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直角坐標機器人
直角坐標機器人概念：
工業應用中，能夠實現自動控製的、可重複編程的、多功能的、多自由度的、運動自由度建成空間直角關係、多用途的操作機。他能夠搬運物體、操作工具，以完成各種作業。關於機器人的定義隨着科技的不斷發展，在不斷的完善，直角坐標機器人作為機器人的一種，其含義也在不斷的完善中。
典型直角坐標機器人圖一
直角坐標機器人的特點：
1、自由度運動，每個運動自由度之間的空間夾角為直角；
2、自動控製的，可重複編程，所有的運動均按程序運行；
3、一般由控製係統、驅動係統、機械係統、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、可用於惡劣的環境，可長期工作，便於操作維修。
直角坐標機器人的應用：
因末端操作工具的不同，直角坐標機器人可以非常方便的用作各種自動化設備，完成如焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標、噴碼、打碼、（軟仿型）噴塗、目標跟隨、排爆等一係列工作。特別適用於多品種、便批量的柔性化作業，對於穩定提高産品質量，提高勞動生産率，改善勞動條件和産品的快速更新換代起着十分重要的作用。
直角坐標機器人的應用圖二
隨着直角坐標機器人的應用越來越廣泛，直角坐標機器人的設計工作日益顯得重要。成功的設計一臺直角坐標機器人涉及到很多方面的工作，包括機械結構、動力驅動、伺服控製等等。瀋陽力拓自動化控製技術有限公司有着多年直角坐標機器人技術應用、數控技術和産品研發經驗，我們依托德國bahr公司直綫定位係統性及機械手臂開發出了價比優良的係列數控直角坐標機器人，被廣泛地應用在汽車、電子、電器、檢測、醫療、航天、食品等各個領域的生産綫上。
下面我們就對直角坐標機器人的設計進行一個簡要的闡述。
一、機器人設計特點：
1、機器人的設計是一個復雜的工作，工作量很大，涉及的知識面很多，往往需要多人完成。
2、機器人設計是面嚮客戶的設計，不是閉門造車。設計者需要經常和用戶在一起，不停分析用戶要求，尋求解决方案。
3、機器人設計是面嚮加工的設計，再好的設計，如果工廠不能加工出産品，設計也是失敗的，設計者需要掌握大量的加工工藝及加工手段。
4、機器人設計是一個不斷完善的過程。
二、機器人設計流程：
1、使用要求的分析：每一個機器人都是根據特定的要求的産生而設計的，設計的第一步就是要將使用要求分析清楚，確定設計時需要考慮的參數，包括：
機器人的定位精度，重複定位精度；
機器人的負載大小，負載特性；
機器人運動的自由度數量，每自由度的運動行程；
機器人的工作周期或運動速度，加減速特性；
機器人的運動軌跡，動作的關聯；
機器人的工作環境、安裝方式；
機器人的運行工作製、運行壽命；
其他特殊要求；
2、本機械模型初建：機器人從機械結構分大體可分為竜門結構、壁挂結構，垂挂結構，根據安裝空
間的要求選擇不同的結構，每種結構的力學特性、運動特性都是不一樣的。後續的設計必須是基於一個確定的結構。
機器人的基本結構圖三
3、運動性能計算：有關該性能的參數有：
平均速度：v=s/t 速度麯綫四
最大速度：vmax=at
加速度/減速度：a=f/m
其中：s為運動行程
t為定位運動時間
f加速時的驅動力
m運動物體質量和
4、力學特性分析
一個機器人是由許多定位單元組成的，每根定位係統都要分析。需要分析的項目如下：
水平推力fx 力學分析圖五
正壓力fz
側壓力fy
mx、my、mz
5、機械強度校核：
每個定位單元，每個梁都要進行校核，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）
註意：在計算撓度形變時，梁的自重産生的變形不能忽視，梁的自重按均布載荷計算。
以上公式計算的是靜態形變，實際應用中，因為機器人一直處於運動狀態，必須計算加速力産生的形變，形變直接影響機器人的運行精度。
2）扭轉形變計算：
當一根梁的一端固定，另一端施加一個繞軸扭矩後，將産生扭麯變形。實際應用中産生該形變的原因一般是負載偏心或有繞軸加速旋轉的物體存在。
