工业机械人的设计与研究

工业机械人的设计与研究摘要：工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与数量,而且保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样,工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。关键词：工业机器人；机械结构；发展前景StudyanddesignofindustrialrobotsChenXuan-Fu，ZhangJia-Jie，ChenBin（CollegeYuanpeiShaoxingUniversity，EngineeringandTechnologyDepartment，Shaoxing312000，China）Abstract:Industrialrobotisamechanical,electronic,computer,sensor,control,artificialintelligenceandothermodernmanufacturingmultidisciplinaryadvancedtechnologyinoneoftheindustryautomationequipment.Widelyusedinindustrialrobots,notonlycanimprovethequalityandquantityofproducts,butalsotoguaranteethepersonalsafety,improvetheworkingenvironment,reducelaborintensity,improvelaborproductivity,savingmaterialconsumptionandhasveryimportantsignificancetoreducetheproductioncost.Withthecomputerandnetworktechnology,theextensiveapplicationofindustrialrobotsareincreasinglychangingpeople'sproductionandlifestyle.Keywords:Industrialrobot；Mechanicalstructure；Developmentprospects引言工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。在我国,工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了,已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变,促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。随着我国门户的逐渐开放,国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击,因此,掌握国内工业机器人市场的实际情况,把握我国工业机器人研究的相关进展,显得十分重要。1工业机器人的概述工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。例如：将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆机构联接在一起，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作，示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部记录在存储器内，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置，故这种机器人的主要技术功能被称为“可编程”和“示教再现”。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。图1工业机器人与现场涂胶密封2现阶段工业机器人在设计、控制方面所需的关键技术机器人技术是利用计算机的记忆功能、编程功能来控制操作机自动完成工业生产中某一类指定任务的高新技术，是当今各国竞相发展的高技术内容之一。它是综合了当代机构运动学与动力学、精密机械设计发展起来的产物，是典型的机电一体化产品，工业机器人由机械系统、传感系统和控制系统3个基本部分组成。机械系统：包括基本结构和驱动源，工业机器人的机械系统是工业机器人的重要部分，其他系统必须与机械系统相匹配，相辅相成，组成一个完整的机器人系统。传感器系统：包括内部传感器和外部传感器，用于检测机器人自身状态以及所处的环境和对象状态等。控制系统：按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。（一）、工业机器人的机械系统1、最小运动惯量由于机器人主体运动部件多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动，采用最小运动惯量原则，可增加操作机运动平稳性，提高操作机动力学特性。2、尺度规划当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸，这将有利于操作机刚度的提高，使运动惯量进一步降低。3、材料的选用由于机器人从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。4、刚度的设计机器人设计中，刚度是比强度更重要的问题，要使刚度最大，必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。5、可靠性机器人因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。6、工艺性机器人是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理的结构设计而无良好的工艺性，必然导致机器人性能的降低和成本的提高。（二）、工业机器人的传感器系统要机器人与人一样有效地完成工作，对外界状况进行判别的感觉功能是必不可少的。没有感觉功能的原始机器人，只能按预先给定的顺序，重复地进行一定的动作。假如有感觉，就能够根据处理对象的变化而变更动作。传感器是机器人完成感觉的必要手段，通过传感器的感觉作用，将机器人自身的相关特性或相关物体的特性转换为机器人执行某项功能时所需要的信息。现阶段的机器人都装有许多不同的传感器，用于为机器人提供输入。对于机器人传感器的选择，完全取决于机器人的工作需要和应用特点，对机器人感觉系统的要求是选择机器人传感器的基本依据。一个机器人对传感器的一般性要求是：1、精度高、重复性好。机器人是否能够准确无误地正常工作，往往取决于其所用传感器的测量精度。2、稳定性和可靠性好。保证机器人能够长期稳定可靠地工作，尽可能避免在工作中出现故障。3、抗干扰能力强。工业机器人的工作环境往往比较恶劣，其所用传感器应能承受一定的电磁干扰、振动，能在高温、高压、高污染环境中正常工作。4、质量轻、体积小、安装方便。根据工业机器人加工的任务要求及所处的特定环境，对传感器有一些特定的要求，如：1、适应加工任务的要求。不同的加工任务对机器人的感觉要求是不同的，可根据其工作特点进行选择。2、满足机器人控制的要求。机器人控制需要采用传感器检测机器人的运动位置、速度和加速度。3、还要注意满足机器人自身安全和机器人使用者的安全性要求以及其他辅助工作的要求。（三）、工业机器人的控制系统工业机器人的控制主要包括：机器人的运作的顺序、应实现的路径与位置、动作时间间隔以及作用于对象上的作用力等。工业机器人的控制技术与传统的自动机械控制相比，没有根本的不同之处。然而，工业机器人控制系统一般是以机器人的单轴或多轴运动协调为目的的控制系统。其控制结构要比一般自动机械的控制复杂得多，与一般的司服系统或过程控制系统相比，工业机器人控制系统有如下要求：1、工业机器人的控制系统要着重本体与操作对象的相互关系。2、工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。3、多个独立的司服系统必须有机的协调起来，组成一个多变量的控制系统。4、建立一个非线性的数学模型，用来描述工业机器人的状态和运动。5、工业机器人还有一种特有的控制方式——示教再现控制方式。总而言之，工业机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。随着实际工作情况的不同，可以采用各种不同的控制方式，从简单的编程自动化，微处理机控制到小型计算机控制等。图2工业机器人的组成机构3工业机器人技术发展现状在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重（占日本1998年安装台数的10%，销售额的36%）（1）机械结构：1）已关节型为主流，80年代发明的使用于装配作业的平面关节机器人约占总量的1/3。90年代初开发的适应于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节机器人大量用于焊接和上、下料。2）应3K和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。如焊接树10米长、10吨以上大构件的弧焊机器人群，采取蚂蚁啃骨头的协作机构。3）CAD、CAE等技术已普遍用于设计，仿真和制造中。（2）控制技术：1)大多数采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。2)协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。3)采用基于PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流，其成本低、具有标准现场网络功。（3）驱动技术：1)80年代发展起来的AC侍服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。DD驱动技术则广泛地用于装配机器人中。2)新一代的侍服电机与基于微处理器的智能侍控制器相结合已由FANUC等公司开发并用于工业机器人中，在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。（4）应用智能化的传感器：装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留了多种传感器接口。（5）通用机器人编程语言：在ABB公司的20多个小型号产品中，采用了通用模化块语言