直角坐标机器人简述
作者：李刚
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一 机器人的定义及分类：
机器人按ISO8373定义为：位置可以固定或移动，能够实现自动控制、可重复编程、多功能多用处、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内可编程的工业自动化设备。这里自由度就是指可运动或转动的轴。工业机器人按其结构形式及编程坐标系主要分类为关节型机器人、移动机器人、水下机器人和直角坐标机器人等。按主要功能特征及应用分类为移动机器人、水下机器人、洁净机器人、直角坐标机器人、焊接机器人、手术机器人和**机器人等。
作为在各行各业中被广泛应用直角坐标机器人主要是以直线运动轴为主，各个运动轴通常对应直角坐标系中的X轴，Y轴和Z轴，一般X轴和Y轴是水平面内运动轴，Z轴是上下运动轴。在一些应用中Z轴上带有一个旋转轴，或带有一个摆动轴和一个旋转轴。在绝大多数情况下直角坐标机器人的各个直线运动轴间的夹角为直角。
二 直角坐标机器人的主要组成部分
下图是一个典型的3D直角坐标机器人，它由X轴,Y轴,Z轴及驱动电机组成。此外一个完整的机器人系统还需要控制系统和手抓，下面分别予以介绍：
2.1直线运动轴:也叫直线运动单元，它就是一个独立的运动轴，主要由支撑载体的铝型材或钢型材和被安装在型材内部的直线导轨、运动滑块以及作为带动滑块做高速运动的同步带组成。
2.2运动轴的驱动系统
直角坐标机器人的传动主要是通过驱动电机的转动带动同步带运动，同步带带动直线导轨上的滑块运动。当驱动轴的高转速低于600转/分时通常选用步进电机，否则选用交流伺服电机。
2.3直角坐标机器人的控制系统
机器人要在一定时间内完成特定的任务，比如每10秒内完成一次搬运工作。在完成抓取，加速运动，高速运动，减速运动，释放工件等同时，还要与相关的设备通过通讯或I/O口实现一些时序上的协调同步。另外在涂胶应用上，各个运动轴要完成直线和圆弧插补运动。因此其数控系统要按具体应用要求来选定其控制轴数、I/O口数量和软件功能。通常选用数控系统，PLC，工控机加运动控制卡和带轴卡功能及I/O口的驱动电机来做控制系统。
2.4直角坐标机器人的末端操作器——手爪系统
根据其具体应用情况，其手爪系统可能是气动吸盘、气动夹取手爪、电动夹取手爪、电磁吸取手爪、焊枪、胶枪、专用工具和检测仪器等。在很多场合可以一次抓取多个工件。
三 直角坐标机器人的主要结构形式及主要特点
下图是典型的3D龙门式直角坐标机器人。但针对各种不同的应用，实际上可以方便快速组合成不同维数，各种行程和不同带载能力的壁挂式、悬臂式、龙门式或倒挂式等各种形式的直角坐标机器人。从简单的二维机器人到复杂的五维机器人就有上百种结构形式的成功应用案例。从电机到汽车等各行各业的自动化生产线中，更是各式各样的多台直角坐标机器人和其它设备严格同步协调工作。可以说直角坐标机器人几乎能胜任所有的工业自动化任务。下面是其主要特点：
3.1任意组合成各种样式：每根直线运动轴长是6米，其带载能力从10公斤到200公斤。在实际应用中已有近百种结构的直角坐标机器人，这些结构也可以任意组合成新的结构等。
3.2超大行程：因为单根龙门式直线运动单元的长度是6米，还可以多根方便地级连成超大行程，所以其工作空间几乎没有限制，小到手机点胶机，大到18米长行程的切割机，8米长行程钻铣床，6米*6米*3米的检测机器人等。超大行程时要采用直线导轨和齿条传动方式。
3.3负载能力强：单根直线运动单元的负载通常小于200公斤。但当采用双滑块或多滑块刚性联结时负载能力可以增加5到10倍。当把两根或四根直线运动单元并排接起来使用时，其负载可以增加2到4倍。当采用多根多滑块结构时其负载能力可增加到数吨。
3.4高动态特性：轻负载时其大运行速度可达到每秒8米，加速度可达到每秒4米。使其具有很高的动态特性，工作效率非常高，通常在几秒内完成一个工作节拍。
3.5高精度：按传动方式及配置在整个行程内其重复定位精度可达到0.05mm到0.01mm。
3.6扩展能力强：可以方便改变结构或通过编程来适合新的应用。
3.7简单经济：对比关节机器人，直角坐标机器人不仅外观直观且构造成本低，编程简单类同数控铣床，易培训员工和维修，使其具有非常好的经济性。
3.8胜任复杂任务：采用带有RTCP功能的五轴或五轴以上数控系统能完成非常复杂的喷涂，喷丸，检测，加工等任务。
3.9寿命长：直角坐标机器人的维护通常就是周期性加注润滑油，寿命一般是10年以上，维护好了可达20年。
3.10应用面宽：可以方便地装配多种形式和尺寸的手爪，可以胜任许多常见的工作，如焊接、切割，搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码和喷涂等任务。
四、直角坐标机器人的选型和保养
4.1选型:首先要根据负载大小，行程，工作节拍和工作空间限制来选择机器人的外形结构。选好结构形式后要根据行程和变形量等选择每个轴的形式和型号。大负载时和高冲击力时可以选择由2根或4根运动轴组合成一个复合运动轴。各个运动轴间的装配也很关键，不仅要保证其垂直度，更要考虑在各个方向有足够的抗冲击力和变形。机器人要在几秒内完成一个运动节拍，选择的驱动电机必须有足够的驱动力，通常要比理论计算值高出100%。当负载的转动惯量与驱动电机的转动惯量比大于12时，要选配德国纽卡特公司的精密行星减速机。
在超高动态和定位精度要求很高情况下，可以选用直线电机来驱动。但直线电机的安装和防护难度大，发热量大，撞击危险性高和控制难度高，成本也高，所以要慎用。而其防护难度大和发热量大目前在机床行业还是世界性难题。
4.2安装
机器人在加速和减速时会产生强大的冲击力，而且通常每天要工作24小时，所以机器人必须被牢固地安装在支架上。机器人的支架要有足够的抗冲击力，要有地脚，以保证在长期高速高动态运动冲击下，没有任何晃动。此外在安装时要保证运动轴间的平行度、平面度和垂直度。
4.3保养事项
通常机器人的每个运动轴在经过一定长度的运动后要周期性的通过滑块的注油孔给直线导轨加注润滑油。随机器人使用环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业要选用带防尘带的运动轴和缩短注油周期，在有喷水的场合也要缩短注油周期。
五，应用和展望
直角坐标机器人以其特有的一些优点在西方国家被广泛用来执行焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、涂胶和切割等一系列工作。深受包装机械、印刷机械、汽车工业、食品生产工业、药品生产工业、电子工业、机器制造业和化妆品生产等行业的好评。随着自动化程度、环保要求、卫生规定、生产效率和人工费用的提高，直角坐标机器人在中国也必将被各行各业广泛采用。