为什么笛卡尔（龙门）机器人的性能优于铰接臂：4 个关键优势

Futura Automation, LLC (www.futura-automation.com) 提供一系列机器人、自动化和运动控制解决方案。 Futura Automation 本周的时事通讯解释了笛卡尔机器人的优势，特别是与其他主要工业机器人拓扑（#Articulated、Delta 和 SCARA）相比，Macron Dynamics, Inc. 提供的机器人。本文将解释笛卡尔坐标的四个主要好处：

• 设计灵活
• 覆盖范围大幅延长（旅行）
• 更大的有效负载
• 节省成本

大多数人都知道媒体中经常出现的六轴（铰接式）机器人手臂，用于汽车焊接线或装箱和码垛。 #Delta 机器人主要用于食品包装中两条传送带之间的大批量拾取和放置。 #SCARA 或 4 轴臂是工业机器人的另一种常见外形尺寸。 SCARA 最擅长电子产品、医疗包装和小型消费品中的小零件拾取和放置。像铰接式和 SCARA 这样的标准机器人拓扑结构具有由其制造商和手臂机械结构规定的明确定义的工作范围。如果需要进行不寻常的运动或者非常高或非常长的运动怎么办？为此，我们可以提供笛卡尔机器人。笛卡尔机器人，有时称为龙门机器人，是一种非常常见且简单的机器人拓扑结构。当然，龙门起重机的出现早于自动化笛卡尔机器人几个世纪。但外形非常相似。不同之处在于龙门机器人采用自动化技术，因此可以对运动进行预编程，并且在某些情况下还可以通过机器视觉进行辅助。

什么是笛卡尔机器人？

3D 打印机利用笛卡尔或线性机器人拓扑，无论是桌面模型还是足够大的模型，可以使用混凝土打印房屋。另一个常见的例子是电子电路板制造中使用的拾放机，通常称为“芯片射击机”。较小外形的笛卡尔机器人通常构建在工作台或传送带系统上。它们通常有 3 个运动轴。它们可以向上/向下、向前/向后、向左/向右移动。与所有机器人一样，笛卡尔机器人也有一个执行指定任务的末端执行器。通常在半导体和光学行业中执行最精确任务的笛卡尔坐标系在小于 30 厘米的范围或跨度内具有小于一微米的重复性。

笛卡尔机器人的末端执行器可以包括：

• 真空夹具
• 机械夹具
• 打印头
• 路由器头
• 水刀
• 激光切割
• 混合或搅拌工具
• 机器视觉

哪些行业使用笛卡尔机器人？

由于笛卡尔机器人应用广泛，因此在许多行业中都有应用。以下行业的制造商通常利用该技术：

• 航空航天 - 机械加工和精加工
• 农业 - 垂直农业
• 包装 - 装箱和码垛
• 机器维护（数控或塑料）
• 电子、光学和半导体
• 医疗器械组装和药品配药
• 多媒体、舞台设备和广告
• 食品和饮料处理

这些只是众多例子中的几个。笛卡尔技术已经存在很长时间了。正因为如此，这些机器人有许多经过考验的真实应用。它们对于操作员来说也很容易理解和重新编程。这使得它们对于自动化新手来说非常友好。这些制造商通常拥有笛卡尔机器人可以擅长的应用类型。

笛卡尔机器人的典型应用

笛卡尔机器人在许多应用中是正确的解决方案，而对于其他应用来说，线性机器人将是一个糟糕的选择。笛卡尔坐标系的主要限制是运动范围有限，尤其是关节型机器人上的腰轴或关节 1 (J1) 以及手腕动作或 J5 和旋转 J6。六轴机器人可以弯曲、转向各种位置。如果必须以一定角度搬运或旋转材料，无论是拾取或放置、焊接、喷漆或分配，那么铰接臂更有意义。笛卡尔机器人的运动更加刚性，没有旋转运动，除非末端执行器上可能有旋转致动器。这看起来像是一个限制，而且也确实如此。但它在以平面方式设计的应用中也是一个优势，例如在平台或传送带上放置、分类或堆叠产品。线性机器人的这种平面质量具有优势，使它们在某些应用中比其他类型的机器人表现得更好。以下是一些示例：

• 数控机床维护
• 3D 打印
• 金属等离子/激光切割
• 拧螺丝
• 分配
• 木材处理和铣削
• PCB 组装和测试
• 拾取和放置或排序
• 物流 - 用于仓储的 AS/RS
• 垂直农业
• 检查

