直角坐標機器人的設計方法

直角坐標機器人的設計方法
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（http://www.lituo-robot.com/）；
關鍵詞：直角坐標機器人、直線定位單元、控制系統、伺服控制；

直角坐標機器人概念：
工業應用中，能夠實現自動控制的、可重復編程的、多功能的、多自由度的、運動自由度建成空間直角關系、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。關于機器人的定義隨著科技的不斷發展，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、自動控制的，可重復編程，所有的運動均按程序運行；
3、一般由控制系統、驅動系統、機械系統、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、可用于惡劣的環境，可長期工作，便于操作維修。
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）噴涂、目標跟隨、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，對于穩定提高產品質量，

提高勞動生產率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。
直角坐標機器人的應用圖二
隨著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、伺服控制等等。沈陽力拓自動化控制技術有限公司有著多年直角坐標機器人技術應用、數控技術和產品研發經驗，我們依托德國

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

各個領域的生產線上。
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、機器人設計是面向客戶的設計，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，尋求解決方案。
3、機器人設計是面向加工的設計，再好的設計，如果工廠不能加工出產品，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產生而設計的，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，重復定位精度；
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；
機器人的運行工作制、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龍門結構、壁掛結構，垂掛結構，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。后續的設計必須是基于一個確定的結構。
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 速度曲線四
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，每根定位系統都要分析。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）
注意：在計算撓度形變時，梁的自重產生的變形不能忽視，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，因為機器人一直處于運動狀態，必須計算加速力產生的形變，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后，將產生扭曲變形。實際應用中產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
常用的驅動系統有：交流/支流伺服電機驅動系統、步進電機驅動系統、直線伺服電機/直線步進電機驅動系統。
每一個驅動系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/負載慣量的匹配關系
其他計算公式及計算方法請與沈陽力拓公司聯系。
7、機械結構設計
在完成了前面六項工作后，一個直角坐標機器人定位系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，以便生產。

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
機械結構設計完成后，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、工作制等有關。
如果發現機器人的運行壽命太短，需要重新調整設計。
具體計算方法請與沈陽力拓公司聯系。
9、控制系統的選擇
沒有控制系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制系統的機械結構稱為裸機或機器人定位系統（robot

positioning system）。
根據要求的不同，控制系統的選擇也不同，通常選擇作為控制系統的產品有：
PLC 程序控制器；
工業運動控制卡（motion card）;
數字控制系統(CNC)
專于控制器
10、程序編寫
控制系統是機器人的大腦，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，但只要機器人總體設計沒有問題，程序總會編出來的。編程序要注意以下問題：
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，細節眾多。本文只是做了些簡單的介紹，有興趣朋友

可與我們聯系（lt.sy@126.com），索取詳細的設計資料。