龙门式机器人的研制

龙门式机器人的研制摘要介绍了一种新研制的龙门式机器人设计、制造中主要技术题目。关键词龙门式机器人设计制造1引言在现代汽车制造业中，实现汽车零件从毛坯到成品包装生产全过程完全自动化，是当今国际汽车制造业的发展趋势，在发达国家有很多成功先例。近年来我厂在为神龙汽车有限公司襄樊工厂提供的轿车缸体、缸盖加工自动线上成功地应用了13台龙门式机器人作为自动上下料、转位、翻转运输装置，实现了制造过程的完全自动化。龙门式机器人改变了传统的物流方式，有效地改善了作业环境，可靠地保证了产品质量，极大地进步了劳动生产率，将工人从繁重的体力劳动中解放出来，使汽车制造技术达到一个崭新的水平。我厂研制的龙门式机器人在国内汽车制造业中应用尚属首家。该项目是机械产业部“九五国家重点科技攻关项目”，经过两年来的使用，证实该技术处于国内领先水平。2龙门式机器人的工作原理龙门式机器人外观如图1所示：图1机器人外观图2.1主要技术参数额定负荷：250kg，其中搬运零件重量40kgX轴最大工作行程：2500mmX轴最大速度：36m/minX轴最大加速度：0.6m/s2X轴定位精度：±0.25mmZ轴最大工作行程：500mmZ轴最大速度：24m/minZ轴最大加速度：0.4m/s2Z轴定位精度：±0．25mmA轴回转角度：0°～180°A轴回转角速度：45°／sC轴回转角度：0°～270°C轴回转角速度：120°／s2.2X、Z轴直线驱动系统X、Z轴的直线运动皆为电机通过减速器驱动齿轮与X轴横梁、Z轴滑柱上固定的齿条作转动，驱动移动部件沿淬硬镶钢导轨运动。机器人工作性能中位置精度和运动精度是两个重要指标，前者决定机器人能否符合精度要求进行工作，后者直接关系到机器人能否适应生产节拍的要求。为了满足这二项要求，应解决好机器人平稳工作这一基本要求。影响工作平稳性的因素，除了结构刚性和抗震性等因素外，主要是运动部件的加速度和质量两个方面，运动部件的质量越大、加速度越高，将会导致振动和冲击越强烈。为此我们采用进口电机减速器，保证传递运动关系及减轻重量，电机轴与齿轮的联接是通过内外涨套的弹性变形而传递扭矩的。X轴与Z轴的移动部件上各有四对滚轮组。为减轻重量，滚轮支架材料选择铝材。滚轮与导轨之间的预紧及间隙是通过调整滚轮的偏心轴来实现的，这些措施有效地减轻了运动部件的重量，消除运动传动链的间隙，减轻冲击能量，保证了定位精度和运动精度。2.3A、C轴旋转系统A轴绕Z轴旋转，A轴旋转范围为0°～180°，由油缸驱动齿条、齿轮实现。C轴绕X轴旋转，C轴旋转范围为0°～270°，由油缸活塞杆的伸缩运动带动大齿形带轮转动，通过齿形带带动小齿形带循环转，从而实现水平轴的旋转运动(见图2)。之所以采用270°的旋转角度，是为了能彻底地倒掉积屑，保证滚道上的清洁。图2C轴传动示意图2.4夹持器用作搬运工件的夹持器，由两个油缸分别驱动，左、右夹板将零件夹紧。左、右夹板行程各为50mm，采用转动导轨运行。以缸体零件为例，夹持器以40孔定位，左、右夹板上各装有3～5个限位块，保证有足够的强度和刚度，并防止零件在翻转过程中的转动。夹紧行程到位后，各限位块距零件被限位处各有0.2～1mm的间隙，用于限位而非夹紧。设计过程中确定夹持零件的重心位置是一项十分重要的设计内容。重心若不能被确定，将造成旋转过程中的冲击、齿形带断裂。夹持零件的重心位置是利用CAD进行确定的。2.5Z轴的平衡装置Z轴除了要保证其移动的直线精度和位置精度外，还要保证在有载荷与无载荷的情况下坐标位置不发生漂移，保证有载荷时具有自锁能力，因此平衡装置是十分必要的。机器人在工作时气路系统压力为0.4～0．5MPa，当Z轴向下运动时，由于气缸起到了平衡作用，保证了Z轴运动的平稳性及可靠的定位精度、运动精度。除此之外，在保证Z轴系统各组成部分具有足够的刚性条件下，尽量减轻其重量也是十分必要的措施。2.6电气系统从经济与实用两方面考虑，采用普通电机加减速器和脉冲编码器。