工業(yè)機器人工作站安裝與調(diào)試(ABB)課件第1篇

1、工業(yè)機器人工作站安裝與調(diào)試（ABB）工業(yè)機器人工作站安裝與調(diào)試（ABB） 機器人技術是綜合了計算器、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術。它一般由機械本體、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成,是一種綜合了人和機器特長、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化裝置。它既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力,又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力,可以用來完成人類無法完成的任務,其應用領域日益廣泛。 機器人技術是綜合了計算器、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術1939年,美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。1942年,美

2、國科幻巨匠阿西莫夫提出“機器人三定律”。1954年,美國電子學家德沃爾研制出一種類似人手臂的可編程機械手。1958年,美國物理學家英格伯格與德沃爾聯(lián)手,于1958年研制出世界上第一臺真正實用的工業(yè)機器人,成立了世界上第一家機器人制造工廠“尤尼梅遜”公司,英格爾伯格因此被稱為工業(yè)機器人之父。1939年,美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器1962年,美國AMF公司生產(chǎn)出“VERSTRAN”(意思是萬能搬運),成為真正商業(yè)化的機器人。1965年,約翰霍普金斯大學研制出“有感覺”的機器人Beast。1968年,美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人Shakey,這是世界上第一臺智能機器

3、人。1969年,日本早稻田大學研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機器人。1997年,IBM公司開發(fā)出來的Deep Blue(深藍)戰(zhàn)勝棋王卡斯帕羅夫,這是機器人發(fā)展的里程碑。1962年,美國AMF公司生產(chǎn)出“VERSTRAN”(意思是1980年,日本迅速普及工業(yè)機器人,這一年被稱為“機器人元年”。20世紀末,掀起了特種機器人的研究熱潮。1997年,機器人足球世界杯賽橫空出世。1997年7月,自主式機器人車輛Sojourner(索杰納)登上火星的自主式機器人車輛。1980年,日本迅速普及工業(yè)機器人,這一年被稱為“機器人元年為了避免危險惡劣的工作環(huán)境導致的工傷事故和職業(yè)病,保護工人的身心安全,對一些特殊工種

4、、工作量大、環(huán)境惡劣、危險性高、人類無法涉足的工作領域都可由工業(yè)機器人代替。在制造業(yè)中,工業(yè)機器人得到了廣泛的應用,如圖0-1和圖0-2所示。圖0-1工業(yè)機器人為了避免危險惡劣的工作環(huán)境導致的工傷事故和職業(yè)病,保護工人的圖0-2裝配機器人圖0-2裝配機器人例如,在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中,機器人都已逐步取代了人工作業(yè)。隨著工業(yè)機器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機器人智能化水平的提高,機器人的應用范圍還在不斷擴大,已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè),進而推廣到諸如礦山、建筑業(yè)以及電力系統(tǒng)等各種非制造行業(yè)。此外,在國防軍事、醫(yī)療

5、衛(wèi)生、生活服務等領域,機器人的應用也越來越多,如無人偵察機(飛行器)、警備機器人、醫(yī)療機器人、家政服務機器人等均有應用實例。機器人正在為提高人類的生活質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。例如,在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機械加工、焊接、熱處機器人作為現(xiàn)代制造業(yè)主要的自動化裝備,已廣泛應用于汽車、摩托車、工程機械、電子信息、家電、化工等行業(yè),進行焊接、裝配、搬運、加工、噴涂、碼垛等復雜作業(yè),如圖0-3和圖0-4所示。據(jù)2016年統(tǒng)計,中國機器人保有量33.23萬臺,占全球1/4。國際上生產(chǎn)機器人的主要廠家有:日本的安川電機、OTC、川崎重工、松下、不二越、日立、法那科;歐洲的CLOOS(德國)、ABB(

6、瑞典)、COMAU(意大利)、IGM(奧地利)、KUKA(德國)等。機器人作為現(xiàn)代制造業(yè)主要的自動化裝備,已廣泛應用于汽車、摩托圖0-3碼垛機器人圖0-3碼垛機器人圖0-4物流機器人圖0-4物流機器人全世界投入使用的機器人數(shù)量近年來快速增加,目前,日本實際裝配的機器人總量占世界總量的50%。裝配是日本機器人的最大應用領域,它擁有的機器人占總數(shù)的42%;焊接是應用的第二大領域,占機器人總數(shù)的19%;注塑是第三大應用領域,占機器人總數(shù)約12%,機械加工次之為8%。全世界投入使用的機器人數(shù)量近年來快速增加,目前,日本實際在汽車工業(yè)的應用中,機器人用于上料/卸料占很大數(shù)量。對于點焊應用來說,目前已廣泛

