桁架机器人关键部件结构优化设计

桁架机器人关键部件结构优化设计

林浩然

沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110000

摘要：桁架式机器人是一种应用广泛的技术产品，它融合了计算机、控制理论、机械、信息和传感技术以及人工智能等不同学科。它是多功能、自由度多、多功能的操作对象，具有自动控制、可重复编程功能。鉴于国内企业劳动力成本不断上升，桁架式工业机器人对我国制造业机器人的特点、结构和设计有着深刻的理解和认识，在生产中有着不可逆的作用，单调劳动重复摆脱，产品质量提高，在高温和有毒场合中有着不可逆的作用，应用广泛该结构受运动影响，振动概率高。由于桁架机器人终端效应器的运动，桁架机器人的结构和立柱会受到一些变形的影响。这优化了桁架机器人的结构和立柱，提高了桁架机器人的固有频率和刚度，并提高了桁架机器人的动作和运动精度。

关键词：桁架机器人；关键部件；结构设计

引言

桁架机器人是一种多自由度自动化工具，它不仅可以自动控制，还可以在XYZ空间直角坐标系下进行反复编程。是传统物流的根本转变，使得生产过程中机械零件生产的数字化、计算机化和无人化管理的操作环境，不仅在产品生产质量上，而且在劳动生产率、劳动解放和现代系统上都更加有效。

1 结构形式与特点

1.1 结构形式

桁架式机器人的结构通常是框架龙门的形式，通过将多个设备(加工中心和数控对象)集成到一个自动化生产单元中，从而实现零件的自动化和大批量生产，提高了生产率和产品质量。要增加设备对横梁的刚度，请根据龙门的长度，添加一个连接立柱，该连接立柱与两端机架之间的中间机架相匹配。立柱的位置一般在5-6米之间。因此，桁架机器人可以将尽可能多的加工设备合并到一个加工机组中，以最大化加工要求和性能。

1.2 设备特性

(1)运动部件以最大速度150米/分钟)2.5 m/s直线运行；（2）速度行驶过程中的加速度是机器的两倍，高达5 m/s²。(3)重复定位精度达到±0.05毫米；(3)将零件加工所需的加工设备组合一个通讯网络，实现工艺功能和规模；

1.3 对象结构

（1）立柱:桁架立柱的一个主要构件，它支撑上部横梁并将桁架机器人重要结构零件安装到设施的平面。通常，用“冷拔无缝方形钢管”和钢板焊接，使用夹板型顶部连接横梁，并在安装期间调整经过的梁工作平面，使附着在z轴上的梁上的轴垂直于立柱的下平面。同时，立柱的稳定性得到了改善，立柱的底部也得到了改善。立柱底部安装表面必须将顶部梁的力作用点保留在柱立柱底部安装板的有效范围内，以减少由于顶部梁和z轴运动零件的质量而导致立柱倾覆力矩的时间。(2)横梁:是桁架的另一部分。其刚度和强度是直接影响整个设备精度的重要结构。因此，梁的结构对桁架机器人的设计很重要，桁架机器人的x轴配有导轨元件和齿轮传动装置，并用于机器人自重、机器手抓取外载荷、整个z轴机构自重等。在横梁的两端安装限制z轴运动超出行程的限位开关和端盖。（3）竖轴:(也称为z轴)与x轴相连的托盘垂直机器人的轴，下轴机械手在机器人抓取工件，z轴上下移动的轨道和齿轮齿条传动机构。z轴的顶部具有运动限位器和端盖。(4)载板:是一种驱动装置，它将机体附着在桁架运动和电机上，电机驱动电机和减速机器，减速机器沿着x轴运动。电机和控制z轴上下运动的电机；沿x轴和z轴运行的润滑系统电缆和空气抱闸沿z轴运动；沿x轴和z轴的导轨或导向部件；z轴为了提高运动过程中的重新定位精度，减小沿z轴运动时的转动惯量，托板通常使用铝合金来减小自身质量，减少转动惯性冲击的影响。

