第3章 工业机器人

主讲教师:陈银银[e-mail]15824807783第三章焊接自动化系统的组成主要内容：•工业机器人•质量控制和运行监控系统•辅助设备•控制与通信系统1.概述1)工业机器人的定义•美国机器人协会(RIA)：“机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能多自由度的操作机，用于搬运材料、工件、工具的专用装置。”•国际标准化组织(ISO)：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。•中国：机器人是一种拟人功能的机械电子装置。工业机器人2)工业机器人的组成工业机器人一般由执行机构、控制系统和驱动系统组成。工业机器人的典型结构如下图所示。(1)执行机构执行机构是一种具有和人手臂相似的动作功能。可在空间抓放物体或执行其他操作的机械装置，通常包括机座、手臂、手腕和末端执行器。A.机座：机器人承受载荷的基础部件。可分为固定式和移动式(平移和旋转)。旋转的机座也称“腰”。B.手臂：分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。C.手腕：连接手臂与末端执行器的部件，用来调整末端执行器的方位和姿态。D.末端执行器：又称“手”，是直接执行工作的装置，可以是拟人的手掌、手指和夹持器等，也可以是各种作业工具，如焊枪、喷漆枪等。(2)控制系统控制工业机器人按照规定要求动作，可分为开环控制系统和闭环控制系统。多采用计算机控制。计算机控制系统按内部功能划分的不同，可细分为：决策级：识别环境、建立模型、任务分解。策略级：按关节坐标协调变化的规律，将动作转化为各关节的运动参数，传递给伺服控制系统。执行级：按给定指令执行动作。(3)驱动系统按照控制指令，放大驱动信号，驱动执行机构动作。常用的有：机械、液压、气动和电气四种。机器人的组成3)工业机器人的分类(1)按坐标形式分A.直角坐标式执行器通过沿三个互相垂直的轴线移动改变位置，机器人主体结构的关节都是移动关节。位置精度高，控制无耦合，简单可靠结构庞大，动作范围小，灵活性差B.圆柱坐标型圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转、升降和伸缩，亦即具有一个旋转运动和两个直线运动。通用性强，结构紧凑机器人腰转时将手臂缩回，减少了转动惯量受结构限制，手臂不能抵达底部，减少了工作范围C.球面坐标式(极坐标式)机器人主体结构具有三个自由度，两个旋转运动和一个直线运动。结构紧凑，位置精度尚可，工作范围大，占地面积小，控制系统复杂。D.关节坐标式主要由立柱、大臂和小臂组成，形成腰关节、肩关节和肘关节。工作范围大、动作灵活，但位置精度低，控制有复杂的耦合问题。水平多关节型：垂直方向上的刚性好，适于装配工作垂直多关节：动作范围宽，结构刚度低，精度较低。用于装配、搬运、弧焊、喷涂、点焊等(2)按控制方式分A.点位控制(PointtoPoint)运动是连接两点之间的直线运动，关心的是末端执行器在两个给定点的位置精度和姿态，具体运动轨迹如何、运动时执行器的姿态并不是重点。控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。B.连续轨迹控制(ContinuousPath)运动轨迹可以是空间内的任意连续曲线，在整个运动过程中，机器人和末端执行器均处于可控制状态。(3)按驱动方式分A.液压驱动精度高，反应速度快，输出力或力矩大液压机构维护复杂，成本高B.气压驱动由气动机构产生动力驱动关节运动。动作迅速，结构简单，但受空气可压缩性影响，稳定性差，定位精度低，抓取力小C.电力驱动能完成高速运动，具有传动机构少，成本低等优点，在现代工业生产中已基本普及。步进电动机直流伺服电动机交流伺服电动机(4)按信息输入方式分A.人工操作机械手B.固定程序机器人C.可变程序机器人D.程序控制机器人E.示教再现机器人示教－记忆－再现F.智能机器人具有发现问题并能自主解决问题的能力4)工业机器人的用途与发展用于一切可替代人操作的场合，尤其是劳动强度大、重复性高、环境恶劣的地方。(1)焊接：主要是指利用机器人进行点焊和弧焊。点焊时要求机器人手腕握持焊接工具准确地对准所要求的焊点，焊枪不与部件的其它部位接触。