重载多关节石材加工机器人结构设计及仿真分析论文

 

　　关键词：重载机器人,石材加工,结构设计,仿真分析

 

 

　　目前国内对石材加工和设计还停留在手工设计的水平上，手工分割、编号及手工填制工艺卡，影响加工进度和设计效果，不仅浪费大量人力和物力，而且设计效率低，石材利用率也低，造成石材资源极大的浪费[1-4]。为提升效率、降低成本，数控技术和数控设备在石材加工中被广泛应用[5]，文献[6]以提高石材平面浮雕的粗加工效率和自动化程度为目标，提出采用锯切动力头和侧向挤压榔头组成双动力头的五轴锯切机设计方案。文献[7]利用圆盘锯在粗加工方面具有切削深度较深和线速度大的优势，扩大石材桥式切割机的加工范围，研究其在多边形区域中的切削加工优化问题，很好地缩短了进、退刀次数和空行程距离，减少了总加工时间，提高了加工效率。文献[8]改变传统磨削方式，在台式磨削中通过改变砂轮磨削角度与薄板工件曲面进行磨削，降低了薄板磨削的工件加工损伤，并建立模型推导砂轮偏角与磨削曲面间关系。文献[9]根据石材板材产品的加工需求，设计了石材异形板材加工中心机床结构，其总体布局为桥式龙门结构，横梁部件可作X进给运动，兼顾横梁的轻量化设计和刚度要求。文献[10]设计了一种夹层式金刚石排锯刀头切削部结构，刀头结构包括两层工作层，相邻两工作层之间为过渡层，设计了一种中间刀头间隔向两边逐次增大的非等距排布方式，对比国外同类排锯，在同等条件下，石材锯切损耗降低了5%~10%。以上设计在一定程度上提高了加工效率，但是对人工的依赖仍然较为严重。现有加工方式产生大量粉尘等污染物，严重污染环境及影响操作人员健康状况，工作环境差，很难吸引人才加入，存在严重的人力不足现象[11]。随着构建节约化环境、友好型和谐社会的发展需求，石材产业迫切需要发展新型绿色、高效、智能化的高端数控加工装备与技术[12]。

 

　　因此，针对当前石材加工领域的问题[13-15]，本文设计出一款重载多关节石材加工机器人，创新性提出重载多关节石材加工机器人减速机+转轴组合式机构，用于对石材的加工、挖孔、倒角、磨边、仿型等功能，还能够根据用户需求完成各种异形图案的自动加工，且性价比高、通用性好，有效地解决了石材领域存在的加工效率低下，资源浪费严重等问题，提高了石材加工的自动化使用程度。

 

 

　　机器人在工作过程中，其末端加工头必须同加工表面相互垂直。由于机器人需要带动加工头进行直线加工或曲线加工，要求加工机器人的机械臂末端可以完成加工头所需的所有位姿运动。整体要求能自动完成石材切割、挖孔、倒角、磨边、仿型等作业，加工幅度为长3.4 m、宽2.2 m，加工时运行平稳、加工精度高、抗冲击性好，还能根据用户需求完成各种异形图案的自动加工，且性价比高、通用性好。

 

 

　　本文所设计的重载多关节石材加工机器人为5轴联动智能石材加工机器人，可对尺寸大小为2 000 mm×750 mm×50 mm的石材板料进行加工，采用控制变量法对机器人进行轨迹规划，让单一关节臂在其余关节臂都不动的情形下转动，然后使用几何作图法绘制出该关节的转动轨迹，再固定该关节臂，使另一关节臂同样在其余关节臂都不动的情形下转动，然后绘制出其转动的轨迹。这些转动轨迹是机器人工作空间的部分边界，在各关节臂上重复上述步骤，就可以得到一个完整的工作空间，如图1所示。

 

