如何選擇正確的直角坐標(biāo)機(jī)器人
作者：李剛
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一 直角坐標(biāo)機(jī)器人的定義及主要特點(diǎn)
機(jī)器人按ISO 8373定義為：位置可以固定或移動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個(gè)或3個(gè)以上自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。這里自由度就是指可運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的軸。直角坐標(biāo)機(jī)器人是以直線運(yùn)動(dòng)軸為主，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸通常對(duì)應(yīng)直角坐標(biāo)系中的X軸，Y軸和Z軸。在絕大多數(shù)情況下直角坐標(biāo)機(jī)器人的各個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸間的夾角為直角。
直角坐標(biāo)機(jī)器人主要由一些直線運(yùn)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制系統(tǒng)和末端操作器組成。針對(duì)不同的應(yīng)用，可以方便快速組合成不同維數(shù)，不同行程和不同帶載能力的壁掛式、懸臂式、龍門式或倒掛式等各種形式的直角坐標(biāo)機(jī)器人。從簡單的二維機(jī)器人到復(fù)雜的五維機(jī)器人就有上百種結(jié)構(gòu)形式的成功應(yīng)用案例。從食品生產(chǎn)到汽車裝配等各行各業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線中，都有各式各樣的多臺(tái)直角坐標(biāo)機(jī)器人和其它設(shè)備嚴(yán)格同步協(xié)調(diào)工作。可以說直角坐標(biāo)機(jī)器人幾乎能勝任幾乎所有的工業(yè)自動(dòng)化任務(wù)。下面是其主要特點(diǎn)：
1任意組合成各種結(jié)構(gòu)樣式，帶載能力和尺寸的機(jī)器人。
2采用多根直線運(yùn)動(dòng)單元級(jí)連和齒輪齒條傳動(dòng)，可以形成幾十米的超大行程機(jī)器人。
3采用多根直線運(yùn)動(dòng)單元平連或帶多滑塊結(jié)構(gòu)時(shí)其負(fù)載能力可增加到數(shù)噸。
4 其最大運(yùn)行速度可達(dá)到每秒8米，加速度可達(dá)到每秒4米。
5 重復(fù)定位精度可達(dá)到0.05mm~0.01mm。
6 采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數(shù)控系統(tǒng)能完成非常復(fù)雜軌跡的工作。
沈陽萊茵機(jī)電有限公司從1995年以來代理銷售德國百格拉公司的直角坐標(biāo)機(jī)器人，配合不同行業(yè)的用戶成功地解決了他們的自動(dòng)化任務(wù)。在這10多年中公司派人到德國百格拉公司培訓(xùn)4次，每次1周時(shí)間，德國百格拉公司的技術(shù)人員也到中國來幫助培訓(xùn)我公司的員工，還到如深圳新松公司等用戶處進(jìn)行培訓(xùn)和編程等服務(wù)。從了解任務(wù)，選擇設(shè)計(jì)機(jī)器人，到用戶處安裝調(diào)試直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求，我們不斷積累經(jīng)驗(yàn)，提高服務(wù)能力，下面就介紹如何選擇合適的直角坐標(biāo)機(jī)器人。
二、直角坐標(biāo)機(jī)器人的選型
1 使用要求分析
對(duì)于選型的人員首先要有物理運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)，材料力學(xué)基礎(chǔ)，伺服驅(qū)動(dòng)使用和數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但最主要是把問題和要求等介紹很清楚。對(duì)于簡單任務(wù)和有經(jīng)驗(yàn)的工程師通過電話和郵件就可以溝通好，而對(duì)復(fù)雜的任務(wù)要到現(xiàn)場雙方共同分析和制定任務(wù)描述，給出具體合理的要求。下面是主要的數(shù)據(jù)和信息：
機(jī)器人的工作任務(wù)，
手抓和負(fù)載的總重量，
一個(gè)完整的工作周期是多少秒，可能分解成的子運(yùn)動(dòng)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間，
運(yùn)動(dòng)和取抓過程中與其它設(shè)備的同步/握手要求，
各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的有效運(yùn)動(dòng)長度及允許的最大運(yùn)行速度，
機(jī)器人工作周圍空間上的限制，
使用環(huán)境有粉末，高溫，濕度等特殊防護(hù)要求，
2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式選擇
