一 機器人的定義及分類：

　　機器人按ISO 8373定義為：位置可以固定或移動，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、可重復(fù)編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個或3個以上自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動化設(shè)備。這里自由度就是指可運動或轉(zhuǎn)動的軸。工業(yè)機器人按其結(jié)構(gòu)形式及編程坐標系主要分類為關(guān)節(jié)型機器人、移動機器人、水下機器人和直角坐標機器人等。按主要功能特征及應(yīng)用分類為移動機器人、水下機器人、潔凈機器人、直角坐標機器人、焊接機器人、手術(shù)機器人和軍用機器人等。

　　作為在各行各業(yè)中被廣泛應(yīng)用直角坐標機器人主要是以直線運動軸為主，各個運動軸通常對應(yīng)直角坐標系中的X軸，Y軸和Z軸，一般X軸和Y軸是水平面內(nèi)運動軸，Z軸是上下運動軸。在一些應(yīng)用中Z軸上帶有一個旋轉(zhuǎn)軸，或帶有一個擺動軸和一個旋轉(zhuǎn)軸。在絕大多數(shù)情況下直角坐標機器人的各個直線運動軸間的夾角為直角。

　　二 直角坐標機器人的主要組成部分

　　下圖是一個典型的3D直角坐標機器人，它由X軸,Y軸,Z軸及驅(qū)動電機組成。此外一個完整的機器人系統(tǒng)還需要控制系統(tǒng)和手抓，下面分別予以介紹：

　　2.1 直線運動軸: 也叫直線運動單元，它就是一個獨立的運動軸，主要由支撐載體的鋁型材或鋼型材和被安裝在型材內(nèi)部的直線導(dǎo)軌、運動滑塊以及作為帶動滑塊做高速運動的同步帶組成。

　　2.2運動軸的驅(qū)動系統(tǒng)

　　直角坐標機器人的傳動主要是通過驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動帶動同步帶運動，同步帶帶動直線導(dǎo)軌上的滑塊運動。當驅(qū)動軸的最高轉(zhuǎn)速低于600轉(zhuǎn)/分時通常選用步進電機，否則選用交流伺服電機。

　　2.3直角坐標機器人的控制系統(tǒng)

　　機器人要在一定時間內(nèi)完成特定的任務(wù)，比如每10秒內(nèi)完成一次搬運工作。在完成抓取，加速運動，高速運動，減速運動，釋放工件等同時，還要與相關(guān)的設(shè)備通過通訊或I/O口實現(xiàn)一些時序上的協(xié)調(diào)同步。另外在涂膠應(yīng)用上，各個運動軸要完成直線和圓弧插補運動。因此其數(shù)控系統(tǒng)要按具體應(yīng)用要求來選定其控制軸數(shù)、I/O口數(shù)量和軟件功能。通常選用數(shù)控系統(tǒng)，PLC，工控機加運動控制卡和帶軸卡功能及I/O口的驅(qū)動電機來做控制系統(tǒng)。

　　2.4直角坐標機器人的末端操作器——手爪系統(tǒng)

　　根據(jù)其具體應(yīng)用情況，其手爪系統(tǒng)可能是氣動吸盤、氣動夾取手爪、電動夾取手爪、電磁吸取手爪、焊槍、膠槍、專用工具和檢測儀器等。在很多場合可以一次抓取多個工件。

　　三 直角坐標機器人的主要結(jié)構(gòu)形式及主要特點

　　下圖是典型的3D龍門式直角坐標機器人。但針對各種不同的應(yīng)用，實際上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機器人。從簡單的二維機器人到復(fù)雜的五維機器人就有上百種結(jié)構(gòu)形式的成功應(yīng)用案例。從電機到汽車等各行各業(yè)的自動化生產(chǎn)線中，更是各式各樣的多臺直角坐標機器人和其它設(shè)備嚴格同步協(xié)調(diào)工作?？梢哉f直角坐標機器人幾乎能勝任所有的工業(yè)自動化任務(wù)。下面是其主要特點：

　　3.1任意組合成各種樣式：每根直線運動軸最長是6米，其帶載能力從10公斤到200公斤。在實際應(yīng)用中已有近百種結(jié)構(gòu)的直角坐標機器人，這些結(jié)構(gòu)也可以任意組合成新的結(jié)構(gòu)等。

　　3.2超大行程：因為單根龍門式直線運動單元的長度是6米，還可以多根方便地級連成超大行程，所以其工作空間幾乎沒有限制，小到手機點膠機，大到18米長行程的切割機，8米長行程鉆銑床，6米＊6米＊3米的檢測機器人等。超大行程時要采用直線導(dǎo)軌和齒條傳動方式。

