全靠螺钉与同步带轮螺钉安装孔的侧壁的接触来传递。这样在交变载荷的作用下，同步带轮的螺钉安装孔迅速变形，进而发生断裂。

（2）随着间隙e的逐渐加大，螺钉的螺帽受到的冲击越来越强，当达到螺帽的疲劳强度后导致螺帽的失效脱落。这两种情况在机器人的工作中是同时存在的，哪种情况先发生，事故就表现为哪种形式。

通过以上的分析，可以看出机器人脱落触地的这两种表现形式都是由于同步带轮的安装方式不合理造成的。

2 改造方案

通过对事故原因的分析，我们认为要想提高整个行走传动系统的安全性和稳定性，就必须改变靠同步带轮的连接螺钉同时承受扭矩及喷涂机器人自身重量的安装方式。由于行走传动系统中使用的减速器为国外生产零件，如果更换减速器，将要对整个控制系统的控制程序及相关参数进行很大的改动，这样需要进行多次的实验和生产验证，这就使改造周期变长并存在一定的风险。基于这个考虑，我们决定仍使用原来的减速器。根据这些条件和要求，我们设计了新的行走传动系统，如图3所示。

图3 行走传动系统原理图

在这个传动系统中，同步带轮A固定在一根传动轴上，传动轴的一端固定另一个同步带轮B，传动轴使用两个轴承支撑固定。减速器的输出轴上也固定一个同步带轮C。

在工作的时候，电机带动减速器，减速器的输出轴通过同步带轮C、同步带轮B，将运动传递到同步带轮A。同步带轮A带动喷涂机器人进行行走运动。

这个新的行走传动系统相当于在原来的传动系统中增加了一级传动。增加这一级传动使得整个系统的受力状态有了很大的改善。同步带轮C与减速器输出轴的连接，虽然因为减速器的特殊结构而没有改变，但是紧固螺钉现在只是传递扭矩，不再承受压力，所以不会再受到交变载荷的影响，没有了交变载荷的影响，传动系统中的同步带轮和减速器输出轴也不会发生变形，扭矩靠减速器输出轴端面与同步带轮C端面之间的摩擦力传递的状态也就不会改变。喷涂机器人和配重的重量通过传动轴作用在支撑轴承上，不会对其他部件造成影响。设计结构如图4所示。

图4 行走传动系统总图

3 结束语

改造前的行走传动系统中的同步带轮安装形式存在严重的安全隐患，其结构会使相关部件因变形而出现缝隙，从而导致紧固螺钉会因交变载荷的作用而断裂或者同步带轮安装孔断裂，为生产带来很大的损失。改造后的行走传动系统整体稳定性及安全性显著提高，解决了因系统失效而带来的隐患。同时也因安装位置的改变，使设备维修也较原来更为方便。