应国内一大型铸造企业要求，力拓公司于2010年3月开始为其研发大型龙门式三坐标转运沙芯桁架机器人!

　　自力拓自动化成立8年以来，曾经开发过速度达12米/秒的运动机构 ，开发过行程26米的龙门机器人，也曾经开发过负载3吨的传输机器人，但在此以前从未遇到过集上述特点于一身的机器人。且对方时间紧迫，要求从研发至交货时间只有三个月的时间!

　　该龙门机器人具有如下几大特点：

　　1，大行程：X坐标13000mm、 Y坐标600mm、Z坐标1500mm;

　　2，大负载：Z轴末端负载2500Kg(含机械抓手);

　　3，高速度：X方向速度500mm/s,对于如此大的负载，500mm/s的速度已很难得。

　　4，高精度：全程重复精度，X方向+-0.1mm;Y方向+-0.05mm;Z方向+-0.025mm;

　　因该机器人的设计难度及安装调试的难度都很大，工作环境极其恶劣，能够将该设备开发成功实属不易。在此我们愿和大家一起分享我们的经验，也给同行们提供一个参考。所以我们决定将该机器人的设计过程，技术难点，如何安装调试，如何控制，在实际调试过程中出现了那些问题报告给大家：

　　一、 机器人名称及用途：

名称,转K6摇枕、侧架整体芯下芯机桁架机器人。用于带动扫描仪及相应夹具扫描砂箱型腔、抓取砂芯并准确将砂芯下到型腔里.

　　二、使用环境及原始设计要求动力、环境条件

　　1、工作环境：铸造车间粉尘较大，气温-5℃～45℃，相对湿度小于85%

　　2主要技术参数

　　2.1、行程

　　X坐标轴行程：13000 mm(水平方向),不含限位空间

　　Y坐标轴行程：600 mm(水平方向),不含限位空间

　　Z坐标轴行程：1500 mm(垂直方向),不含限位空间

　　2.2 速度

　　最大驱动速度：X坐标轴(水平方向)500 mm/s;平均速度：400mm/s,加速度0.25-0.3m/s2,加减速时间1.5-2秒.

　　最大驱动速度：Y坐标轴(水平方向)150 mm/s;平均速度：100mm/s,加速度0.1-0.15m/s2,加减速时间1.5-2秒.

　　最大驱动速度：Z坐标轴(垂直方向)150mm/s;平均速度：120mm/s,加速度0.1-0.15m/s2,加减速时间1.5-2秒.

　　2.3负载

　　作用在垂直升降坐标轴的负载小于等于2500 kg(含抓手).

　　2.4 重复精度

　　(1)X坐标轴重复位置精度± 0.1mm(水平方向),该精度并非为全行程的精度，而是扫描及取、放物体位置附近区间的精度。即以扫描及取、放物体的位置为零点，那么它的附近区间为±150mm。

　　(2)Y坐标轴重复位置精度± 0.1mm(水平方向);

　　(3)Z坐标轴重复位置精度± 0.1mm (垂直方向)。

　　2.5、系统要求

　　2.5.1机器人在铸造环境下工作，必须具备可靠的防尘措施及装置。

　　2.5.2机器人要保证下芯平稳安全可靠，机器人动作范围和负载应有合理的余量。

　　2.5.3机器人在下芯工位沿X，Y方向能自动精确调整位置。Z方向能自动调整位置。

　　2.5.4 电气控制系统具有完善的安全连锁、保险、防尘及过载报警等功能。

　　2.5.5 电气控制柜采用全封闭式并带有工业空调，及供换气使用的空气过滤装置。

　　2.5.6 采用PLC控制技术，实现机器人系统与砂芯、砂箱输送系统通讯。

　　2.5.7 PLC内置总线接口，即能与控制中心系统联网实时通讯，又能控制各层设备的运转。

　　2.5.8 组芯、下芯生产线中心控制系统通过与PLC连接，既可以对设备的运行进行监理，又可对运行程序和参数进行设定。

　　三、项目分析与设计

　　3.1、分析设备的难点

　　3.1.1、X方向行程行程达13000mm,如何实现+-0.1mm的重复精度

　　3.1.2、垂直起降重量达2500Kg(其中负载和抓手的重量为2000Kg)，如何保证在500mm/秒的水平运动平稳运行。

　　3.1.3、负载的体积很大，大约3m×2m，如何保证在平稳提升。

　　3.1.4、龙门机器人移栽机总程度约17米，宽约3米，安装高度5米，如何安装调试。

　　3.1.5、该龙门机器人工作在铸造车间，灰尘非常大，如何防护?

