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桁架式机械手伺服电机选型

蒲军

【摘要】通过分析桁架机械手运动时的负载情况,在给定速度和加减速时间的前提

下,从转速、负载转矩、惯量匹配三方面对驱动伺服电机的选型方法进行了介绍,并

给出了计算方法与计算过程,同时也对伺服电机各项参数的选型原则进行了阐述.

【期刊名称】《制造业自动化》

【年(卷),期】2019(041)006

【总页数】3页(P1-3)

【关键词】桁架机械手;伺服电机;额定扭矩;最大扭矩;惯量匹配

【作者】蒲军

【作者单位】陕西法士特汽车传动集团公司,宝鸡722409

【正文语种】中文

【中图分类】TP241

0引言

桁架式机械手也叫龙门式机器人，属于直角坐标机器人的一种。针对机械加工行业

所设计的桁架式机械手与数控机床相结合，可以实现在该设备或多设备之间的工件

自动抓取、上料、下料、工件转序加工。本文所述的桁架机械手由一个水平轴X

和其上安装的两个垂直Z1、Z2轴构成，用于重型卡车变速器Ⅱ轴剃齿工序。

动作顺序：Z1、Z2轴上升回到“Home”位置→X轴移动使Z1轴到达上料位上

方→Z1轴下降抓取工件然后上升→Z2移动到剃齿机1上方→Z2轴下降抓取工件

然后上升→Z1移动到剃齿机1上方→Z1轴下降放下工件然后上升→Z1移动到剃

齿机2上方→Z1轴下降抓取工件然后上升→Z2轴移动到剃齿机2上方→Z2轴下

降放下工件然后上升→Z2移动到剃齿机3上方→Z2轴下降抓取工件然后上升

→Z1移动到剃齿机3上方→Z1轴下降放下工件然后上升→Z2移动到下料位上方

→Z2轴下降放下工件然后上升→Z1轴再次移动到上料位上方，上下料及转序完成，

等待下一次循环。

为了满足该桁架机械手高速度，高精度的运动的要求，驱动装置选用交流伺服电机。

如果在电机选型过程中，盲目选择大规格的电机，不仅会增加成本，也会使设备体

积过大而造成结构不紧凑等问题。因此，选择电机时应综合考虑各方面要求，以充

分发挥伺服电机的工作性能。下面以该桁架伺服驱动电机的选取为例介绍伺服电机

的选型方法。

图1桥架式机械手结构图

已知：X轴运动部分重量Mx=300kg，齿轮齿条传动，要求最大速度

Vxmax=2m/s，加减速时间tx加减=0.4s。

Z1、Z2轴运动部分重量均为Mz=90kg，齿轮齿条传动，要求最大速度

Vzmax=2m/s，加减速时间tz加减=0.4s。

1伺服电机额定转速及减速比选取

伺服电机通过减速机提高输出轴的扭矩满足桁架机械手重载运行的要求，同时降低

输出轴转速使电机能够工作在额定转速附近，充分发挥电机的性能。该桁架要求高

运行速度、高响应速度，所以选择低惯量型伺服电机，额定转速n=3000r/min。

下面来计算X、Y轴的减速机减速比：

X轴驱动齿轮：模数mx=2.5，齿数zx=42，分度圆直径dx=mx.zx=0.105m。

X轴驱动齿轮设计最高转速：

X轴减速比：n/nx=3000÷364=8.24，所以减速比选取：ix=8。

Z轴驱动齿轮：模数mz=2.5，齿数zz=30，分度圆直径dz=mz.zz=0.075m。

Z轴驱动齿轮设计最高转速：

Z轴减速比：n/nz=3000/510=5.88，所以减速比选取：iz=5。

2伺服电机扭矩和功率选取

该桁架机械手X轴采用双直线导轨，四滑块结构。综合考虑安装状态和滑块刮油

板产生的运动阻力，确定摩擦系数μx=0.1。

X轴匀速时驱动力：

齿轮齿条传动效率：η齿=95%，减速机传动效率：η减=97%。

X轴匀速时电机扭矩：X轴线性加速，速度从静止加速到2m/s需要0.4s，

所以X轴加速度：

X轴加速时驱动力：

X轴加速时电机扭矩：

X轴线性减速，速度从2m/s减速到静止需要0.4s，所以X轴减速度：

X轴减速时制动力：

X轴减速时电机扭矩：

设备连续运行时所需要的扭矩，一定要小于电机的额定扭矩。电机的最大扭矩表示

的是电机的瞬时过载能力，主要是在设备加减速时瞬时达到，不能长时间输出。为

满足X轴加速时电机扭矩