（無錫貝斯特精機(jī)股份有限公司，江蘇 無錫 214161）

桁架式機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)與研究

朱金權(quán)

（無錫貝斯特精機(jī)股份有限公司，江蘇 無錫 214161）

本文介紹了桁架機(jī)器人的基本組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、傳動(dòng)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的相關(guān)計(jì)算, 為桁架機(jī)器人在工業(yè)制造領(lǐng)域的普及和應(yīng)用提供相關(guān)技術(shù)支持。

桁架機(jī)器人；橫梁；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)計(jì)算

1 概述

桁架式機(jī)器人是一種綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)產(chǎn)品。是一種能進(jìn)行自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作設(shè)備。隨著國內(nèi)企業(yè)用人成本的不斷增加，桁架式工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)、擺脫單調(diào)重復(fù)的體力勞動(dòng)、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在高溫、有毒場合具有人工無法替代的作用，在機(jī)械加工業(yè)具有廣泛的運(yùn)用，了解和掌握桁架式機(jī)器人的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，對(duì)推動(dòng)我國機(jī)器人的運(yùn)用具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

2 結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)形式：

桁架機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，總體為龍門框架結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)加工零件生產(chǎn)工藝要求，可以將多臺(tái)加工設(shè)備（加工中心或數(shù)控設(shè)備）組合成一個(gè)獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)單元，實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)化、批量化生產(chǎn)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)龍門跨度的長短，為提高設(shè)備上橫梁的剛性，可在兩端立柱之間適當(dāng)增加中間立柱，中間立柱的位置一般以跨度5～6米為宜。按照這種布置形式，桁架機(jī)器人可以盡可能多得將多臺(tái)加工設(shè)備組合在同一加工單元內(nèi)，最大限度的滿足加工要求，提高生產(chǎn)效率。

2.2 設(shè)備特點(diǎn)：

2.2.1 運(yùn)動(dòng)部件直線運(yùn)行，最大直線運(yùn)行速度達(dá)150m/min（即2.5m/s），速度5倍于機(jī)床的運(yùn)行速度；

2.2.2 運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度2倍于機(jī)床的加速度，達(dá)到10m/s2；

2.2.3 重復(fù)定位精度高，達(dá)到±0.05mm，完全能滿足一般自動(dòng)加工設(shè)備的定位精度要求；

2.2.4 最大限度地將零件加工工藝所需加工設(shè)備有機(jī)組合在一個(gè)加工單元內(nèi)，實(shí)現(xiàn)加工功能化、規(guī)?；?；

2.2.5 立體龍門空間結(jié)構(gòu)，占地面積少，維護(hù)維修方便；

3 設(shè)備組成

3.1 立柱:立柱是桁架機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)件之一，是支承上部橫梁，固定桁架機(jī)器人于安裝基礎(chǔ)平面的重要結(jié)構(gòu)零件。通常采用“冷拔無縫方形鋼管”和鋼板焊接而成，上部設(shè)計(jì)成L型結(jié)構(gòu)用于連接橫梁，能方便安裝時(shí)調(diào)整橫梁的工作面，使安裝于橫梁上的豎軸（Z軸）的軸線垂直作用于立柱安裝基礎(chǔ)平面，同時(shí)為增加立柱的穩(wěn)定性，立柱下部的安裝面應(yīng)使上部橫梁受力作用點(diǎn)落在立柱下部的安裝底板有效范圍內(nèi)，以減少因上部橫梁和Z軸運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量對(duì)立柱造成的偏心傾覆力矩。

3.2 橫梁:橫梁是桁架機(jī)器人的另一重要基本結(jié)構(gòu)件之一，它的剛度、強(qiáng)度直接影響到整個(gè)設(shè)備的精度。因此橫梁的設(shè)計(jì)是桁架機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它是桁架機(jī)器人的X軸，其上安裝有Z軸沿橫梁運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌組件和齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，承載著機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)的自重、機(jī)械手抓取的外部負(fù)載、整個(gè)Z軸機(jī)構(gòu)的自重等載荷。橫梁兩端裝有限制Z軸運(yùn)動(dòng)超出行程的行程限位器和端蓋。

