Automobile Technology & Material
通用型工业机器人附加轴导轨优化设计
（1.中国汽车工业工程有限公司，天津 300113；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007）
摘要：在汽车制造涂装车间，为提升制造车间的智能化水平和柔性化水平，工业机器人系统装备被大规模使用。附加轴导轨是机器人系统装备集成及应用的一个重要组成部分。为了对已有常用附加轴导轨进行结构优化，主要通过分析现有附加轴导轨结构形式、新型附加轴导
2
轨设计及理论分析 个方面进行阐述，提出了一种新型结构设计形式，该附加轴导轨设计使用2.02万小时,设计行走里程超过1.45
寿命超过 万公里，对于内部结构防护性能较好，满足涂装车间复杂的工作使用环境。
关键词：汽车制造 机器人 附加轴导轨 结构优化
中图分类号：TH6 文献标识码：B Doi：10.19710/j.cnki.1003-8817.20190212 1 前言
2025
为了响应中国制造 制造强国战略行动，紧密围绕汽车制造领域涂装车间的关键环节和关键岗位，提升车间的柔性化水平，建设智能涂装车间和数字化工厂，工业机器人系统装备逐渐发挥着越来越重要的作用。工业机器人也在高科技设
[1]。工业机器人应用最
备应用中占有最大的比重
多的是制造业领域，特别是汽车制造业[2]。在汽车
制造涂装车间，涂胶、擦净、喷漆、清洗、搬运装配、表面处理、质量和缺陷检测、自动打磨等工位，工业机器人的应用有着不可替代的优势。在机器人系统装备集成应用中，为了增加机器人的工作柔性、扩大作业范围，附加轴导轨通常作为机器人系统的标准配置。现有市场不同品牌的机器人附加
轴导轨结构形式差异较大，且各有优缺点，本文提出了一种新的机器人附加轴导轨的设计，能够对于已有产品的使用优势和特点进行吸收和应用，对于使用局限性进行优化改进。
2 现有产品的结构分析
在汽车制造涂装车间，常见的机器人品牌有
FANUC、ABB、安川、杜尔、川崎等，不同品牌的机
器人附加轴导轨结构形式差异较大，在应用过程
1 FANUC、
中都有各自的优势和不足。如图 是
ABB YASKAWA
和 工业机器人附加轴导轨的结构形式。
其中，附加轴导轨主要包括直线导轨、齿轮齿条传动机构、底座框架、移动滑车等部分组成。
FANUC
和安川机器人附加轴导轨结构相对简
单，整体刚性较好，导轨定位精度能够到达±0.25 mm，
安装维护保养比较便捷，拖链设计在移动底座滑车外侧，占地面积较大，附加轴导轨对于内部机械结构
缺乏足够有效的机械防护，在汽车制造涂装车间工作环境比较恶劣的应用场景，内部结构存在被流体
FANUC
介质污染的可能性，其中 导轨地脚调平螺钉的调平和连接螺钉的紧固分开进行，调平安装相对
繁琐。ABB
机器人附加轴导轨在结构上设计了完整的防护外罩，能够对外来流体介质起到非常好的防护作用，避免内部结构被流体介质污染，同时将伺服驱动电机和拖链设计在附加轴导轨内部，附加轴导
轨整体结构紧凑，导轨定位精度能够到达±0.1 mm，
占地面积较小，但导轨整体结构复杂，制造成本较高，安装维护保养不便，结构为分段式组装，整体刚
性相对不足。YASKAWA
机器人附加轴导轨采用标
H
准的 型钢框架，整体刚性较好，制造成本相对较低，安装使用维护较为便捷，但占地面积相对较大，齿轮齿条和直线导轨等核心零部件防护性能相对较差，对于外界的飞溅流体不能起到很好的防护作用。
2在涂装车间机器人系统已被广泛应用，如图所示为常用的底涂机器人工位，机器人配置附加轴导轨。对于机器人系统集成厂商，在具备不同品牌机器人系统集成能力的基础之上，针对不同品牌机器人附加轴导轨的设计使用和安装维护保养制定不同方案。
