工業(yè)機(jī)器人資料

1、關(guān)于錫焊機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方法1緒論1.1引言機(jī)器人技術(shù)是綜合了機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)、控制論、信息和傳感技術(shù)、人工智能、 仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域， 機(jī)器人的應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。工業(yè)機(jī)器人（又稱(chēng)關(guān)節(jié)式機(jī)器人，機(jī)械手，機(jī)械臂等由操作機(jī)、控制器、伺 服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感器裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制，可重復(fù)編程、 能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。它對(duì)穩(wěn)定提高產(chǎn)品質(zhì) 量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著關(guān)鍵的作用。1.2機(jī)械臂簡(jiǎn)介機(jī)械臂是一個(gè)特殊的機(jī)電一體化的設(shè)備，從控制觀點(diǎn)來(lái)分，機(jī)器人系

2、統(tǒng)可以 分成四部分：機(jī)器人、控制器、環(huán)境和任務(wù)。機(jī)器人是由臂（連桿）、關(guān)節(jié)和末端 執(zhí)行裝置（連接工具）構(gòu)成?？刂破魇莻€(gè)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，相當(dāng)于機(jī)器人大腦，它以計(jì) 算機(jī)程序方式來(lái)完成給定任務(wù)。環(huán)境就是指機(jī)器人所處的或工作的周?chē)h(huán)境，即 機(jī)器人遇到的一些障礙物及其它們之間的相互關(guān)系等。任務(wù)是指機(jī)器人要完成的 操作，它需要用適當(dāng)?shù)某绦蛘Z(yǔ)言來(lái)描述，并把它們存入到控制計(jì)算機(jī)中。1.3機(jī)械臂描述機(jī)械臂是一系列旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)關(guān)節(jié)相連接的開(kāi)鏈?zhǔn)綏U件機(jī)構(gòu)，一端通過(guò)支柱固 定在機(jī)座；另一端自由，可實(shí)現(xiàn)裝配、焊接、搬運(yùn)等各種操作任務(wù)。為了能夠描 述機(jī)械臂的各連桿的空間位姿和它們之間的相對(duì)位姿，在機(jī)械臂的每一桿件固聯(lián) 上一個(gè)坐

3、標(biāo)系，利用齊次變換，來(lái)描述其相對(duì)位姿和相對(duì)運(yùn)動(dòng)。新式的工業(yè)機(jī)器人都是以關(guān)節(jié)坐標(biāo)直接編制程序的，物體在工作空間內(nèi)的位 置以及機(jī)器人手臂的位置，都是以某個(gè)確定的坐標(biāo)系來(lái)描述的；而工作任務(wù)則是 以某個(gè)中間坐標(biāo)系來(lái)規(guī)定的，由笛卡爾坐標(biāo)系來(lái)描述工作任務(wù)時(shí)，必須把上述這 些規(guī)定變換為一系列能夠由手臂驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)位置，確定手臂位置和姿態(tài)的各關(guān)節(jié) 位置的解答，即運(yùn)動(dòng)方程的求解。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)是專(zhuān)門(mén)研究物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而在 研究中不考慮產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力和力矩，它涉及到運(yùn)動(dòng)物體的位置、速度、加速度和 位置變量對(duì)時(shí)間的高階導(dǎo)數(shù)。機(jī)器人操作臂有兩個(gè)基本問(wèn)題：正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆向 運(yùn)動(dòng)學(xué)。根據(jù)己知的各個(gè)關(guān)節(jié)的角度值來(lái)求解機(jī)械手末端執(zhí)

