龙门式直角坐标搬运机器人

一、直角坐标机器人介绍
　　在现代化制造业中，经常要把几百公斤到一吨的工件从一个工位搬到另一个工位。搬运过程有时是2D 的XZ 方式运动，有时是3D 的XYZ 方式运动，有时搬运到位后还要把工件转动90 度。而搬运速度通常是30 米/分到60 米/分，最大加速度可达到2m/s2 ,还要几个方向同时运动。特别是当上下运动的Z 轴较长时，几个方向同时减速时会产生非常强大的冲击力和晃动。而在很多应用中对晃动要求要很小，定位精度通常达到0.1mm。 

　　直角坐标机器人非常适用上面的这些要求，但在实现中有很多参数必须经过严格计算来确定，下面结合一个应用例子来介绍如何实现：大负载大行程高速龙门式机器人的设计。 

二、任务描述 
　　机器人按ISO 8373 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。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。直角坐标机器人不仅经济性好，编程简单和易维修，而且可以方便组合成各种样式结构的机器人，其带载能力从10 公斤到几吨，超大行程到几十米，最高运行速度可达到每秒8 米，加速度可达到每秒4 米，重复定位精度可达到0.05mm到0.01mm。 

　　在一些大型精密机械和机电设备的生产过程中，对于需要经常传动但又要防止生锈的工件来说，油浸处理就非常的必要。本项目中需要搬运的工件及对应抓取手爪的总重量为350kg，其水平运动距离为4 米，而上下运动行程为2 米，运行速度为1 米/秒。那么采用龙门机器人搬运就显得非常的必要。本项目为浸油输送线的一部分，用机械手浸油，浸油输送线主要完成自动上下料、机械手搬运浸油、吹气淋油、工件输送、码箱、输送到穿梭车等工作。　　工件输送都是放在浸油筐中来实现，避免了工件间，及工件和操作台、输送轨道间的磕碰，保证了工件的质量，又达到了工件浸油防锈的目的。 

　　输送线的起始部分为工件存放处，主要功能就是把加工车间加工完成的齿轮、轴等工件放到浸油筐中，然后由中转小车把若干浸油筐运到上料输送辊道上，然后由机器人抓取浸油。浸油机械手为浸油过程的主要设备，当通过前段的辊道输送线把浸油筐输送到位后，定位系统完成浸油筐的定位，定位准备好后发给机械手上料指令；然后机械手在左端就绪位置下降500 毫米，然后抓取浸油筐后上升200 毫米，XZ 轴再同时运动，其中Z 轴上升300 毫米，X 轴高速运动2000 毫米。这时浸油筐到达油箱的上方，要下降2000 毫米及停顿2 秒保证充分浸油，然后上升2000 毫米后继续右行，右行到位下降，机械手把浸油筐放到输送线上，继续前行准备吹气淋油，机械手返回到左端的原始位置，准备对下一浸油筐进行浸油。 

三、选型及理论分析 

　　针对该任务要求及现场空间位置限制，我们先选定机器人的形式是二维XZ 指角坐标机器人，然后进行如下的运动节拍和速度分析： 

　　Z 轴选型分析：在选择上下运动的Z轴时，采用了两根Roboworker RSL90 运动轴和120mm 宽超强齿型带组成的符合轴。由于总长度几乎达到了3 米，在X 轴以1 米/秒速度下快速减速时对Z轴产生非常强大的冲击力和晃动。为了有更大的抗冲击能力和产生小的晃动，对两根RSL90 运动轴我们采用四个超长滑块，上下两端采用40 毫米厚的高强度连接铝板。选用的120mm 宽超强齿型的额定拉力是2000 KG，破坏拉力达7000 KG。Z 轴的实际带载能力可达800 KG，带350KG 的负载可以长期高效可靠工作。 

　　X 轴选型分析：采用了两根5 米长的Roboworker RSL90 运动轴，每根运动轴带两个超长滑块。单个300mm 滑块RSL90 型运动轴的最大负载能力可达360KG，这里采用双滑块刚性联结负载能力可以增加5 倍。当把两根运动轴并排刚性连接起来使用时，其负载能力可以增加2 倍，所以这里采用的双轴双滑块结构其负载能力可增加到2 吨。而负载（含手爪），Z 轴及Z 轴与X 轴的连接板和驱动电机等总重量大约600 KG，所以两根四滑块结构完全能承受600KG 负载及加减速时产生的冲击力。 

四、电机和驱动器选型: 
　　该机器人的运行速度达1 米/秒，加速度2m/s2，，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%。选择Z 轴电机时要考虑Z 轴和负载的自重，整个Z 轴运动的加速力和磨擦力。选用德国Neugart 精密行星减速机和德国带抱闸的伺服电机，负载的转动惯量与驱动电机的转动惯量比为5.12，最大出力比所需求的最大出力的超出289%，安全系数为289%。X 轴的驱动选用德国Neugart精密行星减速机和德国产伺服电机，负载的转动惯量与驱动电机的转动惯量比为6.82，出力安全系数为212%。数控系统选用德国恩格哈公司的D22 数控系统。该系统稳定性高，易二次开发。这里主要用G 代码G01 X Z F 和G04。 

　　现场安装：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。右面的图像是现场安装后的照片。 

五、结论 
　　采用ROBOWORKER公司的机器人后使上面的产品生产速度和质量大为提高，而且省去大量人力和财力。该机器人运行半年后就收回所投入的成本。该机器人运行一年来非常平稳可靠，在正常维护下至少运行十年。这是我们在国内目前做成的最大负载机器人，从中积累了许多实际经验，为以后其它应用提供更大行程，更大负载的高动态龙门机器人和悬臂机器人打下了很好的基础。目前还有两台500 公斤负载，大约4*2*1 米有效行程的上下料机器人正在进行中。随着大批量全自动化生产工业的迅猛发展，这类直角坐标机器人将具有更加广范的市场前景和发展潜力！