機(jī)器人工作站的功能要求和環(huán)境條件：機(jī)器人的持重能力，工作空間，自由度

工作站的設(shè)計是一項較為靈活多變、關(guān)聯(lián)因素甚多的技術(shù)工作，其中具有共性的一般設(shè) 計原則有：設(shè)計前需要充分分析作業(yè)對象，擬定Z合理的作業(yè)工藝；需要滿足作業(yè)的功能要 求和環(huán)境條件；需要滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求；整體及各組成部分需要全部滿足安全規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)； 各設(shè)備及控制系統(tǒng)應(yīng)具有故障顯示及報警裝置；便于維護(hù)修理；操作系統(tǒng)應(yīng)簡單明了，便于 操作和人工干預(yù)；操作系統(tǒng)便于聯(lián)網(wǎng)控制；工作站便于組線；經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，快速投產(chǎn)等10項。 這10項設(shè)計原則體現(xiàn)了工作站用戶的多方面需要，簡單地說就是千方百計地滿足用戶的要 求。限于篇幅，下面只對更具特殊性的幾項原則展開討論。

(1)工作站的功能要求和環(huán)境條件

機(jī)器人工作站的生產(chǎn)作業(yè)是由機(jī)器人連同它的末端執(zhí)行器、夾具和變位機(jī)以及其他周邊 設(shè)備等具體完成的，其中起主導(dǎo)作用的是機(jī)器人，所以這一設(shè)計原則先在選擇機(jī)器人時必 須滿足。滿足作業(yè)的功能要求，具體到選擇機(jī)器人時，可從三方面加以保證：有足夠的持重 能力，有足夠大的工作空間和有足夠多的自由度。滿足環(huán)境條件可由機(jī)器人產(chǎn)品樣本的推薦 使用領(lǐng)域加以確定。下面分別加以討論。

①確定機(jī)器人的持重能力。機(jī)器人手腕所能抓取的質(zhì)量是機(jī)器人一個重要性能指標(biāo)， 習(xí)慣上稱為機(jī)器人的可搬質(zhì)量，這一可搬質(zhì)量的作用線垂直于地面(機(jī)器人基準(zhǔn)面)并通過 機(jī)器人腕點(diǎn)P 。 一般說來，同一系列的機(jī)器人，其可搬質(zhì)量越大，它的外形尺寸、手腕基點(diǎn) (P) 的工作空間、自身質(zhì)量以及所消耗的功率也就越大。

在設(shè)計中，需要初步設(shè)計出機(jī)器人的末端執(zhí)行器，比較準(zhǔn)確地計算它的質(zhì)量，按照下式 初步確定機(jī)器人的可搬質(zhì)量RG。

RG=(MG+GG+QG)K1

式中 MG——末端執(zhí)行器主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量；

GG——Z大工件的質(zhì)量；

QG——末端執(zhí)行器附件質(zhì)量；

K₁——安全系數(shù)， K₁=1.0～1.1。

在某些場合，末端執(zhí)行器比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)龐大，例如一些裝配工作站和搬運(yùn)工作站中的 末端執(zhí)行器。因此，對于它的設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)當(dāng)反復(fù)研究，確定出較為合理可行的 結(jié)構(gòu)，減小其質(zhì)量。如果末端執(zhí)行器還要抓取或搬運(yùn)工件，就要按Z大工件的質(zhì)量GG 進(jìn)行 計 算 ；QG 是除末端執(zhí)行器的主體結(jié)構(gòu)外，其他附件質(zhì)量的總和，比如氣動管接頭、氣管、 氣動閥、電氣元器件，導(dǎo)線和線夾等； K1 是 安 全 系 數(shù) ， 當(dāng)MG 、GG 和 QG3 項 之 和 與 機(jī) 器 人自搬質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)值有 一 定余量時，可以不考慮K₁, 此 時 ，K1 可 取 1 ; 當(dāng) 上 述 3 項 之 和 與 某 一 標(biāo)準(zhǔn)值非常接近時，取 K₁>1, 通常情況下，末端執(zhí)行器的質(zhì)量越大，機(jī)器人手腕基 點(diǎn)的動作范圍越大，以及機(jī)器人的運(yùn)行速度越高， K₁ 的取值就越大，反之，可取小值。

