工业机器人

第二节机器人的定义与分类一、定义工业机器人是用来进行搬运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。二、特点1、可编程：根据工作环境变化的需要可再编程；2、拟人化：类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪；3、通用性：更换手部末端可执行不同的作业任务；4、机电一体化；光机电液的任意组合；5、自适应性：与外界环境的交互能力。三、优点1、减少劳动力费用；2、提高生产率；3、改进产品质量；4、增加制造过程的柔性；5、降低生产成本；6、消除危险和恶劣的劳动岗位。工业机器人机械结构的三大件•机器人运动功能常用图形符号四、分类1、按结构分类按结构分类直角坐标式球坐标式关节坐标式圆柱坐标式2、按发展进程分类按发展进程分类第一代可编程机器人第二代感知机器人第三代智能型机器人3、按控制方法分类按控制方法分类点位控制机器人连续轨迹控制机器人可控轨迹机器人伺服型与非伺服型机器人4、按功能分类按功能分类顺序控制型机器人自适应机器人智能机器人可控轨迹机器人示教再现型机器人五、应用领域1、恶劣、危险的工作场合如：爬壁机器人冲床上、下料采矿水下作业2、特殊作业场合：对人来说力所不能及的地点如：外太空航天飞机3、自动化生产领域如：焊接机器人--汽车制造厂承重大梁、车身结构的焊接；材料搬运—码垛、卸货；检测机器人—零件制造过程中的检测装配机器人—较复杂的作业过程，即要检测装配作业过程中的误差，又要试图纠正这种误差喷漆、喷涂机器人第三节机器人的组成及运动一、机器人的基本组成三大部分：机械部分—执行机构传感部分—信息交互控制部分—处理中心二、工业机器人技术参数（制造商在供货时提供的技术数据）1、自由度：机器人所具有的独立坐标轴运动的数目；•2、精度：定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力。3、工作范围：机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域；4、最大工作速度1）工业机器人主要自由度上最大的稳定速度；2）工业机器人手臂末端最大的合成速度。5、承载能力：机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。其大小取决于：1）负载的质量；2）机器人运行的速度、加速度的大小、方向。通常指高速运行时的承载能力。第二章机器人驱动系统设计驱动装置是带动臂部到达指定位置的动力源，目前常用的主要有四种驱动方式：液压驱动、气压驱动、直流电机驱动和步进电机驱动第一节液压驱动液压驱动是以高压油作为工作介质。驱动机构可以是闭环的，也可以是开环的；可以是直线的，也可以是旋转的。其工作原理都是基于高压油对活塞或叶片的作用。一、直线液压缸二、旋转执行元件三、电液伺服阀四、采用液压驱动的优、缺点优点：1、易达到较高的单位面积压力（通常2.5~6.3MPa），可获得较大的推力或转矩；2、压力油可压缩性小，可得到较高的位置精度；3、液压传动中，力、速度和方向易实现自动控制；4、具有防锈性和自润滑的性能。缺点：1、油液粘度随温度变化而变化，影响工作性能；2、液体的泄露难以克服，这就要求液压元件有较高的精度和质量，从而提高了造价；3、要提供滤油装置。第二节气压驱动一、气动执行元件1、直线气缸2、旋转气动马达二、工作介质：高压空气三、应用场合：完成挡块间运动四、气压驱动优、缺点优点：1、易达到高速；2、无环境污染；3、工作压力低，因而制造精度要求低。缺点：1、压缩空气常用压力在0.4~0.6MPa，要想获得较大的出力，其结构也要增大；2、空气压缩性大，工作平稳性差，难以实现精确的位置控制；3、除水问题：处理不好易引起钢类零件生锈；4、排气问题：噪声污染。第三节直流电机驱动一、直流电机工作原理(视频）二、对直流伺服电机的要求1、直流伺服电机定义：直流电机的转动是平滑且连续不断的，因而要实现精确的位置控制，必须加入位置反馈；机器人的运动要过到一定的速度要求，还要加入速度反馈。这样，一个直流电机和位置反馈、速度反馈形成一个整体，即直流伺服电机。2、要求：1）调速范围要宽；2）负载特性要硬（抗干扰性强）；3）反应速度要快（动态响应特性好）。3、直流伺服电机的种类：三、直流伺服电机的选择（一）初选电机选择电机，首先要考虑电机必须能够提供负载所需要的瞬间转矩和转速，就是能够提供克服峰值所需要的功率。