桁架式機(jī)械手伺服電機(jī)選型

蒲 軍

（陜西法士特汽車傳動集團(tuán)公司，寶雞 722409）

0 引言

桁架式機(jī)械手也叫龍門式機(jī)器人，屬于直角坐標(biāo)機(jī)器人的一種。針對機(jī)械加工行業(yè)所設(shè)計(jì)的桁架式機(jī)械手與數(shù)控機(jī)床相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)在該設(shè)備或多設(shè)備之間的工件自動抓取、上料、下料、工件轉(zhuǎn)序加工。本文所述的桁架機(jī)械手由一個(gè)水平軸X和其上安裝的兩個(gè)垂直Z1、Z2軸構(gòu)成，用于重型卡車變速器Ⅱ軸剃齒工序。

動作順序：Z1、Z2軸上升回到“Home”位置→X軸移動使Z1軸到達(dá)上料位上方→Z1軸下降抓取工件然后上升→Z2移動到剃齒機(jī)1上方→Z2軸下降抓取工件然后上升→Z1移動到剃齒機(jī)1上方→Z1軸下降放下工件然后上升→Z1移動到剃齒機(jī)2上方→Z1軸下降抓取工件然后上升→Z2軸移動到剃齒機(jī)2上方→Z2軸下降放下工件然后上升→Z2移動到剃齒機(jī)3上方→Z2軸下降抓取工件然后上升→Z1移動到剃齒機(jī)3上方→Z1軸下降放下工件然后上升→Z2移動到下料位上方→Z2軸下降放下工件然后上升→Z1軸再次移動到上料位上方，上下料及轉(zhuǎn)序完成，等待下一次循環(huán)。

為了滿足該桁架機(jī)械手高速度，高精度的運(yùn)動的要求，驅(qū)動裝置選用交流伺服電機(jī)。如果在電機(jī)選型過程中，盲目選擇大規(guī)格的電機(jī)，不僅會增加成本，也會使設(shè)備體積過大而造成結(jié)構(gòu)不緊湊等問題。因此，選擇電機(jī)時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面要求，以充分發(fā)揮伺服電機(jī)的工作性能。下面以該桁架伺服驅(qū)動電機(jī)的選取為例介紹伺服電機(jī)的選型方法。

圖1 橋架式機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

已知：X軸運(yùn)動部分重量Mx=300kg，齒輪齒條傳動，要求最大速度Vxmax=2m/s，加減速時(shí)間tx加減=0.4s。

Z1、Z2軸運(yùn)動部分重量均為Mz=90kg，齒輪齒條傳動 ，要求最大速度Vzmax=2m/s，加減速時(shí)間tz加減=0.4s。

1 伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速及減速比選取

伺服電機(jī)通過減速機(jī)提高輸出軸的扭矩滿足桁架機(jī)械手重載運(yùn)行的要求，同時(shí)降低輸出軸轉(zhuǎn)速使電機(jī)能夠工作在額定轉(zhuǎn)速附近，充分發(fā)揮電機(jī)的性能。該桁架要求高運(yùn)行速度、高響應(yīng)速度，所以選擇低慣量型伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速n=3000r/min。下面來計(jì)算X、Y軸的減速機(jī)減速比：

X軸驅(qū)動齒輪：模數(shù)mx=2.5，齒數(shù)zx=42，分度圓直徑dx=mx.zx=0.105m。

X軸驅(qū)動齒輪設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速：

X軸減速比：n/nx=3000÷364=8.24，所以減速比選取：ix=8。

Z軸驅(qū)動齒輪：模數(shù)mz=2.5，齒數(shù)zz=30，分度圓直徑dz=mz.zz=0.075m。

Z軸驅(qū)動齒輪設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速：

Z軸減速比：n/nz=3000/510=5.88，所以減速比選取：iz=5。

2 伺服電機(jī)扭矩和功率選取

該桁架機(jī)械手X軸采用雙直線導(dǎo)軌，四滑塊結(jié)構(gòu)。綜合考慮安裝狀態(tài)和滑塊刮油板產(chǎn)生的運(yùn)動阻力，確定摩擦系數(shù)μx=0.1。

