摘要：桁架機(jī)器人，作為一種成本低廉、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的自動(dòng)化機(jī)器人系統(tǒng)解決方案，廣泛的用于碼垛、分揀、包裝、焊接、金屬加工、搬運(yùn)、上下料、裝配等常見的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，在替代人工，提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量等方面都具備顯著的應(yīng)用價(jià)值。本文就典型的桁架機(jī)器人為例，對(duì)已知要求的桁架機(jī)器人進(jìn)行直線產(chǎn)品選型計(jì)算，希望對(duì)廣大桁架機(jī)器人設(shè)計(jì)及應(yīng)用廠家有所幫助。
關(guān)鍵詞：桁架機(jī)器人、齒輪齒條、伺服電機(jī)、行星減速機(jī)、滾珠絲杠、滾珠絲杠支撐座。
一、 機(jī)器人基本要求：
桁架機(jī)器人用于物料搬運(yùn)機(jī)構(gòu)，動(dòng)作包括Z軸垂直提升機(jī)構(gòu)和X軸水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)，各軸的參數(shù)如下。
1、 Z軸：垂直提升機(jī)構(gòu)
負(fù)載重量：40kg;
動(dòng)作行程：800mm；
速度可達(dá)到：400mm/s
由于Z軸本體需要上下移動(dòng)，本體重量會(huì)變?yōu)樨?fù)載，重量：80kg
定位精度：0.1mm
加速時(shí)間：0.2s
2、 X軸：水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)
負(fù)載重量：180kg;
動(dòng)作行程：5.8m
移動(dòng)速度：1.3m/s
加速時(shí)間：0.3s.
定位精度：0.2mm
二、 計(jì)算選型
（一）Z軸：
采用絲杠提升，直線導(dǎo)軌導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)確認(rèn)一些尺寸參數(shù)如下。機(jī)械結(jié)構(gòu)采用中間絲杠，兩側(cè)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)，每根導(dǎo)軌上2個(gè)滑塊，滑塊上下方向的中心距為：200mm。Z軸總重量為M=120kg,重心距離導(dǎo)軌的安裝面距離為300mm。
說明：在導(dǎo)軌垂直安裝時(shí)，很多人認(rèn)為導(dǎo)軌不受力，只有絲杠受力，導(dǎo)軌只是起導(dǎo)向作用。這個(gè)理解是不完整的。如果被提升負(fù)載的重心在絲杠的中心線上，這個(gè)理解是正確的，但是如果重心的位置和絲杠中心線存在一定的間距，那么導(dǎo)軌就必然要受力。具體的計(jì)算方法是，絲杠解決力平衡，導(dǎo)軌解決力矩平衡。
1、 導(dǎo)軌選型計(jì)算
根據(jù)已知條件，重心偏心300mm,滑塊上下方向中心距400mm.則做力矩平衡計(jì)算。滑塊受力為：F,則公式如下：
F*200=Mg*300=120*9.8*300
F=1764N, (這是滑塊的受力，上面兩個(gè)滑塊受拉力，下面兩個(gè)滑塊受壓力)。
單個(gè)滑塊的受力為：F1=F/2=882N
根據(jù)這個(gè)受力來進(jìn)行滑軌的選型，如果知道設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命，按照導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)壽命公式進(jìn)行計(jì)算（本網(wǎng)站其它文章有介紹），如果是簡單計(jì)算選型，建議滑塊的基本動(dòng)額定負(fù)荷是實(shí)際載荷的5倍。則滑塊基本動(dòng)額定負(fù)荷大于882*5=4410N,只要滑塊的基本動(dòng)額定負(fù)荷大于這個(gè)值就可以了。查詢資料選型導(dǎo)軌。
HGH15CA2R1100ZAC 2根 (導(dǎo)軌長度以機(jī)械設(shè)計(jì)為準(zhǔn)。)
2、 絲杠選型計(jì)算
導(dǎo)軌的安裝將力矩進(jìn)行平衡以后是絲杠進(jìn)行力平衡，考慮到實(shí)際使用中負(fù)載在加速向上運(yùn)行時(shí)軸向力大：
