轻型高速桁架机器人项目调研

轻型高速桁架机器人项目调研 一 项目简介 本项目产品轻型高速桁架机器人 目为申报科技型中小企业技术创新项目 是针对小负载 以 3kg 为例 为对象研究开发的 具有轻型 高速 高精度 等特点 本项目推广后 可用于汽车零部件制造及五金 机械 农机 冶金 化工 等行业对机床上下料 搬运 码垛 装配等工序 改变传统生产方式 改善作 业环境 实现数字化 信息化 少人化直至无人化生产 提高生产效率 保证 产品质量 二 项目要求 1 关键技术 1 虚拟样机技术进行动力学运动学分析 最大移动速度达 5000mm s 2 有限元技术优化 保证设计材料强度减轻重量 3 AC 伺服控制技术保证重复定位精度 0 03mm 加减速响应时间 25ms 以内 2 创新点 1 虚拟样机技术进行动力学运动学分析 2 有限元技术优化 保证设计材料强度 减轻重量 3 AC 伺服控制技术保证控制精度 缩短加减速响应时间 4 齿轮齿条传动 直线导轨保证重复定位精度高 5 弹簧式柔性手爪 可以夹持多种工件并保护工件 6 建立程序包 适用不同工件的加工程序 7 体积小 重量轻 方便安装 节约安装空间 8 提供良好的编程环境及系统控制指令 易于操作维护 3 验收技术指标 1 轻型高速桁架机器人总体重量 200kg 2 运行速度达到 5000mm s 以上 加减速响应时间 25ms 以内 3 X 轴工作行程 2000mm 4 重复定位精度达 0 03mm 5 Z 轴负载 3 0kg 三 机械系统方案 1 用可变速电机驱动的机械系统 一般有以下几类 1 滚珠丝杠 精度高 如 C1 级 5um 300mm 摩擦阻力小 被广泛应 用于各种工业设备和精密仪器 但水平传动时跨距大则会由于自重下垂变 形极 所以传动长度不可太大 且速度受限 100m min 2 同步带 承载力较大 传动长度不可太大 否则需会发生弹性变形和振动 传动距离大尤其不适合精确定位 一般带轮的节距累积偏差会有 0 10 0 15mm 连续性运动控制 二维高速运动机器人的同步带应用 3 齿轮齿条 采用精密齿轮齿条 JIS2 DIN6 h25 甚至 JIS1 总节距误差 0 036mm 1000mm 若加工安装精度较高 可实现较高速度和精度要 求 目前国内主要的桁架机器人均采用该机械结构形式 X Z 两轴桁架机器人 4 直线电机 结构简单 定位精度高 直接传动可以消除中间环节所带来的 各种定位误差 如采用微机控制 则还可以大大地提高整个系统的定位精 度 反应速度快 灵敏度高 直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑 因 而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触 这就消除了定 动子间的接触摩擦阻力 直线电机结构 HIWIN 线性马达平台结构 线性电机结构形式 精度达 1um 级 但其整体的重量较重 不适用于轻 型桁架 如下为一种线性马达平台 考虑到项目创新点中提出了齿轮齿条结构 且国内厂家均采用该结构 见下表 1 因此 该项目拟采用齿轮齿条的机械结构形式 厂家 型号 负 载 最大速度 X Z m min 重复定位 精度 mm 驱动方式传动方式控制方式 结构方式 产品重 量 金石机器 人 S05 负 载 5kg 140 80 0 03 伺服 减 速机 齿轮齿条 MCS 结构钢 X 轴 铝合金 Z 轴 新松机器 人 桁架机械 手 20kg 120 0 1 伺服 减 速机 齿轮齿 条 CNC 结构钢 宁夏巨能 GS010120 0 1 伺服 减速机 齿轮齿条 CNC 结构钢 沈阳众拓 机器人 ZTR 机械 手 50kg 90 60 0 1 伺服 减速机 齿轮齿条 同步带 PLC CN C 结构钢 群星机器 人 3kg300 0 03 伺服 减 速机 齿轮齿条 HMC R CS 铝合金 表 1 2 结构型材 为了保证桁架整体重量 200kg Z 轴及滑座的主要构件均采用硬质铝合金 X 轴横梁以及支柱采用钢材 四 电气控制系统方案 1 本项目采用伺服 减速机的驱动方式 考虑到齿轮的转速为 1500rpm 加减速需 要扭矩较大 因此尽可能选择大减速比 一般可选 3 4 5 7 几种 取减速 比 4 电机转速为 6000rpm 我司前期多采用台达和西门子的伺服电机 而台达 系列伺服电机性价比较高 但的额定转速一般为 2000 3000rpm 因此本项目拟 采用西门子电机 拟采用 S120 变频调速模块 CU320 控制单元 AOP30 操作面 板 2 电机 减速机 1 总负载按 F 500N 计算 线性滑轨的摩擦系数约为 0 004 F 摩擦力 u 摩擦 力系数 w 垂直方向负载 S 刮油片阻力 齿轮齿条摩擦系数 0 1 取整体 摩擦系数为 0 12 推力 f F 60N 取安全系数 K Ka 负载系数 Sb 齿 轮齿条安全系数 Fn 寿命系数 1 5 1 2 1 05 1 89 则齿轮齿条负载为 60 1 89 113 4N 负载取整 120N 2 匀速运动时 P Fv 120 5 600N m s 0 60kW 齿轮的扭矩为 T1 F r 120 32 1000 3 84Nm 折算的电机轴扭矩 T 3 84 4 0 96Nm 减 速比取 4 齿轮转速 n v 1000 60 PI d0 5 1000 60 3 14 63 67 1500rpm 减 速比取 4 电机转速则为 6000rpm 3 加速运动时 a v t 5 0 25 20 m s 2 齿轮的扭矩为 M Fu d0 2000 4 K m g u m a do 2000 4 1 89 50 10 0 12 50 20 63 67 2000 4 15 9 Nm 4 选用西门子电机 1FT6044 AK71 参数见下表序号 4 序号电机型号 额定转速 rpm 最大转速 rpm 额定扭矩 Nm 最大扭矩 Nm 额定功率 kw 惯性矩 带制 动 10 4kgm 2 备注 11FT6031 4AK71600097001 0 40 470 77 21FT6034 4AK716000970027 70 881 22 31FT6041 4AK71600077002 6201 073 98 5计算6000 0 9615 90 60 32 66 41FT6044 4AK71600077005 9181 886 18 5 电机的惯量 m 50kg R 32mm 滑台折算到小齿轮轴上的转动惯量 262 1 051 0 10mkgmRJ 小齿轮本身的转动惯量 J2 0 001kg m2 最终计算电机的转动惯量 J J 减速机 J1 J2 4 2 0 16 32 5 10 4kg m2 32 66 10 4kg m2 惯量比 32 66 6 18 5 3 按照电机速度转矩曲线知道 当转速为 6000rpm 时 扭矩为 14Nm 加减速图 3 反馈系统 为了保证定位精度要求 0 03 本项目拟采用位移传