X軸勻速時(shí)驅(qū)動力：

齒輪齒條傳動效率：η齒=95% ，減速機(jī)傳動效率：η減=97%。

X軸勻速時(shí)電機(jī)扭矩：X軸線性加速，速度從靜止加速到2m/s需要0.4s，

所以X軸加速度：

X軸加速時(shí)驅(qū)動力：

X軸加速時(shí)電機(jī)扭矩：

X軸線性減速，速度從2m/s減速到靜止需要0.4s，所以X軸減速度：

X軸減速時(shí)制動力：

X軸減速時(shí)電機(jī)扭矩：

設(shè)備連續(xù)運(yùn)行時(shí)所需要的扭矩，一定要小于電機(jī)的額定扭矩。電機(jī)的最大扭矩表示的是電機(jī)的瞬時(shí)過載能力，主要是在設(shè)備加減速時(shí)瞬時(shí)達(dá)到，不能長時(shí)間輸出。為滿足X軸加速時(shí)電機(jī)扭矩Tx加=12.78N的要求，從伺服電機(jī)樣本中查得，X軸應(yīng)選額定功率為3kW的伺服電機(jī)，其額定扭矩9.55N/m，瞬時(shí)最大扭矩28.65N/m，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，滿足要求并留有余量。

Z軸為垂直軸，V型滾輪導(dǎo)向，齒輪齒條傳動。V型滾輪系統(tǒng)的摩擦系數(shù)μv=0.02，預(yù)緊力150N，V型滾輪摩擦力Fz摩=150×0.02=3N，遠(yuǎn)小于Z軸的重力。電機(jī)主要克服重力使Z軸上下運(yùn)動，為簡化計(jì)算將摩擦力忽略不計(jì)，設(shè)重力方向?yàn)檎较颉?/p>

Z軸勻速或靜止時(shí)電機(jī)驅(qū)動力：

Z軸勻速或靜止時(shí)電機(jī)扭矩：

因?yàn)榧铀俣鹊姆较蚺c作用在物體上的合力方向一致，所以在Z軸下降加速度與上升減速度時(shí)合力方向相同，az下加=az上減=5m/s2。同理，下降減速度與上升加速度az下減=az上加=-5m/s2。

Z軸下降加速時(shí)電機(jī)驅(qū)動力：

Z軸下降加速時(shí)電機(jī)扭矩：

Z軸下降減速時(shí)電機(jī)驅(qū)動力：

Z軸下降減速時(shí)電機(jī)扭矩：

Z軸上升加速時(shí)電機(jī)驅(qū)動力：

Z軸上升加速時(shí)電機(jī)扭矩：

Z軸上升減速時(shí)電機(jī)驅(qū)動力：

Z軸上升減速時(shí)電機(jī)扭矩：

為滿足Z軸下降減速和上升加速時(shí)電機(jī)扭矩TZ下減=TZ上加=-10.84N的要求，同樣需要選擇額定功率3kW的伺服電機(jī)，而且為了防止斷電后Z軸在重力作用下下落，伺服電機(jī)還需要帶有機(jī)械剎車裝置。

3 負(fù)載慣量與電機(jī)慣量匹配

在伺服系統(tǒng)選型時(shí)，需要計(jì)算得知機(jī)械系統(tǒng)換算到電機(jī)軸的慣量，再根據(jù)機(jī)械的實(shí)際動作要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機(jī)。在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇正確慣量比是充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前提。像該桁架這樣高速，高響應(yīng)的系統(tǒng)一般要求負(fù)載慣量與電機(jī)慣量的比值在3～20之間。該系統(tǒng)慣量比計(jì)算過程如下：

X軸為齒輪齒條傳動，折算到驅(qū)動齒輪上的轉(zhuǎn)動慣量：

4 結(jié)論

在明確桁架結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)的前提下，首先確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，高速桁架應(yīng)該選擇低慣量高轉(zhuǎn)速的電機(jī)，而低速重載的桁架則可以選擇中高慣量的電機(jī)。根據(jù)桁架最大速度計(jì)算出伺服電機(jī)減速機(jī)的減速比，然后依據(jù)負(fù)載情況計(jì)算出電機(jī)應(yīng)具有的額定扭矩，最后校核負(fù)載慣量與電機(jī)慣量的匹配。根據(jù)上述方法所選伺服電機(jī)在桁架上運(yùn)行良好，并實(shí)現(xiàn)了所要求的運(yùn)動特性與定位精度。