7、采用電驅(qū)動的伺服焊槍,豐田公司已決定將這種技術作為標準來裝備國內(nèi)和海外的所有點焊機器人,可以提高焊接質(zhì)量,在短距離內(nèi)的運動時間也大為縮短。就控制網(wǎng)絡而言,日本汽車工業(yè)中最普遍的總線是Device-Net,而豐田則采用其自行制訂的ME-Net,日產(chǎn)采用JEMA-Net(日本電機工業(yè)會網(wǎng))。在日本汽車工業(yè)中是否會實現(xiàn)通信系統(tǒng)的標準化,目前還不能確定。另一方面,日本機器人制造商提出了一種“現(xiàn)實機器人仿真”(RRS)兼容軟件接口。因此,目前日本汽車制造商(尤其是對于點焊應用)通過諸如RoBCAD、I-Grip等商用仿真軟件,可以做出各種機器人的動態(tài)仿真。在汽車工業(yè)的應用中,機器人用于上料/卸料占很大數(shù)

8、量。對于點焊美國科學家近日研制一種球體機器人,其最大的特點是可以幫助宇航員做各種輔助工作。它身上安裝的傳感器可以探知航天飛行器內(nèi)部的氣體成分、溫度變化和空氣壓力狀況。即使在失重狀態(tài)下,這種機器人在計算器的指揮下也能自如地行走和工作,而且能幫助宇航員與地面控制中心聯(lián)絡,把有關信息輸入計算機系統(tǒng)。目前,我國已開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人,其中有130多臺/套噴漆機器人在20余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用,弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線。美國科學家近日研制一種球體機器人,其最大的特點是可以幫助宇航沈陽新松機器人自動化股份有限公司為上海匯眾汽車制造有限公司設計

9、制造12臺弧焊機器人組成的焊接生產(chǎn)線,用于為上海汽車工業(yè)公司配套生產(chǎn)桑塔納轎車轉(zhuǎn)向器和減振器以及別克轎車減振器等部件。哈爾濱工業(yè)大學歷經(jīng)20余年的基礎理論與應用研究,已開發(fā)管內(nèi)補口噴涂作業(yè)機器人、激光內(nèi)表面淬火機器人、管內(nèi)X射線檢測機器人。這幾種機器人已分別應用于“陜-京”天然氣管線工程X射線檢測、上海浦東國際機場內(nèi)防腐補口、大慶油田內(nèi)防腐及抽油泵內(nèi)表面處理等重要的管道工程。沈陽新松機器人自動化股份有限公司為上海匯眾汽車制造有限公司設中國智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下,也取得了顯著的成果。其中6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平,該機器人在1995年深海試驗獲得成功,使

10、中國能夠?qū)Υ笱蠛５走M行精確、高效、全覆蓋的觀察、測量、儲存和進行實時傳輸,并能精確繪制深海礦區(qū)的二維、三維海底地形地貌圖,推動了中國海洋科技的發(fā)展。中國智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下,也取得了 工業(yè)機器人是汽車生產(chǎn)中非常重要的設備,各個部件的生產(chǎn)都需要有工業(yè)機器人的參與。工業(yè)機器人在汽車生產(chǎn)線上的工作主要有弧焊、點焊、裝配、搬運、噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等。圖0-5所示為工業(yè)機器人在汽車生產(chǎn)線上常見的四類工作。 工業(yè)機器人是汽車生產(chǎn)中非常重要的設備,各個部件的生產(chǎn)都需圖0-5工業(yè)機器人在汽車制造業(yè)中的應用a)搬運機器人b)焊接機器人c)裝配機器人d)噴涂機器人圖0-

11、5工業(yè)機器人在汽車制造業(yè)中的應用下面舉幾個例子,在車身生產(chǎn)中,有大量壓鑄、焊接、檢測等應用,這些目前均由工業(yè)機器人參與完成,特別是焊接生產(chǎn)線,一條焊接生產(chǎn)線就有大量的工業(yè)機器人;在汽車內(nèi)飾生產(chǎn)中,汽車內(nèi)飾相當多,最主要的則是儀表盤,而儀表盤的制作,則需要表皮弱化機器人,發(fā)泡機器人,最后的產(chǎn)品切割機器人;汽車車身的噴涂,這一塊由于工作量大,危險性高,逐漸也都由工業(yè)機器人代替。下面舉幾個例子,在車身生產(chǎn)中,有大量壓鑄、焊接、檢測等應用,1.焊接機器人在汽車底盤焊接中的應用圖0-6焊接機器人在汽車生產(chǎn)線上1.焊接機器人在汽車底盤焊接中的應用圖0-6焊接機器人在汽焊接機器人最適于多品種、高質(zhì)量生產(chǎn)方式

12、,目前已廣泛應用于汽車制造業(yè),汽車底盤、座椅骨架、導軌、消聲器以及液力變矩器等焊接件均使用了機器人焊接,尤其在汽車底盤焊接生產(chǎn)中得到了廣泛的應用,如圖0-6所示。國內(nèi)生產(chǎn)的桑塔納、帕薩特、別克、賽歐、波羅等車型的后橋、副車架、搖臂、懸架、減振器等轎車底盤零件大都是以MIG焊接工藝為主的受力安全零件,主要構(gòu)件采用沖壓焊接,板厚平均為1.54mm,焊接主要以搭接、角接接頭形式為主,焊接質(zhì)量要求相當高,其質(zhì)量的好壞直接影響轎車的安全性能。應用機器人焊接后,大大提高了焊接件的外觀和內(nèi)在質(zhì)量,并保證了質(zhì)量的穩(wěn)定性,降低了勞動強度、改善了勞動環(huán)境。焊接機器人最適于多品種、高質(zhì)量生產(chǎn)方式,目前已廣泛應用于汽

