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关于工业机器人你真的会选型吗？

时间：2023-09-02 阅读：19

近些年，越来越多的制造型企业引入工业机器人参与生产制造，效率的提升和收益的提升都让这些企业对工业机器人产生了浓厚的兴趣，也因此越来越多的企业有了引进工业机器人的意向。那么对于没有使用过工业机器人的企业或者设计人员来说，如何选择一款适合自己的机器人可能是一个比较头痛的问题。
工业机器人可以根据不同的划分方式分为很多种类，可以机械结构方式、运动坐标形式、驱动方式、应用领域等多个方面进行分类。由于篇幅有限，我们在这里只考虑两种常用的机器人：SCARA和六轴机器人。

通常我们打开机器人选型手册时，会看到机器人的规格参数表、尺寸图、安装和法兰尺寸图、工作空间等。工业机器人的参数有很多，譬如负载、速度、工作空间、工作半径等等。接下来介绍一下工业机器人正确选型步骤：

步骤一：应用场景和安装方式
目前机器人已经被广泛到应用到生产和生活中，包含焊接、搬运、点胶、打磨、装配等。在选型时，首先要明确应用场景，或者说想达成什么目的。如果是简单的Pick和Place工作，不需要姿态空间翻转，以及设备空间不受限的情况下，可以考虑台面SCARA。如果车间场地有限，设备较多，想要整体布局紧凑，那么可以考虑倒装SCARA；这样可以省到正装SCARA的底座空间，工作空间更灵活，工位可以增加，效率会更高。但是如果想实现焊接或者需要在运动过程中实现姿态的变化，那么可能需要用到六轴机器人。假如应用场景中需要机器人和人协同作业，那么就需要选择协作机器人。安装方式同样影响到机器人的型号选择，常见的安装方式有：

如果受空间限制机器人需要倒置或者斜面安装，那么在选型时就要考虑机器人是否支持。一般的SCARA机器人只支持台面安装，而很多六轴机器人都支持多种安装方式。

步骤二：工作空间
机器人的工作空间是机器人所有能够达到的点位的集合，是由机器人每个关节的转动范围和连杆长度决定的。在机器人选型时，要确保机器人所有的工位位置都包含在机器人工作空间内。此外还需要考虑机器人奇异点的存在，在结构设计完成后可以使用仿真软件对机器人的工作路径、奇异点和可达性进行模拟确认。
示例：如果把下图的点P的运动范围作为机器人的运动范围，
L0：机器人的运动范围（从A点到点P的距离）；如图2.1
L1：手腕法兰、工具、工件三者长度之和；
L2：安全空间；
应保证安全围栏的尺寸从手臂的中心（下图的A点）大于L0+L1+L2.

图5 机器人运动范围图

图6 LR4-R560运动范围图

图7 现场示意图

步骤三：负载（Payload）

参考国标工业机器人词汇（GB/T 12643），定义末端负载为机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的质量。为了充分发挥机器人自身具备的性能，选型时要尽量把负载（夹具末端重量+工件重量）与负载的装载惯性控制在额定值以内。
方式一：通过惯量计算的方法，确认是否满足使用要求：
例1 ：水平多关节机器人（简称：SCARA机器人）
计算J4周围的惯量：

图8 TM6系列参数表

TM6系列第四关节容许惯量（额定）为0.01kg·m2,因此0.03kg·m2超出允许惯量值。
但是，将抓手中心对准J4旋转轴，并且将工件夹持位置移至J4轴正下方，L1、L2都为0，从而J4轴周围的全惯量I=0.0068+0.0012=0.008kg·m2<0.01kg·m2，在允许惯量范围内。
所以，在设计夹具时，若超出允许惯量，则可适当调整夹持位置或夹取方式。
例2：垂直多关节机器人（简称：六轴机器人）
垂直多关节机器人，除了计算J6轴的负载惯量之外，还需考虑J5/J6轴的负载力矩。

夹具质量： W1（kg）
夹具重心位置： L1（m）
工件质量： W2（kg）
工件重心位置： L2（m）
重力加速度： g（m/sec²）
施加于J5轴的负载力矩如下：
J5轴负载力矩（N·m）：M=W1×L1×g+W2×L2×g

最后，请确认该值M是否符合该机型的负载力矩范围内。

图9 J5轴负载力矩计算示意图

夹具质量： W1（kg）
夹具重心位置： L3（m）
工件质量： W2（kg）
工件重心位置： L4（m）
重力加速度： g（m/sec²）
施加于J6轴的负载力矩如下：
J6轴负载力矩（N·m）：M=W1×L3×g+W2×L4×g

