直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法

直角坐標(biāo)機(jī)器人概念：

　　工業(yè)應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、運(yùn)動(dòng)自由度建成空間直角關(guān)系、多用途的操作機(jī)。他能夠搬運(yùn)物體、操作工具，以完成各種作業(yè)。關(guān)于機(jī)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(jī)器人作為機(jī)器人的一種，其含義也在不斷的完善中。

直角坐標(biāo)機(jī)器人的特點(diǎn)：
　　1、自由度運(yùn)動(dòng)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度之間的空間夾角為直角；
　　2、自動(dòng)控制的，可重復(fù)編程，所有的運(yùn)動(dòng)均按程序運(yùn)行；
　　3、一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)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(zhǎng)期工作，便于操作維修。
 
                                                       典型直角坐標(biāo)機(jī)器人圖一

直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用：
　　因末端操作工具的不同，直角坐標(biāo)機(jī)器人可以非常方便的用作各種自動(dòng)化設(shè)備，完成如焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測(cè)、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(duì)于穩(wěn)定提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)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(jī)器人的應(yīng)用圖二

　　隨著直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作日益顯得重要。成功的設(shè)計(jì)一臺(tái)直角坐標(biāo)機(jī)器人涉及到很多方面的工作，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、伺服控制等等。沈陽(yáng)力拓自動(dòng)化控制技術(shù)有限公司有著多年直角坐標(biāo)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用、數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，我們依托德國(guó)BAHR公司直線定位系統(tǒng)性及機(jī)械手臂開(kāi)發(fā)出了價(jià)比優(yōu)良的系列數(shù)控直角坐標(biāo)機(jī)器人，被廣泛地應(yīng)用在汽車、電子、電器、檢測(cè)、醫(yī)療、航天、食品等各個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)線上。

　　下面我們就對(duì)直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)要的闡述。

一、機(jī)器人設(shè)計(jì)特點(diǎn)：
　　1、機(jī)器人的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工作，工作量很大，涉及的知識(shí)面很多，往往需要多人完成。
　　2、機(jī)器人設(shè)計(jì)是面向客戶的設(shè)計(jì)，不是閉門造車。設(shè)計(jì)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(jī)器人設(shè)計(jì)是面向加工的設(shè)計(jì)，再好的設(shè)計(jì)，如果工廠不能加工出產(chǎn)品，設(shè)計(jì)也是失敗的，設(shè)計(jì)者需要掌握大量的加工工藝及加工手段。
　　4、機(jī)器人設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷完善的過(guò)程。

二、機(jī)器人設(shè)計(jì)流程：

1、使用要求的分析：每一個(gè)機(jī)器人都是根據(jù)特定的要求的產(chǎn)生而設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)的第一步就是要將使用要求分析清楚，確定設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的參數(shù)，包括：
　　機(jī)器人的定位精度，重復(fù)定位精度；
　　機(jī)器人的負(fù)載大小，負(fù)載特性；
　　機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的自由度數(shù)量，每自由度的運(yùn)動(dòng)行程；
　　機(jī)器人的工作周期或運(yùn)動(dòng)速度，加減速特性；
　　機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，動(dòng)作的關(guān)聯(lián)；
　　機(jī)器人的工作環(huán)境、安裝方式；
　　機(jī)器人的運(yùn)行工作制、運(yùn)行壽命；
　　其他特殊要求；

2、 本機(jī)械模型初建：機(jī)器人從機(jī)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(yùn)動(dòng)特性都是不一樣的。后續(xù)的設(shè)計(jì)必須是基于一個(gè)確定的結(jié)構(gòu)。
 　　
        　　　　　　　　　　　　　　　　機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)圖三

3、運(yùn)動(dòng)性能計(jì)算：有關(guān)該性能的參數(shù)有：
 　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　速度曲線四