13、車按照焊接機器人系統(tǒng)在汽車底盤零部件焊接的夾具布局的不同特點,以及外部軸等外圍設施的不同配置,焊接機器人系統(tǒng)可分為以下幾種形式:滑軌+焊接機器人的工作站;單(雙)夾具固定式+焊接機器人工作站;帶變位機回轉(zhuǎn)工作臺+焊接機器人工作站;搬運機器人+焊接機器人工作站;協(xié)調(diào)運動式外軸+焊接機器人工作站;機器人焊接自動線;焊接機器人柔性系統(tǒng)。按照焊接機器人系統(tǒng)在汽車底盤零部件焊接的夾具布局的不同特點德國庫卡公司(KUKA)自進入中國市場以來,不斷以其革新的機器人技術推動著中國汽車制造業(yè)的自動化發(fā)展,已成為該行業(yè)領先的工業(yè)機器人提供商。目前,庫卡工業(yè)機器人在國內(nèi)各行業(yè)的使用數(shù)量已經(jīng)有數(shù)千臺,其中2000臺左

14、右應用于汽車以及汽車零部件制造行業(yè),如圖0-7所示。2. KUKA機器人在寶馬汽車制造中的應用圖0-7KUKA機器人在汽車生產(chǎn)線上德國庫卡公司(KUKA)自進入中國市場以來,不斷以其革新的機現(xiàn)代汽車制造業(yè)不斷向“準時化”和“精益生產(chǎn)”的方向發(fā)展,這對設備的快速響應、柔性化、集成化和多任務處理的能力提出了更高要求。為迎合這種需求,庫卡公司另辟蹊徑,突破傳統(tǒng)的機器人協(xié)同工作組概念,以單個機器人作為獨立的控制對象,如圖0-8所示,把計算機網(wǎng)絡控制的概念引入到機器人協(xié)同工作組控制中,對機器人協(xié)同工作組的功能和工作模式進行了歷史性的革新,使得15臺機器人同步工作成為可能,完全顛覆了傳統(tǒng)汽車制造中以工位為

15、目標單位的工藝格局,汽車的柔性化生產(chǎn)提高到了一個空前的高度。現(xiàn)代汽車制造業(yè)不斷向“準時化”和“精益生產(chǎn)”的方向發(fā)展,這對圖0-8KUKA裝配機器人在汽車生產(chǎn)線上圖0-8KUKA裝配機器人在汽車生產(chǎn)線上寶馬公司為其在德國雷根斯堡的工廠尋找一種自動化解決方案,用以傳送寶馬1系列和3系列車型的整個前后軸以及車門。寶馬公司選擇了三臺庫卡機器人,包括一臺KR500和兩臺KR360來傳送前后軸。KR500從裝配系統(tǒng)中取出已裝配好的前軸并將其置于裝配總成支架上,在那里前軸將被裝配到傳動桿上。KR500的多用夾持器適用于1、3系列所有車型專有的軸。此外,整個夾持器還滿足了寶馬公司的要求,即能夠在傳送過程中使軸

16、的活動部分保持在規(guī)定的位置。由此,機器人可將所有需要裝配的部件在裝配總成支架上準確定位。寶馬公司為其在德國雷根斯堡的工廠尋找一種自動化解決方案,用兩臺重載型機器人KR360傳送后軸。第一臺KR360從裝配系統(tǒng)中取出軸并將其置于多用工件托架的存儲器內(nèi),第二臺KR360從存儲器中取出軸并將其置于裝配總成支架上。如同前軸的情況,放置后軸時所需達到的精確位置可通過一個感知器測量系統(tǒng)得到。為使KR360能夠在最佳的位置上完成所需的工作,它被安裝在一個1.5m高的底座之上,如圖0-9所示。由于機器人控制系統(tǒng)將夾持器作為第七條軸來移動,因此KR360就有能力將客車車軸舉到輪轂處而不受輪距的限制。兩臺重載型機

17、器人KR360傳送后軸。第一臺KR360從裝配系圖0-9KUKA裝配機器人裝配車門圖0-9KUKA裝配機器人裝配車門在傳送車門方面,四臺裝配有400mm延長臂的KR150,每兩臺作為一組,可以替代數(shù)目相同的提升站以及所屬用以交接的機械裝置。在兩個機器人小組內(nèi)部,一臺機器人負責前門,另一臺負責后門。當一輛帶著空運輸?shù)跫艿碾妱愉撍鞯踯囃Ｔ诠の粌?nèi)時,機器人的工作就可以開始了。有關的KR150將其夾持器擺動著伸入貨物承裝工具內(nèi)部,將其從電動鋼索吊車上取下并置于下一層,以做好裝料準備。此時,兩個在此工作的工作人員為吊架的兩側(cè)都裝上相應車身的車門。之后,機器人將貨物承裝工具移回上一層并將其重新放回電動鋼索

