龍門式直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人

一、直角坐標(biāo)機(jī)器人介紹
　　在現(xiàn)代化制造業(yè)中，經(jīng)常要把幾百公斤到一噸的工件從一個(gè)工位搬到另一個(gè)工位。搬運(yùn)過程有時(shí)是2D 的XZ 方式運(yùn)動(dòng)，有時(shí)是3D 的XYZ 方式運(yùn)動(dòng)，有時(shí)搬運(yùn)到位后還要把工件轉(zhuǎn)動(dòng)90 度。而搬運(yùn)速度通常是30 米/分到60 米/分，最大加速度可達(dá)到2m/s2 ,還要幾個(gè)方向同時(shí)運(yùn)動(dòng)。特別是當(dāng)上下運(yùn)動(dòng)的Z 軸較長時(shí)，幾個(gè)方向同時(shí)減速時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)大的沖擊力和晃動(dòng)。而在很多應(yīng)用中對(duì)晃動(dòng)要求要很小，定位精度通常達(dá)到0.1mm。 

　　直角坐標(biāo)機(jī)器人非常適用上面的這些要求，但在實(shí)現(xiàn)中有很多參數(shù)必須經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算來確定，下面結(jié)合一個(gè)應(yīng)用例子來介紹如何實(shí)現(xiàn)：大負(fù)載大行程高速龍門式機(jī)器人的設(shè)計(jì)。 

二、任務(wù)描述 
　　機(jī)器人按ISO 8373 定義為：位置可以固定或移動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)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(gè)或3 個(gè)以上自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。這里自由度就是指可運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的軸。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(dòng)軸為主，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸通常對(duì)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(dòng)軸，Z 軸是上下運(yùn)動(dòng)軸。在一些應(yīng)用中Z 軸上帶有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，或帶有一個(gè)擺動(dòng)軸和一個(gè)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(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸間的夾角為直角。直角坐標(biāo)機(jī)器人不僅經(jīng)濟(jì)性好，編程簡單和易維修，而且可以方便組合成各種樣式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，其帶載能力從10 公斤到幾噸，超大行程到幾十米，最高運(yùn)行速度可達(dá)到每秒8 米，加速度可達(dá)到每秒4 米，重復(fù)定位精度可達(dá)到0.05mm到0.01mm。 

　　在一些大型精密機(jī)械和機(jī)電設(shè)備的生產(chǎn)過程中，對(duì)于需要經(jīng)常傳動(dòng)但又要防止生銹的工件來說，油浸處理就非常的必要。本項(xiàng)目中需要搬運(yùn)的工件及對(duì)應(yīng)抓取手爪的總重量為350kg，其水平運(yùn)動(dòng)距離為4 米，而上下運(yùn)動(dòng)行程為2 米，運(yùn)行速度為1 米/秒。那么采用龍門機(jī)器人搬運(yùn)就顯得非常的必要。本項(xiàng)目為浸油輸送線的一部分，用機(jī)械手浸油，浸油輸送線主要完成自動(dòng)上下料、機(jī)械手搬運(yùn)浸油、吹氣淋油、工件輸送、碼箱、輸送到穿梭車等工作�！　」ぜ�輸送都是放在浸油筐中來實(shí)現(xiàn)，避免了工件間，及工件和操作臺(tái)、輸送軌道間的磕碰，保證了工件的質(zhì)量，又達(dá)到了工件浸油防銹的目的。 

　　輸送線的起始部分為工件存放處，主要功能就是把加工車間加工完成的齒輪、軸等工件放到浸油筐中，然后由中轉(zhuǎn)小車把若干浸油筐運(yùn)到上料輸送輥道上，然后由機(jī)器人抓取浸油。浸油機(jī)械手為浸油過程的主要設(shè)備，當(dāng)通過前段的輥道輸送線把浸油筐輸送到位后，定位系統(tǒng)完成浸油筐的定位，定位準(zhǔn)備好后發(fā)給機(jī)械手上料指令；然后機(jī)械手在左端就緒位置下降500 毫米，然后抓取浸油筐后上升200 毫米，XZ 軸再同時(shí)運(yùn)動(dòng)，其中Z 軸上升300 毫米，X 軸高速運(yùn)動(dòng)2000 毫米。這時(shí)浸油筐到達(dá)油箱的上方，要下降2000 毫米及停頓2 秒保證充分浸油，然后上升2000 毫米后繼續(xù)右行，右行到位下降，機(jī)械手把浸油筐放到輸送線上，繼續(xù)前行準(zhǔn)備吹氣淋油，機(jī)械手返回到左端的原始位置，準(zhǔn)備對(duì)下一浸油筐進(jìn)行浸油。 

