并聯(lián)機器人應用背景一覽

1、并聯(lián)運動機器人應用背景略談并聯(lián)構(gòu)型裝備已成為制造業(yè)目前的研究熱點之一。與串聯(lián)構(gòu)型相比, 并聯(lián)構(gòu)型具有剛度好、精度高、高速和高加速度等特點, 眾多研究機構(gòu)和制造企業(yè)都看好其在制造領(lǐng)域的應用前景。目前多種并聯(lián)構(gòu)型裝備已經(jīng)被設(shè)計和開發(fā)出來, 應用的領(lǐng)域涉及機床、機器人、定位裝置、娛樂、醫(yī)療衛(wèi)生等。研究人員正試圖開發(fā)出在速度、剛度、精度和費用等方面更優(yōu)的并聯(lián)構(gòu)型裝備, 以便在與傳統(tǒng)制造裝備的競爭中占據(jù)更有利的地位。1. 早期的并聯(lián)構(gòu)型裝備及特點1結(jié)構(gòu)中包含一個或多個并聯(lián)機構(gòu)的機器稱為并聯(lián)構(gòu)型裝備。只要是多自由度, 驅(qū)動器分配在不同環(huán)路上的閉式多環(huán)機構(gòu)均可稱為并聯(lián)機構(gòu)。20 世紀中葉, 羅馬尼亞人Gou

2、gh 采用并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計了一種六自由度的輪胎測試機(見圖1) , 這種結(jié)構(gòu)被稱為六足結(jié)構(gòu)(Hexapod) 。1965 年, Stewart 將一種并聯(lián)機構(gòu)用于飛行模擬器, 它包含三個支鏈, 每個支鏈上分別通過一個固定平臺上的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個可伸縮連桿來控制。這種機構(gòu)具有六自由度, 被稱為Stewart 平臺。1978年, 澳大利亞機構(gòu)學家Hunt 提出并聯(lián)機構(gòu)可以應用于機器人操作 。此后若干年, 并聯(lián)構(gòu)型裝備的研究進展緩慢, 主要是受到計算機和伺服控制技術(shù)的限制, 計算6 個支鏈運動的時間和物質(zhì)花費太大。但一些經(jīng)濟實力雄厚的部門已開始使用并聯(lián)機構(gòu), 主要應用于航空、航天等領(lǐng)域。隨著計算機技術(shù)的發(fā)

3、展, 尤其是計算快速、功能強大的工業(yè)PC 出現(xiàn)之后, 促進了并聯(lián)機構(gòu)的應用和發(fā)展。80 年代后期, 幾種基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的機器人相繼出現(xiàn), 它們普遍具有較高的速度和加速度, 動態(tài)特性好, 在裝配行業(yè)得到很好的應用。但真正引起轟動是在1994 年的芝加哥機床展覽會上, Giddings & Lewis 和Ingersoll 分別推出了基于并聯(lián)機構(gòu)的六足機床, 被媒體譽為“機床結(jié)構(gòu)的重大革命”、“二十一世紀的數(shù)控加工裝備”。從此并聯(lián)構(gòu)型裝備一直是制造業(yè)的研究熱點之一。這種結(jié)構(gòu)的主要特點是:1) 桿件只受拉壓, 不受彎曲應力;2) 剛度高, 承載能力與整機質(zhì)量比大;3) 移動部件質(zhì)量小, 可獲得

4、很高的動態(tài)特性;4) 零件標準化程度高, 易于實現(xiàn)模塊化設(shè)計;5) 作業(yè)空間與機器尺寸比小;6) 靈活性較差, 運動平臺傾斜角度較小;7) 作業(yè)空間存在桿件干涉和奇異位變形危險。 圖1 Gough 的輪胎測試機 2 并聯(lián)構(gòu)型裝備的研究進展 應用領(lǐng)域根據(jù)德國機床研究所提供的數(shù)據(jù), 目前大多數(shù)并聯(lián)裝備應用于機床、定位裝置和機器人領(lǐng)域, 其中機床所占比例最高(見圖2) 。但在該領(lǐng)域, 樣機數(shù)量遠遠超過商業(yè)用機, 比例是73 。機器人領(lǐng)域的情況則相反, 60 %已投入實際工業(yè)應用, 40 %是樣機。定位裝置領(lǐng)域的情況與機床領(lǐng)域類似。 圖2 并聯(lián)構(gòu)型裝備的應用2.1 定位裝置并聯(lián)機構(gòu)在光學和微定位領(lǐng)域有