18、吊車。機器人重復精度高,因此可以避免對車門及電動鋼索吊產(chǎn)生損傷。由于對機器人可進行自由編程,因此整個設備也具有很高的靈活性。除此之外,庫卡公司還可以滿足寶馬公司對夾持器的要求設計簡單且安全可靠。在傳送車門方面,四臺裝配有400mm延長臂的KR150,每兩 1.碼垛機器人國內(nèi)的物流行業(yè)已經(jīng)進入了準高速增長階段。傳統(tǒng)的自動化生產(chǎn)設備已經(jīng)不能滿足企業(yè)日益增長的生產(chǎn)需求。以碼垛設備為例,機械式碼垛機具有占地面積大、程序更改復雜、耗電量大等缺點;采用人工搬運,勞動量大,工時多,無法保證碼垛質(zhì)量,影響產(chǎn)品順利進入貨倉,可能有50%的產(chǎn)品由于碼垛尺寸誤差過大而無法進行正常存儲,還需要重新整理。目前,歐、美、

19、日的碼垛機器人在碼垛市場的占有率超過了90%,絕大數(shù)碼垛作業(yè)由碼垛機器人完成。碼垛機器人能適應于紙箱、袋裝、罐裝、箱體、瓶裝等各種形狀的包裝成品碼垛作業(yè),如圖0-10所示。 1.碼垛機器人國內(nèi)的物流行業(yè)已經(jīng)進入了準高速增長階段。傳碼垛機器人通過檢測吸盤和平衡氣缸內(nèi)氣體壓力,能自動識別機械手臂上有無載荷,并經(jīng)氣動邏輯控制回路自動調(diào)整平衡氣缸內(nèi)的氣壓,達到自動平衡的目的。工作時,重物猶如懸浮在空中,可避免產(chǎn)品對接時的碰撞。在機械手臂的工作范圍內(nèi),操作人員可將其前、后、左、右、上、下輕松移動到任何位置,人員本身可輕松操作。同時,氣動回路還有防止誤操作掉物和失壓保護等連鎖保護功能。碼垛機器人能將不同外

20、形尺寸的包裝貨物,整齊、自動地碼(或拆)在托盤上(或生產(chǎn)線上等)。為充分利用托盤的面積和碼堆物料的穩(wěn)定性,機器人具有物料碼垛順序、排列設定器,可滿足從低速到高速,從包裝袋到紙箱,從碼垛一種產(chǎn)品到碼垛多種不同產(chǎn)品,應用于產(chǎn)品搬運、碼垛等。圖0-11所示為大型碼垛機器人在作業(yè)。碼垛機器人通過檢測吸盤和平衡氣缸內(nèi)氣體壓力,能自動識別機械手圖0-10碼垛機器人在包裝生產(chǎn)線上圖0-10碼垛機器人在包裝生產(chǎn)線上圖0-11大型碼垛機器人圖0-11大型碼垛機器人2.自動導引車AGV(Automated Guided Vehicle)是自動導引車的英文縮寫,是指具有磁條、軌道或者激光等自動導引設備,沿規(guī)劃好的路

21、徑行駛,以電池為動力,并且裝備安全保護以及各種輔助機構(gòu)(如移載、裝配機構(gòu))的無人駕駛的自動化車輛,如圖0-12所示。通常多臺AGV與控制計算機(控制臺)、導航設備、充電設備以及周邊附屬設備組成AGV系統(tǒng),其主要工作原理表現(xiàn)為在控制計算機的監(jiān)控及任務調(diào)度下,AGV可以準確地按照規(guī)定的路徑行走,到達任務指定位置后,完成一系列的作業(yè)任務,控制計算機可根據(jù)AGV自身電量決定是否到充電區(qū)進行自動充電。2.自動導引車AGV(Automated Guided Ve根據(jù)導航方式的不同,目前AGV產(chǎn)品可分為磁導航AGV和激光導航AGV(又稱為LGV)。在物流領域里,根據(jù)工作方式的不同,AGV有叉車式運輸型AGV

22、、搬運型AGV、重載AGV、智能巡檢AGV、特種AGV以及簡易AGV(又稱為AGC)等。當前的智能物流機器人(見圖0-13)CPU性能越來越高,控制器內(nèi)部根據(jù)控制功能的不同采取模塊化設計;運動平衡控制的增強提高了機器人加速和加速的時間,加快了機器人的動作周期;碰撞檢測功能的提高極大地保護了機器人本體和手爪;新開發(fā)的虛擬現(xiàn)實功能,作為軟件集成在機器人系統(tǒng)控制柜中;通過機器人示教盤監(jiān)控視覺功能的作業(yè)情況;舍去了傳統(tǒng)視覺系統(tǒng)中的個人計算機等硬件,大大節(jié)省了成本支出。機器人已經(jīng)在中國物流行業(yè)中被廣泛地應用,節(jié)約了成本,提高了物流效率。根據(jù)導航方式的不同,目前AGV產(chǎn)品可分為磁導航AGV和激光導圖0-1

