作者：周文寶
職務：沈陽百格機器人有限公司技術部經理
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產品：德國BergerLahr公司和Roboworker公司中國總代理
一、 直角坐標機器人介紹
機器人按ISO 8373定義為：位置可以固定或移動、能夠實現自動控制、可重復編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個或3個以上自由度內可編程的工業自動化設備。這里自由度就是指可運動或轉動的軸。作為在各行各業中被廣泛應用直角坐標機器人主要是以直線運動軸為主，各個運動軸通常對應直角坐標系中的X軸，Y軸和Z軸，一般X軸和Y軸是水平面內運動軸，Z軸是上下運動軸。在一些應用中Z軸上帶有一個旋轉軸，或帶有一個擺動軸和一個旋轉軸。在絕大多數情況下直角坐標機器人的各個直線運動軸間的夾角為直角。直角坐標機器人不僅經濟性好，編程簡單和易維修，而且可以方便組合成各種樣式結構的機器人，其帶載能力從10公斤到幾噸，超大行程到幾十米，最高運行速度可達到每秒8米，加速度可達到每秒4米，重復定位精度可達到0.05mm或0.01mm。
在現代化制造業中，經常要把幾百公斤到上噸的工件從一個工位搬到另一個工位。搬運過程有時是2D的XZ方式運動，有時是3D的XYZ方式運動，有時搬運到位后還要把工件轉動90度。而搬運一般要求幾個方向同時運動，速度通常是30米/分到60米/分，最大加速度可達到2m/s2，當上下運動的Z軸較長時，幾個方向同時減速會產生非常強大的沖擊力和晃動。而在很多應用中對晃動要求很小，定位精度通常達到0.1mm。直角坐標機器人非常適用上面的這些要求，但在實際應用中有很多參數必須經過嚴格計算來確定，下面結合一個應用例子來介紹龍門式機器人是如何實現大負載大行程高速運轉的。
二、任務描述
在一些大型精密機械和機電設備的生產過程中，對于需要經常傳動但又要防止生銹的工件來說，油浸處理就非常的必要。本項目中需要搬運的工件及對應抓取手爪的總重量為350kg，其水平運動距離為4米，而上下運動行程為2米，運行速度為1米/秒。那么采用龍門機器人搬運就顯得非常的必要。本項目為浸油輸送線的一部分，用機械手浸油，浸油輸送線主要完成自動上下料、機械手搬運浸油、吹氣淋油、工件輸送、碼箱、輸送到穿梭車等工作。工件輸送都是放在浸油筐中來實現，避免了工件間，及工件和操作臺、輸送軌道間的磕碰，即保證了工件的質量，又達到了工件浸油防銹的目的。
輸送線的起始部分為工件存放處，主要功能就是把加工車間加工完成的齒輪、軸等工件放到浸油筐中，然后由中轉小車把若干浸油筐運到上料輸送輥道上，然后由機器人抓取浸油。浸油機械手為浸油過程的主要設備，當通過前段的輥道輸送線把浸油筐輸送到位后，定位系統完成浸油筐的定位，定位準備好后發給機械手上料指令；機械手在左端就緒位置下降500毫米，然后抓取浸油筐后上升200毫米，XZ軸再同時運動，其中Z軸上升300毫米，X軸高速運動2000毫米。這時浸油筐到達油箱的上方，要下降2000毫米及停頓2秒保證充分浸油，然后上升2000毫米后繼續右行，右行到位下降，機械手把浸油筐放到輸送線上，繼續前行準備吹氣淋油，機械手返回到左端的原始位置，準備對下一浸油筐進行浸油。
三、選型理論分析
針對該任務要求及現場空間位置限制，我們先選定機器人的形式是二維XZ直角坐標機器人，然后進行運動節拍和速度分析。根據速度分析得出各個軸各自的最大加速度和減速度。然后再計算出單獨運動和兩軸同時運動時產生的最大沖擊力。這里計算出XYZ三個方向的最大沖擊力Fx,Fy和Fz及產生的扭曲力矩Mx,My和Mz。當XZ兩個軸同時減速時的最大沖擊力是合成減速度，要以合成減速度來計算Fx,Fy和Fz及產生的扭曲力矩Mx,My和Mz。在計算不同軸扭曲力矩Mx,My和Mz時要考慮等效負載的重心位置，總重力和減速時產生的沖擊力。