　　平均速度：V=S/t
　　最大速度：Vmax=at
　　加速度/減速度：a=F/m
　　其中：S為運(yùn)動(dòng)行程
　　t為定位運(yùn)動(dòng)時(shí)間
　　F加速時(shí)的驅(qū)動(dòng)力
　　M運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)量和

4、力學(xué)特性分析

一個(gè)機(jī)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(xiàng)目如下：
 　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　力學(xué)分析圖五

　　水平推力Fx
　　正壓力Fz
　　側(cè)壓力Fy
　　Mx、My、Mz

5、機(jī)械強(qiáng)度校核：

　　每個(gè)定位單元，每個(gè)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(jì)算
　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　撓度變形圖六
　　F：負(fù)載（N）；
　　L：定位單元長(zhǎng)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(jì)算撓度形變時(shí)，梁的自重產(chǎn)生的變形不能忽視，梁的自重按均布載荷計(jì)算。

　　以上公式計(jì)算的是靜態(tài)形變，實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)闄C(jī)器人一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須計(jì)算加速力產(chǎn)生的形變，形變直接影響機(jī)器人的運(yùn)行精度。

2）扭轉(zhuǎn)形變計(jì)算：
　　當(dāng)一根梁的一端固定，另一端施加一個(gè)繞軸扭矩后，將產(chǎn)生扭曲變形。實(shí)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(dòng)元件選擇

　　常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有：交流/支流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直線伺服電機(jī)/直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

　　每一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都由電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。驅(qū)動(dòng)器的作用是將弱電信號(hào)放大，將其加載在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的強(qiáng)電上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)則是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成精確的速度及角位移。

需要計(jì)算的項(xiàng)目如下：
　　電機(jī)功率：
　　電機(jī)扭矩：
　　電機(jī)轉(zhuǎn)速：
　　減速機(jī)減速比
　　電機(jī)慣量/負(fù)載慣量的匹配關(guān)系

　　其他計(jì)算公式及計(jì)算方法請(qǐng)與沈陽(yáng)力拓公司聯(lián)系。

7、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　在完成了前面六項(xiàng)工作后，一個(gè)直角坐標(biāo)機(jī)器人定位系統(tǒng)的雛形就已經(jīng)在設(shè)計(jì)者的頭腦中形成了，接下來(lái)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(jì)，以便檢查是否存在位置干涉。

　　機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡具有不確定性，靈活多變，往往在一個(gè)位置不存在位置干涉，但到下一個(gè)位置就干涉了。

8、設(shè)備壽命校核

　　機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，要對(duì)整臺(tái)設(shè)備進(jìn)行壽命計(jì)算，核心元件的壽命到要計(jì)算，如機(jī)器人軌道的壽命，減速機(jī)的壽命，伺服電機(jī)的壽命等。

　　機(jī)器人的運(yùn)行壽命與運(yùn)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(jī)器人的運(yùn)行壽命太短，需要重新調(diào)整設(shè)計(jì)。

　　具體計(jì)算方法請(qǐng)與沈陽(yáng)力拓公司聯(lián)系。

9、控制系統(tǒng)的選擇

　　沒(méi)有控制系統(tǒng)的機(jī)器人就象人沒(méi)有大腦一樣，不能執(zhí)行任何動(dòng)作。所以我們通常將沒(méi)有配備控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)稱為裸機(jī)或機(jī)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(yùn)動(dòng)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(jī)器人的大腦，程序是機(jī)器人的思想。程序的編寫直接反應(yīng)設(shè)計(jì)者的思想、意圖和運(yùn)動(dòng)需求。

　　編寫程序是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，但只要機(jī)器人總體設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題，程序總會(huì)編出來(lái)的。編程序要注意以下問(wèn)題：對(duì)任務(wù)的分析要清晰，編程層次要分明，邏輯清晰。

結(jié)束語(yǔ)：

　　機(jī)器人的設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷熟悉，不斷完善的過(guò)程，需要不斷在實(shí)際應(yīng)用中總結(jié)提高。內(nèi)容龐雜，細(xì)節(jié)眾多。