3.3 豎軸:豎軸又稱為Z軸，是機(jī)器人上下運(yùn)動(dòng)的軸，它上部安裝于和X軸相連接的托板上，下部裝有抓取工件的機(jī)械手，其上裝有Z軸上下運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌組件和齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。Z軸上端部裝有Z軸運(yùn)動(dòng)限位器和端蓋。

3.4 托板:托板是桁架機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝主體零件，其上安裝有如下零部件：

3.4.1 驅(qū)動(dòng)Z軸沿X軸運(yùn)動(dòng)的電機(jī)及減速機(jī)組件；

3.4.2 驅(qū)動(dòng)Z軸上下運(yùn)動(dòng)的電機(jī)及減速機(jī)組件；

3.4.3 沿X軸和Z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的潤滑系統(tǒng)；

3.4.4 Z軸上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的電纜及氣管拖鏈；

3.4.5 沿X軸和Z軸運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌滑塊或?qū)驖L輪組件及相應(yīng)潤滑和刮削保護(hù)罩;

為提高Z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的重復(fù)定位精度，減少Z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)慣量，托板通常采用鋁合金材料，以減輕自身質(zhì)量，減少運(yùn)動(dòng)慣性沖擊。

3.5 手爪：手爪是桁架機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)抓取工件的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它安裝于桁架機(jī)器人Z軸的下端。根據(jù)抓取工件的大小、質(zhì)量、形狀及工作節(jié)拍的不同，抓手的結(jié)構(gòu)也發(fā)生相應(yīng)的變化，為有效實(shí)現(xiàn)手爪的抓取功能，手爪上需要設(shè)計(jì)并安裝如下功能部件，并確定相關(guān)技術(shù)參數(shù)：

3.5.1 爪手定位功能部件：確定爪手

與工件之間的正確位置，實(shí)現(xiàn)爪手準(zhǔn)確抓取工件的部件，通常采用導(dǎo)銷、導(dǎo)套定位；

3.5.2 工件抓取或松開部件：實(shí)現(xiàn)爪手抓取工件時(shí)，夾緊與松開的部件，設(shè)計(jì)時(shí)需計(jì)算爪手的額定抓取質(zhì)量，它是機(jī)械手的重要參數(shù)之一。根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮如下：

（1）工件在爪手中的定位方式：固定機(jī)械擋塊定位、可調(diào)機(jī)械擋塊定位、行程開關(guān)，電位器及各種位置設(shè)定和檢測傳感裝置；

（2）夾緊與松開的驅(qū)動(dòng)方式：氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)或機(jī)械傳動(dòng)；

（3）手指夾持范圍：針對(duì)工件的形狀和夾緊位置，為確保爪手能正確取放工件，手指夾緊和松開的范圍大?。?/p>

（4）定位檢測位置傳感器：在定位功能部件上安裝的定位檢測傳感器，用于在爪手抓取工件前給爪手的驅(qū)動(dòng)（電機(jī)控制器、氣缸或油缸的電磁閥）發(fā)出定位到位信號(hào)的裝置；

（5）夾緊、松開位置傳感器：在工件抓取或松開部件上安裝的定位檢測傳感器，用于爪手夾緊、松開工件到位后給機(jī)器人發(fā)出定位到位信號(hào)的裝置，便于機(jī)器人接收到夾緊、松開信號(hào)后執(zhí)行后面相關(guān)動(dòng)作；

（6）爪手的自由度數(shù)目及驅(qū)動(dòng)源：為順利抓取和放置工件，需考慮整個(gè)爪手共有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，同時(shí)需考慮這些自由度實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)源：氣缸、油缸、電機(jī)的布置及安裝方式，氣壓、油壓大小、電機(jī)的型號(hào)或規(guī)格等；

（7）整個(gè)爪手的質(zhì)量：爪手的質(zhì)量是爪手未抓取工件時(shí)爪手自身的質(zhì)量，它是計(jì)算機(jī)器人承載能力的參考因素之一。桁架機(jī)器人的承載能力取決于爪手的額定抓取質(zhì)量及整個(gè)爪手的自身質(zhì)量，兩者之和的大小是各軸相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。

