工作台的滑轨.docx

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工作台的滑轨

一、直角坐标系机器人的基础知识

一、机器人（机械手）工作原理

控制器发出控制指令，控制伺服电机等动力元件，由伺服电机等驱动直

线坐标轴实现空间多自由度运动，从而实现运动空间内任意点的定位运动。

终端执行机构在控制器的统一协调控制下，实现对目标的处理。

二、机器人（机械手）特点

1、机器人特别适用于多品种变批量的柔性化生产，可长时间连续性工作；

2、准确度高，抗恶劣环境，高速度高精度高可靠性，便于操作和维护。

三、机器人（机械手）主要组成部分：

1、执行运动机构（直角坐标定位主体机构）；

2、控制器（可重复编写控制程序的工业计算机）；

3、伺服驱动系统（伺服电机及驱动器）；

4、终端执行机构（如机械抓手、激光头、探测仪等）；

5、附属产品（安装架、连接件、电控柜等）。

二、什么是直角坐标机器人

直角坐标机器人简述

机器人越来越多的被人们并应用，作为机器人的一种，直角坐标机器人以其特有的优点，在工业中的应用越来越多。

大大多数人对他

还不够了解，到底什么是直角坐标机器人呢？

直角坐标机器人是工业应用中，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。

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。

根据对于这一概念的分析，我们作如下阐述：

一、直角坐标机器人的特点：

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。

二、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期着十分重要的作用。

三、直角坐标机器人的分类：

1、按用途分：

焊接机器人、码垛机器人、涂胶（点胶）机器人、检测（监测）机器人、分拣（分类）机器人、装配机器人、排爆机器人、医疗机器人、特种机器人等。

2、按结构形式分：

壁挂（悬臂）机器人、龙门机器人、倒挂机器人等

3、按自由度分：

两坐标机器人、三坐标机器人、四坐标机器人、五坐标机器人、六坐标机器人。

还有其他一些分法，这里就不一一介绍了。

四、直角坐标机器人核心元件——直线定位单元

为了降低直角坐标机器人的成本，缩短产品的研发周期，增加产品的可靠性、提高产品性能，在欧美的许多国家都已将直角坐标机器人模块化，而直线定位单元（系统）则是模块化的最典型的产品。

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。

五、直角坐标机器人驱动元件——电机驱动系统

直线定位单元（系统）之所以能够实现精确的运动定位，是由电机驱动系统决定的。

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。

在要求高动态，高速运行状态、大功率驱动等场合多用交流/支流伺服电机系统作为驱动；在要求低动态，低速运行状态、小功率驱动等场合可用步进电机系统作为驱动；而在在要求极高动态，高速运行状态、高定位精度等场合才会用到直线伺服系统驱动。

六，直角坐标机器人的灵魂——控制器

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——控制器。

控制器的功能是指令源，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。

根据功能的不同，控制器可以有很多种：

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。

七，直角坐标机器人的终端设备——操作工具

直角坐标机器人的终端设备应用途不同，可以装配各种各样的操作工具：

如焊接机器人的终端操作工具是焊枪：

码垛机器人终端操作工具是抓手；涂胶（点胶）机器人终端操作工具是胶枪、检测（监测）机器人终端操作工具是相机或激光。

有些工作复杂的工作，单一操作工具不能完成，需要安装两个或以上操作工具才可以。

如对于非固定轨迹运动物体的抓取除需要机械抓手外，还需要一个相机，时刻跟踪计算物体的空间位置。

三、直角坐标系机器人的各种结构形式：

一、单轴定位单元组合结构——单方向运动平台，只能实现一个方向定位运动。

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二、二维龙门组合结构——两方向运动平台，能实现两个方向定位运动；稳定性高；较大的负载；较高的运行速度和重    复定位精度.

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三、三维悬臂组合结构——三方向运动平台，能实现三个方向定位运动；当悬臂较大、负载较大时，必须考虑比例因素：

如形变、振动、寿命.我们目前能够实现的负载10Kg，行程6000×2000×2500，速度1000mm/s

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四、三维龙门组合结构——三方向运动平台，能实现三个方向定位运动；该结构稳定性高；较大的负载；较高的运行速度；

重复定位精度。

我们目前能够实现的负载100Kg，行程10000×4500×1000，速度1000mm/s.

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五、多坐标结构——多方向运动平台，该结构一般根据客户要求设计。

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四、如何设计直角坐标机器人

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。

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。

了解了直角坐标机器人的特点及应用后，我们会想到一个问题：

如何设计直角坐标机器人呢？

本文以力拓公司多年的设计经验和成功案例为基础做一阐述：

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，

设计是需要有确定的参数；

（1）机器人的定位精度，重复定位精度；

（2）机器人的负载大小，负载特性；

（3）机器人运动的自由度数量，每自由度的运动行程；

（4）机器人的工作周期或运动速度，加减速特性；

（5）机器人的运动轨迹，动作的关联；

（6）机器人的工作环境、安装方式；

（7）机器人的运行工作制、运行寿命。

（8）其他某些特殊要求。

2、基本机械模型初建：

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。

3、运动性能计算：

有关该性能的参数有：

（1）平均速度：

V=S/t       

（2）最大速度：

Vmax=at

（3）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：

（1）水平推力Fx

（2）正压力Fz

（3）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

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。

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：

（1）电机功率：

（2）电机扭矩：

（3）电机转速：

（4）减速机减速比

（5）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力拓公司联系。

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脑中产生了，接下来的工作就是将雏形画成工程图，以便生产。

机器人运动的特点，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（robotpositioningsystem）。

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：

大型PLC程序控制器；

工业运动控制卡（motioncard）;

数字控制系统（CNC）

专于控制器

10、程序编写

控制器是机器人的大脑，程序是机器人的思想，灵魂。

程序的编写直接反应设计者的思想，意图。

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。

编程序要注意的问题：

对任务的分析要清晰，编程层次要分明，逻辑清晰。

丝杠驱动：