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關(guān)于工業(yè)機器人你真的會選型嗎？

2023/01/03

近些年，越來越多的制造型企業(yè)引入工業(yè)機器人參與生產(chǎn)制造，效率的提升和收益的提升都讓這些企業(yè)對工業(yè)機器人產(chǎn)生了濃厚的興趣，也因此越來越多的企業(yè)有了引進工業(yè)機器人的意向。那么對于沒有使用過工業(yè)機器人的企業(yè)或者設(shè)計人員來說，如何選擇一款適合自己的機器人可能是一個比較頭痛的問題。
工業(yè)機器人可以根據(jù)不同的劃分方式分為很多種類，可以機械結(jié)構(gòu)方式、運動坐標(biāo)形式、驅(qū)動方式、應(yīng)用領(lǐng)域等多個方面進行分類。由于篇幅有限，我們在這里只考慮兩種常用的機器人：SCARA和六軸機器人。

通常我們打開機器人選型手冊時，會看到機器人的規(guī)格參數(shù)表、尺寸圖、安裝和法蘭尺寸圖、工作空間等。工業(yè)機器人的參數(shù)有很多，譬如最大負載、最大速度、工作空間、工作半徑等等。接下來介紹一下工業(yè)機器人正確選型步驟：

步驟一：應(yīng)用場景和安裝方式
目前機器人已經(jīng)被廣泛到應(yīng)用到生產(chǎn)和生活中，包含焊接、搬運、點膠、打磨、裝配等。在選型時，首先要明確應(yīng)用場景，或者說想達成什么目的。如果是簡單的Pick和Place工作，不需要姿態(tài)空間翻轉(zhuǎn)，以及設(shè)備空間不受限的情況下，可以考慮臺面SCARA。如果車間場地有限，設(shè)備較多，想要整體布局緊湊，那么可以考慮倒裝SCARA；這樣可以省到正裝SCARA的底座空間，工作空間更靈活，工位可以增加，效率會更高。但是如果想實現(xiàn)焊接或者需要在運動過程中實現(xiàn)姿態(tài)的變化，那么可能需要用到六軸機器人。假如應(yīng)用場景中需要機器人和人協(xié)同作業(yè)，那么就需要選擇協(xié)作機器人。安裝方式同樣影響到機器人的型號選擇，常見的安裝方式有：

如果受空間限制機器人需要倒置或者斜面安裝，那么在選型時就要考慮機器人是否支持。一般的SCARA機器人只支持臺面安裝，而很多六軸機器人都支持多種安裝方式。

步驟二：工作空間
機器人的工作空間是機器人所有能夠達到的點位的集合，是由機器人每個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍和連桿長度決定的。在機器人選型時，要確保機器人所有的工位位置都包含在機器人工作空間內(nèi)。此外還需要考慮機器人奇異點的存在，在結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后可以使用仿真軟件對機器人的工作路徑、奇異點和可達性進行模擬確認。
示例：如果把下圖的點P的運動范圍作為機器人的運動范圍，
L0：機器人的運動范圍（從A點到點P的距離）；如圖2.1
L1：手腕法蘭、工具、工件三者長度之和；
L2：安全空間；
應(yīng)保證安全圍欄的尺寸從手臂的中心（下圖的A點）大于L0+L1+L2.

圖5 機器人運動范圍圖

圖6 LR4-R560運動范圍圖

圖7 現(xiàn)場示意圖

步驟三：負載（Payload）

參考國標(biāo)工業(yè)機器人詞匯（GB/T 12643），定義末端最大負載為機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。為了充分發(fā)揮機器人自身具備的性能，選型時要盡量把負載（夾具末端重量+工件重量）與負載的裝載慣性控制在額定值以內(nèi)。
方式一：通過慣量計算的方法，確認是否滿足使用要求：
例1 ：水平多關(guān)節(jié)機器人（簡稱：SCARA機器人）
計算J4周圍的慣量：

