直角坐標機器人的優(yōu)化設計
2013/11/4 13:43:49
一 直角坐標機器人的定義及主要特點
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。直角坐標機器人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。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。
直角坐標機器人主要由一些直線運動單元及其組合，驅動電機，控制系統(tǒng)和末端操作器組成。針對不同的應用，可以方便快速組合成不同結構形式，不同維數(shù)，不同行程和不同帶載能力的直角坐標機器人。從化妝品生產到汽車和手機的裝配等各行業(yè)的自動化生產線中，都有各式各樣的多臺直角坐標機器人和其它設備嚴格同步協(xié)調工作，我們成功完成了數(shù)百種結構形式的應用案例。可以說直角坐標機器人幾乎能勝任所有的工業(yè)自動化任務。下面是其主要特點：
1任意組合成多種結構樣式，不同帶載能力和行程的機器人。
2采用多根直線運動單元級連和齒輪齒條傳動，可以形成幾十米的超大行程機器人。
3采用多根直線運動單元并連及帶多滑塊結構其負載能力可增加到數(shù)噸。
4 理論上最大運行速度可達到每秒8米，加速度可達到每秒20米。
5 重復定位精度可達到0.05mm~0.01mm。
6 采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數(shù)控系統(tǒng)能完成非常復雜軌跡的工作。
沈陽百格機器人有限公司從1995年以來代理銷售德國百格拉公司的直角坐標機器人，配合不同行業(yè)的用戶成功地解決了他們的自動化任務。加上這10多年中公司派人到德國百格拉公司培訓和德國專家到中國為用戶處進行培訓和編程等服務，使我們從了解分析任務，選擇設計機器人，到用戶處安裝調試直到達到設計要求，我們不斷積累經驗，提高服務能力，下面就介紹如何選擇合適的直角坐標機器人。
二、直角坐標機器人的選型
1 使用要求分析
對于選型的人員首先要有物理運動學基礎，材料力學基礎，伺服驅動器使用和數(shù)控系統(tǒng)的應用經驗，但最主要是把用戶的問題和要求等了解清楚。對于簡單任務和有經驗的工程師通過電話和郵件就可以溝通好，而對復雜的任務要到現(xiàn)場雙方共同分析和制定任務描述，給出具體合理的要求。下面是所需要的主要信息：
機器人的工作過程，
手抓和負載的總重量，
一個完整的工作周期是多少，可能分解成的子運動及對應的時間，
運動和取抓過程中與其它設備的同步/握手要求，
各個運動軸的有效運動長度及允許的最大運行速度及加減速度，
機器人工作周圍空間上的限制，
使用環(huán)境有粉末，高溫，水和濕度等特殊防護要求，
2 機器人結構形式選擇
根據前面“使用要求分析”中獲得的信息資料來選擇機器人的結構形式。原則上盡可能選擇龍門式直角坐標機器人，但有時受工作空間限制必須選擇懸臂式等。在食品搬運和玻璃切割等項目中會產生大量粉末,傷害運動軸里面的導軌，此時最好采用吊掛式機器人。有時根據負載及運動距離和空間限制必須選用掛臂式。根據機器人的工作任務來確定負載的運動位置精度要求，要考慮減速時晃動產生的位置誤差。根據機器人的工作任務及其工作空間上的限制來確定運動軸數(shù)量及各自運動行程。
3 規(guī)劃運動軌跡及運動速度
根據機器人的工作任務和空間限制來規(guī)劃運動軌跡。盡可能減少運動距離，對工作周期要求嚴的應用要盡可能運用多軸同時運動來減少運動時間和降低運動速度。抓取負載后運動速度要低，空載返回原始點時要快。負載大時加速度和減速度要小，盡可能避免產生巨大的沖擊力。根據上面的原則給出各段運動的速度，加速度和減速度。各個運動段間盡可能平穩(wěn)變速以保證工作周期,減少沖擊力和運行噪音。在運動速度分配時要充分考慮各個運動過程與其它設備間的同步協(xié)調時間，而且規(guī)劃的運動時間要比用戶要求的時間短些。
