關節型機器人與直線型機器人的特點及應用分析

文／陳列·揚州恒佳自動化設備有限公司

關節型機器人與直線型機器人的特點及應用分析

文／陳列·揚州恒佳自動化設備有限公司

工業機器人一般指的是在工廠車間環境中，配合自動化生產的需要，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、驅動系統和控制系統三個基本部分組成，其中，主體包括機座和執行機構，而執行機構又可細分為臂部、腕部和手部；驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生相應的動作；控制系統是按照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信號，并對機器人的末端執行機構進行控制。

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

工作空間與承載能力

通用關節式機器人通常具有6個旋轉軸來實現位置與姿態的控制，最大工作半徑為3m，在有效半徑內可以任意角度工作。由于其關節坐標系較多，可完成的姿態較為全面，故關節式機器人大多運用于需要進入小空間作業、重復性高的汽車自動化焊接生產線、噴涂生產線和裝配生產線。此外，隨著工作半徑的加大，對關節式結構強度和承載能力的要求均會增高，為保證此種結構的穩定性，其制作成本相對于直角坐標型機器人來講更高。

直角坐標型機器人通常具有3個直線軸來實現位置控制，1～2個旋轉軸來實現姿態控制，標準單根橫梁長度為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，特殊結構可達2400kg。由于其承載能力強，可無限擴展，性能穩定可靠，造價也相對較低，故直角坐標型機器人廣泛應用于鈑金產品的自動化生產線和大型產品的碼垛等制造環節。

工作精度

由于結構簡單，直角坐標型的重復定位精度可達0.05mm，其中絲杠型可達0.01mm，甚至更高。關節型的重復定位精度則為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機器人更適合對精度要求更加苛刻的行業。

組合方式

直角坐標型機器人組合方式多樣，有龍門式、懸臂式、壁掛式等，可根據不同的負載、行程、功能及特殊空間要求，為客戶訂制所需產品。同時，在X、Y、Z三軸基礎上可以擴展旋轉軸和翻轉軸，構成五自由度和六自由度機器人。關節型機器人可細分為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型小很多。

機械安裝及維護

直角坐標型機器人為模塊化產品，在工廠全部連接試運行，然后拆裝出廠。現場通過螺栓簡單拼裝，調水平后即可電氣調試，用戶甚至可以自行完成機械安裝，維修維護費用低。關節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商的專業人員完成，用戶往往面臨高價的維修和服務費用。

軟件編程和維護

直角坐標型機器人從電氣系統到操作系統都是開放、靈活的，適用任何品牌的PLC、CNC、伺服驅動系統，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，如更換驅動電機、PLC等，維護費用低。關節型機器人軟件系統集成化，庫函數可以直接調用，是其軟件的優點。但編程和控制必須由供應商通過專業培訓才能完成，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商或廠家直接提供，非市場通用產品，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，直角坐標型機器人售價為25～40萬元/臺套，關節型機器人為60～80萬元/臺套，由此可以看出，直角坐標型機器人的前期投入成本較低，有著較高的性價比優勢。

綜上所述，直線坐標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、易維護等優點，而對于完成一些需要進入小空間的作業時，不如關節機器人靈活。從他們應用的行業來說，直線坐標型機器人對于重復性高、勞動強度大、技術要求低的鈑金加工、碼垛搬運、上下料、供料、檢測等領域都有著無可比擬的優勢，而關節式機器人則在汽車裝配、焊接與噴涂領域有著較強的適用性。