近年來,隨著工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用,工業(yè)機器人及其配套產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計也日趨精細成熟。而工業(yè)機器人底座結(jié)構(gòu)形式在結(jié)構(gòu)強度方面的區(qū)別也顯得尤為重要,為機器人底座的批量性生產(chǎn)提供了結(jié)構(gòu)選型方面的參考。
機器人支撐座的功能與結(jié)構(gòu)形式
機器人支撐座的主要功能是支撐與固定機器人,上端與機器人本體基座相連結(jié),下端固定到地面或機架上,使機器人的工作空間與被搬運、加工的工件之間具有合適的相對位置,為機器人安全工作提供保障。
常見的機器人支撐座有圓管形結(jié)構(gòu)(圖1)、方管形結(jié)構(gòu)(圖2)和箱式結(jié)構(gòu)(圖3)、臺架式結(jié)構(gòu)(圖4)。這里主要討論前兩種結(jié)構(gòu)。
圓形管和方管形的強度比較
1 、圓管形直徑與方管形邊長的關(guān)系
當圓管形和方管形支撐座的高度相同,壁厚相等,材料用量相同時,對應(yīng)的直徑和邊長存在特定的關(guān)系。如圖5、圖6所示:設(shè)圓管的外徑為D,內(nèi)徑為d;方管外邊長為A,內(nèi)邊長為a,兩者壁厚均為δ。兩者橫截面面積分別為Sc、Ss。
若Sc=Ss,則有:
上式表明,圖5與圖6的截面面積相等且邊長A不變時,n值越大,壁厚就越薄,直徑與邊長的差值也越大;反之,壁厚越大,直徑越接近邊長。
圖5與圖6的截面面積相等且邊長A不變時,n值越大,壁厚就越薄,直徑與邊長的差值也越大;反之,壁厚越大,直徑越接近邊長。
2 、圓管形支撐與方管形支撐的抗彎截面模量比較
藍、紅、黑色曲線分別對應(yīng)式(6~8)右側(cè)的系數(shù),橫坐標代表自變量的序號,比如n=2對應(yīng)曲線圖中的橫坐標值為“1”,縱坐標為相應(yīng)的系數(shù)值。結(jié)合式(6~8),可知對于特定的A值,系數(shù)越大,對應(yīng)情況的抗彎截面模量也越大,如圖(7)所示,當n值相同(即壁厚相等)時,
3 機器人支撐座工況受力分析
機器人處于準工作狀態(tài)時,機器人在自重作用下,通常會對支撐座施加壓力和力矩,支撐座的抗彎截面模量越大,支撐座承受這個力矩的能力越強,支撐座的結(jié)構(gòu)越不容易受到破壞。
對于6R型機器人,由于轉(zhuǎn)座的工作空間范圍較大,通常要超過±90°,隨著1軸角位置的變化,機器人對支撐座施加力矩的方位也發(fā)生變化,支撐座筒體荷載截面的中性軸也隨之繞筒體軸線轉(zhuǎn)動。對于方管形支撐座,當中性軸通過方形對角線時,方管截面的抗彎截面模量最小,方管的抗彎性能最差,要以此位置的抗彎截面模量做為依據(jù)來校核方管形支撐座的強度是否滿足要求。
最危險點正應(yīng)力為:
上式結(jié)果乘以安全系數(shù)后,要小于等于材料的許用應(yīng)力。
對于圓管形支撐座,盡管其荷載截面的中性軸也隨所受力矩的方位變化,繞筒體軸線轉(zhuǎn)動,但荷載截面的抗彎截面模量都相同,因而,只是最危險點的位置發(fā)生了變化,但各個最危險點正應(yīng)力大小都一樣,即:
上式結(jié)果乘以安全系數(shù)后,同樣要小于等于材料的許用應(yīng)力,才能滿足使用要求。
由此可知,在此種工況下,截面面積相同(即:材質(zhì)及材料用量相同,高度相同),壁厚相同的圓管形支撐座比方管形支撐座最危險點的正應(yīng)力小,結(jié)構(gòu)更安全,更容易滿足使用要求。
當6R型機器人底座需要在某個特定方向承受較大彎矩時,可選用方形結(jié)構(gòu)。對于二軸懸臂直線導(dǎo)軌機器人,選用方形支撐座更經(jīng)濟,更安全,如圖9所示:
影響支撐座結(jié)構(gòu)的其他因素
本文為了比較兩種支撐座的抗彎性能,主要考慮了支撐座受到的力矩作用。在實際設(shè)計支撐座結(jié)構(gòu)時,還要考慮機器人本體對支撐座施加的壓力,機器人工作時的負載力和慣性力。支撐座與地面的連接方式,地面的硬度,是否有水泥基礎(chǔ)和埋地螺栓等,都會影響支撐座的結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)形式。此外,產(chǎn)造型、產(chǎn)品通用性、產(chǎn)品的生產(chǎn)批量、加工工藝,機器人系統(tǒng)的剛度需求,物料輸送需求,生產(chǎn)運營消耗材料庫存因素等也會影響支撐座的具體結(jié)構(gòu)。
總結(jié)
本文以等同材質(zhì)、等高度、等橫截面面積的圓管形支撐座和方管形支撐座為研究對象,對比了圓環(huán)形橫截面與方“回”形橫截面抗彎截面模量的大小,指出了機器人支撐座在各向力矩相同的工況下,以結(jié)構(gòu)強度為主影響因素,忽略其它影響因素的前提下,采用圓管形結(jié)構(gòu)比采用方管形結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟、更安全。
參考文獻
[1]封恒林.《材料力學(xué)》(M),北京:機械工業(yè)出版社,1994.4。
[2]聞邦椿,《機械設(shè)計手冊》(M),北京:機械工業(yè)出版社,第一卷,1-110。
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