新型桁架机器人的研发与应用实践

王士宇

（上海固都自动化工程有限公司，上海201206）

0 引言

在自动化工业生产领域，人们越来越倾向柔性化、自动化生产，机器人自动化生产应运而生，在自动化工业领域得到了广泛应用。目前，机器人通过各种应用也在不断进行着细分，桁架式机器人就是应用较为广泛的典型类型之一。桁架机器人在数控机床自动上下料领域、自动化流水输送线的自动上下料领域有着非常广泛的应用，它具有自动控制、可重复编程、多自由度、运动空间直角关系的特点，特别适用于多品种、大批量的柔性化作业，能够有效提高生产效率和自动化程度。

1 桁架机器人开发过程

随着自动化水平的提高，桁架机器人被应用在越来越多的领域。我们开发了性能更优的新型桁架机器人以适应各种应用场合，其结构如图1所示。

图1 桁架机器人结构

该桁架机器人采用独特的桁架系统，可以保证立柱灵活地安装在横梁的任意位置。在横梁表面，每隔100 mm加工好螺纹孔，可保证立柱位置的自由调整以及接油盘、拖链支架等部件的安装。通过每隔100 mm调整减震器的位置，可调整桁架的使用行程。横梁是模块化结构，采用标准长度（6 m），通过精密的连接元件紧固连接，可保证任意长度的无限制拼接。

桁架机器人主要结构特点如下：

（1）X、Y、Z三个移动轴，采用重载钢管和铝型材承重梁结构。

（2）伺服电机驱动，斜齿条、齿轮传递动力。

（3）采用独特的滚轮导轨的导向系统。

在相同质量流率的情况下，随着微通道分支数n的增大，热沉最大热应力σ逐渐降低。当质量流率=1.5g/s时，微通道分支数为n =8，与n=3、4、6时的最大热应力相比较，分别降低0.106、0.061、0.025GPa，降低幅度分别为26.9%、17.5%、8.0%。

（4）Z轴工作端配置夹具，进行加工零件的上下料。

（5）电控系统输出端为标准快插接口，即插即用。

1.1 导轨导向系统的研发

1.1.1 滚轮的选择

在导轨导向系统的研发过程中，通过对比传统的滚珠滑块导轨与滚轮导轨的特点，发现滚轮导轨具有速度快、寿命长、易安装和耐粉尘的特点，更适合磨齿机的工作环境。我们选择了滚轮导轨，确认使用FR25系列的偏心滚轮。该偏心滚轮端面有两个孔，可以通过开口扳手和圆柱卡钳按照设定的值来调整背隙和预紧滚轮，可延长滚轮使用寿命。

1.1.2 齿轮、齿条的选择

选择齿条时，必须校核导轨系统的齿轮是否与所需的驱动力和力矩匹配。计算时，需要考虑齿根应力系数SF≥1.4，同时需要考虑应力系数SH≥1。

1.1.3 滚轮导轨系统结构

每根导轨上放置两个滚轮支撑组；每个支撑组内有三个滚轮，在滚动的过程中，滚轮轴承只承受径向力，处于最理想的受力状态。四个支撑组合起来使用，可承受各个方向的力和翻转力矩。滚轮导轨系统结构如图2所示。

图2 滚轮导轨系统结构

1.2 移动轴承重梁的研发

1.2.1 承重梁截面的设计

根据市场调研，FP桁架机器人的最大工作负载范围定义为Fmax=1 000 N，即可满足大部分的应用。

X、Y轴采用160 mm×160 mm特殊定制的钢管；Z轴采用铝型材，材质为AW-6063 T6，截面尺寸如图3所示。经力学校核，该截面符合承载要求。

图3 截面尺寸

1.2.2 行程与最大载荷

X、Y轴均有支撑结构，单体最大行程可达6 m，可以拼接延伸，最大载荷不受行程影响。因Z轴连接工作端，Z轴最大行程2.5 m。经分析验算，Z轴最大载荷与行程关系如下：

1.2.3 Z轴承重横梁的变形计算分析

按照最大行程，承重横梁在最大载荷作用下的变形量为：

即该截面的铝型材在6 m长的跨距、100 kg负载的作用下，变形量为0.4 mm。

从上面的数据可以看出，该形式的承重梁具有很好的刚性，在相当负载之下，依然可以保证极小的变形量，适合高精度的工艺要求。

1.2.4 承重梁的特点

X、Y轴由160 mm×160 mm特殊定制的钢管及滚轮导轨、斜齿条组成。斜齿条全部经过精密切割，外表面经过精密的研磨，最大偏差仅为0.02 mm，沿横梁依次拼接。平导轨的表面经过硬化处理，硬度可达56-62HR。滚轮由硬化轴承钢制作而来，与导轨研磨面相接触。这种滚子轴承配合将使允许轴向和径向时达到最高精度，任何间隙都可以通过偏心轴迅速和容易地消除。

