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文档简介

1、工业机器人及应用项目一、任务 1一、机器人的一般概念1. 机器人的产生机器人凡是用来代替人的机器,都属于机器人的范畴。机器人不一定类人。 概念辨析:机器、机床 只是工具,不能代替人。名词的由来 Robot = Robota(捷克语) = 奴隶、苦力。 提出:1921,捷克作家Karel apek(卡雷尔恰佩克) Robotics = 机器人学(学科名)。 提出:1942,美国科幻小说家Isaac Asimov(艾萨克阿西莫夫) 。 机器人(研发)三原则要点: 不得伤害人类 ; 执行人的命令 ; 能够自我保护。 最早的产品 Unimate(美国,1959年)。 性质:工业机器人(用于工业生产环境

2、的机器人)。2. 机器人的发展 第一代:行为需人演示、教导(示教),但能记录并复制(再现)动作。 示教(Teach. in)机器人。 第二代:有一定传感器,能进行简单分析、推理,适当调整行为。 感知机器人。 第三代:有大量传感器,能进行复杂分析、推理,自主决定行为。 智能机器人。 要点: 判别机器人的标准:是否能离开人独立工作。 只要能代替人的机器,都属于机器人范畴。 洗碗机、扫地机、理疗机、无人飞机、火星探测车、无人潜水器都是机器人。 最早研制的机器人是工业机器人。 工业机器人以第一代为主;服务机器人属于第三代。3. 机器人的分类 按应用场合,分工业机器人、服务机器人两类; 见 P6图1-2

3、-1。 工业机器人(Industrial Robots,简称IR) : 用于工业环境的可编程、多用途自动化设备 ; 作业环境、要求为已知,产品以第一代机器人居多; 用来代替人工操作,保障人身安全、减轻劳动强度、提高劳动生产率。 主要产品: 加工类:焊接、切割、抛光、研磨等粗加工。 目的:保障人身安全与健康,不是、也不能用于精密加工(与CNC机床不同)! 装配类:喷涂、油漆、电子元件插接(3C行业)等; 目的:保障人身健康、代替重复劳动、提高生产效率。 搬运类:物品输送、装卸等; 目的:提高自动化程度、避免繁重作业。 包装类:分拣、包装(食品、药品行业),码垛等; 目的:保障安全卫生、提高自动化

4、程度。 服务机器人(Service Robots) : 服务于人类非生产性活动的机器人总称; 作业环境为未知,大多具备“行走”功能,产品技术要求高,以第二、三代机器人居多; 市场广阔、潜力巨大,产品占机器人的95%以上。 主要产品: 个人/家庭机器人(Personal/Domestic Robots):洗碗、扫地、麻将机等。 军事机器人(Military Robots) : 无人驾驶飞行器(无人机)、机器人武装战车、多功能后勤保障机器人、机器人战士等。 医疗机器人 (medical treatment Robots ):诊断、手术或手术辅助、康复机器人等 。 场地机器人(Field Robot

5、s):用于科学研究和公共事业服务的、可进行大范围作业的机器人。如太空探测、水下作业、危险作业、消防救援、园林作业等。4.各国水平 美国: 机器人发源地,水平遥遥领先,产品以第三代机器人为主,占全球60%以上市场。 著名企业: 个人/家用机器人:iRobot 、Neato等。 医疗机器人:Intuitive Surgical(直觉外科)等。 军事机器人:Lockheed Martin(洛克希德马丁)、Boston Dynamics(波士顿动力,已被Google并购)等 场地机器人: Boeing(波音) 、 NASA ( National Aeronautics and Space Admini

6、stration ,美国宇航局)、Remotec 等 。BigDog-LS3(军事)Curiosity火星车(场地) Care-O-Bot4(家庭) 日本: 工业机器人及减速器、个人/家用机器人,产量第一(占50%)、护理(医疗)机器人水平领先。 著名企业: 工业机器人&机器人减速器:FANUC (发那科)、YASKAWA(安川)、KAWASAKI(川崎)等。 个人/家用&护理机器人:Panasonic(松下)、HONDA(本田)、Riken Institute(理化学研究所)等。 欧盟: 著名企业: 工业机器人:ABB(瑞典&瑞士) 、KUKA(库卡,德)、REIS(徕斯,KUKA成员) 。

7、 服务机器人:德国宇航中心、Karcher、Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automatic(弗劳恩霍夫制造技术自动化研究所)等。 中国: 工业机器人:全球最大的市场。 2014年:全球22.5万,中国 5.7万、占25.3%; 2015年:全球24.8万,中国6.7万、占27%; 2016年:全球29.4万,中国8.7万、占30%; 2017年:全球38万, 中国14.1万、占37%。 军事、场地机器人:处于世界先进水平。 练一练 : 完成P17技能训练项目一、任务 2一、工业机器人组成与特点1. 系统组成(P1

