大型龍門式三坐標轉運沙芯桁架機器人的分析與設計

          —沈陽力拓自動化控制技術有限公司   楊樹彬  2010年9月22日

      沈陽力拓公司是德國BAHR公司直線定位系統的中國總代理，我公司引進德國的先進技術，結合自己的實際應用，研制開發各類直角坐標機器人。經過不懈努力，沈陽力拓近兩年銷售額已經躍居德國BAHR公司全球各代理商銷售總額的首位。本著“專心做好機器人”的宗旨，沈陽力拓公司不斷的為國內各類型企業研制適合他們的直角坐標機器人。

      應國內一大型鑄造企業要求，力拓公司于2010年3月開始為其研發大型龍門式三坐標轉運沙芯桁架機器人！

      自力拓自動化成立8年以來，曾經開發過速度達12米/秒的運動機構 ，開發過行程26米的龍門機器人，也曾經開發過負載3噸的傳輸機器人，但在此以前從未遇到過集上述特點于一身的機器人。且對方時間緊迫，要求從研發至交貨時間只有三個月的時間！

該龍門機器人具有如下幾大特點：

1，大行程：X坐標13000mm、  Y坐標600mm、Z坐標1500mm;

2，大負載：Z軸末端負載2500Kg（含機械抓手）；

3，高速度：X方向速度500mm/s,對于如此大的負載，500mm/s的速度已很難得。

4，高精度：全程重復精度，X方向+-0.1mm；Y方向+-0.05mm；Z方向+-0.025mm；

      因該機器人的設計難度及安裝調試的難度都很大，工作環境極其惡劣，能夠將該設備開發成功實屬不易。在此我們愿和大家一起分享我們的經驗，也給同行們提供一個參考。所以我們決定將該機器人的設計過程，技術難點，如何安裝調試，如何控制，在實際調試過程中出現了那些問題報告給大家：

一、 機器人名稱及用途：名稱,轉K6搖枕、側架整體芯下芯機桁架機器人。用于帶動掃描儀及相應夾具掃描砂箱型腔、抓取砂芯并準確將砂芯下到型腔里.

    1、工作環境：鑄造車間粉塵較大，氣溫-5℃～45℃，相對濕度小于85%

    2主要技術參數

    2.1、行程

     X坐標軸行程：13000 mm（水平方向）,不含限位空間

     Y坐標軸行程：600 mm（水平方向）,不含限位空間

     Z坐標軸行程：1500 mm（垂直方向）,不含限位空間

    2.2 速度

    最大驅動速度：X坐標軸（水平方向）500 mm/s；平均速度：400mm/s,加速度0.25-0.3m/s2,加減速時間1.5-2秒.

    最大驅動速度：Y坐標軸（水平方向）150 mm/s；平均速度：100mm/s,加速度0.1-0.15m/s2,加減速時間1.5-2秒.

    最大驅動速度：Z坐標軸（垂直方向）150mm/s；平均速度：120mm/s,加速度0.1-0.15m/s2,加減速時間1.5-2秒.

    2.3負載

    作用在垂直升降坐標軸的負載小于等于2500 kg(含抓手).

    2.4 重復精度

   （1）X坐標軸重復位置精度± 0.1mm（水平方向）,該精度并非為全行程的精度，而是掃描及取、放物體位置附近區間的精度。即以掃描及取、放物體的位置為零點，那么它的附近區間為±150mm。

    （2）Y坐標軸重復位置精度± 0.1mm（水平方向）；

（3）Z坐標軸重復位置精度± 0.1mm （垂直方向）。

2.5、系統要求

    2.5.1機器人在鑄造環境下工作，必須具備可靠的防塵措施及裝置。

    2.5.2機器人要保證下芯平穩安全可靠，機器人動作范圍和負載應有合理的余量。

    2.5.3機器人在下芯工位沿X，Y方向能自動精確調整位置。Z方向能自動調整位置。

2.5.4 電氣控制系統具有完善的安全連鎖、保險、防塵及過載報警等功能。

2.5.5 電氣控制柜采用全封閉式并帶有工業空調，及供換氣使用的空氣過濾裝置。

2.5.6 采用PLC控制技術，實現機器人系統與砂芯、砂箱輸送系統通訊。

2.5.7 PLC內置總線接口，即能與控制中心系統聯網實時通訊，又能控制各層設備的運轉。

2.5.8 組芯、下芯生產線中心控制系統通過與PLC連接，既可以對設備的運行進行監理，又可對運行程序和參數進行設定。

    三、項目分析與設計

    3.1、分析設備的難點

    3.1.1、X方向行程行程達13000mm,如何實現+-0.1mm的重復精度

    3.1.2、垂直起降重量達2500Kg（其中負載和抓手的重量為2000Kg），如何保證在500mm/秒的水平運動平穩運行。

    3.1.3、負載的體積很大，大約3m×2m，如何保證在平穩提升。

    3.1.4、龍門機器人移栽機總程度約17米，寬約3米，安裝高度5米，如何安裝調試。

    3.1.5、該龍門機器人工作在鑄造車間，灰塵非常大，如何防護？

         突破了以上技術難點，設備就做出來了。

    3.2、機械設計過程

    3.2.1、X軸定位系統及驅動的選擇

    因為針對較大行程的定位應用場合，一般都選擇齒輪齒條作為驅動元件，把齒條固定在安裝基準上，伺服電機驅動齒輪在齒條上滾動，這樣一來，打量的沙塵就會覆蓋在齒條的表面，而要把整條齒條都密封起來，難度極大，成本太高，不可行。

