中英对照工业机器人

1、外文资料译文工业机器人早在机器人变为现实之前，机器人与机器人学这两个术语就已经提出来了。1923 年，随着捷克剧作家卡雷尔查陪克的剧本 R.U.R(罗苏姆的通用机器人)英文译本的问世，机器人这一术语就开始进入英语。机器人 robot 一词源于捷克语，该词意指奴隶或劳工。1942 年，另一位作家艾萨克埃思穆乌(他曾经撰写过许多有关机器人的短篇小说)在创立机器人学三个法则时就提出了机器人学这个专业术语。他曾推断，机器人应该有特殊电路，使其始终遵循下述三个基本原则：(1)机器人不能伤害人类，也不能通过不执行指令而使人类受到伤害；(2)在不违背第一条法则的前提下，机器人必须遵从人类意志；(3)再不违背

2、第一、二条法则的前提下，机器人必须保护自身不受伤害。当时撰写的这些故事纯属科学幻想。今天，随着机器人变为现实，分析这些机器人法则，从中获得很有价值的理念，可供机器人专家设计人控制系统时参考。1.机器人的定义机器人是一种可重复编程的多功能操作器，其设计用途是输送物料、工件、刀具及一些特殊装置，通过各种程控运动来完成多种不同任务。以上定义被普遍认可，其特点是：工业机器人可以重复编程，且能够沿多种不同轨迹运动。2 .机器人的发展史随着数控机床的发展，模仿人类手臂操作工件的想法便自然地提出来了。与常规观点相反，机器人学并非最近发展起来的。事实上，早在 20 世纪 60 年代初期，美国人便制造出第一批机

3、器人。万能自动化公司于 1961 年就生产出机械手臂，其控制装置的时序是由操作者预设的。然而，鉴于这项工作尚属试验，为了避免公众对该项目的抵制情绪，当时的仿形程度较低。1974 年，辛辛那提Millicron 机器人成为首例以小型计算机控制的机器人。然而，就在同一年，瑞典 ASE 怂司推出了它的 IRB6 机器人。这种机器人一直在全球畅销，现在(1991 年)还在生产，唯一的重大改进是控制柜电子装置与软件的升级。所以，当人们以为美国正在建立机器人技术的时候，像日本和瑞典这样一些国家，机器人在工业中的应用已经达到很高的水平。近来有许多原因促使人类愈来愈意识到应用工业机器人的重要性，其中有些原因是

4、日益增加的花费所致：例如培训新工人的费用、改进设计与产品性能的花费、计算机与传感器技术飞速发展所致的费用，以及雇员们希望摆脱平淡、重复、有潜在危险工作环境的花费等。3 .机器人运动机构的确定为了划分一种工业机器人的设计属于何种类型，我们必须鉴别其运动结构。为了确定运动结构，我们必须知道所有关节的类型与机械手臂具有的“自由度”。与人类手臂一样，机器人手臂由一系列连杆与关节组成。关节是连接两个连杆的部件，它允许两个连杆之间存在相对运动。每个机器人都有一个基座，该基座一般稳定在地面上。但是，基座亦可稳定在墙壁或者天花板上，并能归并到一个构台上。所有这些都使机器人具有节省空间的优点，并增大了工作范围，

5、从而增强了终端执行器(描述机器人手臂终端工具的一个通用术语)的操作能力。机器人的手臂的第一个连杆与基座相连，最后一个连杆与终端执行器相连。一般而言，机器人手臂上的关节越多，其动作就越灵活。4 .关节的类型下面罗列出在工业机器人手臂上使用的几类关节，机械手臂由其中某种关节组成，或由几种关节复合而成。(1)回转关节：回转关节允许在两个连杆之间进行转动或旋转运动；(2)柱状关节：柱状关节允许在两个连杆之间进行直线运动；(3)球窝关节：球窝关节允许在两个连杆之间进行三种转动或旋转运动。由于很难驱动，球窝关节在工业机器人上很少使用。5 .机器人的类别可以把机器人按它们的关节类型分为下列五组，其中距机器人

