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（DIN6h25）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/Zm/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/CNC(结构钢）群星机器人3kg300±0.03伺服+减速机齿轮齿条HMC/RCS铝合金表12、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μ=0.12。推力f=Fμ=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11FT6031-4AK71600097001.040.470.7721FT6034-4AK716000970027.70.881.2231FT6041-4AK71600077002.6201.073.985计算6000/0.9615.90.6032.6641FT6044-4AK71600077005.9181.886.185)电机的惯量：m=50kg；R=32mm；滑台折算到小齿轮轴上的转动惯量：2621051.010mkgmRJ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GEFRANIK1/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：2μm。光栅尺（海德汉)