4、行器的坐標(biāo)位置，稱(chēng) 為機(jī)械手的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題：而根據(jù)末端執(zhí)行器的坐標(biāo)位置來(lái)計(jì)算機(jī)械手各個(gè)關(guān) 節(jié)的角度值，這就是所謂的機(jī)械手的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題，它是一個(gè)反過(guò)程。機(jī)器人是主動(dòng)機(jī)械裝置。一般情況下，它的每個(gè)自由度都是由一個(gè)單獨(dú)的執(zhí) 行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，從控制觀點(diǎn)來(lái)看，機(jī)器人代表了多變量的非線(xiàn)性的自動(dòng)控制系統(tǒng)， 每個(gè)控制任務(wù)本身就是一個(gè)動(dòng)力學(xué)任務(wù)。動(dòng)力學(xué)是研究各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力(矩)與終端操作裝置的位移、速度和加速度之間 的關(guān)系。動(dòng)力學(xué)也有兩個(gè)相反問(wèn)題：正向動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，逆向動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。2工業(yè)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展與研究現(xiàn)狀2.1工業(yè)機(jī)器人國(guó)外發(fā)展與研究現(xiàn)狀工業(yè)機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程功能的多功能操作機(jī)，這

5、種操作機(jī)具有幾個(gè)軸，能夠借助可編程操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專(zhuān)用 裝置以執(zhí)行各種任務(wù)。在日本，單軸機(jī)器人同樣被列入工業(yè)機(jī)器人的范疇。2.1.1工業(yè)機(jī)器人主要支撐技術(shù)上世紀(jì)80年代以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)逐漸成熟，并很快得到推廣，目前已經(jīng) 在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人逐漸得到推廣并普及的過(guò)程中， 以下三個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)步對(duì)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展起著非常重要的作用。驅(qū)動(dòng)方式的改變20世紀(jì)70年代后期，日本安川電動(dòng)機(jī)公司研制開(kāi)發(fā)出了第一臺(tái)全電動(dòng)的工業(yè) 機(jī)器人，而此前的工業(yè)機(jī)器人基本上采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。與采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī) 器人相比，采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人在響應(yīng)速度、精度、靈活性等方面都有

6、很大提高，因此，也逐步代替了采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，成為工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方 式的主流。在此過(guò)程中，諧波減速器、R V減速器等高性能減速機(jī)構(gòu)的發(fā)展也功 不可沒(méi)。近年來(lái)，交流伺服驅(qū)動(dòng)已經(jīng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流伺服驅(qū)動(dòng)方式，直線(xiàn)電 動(dòng)機(jī)等新型驅(qū)動(dòng)方式在許多應(yīng)用領(lǐng)域也有了長(zhǎng)足發(fā)展。信息處理速度的提高機(jī)器人的動(dòng)作通常是通過(guò)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。為 了使機(jī)器人完成各種復(fù)雜動(dòng)作，機(jī)器人控制器需要進(jìn)行大量計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上 向機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)出必要的控制指令。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā) 展，CPU的計(jì)算能力有了很大提高，機(jī)器人控制器的性能也有了很大提高，高性 能機(jī)器人控制器甚至可以同時(shí)控制

7、20多個(gè)關(guān)節(jié)。機(jī)器人控制器性能的提高也進(jìn)一 步促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人本身性能的提高，并擴(kuò)大了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍。近年來(lái)， 隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了多臺(tái)機(jī)器人通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享信息，并 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的技術(shù)趨勢(shì)。傳感器技術(shù)的發(fā)展機(jī)器人技術(shù)發(fā)展初期，工業(yè)機(jī)器人只具備檢測(cè)自身位置、角度和速度的內(nèi)部 傳感器。近年來(lái)，隨著信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，觸覺(jué)、力覺(jué)、視 覺(jué)等外部傳感器已經(jīng)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。各種新型傳感器的使用不但 提高了工業(yè)機(jī)器人的智能程度，也進(jìn)一步拓寬了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍。2.1.2國(guó)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀日本是當(dāng)今的工業(yè)機(jī)器人王國(guó)，既是工業(yè)機(jī)器人的最大制造