2 桁架机器人整体结构设计

桁架机器人的整体框架是由立柱、载板、横竖梁组成的结构。具体配置如图1所示。桁架机器人的机架立柱下方有一个物料输送工作台，该工作台在立柱上装有安全网。桁架机器人工作时支撑的主要载荷来自立柱，当重力作用于z方向的横梁和部件(载板、竖梁)时，z方向部件的重心位于505毫米立柱的中心。对理论力学的理解表明，在立柱中发生的变形不仅与力的大小有关，而且与力与立柱中心之间的距离有关。在这种情况下，整个z轴运动的质量会使立柱偏心倾斜力矩和变形，以达到更大的效果。因此，为了提高整个桁架机器人的刚度，提高桁架机器人的刚度和稳定性，需要采取两个步骤:

（1）通过缩短横梁上z轴运动组合与立柱之间的距离来降低偏心力矩。

（2）为了增加横梁强度，优化机器人横梁结构，减少横梁的变形弯度，通过扭转减小对尾部精度的影响。

图1 改进后桁架机器人整体布局示意图

3 桁架机器人立柱的结构预改进设计

立柱保证了机器人结构的稳定性。一般情况下，使用钢管和钢板焊接，并在立柱和横梁连接有夹板型支撑结构，不仅可以及时调整梁的工作平面，还可以保持梁的垂直轴(z轴)与立柱的固定平面垂直。如果以所示方式连接对横梁和z轴，则支撑力主要从连接平面产生，并且横梁在偏心力的作用下发生变形。为了改进结构设计，必须特别注意干扰。如图1所示，出于安全原因，在立柱70毫米处的材料输送装置可以将距离调节到20毫米。为了采用改进的结构平面，必须减小横截面重心和z轴移动部分重心与立柱中心线之间的距离，并且横梁和立柱连接位置也通过扩大接触区域得到改善和处理。初始侧接触由侧接触和下接触代替，加强筋用于增加接触面的强度和刚度。

4 桁架机器人横梁的多目标尺寸优化设计

横梁(y轴)是桁架机器人结构中最重要的基本构件。横梁(y轴)配有导轨和齿轮条，导轨沿y轴运动，它还承受滑块构造和作用中z轴方向的重量。优化桁架机器人设计时，注意横梁的硬度直接影响末端执行器的精度。型材结构可以根据使用和生产标准进行优化，以改善桁架机器人的操作性能。一般来说，用于生产横截面的材料是钢管和钢板，钢管是无缝的，长度为200×200×10毫米，单根总长度为6m，两根方形钢管通过连接板把接固定。每根方管的厚度相同。由于强度取决于横截面面积，旋转变形和z方向弯曲变形可以通过优化计算横截面尺寸来减小。

5 桁架机器人结构改进

为了优化机器人横梁的设计过程，选用250×150×6的矩形钢管。使用solidworks Simulation软件在20千克公差的三维模型上执行有限元静态分析时，表1列出了20千克公差的分析结果。从表1的比较结果来看，由于优化了其结构设计，桁架机器人变形量降低到了29%。设计优化后，梁结构的最大变形和最大应力降低变化很大。这表明在使用优化设计时，梁的结构仅发生了变化，还有其他方面，如结构优势和与划分网格一样能力，材质特性、约束和强度也是相同的。

表1 综合改进前后结果对比

6 结语

最佳化桁架机器人结构可提供更好的设计结果，因为设计优化后后可以降低了29%的变形量。结构改造后的桁架机器人在市场上表现更好，影响力更大，成本也更具竞争力。

参考文献：

[1]郑彪.桁架机器人耦合特性分析与结构优化[D].合肥工业大学,2019.

[2]张丹.桁架式机床上下料机器人分析与改进设计[D].东北大学,2019.

[3]王娜.浅析桁架自动成型及焊接生产线的研制[D].兰州理工大学,2019.