桁架式机器人的机械设计与研究

朱金权

摘 要：本文介绍了桁架机器人的基本组成、结构特点、传动系统及结构设计时的相关计算， 为桁架机器人在工业制造领域的普及和应用提供相关技术支持。

关键词：桁架机器人；横梁；结构特点；结构设计；设计计算

中图分类号：TP242.2 文献标识码：A1概述

桁架式机器人是一种综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能等多学科而形成的高新技术产品。是一种能进行自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作设备。随着国内企业用人成本的不断增加，桁架式工业机器人在制造业中实现规模化生产、摆脱单调重复的体力劳动、提高产品质量方面具有明显的优势，在高温、有毒场合具有人工无法替代的作用，在机械加工业具有广泛的运用，了解和掌握桁架式机器人的特点、结构和设计，对推动我国机器人的运用具有现实的指导意义。

2结构形式与特点

2.1结构形式：

桁架机器人的结构形式如图1所示，总体为龙门框架结构形式，根据加工零件生产工艺要求，可以将多台加工设备（加工中心或数控设备）组合成一个独立的自动化生产单元，实现零件的自动化、批量化生产，从而提高生产效率和产品质量。根据龙门跨度的长短，为提高设备上横梁的刚性，可在两端立柱之间适当增加中间立柱，中间立柱的位置一般以跨度5～6米为宜。按照这种布置形式，桁架机器人可以尽可能多得将多台加工设备组合在同一加工单元内，最大限度的满足加工要求，提高生产效率。

2.2设备特点：

2.2.1运动部件直线运行，最大直线运行速度达150m/min（即2.5m/s），速度5倍于机床的运行速度；

2.2.2运动时的加速度2倍于机床的加速度，达到10m/s2；

2.2.3重复定位精度高，达到±0.05mm，完全能满足一般自动加工设备的定位精度要求；

2.2.4最大限度地将零件加工工艺所需加工设备有机组合在一个加工单元内，实现加工功能化、规模化；

2.2.5立体龙门空间结构，占地面积少，维护维修方便；

3设备组成

3.1立柱：立柱是桁架机器人的基本结构件之一，是支承上部横梁，固定桁架机器人于安装基础平面的重要结构零件。通常采用“冷拔无缝方形钢管”和钢板焊接而成，上部设计成L型结构用于连接横梁，能方便安装时调整横梁的工作面，使安装于横梁上的竖轴（Z轴）的轴线垂直作用于立柱安装基础平面，同时为增加立柱的稳定性，立柱下部的安装面应使上部横梁受力作用点落在立柱下部的安装底板有效范围内，以减少因上部横梁和Z轴运动部件的质量对立柱造成的偏心倾覆力矩。

3.2横梁：横梁是桁架机器人的另一重要基本结构件之一，它的刚度、强度直接影响到整个设备的精度。因此横梁的设计是桁架机器人设计的关键，它是桁架机器人的X轴，其上安装有Z轴沿横梁运动的导轨组件和齿轮齿条传动机构，承载着机械手抓取机构的自重、机械手抓取的外部负载、整个Z轴机构的自重等载荷。横梁两端装有限制Z轴运动超出行程的行程限位器和端盖。

3.3竖轴：竖轴又称为Z轴，是机器人上下运动的轴，它上部安装于和X轴相连接的托板上，下部装有抓取工件的机械手，其上装有Z轴上下运动的导轨组件和齿轮齿条传动机构。Z轴上端部装有Z轴运动限位器和端盖。

3.4托板：托板是桁架机器人运动及驱动机构的安装主体零件，其上安装有如下零部件：

3.4.1驱动Z轴沿X轴运动的电机及减速机组件；

3.4.2驱动Z轴上下运动的电机及减速机组件；

3.4.3沿X轴和Z轴运动时的润滑系统；

3.4.4 Z轴上下运动时的电缆及气管拖链；

3.4.5沿X轴和Z轴运动的导轨滑块或导向滚轮组件及相应润滑和刮削保护罩；

为提高Z轴运动时的重复定位精度，减少Z轴运动时的运动惯量，托板通常采用铝合金材料，以减轻自身质量，减少运动惯性冲击。

3.5手爪：手爪是桁架机器人运动时抓取工件的执行机构，它安装于桁架机器人Z轴的下端。根据抓取工件的大小、质量、形状及工作节拍的不同，抓手的结构也发生相应的变化，为有效实现手爪的抓取功能，手爪上需要设计并安装如下功能部件，并确定相关技术参数：

3.5.1爪手定位功能部件：确定爪手与工件之间的正确位置，实现爪手准确抓取工件的部件，通常采用导销、导套定位；

3.5.2工件抓取或松开部件：实现爪手抓取工件时，夹紧与松开的部件，设计时需计算爪手的额定抓取质量，它是机械手的重要参数之一。根据工件的结构形式，设计时需考虑如下：

