沈阳力拓大型龙门式三坐标转运沙芯桁架机器人的分析与设计

大型龙门式三坐标转运沙芯桁架机器人的分析与设计

          —沈阳力拓自动化控制技术有限公司   杨树彬  2010年9月22日

      沈阳力拓公司是德国BAHR公司直线定位系统的中国总代理，我公司引进德国的先进技术，结合自己的实际应用，研制开发各类直角坐标机器人。经过不懈努力，沈阳力拓近两年销售额已经跃居德国BAHR公司全球各代理商销售总额的首位。本着“专心做好机器人”的宗旨，沈阳力拓公司不断的为国内各类型企业研制适合他们的直角坐标机器人。

      应国内一大型铸造企业要求，力拓公司于2010年3月开始为其研发大型龙门式三坐标转运沙芯桁架机器人！

      自力拓自动化成立8年以来，曾经开发过速度达12米/秒的运动机构 ，开发过行程26米的龙门机器人，也曾经开发过负载3吨的传输机器人，但在此以前从未遇到过集上述特点于一身的机器人。且对方时间紧迫，要求从研发至交货时间只有三个月的时间！

该龙门机器人具有如下几大特点：

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

2，大负载：Z轴末端负载2500Kg（含机械抓手）；

3，高速度：X方向速度500mm/s,对于如此大的负载，500mm/s的速度已很难得。

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

      因该机器人的设计难度及安装调试的难度都很大，工作环境极其恶劣，能够将该设备开发成功实属不易。在此我们愿和大家一起分享我们的经验，也给同行们提供一个参考。所以我们决定将该机器人的设计过程，技术难点，如何安装调试，如何控制，在实际调试过程中出现了那些问题报告给大家：

一、 机器人名称及用途：名称,转K6摇枕、侧架整体芯下芯机桁架机器人。用于带动扫描仪及相应夹具扫描砂箱型腔、抓取砂芯并准确将砂芯下到型腔里.

二、使用环境及原始设计要求动力、环境条件

    1、工作环境：铸造车间粉尘较大，气温-5℃～45℃，相对湿度小于85%

    2主要技术参数

    2.1、行程

     X坐标轴行程：13000 mm（水平方向）,不含限位空间

     Y坐标轴行程：600 mm（水平方向）,不含限位空间

     Z坐标轴行程：1500 mm（垂直方向）,不含限位空间

    2.2 速度

    最大驱动速度：X坐标轴（水平方向）500 mm/s；平均速度：400mm/s,加速度0.25-0.3m/s2,加减速时间1.5-2秒.

    最大驱动速度：Y坐标轴（水平方向）150 mm/s；平均速度：100mm/s,加速度0.1-0.15m/s2,加减速时间1.5-2秒.

    最大驱动速度：Z坐标轴（垂直方向）150mm/s；平均速度：120mm/s,加速度0.1-0.15m/s2,加减速时间1.5-2秒.

    2.3负载

    作用在垂直升降坐标轴的负载小于等于2500 kg(含抓手).

    2.4 重复精度

   （1）X坐标轴重复位置精度± 0.1mm（水平方向）,该精度并非为全行程的精度，而是扫描及取、放物体位置附近区间的精度。即以扫描及取、放物体的位置为零点，那么它的附近区间为±150mm。

    （2）Y坐标轴重复位置精度± 0.1mm（水平方向）；

（3）Z坐标轴重复位置精度± 0.1mm （垂直方向）。

2.5、系统要求

    2.5.1机器人在铸造环境下工作，必须具备可靠的防尘措施及装置。

    2.5.2机器人要保证下芯平稳安全可靠，机器人动作范围和负载应有合理的余量。

    2.5.3机器人在下芯工位沿X，Y方向能自动精确调整位置。Z方向能自动调整位置。

2.5.4 电气控制系统具有完善的安全连锁、保险、防尘及过载报警等功能。

2.5.5 电气控制柜采用全封闭式并带有工业空调，及供换气使用的空气过滤装置。

2.5.6 采用PLC控制技术，实现机器人系统与砂芯、砂箱输送系统通讯。

2.5.7 PLC内置总线接口，即能与控制中心系统联网实时通讯，又能控制各层设备的运转。

2.5.8 组芯、下芯生产线中心控制系统通过与PLC连接，既可以对设备的运行进行监理，又可对运行程序和参数进行设定。

    三、项目分析与设计

    3.1、分析设备的难点

    3.1.1、X方向行程行程达13000mm,如何实现+-0.1mm的重复精度

    3.1.2、垂直起降重量达2500Kg（其中负载和抓手的重量为2000Kg），如何保证在500mm/秒的水平运动平稳运行。

    3.1.3、负载的体积很大，大约3m×2m，如何保证在平稳提升。

    3.1.4、龙门机器人移栽机总程度约17米，宽约3米，安装高度5米，如何安装调试。

    3.1.5、该龙门机器人工作在铸造车间，灰尘非常大，如何防护？

         突破了以上技术难点，设备就做出来了。

    3.2、机械设计过程

    3.2.1、X轴定位系统及驱动的选择

    因为针对较大行程的定位应用场合，一般都选择齿轮齿条作为驱动元件，把齿条固定在安装基准上，伺服电机驱动齿轮在齿条上滚动，这样一来，打量的沙尘就会覆盖在齿条的表面，而要把整条齿条都密封起来，难度极大，成本太高，不可行。