23、2自動導引車圖0-12自動導引車圖0-13智能物流機器人圖0-13智能物流機器人 工業(yè)機器人按照不同的分類標準可以分為不同的類別。1.按照機器人的運動形態(tài)分類按照機器人的運動形態(tài)的不同,可以分為直角坐標型工業(yè)機器人、圓柱坐標型工業(yè)機器人、球坐標型工業(yè)機器人、多關節(jié)型工業(yè)機器人、平面關節(jié)型工業(yè)機器人和并聯(lián)型工業(yè)機器人,各類型實物圖如圖0-14所示。 工業(yè)機器人按照不同的分類標準可以分為不同的類別。1.按照圖0-14工業(yè)機器人類型a)直角坐標型b)圓柱坐標型c)球坐標型d)多關節(jié)型e)平面關節(jié)型f)并聯(lián)型圖0-14工業(yè)機器人類型(1) 直角坐標型工業(yè)機器人直角坐標型工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖0-15

24、所示,手部空間的位置變化是通過沿著三個相互垂直的軸線移動來實現(xiàn)的,常用于生產(chǎn)設備的上下料和高精度的裝配和檢測作業(yè)。一般直角坐標型工業(yè)機器人的手臂可以垂直上下移動(Z軸方向),并可以沿著滑架和橫梁上的導軌進行水平二維平面的移動(X、Y軸方向)。顯然,直角坐標型工業(yè)機器人有三個移動關節(jié),即三個自由度。直角坐標型工業(yè)機器人有如下優(yōu)點:(1) 直角坐標型工業(yè)機器人直角坐標型工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)示意圖如1) 結(jié)構(gòu)簡單。2) 編程容易,在X、Y、Z三個方向的運動都沒有耦合,便于控制系統(tǒng)的設計。3)直線運動速度快,定位精度高,蔽障性能較好。同時,由于該類型機器人必須采用導軌,故有如下缺點和問題:1) 動作范圍小,

25、靈活性較差。2) 導軌結(jié)構(gòu)較復雜,維護比較困難,導軌暴露面大,不如轉(zhuǎn)動關節(jié)密封性好。1) 結(jié)構(gòu)簡單。2) 編程容易,在X、Y、Z三個方向的運動都3) 結(jié)構(gòu)尺寸較大,占地面積較大。4) 移動部分慣量較大,增加了對驅(qū)動性能的要求。(2)圓柱坐標型工業(yè)機器人圓柱坐標型工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖0-16所示,有兩個移動關節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關節(jié),末端操作器的安裝軸線的位姿由(Z,r,)坐標予以表示,其主體具有三個自由度:腰部轉(zhuǎn)動、升降運動、手臂伸縮運動。3) 結(jié)構(gòu)尺寸較大,占地面積較大。4) 移動部分慣量較大,增圖0-15直角坐標型結(jié)構(gòu)示意圖圖0-15直角坐標型結(jié)構(gòu)示意圖圖0-16圓柱坐標型結(jié)構(gòu)示意圖圖0-16

26、圓柱坐標型結(jié)構(gòu)示意圖圓柱坐標型工業(yè)機器人主要有如下優(yōu)點:1) 控制精度較高,控制較簡單,結(jié)構(gòu)緊湊。2)對比直角坐標形式,在垂直和經(jīng)向的兩個往復運動可以采用伸縮套簡式結(jié)構(gòu),在腰部轉(zhuǎn)動時可以把手臂縮回,從而減少轉(zhuǎn)動慣量,改善了力學負載。3) 空間尺寸較小,工作范圍較大,末端操作器可獲得較高的運動速度。它的缺點是:由于機身結(jié)構(gòu)的原因,手臂不能到達底部,末端操作器離Z軸越遠,減小了機器人的工作范圍,其切向線位移的分辨精度就越低。圓柱坐標型工業(yè)機器人主要有如下優(yōu)點:1) 控制精度較高,控制(3)球坐標型工業(yè)機器人球坐標型工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖0-17所示,有兩個轉(zhuǎn)動關節(jié)和一個移動關節(jié),末端操作器的安裝

27、軸線的位姿由(,r)坐標予以表示。機械手能夠里外伸縮移動,在垂直平面內(nèi)擺動已經(jīng)繞底座在水平面內(nèi)移動,因為這種機器人的工作空間形成球面的一部分。很多知名企業(yè)的球坐標型工業(yè)機器人,其手臂采用液壓驅(qū)動的移動關節(jié),繞垂直和水平軸線的轉(zhuǎn)動也采用了液壓伺服系統(tǒng)。(3)球坐標型工業(yè)機器人球坐標型工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖0-球坐標型工業(yè)機器人的特點如下:1) 占地面積小,結(jié)構(gòu)緊湊,位置精度尚可。2) 蔽障性能較差,存在平衡問題。(4)關節(jié)坐標型工業(yè)機器人關節(jié)坐標型工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖0-18所示,其主要由底座、大臂和小臂組成。大臂和小臂間的轉(zhuǎn)動關節(jié)稱為肘關節(jié),大臂和底座間的轉(zhuǎn)動關節(jié)稱為肩關節(jié)。底座可以繞垂