其次，当电机的工作周期可以与其发热时间常数相比较时，必须考虑电机的热定额问题，通常以负载的均方根功率作为确定电机发热功率的基础。如果要求电机在峰值下以峰值转速驱动负载，则电机功率可按下式估算：如果电机长期连续地工作在变载荷之下时，比较合理的是按负载均方根功率估算电机功率：（发热校核、转矩过载校核略）初选电机后，一系列的技术数据，如额定转矩、额定转速、额定电压、额定电流、转子转动惯量，均可由产品目录直接查得或经过计算求得。值得注意的是，电机的选择不仅取决于功率，还取决于系统的动态性能要求、稳定精度、低速平稳性、电源是直流还是交流等因素。（二）电机的转矩特性四、总传动比的选择（一）负载力矩特性要考虑两种情况：1、峰值力矩：经常在机器人关节处电机起动时出现，也是电机最严重的工作情况；2、均方根力矩：电机在长期连续变载荷工作下的情况。（二）折算最佳总传动比1、折算峰值力矩最小的最佳总传动比2、折算均方根力矩最小的最佳总传动比第四节步进电机驱动一、工作原理步进电机是将电脉冲信号变换成角位移（或线位移）的一种机电式数模转换器。下面以三相步进电机来说明其工作原理。1、三相三拍运行方式由于每次只有一相绕组通电，在绕组电流切换的瞬间，电机将失去自锁力矩，容易造成失步。此外，因为只有一相绕组吸引转子，易在平衡位置附近发生振荡，稳定性不佳，故单三拍运行方式很少采用。2、三相六拍运行方式二、步进电机的选择1、类型1）反应式步进电机定义：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行。特点：步距角小，运行频率高,结构简单2）激磁式步进电机定义：定、转子均有激磁绕组（或转子采用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行。特点：永磁式：控制功率小，电磁阻尼大，断电时具有定位转矩；电磁式：输出转矩大，输入脉冲电流小，低频工作时稳定可靠，高频工作时矩频特性好；3）永磁反应式：兼具反应式步进电机与永磁式步进电机的特点。2、步距角定义：每输入一个电脉冲信号转子转过的角度（指机械角度）。步进电机就是为了转子转动时具有固定的步进位置而设计的。步进电机的步距角范围很广，从0.75~30度不等。•步距角的大小是如何确定的：1）齿距角：转子相邻两齿间的夹角。2）步距角：转子每步转过的空间角度zt0360Nz0360三、步进电机的驱动两种驱动方式：1、硬件：环形分配器。其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式分配给步进电机各相绕组，使其各相绕组按照预先规定的时间顺序通、断电。环形分配器是由晶体管或集成电路的逻辑门、触发器等逻辑单元构成。2、软件：以软件编程的方式按照环形分配的原则对步进电机各相绕组通、断电相序进行控制。第三章机器人机械系统设计第一节总体设计一、主体结构设计工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。比较广泛使用的工业机器人坐标形式有：直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式（极坐标式）、关节坐标式。1、直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业。其主体结构具有三个自由度，通常要求手臂能垂直上下移动，并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移动。手腕的自由度多少视用途而定。2、圆柱坐标机器人主体结构具有三个自由度：腰转、升降、手臂伸缩。手腕通常采用两个自由度：绕手臂纵向轴向转动、与手臂垂直的水平轴线转动。3、球面坐标式机器人主体结构有三个自由度：绕柱身的转动、绕水平轴线的转动、手臂伸缩。机器人实际工作范围的形状是个不完全的球缺。手腕应具有三个自由度。当机器人主体运动时，装在手腕上的末端操作器才能维持应有的姿态。4、关节坐标式机器人主体结构有三个自由度：腰转关节、肩关节、肘关节。全部是转动关节。手腕上三个自由度（俯仰、偏转、翻转）也都是转动关节。各种结构类型特点优点缺点直角坐标式机器人1.结构简单；2.容易编程；3.采用直线滚动导轨后，速度高，定位精度高；4.X，Y，Z三个坐标轴方向上的运动互不干涉，设计控制系统相对容易。