（8）拖鏈：拖鏈?zhǔn)氰旒軝C(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸上通信電纜、氣管、油管、信號(hào)線的固定、連結(jié)和支承的載體，它具有方便、美觀、牢固、耐磨、低噪音的特點(diǎn)，在桁架機(jī)器人行業(yè)中已廣泛使用。

3.6 潤滑系統(tǒng)：桁架機(jī)器人的齒輪齒條、導(dǎo)軌滑塊、導(dǎo)向滾輪等各運(yùn)動(dòng)部分，由于不停地高速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)部件之間會(huì)發(fā)熱、磨損，從而影響設(shè)備的精度。為此，在各運(yùn)動(dòng)部件處設(shè)置潤滑點(diǎn)。將潤滑系統(tǒng)安裝在托板上，電動(dòng)潤滑泵將潤滑脂不斷輸出，通過潤滑系統(tǒng)控制器，將潤滑脂定時(shí)、定量地輸送至各潤滑點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)集中潤滑。

4 傳動(dòng)系統(tǒng)

4.1 伺服電機(jī)：伺服電機(jī)是驅(qū)動(dòng)各運(yùn)動(dòng)部件（X軸、Z軸）運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，安裝于托板上，電機(jī)主軸前端與減速機(jī)的輸入端相連，在減速機(jī)的輸出軸上裝有帶動(dòng)各運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)的齒輪，齒輪與齒條相嚙合，齒條固定于各自軸的橫梁上，通過電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒輪的停止和轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)各軸作相應(yīng)的啟停和往復(fù)運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)常采用三菱、西門子等品牌，根據(jù)需要選擇帶“電磁制動(dòng)器”的伺服電機(jī)，使電機(jī)在斷電停機(jī)時(shí)能實(shí)現(xiàn)可靠制動(dòng)，保證各運(yùn)動(dòng)部件（X軸、Z軸）運(yùn)動(dòng)時(shí)的可靠性、安全性。由于Z軸是帶動(dòng)工件上下運(yùn)動(dòng)的承載部件，驅(qū)動(dòng)Z軸運(yùn)動(dòng)的電機(jī)需要克服Z軸本身質(zhì)量、工件質(zhì)量和手爪質(zhì)量，為保證Z軸運(yùn)動(dòng)的安全，驅(qū)動(dòng)Z軸運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)必須具有“電磁制動(dòng)器”功能。

為提高驅(qū)動(dòng)各運(yùn)動(dòng)部件（X軸、Z軸）的驅(qū)動(dòng)能力，減少伺服電機(jī)的扭矩或功率，根據(jù)各運(yùn)動(dòng)部件實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度和承載能力大小，可在各伺服電機(jī)輸出軸上安裝減速比合適的減速機(jī)，減速機(jī)通常采用與伺服電機(jī)相匹配的同品牌減速機(jī)，以保證傳動(dòng)精度與可靠性。

4.2 導(dǎo)軌滑塊：導(dǎo)軌滑塊是各運(yùn)動(dòng)部件（X軸、Z軸）精確運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，具有大承載、高精度、高速度、高可靠性、低磨損、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的優(yōu)點(diǎn)，在桁架機(jī)器人中已廣泛使用?；瑝K安裝在托板上，內(nèi)有鋼球，使滑塊與導(dǎo)軌之間的接觸為滾動(dòng)摩擦，大大降低了二者之間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力；導(dǎo)軌安裝在橫梁上。由于導(dǎo)軌與滑塊之間的低摩擦性，使得采用導(dǎo)軌與滑塊裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：

4.2.1 動(dòng)、靜摩擦力之差很小，隨動(dòng)性極好，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)與機(jī)械動(dòng)作滯后的時(shí)間間隔極短，有益于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度；

4.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率大幅下降，只相當(dāng)于普通機(jī)械的1/10；

4.2.3 適應(yīng)高速直線運(yùn)動(dòng)，其瞬時(shí)速度比滑動(dòng)導(dǎo)軌提高約10倍；

4.2.4 能實(shí)現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度。實(shí)現(xiàn)無間隙運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)剛度；在成對(duì)使用導(dǎo)軌副時(shí)，具有“誤差均化效應(yīng)”，從而降低基礎(chǔ)件（導(dǎo)軌安裝面）加工精度要求；

