直角坐標(biāo)機(jī)器人

1 概念

　　直角坐標(biāo)機(jī)器人是以XYZ直角坐標(biāo)系統(tǒng)為基本數(shù)學(xué)模型，以伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)的單軸機(jī)械臂為基本工作單元，以滾珠絲桿、同步皮帶、齒輪齒條為常用的傳動(dòng)方式所架構(gòu)起來的機(jī)器人系統(tǒng)，可以完成在XYZ三維坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)的到達(dá)和遵循可控的運(yùn)動(dòng)軌跡。

　　直角坐標(biāo)機(jī)器人采用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對其的驅(qū)動(dòng)及編程控制，直線、曲線等運(yùn)動(dòng)軌跡的生成為多點(diǎn)插補(bǔ)方式，操作及編程方式為引導(dǎo)示教編程方式或坐標(biāo)定位方式。

2 特點(diǎn)

　　1、自由度運(yùn)動(dòng)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度之間的空間夾角為直角；

　　2、自動(dòng)控制的，可重復(fù)編程，所有的運(yùn)動(dòng)均按程序運(yùn)行；

　　3、一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、操作工具等組成。

　　4、靈活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。

　　5、高可靠性、高速度、高精度。

　　6、可用于惡劣的環(huán)境，可長期工作，便于操作維修。

3 應(yīng)用

　　作為一種成本低廉、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的自動(dòng)化機(jī)器人系統(tǒng)解決方案，直角坐標(biāo)機(jī)器可以被應(yīng)用于點(diǎn)膠、滴塑、噴涂、碼垛、分揀、包裝、焊接、金屬加工、搬運(yùn)、上下料、裝配、印刷等常見的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，在替代人工，提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量等方面都具備顯著的應(yīng)用價(jià)值。

　　針對不同的應(yīng)用場合，對直角坐標(biāo)機(jī)器人有不同的設(shè)計(jì)要求，比如根據(jù)對精度、速度的要求選擇不同的傳動(dòng)方式，根據(jù)特定的工藝要求為末端工作頭選擇不同的夾持設(shè)備（夾具、爪手、安裝架等），以及對于示教編程，坐標(biāo)定位、視覺識(shí)別等工作模式的設(shè)計(jì)選擇等，從而使之能滿足于不同領(lǐng)域、不同工況的應(yīng)用要求。

4 設(shè)計(jì)

　　特點(diǎn)

　　1、機(jī)器人的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工作，工作量很大，涉及的知識(shí)面很多，往往需要多人完成。2、機(jī)器人設(shè)計(jì)是面向客戶的設(shè)計(jì)，不是閉門造車。設(shè)計(jì)者需要經(jīng)常和用戶在一起，不停分析用戶要求，尋求解決方案。

　　3、機(jī)器人設(shè)計(jì)是面向加工的設(shè)計(jì)，再好的設(shè)計(jì)，如果工廠不能加工出產(chǎn)品，設(shè)計(jì)也是失敗的，設(shè)計(jì)者需要掌握大量的加工工藝及加工手段。

　　4、機(jī)器人設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷完善的過程。

　　流程

　　1、使用要求的分析：每一個(gè)機(jī)器人都是根據(jù)特定的要求的產(chǎn)生而設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)的第一步就是要將使用要求分析清楚，確定設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的參數(shù)，包括：機(jī)器人的定位精度，重復(fù)定位精度；機(jī)器人的負(fù)載大小，負(fù)載特性；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的自由度數(shù)量，每自由度的運(yùn)動(dòng)行程；機(jī)器人的工作周期或運(yùn)動(dòng)速度，加減速特性；機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，動(dòng)作的關(guān)聯(lián)；機(jī)器人的工作環(huán)境、安裝方式；機(jī)器人的運(yùn)行工作制、運(yùn)行壽命；其他特殊要求；

　　2、 本機(jī)械模型初建：機(jī)器人從機(jī)械結(jié)構(gòu)分大體可分為龍門結(jié)構(gòu)、壁掛結(jié)構(gòu)，垂掛結(jié)構(gòu)，根據(jù)安裝空間的要求選擇不同的結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、運(yùn)動(dòng)特性都是不一樣的。后續(xù)的設(shè)計(jì)必須是基于一個(gè)確定的結(jié)構(gòu)。 機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)圖三

　　3、運(yùn)動(dòng)性能計(jì)算：有關(guān)該性能的參數(shù)有：平均速度：V=S/t 速度曲線四最大速度：Vmax=at加速度/減速度：a=F/m其中：S為運(yùn)動(dòng)行程t為定位運(yùn)動(dòng)時(shí)間F加速時(shí)的驅(qū)動(dòng)力M運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)量和