28、直軸線轉(zhuǎn)動,稱為腰關節(jié)。它是一種廣泛應用的擬人化機器人。球坐標型工業(yè)機器人的特點如下:1) 占地面積小,結(jié)構(gòu)緊湊,位圖0-17球坐標型結(jié)構(gòu)示意圖圖0-17球坐標型結(jié)構(gòu)示意圖圖0-18關節(jié)坐標型結(jié)構(gòu)示意圖圖0-18關節(jié)坐標型結(jié)構(gòu)示意圖關節(jié)坐標型工業(yè)機器人主要有以下優(yōu)點:1) 結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小。2) 靈活性好,手部到達位置好,具有較好的蔽障性能。3) 沒有移動關節(jié),關節(jié)密封性能好,摩擦小,慣量小。4)關節(jié)驅(qū)動力小,能耗較低。關節(jié)坐標型工業(yè)機器人的缺點如下:1) 運動過程中存在平衡問題,控制存在耦合。關節(jié)坐標型工業(yè)機器人主要有以下優(yōu)點:1) 結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積2) 當大臂和小臂舒展開時,機器人結(jié)

29、構(gòu)剛度較好。(5)并聯(lián)型工業(yè)機器人并聯(lián)型機構(gòu)是動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接,機構(gòu)具有兩個或兩個以上自由度,且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機構(gòu)。2.按照輸入信息的方式分類按照輸入信息的方式不同,可以分為操作機械手、固定程序工業(yè)機器人、可編程型工業(yè)機器人、程序控制型工業(yè)機器人、示教型工業(yè)機器人、智能型工業(yè)機器人。各類機器人的輸入信息方式見表0-1。2) 當大臂和小臂舒展開時,機器人結(jié)構(gòu)剛度較好。(5)并聯(lián)型表0-1按照輸入信息的方式分類表0-1按照輸入信息的方式分類表0-2按照驅(qū)動方式分類3.按照驅(qū)動方式分類按照驅(qū)動方式的不同,可以分為液壓型工業(yè)機器人、電動型工業(yè)機器人、氣壓型工業(yè)機器

30、人,其特點見表0-2。表0-2按照驅(qū)動方式分類3.按照驅(qū)動方式分類按照驅(qū)動方式的4.按照運動軌跡分類按照運動軌跡的不同,可以分為點位型工業(yè)機器人和連續(xù)軌跡型工業(yè)機器人。點位控制是控制機器人從一個位姿到另一個位姿,其路徑不限;連續(xù)軌跡控制是控制機器人的機械接口,按編程規(guī)定的位姿和速度,在指定的軌跡上運動。通常我們見到的工業(yè)機械手屬于智能型、連續(xù)軌跡、多關節(jié)工業(yè)機器人,末端手爪多為氣動或者電動。4.按照運動軌跡分類按照運動軌跡的不同,可以分為點位型工業(yè)機 “人”的身體結(jié)構(gòu)包括四肢骨骼和運動系統(tǒng),以完成人體動作;大腦和神經(jīng)系統(tǒng)來處理、發(fā)布信息;五官和皮膚來和環(huán)境交互。工業(yè)機器人也要接受這些考驗,只有

31、擁有了健全的身體,才能應付各種各樣的工作。從工業(yè)機器人的總體結(jié)構(gòu)上看,如圖0-19所示,可以分為“三大部分六個系統(tǒng)”。三大部分、六大系統(tǒng)是一個統(tǒng)一的整體,如圖0-20所示。 “人”的身體結(jié)構(gòu)包括四肢骨骼和運動系統(tǒng),以完成人體動作;圖0-19工業(yè)機器人的總體結(jié)構(gòu)圖0-19工業(yè)機器人的總體結(jié)構(gòu)圖0-20“三大部分六大系統(tǒng)”的組成示意圖圖0-20“三大部分六大系統(tǒng)”的組成示意圖三大部分是指用于實現(xiàn)各種動作的機械部分、用于感知內(nèi)部和外部信息的傳感部分和用于控制機器人完成各種動作的控制部分。六大系統(tǒng)分別是驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(又稱為執(zhí)行系統(tǒng))、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。(

