新型中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的工業(yè)機(jī)械手上的應(yīng)用

李 猛

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

工業(yè)機(jī)械手是一種面向工業(yè)領(lǐng)域的多自由度的、多關(guān)節(jié)的、能自動(dòng)化作業(yè)、靠機(jī)器手自身動(dòng)力和控制技術(shù)來(lái)完成各種功能或動(dòng)作的一種機(jī)器設(shè)備[1]。而中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)又普遍在機(jī)械手中得到應(yīng)用。

中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)又稱為旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，普遍應(yīng)用于數(shù)控分度裝置、機(jī)械手關(guān)節(jié)、機(jī)床第四加工軸及自動(dòng)化生產(chǎn)線等旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)具有中空轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)、高剛性、高旋轉(zhuǎn)精度及低成本等優(yōu)點(diǎn)。且其重復(fù)定位精度介于凸輪分割器和DD馬達(dá)之間，很多場(chǎng)合可以完美替代DD馬達(dá)[2]。但某些場(chǎng)合中機(jī)械手在中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)處不僅要實(shí)現(xiàn)分度動(dòng)作，還需要實(shí)現(xiàn)直線動(dòng)作，但目前的大部分中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)并不支持直線動(dòng)作，僅能做分度動(dòng)作。因此本文設(shè)計(jì)了一種新型中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能需求，該產(chǎn)品同時(shí)能滿足分度動(dòng)作和直線動(dòng)作。

1 新型中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)介紹

新型中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)需要在普通中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上添加滾珠花鍵機(jī)構(gòu)，如果采用同軸輸入或旁軸輸入式中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)時(shí)將難以實(shí)現(xiàn)分度動(dòng)作和直線動(dòng)作，而直角輸入式中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)則可以滿足要求。由于直角輸入式中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的電機(jī)輸入軸與轉(zhuǎn)盤軸垂直，因此需要采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)形式的減速機(jī)構(gòu)。蝸輪蝸桿由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)參考圖1。圖中伺服電機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器來(lái)連接蝸桿軸，由蝸桿傳動(dòng)蝸輪，采用一級(jí)減速方式，而蝸輪則是固定在交叉滾子軸承上，而轉(zhuǎn)盤固定在蝸輪上，轉(zhuǎn)盤實(shí)際上就是由滾珠花鍵的花鍵套來(lái)替代的，該方案將滾珠花鍵的花鍵套集成在了中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，大幅度減小了體積。

2 新型平臺(tái)的蝸輪蝸桿尺寸設(shè)計(jì)

由于蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)是該中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的核心機(jī)構(gòu)，因此需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。本文以某型中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)為樣本進(jìn)行分析。選擇其傳動(dòng)比i=62，蝸桿頭數(shù)取Z1=1。伺服電機(jī)功率為P=100W，在結(jié)合了伺服電機(jī)的情況下可以實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)速。

蝸輪轉(zhuǎn)矩T2按如下公式計(jì)算[3]：

式1中T2為蝸輪轉(zhuǎn)矩；P為電機(jī)功率；n2為蝸輪轉(zhuǎn)速；η為蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率，按蝸桿頭數(shù)為1時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)取η=0.75。

則：

許用接接觸應(yīng)力按如下公式計(jì)算[3]：

蝸輪蝸桿模數(shù)按如下公式計(jì)算[3]：

式3中m為蝸輪模數(shù)；Z2為蝸輪齒數(shù)；[σ]H為許用接觸應(yīng)力；K為載荷系數(shù)；T2為蝸輪轉(zhuǎn)矩；d1為蝸桿分度圓直徑。

蝸輪齒面接觸強(qiáng)度按如下公式校核[3]：

則有：

因此蝸輪齒面接觸強(qiáng)度合格。

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取m=1mm，d1=18mm，m2d1=18mm3，接近以上計(jì)算值。

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)按i=62，m=1mm，d1=18mm來(lái)確定蝸輪蝸桿的基本參數(shù)可得：中心距a=40mm；蝸桿頭數(shù)Z1=1；蝸輪齒數(shù)Z2=62；蝸輪變位系數(shù)x2=0；蝸輪分度圓直徑d2=mZ2=1＊62mm=62mm

