龙门式机器人的研制

1　引言

　　在现代汽车制造业中，实现汽车零件从毛坯到成品包装生产全过程完全自动化，是当今国际汽车制造业的发展趋势，在发达国家有许多成功先例。近年来我厂在为神龙汽车有限公司襄樊工厂提供的轿车缸体、缸盖加工自动线上成功地应用了13台龙门式机器人作为自动上下料、转位、翻转运输装置，实现了制造过程的完全自动化。龙门式机器人改变了传统的物流方式，有效地改善了作业环境，可靠地保证了产品质量，极大地提高了劳动生产率，将工人从繁重的体力劳动中解放出来，使汽车制造技术达到一个崭新的水平。
　　我厂研制的龙门式机器人在国内汽车制造业中应用尚属首家。该项目是机械工业部“九五国家重点科技攻关项目”，经过两年来的使用，证明该技术处于国内领先水平。

2　龙门式机器人的工作原理

　　龙门式机器人外观如图1所示：

图1　机器人外观图

2.1　主要技术参数
　　额定负荷：250kg，其中搬运零件重量40kg
　　X轴最大工作行程：2500mm
　　X轴最大速度：36m/min
　　X轴最大加速度：0.6m/s2
　　X轴定位精度：±0.25mm
　　Z轴最大工作行程：500mm
　　Z轴最大速度：24m/min
　　Z轴最大加速度：0.4m/s2
　　Z轴定位精度：±0．25mm
　　A轴回转角度：0°～180°
　　A轴回转角速度：45°／s
　　C轴回转角度：0°～270°
　　C轴回转角速度：120°／s
2.2　X、Z轴直线驱动系统
　　X、Z轴的直线运动皆为电机通过减速器驱动齿轮与X轴横梁、Z轴滑柱上固定的齿条作滚动，驱动移动部件沿淬硬镶钢导轨运动。机器人工作性能中位置精度和运动精度是两个重要指标，前者决定机器人能否符合精度要求进行工作，后者直接关系到机器人能否适应生产节拍的要求。为了满足这二项要求，应解决好机器人平稳工作这一基本要求。影响工作平稳性的因素，除了结构刚性和抗震性等因素外，主要是运动部件的加速度和质量两个方面，运动部件的质量越大、加速度越高，将会导致振动和冲击越强烈。为此我们采用进口电机减速器，保证传递运动关系及减轻重量，电机轴与齿轮的联接是通过内外涨套的弹性变形而传递扭矩的。X轴与Z 轴的移动部件上各有四对滚轮组。为减轻重量，滚轮支架材料选择铝材。滚轮与导轨之间的预紧及间隙是通过调整滚轮的偏心轴来实现的，这些措施有效地减轻了运动部件的重量，消除运动传动链的间隙，减轻冲击能量，保证了定位精度和运动精度。
2.3　A、C轴旋转系统
　　A轴绕Z轴旋转，A轴旋转范围为0°～180°，由油缸驱动齿条、齿轮实现。
　　C轴绕X轴旋转，C轴旋转范围为0°～270°，由油缸活塞杆的伸缩运动带动大齿形带轮转动，通过齿形带带动小齿形带轮回转，从而实现水平轴的旋转运动(见图2)。之所以采用270°的旋转角度，是为了能彻底地倒掉积屑，保证滚道上的清洁。

图2　C轴传动示意图

2.4　夹持器
　　用作搬运工件的夹持器，由两个油缸分别驱动，左、右夹板将零件夹紧。左、右夹板行程各为50mm，采用滚动导轨运行。以缸体零件为例，夹持器以

40 孔定位，左、右夹板上各装有3～5个限位块，保证有足够的强度和刚度，并防止零件在翻转过程中的转动。夹紧行程到位后，各限位块距零件被限位处各有 0.2～1mm的间隙，用于限位而非夹紧。设计过程中确定夹持零件的重心位置是一项十分重要的设计内容。重心若不能被确定，将造成旋转过程中的冲击、齿形带断裂。夹持零件的重心位置是利用CAD进行确定的。
2.5　Z轴的平衡装置
　　Z轴除了要保证其移动的直线精度和位置精度外，还要保证在有载荷与无载荷的情况下坐标位置不发生漂移，保证有载荷时具有自锁能力，因此平衡装置是十分必要的。机器人在工作时气路系统压力为0.4～0．5MPa，当Z轴向下运动时，由于气缸起到了平衡作用，保证了Z轴运动的平稳性及可靠的定位精度、运动精度。除此之外，在保证 Z轴系统各组成部分具有足够的刚性前提下，尽量减轻其重量也是十分必要的措施。
2.6　电气系统
　　从经济与实用两方面考虑，采用普通电机加减速器和脉冲编码器。法国TE公司的TS X 47系列PLC为控制主机，AXM182轴控制模块及变频电机构成半闭环系统，用来满足X轴、Z轴的定位精度。

