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(xiàn)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(yè)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(yè)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(shù)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(xiàn)代化制造業(yè)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)，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(tǒng)完成浸油筐的定位，定位準備好后發(fā)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(xù)右行，右行到位下降，機械手把浸油筐放到輸送線上，繼續(xù)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#p#分頁標題#e#

      針對該任務要求及現(xiàn)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(jié)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(lián)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(shù)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(shù)為212%。數(shù)控系統(tǒng)選用德國恩格哈公司的D22數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，易二次開發(fā)，這里主要用G代碼G01和G04。

#p#分頁標題#e#      現(xiàn)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(tài)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(xiàn)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(wěn)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(tài)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(yè)的迅猛發(fā)展，這類直角坐標機器人將具有更加廣范的市場前景和發(fā)展?jié)摿Γ?/span>