直角坐標機器人

1 概念

　　直角坐標機器人是以XYZ直角坐標系統(tǒng)為基本數(shù)學模型，以伺服電機、步進電機為驅(qū)動的單軸機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方式所架構(gòu)起來的機器人系統(tǒng)，可以完成在XYZ三維坐標系中任意一點的到達和遵循可控的運動軌跡。

　　直角坐標機器人采用運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)對其的驅(qū)動及編程控制，直線、曲線等運動軌跡的生成為多點插補方式，操作及編程方式為引導示教編程方式或坐標定位方式。

2 特點

　　1、自由度運動，每個運動自由度之間的空間夾角為直角；

　　2、自動控制的，可重復編程，所有的運動均按程序運行；

　　3、一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、機械系統(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)簡單的自動化機器人系統(tǒng)解決方案，直角坐標機器可以被應(yīng)用于點膠、滴塑、噴涂、碼垛、分揀、包裝、焊接、金屬加工、搬運、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)用價值。

　　針對不同的應(yīng)用場合，對直角坐標機器人有不同的設(shè)計要求，比如根據(jù)對精度、速度的要求選擇不同的傳動方式，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，坐標定位、視覺識別等工作模式的設(shè)計選擇等，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

　　特點

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

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

　　4、機器人設(shè)計是一個不斷完善的過程。

　　流程

　　1、使用要求的分析：每一個機器人都是根據(jù)特定的要求的產(chǎn)生而設(shè)計的，設(shè)計的第一步就是要將使用要求分析清楚，確定設(shè)計時需要考慮的參數(shù)，包括：機器人的定位精度，重復定位精度；機器人的負載大小，負載特性；機器人運動的自由度數(shù)量，每自由度的運動行程；機器人的工作周期或運動速度，加減速特性；機器人的運動軌跡，動作的關(guān)聯(lián)；機器人的工作環(huán)境、安裝方式；機器人的運行工作制、運行壽命；其他特殊要求；

　　2、 本機械模型初建：機器人從機械結(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)的力學特性、運動特性都是不一樣的。后續(xù)的設(shè)計必須是基于一個確定的結(jié)構(gòu)。 機器人的基本結(jié)構(gòu)圖三

　　3、運動性能計算：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為運動行程t為定位運動時間F加速時的驅(qū)動力M運動物體質(zhì)量和

　　4、力學特性分析一個機器人是由許多定位單元組成的，每根定位系統(tǒng)都要分析。需要分析的項目如下：水平推力Fx 力學分析圖五正壓力Fz側(cè)壓力FyMx、My、Mz5、機械強度校核：每個定位單元，每個梁都要進行校核，尤其雙端支撐梁和懸臂梁。1） 撓度變形計算撓度變形圖六F：負載（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

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

　　以上公式計算的是靜態(tài)形變，實際應(yīng)用中，因為機器人一直處于運動狀態(tài)，必須計算加速力產(chǎn)生的形變，形變直接影響機器人的運行精度。

　　2）扭轉(zhuǎn)形變計算：

　　當一根梁的一端固定，另一端施加一個繞軸扭矩后，將產(chǎn)生扭曲變形。實際應(yīng)用中產(chǎn)生該形變的原因一般是負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)動元件選擇

　　常用的驅(qū)動系統(tǒng)有：交流/直流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)、步進電機驅(qū)動系統(tǒng)、直線伺服電機/直線步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。

　　每一個驅(qū)動系統(tǒng)都由電機和驅(qū)動器兩部分組成。驅(qū)動器的作用是將弱電信號放大，將其加載在驅(qū)動電機的強電上，驅(qū)動電機。電機則是將電信號轉(zhuǎn)化成精確的速度及角位移。

　　需要計算的項目如下：

　　電機功率：

　　電機扭矩：

　　電機轉(zhuǎn)速：

　　減速機減速比

　　電機慣量/負載慣量的匹配關(guān)系

　　其他計算公式及計算方法請與沈陽力拓公司聯(lián)系。

7 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　在完成了前面六項工作后，一個直角坐標機器人定位系統(tǒng)的雛形就已經(jīng)在設(shè)計者的頭腦中形成了，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，以便檢查是否存在位置干涉。

　　機器人的運動軌跡具有不確定性，靈活多變，往往在一個位置不存在位置干涉，但到下一個位置就干涉了。

8 設(shè)備壽命校核

　　機械結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，要對整臺設(shè)備進行壽命計算，核心元件的壽命到要計算，如機器人軌道的壽命，減速機的壽命，伺服電機的壽命等。

　　機器人的運行壽命與運行速度、負載大小、結(jié)構(gòu)形式、工作環(huán)境、工作制等有關(guān)。

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

　　具體計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)的機器人就象人沒有大腦一樣，不能執(zhí)行任何動作。所以我們通常將沒有配備控制系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)稱為裸機或機器人定位系統(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)運動控制卡（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)是機器人的大腦，程序是機器人的思想。程序的編寫直接反應(yīng)設(shè)計者的思想、意圖和運動需求。

　　編寫程序是一個復雜的過程，但只要機器人總體設(shè)計沒有問題，程序總會編出來的。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。