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摘要:上下料工業機器人是一種提高數控機床自動化水平的有效手段。面向上下料機器人的機械結構設計問題，提出一種基于公理化映射機理的機器人結構設計方法，詳細闡述了該方法流程，完成了桁架式上下料機器人的結構設計實例。結果表明，所設計的機器人具有良好的可行性，使機器人設計過程更加系統化，并建立了機器人技術指標、功能規劃和機械結構三個領域之間的集成映射關系。

關鍵詞:上下料機器人;公理化設計;機器人技術指

標數控機床的自動上下料功能對于提高機床生產效率、加工質量，降低生產成本具有重要作用，上下料機器人是實現智能制造的直接體現。桁架式數控機床上下料機器人占地面積小，結構與控制原理簡單，結構可靠性高，易于操作，故得到了廣泛應用。目前，已有很多研究成果。王成龍［1］研究了大桁架機械手的技術要求，確定具有二自由度的大桁架機械手作為最優的設計方案。亞曉丹［2］完成了桁架式機床上下料機器人分析與改進設計。朱金權［3］研究一種桁架機器人的結構形式、特點、設備組成與傳動系統，獲得了系統化的桁架機器人設計方法。邊弘曄［4］對機床上下料專用機器人的機械結構進行了受力分析與優化，使機器人的結構性能得到改善。Ramadian［5］研究了數控銑床高精度裝卸機器人的結構建模、仿真與控制問題。ChungH［6］研究了工業機器人柔性制造單元的編程與仿真系統開發的問題，為工業機器人在數控機床上的使用提供了一種方法。Xiong［7］提出了一種利用冗余自由度，將五軸數控機床的軌跡轉換為6軸工業機器人運動軌跡的位姿優化方法，設計出一種剛度校核算法，通過仿真，驗證了機器人剛度性能的提高。郭斌［8］提出一類薄板零件沖床上下料機械手的物理模型，分析了機械手的負載傳遞問題。朱福康［9］對懸臂形式的直角坐標機器人，進行剛度強度分析，得到了應力應變更小的優化結果。已有數控機床裝卸機器人研究成果具有良好的應用價值與學術意義，但是系統化的提出機器人機械結構設計流程的研究還不充分。本文基于機器人的技術指標需求，提出一種系統化的機器人機械結構設計方法，并以實例建立了一個三自由度桁架式直角坐標機器人的設計方案，用以完成機床的上下料作業。最后，對機器人的各個部件進行了詳細設計。

1工業機器人設計流程

本文提出一種系統化的工業機器人的設計方法，如圖1所示。具體步驟如下:Step1:確定機器人的技術指標根據作業任務的性質，確定機器人的運動自由度與作業空間;根據工件的重量，確定機器人的有效載荷。Step2:機器人功能樹建立根據作業任務，確定目標機器人的功能，并分解出相應的子功能。Step3:確定機器人的組成結構利用公理化設計方法，結合機器人的技術指標，將機器人的功能及子功能分別映射出相應的機器人結構部件。圖1工業機器人機械結構的系統化設計流程Step4:完成機器人部件的詳細設計首先根據機器人的自由度與運動軌跡的特點，確定機器人的布局形式。其次，完成機器人零部件的詳細設計，包括支撐部件、驅動部件、傳動部件、執行機構等。最后，完成機器人各零部件的強度校核。

