桁架式上下料机器人讲座内容.docx

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桁架式上下料机器人讲座内容

∙第一讲：

桁架式机器人概论

∙第一节：

桁架式机器人组成

桁架式机器人由多维直线导轨搭建而成。

直线导轨由精制铝型材、齿型带、直线滑动导轨和伺服电机等组成。

作为运动框架和载体的精制铝型材其截面形状通过有限元分析法来优化设计，生产中的精益求精确保其强度和直线度。

采用轴承光杠和直线滑动导轨作为运动导轨。

运动传动机构采用齿型带，齿条或滚珠丝杠。

　　桁架式机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的、。

由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，桁架式机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。

但是，这种桁架式机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。

因此，为了实现一定的运动空间，桁架式机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。

　　桁架式机器人的工作空间为一空间长方体。

　　桁架式机器人机械手主要由3个大部件和4个电机组成：

（1）手部，采用丝杆螺母结构，通过电机带动实现手抓的张合。

（2）腕部，采用一个步进电机带动蜗轮蜗杆实现手部回转90°~180°（3）臂部，采用滚珠丝杠，电机带动丝杆使螺母在横臂上移动来实现手臂平动，带动丝杆螺母使丝杆在直臂上移动实现手臂升降。

∙第二节：

桁架式机器人直线驱动系统

　X、Y、Z轴的直线运动为电机通过减速器驱动齿轮（同步带轮）带动横梁、竖梁上固定的齿条（同步带），从而驱动移动部件沿高精度滚动直线导轨运动。

龙门式机器人工作性能中位置精度和运动精度是两个重要指标，前者决定龙门式机器人能否符合精度要求进行工作，后者直接关系到龙门式机器人能否适应生产节拍的要求。

为了满足这二项要求，应解决好龙门式机器人平稳工作这一基本要求。

　　影响工作平稳性的因素，除了结构刚性和抗震性等因素外，主要是运动部件的加速度和质量两个方面，运动部件的质量越大、加速度越高，将会导致振动和冲击越强烈。

为此我们采用进口电机及减速器，保证传递运动精度及平稳性，并通过优化设计减轻部件重量，采用合理的加速度，对于轻型机器人我们选用铝型材作为横梁和竖梁来进一步减轻重量。

高精度齿轮齿条加上高精度滚动直线导轨，消除运动传动链的间隙，增加系统刚性，减轻冲击能量，保证了位置精度和运动精度。

∙第三节：

桁架式机器人的直线定位单元

直线定位单元是桁架式机器人核心元件。

为了降低桁架式机器人的成本，缩短产品的研发周期，增加产品的可靠性、提高产品性能，机器人制造商已将桁架式机器人模块化，而直线定位单元（系统）则是模块化的最典型的产品。