根據(jù)前面“使用要求分析”中獲得的信息資料來選擇機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式。原則上盡可能選擇龍門式直角坐標(biāo)機(jī)器人，但有時(shí)受工作空間限制必須選擇懸臂式。在食品搬運(yùn)和玻璃切割等項(xiàng)目中會(huì)產(chǎn)生大量粉末,傷害運(yùn)動(dòng)軸里面的導(dǎo)軌，此時(shí)最好采用吊掛式機(jī)器人。有時(shí)根據(jù)負(fù)載及運(yùn)動(dòng)距離和空間限制必須選用掛臂式。根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)來確定負(fù)載的運(yùn)動(dòng)位置精度要求，要考慮減速時(shí)晃動(dòng)產(chǎn)生的位置誤差。根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)及其工作空間上的限制來確定運(yùn)動(dòng)軸數(shù)量及各自運(yùn)動(dòng)行程。
3 規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡及計(jì)算運(yùn)動(dòng)速度
根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)和空間限制來規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡。盡可能減少運(yùn)動(dòng)距離，對(duì)工作周期要求嚴(yán)的應(yīng)用要盡可能運(yùn)用多軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)來減少運(yùn)動(dòng)時(shí)間和降低運(yùn)動(dòng)速度。抓取負(fù)載后運(yùn)動(dòng)速度要低，空載返回原始點(diǎn)時(shí)要快。負(fù)載大時(shí)加速度和減速度要小，盡可能避免產(chǎn)生巨大的沖擊力。根據(jù)上面的原則給出各段運(yùn)動(dòng)的速度，加速度和減速度。各個(gè)運(yùn)動(dòng)段間盡可能平穩(wěn)變速以保證工作周期,減少?zèng)_擊力和運(yùn)行噪音。在運(yùn)動(dòng)速度分配時(shí)要充分考慮各個(gè)運(yùn)動(dòng)過程與其它設(shè)備間的同步協(xié)調(diào)時(shí)間，而且規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)時(shí)間要比用戶要求的時(shí)間短些。
4 受力分析
根據(jù)速度分析得出各個(gè)軸的最大加速度和減速度。然后再計(jì)算出多軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的合成最大減速度。選擇獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的減速度和同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)合成減速度二者中大的減速度，根據(jù)這個(gè)最大的減速度計(jì)算出XYZ三個(gè)方向的最大沖擊力Fx, Fy和Fz及產(chǎn)生的最大扭曲力矩Mx, My和Mz。在計(jì)算不同軸扭曲力矩Mx, My和Mz時(shí)要考慮等效負(fù)載的重心位置，總重力和減速時(shí)產(chǎn)生的沖擊力。
5 變形分析
繞度形變僅在大跨度懸空方式下，而且受力很大的情況下才發(fā)生。其繞度形變量的計(jì)算方法見下面的公式。 但Z軸和X軸的安裝方式保證了本公司機(jī)器人沒有繞度形變發(fā)生或繞度形變極其微小可以忽略不計(jì)。
f = (F×L3)/(E×I×192)
f：撓度形變 (mm) f≤ 1 mm
F：負(fù)載壓力 (N)
L：導(dǎo)軌長度 (mm)
E：彈性模量(70,000N/mm2)
I：面積平方（mm4）
在很多任務(wù)中可以允許在運(yùn)動(dòng)中有一定量的變形，但在玻璃切割機(jī)等數(shù)控設(shè)備類的應(yīng)用中是不允許產(chǎn)生變形的。為此我們要根據(jù)前面求出的最大力來查看各種型號(hào)運(yùn)動(dòng)軸的變形量曲線。必要時(shí)可以選擇加強(qiáng)性，加加強(qiáng)板等，詳情請(qǐng)與沈陽百格機(jī)器人公司聯(lián)系。
6 選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)
根據(jù)直線定位單元驅(qū)動(dòng)軸的最高轉(zhuǎn)速來選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸的最高轉(zhuǎn)速低于600轉(zhuǎn)/分時(shí)通常選用步進(jìn)電機(jī)，否則要選用交流伺服電機(jī)。但交流伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速不要超過3000轉(zhuǎn)/分，否則影響其壽命。當(dāng)選用步進(jìn)電機(jī)做驅(qū)動(dòng)軸時(shí)，其負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要小于12，當(dāng)選用伺服電機(jī)做驅(qū)動(dòng)軸時(shí)，其負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要小于8，否則影響其高動(dòng)態(tài)特性。