最后，请确认该值M是否符合该机型的负载力矩范围内。

图10 J6轴负载力矩计算示意图

当机器人在运转过程中，需要J4轴姿态变动时，还需要对J4轴附件的负载惯量进行校核确认。

方式二：除了惯量计算外，灵猴机器人厂家会提供一个机器人负载校验工具，输入手爪+工件的重量、重心位置、转动惯量之后会自动计算出J4、J5、J6三轴扭矩和转动惯量，并给出判定结果。负荷数据中的 Payload inertia Ix(Kg.m^2)、Payload inertia Iy(Kg.m^2)、Payload inertia Iz(Kg.m^2)都是围绕重心的转动惯量。这3个转动惯量的数值可由3D软件自动计算出来，下面是SolidWorks自动计算出来惯性张量的，在计算分析表格中须输入第2项（由重心决定，并且对齐输出的坐标系）中Lxx、Lyy、Lzz。

图11 SolidWorks质量评估结果

备注：
1）末端负载需包含螺丝、气管和传感器等材料的重量；
2）需要在机器人安装面中心点建立坐标系,（Z方向与机器人工具Z方向重合）如图12。

图12 机器人安装面中心点建立坐标系

灵猴机器人负载校核软件分析：

综合以上两种方式：方式一计算过程繁琐，耗时长；方式二相对简单，易于实用（优先推荐）。

步骤四：重复定位精度
参考国标工业机器人性能测试方法（GB/T 12642），定义重复定位精度是指机器人对同一指令位姿，从同一方向重复响应N次后，实到位置和姿态散布的不一致程度。通常机器人厂家在出厂时都会对每款型号机械手进行位姿重复精度测试：如图13：

图13 现场测试图片

测试方式：将机器人运动到P1点，P2点，P3点，P4点，P5点，循环30次，来计算机器人的点准确度和重复定位精度.

图14 测试点位（P1，P2，P3，P4，P5）

测试原理：采用四个高分辨率，低惯性的拉线来采集空间坐标，然后通过数据处理软件将坐标转化成相应的轨迹曲线。从而测试机器人的各项性能。

一般在机器人选型目录里面都会提供每款型号的重复定位精度。

下面以灵猴LR4-R560举例：

图15 LR4-R560参数表

步骤五：速度、节拍时间
标准循环时间指的是负载2Kg下（水平300mm,垂直25mm）,往返拱形运动的循环时间（速度行程坐标）。

图16 标准循环路径

如果你仔细看机器人的规格参数，发现这个时间都是在0.3s-0.5s左右的样子，但是实际生产过程中机器人并不能这样持续工作。要根据具体的生产节拍，去选择合适的机器人并规划机器人的路径。如何判断机器人的生产节拍能否达到？
1)可以使用仿真软件进行模拟仿真确认；
2)根据要求进行机器人实际测试；

3)根据使用经验估算。

步骤六：环境温度、湿度

机器人使用的环境也很重要，机器人工作的环境温度一般在0-40˚。机器人如果在东北的冬天可能就无法正常工作，需要增加空调，穿上保暖服等措施来保证机器人运行。相反在一些高温的环境，机器人需要降温处理。降温可以通过施加压缩空气，穿隔热服等措施。同样也要考虑湿度的影响，湿度大或者沿海地区使用可能导致机器人腐蚀进而影响机器人的正常使用。

步骤七：防护等级洁净型
如果机器人工作在粉尘、油雾和水加工等环境，需要评估机器人的防护等级能否达到要求。如果工作环境要求百级或者千级等无尘环境，还要考虑机器人是否是洁净型或者有相关方面的认证等。

图17 防水机器人

步骤八：机器人的通信方式

机器人和外围设备的通信方式：IO、TCP/IP、Modbus TCP、Modbus RTU、EIP、串口通信等。如果采用I/O交互，不仅需考虑IO的数量（包含系统I/O和用户I/O）,还要考虑IO的类型，是NPN还是PNP？

步骤九：机器人工作的电和气
机器人的工作电压和功率：220V或者380V(具体使用要求可与厂家确认）；

机器人工作的气压：0.5Mpa-0.7Mpa。

步骤十：机器人连接线缆长度和类型
机器人线缆长度考虑的是从机器人安装位置到控制柜安装位置线缆的走线距离。同时要考虑线缆插头的大小能否穿路径上的一些过孔等，要结构设计时就要考虑到。如果有使用到拖链，除了要考虑线缆长度还要选择适合拖链的柔性线缆。

图18 工业机器人拖链和线缆

最后，随着智能制造的发展，自动化需求的提升。工业机器人在越来越多的行业中得到普遍的应用。工业机器人与各种自动化设备、生产线进行集成，从而提高生产加工效率和安全性。机器人技术是*制造技术和自动化装备的典型代表，智能化工业装备已经成为制造业转型升级的基础。工业机器技术与MES/WMS进行系统集成应用，使智能制造与数字化车间、智能工厂从概念走向现实。