大型龍門式三坐標(biāo)轉(zhuǎn)運(yùn)沙芯桁架機(jī)器人的分析與設(shè)計(jì)

          —沈陽力拓自動(dòng)化控制技術(shù)有限公司   楊樹彬  2010年9月22日

      沈陽力拓公司是德國BAHR公司直線定位系統(tǒng)的中國總代理，我公司引進(jìn)德國的先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合自己的實(shí)際應(yīng)用，研制開發(fā)各類直角坐標(biāo)機(jī)器人。經(jīng)過不懈努力，沈陽力拓近兩年銷售額已經(jīng)躍居德國BAHR公司全球各代理商銷售總額的首位。本著“專心做好機(jī)器人”的宗旨，沈陽力拓公司不斷的為國內(nèi)各類型企業(yè)研制適合他們的直角坐標(biāo)機(jī)器人。

      應(yīng)國內(nèi)一大型鑄造企業(yè)要求，力拓公司于2010年3月開始為其研發(fā)大型龍門式三坐標(biāo)轉(zhuǎn)運(yùn)沙芯桁架機(jī)器人！

      自力拓自動(dòng)化成立8年以來，曾經(jīng)開發(fā)過速度達(dá)12米/秒的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) ，開發(fā)過行程26米的龍門機(jī)器人，也曾經(jīng)開發(fā)過負(fù)載3噸的傳輸機(jī)器人，但在此以前從未遇到過集上述特點(diǎn)于一身的機(jī)器人。且對方時(shí)間緊迫，要求從研發(fā)至交貨時(shí)間只有三個(gè)月的時(shí)間！

該龍門機(jī)器人具有如下幾大特點(diǎn)：

1，大行程：X坐標(biāo)13000mm、  Y坐標(biāo)600mm、Z坐標(biāo)1500mm;

2，大負(fù)載：Z軸末端負(fù)載2500Kg（含機(jī)械抓手）；

3，高速度：X方向速度500mm/s,對于如此大的負(fù)載，500mm/s的速度已很難得。

4，高精度：全程重復(fù)精度，X方向+-0.1mm；Y方向+-0.05mm；Z方向+-0.025mm；

      因該機(jī)器人的設(shè)計(jì)難度及安裝調(diào)試的難度都很大，工作環(huán)境極其惡劣，能夠?qū)⒃撛O(shè)備開發(fā)成功實(shí)屬不易。在此我們愿和大家一起分享我們的經(jīng)驗(yàn)，也給同行們提供一個(gè)參考。所以我們決定將該機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程，技術(shù)難點(diǎn)，如何安裝調(diào)試，如何控制，在實(shí)際調(diào)試過程中出現(xiàn)了那些問題報(bào)告給大家：

一、 機(jī)器人名稱及用途：名稱,轉(zhuǎn)K6搖枕、側(cè)架整體芯下芯機(jī)桁架機(jī)器人。用于帶動(dòng)掃描儀及相應(yīng)夾具掃描砂箱型腔、抓取砂芯并準(zhǔn)確將砂芯下到型腔里.

    1、工作環(huán)境：鑄造車間粉塵較大，氣溫-5℃～45℃，相對濕度小于85%

    2主要技術(shù)參數(shù)

    2.1、行程

     X坐標(biāo)軸行程：13000 mm（水平方向）,不含限位空間

     Y坐標(biāo)軸行程：600 mm（水平方向）,不含限位空間

     Z坐標(biāo)軸行程：1500 mm（垂直方向）,不含限位空間

    2.2 速度

    最大驅(qū)動(dòng)速度：X坐標(biāo)軸（水平方向）500 mm/s；平均速度：400mm/s,加速度0.25-0.3m/s2,加減速時(shí)間1.5-2秒.

    最大驅(qū)動(dòng)速度：Y坐標(biāo)軸（水平方向）150 mm/s；平均速度：100mm/s,加速度0.1-0.15m/s2,加減速時(shí)間1.5-2秒.

    最大驅(qū)動(dòng)速度：Z坐標(biāo)軸（垂直方向）150mm/s；平均速度：120mm/s,加速度0.1-0.15m/s2,加減速時(shí)間1.5-2秒.

