数控转塔冲床拆垛上料机械运动单元研究

刘海燕+戴鹏+张成建+王国栋

0 引言

直角坐标型拆垛上料机实际上就是一个直线运动机构，其核心部件是直线运动单元，它是由运动框架、传动机构、直线运动滑轨和伺服电机等组成。运动框架的材料通常为精制铝型材作为基体，铝型材具有很多优点：组装成产品时，采用专用铝型材配件，不需要焊接，环保，易于安装、拆卸，且重量轻、刚度大。其截面形状要确保其具有足够的机械强度和直线度。直线运动滑轨是由轴承光杠和运动滑块组成。驱动系统通常为步进电机或伺服电机。传动机构可根据不同的精度要求采用同步齿形带、齿条或滚珠丝杠。

1 直线运动单元简介

直线运动单元是把丝杆、导轨、同步齿形带以及齿轮齿条等各种不同部件进行精密组装，集成到一个运动单元中的一种运动单元。它实现了直线运动平台的模块化和规范化[20]。还可以通过数字控制软件方便地实现运动速度、加速度及运动距离的柔性变化。

根据不同的动力与运动传动形式直线运动单元一般可分为以下几类： 滚珠丝杠、滚珠导轨型；滚珠丝杠、滑动导轨型；同步齿形带、滚珠导轨型以及齿轮齿条，滚珠导轨等类型。此外还有直线提升单元，它通常于其它直线运动单元配合在一起使用，用于X-Y-Z的配置。不同的类型分别用于不同的速度、加速度、负载、加工成本、使用寿命等要求条件下。

直线运动单元具有与传统的机械运动结构形式不同的特点比如：模块化、组合式和独立式的结构等。直线运动单元以其独特的优点在全自动机械手、数控机床上下料机构以及汽车喷涂、生产线上的包装及搬运、等各行各业中得到了极其广泛的应用。直线运动单元的出现，为工程技术人员的设计选型工作带来极大的方便。工程技术人员可根据生产实际需要对伺服电机，联轴器，伺服驱动等进行相应的选择，即可方便地搭配出X-Y和X-Y-Z等机械运动结构形式，进而组合完成所需要的运动控制系统。

2 机械运动单元结构设计

1）悬臂式直角坐标型结构

悬臂式的结构形式的优点主要在于其所占空间较小，布置比较灵活，比较适用在对工作空间有严格要求的场合。但是由于此结构形式有悬臂的存在，在承载力较大时较大的弯曲变形就会产生。因此，这就要求支撑悬臂的部件有较好的抗弯刚度。由此可知悬臂式直角坐标型结构不适用于承载能力较大的场合。

2）壁挂式直角坐标型结构

壁挂式直角坐标型的结构方式比较紧凑，适用于工作空间较为狭小的情况下。但同时它上下运动时，其上下行程的大小和上下方向的负载能力也受到了限制。

3）龙门式直角坐标型结构

单根龙门式直线运动单元的长度可达6米，典型的龙门式直角坐标型结构布置方案。本文即采用龙门龙门式直角坐标型结构作为上料机机械运动单元结构布置方式。

龙门式直角坐标型结构布置方案它行程大，单根龙门式直线运动单元的长度是6米，龙门式直角坐标式机器人有很多突出的优点[22，23]，承载能力强，运行平稳等。数控转塔冲床拆垛上料机只需在控制程序的控制下按一定的速度和节拍将板料运送到工作台即可。由于实际生产中需要较大的行程，以青岛科力达QS2516Z数控转塔冲床为例其加工板材尺寸2500×1250mm，鉴于实际生产需求，及以上几种运动机构结构形式的特点，拆垛上料机运动机构布置方案确定为龙门式直角坐标型结构形式。由于拆垛上料机对运动精度的要求并不太高，运动速度也不是很大，并且不存在切削力和切削振动，故此对上料机龙门架的设计要求不高，选用用工字钢或槽钢等型钢进行焊接成型即可。