直线定位单元

　　一个完整的定位单元（系统）由几部分组成：

　　1、定位体型材：

作为轨道的安装支撑部分，该型材不同于一般的框架型材，它要求非常高的直线度，平面度。

　　2、运动轨道：

安装在定位体型材上，直接支撑运动的滑块。

一个定位体型材（系统）上，可能安装一根运动轨道，也可能安装多根运动轨道，轨道的特性及数量直接影响定位单元（系统）的力学特性。

组成定位系统的轨道种类很，通用的有直线滚珠轨道，直线圆柱钢轨道。

　　3、运动滑块：

由负载安装板、轴承架、滚轮组（滚珠组）、除尘刷、润滑腔、密封盖组成。

运动滑块与轨道通过滚轮或滚珠藕合在一起。

实现运动的导向。

　　4、传动元件：

通用的传动元件有同步带、齿形带、丝杠/滚珠丝杠、齿条、直线电机等。

　　5、轴承及轴承座：

用于安装传动元件及驱动元。

∙第四节：

桁架式机器人控制系统

　在上下料过程中要与机床工作台运动及卡盘张紧等精确协调，严格按信号流顺序来控制上下料过程。

在放下加工好的零件和取要加工的新零件时也必须与其配套的设施精确同步协调。

这里的到位和离开等开关信号要高质量高可靠，必须以安全为主，确保每个步骤能够合理衔接，控制系统的信号扑捉速度要快。

数控系统和数控机床，步进电机，伺服电机，气动手爪等相关产品，可在短时间内对各个运动节拍进行合理安排和设计，保证上下料机器人高效、协调、安全、长期可靠地工作。

　　为实现机器人的灵活多变的运动功能、迅速的反应处理功能，机器人必须要有一个大脑——控制系统。

　　控制系统的功能是发出运动指令、处理数据、判断运动等，它可以根据编号的程序时时发出控制指令、时刻接受反馈信号、时刻判断处理信息。

控制系统示意图

　　根据工作情况的的不同，控制系统可以采用很多种不同的形式：

　　1、工控机与运动控制卡的组合：

运动控制卡借用计算机的资源，利用自身的运动控制功能实现控制。

　　2、脱机运动控制卡：

借用计算机编好程序，可将程序自我存储，脱机运行。

　　3、PLC-借用计算机编好程序，可将程序自我存储，脱机运行。

　　4、专用控制器。

　　采用那种控制系统，取决于运动的情况和使用条件，运动控制工程师会根据实际情况进行选择。

∙第五节：

桁架式机器人的关键制造技术

横梁是龙门式机器人的关键零件，制造成功与否直接关系着龙门式机器人的研制成败。

　　例如马丁路德轻型龙门式机器人横梁采用冷拉铝型材，根据跨距行程及抓取能力，来设计横梁的截面形状;重型龙门式机器人横梁采用方钢管。

为了保证实现0.1mm的定位精度，80m/min以上的运行速度及5m/s2的加速度，对横梁自身的静态性能、动态性能，都提出了十分苛刻的要求。

制造要求：

横梁导轨、齿条安装面的直线度、平行度必须保证不大于0.10mm/4000mm。

装配要求：

导轨、齿条安装在横梁后，直线度、平行度不大于0.06mm/4000mm，只有达到这样的精度，才能使滚动直线导轨保持良好的接触刚度，齿轮与齿条良好的啮合，满足使用要求。

　　例如Dream系列重型桁架式机器人，最大规格的抓取能力有3吨，主体横梁采用钢梁结构，导轨采用矩形的重载导轨，传动采用齿轮齿条方式，模块化的设计，独立的控制方式，配备用紧急情况下的安全急停装置，适合于大型设备和重载的场合使用。

∙第六节：

桁架式机器人概念与特点

　桁架式机器人也叫做直角坐标机器人和龙门式机器人。

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、运动自由度间成空间直角关系、多用途的操作机。

它能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。

　　在现代化生产线中，越来越讲究的是柔性化生产。

机械设备自动化是这个世纪制造业发展的大趋势，机器人产业将是一个阳光产业，未来的世纪是机器人技术极度发展的世纪，人类将从单调繁杂的体力劳动中解放出来，从事更加富有创造性的工作。

自动生产线和自动化程度高的加工设备已经成为今后制造工厂的一个必然趋势。

单一的和普通的专用加工机床在大批量加工时越来越多的被万能的、标准化机床及柔性自动化生产线所替代。

例如在数控车床、立式加工中心机、卧式加工中心机、数控立式车床、数控磨床、数控磨齿机等上下料时，其毛坯料可能是几公斤甚至几百公斤重，还有小型零件频繁上下料，大型电机壳体、发动机壳体、减速机壳体等的搬运也很费时、费力，直接影响工作效率、机床利用率及生产安全。

目前诸如此类零部件的搬运在欧美发达国家早已实现自动化。

在机器人和自动化工业生产领域中，英国马丁路德公司研发生产的龙门式机器人即实现了制造过程的完全自动化，并采用了集成加工技术，适用于机床、生产线的上下料、工件翻转、工件转序等,同时其高精度夹持定位工具系统为机器人自动化加工提供了标准接口，2μm的重复定位精度确保了高精度，高效率及批量化产品的一致性。

