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工业机器人
发布时间: 2012-10-07 00:06:00 来源: 编辑: 周文煜

  一.工业机器人作业特点

  工业机器人是一种通过重复编程和自动控制,能够完成制造过程中某些操作任务的多功能、多自由度的机电一体化自动机械装备和系统,它结合制造主机或生产线,可以组成单机或多机自动化系统,在无人参与下,实现搬运、焊接、装配和喷涂等多种生产作业。如图1所示的是生产线上操作的工业机器人。

  

  1 生产线上操作的工业机器人

  当前,工业机器人技术和产业迅速发展,在生产中应用日益广泛,已成为现代制造生产中重要的高度自动化装备。

  二.工业机器人的特点

  20世纪60年代初第一代机器人在美国问世以来,工业机器人的研制和应用有了飞速的发展,但工业机器人最显著的特点归纳有以下几个。

  1.可编程。生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程,因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用,是柔性制造系统(FMS)中的一个重要组成部分。

  2.拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分,在控制上有电脑。此外,智能化工业机器人还有许多类似人类的生物传感器,如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。

  3.通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外,一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如,更换工业机器人手部末端操作器(手爪、工具等)便可执行不同的作业任务。

  4.机电一体化。工业机器人技术涉及的学科相当广泛,但是归纳起来是机械学和微电子学的结合——机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器,而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能,这些都和微电子技术的应用,特别是计算机技术的应用密切相关。因此,机器人技术的发展必将带动其他技术的发展,机器人技术的发展和应用水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平。

  三.工业机器人的组成

  如图2所示,工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。三大部分是:机械部分、传感部分、

  控制部分。六个子系统是:驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人—环境交互系统、人—机交互系统、控制系统。下面将分述六个子系统。

  

  2 工业机器人的基本组成

  1.驱动系统

  要使机器人运行起来,就需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置,这就是驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动,或者把它们结合起来应用的综合系统;可以直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。

  2.机械结构系统

  工业机器人的机械结构系统是工业机器人为完成各种运动的机械部件。系统由骨骼(杆件)和连接它们的关节(运动副)构成,具有多个自由度,主要包括手部、腕部、臂部、机身等部件,其系统结构如图3所示。

  

  3 工业机器人机械结构系统

  1)手部。又称为末端执行器或夹持器,是工业机器人对目标直接进行操作的部分,在手部可安装专用的工具,如焊枪、喷枪、电钻、电动螺钉(母)拧紧器等。

  2)腕部。腕部是连接手部和臂部的部分,主要功能是调整手部的姿态和方位。

  3)臂部。用以连接机身和腕部,是支撑腕部和手部的部件,由动力关节和连杆组成。用以承受工件或工具的负荷,改变工件或工具的空间位置,并将它们送至预定位置。

  4)机身。是是机器人的支撑部分,有固定式和移动式两种。

  三.机器人驱动方式分类

  工业机器人驱动系统常用的驱动方式主要有液压驱动,气压驱动和电气驱动三种基本类型。上述三种驱动方式有直线型和旋转型。

  11.1各种主要驱动方式特点的比较

  

  驱动方式

  比较内容

  液压驱动

  气压驱动

  电力驱动

  交、直流电动机

  伺服电动机、步进电动机

  输出力

  

  

  

  

  控制性能

  可无级调速,反应灵敏,可实现无级

  气体压缩性大,精确定位困难,阻尼效果差,低速不易控制

  控制性能较差,惯性大,不易精确定位

  控制性能好,能精确定位,但控制系统复杂

  体积

  输出力相同时体积小

  较大

  要有减速装置,所以体积大

  较小

  维修及使用

  方便,但油液对环境温度有一定的要求

  方便

  方便

  较复杂

  对环境的影响

  易漏油及易燃

  排气及噪声

  

  