5、很好的應用, 主要是發(fā)揮其剛度高、運動誤差無累積的特點。定位裝置一般采用純并聯(lián)結(jié)構(gòu)(大多數(shù)是基于六足結(jié)構(gòu)的六自由度系統(tǒng)) , 個別采用平面或混聯(lián)結(jié)構(gòu)。驅(qū)動裝置一般采用滾珠絲杠, 個別需要較小行程的設(shè)備采用壓電驅(qū)動 。圖3 是PI公司開發(fā)的高精度定位裝置F - 206 , 采用定長桿結(jié)構(gòu), 其x 、y 和z 方向的移動距離為6 mm , 圖3 PI 公司的F - 206 精確定位系統(tǒng)繞x 、y 和z 軸的旋轉(zhuǎn)角度為±5°, x 、y 和z 方向的最小增量運動為0.1m , 設(shè)計分辨率為0.003m , x 、y 和z 方向最大速度為10 mm/ s , 最大承載能力為2 kg

6、 ; 可應用于光子包裝、光學設(shè)備測試、定位及調(diào)整裝置、光纖定位、微細加工、微操作(生命科學中) 、半導體操作系統(tǒng)、微動手術(shù)操作。2.2 機器人并聯(lián)構(gòu)型裝備在機器人領(lǐng)域的應用主要集中在兩個方面, 一是提供高加速度和高速度,二是提供高于串聯(lián)機器人的承載能力和剛度。在需要快速移動能力的包裝行業(yè), 并聯(lián)機器人得到廣泛應用。比較成功的例子有三軸搬運系統(tǒng)Delta 和六軸搬運系統(tǒng)Hexa (見圖4 和圖5) , 均使用肘關(guān)節(jié)驅(qū)動, 質(zhì)量輕, 作業(yè)空間大。由于運動部件質(zhì)量小, 最大加速度可達20 個g ( Hexa) , 重復定位精度0.01 mm。截至1998 年底, 已經(jīng)有250臺Delta機器人投入實

7、際生產(chǎn)環(huán)境。在制造領(lǐng)域, 使用并聯(lián)機器人往往可以獲得較好的剛度和精度。挪威MultiCraft 公司的并聯(lián)機器人就是一個成功的實例, 它主要應用于螺旋槳的磨削、門把手的磨削和拋光等(見圖6) 。 圖4 Demaurex 公司的高速機器人Delta 圖5 六自由度并聯(lián)機器人HEXA圖6 挪威MultiCraf t 公司的MultiCraf t 5602.3 機床目前大多數(shù)并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床還處于樣機階段, 大約有30 臺, 其中80 % 是銑床。目前許多公司正努力研制功能更加完備的并聯(lián)裝備, 以實現(xiàn)介于機床和機器人之間的應用, 即那些串聯(lián)機器人無法滿足要求(可能由于剛度或精度等方面的原因) , 以及機

8、床也不適合(可能由于作業(yè)空間不夠大, 或機床造價太高) 的操作任務(wù)。在該領(lǐng)域, 混聯(lián)結(jié)構(gòu)機器占有很大市場。比較成功的有Neos Robotics 公司的Tricept (見圖7) 、MultiCraft560 和應用于汽車薄板激光加工的Georg V (見圖8) 。這類機器的末端裝有運動手腕, 其靈活性高,作業(yè)空間與機器尺寸比可達13 , 而普通純并聯(lián)機器只有16110 , 傳統(tǒng)機床也只是1314。在主受力方向的剛度一般為630 N/m , 運動精度也高于傳統(tǒng)串聯(lián)機器人。以Neos Robotics 公司的TR805 為例, 其最大速度可達100 m/ min , 加速度2個g , 主軸功率4

9、5 kW, 最高轉(zhuǎn)速24 000 r/ min , 工作空間可達2 000 mm ×1 800 mm ×800 mm。由于末端裝有串聯(lián)式手腕, 刀具傾斜角度可達90°。 圖7 Neos Robotics 公司的TR805 圖8 Hannover 大學的五軸混聯(lián)機床Georg 2 圖9 Variax型并聯(lián)運動機床（加工中心）Variax型加工中心（圖9）是一種“內(nèi)銑型”結(jié)構(gòu)，機床占地面積為7800mmX8180mm，而工作空間僅有700mmX700mmX750mm，安裝工件也不太方便，因此沒有這生產(chǎn)中獲得應用。后來該機床提供給英國諾廷漢大學工學院作為進行“航空工業(yè)敏

10、捷制造”項目研究的設(shè)備。之后，美國Ingersoll公司推出采用并聯(lián)機構(gòu)的VOH 1000型立式加工中心和HOH 600（圖10）型臥式加工中心，在結(jié)構(gòu)上作了最大改進，從“內(nèi)銑型”改為“外銑型”，明顯縮小動平臺的體積，減輕了運動部件的重量，安裝工件也較為方便，對并聯(lián)運動機床的發(fā)展曾經(jīng)產(chǎn)生很大的影響。但是由于種種原因，Ingersoll機床也沒有投入生產(chǎn)實際應用。兩臺VOH 1000型立式加工中心分別交付給美國國家標準和技術(shù)研究所和美國國家宇航局進行研究。HOH 600型加工中心提供給德國阿亨工業(yè)大學的機床實驗室進行研究。它們的研究結(jié)果對并聯(lián)運動機床的發(fā)展起到很大的促進作用。 圖10 HOH 6