　　重载石材加工机器人可进行异形弧多点、多段示教，2点走直线、3点走圆弧轨迹；设有重复轨迹磨进功能，自动吃进功能，对石材磨边或仿形时自动吃进，吃进深度可自动设置或手工设置，可对石材、玉材、木材等进行直线切割、曲线走弧、倒角、切边、钻孔、打磨；通过电脑编辑图形并导入控制系统进行自动加工，可实现多个外形表面的立体式、全自动化石材异型加工，实现石材台面板、圆柱、球体、椭圆等各类异型的工件快速加工，具有很高的效率和加工质量，能够和生产线其他设备联网联动，实现加工的智能化。还可用在加工现场与其他自动化设备联网联动，实现生产现场的无人化管理。

 

　　为了满足石材加工的需求，机器人臂展工作直径超过3.5 m。加工头的三相交流电机加上附件质量100 kg以上，当加工5 cm厚的石料时，其冲击力可达5 000 N以上，较高的负载、较大的冲击、较长的作业半径要求机器人的机械臂具有极强的承受能力。因此机器人的机械臂设计对整个机器人起到决定性因素，既要节约成本，体积不能过大、过重；又要负载强，机头还能自动旋转，满足机器人灵活轻便的特征。

 

 

　　为解决上述工作半径大、高负载、工作灵活等问题[16]，本文机器人的设计具有如下特点：臂通过转轴以可摆动的方式设置于底座上，其中转轴与臂之间可转动配合或者相互固定，当转轴与臂之间相互固定时，转轴与底座转动配合，保证臂能够相对于底座摆动；臂所受的载荷力矩主要靠转轴承受，减速机的输出端只提供臂摆动的旋转力矩；因此可以达到高负载要求，本文机器人采用小功率减速机，从而大幅度降低机械臂的体积、自重和生产成本，使其更具有加工灵活性。同时，还保证该转轴承载式机械臂具有足够的载重能力；此外，减速机和用于驱动减速机的驱动电机均安装在可拆卸式固定在底座上，当驱动电机和减速器拆卸后，可通过人力驱动机械臂转动，机械臂在拆卸驱动装置进行维护时，无需同时拆除机械臂，进而提高了机械臂检修维护的便利性，减少人力使用成本，重载多关节石材加工机器人如图2所示。

 

 

 

　　大臂作为工业机器人结构的重要组成部分，承载着实现多轴运动和工作执行的关键任务[17]。合理的大臂设计可以使得机器人在作业过程中更加灵活、稳定，提高其工作能力和效率。合理的结构设计可以提升大臂的刚性和稳定性，从而提高机器人的负载能力，同时减少运动过程中的振动和误差。大臂机械结构包括底座、大臂、大臂转轴、伺服电机大臂连接板、伺服电机、RV减速器、推力球轴承、滚针轴承、深沟球轴承、轴用钢丝卡簧、内孔卡簧、轴承垫片。本文对重载多关节石材加工机器人大臂设计，采用的是电机和减速器组合传动方案，其中，伺服电机通过螺钉固定连接于电机连接板上方，电机连接板下方与RV减速器连接，将它们整体通过螺钉固定在底座上部分，RV减速器的输出端连接到大臂上，大臂转轴与底座下部分连接并通过螺钉固定，大臂通过轴承配合安装在大臂转轴和底座上，使其可相对转动。当伺服电机工作时，动力将经过电机轴传送RV减速器，再通过RV减速器的输出端传送至大臂，使得大臂能够进行旋转。该机械结构布置可以使大臂因重力产生的弯矩完全由底座承担，避免了大臂产生的弯矩对减速器的破坏，减速器的输出端仅仅为大臂相对于底座的摆动提供转矩，大幅度提高了石材切割机器人的作业范围以及运行时的稳定性，大臂机械结构如图3所示。

 

 

