單軸機(jī)械手臂種類繁多,又稱精密定位滑臺(tái)、精密線性模塊、電動(dòng)滑臺(tái)、引動(dòng)器(Actuator)等,在自動(dòng)化工業(yè)中扮演關(guān)鍵角色。單軸機(jī)械手臂是機(jī)電整合的具體實(shí)踐,也是產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ),是這個(gè)領(lǐng)域的工程師必須熟識(shí)的技術(shù)。機(jī)械手臂產(chǎn)品的種類雖然很多,但是基本構(gòu)造卻大同小異,本文將從使用者的角度就基本構(gòu)造、使用壽命、承載負(fù)荷等方面提供選用要領(lǐng),期使第一線的工程師對(duì)本類產(chǎn)品的應(yīng)用能更順手。
關(guān)鍵詞:單軸機(jī)械手臂、基本構(gòu)造、使用壽命、承載負(fù)荷
在產(chǎn)業(yè)機(jī)器人中,應(yīng)用廣泛的當(dāng)屬單軸機(jī)械手臂。單軸機(jī)械手臂看似簡單,只在單一方向往復(fù)運(yùn)動(dòng),但在實(shí)際應(yīng)用上功能各異,種類繁多。由于構(gòu)造簡單,一般教科書甚至把它當(dāng)作計(jì)算的例題??墒鞘褂谜咄l(fā)現(xiàn),雖然它看似很簡單的東西,要能真正全面深入做精確的計(jì)算卻并不容易。理論和實(shí)際之間畢竟存有差距,例如摩擦系數(shù)就很難確定,而且工程師通常沒有那么多時(shí)間仔細(xì)的一步一步推導(dǎo)公式。不但如此,單軸機(jī)械手臂的應(yīng)用正是典型的機(jī)電整合,既要計(jì)算負(fù)荷、結(jié)構(gòu),也要匹配馬達(dá)和控制,還必須從數(shù)以百計(jì)的廠商型錄中挑選適合的產(chǎn)品,過程冗長而且復(fù)雜。因此,本文擬為第一線的工程師或產(chǎn)品選購者提出一些解說,由基本的認(rèn)識(shí)切入,讓使用者能更正確地判
讀廠商型錄,選用產(chǎn)品時(shí)也更省力。
單軸機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)方式有:滾珠螺桿、時(shí)規(guī)皮帶、齒輪齒條、線性馬達(dá)、液壓缸、氣壓缸等。限于篇幅,本文將以滾珠螺桿型機(jī)械手臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)為主,從使用者的角度針對(duì)應(yīng)用上必須注意的要領(lǐng)列舉一二供讀者參考。
圖1 單軸機(jī)械手臂構(gòu)造
基本構(gòu)造
單軸機(jī)械手臂構(gòu)造簡單,常見的形式如圖1所示。其中,滑臺(tái)承載負(fù)荷,負(fù)荷傳遞到線性滑軌上,滾珠螺桿負(fù)責(zé)推動(dòng)滑臺(tái),馬達(dá)則通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)螺桿。螺桿的支撐通??拷R達(dá)端的軸承為固定端,另一端為支撐端。
滾珠螺桿的轉(zhuǎn)速有限制,在共振發(fā)生之前的高轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。為免發(fā)生共振,常以臨界轉(zhuǎn)速的80%當(dāng)作容許轉(zhuǎn)速,計(jì)算方式如下:
其中
Np = 容許轉(zhuǎn)速 (RPM)
Mf = 組裝型式系數(shù),例如固定-支撐 Mf = 0.689
dr = 螺桿根徑 (mm)
Lr = 軸承間的螺桿跨距 (mm)
由于容許轉(zhuǎn)速和跨距的平方成反比,大大限制了螺桿的長度,機(jī)械手臂的有效行程也因而受到限制。所以選用單軸機(jī)械手臂的第一步,先確認(rèn)工作運(yùn)轉(zhuǎn)的速度(mm/sec),用螺桿導(dǎo)程換算成螺桿的轉(zhuǎn)速(RPM),再以此轉(zhuǎn)速確認(rèn)螺桿跨距及有效行程。
有些產(chǎn)品雖然提供足夠長的行程,但是由于共振的限制,超過某個(gè)規(guī)定長度以上會(huì)限制轉(zhuǎn)速,超過愈多,轉(zhuǎn)速降得愈多,應(yīng)特別注意。
如果工作行程確實(shí)很長,則須選用長行程的產(chǎn)品。目前長行程的機(jī)械手臂除了線性馬達(dá)和皮帶驅(qū)動(dòng)者外,滾珠螺桿型的有兩種:一是旋轉(zhuǎn)螺帽式,螺桿本身根本靜止不轉(zhuǎn),靠中空馬達(dá)驅(qū)動(dòng)螺帽;另一種是在跨距中間增設(shè)移動(dòng)式的螺桿支撐座,形同跨距減半,螺桿總長度達(dá)2,500mm不成問題。