　　突破了以上技术难点，设备就做出来了。

　　3.2、机械设计过程

　　3.2.1、X轴定位系统及驱动的选择

　　因为针对较大行程的定位应用场合，一般都选择齿轮齿条作为驱动元件，把齿条固定在安装基准上，伺服电机驱动齿轮在齿条上滚动，这样一来，打量的沙尘就会覆盖在齿条的表面，而要把整条齿条都密封起来，难度极大，成本太高，不可行。

　　对于大行程的地场合，同步带驱动也是一个选择，但对于总长度约16米，的定位系统，同步带的长度就要达到32米长，如此长的同步带带动约4000Kg的物体运动，很难保障+-0.1mm的重复精度。

　　好在对于移栽机器人来说，只要在抓取物体的位置和放下物体的位置精度满足要求就可以了，所以我们想到了可以在这两个位置加装位置检测元件。

　　实际应用中我们选择了德国BAHR公司的直线定位系统QSZ100，该定位系统的特点是承载力非常大 ，刚性非常好，定位系统的轨道安装在一个截面为100×100的铝型材腔体内，铝型材上侧开有宽度大约为40mm的口，在口中间开了一个约55mm的口，50mm宽的同步带刚好在该口内通过，这样，同步带就将灰尘阻挡在铝型材腔体之外了。落在同步带上的灰尘，我们使用两个吸尘的机构去清除。两个 QSZ100平行使用，中心局为2400mm, 每个定位系统上面各有两个承载的滑块，中心距为2300mm，这样由两个 QSZ100定位系统组成的安装平面就可以为Y坐标轴提供一个2400mm×2300mm的平面了。

　　作用在X轴定位系统上的负载大约有4000Kg，其中负载2000Kg;安装Y 定位系统的安装平台700Kg，Y轴定位系统及驱动重量200Kg;安装Z轴定位系统的安装平台约500Kg，Z轴及驱动部分重量300Kg，随机器人运动的电控柜300Kg。

　　我们设计了加强滑块结构，使X轴上的滑块每个承载力达到2000Kg，四个滑块的承载力就是8000Kg了。

　　选择合适的伺服电机也很重要，为了获得较好的动态性能，我们必须计算系统的运动惯量和驱动扭矩，

　　我们设定X轴的加速度为0.5m/s，已知负载4000Kg,QSZ100 的同步带周长为224mm,我们计算出其负载惯量为50853Kg.cm2,加速扭矩为100Nm。

　　据此我们选择了一个5000W，转速2000rpm，惯量为48Kg.cm2的伺服电机和15：1的一个减速机作为驱动元。

　　X坐标轴总长度约16米, 该QSZ100直线定位系统上安装有两个距离为2000 mm的承载滑块.

　　16000 mm长度的直线定位系统,运输和安装都非常困难,我们将其设计为3节,每节长度5000mm多一些.安装时把它们接到一起,接缝的处理很关键:

　　长期工作在铸造车间,直线定位系统轨道的润滑不可少,我们在每个定位系统的端面开了几个润滑孔

　　3.2.2、Y轴定位系统及驱动的选择

　　因为Y轴定位系统行程较小，只有600mm,选择同步带驱动的定位系统就非常合适了，而且BAHR公司的同步带驱动的定位系统在短行程内达到+-0.05mm得重复精度是很容易的。我们选择了两个德国BAHR公司的直线定位系统QSZ125，滑块长度1000mm,两个定位系统平行安装，同步驱动。将Z轴安装平台安装在两个滑块上，每个滑块得承载力为4000Kg，而作用在Y轴上的负载为3100Kg。这样的负载对于QSZ125 定位系统，还是安全的。

　　QSZ125的 结构特点和QSZ100一样，也是轨道密封结构。我们为了安装Z轴，设计了一个2000mm×1000mm平台为。

　　因为Y轴定位系统的运动速度很慢，电机的功率就小得多了。经过惯量和扭矩的计算，我们选择了一个750W的伺服电机和50：1的减速机

　　3.2.3、Z轴定位系统及驱动的选择

　　Z轴定位系统的选型和结构设计,是本设备能否成功的关键所在.对于一个3000mm×2000mm的重达2000Kg的负载，仅有一个提升坐标定位系统是不够的，一根直线定位系统提起2000Kg负载没有问题，但无法避免负载在水平面内晃动。如果采用一个提升轴，然后辅以四个垂直导向轨道也是可以的，但安装四个导向轨道就需要加工一个非常庞大的轨道安装架，该架的重量会非常大，以至于需要修改X轴和Y轴的设计，而且大大增加制造成本。重要的是加工一个四个轨道的安装架，保证各种机械加工指标，是现起来太困难。