3 附加轴导轨的设计形式和结构特点
本论文提出的一种新的机器人附加轴导轨结构的设计，在吸收已有附加轴产品的结构优势基3础上，进行优化改进，如图 所示。4附加轴导轨模型的端面视图如图 所示，主要由导轨底座框架、直线导轨、滑车底座、伺服电机及齿轮传动机构、拖链组件和调平固定支脚等部分组成。底座框架是附加轴导轨的固定支撑骨架，应具备结构稳定、支撑强度高、抗变形能力强、加工制作
GB/T 6728—2002
简单等特点，采用符合国家标准的双列通用冷弯空心型矩形管作为底座框架的支
180 mm×100 mm，
撑横梁，矩形管端面外形尺寸为矩形管横梁两侧对称焊接直线导轨安装基板，两矩形管横梁之间焊接方管钢和支撑连接板筋，矩形管横梁左侧通过过渡方管钢焊接齿条安装基板，矩形管横梁底部焊接地脚支撑板，顶部通过装配式结构安装附加轴导轨盖板，在齿条安装基板上也装配有齿条盖板。附加轴导轨盖板和齿条盖板能够起到较好的防护作用。焊接件整体焊接完成之后进行退火去应力处理，其中直线导轨安装面和齿条安装面为机加工表面，均应在焊接件退火去应力处理之后进行机加工处理。
直线导轨起着连接导轨底座框架和机器人滑车底座的作用，能够使滑车底座在伺服电机齿轮齿条传动机构驱动下在底座框架上来回顺畅滑
1
动，如表 是所使用的滚柱型直线导轨的主要性能技术参数。公称型 基本静额 基本动额 载荷等效
品牌 类型号 定载荷 定载荷 系数
SRN x1y THK 四方向等负 131 kn 266 kn 55R
荷型 （、）
4 L
底座滑车组件通过 个 型连接件安装固定
4
在直线导轨的 个滑块上，底座滑车组件的整体结构为焊接结构，焊接完成之后进行退火去应力处理，其中机器人底座安装面、伺服电机安及齿轮传
动组件安装面、L
型连接件安装面为机加工表面，均应在焊接件退火去应力处理之后进行机加工处理。底座滑车组件设计有伺服电机防护外罩，防护外罩周围设计有通风散热孔，对于伺服电机能够起到较好的防护和通风降温作用。附加轴导轨伺服电机可选择采购与机器人品牌相配套的伺服电机型号，伺服电机通过轴承套
2个
筒与驱动齿轮装配式连接，在齿轮轴肩上设计内径大小不一的滚动轴承，既方便齿轮的安装装配，也有利于提高驱动过程中的齿轮旋转轴抗弯强度，对伺服电机输出轴起到保护作用。伺服电机及齿轮传动机构通过轴承套筒固定在底座滑车
5
上。图 所示为底座滑车组件和伺服电机齿轮传动机构的三维模型的轴测图和端面视图。附加轴导轨的拖链组件通过装配式连接结构安装在导轨底座框架上，拖链组件横梁外侧设计有可调节支撑地脚，提高拖链横梁的承载能力，拖6链组件三维模型轴测图如图 所示。
4 直线导轨的使用寿命分析
在对直线导轨进行使用寿命分析时，使用的
540 kg，机器人手臂安装的工装
机器人本体质量为夹具及滑车底座上安装的其他附属设备的质量为
200 kg。机器人在急停时所受到的最大载荷如表2
所示。载荷 垂直方向力 垂直方向所 水平方向力 水平方向所
类型 矩 Mv 受力Fv 矩 MH 受力FH
载荷 16.8 kn·m 9.8 kn 6.5 kn·m 7.1 kn
大小
=622 mm，
两侧直线导轨之间的横向距离为lw
=580 mm，单程行
导轨上前后滑块之间的距离为lo
6m。
程 附加轴直线导轨安装在支撑底座框架两侧，
7。
其所受载荷可简化为图
4.1 直线导轨静态载荷安全系数计算
机器人在启动停止加减速过程和急停过程中所受到的载荷较大，现以机器人在急停过程中所受到的载荷为例分析计算直线导轨滑块所受到的最大载荷如下。