4.2.5 導(dǎo)軌采用表面硬化處理，使導(dǎo)軌具有良好的可校性；心部保持良好的機(jī)械性能；

4.2.6 簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造；

4.3 齒輪齒條：齒輪齒條是安裝在各自運(yùn)動(dòng)部件（X軸、Z軸）上，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)部件，齒條安裝在各運(yùn)動(dòng)部件的橫梁上，與導(dǎo)軌滑塊平行布置。齒輪與安裝在“托板”上的減速機(jī)的輸出軸相連，并與齒條嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)。齒輪齒條齒面的熱處理可按：調(diào)質(zhì)、感應(yīng)淬火、全淬火或滲氮處理。齒輪齒條材質(zhì)常為：碳 鋼45、42CrMo4V、16MnCr5等， 齒面硬度可達(dá)到HRC55～60，齒條長度從1000mm～3000mm不等，精度從5級(jí)～11級(jí)不同。根據(jù)不同的承載情況，選擇不同的材質(zhì)、硬度和精度。

5 設(shè)計(jì)計(jì)算

5.1 X軸橫梁的相關(guān)計(jì)算：

根據(jù)X軸橫梁的布置形式可將橫梁按兩點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)計(jì)算橫梁的相關(guān)參數(shù)，包括：剪切力Q、彎矩M。

5.1.1 初始條件：

（1）橫梁及導(dǎo)軌自身質(zhì)量W1;

（2）托板及其上的包含Z軸部件的總質(zhì)量W2；

（3）手抓自身質(zhì)量W3；

（4）工件自身質(zhì)量W4；

（5）重力加速度：g;

5.1.2 橫梁所受外力：F=W2+W3+W4，方向垂直向下。橫梁不考自重時(shí)計(jì)算示意圖如圖2所示：

圖中：l：橫梁的總有效跨度；

l1：托板左側(cè)導(dǎo)向滑塊距橫梁左端尺寸；

l2：托板右側(cè)導(dǎo)向滑塊距橫梁右端尺寸；

表1

圖2

l3：Z軸托板上兩導(dǎo)向滑塊之間距離；

q外：除橫梁自重外所有外力所產(chǎn)生的均布載荷，

5.1.3 桁架機(jī)器人在外力作用下的設(shè)計(jì)計(jì)算公式表，見表1。

5.1.4 橫梁只考慮自重時(shí)的計(jì)算示意圖如圖3所示。

圖3

5.1.5 桁架機(jī)器人在自重作用下的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，見表2。

橫梁實(shí)際工作中所受作用力是自重和外力共同作用的結(jié)果，是上述兩種狀態(tài)計(jì)算參數(shù)的矢量疊加，見表3。

表2

表3

5.1.6橫梁彎曲強(qiáng)度校核：

（1）橫梁可以等效為一個(gè)等截面中心對(duì)稱的桿件結(jié)構(gòu)，對(duì)整個(gè)橫梁截面來說，最大應(yīng)力發(fā)生在彎矩最大的截面上。其值為：

式中：WZ為抗彎截面系數(shù)。

（2）強(qiáng)度條件：產(chǎn)生最大彎矩的截面稱為危險(xiǎn)截面，危險(xiǎn)截面上產(chǎn)生最大應(yīng)力的點(diǎn)稱為危險(xiǎn)點(diǎn)。即：

式中：[σ]為材料的許用應(yīng)力。

σ0為材料的極限應(yīng)力。對(duì)于脆性材料：σ0=σb；對(duì)于塑性材料：σ0=σs。n為安全系數(shù)。對(duì)于脆性材料：n=2.5～3.0；對(duì)于塑性材料：n=1.5～2.0。

（3）橫梁剪切強(qiáng)度校核：最大彎曲剪切應(yīng)力通常發(fā)生在截面中性軸處，該處的正應(yīng)力為零，最大剪切應(yīng)力作用點(diǎn)處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)。橫梁是一個(gè)等截面直梁，最大彎曲剪切應(yīng)力發(fā)生在剪力最大的截面上。最大彎曲剪切應(yīng)力不得超過材料在純剪切時(shí)許用剪應(yīng)力。即：

