一、直角坐標機器人介紹
　　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工位搬到另一個工位。搬運過程有時是2D 的XZ 方式運動，有時是3D 的XYZ 方式運動，有時搬運到位后還要把工件轉(zhuǎn)動90 度。而搬運速度通常是30 米/分到60 米/分，最大加速度可達到2m/s2 ,還要幾個方向同時運動。特別是當上下運動的Z 軸較長時，幾個方向同時減速時會產(chǎn)生非常強大的沖擊力和晃動。而在很多應(yīng)用中對晃動要求要很小，定位精度通常達到0.1mm。 

　　直角坐標機器人非常適用上面的這些要求，但在實現(xiàn)中有很多參數(shù)必須經(jīng)過嚴格計算來確定，下面結(jié)合一個應(yīng)用例子來介紹如何實現(xiàn)：大負載大行程高速龍門式機器人的設(shè)計。 

二、任務(wù)描述 
　　機器人按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動或轉(zhuǎn)動的軸。作為在各行各業(yè)中被廣泛應(yīng)用直角坐標機器人主要是以直線運動軸為主，各個運動軸通常對應(yīng)直角坐標系中的X 軸，Y 軸和Z 軸，一般X 軸和Y 軸是水平面內(nèi)運動軸，Z 軸是上下運動軸。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)情況下直角坐標機器人的各個直線運動軸間的夾角為直角。直角坐標機器人不僅經(jīng)濟性好，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，最高運行速度可達到每秒8 米，加速度可達到每秒4 米，重復(fù)定位精度可達到0.05mm到0.01mm。 

　　在一些大型精密機械和機電設(shè)備的生產(chǎn)過程中，對于需要經(jīng)常傳動但又要防止生銹的工件來說，油浸處理就非常的必要。本項目中需要搬運的工件及對應(yīng)抓取手爪的總重量為350kg，其水平運動距離為4 米，而上下運動行程為2 米，運行速度為1 米/秒。那么采用龍門機器人搬運就顯得非常的必要。本項目為浸油輸送線的一部分，用機械手浸油，浸油輸送線主要完成自動上下料、機械手搬運浸油、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現(xiàn)，避免了工件間，及工件和操作臺、輸送軌道間的磕碰，保證了工件的質(zhì)量，又達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到上料輸送輥道上，然后由機器人抓取浸油。浸油機械手為浸油過程的主要設(shè)備，當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，定位準備好后發(fā)給機械手上料指令；然后機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 軸再同時運動，其中Z 軸上升300 毫米，X 軸高速運動2000 毫米。這時浸油筐到達油箱的上方，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，機械手把浸油筐放到輸送線上，繼續(xù)前行準備吹氣淋油，機械手返回到左端的原始位置，準備對下一浸油筐進行浸油。 

三、選型及理論分析 

　　針對該任務(wù)要求及現(xiàn)場空間位置限制，我們先選定機器人的形式是二維XZ 指角坐標機器人，然后進行如下的運動節(jié)拍和速度分析： 

　　Z 軸選型分析：在選擇上下運動的Z軸時，采用了兩根Roboworker RSL90 運動軸和120mm 寬超強齒型帶組成的符合軸。由于總長度幾乎達到了3 米，在X 軸以1 米/秒速度下快速減速時對Z軸產(chǎn)生非常強大的沖擊力和晃動。為了有更大的抗沖擊能力和產(chǎn)生小的晃動，對兩根RSL90 運動軸我們采用四個超長滑塊，上下兩端采用40 毫米厚的高強度連接鋁板。選用的120mm 寬超強齒型的額定拉力是2000 KG，破壞拉力達7000 KG。Z 軸的實際帶載能力可達800 KG，帶350KG 的負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 運動軸，每根運動軸帶兩個超長滑塊。單個300mm 滑塊RSL90 型運動軸的最大負載能力可達360KG，這里采用雙滑塊剛性聯(lián)結(jié)負載能力可以增加5 倍。當把兩根運動軸并排剛性連接起來使用時，其負載能力可以增加2 倍，所以這里采用的雙軸雙滑塊結(jié)構(gòu)其負載能力可增加到2 噸。而負載（含手爪），Z 軸及Z 軸與X 軸的連接板和驅(qū)動電機等總重量大約600 KG，所以兩根四滑塊結(jié)構(gòu)完全能承受600KG 負載及加減速時產(chǎn)生的沖擊力。 

四、電機和驅(qū)動器選型: 
　　該機器人的運行速度達1 米/秒，加速度2m/s2，，選擇的驅(qū)動電機必須有足夠的驅(qū)動力，通常要比理論計算值高出100%。選擇Z 軸電機時要考慮Z 軸和負載的自重，整個Z 軸運動的加速力和磨擦力。選用德國Neugart 精密行星減速機和德國帶抱閘的伺服電機，負載的轉(zhuǎn)動慣量與驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動慣量比為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)動選用德國Neugart精密行星減速機和德國產(chǎn)伺服電機，負載的轉(zhuǎn)動慣量與驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動慣量比為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)場安裝：機器人在加速和減速時會產(chǎn)生強大的沖擊力，而且通常每天要工作24 小時，所以機器人必須被牢固地安裝在支架上。機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)運動沖擊下，沒有任何晃動。此外在安裝時要保證運動軸間的平行度、平面度和垂直度。右面的圖像是現(xiàn)場安裝后的照片。 

五、結(jié)論 
　　采用ROBOWORKER公司的機器人后使上面的產(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力。該機器人運行半年后就收回所投入的成本。該機器人運行一年來非常平穩(wěn)可靠，在正常維護下至少運行十年。這是我們在國內(nèi)目前做成的最大負載機器人，從中積累了許多實際經(jīng)驗，為以后其它應(yīng)用提供更大行程，更大負載的高動態(tài)龍門機器人和懸臂機器人打下了很好的基礎(chǔ)。目前還有兩臺500 公斤負載，大約4*2*1 米有效行程的上下料機器人正在進行中。隨著大批量全自動化生產(chǎn)工業(yè)的迅猛發(fā)展，這類直角坐標機器人將具有更加廣范的市場前景和發(fā)展?jié)摿Γ?/p>