圖8 TM6系列參數(shù)表

TM6系列第四關(guān)節(jié)容許慣量（額定）為0.01kg·m2,因此0.03kg·m2超出允許慣量值。
但是，將抓手中心對準(zhǔn)J4旋轉(zhuǎn)軸，并且將工件夾持位置移至J4軸正下方，L1、L2都為0，從而J4軸周圍的全慣量I=0.0068+0.0012=0.008kg·m2<0.01kg·m2，在允許慣量范圍內(nèi)。
所以，在設(shè)計夾具時，若超出允許慣量，則可適當(dāng)調(diào)整夾持位置或夾取方式。
例2：垂直多關(guān)節(jié)機器人（簡稱：六軸機器人）
垂直多關(guān)節(jié)機器人，除了計算J6軸的負載慣量之外，還需考慮J5/J6軸的負載力矩。

夾具質(zhì)量： W1（kg）
夾具重心位置： L1（m）
工件質(zhì)量： W2（kg）
工件重心位置： L2（m）
重力加速度： g（m/sec2）
施加于J5軸的負載力矩如下：
J5軸負載力矩（N·m）：M=W1×L1×g+W2×L2×g

最后，請確認該值M是否符合該機型的負載力矩范圍內(nèi)。

圖9 J5軸負載力矩計算示意圖

夾具質(zhì)量： W1（kg）
夾具重心位置： L3（m）
工件質(zhì)量： W2（kg）
工件重心位置： L4（m）
重力加速度： g（m/sec2）
施加于J6軸的負載力矩如下：
J6軸負載力矩（N·m）：M=W1×L3×g+W2×L4×g

最后，請確認該值M是否符合該機型的負載力矩范圍內(nèi)。

圖10 J6軸負載力矩計算示意圖

當(dāng)機器人在運轉(zhuǎn)過程中，需要J4軸姿態(tài)變動時，還需要對J4軸附件的負載慣量進行校核確認。

方式二：除了慣量計算外，靈猴機器人廠家會提供一個機器人負載校驗工具，輸入手爪+工件的重量、重心位置、轉(zhuǎn)動慣量之后會自動計算出J4、J5、J6三軸扭矩和轉(zhuǎn)動慣量，并給出判定結(jié)果。負荷數(shù)據(jù) 中的 Payload inertia Ix(Kg.m^2)、Payload inertia Iy(Kg.m^2)、Payload inertia Iz(Kg.m^2)都是圍繞重心的轉(zhuǎn)動慣量。這3個轉(zhuǎn)動慣量的數(shù)值可由3D軟件自動計算出來，下面是SolidWorks自動計算出來慣性張量的，在計算分析表格中須輸入第2項（由重心決定，并且對齊輸出的坐標(biāo)系）中Lxx、Lyy、Lzz。

圖11 SolidWorks質(zhì)量評估結(jié)果

備注：
1）末端負載需包含螺絲、氣管和傳感器等材料的重量；
2）需要在機器人安裝面中心點建立坐標(biāo)系,（Z方向與機器人工具Z方向重合）如圖12。

圖12 機器人安裝面中心點建立坐標(biāo)系

靈猴機器人負載校核軟件分析：

綜合以上兩種方式：方式一計算過程繁瑣，耗時長；方式二相對簡單，易于實用（優(yōu)先推薦）。

步驟四：重復(fù)定位精度
參考國標(biāo)工業(yè)機器人性能測試方法（GB/T 12642），定義重復(fù)定位精度是指機器人對同一指令位姿，從同一方向重復(fù)響應(yīng)N次后，實到位置和姿態(tài)散布的不一致程度。通常機器人廠家在出廠時都會對每款型號機械手進行位姿重復(fù)精度測試：如圖13：

圖13 現(xiàn)場測試圖片

測試方式：將機器人運動到P1點，P2點，P3點，P4點，P5點，循環(huán)30次，來計算機器人的點準(zhǔn)確度和重復(fù)定位精度.

