轻型高速桁架机器人项目调研
一、项目简介
本项目产品轻型高速桁架机器人，目为申报科技型中小企业技术创新项目，是针对小负载（以3kg为例） 为对象研究开发的，具有轻型、高速、高精度等特点。
本项目推广后，可用于汽车零部件制造及五金、机械、农机、冶金、化工等行业对机床上下料、搬运、码垛、装配等工序。改变传统生产方式，改善作业环境，实现数字化、信息化、少人化直至无人化生产，提高生产效率，保证产品质量。
二、项目要求
1、关键技术：
1) 虚拟样机技术进行动力学运动学分析，最大移动速度达5000mm/s； 2) 有限元技术优化，保证设计材料强度减轻重量；
3) AC伺服控制技术保证重复定位精度±0.03mm，加减速响应时间
25ms以内；
2、创新点：
1) 虚拟样机技术进行动力学运动学分析；
2) 有限元技术优化，保证设计材料强度、减轻重量； 3) AC伺服控制技术保证控制精度、缩短加减速响应时间； 4) 齿轮齿条传动、直线导轨保证重复定位精度高； 5) 弹簧式柔性手爪，可以夹持多种工件并保护工件； 6) 建立程序包，适用不同工件的加工程序； 7) 体积小、重量轻，方便安装、节约安装空间；
8) 提供良好的编程环境及系统控制指令，易于操作维护。
3、验收技术指标：
1) 轻型高速桁架机器人总体重量200kg；
2) 运行速度达到5000mm/s以上，加减速响应时间25ms以内； 3) X轴工作行程2000mm； 4) 重复定位精度达±0.03mm； 5) Z轴负载3.0kg。
三、机械系统方案
1、用可变速电机驱动的机械系统，一般有以下几类。
1) 滚珠丝杠：精度高（如C1级，5um/300mm），摩擦阻力小，被广泛应用
于各种工业设备和精密仪器。但水平传动时跨距大则会由于自重下垂变形极，所以传动长度不可太大，且速度受限（
2) 同步带：承载力较大，传动长度不可太大，否则需会发生弹性变形和振动，
传动距离大尤其不适合精确定位（一般带轮的节距累积偏差会有+\-0.10~0.15mm）、连续性运动控制；
二维高速运动机器人的同步带应用
3) 齿轮齿条：采用精密齿轮齿条（JIS2（DIN6 h25）甚至JIS1，总节距误差
0.036mm/1000mm），若加工安装精度较高，可实现较高速度和精度要求。目前国内主要的桁架机器人均采用该机械结构形式。
X/Z两轴桁架机器人
4) 直线电机：结构简单；定位精度高，直接传动可以消除中间环节所带来的各
种定位误差，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度；反应速度快、灵敏度高，直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力。
直线电机结构
HIWIN线性马达平台结构
线性电机结构形式，精度达±1um级，但其整体的重量较重，不适用于轻型桁架；如下为一种线性马达平台：
考虑到项目创新点中提出了齿轮齿条结构，且国内厂家均采用该结构（见下表1）。因此，该项目拟采用齿轮齿条的机械结构形式。
表1
2、结构型材
为了保证桁架整体重量
X轴横梁以及支柱采用钢材。 四、电气控制系统方案
1) 本项目采用伺服+减速机的驱动方式，考虑到齿轮的转速为1500rpm，加减速需要
扭矩较大，因此尽可能选择大减速比（一般可选3、4、5、7几种）。取减速比4，电机转速为6000rpm。我司前期多采用台达和西门子的伺服电机，而台达系列伺服电机性价比较高，但的额定转速一般为2000-3000rpm，因此本项目拟采用西门子电机。拟采用S120变频调速模块+CU320控制单元+AOP30操作面板。
2、电机、减速机
1) 总负载按F=500N计算。线性滑轨的摩擦系数约为0.004，F（摩擦力）=u摩擦力
