直角坐标机器人与关节机器人对比分析
摘要：本文主要介绍直角坐标机器人和关节机器人的特性，以及两种机器人的应用对比。
关键字：直角坐标机器人关节机器人
前言：现今工业机器人主要分两大类——直角坐标机器人和关节机器人，这两类机器人均适合用于诸多工业领域的机械自动化作业，比如，自动装配、喷漆、搬运码垛、焊接等工作。沈阳莱机机电多年从事机器人事业，本文是结合沈阳莱茵机电的经验及知识来主要介绍直角坐标机器人和关节机器人的特性，以及两种机器人的应用对比。这些对比分析来自我们的经验及认识，有其局限性，不充分，仅供朋友们参考。
一、直角坐标机器人
1、概念：
基于空间XYZ直角坐标系编程、有三轴及以上自由度，能够实现自动控制、可重复编程反复应用，适合不同任务的自动化设备。
它能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。关于机器人的定义随着科技的不断发展，在不断的完善，直角坐标机器人作为机器人的一种，其含义也在不断的完善中。
2、特点：
1）任意组合成各种样式，形成两轴到六轴不同结构形式。
2） 超大行程：单根最多长度是6米，但可以多根方便地级连成超大行程，例如50米长。
3）负载能力强：通常是到200公斤，但当采用多根多滑块结构时其负载能力可增加到数吨。
4）高动态特性：轻负载时其最高运行速度每秒8米，加速度每秒5米。
5）高精度：重复定位精度可达到0.05mm～0.01mm。
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。
7）简单经济：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。
8）寿命长：直角坐标机器人的寿命一般是10年以上，维护好可达40年。
9) 应用范围广：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、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码和喷涂等任务。
图1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。
二、关节机器人
1、概念：
也称关节手臂机器人或关节机械手臂，有很高的灵活度，通常5~6轴，适合于几乎任何轨迹或角度的工作。
2、特点:
1) 有很高的自由度，灵活性， 从不同角度不同方位来工作。
2) 速度可达6米/秒，加速度10米/每秒；工作效率高，
3）经常在网络或电视里看到，较为世人所熟悉和接受。
4) 6轴机器人主要应用于汽车点焊，弧焊，装配（拧螺丝），检测类这些轻巧类工作。
5）人们开发了4轴搬运码垛类机器人。
三、特点及应用分析对比
1、工作空间与承载能力：
1）直角坐标型标准单根长度6m，拼装后可达到100m；组合成龙门式机器人，其工作空间可以是非常的三维立体空间。单根承载10~200kg,特殊结构可达2400 Kg。
2）关节型最大工作半径3m，在有效半径内可以任何角度工作。关节机器人工作半径所在的园周内要做安全隔离，所以通常占用更大的空间。不适合大距离空间工作，或放置到直线运动单元上。承载能力有几种规格5~20Kg可选，但最大1300Kg，这时及其昂贵。
说明：常见的关节型机器人的工作半径越大、强度也要大，对于承载能力越强，但为保证其稳定的机械结构，造价会非常高。
直角坐标型的龙门框架结构，承载能力强，可无限扩展，稳定可靠，造价相对低很多。
2、工作精度
1）直角坐标型：由于结构简单，重复定位精度0.05mm，丝杠型可达0.01mm，甚至更高。
2）关节型：重复定位精度0.06mm,轻载荷小半径0.02mm,重载荷精度0.2mm。
说明：在通常情况下，两种机器人均可满足精度要求。其中丝杠型直角坐标机器人更适合对精度要求更加苛刻的行业。
3、组合方式
1）直角坐标型组合方式多样，龙门式、悬臂式、壁挂式等，可根据不同的负载、行程、功能及特殊空间要求，为客户订制所需求产品。同时，X、Y、Z三轴基础上可以扩展旋转轴和翻转轴，构成五自由度和六自由度机器人。
2）关节型可细分为6自由度机器人、Scara机器人、四连杆机器人，种类相对少，选择性和灵活性较直角坐标型小很多。
4、机械安装及维护
1）直角坐标型为模块化产品，在工厂全部预连接运行，然后拆装出厂。现场通过螺栓简单拼装，调水平即可电气调试，用户甚至可以自行完成机械安装。龙门式框架为整个安装空间，其工作空间也在框架范围内。
模块化产品，用户可以自行拆卸、更换或维护，所有机械零件均为通用品，维修维护费用低。
2）关节型集成化程度高，整体性好，但需要专业人员进行机械安装。安装空间较直角坐标型小，但是其工作空间是其整个工作半径，工作区域需要做防护处理，故设备总占地面积不小于直角坐标型。
由于机械化程度高及控制非常复杂，维修和维护必须由厂家或供应商的专业人员完成（国外进口品牌的维护费用在300元/小时左右），用户往往面临两个问题高价维修或报废处理。
5、软件编程操控和维护
1）从电气系统到上位机直角坐标型都是开放、灵活的，适用任何品牌的PLC、CNC、伺服驱动系统，甚至可以按用户熟悉品牌选定。编程简单，用户可以随意扩展，操控简单易操作。
完全的交钥匙工程，简单程序问题和硬件故障，客户可以自行处理，例如更换驱动电机、PLC等，维护费用低。
2）关机型机器人：软件系统集成化，库函数直接调用，是其软件优点。但编程和操控必须由供应商通过专业培训才能完成（厂家软件编程费用300元/小时），而且特殊软件需要收费。
维护和维修完全受制于人，由于品牌互相不兼容，硬件故障必须由供应商或厂家直接提供，非市场通用产品，费用高昂。
6、前期投入成本：不考虑后期维护维修费用，以60Kg负载码垛机器人为例
直角坐标机器人：25~40万
关节机器人：60~80万
7、根据国内外的应用案例，对不同行业的应用情况对比如下：
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应用场合
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直角坐标机器人
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关节机器人
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焊接自动线
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用的较少
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主要用于汽车焊接
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冲压、焊接
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用的较少
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用的很多
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喷涂
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直线往复喷涂较多
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异性喷涂很多
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汽车装配线
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比较普及
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用的很多
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小零件装配线
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几乎全部采用
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占空间大，安全措施要求高，几乎不用
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各种检测线
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几乎全部采用
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占空间大，安全措施要求高，几乎不用
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大型码垛应用
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主要采用
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较常见，但成本高，维护难
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车铣加工中心上下料
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几乎全部采用
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成本高，几乎很少
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冲压自动化线
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几乎全部采用
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用的较少
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机构疲劳试验
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几乎全部采用
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几乎不用
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太阳能行业
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主要采用
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用的较少
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曲形管内壁堆焊
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主要采用
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用的较少
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各种自动化生产线
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主要采用
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用的较少
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包装机、印刷机等
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主要采用
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用的较少
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