4 受力分析
根據速度分析得出各個軸的最大加速度和減速度。然后再計算出多軸同時運動時產生的合成最大減速度。選擇獨立運動的減速度和同時運動時合成減速度二者中大的減速度，根據這個最大的減速度計算出XYZ三個方向的最大沖擊力Fx, Fy和Fz及產生的最大扭曲力矩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。
根據Fx, Fy和Fz及產生的最大扭曲力矩Mx, My和Mz來選擇出各個運動軸的結構形式和型號。還要考慮各個運動軸間的連接方式，保證其強度，有足夠的抗沖擊力能力，使其能長期穩(wěn)定高速高效工作。
5 變形分析
繞度形變僅在大跨度懸空方式下，而且受力很大的情況下才發(fā)生。其繞度形變量的計算方法見下面的公式。 但Z軸和X軸的安裝方式保證了本公司機器人沒有繞度形變發(fā)生或繞度形變極其微小可以忽略不計。
f = (F×L3)/(E×I×192)
f：撓度形變 (mm) f≤ 1 mm
F：負載壓力 (N)
L：導軌長度 (mm)
E：彈性模量(70,000N/mm2)
I：面積平方（mm4）
6 選擇驅動電機
根據直線定位單元驅動軸的最高轉速來選擇驅動電機。當驅動軸的最高轉速低于600轉/分時通常選用步進電機，否則要選用交流伺服電機。但交流伺服電機的最高轉速不要超過3000轉/分，否則影響其壽命。當選用步進電機做驅動軸時，其負載的轉動慣量與步進電機的轉動慣量比要小于12，當選用伺服電機做驅動軸時，其負載的轉動慣量與伺服電機的轉動慣量比要小于8，否則影響其高動態(tài)特性。但轉動慣量比大于上面的數(shù)值時，要加德國扭卡特公司的精密行星減速機。在不超過驅動電機最高轉速限制情況下，要盡量選擇大減速比的減速機。為了保證高的動態(tài)特性，保證在約定的時間內完成任務，驅動電機的最大出力要比理論計算值至少高出85%。我們通常所選擇的驅動電機的最大出力要比理論計算值至少高出100%，而轉動慣量比要小于5。還要考慮所選擇的伺服電機能與德國扭卡特公司的精密行星減速機匹配，減速機要能安裝到驅動軸上，及電機的控制方式與數(shù)控系統(tǒng)相配合。有關驅動電機和減速機的詳細技術數(shù)據和使用注意事項請與沈陽百格機器人公司聯(lián)系。
7 確定機器人的結構及各個運動軸
根據上面6個方面的信息和數(shù)據就可以最終選定機器人的結構形式及每個運動軸的具體型號和長度等，通常我們能從圖片庫中找出同樣結構的照片，這里的照片是指CAD圖或以往用戶機器人的照片。還要設計好各個軸間的連接板，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。
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。
8 連接板設計
連接板的方式非常重要，要由有多年實際經驗的師父來設計。連接板的方式及質量直接關系到所設計生產的機器人能否長期高速高效穩(wěn)定工作。為此要計算出每個運動軸的Fx, Fy和Fz及產生的最大扭曲力矩Mx, My和Mz。這里在計算Fx, Fy和Fz時，不時每個軸自己運動時產生的力，而是在整個機器人高速運動時，使該軸產生的最大合成運動速度和加減速度值對應的Fx, Fy和Fz。而Mx, My和Mz的計算也要考慮等效重心位置與滑塊中心位置。在求出Fx, Fy和Fz及產生的最大扭曲力矩Mx, My和Mz后，所設計的連接方式至少要有3倍的余量。
9 選擇末端操作器——手爪系統(tǒng)
根據其具體應用情況，其手爪系統(tǒng)可能是氣動吸盤，氣動夾取手爪，電動夾取手爪，電磁吸取手爪，焊槍，膠槍，專用工具和檢測儀器等。在很多場合可以一次抓取多個工件。
10 選擇控制系統(tǒng)
