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超大行程机器人运动平台的设计

超大行程机器人运动平台的设计 2011年12月12日 来源： 几十米行程的切割机、钻孔机及铣削加工设备在很多工业领域都有着非常广泛的应用。某些应用要求做成可移动的20m×10m的大平台，而在其他应用中则要用到10m行程的数控钻或数控铣。在精密测量、质量检测和无损探伤等应用中有时要在10m×4m×3m的3D空间内任意运动。在这些超大行程的应用中采用传统的机床式结构是很难实现的，而且成本很高。若采用直角坐标机器人则能轻易满足上述需求。本文以一台总长24m的数控切割机器人为例来介绍如何实现运动平台的超大行程。结构形式这里通常采用两根PAS44BB运动轴，将其并排摆放，隔一两米远（可按用户要求变换间隔长度）加一个连接铝材，形成如图1所示的结构方式。机器人运动平台装在一个金属支架平台上，两根24m长的PAS44BB运动轴也全部放置在支架平台上，这样任何部位都不会有下降弯曲。由于平台负载约700kg，所以每个PAS44BB运动轴上都带有3个滑块，共计6个滑块来保证平台的带负载能力和运行平稳性。

图1 将两根PAS44BB运动轴并排连接，隔一两米远加一个连接铝材

负载能力若每根PAS44BB运动轴采用3个滑块进行刚性连接，则其负载能力可以提高5倍以上。因此，单根PAS44BB在配备3个滑块后，其负载能力能够达到500kg以上；采用两根PAS44BB并排摆放时，其负载能力可达1000kg。每个PAS44BB运动轴内都装有THK SHS 25导轨和两个滑块。单根THK SHS 25导轨和单个滑块的最大理论载荷为：C=36.8kN, C0=64.7kN。在机床参数中通常用这一数据除以10，则动载荷为：C=3.68kN，约为368kg。一根PAS44BB配备两个滑块，但由于设备的最高速度为5m/s，加速度为4m/s2，因此为保证安全,机器人上的负载一般为100kg（机床上为500~1000kg）。每根运动轴带3个滑块，实际对应6个THK滑块，所以其负载能力至少可以达到800~1000kg。当把两根运动轴PAS44BB并排连接使用时，其负载能力增加2倍，所以，这里采用的双轴双滑块结构的负载能力可增加到2t。驱动和级联在此运动平台上采用了齿轮齿条的传动方式，选用国内数控切割机床所使用的产品，其承受的最大推力和精度等级均被国内数控切割机企业和用户所认可。图2所示就是一个利用齿轮齿条传动的案例。由于单根PAS44BB运动轴的最大长度为6m，在这里要把6根PAS44BB运动轴连起来形成总长24m的运动单元，这样两根24m的直线运动单元如图1所示并排连接起来。

图2 运动平台通常采用齿轮齿条的传动方式

若采用单根长度为4m的直线导轨，就要保证在两根PAS44BB运动轴接头处有一个完整的直线导轨，以保证其通过接头处的平稳运行。图3所示铝型材有标准的连接方式，图中两处带红色字母A的位置是直线导轨连接处，这是必须连接的；而两处带有红色字母B的位置和带红色字母C的位置都是可选的，在B处或C处加入约500mm长的标准连接件，外面用精密螺丝杆拧紧。这样的连接方式保证了24m长的直线运动单元的直线度和平面度。百格拉利用这种连接方式为很多用户提供了超长机器人，如其为瑞典某公司提供的4台18m有效行程的数控火焰切割机。

图3 运动单元的截面图

在这里影响定位精度的主要因素是齿轮齿条和传动齿的精度及其装配精度。对于宽度大的运动平台要在两侧分别加装齿轮齿条，以实现平台两侧的同时驱动，保证运动的平稳性。

图4 关节式机器人悬挂在大行程运动轴上

总体系统结构将24m长的运动平台如图4所示安装在一个高梁上，使关节机器人悬挂工作，也可将其安装在地面梁上，使之可以在24m平台上快速移动。此运动平台的运动范围为0~23m，加上关节机器人自身的工作半径，可令其在约25m×2m的范围内对大型件和超长件进行打磨、抛光、划线、钻孔、铣削、焊接和切割等任务。采用类似的方法也可做成100m 行程的运动平台，但随着长度的增加，其安装调试的难度也将相应加大。

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