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转 工业机器人  

2010-09-28 22:33:48|  分类: 工业机器人 |  标签: |举报 |字号 订阅

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工业机器人由计算机控制,在一定程度上能够模拟人的动作,是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。

 

工业机器人的结构组成:

 转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 工业机器人由操作机(机械本体)、伺服驱动系统、控制系统(控制器)、检测传感装置(传感器)构成。

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客   工业机器人操作机,

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客   工业机器人驱动系统,

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客   工业机器人控制系统。

 

 转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 工业机器人的应用: 转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客

 

工业机器人操作机

1.操作机的不同结构及其特点

操作机构是机器人实现运动功能的机械装置,由手臂和手腕组成,能在各个方向产生可控制的运动。 操作机的结构根据坐标型式的不同,可分为以下类型:

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 直角坐标型:由三个互相垂直的直线坐标组成。

这类操作机的手部在空间三个相互垂直的方向X、Y、Z上作移动运动,运动是独立的。

 

这种结构的操作机,控制简单,运动直观性强,易达到高精度,但操作灵活性差,运动的速度较低,操作范围较小而占据的空间相对较大。

 

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 圆柱坐标型:由二个直线坐标和一个回转坐标组成。

这类操作机在水平转台上装有立柱,水平臂可沿立柱上下运动并可在水平方向伸缩。

 

这种结构的操作机,工作范围较大,运动速度较高,但随着水平臂沿水平方向伸长,其线位移分辨精度越来越低。

 

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 球坐标型:由一个直线坐标和两个回转坐标组成。

也称极坐标型操作机,工作臂不仅可绕垂直轴旋转,还可绕水平轴作俯仰运动,且能沿手臂轴线作伸缩运动。

 

这种结构的操作机,操作比圆柱坐标型更为灵活,并能扩大机器人的工作空间,但旋转关节反映在未端执行器上的线位移分辨率是一个变量。

 

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 关节型:由三个回转坐标组成。

这类操作机由多个关节联接的机座、大臂、小臂和手腕等构成,大小臂既可在垂直于机座的平面内运动,也可实现绕垂直轴的转动。

 

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这种结构的操作机,操作灵活性最好,运动速度较高,操作范围大,但精度受手臂位姿的影响,实现高精度运动较困难。

----------------------------

以上四种类型,其灵活性依次增加,关节型的灵活性最高;而运动精度依次下降,直角坐标的精度最高。

由于机床对刚度和精度要求较高,其运动一般用直角坐标组成;而机器人对灵活性要求较高,而对精度要求较低。一般来说,工业机器人根据使用要求采用圆柱坐标型式或球坐标型式,非工业用机器人大多采用关节型式,由三个回转坐标组成其运动坐标。

 

2.操作机的工作空间及与结构尺寸的相关性

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 工作空间:

描述工作空间的手腕参考点可以选在手部中心、手腕中心或手指指尖,参考点不同,工作空间的大小、形状也不同。

 

图中表示了几种不同形式的工作空间。工作空间是操作机的一个重要性能指标,是操作机机构设计要研究的基本问题之一。当给定操作机结构尺寸时,要研究如何确定其工作空间,而当给定工作空间时,则要研究操作机应具有什么样结构。

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 确定工作空间的几何法:

采用改变某个关节变量而固定其他关节变量的方法,用几何作图法可画出工作空间的部分边界,然后改变其他关节变量,又可得到部分边界。重复此方法,可得到完整的工作空间。

图示出一台电动喷漆机器人的工作范围,分别为XOZ剖面上的工作范围和XOY剖面上的工作范围,由此可求出该机器人的工作空间范围。

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 工作空间与操作机结构尺寸的相关性:

工作空间的形状取决于操作机的结构型式——

直角坐标型操作机的工作空间为长方体,其空间的大小取决于沿X、Y、Z三个方向操作机行程的大小。

圆柱坐标型操作机的工作空间为中空的圆柱体,其工作空间的大小取决于立柱的尺寸和水平臂沿立柱的上下行程,还取决于水平臂尺寸及水平伸缩行程。

球坐标型操作机的工作空间为球体的一部分,其工作空间的大小取决于工作臂的尺寸、工作臂绕垂直轴转动的角度及绕水平轴俯仰的角度。

关节型操作机的工作空间比较复杂,一般为多个空间曲面拼合的回转体的一部分,其工作空间的大小取决于大小臂的尺寸、大小臂关节转角的角度以及大臂绕垂直轴转动的角度。

3.操作机的臂部和腕部结构

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 臂部结构

臂部的作用是实现操作机在空间中的运动。

手臂的长度尺寸要满足工作空间的要求,由于手臂的刚度、强度直接影响机器人的整体运动刚度,同时又要灵活运动,所以应尽可能选用高强度轻质材料,减轻其重量。在臂体设计中,也应尽量设计成封闭形和局部带加强肋的结构,以增加刚度和强度。