6、基座最近的那三组关节将决定机器人的类别，其他两组关节给终端执行器以更大的运动柔性。(1)笛卡尔型(2)圆柱形(3)球面型(4)平面关节型(5)垂直关节型6 .自由度机械手臂所具有的“自由度”是定义其关节数的常用术语。每一个关节允许在两个连杆之间进行相对运动，形成一个自由度。若能沿着或绕着两个关节运动时，就是两个自由度，其余依次类推。多数机器人有 4-6 个自由度。与人相比，从肩膀到手腕，人的胳膊共有 7 个自由度，这还不包括手，它单独就有 22 个自由度！7 .机器人的基本组件机器人系统有一系列基本组件：(1)操作机。(2)控制器。(3)动力设置。(4)终端执行器(夹持器、点焊机、MIG 焊机

7、等)。8 .驱动装置操作机的运动由传动器或驱动装置控制，传动器或驱动装置使各轴在工作单元内运动。驱动装置可使用电能、液压能或气压能工作。驱动系统提供的能量通过各种机械驱动装置转换成机械能。各驱动系统用机械联动装置连接起来，而这些联动装置又驱动机器人的各个轴的运动。机械联动装置可由链、齿轮及滚珠丝杠组成。9 .其他(1)工作范围对于从事与机器人系统相关工作的人员来说，最重要的是弄清楚机器人究竟能触及多远。人们把机器人能够触及到的区域定义为该系统的工作范围，而该范围内所有编程点都视为系统的组成部分。这样，若把手臂终端辅具连到机器人上，系统工作范围就延伸了辅具长度。这种工作范围的扩大对操作者的安全非

8、常重要，在设计机器人工作单元时必须予以考虑。(2)轨迹轨迹是一个技术用语，是指动点在某些约束下运动而描绘出的具有一定形状的踪迹。机器人手臂末端在移动时扫出一条迹线，并可穿越空间形成许多三维迹线，这样便得到许多不同的轨迹。机械手臂被限制在由其实际几何形状所决定的哪些路径上运动。机械手臂所能产生的全部轨迹联合形成一个三维的工作区域，该区域就称为工作区域。(3)控制器控制器是机器人系统运行的中枢。控制器的功能大体归为以下几类：控制各个轴的移动、位置与速度；程序控制、各轴之间的协调；控制输入、输出设备；控制整个系统，机器人可能只是该系统的一个组成部分。(4)动力装置动力装置给控制器与操纵机提供动力。有

9、两种能量可供机器人系统使用：一种是交流电，供操纵控制器使用；另一种用来驱动操纵机的各个运动轴，可能是压力能、气压能或电能。(5)工业机器人的自动化与集成化随着工业革命的到来，制造工艺变得既专业化，又机械化。不再是一个人设计制造和交付产品，而是工人和/或机床来完成这些宽广的领域中每个领域内的专门任务。这些独立机构间的通讯是用图纸、技术要求、任务书、工艺规程以及其它通讯辅助手段来完成的。为了保证成品件与计划的产品相匹配，引入了质量控制的概念。机械化阶段积极的一面是：它允许批量生产、零件的互换性、不同级别的精度以及一致性；缺点在于缺乏集成化而导致大量浪费。自动化提高和增强了专业化制造部分中人与机器的

10、性能和能力。例如：CAD增强了设计人员和起草者的能力。CNC 增强了机械师和计算机辅助规划人员的能力。但是自动化带来的进步在独立的部分或小岛内是孤立的。因此，自动化并不能总是实现自己的潜力。为了理解自动化关于总的生产力提高的局限性，思考以下的类比。假设一辆汽车的各个子系统(如发动机、转向、刹车)都是自动化的，以使驾驶员的工作更轻松。自动加速、减速、转向和刹车当然比手操纵型更有效率。然而，想一下如果这些各种各样的自动化子系统没有以一种允许它们即时不断的交流和共享精确、最新的信息的方式联系在一起，将会发生什么事情。一个系统可能试图给汽车加速而另一个子系统正想刹车。在自动化制造的环境中有同样的局限性

