直角坐標機器人的設計研究*

陳 熵 袁 真 李 旭,2※

（1.湖南農業大學工學院，長沙 410128；2.南方糧油作物協同創新中心，長沙 410128）

隨著科技水平和制造業的快速發展，直角坐標機器人在現代工業生產中已得到廣泛應用。目前，國內外主要采用壁掛（懸臂）式、龍門式、掛臂式等結構形式來設計直角坐標型機器人。各軸實現直線運動的傳動方式大致有四種：齒輪齒條傳動、滾珠絲杠傳動、同步齒形帶傳動、直線電機傳動。另外，在特殊場合也有采用鋼絲繩牽引實現軸的運動，直角坐標式機器人在驅動方式通常采用步進電機驅動、伺服電機驅動等，根據機器人的類型和所需要完成的工作來具體選取合適的控制方式，廣泛應用于制造業和其他行業。

本研究設計一種三自由度龍門式直角坐標機器人，其執行機構末端通過X、Y、Z三軸正交方向的直線運動，能夠精確定位到空間中的任一點。其中，X軸、Y軸由步進電機驅動、同步齒形帶傳動；Z軸為直線電機驅動、絲桿傳動。在控制系統的作用下，旨在實現機構空間中精確定位功能。本文主要直角坐標機器人的機械結構及控制系統，為直角坐標機器人在龍門型桌面級3D打印機的后續開發中提供參考。

1 直角坐標機器人機械結構設計

直角坐標機器人的機械機構設計包括：直角坐標機器人外形的設計、直線導軌的設計、直角坐標機器人傳動方式的選擇、軸承的選擇等。

1.1 直角坐標機器人外形的設計

本研究設計的龍門式結構的直角坐標機器人，總體空間尺寸設計為：長度方向700mm，寬度方向716mm，高度方向420mm。綜合考慮直角坐標機器人的應用場景、成本等方面考慮，加工零件的材料要求強度較高、重量輕、材料價格低、彈性模量大，所以，本次設計的直角坐標機器人機械結構主體材料選擇6063鋁合金和鋁型材，其結構如圖1所示。

1.2 直線導軌的同步帶齒型帶傳動設計

直角坐標機器人的X軸和Y軸的傳動方式，是利用同步帶傳動來實現滑塊在滑軌上的直線運動。X軸和Y軸上的受力主要是由徑向的壓力引起的摩擦力，X軸上的行程長度為420mm，Y軸上的行程長度為450mm，為保證運動的穩定性，X軸及Y軸的直線導軌均由兩根圓柱形導軌對稱分布，其導向精度高，安裝簡便，高低速均可應用。

圖1 直角坐標機器人結構圖

直線導軌應具有良好的耐磨性，摩擦因數盡可能小，具有良好的加工和熱處理性能。因此，導軌的材料應選用鍍鉻鋼，為提高導軌表面硬度，采用表面淬火工藝。

執行機構末端負載在X軸滑塊上，工作時，X軸驅動電機帶動X軸方向的滑塊運動，從而帶動末端執行機構在X軸方向上移動，實現執行機構末端在X軸方向的定位。左右兩根立柱分別安在Y軸的雙滑塊上，與X軸方向同理，Y軸驅動電機工作時，帶動雙滑塊在Y軸方向的導軌上運動，從而帶動立柱上X軸滑軌的移動，實現執行機構末端在平面上任意點的運動。

1.3 直線導軌的絲桿傳動設計

直角坐標機器人Z軸的傳動方式是絲桿傳動。利用螺旋絲桿帶動絲桿螺母上下移動，從而使與絲桿螺母間接固連在一起的連接桿實現上下運動。螺旋絲桿具有精度高、摩擦阻力小、定位精度高的特點。

執行機構末端與Z軸滑塊相連，絲桿螺母穩定裝配于滑塊上，Z軸方向驅動部分通過驅動絲桿轉動，帶動絲桿螺母的升降，從而間接帶動末端執行機構的升降，實現末端執行機構在Z軸方向的升降。Z軸方向升降結構圖如圖2所示。

圖2 Z方向升降結構

2 直角坐標機器人控制系統設計

本研究的直角坐標機器人控制系統是由PLC（可編程控制器）、步進電機驅動器、按鍵控制模塊、行程開關保護模塊、人機交互模塊所組成。通過人機交互模塊，人為輸入X、Y、Z三軸坐標后，PLC接收模塊處理后的信息，并控制各軸電機旋轉，最終實現執行機構末端移動至相應坐標軸位置。控制系統結構示意圖如圖3所示。