扭轉力矩分析圖七、八
6、驅動元件選擇
常用的驅動係統有：交流/支流伺服電機驅動係統、步進電機驅動係統、直綫伺服電機/直綫步進電機驅動係統。
每一個驅動係統都由電機和驅動器兩部分組成。驅動器的作用是將弱電信號放大，將其加載在驅動電機的強電上，驅動電機。電機則是將電信號轉化成精確的速度及角位移。
需要計算的項目如下：
電機功率：
電機扭矩：
電機轉速：
減速機減速比
電機慣量/負載慣量的匹配關係
其他計算公式及計算方法請與瀋陽力拓公司聯繫。
7、機械結構設計
在完成了前面六項工作後，一個直角坐標機器人定位係統的雛形就已經在設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，以便生産。我們建議用戶用三維軟件設計，以便檢查是否存在位置干涉。
機器人的運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、設備壽命校核
機械結構設計完成後，要對整臺設備進行壽命計算，核心元件的壽命到要計算，如機器人軌道的壽命，減速機的壽命，伺服電機的壽命等。
機器人的運行壽命與運行速度、負載大小、結構形式、工作環境、工作製等有關。
如果發現機器人的運行壽命太短，需要重新調整設計。
具體計算方法請與瀋陽力拓公司聯繫。
9、控製係統的選擇
沒有控製係統的機器人就象人沒有大腦一樣，不能執行任何動作。所以我們通常將沒有配備控製係統的機械結構稱為裸機或機器人定位係統（robot positioning system）。
根據要求的不同，控製係統的選擇也不同，通常選擇作為控製係統的産品有：
plc 程序控製器；
工業運動控製卡（motion card）;
數字控製係統(cnc)
專於控製器
10、程序編寫
控製係統是機器人的大腦，程序是機器人的思想。程序的編寫直接反應設計者的思想、意圖和運動需求。
編寫程序是一個復雜的過程，但衹要機器人總體設計沒有問題，程序總會編出來的。編程序要註意以下問題：
對任務的分析要清晰，編程層次要分明，邏輯清晰。
結束語：
機器人的設計是一個不斷熟悉，不斷完善的過程，需要不斷在實際應用中總結提高。內容龐雜，細節衆多。本文衹是做了些簡單的介紹，有興趣朋友可與我們聯繫（ lituobj@126.com），索取詳細的設計資料。 |
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1、最高達到三個綫性運動自由度的運動，每個運動自由度之間的空間夾角為直角；
2、自動控製的，可重複編程，所有的運動均按程序運行；
3、一般由控製係統、驅動係統、機械係統、操作工具等組成。
4、可以適合於比較大的、四方形的工作空間內工作。
5、相比其他工業機器人，承重能力可以達到比較高。
6、框架結構的設計適合於模塊化係統的實現。 |
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直角坐標機器人的構造，主要取决於它的支撐梁架，可以分為多種。
● 綫性式（機械手臂工作在一維綫性的支撐架上，工作範圍為平面區域）
● 懸臂式
● 平面式（機械手臂工作在二維支撐架上，工作範圍為三維空間）
● H式 |
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直角坐標機器人（桁架機器人）作為典型的工業機器人（其他的包括：關節式工業機器人，和平動式工業機器人SCARA）中的一種，在工業生産中有着十分廣泛的應用。
根據末端操作工具（比如，機器抓手）的不同，直角坐標機器人可以用作各種自動化設備，完成如焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標、噴碼、打碼、（軟仿型）噴塗、目標跟隨等一係列工作。特別適用於多品種、便批量的柔性化作業，對於穩定提高産品質量，提高勞動生産率，改善勞動條件和産品的快速更新換代起着十分重要的作用。
隨着直角坐標機器人的應用越來越廣泛，直角坐標機器人的設計工作日益顯得重要。成功的設計一臺直角坐標機器人涉及到很多方面的工作，包括機械結構、動力驅動、伺服控製等等。 |