對(duì)于蝸輪蝸桿而言，蝸輪的齒根易產(chǎn)生應(yīng)力集中的情況，因此需要校核其齒根部位的抗彎強(qiáng)度，按如下公式校核[3]：

式5中σF為彎曲應(yīng)力；K為載荷系數(shù)；T2為蝸輪轉(zhuǎn)矩；γ為蝸桿導(dǎo)程角；d1為蝸桿分度圓直徑；d2為蝸輪分度圓直徑；m為蝸輪模數(shù)；YF為蝸輪齒形系數(shù)。

因此蝸輪齒根抗彎強(qiáng)度滿足要求。

統(tǒng)計(jì)以上計(jì)算結(jié)果如下：蝸輪蝸桿中心距a=40mm，蝸桿頭數(shù)Z1=1，蝸輪齒數(shù)Z2=62，蝸輪模數(shù)m=1，蝸輪變位系數(shù)X2=0，齒形系數(shù)a=20°，蝸桿分度圓直徑d1=18mm，蝸輪分度圓直徑d2=62mm。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果來(lái)計(jì)算蝸輪蝸桿的詳細(xì)幾何尺寸數(shù)據(jù)如下：

蝸桿幾何尺寸：

圓整后取b1=20mm

蝸輪幾何尺寸：

取b2=15mm。

3 新型中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上文介紹了蝸輪蝸桿的詳細(xì)設(shè)計(jì)，在確定了蝸輪蝸桿的幾何尺寸后需要匹配相應(yīng)的軸承及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。采用交叉滾子軸承來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)軸承，另外采用了滾珠花鍵來(lái)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中交叉滾子軸承用來(lái)支撐蝸輪。

由于交叉滾子軸承的滾柱為交叉排列，其剛度好，因此只需要使用一套交叉滾柱軸環(huán)就就可承受各個(gè)方向的扭矩和載荷，從而大大減小了結(jié)構(gòu)尺寸，采用的交叉滾子軸承型號(hào)選用XRU2012。下圖2中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖中滾珠花鍵套是套在蝸輪內(nèi)并通過(guò)螺釘固定。交叉滾子軸承外圈通過(guò)螺栓固定在中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的箱體底部面上，而蝸輪則是通過(guò)螺釘固定到交叉滾子軸承的內(nèi)圈上。滾珠花鍵由滾珠花鍵軸和滾珠花鍵套構(gòu)成，是一種類似直線軸承的可導(dǎo)向的精密結(jié)構(gòu)，并可以用來(lái)傳遞扭矩。其結(jié)構(gòu)緊湊，能傳遞較大的載荷和扭矩。由于滾珠花鍵套里安裝的是精密加工的滾珠，因此相比傳統(tǒng)意義的滑動(dòng)軸套而言有較低的摩擦系數(shù)和高精度，被廣泛應(yīng)用于精密數(shù)控機(jī)床和數(shù)控設(shè)備上。本文中滾珠花鍵套實(shí)際上就是轉(zhuǎn)盤，在實(shí)現(xiàn)分度功能的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)花鍵軸的升降功能。

圖1 直角輸入式中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖2 中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

蝸桿裝配包含了蝸桿套、蝸桿軸、鍵、軸承端蓋、彈性擋圈、定位隔套、蝸桿座及軸承等。圖3蝸桿裝配的剖面圖。其中蝸桿用來(lái)傳動(dòng)蝸輪，蝸桿通過(guò)彈性聯(lián)軸器與電機(jī)連接。軸承由隔套、擋性擋圈和聯(lián)軸器等定位?？紤]到蝸輪蝸桿的安裝方便，蝸桿座從中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的箱體上分離出來(lái)，用來(lái)安裝蝸桿裝配。蝸桿座通過(guò)螺釘固定到箱體上。考慮到蝸桿的可安裝性，故將蝸桿分離成蝸桿套與蝸桿軸，通過(guò)鍵和定位隔套來(lái)定位。