    2.3負(fù)載

    作用在垂直升降坐標(biāo)軸的負(fù)載小于等于2500 kg(含抓手).

    2.4 重復(fù)精度

   （1）X坐標(biāo)軸重復(fù)位置精度± 0.1mm（水平方向）,該精度并非為全行程的精度，而是掃描及取、放物體位置附近區(qū)間的精度。即以掃描及取、放物體的位置為零點(diǎn)，那么它的附近區(qū)間為±150mm。

    （2）Y坐標(biāo)軸重復(fù)位置精度± 0.1mm（水平方向）；

（3）Z坐標(biāo)軸重復(fù)位置精度± 0.1mm （垂直方向）。

2.5、系統(tǒng)要求

    2.5.1機(jī)器人在鑄造環(huán)境下工作，必須具備可靠的防塵措施及裝置。

    2.5.2機(jī)器人要保證下芯平穩(wěn)安全可靠，機(jī)器人動(dòng)作范圍和負(fù)載應(yīng)有合理的余量。

    2.5.3機(jī)器人在下芯工位沿X，Y方向能自動(dòng)精確調(diào)整位置。Z方向能自動(dòng)調(diào)整位置。

2.5.4 電氣控制系統(tǒng)具有完善的安全連鎖、保險(xiǎn)、防塵及過載報(bào)警等功能。

2.5.5 電氣控制柜采用全封閉式并帶有工業(yè)空調(diào)，及供換氣使用的空氣過濾裝置。

2.5.6 采用PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)與砂芯、砂箱輸送系統(tǒng)通訊。

2.5.7 PLC內(nèi)置總線接口，即能與控制中心系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)通訊，又能控制各層設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.5.8 組芯、下芯生產(chǎn)線中心控制系統(tǒng)通過與PLC連接，既可以對設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)理，又可對運(yùn)行程序和參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

    三、項(xiàng)目分析與設(shè)計(jì)

    3.1、分析設(shè)備的難點(diǎn)

    3.1.1、X方向行程行程達(dá)13000mm,如何實(shí)現(xiàn)+-0.1mm的重復(fù)精度

    3.1.2、垂直起降重量達(dá)2500Kg（其中負(fù)載和抓手的重量為2000Kg），如何保證在500mm/秒的水平運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)運(yùn)行。

    3.1.3、負(fù)載的體積很大，大約3m×2m，如何保證在平穩(wěn)提升。

    3.1.4、龍門機(jī)器人移栽機(jī)總程度約17米，寬約3米，安裝高度5米，如何安裝調(diào)試。

    3.1.5、該龍門機(jī)器人工作在鑄造車間，灰塵非常大，如何防護(hù)？

         突破了以上技術(shù)難點(diǎn)，設(shè)備就做出來了。

    3.2、機(jī)械設(shè)計(jì)過程

    3.2.1、X軸定位系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)的選擇

    因?yàn)獒槍^大行程的定位應(yīng)用場合，一般都選擇齒輪齒條作為驅(qū)動(dòng)元件，把齒條固定在安裝基準(zhǔn)上，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪在齒條上滾動(dòng)，這樣一來，打量的沙塵就會(huì)覆蓋在齒條的表面，而要把整條齒條都密封起來，難度極大，成本太高，不可行。

對于大行程的地場合，同步帶驅(qū)動(dòng)也是一個(gè)選擇，但對于總長度約16米，的定位系統(tǒng)，同步帶的長度就要達(dá)到32米長，如此長的同步帶帶動(dòng)約4000Kg的物體運(yùn)動(dòng)，很難保障+-0.1mm的重復(fù)精度。