3　关键制造技术

3.1　横梁的制造
　　横梁是机器人最重要也是最难加工的零件。制造成功与否直接关系着龙门式机器人的研制成败。横梁简图如图3。

图3　横梁简图

　　横梁由方管与贴板焊后加工而成。方管材料10钢，规格300mm×200mm×10mm。贴板材料45钢。在贴板加工结合面上安装有镶钢导轨与齿条，通过滚轮与导轨接触，整个机器人都悬挂其上。为了保证实现±0.25mm的定位精度，高达36m/min的运行速度及0.6m/s2的加速度，对横梁自身的静态精度，动态精度，都提出了十分苛刻的要求。装配要求导轨、齿条安装在横梁后，直线性、平行性不大于0.06mm/3500mm，制造要求横梁贴板焊接加工后直线度、平行度必须保证不大于0.10mm/3500mm。只有达到这样的精度，才能使滚轮与导轨保持良好的接触刚度，齿轮与齿条良好的啮合，满足使用要求。
　　从制造的角度分析，横梁精度高，刚性差，易变形。主要工序：焊、热处理时效、磨削都存在变形趋势，必须严格控制。一旦产生较大的变形，空心方管校直非常困难，易产生废品。制造过程中采取了以下措施：
　　焊接工序采用二氧化碳气体保护焊。焊机厂家ESA，型号LAR500，焊丝材料HO8MnSi2A，焊丝直径

1． 2mm。利用二氧化碳气体保护焊，使焊接件上无飞溅焊渣附着，免去除渣工作，焊接件表面美观，焊接质量好。焊接时电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，焊接热影响区小，裂纹倾向小，尤其是产生的变形小。实际操作中为了进一步控制变形倾向，由二名焊工同时相向进行焊接，焊后检查横梁全长扭曲仅3～4mm，焊接效果十分理想。
　　热处理时效工序采用6m深井式炉，为了控制横梁的变形必须进行时效处理，消除由于焊接引起的应力及变形。不能采用箱式炉。由于箱式炉时效过程中横卧于炉底，炉底的不平会使横梁产生下凹现象，出炉无法校直，造成废品。时效工序要求把横梁竖着吊入温度不超过250℃的井式炉中，加热速度40℃/小时，加热至580℃～620℃下保温4小时后，在炉中以50℃/小时的速度冷却到250℃出炉，放平。时效后检查横梁全长扭曲2～3mm，证明时效后应力变形得到消除，作用明显。
　　磨削是横梁加工的最后一道工序，要达到直线度、平行度的要求。为了提高磨削效率，工序要求磨削前的刨削工序必须对直线度、平行度控制在0.25mm/3500mm，单边磨量留0.30mm以内。磨床厂家WALDRICH COBURG，型号30-15S4030。切削参数：砂轮直径?600mm，砂轮材料：刚玉大孔隙砂轮，冷却液：水质冷却液，v=35m/s,S= 35m/min,T粗＝0．02mm/双行程，T精＝0．002mm/双行程。横梁磨削不能采用多点夹压的装夹方法，因为此方法使磨削过程中产生的热使横梁产生变形，磨成后的横梁成波浪状，直线度、平行度不能达到要求。前后、中间支承装夹是可行的。可是如何解决磨削热使横梁产生变形仍是一大难题。磨削中砂轮接触横梁磨削面不进刀，往复运行二次，所产生的热变形经测量竟上凸0.20mm之多，令磨削无法进行下去。磨削进给一、二次后，热变形使磨削中止，待横梁冷却才能继续磨削，这样一根横梁需20小时才能完成。采用在被磨削面上刨出0.35mm深、40mm宽槽是减少磨削热变形行之有效的办法。槽中的积水可以带走大量的磨削热，改善了磨削条件，一根横梁仅需4小时便可以磨成，提高了效率，磨后检查横梁直线性、平行性在0.04mm/3500mm以内，完全达到要求。
3.2　螺钉松动的解决办法
　　机器人在高速运动中，常伴有螺钉松动的现象，影响其精度的保持，甚至影响正常工作，我们在每一个螺钉上涂乐泰242胶，起到了良好的效果，成功地解决了螺钉松动的问题。

4　结束语

　　龙门式机器人下一步将向系列化发展，三维6m以上横梁机器人的研制将是一个新的课题。