1噸重工件的車床上下料機(jī)器人
在大型臥車，大型龍門刨和大型加工中心等設(shè)備上料時(shí)，其毛坯件通常是幾百公斤重，有的要上頓重。還有大型電機(jī)殼體，減速機(jī)殼體，發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等的搬運(yùn)也很費(fèi)時(shí)，費(fèi)力。無(wú)論是機(jī)加工上下料，侵漆，清洗等工序間搬運(yùn)都是非常費(fèi)時(shí)，費(fèi)力，這直接影響了工作效率。這類大型零部件的搬運(yùn)在歐美早已采用大型龍門式機(jī)器人來(lái)搬運(yùn)。幾年前我公司為一德國(guó)企業(yè)設(shè)計(jì)加工了一臺(tái)350公斤重零件侵漆機(jī)器人，運(yùn)行一直平穩(wěn)高效，用戶對(duì)此比較滿意。我公司還給其它企業(yè)設(shè)計(jì)了 500公斤重鋼軸上下料（臥車）機(jī)器人。結(jié)合德國(guó)百格拉公司機(jī)器人的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)我們可以設(shè)計(jì)建造重達(dá)5000公斤重工件的搬運(yùn)機(jī)器人。本文以500公斤重鋼軸上下料（臥車）機(jī)器人為例來(lái)介紹，其它負(fù)載重量搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)相似.
一 機(jī)器人結(jié)構(gòu)說(shuō)明
1其本要求
鋼軸重約500kg，長(zhǎng)約2000mm, 放置在臥車后面的料架上。要求機(jī)器手把料架上的鋼軸抓起來(lái)，放置在前面臥車的兩個(gè)支撐架上，把加工完的鋼軸抓起來(lái)，放在車床前面的放料架上。為此選擇一個(gè)水平運(yùn)動(dòng)軸（X軸）和上下運(yùn)動(dòng)軸（Z軸）的二維XZ機(jī)器人。根據(jù)兩個(gè)料架高度，車床中心高度及他們間前后距離要求機(jī)器手的有效行程為 6000*1000mm。圖1是機(jī)器人及車床的示意圖。
運(yùn)行速度：Z軸平均速度為每分鐘20米，最高運(yùn)行速度為每分鐘30米。X軸平均速度為每分鐘30米，最高運(yùn)行速度為每分鐘35米。
2 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)
圖1是XZ二維機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖，本機(jī)器人的設(shè)計(jì)在借鑒了三家德國(guó)大負(fù)載機(jī)器人和西班牙一公司專用鋼軸上下料機(jī)器人基礎(chǔ)上給出的設(shè)計(jì)方案之一。
Z軸結(jié)構(gòu)：
Z軸采用雙100*100*6mm雙鋼柱結(jié)構(gòu)。兩個(gè)鋼柱間距是600mm, 用鋁板連接起來(lái)形成一個(gè)，120*800mm(寬度*長(zhǎng)度)的加強(qiáng)型結(jié)構(gòu)。其有效行程可以按要求在600~1600mm可選。Z軸采用雙直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)及單齒輪齒條傳動(dòng)方法。
X軸結(jié)構(gòu)：
X軸采用雙梁結(jié)構(gòu)（類同天吊的橫梁）。每根梁采用橫截面為200*200*8mm(寬度*長(zhǎng)度*臂厚)的加強(qiáng)型橫梁結(jié)構(gòu)。其有效行程可以按要求在6000~12000mm可選。X軸采用雙直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)及雙邊齒輪齒條同步傳動(dòng)方法。
這里X軸和Z軸均采用進(jìn)口高速大負(fù)載直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和高速大負(fù)載齒輪齒條運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。
3 機(jī)器人支架結(jié)構(gòu)
整體支架采用龍門式，兩根立柱計(jì)劃采用300*300*10mm。兩根立柱采用地腳可調(diào)結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行垂直度的調(diào)整。兩根立柱間距要看現(xiàn)場(chǎng)上下料要求來(lái)定。