式中：Q總max是發(fā)生在截面上的最大剪切力；Szmax是所求應(yīng)力點(diǎn)外的面積到中性軸的靜面矩，靜面矩S＝應(yīng)力點(diǎn)面積A×應(yīng)力點(diǎn)面積形心對(duì)某軸的標(biāo)矩；IZ是橫梁截面對(duì)中性軸Z的慣性矩；b是橫梁截面的寬度；[τ]是材料的剪切許用應(yīng)力，它與與材料的許用應(yīng)力[σ]之間，存在如下關(guān)系：對(duì)于塑性材料：[τ]=0.6～0.8[σ]；對(duì)于脆性材料：[τ]=0.8～1.0[σ]

5.2 導(dǎo)軌滑塊承載能力計(jì)算:

導(dǎo)軌滑塊是X軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，它由兩根導(dǎo)軌和四只滑塊組成。兩導(dǎo)軌固定在橫梁側(cè)面的安裝面上，四只滑塊與托板固定聯(lián)接，托板上裝有X軸驅(qū)動(dòng)部件、Z軸驅(qū)動(dòng)部件、整個(gè)Z軸部件、軌道潤滑裝置等。

5.2.1 初始條件：

（1）工件質(zhì)量m1;

（2）托板自身質(zhì)量m2;

（3）托板上負(fù)載的質(zhì)量m3：包括X軸驅(qū)動(dòng)部件、Z軸驅(qū)動(dòng)部件、整個(gè)Z軸部件、軌道潤滑裝置等;

（4）重力加速度：g;

5.2.2 計(jì)算模型如圖4所示：

圖中：mg=（m1+m2+m3）g：滑塊所受總負(fù)載；

L0：兩滑塊水平方向中心線之間的距離；

L1：兩導(dǎo)軌垂直方向中心線之間的距離；

L2：滑塊所受總負(fù)載幾何中心與托板水平幾何中心線水平方向的距離（如圖）；

L3：滑塊所受總負(fù)載幾何中心與導(dǎo)軌幾何中心線前后水平方向的距離（如圖）；

P1、P2、P3、P4：滑塊1、滑塊2、滑塊3、滑塊4分別所受徑向力（如圖4所示）；

P1T、P2T、P3T、P4T：滑塊1、滑塊2、滑塊3、滑塊4分別所受側(cè)向力（如圖4所示）；

表4

5.2.3 計(jì)算公式，見表4。

5.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩計(jì)算:

圖4

圖5

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是驅(qū)動(dòng)橫梁上運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力源，由于桁架機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度和重復(fù)定位精度有相應(yīng)的要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用伺服電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的大小一般由電機(jī)的額定扭矩來決定。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩。

5.3.1 初始條件

（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)的總載荷量G（托板上所有零件及Z軸自重W2、手爪質(zhì)量W3、工件質(zhì)量W4）。

（2）G=W2+W3+W4，

（3）驅(qū)動(dòng)齒輪的直徑D；

（4）電機(jī)中心到上軌道中心距離L1；

（5）電機(jī)中心到下軌道中心距離L2；

（6）軌道運(yùn)動(dòng)式的摩擦系數(shù)μ

5.3.2 計(jì)算模型如圖5所示。

（1）在總載荷G的作用下運(yùn)動(dòng)部件在上下兩軌道上所受的力可以分解為徑向力和側(cè)向力，運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的滑動(dòng)摩擦力是上述兩種力共同作用的結(jié)果，上軌道所受摩擦力F1=μ×（P1T+P2T+P1+P2），下導(dǎo)軌上所受的摩擦力F2=μ×（P3T+P4T+P3+P4）。上下軌道上所受滑動(dòng)摩擦力的合力與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)作用在齒輪齒側(cè)面分度圓上的傳動(dòng)力大小FRZ相等，方向相反，即：FRZ=F1+F2，運(yùn)動(dòng)部件啟動(dòng)和停止時(shí)由于加速度的存在，運(yùn)動(dòng)部件存在慣性力，加速時(shí)慣性力與運(yùn)動(dòng)方向相同為正，減少時(shí)慣性力與運(yùn)動(dòng)方向相反 為負(fù)。F慣=M×a=（W2+W3+W4）×a。