好在對于移栽機(jī)器人來說，只要在抓取物體的位置和放下物體的位置精度滿足要求就可以了，所以我們想到了可以在這兩個(gè)位置加裝位置檢測元件。

實(shí)際應(yīng)用中我們選擇了德國BAHR公司的直線定位系統(tǒng)QSZ100，該定位系統(tǒng)的特點(diǎn)是承載力非常大 ，剛性非常好，定位系統(tǒng)的軌道安裝在一個(gè)截面為100×100的鋁型材腔體內(nèi)，鋁型材上側(cè)開有寬度大約為40mm的口，在口中間開了一個(gè)約55mm的口，50mm寬的同步帶剛好在該口內(nèi)通過，這樣，同步帶就將灰塵阻擋在鋁型材腔體之外了。落在同步帶上的灰塵，我們使用兩個(gè)吸塵的機(jī)構(gòu)去清除。兩個(gè)QSZ100平行使用，中心局為2400mm, 每個(gè)定位系統(tǒng)上面各有兩個(gè)承載的滑塊，中心距為2300mm，這樣由兩個(gè) QSZ100定位系統(tǒng)組成的安裝平面就可以為Y坐標(biāo)軸提供一個(gè)2400mm×2300mm的平面了。

作用在X軸定位系統(tǒng)上的負(fù)載大約有4000Kg，其中負(fù)載2000Kg；安裝Y 定位系統(tǒng)的安裝平臺700Kg，Y軸定位系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)重量200Kg；安裝Z軸定位系統(tǒng)的安裝平臺約500Kg，Z軸及驅(qū)動(dòng)部分重量300Kg，隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的電控柜300Kg。

我們設(shè)計(jì)了加強(qiáng)滑塊結(jié)構(gòu)，使X軸上的滑塊每個(gè)承載力達(dá)到2000Kg，四個(gè)滑塊的承載力就是8000Kg了。

選擇合適的伺服電機(jī)也很重要，為了獲得較好的動(dòng)態(tài)性能，我們必須計(jì)算系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)慣量和驅(qū)動(dòng)扭矩，

我們設(shè)定X軸的加速度為0.5m/s，已知負(fù)載4000Kg,QSZ100 的同步帶周長為224mm,我們計(jì)算出其負(fù)載慣量為50853Kg.cm²,加速扭矩為100Nm。

據(jù)此我們選擇了一個(gè)5000W，轉(zhuǎn)速2000rpm，慣量為48Kg.cm²的伺服電機(jī)和15：1的一個(gè)減速機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元。

X坐標(biāo)軸總長度約16米,如圖

該QSZ100直線定位系統(tǒng)上安裝有兩個(gè)距離為2000 mm的承載滑塊.

 16000 mm長度的直線定位系統(tǒng),運(yùn)輸和安裝都非常困難,我們將其設(shè)計(jì)為3節(jié),每節(jié)長度5000mm多一些.安裝時(shí)把它們接到一起,接縫的處理很關(guān)鍵:

長期工作在鑄造車間,直線定位系統(tǒng)軌道的潤滑不可少,我們在每個(gè)定位系統(tǒng)的端面開了幾個(gè)潤滑孔:

3.2.2、Y軸定位系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)的選擇

    因?yàn)閅軸定位系統(tǒng)行程較小，只有600mm,選擇同步帶驅(qū)動(dòng)的定位系統(tǒng)就非常合適了，而且BAHR公司的同步帶驅(qū)動(dòng)的定位系統(tǒng)在短行程內(nèi)達(dá)到+-0.05mm得重復(fù)精度是很容易的。我們選擇了兩個(gè)德國BAHR公司的直線定位系統(tǒng)QSZ125，滑塊長度1000mm,兩個(gè)定位系統(tǒng)平行安裝，同步驅(qū)動(dòng)。將Z軸安裝平臺安裝在兩個(gè)滑塊上，每個(gè)滑塊得承載力為4000Kg，而作用在Y軸上的負(fù)載為3100Kg。這樣的負(fù)載對于QSZ125 定位系統(tǒng)，還是安全的。

QSZ125的 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和QSZ100一樣，也是軌道密封結(jié)構(gòu)。我們?yōu)榱税惭bZ軸，設(shè)計(jì)了一個(gè)2000mm×1000mm平臺為。

因?yàn)閅軸定位系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度很慢，電機(jī)的功率就小得多了。經(jīng)過慣量和扭矩的計(jì)算，我們選擇了一個(gè)750W的伺服電機(jī)和50：1的減速機(jī)