系数*w（垂直方向负载）+S（刮油片阻力）；齿轮齿条摩擦系数0.1。取整体摩擦系数为μ=0.12。推力f=Fμ=60N；取安全系数K=Ka（负载系数）*Sb（齿轮齿条安全系数）*Fn（寿命系数）=1.5*1.2*1.05=1.89；则齿轮齿条负载为60*1.89=113.4N，负载取整120N。
2) 匀速运动时：P=Fv=120*5=600N·m/s=0.60kW；齿轮的扭矩
为:T1=F*r=120*32/1000=3.84Nm；折算的电机轴扭矩：T=3.84/4=0.96Nm（减速比取4）。
齿轮转速n=v*1000*60/(PI*d0)=5*1000*60/(3.14*63.67)=1500rpm，减速比取4，电机转速则为6000rpm。
3) 加速运动时：a=v/t = 5/0.25=20 (m/s^2)。齿轮的扭矩为：M=Fu*d0/2000/4
=K*(m*g*u+m*a)*do/2000/4=1.89*（50*10*0.12+50*20）*63.67/2000/4=15.9 (Nm)
4) 选用西门子电机1FT6044-AK71，参数见下表序号4：
5) 电机的惯量：
m=50kg；R=32mm；滑台折算到小齿轮轴上的转动惯量：
J1=mR2⨯10-6=0.051kg⋅m2
小齿轮本身的转动惯量：J2=0.001kg/m2
最终计算电机的转动惯量：J=J减速机+（J1+J2）/4^2=0.16+32.5（10-4kg·m2）=32.66（10^-4kg·m2）。惯量比32.66/6.18=5.3。
按照电机速度转矩曲线知道，当转速为6000rpm时，扭矩为14Nm；
加减速图：
3、反馈系统
为了保证定位精度要求±0.03，本项目拟采用位移传感器将滑台的实际位置进行反馈比较，并进行位置微调。拟采用光栅尺（海德汉)进行位置检测，其高精度大型尺最长可
做到3000mm，精度达um级，见下图表。或者可以采用意大利GEFRAN IK1/IK2非接触式直线位移传感器，行程从50到4000mm，位置辨析率达到： 2μm。
光栅尺（海德汉)
轻型高速桁架机器人项目调研
一、项目简介
本项目产品轻型高速桁架机器人，目为申报科技型中小企业技术创新项目，是针对小负载（以3kg为例） 为对象研究开发的，具有轻型、高速、高精度等特点。
本项目推广后，可用于汽车零部件制造及五金、机械、农机、冶金、化工等行业对机床上下料、搬运、码垛、装配等工序。改变传统生产方式，改善作业环境，实现数字化、信息化、少人化直至无人化生产，提高生产效率，保证产品质量。
二、项目要求
1、关键技术：
1) 虚拟样机技术进行动力学运动学分析，最大移动速度达5000mm/s； 2) 有限元技术优化，保证设计材料强度减轻重量；
3) AC伺服控制技术保证重复定位精度±0.03mm，加减速响应时间
25ms以内；
2、创新点：
1) 虚拟样机技术进行动力学运动学分析；
2) 有限元技术优化，保证设计材料强度、减轻重量； 3) AC伺服控制技术保证控制精度、缩短加减速响应时间； 4) 齿轮齿条传动、直线导轨保证重复定位精度高； 5) 弹簧式柔性手爪，可以夹持多种工件并保护工件； 6) 建立程序包，适用不同工件的加工程序； 7) 体积小、重量轻，方便安装、节约安装空间；
8) 提供良好的编程环境及系统控制指令，易于操作维护。
3、验收技术指标：
1) 轻型高速桁架机器人总体重量200kg；
2) 运行速度达到5000mm/s以上，加减速响应时间25ms以内； 3) X轴工作行程2000mm； 4) 重复定位精度达±0.03mm； 5) Z轴负载3.0kg。
三、机械系统方案
1、用可变速电机驱动的机械系统，一般有以下几类。
1) 滚珠丝杠：精度高（如C1级，5um/300mm），摩擦阻力小，被广泛应用
于各种工业设备和精密仪器。但水平传动时跨距大则会由于自重下垂变形极，所以传动长度不可太大，且速度受限（
2) 同步带：承载力较大，传动长度不可太大，否则需会发生弹性变形和振动，
