24米長機器人運動平臺的設計和實施
2008/10/14 15:40:00
在很多應用場合要求有幾十米行程的切割機，鉆孔機和銑削加工設備。有的應用要做成一個20*10米的大平臺，且要能運動20*10米。還有的用戶要做一個10米行程的數控鉆或數控銑。在精密策略，質量檢測和無損探傷等的應用中有時要在10*4*3米的三維空間內任意運動。在這些超大行程的應用中采用傳統的機床式結構很難實現或成本太高。而采用直角坐標機器人則可以方便地實現這些要求。本文就以一臺要求總長度是24米的數控切割機器人為例來介紹如何實現超大行程的。
一 結構形式
這里采用兩根PAS44BB結構，把它們并排擺放，每1~2米遠（可以按要求變化長度）加一連接鋁材，形成圖1所示的結構方式。機器人運動平臺要裝在一個金屬支架平臺上，使得整個兩根24米PAS44BB運動軸全部放置在支架平臺上，任何部位不會有下降彎曲發生。由于負載大約在700公斤，所以每個PAS44BB運動軸上帶有3個滑塊，共計6個滑塊來保證帶負載能力和運行的平穩性。
圖1：兩根PAS44BB并排擺放原理結構圖
二 負載能力
PAS44BB的技術數據請見附件說明書。當每根PAS44BB采用3個滑塊剛性連接時其負載能力要提高5倍以上。所以單根PAS44BB配3個滑塊時其帶負載能力要達到500公斤以上。當采用采用兩根PAS44BB結構，把它們并排擺放時，其帶負載能力要達到1000公斤。每個PAS44BB里面采用THK SHS 25導軌和兩個滑塊。單根THK SHS 25導軌單個滑塊時最大理論載荷為：C=36.8 KN, C0=64.7 KN (千牛頓)。在機床上通常把這一數據除于10，這時的動載荷為：C=3.68 KN = 368公斤。而且一根PAS44BB要用兩個滑塊，但由于高速可達每秒5米，加速度達每秒4米，所以為了安全在機器人上就考慮為100公斤（機床上要達500~1000公斤）。我們每根運動軸帶三個滑塊，對應實際上是6個THK滑塊，所以其負載能力至少要達到800~1000公斤。當把兩根運動軸PAS44BB并排剛性連接起來使用時，其負載能力可以增加2倍，所以這里采用的雙軸雙滑塊結構其負載能力可增加到2噸。
三 驅動方式
這里采用齒輪齒條的方式來進行傳動，采用國內數控切割機所用產品，其承受的最大推力和精度等級都被國內數控切割機行業和用戶所接受。下圖是一個齒輪齒條傳動例子，本項目齒輪齒條要放在側面。
圖2：以齒輪齒條方式傳動的抓取軸
四 級連方式
由于單根PAS44BB最大長度為6米，本項目要把6根PAS44BB連起來形成總長24米。這樣兩根24米的直線運動單元再如圖1所示的方式并排連接起來。
由于所采用的直線導軌單根長度是4米，要保證在兩根PAS44BB鋁材接頭處有一完整的直線導軌，保證使其通過接頭處運行平穩。由右面圖所示其鋁型材有標準的連接方式，圖中兩處帶紅色字母A的位置是直線導軌連接處，必須連接的。圖中兩處帶紅色字母B的位置和兩處帶紅色字母C的位置是可選的，或B處或C處加入大約500mm長的標準連接件，外面用精密螺絲桿擰緊。這樣的連接方式保證整24米長直線運動單元的直線度和平面度。采用這樣的連接方式百格拉給很多公司提供了超長度的機器人，如瑞典某公司4臺18米有效行程的數控火焰切割機。
圖3 運動單元的截面圖
五 精度保證
由于定位精度主要受所建議采用的齒輪齒條及傳動齒輪的精度和其裝配精度所決定。而建議采用的齒輪齒條及傳動齒輪就被國內一些數控廠家多年長期采用，其傳動精度被全部用戶所接收，加上按要求來選配高精度的齒輪齒條，所以精度不是問題。對于寬度大的運動平臺要在兩側分別加上齒輪齒條，實現兩側同時驅動，保證運動的平穩性。本公司有幾位在沈陽機床廠多年從事裝配工作和沈飛從事設計的人員，完全能勝任其設計，連接<
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