新型中空旋轉平臺的工業(yè)機械手上的應用

李 猛

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

工業(yè)機械手是一種面向工業(yè)領域的多自由度的、多關節(jié)的、能自動化作業(yè)、靠機器手自身動力和控制技術來完成各種功能或動作的一種機器設備[1]。而中空旋轉平臺又普遍在機械手中得到應用。

中空旋轉平臺又稱為旋轉工作臺，普遍應用于數(shù)控分度裝置、機械手關節(jié)、機床第四加工軸及自動化生產(chǎn)線等旋轉運動場合。中空旋轉平臺具有中空轉盤結構、高剛性、高旋轉精度及低成本等優(yōu)點。且其重復定位精度介于凸輪分割器和DD馬達之間，很多場合可以完美替代DD馬達[2]。但某些場合中機械手在中空旋轉平臺處不僅要實現(xiàn)分度動作，還需要實現(xiàn)直線動作，但目前的大部分中空旋轉平臺并不支持直線動作，僅能做分度動作。因此本文設計了一種新型中空旋轉平臺來實現(xiàn)該功能需求，該產(chǎn)品同時能滿足分度動作和直線動作。

1 新型中空旋轉平臺設計介紹

新型中空旋轉平臺需要在普通中空旋轉平臺上添加滾珠花鍵機構，如果采用同軸輸入或旁軸輸入式中空旋轉平臺時將難以實現(xiàn)分度動作和直線動作，而直角輸入式中空旋轉平臺則可以滿足要求。由于直角輸入式中空旋轉平臺的電機輸入軸與轉盤軸垂直，因此需要采用蝸輪蝸桿傳動形式的減速機構。蝸輪蝸桿由伺服電機驅動，其結構參考圖1。圖中伺服電機通過彈性聯(lián)軸器來連接蝸桿軸，由蝸桿傳動蝸輪，采用一級減速方式，而蝸輪則是固定在交叉滾子軸承上，而轉盤固定在蝸輪上，轉盤實際上就是由滾珠花鍵的花鍵套來替代的，該方案將滾珠花鍵的花鍵套集成在了中空旋轉平臺上，大幅度減小了體積。

2 新型平臺的蝸輪蝸桿尺寸設計

由于蝸輪蝸桿機構是該中空旋轉平臺的核心機構，因此需要對其進行詳細設計。本文以某型中空旋轉平臺為樣本進行分析。選擇其傳動比i=62，蝸桿頭數(shù)取Z1=1。伺服電機功率為P=100W，在結合了伺服電機的情況下可以實現(xiàn)大范圍的調速。

蝸輪轉矩T2按如下公式計算[3]：

式1中T2為蝸輪轉矩；P為電機功率；n2為蝸輪轉速；η為蝸輪蝸桿傳動效率，按蝸桿頭數(shù)為1時的標準取η=0.75。

則：

許用接接觸應力按如下公式計算[3]：

蝸輪蝸桿模數(shù)按如下公式計算[3]：

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

蝸輪齒面接觸強度按如下公式校核[3]：

則有：

因此蝸輪齒面接觸強度合格。

查機械設計手冊取m=1mm，d1=18mm，m2d1=18mm3，接近以上計算值。

查機械設計手冊按i=62，m=1mm，d1=18mm來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

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

式5中σF為彎曲應力；K為載荷系數(shù)；T2為蝸輪轉矩；γ為蝸桿導程角；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度滿足要求。

統(tǒng)計以上計算結果如下：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)以上計算結果來計算蝸輪蝸桿的詳細幾何尺寸數(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 新型中空旋轉平臺內部結構設計

上文介紹了蝸輪蝸桿的詳細設計，在確定了蝸輪蝸桿的幾何尺寸后需要匹配相應的軸承及執(zhí)行機構。采用交叉滾子軸承來代替?zhèn)鹘y(tǒng)軸承，另外采用了滾珠花鍵來作為執(zhí)行機構。其中交叉滾子軸承用來支撐蝸輪。