8、7、图2-1-1 ) 后述内容中,工业机器人简称“机器人” 机电设备 = 机械 + 电气 机械部分 本体(必需) 又称操作机,实现机器人动作的执行机构; 包括机械部件、驱动电机、传感器等 ; 由关节(Joint)和连杆(Link)连接而成; 关节:可回转、摆动的间接连接机构(转动副); 连杆:连接关节的刚性构件。 执行器(必需) 用于作业的工具; 安装在机器人末端关节上; 可以根据需要更换。 变位器(可选) 扩大机器人作业范围(增加自由度)的辅助机构; 包括机械部件、驱动电机、传感器等 ; 有回转、直线两类,通常为14轴。回转变位器直线变位器关节执行器连杆本体 电气部分 控制器 功能与数控系统

9、相同; 产生机器人运动轨迹控制脉冲; 控制轴数较多(通常6轴)。 操作单元 机器人的操作面板;又称示教器; 结构简单、采用手持式结构。 驱动器 将控制脉冲转换为电机转角; 多采用交流伺服驱动系统。 控制器、驱动器安装在控制柜内示教器控制柜2. 基本特点 拟人 结构形态类似人类; 部件称腰、手臂(上、下臂)、手腕(手腕、爪); 传感器以视觉、听觉、触觉为主(智能机器人)。 柔性 有完整、独立的控制系统; 可通过编程来改变其动作和行为; 可安装不同的执行器,实现不同的应用。 通用 可通过程序改变动作; 可通过执行器改变功能。3. 工业机器人 PK 数控机床 相同点 控制要求(轨迹控制)、控制系统结

10、构相同; 定义类似:可编程、可定位、多用途设备。 区别 作用 CNC机床:工作母机,零件加工的必需设备; IR:服务于机床、代替人工操作的辅助设备。 地位 CNC机床:国民经济基础的基础; IR:自动化制造的配套设备。 价值 CNC机床:占装备总价的85%以上,最高可达数亿; IR:在装备总价的10%左右,最高为数十万。 形态 CNC机床:直线运动轴为主,回转、摆动为辅; IR:回转、摆动轴为主,直线运动为辅。 性能 CNC机床:高精度轮廓加工,多为0.001mm级; IR:粗略轨迹运动,多为0.1mm级。 控制 CNC机床:一般5轴及以下,准确轮廓运动; IR:一般6轴及以上,粗略轨迹运动。

11、 软件 CNC机床:笛卡尔坐标运动为主,相对简单; IR:多轴摆动空间合成运动,相当复杂。 结论:不在同一体量。4. 工业机器人 PK 机械手PLC机械手机器人控制系统 相同点 作用相同,都是自动化制造的辅助设备; 定义类似:机器人=可编程的机械手。 区别 控制 机械手:由CNC系统的PLC控制,无独立控制系统; IR:有独立的控制系统。 作用 机械手:单功能、固定用途和动作; IR:可操作、可编程,多功能、多用途。 驱动 机械手: PLC开关量控制,液压、气动系统为主; IR:轨迹插补控制,必须用伺服驱动系统。二、工业机器人结构形态1. 垂直串联(Vertical Articulated )

12、 要点 最常见结构,1973年KUKA研发; 关节沿垂直方向串联,数量5-7个; 通用性好,可用于各种场合。 关节名称S(或J1):腰(Swing )回转;L(或J2):下臂(Lower Arm )摆动;U(或J3):上臂(Upper Arm )摆动;R(或J4):腕回转(Wrist Rolling );B(或J5):腕摆动(Wrist Bending );T(或J6):手回转(Turning )。 关节数量可根据实际需要增减(如5、7)。 名词说明 机身:S/L/U(J1/J2/J3)轴,主要用于机器人作业工具定位,称为定位机构; 手腕:R/B/T(J4/J5/J6)轴,主要用来调整作业工具

13、方向,称为定向机构。 回转(Roll):转动范围一般大于270 ; 摆动(Bend):转动范围一般小于等于270 。2. 水平串联(Horizontal Articulated ) 要点 典型结构为日本山梨大学1978年研发,称SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm) , 关节以水平串联为主(23个),总数 4-5个; 速度快,多用于轻载、平面作业(3C、食品、药品)。Z3. 并联(Parallel ) 要点 基本结构为6连杆运动,1965年英国Stewart研发(简称Stewart平台); 简化结构为3连杆摆动(常用) ,1985年瑞士研发