通常，这些机器人所夹持的焊接工具大而重，同时还要求机器人有一个比较大的活动范围。弧焊是对材料进行连续焊接，焊接前首先要将复杂的运行轨迹示教给机器人，在需要处理较宽的焊缝时，可以编程使机器人作编织状的横摆运动。汽车工业运用这种类型的机器人最多。(2)喷漆：喷漆易引发火灾，同时有害于身体健康，因此，喷漆作业是机器人特有的用途。使用喷漆机器人的另一个优点是涂层比人工喷涂的更加均匀。(3)磨削：利用工业机器人对焊缝或工作表面进行磨削。(4)零部件装卸和传送：常用于生产线上。将零件从一个位置移至工作区的另一个位置，有码放和卸货两种操作，或在金属加工中，将零件从一个工作区送至另一个工作区。下页图表示用机器人传送锻造毛坯的工作流程：进料器将工件送至A点→机器人R1将工件送至B点→涂膜并转至C点→机器人R1将工件送至D点（干燥台）并旋转至E点正好干燥→大机器人将工件从E移至F点（加热转台）旋转一周至G点→从G点至H点锻打→机器人R2将加工好的工件料箱或传送带上。自动锻造工作站示意图(5)其他应用水下机器人：用于海底矿物探测、打捞沉船、在海上或干式船坞中修理船舶等。军用机器人：海军和空军对移动式消防机器人感兴趣，由于配有红外传感器，在紧急关头，能够作出比人更快的反应。还有装炮弹机器人等。发电厂机器人：在核发电厂，由于核燃料有放射作用，很多工作更适合于机器人操作。如：给活动筛附属装置上润滑油；阀门密封件的检修等。家用机器人：组装机器人：自动工厂中的机器人：机器人的未来用途是成为全自动化工厂或加工车间的一个组成部分工业机器人的发展：•提高速度和运动精度，减少重量和占地面积•部件的标准化和模块化•使用新型结构•开发各种新型传感检测设备•发展人工智能的推理和决策技术2.工业机器人的机械系统1)手部(末端执行器)工业机器人的手部也叫末端操作器，它直接装在工业机器人的手腕上用于夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定的工作。(1)手部的特点A.手部与手腕相连处可拆卸手部与手腕处有可拆卸的机械接口：根据夹持对象的不同，手部结构会有差异，通常一个机器人配有多个手部装置或工具，因此要求手部与手腕处的接头具有通用性和互换性。手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手部的驱动方式不同造成。对这些部件的接口一定要求具有互换性。B.手部是末端操作器可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是专用工具。每个手指有三个或四个关节。技术关键是手指之间的协调控制。末端操作器图例2C.手部是一个独立的部件工业机器人通常分为三个大的部件：机身、手臂（含手腕）、手部。手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系着夹持工件时的定位精度、夹持力的大小等。D.手部的通用性比较差工业机器人的手部通常是专用装置：一种手爪往往只能抓住一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近的工件；一种工具只能执行一种作业任务。(3)手部的构成主要有手指、驱动机构和传动机构组成。(4)手部的分类A.按用途分•手爪：具有一定的通用性。主要功能是：抓住工件、握持工件、释放工件。抓住：在给定的目标位置和期望姿态上抓住工件，工件必须有可靠的定位，保持工件和手爪之间的准确的相对位置关系，以保持机器人后续作业的准确性。握住：确保工件在搬运过程中或零件装配过程中定义了的位置和姿态的准确性。释放：在指定位置结束手部和工件之间的约束关系。•工具：进行作业的专用工具。B.按夹持方式分外夹式手部与被夹件的外表面相接触。内撑式手部与工件的内表面相接触。内外夹持式手部与工件的内、外表面相接触。夹持方式图例C.按手爪的运动形式分回转型当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。平动型手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。平移型当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心的固定不变，不受工件直径变化的影响。