文／陳列·揚州恒佳自動化設(shè)備有限公司

關(guān)節(jié)型機器人與直線型機器人的特點及應(yīng)用分析

文／陳列·揚州恒佳自動化設(shè)備有限公司

工業(yè)機器人一般指的是在工廠車間環(huán)境中，配合自動化生產(chǎn)的需要，代替人來完成材料的搬運、加工、裝配等操作的一種機器人。它由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成，其中，主體包括機座和執(zhí)行機構(gòu)，而執(zhí)行機構(gòu)又可細分為臂部、腕部和手部；驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu)，用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號，并對機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)進行控制。

按臂部的運動形式，工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)可分為四種：臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)（圖1），臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮的球坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)，臂部可做升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作的圓柱坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)，臂部可沿三個直角坐標(biāo)移動的直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)（圖2）。在實際生產(chǎn)中，最為常見的兩種工業(yè)機器人分別是通用關(guān)節(jié)式機器人和直角坐標(biāo)型機器人，它們在功能、使用性能和應(yīng)用等方面都有著較大的不同。

工作空間與承載能力

通用關(guān)節(jié)式機器人通常具有6個旋轉(zhuǎn)軸來實現(xiàn)位置與姿態(tài)的控制，最大工作半徑為3m，在有效半徑內(nèi)可以任意角度工作。由于其關(guān)節(jié)坐標(biāo)系較多，可完成的姿態(tài)較為全面，故關(guān)節(jié)式機器人大多運用于需要進入小空間作業(yè)、重復(fù)性高的汽車自動化焊接生產(chǎn)線、噴涂生產(chǎn)線和裝配生產(chǎn)線。此外，隨著工作半徑的加大，對關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)強度和承載能力的要求均會增高，為保證此種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其制作成本相對于直角坐標(biāo)型機器人來講更高。

直角坐標(biāo)型機器人通常具有3個直線軸來實現(xiàn)位置控制，1～2個旋轉(zhuǎn)軸來實現(xiàn)姿態(tài)控制，標(biāo)準(zhǔn)單根橫梁長度為6m，拼裝后可達到100m，組合成龍門式機器人，它的工作空間是三維的。單根橫梁可承載10～200kg工件，特殊結(jié)構(gòu)可達2400kg。由于其承載能力強，可無限擴展，性能穩(wěn)定可靠，造價也相對較低，故直角坐標(biāo)型機器人廣泛應(yīng)用于鈑金產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)線和大型產(chǎn)品的碼垛等制造環(huán)節(jié)。

工作精度

由于結(jié)構(gòu)簡單，直角坐標(biāo)型的重復(fù)定位精度可達0.05mm，其中絲杠型可達0.01mm，甚至更高。關(guān)節(jié)型的重復(fù)定位精度則為0.06mm，輕載荷、小半徑的精度為0.02mm，重載荷的精度為0.2mm。在通常情況下，這兩種機器人均可滿足精度要求，其中絲杠型直角坐標(biāo)機器人更適合對精度要求更加苛刻的行業(yè)。

組合方式

直角坐標(biāo)型機器人組合方式多樣，有龍門式、懸臂式、壁掛式等，可根據(jù)不同的負載、行程、功能及特殊空間要求，為客戶訂制所需產(chǎn)品。同時，在X、Y、Z三軸基礎(chǔ)上可以擴展旋轉(zhuǎn)軸和翻轉(zhuǎn)軸，構(gòu)成五自由度和六自由度機器人。關(guān)節(jié)型機器人可細分為6自由度機器人、Scara機器人、連桿機器人，種類相對少，選擇性和靈活性較直角坐標(biāo)型小很多。

機械安裝及維護

直角坐標(biāo)型機器人為模塊化產(chǎn)品，在工廠全部連接試運行，然后拆裝出廠。現(xiàn)場通過螺栓簡單拼裝，調(diào)水平后即可電氣調(diào)試，用戶甚至可以自行完成機械安裝，維修維護費用低。關(guān)節(jié)型機器人集成化程度高，整體性好，安裝、維修和維護必須由廠家或供應(yīng)商的專業(yè)人員完成，用戶往往面臨高價的維修和服務(wù)費用。

軟件編程和維護

直角坐標(biāo)型機器人從電氣系統(tǒng)到操作系統(tǒng)都是開放、靈活的，適用任何品牌的PLC、CNC、伺服驅(qū)動系統(tǒng)，甚至可以按用戶指定品牌選取。該類機器人編程簡單，用戶可以隨意擴展，操作簡便，完全的交鑰匙工程，簡單的程序問題和硬件故障，客戶可以自行處理，如更換驅(qū)動電機、PLC等，維護費用低。關(guān)節(jié)型機器人軟件系統(tǒng)集成化，庫函數(shù)可以直接調(diào)用，是其軟件的優(yōu)點。但編程和控制必須由供應(yīng)商通過專業(yè)培訓(xùn)才能完成，維護和維修完全受制于人，由于品牌互相不兼容，硬件故障必須由供應(yīng)商或廠家直接提供，非市場通用產(chǎn)品，費用高昂。

前期投入成本

不考慮后期維護維修費用，以50kg負載碼垛機器人為例，直角坐標(biāo)型機器人售價為25～40萬元/臺套，關(guān)節(jié)型機器人為60～80萬元/臺套，由此可以看出，直角坐標(biāo)型機器人的前期投入成本較低，有著較高的性價比優(yōu)勢。

綜上所述，直線坐標(biāo)型機器人有著行程大、負載能力強、精度高、組合方便、性價比高、易編程、易維護等優(yōu)點，而對于完成一些需要進入小空間的作業(yè)時，不如關(guān)節(jié)機器人靈活。從他們應(yīng)用的行業(yè)來說，直線坐標(biāo)型機器人對于重復(fù)性高、勞動強度大、技術(shù)要求低的鈑金加工、碼垛搬運、上下料、供料、檢測等領(lǐng)域都有著無可比擬的優(yōu)勢，而關(guān)節(jié)式機器人則在汽車裝配、焊接與噴涂領(lǐng)域有著較強的適用性。