（1）工件在爪手中的定位方式：固定机械挡块定位、可调机械挡块定位、行程开关，电位器及各种位置设定和检测传感装置；

（2）夹紧与松开的驱动方式：气动、液动、电动或机械传动；

（3）手指夹持范围：针对工件的形状和夹紧位置，为确保爪手能正确取放工件，手指夹紧和松开的范围大小；

（4）定位检测位置传感器：在定位功能部件上安装的定位检测传感器，用于在爪手抓取工件前给爪手的驱动（电机控制器、气缸或油缸的电磁阀）发出定位到位信号的装置；

（5）夹紧、松开位置传感器：在工件抓取或松开部件上安装的定位检测传感器，用于爪手夹紧、松开工件到位后给机器人发出定位到位信号的装置，便于机器人接收到夹紧、松开信号后执行后面相关动作；

（6）爪手的自由度数目及驱动源：为顺利抓取和放置工件，需考虑整个爪手共有几个运动自由度，同时需考虑这些自由度实现的驱动源：气缸、油缸、电机的布置及安装方式，气压、油压大小、电机的型号或规格等；

（7）整个爪手的质量：爪手的质量是爪手未抓取工件时爪手自身的质量，它是计算机器人承载能力的参考因素之一。桁架机器人的承载能力取决于爪手的额定抓取质量及整个爪手的自身质量，两者之和的大小是各轴相关设计计算的依据。

（8）拖链：拖链是桁架机器人运动时各个运动轴上通信电缆、气管、油管、信号线的固定、连结和支承的载体，它具有方便、美观、牢固、耐磨、低噪音的特点，在桁架机器人行业中已广泛使用。

3.6润滑系统：桁架机器人的齿轮齿条、导轨滑块、导向滚轮等各运动部分，由于不停地高速运动，运动部件之间会发热、磨损，从而影响设备的精度。为此，在各运动部件处设置润滑点。将润滑系统安装在托板上，电动润滑泵将润滑脂不断输出，通过润滑系统控制器，将润滑脂定时、定量地输送至各润滑点，实现集中润滑。

4传动系统

4.1伺服电机：伺服电机是驱动各运动部件（X轴、Z轴）运动的动力源，安装于托板上，电机主轴前端与减速机的输入端相连，在减速机的输出轴上装有带动各运动部件运动的齿轮，齿轮与齿条相啮合，齿条固定于各自轴的横梁上，通过电机的启停和正反转带动齿轮的停止和转动，从而带动各轴作相应的启停和往复运动。伺服电机常采用三菱、西门子等品牌，根据需要选择带“电磁制动器”的伺服电机，使电机在断电停机时能实现可靠制动，保证各运动部件（X轴、Z轴）运动时的可靠性、安全性。由于Z轴是带动工件上下运动的承载部件，驱动Z轴运动的电机需要克服Z轴本身质量、工件质量和手爪质量，为保证Z轴运动的安全，驱动Z轴运动的伺服电机必须具有“电磁制动器”功能。

为提高驱动各运动部件（X轴、Z轴）的驱动能力，减少伺服电机的扭矩或功率，根据各运动部件实际运动速度和承载能力大小，可在各伺服电机输出轴上安装减速比合适的减速机，减速机通常采用与伺服电机相匹配的同品牌减速机，以保证传动精度与可靠性。

4.2导轨滑块：导轨滑块是各运动部件（X轴、Z轴）精确运动的导向机构，具有大承载、高精度、高速度、高可靠性、低磨损、标准化、系列化的优点，在桁架机器人中已广泛使用。滑块安装在托板上，内有钢球，使滑块与导轨之间的接触为滚动摩擦，大大降低了二者之间的运动摩擦阻力；导轨安装在横梁上。由于导轨与滑块之间的低摩擦性，使得采用导轨与滑块装置具有如下优点：

4.2.1动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高系统的响应速度和灵敏度；

4.2.2电机驱动功率大幅下降，只相当于普通机械的1/10；

4.2.3适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍；

4.2.4能实现高定位精度和重复定位精度。实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度；在成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）加工精度要求；

4.2.5导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能；

4.2.6简化了机械结构的设计和制造；

4.3齿轮齿条：齿轮齿条是安装在各自运动部件（X轴、Z轴）上，通过电机驱动，实现各运动部件运动的传动部件，齿条安装在各运动部件的横梁上，与导轨滑块平行布置。齿轮与安装在“托板”上的减速机的输出轴相连，并与齿条啮合传递运动。齿轮齿条齿面的热处理可按：调质、感应淬火、全淬火或渗氮处理。齿轮齿条材质常为：碳钢45、42CrMo4V、16MnCr5等，齿面硬度可达到HRC55～60，齿条长度从1000mm～3000mm不等，精度从5级～11级不同。根据不同的承载情况，选择不同的材质、硬度和精度。

结语

桁架机器人在现代工业生产中已经获得了广泛的应用，研究桁架机器人的相关结构和技术参数，对桁架机器人的设计、优化机器人的参数、最大限度发挥桁架机器人的优势，具有重要的现实指导意义。

参考文献

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