機器人支撐座結構性能知多少？
近年來，隨著工業(yè)機器人的廣泛應用，工業(yè)機器人及其配套產品的結構設計也日趨精細成熟。而工業(yè)機器人底座結構形式在結構強度方面的區(qū)別也顯得尤為重要，為機器人底座的批量性生產提供了結構選型方面的參考。
機器人支撐座的功能與結構形式
機器人支撐座的主要功能是支撐與固定機器人，上端與機器人本體基座相連結，下端固定到地面或機架上，使機器人的工作空間與被搬運、加工的工件之間具有合適的相對位置，為機器人安全工作提供保障。
常見的機器人支撐座有圓管形結構(圖1)、方管形結構(圖2)和箱式結構(圖3)、臺架式結構(圖4)。這里主要討論前兩種結構。
圓形管和方管形的強度比較
1、圓管形直徑與方管形邊長的關系
當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，對應的直徑和邊長存在特定的關系。如圖5、圖6所示：設圓管的外徑為D，內徑為d；方管外邊長為A，內邊長為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A不變時，n值越大，壁厚就越薄，直徑與邊長的差值也越大；反之，壁厚越大，直徑越接近邊長。
圖5與圖6的截面面積相等且邊長A不變時，n值越大，壁厚就越薄，直徑與邊長的差值也越大；反之，壁厚越大，直徑越接近邊長。
2、圓管形支撐與方管形支撐的抗彎截面模量比較
藍、紅、黑色曲線分別對應式(6~8)右側的系數(shù)，橫坐標代表自變量的序號，比如n=2對應曲線圖中的橫坐標值為“1”，縱坐標為相應的系數(shù)值。結合式(6~8)，可知對于特定的A值，系數(shù)越大，對應情況的抗彎截面模量也越大，如圖(7)所示，當n值相同(即壁厚相等)時，
3機器人支撐座工況受力分析
機器人處于準工作狀態(tài)時，機器人在自重作用下，通常會對支撐座施加壓力和力矩，支撐座的抗彎截面模量越大，支撐座承受這個力矩的能力越強，支撐座的結構越不容易受到破壞。
對于6R型機器人，由于轉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，機器人對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動。對于方管形支撐座，當中性軸通過方形對角線時，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)來校核方管形支撐座的強度是否滿足要求。
最危險點正應力為：
上式結果乘以安全系數(shù)后，要小于等于材料的許用應力。
對于圓管形支撐座，盡管其荷載截面的中性軸也隨所受力矩的方位變化，繞筒體軸線轉動，但荷載截面的抗彎截面模量都相同，因而，只是最危險點的位置發(fā)生了變化，但各個最危險點正應力大小都一樣，即：
上式結果乘以安全系數(shù)后，同樣要小于等于材料的許用應力，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點的正應力小，結構更安全，更容易滿足使用要求。
當6R型機器人底座需要在某個特定方向承受較大彎矩時，可選用方形結構。對于二軸懸臂直線導軌機器人，選用方形支撐座更經(jīng)濟，更安全，如圖9所示：
影響支撐座結構的其他因素
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。在實際設計支撐座結構時，還要考慮機器人本體對支撐座施加的壓力，機器人工作時的負載力和慣性力。支撐座與地面的連接方式，地面的硬度，是否有水泥基礎和埋地螺栓等，都會影響支撐座的結構尺寸和結構形式。此外，產造型、產品通用性、產品的生產批量、加工工藝，機器人維修，機器人系統(tǒng)的剛度需求，KUKA機器人電路板維修，物料輸送需求，生產運營消耗材料庫存因素等也會影響支撐座的具體結構。
總結
本文以等同材質、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象，對比了圓環(huán)形橫截面與方“回”形橫截面抗彎截面模量的大小，指出了機器人支撐座在各向力矩相同的工況下，以結構強度為主影響因素，忽略其它影響因素的前提下，采用圓管形結構比采用方管形結構更經(jīng)濟、更安全。
參考文獻
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