8、國(guó)也是最大消費(fèi) 國(guó)。但實(shí)際上工業(yè)機(jī)器人的誕生地是美國(guó)。美國(guó)人英格伯格和德奧爾制造出了世 界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，他們發(fā)現(xiàn)可以讓機(jī)器人去代替工人一些簡(jiǎn)單重復(fù)的勞 動(dòng)，而且不需要報(bào)酬和休息，任勞任怨。接著他們兩人合辦了世界上第一家機(jī)器 人制造工廠(chǎng)，生產(chǎn)unimate工業(yè)機(jī)器人，如圖1所示。圖1在美國(guó)誕生的U nimate工業(yè)機(jī)器人與此同時(shí)，十九世紀(jì)七十年代的日本正面臨著嚴(yán)重的勞動(dòng)力短缺，這個(gè)問(wèn)題 已成為制約其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)主要問(wèn)題。在美國(guó)誕生并已投入生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人 就給日本帶來(lái)了福音。1967年日本川崎重工業(yè)公司首先從美國(guó)引進(jìn)機(jī)器人及技 術(shù)，建立生產(chǎn)廠(chǎng)房，并于1968年試制出第一臺(tái)日本產(chǎn)unima

9、te機(jī)器人。經(jīng)過(guò)短暫 的搖籃階段，日本的工業(yè)機(jī)器人很快進(jìn)入實(shí)用階段，并由汽車(chē)業(yè)逐步擴(kuò)大到其它 制造業(yè)以及非制造業(yè)。1980年被稱(chēng)為日本的“機(jī)器人普及元年”，日本開(kāi)始在各 個(gè)領(lǐng)域推廣使用機(jī)器人，這大大緩解了市場(chǎng)勞動(dòng)力嚴(yán)重短缺的社會(huì)矛盾。再加上 日本政府采取的多方面鼓勵(lì)政策，這些機(jī)器人受到了廣大企業(yè)的歡迎。美國(guó)是工業(yè)機(jī)器人的誕生地，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。現(xiàn)今美國(guó)有著一批具有 國(guó)際影響力的工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商，像Adept Technologe、American Robot Emersom Industrial Automation 等。德國(guó)工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量占世界第三，僅次于日本和美國(guó)，其智能機(jī)器人的研

10、究和應(yīng)用在世界上處于領(lǐng)先地位。目前在普及第一代工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，第二 代工業(yè)機(jī)器人經(jīng)推廣應(yīng)用成為主流安裝機(jī)型，而第三代智能機(jī)器人已占有一定比 重并成為發(fā)展的方向。世界上的機(jī)器人供應(yīng)商分為日系和歐系。瑞典的ABB公司是世界上最大機(jī)器 人制造公司之一。1974年研發(fā)了世界上第一臺(tái)全電控式工業(yè)機(jī)器人IRB6,主要應(yīng) 用于工件的取放和物料搬運(yùn)。1975年生產(chǎn)出第一臺(tái)焊接機(jī)器人。到1980年兼并 Trallfa噴漆機(jī)器人公司后，其機(jī)器人產(chǎn)品趨于完備。ABB公司制造的工業(yè)機(jī)器人 廣泛應(yīng)用在焊接、裝配鑄造、密封涂膠、材料處理、包裝、噴漆、水切割等領(lǐng)域。德國(guó)的KUKA Roboter Gmbh公司是世界上幾

11、家頂級(jí)工業(yè)機(jī)器人制造商之一。1973年研制開(kāi)發(fā)了KUKA的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。年產(chǎn)量達(dá)到一萬(wàn)臺(tái)左右。所生產(chǎn)的 機(jī)器人廣泛應(yīng)用在儀器、汽車(chē)、航天、食品、制藥、醫(yī)學(xué)、鑄造、塑料等工業(yè)， 主要用于材料處理、機(jī)床裝備、包裝、堆垛、焊接、表面休整等領(lǐng)域。圖2是KUKA KR 100，用于高速、高精度焊接、切割和測(cè)量的機(jī)器人。圖2意大利COMAU公司從1978年開(kāi)始研制和生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人，至今已有30多年的 歷史。其機(jī)器人產(chǎn)品包括Smart系列多功能機(jī)器人和MASK系列龍門(mén)焊接機(jī)器人。 廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造、鑄造、家具、食品、化工、航天、印刷等領(lǐng)域。意大利COMAU 公司研發(fā)的Comau Smart NS1如圖