（2）在運(yùn)動(dòng)部件啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件加速運(yùn)動(dòng)F總=F慣+FRZ，此時(shí)電機(jī)需輸出最大的驅(qū)動(dòng)力才能驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)行。

（3）電機(jī)輸出功率計(jì)算：

式中：P：電機(jī)的輸出功率；

ν：運(yùn)動(dòng)部件勻速運(yùn)行時(shí)的速度;

η：運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械效率

（4）伺服電機(jī)扭矩的計(jì)算:

式中：P：電機(jī)的輸出功率；

ν：電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速：

T：電機(jī)的輸出扭矩;

（5）電機(jī)型號(hào)的確定：根據(jù)計(jì)算電機(jī)的輸出扭矩，選擇所需的電機(jī)。

式中：T額：電機(jī)的額定輸出扭矩；

i：與電機(jī)相連接的減速機(jī)的減速比；

T：電機(jī)的輸出扭矩；

n：電機(jī)運(yùn)行時(shí)的安全系數(shù)；

5.4移動(dòng)速度計(jì)算

“移動(dòng)速度”是桁架機(jī)器人的主要參數(shù)之一，桁架機(jī)器人運(yùn)行速度的快慢直接影響機(jī)器人工作的節(jié)拍，從而決定機(jī)器人的工作效率。

5.4.1 工作方式及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

（1）桁架機(jī)器人的工作方式：

● 機(jī)械手在某一位置處于靜止?fàn)顟B(tài)；

● 當(dāng)電氣控制系統(tǒng)接受到某一控制信號(hào)后桁架帶動(dòng)機(jī)械手由靜止?fàn)顟B(tài)開始加速啟動(dòng)；

● 機(jī)械手按某一運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)行到特定位置執(zhí)行特定的動(dòng)作。

（2）運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：上述運(yùn)動(dòng)過程可分解三個(gè)部階段

● 機(jī)械手由靜止到勻速運(yùn)動(dòng)中的加速運(yùn)動(dòng)階段；

● 機(jī)械手勻速運(yùn)動(dòng)階段；

● 機(jī)械手勻速運(yùn)動(dòng)到特定位置停止的減速階段；

5.4.2 初始條件

（1）機(jī)械手開始處于靜止?fàn)顟B(tài)，初始運(yùn)行速度v0=0；

（2）機(jī)械手由靜止到勻速運(yùn)動(dòng)過程中的加速度a加；

（3）機(jī)械手由靜止到勻速運(yùn)動(dòng)過程中的加速時(shí)間t加；

（4）機(jī)械手勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度v,

（5）機(jī)械手由勻速運(yùn)動(dòng)到靜止過程中的加速度a減,

（6）機(jī)械手由勻速運(yùn)動(dòng)到靜止過程中的減速時(shí)間t減,

5.4.3 計(jì)算公式：

加速過程：v=v0+a加t加

減速過程：v=v0-a減t減

5.5 物理單位說明

5.5.1 重力加速度：g（9.81m/s2）;時(shí)間：s；

5.5.2 質(zhì)量：Kg；扭矩:N.m速度：m/s

5.5.3 長度：m；負(fù)載：N功率：Kw

5.5.4 均布載荷：N/m；

5.5.5 加速度:m/s2轉(zhuǎn)速：r/min

結(jié)語

桁架機(jī)器人在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，研究桁架機(jī)器人的相關(guān)結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，對(duì)桁架機(jī)器人的設(shè)計(jì)、優(yōu)化機(jī)器人的參數(shù)、最大限度發(fā)揮桁架機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

[1]聞邦椿，張義民，鄂中凱等，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，第1卷.-5版。北京：機(jī)械工業(yè)出版社2010.1：1-127

Wen B C, Zhang Y M,E Z K, etc. Mechanical Design Handbook, Volume 1. -5 Edition. Beijing: Mechanical Industry Press 2010.1: 1-127

TP242.2

A