直角坐標(biāo)機(jī)器人簡述
作者：李剛

一 機(jī)器人的定義及分類：

機(jī)器人按ISO 8373定義為：位置可以固定或移動，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、可重復(fù)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(nèi)可編程的工業(yè)自動化設(shè)備。這里自由度就是指可運(yùn)動或轉(zhuǎn)動的軸。工業(yè)機(jī)器人按其結(jié)構(gòu)形式及編程坐標(biāo)系主要分類為關(guān)節(jié)型機(jī)器人、移動機(jī)器人、水下機(jī)器人和直角坐標(biāo)機(jī)器人等。按主要功能特征及應(yīng)用分類為移動機(jī)器人、水下機(jī)器人、潔凈機(jī)器人、直角坐標(biāo)機(jī)器人、焊接機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人和軍用機(jī)器人等。

作為在各行各業(yè)中被廣泛應(yīng)用直角坐標(biāo)機(jī)器人主要是以直線運(yùn)動軸為主，各個運(yùn)動軸通常對應(yīng)直角坐標(biāo)系中的X軸，Y軸和Z軸，一般X軸和Y軸是水平面內(nèi)運(yùn)動軸，Z軸是上下運(yùn)動軸。在一些應(yīng)用中Z軸上帶有一個旋轉(zhuǎn)軸，或帶有一個擺動軸和一個旋轉(zhuǎn)軸。在絕大多數(shù)情況下直角坐標(biāo)機(jī)器人的各個直線運(yùn)動軸間的夾角為直角。

二 直角坐標(biāo)機(jī)器人的主要組成部分

下圖是一個典型的3D直角坐標(biāo)機(jī)器人，它由X軸,Y軸,Z軸及驅(qū)動電機(jī)組成。此

外一個完整的機(jī)器人系統(tǒng)還需要控制系統(tǒng)和手抓，下面分別予以介紹：

2.1 直線運(yùn)動軸: 也叫直線運(yùn)動單元，它就是一個獨立的運(yùn)動軸，主要由支撐載體的鋁型材或鋼型材和被安裝在型材內(nèi)部的直線導(dǎo)軌、運(yùn)動滑塊以及作為帶動滑塊做高速運(yùn)動的同步帶組成。

2.2運(yùn)動軸的驅(qū)動系統(tǒng)
直角坐標(biāo)機(jī)器人的傳動主要是通過驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動同步帶運(yùn)動，同步帶帶動直線導(dǎo)軌上的滑塊運(yùn)動。當(dāng)驅(qū)動軸的最高轉(zhuǎn)速低于600轉(zhuǎn)/分時通常選用步進(jìn)電機(jī)，否則選用交流伺服電機(jī)。

2.3直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制系統(tǒng)
機(jī)器人要在一定時間內(nèi)完成特定的任務(wù)，比如每10秒內(nèi)完成一次搬運(yùn)工作。在完成抓取，加速運(yùn)動，高速運(yùn)動，減速運(yùn)動，釋放工件等同時，還要與相關(guān)的設(shè)備通過通訊或I/O口實現(xiàn)一些時序上的協(xié)調(diào)同步。另外在涂膠應(yīng)用上，各個運(yùn)動軸要完成直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)動。因此其數(shù)控系統(tǒng)要按具體應(yīng)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(jī)加運(yùn)動控制卡和帶軸卡功能及I/O口的驅(qū)動電機(jī)來做控制系統(tǒng)。

2.4直角坐標(biāo)機(jī)器人的末端操作器——手爪系統(tǒng)
根據(jù)其具體應(yīng)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。

三 直角坐標(biāo)機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)形式及主要特點

上圖是典型的3D龍門式直角坐標(biāo)機(jī)器人。但針對各種不同的應(yīng)用，實際上可以方便快速組合成不同維數(shù)，各種行程和不同帶載能力的壁掛式、懸臂式、龍門式或倒掛式等各種形式的直角坐標(biāo)機(jī)器人。從簡單的二維機(jī)器人到復(fù)雜的五維機(jī)器人就有上百種結(jié)構(gòu)形式的成功應(yīng)用案例。從電機(jī)到汽車等各行各業(yè)的自動化生產(chǎn)線中，更是各式各樣的多臺直角坐標(biāo)機(jī)器人和其它設(shè)備嚴(yán)格同步協(xié)調(diào)工作?？梢哉f直角坐標(biāo)機(jī)器人幾乎能勝任所有的工業(yè)自動化任務(wù)。下面是其主要特點：

3.1任意組合成各種樣式：每根直線運(yùn)動軸最長是6米，其帶載能力從10公斤到200公斤。在實際應(yīng)用中已有近百種結(jié)構(gòu)的直角坐標(biāo)機(jī)器人，這些結(jié)構(gòu)也可以任意組合成新的結(jié)構(gòu)等。