　　为解决这个难题，我们经过详细机械强度刚性计算，运动学分析以及加工安装可行性论证，我们使用了两个同步的直线定位系统作为Z轴。两个定位系统的跨距达2 米，沿X轴运动方向排放。这样就有两个点同步提升负载，负载的中心一定在两个定位系统之间了。负载沿X方向对Z轴的冲击变形就小很多了。

　　同样为了减小Y方向运动对Z轴的冲击变形，我们在沿Y方向排布了两个垂直导向机构。与z轴定位系统一起运动。两个提供动力的直线定位系统和两个导向机构成菱形排放。这样的设计提供了一个很大受力面积，使得整个提升系统的重量很轻，运行非常平稳。

　　实际应用中我们使用了德国BAHR公司的ELK125直线定位系统，该定位系统能够提供的最大提升了为8000Kg。保证非常大的安全系数。

　　因为Z轴定位系统的垂直提升物体，电机的功率就大得多了。经过惯量和扭矩的计算，我们选择了一个7500W的伺服电机和6：1的减速机。

　　4.1、电气控制部分的设计

　　4.1.1、控制系统的选择

　　虽然该设备只有3个运动的坐标轴，但因为有许多其他的设备需要同时控制，联合动作，这就要求控制系统的稳定性好，功能非常强大。实际应用中我们选择了西门子的PLC 315-2DP 作为控制系统，使用总线方式实现对整个设备的控制。 5.1、防护设计

　　5.1.1防尘设计：该龙门机器人工作在铸造车间，灰尘非常大，而X、Y、Z坐标轴的定位系统中，都有直线轨道，如果没有防尘处理，轨道很快会损坏。

　　虽然X坐标轴和Y坐标轴都是内藏直线轨道式的直线定位系统，但因为轨道上面滑动，在轨道和滑块之间一定存在缝隙，该缝隙就会有粉尘进入。而同步带上表面直接暴露在空气中，一定有灰尘落在同步带上。时间一长，也会有少量粉尘进入到定位系统腔体内，落在直线轨道上。

　　防尘方法1：我们在X和Y轴定位系统的滑块两侧各加了一个侧板，板内侧加上海绵体，该机构可以阻止灰尘通过滑块缝隙进入轨道内腔，还可以把落在直线定位系统外侧面的灰尘时时清理掉。

　　防尘方法2：我们在直线定位系统的端面上个放了一个灰尘清理机构，可以时刻把落在同步带上的灰尘刷掉，然后由一个吸尘器把灰尘吸走。

　　Z轴定位系统共有两根，为了增加其稳定性，我们为每个定位系统安装了4 个用于导向的轨道，这样一来，轨道只有暴露在空中了。好在Z轴定位系统的行程只有1500mm。

　　实际应用中我们在每个导向轨道上都加了一个清理刷，并把轨道润滑腔和清理刷集成在一起，时时润滑轨道。

　　6.1、安全保护

　　6.1.1、运动防碰撞保护，每个运动方向的运动质量都很大，一旦控制系统失灵，产生碰撞，结果会非常可怕。

　　我们在每个坐标轴的两端都安装了减速开关，限位开关，运动机构碰到减速开关后，开始减速;碰撞到限位开关，会切断电源使电机停止运动;

　　一旦以上手段都失灵，就只能接受碰撞的事实了，我们在每个定位系统的端面安装了缓冲器。运动的机构撞到缓冲器后，压缩缓冲器内的空气。缓冲器缓慢后退，从而吸收冲击能量，把破坏降到最小。

　　Z轴定位系统提升负载垂直运动，存在断电下落的问题，除了采取如上防护措施，我们选择了带断电抱死功能的电机。

　　6.1.2、检测感应元件的防护

　　位置检测开关，光栅磁，安装保护开关等在设备上非常多，在安装和实际使用中可能会因各种因素，碰撞到以上设备，使其感应位置发生变化，从而失去保护设备的作用。我们为每个开关设计了一个防护盒，外力就很难破坏他们了。

　　这一案例经我公司研发设计，在规定的期限内为委托方交上了一份满意的答卷，此设备目前已投产使用，现场使用效果良好。

　　但因为本机器人的研发和制造时间很短,从接触到案例到完成现场安装只有3个月时间,研发和设计时间就占去了一个多月,导致有些元件的加工不够精细,做工不够精细,包括电缆线的布局,拖链的安装行走固定都有需要改进的地方;，电控柜,零件,图纸等的标准化不高,需要进一步改进。