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關(guān)于工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)工業(yè)機(jī)器人的意向。那么對于沒有使用過工業(yè)機(jī)器人的企業(yè)或者設(shè)計(jì)人員來說，如何選擇一款適合自己的機(jī)器人可能是一個(gè)比較頭痛的問題。
工業(yè)機(jī)器人可以根據(jù)不同的劃分方式分為很多種類，可以機(jī)械結(jié)構(gòu)方式、運(yùn)動坐標(biāo)形式、驅(qū)動方式、應(yīng)用領(lǐng)域等多個(gè)方面進(jìn)行分類。由于篇幅有限，我們在這里只考慮兩種常用的機(jī)器人：SCARA和六軸機(jī)器人。

通常我們打開機(jī)器人選型手冊時(shí)，會看到機(jī)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(jī)器人的參數(shù)有很多，譬如最大負(fù)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(jī)器人正確選型步驟：

步驟一：應(yīng)用場景和安裝方式
目前機(jī)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(yùn)、點(diǎn)膠、打磨、裝配等。在選型時(shí)，首先要明確應(yīng)用場景，或者說想達(dá)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(shí)現(xiàn)焊接或者需要在運(yùn)動過程中實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的變化，那么可能需要用到六軸機(jī)器人。假如應(yīng)用場景中需要機(jī)器人和人協(xié)同作業(yè)，那么就需要選擇協(xié)作機(jī)器人。安裝方式同樣影響到機(jī)器人的型號選擇，常見的安裝方式有：

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

步驟二：工作空間
機(jī)器人的工作空間是機(jī)器人所有能夠達(dá)到的點(diǎn)位的集合，是由機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍和連桿長度決定的。在機(jī)器人選型時(shí)，要確保機(jī)器人所有的工位位置都包含在機(jī)器人工作空間內(nèi)。此外還需要考慮機(jī)器人奇異點(diǎn)的存在，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后可以使用仿真軟件對機(jī)器人的工作路徑、奇異點(diǎn)和可達(dá)性進(jìn)行模擬確認(rèn)。
示例：如果把下圖的點(diǎn)P的運(yùn)動范圍作為機(jī)器人的運(yùn)動范圍，
L0：機(jī)器人的運(yùn)動范圍（從A點(diǎn)到點(diǎn)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(diǎn)）大于L0+L1+L2.

圖5 機(jī)器人運(yùn)動范圍圖

圖6 LR4-R560運(yùn)動范圍圖

圖7 現(xiàn)場示意圖

步驟三：負(fù)載（Payload）

參考國標(biāo)工業(yè)機(jī)器人詞匯（GB/T 12643），定義末端最大負(fù)載為機(jī)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(jī)器人自身具備的性能，選型時(shí)要盡量把負(fù)載（夾具末端重量+工件重量）與負(fù)載的裝載慣性控制在額定值以內(nèi)。
方式一：通過慣量計(jì)算的方法，確認(rèn)是否滿足使用要求：
例1 ：水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人（簡稱：SCARA機(jī)器人）
計(jì)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(jì)夾具時(shí)，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(jī)器人（簡稱：六軸機(jī)器人）
垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人，除了計(jì)算J6軸的負(fù)載慣量之外，還需考慮J5/J6軸的負(fù)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(fù)載力矩如下：
J5軸負(fù)載力矩（N·m）：M=W1×L1×g+W2×L2×g

最后，請確認(rèn)該值M是否符合該機(jī)型的負(fù)載力矩范圍內(nèi)。

圖9 J5軸負(fù)載力矩計(jì)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(fù)載力矩如下：
J6軸負(fù)載力矩（N·m）：M=W1×L3×g+W2×L4×g

最后，請確認(rèn)該值M是否符合該機(jī)型的負(fù)載力矩范圍內(nèi)。

圖10 J6軸負(fù)載力矩計(jì)算示意圖

當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，需要J4軸姿態(tài)變動時(shí)，還需要對J4軸附件的負(fù)載慣量進(jìn)行校核確認(rèn)。

