轻型高速桁架机器人项目调研

1、实用标准文案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士

2、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

3、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。机构特点0g滚珠丝杠（直接连接）用于距离较福的高精度定位.电机和濡珠丝杠只用联轴节连接，没有间隙。§滚珠丝扛（减速）燧择减速比，可加大向机械系统传递的转矩.由于产生街轮侧隙，需要采取补偿措施.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 ）;直蛇导轨滑玳联和器陆落蝶号五弦伺服步就电也81帮/或导辄LM同晶

4、在/导机TEN滑块国由直叫导航导RR清林国布直埃等轨S眈背式立或先轴清处就、宙当光他支禹逑主牯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+-0.100.15mm）、连续性运动控制；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

5、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。图17由旋转电机演变为直域电机的过程a）沿径向剖开b）把圆周展成直线直线电机结构HIWIN线性马达平台结构速住用蓬平台一般规格名病隔建生虢w/ta *“W精寰度Lnwa rarri重现精度Miifi推射地度mm/300 mini宜源度mm/344 nqni平面度mm/30fl mml真鼓LMX1EY 一LMC3504000+ 0,001*+/- 0,005*+/- 0.005+A 0

6、.00514LMX1L-SLMS35D4000 0.001*+/- 0.Q05*+/- 0.005+/- 0.00519LMX1L-5C»LMSC2504000+/'0,001*+/- 0.005*+/ 0.005+A 0.00527以上型摩用近瓶回修系转编加Ett式光学尺位置回麓央就依客户需求，可得E位式或短比式愫注住期触位式Rm光挚尺可允杆的操作第昵依所困用的悔性焉遑而不向 LM5和LMT 幽U式I最大马线WAG = LMC I珊强心式I舱大希密MAC “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：2.6

7、LMXIElCJI性焉遑平台O窗大加速度IOOe居口Q 最大速匿5e，bO 海黑度可逢与仃口口 mmLMX1E-C娓性禹连平甘摆用瞿弱心式禹蓬,特刖通用展品描- 高速以及多触同步建期的隐用也能装期4平台。第横小篇主要特色，位簿回薄使用墙式圈比或数位光学尺。LMX1E-C平台具有模佳的勃恁特性以及晨度可逢出口口加tie bLHJUEY用性晶逞平台祝格里就ITWM5SImot行程1mmi用接型第%NFCHfib子相合MkgID子艮度mm”a««【rti/H尺寸 A mm尺寸 B mmLMX1E-C&S-1-OXX-G200LMC 659127321783M178MLMX

8、1E-CB«- 1-UXX-G2DDLMC 日61的327320S350178MIMX1 EY&aT m(* G2MLMC H8H5胃354.22723SO17880LMXlE-»5-l-xxxx-G2AOLMC B5912732.317835fl17895/105LMXlE-C&&-l-«j(M-G2A0LMC B61的327332083SO17895/105LMX1E-CB8-1-kxxx-G2A0IJWIC 0S14543545272354)17895/105££ ； ”*建海捱力 ioo%an$Fp=fit同带工

9、111科|说性强性S者都谓后者强百蜀子粗3阪包含勒子 '比子座'滑速”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。型号（负厂家载）金石机器S05 (负人载 5kg )桁架机械加松机器人手(20kg)卜夏巨能GS010ZTR机械迎日众拓11机器人手(50kg )神星机器人3kg最大速度重复定位(X/Z精度m/min )(mm )140/80±0.03120(±0.1)120±0.190/60±0.1300±0.03传动方式驱动方式伺服+减齿轮齿条速机（齿轮齿条

10、）伺服+速机减（伺服+减速机）齿轮齿条（伺服+齿轮齿条、同步减速机）带伺服+速机减齿轮齿条结构方式控制方式/产品重里结构钢MCS（X 轴）+L铝合金（Z轴）(CNC)（结构钢）CNC（结构钢）PI_C/CN c（结构钢）HMC/RCS铝合金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

11、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 巧0.12。推力f=F巧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：

12、P=Fv=120*5=600Nm/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/sA2)。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)

13、 选用西门子电机1FT6044-AK71 ,参数见下表序号 4:齿轮齿条传动时工 作台折算到小齿轮轴 E的转动惯量R 一齿轮分度圆半径，mmm 一工件及工作台质量，kg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人-4kgmA2)备注11FT6031-4AK71600097001.040.470.7721FT6034-4AK716000970027.70.881.2231FT6041-4AK71600077002.6201.073.9841FT6044-4AK71600077005.9181.886.185计算

14、6000/0.9615.90.6032.665)电机的惯量:文档大全m=50kg ; R=32mm ;滑台折算到小齿轮轴上的转动惯量:_2/2Ji =mR 10 = 0.051kg m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人2=0.16+32.5(10-4kg m2)=32.66 (10A-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 ;图3-7扭矩转速示意图1FT6044口AF71010002000300040005000500070008

15、000n |1/min)图以8 扭矩转速示意图1FT6044-4AK71a SINAMICS S120 SMART LINE, Uzk=540V (DC), Ut=380Vflffb SINAMICS S120 ACTIVE LINE, U2K=600V (DC), Ut=425Viff加减速图:速度(m/s)工轴距(mm)3、反馈系统为了保证定位精度要求土 0.03,本项目拟采用位移传感器将滑台的实际位置进行反馈比较，并进行位置微调。拟采用光栅尺(海德汉)进行位置检测，其高精度大型尺最长可做到3000mm ,精度达um级，见下图表。或者可以采用意大利GEFRAN IK1/IK2非接触式直线位移传感器，行程从50到4000mm ,位置辨析率达到：2町。Specifications： LIDA 487 UDA 477甯体顶端测.品标准AUR。口 U晒M的衲带光切尺热膨蟠数明旭rm h I。x 10百 <-1精度等吸± 15 pin bzw, ± 5测1层丘度t WL ) . mm240mm 到 £i040mm善考点1个在测量代度的中点位置处增呈侑号IViS TTL燔自20 pm怙号圄期内置5植TOO值频细分彘高运动速度480m/min限位开关