3.2.3、Z軸定位系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)的選擇

    Z軸定位系統(tǒng)的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),是本設(shè)備能否成功的關(guān)鍵所在.對于一個(gè)3000mm×2000mm的重達(dá)2000Kg的負(fù)載，僅有一個(gè)提升坐標(biāo)定位系統(tǒng)是不夠的，一根直線定位系統(tǒng)提起2000Kg負(fù)載沒有問題，但無法避免負(fù)載在水平面內(nèi)晃動(dòng)。如果采用一個(gè)提升軸，然后輔以四個(gè)垂直導(dǎo)向軌道也是可以的，但安裝四個(gè)導(dǎo)向軌道就需要加工一個(gè)非常龐大的軌道安裝架，該架的重量會(huì)非常大，以至于需要修改X軸和Y軸的設(shè)計(jì)，而且大大增加制造成本。重要的是加工一個(gè)四個(gè)軌道的安裝架，保證各種機(jī)械加工指標(biāo)，是現(xiàn)起來太困難。

    為解決這個(gè)難題，我們經(jīng)過詳細(xì)機(jī)械強(qiáng)度剛性計(jì)算，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及加工安裝可行性論證，我們使用了兩個(gè)同步的直線定位系統(tǒng)作為Z軸。兩個(gè)定位系統(tǒng)的跨距達(dá)2米，沿X軸運(yùn)動(dòng)方向排放。這樣就有兩個(gè)點(diǎn)同步提升負(fù)載，負(fù)載的中心一定在兩個(gè)定位系統(tǒng)之間了。負(fù)載沿X方向?qū)軸的沖擊變形就小很多了。

同樣為了減小Y方向運(yùn)動(dòng)對Z軸的沖擊變形，我們在沿Y方向排布了兩個(gè)垂直導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。與z軸定位系統(tǒng)一起運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)提供動(dòng)力的直線定位系統(tǒng)和兩個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)成菱形排放。這樣的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)很大受力面積，使得整個(gè)提升系統(tǒng)的重量很輕，運(yùn)行非常平穩(wěn)。

    實(shí)際應(yīng)用中我們使用了德國BAHR公司的ELK125直線定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)能夠提供的最大提升了為8000Kg。保證非常大的安全系數(shù)。

因?yàn)閆軸定位系統(tǒng)的垂直提升物體，電機(jī)的功率就大得多了。經(jīng)過慣量和扭矩的計(jì)算，我們選擇了一個(gè)7500W的伺服電機(jī)和6：1的減速機(jī)。

                 轉(zhuǎn)運(yùn)沙芯桁架機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

4.1、電氣控制部分的設(shè)計(jì)

4.1.1、控制系統(tǒng)的選擇

雖然該設(shè)備只有3個(gè)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)軸，但因?yàn)橛性S多其他的設(shè)備需要同時(shí)控制，聯(lián)合動(dòng)作，這就要求控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，功能非常強(qiáng)大。實(shí)際應(yīng)用中我們選擇了西門子的PLC 315-2DP 作為控制系統(tǒng)，使用總線方式實(shí)現(xiàn)對整個(gè)設(shè)備的控制。

4.1.2、電氣控制原理圖

圖一 電氣網(wǎng)絡(luò)圖

   5.1、防護(hù)設(shè)計(jì)

5.1.1防塵設(shè)計(jì)：該龍門機(jī)器人工作在鑄造車間，灰塵非常大，而X、Y、Z坐標(biāo)軸的定位系統(tǒng)中，都有直線軌道，如果沒有防塵處理，軌道很快會(huì)損壞。

      雖然X坐標(biāo)軸和Y坐標(biāo)軸都是內(nèi)藏直線軌道式的直線定位系統(tǒng)，但因?yàn)檐壍郎厦婊瑒?dòng)，在軌道和滑塊之間一定存在縫隙，該縫隙就會(huì)有粉塵進(jìn)入。而同步帶上表面直接暴露在空氣中，一定有灰塵落在同步帶上。時(shí)間一長，也會(huì)有少量粉塵進(jìn)入到定位系統(tǒng)腔體內(nèi)，落在直線軌道上。