　　龙门式机器人也称直角坐标机器人或桁架机器人，是能够实现自动控制的、基于空间XYZ直角坐标系可重复编程的、多自由度的、适合不同任务的自动化设备。

龙门式机器人改变了传统的物流方式，有效地改善了作业环境，提供零件加工数字化、信息化、少人化直至无人化管理，可靠地保证了产品质量，极大地提高了劳动生产率，将工人从繁重的体力劳动中解放出来，使现代制造技术达到一个崭新的水平。

与此同时，中国目前严峻的就业环境：

劳动力工资水平的持续增长，持续出现的大面积用工荒，也逼迫越来越多的企业必须走机器人自动化生产之路。

　　桁架式机器人具有以下特点：

　　桁架式机器人能够实现自动控制的、可重复编程、多功能、多自由度、运动自由度间成空间直角关系、多用途的操作机。

它能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。

　　1、多自由度运动，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。

∙第二讲：

桁架式机床上下料机器人

∙第一节：

桁架式机床上下料机器人优势与应用

桁架式机床上下料机器人机械手具有以下优越性：

　　1、生产效率高：

要提高生产效率，必须控制生产节拍。

除了固定的生产加工节拍无法提高外，自动上、下料取代了人工操作，这样就可以很好的控制节拍，避免了由于人为因素而对生产节拍产生的影响，大大提高了生产效率。

　　2、工艺修改灵活：

我们可以通过修改程序和手爪夹具，迅速的改变生产工艺，调试速度快，免去了对员工还要进行培训的时间，快速就可投产。

　　3、提高工件出场质量：

机器人自动化生产线，从上料，装夹，下料完全由机器人完成，减少了中间环节，零件质量大大提高，特别是工件表面更美观。

　　桁架式机床上下料机器人机械手的应用：

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期着十分重要的作用。

∙第二节：

桁架式机器人上下料工作过程

为了提高效率通常采用两台机器人，一个用于上料，一个用于下料。

整个上下料过程主要由两步完成，无论采用一个机械手还是采用两个Z轴系统，其工作过程几乎完全一样：

1抓取毛坯及放到工作台卡盘上过程；2从工作台卡盘取下零件及放置到特定位置过程。

上下料机械手工作流程图

　　下面分别加以简单描述：

　　一、抓取毛坯及放到工作台卡盘上过程：

　　毛坯料通常由链条式传送带运输到指定的位置，由气动或电动定位机构进行初步定位，保证每次机器人从同一位置抓取零件。

当X轴向右运动到毛坯料前方时停止运动，Z轴向下运动使张开的手爪刚好能抓住毛坯件。

这时闭合手爪抓住毛坯。

然后Z向上运动到指定高度后（不会发生碰撞），X轴向左运动到工作台卡盘正上方，然后Z轴向下运动把毛坯装入卡盘或工装内。

然后卡盘夹紧，Z轴上升到超出机床防护罩上方，X轴再运动到毛坯上方或等待卡盘上方。

　　二、从工作台卡盘取下零件及放置到特定位置过程：

　　当X轴运动到卡盘的正上方后，Z轴向下运动使手爪刚好能抓住工件，然后给气压使手爪合并抓住工件，这时机械手的控制系统控制液压卡盘松开，当控制系统得到卡盘松开信号后，Z轴向上运动到出来机床防护板，然后X轴向左运动（取决于放下料的位置）把工件运动到放料位置正上方。

这时Z轴下降到工件落到放料件上，在张开手爪及提升Z轴，从而完成取料及放料过程。

　　以上动作安排的路径需要与机械臂配套的上下料机构如料盘、卡盘等的位置在同一条直线上，这样才能满足机械臂做X-Z两维运动的要求。

如果实际情况较难满足，可以为机械臂再增加一个Y轴，这样机械臂可以就可以进行X-Y-Z三轴三维运动了，灵活度可以大大增强。

三轴机械臂可以根据位置情况安装成普通三轴或梁式三轴结构。

∙第三节：

桁架式机床上下料机器人的结构与特点

桁架式机床上下料机器人是用于数控机床自动化上下料的直角坐标机器人机械手。

桁架式机床上下料机器人与数控机床相结合，可以实现所有工艺过程的工件自动抓取、上料、下料、装卡、工件移位翻转、工件转序加工等，能够极大的节约人工成本，提高生产效率。

　　上下料机器人