直角坐標機器人的設計方法

直角坐標機器人概念：

工業(yè)應用中，能夠實現(xiàn)自動控制的、可重復編程的、多功能的、多自由度的、運動自由度建成空間直角關系、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。

典型直角坐標機器人圖一

直角坐標機器人的特點：

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，可重復編程，所有的運動均按程序運行；

3、一般由控制系統(tǒng)、驅動系統(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。

直角坐標機器人的應用：

因末端操作工具的不同，直角坐標機器人可以非常方便的用作各種自動化設備，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、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂、目標跟隨、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。

直角坐標機器人的應用圖二

隨著直角坐標機器人的應用越來越廣泛，直角坐標機器人的設計工作日益顯得重要。成功的設計一臺直角坐標機器人涉及到很多方面的工作，包括機械結構、動力驅動、伺服控制等等。上海眾拓機器人技術有限公司有著多年直角坐標機器人技術應用、數(shù)控技術和產(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)控直角坐標機器人，被廣泛地應用在汽車、電子、電器、檢測、醫(yī)療、航天、食品等各個領域的生產(chǎn)線上。

下面我們就對直角坐標機器人的設計進行一個簡要的闡述。

一、機器人設計特點：

1、機器人的設計是一個復雜的工作，工作量很大，涉及的知識面很多，往往需要多人完成。

2、機器人設計是面向客戶的設計，不是閉門造車。設計者需要經(jīng)常和用戶在一起，不停分析用戶要求，尋求解決方案。

3、機器人設計是面向加工的設計，再好的設計，如果工廠不能加工出產(chǎn)品，設計也是失敗的，設計者需要掌握大量的加工工藝及加工手段。

4、機器人設計是一個不斷完善的過程。

二、機器人設計流程：

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)生而設計的，設計的第一步就是要將使用要求分析清楚，確定設計時需要考慮的參數(shù)，包括：

機器人的定位精度，重復定位精度；

機器人的負載大小，負載特性；

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：機器人從機械結構分大體可分為龍門結構、壁掛結構，垂掛結構，根據(jù)安裝空

間的要求選擇不同的結構，每種結構的力學特性、運動特性都是不一樣的。后續(xù)的設計必須是基于一個確定的結構。

機器人的基本結構圖三

3、運動性能計算：有關該性能的參數(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加速時的驅動力

M運動物體質量和

4、力學特性分析

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  

 力學分析圖五

正壓力Fz

側壓力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）扭轉形變計算：

當一根梁的一端固定，另一端施加一個繞軸扭矩后，將產(chǎn)生扭曲變形。實際應用中產(chǎn)生該形變的原因一般是負載偏心或有繞軸加速旋轉的物體存在。

扭轉力矩分析圖七、八

6、驅動元件選擇

常用的驅動系統(tǒng)有：交流/支流伺服電機驅動系統(tǒng)、步進電機驅動系統(tǒng)、直線伺服電機/直線步進電機驅動系統(tǒng)。

每一個驅動系統(tǒng)都由電機和驅動器兩部分組成。驅動器的作用是將弱電信號放大，將其加載在驅動電機的強電上，驅動電機。電機則是將電信號轉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：

電機轉速：

減速機減速比

電機慣量/負載慣量的匹配關系

其他計算公式及計算方法請與上海眾拓公司聯(lián)系。

7、機械結構設計

在完成了前面六項工作后，一個直角坐標機器人定位系統(tǒng)的雛形就已經(jīng)在設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、設備壽命校核

機械結構設計完成后，要對整臺設備進行壽命計算，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、負載大小、結構形式、工作環(huán)境、工作制等有關。

如果發(fā)現(xiàn)機器人的運行壽命太短，需要重新調整設計。

具體計算方法請與上海眾拓公司聯(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)的機械結構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設計者的思想、意圖和運動需求。

編寫程序是一個復雜的過程，但只要機器人總體設計沒有問題，程序總會編出來的。編程序要注意以下問題：

對任務的分析要清晰，編程層次要分明，邏輯清晰。

結束語：

機器人的設計是一個不斷熟悉，不斷完善的過程，需要不斷在實際應用中總結提高。內容龐雜，細節(jié)眾多。本文只是做了些簡單的介紹，有興趣朋友可登陸上海眾拓機器人技術有限公司網(wǎng)站（http://www.shzhongtuo-robot.com)，索取詳細的設計資料。