機器人要在一定時間內完成特定的任務，比如每10秒內完成一次搬運工作。在完成抓取，加減速運動，高速運動，釋放工件等同時，還要與相關的設備通過通訊或I/O口實現(xiàn)一些時序上的協(xié)調同步。在涂膠應用上，各個運動軸要完成直線和圓弧插補運動。因此其數(shù)控系統(tǒng)要按具體應用要求來選定其控制軸數(shù)，I/O口數(shù)量和軟件功能。通常選用數(shù)控系統(tǒng)，PLC，工控機加運動控制卡和帶軸卡功能及I/O口的驅動電機。對于很多任務我們選擇德國Engelhardt公司的數(shù)控系統(tǒng), 對于負載任務我們選擇德國Movtec公司的運動控制卡。有關上面兩種數(shù)控系統(tǒng)的詳細資料請與沈陽百格機器人公司索取。
11 技術協(xié)議
每臺機器人都有運行速度，重服定位精度和各種特定功能等技術要求，在簽合同時務必要簽訂技術協(xié)議，驗收內容和驗收方式等。要學會機器人的保養(yǎng)。有關機器人的保養(yǎng)資料請與沈陽百格機器人公司聯(lián)系。
三、結論
在直角坐標機器人的設計過程中要不斷把設計的圖紙及技術分析計算結果發(fā)給用戶，雙方反復溝通，不斷完善。所設計的直角坐標機器人當然與技術人員本人的經驗和公司技術人員的經驗和工作認真負責程度有關系，合適的就是最好的。用戶要有一定經驗的操作員來正確操作和及時保養(yǎng)直角坐標機器人也是重要的。沈陽百格機器人公司聘請了3位機床廠退休的高級工程師來設計機器人和連接板。我們公司10多年來還銷售德國產步進電機，伺服電機，行星減速機，機器視覺系統(tǒng)，機器人手爪系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)，積累了豐富的實際經驗，保證了我們銷售的直角坐標機器人能高效長期穩(wěn)定工作。這也是我公司有了一些長期用戶的基礎。上面的內容是本人12年來從事直角坐標機器人方面工作所積累的一些經驗，我們還有數(shù)百個成功應用案例，歡迎感興趣的朋友與沈陽百格機器人公司一起分析探討，共同推動直角坐標機器人在國內各行業(yè)的應用。
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。直角坐標機器人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。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。
直角坐標機器人主要由一些直線運動單元及其組合，驅動電機，控制系統(tǒng)和末端操作器組成。針對不同的應用，可以方便快速組合成不同結構形式，不同維數(shù)，不同行程和不同帶載能力的直角坐標機器人。從化妝品生產到汽車和手機的裝配等各行業(yè)的自動化生產線中，都有各式各樣的多臺直角坐標機器人和其它設備嚴格同步協(xié)調工作，我們成功完成了數(shù)百種結構形式的應用案例。可以說直角坐標機器人幾乎能勝任所有的工業(yè)自動化任務。下面是其主要特點：
1任意組合成多種結構樣式，不同帶載能力和行程的機器人。
2采用多根直線運動單元級連和齒輪齒條傳動，可以形成幾十米的超大行程機器人。
3采用多根直線運動單元并連及帶多滑塊結構其負載能力可增加到數(shù)噸。
4 理論上最大運行速度可達到每秒8米，加速度可達到每秒20米。
5 重復定位精度可達到0.05mm~0.01mm。
6 采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數(shù)控系統(tǒng)能完成非常復雜軌跡的工作。
沈陽百格機器人有限公司從1995年以來代理銷售德國百格拉公司的直角坐標機器人，配合不同行業(yè)的用戶成功地解決了他們的自動化任務。加上這10多年中公司派人到德國百格拉公司培訓和德國專家到中國為用戶處進行培訓和編程等服務，使我們從了解分析任務，選擇設計機器人，到用戶處安裝調試直到達到設計要求，我們不斷積累經驗，提高服務能力，下面就介紹如何選擇合適的直角坐標機器人。
二、直角坐標機器人的選型
1 使用要求分析