12、3所示圖3 Comau Smart NS12.2我國(guó)工業(yè)機(jī)器人國(guó)內(nèi)發(fā)展與研究現(xiàn)狀2.2. 1我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于70年代初，其發(fā)展過(guò)程大致可分為三個(gè)階段：70年代 的萌芽期；80年代的開(kāi)發(fā)期；90年代的實(shí)用化期。而今經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展已經(jīng)初 具規(guī)模。目前我國(guó)已生產(chǎn)出部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出弧焊、點(diǎn)焊、碼垛、 裝配、搬運(yùn)、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機(jī)器人。一批國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人已服務(wù)于國(guó) 內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線(xiàn)上；一批機(jī)器人技術(shù)的研究人才也涌現(xiàn)出來(lái)。一些相關(guān)科研 機(jī)構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)制造技術(shù)；工業(yè)機(jī)器人控制、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)；機(jī)器人軟件的設(shè)計(jì)和編程技術(shù)

13、；運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技 術(shù)；弧焊、點(diǎn)焊及大型機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)與周邊配套設(shè)備的開(kāi)發(fā)和制備技術(shù)等。 某些關(guān)鍵技術(shù)已達(dá)到或接近世界水平。一個(gè)國(guó)家要引入高技術(shù)并將其轉(zhuǎn)移為產(chǎn)業(yè)技術(shù)(產(chǎn)業(yè)化)，必須具備5個(gè)要 素即5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。和有著“機(jī)器人王 國(guó)”之稱(chēng)的日本相比，我國(guó)有著截然不同的基本國(guó)情，那就是人口多，勞動(dòng)力過(guò) 剩。刺激日本發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的根本動(dòng)力就在于要解決勞動(dòng)力嚴(yán)重短缺的問(wèn)題。 所以，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步晚發(fā)展緩。但是正如前所述，廣泛使用機(jī)器人是實(shí)現(xiàn) 工業(yè)自動(dòng)化，提高社會(huì)生產(chǎn)效率的一種十分重要的途徑。我國(guó)正在努力發(fā)展工業(yè)

14、 機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，引進(jìn)國(guó)外技術(shù)和設(shè)備，培養(yǎng)人才，打開(kāi)市場(chǎng)。日本工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè) 的輝煌得益于本國(guó)政府的鼓勵(lì)政策，我國(guó)在十一五綱要中也體現(xiàn)出了對(duì)發(fā)展工業(yè) 機(jī)器人的大力支持。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)和集成能力得到了很大提高，推進(jìn)了工 業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的系列化及工程應(yīng)用，成功將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，增強(qiáng)了 企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；實(shí)現(xiàn)了特種機(jī)器人，特別是水下機(jī)器人和反恐排爆機(jī)器人的 跨越式發(fā)展；仿人機(jī)器人等也取得了顯著成績(jī)。在工業(yè)機(jī)器人方面，經(jīng)過(guò)“七五”攻關(guān)計(jì)劃、“九五”攻關(guān)計(jì)劃和 863計(jì)劃的支持，取得了較大進(jìn)展。工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品和應(yīng)用工程成為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的龍頭。在“九五”期間，我國(guó)研制出實(shí)用型裝