2桁架式上下料機器人的結構設計實例

基于第1節的機器人系統化設計流程，針對某類數控臥式機床的上下料機器人進行設計。機器人的設計初衷是滿足生產工藝的需要，本文研究的工藝問題是數控臥式機床的自動上下料，其中數控機床是并排放置，成一字形布局。2．1機器人技術指標。(1)自由度。3自由度能夠較好滿足機床上下料的任務需求，所以本文機器人采用3個自由度設計方案，分別是機器人在機床之間沿x軸的移動自由度、機器人圖3三坐標直角機器人的CAD模型的手臂沿y軸的上下移動以及沿z軸的直線移動;(2)精度。根據行業標準，設定上下料機器人的重復定位精度為0．2㎜;(3)有效載荷。設定機器人的裝卸對象為20㎏的工件，機器人的有效載荷=工件重量+末端執行器的自重，自重大約為6㎏，因此機器人的手部負載為26㎏;(4)作業空間。機器人的作業空間是根據機床在車間中的布局與機床的尺寸來設計的。某車間實例中，并排呈一字型的兩臺機床，其間距為4000㎜，機器人在機床y方向的單向移動距離為1000㎜。機床工作臺上方垂直空間為350㎜，故設定手抓z向垂直抓取距離為500㎜。2．2機器人的功能樹建立。機床上下料機器人的總功能是裝卸工件，將總功能逐級分解，建立上下料桁架機器人的功能模型，如圖2中的功能域所示。功能分解的依據是:根據步驟1中機器人的自由度，可以確定機器人具備三個方向的移動功能，同時根據機器人的工作內容，機器人還應具備抓取工件、穩定支撐、與機床通信等功能。2．3映射出組成結構。上下料機器人是一種開鏈式的結構，基于機器人的功能域，按照一一對應原則，映射出機器人的機械結構，如圖2的結構域所示，圖中箭頭代表映射。例如，“移動功能”對應“運動系統”，“X向移動”對應著“X向移動機構”，“X向傳動”對應著“X向滾珠絲杠”，“Y向驅動”對應著“Y向驅動電機”，“引導移動”和“支撐機體”分別對應著“導軌結構”、“立柱與底座”。機器人的運動原理是:X向移動平臺載著Y向機械臂沿X軸實現機床間的移動，Y向機械臂帶動Z向機械臂沿Y軸移動，Z向機械臂實現機械手抓的Z向垂直抓取移動。2．4組成部件的詳細設計。根據第一節中的Step4的內容，對桁架式上下料工業機器人及其各組成結構進行詳細設計。在完成機器人各個部件初步設計的基礎上，將各部件組裝出上下料機器人的裝配模型，如圖3所示。本車間實例中，機床呈一字形布局，故機器人的整體框架呈直線形狀。部件的詳細設計共包含5個部分，分別是立柱、底座、滾珠絲杠、末端機械手與滾動導軌。除此之外，滾動導軌很適合用于要求移動部件運動平穩、靈敏，以及實現精密定位的場合。(1)立柱立柱是矗立在數控機床之間，支撐機器人軌道，使其能夠在數控機床上方空間中移動的支撐結構。本文采用截面為矩形，方柱體中空的立柱結構。采用45號鋼材，硬度可以達到HRC55，這種結構節省材料，且剛度強。利用三角形穩定性原理，立柱底端焊接有4個三腳架來支撐，三腳架與地面用地腳螺栓連接。對直角坐標機器人在工作狀態時起到一個非常穩固的支撐作用。(2)底座底座是固定在立柱頂端，對工業機器人的3個運動起支撐導引作用。機器人的作業空間決定了機器人移動機構的尺寸，底座X向的長度是4000㎜，這是根據機器人工作空間來確定的。底座上面有兩列孔，用于安裝導軌。此外，面上制有螺紋孔，同理用于連接X向運動的電機和軸承座，它是X向運動的關鍵支撐部分。(3)X向滾珠絲杠桁架式機器人橫跨在并排的兩臺數控機床之間，由X向滾珠絲杠作為機器人的傳動部件。相比Z、Y向滾珠絲杠，X向滾珠絲杠是傳動距離最遠、剛度強度要求最高的絲杠。因此，本節將對它的結構進行設計。根據某工程應用手冊中絲杠的精度標準，本文采用C10級精度作為X向滾珠絲杠的精度標準，以保證0．2㎜的重復定位精度。根據X方向的工作空間，設計出行程4000㎜的定制滾珠絲杠與絲杠副。該滾珠絲杠的最大驅動力300N，絲杠材料為45號鋼，σs=355MPa;梯形螺紋β=15°。根據電機額定轉速和X向的最大速度，計算絲杠導程。X向運動選擇松下MDMA152電機，電機最高轉速為4000rpm。電機與滾珠絲桿直連，傳動比為1。設定X向最大運動速度50mm/s，即3000mm/min。則絲杠最小導程為:Ph=Vmax/i•nmax=3000/1×4000≈0．75mm/r(1)在實例中，取絲杠導程為1㎜。通過公式(2)，計算滾珠絲杠的中徑d2。d2≥ξFψ［P槡］(2)公式(2)中，F為最大驅動力(N)，［P］為允許使用的壓強數值(MPa);d2為滾珠絲桿的中徑數值，單位為㎜;當ζ作為梯形螺紋的時候ζ=0．8;可以計算得到d2≥3．46㎜。根據標準的梯形螺紋，螺紋的公稱直徑d=20㎜，中徑d2=19mm。(4)末端機械手機器人的末端執行器是連接操作機腕部的直接用于作業的機構。工業機器人的手腕，有用于連接各種末端執行器的機械接口，按照作業內容的不同機器人選用不同的手抓或工具裝在其上，可以完成對應的作業任務，使得機器人具備良好的柔性。機械手爪夾持力26㎏，采用氣動驅動方式，其設計模型如圖3所示。通過氣缸的充放氣驅動機械手抓中間連桿的伸縮，從而帶動手指的夾緊與松開。

3結論

本文建立了一套工業機器人機械結構的系統化設計流程，第一步根據機器人的技術指標確定機器人的功能模型，進一步通過公理化映射理論構建出桁架式機床上下料直角坐標機器人的機械結構組成，最后完成關鍵機械部件的結構設計。所設計機器人能夠完成上下料工作任務，具有良好的運動可行性。本文提出的系統化設計方法具有一定的普適性，也適用于其他工作類型的機器人的設計。根據工作需要，確定機器人的技術指標，依據技術指標完成機器人的設計研發，這是我國先進制造水平不斷提升的體現，也表明了本文工業機器人設計思想的先進性。

作者:徐開元 何玉安 蔡智勇 單位:上海第二工業大學