柔性制造系统中机器人行走系统的结构设计

杨天时，张伯俊

（天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300222）

机器人行走系统是柔性制造系统中物流运输系统的关键组成部分，将搬运机器人放置在行走系统中，能够实现物料在加工机床之间以及存储站与机床之间的运输、搬运、存放等工作，将分散的、相互独立的加工及物料装卸、存储等设备联系成一体[1-2]。本文以某公司研制的用于柔性制造车间物流运输系统的机器人行走系统为例，对机器人行走系统的结构设计进行介绍和分析。

1 机器人行走系统的组成

机器人行走系统是由一个机械系统与控制、识别系统组成的机电一体化集成系统，机械系统是机器人行走系统的主体部分，是实现搬运机器人移动行走的执行机构。通过控制系统与识别系统等组成的柔性制造系统的物流运输子系统，实现行走系统按照主控系统运行控制指令，完成搬运机器人的调度任务。按照实际生产需求，搬运机器人沿着运输线轨道快速直线运动，在系统各个单元设备之间进行物料的搬运、存储和交换。

机器人行走系统由工作台、直线运动及定位检测机构等组成，如图1所示。

图1 ES165D工业机器人行走系统三维模型

2 机器人行走系统机械结构设计

2.1 运输底座及其导轨的设计

运输底座及其导轨是承载搬运机器人的基础和运动导向，其结构设计根据机器人自身重量、工作载荷、运行速度以及几何精度等技术要求而进行。重载有轨运行线结构要求便于高度和直线度的调整以及要保证较高的刚性。本文中所涉及的小规格柔性制造系统，对导轨系统在全长范围内的等高度要求不高，因此采用外购直线导轨。如图2所示的机器人行走系统，该系统运输线底座由多段铸铁底座拼接而成，分配多个支撑点；同时，采用滚珠直线导轨作为运动导轨，满足了机器人直线位置几何精度的技术要求。

图2 机器人行走系统运输底座及其导导轨结构

2.2 运动驱动机构

行走系统水平直线运动采用伺服电机通过减速机驱动齿轮齿条运动，从而带动工作台及机器人在运输线轨道上做往返快速直线运动。设计时以运动速度、加速度、工作负载等参数作为初始条件，对齿轮齿条模数与齿数、伺服电机驱动转矩、负载惯量等进行校核计算及优化匹配；同时，为确保行走系统能够准确、快捷地将工作台和机器人送至系统指定的工位，还必须设计合理的位置检测系统，保证机器人运动位置的精确度。驱动机构如图3所示。

图3 机器人行走系统驱动机构

2.3 有限元模态分析

利用Solidworks建立行走系统方案的实体模型，并在不影响计算精度的前提下对实体模型进行必要的简化，其中包括删除倒角、小孔和对整体结构强度和刚度影响较小的局部小结构，填平对结果影响不大的小台阶面。通过Solidworks与ANSYS Workbench无缝连接，将简化后的几何模型导入到ANSYS Workbench中进行模态分析。简化模型如图4所示。

图4 机器人行走系统有限元模型

将求得的行走系统前8阶固有频率和振型列于表1，对应的部分振型图如图5至图8所示。从图中的振型可以看出：前5阶振型发生在行走系统的两端为侧向扭转振型，对工作台部分无显著影响；后3阶振型局部振型表现为在工作台一侧或两侧之间的纵梁发生了相对的运动，尤其是第7、第8阶振型，工作台左侧的纵梁产生了局部振型，其原因是行走系统的导轨之间无横梁支撑，导致局部刚度降低，但对工作台和工作台下纵梁的部位影响不大。

表1 计算结果

图5 第1阶振型

图6 第2阶振型

2.4 有限元刚度校核

图7 第7阶振型

图8 第8阶振型

机器人行走系统静态载荷=2000 kg（机器人自重）+165 kg（机器人工作最大载荷）=2165 kg。同时，考虑到机器人工作时的载荷大于静态载荷，所以将系统静态载荷乘以动载荷系数1.5。因此，对工作台与机器人底座接触的表面施加32475 N的压力，计算刚度分析结果如图9所示。行走系统的最大等效变形为0.097079 mm，满足机器人在垂直方向上集合精度的要求。

图9 机器人行走系统承受机器人及工作载荷时的变形量

3 结束语

本文介绍了机器人行走系统，其运输底座由多件铸铁连接而成，导轨采用滚珠直线导轨，这种设计结构既保证了支撑刚度，又保证了机器人行走的几何精度和定位精度；同时，利用Solidworks和ANSYS Workbench有限元仿真软件分别进行了行走系统的三维实体建模和有限元仿真计算，确保了结构设计的可行性，为机器人行走系统的成功研制奠定了基础。该机器人行走系统已经在某柔性制造车间中成功地实现了应用，机器人运行平稳、噪声低，启动、停止时未发生冲击现象并且满足了快速移动速率为20 m/min的技术要求。实际运行表明：该结构设计合理，其主要技术性能指标均达到设计要求。

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