直角坐標(biāo)機(jī)器人概念：

工業(yè)應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、運(yùn)動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，每個運(yùn)動自由度之間的空間夾角為直角；
2、自動控制的，可重復(fù)編程，所有的運(yùn)動均按程序運(yùn)行；
3、一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(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化設(shè)備，完成如焊接、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、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)，對于穩(wěn)定提高產(chǎn)品質(zhì)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(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)用越來越廣泛，直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計工作日益顯得重要。成功的設(shè)計一臺直角坐標(biāo)機(jī)器人涉及到很多方面的工作，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、動力驅(qū)動、伺服控制等等。沈陽力拓自動化控制技術(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，我們依托德國BAHR公司直線定位系統(tǒng)性及機(jī)械手臂開發(fā)出了價比優(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、醫(yī)療、航天、食品等各個領(lǐng)域的生產(chǎn)線上。

下面我們就對直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計進(jìn)行一個簡要的闡述。

一、機(jī)器人設(shè)計特點(diǎn)：

1、機(jī)器人的設(shè)計是一個復(fù)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(jī)器人設(shè)計是面向客戶的設(shè)計，不是閉門造車。設(shè)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(jī)器人設(shè)計是面向加工的設(shè)計，再好的設(shè)計，如果工廠不能加工出產(chǎn)品，設(shè)計也是失敗的，設(shè)計者需要掌握大量的加工工藝及加工手段。
4、機(jī)器人設(shè)計是一個不斷完善的過程。

二、機(jī)器人設(shè)計流程：

1、使用要求的分析：每一個機(jī)器人都是根據(jù)特定的要求的產(chǎn)生而設(shè)計的，設(shè)計的第一步就是要將使用要求分析清楚，確定設(shè)計時需要考慮的參數(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)動的自由度數(shù)量，每自由度的運(yùn)動行程；
機(jī)器人的工作周期或運(yùn)動速度，加減速特性；
機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，動作的關(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)動特性都是不一樣的。后續(xù)的設(shè)計必須是基于一個確定的結(jié)構(gòu)。

機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)圖三
3、運(yùn)動性能計算：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)動行程
t為定位運(yùn)動時間
F加速時的驅(qū)動力
M運(yùn)動物體質(zhì)量和

4、力學(xué)特性分析

一個機(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：

每個定位單元，每個梁都要進(jìn)行校核，尤其雙端支撐梁和懸臂梁。

1） 撓度變形計算

撓度變形圖六
F：負(fù)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(yīng)用中，因為機(jī)器人一直處于運(yùn)動狀態(tài)，必須計算加速力產(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)形變計算：

當(dāng)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(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)動元件選擇

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

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

需要計算的項目如下：

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

其他計算公式及計算方法請與沈陽力拓公司聯(lián)系。

7、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

在完成了前面六項工作后，一個直角坐標(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(shè)計，以便檢查是否存在位置干涉。

機(jī)器人的運(yùn)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(shè)備壽命校核

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，要對整臺設(shè)備進(jìn)行壽命計算，核心元件的壽命到要計算，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。