方式二：除了慣量計(jì)算外，靈猴機(jī)器人廠家會提供一個(gè)機(jī)器人負(fù)載校驗(yàn)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(jì)算出J4、J5、J6三軸扭矩和轉(zhuǎn)動慣量，并給出判定結(jié)果。負(fù)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(gè)轉(zhuǎn)動慣量的數(shù)值可由3D軟件自動計(jì)算出來，下面是SolidWorks自動計(jì)算出來慣性張量的，在計(jì)算分析表格中須輸入第2項(xiàng)（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(fù)載需包含螺絲、氣管和傳感器等材料的重量；
2）需要在機(jī)器人安裝面中心點(diǎn)建立坐標(biāo)系,（Z方向與機(jī)器人工具Z方向重合）如圖12。

圖12 機(jī)器人安裝面中心點(diǎn)建立坐標(biāo)系

靈猴機(jī)器人負(fù)載校核軟件分析：

綜合以上兩種方式：方式一計(jì)算過程繁瑣，耗時(shí)長；方式二相對簡單，易于實(shí)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(jī)器人性能測試方法（GB/T 12642），定義重復(fù)定位精度是指機(jī)器人對同一指令位姿，從同一方向重復(fù)響應(yīng)N次后，實(shí)到位置和姿態(tài)散布的不一致程度。通常機(jī)器人廠家在出廠時(shí)都會對每款型號機(jī)械手進(jìn)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(jī)器人運(yùn)動到P1點(diǎn)，P2點(diǎn)，P3點(diǎn)，P4點(diǎn)，P5點(diǎn)，循環(huán)30次，來計(jì)算機(jī)器人的點(diǎn)準(zhǔn)確度和重復(fù)定位精度.

圖14 測試點(diǎn)位（P1，P2，P3，P4，P5）

測試原理：采用四個(gè)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(jī)器人的各項(xiàng)性能。

一般在機(jī)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(shí)間
標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)時(shí)間指的是負(fù)載2Kg下（水平300mm,垂直25mm）,往返拱形運(yùn)動的循環(huán)時(shí)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(xì)看機(jī)器人的規(guī)格參數(shù)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)時(shí)間都是在0.3s-0.5s左右的樣子，但是實(shí)際生產(chǎn)過程中機(jī)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(jī)器人并規(guī)劃機(jī)器人的最優(yōu)路徑。如何判斷機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍能否達(dá)到？
1)可以使用仿真軟件進(jìn)行模擬仿真確認(rèn)；
2)根據(jù)要求進(jìn)行機(jī)器人實(shí)際測試；

3)根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)估算。

步驟六：環(huán)境溫度、濕度

機(jī)器人使用的環(huán)境也很重要，機(jī)器人工作的環(huán)境溫度一般在0-40?。機(jī)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(jī)器人運(yùn)行。相反在一些高溫的環(huán)境，機(jī)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(jī)器人腐蝕進(jìn)而影響機(jī)器人的正常使用。

步驟七：防護(hù)等級潔凈型
如果機(jī)器人工作在粉塵、油霧和水加工等環(huán)境，需要評估機(jī)器人的防護(hù)等級能否達(dá)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(jī)器人是否是潔凈型或者有相關(guān)方面的認(rèn)證等。

圖17 防水機(jī)器人

步驟八：機(jī)器人的通信方式

機(jī)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(jī)器人工作的電和氣
機(jī)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(rèn)）；

機(jī)器人工作的氣壓：0.5Mpa-0.7Mpa。

步驟十：機(jī)器人連接線纜長度和類型
機(jī)器人線纜長度考慮的是從機(jī)器人安裝位置到控制柜安裝位置線纜的走線距離。同時(shí)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(jì)時(shí)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(jī)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(jī)器人在越來越多的行業(yè)中得到普遍的應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人與各種自動化設(shè)備、生產(chǎn)線進(jìn)行集成，從而提高生產(chǎn)加工效率和安全性。機(jī)器人技術(shù)是先進(jìn)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(jī)器技術(shù)與MES/WMS進(jìn)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(shí)。

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