龙门式直角坐标结构型的拆垛上料机，由于龙门式结构其自身的特点，它必定会在某个方向上有两根平行的轴，因此在驱动和传动上就会产生问题。驱动和传动有以下几种方式：一种方式是两轴中只驱动一个轴，这种方式必定会使另一轴成为从动轴，由于从动轴阻力的影响，必将会使拆垛上料机在两轴所在平面内产生变形；一种方式是同时并且分别驱动两轴，这就要求两轴完全协调与同步，这种方式对运动控制系统的要求就会大大增加。还有一种方式是通过传动装置用一个驱动同时驱动两个轴，这种驱动方式可以保证两轴的协调和同步。

3 拆垛上料机直线运动机构驱动与传动方式

直线运动机构驱动方式主要有以下两种。第一种方式，采用直线电机作为驱动源，直接驱动运动轴沿XYZ三个方向运动。速度变化、推力大小、定位精度主要通过控制直线电机来实现。这种方式能够减少中间传动环节的误差，适合高速高精密加工的需求。但由于直线电机的成本较高，这也是限制直线电机广泛应用的最主要原因之一。第二种方式，采用伺服电机和减速机加滚珠丝杆、同步齿形带或齿轮齿条的方式。为了保证传动精度的要求，减速机选用高性能的行星减速机。

通过分析可知，X轴的行程为需在4000mm以上，由于跨度较大，滚珠丝杠和齿轮齿条传动则不宜采用。否则由于自重而产生的弯曲变形及热变形将无法避免，同步齿形带传动能够满足X轴较大行程的要求。因此X轴采用德国百格拉PAS44BB型号的同步齿形带传动直线运动单元，龙门式双X轴结构。为了保证两根X轴运动的同步，采用一个3000W的伺服电机，两轴间采用钢轴实现同步驱动。出于驱动扭矩及惯量的匹配，需要配一台行星减速机。

对于Y轴来说行程相对较短，因此采用滚珠丝杠或齿轮齿条传动方式的直线运动单元均可。Y轴采用德国百格拉ELK40型滚珠丝杠直线运动单元。因为Y轴为双端支撑，中间悬空结构，如果选择的截面不够，上料时如果高速运动时将不能保拆垛上料机运动的平稳性，将有可能发生振颤。因此同样选用双Y轴将Z轴夹在中间的结构形式，两根运动单元并排使用。这种方式不仅能够很好的平衡负载，具有较好的承载能力，而且稳定性较好。两根直线运动单元由一台2500W伺服电机驱动以保证运动的同步。同样也需要匹配行星减速机。

Z轴的运动行程与Y轴类似，采用德国百格拉ELK系列双滑快全包围滚珠丝杠直线运动单元。该运动单元可以同时完成物体提升和旋转两个运动。该轴上的伺服电机因需要提升物体快速需要克服较大的重力和加速度，因此需要较大的驱动功率。驱动方式采用4000W一台带抱闸的伺服电机，并匹配一台行星减速机进行驱动。

实现板料旋转功能的是Z轴单元中的一根旋转轴，它是与Z轴直线运动单元集成在一起的。旋转轴的最上端为驱动端，与一个伺服电机安装在一起，长轴的最下端作为负载端，用于安装端拾器。因板料一般较重，转动惯量大，端拾器不能直接安装在旋转轴上，必须加一台盘式减速机才能匹配。伺服电机通过旋转轴将动力先输出到盘式减速机再传输到负载，以实现旋转负载的功能。

4 本章小结

本章对拆垛上料机的机械运动系统进行了研究，研究了模块化的运动单元—直线运动单元，完成了数控转塔冲床拆垛上料机的机械运动单元的结构设计与选择，采用龙门龙门式直角坐标型结构作为上料机机械运动单元结构布置方式。分析了目前常用的不同驱动方式及传动机构的特点及上料机各轴在使用中受力和行程的不同，确定了拆垛上料机机械运动单元各轴的驱动及传动方式。

参考文献：

[1]飞.转塔冲床数控系统及其它关键技术的设计与研究[D].厦门大学， 2007.

[2]李刚.工业用码垛机器人[J].现代制造.2005：40-41.

[3]直角坐标机器人在汽车发动机涂胶机上的应用[J].伺服控制.2008： 50-51.4.

[4]上下料用模块化直角坐标机器人研究[D].天津大学，2010..

[5]刘晋浩.码垛机器人的研究与应用现状、问题及对策[J].包装工程. 2011.

基金项目：2015年国创项目 小型落地枣收获机

编号：201513324004