14、(简称 Delta结构)。Stewart平台Delta结构 Stewart平台至少6个直线升降轴、控制复杂,多用于重载搬运工业机器人,较少采用。 Delta机身为3轴摆动结构、手腕安装在机身上,控制简单;一般采用倒挂式安装,多用于食品、药品行业的轻载包装(分拣)工业机器人;三、工业机器人的技术性能 参见P26、表1.2-1 主要参数:工作范围(作业空间)、承载能力、自由度、运动速度、定位精度。1. 工作范围(Working Range) 要点 是工业机器人TRP点能够运动的区域。 TRP:工具参考点(Tool Reference Point),机器人工具安装的基准位置手腕工具安装法兰中心。 典

15、型结构机器人的TRP点位置如下图: TRP TRP TRP垂直串联DeltaSCARA 通常场合可用“作业半径R”简单表示。 工作范围大多是不规则形状、不完整空间。 垂直串联结构(包括球坐标、圆柱坐标)的作业死区较大,称“部分范围作业”机器人。R=740RR SCARA、Delta结构(以及直角坐标)机器人的作业死区较小,称“全范围作业”机器人。2. 承载能力(Payload) 要点 机器人可承受的最大负载(质量、转矩或切削力); 实际承载能力与负载的重心位置有关,样本数据通常是假设负载重心位于TRP点时的最大理论值。 承载能力6kg机器人的允许负载图:尺寸基准 TRP负载重心ZL100300

16、6kg1kg3. 自由度(Degree of Freedom ) 要点 机器人能产生的独立运动数(相对于地面),包括直线、回转、摆动; 自由度实际就是机器人系统的总控制轴数; 自由度包括变位器运动,使用变位器可增加自由度; 自由度不包括执行器的运动(如刀具旋转等) ; 自由度越多,运动越灵活; 有6个自由度,理论上可实现3维空间的任意运动; 自由度可用规定的符号表示。 见P33、图2.3-6。4. 速度与精度 要点 程序速度是机器人TCP点相对与大地的运动速度; TCP:工具控制点(Tool Control Point),有时称工具中心点(Tool Center Point),是机器人作业位置

17、和运动控制目标点 ; 样本参数为机器人空载时,各关节所能达到的最大回转速度的形式表示; TCP速度(程序速度)是所有参与运动的关节轴的速度合成值; 速度反映机器人工作效率,速度越高、效率越高。 精度以TCP实际位置和理论位置的误差表示; 通常以重复定位精度的形式表示; 测量标准与CNC机床不同,即使数值相同,实际误差远大于CNC机床; 机器人不是高精度设备,不能用于精密加工。 练一练 : 完成P34技能训练。项目二、任务 1 重要概念:机器人运动速度低、转矩大,而伺服电机的输出转速高、转矩小,必须使用大比例减速器。机器人机械结构 = 减速器 + 连杆一、垂直串联机器人1. 机身结构(S/L/U

18、轴)要点中、小型机器人(绝大多数)采用减速器直接驱动,机身结构相同;大型、重型机器人有时采用连杆驱动机身。中、小型大型、重型典型结构剖析下臂基座&腰上臂基座 见P43、图2.1-9 减速器 安装底座腰 见P43、图2.1-10 腰体 基座 电机 电机座下臂 见P43、图2.1-11 腰体 减速器 电机 下臂上臂 见P44、图2.1-12上臂 减速器 电机 下臂大型机器人结构1 S轴采用同步皮带传动、手腕电机后置(后驱)减速器同步皮带 S轴电机手腕电机目的: 减小S轴电机; 平衡上臂重力; 提高结构稳定性。大型机器人结构2 S轴采用同步皮带传动、上臂连杆驱动减速器同步皮带 S轴电机 U轴电机 连

19、杆目的: 减小S、U轴电机; 降低机器人重心; 提高结构稳定性。2. 手腕结构(R/B/T轴)基本形式RBR、BBR(或BRR )、3R(见P40、图2.1-4);中小型机器人以RBR最常用。 R =Roll(回转轴) B= Bend(摆动轴)RBR 3RBBR、BRR传动系统小型机器人:前驱(上臂转、B/T电机在上臂前端);大中型机器人:后驱(腕转、B/T电机在上臂后端)。 见P41,图2.1-5、图2.1-6上臂回转B/T电机位置前驱腕部回转B/T电机位置后驱前驱特点结构简单、外形紧凑;传动链短、传动精度高;电机规格受限,承载能力低,适合小型机器人;电机安装空间小、散热差,维修困难;上臂前

20、端重量大、重心远,结构稳定性差。后驱特点电机规格不受限,承载能力强,适合大中型机器人;电机安装空间大、散热好,维修方便;上臂重力平衡,结构稳定性好;传动系统复杂、传动链长、传动精度较低。典型结构剖析1(前驱)R轴 见P44、图2.1-13电机减速器连接轴上臂回转段上臂固定段B轴 见P45、图2.1-14电机减速器同步带摆动体T轴 见P46、图2.1-16电机同步带中间部件摆动体减速器典型结构剖析2(后驱)主要部件 (P42,图2.1-7、图2.1-8)上臂手腕二、SCARA、Delta结构机器人1. SCARA结构要点通过23个水平回转关节实现平面定位,1个直线关节(轴)进行垂直定位;手臂沿水