但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比大于上面的數(shù)值時(shí)，要加德國扭卡特公司的精密行星減速機(jī)。在不超過驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速限制情況下，要盡量選擇大減速比的減速機(jī)。為了保證高的動(dòng)態(tài)特性，保證在約定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大出力要比理論計(jì)算值至少高出85%。我們通常所選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大出力要比理論計(jì)算值至少高出100%，而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要小于5。還要考慮所選擇的伺服電機(jī)能與德國扭卡特公司的精密行星減速機(jī)匹配，減速機(jī)要能安裝到驅(qū)動(dòng)軸上，及電機(jī)的控制方式與數(shù)控系統(tǒng)相配合。有關(guān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)的詳細(xì)技術(shù)數(shù)據(jù)和使用注意事項(xiàng)請(qǐng)與沈陽百格機(jī)器人公司聯(lián)系。
7 確定機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸
根據(jù)上面6個(gè)方面的信息和數(shù)據(jù)就可以最終選定機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式及每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的具體型號(hào)和長度等，通常我們能從圖片庫中找出同樣結(jié)構(gòu)的照片，這里的照片是指CAD圖或以往用戶機(jī)器人的照片。還要設(shè)計(jì)好各個(gè)軸間的連接板，不僅要考慮機(jī)械方面的裝配配合精度，材料的物理強(qiáng)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(qiáng)連接板，必要時(shí)增加連接板。主要螺絲桿和螺絲帽要加膠，以防長期振動(dòng)后變松動(dòng)。
機(jī)器人在加速和減速時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，而且通常每天要工作24小時(shí)，所以機(jī)器人必須被牢固地安裝在支架上。機(jī)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(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)沖擊下，沒有任何晃動(dòng)。此外在安裝時(shí)要保證運(yùn)動(dòng)軸間的平行度、平面度和垂直度。
8，選擇末端操作器——手爪系統(tǒng)
根據(jù)其具體應(yīng)用情況，其手爪系統(tǒng)可能是氣動(dòng)吸盤，氣動(dòng)夾取手爪，電動(dòng)夾取手爪，電磁吸取手爪，焊槍，膠槍，專用工具和檢測儀器等。在很多場合可以一次抓取多個(gè)工件。
9 選擇控制系統(tǒng)
機(jī)器人要在一定時(shí)間內(nèi)完成特定的任務(wù)，比如每10秒內(nèi)完成一次搬運(yùn)工作。在完成抓取，加減速運(yùn)動(dòng)，高速運(yùn)動(dòng)，釋放工件等同時(shí)，還要與相關(guān)的設(shè)備通過通訊或I/O口實(shí)現(xiàn)一些時(shí)序上的協(xié)調(diào)同步。在涂膠應(yīng)用上，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸要完成直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。因此其數(shù)控系統(tǒng)要按具體應(yīng)用要求來選定其控制軸數(shù)，I/O口數(shù)量和軟件功能。通常選用數(shù)控系統(tǒng)，PLC，工控機(jī)加運(yùn)動(dòng)控制卡和帶軸卡功能及I/O口的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。對(duì)于很多任務(wù)我們選擇德國Engelhardt公司的數(shù)控系統(tǒng), 對(duì)于負(fù)載任務(wù)我們選擇德國Movtec公司的運(yùn)動(dòng)控制卡。有關(guān)上面兩種數(shù)控系統(tǒng)的詳細(xì)資料請(qǐng)與沈陽百格機(jī)器人公司索取。
10 技術(shù)協(xié)議
每臺(tái)機(jī)器人都有運(yùn)行速度，重服定位精度和各種特定功能等技術(shù)要求，在簽合同時(shí)務(wù)必要簽訂技術(shù)協(xié)議，驗(yàn)收內(nèi)容和驗(yàn)收方式等。要學(xué)會(huì)機(jī)器人的保養(yǎng)。有關(guān)機(jī)器人的保養(yǎng)資料請(qǐng)與沈陽百格機(jī)器人公司聯(lián)系。
上面的內(nèi)容是本人12年來從事直角坐標(biāo)機(jī)器人方面工作所積累的一些經(jīng)驗(yàn)，由于時(shí)間倉促不夠詳細(xì)，歡迎感興趣的朋友來一起探討，共同推動(dòng)直角坐標(biāo)機(jī)器人在國內(nèi)各行業(yè)的應(yīng)用。