11、。正是这些局限性导致制造发展到现在的阶段，即集成化阶段的出现。随着计算机时代的来临， 制造业已经完成了整个发展循环。 它开始时是一个集成的概念， 而 CIM又一次变成了一个集成的概念。然而，今天的制造集成化与过去手工时代的集成化有重要的区别。首先，手工时代集成化的仪器是人的大脑。现代制造的集成化的仪器是计算机。其次，现代制造环境中的工艺依旧是专业化与自动化。另一个观察 CIM 发展史的方法是检查在过去的一些年里一些 CIM 单独的部分发展的道路。这些部分如设计、规划以及生产已经作为一种工艺，和用来完成这些工艺所用到的工具和设备也进行了演变。设计已经从使用诸如直尺、三角板、铅笔、比例尺和橡皮擦的

12、手工工艺演变成为一种称为 CAD的自动化工艺。工艺规划已经从使用诸如规程表、图解和图表的手工工艺演变成为一种称为计算机辅助规划（CAPP）的自动化工艺。生产已经从包含手工机器的手工工艺演变成为一种称为计算机辅助制造（CAM）的自动化的工艺。这些单独的制造部分演变多年后成为独立的自动化小岛，然而在这些小岛之间的通讯仍然是人工处理。这限制了整个制造工艺中可能实现的生产力发展的水平。当通过计算机网络将这些小岛和其他的自动化制造部分联系起来时，这些局限性就可以得到克服（6）为何使用机器人对于使用工业机器人这件事情，机器人行业的主要理由集中在：装备机器人能够提高生产效率、改进质量管理、提高工人的工作满意

13、程度。说明这个理由时，人们最常用的例子是：机器人把人们从危险恶劣的环境中解脱出来，使人们不再从事枯燥无味的工作。增加效益管理的主要功能在于提高、至少维持效益。实施证明，如果正确选择与安装工业机器人，它便可以长期执行任务，多数情况下比人类生产效率更高，并能不知疲倦地持续工作。在工作性质特殊而使生产效率持续波动的场合，使用机器人有助于稳定生产效率。不论是哪一种情况，运用机器人技术一般意味着提高企业的生产效率。可以用一个实例说明这是如何实现的。例如在货物装运时，一个正常工作日需要雇佣两名工人，那么他们的工作可以用一个机器人来取代。这样，失业者的行列中就又会增加两人。如果该公司为了满足生产需要采用两班

14、或三班制，那么，使用工业机器人后就会有六人空闲。质量管理质量管理问题经常为人们所忽视。使用合理设计的机器人设备，可以保证产品质量的稳定性，从而消除“周五轿车”现象与其他劣质产品。质量的提高使昂贵的回收与顾客索赔减少、销售更好，进而导致雇佣更多的工人，以生产更多的产品。IndustrialRobotThetermrobotandroboticswerecreatedwellbeforerobotsbecamethereality.ThetermrobotsfirstenteredtheEnglishlanguagewiththetranslationofCzechoslovakianplaywr

15、ightKarelCapeksplayR.U.R.(RossersalRobtU),iin1923.ThewordrobotcomesfromtheCzechrobotthatmeansslaveorworker.In1942,anotherauthorIsaacAsimov(whowrotemanyshortstoriesaboutrobot),createdthetermroboticswhenheestablishedhisThreeLawsofRobotics.Robots,hereasonedwouldhavespecialcircuitrytomaketherobotalwaysc

16、onformtothesebasiclaws:(1) Arobotmustnotharmahumanbeing,northroughinactionallowonetocometoharm;(2)Arobotmustalwaysobeyhumanbeings,unlessthatisinconflictwiththefirstlaw;(3) Arobotmustprotectitselffromharm,unlessthatisinconflictwiththefirstorsecondlaw.Whenthesestorieswerewrittentheywerepuresciencefict