回转型图例压缩弹簧拉伸弹簧平动型图例平移型图例该丝杆的螺纹具有什么特点？此时手部是张开还是合拢？D.按夹持原理分手指式：外夹式、内撑式、内外夹持式。平移式、平动式、旋转式。二指式、多指式。单关节式、多关节式。吸盘式：负压吸盘：真空式、喷气式、挤气式。磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。(5)典型结构A.机械式手爪结构气动驱动手爪：气缸驱动活塞平移→齿条移动→扇形齿轮摆动→连杆机构摆动→手爪平动气动手爪图例问题：1、分析手部的运动。2、手部作的是什么类型运动？机械手爪图例重力式手爪齿轮齿条式手爪滑槽式手爪拨杆杠杆式手爪B.电磁吸盘电磁吸盘的结构：主要由磁盘、防尘盖、线圈、壳体等组成。工作原理：夹持工件：线圈通电→空气间隙的存在→线圈产生大的电感和启动电流→周围产生磁场(通电导体一定会在周围产生磁场)→吸附工件放开工件：线圈断电→磁吸力消失→工件落位适用范围：适用于用铁磁材料做成的工件；不适合于由有色金属和非金属材料制成的工件。适合于被吸附工件上有剩磁也不影响其工作性能的工件。适合于定位精度要求不高的工件。适合于常温状况下工作。铁磁材料高温下的磁性会消失。电磁吸盘图例C.真空式吸盘构成:由真空泵、电磁阀、电机和吸盘等构成。工作原理：形成真空吸附工件：电机→真空泵→3＃电磁阀左侧→从吸盘5处抽气释放工件：电机、泵停转→大气经6＃口→4＃电磁阀左侧→3＃电磁阀右侧→送气至吸盘5处真空吸盘控制系统图例1Y2Y真空吸盘结构图例D.自适应吸盘结构特点：该吸盘具有一个球关节，使吸盘能倾斜自如，适应工件表面倾角的变化。E.异形吸盘结构特点：可用来吸附鸡蛋、锥颈瓶等物件。扩大了真空吸盘在机器人上的应用。F.喷气式吸盘工作原理：压缩空气进入喷嘴后，利用伯努利效应，当压缩空气刚进入时，由于喷嘴口逐渐缩小，致使气流速度逐渐增加。当管路截面收缩到最小处时，气流速度达到临界速度，然后喷嘴管路的截面逐渐增加，使与橡胶皮碗相连的吸气口处，造成很高的气流速度而形成负压。应用：在工厂一般都有空压站，喷气式吸盘在工厂得到广泛的应用。喷气式吸盘图例(7)挤气式吸盘主要构成：吸盘架、压盖、密封垫、吸盘工作原理：挤气式吸盘工作原理图(6)手部结构的应用实例A.平行指手爪机构工作原理：回转动力源1和6驱动构件2和5顺时针或逆时针旋转，通过平行四边形机构带动手指3和4作平动，夹紧或释放工件。B.设有检测开关的手爪装置工作原理：手爪装有限位开关5和7。在指爪4沿垂直方向接近工件6的过程中，限位开关检测手爪与工件的相对位置。当工件接触限位开关时发信号，汽缸通过连杆3驱动指爪夹紧工件。C.上料吸盘AD.上料吸盘B2)工业机器人的驱动系统工业机器人常用驱动系统主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种形式。每种方式都有直线型和旋转型。直线型电动直线电机液压活塞液压缸气压伸缩软管、气缸旋转型电动直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机液压旋转马达气压气压马达、涡轮各种主要驱动方式特点的比较方式内容液压驱动气压驱动电气驱动交、直流电机伺服电机、步进电机输出力大小大小控制性能可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精确定位难，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在输出力相同条件下体积小较大要有减速装置，故体积较大较小维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便方便较复杂对环境影响易漏油，易燃排气有噪声无无应用范围重型低速驱动中小型快速驱动抓取重量大而速度低的中、重型机器人可用于要求严格控制运动轨迹的中小型机器人成本元件成本较高低低较高3)工业机器人的传动机构传动机构用来将原动机发出的机械能传递给关节或其他工作部分，以实现机器人各种必要的运动。常用传动方案如下表所示。常用传动机构有齿轮传动、螺旋传动、带及链传动等。直线电机III变速电机(回转关节)伺服电机(减速机构)(回转变直线机构)(直动关节)II液压泵或空压机(液压或气动驱