對于大行程的地場合，同步帶驅動也是一個選擇，但對于總長度約16米，的定位系統，同步帶的長度就要達到32米長，如此長的同步帶帶動約4000Kg的物體運動，很難保障+-0.1mm的重復精度。

好在對于移栽機器人來說，只要在抓取物體的位置和放下物體的位置精度滿足要求就可以了，所以我們想到了可以在這兩個位置加裝位置檢測元件。

實際應用中我們選擇了德國BAHR公司的直線定位系統QSZ100，該定位系統的特點是承載力非常大 ，剛性非常好，定位系統的軌道安裝在一個截面為100×100的鋁型材腔體內，鋁型材上側開有寬度大約為40mm的口，在口中間開了一個約55mm的口，50mm寬的同步帶剛好在該口內通過，這樣，同步帶就將灰塵阻擋在鋁型材腔體之外了。落在同步帶上的灰塵，我們使用兩個吸塵的機構去清除。兩個QSZ100平行使用，中心局為2400mm, 每個定位系統上面各有兩個承載的滑塊，中心距為2300mm，這樣由兩個 QSZ100定位系統組成的安裝平面就可以為Y坐標軸提供一個2400mm×2300mm的平面了。

作用在X軸定位系統上的負載大約有4000Kg，其中負載2000Kg；安裝Y 定位系統的安裝平臺700Kg，Y軸定位系統及驅動重量200Kg；安裝Z軸定位系統的安裝平臺約500Kg，Z軸及驅動部分重量300Kg，隨機器人運動的電控柜300Kg。

我們設計了加強滑塊結構，使X軸上的滑塊每個承載力達到2000Kg，四個滑塊的承載力就是8000Kg了。

選擇合適的伺服電機也很重要，為了獲得較好的動態性能，我們必須計算系統的運動慣量和驅動扭矩，

我們設定X軸的加速度為0.5m/s，已知負載4000Kg,QSZ100 的同步帶周長為224mm,我們計算出其負載慣量為50853Kg.cm²,加速扭矩為100Nm。

據此我們選擇了一個5000W，轉速2000rpm，慣量為48Kg.cm²的伺服電機和15：1的一個減速機作為驅動元。

X坐標軸總長度約16米,如圖

該QSZ100直線定位系統上安裝有兩個距離為2000 mm的承載滑塊.

 16000 mm長度的直線定位系統,運輸和安裝都非常困難,我們將其設計為3節,每節長度5000mm多一些.安裝時把它們接到一起,接縫的處理很關鍵:

長期工作在鑄造車間,直線定位系統軌道的潤滑不可少,我們在每個定位系統的端面開了幾個潤滑孔:

3.2.2、Y軸定位系統及驅動的選擇

    因為Y軸定位系統行程較小，只有600mm,選擇同步帶驅動的定位系統就非常合適了，而且BAHR公司的同步帶驅動的定位系統在短行程內達到+-0.05mm得重復精度是很容易的。我們選擇了兩個德國BAHR公司的直線定位系統QSZ125，滑塊長度1000mm,兩個定位系統平行安裝，同步驅動。將Z軸安裝平臺安裝在兩個滑塊上，每個滑塊得承載力為4000Kg，而作用在Y軸上的負載為3100Kg。這樣的負載對于QSZ125 定位系統，還是安全的。

QSZ125的 結構特點和QSZ100一樣，也是軌道密封結構。我們為了安裝Z軸，設計了一個2000mm×1000mm平臺為。

因為Y軸定位系統的運動速度很慢，電機的功率就小得多了。經過慣量和扭矩的計算，我們選擇了一個750W的伺服電機和50：1的減速機

3.2.3、Z軸定位系統及驅動的選擇

    Z軸定位系統的選型和結構設計,是本設備能否成功的關鍵所在.對于一個3000mm×2000mm的重達2000Kg的負載，僅有一個提升坐標定位系統是不夠的，一根直線定位系統提起2000Kg負載沒有問題，但無法避免負載在水平面內晃動。如果采用一個提升軸，然后輔以四個垂直導向軌道也是可以的，但安裝四個導向軌道就需要加工一個非常龐大的軌道安裝架，該架的重量會非常大，以至于需要修改X軸和Y軸的設計，而且大大增加制造成本。重要的是加工一個四個軌道的安裝架，保證各種機械加工指標，是現起來太困難。

