轻型高速桁架机器人项目调研.docx

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轻型高速桁架机器人项目调研

轻型高速桁架机器人项目调研

一、项目简介

本项目产品轻型高速桁架机器人，目为申报科技型中小企业技术创新项目，是针对小负载〔以3kg为例〕为对象研究开发的，具有轻型、高速、高精度等特点。

本项目推广后，可用于汽车零部件制造及五金、机械、农机、冶金、化工等行业对机床上下料、搬运、码垛、装配等工序。

改变传统生产方式，改善作业环境，实现数字化、信息化、少人化直至无人化生产，提高生产效率，保证产品质量。

二、项目要求

1、关键技术：

1）虚拟样机技术进行动力学运动学分析，最大移动速度达5000mm/s；

2）有限元技术优化，保证设计材料强度减轻重量；

3）AC伺服控制技术保证重复定位精度±0.03mm，加减速响应时间25ms以内；

2、创新点：

1）虚拟样机技术进行动力学运动学分析；

2）有限元技术优化，保证设计材料强度、减轻重量；

3）AC伺服控制技术保证控制精度、缩短加减速响应时间；

4）齿轮齿条传动、直线导轨保证重复定位精度高；

5）弹簧式柔性手爪，可以夹持多种工件并保护工件；

6）建立程序包，适用不同工件的加工程序；

7）体积小、重量轻，方便安装、节约安装空间；

8）提供良好的编程环境及系统控制指令，易于操作维护。

3、验收技术指标：

1）轻型高速桁架机器人总体重量200kg；

2）运行速度到达5000mm/s以上，加减速响应时间25ms以内；

3）X轴工作行程2000mm；

4）重复定位精度达±0.03mm；

5）Z轴负载3.0kg。

三、机械系统方案

1、用可变速电机驱动的机械系统，一般有以下几类。

1）滚珠丝杠：

精度高〔如C1级，5um/300mm〕，摩擦阻力小，被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。

但水平传动时跨距大则会由于自重下垂变形极，所以传动长度不可太大，且速度受限〔<100m/min〕；

2）同步带：

承载力较大，传动长度不可太大，否则需会发生弹性变形和振动，传动距离大尤其不适合精确定位〔一般带轮的节距累积偏差会有+\-0.10~0.15mm〕、连续性运动控制；

二维高速运动机器人的同步带应用

3）齿轮齿条：

采用精密齿轮齿条〔JIS2〔DIN6h25〕甚至JIS1，总节距误差0.036mm/1000mm〕，假设加工安装精度较高，可实现较高速度和精度要求。

目前国内主要的桁架机器人均采用该机械结构形式。

X/Z两轴桁架机器人

4）直线电机：

结构简单；定位精度高，直接传动可以消除中间环节所带来的各种定位误差，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度；反应速度快、灵敏度高，直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力。

直线电机结构

HIWIN线性马达平台结构

线性电机结构形式，精度达±1um级，但其整体的重量较重，不适用于轻型桁架；如下为一种线性马达平台：

考虑到项目创新点中提出了齿轮齿条结构，且国内厂家均采用该结构〔见下表1〕。

因此，该项目拟采用齿轮齿条的机械结构形式。

厂家

型号〔负载〕

最大速度〔X/Zm/min〕

重复定位精度〔mm〕

驱动方式

传动方式

控制方式

结构方式/产品重量

金石机器人

S05〔负载5kg〕

140/80

±

伺服+减速机

齿轮齿条

MCS

结构钢〔X轴〕+铝合金〔Z轴〕

新松机器人

桁架机械手〔20kg）

120

（±0.1）

伺服+减速机

（齿轮齿条）

（CNC）

（结构钢〕

宁夏巨能

GS010

120

±

〔伺服+减速机〕

齿轮齿条

CNC

（结构钢〕

沈阳众拓机器人

ZTR机械手〔50kg〕

90/60

±

〔伺服+减速机〕

齿轮齿条、同步带

PLC/CNC

（结构钢〕

群星机器人

3kg

300

±

伺服+减速机

齿轮齿条

HMC/RCS

铝合金

表1

2、结构型材

为了保证桁架整体重量<200kg，Z轴及滑座的主要构件均采用硬质铝合金。

X轴横梁以及支柱采用钢材。

四、电气控制系统方案

1）本项目采用伺服+减速机的驱动方式，考虑到齿轮的转速为1500rpm，加减速需要扭矩较大，因此尽可能选择大减速比〔一般可选3、4、5、7几种〕。

取减速比4，电机转速为6000rpm。

我司前期多采用台达和西门子的伺服电机，而台达系列伺服电机性价比较高，但的额定转速一般为2000-3000rpm，因此本项目拟采用西门子电机。

拟采用S120变频调速模块+CU320控制单元+AOP30操作面板。

2、电机、减速机

1）总负载按F=500N计算。

线性滑轨的摩擦系数约为0.004，F〔摩擦力〕=u摩擦力系数*w〔垂直方向负载〕+S〔刮油片阻力〕；齿轮齿条摩擦系数0.1。

取整体摩擦系数为μ=0.12。

推力f=Fμ=60N；取安全系数K=Ka〔负载系数〕*Sb〔齿轮齿条安全系数〕*Fn〔寿命系数〕=1.5*1.2*1.05=1.89；则齿轮齿条负载为60*1.89=113.4N，负载取整120N。

2）匀速运动时：

P=Fv=120*5=600N·m/s=0.60kW；齿轮的扭矩为:

T1=F*r=120*32/1000=3.84Nm；折算的电机轴扭矩：

T=3.84/4=0.96Nm〔减速比取4〕。

齿轮转速n=v*1000*60/（PI*d0）=5*1000*60/（3.14*63.67）=1500rpm，减速比取4，电机转速则为6000rpm。

3）加速运动时：

a=v/t=5/0.25=20（m/s^2）。

齿轮的扭矩为：

M=Fu*d0/2000/4=K*（m*g*u+m*a）*do/2000/4=1.89*〔50*10*0.12+50*20〕*63.67/2000/4=15.9（Nm）

4）选用西门子电机1FT6044-AK71，参数见下表序号4：

5）电机的惯量：

m=50kg；R=32mm；滑台折算到小齿轮轴上的转动惯量：

最终计算电机的转动惯量：

J=J减速机+〔J1+J2〕/4^2=0.16+32.5〔10-4kg·m2〕=32.66〔10^-4kg·m2〕。

惯量比32.66/6.18=5.3。

按照电机速度转矩曲线知道，当转速为6000rpm时，扭矩为14Nm；

加减速图：

3、反馈系统

为了保证定位精度要求±0.03，本项目拟采用位移传感器将滑台的实际位置进行反馈比较，并进行位置微调。

拟采用光栅尺〔海德汉）进行位置检测，其高精度大型尺最长可做到3000mm，精度达um级，见下列图表。

或者可以采用意大利GEFRANIK1/IK2非接触式直线位移传感器，行程从50到4000mm，位置辨析率到达：

2μm。

光栅尺〔海德汉）