圖3 蝸桿裝配結(jié)構(gòu)

圖4 蝸輪蝸桿網(wǎng)格圖

4 蝸輪蝸桿有限元分析

前文對(duì)蝸輪蝸桿的齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。另外將會(huì)使用有限元法對(duì)蝸輪蝸桿進(jìn)行受力分析。有限元法是將分析的結(jié)構(gòu)分成有限數(shù)量個(gè)的小單元體，單元與單元之間僅在有限個(gè)結(jié)點(diǎn)上相連，這樣單元集合體可以近似代替結(jié)構(gòu)，當(dāng)單元越小時(shí)，其近似程度就越高。在有限元法中，結(jié)構(gòu)的材料性能都可以在單元中保留，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、邊界條件及載荷情況都可很方便的處理，使得其成為目前結(jié)構(gòu)分析的主流方法。

本文中采用了Solidworks里的Simulation有限元分析功能插件。Simulation用作有限元分析時(shí)較其它有限元分析軟件有著操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)蝸輪內(nèi)圈進(jìn)行固定約束，對(duì)蝸桿內(nèi)圈進(jìn)行水平移動(dòng)和軸向移動(dòng)約束，留一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，蝸輪與蝸桿之間零件約束選擇無(wú)穿透，然后在蝸桿內(nèi)圈施加0.32Nm的扭矩。對(duì)蝸輪蝸桿裝配進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在蝸輪與蝸桿接觸部位的齒面進(jìn)行網(wǎng)格控制并形成網(wǎng)格圖。一般網(wǎng)格劃分得越小，計(jì)算過(guò)程會(huì)消耗較長(zhǎng)時(shí)間，特別是對(duì)于較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或復(fù)雜的裝配體。因此劃分網(wǎng)格時(shí)可以對(duì)總體網(wǎng)格劃分得粗一些，然后對(duì)重要部位進(jìn)行網(wǎng)格控制，這樣能在相對(duì)較快的時(shí)間內(nèi)得出結(jié)果，如圖4網(wǎng)格圖。

分析結(jié)果參考圖5蝸輪蝸桿應(yīng)力云圖。計(jì)算結(jié)果顯示蝸輪的齒根處應(yīng)力為最大，最大值為171MPa。由于蝸輪的屈服應(yīng)力強(qiáng)度為250MPa，因此強(qiáng)度滿足要求。而蝸桿的齒根處應(yīng)力為最大，最大值為202.8MPa。由于蝸桿的屈服應(yīng)力強(qiáng)度為380MPa，因此強(qiáng)度滿足要求。因此所設(shè)計(jì)的蝸輪蝸桿強(qiáng)度上能滿足使用要求。

圖5 蝸輪蝸桿應(yīng)力云圖

5 新型中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的應(yīng)用

該設(shè)計(jì)的中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)集成了滾珠花鍵套，顯著縮小了設(shè)備體積及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由于其集成了滾珠花鍵，因此只需要與其它機(jī)構(gòu)適配就可以適用于機(jī)械手設(shè)備來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)分度功能和直線移動(dòng)功能。特別是在滾珠花鍵軸采用中空結(jié)構(gòu)的情況下還可以適配真空吸盤實(shí)現(xiàn)貨物的抓取[4]。同時(shí)該中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)也可以作為分度轉(zhuǎn)盤使用來(lái)代替普通中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。而且在配合了伺服電機(jī)使用的情況下可以實(shí)現(xiàn)大范圍的變速功能，因此其適配性非常強(qiáng)，可以進(jìn)行推廣使用。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)新型中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)及滾珠花鍵進(jìn)行了介紹和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此型中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)在傳統(tǒng)中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上結(jié)合了滾珠花鍵能同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)。有著較高的定位精度，且結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，承載大。由于將滾珠花鍵集成在了中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中，減輕了蝸輪的重量，降低了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，大大縮小了設(shè)備體積，具有較強(qiáng)的適配性。