使用壽命
困擾使用者的,大概是使用壽命的計(jì)算。壽命和負(fù)荷直接相關(guān),簡單的說,負(fù)荷輕松則長壽,負(fù)擔(dān)勞苦則短命;壽命和負(fù)荷必須相提并論。
單軸機(jī)械手臂的基本構(gòu)造有三個(gè)關(guān)鍵組件,滾珠螺桿、線性滑軌、軸承,都是運(yùn)用滾珠的組件,各有其使用壽命?!笁勖苟己汀富緞?dòng)額定負(fù)荷」有關(guān),因此欲計(jì)算壽命,必須先提出負(fù)荷條件,亦即承載的方式、方向、重量、距離、運(yùn)動(dòng)方式等等,計(jì)算出等效負(fù)荷,接著再用等效負(fù)荷計(jì)算壽命,計(jì)算過程十分復(fù)雜。
大部分的單軸機(jī)械手臂制造廠商并不會(huì)讓使用者自己計(jì)算壽命,而是給一個(gè)經(jīng)過換算的既定壽命值,例如行走5,000 Km或是10,000 Km,然后限制欲達(dá)到此壽命的容許負(fù)荷條件。
要注意的是,此容許負(fù)荷并非從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的觀點(diǎn)來理解,而是表示某一壽命值的參考負(fù)荷點(diǎn)。例如某廠商設(shè)定產(chǎn)品壽命10,000Km,并且給了一個(gè)容許負(fù)荷表,其意義是指如果負(fù)荷狀況超過表列的容許值則壽命將短于10,000Km,反之如果實(shí)際負(fù)荷低于容許值,則使用壽命將高過10,000Km。當(dāng)然,為了延長使用壽命,應(yīng)用時(shí)盡可能不要超過容許負(fù)荷為宜。
雖然單軸機(jī)械手臂中有滾珠螺桿、線性滑軌、軸承等三個(gè)關(guān)鍵組件,但是除了垂直安裝(Z軸)或大角度傾斜安裝之外,承載負(fù)荷的組件仍以線性滑軌為主,螺桿只負(fù)責(zé)推力,不承擔(dān)重量,故壽命計(jì)算也是以線性滑軌的動(dòng)額定負(fù)荷為計(jì)算基礎(chǔ)。
線性滑軌的壽命計(jì)算式如下:
其中
L = 預(yù)期壽命
fh = 硬度系數(shù)
C = 基本動(dòng)額定負(fù)荷
ft = 溫度系數(shù)
Pc = 計(jì)算所得的等效工作負(fù)荷
fw = 負(fù)荷系數(shù)
對(duì)單軸機(jī)械手臂而言,上式其實(shí)只提供了一個(gè)重要的訊息:壽命和負(fù)荷的三次方成反比,意即稍微增加負(fù)荷就會(huì)使壽命快速減少。上式難以直接套用的關(guān)鍵是Pc的計(jì)算。
使用者在選用階段從型錄上或廠商提供的CAD圖上根本看不到單軸機(jī)械手臂的內(nèi)部構(gòu)造和尺寸,也難以知道采用的是什么規(guī)格的線性滑軌,要自己做精確的壽命計(jì)算非常困難,更何況上列公式在解釋和利用上都很麻煩。
所以單軸機(jī)械手臂制造廠商為了使用者的方便,在型錄上都會(huì)直接注記其設(shè)定壽命是多少「行走距離」(必要的話,使用者必須根據(jù)自己的運(yùn)用條件換算成時(shí)間壽命),并且列出相對(duì)應(yīng)的容許負(fù)荷值,只要不超過,壽命至少就可以達(dá)到預(yù)設(shè)的值。至于壽命增加或減少的確實(shí)數(shù)值,則必須用原廠商提供的公式、軟件,或徑洽該廠商才能做出比較正確的計(jì)算。
承載負(fù)荷
如前所述,型錄上的負(fù)荷限制是以一定壽命(行走距離)為準(zhǔn),常見的表現(xiàn)方式如圖2所示。各廠家對(duì)于負(fù)荷的作用位置也許定義不同,應(yīng)用時(shí)請注意。
圖2 負(fù)荷條件表示法(以既定壽命為基準(zhǔn))
圖2(A)中,A、B、C三點(diǎn)的距離代表負(fù)荷作用點(diǎn)的位置向量的三個(gè)分量:上下(z)、前后(x)、左右(y),向量原點(diǎn)在滑臺(tái)安裝面的中心。這種表示法是以力矩的計(jì)算做基礎(chǔ),限制負(fù)荷在三個(gè)軸向的懸臂伸出量(overhang)。例如圖中,螺桿導(dǎo)程10時(shí),負(fù)荷20
Kg可以在z方向(A)離開滑臺(tái)中心1000mm,在x方向(B)離開滑臺(tái)中心400mm,在y方向(C)離開滑臺(tái)中心400mm,只要是不超出這些伸出量的范圍,此負(fù)荷(20
Kg)就可以達(dá)到既定的壽命,比如說10,000 Km。