　　4、力學(xué)特性分析一個(gè)機(jī)器人是由許多定位單元組成的，每根定位系統(tǒng)都要分析。需要分析的項(xiàng)目如下：水平推力Fx 力學(xué)分析圖五正壓力Fz側(cè)壓力FyMx、My、Mz5、機(jī)械強(qiáng)度校核：每個(gè)定位單元，每個(gè)梁都要進(jìn)行校核，尤其雙端支撐梁和懸臂梁。1） 撓度變形計(jì)算撓度變形圖六F：負(fù)載（N）；L：定位單元長度（mm）；E：材料彈性模量；I：材料截面慣性矩(mm4)；f：撓度形變（mm）

5 注意

　　在計(jì)算撓度形變時(shí)，梁的自重產(chǎn)生的變形不能忽視，梁的自重按均布載荷計(jì)算。

　　以上公式計(jì)算的是靜態(tài)形變，實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)闄C(jī)器人一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須計(jì)算加速力產(chǎn)生的形變，形變直接影響機(jī)器人的運(yùn)行精度。

　　2）扭轉(zhuǎn)形變計(jì)算：

　　當(dāng)一根梁的一端固定，另一端施加一個(gè)繞軸扭矩后，將產(chǎn)生扭曲變形。實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生該形變的原因一般是負(fù)載偏心或有繞軸加速旋轉(zhuǎn)的物體存在。

　　扭轉(zhuǎn)力矩分析圖七、八

6 驅(qū)動(dòng)元件選擇

　　常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有：交流/直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直線伺服電機(jī)/直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

　　每一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都由電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。驅(qū)動(dòng)器的作用是將弱電信號(hào)放大，將其加載在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的強(qiáng)電上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)則是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成精確的速度及角位移。

　　需要計(jì)算的項(xiàng)目如下：

　　電機(jī)功率：

　　電機(jī)扭矩：

　　電機(jī)轉(zhuǎn)速：

　　減速機(jī)減速比

　　電機(jī)慣量/負(fù)載慣量的匹配關(guān)系

　　其他計(jì)算公式及計(jì)算方法請與沈陽力拓公司聯(lián)系。

7 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　在完成了前面六項(xiàng)工作后，一個(gè)直角坐標(biāo)機(jī)器人定位系統(tǒng)的雛形就已經(jīng)在設(shè)計(jì)者的頭腦中形成了，接下來的工作就是將雛形畫成工程圖，以便生產(chǎn)。我們建議用戶用三維軟件設(shè)計(jì)，以便檢查是否存在位置干涉。

　　機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡具有不確定性，靈活多變，往往在一個(gè)位置不存在位置干涉，但到下一個(gè)位置就干涉了。

8 設(shè)備壽命校核

　　機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，要對整臺(tái)設(shè)備進(jìn)行壽命計(jì)算，核心元件的壽命到要計(jì)算，如機(jī)器人軌道的壽命，減速機(jī)的壽命，伺服電機(jī)的壽命等。

　　機(jī)器人的運(yùn)行壽命與運(yùn)行速度、負(fù)載大小、結(jié)構(gòu)形式、工作環(huán)境、工作制等有關(guān)。

　　如果發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)行壽命太短，需要重新調(diào)整設(shè)計(jì)。

　　具體計(jì)算方法請與沈陽力拓公司聯(lián)系。

9 控制系統(tǒng)的選擇

　　沒有控制系統(tǒng)的機(jī)器人就象人沒有大腦一樣，不能執(zhí)行任何動(dòng)作。所以我們通常將沒有配備控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)稱為裸機(jī)或機(jī)器人定位系統(tǒng)（robot positioning system）。

　　根據(jù)要求的不同，控制系統(tǒng)的選擇也不同，通常選擇作為控制系統(tǒng)的產(chǎn)品有：

　　PLC 程序控制器；

　　工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡（motion card）;

　　數(shù)字控制系統(tǒng)(CNC)

　　專業(yè)控制器

10 程序編寫

　　控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，程序是機(jī)器人的思想。程序的編寫直接反應(yīng)設(shè)計(jì)者的思想、意圖和運(yùn)動(dòng)需求。

　　編寫程序是一個(gè)復(fù)雜的過程，但只要機(jī)器人總體設(shè)計(jì)沒有問題，程序總會(huì)編出來的。編程序要注意以下問題：

　　對任務(wù)的分析要清晰，編程層次要分明，邏輯清晰。