對于選型的人員首先要有物理運動學基礎，材料力學基礎，伺服驅動器使用和數(shù)控系統(tǒng)的應用經驗，但最主要是把用戶的問題和要求等了解清楚。對于簡單任務和有經驗的工程師通過電話和郵件就可以溝通好，而對復雜的任務要到現(xiàn)場雙方共同分析和制定任務描述，給出具體合理的要求。下面是所需要的主要信息：
機器人的工作過程，
手抓和負載的總重量，
一個完整的工作周期是多少，可能分解成的子運動及對應的時間，
運動和取抓過程中與其它設備的同步/握手要求，
各個運動軸的有效運動長度及允許的最大運行速度及加減速度，
機器人工作周圍空間上的限制，
使用環(huán)境有粉末，高溫，水和濕度等特殊防護要求，
2 機器人結構形式選擇
根據前面“使用要求分析”中獲得的信息資料來選擇機器人的結構形式。原則上盡可能選擇龍門式直角坐標機器人，但有時受工作空間限制必須選擇懸臂式等。在食品搬運和玻璃切割等項目中會產生大量粉末,傷害運動軸里面的導軌，此時最好采用吊掛式機器人。有時根據負載及運動距離和空間限制必須選用掛臂式。根據機器人的工作任務來確定負載的運動位置精度要求，要考慮減速時晃動產生的位置誤差。根據機器人的工作任務及其工作空間上的限制來確定運動軸數(shù)量及各自運動行程。
3 規(guī)劃運動軌跡及運動速度
根據機器人的工作任務和空間限制來規(guī)劃運動軌跡。盡可能減少運動距離，對工作周期要求嚴的應用要盡可能運用多軸同時運動來減少運動時間和降低運動速度。抓取負載后運動速度要低，空載返回原始點時要快。負載大時加速度和減速度要小，盡可能避免產生巨大的沖擊力。根據上面的原則給出各段運動的速度，加速度和減速度。各個運動段間盡可能平穩(wěn)變速以保證工作周期,減少沖擊力和運行噪音。在運動速度分配時要充分考慮各個運動過程與其它設備間的同步協(xié)調時間，而且規(guī)劃的運動時間要比用戶要求的時間短些。
4 受力分析
根據速度分析得出各個軸的最大加速度和減速度。然后再計算出多軸同時運動時產生的合成最大減速度。選擇獨立運動的減速度和同時運動時合成減速度二者中大的減速度，根據這個最大的減速度計算出XYZ三個方向的最大沖擊力Fx, Fy和Fz及產生的最大扭曲力矩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。
根據Fx, Fy和Fz及產生的最大扭曲力矩Mx, My和Mz來選擇出各個運動軸的結構形式和型號。還要考慮各個運動軸間的連接方式，保證其強度，有足夠的抗沖擊力能力，使其能長期穩(wěn)定高速高效工作。
5 變形分析
繞度形變僅在大跨度懸空方式下，而且受力很大的情況下才發(fā)生。其繞度形變量的計算方法見下面的公式。 但Z軸和X軸的安裝方式保證了本公司機器人沒有繞度形變發(fā)生或繞度形變極其微小可以忽略不計。
f = (F×L3)/(E×I×192)
f：撓度形變 (mm) f≤ 1 mm
F：負載壓力 (N)
L：導軌長度 (mm)
E：彈性模量(70,000N/mm2)
I：面積平方（mm4）
6 選擇驅動電機
根據直線定位單元驅動軸的最高轉速來選擇驅動電機。當驅動軸的最高轉速低于600轉/分時通常選用步進電機，否則要選用交流伺服電機。但交流伺服電機的最高轉速不要超過3000轉/分，否則影響其壽命。當選用步進電機做驅動軸時，其負載的轉動慣量與步進電機的轉動慣量比要小于12，當選用伺服電機做驅動軸時，其負載的轉動慣量與伺服電機的轉動慣量比要小于8，否則影響其高動態(tài)特性。但轉動慣量比大于上面的數(shù)值時，要加德國扭卡特公司的精密行星減速機。在不超過驅動電機最高轉速限制情況下，要盡量選擇大減速比的減速機。為了保證高的動態(tài)特性，保證在約定的時間內完成任務，驅動電機的最大出力要比理論計算值至少高出85%。我們通常所選擇的驅動電機的最大出力要比理論計算值至少高出100%，而轉動慣量比要小于5。還要考慮所選擇的伺服電機能與德國扭卡特公司的精密行星減速機匹配，減速機要能安裝到驅動軸上，及電機的控制方式與數(shù)控系統(tǒng)相配合。有關驅動電機和減速機的詳細技術數(shù)據和使用注意事項請與沈陽百格機器人公司聯(lián)系。