32、1)驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu),用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應的動作,有電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動以及其他驅(qū)動形式。根據(jù)需要,可采用這三種基本驅(qū)動類型的一種,或合成式驅(qū)動系統(tǒng),目前較常用的是電機驅(qū)動。這三種基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點見表0-3。三大部分是指用于實現(xiàn)各種動作的機械部分、用于感知內(nèi)部和外部表0-3工業(yè)機器人三種基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點表0-3工業(yè)機器人三種基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選用,應根據(jù)工業(yè)機器人的性能要求、控制功能、運行的功耗、應用環(huán)境及作業(yè)要求、性能價格比以及其他因素綜合加以考慮。在充分考慮各種驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎上, 保證工業(yè)機器人性能規(guī)范、可行性和可靠性

33、的前提下做出決定。一般情況下,各種機器人驅(qū)動系統(tǒng)的設計選用原則大致如下:1)控制方式。對物料搬運(包括上、下料)、沖壓使用有限點位控制的程序控制機器人,低速、重負載時可選用液壓驅(qū)動系統(tǒng);中等負載時可選用電機驅(qū)動系統(tǒng);輕負載時可選用電機驅(qū)動系統(tǒng);輕負載、高速時可選用氣動驅(qū)動系統(tǒng),沖壓機器人手爪多選用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選用,應根據(jù)工業(yè)機器人的性能要求、控制功2)作業(yè)環(huán)境要求。從事噴涂作業(yè)的工業(yè)機器人,由于工作環(huán)境需要防爆,因此考慮到其防爆性能,多采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)和具有本征防爆的交流電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)。水下機器人、核工業(yè)專用機器人、空間機器人,以及在腐蝕性、易燃易爆氣體、放射性物質(zhì)

34、環(huán)境中工作的移動機器人,一般采用交流伺服驅(qū)動。若要求在潔凈環(huán)境中使用,則多采用直接驅(qū)動電動機驅(qū)動系統(tǒng)。3)操作運行速度。對于裝配機器人,由于要求其有較高的點位重復精度和較高的運行速度,通常在運行速度相對較低(4.5m/s)的情況下,可采用AC、DC或步進電動機伺服驅(qū)動系統(tǒng);在速度、精度要求均很高的條件下,多采用直接驅(qū)動電動機驅(qū)動系統(tǒng)。2)作業(yè)環(huán)境要求。從事噴涂作業(yè)的工業(yè)機器人,由于工作環(huán)境需要(2)機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(也稱為機器人“本體”)由機身、手臂、手腕、末端執(zhí)行器四大部分組成,如圖0-21所示,有的機器人還有行走機構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機器人有36個運動自由度。(2)機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)系

35、統(tǒng)(也稱為機器人“本體”)由機身圖0-21機器人機械結(jié)構(gòu)組成1末端執(zhí)行器(手部)2手腕3手臂4機身圖0-21機器人機械結(jié)構(gòu)組成1)機身:起支撐作用,固定式機器人的基座直接連接在地面基礎上,移動式機器人的基座安裝在移動機構(gòu)上。圖0-22臂部內(nèi)部圖1)機身:起支撐作用,固定式機器人的基座直接連接在地面基礎上2)手臂:連接機身和手腕,主要改變末端執(zhí)行器的空間位置,如圖0-22所示。在工作中直接承受腕、手和工件的靜、動載荷,自身運動又較多,故受力復雜。手臂的長度尺寸要滿足工作空間的要求,由于手臂的剛度、強度直接影響機器人的整體運動剛度,同時又要靈活運動,故應盡可能選用高強度的輕質(zhì)材料,減輕其重量。在臂

36、體設計中,也應盡量設計成封閉形和局部帶加強肋的結(jié)構(gòu),以增加剛度和強度。手臂結(jié)構(gòu)可分為橫梁式、立柱式、機座式和屈伸式四種,具體見表0-4。2)手臂:連接機身和手腕,主要改變末端執(zhí)行器的空間位置,如圖表0-4手臂的四種結(jié)構(gòu)表0-4手臂的四種結(jié)構(gòu)3)手腕:連接手臂和末端執(zhí)行器,手腕確定末端執(zhí)行器的作業(yè)姿態(tài),一般需要三個自由度,由三個回轉(zhuǎn)關節(jié)組合而成,組合方式多樣,手腕關節(jié)組合示意圖如圖0-23所示。圖0-23手腕關節(jié)組合示意圖3)手腕:連接手臂和末端執(zhí)行器,手腕確定末端執(zhí)行器的作業(yè)姿態(tài)為了使手部能處于空間任意方向,要求腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標軸X、Y、Z的轉(zhuǎn)動?；剞D(zhuǎn)方向分為:“臂轉(zhuǎn)”是繞小臂軸線方向

37、的旋轉(zhuǎn);“手轉(zhuǎn)”是使末端執(zhí)行器繞自身的軸線旋轉(zhuǎn);“腕擺”是使手部相對臂部的擺動。腕部結(jié)構(gòu)的設計要滿足傳動靈活、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、避免干涉。機器人多數(shù)將腕部結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分安排在小臂上。首先設法使幾個電動機的運動傳遞到同軸旋轉(zhuǎn)的心軸和多層套筒上, 運動傳入腕部后再分別實現(xiàn)各個動作。為了使手部能處于空間任意方向,要求腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標4)末端執(zhí)行器(手部):即機器人的作業(yè)工具,如抓取工件的各種抓手、取料器、專用工具的夾持器等,還包括部分專用工具,如擰螺釘螺母機、噴槍、焊槍、切割頭、測量頭等。手部常采用法蘭連接,如圖0-24所示。工業(yè)機器人的手部就像人的手部一樣,能夠靈活地運動關節(jié),能夠取各種各樣的

