关节型机器人与直线型机器人的特点及应用分析

文／陈列·扬州恒佳自动化设备有限公司

关节型机器人与直线型机器人的特点及应用分析

文／陈列·扬州恒佳自动化设备有限公司

工业机器人一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。它由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成，其中，主体包括机座和执行机构，而执行机构又可细分为臂部、腕部和手部；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并对机器人的末端执行机构进行控制。

按臂部的运动形式，工业机器人的结构可分为四种：臂部有多个转动关节的关节式结构（图1），臂部能回转、俯仰和伸缩的球坐标型结构，臂部可做升降、回转和伸缩动作的圆柱坐标型结构，臂部可沿三个直角坐标移动的直角坐标型结构（图2）。在实际生产中，最为常见的两种工业机器人分别是通用关节式机器人和直角坐标型机器人，它们在功能、使用性能和应用等方面都有着较大的不同。

工作空间与承载能力

通用关节式机器人通常具有6个旋转轴来实现位置与姿态的控制，最大工作半径为3m，在有效半径内可以任意角度工作。由于其关节坐标系较多，可完成的姿态较为全面，故关节式机器人大多运用于需要进入小空间作业、重复性高的汽车自动化焊接生产线、喷涂生产线和装配生产线。此外，随着工作半径的加大，对关节式结构强度和承载能力的要求均会增高，为保证此种结构的稳定性，其制作成本相对于直角坐标型机器人来讲更高。

直角坐标型机器人通常具有3个直线轴来实现位置控制，1～2个旋转轴来实现姿态控制，标准单根横梁长度为6m，拼装后可达到100m，组合成龙门式机器人，它的工作空间是三维的。单根横梁可承载10～200kg工件，特殊结构可达2400kg。由于其承载能力强，可无限扩展，性能稳定可靠，造价也相对较低，故直角坐标型机器人广泛应用于钣金产品的自动化生产线和大型产品的码垛等制造环节。

工作精度

由于结构简单，直角坐标型的重复定位精度可达0.05mm，其中丝杠型可达0.01mm，甚至更高。关节型的重复定位精度则为0.06mm，轻载荷、小半径的精度为0.02mm，重载荷的精度为0.2mm。在通常情况下，这两种机器人均可满足精度要求，其中丝杠型直角坐标机器人更适合对精度要求更加苛刻的行业。

组合方式

直角坐标型机器人组合方式多样，有龙门式、悬臂式、壁挂式等，可根据不同的负载、行程、功能及特殊空间要求，为客户订制所需产品。同时，在X、Y、Z三轴基础上可以扩展旋转轴和翻转轴，构成五自由度和六自由度机器人。关节型机器人可细分为6自由度机器人、Scara机器人、连杆机器人，种类相对少，选择性和灵活性较直角坐标型小很多。

机械安装及维护

直角坐标型机器人为模块化产品，在工厂全部连接试运行，然后拆装出厂。现场通过螺栓简单拼装，调水平后即可电气调试，用户甚至可以自行完成机械安装，维修维护费用低。关节型机器人集成化程度高，整体性好，安装、维修和维护必须由厂家或供应商的专业人员完成，用户往往面临高价的维修和服务费用。

软件编程和维护

直角坐标型机器人从电气系统到操作系统都是开放、灵活的，适用任何品牌的PLC、CNC、伺服驱动系统，甚至可以按用户指定品牌选取。该类机器人编程简单，用户可以随意扩展，操作简便，完全的交钥匙工程，简单的程序问题和硬件故障，客户可以自行处理，如更换驱动电机、PLC等，维护费用低。关节型机器人软件系统集成化，库函数可以直接调用，是其软件的优点。但编程和控制必须由供应商通过专业培训才能完成，维护和维修完全受制于人，由于品牌互相不兼容，硬件故障必须由供应商或厂家直接提供，非市场通用产品，费用高昂。

前期投入成本

不考虑后期维护维修费用，以50kg负载码垛机器人为例，直角坐标型机器人售价为25～40万元/台套，关节型机器人为60～80万元/台套，由此可以看出，直角坐标型机器人的前期投入成本较低，有着较高的性价比优势。

综上所述，直线坐标型机器人有着行程大、负载能力强、精度高、组合方便、性价比高、易编程、易维护等优点，而对于完成一些需要进入小空间的作业时，不如关节机器人灵活。从他们应用的行业来说，直线坐标型机器人对于重复性高、劳动强度大、技术要求低的钣金加工、码垛搬运、上下料、供料、检测等领域都有着无可比拟的优势，而关节式机器人则在汽车装配、焊接与喷涂领域有着较强的适用性。