一、直角坐標機器人介紹

      機器人按ISO 8373定義(yi) 為(wei) ：位置可以固定或移動、能夠實現自動控製、可重複編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個(ge) 或3個(ge) 以上自由度內(nei) 可編程的工業(ye) 自動化設備。這裏自由度就是指可運動或轉動的軸。作為(wei) 在各行各業(ye) 中被廣泛應用直角坐標機器人主要是以直線運動軸為(wei) 主，各個(ge) 運動軸通常對應直角坐標係中的X軸，Y軸和Z軸，一般X軸和Y軸是水平麵內(nei) 運動軸，Z軸是上下運動軸。在一些應用中Z軸上帶有一個(ge) 旋轉軸，或帶有一個(ge) 擺動軸和一個(ge) 旋轉軸。在絕大多數情況下直角坐標機器人的各個(ge) 直線運動軸間的夾角為(wei) 直角。直角坐標機器人不僅(jin) 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(cong) 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，重複定位精度可達到0.05mm或0.01mm。

      在現代化製造業(ye) 中，經常要把幾百公斤到上噸的工件從(cong) 一個(ge) 工位搬到另一個(ge) 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，有時搬運到位後還要把工件轉動90度。而搬運一般要求幾個(ge) 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(ge) 方向同時減速會(hui) 產(chan) 生非常強大的衝(chong) 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麵的這些要求，但在實際應用中有很多參數必須經過嚴(yan) 格計算來確定，下麵結合一個(ge) 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(chan) 過程中，對於(yu) 需要經常傳(chuan) 動但又要防止生鏽的工件來說，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(wei) 350kg，其水平運動距離為(wei) 4米，而上下運動行程為(wei) 2米，運行速度為(wei) 1米/秒。那麽(me) 采用龍門機器人搬運就顯得非常的必要。本項目為(wei) 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，及工件和操作台、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鏽的目的。

      輸送線的起始部分為(wei) 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，然後由中轉小車把若幹浸油筐運到上料輸送輥道上，然後由機器人抓取浸油。浸油機械手為(wei) 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後，定位係統完成浸油筐的定位，定位準備好後發給機械手上料指令；機械手在左端就緒位置下降500毫米，然後抓取浸油筐後上升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，然後上升2000毫米後繼續右行，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#p#分頁標題#e#

      針對該任務要求及現場空間位置限製，我們(men) 先選定機器人的形式是二維XZ直角坐標機器人，然後進行運動節拍和速度分析。根據速度分析得出各個(ge) 軸各自的最大加速度和減速度。然後再計算出單獨運動和兩(liang) 軸同時運動時產(chan) 生的最大衝(chong) 擊力。這裏計算出XYZ三個(ge) 方向的最大衝(chong) 擊力Fx,Fy和Fz及產(chan) 生的扭曲力矩Mx,My和Mz。當XZ兩(liang) 個(ge) 軸同時減速時的最大衝(chong) 擊力是合成減速度，要以合成減速度來計算Fx,Fy和Fz及產(chan) 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(chan) 生的衝(chong) 擊力。

      Z軸選型分析：在選擇上下運動的Z軸時，根據先麵計算出的最大衝(chong) 擊力Fx,Fy和Fz及產(chan) 生的扭曲力矩Mx,My和Mz，采用了兩(liang) 根Roboworker RSL90運動軸和120mm寬超強齒型帶組成的複合軸。由於(yu) 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(chan) 生非常強大的衝(chong) 擊力和晃動。為(wei) 了有更大的抗衝(chong) 擊能力和產(chan) 生小的晃動，對兩(liang) 根RSL90運動軸我們(men) 采用四個(ge) 超長滑塊，上下兩(liang) 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(liang) 根5米長的德國Roboworker RSL90運動軸，每根運動軸帶兩(liang) 個(ge) 滑塊。單個(ge) 300mm滑塊RSL90型運動軸的最大負載能力可達360KG，這裏采用的雙滑塊剛性聯結負載能力可以增加5倍。當把兩(liang) 根運動軸並排剛性連接起來使用時，其負載能力可以增加2倍，所以這裏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(yu) X軸的連接板和驅動電機等總重量大約600 KG，所以兩(liang) 根運動軸四滑塊結構完全能承受600KG負載及加減速時產(chan) 生的衝(chong) 擊力。兩(liang) 根X軸鋁材的底麵與(yu) 支架上麵鋼板全部完全接觸，支架的強度很高，所以不會(hui) 產(chan) 生任何壓力變形。

      XZ軸連接板的設計：連接板的設計不僅(jin) 要考慮機械方麵的裝配配合精度，材料的物理強度，連接螺絲(si) 杆的拉力等，更要考慮在主要受衝(chong) 擊方向加大加強連接板，必要時增加連接板。主要螺絲(si) 杆和螺絲(si) 帽要加膠，以防長期振動後變鬆動。

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(ge) 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(yu) 驅動電機的轉動慣量比值為(wei) 5.12，實際最大出力比所需求的最大出力超出289%，安全係數為(wei) 289%。X軸的驅動選用德國Neugart精密行星減速機和德國產(chan) 伺服電機，負載的轉動慣量與(yu) 驅動電機的轉動慣量比值為(wei) 6.82，出力安全係數為(wei) 212%。數控係統選用德國恩格哈公司的D22數控係統。該係統穩定性高，易二次開發，這裏主要用G代碼G01和G04。

#p#分頁標題#e#      現場安裝：機器人在加速和減速時會(hui) 產(chan) 生強大的衝(chong) 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衝(chong) 擊力，要有地腳，以保證在長期高速高動態運動衝(chong) 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、平麵度和垂直度。右麵的圖像是現場安裝後的照片。

五、結論

      采用ROBOWORKER公司的機器人後使上麵的產(chan) 品生產(chan) 速度和質量大為(wei) 提高，而且省去大量人力和財力。該機器人運行半年後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(nei) 目前做成的最大負載機器人，從(cong) 中積累了許多實際經驗，為(wei) 以後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(liang) 台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(chan) 工業(ye) 的迅猛發展，這類直角坐標機器人將具有更加廣範的市場前景和發展潛力！