防塵方法1：我們在X和Y軸定位系統(tǒng)的滑塊兩側(cè)各加了一個(gè)側(cè)板，板內(nèi)側(cè)加上海綿體，該機(jī)構(gòu)可以阻止灰塵通過滑塊縫隙進(jìn)入軌道內(nèi)腔，還可以把落在直線定位系統(tǒng)外側(cè)面的灰塵時(shí)時(shí)清理掉。

防塵方法2：我們在直線定位系統(tǒng)的端面上個(gè)放了一個(gè)灰塵清理機(jī)構(gòu)，可以時(shí)刻把落在同步帶上的灰塵刷掉，然后由一個(gè)吸塵器把灰塵吸走。

      Z軸定位系統(tǒng)共有兩根，為了增加其穩(wěn)定性，我們?yōu)槊總€(gè)定位系統(tǒng)安裝了4 個(gè)用于導(dǎo)向的軌道，這樣一來，軌道只有暴露在空中了。好在Z軸定位系統(tǒng)的行程只有1500mm。

      實(shí)際應(yīng)用中我們在每個(gè)導(dǎo)向軌道上都加了一個(gè)清理刷，并把軌道潤滑腔和清理刷集成在一起，時(shí)時(shí)潤滑軌道。

6.1、安全保護(hù)

6.1.1、運(yùn)動(dòng)防碰撞保護(hù)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量都很大，一旦控制系統(tǒng)失靈，產(chǎn)生碰撞，結(jié)果會(huì)非?？膳?。

      我們在每個(gè)坐標(biāo)軸的兩端都安裝了減速開關(guān)，限位開關(guān)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)碰到減速開關(guān)后，開始減速；碰撞到限位開關(guān)，會(huì)切斷電源使電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)；

      一旦以上手段都失靈，就只能接受碰撞的事實(shí)了，我們在每個(gè)定位系統(tǒng)的端面安裝了緩沖器。運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)撞到緩沖器后，壓縮緩沖器內(nèi)的空氣。緩沖器緩慢后退，從而吸收沖擊能量，把破壞降到最小。

      Z軸定位系統(tǒng)提升負(fù)載垂直運(yùn)動(dòng)，存在斷電下落的問題，除了采取如上防護(hù)措施，我們選擇了帶斷電抱死功能的電機(jī)。

6.1.2、檢測感應(yīng)元件的防護(hù)

      位置檢測開關(guān)，光柵磁，安裝保護(hù)開關(guān)等在設(shè)備上非常多，在安裝和實(shí)際使用中可能會(huì)因各種因素，碰撞到以上設(shè)備，使其感應(yīng)位置發(fā)生變化，從而失去保護(hù)設(shè)備的作用。我們?yōu)槊總€(gè)開關(guān)設(shè)計(jì)了一個(gè)防護(hù)盒，外力就很難破壞他們了。

      這一案例經(jīng)我公司研發(fā)設(shè)計(jì)，在規(guī)定的期限內(nèi)為委托方交上了一份滿意的答卷，此設(shè)備目前已投產(chǎn)使用，現(xiàn)場使用效果良好。

      但因?yàn)楸緳C(jī)器人的研發(fā)和制造時(shí)間很短,從接觸到案例到完成現(xiàn)場安裝只有3個(gè)月時(shí)間,研發(fā)和設(shè)計(jì)時(shí)間就占去了一個(gè)多月,導(dǎo)致有些元件的加工不夠精細(xì),做工不夠精細(xì),包括電纜線的布局,拖鏈的安裝行走固定都有需要改進(jìn)的地方;，電控柜,零件,圖紙等的標(biāo)準(zhǔn)化不高,需要進(jìn)一步改進(jìn)。

      相信在我們不斷的努力及改進(jìn)下，該轉(zhuǎn)運(yùn)沙芯桁架機(jī)器人設(shè)備將日臻完善，發(fā)揮越來越大的功效。

      力拓公司也將不斷的探索和鉆研，為客戶量身制造直角坐標(biāo)機(jī)器人，為我國的機(jī)器人領(lǐng)域再創(chuàng)新功！