Z轴采用铝型材，具有良好的防锈性能，型材端部的结构可直接打孔，方便安装工件抓取装置。此外，铝型材侧面T槽方便了限位开关、传感器等零件的安装。

1.3 电控系统

PLC采用西门子系列，PLC系统具有以太网通信接口。电控柜安装带触摸屏的工控一体机，用于设备操作。

2 桁架机器人在实践中的应用

在工业生产线上，工件经常需要在流水线与加工工位之间来回上下料动作，这类工作繁复简单，传统应用手工线进行上下料存在许多弊端。而随着工业自动化的发展，许多企业广泛采用工业机器人来实现上下料的工艺过程，桁架机器人在各个行业的应用可谓大势所趋。

2.1 桁架机器人在机床行业的应用

瑞士法斯勒（Faessler）公司是一家全球知名的机床生产制造商。该公司生产的HMX-400齿轮珩磨机是一种非常知名的机床设备，广泛应用于各个领域的硬齿轮的精加工。机床设计工作周期时间25 s，工件最大重量10 kg。

我们为该机床提供了ZP-3系列桁架。桁架运行速度为Y轴125 m/min、Z轴90 m/min，最终每21 s完成一个加工周期。该桁架机器人最终成为HMX-400齿轮珩磨机的工件上下料自动化标配系统，得到了客户的认可。

美国格里森（Gleason）公司是知名的齿轮精加工机床生产制造商。该公司生产的300TWG数控蜗杆砂轮磨齿机具备全数控化、高精度化、磨削高速化、功能复合化等特性。该机床结构小而紧凑，用户在安装和搬移机床时，无需使用特殊的起重设备或特殊的地基。该机床设计性能如下：工作周期时间18 s，工件最大重量35 kg，轴最大行程450 mm。

我们为该机床提供了ZP-4系列桁架作为其上下料工序的标准模块。桁架运行速度为Y轴160 m/min、Z轴112 m/min，最终每16 s完成一个加工周期。该桁架机器人完全满足磨齿机高精度、高速度工况下的自动上下料工作，是桁架产品在高端机床应用的典型案例。

2.2 桁架机器人在零部件加工行业的应用

美国卡特彼勒（Caterpillar）公司是知名的工程机械和矿山设备生产厂家。公司生产使用的齿圈应用在自己的履带牵引机和挖掘机上。从上料加工到成品离线，齿圈的加工全部自动化完成，整个生产步骤包括：两个不相合齿轮牵引，一个去毛刺机床，一个清洗机，还有进给和退出功能的工程传送带。所有加工步骤均由桁架机器人实现自动化功能。

我们提供了两条FP系列桁架机器人组合结构，一条桁架线安排两齿轮牵引，另一条线实现去毛刺和清洗的工艺方案，每条线都由线性桁架实现自动化操作。桁架Z轴工作端采用液压抓手进行齿圈抓取，可完成直径从280 mm到470 mm的工件的生产加工。采用架空式的支撑结构，满足了客户既减少空间又符合人机工程学的要求。比较起安装在地面的处理系统，桁架式更容易实现对加工中心的维护任务。较之前的自动化系统，每个零件的成本降低了7%，人力资源成本降至到50%。

2.3 桁架机器人在物流行业的应用

桁架机器人在物流的输送、搬运、码垛等方面有很多典型的应用。在上海烟草集团的一个物流码垛项目中，要实现烟箱的拾取码垛。客户将烟箱托盘输送到桁架的取料点位置，桁架机械手将抓取烟箱并放置到放箱输送机上，最多时为3箱同时抓取，每个烟箱重量20 kg，单次工作时间大约为20 s。

我们提供了FP-4型三自由度桁架机器人用于烟箱的拆盘和拆垛。整条输送线利用长行程桁架机械手，拼接长度达到65 m。桁架运行速度为X、Y轴150 m/min，Z轴90 m/min，最大工作负载120 kg。抓手采用真空吸盘的形式，抓取位置为烟箱两侧表面。最终实现了对烟箱的拆垛和自动化输送。

3 结语

在中国，机械手的工业应用前景巨大，工业机器人替代人工的节点已经到来，桁架机器人正在改变着中国制造业。桁架机器人架空式结构使得车间内设备布置更为集中紧凑，提高了厂房单位面积的使用率。使用桁架机器人可以提高生产过程中的自动化程度，有利于加快材料的传送、工件的装卸，从而提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产自动化的步伐。

[1]上海派然涛工业技术有限公司.重载铝型材的龙门机械手应用案例[Z]，2015.