手臂结构可分为伸缩型结构、旋转伸缩型结构和屈伸型结构。图中示出了PUMA560机器人小臂传动结构。

 

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 腕部结构

腕部用来连接操作机手臂和末端执行器,并决定末端执行器在空间里的姿态。

腕部一般应有2~3个自由度,结构要紧凑,质量较小,各运动轴采用分离传动。

图中所示为P-100机器人腕部结构,是一种典型的3轴分立型式,右图为手腕的原理图。

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 关节

机器人手臂的运动靠关节,一般一个关节连接两个杆件,用来提供一个自由度,其手臂和手爪的关节越多,自由度越多,机械手的动作能力和功能就越强。

关节的类型分五种:

线性关节,

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正交关节,

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回转关节,

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扭转关节,

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旋转关节,

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4.典型操作机的整体结构

一台完整的操作机包括:机座,腰部,机体(转塔),大臂,小臂,手腕等。

 

工业机器人驱动系统

1.工业机器人驱动系统的分类

工业机器人驱动系统,按动力源可分为液压驱动、气动驱动和电动驱动三种基本驱动类型。根据需要,可采用由这三种基本驱动类型的一种,或合成式驱动系统。这三种基本驱动系统的主要特点见下表。

内容 驱动方式
液压驱动 气动驱动 电动驱动

输出功率

  很大,压力范围为50~140N/cm2   大,压力范围为48~60N/cm2,最大可达100N/cm2   较大

控制性能

  利用液体的不可压缩性,控制精度较高,输出功率大,可无级调速,反应灵敏,可实现连续轨迹控制   气体压缩性大,精度低,阻尼效果差,低速不易控制,难以实现高速、高精度的连续轨迹控制   控制精度高,功率较大,能精确定位,反应灵敏,可实现高速、高精度的连续轨迹控制,伺服特性好,控制系统复杂

响应速度

  很高   较高   很高
结构性能及体积
  结构适当,执行机构可标准化、模拟化,易实现直接驱动。功率/质量比大,体积小,结构紧凑,密封问题较大
  结构适当,执行机构可标准化、模拟化,易实现直接驱动。功率/质量比大,体积小,结构紧凑,密封问题较小

  伺服电动机易于标准化,结构性能好,噪声低,电动机一般需配置减速装置,除DD电动机外,难以直接驱动,结构紧凑,无密封问题

安全性

  防爆性能较好,用液压油作传动介质,在一定条件下有火灾危险   防爆性能好,高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性   设备自身无爆炸和火灾危险,直流有刷电动机换向时有火花,对环境的防爆性能较差 对环境的影响   液压系统易漏油,对环境有污染   排气时有噪声   无 在工业机器人中应用范围   适用于重载、低速驱动,电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人   适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人,如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具   适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人,如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等

成本

  液压元件成本较高   成本低   成本高

维修及使用

  方便,但油液对环境温度有一定要求

  方便   较复杂

2.电动驱动系统及其控制

机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力,直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。

对工业机器人关节驱动的电动机,要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器(手爪)应采用体积、质量尽可能小的电动机,尤其是要求快速响应时,伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性,并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。

目前,由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用,一般负载1000N(相当100kgf)以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是AC伺服电动机,步进电动机和DC伺服电动机。其中,交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机(DD)均采用位置闭环控制,一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。步进电动机驱动系统多适用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。交流伺服电动机由于采用电子换向,无换向火花,在易燃易爆环境中得到了广泛的使用。机器人关节驱动电动机的功率范围一般为0.1~10kW。

 

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 电驱动的控制方法有两种:

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 一种是通过改变电机的电流来控制机器人手臂的力矩。

手臂的输出力矩靠电流控制,而手臂的运动速度会随手臂上所施加的转动惯量变化而改变。当控制电流一定时,手臂的输出力矩不变,因此在运动过程中负载的惯量变大时,手臂运动的速度就减小,当惯量变小的时候,使运动加速度增加,容易冲击目标。