另外，末端執(zhí)行器重心的位置對機(jī)器人的可搬質(zhì)量是有影響的。同 一 質(zhì)量的末端執(zhí)行 器，其重心位置偏離手腕中心 (P) 越遠(yuǎn)，對該中心形成的彎矩也就越大，所選擇的機(jī)器人 可搬質(zhì)量就要更大 一 些。

質(zhì)量參數(shù)是選擇機(jī)器人Z基本的參數(shù)，決不允許機(jī)器人超負(fù)荷運(yùn)行。例如使用可搬質(zhì)量 為 6 0kg 的機(jī)器人攜帶總重為65kg 的末端執(zhí)行器及負(fù)載長時間運(yùn)轉(zhuǎn)，必定會大大降低機(jī)器 人的重復(fù)定位精度，影響工作質(zhì)量，甚至損壞機(jī)械零件，或因過載而損壞機(jī)器人控制系統(tǒng)。

②確定機(jī)器人的工作空間。機(jī)器人的手腕基點(diǎn)P 的動作范圍就是機(jī)器人的名義工作空 間，它是機(jī)器人的另 一 個重要性能指標(biāo)。在設(shè)計中，先根據(jù)質(zhì)量大小和作業(yè)要求，初步設(shè) 計或選用末端執(zhí)行器，然后通過作圖找出作業(yè)范圍，只有作業(yè)范圍完全落在所選機(jī)器人的P 點(diǎn)工作空間之內(nèi)，該機(jī)器人才能滿足作業(yè)的范圍要求。否則就要更換機(jī)器人型號，直到滿足 作業(yè)范圍要求為止。

③確定機(jī)器人的自由度。機(jī)器人在持重和工作空間上滿足對機(jī)器人工作站或生產(chǎn)線的 功能要求之后，還要分析它是否可以在作業(yè)范圍內(nèi)滿足作業(yè)的姿態(tài)要求。如圖7 - 1(a) 所 示 的簡單堆垛作業(yè)，作為末端執(zhí)行器的夾爪，只需繞垂直軸的1個旋轉(zhuǎn)自由度，再加上機(jī)器人 本體的3個圓柱坐標(biāo)自由度，4個自由度的圓柱坐標(biāo)機(jī)器人即可滿足要求。若用垂直關(guān)節(jié)型 機(jī)器人，由于上臂常向下傾斜，又需手腕擺動的自由度，故需5個自由度的垂直關(guān)節(jié)型機(jī)器 人。圖7 - 1(b) 表示電子插件作業(yè)，常使用4個自由度水平關(guān)節(jié)的SCARA 機(jī)器人。為了焊 接復(fù)雜工件， 一 般需要6個自由度。如果焊體簡單，又使用變位機(jī)，在很多情況下5個自由 關(guān)節(jié)機(jī)器人即可滿足要求。自由度越多，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制就越復(fù)雜，所以在通常情 況下，如果少自由度能完成的作業(yè)，就不要盲目選用更多自由度的機(jī)器人去完成。

總之，在選擇機(jī)器人時，為了滿足功能要求，需要從持重、工作空間、自由度等方面來 分析，只有它們同時被滿足或者增加輔助裝置后即能滿足功能要求的條件，所選用的機(jī)器人 才是可用的。

機(jī)器人的選用也常受機(jī)器人市場供應(yīng)因素的影響，所以，還需考慮市場價格，只有那些 可用而且價格低廉、性能可靠，且有較好的售后服務(wù)，才是Z應(yīng)該優(yōu)先選用的。

目前，機(jī)器人在許多生產(chǎn)領(lǐng)域里得到了廣泛應(yīng)用，如裝配、焊接、噴涂和搬運(yùn)碼垛等。 各種應(yīng)用領(lǐng)域必然會有各自不同的環(huán)境條件，為此，機(jī)器人制造廠家根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境和 作業(yè)特點(diǎn)，不斷地研究、開發(fā)和生產(chǎn)出了各種類型的機(jī)器人供用戶選用。各生產(chǎn)廠家都對自 己的產(chǎn)品給出了Z合適的應(yīng)用領(lǐng)域，他們不光考慮了功能要求，還考慮了其他應(yīng)用中的問 題，如強(qiáng)度剛度、軌跡精度、粉塵及溫濕度等特殊要求。在設(shè)計工作站選用機(jī)器人時，應(yīng) 先參考生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品說明。