15、配機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器 人及自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)(AGV)等一系列機(jī)器人產(chǎn)品，完成了小批量生產(chǎn)及其應(yīng)用工程， 包括一汽集團(tuán)汽車(chē)自動(dòng)焊接線(xiàn)，嘉陵、金城、三水摩托車(chē)焊接線(xiàn)，以及自動(dòng)碼垛、 小型電器自動(dòng)裝配線(xiàn)等10 0多項(xiàng)機(jī)器人示范應(yīng)用工程，為提高我國(guó)企業(yè)裝備水平 和工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化做出了重要貢獻(xiàn)。機(jī)器人化機(jī)器推動(dòng)我國(guó)工程機(jī)械的更新?lián)Q代。經(jīng)過(guò)多年的探索，我國(guó)在智能機(jī)器人的發(fā)展上確定了利用機(jī)器人技術(shù)去改造 現(xiàn)有的機(jī)器，即研制機(jī)器人化機(jī)器、實(shí)現(xiàn)技術(shù)輻射的技術(shù)路線(xiàn)。同時(shí)，根據(jù)技術(shù) 現(xiàn)狀和市場(chǎng)情況，我國(guó)開(kāi)始集中精力在工程機(jī)器人方面取得突破，徐州工程機(jī)械 集團(tuán)公司、江麓機(jī)械廠(chǎng)等單位合作完成了無(wú)人駕駛的振動(dòng)式壓路

16、機(jī)、具有自動(dòng)推 平功能的推土機(jī)、可編程挖掘機(jī)、自動(dòng)鑿巖機(jī)、移動(dòng)式隧道噴漿機(jī)等九種工程機(jī) 械的機(jī)器人化，推動(dòng)了國(guó)工程機(jī)械產(chǎn)品升級(jí)換代。此外，農(nóng)業(yè)、建筑、冶金等行 業(yè)的機(jī)械機(jī)器人化工作也在逐步展開(kāi)。隨著時(shí)間推移，這條技術(shù)輻射之路越走越 寬，為我國(guó)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的改造做出的貢獻(xiàn)也越來(lái)越大。機(jī)器人的應(yīng)用是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。國(guó)外工業(yè)機(jī)器人技術(shù) 日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng) 用也已經(jīng)20多年，促進(jìn)了我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，但大部分產(chǎn)品依賴(lài)進(jìn)口。2.2.2機(jī)器人企業(yè)發(fā)展概況我國(guó)機(jī)器人企業(yè)雖然經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展，從無(wú)到有，從少到多。但是目前， 專(zhuān)業(yè)從事機(jī)器人開(kāi)

17、發(fā)的企業(yè)僅50家左右。與國(guó)外機(jī)器人企業(yè)相比，我國(guó)工業(yè)機(jī)器 人生產(chǎn)企業(yè)中，年產(chǎn)銷(xiāo)量在10 0臺(tái)以上、產(chǎn)值過(guò)5000萬(wàn)元規(guī)模的非常少，而國(guó)外 大型公司年產(chǎn)量都達(dá)5000到10000臺(tái)，銷(xiāo)售額為數(shù)十億美元。我國(guó)機(jī)器人企業(yè)的 主導(dǎo)產(chǎn)品依然是工業(yè)機(jī)器人，如沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司的產(chǎn)業(yè)化程 度相對(duì)較高，2007年銷(xiāo)售收入為6億元，公司以工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及裝備為主導(dǎo)產(chǎn) 業(yè)，一方面是研究開(kāi)發(fā)成套的大系統(tǒng)集成、成套裝備，另一方面有以AGV自動(dòng)導(dǎo) 引車(chē)等為主的機(jī)器人產(chǎn)品，以及點(diǎn)焊機(jī)器人和弧焊機(jī)器人等；機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研 究所特長(zhǎng)產(chǎn)品是噴漆機(jī)器人；青島海爾機(jī)器人有限公司的主導(dǎo)產(chǎn)品是注塑機(jī)器 人；哈爾濱博實(shí)自動(dòng)化公司生產(chǎn)的包裝碼垛機(jī)器人，在市場(chǎng)上與國(guó)外產(chǎn)品形成了 同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)的局面。與國(guó)外機(jī)器人企業(yè)相比，我國(guó)機(jī)器人企業(yè)的優(yōu)勢(shì)在于，可提供 本地研發(fā)、生產(chǎn)控制及售后服務(wù)。我