  应用范围

  适用于重型、低速驱动

  适用于中、小型快速驱动

  适用于抓重、大而速度低的中、重型机器人

  可用要求严格控制运动轨迹的中、小型机器人

  成本

  液压元件成本高

  成本低

  成本低

  成本较高

  . 按结构形式分

  1)直角坐标型机器人。直角坐标型机器人具有三个移动关节,如图4a)所示。能使手臂末端沿直角坐标系的三个坐标轴作直线移动。

  2)圆柱坐标型机器人。圆柱坐标型机器人具有一个转动关节和两个移动关节,如图4b)所示。构成圆柱形状的工作范围。

  

  

  

  4工业机器人的基本结构形式

  (a)直角坐标型;(b)圆柱坐标型;(c)球坐标型;(d)多关节型;(e)平面关节型

  3)球坐标型机器人。球坐标型机器人具有两个转动关节和一个移动关节,如图4c)所示。构成球状的工作范围。

  4)多关节型坐标型机器人。关节坐标型机器人具有三个转动关节,其中两个关节轴线是平行的,如图4d)所示。构成较为复杂形状的工作范围。

  5)平面关节式机器人。平面关节式机器人可以看成是关节坐标式机器人的特例,它只有平行的肩关节和肘关节,关节轴线共面,如图4(e)所示。它是一种装配机器人,在垂直平面内具有很好的刚度,在水平面内具有较好的柔顺性,故在装配作业中能获得良好的应用,常常将它专门列出一类。

  5.按机器人研究、开发和实用化的进程分类

  1)第一代机器人。第一代机器人具有示教再现功能,或具有可编程的NC装置,但对外部信息不具备反馈能力。

  2)第二代机器人。第二代机器人不仅具有内部传感器而且具有外部传感器,能获取外部环境信息。虽然没有应用人工智能技术,但是能进行机器人环境交互,具有在线自适应能力。例如,机器人从运动着的传送带上送来的零件中抓取零件并送到加工设备上。因为送来的每一个零件具体位置和姿态是随意的、不同的,要完成上述作业必须获取被抓取零件状态的在线信息。

  3)第三代机器人。第三代机器人具有多种智能传感器,能感知和领会外部环境信息,包括具有理解像人下达的语言指令这样的能力。能进行学习,具有决策上的自治能力。

  五.工业机器人技术参数

  尽管各厂商所提供的技术参数项目是不完全一样的,工业机器人的结构、用途等有所不同,且用户的要求也不同,但是,工业机器人的主要技术参数一般都应有:自由度、重复定位精度、工作范围、最大工作速度、承载能力等。

  1.自由度

  自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目,不应包括手爪(末端操作器)的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态(简称位姿)需要6个自由度。但是,工业机器人的自由度是根据其用途而设计的,可能小于6个自由度,也可能大于6个自由度。

  2.重复定位精度

  工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力,可以用标准偏差这个统计量来表示,它是衡量一列误差值的密集度,即重复度,如图5所示。

  

  5 工业机器人精度和重复精度的典型情况

  (a)重复定位精度的测定; (b)合理定位精度,良好重复定位精度;

  (c)良好定位精度,很差重复定位精度;(d)很差定位精度,良好重复定位精度。

  3.工作范围

  工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合,也叫做工作区域。因为末端操作器的形状和尺寸是多种多样的,为了真实反映机器人的特征参数,所以是指不安装末端操作器时的工作区域。工作范围的形状和大小是十分重要的,机器人在执行某作业时可能会因为存在手部不能到达的作业死区而不能完成任务。图6和图7所示分别为PUMA机器人和A4020机器人的工作范围。

             

  6 PUMA机器人工作范围                A4020装配机器人工作范围

  4.最大工作速度

  最大工作速度,有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度,有的厂家指手臂末端最大的合成速度,通常都在技术参数中加以说明。很明显,工作速度愈高,工作效率愈高。但是,工作速度愈高就要花费更多的时间去升速或降速,或者对工业机器人的最大加速度率或最大减速度率的要求更高。

  5.承载能力

  承载能力是指机器人在工作范围内的任何位置上所能承受的最大质量。承载能力不仅决定于负载的质量,而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见,承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。通常,承载能力不仅指负载,而且还包括了机器人末端操作器的质量。

  

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