38、物品,但是機械手的手部由于抓取的工業(yè)用品體型、材料、重量等不同,因此機械手手部應根據(jù)所抓物品單獨量身定做。4)末端執(zhí)行器(手部):即機器人的作業(yè)工具,如抓取工件的各種圖0-24手部法蘭圖0-24手部法蘭工業(yè)機器人的手部(也稱為抓手)是最重要的執(zhí)行機構(gòu),從功能和形態(tài)上看,它可分為工業(yè)機器人的手部和仿人機器人的手部。常用的抓手按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類,圖0-25所示為兩種握持的應用。圖0-25抓手應用a)碼垛抓持料袋轉(zhuǎn)手b)吸取玻璃抓手工業(yè)機器人的手部(也稱為抓手)是最重要的執(zhí)行機構(gòu),從功能和形機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。機器人與外部

39、設備集成為一個功能單元,如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。也可以是多臺機器人、多臺機床或設備、多個零件儲存裝置等集成為一個去執(zhí)行復雜任務的功能單元。例如,柔性制造系統(tǒng)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲運系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設備組成的,能適應加工對象變換的自動化機械制造系統(tǒng)。它往往會有多臺工業(yè)機器人和多臺數(shù)控機床配合完成復雜的生產(chǎn)過程,柔性制造系統(tǒng)如圖0-26所示。(3)機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)圖0-26工業(yè)機器人與機床的柔性制造系統(tǒng)圖0-26工業(yè)機器人與機床的柔性制造系統(tǒng)(4)感受系統(tǒng)感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器和外部傳感器組成,其作用是獲取機

40、器人內(nèi)部和外部環(huán)境信息,并把這些信息反饋給控制系統(tǒng)。內(nèi)部傳感器用于檢測各個關節(jié)的位置、速度等變量,為閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)提供反饋信息。外部傳感器用于檢測機器人與周圍環(huán)境之間的一些狀態(tài)變量,如距離、接近程度和接觸情況等,用于引導機器人,便于其識別物體并做出相應處理。外部傳感器一方面使機器人更準確地獲取周圍環(huán)境情況,另一方面也能起到誤差矯正的作用。(4)感受系統(tǒng)感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器和外部傳感器組成,其作用是圖0-27所示為工業(yè)機器人的視覺定位系統(tǒng),基本構(gòu)成有機器人本體、交流伺服驅(qū)動裝置、運動控制器、計算機和工業(yè)數(shù)字攝像頭。圖0-28所示為工業(yè)機器人的“五官”系統(tǒng),包括觸覺(力與力矩傳感器)、視覺(視頻

41、)、聽覺(語音)、工業(yè)用PDA(RFID讀寫器)等,向工業(yè)機器人發(fā)送信息,構(gòu)成信息反饋控制系統(tǒng)。圖0-27所示為工業(yè)機器人的視覺定位系統(tǒng),基本構(gòu)成有機器人本圖0-27工業(yè)機器人的視覺定位系統(tǒng)圖0-27工業(yè)機器人的視覺定位系統(tǒng)圖0-28工業(yè)機器人的“五官”系統(tǒng)圖0-28工業(yè)機器人的“五官”系統(tǒng)(5)人機交互系統(tǒng)人機交互系統(tǒng)是人與機器人進行聯(lián)系和參與機器人控制的裝置, 即指令給定裝置和信息顯示裝置,就像人們打游戲需要游戲機操作手柄一樣。一般為工業(yè)機器人的自帶示教單元和上位機軟件。(6)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號,并進行控制。信號傳輸線路大多數(shù)都在機械手內(nèi)部,內(nèi)

42、部結(jié)構(gòu)如圖0-29所示。(5)人機交互系統(tǒng)人機交互系統(tǒng)是人與機器人進行聯(lián)系和參與機器圖0-29工業(yè)機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的任務是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號,支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能。如果機器人不具備信息反饋特征,則為開環(huán)控制系統(tǒng);具備信息反饋特征,則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖0-29工業(yè)機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的任務是根據(jù)機器人的根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)、自適應控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng),根據(jù)控制運動的形式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制。1)程序控制系統(tǒng):給每個自由度施加一定規(guī)律的控制作用,機器人就可實現(xiàn)要求的空間軌跡。2)自適應控制系統(tǒng):當外界條件變化時,為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì),其過程是基于對操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察,再調(diào)整非線性模型的參數(shù),一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)、自適應控制系統(tǒng)和人工智能控制3)人工智能控制系統(tǒng):事先無法編制運動程序,而是要求在運動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息,實時確定控制作用。當外界條件變