淺談無損檢測行業(yè)中直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)用

工業(yè)應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、運(yùn)動(dòng)自由度建成空間直角關(guān)系、多用途的操作機(jī)。他能夠搬運(yùn)物體、操作工具，以完成各種作業(yè)。關(guān)于機(jī)器人的定義隨著科技的不斷發(fā)展，在不斷的完善，直角坐標(biāo)機(jī)器人作為機(jī)器人的一種，其含義也在不斷的完善中。

一 直角坐標(biāo)機(jī)器人介紹

直角坐標(biāo)機(jī)器人 （英文名： Cartesian coordinate robot），大型的直角坐標(biāo)機(jī)器人也稱桁架機(jī)器人或龍門式機(jī)器人（英文名：gantry robot；德文名：Protalroboter）是能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多自由度的、運(yùn)動(dòng)自由度建成空間直角關(guān)系的、多用途的操作機(jī)。其工作的行為方式主要是通過完成沿著X、Y、Z軸上的線性運(yùn)動(dòng)。

直角坐標(biāo)機(jī)器人主要由一些直線運(yùn)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制系統(tǒng)和末端操作器組成。每一個(gè)機(jī)器人都是根據(jù)特定的要求的產(chǎn)生而設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)的第一步就是要將使用要求分析清楚，確定設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的參數(shù)，包括：機(jī)器人的定位精度，重復(fù)定位精度；機(jī)器人的負(fù)載大小，負(fù)載特性；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的自由度數(shù)量，每自由度的運(yùn)動(dòng)行程；機(jī)器人的工作周期或運(yùn)動(dòng)速度，加減速特性；機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，動(dòng)作的關(guān)聯(lián)；機(jī)器人的工作環(huán)境、安裝方式；機(jī)器人的運(yùn)行工作制、運(yùn)行壽命；其他特殊要求；下面是其主要特點(diǎn)：

1任意組合成各種結(jié)構(gòu)樣式，帶載能力和尺寸的機(jī)器人，

2采用多根直線運(yùn)動(dòng)單元級(jí)連和齒輪齒條傳動(dòng)，可以形成幾十米的超大行程機(jī)器人。

3采用多根直線運(yùn)動(dòng)單元平連及各帶多滑塊結(jié)構(gòu)時(shí)其負(fù)載能力可增加到數(shù)噸。

4 其最大運(yùn)行速度可達(dá)到每秒8米，加速度可達(dá)到每秒4米。

5 重復(fù)定位精度可達(dá)到0.05mm或0.01mm。

6 采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數(shù)控系統(tǒng)能完成非常復(fù)雜軌跡的工作。

德國百格拉公司是世界上最著名的直角坐標(biāo)機(jī)器人供應(yīng)商之一，生產(chǎn)多種規(guī)格的直線運(yùn)動(dòng)單元/導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電機(jī)和多軸數(shù)控系統(tǒng)。因末端操作工具的不同，直角坐標(biāo)機(jī)器人可以非常方便的用作各種自動(dòng)化設(shè)備，完成如焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂、目標(biāo)跟隨、排爆等一系列工作。特別適用于多品種、便批量的柔性化作業(yè)，對于穩(wěn)定提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。

百格拉公司的120多名專家及工程技術(shù)人員成功開發(fā)生產(chǎn)了各種規(guī)格的線性導(dǎo)軌，并在此基礎(chǔ)上與用戶密切合作開發(fā)通用及專用機(jī)器人，已為許多廠家提供了數(shù)千臺(tái)各種專用機(jī)器人及生產(chǎn)線。其中一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是無損檢測。在超大批量生產(chǎn)中，每個(gè)產(chǎn)品的主要功能，或整個(gè)產(chǎn)品的所有功能都要經(jīng)過嚴(yán)格的100%的檢測。而且檢測周期要很短，來滿足超大批量生產(chǎn)的要求。

二 案例一————圓柱形航空部件無損探傷檢測

對于一些圓柱形的工件及設(shè)備，要達(dá)到全方位的檢測就非常的困難。本項(xiàng)目中為對航空飛船的圓柱形部件進(jìn)行無損檢測，該部件高1000mm，φ500，需要進(jìn)行從下到上的360度全面檢測。由于需要對該工件進(jìn)行360度的檢測，并且檢測頭與工件要求時(shí)時(shí)保持固定的距離，所以對該機(jī)器人重復(fù)定位精度的要求就比較高，為0.05mm.

