一 直角坐標(biāo)機(jī)器人介紹

機(jī)器人按ISO 8373定義為：位置可以固定或移動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個(gè)或3個(gè)以上自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。這里自由度就是指可運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的軸。直角坐標(biāo)機(jī)器人是以直線運(yùn)動(dòng)軸為主，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸通常對(duì)應(yīng)直角坐標(biāo)系中的X軸，Y軸和Z軸。在絕大多數(shù)情況下直角坐標(biāo)機(jī)器人的各個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸間的夾角為直角。

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。針對(duì)不同的應(yīng)用，可以方便快速組合成不同維數(shù)，各種行程和不同帶載能力的壁掛式、懸臂式、龍門式或倒掛式等各種形式的直角坐標(biāo)機(jī)器人。從簡(jiǎn)單的二維機(jī)器人到復(fù)雜的五維機(jī)器人就有上百種結(jié)構(gòu)形式的成功應(yīng)用案例。從食品生產(chǎn)到汽車裝配等各行各業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線中，都有各式各樣的多臺(tái)直角坐標(biāo)機(jī)器人和其它設(shè)備嚴(yán)格同步協(xié)調(diào)工作。可以說(shuō)直角坐標(biāo)機(jī)器人幾乎能勝任幾乎所有的工業(yè)自動(dòng)化任務(wù)。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(guó)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)。以此為基礎(chǔ)，在短時(shí)間內(nèi)可提供各種規(guī)格的線性導(dǎo)軌、二維、三維標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人及用戶專用機(jī)器人和生產(chǎn)線。這些機(jī)器人可以裝備焊槍、通用手爪或?qū)Ｓ霉ぞ?，完成焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測(cè)、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂等一系列工作。由于百格拉的導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)和控制系統(tǒng)等所有部件全部自己生產(chǎn)，使得機(jī)器人整體性能更加優(yōu)異。十多年來(lái)出廠的機(jī)器人和生產(chǎn)線全部在正常工作，深受包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、機(jī)械電子、汽車、食品、藥品和化妝品生產(chǎn)等行業(yè)新老用戶的厚愛。

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(wú)損檢測(cè)。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(guò)嚴(yán)格的100%的檢測(cè)。而且檢測(cè)周期要很短，來(lái)滿足超大批量生產(chǎn)的要求。下面介紹幾個(gè)采用直角坐標(biāo)機(jī)器人對(duì)產(chǎn)品的檢驗(yàn)應(yīng)用案例。

二 案例一----圓柱形航空部件無(wú)損探傷檢測(cè)

對(duì)于一些圓柱形的工件及設(shè)備，要達(dá)到全方位的檢測(cè)就非常的困難。本項(xiàng)目中為對(duì)航空飛船的圓柱形部件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),該部件高1000mm，φ500,需要進(jìn)行從下到上的360度全面檢測(cè)。由于需要對(duì)該工件進(jìn)行360度的檢測(cè)，并且檢測(cè)頭與工件要求時(shí)時(shí)保持固定的距離，所以對(duì)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(guó)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(guó)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。

圖一

控制系統(tǒng)我們采用的為德國(guó)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(guó)百格拉公司SER31122伺服電機(jī)與減速比為8的NEUGART減速機(jī)來(lái)控制.由于整套設(shè)備采用了德國(guó)百格拉公司伺服電機(jī)與德國(guó)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(cè)中多次檢測(cè)到了u級(jí)精度,大大提高了檢測(cè)的質(zhì)量.

該系統(tǒng)的整個(gè)工作過(guò)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(cè)位置,到達(dá)位置后通過(guò)I/O口控制檢測(cè)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(cè).以上完成了一圈的檢測(cè),然后Z軸上移一定距離,進(jìn)行下一圈的檢測(cè),以后以此類推,最后完成整個(gè)檢測(cè).

三 案例二-----超大型圓柱類鋼件無(wú)損探傷掃描

被測(cè)物體是8m長(zhǎng)，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。鋼件作為轉(zhuǎn)動(dòng)軸由一臺(tái)BERGER LAHR伺服電機(jī)SER31122配德國(guó)NEUGART公司精密行星減速機(jī)PLS115/64HP驅(qū)動(dòng)。

機(jī)器人方面我們選用的為德國(guó)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).控制系統(tǒng)我們選擇的德國(guó)ENGERHART三軸數(shù)控系統(tǒng)。

整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程為旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)長(zhǎng)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(zhǎng)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)。這一過(guò)程要反復(fù)進(jìn)行到整個(gè)鋼件表面被均勻掃描一次。
所以整個(gè)過(guò)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(duì)應(yīng)的周長(zhǎng)是600*3.14 = 1884mm, 電機(jī)每轉(zhuǎn)一步旋轉(zhuǎn)軸表面轉(zhuǎn)過(guò)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(lái)保證各軸的精確平穩(wěn)運(yùn)行。

四 案例三-----對(duì)儀表板進(jìn)行無(wú)損探傷掃描。

該系統(tǒng)要求采用超聲無(wú)損探傷對(duì)航天飛船上的許多部件進(jìn)行無(wú)損掃描。該設(shè)備要求可對(duì)部件從上到下360°無(wú)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(duì)部件的幾個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行無(wú)損探傷掃描。檢測(cè)工件的最大范圍為5400*5400*400 mm.

該套系統(tǒng)選用德國(guó)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(duì)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(lái)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(cè)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(guò)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(wú)損探傷掃描。得到的測(cè)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(duì)應(yīng)濾波，增強(qiáng)、放大、旋轉(zhuǎn)、特征提取及分析等。

五 總結(jié)及展望

本文講述了德國(guó)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(guó)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(lái)檢驗(yàn)和識(shí)別一些印刷品的質(zhì)量。配備激光高度測(cè)量?jī)x來(lái)對(duì)超大物體的三維形狀進(jìn)行測(cè)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(cè)量工作中，德國(guó)百格拉公司的直角坐標(biāo)機(jī)器人多年來(lái)運(yùn)行非常穩(wěn)定可靠。用德國(guó)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(cè)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(guó)百格拉公司的直角坐標(biāo)機(jī)器人和CCD攝像機(jī)來(lái)檢驗(yàn)物體，兩年來(lái)機(jī)器人運(yùn)行非常平穩(wěn)。隨著大批量全自動(dòng)化生產(chǎn)的迅猛發(fā)展及很多產(chǎn)品要在許多生產(chǎn)環(huán)節(jié)100%被檢測(cè)，這類直角坐標(biāo)機(jī)器人將具有更加廣范的市場(chǎng)前景和發(fā)展?jié)摿?！如?duì)該設(shè)備有問(wèn)題或進(jìn)一步探討請(qǐng)與本文作者(ly_vision@163.com)聯(lián)系.(e