桁架机器人关键部件结构优化设计

Engineering工程

hinaCPlant

桁架机器人关键部件结构优化设计

于美森，杜银明

（青岛科捷机器人有限公司，山东 青岛 266100）

摘要：在桁架机器人中前六阶固有频率和伺服电机的激振频率分别是15.9~52.6Hz和50Hz以内，其结构构造受到工作运动过程中的影响，发生共振的机率非常大；受到桁架机器人末端执行器运动影响，桁架机器人的结构框架和立柱都会受到一定的变形影响，因此对桁架机器人的结构和立柱进行了优化设计，提高桁架机器人本体结构的固有频率及刚度，进而提升桁架机器人的工作性能及运动精度。 

关键词：桁架机器人；关键部件；结构设计

中图分类号：TP242   文献标识码：A   文章编号：1671-0711（2018）09（下）-0123-02

桁架机器人作为一种多自由度以及用于各种任务中的自动化设备，不仅可以进行自动化控制、还可以在空间XYZ直角坐标系基础上进行反复编程。在桁架式机器人中使传统的物流方式发生了根本性的转变，使其工作运行环境得到了有效地改善，使其机械零部件在生产过程中，实现数字化、信息化以及无人化生产管理，不仅使产品的生产质量得以有效保障，还大大提升了劳动生产率，将工人从繁重的体力劳动中解放出来，使现代制造技术达到一个崭新的水平。

1 桁架机器人整体结构设计

桁架机器人的整体框架为龙门式结构，框架包括立柱、滑台、横梁和竖梁。具体构造如图1所示。在桁架机器人的立柱下方有物料输送台，在位于立柱大约70mm的位置安装安全防护网。图1显示，在整个桁架机器人中运行期间的主要力量支撑来源于立柱，当横梁和Z方向工作部件(滑台、竖梁及末端负载)发生重力作用后，其中Z方向工作部件的重心距离立柱中心距离505mm。从理论力学知识可以知道，立柱产生的变形不仅与力的大小有关，而且与力到立柱中心的距离有关，此时横梁及Z轴运动部件的质量会对立柱造成偏心倾覆力矩，造成立柱的变形，而这种变形会在末端执行器上产生放大作用，影响末端运动精度及整机的稳定性。因此，为了使桁架机器人的整体刚度得以提升，增加桁架机器人的刚度及稳定性，需要从以下两方面进行。

（1）缩短横梁上Z轴运动部件与立柱中心线的距离以减小偏心力矩的大小。

（2）为了提升横梁的坚韧度，通过降低横梁的弯度变形量，减少横梁因为扭转时对尾部精确值的影响，对机器人的横梁采取优化设计。

图2 桁架机器人整体布局示意图图1   改进后桁架机器人整体布局示意图

2 桁架机器人立柱的结构预改进设计

立柱可以保证桁架机器人中构造的稳定，一般采

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Research and Exploration 研究与探索·工艺与技术

用钢管和钢板焊接而成的，在链接立柱和横梁的位置呈L型结构，这样不仅可以及时调整横梁的工作面，还可以使位于横梁上的竖梁（Z轴）的轴线始终垂直于立柱的安装平面，如图1所示。不过如果利用图中的方法对横梁和z轴进行链接时，支撑力量主要来源于连接面，这样会引起横梁在偏心力的作用下造成变形。对其结构进行改进设计时，要特别注意外界干涉，如图1所示，和立柱有70mm距离的物料输送装置，在考虑安全问题的基础上可以将距离调整为20mm，图2是采取改进设计后的结构图，通过减少横梁及Z轴运动部件的重心距与立柱中心线的位置，还需要将横梁和立柱链接的位置进行改进设计，利用将接触面积扩大化处理。从原来的侧面接触改成侧面和底面接触，同时要使用加强筋，提高结合面的强度和刚度。

3 桁架机器人横梁的多目标尺寸优化设计

横梁(Y轴)是桁架机器人中的结构构造中最关键的一个基本构件，在横梁(Y轴)中安装着一些导轨和齿轮条，这些导轨运动方向朝向Y轴，还承受着构造中Z轴方向的重量以及滑台的作用。在桁架机器人结构进行优化设计过程中，需要注意的是末端执行器的精准度的设计，其精准度直接受到横梁的坚硬度的影响。在满足使用标准要求以及生产工艺标准要求的基础上，为了进一步提升桁架机器人的工作性能，对横梁结构进行优化设计。

一般生产横梁所采用的材料为钢管和钢板，钢管采用无缝方形，长度是200×200×10 mm的方形钢管，数量为两根，总长度是5 m，两个方形钢管通过键进行连接固定。所使用的方管每个厚度相同，由于承受力与截面的面积相关，因此通过优化设计横梁截面尺寸，减少横梁的扭转变形及Z向的弯曲变形。

4 桁架机器人结构改进

对桁生机器人横梁结构进行优化设计过程中，建模时所选用的矩形钢管尺寸为250×150×6。对三维模型的静力进行有限元分析过程中，采用Solidworks Simulation软件进行，承受力度为20kg时，图3中所显示的是桁架机器人节点的应力荷载情况，图4所显示的是节点发生变形之后的云图，比较20kg承受力下的分析结果如表1所示。

通过表1对比结果显示：在经过对桁生机器人的构造进行优化设计之后，其变形量降低在0%~29%之间。经过优化设计之后，桁生机器人的结构发生变形最大数值和最大应力减小数值具有较为突出的改变，这充分说明，当桁生机器人通过优化设计之后，只在结构上发生了变化，其结构上有较大的优越性，其它方面，如网格

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图3 综合改进后巧架机器人节点等效应力分布云图

图4 综合改进后巧架机器人节点变形云图

划分的能力一样、材料属性相同、制约力和承受力度都一致。

表1 综合改进前后结果对比序号单元数节点数变形/mm最大应力/MPa结构改进前

690901344020.622321结构改进后

73417

142733

0.4426

13.8

5 结语

对桁生机器人的结构进行优化设计效果较好，通过优化设计改造后的桁生机器人，其变形量在20%~29％之间。桁生机器人在经过结构改造之后，其成本在投入一样的情况下，桁生机器人在性能上更胜一筹，在市场竞争过程中更有影响力和竞争力。

参考文献：

[1]王彪.桁架机器人耦合特性分析与结构优化[D].合肥工业大学,2017.

[2]亚晓丹.桁架式机床上下料机器人分析与改进设计[D].东北大学,2014.

[3]王锴.桁架自动成型及焊接生产线的研制[D].兰州理工大学,2008.