直角坐标机器人

1 概念

　　直角坐标机器人是以XYZ直角坐标系统为基本数学模型，以伺服电机、步进电机为驱动的单轴机械臂为基本工作单元，以滚珠丝杆、同步皮带、齿轮齿条为常用的传动方式所架构起来的机器人系统，可以完成在XYZ三维坐标系中任意一点的到达和遵循可控的运动轨迹。

　　直角坐标机器人采用运动控制系统实现对其的驱动及编程控制，直线、曲线等运动轨迹的生成为多点插补方式，操作及编程方式为引导示教编程方式或坐标定位方式。

2 特点

　　1、自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角；

　　2、自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行；

　　3、一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。

　　4、灵活，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、可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。

3 应用

　　作为一种成本低廉、系统结构简单的自动化机器人系统解决方案，直角坐标机器可以被应用于点胶、滴塑、喷涂、码垛、分拣、包装、焊接、金属加工、搬运、上下料、装配、印刷等常见的工业生产领域，在替代人工，提高生产效率，稳定产品质量等方面都具备显著的应用价值。

　　针对不同的应用场合，对直角坐标机器人有不同的设计要求，比如根据对精度、速度的要求选择不同的传动方式，根据特定的工艺要求为末端工作头选择不同的夹持设备（夹具、爪手、安装架等），以及对于示教编程，坐标定位、视觉识别等工作模式的设计选择等，从而使之能满足于不同领域、不同工况的应用要求。

4 设计

　　特点

　　1、机器人的设计是一个复杂的工作，工作量很大，涉及的知识面很多，往往需要多人完成。2、机器人设计是面向客户的设计，不是闭门造车。设计者需要经常和用户在一起，不停分析用户要求，寻求解决方案。

　　3、机器人设计是面向加工的设计，再好的设计，如果工厂不能加工出产品，设计也是失败的，设计者需要掌握大量的加工工艺及加工手段。

　　4、机器人设计是一个不断完善的过程。

　　流程

　　1、使用要求的分析：每一个机器人都是根据特定的要求的产生而设计的，设计的第一步就是要将使用要求分析清楚，确定设计时需要考虑的参数，包括：机器人的定位精度，重复定位精度；机器人的负载大小，负载特性；机器人运动的自由度数量，每自由度的运动行程；机器人的工作周期或运动速度，加减速特性；机器人的运动轨迹，动作的关联；机器人的工作环境、安装方式；机器人的运行工作制、运行寿命；其他特殊要求；

　　2、 本机械模型初建：机器人从机械结构分大体可分为龙门结构、壁挂结构，垂挂结构，根据安装空间的要求选择不同的结构，每种结构的力学特性、运动特性都是不一样的。后续的设计必须是基于一个确定的结构。 机器人的基本结构图三

　　3、运动性能计算：有关该性能的参数有：平均速度：V=S/t 速度曲线四最大速度：Vmax=at加速度/减速度：a=F/m其中：S为运动行程t为定位运动时间F加速时的驱动力M运动物体质量和

　　4、力学特性分析一个机器人是由许多定位单元组成的，每根定位系统都要分析。需要分析的项目如下：水平推力Fx 力学分析图五正压力Fz侧压力FyMx、My、Mz5、机械强度校核：每个定位单元，每个梁都要进行校核，尤其双端支撑梁和悬臂梁。1） 挠度变形计算挠度变形图六F：负载（N）；L：定位单元长度（mm）；E：材料弹性模量；I：材料截面惯性矩(mm4)；f：挠度形变（mm）

5 注意

　　在计算挠度形变时，梁的自重产生的变形不能忽视，梁的自重按均布载荷计算。

　　以上公式计算的是静态形变，实际应用中，因为机器人一直处于运动状态，必须计算加速力产生的形变，形变直接影响机器人的运行精度。

　　2）扭转形变计算：

　　当一根梁的一端固定，另一端施加一个绕轴扭矩后，将产生扭曲变形。实际应用中产生该形变的原因一般是负载偏心或有绕轴加速旋转的物体存在。

　　扭转力矩分析图七、八

6 驱动元件选择

　　常用的驱动系统有：交流/直流伺服电机驱动系统、步进电机驱动系统、直线伺服电机/直线步进电机驱动系统。

　　每一个驱动系统都由电机和驱动器两部分组成。驱动器的作用是将弱电信号放大，将其加载在驱动电机的强电上，驱动电机。电机则是将电信号转化成精确的速度及角位移。

　　需要计算的项目如下：

　　电机功率：

　　电机扭矩：

　　电机转速：

　　减速机减速比

　　电机惯量/负载惯量的匹配关系

　　其他计算公式及计算方法请与沈阳力拓公司联系。

7 机械结构设计

　　在完成了前面六项工作后，一个直角坐标机器人定位系统的雏形就已经在设计者的头脑中形成了，接下来的工作就是将雏形画成工程图，以便生产。我们建议用户用三维软件设计，以便检查是否存在位置干涉。

　　机器人的运动轨迹具有不确定性，灵活多变，往往在一个位置不存在位置干涉，但到下一个位置就干涉了。

8 设备寿命校核

　　机械结构设计完成后，要对整台设备进行寿命计算，核心元件的寿命到要计算，如机器人轨道的寿命，减速机的寿命，伺服电机的寿命等。

　　机器人的运行寿命与运行速度、负载大小、结构形式、工作环境、工作制等有关。

　　如果发现机器人的运行寿命太短，需要重新调整设计。

　　具体计算方法请与沈阳力拓公司联系。

9 控制系统的选择

　　没有控制系统的机器人就象人没有大脑一样，不能执行任何动作。所以我们通常将没有配备控制系统的机械结构称为裸机或机器人定位系统（robot positioning system）。

　　根据要求的不同，控制系统的选择也不同，通常选择作为控制系统的产品有：

　　PLC 程序控制器；

　　工业运动控制卡（motion card）;

　　数字控制系统(CNC)

　　专业控制器

10 程序编写

　　控制系统是机器人的大脑，程序是机器人的思想。程序的编写直接反应设计者的思想、意图和运动需求。

　　编写程序是一个复杂的过程，但只要机器人总体设计没有问题，程序总会编出来的。编程序要注意以下问题：

　　对任务的分析要清晰，编程层次要分明，逻辑清晰。