对于大行程的地场合，同步带驱动也是一个选择，但对于总长度约16米，的定位系统，同步带的长度就要达到32米长，如此长的同步带带动约4000Kg的物体运动，很难保障+-0.1mm的重复精度。

好在对于移栽机器人来说，只要在抓取物体的位置和放下物体的位置精度满足要求就可以了，所以我们想到了可以在这两个位置加装位置检测元件。

实际应用中我们选择了德国BAHR公司的直线定位系统QSZ100，该定位系统的特点是承载力非常大 ，刚性非常好，定位系统的轨道安装在一个截面为100×100的铝型材腔体内，铝型材上侧开有宽度大约为40mm的口，在口中间开了一个约55mm的口，50mm宽的同步带刚好在该口内通过，这样，同步带就将灰尘阻挡在铝型材腔体之外了。落在同步带上的灰尘，我们使用两个吸尘的机构去清除。两个QSZ100平行使用，中心局为2400mm, 每个定位系统上面各有两个承载的滑块，中心距为2300mm，这样由两个 QSZ100定位系统组成的安装平面就可以为Y坐标轴提供一个2400mm×2300mm的平面了。

作用在X轴定位系统上的负载大约有4000Kg，其中负载2000Kg；安装Y 定位系统的安装平台700Kg，Y轴定位系统及驱动重量200Kg；安装Z轴定位系统的安装平台约500Kg，Z轴及驱动部分重量300Kg，随机器人运动的电控柜300Kg。

我们设计了加强滑块结构，使X轴上的滑块每个承载力达到2000Kg，四个滑块的承载力就是8000Kg了。

选择合适的伺服电机也很重要，为了获得较好的动态性能，我们必须计算系统的运动惯量和驱动扭矩，

我们设定X轴的加速度为0.5m/s，已知负载4000Kg,QSZ100 的同步带周长为224mm,我们计算出其负载惯量为50853Kg.cm²,加速扭矩为100Nm。

据此我们选择了一个5000W，转速2000rpm，惯量为48Kg.cm²的伺服电机和15：1的一个减速机作为驱动元。

X坐标轴总长度约16米,如图

该QSZ100直线定位系统上安装有两个距离为2000 mm的承载滑块.

 16000 mm长度的直线定位系统,运输和安装都非常困难,我们将其设计为3节,每节长度5000mm多一些.安装时把它们接到一起,接缝的处理很关键:

长期工作在铸造车间,直线定位系统轨道的润滑不可少,我们在每个定位系统的端面开了几个润滑孔:

3.2.2、Y轴定位系统及驱动的选择

    因为Y轴定位系统行程较小，只有600mm,选择同步带驱动的定位系统就非常合适了，而且BAHR公司的同步带驱动的定位系统在短行程内达到+-0.05mm得重复精度是很容易的。我们选择了两个德国BAHR公司的直线定位系统QSZ125，滑块长度1000mm,两个定位系统平行安装，同步驱动。将Z轴安装平台安装在两个滑块上，每个滑块得承载力为4000Kg，而作用在Y轴上的负载为3100Kg。这样的负载对于QSZ125 定位系统，还是安全的。

QSZ125的 结构特点和QSZ100一样，也是轨道密封结构。我们为了安装Z轴，设计了一个2000mm×1000mm平台为。

因为Y轴定位系统的运动速度很慢，电机的功率就小得多了。经过惯量和扭矩的计算，我们选择了一个750W的伺服电机和50：1的减速机

3.2.3、Z轴定位系统及驱动的选择

    Z轴定位系统的选型和结构设计,是本设备能否成功的关键所在.对于一个3000mm×2000mm的重达2000Kg的负载，仅有一个提升坐标定位系统是不够的，一根直线定位系统提起2000Kg负载没有问题，但无法避免负载在水平面内晃动。如果采用一个提升轴，然后辅以四个垂直导向轨道也是可以的，但安装四个导向轨道就需要加工一个非常庞大的轨道安装架，该架的重量会非常大，以至于需要修改X轴和Y轴的设计，而且大大增加制造成本。重要的是加工一个四个轨道的安装架，保证各种机械加工指标，是现起来太困难。

