直角坐標機器人在鋁錠碼垛機上的應用

文章作者：沈陽力拓自動化控制技術有限公司 楊樹彬

參考資料：德國BAHR公司直角坐標機器人（www.lt-bahrrobot.com）

關鍵詞：直角坐標機器人、搬運機械手、運動控制、伺服系統

隨著機器人技術的發展，直角坐標機器人技術在碼垛機上的使用越來越多。直角坐標機器人作為執行機構，具用控制方便，執行動作靈活，可以實現復雜的空間軌跡控制。沈陽力拓自動化控制技術有限公司在多年機器人技術應用、數控技術和產品研發基礎上，依托德國BAHR公司直線定位系統性及機械手臂開發出了價比優良的系列數控搬運、碼垛、裝配機器人，廣泛應用在金屬冶金、汽車制造、食品加工、電子等行業上，是航空、汽車等行業重要的裝備。

搬運機器人一

在金屬澆注領域，搬運機器人有著廣泛的應用和需求。下面就是我們依據客戶要求開發的一臺在鋁錠澆注生產線上工作的直角坐標機器人，其特點是負載范圍大，小到幾公斤，大到幾噸；運行速度快，且速度可調整；動作靈活，可以完成復雜的碼垛任務；可靠性高，維護簡單。

典型四坐標機器人二

運動空間為三維，四自由度運動。

行程：X方向2200mm, Y方向1500mm, Z方向1200mm, 水平旋轉：+-90⁰

能夠和生產線融為一體，有良好的通訊功能。

最大負載重量為150Kg,額定負載125Kg。層與層間成90度角交叉排放。

每垛共九層，垛高1000mm。

最快碼垛速度為1000mm/s，平均速度為500mm/s。

碼垛精度：1mm

碼垛機器人的鋁錠圖三

根據以上要求，我們設計了一臺三坐標機器人。

二、機器人組成：
該機器人由安裝架、機器人定位系統、伺服驅動系統、供膠系統及涂膠槍、控制系統及電控配電系統、安全防護裝置等組成。
1、機器人安裝架

因為該機器人碼垛機的運動速度很快，起停狀態對安裝架有很大的沖擊。安裝架必須有非常好的剛性才能保證機器人運行的穩定。我們為此設計了焊接鋼架結構作為支撐架。

機器人定位系統是整臺設備的核心，為德國bahr公司產品，因運動速度快，而重復精度并不高， X,Y,Z三坐標均選擇為同步齒形帶傳動，單坐標重復定位精度為0.1mm，最快直線運動速度：1000mm/s。其中X坐標軸為兩根長度為3000mm，跨度為2200mm的定位系統ELZ100，由同步傳輸器保證兩根定位系統運動的同步，由一臺3000W伺服電機驅動。出于驅動扭矩及慣量的匹配，需要配一臺行星減速機。

Y軸選用ELZ100和ELR100雙定位系統，之所以選者如此大截面的定位單元，主要是因為Y軸為雙端支撐，中間懸空結構，如果選擇的截面不夠，將不能保證機器人運動的平穩性，機器人在高速運動時將發生振顫。ELZ100為主驅動結構，ELR100位輔助結構。兩根定位單元并排使用，將Z軸夾在中間，能夠很好的平衡負載，這種安裝方式具有非常好的穩定性。兩根定位系統由一臺2500W伺服電機驅動，出于驅動扭矩及慣量的匹配，需要配一臺行星減速機。

Z軸選用ELSD100雙滑快全包圍定位系統，牢固穩定。該產品是專為同時完成物體提升和旋轉兩個運動而設計的。該產品一般滑塊固定而定位體作伸縮式運動，驅動定位體的伺服電機驅動和滑塊安裝在一起。該伺服電機因需要將物體快速提升，需要克服很大的重力和加速力，需要較大的功率才可以。

實際應用中我們選擇了一臺4000W帶抱閘的伺服電機，匹配了一臺一臺行星減速機。

旋轉軸與Z軸是集成在一起的，通過在Z軸定位體中心添加一根貫穿的長軸實現的。長軸的最上端作為驅動端，與伺服電機安裝在一起。長軸的最下端作為負載端，用于安裝物體。因物體較重，轉動慣量較大，不能直接安裝在驅動軸，必須加一臺盤式減速機才能匹配。伺服電機的動力先由長軸傳輸到減速機再傳輸到負載，就實現了旋轉負載的功能。

碼垛機器人結構圖四

該碼垛機器人的選用具有Profibus 功能的伺服電機。每個運動軸配有一臺伺服電機及一臺減速機，四個運動軸，共四套伺服電機和四臺減速機，其中垂直運動軸為帶抱閘伺服電機。

該機械手選用德國菲施托氣動機械手，壓力可調，配備壓力緩沖閥，使夾持動作平穩

抓手上裝有感應機構，能夠自動感知物體，并通知控制中心進行物體抓放。

控制系統由大型PLC、觸摸屏組成。該系統擁有強大的Profibus通訊功能。能夠將數據實時傳輸給以太網，能夠將控制指令以總線的方式發送給伺服系統，使整個的運動相當流暢。該系統可預置多種工件的程序，更換品種時可在觸摸屏上調用相應程序。

該機具有故障提示及報警功能，并且每次出現故障時都能準確的反映出故障具體位置，便于迅速排除故障，主要包括：機器人碰撞保護功能；工件安裝到位檢測；光幕安全保護。