讀者也許會(huì)好奇,z方向在滑臺(tái)的正上方,為何會(huì)有負(fù)荷高度的限制?20 Kg放在滑臺(tái)上和放在800mm高處有何不同?這是因?yàn)樨?fù)荷加減速時(shí)會(huì)產(chǎn)生向前或向后的慣性力,因而造成俯仰力矩(pitching),廠家在壽命計(jì)算時(shí)已經(jīng)將此加減速的慣性負(fù)荷列入計(jì)算了。
圖2(A)表現(xiàn)法的缺點(diǎn)是不連續(xù),例如螺桿導(dǎo)程10,但使用者的負(fù)荷是30 Kg,只好用線性內(nèi)插計(jì)算,求個(gè)一定不精準(zhǔn)的參考值。也就是說,如果負(fù)荷或是伸出量不是按照表列值,則「壽命」究竟增加或減少多少就難以掌握了。
圖2(B)是將負(fù)荷「放」在滑臺(tái)安裝面的中心。所謂「放」是指利用力的平移特性,以及力可轉(zhuǎn)換成力和力矩的合成特性,將實(shí)際負(fù)荷「移」到滑臺(tái)的中心,即可得到x-y-z三個(gè)方向的力和力矩。將此負(fù)荷分量和動(dòng)額定負(fù)荷做比較,得出各負(fù)荷分量的「貢獻(xiàn)」,如果合成作用的結(jié)果不超過動(dòng)額定負(fù)荷的規(guī)定范圍(≦1),則壽命就可以達(dá)到預(yù)設(shè)的壽命值,比如說1,000 Km。當(dāng)然,和圖2(A)的缺點(diǎn)一樣,如果計(jì)算出來的值大于1或小于1,壽命究竟會(huì)減少或增加多少,也是無法得知。
圖2(B)的計(jì)算式中沒有Fx,這是因?yàn)檫@種計(jì)算法分成兩個(gè)部份,一是壽命的計(jì)算,一是推力的計(jì)算。壽命計(jì)算以線性滑軌為基礎(chǔ),在x方向移動(dòng)不承載負(fù)荷,故Fx對(duì)壽命沒有貢獻(xiàn),以壽命為基準(zhǔn)的負(fù)荷限制公式自然就沒有Fx項(xiàng)了。
關(guān)于推力,型錄上的「額定推力」來自于螺桿轉(zhuǎn)速的限制,計(jì)算流程如圖3所示。其中滾珠螺桿的臨界轉(zhuǎn)速必須參照螺桿廠商的型錄計(jì)算,這個(gè)部份單軸機(jī)械手臂的使用者也是無法自行處理的。推力Fx算出來之后,就是滾珠螺桿的負(fù)荷,可以用來計(jì)算螺桿的壽命。就單軸機(jī)械手臂而言,水平安裝的一般操作條件下,重量負(fù)荷主要由線性滑軌承擔(dān),螺桿壽命比滑軌長得多,通??梢圆槐乜紤]。
圖3 額定推力計(jì)算流程
但是,如果單軸機(jī)械手臂是應(yīng)用在垂直安裝的場合(z軸),承載負(fù)荷就必須特別考慮。因?yàn)榇藭r(shí)掛在滑臺(tái)上的工作負(fù)荷以及運(yùn)動(dòng)的推力,全都靠滾珠螺桿那幾圈鋼珠在支撐。更仔細(xì)一點(diǎn)分析,包含螺桿在內(nèi)的一切負(fù)荷其實(shí)全由固定端的軸承在支撐,若要檢討壽命,就必須以滾珠螺桿和軸承的基本動(dòng)額定負(fù)荷為依據(jù)了,特別是固定端軸承的軸向動(dòng)額定負(fù)荷。
此外,單軸機(jī)械手臂型錄上還有一項(xiàng)重要注記:可搬質(zhì)量,分為水平和直立兩項(xiàng)。這項(xiàng)參數(shù)來自額定推力,影響參數(shù)包括導(dǎo)程、摩擦系數(shù)、額定加速度。小導(dǎo)程時(shí),運(yùn)動(dòng)速度慢,慣性負(fù)荷比較小,可搬質(zhì)量就比較大。中高導(dǎo)程時(shí),加速度高(計(jì)算時(shí)通常預(yù)設(shè)0.3G)可搬質(zhì)量就比較小。直立安裝時(shí),除了考慮滾珠螺桿和固定端軸承的負(fù)荷之外,還有重力加速度(1G)的因素,可搬質(zhì)量就更小了,大約只有水平的1/3.5~1/6不等。至于滾珠螺桿和線性滑軌組裝成機(jī)械臂之后的系統(tǒng)總摩擦系數(shù),只有制造廠商自己實(shí)驗(yàn)測定,沒有理論值可以參考。對(duì)使用者來說,可搬質(zhì)量也是只能依循的參考數(shù)值,如果實(shí)際應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)加速度不是0.3G,增減多少G可以增減多少可搬質(zhì)量也是難以自己計(jì)算得準(zhǔn)確的。
綜合以上所述,適當(dāng)?shù)膽?yīng)用法,并非由使用者自己做任何有關(guān)產(chǎn)品本身特性的計(jì)算,而是在安全范圍之內(nèi)選用適合的產(chǎn)品,并且遵守承載負(fù)荷的要求,壽命即可達(dá)到原制造廠商的默認(rèn)值。
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