作者：周文宝
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产品：德国BergerLahr公司和Roboworker公司中国总代理
一、 直角坐标机器人介绍
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或0.01mm。
在现代化制造业中，经常要把几百公斤到上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。而搬运一般要求几个方向同时运动，速度通常是30米/分到60米/分，最大加速度可达到2m/s2，当上下运动的Z轴较长时，几个方向同时减速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，但在实际应用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龙门式机器人是如何实现大负载大行程高速运转的。
二、任务描述
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，即保证了工件的质量，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；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直角坐标机器人，然后进行运动节拍和速度分析。根据速度分析得出各个轴各自的最大加速度和减速度。然后再计算出单独运动和两轴同时运动时产生的最大冲击力。这里计算出XYZ三个方向的最大冲击力Fx,Fy和Fz及产生的扭曲力矩Mx,My和Mz。当XZ两个轴同时减速时的最大冲击力是合成减速度，要以合成减速度来计算Fx,Fy和Fz及产生的扭曲力矩Mx,My和Mz。在计算不同轴扭曲力矩Mx,My和Mz时要考虑等效负载的重心位置，总重力和减速时产生的冲击力。
Z轴选型分析：在选择上下运动的Z轴时，根据先面计算出的最大冲击力Fx,Fy和Fz及产生的扭曲力矩Mx,My和Mz，采用了两根Roboworker RSL90运动轴和120mm宽超强齿型带组成的复合轴。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米长的德国Roboworker RSL90运动轴，每根运动轴带两个滑块。单个300mm滑块RSL90型运动轴的最大负载能力可达360KG，这里采用的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，所以两根运动轴四滑块结构完全能承受600KG负载及加减速时产生的冲击力。两根X轴铝材的底面与支架上面钢板全部完全接触，支架的强度很高，所以不会产生任何压力变形。
XZ轴连接板的设计：连接板的设计不仅要考虑机械方面的装配配合精度，材料的物理强度，连接螺丝杆的拉力等，更要考虑在主要受冲击方向加大加强连接板，必要时增加连接板。主要螺丝杆和螺丝帽要加胶，以防长期振动后变松动。
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值为5.12，实际最大出力比所需求的最大出力超出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值为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。这是沈阳莱茵机点公司2007年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！