圖3 控制系統結構示意圖

2.1 步進電機驅動電路設計

本次設計采用步進電機驅動，其轉速與脈沖頻率成正比，轉動角度由發出的電脈沖數決定，且結構簡單，沒有累積誤差，精度高，帶動負載慣量的能力。

步進電機驅動部分由步進電機和步進驅動器組成。在選擇步進電機型號時，需要知道電機所要傳遞的轉矩大小來選擇電機的型號。本次設計的驅動X軸和Y軸方向運動的步進電機型號為：57BYGHT。驅動Z軸方向運動的步進電機型號為：42BYGHT。

步進電機驅動器為直流兩相步進電機驅動器。

額定電壓為：12～42V、額定電流為4.5A。驅動器的CP＋和CP－分別表示控制脈沖信號正端和負端；DIR＋和DIR－分別表示方向信號正端和負端；EN＋和EN－分別表示使能信號的正端和負端。A＋和A－接步進電機A相繞組的正負端；B＋和B－接步進電機B相繞組的正負端。當A、B兩相繞組調換時，可使電機方向反向。驅動器與步進電機連接電路圖如圖4所示。

2.2 按鍵控制模塊電路設計

按鍵控制模塊實現了控制系統的啟動、停止、脫機保護功能。設置啟動按鈕SB1、停止按鈕SB2和脫機按鈕SB3，啟動按鈕接入控制器X000輸入端口，按下啟動按鈕將觸發控制器內設定程序，直角坐標機器人按照設定要求完成動作，具體動作順序由控制器程序給定。停止按鈕與控制器X001輸入端口相連，打開后，各軸上的運動立刻停止，但電機輸出軸處于鎖死狀態，不能轉動。脫機按鈕SB3接入控制器X002輸入端口，按下后，各電機軸脫機，不再鎖死，外力可使軸轉動。

2.3 行程開關保護模塊電路設計

圖4 驅動器與步進電機連接電路

直角坐標機器人三軸上的運動可將末端執行機構定位到工作空間中任意位置，各軸上的運動有固定的行程。為保證正常工作，方便確定運動開始時的空間原點，需設置行程控制電路，Z軸上的行程長度為200mm，在其兩端安裝行程開關SB4和SB5，接入PLC控制輸入端口X003和X004；X軸上的行程長度為420mm，在其兩端安裝行程開關SB6和SB7，接入PLC控制輸入端口X005和X006；Y軸上的行程長度為450mm，在其兩端安裝行程開關SB8和SB9，接入PLC控制輸入端口X007和X008；當各軸上的運動達到行程極限位置時，行程開關打開，觸發PLC內置程序，改變運動方向或立即停止動作，起到安全保護作用。開關設置電路圖如圖5所示。

圖5 開關設置電路

2.4 人機交互模塊設計

以觸摸屏作為人機交互模快已經被廣泛使用，并能滿足本研究控制系統的坐標位置輸入與顯示功能。為了實現執行機構末端的精確定位，需要通過人為輸入X、Y、Z三軸坐標，對輸入坐標進行行程范圍的合理性判斷后，再通過電機驅動，將執行機構末端移動至相應坐標軸位置。

2.5 控制系統程序設計

通過PLC對各個系統模塊的數據采集與驅動控制，實現執行機構末端的精準定位。

由于驅動電機的當前位置沒有斷電記憶功能，在機器斷電后，每次重新啟動都需要將執行末端移動至空間坐標原點，因此，需要通過固定程序實現空間坐標原點的初始化。初始化功能的實現是通過X、Y、Z三軸電機依次向坐標原點方向進行旋轉，直至觸發原點位置的行程開關SB4、SB6、SB8，并及時停止相對應的電機，此時程序設定當前三維坐標0.0.0為空間坐標原點。控制系統軟件流程圖如圖6所示。

3 結論

（1）本文設計制作了一款龍門式直角坐標機器人，總體空間尺寸的長度方向為700mm，寬度為716mm，高度為420mm。X軸上的行程長度為420mm，Y軸上的行程長度為450mm，Z軸上的行程長度為200mm。機械結構主體材料選擇6063鋁合金和鋁型材。

圖6 控制系統軟件流程

（2）該直角坐標機器人的驅動方式選用電力驅動，采用步進電機。X軸和Y軸方向運動的步進電機型號為：57BYGHT。驅動Z軸方向運動的步進電機型號為：42BYGHT。

（3）該直角坐標機器人的工作流程為：按下啟動按鈕SB1后，程序初始化，各軸復位到行程中點，執行機構末端處于空間原點；然后，通過人機交互模塊，人為輸入X、Y、Z三軸的坐標信息，控制器通過坐標解析，發送一定頻率、數量的脈沖信號，驅動各軸的步進電機勻速轉動規定轉角，Y、X、Z軸上構件依次移動到目標位置，末端執行機構完成指定動作后，各步進電機再次驅動Z、X、Y三軸上構件依次移動到目標位置，完成工作。