这种控制方法适用于压配和拧紧螺栓等装配工作,另外它在遇到阻碍时不会再增加力矩,只会使手臂的运动减慢,可实现手臂受阻停止,不会破坏阻碍物体。

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 另一种是通过改变电机的电压来控制机器人手臂的运动速度。

手臂的速度是由电压控制,不随转动惯量的变化而改变,当手臂上的受力变化时,其输出力矩会增加或减少,来保持其运动速度不变。因此,能够控制手臂以缓慢的速度接近目标。当它遇到障碍时会增加输出电流来加大力矩,试图保持运动速度,这时就会破坏阻碍物体,或者机器人的控制电流超负荷使保险丝熔断。

 

工业机器人控制系统

1.对机器人控制系统的一般要求

机器人控制系统是机器人的重要组成部分,用于对操作机的控制,以完成特定的工作任务,其基本功能如下:

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 记忆功能:

存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 示教功能:

离线编程,在线示教,间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 与外围设备联系功能:

输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 坐标设置功能:

有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 人机接口:

示教盒、操作面板、显示屏。

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 传感器接口:

位置检测、视觉、触觉、力觉等。

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 位置伺服功能:

机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 故障诊断安全保护功能:

运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。

2.机器人控制系统的组成

(1)控制计算机 

  控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等,如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。

(2)示教盒

   示教机器人的工作轨迹和参数设定,以及所有人机交互操作,拥有自己独立的CPU以及存储单元,与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。

(3)操作面板

   由各种操作按键、状态指示灯构成,只完成基本功能操作。

(4)硬盘和软盘存储

   存储机器人工作程序的外围存储器。

(5)数字和模拟量输入输出

   各种状态和控制命令的输入或输出。

(6)打印机接口

  记录需要输出的各种信息。

(7)传感器接口

   用于信息的自动检测,实现机器人柔顺控制,一般为力觉、触觉和视觉传感器。

(8)轴控制器

   完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。

(9)辅助设备控制

   用于和机器人配合的辅助设备控制,如手爪变位器等

(10)通信接口

   实现机器人和其他设备的信息交换,一般有串行接口、并行接口等。

(11)网络接口

Ethernet接口:可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信,数据传输速率高达10Mbit/s,可直接在PC上用windows95或windows NT库函数进行应用程序编程之后,支持TCP/IP通信协议,通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。

Fieldbus接口:支持多种流行的现场总线规格,如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

3.机器人的示教

用机器人代替人进行作业时,必须预先对机器人发出指示,规定机器人进行应该完成的动作和作业的具体内容。这个过程就称为对机器人的示教或对机器人的编程。

对机器人的示教有不同的方法,要想让机器人实现人们所期望的动作,必须赋予机器人各种信息,首先是机器人动作顺序的信息及外部设备的协调信息;其次是与机器人工作时的附加条件信息;再次是机器人的位置和姿态信息。前两个方面很大程度上是与机器人要完成的工作以及相关的工艺要求有关,所以我们重点介绍一下有关机器人位置和姿态的示教。

位置和姿态的示教大致有以下两种方式:

(1)直接示教   

就是我们常说的手把手示教,由人直接搬动机器人的手臂对机器人进行示教,如示教盒示教或操作杆示教等。在这种示教中,为了示教方便及获取信息的快捷而准确,人们可选择在不同的坐标系下示教,可在关节坐标系、直角坐标系以及工具坐标系、工件坐标系或用户自定义的坐标系下示教。

(2)离线示教

 不对实际作业的机器人直接进行示教,而是脱离实际作业环境生成示教数据,间接地对机器人进行示教。在离线示教法(离线编程)中,通过使用计算机内存储的模型(CAD模型),不要求机器人实际产生运动,便能在示教结果的基础上对机器人的运动进行仿真,从而确定示教内容是否恰当及机器人是否按人们期望的方式运动。

 

工业机器人的应用

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 

AMS的物流系统中,工业机器人主要用来完成物料的运送和装卸,它也属于一种输送设备。与前面两种输送设备相比,机器人的输送范围、输送速度和输送能力都较差,但它具有很强的装卸功能。

因此在AMS系统中,工业机器人通常用于以下几种场合:

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 用于装卸工作站,来代替人工上下料;

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 当工件较小且形状复杂时,可用它来代替人工向机床上下料;

转 工业机器人 - 易拉罐bb - 易拉罐的博客 在刀具流系统中,刀具库与机床刀库之间交换刀具等工作。  

 

http://course.djtu.edu.cn/zdh/AMS%CD%F8%C2%E7%BF%CE%BC%FE/Chapter-3/FMS3-433.HTM

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