法国TE公司的TSX47系列PLC为控制主机，AXM182轴控制模块及变频电机构成半闭环系统，用来满足X轴、Z轴的定位精度。3关键制造技术3.1横梁的制造横梁是机器人最重要也是最难加工的零件。制造成功与否直接关系着龙门式机器人的研制成败。横梁简图如图3。图3横梁简图横梁由方管与贴板焊后加工而成。方管材料10钢，规格300mm×200mm×10mm。贴板材料45钢。在贴板加工结合面上安装有镶钢导轨与齿条，通过滚轮与导轨接触，整个机器人都悬挂其上。为了保证实现±0.25mm的定位精度，高达36m/min的运行速度及0.6m/s2的加速度，对横梁自身的静态精度，动态精度，都提出了十分苛刻的要求。装配要求导轨、齿条安装在横梁后，直线性、平行性不大于0.06mm/3500mm，制造要求横梁贴板焊接加工后直线度、平行度必须保证不大于0.10mm/3500mm。只有达到这样的精度，才能使滚轮与导轨保持良好的接触刚度，齿轮与齿条良好的啮合，满足使用要求。从制造的角度分析，横梁精度高，刚性差，易变形。主要工序：焊、热处理时效、磨削都存在变形趋势，必须严格控制。一旦产生较大的变形，空心方管校直非常困难，易产生废品。制造过程中采取了以下措施：焊接工序采用二氧化碳气体保护焊。焊机厂家ESA，型号LAR500，焊丝材料HO8MnSi2A，焊丝直径1．2mm。利用二氧化碳气体保护焊，使焊接件上无飞溅焊渣附着，免往除渣工作，焊接件表面美观，焊接质量好。焊接时电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，焊接热影响区小，裂纹倾向小，尤其是产生的变形小。实际操纵中为了进一步控制变形倾向，由二名焊工同时相向进行焊接，焊后检查横梁全长扭曲仅3～4mm，焊接效果十分理想。热处理时效工序采用6m深井式炉，为了控制横梁的变形必须进行时效处理，消除由于焊接引起的应力及变形。不能采用箱式炉。由于箱式炉时效过程中横卧于炉底，炉底的不平会使横梁产生下凹现象，出炉无法校直，造成废品。时效工序要求把横梁竖着吊进温度不超过250℃的井式炉中，加热速度40℃/小时，加热至580℃～620℃下保温4小时后，在炉中以50℃/小时的速度冷却到250℃出炉，放平。时效后检查横梁全长扭曲2～3mm，证实时效后应力变形得到消除，作用明显。磨削是横梁加工的最后一道工序，要达到直线度、平行度的要求。为了进步磨削效率，工序要求磨削前的刨削工序必须对直线度、平行度控制在0.25mm/3500mm，单边磨量留0.30mm以内。磨床厂家WALDRICHCOBURG，型号30-15S4030600mm，砂轮材料：刚玉大孔隙砂轮，冷却液：水质冷却液，v=35m/s,S=35m/min,T粗＝0．02mm/双行程，T精＝0．002mm/双行程。横梁磨削不能采用多点夹压的装夹方法，由于此方法使磨削过程中产生的热使横梁产生变形，磨成后的横梁成波浪状，直线度、平行度不能达到要求。前后、中间支承装夹是可行的。可是如何解决磨削热使横梁产生变形还是一大困难。磨削中砂轮接触横梁磨削面不进刀，往复运行二次，所产生的热变形经丈量竟上凸0.20mm之多，令磨削无法进行下往。磨削进给一、二次后，热变形使磨削中止，待横梁冷却才能继续磨削，这样一根横梁需20小时才能完成。采用在被磨削面上刨出0.35mm深、40mm宽槽是减少磨削热变形行之有效的办法。槽中的积水可以带走大量的磨削热，改善了磨削条件，一根横梁仅需4小时便可以磨成，进步了效率，磨后检查横梁直线性、平行性在0.04mm/3500mm以内，完全达到要求。3.2螺钉松动的解决办法机器人在高速运动中，常伴有螺钉松动的现象，影响其精度的保持，甚至影响正常工作，我们在每一个螺钉上涂乐泰242胶，起到了良好的效果，成功地解决了螺钉松动的题目。4结束语龙门式机器人下一步将向系列化发展，三维6m以上横梁机器人的研制将是一个新的课题。