17、ion.Todaywithrobotsareality,analyzingtheselawsofroboticsprovidesaworthwhileconceptforroboticiststoconsiderwhendesigningrobotcontrolsystems.RobotDefinitionArobotisare-programmable,multi-functionalmanipulatordesignedtomovematerials,parts,toolsandspecialdevicesthroughavarietyofprogrammedmotionsforthepe

18、rformancecampaignstocontrolavarietyofdifferenttasks.Thisdefinitionisuniversallyrecognized.Themainpointisthatindustrialrobotsarere-programmable,andarecapableofdifferenttypesofpathmovements.TheDevelopmentofRobotsWiththedevelopmentofnumericallycontrolledmachinestheconceptofimitatingahumanarmtomanipulat

19、epartsbecameanaturalprogression.Incontrastwiththeconventionalview,roboticswasnotdevelopedrecently.Infact,thefirstrobotswerecreatedintheearly1960snAmerican.Unimationproducedarobotarmin1961withthecontrolunitsequencesetbytheoperator.Butduetotheexperimentalnatureoftheworkalowprofilewaskeptmainlytoavoida

20、dversepublicreactiontotheproject.In1974CincinnatiMillicronwasthefirstmini-computercontrolledrobot.However,inthesameyear,theIRB6robotwasintroducedbytheSwedishcompanyASEA.Thisrobothasbeenmarketedallovertheworldandisstillinproductiontoday(1991)withtheonlysignificantimprovementsinthecontrolcounterelectr

21、onicdevicesandsoftwareupgrades.Therefore,whentheUnitedStatesmaybecreditedforestablishingthetechnologyforrobotics,countrieslikeJapanandSwedenhaveutilizedittoagreaterextentinindustrialapplications.Manyreasonscanbeattributedtotheincreaseinawarenessanduseofindustrialrobotsinrecenttine;somebeingtheeverin

22、creasingcostofunskilledlabor,betterdesignandperformance,therapidadvancesincomputerandsensorytechnology,thedesiretotakeemployeesawayfrommundane,repetitiveorpotentiallydangerousworkenvironments.DeterminingaRobotsKinemStructureTobeabletoclassifytowhatorderofdesignanindustrialrobotbelongsto,wemustbeable

23、toidentifyitskinematicstructure.Inordertodeterminethekinematicstructure,weneedtorecognizethejointtypesusedandthedegreeoffreedomthearmhas.Likethehumanarm,therobotarmismadeupofaseriesoflinksandjoints.Thejointisthepartofthearmthatconnectstwolinksandallowsrelativemovementbetweentheconnectingrod.Eachrobo

24、thasabasethatisnormallysecuredtothefloor.However,thebasecanalsobesecuredtoawallorceilingandcanalsobeincorporatedintoagantry.Allgivetheadvantageofsavingfloorspaceandimprovetherobotsreach,thusgivingtheEndEffector(whichisageneraltermusedtodescribethetoolingontheendoftherobotsarm)greatermanipulativepowe

25、r.Thefirstlinkoftherobotarmisconnectedtothebaseandthelastlinkisconnectedtotheendeffector.Ingeneral,themorejointsintherobotarmthegreaterthedexterityithas.JointTypesThelistbelowshowsthetypesofjointsthatcanbeusedforindustrialrobotarms,thearmisconstructedfromeitheroneparticulargroupofjointsoracombinatio

26、nofthese:(1) Revolute:Revolutejointsaresimplythosethatallowrevolute,orrotarymotionbetweentwolinks;(2)Prismatic:Prismaticjointsallowlinearmotionbetweenthetwolinks;(3) BallandSocket:Ballandsocketjointsallowthreerevoluteorrotarymotionsbetweenthetwolinks.Ballandsocketjointsinrobotsareseldomusedduetoagre