圖14 測試點位（P1，P2，P3，P4，P5）

測試原理：采用四個高分辨率，低慣性的拉線解碼器來采集空間坐標(biāo)，然后通過數(shù)據(jù)處理軟件將坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的軌跡曲線。從而測試機器人的各項性能。

一般在機器人選型目錄里面都會提供每款型號的重復(fù)定位精度。

下面以靈猴L(fēng)R4-R560舉例：

圖15 LR4-R560參數(shù)表

步驟五：速度、節(jié)拍時間
標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)時間指的是負載2Kg下（水平300mm,垂直25mm）,往返拱形運動的循環(huán)時間（最大速度最優(yōu)行程坐標(biāo)）。

圖16 標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)路徑

如果你仔細看機器人的規(guī)格參數(shù)，發(fā)現(xiàn)這個時間都是在0.3s-0.5s左右的樣子，但是實際生產(chǎn)過程中機器人并不能這樣持續(xù)工作。要根據(jù)具體的生產(chǎn)節(jié)拍，去選擇合適的機器人并規(guī)劃機器人的最優(yōu)路徑。如何判斷機器人的生產(chǎn)節(jié)拍能否達到？
1)可以使用仿真軟件進行模擬仿真確認；
2)根據(jù)要求進行機器人實際測試；

3)根據(jù)使用經(jīng)驗估算。

步驟六：環(huán)境溫度、濕度

機器人使用的環(huán)境也很重要，機器人工作的環(huán)境溫度一般在0-40?。機器人如果在東北的冬天可能就無法正常工作，需要增加空調(diào)，穿上保暖服等措施來保證機器人運行。相反在一些高溫的環(huán)境，機器人需要降溫處理。降溫可以通過施加壓縮空氣，穿隔熱服等措施。同樣也要考慮濕度的影響，濕度大或者沿海地區(qū)使用可能導(dǎo)致機器人腐蝕進而影響機器人的正常使用。

步驟七：防護等級潔凈型
如果機器人工作在粉塵、油霧和水加工等環(huán)境，需要評估機器人的防護等級能否達到要求。如果工作環(huán)境要求百級或者千級等無塵環(huán)境，還要考慮機器人是否是潔凈型或者有相關(guān)方面的認證等。

圖17 防水機器人

步驟八：機器人的通信方式

機器人和外圍設(shè)備的通信方式：IO、TCP/IP、Modbus TCP、Modbus RTU、EIP、串口通信等。如果采用I/O交互，不僅需考慮IO的數(shù)量（包含系統(tǒng)I/O和用戶I/O）,還要考慮IO的類型，是NPN還是PNP？

步驟九：機器人工作的電和氣
機器人的工作電壓和功率：220V或者380V(具體使用要求可與廠家確認）；

機器人工作的氣壓：0.5Mpa-0.7Mpa。

步驟十：機器人連接線纜長度和類型
機器人線纜長度考慮的是從機器人安裝位置到控制柜安裝位置線纜的走線距離。同時要考慮線纜插頭的大小能否穿路徑上的一些過孔等，要結(jié)構(gòu)設(shè)計時就要考慮到。如果有使用到拖鏈，除了要考慮線纜長度還要選擇適合拖鏈的柔性線纜。

圖18 工業(yè)機器人拖鏈和線纜

最后，隨著智能制造的發(fā)展，自動化需求的提升。工業(yè)機器人在越來越多的行業(yè)中得到普遍的應(yīng)用。工業(yè)機器人與各種自動化設(shè)備、生產(chǎn)線進行集成，從而提高生產(chǎn)加工效率和安全性。機器人技術(shù)是先進制造技術(shù)和自動化裝備的典型代表，智能化工業(yè)裝備已經(jīng)成為全球制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的基礎(chǔ)。工業(yè)機器技術(shù)與MES/WMS進行系統(tǒng)集成應(yīng)用，使智能制造與數(shù)字化車間、智能工廠從概念走向現(xiàn)實。

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