为何笛卡尔（龙门）机器人优于关节臂：四大核心优势

Futura Automation, LLC (www.futura-automation.com) 提供机器人、自动化和运动控制解决方案。本周Futura Automation通讯解释笛卡尔机器人优势，特别是Macron Dynamics供应的产品，对比其他主要工业机器人拓扑：关节、Delta和SCARA。文章将阐述笛卡尔机器人的四大核心优势：

• 设计灵活性
• 大幅更长的行程（伸展）
• 更大负载
• 成本节约

大多数人熟知媒体常展示的六轴关节机器人臂，用于汽车焊接线或装箱码垛。Delta机器人主要用于食品包装中两条传送带间高速拾取放置。SCARA或四轴臂是另一种常见工业机器人形态，擅长电子、医疗包装和小型消费品的小零件拾取放置。关节和SCARA等标准机器人拓扑拥有由制造商和臂部机械结构决定的明确工作包络。若需要非常规运动或极高/极长运动？笛卡尔机器人可提供解决方案。笛卡尔机器人，有时称龙门机器人，是非常常见且简单的机器人拓扑。龙门起重机当然比自动化笛卡尔机器人早几个世纪，但形态相似。区别在于龙门机器人采用自动化技术，使运动可预编程，某些情况下辅以机器视觉。

什么是笛卡尔机器人？

3D打印机采用笛卡尔或直线机器人拓扑，无论桌面级还是能用混凝土打印房屋的大型设备。另一常见例子是电子电路板制造用的拾取放置机，常称“芯片射手”。小尺寸笛卡尔机器人常构建在工作台或输送系统上。通常具有3个运动轴：上下、前后、左右。笛卡尔机器人像所有机器人一样有执行器执行指定任务。执行最精密任务的笛卡尔机器人（通常在半导体和光学行业）在小于30厘米行程/跨度上重复精度小于1微米。

笛卡尔机器人末端执行器可包括：

• 真空夹爪
• 机械夹爪
• 打印头
• 路由器主轴
• 水射流
• 切割激光
• 混合或搅拌工具
• 机器视觉

哪些行业使用笛卡尔机器人？

因应用广泛，笛卡尔机器人见于许多行业。以下行业制造商常利用此技术：

• 航空航天 — 加工和精加工
• 农业 — 垂直农业
• 包装 — 装箱与码垛
• 机床看护（CNC或塑料）
• 电子、光学和半导体
• 医疗器械装配和制药分配
• 多媒体、舞台设备和广告
• 食品饮料搬运

这只是众多示例中的一部分。笛卡尔技术历史悠久，因此有许多成熟可靠的应用。它们也易于理解和重新编程，对自动化新手友好。这些制造商常拥有笛卡尔机器人擅长的应用类型。

笛卡尔机器人典型应用

笛卡尔机器人是许多应用的正确解决方案，对其他应用则是不佳选择。关键限制在于运动范围有限，特别是腰轴或关节1 (J1) 和腕部动作或J5、关节机器人上的旋转J6。六轴机器人可弯曲转向各种姿态。若材料必须倾角搬运或旋转（拾取或放置、焊接、喷涂或分配），关节臂更合理。笛卡尔机器人运动更刚性，除末端执行器可能有旋转执行器外无旋转运动。这看似限制，但对平面设计应用（如平台或输送带上产品放置、分拣、堆叠）反而是优势。这种直线机器人的平面特性带来优势，使其在特定应用中优于其他机器人类型。示例：

• CNC机床看护
• 3D打印
• 金属等离子/激光切割
• 拧螺丝
• 分配
• 木材搬运和路由
• PCB装配和测试
• 拾取放置或分拣
• 物流 — 仓储AS/RS
• 垂直农业
• 检测

笛卡尔机器人擅长这些应用有几个原因。首先，这些应用常在单一平面或维度执行。例如，激光笛卡尔机器人任务是从金属板切割形状。金属板平铺切割面上，机器人执行指令切割形状，无需扭曲特殊角度或侧向旋转，全是上下、前后、左右运动。一些笛卡尔机器人在末端执行器有额外旋转轴。若需显著灵活性和运动范围，其他机器人类型可能更好。

设计灵活性

笛卡尔机器人是最可扩展的机器人平台。这种可扩展性体现在潜在物理尺寸和极限强度上。笛卡尔机器人可小至手掌大，大至仓库规模。极小笛卡尔常称“多轴台”，用于电子领域微米级光刻、分配、放置或激光切割。也有大型笛卡尔机器人长达50米（164英尺）以上。常见“大型笛卡尔”应用是机器人传输单元（RTU），即常称的单“第七轴”。关节机器人也可安装在XY或XZ笛卡尔上覆盖大面积，如打磨焊件或船舶精加工。金属增强皮带执行器使Macron Dynamics能制造极长系统，适用高达2200 lb (1000kg)载荷。这些机械结构加上大速比减速箱和无需塞入纤细机身的电机，意味着笛卡尔机器人能轻松应对最大最重任务。

行程（长度）可扩展性

Futura Automation客户受益于定制笛卡尔机器人的灵活性和可扩展性。可构建长度等同建筑结构跨度的笛卡尔机器人。Futura合作伙伴Macron Dynamics提供玻璃纤维拉挤型材加强水平跨度。也可用钢I型梁加强直线执行器以实现更长跨度和更重载荷。200英尺（60米）水平X或Y轴、60英尺（20米）高Z轴均可实现。笛卡尔机器人还可集成Theta轴驱动实现Z轴末端旋转或提供腕部动作。

宽负载范围

使用钢增强皮带并经玻璃纤维拉挤型材或钢I型梁加强的龙门架，可承载数千磅载荷，媲美最强（且昂贵）关节机器人臂。可对伺服齿轮电机施加集成机械制动器，即使断电也能保持垂直轴负载。Macron Dynamics还提供CLAWS系统作为安全装置，防止垂直负载失控。

笛卡尔机器人成本

笛卡尔机器人高度可扩展，成本也高度可扩展。2023年完整笛卡尔机器人系统成本（含伺服驱动器和控制）从小型系统$20,000到大型系统$200,000或更高。但同等条件下，相同项目、相同行程和负载，使用笛卡尔机器人比使用其他可比工业机器人形态（如六轴）更便宜。主要原因在于使用标准型材和现货伺服，而非关节臂所需的铸造机械臂、定制伺服、摆线齿轮和定制轴承。笛卡尔机器人项目主要成本变量：

• 项目尺寸和速度（执行器长度和负载能力）及是否需要加强超结构
• 应用复杂度（需要何种专用夹爪或额外Theta轴）
• 运行所需控制类型、通信和人机界面(HMI)
• 所需精度等级，甚至可能需要零回程丝杆混合驱动在一个或多个轴上
• 是否需要安全围栏或传感器提供防护

总结：笛卡尔机器人何时胜过关节、Delta或SCARA机器人？

现在您了解笛卡尔机器人及其应用。何时适合您和项目？我们可协助解答。简言之，主要考量：

• 是否寻求成本降低或吞吐量提升？
• 负载或行程是否为关节或SCARA臂的巨大挑战？
• 应用要求何种精度/准确性？
• 速度曲线与负载关系如何，即惯性和驱动扭矩要求？

笛卡尔机器人设计白板清晰，正确匹配选型电机和减速箱时的惯性至关重要。Futura Automation在为客户项目提供设计指导时将协助惯性匹配。行业协会“A3”文档详述阻抗匹配重要性：https://www.automate.org/industry-insights/understanding-the-mysteries-of-inertia-mismatch，另附惯性匹配视频指南。

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