11、00型臥式加工中心德國Mikromat公司（）的6X Hexa立式加工中心（圖11）的研制由歐共體Esprit高科技研究計劃資助，有4個單位參加：1) Mikromat機床公司，負責機床的設(shè)計和制造，同時也作為機床的最終用戶。2) 富蘭霍夫機床及鍛壓技術(shù)研究所，作為企業(yè)的技術(shù)顧問，提出機床總體設(shè)計方案。3) Andron公司，提供Andronic 400數(shù)控系統(tǒng)的軟、硬件，以及數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)化。4) GMD-First公司，高性能計算機和網(wǎng)絡(luò)專家，負責并聯(lián)運動控制策略和高速數(shù)據(jù)傳送。 圖11 6X Hexa型并聯(lián)運動機床該機床主要用于模具加工，可以實現(xiàn)5坐標高速銑削，加工精度可達0.010.02

12、mm，明顯提高加工效率、改善表面質(zhì)量，延長刀具壽命。俄羅斯Lapic公司將Stewart平臺并聯(lián)機構(gòu)用于TM-1000型精密加工中心和-750型3坐標測量機，-750型測量機的外觀如圖12所示。 圖12 -750型測量機從圖中可見，上平臺就是測量機的框架，6根伸縮桿是由伺服電動機驅(qū)動的滾珠絲桿，它們共同與裝有測量頭的下平臺連接。在固定的上平臺和運動的下平臺之間安裝有6根激光干涉測量尺，對伸縮桿的位移進行測量，并實時反饋，工作精度可達±0.0010.002mm。工作空間為750mm×550mm×450mm。采用并聯(lián)機構(gòu)的測量機的特點是可以很方便地將測量頭偏轉(zhuǎn)一個角度

13、，測量斜孔的直徑。美國Hexel公司（或）致力于并聯(lián)運動機床和并聯(lián)機構(gòu)應用的普及化，推出低價位的Tornado型5坐標加工中心和P 2000銑床工作臺，以及6自由度的定位平臺和微型機器人等一系列產(chǎn)品。P2000 銑床工作臺是一個采用并聯(lián)機構(gòu)的6自由度動平臺，它可以作為單獨部件提供給用戶，也可以配置成為完整的5坐標立式銑床。將P2000銑床工作臺與舊的普通立式銑床相配合，將主軸部件轉(zhuǎn)180°，就能夠很快構(gòu)成一臺全新的5坐標數(shù)控立式銑床，適用于加工小型模具或樣件制造。數(shù)控系統(tǒng)軟件由該公司自行開發(fā)，硬件采用Window操作系統(tǒng)的微機和Delta-Tau公司的控制卡。機床外觀如圖13所示。

14、圖13 P 2000 5坐標立式銑床德國Index機床公司（index-werke.de）2000年率先推出采用并聯(lián)機構(gòu)的車削中心，2002年又將其聯(lián)成加工回轉(zhuǎn)體零件的流水線，在生產(chǎn)中應用效果良好。機床的外觀如圖14所示。 圖14 V100型車削加工中心法國Renault Automation 公司（http:/www.renualt- SX臥式加工中心，其外觀如圖15所示。該機床采用一系列新技術(shù)，如直線電動機、電主軸、高速鏜銑削和油霧干切削等。該機床用于加工Ranault汽車齒輪變速箱體的平面和孔，采用高速切削，效率很高。機床的并聯(lián)機構(gòu)特點是采用3桿并聯(lián)機構(gòu)，具有很高的動態(tài)特性，快速移動可達

15、100m/min，最大加速度甚至可以達到5g      圖15 Urane SX型臥式加工中心德國Reichenbacher公司（http:/www.reicherbacher/. de）是一家生產(chǎn)木材加工數(shù)控銑床為主的小公司。最近推出采用并聯(lián)機構(gòu)的Pegasus型木材加工中心，其外觀如圖16所示。 圖16 Pegasus型木材加工中心公司主要產(chǎn)品及應用ABB公司的兩款并聯(lián)運動機器人IRB 340, Flex PickerIRB 340, Flex Picker此并聯(lián)機器人有驚人的篩選速度，其抓取速度可達150件/分鐘，運動周期為0.4s 。更為驚訝的是，該系統(tǒng)具有自動挑選功能，如在篩選餅干、巧克力糖和藥片時可以自動去掉不適合的產(chǎn)品。因此，在分類和比較應用時有較好的適應性。用于鋁件的清洗和預加工的IRB 940 IRB 940該機器人主