機(jī)器人支撐座結(jié)構(gòu)性能知多少？
近年來(lái)，隨著工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人及其配套產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也日趨精細(xì)成熟。而工業(yè)機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)形式在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的區(qū)別也顯得尤為重要，為機(jī)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(jī)器人支撐座的功能與結(jié)構(gòu)形式
機(jī)器人支撐座的主要功能是支撐與固定機(jī)器人，上端與機(jī)器人本體基座相連結(jié)，下端固定到地面或機(jī)架上，使機(jī)器人的工作空間與被搬運(yùn)、加工的工件之間具有合適的相對(duì)位置，為機(jī)器人安全工作提供保障。
常見的機(jī)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(tái)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(qiáng)度比較
1、圓管形直徑與方管形邊長(zhǎng)的關(guān)系
當(dāng)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(shí)，對(duì)應(yīng)的直徑和邊長(zhǎng)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(zhǎng)為A，內(nèi)邊長(zhǎng)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(zhǎng)A不變時(shí)，n值越大，壁厚就越薄，直徑與邊長(zhǎng)的差值也越大；反之，壁厚越大，直徑越接近邊長(zhǎng)。
圖5與圖6的截面面積相等且邊長(zhǎng)A不變時(shí)，n值越大，壁厚就越薄，直徑與邊長(zhǎng)的差值也越大；反之，壁厚越大，直徑越接近邊長(zhǎng)。
2、圓管形支撐與方管形支撐的抗彎截面模量比較
藍(lán)、紅、黑色曲線分別對(duì)應(yīng)式(6~8)右側(cè)的系數(shù)，橫坐標(biāo)代表自變量的序號(hào)，比如n=2對(duì)應(yīng)曲線圖中的橫坐標(biāo)值為“1”，縱坐標(biāo)為相應(yīng)的系數(shù)值。結(jié)合式(6~8)，可知對(duì)于特定的A值，系數(shù)越大，對(duì)應(yīng)情況的抗彎截面模量也越大，如圖(7)所示，當(dāng)n值相同(即壁厚相等)時(shí)，
3機(jī)器人支撐座工況受力分析
機(jī)器人處于準(zhǔn)工作狀態(tài)時(shí)，機(jī)器人在自重作用下，通常會(huì)對(duì)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(gè)力矩的能力越強(qiáng)，支撐座的結(jié)構(gòu)越不容易受到破壞。
對(duì)于6R型機(jī)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(jī)器人對(duì)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(dòng)。對(duì)于方管形支撐座，當(dāng)中性軸通過方形對(duì)角線時(shí)，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(lái)校核方管形支撐座的強(qiáng)度是否滿足要求。
最危險(xiǎn)點(diǎn)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(duì)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(dòng)，但荷載截面的抗彎截面模量都相同，因而，只是最危險(xiǎn)點(diǎn)的位置發(fā)生了變化，但各個(gè)最危險(xiǎn)點(diǎn)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(xiǎn)點(diǎn)的正應(yīng)力小，結(jié)構(gòu)更安全，更容易滿足使用要求。
當(dāng)6R型機(jī)器人底座需要在某個(gè)特定方向承受較大彎矩時(shí)，可選用方形結(jié)構(gòu)。對(duì)于二軸懸臂直線導(dǎo)軌機(jī)器人，選用方形支撐座更經(jīng)濟(jì)，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(shí)際設(shè)計(jì)支撐座結(jié)構(gòu)時(shí)，還要考慮機(jī)器人本體對(duì)支撐座施加的壓力，機(jī)器人工作時(shí)的負(fù)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(huì)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(jī)器人維修，機(jī)器人系統(tǒng)的剛度需求，KUKA機(jī)器人電路板維修，物料輸送需求，生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)消耗材料庫(kù)存因素等也會(huì)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(duì)象，對(duì)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(jī)器人支撐座在各向力矩相同的工況下，以結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jì)、更安全。
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