1噸重工件的車床上下料機器人

在大型臥車，大型龍門刨和大型加工中心等設備上料時，其毛坯件通常是幾百公斤重，有的要上頓重。還有大型電機殼體，減速機殼體，發動機殼體等的搬運也很費時，費力。無論是機加工上下料，侵漆，清洗等工序間搬運都是非常費時，費力，這直接影響了工作效率。這類大型零部件的搬運在歐美早已采用大型龍門式機器人來搬運。幾年前我公司為一德國企業設計加工了一臺350公斤重零件侵漆機器人，運行一直平穩高效，用戶對此比較滿意。我公司還給其它企業設計了500公斤重鋼軸上下料（臥車）機器人。結合德國百格拉公司機器人的實際經驗和指導我們可以設計建造重達5000公斤重工件的搬運機器人。本文以500公斤重鋼軸上下料（臥車）機器人為例來介紹，其它負載重量搬運機器人的設計相似。

一 機器人結構說明

1其本要求

鋼軸重約500kg，長約2000mm， 放置在臥車后面的料架上。要求機器手把料架上的鋼軸抓起來，放置在前面臥車的兩個支撐架上，把加工完的鋼軸抓起來，放在車床前面的放料架上。為此選擇一個水平運動軸（X軸）和上下運動軸（Z軸）的二維XZ機器人。根據兩個料架高度，車床中心高度及他們間前后距離要求機器手的有效行程為6000*1000mm。圖1是機器人及車床的示意圖。

運行速度：Z軸平均速度為每分鐘20米，最高運行速度為每分鐘30米。X軸平均速度為每分鐘30米，最高運行速度為每分鐘35米。

2 機器人整體結構

圖1是XZ二維機器人結構示意圖，本機器人的設計在借鑒了三家德國大負載機器人和西班牙一公司專用鋼軸上下料機器人基礎上給出的設計方案之一。

Z軸結構：

Z軸采用雙100*100*6mm雙鋼柱結構。兩個鋼柱間距是600mm， 用鋁板連接起來形成一個，120*800mm（寬度*長度）的加強型結構。其有效行程可以按要求在600~1600mm可選。Z軸采用雙直線導軌結構及單齒輪齒條傳動方法。

X軸結構：

X軸采用雙梁結構（類同天吊的橫梁）。每根梁采用橫截面為200*200*8mm（寬度*長度*臂厚）的加強型橫梁結構。其有效行程可以按要求在6000~12000mm可選。X軸采用雙直線導軌結構及雙邊齒輪齒條同步傳動方法。

這里X軸和Z軸均采用進口高速大負載直線運動導軌和高速大負載齒輪齒條運動傳動結構。

3 機器人支架結構

整體支架采用龍門式，兩根立柱計劃采用300*300*10mm。兩根立柱采用地腳可調結構來進行垂直度的調整。兩根立柱間距要看現場上下料要求來定。

4 上料架說明：

由于要加工的工件是鋼軸，其尺寸大約為2300*200mm， 重達500公斤，所有或采用天吊和插車類搬運到上料架上，或采用傳送帶運輸。這里按采用傳送帶運輸方式考慮，要求鋼軸滾動到最后有擋位處，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。這樣機器手抓取鋼軸，提升（Z軸），水平運動（X軸）到車床卡盤軸心上方后，Z軸再下降直到車床上兩個支撐軸上。

5 下料架說明：

下料架與用戶對加工完的鋼軸運輸方式有關，我們這里假設采用鋼軸靠自身重力滾動傳送方式。機器人抓取鋼軸后，提升（Z軸）到一定高度后，水平運動（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 手爪說明

手爪選用德國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所用相同的火車鋼軸抓取手爪，保證技術上成熟，使用穩定可靠。

7 直線導軌選型

我們選擇日本THK公司高速導軌。這里X軸和Z軸都選擇SHS45LV型號，單個滑塊時導軌的最大動態載荷為10000GK， 當兩個滑塊剛性連接時其最大動態載荷為50000GK。本項目每根高速導軌上采用四個滑塊，并剛性連接。這樣兩根SHS45LV型號導軌及八個滑塊完全能勝任最大動態載荷為1000公斤負載時的高速運動，高速加速和減速。