27、aterdifficultyinactivatingthem.ClassificationofRobotsRobotscanbeclassifiedbytheirjointtypesintooneofthefollowingfivegroups.Thethreegroupsclosesttotherobotsbasewilldetermineitsclassification;theotherjointsareincludedtogivetheendeffectorgreaterflexibilityofmovement.(1) Cartesian(2) Cylindrical(3) Sphe

28、rical(4) Horizontallyarticulated(SCARA)(5) Verticallyarticulated.DegreesofFreedomAcommontermdefinethenumberofjointsinarobotarmisthe“DegreefFreedomanarmhas.Eachintallowsrelativemotionbetweenthetwolinks,givingitonedegreeoffreedom.Whenmotionispossiblealongoraroundtwojointsthentherearetwodegreesoffreedo

29、mandsoon.Mostrobotshavebetweenfourandsixdegreesoffreedom.Asacomparisonthehumanarmhassevendegreesoffreedomfromtheshouldertothewrist,butincludingthelandwhichhastwenty-twodegreesoffreedomalone!BasicRobotComponentsTherobotsystemhasaseriesofbasiccomponents:(1)Manipulater.(2)Controller.(3)PowerSupply.(4)E

30、ndEffector(grippers,spotorMIGweldersetc).DriveSystems:Themovementofthemanipulatoriscontrolledbyactuators,ordrivesystem.Theactuatorordrivesystemallowsthevariousaxestomovewithintheworkcell.Thedrivesystemcanuseelectrical,hydraulicorpneumaticpower.Theenergydevelopedbythedrivesystemisconvertedtomechanica

31、lpowerbyvariousmechanicaldrivesystems.Thedrivesystemsarecoupledthroughmechanicallinkages.Theselinkages,inturn,drivetheaxesoftherobot.Themechanicallinkagesmaybecomposedofchains,gearsandballscrews.OthersWorkEnvelopsThemostimportantcharacteristictoanyindividualworkingneartheroboticsystemishowfartherobo

32、tcanreach.Thereachoftherobotisdefineastheworkenvelopeofthesystem.Allprogrammedpointswithinthereachoftherobotarepartofthesystem.Thusanyend-of-armtoolingisattachedtotherobot,theworkenvelopesizewillincreasebythelengthoftheend-of-armtooling.Thisincreaseddimensionisveryimportantforthesafetyoftheoperators

33、andmustbeconsideredinthedesignoftherobotsworkcell.LocusandLociAlocusisatechnicaltermfortheshapeofapathtrahedoutbyapointconstrainedtomoveundercertaincondition.Theendpointofarobotsarmtracesoutapathwhenitiscausedtomoveandiscapableoftraversingagreatnumberofpathsinthreedimensions,thusproducingmanydiffere

34、ntloci.Thearmisconsideredtomoveinpathsdeterminedbyitsphysicalandgeometricalconfiguration.Thesumofallthepossiblelociwhichtherobotarmiscapableofgeneratingcombinestofromathree-dimensionworkingvolumecalledaworkingenvelope.ControllerThecontrollerintheroboticsystemistheheartoftheoperation.Thepracticalaspe

35、ctsofthecontrollerfallbroadlyintothefollowingcategories.Controlofaxismovement,positionandvelocity;Programcontrolandaxiscoordination;Controlofinputandoutputdevices;Overallsystemcontrolofwhichtherobotmaybejustoneelement.PowerSupplyThepowersupplyistheunitthatsuppliespowertothecontrollerandthemanipulato

36、r.Twotypesofthepoweraredeliveredtotheroboticsystem.OnetypeofpoweristheACpowerforoperationofthecontroller.Theothertypeofpowerisusedfordrivingthevariousaxisofthemanipulator.Thispowercanbedevelopedfromeitherahydraulicpowersource,apneumaticpowersourceoranelectricpowersource.TheAutomationandIntegrationof