三、選型及理論分析 

　　針對(duì)該任務(wù)要求及現(xiàn)場(chǎng)空間位置限制，我們先選定機(jī)器人的形式是二維XZ 指角坐標(biāo)機(jī)器人，然后進(jìn)行如下的運(yùn)動(dòng)節(jié)拍和速度分析： 

　　Z 軸選型分析：在選擇上下運(yùn)動(dòng)的Z軸時(shí)，采用了兩根Roboworker RSL90 運(yùn)動(dòng)軸和120mm 寬超強(qiáng)齒型帶組成的符合軸。由于總長度幾乎達(dá)到了3 米，在X 軸以1 米/秒速度下快速減速時(shí)對(duì)Z軸產(chǎn)生非常強(qiáng)大的沖擊力和晃動(dòng)。為了有更大的抗沖擊能力和產(chǎn)生小的晃動(dòng)，對(duì)兩根RSL90 運(yùn)動(dòng)軸我們采用四個(gè)超長滑塊，上下兩端采用40 毫米厚的高強(qiáng)度連接鋁板。選用的120mm 寬超強(qiáng)齒型的額定拉力是2000 KG，破壞拉力達(dá)7000 KG。Z 軸的實(shí)際帶載能力可達(dá)800 KG，帶350KG 的負(fù)載可以長期高效可靠工作。 

　　X 軸選型分析：采用了兩根5 米長的Roboworker RSL90 運(yùn)動(dòng)軸，每根運(yùn)動(dòng)軸帶兩個(gè)超長滑塊。單個(gè)300mm 滑塊RSL90 型運(yùn)動(dòng)軸的最大負(fù)載能力可達(dá)360KG，這里采用雙滑塊剛性聯(lián)結(jié)負(fù)載能力可以增加5 倍。當(dāng)把兩根運(yùn)動(dòng)軸并排剛性連接起來使用時(shí)，其負(fù)載能力可以增加2 倍，所以這里采用的雙軸雙滑塊結(jié)構(gòu)其負(fù)載能力可增加到2 噸。而負(fù)載（含手爪），Z 軸及Z 軸與X 軸的連接板和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等總重量大約600 KG，所以兩根四滑塊結(jié)構(gòu)完全能承受600KG 負(fù)載及加減速時(shí)產(chǎn)生的沖擊力。 

四、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器選型: 
　　該機(jī)器人的運(yùn)行速度達(dá)1 米/秒，加速度2m/s2，，選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須有足夠的驅(qū)動(dòng)力，通常要比理論計(jì)算值高出100%。選擇Z 軸電機(jī)時(shí)要考慮Z 軸和負(fù)載的自重，整個(gè)Z 軸運(yùn)動(dòng)的加速力和磨擦力。選用德國Neugart 精密行星減速機(jī)和德國帶抱閘的伺服電機(jī)，負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比為5.12，最大出力比所需求的最大出力的超出289%，安全系數(shù)為289%。X 軸的驅(qū)動(dòng)選用德國Neugart精密行星減速機(jī)和德國產(chǎn)伺服電機(jī)，負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比為6.82，出力安全系數(shù)為212%。數(shù)控系統(tǒng)選用德國恩格哈公司的D22 數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，易二次開發(fā)。這里主要用G 代碼G01 X Z F 和G04。 

　　現(xiàn)場(chǎng)安裝：機(jī)器人在加速和減速時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，而且通常每天要工作24 小時(shí)，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(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)沖擊下，沒有任何晃動(dòng)。此外在安裝時(shí)要保證運(yùn)動(dòng)軸間的平行度、平面度和垂直度。右面的圖像是現(xiàn)場(chǎng)安裝后的照片。 

五、結(jié)論 
　　采用ROBOWORKER公司的機(jī)器人后使上面的產(chǎn)品生產(chǎn)速度和質(zhì)量大為提高，而且省去大量人力和財(cái)力。該機(jī)器人運(yùn)行半年后就收回所投入的成本。該機(jī)器人運(yùn)行一年來非常平穩(wěn)可靠，在正常維護(hù)下至少運(yùn)行十年。這是我們?cè)趪鴥?nèi)目前做成的最大負(fù)載機(jī)器人，從中積累了許多實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，為以后其它應(yīng)用提供更大行程，更大負(fù)載的高動(dòng)態(tài)龍門機(jī)器人和懸臂機(jī)器人打下了很好的基礎(chǔ)。目前還有兩臺(tái)500 公斤負(fù)載，大約4*2*1 米有效行程的上下料機(jī)器人正在進(jìn)行中。隨著大批量全自動(dòng)化生產(chǎn)工業(yè)的迅猛發(fā)展，這類直角坐標(biāo)機(jī)器人將具有更加廣范的市場(chǎng)前景和發(fā)展?jié)摿Γ?/p>