近年來(lái)，隨著(zhù)工業(yè)機器人的廣泛應用，工業(yè)機器人及其配套產(chǎn)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別也顯得尤為重要，為機器人底座的批量性生產(chǎn)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，為機器人工作提供保障。

常見(jiàn)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(cháng)的關(guān)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(shí)，對應的直徑和邊長(cháng)存在特定的關(guān)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(cháng)為A，內邊長(cháng)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(cháng)A不變時(shí)，n值越大，壁厚就越薄，直徑與邊長(cháng)的差值也越大；反之，壁厚越大，直徑越接近邊長(cháng)。

圖5與圖6的截面面積相等且邊長(cháng)A不變時(shí)，n值越大，壁厚就越薄，直徑與邊長(cháng)的差值也越大；反之，壁厚越大，直徑越接近邊長(cháng)。

2、圓管形支撐與方管形支撐的彎截面模量比較

藍、紅、黑色曲線(xiàn)分別對應式(6~8)右側的系數，橫坐標代表自變量的序號，比如n=2對應曲線(xiàn)圖中的橫坐標值為“1”，縱坐標為相應的系數值。結合式(6~8)，可知對于特定的A值，系數越大，對應情況的彎截面模量也越大，如圖(7)所示，當n值相同(即壁厚相等)時(shí)，

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(shí)，機器人在自重作用下，通常會(huì )對支撐座施加壓力和力矩，支撐座的彎截面模量越大，支撐座承受這個(gè)力矩的能力越強，支撐座的結構越不容易受到損壞。

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(guò)±90°，隨著(zhù)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(xiàn)轉動(dòng)。對于方管形支撐座，當中性軸通過(guò)方形對角線(xiàn)時(shí)，方管截面的彎截面模量小，方管的彎性能差，要以此位置的彎截面模量做為依據來(lái)校核方管形支撐座的強度是否滿(mǎn)足要求。

危險點(diǎn)正應力為：

上式結果乘以系數后，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(xiàn)轉動(dòng)，但荷載截面的彎截面模量都相同，因而，只是危險點(diǎn)的位置發(fā)生了變化，但各個(gè)危險點(diǎn)正應力大小都一樣，即：上式結果乘以系數后，同樣要小于等于材料的許用應力，才能滿(mǎn)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危險點(diǎn)的正應力小，結構更，更容易滿(mǎn)足使用要求。

當6R型機器人底座需要在某個(gè)特定方向承受較大彎矩時(shí)，可選用方形結構。對于二軸懸臂直線(xiàn)導軌機器人，選用方形支撐座更經(jīng)濟，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彎性能，主要考慮了支撐座受到的力矩作用。在實(shí)際設計支撐座結構時(shí)，還要考慮機器人本體對支撐座施加的壓力，機器人工作時(shí)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(huì )影響支撐座的結構尺寸和結構形式。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，機器人系統的剛度需求，物料輸送需求，生產(chǎn)運營(yíng)消耗材料庫存因素等也會(huì )影響支撐座的具體結構。

總結

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象，對比了圓環(huán)形橫截面與方“回”形橫截面彎截面模量的大小，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。