1、导轨面的防护比较困难，不能像转动关节的轴承那样密封得很好；2、导轨的支承结构增加了机器人的重量，并减少了有效工作范围；3、为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨，价格高；4、结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大；5、移动部件惯量较大，增加了驱动装置的尺寸和能量消耗。圆柱坐标式机器人1、增加了通用性；2、结构紧凑；3、在垂直方向和径向有两个往复运动，可采用伸缩套筒式结构，在很大程度上减少了转动惯量。1、由于机身结构的缘故，手臂不能抵达底部，减少了机器人的工作范围。球面坐标式机器人1、工作范围大。1、设计和控制复杂。关节坐标式机器人1、结构紧凑，工作范围大，安装占地面积小；2、具有很高的可达性；3、由于没有移动关节，所以不需要导轨；4、关节驱动力矩小，能量消耗较少。1、机器人结构刚度低（因肘关节和肩关切题轴线是平行的，当大小臂舒展成一直线时能达到的工作点远，但刚度低）；2、机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。二、材料的选择结构件材料选择是工业机器人机械系统设计中的重要问题之一。正确选用结构件材料不仅可降低工业机器人的成本价格，更重要的是可适应工业机器人的高速化、高载荷化及高精度化，满足其静力及动力特性要求。1、材料选择的基本要求与一般机械设备相比，机器人结构的动力特性是十分重要的，这是材料选择的出发点。1）强度高：机器人的臂是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量；2）弹性模量大：构件的刚度（或变形量）与材料的弹性模量E、G有关，弹性模量越大，变形量越小，刚度越大；3）重量轻：在机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由于惯性力引起的，与构件的质量有关；4）阻尼大：机器人的臂经过运动后，要求能平稳地停下来。由于构件终止运动的瞬时，会产生惯性力和惯性力矩，加上构件自身的弹性，会产生“残余振动”。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，应采用大阻尼材料来吸收能量。2、结构件材料介绍1）碳素结构钢、合金结构钢：强度好，特别是合金结构钢强度增大了4~5倍，弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料；2）铝、铝合金及其它轻合金材料：重量轻、弹性模量E并不大，但材料密度小。故E/P仍可与钢材相比；3）纤维增强合金：硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，都有极高的E/P比；4）陶瓷：脆性大，但具有良好的品质（防磁、防电、防水）；5）纤维增强复合材料：这类材料肯有极好的E/P比，但存在老化、蠕变、高温热膨胀、与金属件连接困难等问题。这种材料不但重要轻、刚度大，而且还具有十分突出的阻尼大的优点，在高速机器人上的应用较广泛；6）粘弹性大阻尼材料。第二节传动部件设计一、移动关节导轨及转动关节轴承（一）移动关节导轨1、工业机器人对移动导轨的要求移动关节导轨的目的是在运动过程中保证位置精度和导向，其要求如下：1）间隙小或能消除间隙；2）在垂直于运动方向上的刚度要高；3）摩擦系数低且不随速度变化；4）高阻尼；5）移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低；2、移动关节种类及其特点优缺点种类优点缺点普通滑动导轨液压动压滑动导轨1、结构简单；2、成本低。1、必须留有间隙，以便润滑，而机器人载荷的大小和方向变化很快，间隙的存在又将会引起坐标位置的变化和有效载荷的变化。2、摩擦系数随速度的变化而变化，低速时易产生爬行现象。液压静压滑动导轨1、能产生预载荷，能完全消除间隙；2、高刚度、低摩擦、高阻尼；1、需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。气浮导轨1、摩擦小。1、刚度、阻尼较低；2、对制造精度和环境条件要求较高滚动导轨1、摩擦小且不随速度变化；2、尺寸小；3、刚度高