直角坐標(biāo)機器人的設(shè)計方法

直角坐標(biāo)機器人的設(shè)計方法
文章作者：沈陽力拓自動化控制技術(shù)有限公司 楊樹彬
參考資料：德國BAHR公司直角坐標(biāo)機器人（http://www.lituo-robot.com/）；
關(guān)鍵詞：直角坐標(biāo)機器人、直線定位單元、控制系統(tǒng)、伺服控制；

直角坐標(biāo)機器人概念：
工業(yè)應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、運動自由度建成空間直角關(guān)系、多用途的操作機。他能夠搬運物體、操

作工具，以完成各種作業(yè)。關(guān)于機器人的定義隨著科技的不斷發(fā)展，在不斷的完善，直角坐標(biāo)機器人作為機器人的一種，其含義也在不斷的完善中。
典型直角坐標(biāo)機器人圖一
直角坐標(biāo)機器人的特點：
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(fù)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。
直角坐標(biāo)機器人的應(yīng)用：
因末端操作工具的不同，直角坐標(biāo)機器人可以非常方便的用作各種自動化設(shè)備，完成如焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類

、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂、目標(biāo)跟隨、排爆等一系列工作。特別適用于多品種、便批量的柔性化作業(yè)，對于穩(wěn)定提高產(chǎn)品質(zhì)量，

提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
直角坐標(biāo)機器人的應(yīng)用圖二
隨著直角坐標(biāo)機器人的應(yīng)用越來越廣泛，直角坐標(biāo)機器人的設(shè)計工作日益顯得重要。成功的設(shè)計一臺直角坐標(biāo)機器人涉及到很多方面的工作，包括機

械結(jié)構(gòu)、動力驅(qū)動、伺服控制等等。沈陽力拓自動化控制技術(shù)有限公司有著多年直角坐標(biāo)機器人技術(shù)應(yīng)用、數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗，我們依托德國

BAHR公司直線定位系統(tǒng)性及機械手臂開發(fā)出了價比優(yōu)良的系列數(shù)控直角坐標(biāo)機器人，被廣泛地應(yīng)用在汽車、電子、電器、檢測、醫(yī)療、航天、食品等

各個領(lǐng)域的生產(chǎn)線上。
下面我們就對直角坐標(biāo)機器人的設(shè)計進(jìn)行一個簡要的闡述。
一、機器人設(shè)計特點：
1、機器人的設(shè)計是一個復(fù)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。
二、機器人設(shè)計流程：
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(fù)定位精度；
機器人的負(fù)載大小，負(fù)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(xué)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(xué)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(xué)分析圖五
正壓力Fz
側(cè)壓力Fy
Mx、My、Mz
5、機械強度校核：
每個定位單元，每個梁都要進(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）
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(dāng)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(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)動元件選擇
常用的驅(qū)動系統(tǒng)有：交流/支流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)、步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)、直線伺服電機/直線步進(jìn)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(fù)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(biāo)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(jìn)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(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)
專于控制器
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(fù)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。

結(jié)束語：
機器人的設(shè)計是一個不斷熟悉，不斷完善的過程，需要不斷在實際應(yīng)用中總結(jié)提高。內(nèi)容龐雜，細(xì)節(jié)眾多。本文只是做了些簡單的介紹，有興趣朋友

可與我們聯(lián)系（lt.sy@126.com），索取詳細(xì)的設(shè)計資料。