直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成及在鋁錠搬運中的應(yīng)用

直角坐標(biāo)機(jī)器人概念：工業(yè)應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、運動自由度間成空間直角關(guān)系、多用途的操作機(jī)。他能夠搬運物體、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。

本文就主要介紹直角坐標(biāo)機(jī)器人在鋁錠搬運中的應(yīng)用。

在以前的鋁錠生產(chǎn)中，鋁錠的搬運和碼垛一直是制約鋁錠產(chǎn)量的難題和瓶頸，由于國內(nèi)制造的傳統(tǒng)機(jī)械手一般都采用液壓驅(qū)動，強(qiáng)制定位，所以正個搬運過程中沖擊非常大，定位也不準(zhǔn)確，經(jīng)常掉錠，鋁垛也碼不整齊，導(dǎo)致最后沒有辦法打包。所以工廠不得不配備幾名工人，撿漏拾遺，工人的勞動強(qiáng)度非常大，而且還影響了整個生產(chǎn)的效率和產(chǎn)量。而目前國外的鋁錠搬運和碼垛全部是采用六自由度的懸臂式機(jī)械手，這種設(shè)備非常昂貴，一臺22T/H的鋁錠生產(chǎn)線機(jī)械手價格高達(dá)300多萬元，而在國內(nèi)這樣的一條生產(chǎn)線也只買200萬元。因此開發(fā)出一種價格便宜，自動化程度高的搬運機(jī)器人成了眾多冶金設(shè)備企業(yè)和鋁業(yè)公司的迫切希望。

要求：按層碼垛

運動空間為三維，四自由度運動。

行程：X方向2200mm, Y方向1500mm, Z方向1200mm, 水平旋轉(zhuǎn)：+-900

能夠和生產(chǎn)線融為一體，有良好的通訊。

最大負(fù)載重量為150Kg,額定負(fù)載125Kg.層與層間成90度角交叉排放。

每垛共九層，垛高1000mm.

最快碼垛速度為1000mm/s,平均速度為500mm/s.

碼垛精度：1mm

根據(jù)以上要求，我們設(shè)計了一臺四坐標(biāo)機(jī)器人。介紹如下：

機(jī)器人組成：

該機(jī)器人由安裝架、機(jī)器人定位系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、供膠系統(tǒng)及涂膠槍、控制系統(tǒng)及電控配電系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置等組成。

1、機(jī)器人安裝架

因為該機(jī)器人碼垛機(jī)的運動速度很快，起停狀態(tài)對安裝架有很大的沖擊。安裝架必須有非常好的剛性才能保證機(jī)器人運行的穩(wěn)定。

我們?yōu)榇嗽O(shè)計了焊接鋼架結(jié)構(gòu)作為支撐架。又因為鋁廠有較大的灰塵水氣，我們在機(jī)器人的上部分設(shè)計了鋁架結(jié)構(gòu)，并用玻璃罩將機(jī)器人罩住。使用鋁型材的好處是重量輕。

2、機(jī)器人定位系統(tǒng)

機(jī)器人定位系統(tǒng)是整臺設(shè)備的核心，為德國NCF公司產(chǎn)品，運動速度快，而重復(fù)精度比較高高， X,Y,Z三坐標(biāo)均選擇為同步齒形帶傳動，單坐標(biāo)重復(fù)定位精度為0.05mm,最快直線運動速度：1000mm/s.其中X坐標(biāo)軸為兩根長度為 3000mm,跨度為2200mm的定位系統(tǒng)，由同步傳輸器保證兩根定位系統(tǒng)運動的同步，由一臺3000W伺服電機(jī)驅(qū)動。出于驅(qū)動扭矩及慣量的匹配，需要配一臺行星減速機(jī)。