4 上料架說(shuō)明：
由于要加工的工件是鋼軸，其尺寸大約為2300*200mm, 重達(dá)500公斤，所有或采用天吊和插車類搬運(yùn)到上料架上，或采用傳送帶運(yùn)輸。這里按采用傳送帶運(yùn)輸方式考慮，要求鋼軸滾動(dòng)到最后有擋位處，保證鋼軸與車床卡盤軸心平行。鋼軸在傳送帶的最后位置可以有小的左右位置誤差，但要很小。這樣機(jī)器手抓取鋼軸，提升（Z軸），水平運(yùn)動(dòng)（X軸）到車床卡盤軸心上方后，Z 軸再下降直到車床上兩個(gè)支撐軸上。
5 下料架說(shuō)明：
下料架與用戶對(duì)加工完的鋼軸運(yùn)輸方式有關(guān)，我們這里假設(shè)采用鋼軸靠自身重力滾動(dòng)傳送方式。機(jī)器人抓取鋼軸后，提升（Z軸）到一定高度后，水平運(yùn)動(dòng)（X軸）到下料架上方后，Z軸再下降直到鋼軸放到下料架上。
6 手爪說(shuō)明
手爪選用德國(guó)Sommer-Automation 公司的，它為歐洲很多家提供各種專用手爪。我們采取與歐洲企業(yè)所用相同的火車鋼軸抓取手爪，保證技術(shù)上成熟，使用穩(wěn)定可靠。
7 直線導(dǎo)軌選型
我們選擇日本THK公司高速導(dǎo)軌。這里X軸和Z軸都選擇SHS45LV型號(hào)，單個(gè)滑塊時(shí)導(dǎo)軌的最大動(dòng)態(tài)載荷為10000GK, 當(dāng)兩個(gè)滑塊剛性連接時(shí)其最大動(dòng)態(tài)載荷為50000GK。本項(xiàng)目每根高速導(dǎo)軌上采用四個(gè)滑塊，并剛性連接。這樣兩根SHS45LV型號(hào)導(dǎo)軌及八個(gè)滑塊完全能勝任最大動(dòng)態(tài)載荷為1000公斤負(fù)載時(shí)的高速運(yùn)動(dòng)，高速加速和減速。
單導(dǎo)軌雙滑塊緊靠一起時(shí)：Ma = 16.3kN.m，Mb = 16.3kN.m，Mc = 3.53kN.m(單滑塊數(shù)據(jù))，
當(dāng)采用四滑塊緊靠一起時(shí)：Ma，Mb和Mc都會(huì)增大5~6倍。
8 齒輪齒條選擇：
初步選擇模數(shù)是4，寬度和高度大約50*40mm的齒條。
二 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)
1）數(shù)控系統(tǒng)
選擇西門子PLC，保證高可靠性，保證長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作。
2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)
Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)：
Z軸采用額定轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)，額定出力25Nm的交流伺服電機(jī)，5.3千瓦交流伺服電機(jī)，最大出力62Nm（3秒內(nèi)），
Z軸最高運(yùn)行速度為每分鐘30米，平均運(yùn)行速度為每分鐘20米，加速度為每秒0.5米，負(fù)載/驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比小于2, 所配減速機(jī)為德國(guó)NEUGART 公司PLN 142/20
正常上升減速機(jī)出力要求為312Nm, 而PLN 142/20實(shí)際最大出力為1187Nm, 最高轉(zhuǎn)速為每分2273轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大出力是62Nm, 安全系數(shù)為280%。
Z軸要選帶自動(dòng)抱閘的伺服電機(jī)。
X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)：
X軸采用額定轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)，額定出力5Nm的交流伺服電機(jī)，1.6千瓦交流伺服電機(jī)，最大出力12.6Nm（3秒內(nèi)），