機(jī)器人方面我們選用的為德國百格拉二維直角坐標(biāo)機(jī)器人， 兩個(gè)方向均采用PAS42形導(dǎo)軌，其中X方向選擇為PAS42BRM1000，Z方向選擇為PAS42BRM500.旋轉(zhuǎn)軸為德國百格拉VRDM31117步進(jìn)電機(jī)加減速比為8的NEUGART減速機(jī)和一些輔助連接件構(gòu)成的轉(zhuǎn)臺(tái)。具體結(jié)構(gòu)如圖一所示。

控制系統(tǒng)我們采用的為德國ENGERHART公司的三軸數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，X軸與Z軸電機(jī)均采用德國百格拉公司SER31122伺服電機(jī)與減速比為8的NEUGART減速機(jī)來控制。由于整套設(shè)備采用了德國百格拉公司伺服電機(jī)與德國百格拉公司直角坐標(biāo)機(jī)器人，所以完全保證了整個(gè)系統(tǒng)的精度，甚至于在整個(gè)系統(tǒng)重復(fù)定位精度檢測中多次檢測到了u級(jí)精度，大大提高了檢測的質(zhì)量。

該系統(tǒng)的整個(gè)工作過程如下：首先數(shù)控系統(tǒng)控制X，Z兩軸聯(lián)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)于最下方的檢測位置，到達(dá)位置后通過I/O口控制檢測頭工作，然后控制旋轉(zhuǎn)軸以一定的速度旋轉(zhuǎn)一周進(jìn)行檢測。以上完成了一圈的檢測，然后Z軸上移一定距離，進(jìn)行下一圈的檢測，以后以此類推，最后完成整個(gè)檢測。

三 案例二————-超大型圓柱類鋼件無損探傷掃描

被測物體是8m長，直徑600mm的柱類鋼件，放在一個(gè)大型液體容器里。大型容器的兩端各有一個(gè)夾具，用于水平固定柱類鋼件。

機(jī)器人方面我們選用的為德國百格拉二維直角坐標(biāo)機(jī)器人， 兩個(gè)方向均采用PAS42形導(dǎo)軌，其中X方向選擇為PAS42BRM1000，Z方向選擇為PAS42BRM500.其中X軸我們選擇的電機(jī)為百格拉SER31122伺服電機(jī)加上減速比為的64的NEUGART減速機(jī)。Z軸我們選擇的電機(jī)為百格拉SER31122伺服電機(jī)加上減速比為64的NEUGART減速機(jī)。

整個(gè)系統(tǒng)的工作過程為旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)長約8m的鋼件每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度X1后靜止，Z軸下到鋼件表面X2毫米高后停止。這時(shí)X軸開始運(yùn)動(dòng)，每移動(dòng)X3毫米探頭掃描一次，完成X軸方向8m長的掃描后X軸和Z軸都處于靜止?fàn)顟B(tài)。旋轉(zhuǎn)軸再按原轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)X1度停止，X軸開設(shè)掃描運(yùn)動(dòng)。