37、theIndustrialRobotWiththeadventoftheindustrialrevolution,manufacturingprocessesbecamebothspecializedandmechanized.Insteadofonepersondesigning,producing,anddeliveringaproduct,workersand/ormachinesperformedspecializedtaskswithineachofthesebroadareas.Communicationamongtheseseparateentitieswasachievedus

38、ingdrawings,specification,joborders,processplans,andavarietyofothercommunicationaids.Toensurethatthefinishedproductmatchedtheplannedproduct,theconceptofqualitycontrolwasintroduced.Thepositivesideofthemechanizationstagewasthatitpermittedmassproduction,interchangeabilityofparts,differentlevelsofaccura

39、cy,anduniformity.Thedisadvantageisthatthelackofintegrationledtoagreatdealofwaste.Automationimprovedtheperformanceandenhancedthecapabilitiesofbothpeopleandmachineswithinspecializedmanufacturingcomponents.Forexample,CADenhancedthecapabilityofdesignersanddrafters.CNCenhancedthecapabilitiesofmachinistsa

40、ndcomputer-assistedplanners.Buttheimprovementsbroughtonbyautomationwereisolatedwithinindividualcomponentsorislands.Becauseofthis,automationdidnotalwaysliveuptoitspotential.Tounderstandthelimitationofautomationwithregardtooverallproductivityimprovement,considerthefollowinganalogy.Supposethatvarioussu

41、bsystemsofanautomobile(i.e.,theengine,steering,brakes)wereautomatedtomakethedriversjobeasier.Automaticacceleration,deceleration,steering,andbrakingwouldcertainlybemoreefficientthanthemanualversions.However,considerwhatwouldhappenifthesevariousautomatedsubsystemswerenottiedtogetherinawaythatallowedth

42、emtocommunicateandshareaccurateup-to-dateinformationinstantlyandcontinually.Onesystemmightbeattemptingtoacceleratetheautomobilewhileanothersystemwasattemptingtoapplythebrakes.Thesamelimitationsapplyinanautomatedmanufacturing,integration.Theselimitationsarewhatledtothecurrentstageinthedevelopmentofma

43、nufacturing,integration.Withtheadventofthecomputerage,manufacturinghasdevelopedfullcircle.Itbeganasatotallyintegratedconceptand,withCIM,hasonceagainbecomeone.However,therearemajordifferencesinthemanufacturingintegrationoftodayandthatofthemanualeraofthepast.First,theinstrumentofintegrationinthemanual

44、erawasthehumanmind.Theinstrumentofintegrationinmodernmanufacturingisthecomputer.Second,processesinthemodernmanufacturingsettingarestillspecializedandautomated.AnotherwaytoviewthehistoricaldevelopmentofCIMisbyexaminingthewaysinwhichsomeoftheindividualcomponentsofCIMhavedevelopedovertheyears.Suchcompo

45、nentsasdesign,planning,andproductionhaveevolvedbothasprocessesandinthetoolsandequipmentusedtoaccomplishtheprocesses.Designhasevolvedfromamanualprocessusingsuchtoolsassliderules,triangles,pencils,scales,anderasersintoanautomatedprocessknownascomputer-aideddesign(CAD).Processplanninghasevolvedfromaman

46、ualprocessusingplanningtables,diagrams,andchartsintoanautomatedprocessknownascomputer-aidedprocessplanning(CAPP).Productionhasevolvedfromamanualprocessinvolvingmanuallycontrolledmachinesintoanautomatedprocessknownascomputer-aidedmanufacturing(CAM).Theseindividualcomponentsofmanufacturingevolvedovert

47、heyearsintoseparateislandsofautomation.However,communicationamongtheseislandswasstillhandledmanually.Thislimitedthelevelofimprovementinproductivitythatcouldbeaccomplishedintheoverallmanufacturingprocess.Whentheseislandsandotherautomatedcomponentsofmanufacturingarelinkedtogetherthroughcomputernetworks,theselimitationscanbeovercome.WhyUseRob