    為解決這個難題，我們經過詳細機械強度剛性計算，運動學分析以及加工安裝可行性論證，我們使用了兩個同步的直線定位系統作為Z軸。兩個定位系統的跨距達2米，沿X軸運動方向排放。這樣就有兩個點同步提升負載，負載的中心一定在兩個定位系統之間了。負載沿X方向對Z軸的沖擊變形就小很多了。

同樣為了減小Y方向運動對Z軸的沖擊變形，我們在沿Y方向排布了兩個垂直導向機構。與z軸定位系統一起運動。兩個提供動力的直線定位系統和兩個導向機構成菱形排放。這樣的設計提供了一個很大受力面積，使得整個提升系統的重量很輕，運行非常平穩。

    實際應用中我們使用了德國BAHR公司的ELK125直線定位系統，該定位系統能夠提供的最大提升了為8000Kg。保證非常大的安全系數。

因為Z軸定位系統的垂直提升物體，電機的功率就大得多了。經過慣量和扭矩的計算，我們選擇了一個7500W的伺服電機和6：1的減速機。

                 轉運沙芯桁架機器人結構示意圖

4.1、電氣控制部分的設計

4.1.1、控制系統的選擇

雖然該設備只有3個運動的坐標軸，但因為有許多其他的設備需要同時控制，聯合動作，這就要求控制系統的穩定性好，功能非常強大。實際應用中我們選擇了西門子的PLC 315-2DP 作為控制系統，使用總線方式實現對整個設備的控制。

4.1.2、電氣控制原理圖

圖一 電氣網絡圖

   5.1、防護設計

5.1.1防塵設計：該龍門機器人工作在鑄造車間，灰塵非常大，而X、Y、Z坐標軸的定位系統中，都有直線軌道，如果沒有防塵處理，軌道很快會損壞。

      雖然X坐標軸和Y坐標軸都是內藏直線軌道式的直線定位系統，但因為軌道上面滑動，在軌道和滑塊之間一定存在縫隙，該縫隙就會有粉塵進入。而同步帶上表面直接暴露在空氣中，一定有灰塵落在同步帶上。時間一長，也會有少量粉塵進入到定位系統腔體內，落在直線軌道上。

防塵方法1：我們在X和Y軸定位系統的滑塊兩側各加了一個側板，板內側加上海綿體，該機構可以阻止灰塵通過滑塊縫隙進入軌道內腔，還可以把落在直線定位系統外側面的灰塵時時清理掉。

防塵方法2：我們在直線定位系統的端面上個放了一個灰塵清理機構，可以時刻把落在同步帶上的灰塵刷掉，然后由一個吸塵器把灰塵吸走。

      Z軸定位系統共有兩根，為了增加其穩定性，我們為每個定位系統安裝了4 個用于導向的軌道，這樣一來，軌道只有暴露在空中了。好在Z軸定位系統的行程只有1500mm。

      實際應用中我們在每個導向軌道上都加了一個清理刷，并把軌道潤滑腔和清理刷集成在一起，時時潤滑軌道。

6.1、安全保護

6.1.1、運動防碰撞保護，每個運動方向的運動質量都很大，一旦控制系統失靈，產生碰撞，結果會非常可怕。

      我們在每個坐標軸的兩端都安裝了減速開關，限位開關，運動機構碰到減速開關后，開始減速；碰撞到限位開關，會切斷電源使電機停止運動；

      一旦以上手段都失靈，就只能接受碰撞的事實了，我們在每個定位系統的端面安裝了緩沖器。運動的機構撞到緩沖器后，壓縮緩沖器內的空氣。緩沖器緩慢后退，從而吸收沖擊能量，把破壞降到最小。

      Z軸定位系統提升負載垂直運動，存在斷電下落的問題，除了采取如上防護措施，我們選擇了帶斷電抱死功能的電機。

6.1.2、檢測感應元件的防護

      位置檢測開關，光柵磁，安裝保護開關等在設備上非常多，在安裝和實際使用中可能會因各種因素，碰撞到以上設備，使其感應位置發生變化，從而失去保護設備的作用。我們為每個開關設計了一個防護盒，外力就很難破壞他們了。

      這一案例經我公司研發設計，在規定的期限內為委托方交上了一份滿意的答卷，此設備目前已投產使用，現場使用效果良好。

      但因為本機器人的研發和制造時間很短,從接觸到案例到完成現場安裝只有3個月時間,研發和設計時間就占去了一個多月,導致有些元件的加工不夠精細,做工不夠精細,包括電纜線的布局,拖鏈的安裝行走固定都有需要改進的地方;，電控柜,零件,圖紙等的標準化不高,需要進一步改進。

      相信在我們不斷的努力及改進下，該轉運沙芯桁架機器人設備將日臻完善，發揮越來越大的功效。

      力拓公司也將不斷的探索和鉆研，為客戶量身制造直角坐標機器人，為我國的機器人領域再創新功！