所以整個(gè)過程需要機(jī)器人的動(dòng)作保持高重復(fù)性，平穩(wěn)性，并且要求定位極其精確。X軸的定位精度如下：電機(jī)每轉(zhuǎn)為16384點(diǎn)，經(jīng)行星減速機(jī)64倍減速后為16384＊64。X軸的驅(qū)動(dòng)軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，X軸行走175mm，電機(jī)每轉(zhuǎn)一步X軸走175000/16384/64 =0.167 μm. X軸的定位精度如下：電機(jī)每轉(zhuǎn)為16384點(diǎn)，經(jīng)行星減速機(jī)64倍減速后為16384＊64。旋轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)對應(yīng)的周長是600＊3.14 = 1884mm， 電機(jī)每轉(zhuǎn)一步旋轉(zhuǎn)軸表面轉(zhuǎn)過1884000/16384/64 =1.797 μm。實(shí)際上用不著這樣高的精度，而用精密行星減速機(jī)的目的是為了大量減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比，來保證各軸的精確平穩(wěn)運(yùn)行。

四 案例三————-對儀表板進(jìn)行無損探傷掃描

該系統(tǒng)要求采用超聲無損探傷對航天飛船上的許多部件進(jìn)行無損掃描。該設(shè)備要求可對部件從上到下360°無損探傷掃描，掃描密度幾乎沒有限制，可以非常精密，也可以僅對部件的幾個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行無損探傷掃描。檢測工件的最大范圍為5400＊5400＊400 mm.

該套系統(tǒng)選用德國百格拉三維直角坐標(biāo)機(jī)器人，其中X軸選擇為PAS44BRM5400，Y軸選擇為PAS44BRM5400，Z軸選擇為PAS44BRM400，同時(shí)，由于跨度為5400，所以對于Y軸我們選擇雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，并且每200mm加固連接板的結(jié)構(gòu)來防止撓度的出現(xiàn)。在Z軸下端上我們裝配可旋轉(zhuǎn)超聲探頭，探頭旋轉(zhuǎn)角度是0～360°。具體結(jié)構(gòu)如圖三所示，圖四為檢測后的工件。

控制系統(tǒng)使用百格拉公司TLCC，驅(qū)動(dòng)電機(jī)是百格拉公司智能伺服控制系統(tǒng)TLC612，TLC411實(shí)現(xiàn)定位控制。TLCC是一個(gè)專用工控機(jī)，通過CAN總線控制TLC伺服控制系統(tǒng)。TLCC可以預(yù)存很多部件的幾何數(shù)據(jù)，用于引導(dǎo)超聲探頭等距離或多方位、多角度的無損探傷掃描。得到的測量數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在TLCC中，可以給出分析探傷的結(jié)果，可以打印或上傳給上位機(jī)，以便進(jìn)一步保存和分析，也可以顯示出探傷掃描圖象及對應(yīng)濾波，增強(qiáng)、放大、旋轉(zhuǎn)、特征提取及分析等。

總結(jié)及展望

本文講述了德國百格拉公司的直角坐標(biāo)機(jī)器人配套超聲波掃描儀，在工件探傷中的三例應(yīng)用。此外，德國百格拉公司的直角坐標(biāo)機(jī)器人還被大量用于X射線探傷掃描。類似的應(yīng)用還有配備CCD攝像機(jī)來檢驗(yàn)和識(shí)別一些印刷品的質(zhì)量。配備激光高度測量儀來對超大物體的三維形狀進(jìn)行測量和檢驗(yàn)，如大型鑄件和飛機(jī)上許多三維鋁板等。在許多測量工作中，德國百格拉公司的直角坐標(biāo)機(jī)器人多年來運(yùn)行非常穩(wěn)定可靠。用德國百格拉公司的直角坐標(biāo)機(jī)器人和直線運(yùn)動(dòng)單元可以很快組裝成幾乎所需的各種樣式尺寸的測試專用機(jī)器人，節(jié)省時(shí)間，人力和費(fèi)用。北京兩家用戶用德國百格拉公司的直角坐標(biāo)機(jī)器人和CCD攝像機(jī)來檢驗(yàn)物體，兩年來機(jī)器人運(yùn)行非常平穩(wěn)。