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機器人支撐座結構性能知多少?

2018-11-7 11:15| 發布者: 西獨歐陽風| 查看: 307| 評論: 0|來自: 國際工業自動化網

摘要: 近年來,隨著工業機器人的廣泛應用,工業機器人及其配套產品的結構設計也日趨精細成熟。而工業機器人底座結構形式在結構強度方面的區別也顯得尤為重要,為機器人底座的批量性生產提供了結構選型方面的參考。

近年來,隨著工業機器人的廣泛應用,工業機器人及其配套產品的結構設計也日趨精細成熟。而工業機器人底座結構形式在結構強度方面的區別也顯得尤為重要,為機器人底座的批量性生產提供了結構選型方面的參考。

機器人支撐座的功能與結構形式

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,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構(圖1)、方管形結構(圖2)和箱式結構(圖3)、臺架式結構(圖4)。這里主要討論前兩種結構。

機器人支撐座結構性能知多少?

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,對應的直徑和邊長存在特定的關系。如圖5、圖6所示:設圓管的外徑為D,內徑為d;方管外邊長為A,內邊長為a,兩者壁厚均為δ。兩者橫截面面積分別為Sc、Ss。

機器人支撐座結構性能知多少?

若Sc=Ss,則有:

機器人支撐座結構性能知多少?

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

機器人支撐座結構性能知多少?

機器人支撐座結構性能知多少?

藍、紅、黑色曲線分別對應式(6~8)右側的系數,橫坐標代表自變量的序號,比如n=2對應曲線圖中的橫坐標值為“1”,縱坐標為相應的系數值。結合式(6~8),可知對于特定的A值,系數越大,對應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,

機器人支撐座結構性能知多少?

3 機器人支撐座工況受力分析

機器人處于準工作狀態時,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,支撐座的結構越不容易受到破壞。

對于6R型機器人,由于轉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來校核方管形支撐座的強度是否滿足要求。

最危險點正應力為:機器人支撐座結構性能知多少?

上式結果乘以安全系數后,要小于等于材料的許用應力。

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生了變化,但各個最危險點正應力大小都一樣,即:

上式結果乘以安全系數后,同樣要小于等于材料的許用應力,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力小,結構更安全,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,可選用方形結構。對于二軸懸臂直線導軌機器人,選用方形支撐座更經濟,更安全,如圖9所示:

機器人支撐座結構性能知多少?

影響支撐座結構的其他因素

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。在實際設計支撐座結構時,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,是否有水泥基礎和埋地螺栓等,都會影響支撐座的結構尺寸和結構形式。此外,產造型、產品通用性、產品的生產批量、加工工藝,機器人系統的剛度需求,物料輸送需求,生產運營消耗材料庫存因素等也會影響支撐座的具體結構。

總結

本文以等同材質、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,以結構強度為主影響因素,忽略其它影響因素的前提下,采用圓管形結構比采用方管形結構更經濟、更安全。

參考文獻

[1]封恒林.《材料力學》(M),北京:機械工業出版社,1994.4。

[2]聞邦椿,《機械設計手冊》(M),北京:機械工業出版社,第一卷,1-110。

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