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)就就可承受各個方向的扭矩和載荷，從而大大減小了結構尺寸，采用的交叉滾子軸承型號選用XRU2012。下圖2中空旋轉平臺內部結構。圖中滾珠花鍵套是套在蝸輪內并通過螺釘固定。交叉滾子軸承外圈通過螺栓固定在中空旋轉平臺的箱體底部面上，而蝸輪則是通過螺釘固定到交叉滾子軸承的內圈上。滾珠花鍵由滾珠花鍵軸和滾珠花鍵套構成，是一種類似直線軸承的可導向的精密結構，并可以用來傳遞扭矩。其結構緊湊，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)意義的滑動軸套而言有較低的摩擦系數(shù)和高精度，被廣泛應用于精密數(shù)控機床和數(shù)控設備上。本文中滾珠花鍵套實際上就是轉盤，在實現(xiàn)分度功能的同時可以實現(xiàn)花鍵軸的升降功能。

圖1 直角輸入式中空旋轉平臺結構

圖2 中空旋轉平臺內部結構

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。其中蝸桿用來傳動蝸輪，蝸桿通過彈性聯(lián)軸器與電機連接。軸承由隔套、擋性擋圈和聯(lián)軸器等定位。考慮到蝸輪蝸桿的安裝方便，蝸桿座從中空旋轉平臺的箱體上分離出來，用來安裝蝸桿裝配。蝸桿座通過螺釘固定到箱體上。考慮到蝸桿的可安裝性，故將蝸桿分離成蝸桿套與蝸桿軸，通過鍵和定位隔套來定位。

圖3 蝸桿裝配結構

圖4 蝸輪蝸桿網(wǎng)格圖

4 蝸輪蝸桿有限元分析

前文對蝸輪蝸桿的齒面接觸強度和齒根彎曲強度進行了計算。另外將會使用有限元法對蝸輪蝸桿進行受力分析。有限元法是將分析的結構分成有限數(shù)量個的小單元體，單元與單元之間僅在有限個結點上相連，這樣單元集合體可以近似代替結構，當單元越小時，其近似程度就越高。在有限元法中，結構的材料性能都可以在單元中保留，復雜的結構、邊界條件及載荷情況都可很方便的處理，使得其成為目前結構分析的主流方法。

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

對蝸輪內圈進行固定約束，對蝸桿內圈進行水平移動和軸向移動約束，留一個轉動自由度，蝸輪與蝸桿之間零件約束選擇無穿透，然后在蝸桿內圈施加0.32Nm的扭矩。對蝸輪蝸桿裝配進行網(wǎng)格劃分，在蝸輪與蝸桿接觸部位的齒面進行網(wǎng)格控制并形成網(wǎng)格圖。一般網(wǎng)格劃分得越小，計算過程會消耗較長時間，特別是對于較復雜的結構或復雜的裝配體。因此劃分網(wǎng)格時可以對總體網(wǎng)格劃分得粗一些，然后對重要部位進行網(wǎng)格控制，這樣能在相對較快的時間內得出結果，如圖4網(wǎng)格圖。

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

圖5 蝸輪蝸桿應力云圖

5 新型中空旋轉平臺的應用

該設計的中空旋轉平臺集成了滾珠花鍵套，顯著縮小了設備體積及轉動慣量。由于其集成了滾珠花鍵，因此只需要與其它機構適配就可以適用于機械手設備來同時實現(xiàn)分度功能和直線移動功能。特別是在滾珠花鍵軸采用中空結構的情況下還可以適配真空吸盤實現(xiàn)貨物的抓取[4]。同時該中空旋轉平臺也可以作為分度轉盤使用來代替普通中空旋轉平臺。而且在配合了伺服電機使用的情況下可以實現(xiàn)大范圍的變速功能，因此其適配性非常強，可以進行推廣使用。

6 結語

本文主要對新型中空旋轉平臺及滾珠花鍵進行了介紹和結構設計。此型中空旋轉平臺在傳統(tǒng)中空旋轉平臺的基礎上結合了滾珠花鍵能同時實現(xiàn)旋轉和直線運動。有著較高的定位精度，且結構緊湊，體積小，承載大。由于將滾珠花鍵集成在了中空旋轉平臺中，減輕了蝸輪的重量，降低了轉動慣量，大大縮小了設備體積，具有較強的適配性。