Y軸選用雙定位系統(tǒng)，之所以選者如此大截面的定位單元，主要是因為Y軸為雙端支撐，中間懸空結(jié)構(gòu)，如果選擇的截面不夠，將不能保證機(jī)器人運動的平穩(wěn)性，機(jī)器人在高速運動時將發(fā)生振顫。兩根定位單元并排使用，將Z軸夾在中間，能夠很好的平衡負(fù)載，這種安裝方式具有非常好的穩(wěn)定性。兩根定位系統(tǒng)由一臺2500W伺服電機(jī)驅(qū)動，出于驅(qū)動扭矩及慣量的匹配，需要配一臺行星減速機(jī)。

Z軸定位系統(tǒng)牢固穩(wěn)定。該產(chǎn)品一般滑塊固定而定位體作伸縮式運動，驅(qū)動定位體的伺服電機(jī)驅(qū)動和滑塊安裝在一起。該伺服電機(jī)因需要將物體快速提升，需要克服很大的重力和加速力，需要較大的功率才可以。

實際應(yīng)用中我們選擇了一臺4000W帶抱閘的伺服電機(jī)，匹配了一臺一臺行星減速機(jī)。

旋轉(zhuǎn)軸與Z軸是集成在一起的，通過在Z軸定位體中心添加一根貫穿的長軸實現(xiàn)的。長軸的最上端作為驅(qū)動端，與伺服電機(jī)安裝在一起。

長軸的最下端作為負(fù)載端，用于安裝物體。因物體較重，轉(zhuǎn)動慣量較大，不能直接安裝在驅(qū)動軸，必須加一臺盤式減速機(jī)才能匹配。伺服電機(jī)的動力先由長軸傳輸?shù)綔p速機(jī)再傳輸?shù)截?fù)載，就實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)負(fù)載的功能。

3、伺服驅(qū)動系統(tǒng)

伺服驅(qū)動系統(tǒng)（Servo System）簡稱伺服系統(tǒng)，是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床等。使用在伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動電機(jī)要求具有響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)動慣量 .轉(zhuǎn)動慣量反映了系統(tǒng)的加速度特性，在選擇伺服電機(jī)時，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量不能大于電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的3倍。）較大等特點，這類專用的電機(jī)稱為伺服電機(jī)。當(dāng)然，其基本工作原理和普通的交直流電機(jī)沒有什么不同。該類電機(jī)的專用驅(qū)動單元稱為伺服驅(qū)動單元，有時簡稱為伺服，一般其內(nèi)部包括電流、速度和/或位置閉環(huán)。

該碼垛機(jī)器人的選用具有Profibus 功能的伺服電機(jī)。每個運動軸配有一臺伺服電機(jī)及一臺減速機(jī)，四個運動軸，共四套伺服電機(jī)和四臺減速機(jī)，其中垂直運動軸為帶抱閘伺服電機(jī)。

4、機(jī)器抓手

該機(jī)械手選用德國菲施托氣動機(jī)械手，壓力可調(diào)，配備壓力緩沖閥，使夾持動作平穩(wěn)抓手上裝有感應(yīng)機(jī)構(gòu)，能夠自動感知物體，并通知控制中心進(jìn)行物體抓放。

5、控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由大型PLC、觸摸屏組成。該系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的Profibus通訊功能。能夠?qū)?shù)據(jù)實時傳輸給以太網(wǎng)，能夠?qū)⒖刂浦噶钜钥偩€的方式發(fā)送給伺服系統(tǒng)，使整個的運動相當(dāng)流暢。該系統(tǒng)可預(yù)置多種工件的程序，更換品種時可在觸摸屏上調(diào)用相應(yīng)程序。

6、安全防護(hù)裝置

該機(jī)具有故障提示及報警功能，并且每次出現(xiàn)故障時都能準(zhǔn)確的反映出故障具體位置，便于迅速排除故障，主要包括：機(jī)器人碰撞保護(hù)功能；工件安裝到位檢測；光幕安全保護(hù)。

7、碼跺機(jī)結(jié)構(gòu)如下：