　　小臂需要承受手部、腕部以及自身的重量，小臂结构包括大臂、小臂、小臂转轴、伺服电机小臂连接板、伺服电机、RV减速器、推力球轴承、滚针轴承、深沟球轴承、轴用钢丝卡簧、内孔卡簧。伺服电机通过螺钉固定连接于电机连接板上方，电机连接板下方与RV减速器连接，将它们整体通过螺钉固定在大臂上部分，RV减速器的输出端连接到小臂上，小臂转轴与大臂下部分连接并通过螺钉固定，小臂通过轴承配合安装在小臂转轴和大臂上，使其可相对转动。

 

　　当伺服电机正常工作时，动力将经过电机轴传送至RV减速器，再通过RV减速器的输出端传送至小臂，使得小臂可相对大臂摆动。小臂的机械结构采用的是与大臂机械结构相同的传动原理，因此小臂因重力产生的弯矩同样不会传递至RV减速器输出端，它的弯矩将由大臂和机座共同承担，大幅度提高了石材切割机器人第二关节的作业范围和稳定性，很好地满足了石材加工时对机器人的工作要求。小臂机械结构如图4所示。

 

 

 

　　手腕设计可以使机器人在执行任务时具备更大的灵活性，实现各种复杂运动，有助于提高机器人的工作能力和适应不同作业需求的能力，针对重载石材加工，机器人手腕设计结构中的零部件包括异步电机连接板、RV减速器、伺服电机腕部连接板、伺服电机、螺母、丝杆、腕关节臂、蜗轮减速器、顶部轴承座端盖、深沟球轴承、顶部轴承座、直线导轨、螺母底座、小臂、滑块、底部轴承座、轴用卡簧、异步电机、金刚石锯。

 

　　其中，丝杆通过轴承配合分别安装在顶部轴承座和底部轴承座上，两轴承座通过螺钉固定在腕关节臂上，丝杆的一端同蜗轮减速机作为输出端的蜗轮连接，伺服电机与蜗轮减速器作为输入端的蜗杆连接，2个直线导轨通过螺钉固定在腕关节臂上，4个滑块分别安装在直线导轨上，同时4个滑块又采用螺钉固定于螺母底座上，安装在丝杆上的螺母也采用螺钉固定于螺母底座上，螺母底座则通过螺钉固定在小臂末端，由此组合成为可进行上下移动的第三关节。伺服电机通过螺钉固定在伺服电机连接板上方，电机连接板下方与RV减速器连接，将它们整体通过螺钉固定在腕关节臂末端上方，末端执行器采用螺钉固定在异步电机连接板下方，电机连接板上方与RV减速器相连，由此组合成为可进行旋转的第四关节。

 

　　第三关节上的电机正常工作时，动力将通过电机输出轴传送至减速器蜗杆一段，再由减速器蜗轮一段传送至丝杆，从而带动其旋转，丝杆相对螺母的旋转运动，会使螺母向上或向下直线运动，由于螺母固定在螺母底座上，螺母底座又是固定在小臂上的，因此螺母产生的反作用力则会带动腕关节臂整体向上或向下移动；第四关节上的电机通电运转时，动力将由电机输出轴传送至RV减速器，再由RV减速器输出端传送至异步电机连接板上，因末端执行器固定于异步电机连接板下方，从而带动末端执行器相对腕关节臂旋转，该设计可满足对石材的切割、磨边、倒角等功能。手腕结构如图5所示。

 

 

　　石材加工机器人的结构构型属于平面型关节机器人，在实际的工作环境中，其大臂与小臂作为不可或缺的重要部件，除了承受自身的重力外还承受着腕部、末端执行器以及绝大部分关键零部件的重量，如果其强度不够，则会影响重复定位精度，还会增加机器人的抖动，使其丧失稳定性。因此，对机器人大小臂的静力学分析是必不可少的。

 

　　为了便于计算和分析，可将大臂和小臂简化成悬臂梁，分析大小臂的应力应变。通过应力-应变云图，找出应力集中部分，验证大臂和小臂的结构强度是否满足要求。在设计过程中，本文采用ANSYS软件进行部件的静力学分析，在进行静力学分析时遵循以下基本步骤：材料定义、划分网格、添加约束、施加载荷、求解分析[18]。