    为解决这个难题，我们经过详细机械强度刚性计算，运动学分析以及加工安装可行性论证，我们使用了两个同步的直线定位系统作为Z轴。两个定位系统的跨距达2米，沿X轴运动方向排放。这样就有两个点同步提升负载，负载的中心一定在两个定位系统之间了。负载沿X方向对Z轴的冲击变形就小很多了。

同样为了减小Y方向运动对Z轴的冲击变形，我们在沿Y方向排布了两个垂直导向机构。与z轴定位系统一起运动。两个提供动力的直线定位系统和两个导向机构成菱形排放。这样的设计提供了一个很大受力面积，使得整个提升系统的重量很轻，运行非常平稳。

    实际应用中我们使用了德国BAHR公司的ELK125直线定位系统，该定位系统能够提供的最大提升了为8000Kg。保证非常大的安全系数。

因为Z轴定位系统的垂直提升物体，电机的功率就大得多了。经过惯量和扭矩的计算，我们选择了一个7500W的伺服电机和6：1的减速机。

                 转运沙芯桁架机器人结构示意图

4.1、电气控制部分的设计

4.1.1、控制系统的选择

虽然该设备只有3个运动的坐标轴，但因为有许多其他的设备需要同时控制，联合动作，这就要求控制系统的稳定性好，功能非常强大。实际应用中我们选择了西门子的PLC 315-2DP 作为控制系统，使用总线方式实现对整个设备的控制。

4.1.2、电气控制原理图

图一 电气网络图

   5.1、防护设计

5.1.1防尘设计：该龙门机器人工作在铸造车间，灰尘非常大，而X、Y、Z坐标轴的定位系统中，都有直线轨道，如果没有防尘处理，轨道很快会损坏。

      虽然X坐标轴和Y坐标轴都是内藏直线轨道式的直线定位系统，但因为轨道上面滑动，在轨道和滑块之间一定存在缝隙，该缝隙就会有粉尘进入。而同步带上表面直接暴露在空气中，一定有灰尘落在同步带上。时间一长，也会有少量粉尘进入到定位系统腔体内，落在直线轨道上。

防尘方法1：我们在X和Y轴定位系统的滑块两侧各加了一个侧板，板内侧加上海绵体，该机构可以阻止灰尘通过滑块缝隙进入轨道内腔，还可以把落在直线定位系统外侧面的灰尘时时清理掉。

防尘方法2：我们在直线定位系统的端面上个放了一个灰尘清理机构，可以时刻把落在同步带上的灰尘刷掉，然后由一个吸尘器把灰尘吸走。

      Z轴定位系统共有两根，为了增加其稳定性，我们为每个定位系统安装了4 个用于导向的轨道，这样一来，轨道只有暴露在空中了。好在Z轴定位系统的行程只有1500mm。

      实际应用中我们在每个导向轨道上都加了一个清理刷，并把轨道润滑腔和清理刷集成在一起，时时润滑轨道。

6.1、安全保护

6.1.1、运动防碰撞保护，每个运动方向的运动质量都很大，一旦控制系统失灵，产生碰撞，结果会非常可怕。

      我们在每个坐标轴的两端都安装了减速开关，限位开关，运动机构碰到减速开关后，开始减速；碰撞到限位开关，会切断电源使电机停止运动；

      一旦以上手段都失灵，就只能接受碰撞的事实了，我们在每个定位系统的端面安装了缓冲器。运动的机构撞到缓冲器后，压缩缓冲器内的空气。缓冲器缓慢后退，从而吸收冲击能量，把破坏降到最小。

      Z轴定位系统提升负载垂直运动，存在断电下落的问题，除了采取如上防护措施，我们选择了带断电抱死功能的电机。

6.1.2、检测感应元件的防护

      位置检测开关，光栅磁，安装保护开关等在设备上非常多，在安装和实际使用中可能会因各种因素，碰撞到以上设备，使其感应位置发生变化，从而失去保护设备的作用。我们为每个开关设计了一个防护盒，外力就很难破坏他们了。

      这一案例经我公司研发设计，在规定的期限内为委托方交上了一份满意的答卷，此设备目前已投产使用，现场使用效果良好。

      但因为本机器人的研发和制造时间很短,从接触到案例到完成现场安装只有3个月时间,研发和设计时间就占去了一个多月,导致有些元件的加工不够精细,做工不够精细,包括电缆线的布局,拖链的安装行走固定都有需要改进的地方;，电控柜,零件,图纸等的标准化不高,需要进一步改进。

      相信在我们不断的努力及改进下，该转运沙芯桁架机器人设备将日臻完善，发挥越来越大的功效。

      力拓公司也将不断的探索和钻研，为客户量身制造直角坐标机器人，为我国的机器人领域再创新功！