传动距离大尤其不适合精确定位（一般带轮的节距累积偏差会有+\-0.10~0.15mm）、连续性运动控制；
二维高速运动机器人的同步带应用
3) 齿轮齿条：采用精密齿轮齿条（JIS2（DIN6 h25）甚至JIS1，总节距误差
0.036mm/1000mm），若加工安装精度较高，可实现较高速度和精度要求。目前国内主要的桁架机器人均采用该机械结构形式。
X/Z两轴桁架机器人
4) 直线电机：结构简单；定位精度高，直接传动可以消除中间环节所带来的各
种定位误差，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度；反应速度快、灵敏度高，直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力。
直线电机结构
HIWIN线性马达平台结构
线性电机结构形式，精度达±1um级，但其整体的重量较重，不适用于轻型桁架；如下为一种线性马达平台：
考虑到项目创新点中提出了齿轮齿条结构，且国内厂家均采用该结构（见下表1）。因此，该项目拟采用齿轮齿条的机械结构形式。
表1
2、结构型材
为了保证桁架整体重量
X轴横梁以及支柱采用钢材。 四、电气控制系统方案
1) 本项目采用伺服+减速机的驱动方式，考虑到齿轮的转速为1500rpm，加减速需要
扭矩较大，因此尽可能选择大减速比（一般可选3、4、5、7几种）。取减速比4，电机转速为6000rpm。我司前期多采用台达和西门子的伺服电机，而台达系列伺服电机性价比较高，但的额定转速一般为2000-3000rpm，因此本项目拟采用西门子电机。拟采用S120变频调速模块+CU320控制单元+AOP30操作面板。
2、电机、减速机
1) 总负载按F=500N计算。线性滑轨的摩擦系数约为0.004，F（摩擦力）=u摩擦力
系数*w（垂直方向负载）+S（刮油片阻力）；齿轮齿条摩擦系数0.1。取整体摩擦系数为μ=0.12。推力f=Fμ=60N；取安全系数K=Ka（负载系数）*Sb（齿轮齿条安全系数）*Fn（寿命系数）=1.5*1.2*1.05=1.89；则齿轮齿条负载为60*1.89=113.4N，负载取整120N。
2) 匀速运动时：P=Fv=120*5=600N·m/s=0.60kW；齿轮的扭矩
为:T1=F*r=120*32/1000=3.84Nm；折算的电机轴扭矩：T=3.84/4=0.96Nm（减速比取4）。
齿轮转速n=v*1000*60/(PI*d0)=5*1000*60/(3.14*63.67)=1500rpm，减速比取4，电机转速则为6000rpm。
3) 加速运动时：a=v/t = 5/0.25=20 (m/s^2)。齿轮的扭矩为：M=Fu*d0/2000/4
=K*(m*g*u+m*a)*do/2000/4=1.89*（50*10*0.12+50*20）*63.67/2000/4=15.9 (Nm)
4) 选用西门子电机1FT6044-AK71，参数见下表序号4：
5) 电机的惯量：
m=50kg；R=32mm；滑台折算到小齿轮轴上的转动惯量：
J1=mR2⨯10-6=0.051kg⋅m2
小齿轮本身的转动惯量：J2=0.001kg/m2
最终计算电机的转动惯量：J=J减速机+（J1+J2）/4^2=0.16+32.5（10-4kg·m2）=32.66（10^-4kg·m2）。惯量比32.66/6.18=5.3。
按照电机速度转矩曲线知道，当转速为6000rpm时，扭矩为14Nm；
加减速图：
3、反馈系统
为了保证定位精度要求±0.03，本项目拟采用位移传感器将滑台的实际位置进行反馈比较，并进行位置微调。拟采用光栅尺（海德汉)进行位置检测，其高精度大型尺最长可
做到3000mm，精度达um级，见下图表。或者可以采用意大利GEFRAN IK1/IK2非接触式直线位移传感器，行程从50到4000mm，位置辨析率达到： 2μm。
光栅尺（海德汉)