直角坐标机器人的设计方法
文章作者：上海众拓机器人技术有限公司 杨树彬
参考资料：德国BAHR公司直角坐标机器人（www.lt-bahrrobot.com）；
关键词：直角坐标机器人、直线定位单元、控制系统、伺服控制；
直角坐标机器人概念：
工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系、多用途的操作机。他能够搬运物体、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。
典型直角坐标机器人图一
直角坐标机器人的特点：
1、自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角；
2、自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行；
3、一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。
4、灵活，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、可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。
直角坐标机器人的应用：
因末端操作工具的不同，直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化设备，完成如焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、（软仿型）喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。特别适用于多品种、便批量的柔性化作业，对于稳定提高产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
直角坐标机器人的应用图二
随着直角坐标机器人的应用越来越广泛，直角坐标机器人的设计工作日益显得重要。成功的设计一台直角坐标机器人涉及到很多方面的工作，包括机械结构、动力驱动、伺服控制等等。沈阳力拓自动化控制技术有限公司有着多年直角坐标机器人技术应用、数控技术和产品研发经验，我们依托德国BAHR公司直线定位系统性及机械手臂开发出了价比优良的系列数控直角坐标机器人，被广泛地应用在汽车、电子、电器、检测、医疗、航天、食品等各个领域的生产线上。
下面我们就对直角坐标机器人的设计进行一个简要的阐述。
一、机器人设计特点：
1、机器人的设计是一个复杂的工作，工作量很大，涉及的知识面很多，往往需要多人完成。
2、机器人设计是面向客户的设计，不是闭门造车。设计者需要经常和用户在一起，不停分析用户要求，寻求解决方案。
3、机器人设计是面向加工的设计，再好的设计，如果工厂不能加工出产品，设计也是失败的，设计者需要掌握大量的加工工艺及加工手段。
4、机器人设计是一个不断完善的过程。
二、机器人设计流程：
1、使用要求的分析：每一个机器人都是根据特定的要求的产生而设计的，设计的第一步就是要将使用要求分析清楚，确定设计时需要考虑的参数，包括：
机器人的定位精度，重复定位精度；
机器人的负载大小，负载特性；
机器人运动的自由度数量，每自由度的运动行程；
机器人的工作周期或运动速度，加减速特性；
机器人的运动轨迹，动作的关联；
机器人的工作环境、安装方式；
机器人的运行工作制、运行寿命；
其他特殊要求；
2、 本机械模型初建：机器人从机械结构分大体可分为龙门结构、壁挂结构，垂挂结构，根据安装空
间的要求选择不同的结构，每种结构的力学特性、运动特性都是不一样的。后续的设计必须是基于一个确定的结构。
机器人的基本结构图三
3、运动性能计算：有关该性能的参数有：
平均速度：V=S/t
速度曲线四
最大速度：Vmax=at
加速度/减速度：a=F/m
其中：S为运动行程
t为定位运动时间
F加速时的驱动力
M运动物体质量和
4、力学特性分析
一个机器人是由许多定位单元组成的，每根定位系统都要分析。需要分析的项目如下：
水平推力Fx
力学分析图五
正压力Fz
侧压力Fy
Mx、My、Mz
5、机械强度校核：
每个定位单元，每个梁都要进行校核，尤其双端支撑梁和悬臂梁。
1） 挠度变形计算
挠度变形图六
F：负载（N）；
L：定位单元长度（mm）；
E：材料弹性模量；
I：材料截面惯性矩(mm4)；
f：挠度形变（mm）
注意：在计算挠度形变时，梁的自重产生的变形不能忽视，梁的自重按均布载荷计算。
以上公式计算的是静态形变，实际应用中，因为机器人一直处于运动状态，必须计算加速力产生的形变，形变直接影响机器人的运行精度。
2）扭转形变计算：
当一根梁的一端固定，另一端施加一个绕轴扭矩后，将产生扭曲变形。实际应用中产生该形变的原因一般是负载偏心或有绕轴加速旋转的物体存在。
扭转力矩分析图七、八
6、驱动元件选择
常用的驱动系统有：交流/支流伺服电机驱动系统、步进电机驱动系统、直线伺服电机/直线步进电机驱动系统。
每一个驱动系统都由电机和驱动器两部分组成。驱动器的作用是将弱电信号放大，将其加载在驱动电机的强电上，驱动电机。电机则是将电信号转化成精确的速度及角位移。
需要计算的项目如下：
电机功率：
电机扭矩：
电机转速：
减速机减速比
电机惯量/负载惯量的匹配关系
其他计算公式及计算方法请与上海众拓公司联系。
7、机械结构设计
在完成了前面六项工作后，一个直角坐标机器人定位系统的雏形就已经在设计者的头脑中形成了，接下来的工作就是将雏形画成工程图，以便生产。我们建议用户用三维软件设计，以便检查是否存在位置干涉。
机器人的运动轨迹具有不确定性，灵活多变，往往在一个位置不存在位置干涉，但到下一个位置就干涉了。
8、设备寿命校核
机械结构设计完成后，要对整台设备进行寿命计算，核心元件的寿命到要计算，如机器人轨道的寿命，减速机的寿命，伺服电机的寿命等。
机器人的运行寿命与运行速度、负载大小、结构形式、工作环境、工作制等有关。
如果发现机器人的运行寿命太短，需要重新调整设计。
具体计算方法请与沈阳力拓公司联系。
9、控制系统的选择
没有控制系统的机器人就象人没有大脑一样，不能执行任何动作。所以我们通常将没有配备控制系统的机械结构称为裸机或机器人定位系统（robot positioning system）。
根据要求的不同，控制系统的选择也不同，通常选择作为控制系统的产品有：
PLC 程序控制器；
工业运动控制卡（motion card）;
数字控制系统(CNC)
专于控制器
10、程序编写
控制系统是机器人的大脑，程序是机器人的思想。程序的编写直接反应设计者的思想、意图和运动需求。
编写程序是一个复杂的过程，但只要机器人总体设计没有问题，程序总会编出来的。编程序要注意以下问题：
对任务的分析要清晰，编程层次要分明，逻辑清晰。
结束语：
机器人的设计是一个不断熟悉，不断完善的过程，需要不断在实际应用中总结提高。内容庞杂，细节众多。本文只是做了些简单的介绍，有兴趣朋友可与我们联系（lt.sy@126.com），索取详细的设计资料。