机器人工作站的功能要求和环境条件：机器人的持重能力，工作空间，自由度

工作站的设计是一项较为灵活多变、关联因素甚多的技术工作，其中具有共性的一般设 计原则有：设计前需要充分分析作业对象，拟定Z合理的作业工艺；需要满足作业的功能要 求和环境条件；需要满足生产节拍要求；整体及各组成部分需要全部满足安全规范及标准； 各设备及控制系统应具有故障显示及报警装置；便于维护修理；操作系统应简单明了，便于 操作和人工干预；操作系统便于联网控制；工作站便于组线；经济实惠，快速投产等10项。 这10项设计原则体现了工作站用户的多方面需要，简单地说就是千方百计地满足用户的要 求。限于篇幅，下面只对更具特殊性的几项原则展开讨论。

(1)工作站的功能要求和环境条件

机器人工作站的生产作业是由机器人连同它的末端执行器、夹具和变位机以及其他周边 设备等具体完成的，其中起主导作用的是机器人，所以这一设计原则先在选择机器人时必 须满足。满足作业的功能要求，具体到选择机器人时，可从三方面加以保证：有足够的持重 能力，有足够大的工作空间和有足够多的自由度。满足环境条件可由机器人产品样本的推荐 使用领域加以确定。下面分别加以讨论。

①确定机器人的持重能力。机器人手腕所能抓取的质量是机器人一个重要性能指标， 习惯上称为机器人的可搬质量，这一可搬质量的作用线垂直于地面(机器人基准面)并通过 机器人腕点P 。 一般说来，同一系列的机器人，其可搬质量越大，它的外形尺寸、手腕基点 (P) 的工作空间、自身质量以及所消耗的功率也就越大。

在设计中，需要初步设计出机器人的末端执行器，比较准确地计算它的质量，按照下式 初步确定机器人的可搬质量RG。

RG=(MG+GG+QG)K1

式中 MG——末端执行器主体结构质量；

GG——Z大工件的质量；

QG——末端执行器附件质量；

K₁——安全系数， K₁=1.0～1.1。

在某些场合，末端执行器比较复杂，结构庞大，例如一些装配工作站和搬运工作站中的 末端执行器。因此，对于它的设计方案和结构形式，应当反复研究，确定出较为合理可行的 结构，减小其质量。如果末端执行器还要抓取或搬运工件，就要按Z大工件的质量GG 进行 计 算 ；QG 是除末端执行器的主体结构外，其他附件质量的总和，比如气动管接头、气管、 气动阀、电气元器件，导线和线夹等； K1 是 安 全 系 数 ， 当MG 、GG 和 QG3 项 之 和 与 机 器 人自搬质量的标准值有 一 定余量时，可以不考虑K₁, 此 时 ，K1 可 取 1 ; 当 上 述 3 项 之 和 与 某 一 标准值非常接近时，取 K₁>1, 通常情况下，末端执行器的质量越大，机器人手腕基 点的动作范围越大，以及机器人的运行速度越高， K₁ 的取值就越大，反之，可取小值。

另外，末端执行器重心的位置对机器人的可搬质量是有影响的。同 一 质量的末端执行 器，其重心位置偏离手腕中心 (P) 越远，对该中心形成的弯矩也就越大，所选择的机器人 可搬质量就要更大 一 些。

质量参数是选择机器人Z基本的参数，决不允许机器人超负荷运行。例如使用可搬质量 为 6 0kg 的机器人携带总重为65kg 的末端执行器及负载长时间运转，必定会大大降低机器 人的重复定位精度，影响工作质量，甚至损坏机械零件，或因过载而损坏机器人控制系统。

②确定机器人的工作空间。机器人的手腕基点P 的动作范围就是机器人的名义工作空 间，它是机器人的另 一 个重要性能指标。在设计中，先根据质量大小和作业要求，初步设 计或选用末端执行器，然后通过作图找出作业范围，只有作业范围完全落在所选机器人的P 点工作空间之内，该机器人才能满足作业的范围要求。否则就要更换机器人型号，直到满足 作业范围要求为止。

③确定机器人的自由度。机器人在持重和工作空间上满足对机器人工作站或生产线的 功能要求之后，还要分析它是否可以在作业范围内满足作业的姿态要求。如图7 - 1(a) 所 示 的简单堆垛作业，作为末端执行器的夹爪，只需绕垂直轴的1个旋转自由度，再加上机器人 本体的3个圆柱坐标自由度，4个自由度的圆柱坐标机器人即可满足要求。若用垂直关节型 机器人，由于上臂常向下倾斜，又需手腕摆动的自由度，故需5个自由度的垂直关节型机器 人。图7 - 1(b) 表示电子插件作业，常使用4个自由度水平关节的SCARA 机器人。为了焊 接复杂工件， 一 般需要6个自由度。如果焊体简单，又使用变位机，在很多情况下5个自由 关节机器人即可满足要求。自由度越多，机器人的机械结构与控制就越复杂，所以在通常情 况下，如果少自由度能完成的作业，就不要盲目选用更多自由度的机器人去完成。

总之，在选择机器人时，为了满足功能要求，需要从持重、工作空间、自由度等方面来 分析，只有它们同时被满足或者增加辅助装置后即能满足功能要求的条件，所选用的机器人 才是可用的。

机器人的选用也常受机器人市场供应因素的影响，所以，还需考虑市场价格，只有那些 可用而且价格低廉、性能可靠，且有较好的售后服务，才是Z应该优先选用的。

目前，机器人在许多生产领域里得到了广泛应用，如装配、焊接、喷涂和搬运码垛等。 各种应用领域必然会有各自不同的环境条件，为此，机器人制造厂家根据不同的应用环境和 作业特点，不断地研究、开发和生产出了各种类型的机器人供用户选用。各生产厂家都对自 己的产品给出了Z合适的应用领域，他们不光考虑了功能要求，还考虑了其他应用中的问 题，如强度刚度、轨迹精度、粉尘及温湿度等特殊要求。在设计工作站选用机器人时，应 先参考生产厂家提供的产品说明。