F3=Mg+F*μ+Ma
加速度：a=v/t1=0.4/0.2=2m/s^2
考慮安裝平行度的誤差，系統(tǒng)摩擦系數(shù)：μ=0.1
F3=120*9.8+1764*0.1+120*2=1592.4N
預(yù)選絲杠的導(dǎo)程10mm,因?yàn)樗俣纫笫?00mm/s，則絲杠的轉(zhuǎn)速：400/10*60=2400rpm。伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一般為3000rpm，所以選擇合理，如果選用5mm導(dǎo)程的絲杠，則絲杠轉(zhuǎn)速為4800rpm，超電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，顯然不合理。
根據(jù)載荷，選則絲杠的基本動(dòng)額定負(fù)荷是載荷的8倍以上，則絲杠型號(hào)：
R25-10T4-FSI-X-Y-0.05 (X是絲杠的螺紋長度，Y是絲杠總長度)
3、 電機(jī)的選型計(jì)算
T電機(jī)*2000*3.14*0.8=F3*10=1592.4*10 (10為絲杠的導(dǎo)程)
T電機(jī)=3.16Nm，考慮電機(jī)驅(qū)動(dòng)的安全系數(shù)。
推薦電機(jī)：ECMA-C11020SS(電機(jī)帶剎車，保證斷電時(shí)不下滑)
（二）、X軸
采用上下方向水平安裝導(dǎo)軌，中間齒輪齒條的結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，滑軌的上下方向中心距200mm。采用雙軌4滑塊的機(jī)構(gòu)。重心距離導(dǎo)軌安裝面距離：500mm。
1、 導(dǎo)軌的選型計(jì)算：
力平衡：4個(gè)滑塊分擔(dān)重力：F4=180/4=45kgf=450N
力矩平衡：180*9.8*500=F5*200；F5=4410N=441kgf。這是由兩個(gè)滑塊承擔(dān)力，上面塊受拉力，下面受壓力。單個(gè)滑塊受力：221kgf.
滑塊的合力：直接兩個(gè)力的標(biāo)量和：F6=45+221=266kgf；
根據(jù)這個(gè)合力，放大5倍以上選擇滑塊的型號(hào)：
HGW25CA2R6300ZAC 2根 (導(dǎo)軌長度以機(jī)械設(shè)計(jì)為準(zhǔn)。)
2、 齒輪齒條及電機(jī)選型計(jì)算:
試選齒輪：m=2,Z=30,節(jié)圓直徑：d0=63.66mm=6.366cm
計(jì)算負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J=M*d0^2/4=180*6.366^2/4=1824kg.cm^2
計(jì)算齒輪轉(zhuǎn)速：1300*60/3.14/63.66=390rpm
預(yù)估電機(jī)會(huì)用到中慣量的電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為：2000rpm.
則可選擇的減速比：i=2000/390=5.12。推薦行星的標(biāo)準(zhǔn)減速比為：i=5
則等效慣量：J1=J/i^2=1824/5^2=72.96(kg.cm^2)
查詢電機(jī)參數(shù)選型：ECMA-E11315RS,電機(jī)慣量:11.18(kg.cm^2);慣量比:72.96/11.18=6.5倍,小于10倍.能夠滿足要求.
計(jì)算加速度:1.3/0.3=4.3m/s^2
計(jì)算水平推力：F7=Mg*μ+Ma=180*9.8*0.1+180*4.3=950.4N
計(jì)算齒輪扭矩:T齒輪=F7*d0/2000=950*63.66/2000=30.23nm，校核齒輪齒條的傳遞扭矩：184nm。計(jì)算安全系數(shù)184/30.23=6。安全系數(shù)大于5足夠。
計(jì)算所需電機(jī)扭矩：T1=30.23/5/0.9=6.7NM, (0.9為減速機(jī)的效率)
此案前選擇的電機(jī)額定扭矩：7.16Nm,大于T1，電機(jī)扭矩足夠。
推薦電機(jī)：ECMA-E11315RS 臺(tái)達(dá)電機(jī)
推薦減速機(jī):AF090-5-K3-22 卓藍(lán)減速機(jī)
推薦齒輪：CHMH020 30 22 YYC齒輪 (安裝孔22，和減速機(jī)的輸出軸配合)
推薦齒條：CHTMH020 10 YYC齒條
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