單導軌雙滑塊緊靠一起時：Ma = 16.3kN.m，Mb = 16.3kN.m，Mc = 3.53kN.m（單滑塊數據），

當采用四滑塊緊靠一起時：Ma，Mb和Mc都會增大5~6倍。

8 齒輪齒條選擇：

初步選擇模數是4，寬度和高度大約50*40mm的齒條。

二 運動控制系統

1）數控系統

選擇西門子PLC，保證高可靠性，保證長期穩定可靠工作。

2）驅動電機

Z軸驅動電機：

Z軸采用額定轉速2000轉，額定出力25Nm的交流伺服電機，5.3千瓦交流伺服電機，最大出力62Nm（3秒內），

Z軸最高運行速度為每分鐘30米，平均運行速度為每分鐘20米，加速度為每秒0.5米，負載/驅動電機轉動慣量比小于2， 所配減速機為德國NEUGART 公司PLN 142/20

正常上升減速機出力要求為312Nm， 而PLN 142/20實際最大出力為1187Nm， 最高轉速為每分2273轉時，驅動電機最大出力是62Nm， 安全系數為280%。

Z軸要選帶自動抱閘的伺服電機。

X軸驅動電機：

X軸采用額定轉速3000轉，額定出力5Nm的交流伺服電機，1.6千瓦交流伺服電機，最大出力12.6Nm（3秒內），

X軸最高運行速度為每分鐘31米，平均運行速度為每分鐘30米，加速度為每秒1.05米，負載/驅動電機轉動慣量比小于2， 所配減速機為德國NEUGART 公司PLE 120/20

正常運動減速機出力要求為70Nm， 而PLE 120/20實際最大出力為252Nm， 最高轉速為每分2400轉，驅動電機最大出力：12.6Nm， 安全系數為260%。

X軸采用兩個完全一樣的伺服電機和行星減速機。

3 所配行星減速機

Z軸所配行星減速機

所配行星減速機采用德國NEUGART公司PLN142/20。該減速機減速比是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

所配行星減速機采用德國NEUGART公司PLE 120/20。該減速機減速比是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軸采用兩個完全一樣的行星減速機。

三 運動過程

1 上料過程

首先X軸運動到上料架上方，等待上料架上鋼軸到位信號后手爪張開。檢測到兩個手爪都完全張開后Z軸下降到特定高度。這是鋼軸應處于手爪中，檢測到兩個手爪內部都有鋼軸后，手爪閉合。檢測到兩個手爪都閉合后，Z軸提升到指定的高度，然后檢測Z軸到位信號（以防鋼軸撞上機床）。檢測到Z軸升高到位信號后，X軸向機床的卡盤正上方運動后停止運動，然后檢測X軸到位信號。檢測到X軸到位信號后，Z軸向下運動到指定的高度后停止運動，這時鋼軸的軸心與機床卡盤軸心同心，然后檢測Z軸到位信號。

檢測到Z軸到位信號后，手爪張開，鋼軸放到車床的兩個支撐架上。檢測到手爪張開信號后，Z軸升起到指定高度，機床主軸啟動，開始加工。

上料時間大約20秒，這里是按運行速度估計的時間，要根據機床具體高度，上料架高度和位置才能準確計算上料時間。

2 下料過程

在得到機床加工完，主軸已停止轉動后，Z軸開始下降同時手爪張開。檢測到Z軸下降到特定高度及兩個手爪內部都有鋼軸后，手爪閉合。檢測到兩個手爪都閉合后， Z軸提升到指定的高度。檢測到Z軸升高到位信號后，X軸向下料架上方運動。檢測到X軸到位信號后，Z軸向下運動到指定的高度后停止運動，然后檢測鋼軸是否已放到下料架上。檢測到鋼軸確實已放到下料架上后，手爪張開。檢測到手爪張開信號后，Z軸開始升高到指定高度及檢查Z軸到位信號。檢測到Z軸升高到位信號后，X軸開始向上料架方向運動到指定位置，開始抓取一個鋼軸，去完成上料過程。

下料時間大約20秒，這里是按運行速度估計的時間，要根據機床具體高度，下料架高度和位置才能準確計算下料時間。

四 結論

由于直角坐標機器人非常適合各種機床上下料應用，在歐洲很多國家，機床上下料早已經大量使用。我公司代理的德國百格拉公司Berger Lahr直角坐標機器人在歐洲享有盛譽，我們可以依據德國公司的成功經驗和案例，及我們10多年的應用經驗為用戶設計高效高速高可靠的專用搬運機器人。