7 確定機器人的結構及各個運動軸
根據上面6個方面的信息和數(shù)據就可以最終選定機器人的結構形式及每個運動軸的具體型號和長度等，通常我們能從圖片庫中找出同樣結構的照片，這里的照片是指CAD圖或以往用戶機器人的照片。還要設計好各個軸間的連接板，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。
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。
8 連接板設計
連接板的方式非常重要，要由有多年實際經驗的師父來設計。連接板的方式及質量直接關系到所設計生產的機器人能否長期高速高效穩(wěn)定工作。為此要計算出每個運動軸的Fx, Fy和Fz及產生的最大扭曲力矩Mx, My和Mz。這里在計算Fx, Fy和Fz時，不時每個軸自己運動時產生的力，而是在整個機器人高速運動時，使該軸產生的最大合成運動速度和加減速度值對應的Fx, Fy和Fz。而Mx, My和Mz的計算也要考慮等效重心位置與滑塊中心位置。在求出Fx, Fy和Fz及產生的最大扭曲力矩Mx, My和Mz后，所設計的連接方式至少要有3倍的余量。
9 選擇末端操作器——手爪系統(tǒng)
根據其具體應用情況，其手爪系統(tǒng)可能是氣動吸盤，氣動夾取手爪，電動夾取手爪，電磁吸取手爪，焊槍，膠槍，專用工具和檢測儀器等。在很多場合可以一次抓取多個工件。
10 選擇控制系統(tǒng)
機器人要在一定時間內完成特定的任務，比如每10秒內完成一次搬運工作。在完成抓取，加減速運動，高速運動，釋放工件等同時，還要與相關的設備通過通訊或I/O口實現(xiàn)一些時序上的協(xié)調同步。在涂膠應用上，各個運動軸要完成直線和圓弧插補運動。因此其數(shù)控系統(tǒng)要按具體應用要求來選定其控制軸數(shù)，I/O口數(shù)量和軟件功能。通常選用數(shù)控系統(tǒng)，PLC，工控機加運動控制卡和帶軸卡功能及I/O口的驅動電機。對于很多任務我們選擇德國Engelhardt公司的數(shù)控系統(tǒng), 對于負載任務我們選擇德國Movtec公司的運動控制卡。有關上面兩種數(shù)控系統(tǒng)的詳細資料請與沈陽百格機器人公司索取。
11 技術協(xié)議
每臺機器人都有運行速度，重服定位精度和各種特定功能等技術要求，在簽合同時務必要簽訂技術協(xié)議，驗收內容和驗收方式等。要學會機器人的保養(yǎng)。有關機器人的保養(yǎng)資料請與沈陽百格機器人公司聯(lián)系。
三、結論
在直角坐標機器人的設計過程中要不斷把設計的圖紙及技術分析計算結果發(fā)給用戶，雙方反復溝通，不斷完善。所設計的直角坐標機器人當然與技術人員本人的經驗和公司技術人員的經驗和工作認真負責程度有關系，合適的就是最好的。用戶要有一定經驗的操作員來正確操作和及時保養(yǎng)直角坐標機器人也是重要的。沈陽百格機器人公司聘請了3位機床廠退休的高級工程師來設計機器人和連接板。我們公司10多年來還銷售德國產步進電機，伺服電機，行星減速機，機器視覺系統(tǒng)，機器人手爪系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)，積累了豐富的實際經驗，保證了我們銷售的直角坐標機器人能高效長期穩(wěn)定工作。這也是我公司有了一些長期用戶的基礎。上面的內容是本人12年來從事直角坐標機器人方面工作所積累的一些經驗，我們還有數(shù)百個成功應用案例，歡迎感興趣的朋友與沈陽百格機器人公司一起分析探討，共同推動直角坐標機器人在國內各行業(yè)的應用。
投訴建議
提交
查看更多評論
其他資訊
自動化機床的故障排除技術淺析
安川焊接機器人編程
ABB機器人控制軟件RobotWare應用手冊SafeMove（英文）
ABB IRB7600 機器人維護信息
ABB IRC5P機器人培訓教材