3.2超大行程：因為單根龍門式直線運(yùn)動單元的長度是6米，還可以多根方便地級連成超大行程，所以其工作空間幾乎沒有限制，小到手機(jī)點膠機(jī)，大到18米長行程的切割機(jī)，8米長行程鉆銑床，6米*6米*3米的檢測機(jī)器人等。超大行程時要采用直線導(dǎo)軌和齒條傳動方式。

3.3負(fù)載能力強(qiáng)：單根直線運(yùn)動單元的負(fù)載通常小于200公斤。但當(dāng)采用雙滑塊或多滑塊剛性聯(lián)結(jié)時負(fù)載能力可以增加5到10倍。當(dāng)把兩根或四根直線運(yùn)動單元并排接起來使用時，其負(fù)載可以增加2到4倍。當(dāng)采用多根多滑塊結(jié)構(gòu)時其負(fù)載能力可增加到數(shù)噸。

3.4高動態(tài)特性：輕負(fù)載時其最大運(yùn)行速度可達(dá)到每秒8米，加速度可達(dá)到每秒4米。使其具有很高的動態(tài)特性，工作效率非常高，通常在幾秒內(nèi)完成一個工作節(jié)拍。

3.5高精度：按傳動方式及配置在整個行程內(nèi)其重復(fù)定位精度可達(dá)到0.05mm到0.01mm。

3.6擴(kuò)展能力強(qiáng)：可以方便改變結(jié)構(gòu)或通過編程來適合新的應(yīng)用。

3.7簡單經(jīng)濟(jì)：對比關(guān)節(jié)機(jī)器人，直角坐標(biāo)機(jī)器人不僅外觀直觀且構(gòu)造成本低，編程簡單類同數(shù)控銑床，易培訓(xùn)員工和維修，使其具有非常好的經(jīng)濟(jì)性。

3.8勝任復(fù)雜任務(wù)：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(fù)雜的噴涂，噴丸，檢測，加工等任務(wù)。

3.9壽命長：直角坐標(biāo)機(jī)器人的維護(hù)通常就是周期性加注潤滑油，壽命一般是10年以上，維護(hù)好了可達(dá)20年。

3.10應(yīng)用面寬：可以方便地裝配多種形式和尺寸的手爪，可以勝任許多常見的工作，如焊接、切割，搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼和噴涂等任務(wù)。

四、直角坐標(biāo)機(jī)器人的選型和保養(yǎng)

4.1選型: 首先要根據(jù)負(fù)載大小，行程，工作節(jié)拍和工作空間限制來選擇機(jī)器人的外形結(jié)構(gòu)。選好結(jié)構(gòu)形式后要根據(jù)行程和變形量等選擇每個軸的形式和型號。大負(fù)載時和高沖擊力時可以選擇由2根或4根運(yùn)動軸組合成一個復(fù)合運(yùn)動軸。各個運(yùn)動軸間的裝配也很關(guān)鍵，不僅要保證其垂直度，更要考慮在各個方向有足夠的抗沖擊力和變形。機(jī)器人要在幾秒內(nèi)完成一個運(yùn)動節(jié)拍，選擇的驅(qū)動電機(jī)必須有足夠的驅(qū)動力，通常要比理論計算值高出100%。當(dāng)負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量與驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量比大于12時，要選配德國紐卡特公司的精密行星減速機(jī)。

在超高動態(tài)和定位精度要求很高情況下，可以選用直線電機(jī)來驅(qū)動。但直線電機(jī)的安裝和防護(hù)難度大，發(fā)熱量大，撞擊危險性高和控制難度高，成本也高，所以要慎用。而其防護(hù)難度大和發(fā)熱量大目前在機(jī)床行業(yè)還是世界性難題。

4.2安裝

機(jī)器人在加速和減速時會產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，而且通常每天要工作24小時，所以機(jī)器人必須被牢固地安裝在支架上。機(jī)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(yùn)動沖擊下，沒有任何晃動。此外在安裝時要保證運(yùn)動軸間的平行度、平面度和垂直度。

4.3保養(yǎng)事項

通常機(jī)器人的每個運(yùn)動軸在經(jīng)過一定長度的運(yùn)動后要周期性的通過滑塊的注油孔給直線導(dǎo)軌加注潤滑油。隨機(jī)器人使用環(huán)境的不同和工作速度不同，其注油的周期也不同。在食品和玻璃切割等行業(yè)要選用帶防塵帶的運(yùn)動軸和縮短注油周期，在有噴水的場合也要縮短注油周期。

五，應(yīng)用和展望

直角坐標(biāo)機(jī)器人以其特有的一些優(yōu)點在西方國家被廣泛用來執(zhí)行焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、涂膠和切割等一系列工作。深受包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、汽車工業(yè)、食品生產(chǎn)工業(yè)、藥品生產(chǎn)工業(yè)、電子工業(yè)、機(jī)器制造業(yè)和化妝品生產(chǎn)等行業(yè)的好評。隨著自動化程度、環(huán)保要求、衛(wèi)生規(guī)定、生產(chǎn)效率和人工費用的提高，直角坐標(biāo)機(jī)器人在中國也必將被各行各業(yè)廣泛采用。