笛卡尔机器人能够在这些应用中表现出色有几个原因。首先，这些应用通常在一个平面或维度中执行。例如，激光笛卡尔机器人的任务是从金属板上切割出形状。将金属板平放在切割表面上。机器人执行其命令的动作，从工件上切割出形状。这种运动不需要机器人以特殊角度扭转或旋转到工件的一侧。这都是上/下、前/后、左/右运动。一些直角坐标机器人在末端执行器上有一个额外的旋转轴。如果需要显着的灵活性和运动范围，那么另一种机器人类型可能是最好的。

设计灵活性

笛卡尔机器人是最具可扩展性的机器人平台。这种可扩展性体现在其潜在的物理尺寸和最终强度上。笛卡尔机器人可以小到手掌，大到仓库。非常小的笛卡尔通常被称为“多轴平台”，用于电子产品中微米级精度的光刻、点胶、放置或激光切割。如今还有 50 米（164 英尺）长或更长的大型笛卡尔机器人。常见的“大型笛卡尔”应用是机器人传输单元，或众所周知的单个“第七轴”。铰接式机器人还可以安装在 XY 或 XZ 笛卡尔上以覆盖大面积，例如可用于打磨焊件或精加工船舶。金属加固皮带执行器使 Macron Dynamics 能够使这些系统变得非常长，并且适合高达 2200 磅（1000 公斤）的有效负载。除了大速比齿轮箱和电机之外，这些机械装置不必安装在纤薄的机器人外壳内，这意味着直角坐标机器人可以轻松处理最大和最重的任务。

范围（长度）的可扩展性

Futura Automation 的客户受益于定制笛卡尔机器人的灵活性和可扩展性。可以建立与建筑物结构跨度一样长的笛卡尔坐标系。 Futura 的合作伙伴 Macron Dynamics 将为水平跨度提供玻璃纤维拉挤梁加固。还可以使用钢工字梁加固线性执行器，以实现更长的跨度和更重的负载。 200 英尺 (60m) 水平 X 或 Y 轴以及 60 英尺 (20m) 高 Z 轴都是可能的。笛卡尔还可以结合 θ 轴驱动器，用于在 Z 轴或垂直轴末端旋转或提供手腕动作。

广泛的有效负载

使用钢加固带并通过玻璃纤维拉挤梁或钢工字梁加固的龙门架可以处理数千磅的负载，可与最坚固（且非常昂贵）的铰接式机器人手臂相媲美。即使断电，也可以将集成机械制动器应用于伺服齿轮电机，以将负载保持在垂直轴上。 Macron Dynamics 还提供 CLAWS 系统作为安全装置，以防止不受控制的垂直载荷。

笛卡尔机器人的成本

我们了解到笛卡尔机器人具有高度可扩展性。这意味着它们的成本也具有高度可扩展性。到 2023 年，包括伺服驱动器和控制装置在内的完整笛卡尔机器人系统的成本将从小型系统的 20,000 美元到大型系统的 200,000 美元或更高。但在其他条件相同的情况下，在项目中使用笛卡尔机器人的工作范围和有效负载将比使用其他类似的工业机器人外形（例如同一项目的六轴）在相同的工作范围和有效负载下更便宜。其主要原因是使用标准化挤压件和现成的伺服系统，而不是像铰接臂那样使用带有定制伺服系统、摆线齿轮和定制轴承的铸造机械臂。笛卡尔机器人项目的主要成本变量是：

• 项目的规模和速度（执行器长度和有效负载能力）以及是否需要任何加固上部结构
• 应用的复杂性（需要什么类型的专用夹具或额外的 theta 轴）
• 操作所需的控制、通信和人机 (HMI) 类型
• 所需的精度水平，甚至可能需要在多个轴之一中使用零间隙螺杆驱动混合动力
• 是否需要安全围栏或传感器来提供保护

摘要：笛卡尔机器人何时战胜铰接式机器人、Delta 机器人或 SCARA 机器人？

现在您对笛卡尔机器人及其应用有所了解。那么，它们什么时候适合您和您的项目？我们可以帮助您回答这些问题。但简而言之，主要考虑如下：

• 您希望降低成本或提高吞吐量吗？
• 有效负载或到达范围对于铰接臂或 SCARA 臂来说是一个巨大的挑战吗？
• 应用需要什么精度/准确度？
• 速度曲线与负载的关系如何，即惯性和驱动扭矩要求是多少？

由于笛卡尔机器人的设计是全新的，因此在选择电机和变速箱时正确匹配惯性非常重要。当我们为客户项目提供设计指导时，Futura Automation 将帮助进行惯性匹配。这是行业协会“A3”的一份文件，详细描述了阻抗匹配的重要性。还提供了惯性匹配的视频指南：https://www.automate.org/industry-insights/understand-the-mysteries-of-inertia-mismatch

Futura Automation 如何支持您的项目

联系我们： sales@futura-automation.com