Z軸選型分析：在選擇上下運動的Z軸時，根據先面計算出的最大沖擊力Fx,Fy和Fz及產生的扭曲力矩Mx,My和Mz，采用了兩根Roboworker RSL90運動軸和120mm寬超強齒型帶組成的復合軸。由于總長度幾乎達到了3米，在X軸以1米/秒速度下快速減速時對Z軸產生非常強大的沖擊力和晃動。為了有更大的抗沖擊能力和產生小的晃動，對兩根RSL90運動軸我們采用四個超長滑塊，上下兩端采用40毫米厚的高強度連接鋁板。選用的120mm寬超強齒型的額定拉力是2000 KG，破壞拉力達7000 KG。Z軸的實際帶載能力可達800 KG，帶350KG的負載可以長期高效可靠工作。
X軸選型分析：采用了兩根5米長的德國Roboworker RSL90運動軸，每根運動軸帶兩個滑塊。單個300mm滑塊RSL90型運動軸的最大負載能力可達360KG，這里采用的雙滑塊剛性聯結負載能力可以增加5倍。當把兩根運動軸并排剛性連接起來使用時，其負載能力可以增加2倍，所以這里采用的雙軸雙滑塊結構其負載能力可增加到2噸。而負載（含手爪），Z軸及Z軸與X軸的連接板和驅動電機等總重量大約600 KG，所以兩根運動軸四滑塊結構完全能承受600KG負載及加減速時產生的沖擊力。兩根X軸鋁材的底面與支架上面鋼板全部完全接觸，支架的強度很高，所以不會產生任何壓力變形。
XZ軸連接板的設計：連接板的設計不僅要考慮機械方面的裝配配合精度，材料的物理強度，連接螺絲桿的拉力等，更要考慮在主要受沖擊方向加大加強連接板，必要時增加連接板。主要螺絲桿和螺絲帽要加膠，以防長期振動后變松動。
四、電機和驅動器選型:
該機器人的運行速度達1米/秒，加速度2m/s2，，選擇的驅動電機必須有足夠的驅動力，通常要比理論計算值高出100%。選擇Z軸電機時要考慮Z軸和負載的自重，整個Z軸運動的加速力和磨擦力。選用德國Neugart精密行星減速機和德國帶抱閘的伺服電機，負載的轉動慣量與驅動電機的轉動慣量比值為5.12，實際最大出力比所需求的最大出力超出289%，安全系數為289%。X軸的驅動選用德國Neugart精密行星減速機和德國產伺服電機，負載的轉動慣量與驅動電機的轉動慣量比值為6.82，出力安全系數為212%。數控系統選用德國恩格哈公司的D22數控系統。該系統穩定性高，易二次開發，這里主要用G代碼G01和G04。
現場安裝：機器人在加速和減速時會產生強大的沖擊力，而且通常每天要工作24小時，所以機器人必須被牢固地安裝在支架上。機器人的支架要有足夠的抗沖擊力，要有地腳，以保證在長期高速高動態運動沖擊下，沒有任何晃動。此外在安裝時要保證運動軸間的平行度、平面度和垂直度。右面的圖像是現場安裝后的照片。
五、結論
采用ROBOWORKER公司的機器人后使上面的產品生產速度和質量大為提高，而且省去大量人力和財力。該機器人運行半年后就收回所投入的成本。該機器人運行一年來非常平穩可靠，在正常維護下至少運行十年。這是沈陽萊茵機點公司2007年在國內目前做成的最大負載機器人，從中積累了許多實際經驗，為以后其它應用提供更大行程，更大負載的高動態龍門機器人和懸臂機器人打下了很好的基礎。目前還有兩臺500公斤負載，大約4*2*1米有效行程的上下料機器人正在進行中。隨著大批量全自動化生產工業的迅猛發展，這類直角坐標機器人將具有更加廣范的市場前景和發展潛力！