　　3.3負載能力強：單根直線運動單元的負載通常小于200公斤。但當采用雙滑塊或多滑塊剛性聯(lián)結(jié)時負載能力可以增加5到10倍。當把兩根或四根直線運動單元并排接起來使用時，其負載可以增加2到4倍。當采用多根多滑塊結(jié)構(gòu)時其負載能力可增加到數(shù)噸。

　　3.4高動態(tài)特性：輕負載時其最大運行速度可達到每秒8米，加速度可達到每秒4米。使其具有很高的動態(tài)特性，工作效率非常高，通常在幾秒內(nèi)完成一個工作節(jié)拍。

　　3.5高精度：按傳動方式及配置在整個行程內(nèi)其重復(fù)定位精度可達到0.05mm到0.01mm。

　　3.6擴展能力強：可以方便改變結(jié)構(gòu)或通過編程來適合新的應(yīng)用。

　　3.7簡單經(jīng)濟：對比關(guān)節(jié)機器人，直角坐標機器人不僅外觀直觀且構(gòu)造成本低，編程簡單類同數(shù)控銑床，易培訓(xùn)員工和維修，使其具有非常好的經(jīng)濟性。

　　3.8勝任復(fù)雜任務(wù)：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)雜的噴涂，噴丸，檢測，加工等任務(wù)。

　　3.9壽命長：直角坐標機器人的維護通常就是周期性加注潤滑油，壽命一般是10年以上，維護好了可達20年。

　　3.10應(yīng)用面寬：可以方便地裝配多種形式和尺寸的手爪，可以勝任許多常見的工作，如焊接、切割，搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標、噴碼、打碼和噴涂等任務(wù)。

　　四、直角坐標機器人的選型和保養(yǎng)

　　4.1選型: 首先要根據(jù)負載大小，行程，工作節(jié)拍和工作空間限制來選擇機器人的外形結(jié)構(gòu)。選好結(jié)構(gòu)形式后要根據(jù)行程和變形量等選擇每個軸的形式和型號。大負載時和高沖擊力時可以選擇由2根或4根運動軸組合成一個復(fù)合運動軸。各個運動軸間的裝配也很關(guān)鍵，不僅要保證其垂直度，更要考慮在各個方向有足夠的抗沖擊力和變形。機器人要在幾秒內(nèi)完成一個運動節(jié)拍，選擇的驅(qū)動電機必須有足夠的驅(qū)動力，通常要比理論計算值高出100%。當負載的轉(zhuǎn)動慣量與驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動慣量比大于12時，要選配德國紐卡特公司的精密行星減速機。

　　在超高動態(tài)和定位精度要求很高情況下，可以選用直線電機來驅(qū)動。但直線電機的安裝和防護難度大，發(fā)熱量大，撞擊危險性高和控制難度高，成本也高，所以要慎用。而其防護難度大和發(fā)熱量大目前在機床行業(yè)還是世界性難題。

　　4.2安裝

　　機器人在加速和減速時會產(chǎn)生強大的沖擊力，而且通常每天要工作24小時，所以機器人必須被牢固地安裝在支架上。機器人的支架要有足夠的抗沖擊力，要有地腳，以保證在長期高速高動態(tài)運動沖擊下，沒有任何晃動。此外在安裝時要保證運動軸間的平行度、平面度和垂直度。

　　4.3保養(yǎng)事項

　　通常機器人的每個運動軸在經(jīng)過一定長度的運動后要周期性的通過滑塊的注油孔給直線導(dǎo)軌加注潤滑油。隨機器人使用環(huán)境的不同和工作速度不同，其注油的周期也不同。在食品和玻璃切割等行業(yè)要選用帶防塵帶的運動軸和縮短注油周期，在有噴水的場合也要縮短注油周期。

　　五，應(yīng)用和展望

　　直角坐標機器人以其特有的一些優(yōu)點在西方國家被廣泛用來執(zhí)行焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標、噴碼、涂膠和切割等一系列工作。深受包裝機械、印刷機械、汽車工業(yè)、食品生產(chǎn)工業(yè)、藥品生產(chǎn)工業(yè)、電子工業(yè)、機器制造業(yè)和化妝品生產(chǎn)等行業(yè)的好評。隨著自動化程度、環(huán)保要求、衛(wèi)生規(guī)定、生產(chǎn)效率和人工費用的提高，直角坐標機器人在中國也必將被各行各業(yè)廣泛采用。