X軸最高運(yùn)行速度為每分鐘31米，平均運(yùn)行速度為每分鐘30米，加速度為每秒1.05米，負(fù)載/驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比小于2, 所配減速機(jī)為德國(guó)NEUGART 公司PLE 120/20
正常運(yùn)動(dòng)減速機(jī)出力要求為70Nm, 而PLE 120/20實(shí)際最大出力為252Nm, 最高轉(zhuǎn)速為每分2400轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大出力：12.6Nm, 安全系數(shù)為260%。
X軸采用兩個(gè)完全一樣的伺服電機(jī)和行星減速機(jī)。
3 所配行星減速機(jī)
Z軸所配行星減速機(jī)
所配行星減速機(jī)采用德國(guó)NEUGART公司PLN142/20。該減速機(jī)減速比是20, 額定輸出扭矩為910Nm，最大輸出扭矩為1920Nm，效率是95%，反向間隙小于5弧分。
X軸所配行星減速機(jī)
所配行星減速機(jī)采用德國(guó)NEUGART公司PLE 120/20。該減速機(jī)減速比是20, 額定輸出扭矩為260Nm，最大輸出扭矩為520Nm，效率是94%，反向間隙小于12弧分。
X軸采用兩個(gè)完全一樣的行星減速機(jī)。
三 運(yùn)動(dòng)過(guò)程
1 上料過(guò)程
首先X軸運(yùn)動(dòng)到上料架上方，等待上料架上鋼軸到位信號(hào)后手爪張開。檢測(cè)到兩個(gè)手爪都完全張開后Z軸下降到特定高度。這是鋼軸應(yīng)處于手爪中，檢測(cè)到兩個(gè)手爪內(nèi)部都有鋼軸后，手爪閉合。檢測(cè)到兩個(gè)手爪都閉合后，Z軸提升到指定的高度，然后檢測(cè)Z軸到位信號(hào)（以防鋼軸撞上機(jī)床）。檢測(cè)到Z軸升高到位信號(hào)后，X軸向機(jī)床的卡盤正上方運(yùn)動(dòng)后停止運(yùn)動(dòng)，然后檢測(cè)X軸到位信號(hào)。檢測(cè)到X軸到位信號(hào)后，Z軸向下運(yùn)動(dòng)到指定的高度后停止運(yùn)動(dòng)，這時(shí)鋼軸的軸心與機(jī)床卡盤軸心同心，然后檢測(cè)Z軸到位信號(hào)。
檢測(cè)到Z軸到位信號(hào)后，手爪張開，鋼軸放到車床的兩個(gè)支撐架上。檢測(cè)到手爪張開信號(hào)后，Z軸升起到指定高度，機(jī)床主軸啟動(dòng)，開始加工。
上料時(shí)間大約20秒，這里是按運(yùn)行速度估計(jì)的時(shí)間，要根據(jù)機(jī)床具體高度，上料架高度和位置才能準(zhǔn)確計(jì)算上料時(shí)間。
2 下料過(guò)程
在得到機(jī)床加工完，主軸已停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，Z軸開始下降同時(shí)手爪張開。檢測(cè)到Z軸下降到特定高度及兩個(gè)手爪內(nèi)部都有鋼軸后，手爪閉合。檢測(cè)到兩個(gè)手爪都閉合后， Z軸提升到指定的高度。檢測(cè)到Z軸升高到位信號(hào)后，X軸向下料架上方運(yùn)動(dòng)。檢測(cè)到X軸到位信號(hào)后，Z軸向下運(yùn)動(dòng)到指定的高度后停止運(yùn)動(dòng)，然后檢測(cè)鋼軸是否已放到下料架上。檢測(cè)到鋼軸確實(shí)已放到下料架上后，手爪張開。檢測(cè)到手爪張開信號(hào)后，Z軸開始升高到指定高度及檢查Z軸到位信號(hào)。檢測(cè)到Z軸升高到位信號(hào)后，X軸開始向上料架方向運(yùn)動(dòng)到指定位置，開始抓取一個(gè)鋼軸，去完成上料過(guò)程。
下料時(shí)間大約20秒，這里是按運(yùn)行速度估計(jì)的時(shí)間，要根據(jù)機(jī)床具體高度，下料架高度和位置才能準(zhǔn)確計(jì)算下料時(shí)間。
四 結(jié)論
由于直角坐標(biāo)機(jī)器人非常適合各種機(jī)床上下料應(yīng)用，在歐洲很多國(guó)家，機(jī)床上下料早已經(jīng)大量使用。我公司代理的德國(guó)百格拉公司Berger Lahr直角坐標(biāo)機(jī)器人在歐洲享有盛譽(yù)，我們可以依據(jù)德國(guó)公司的成功經(jīng)驗(yàn)和案例，及我們10多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)為用戶設(shè)計(jì)高效高速高可靠的專用搬運(yùn)機(jī)器人。