21、平方向串联伸展、轴线相互平行;手臂回转电机可前置在关节部位(前驱),也可统一后置在基座部位(后驱) ;结构简单、外形轻巧、定位精度高、运动速度快;垂直行程短,适合平面作业;多用于3C行业电路板装配,食品药品搬运 。典型结构剖析1(前驱) P47、图2.1-7外观电机、减速器安装结构简单、层次清晰、垂直行程大、装配维修容易;体积大,转臂重心远,结构稳定性较差;适合上部运动空间不受限的轻量作业。 典型结构剖析2(后驱)转臂轻巧、体积小、运动速度快、结构稳定性好;垂直行程小、电机装配、维修不方便;适合上部运动空间受限的平面、轻量作业。 2. Delta结构 分摆动驱动、直线驱动2类;以摆动驱动为常用

22、。摆动驱动要点机身通过3个垂直摆动关节实现空间定位;手腕直接安装在摆动平台上,形式不限;一般采用倒挂式安装;结构简单、控制容易、运动速度快;垂直行程短,承载能力小,适合平面轻量作业;多用于3C行业、食品药品行业的搬运、分拣 。 练一练 : 完成P48技能训练项目二、任务 2 基本概念:机器人结构简单,配套部件种类单一;关键部件:谐波减速器(哈默纳科)、RV减速器(纳博特斯克),占机械成本7080%。其他专业厂生产的功能部件:CRB轴承;同步带、滚珠丝杠、直线导轨(通用,数控课程介绍)。一、谐波减速器1. 基本概念要点美国C . W. Musser(马瑟)1955年发明 ;日本Harmonic

23、Drive System(哈默纳科)是全球最早、最大、最著名,几乎唯一的生产企业;国内已有产品,但性能差距十分大。全称谐波齿轮传动装置(Harmonic gear drive);谐波齿轮传动装置可用于减速,也可用于升速;在机器人上,总是用于减速,故称谐波减速器;是目前减速比最大(可达320 )的减速器。 概念辨析:速比、传动比、减速比概念辨析( 非常重要!)速比 国外(如日本)常用术语 速比 = 输出转速 / 输入转速 减速器的“速比”总是小于1。传动比 国内常用术语 传动比 = 输入转速 / 输出转速 减速器的“传动比”总是大于1。减速比 国内、外通用术语 减速比 = 输入转速 / 输出转速

24、 减速器的“减速比”总是大于1。2. 结构与原理基本结构 非常简单,只要刚轮、柔轮、谐波发生器3个部件。谐波发生器柔轮刚轮刚轮(Circular Spline) 有连接孔的刚性内齿圈;齿数比柔轮略多(一般多2或4个);有时直接加工在CRB轴承上(单元型减速器)。 柔轮(Flex Spline) 薄壁金属弹性外齿圈 ,减速器关键部件;齿形与刚轮相同,齿数比刚轮少2或4个);柔轮可以制成类似水杯(Cup)、礼帽(Silk Hat) 、薄饼(Pancake)等形状。 谐波发生器(Wave Generator )内芯为椭圆凸轮,外圈为弹性薄壁滚珠轴承;凸轮与输入轴可采用柔性联轴器、刚性法兰连接。变速原

25、理 参见P51、图2.2-2。谐波发生器回转柔轮一齿、一齿与刚轮啮合 由于柔轮、刚轮只能一齿一齿啮合,如柔轮齿数少于刚轮,回转一圈后,柔轮基准齿将偏移刚轮基准齿一个齿差(2或4齿)。 结论: 可将谐波发生器(输入)的360回转变成柔轮(输出)一个齿差的偏转,输出/输入速比为: i =( Z c Z f )/ Z f Z c:刚轮齿数;Z f :柔轮齿数 定义: 基本减速比 R = 1/ i = Z f / ( Z c Z f ) 以符号 “-” 表示输出与输入转向相反。 典型应用:速比 i = -1/ R减速比:-R速比 i = 1/ (R + 1)减速比:R+1谐波发生器输入谐波发生器输入刚

26、轮固定刚轮输出柔轮输出柔轮固定主要特点承载能力强、传动精度高。 基本概念:同时啮合的齿数越多,承载能力越强、传动精度越高。 普通齿轮:同时啮合齿12对(27%),传动精度61510-4rad ; 谐波减速器:同时啮合齿数十对(30%),传动精度1.5410-4rad 。 数控机床回转轴精度:210-5rad。 非常重要! 1 arc min = 1 /60 = 2.9110-4rad 1 arc sec = 1 /3600 = 4.8510-6rad 传动比大,但传动效率较低 。 基本概念: 普通齿轮:传动比810,传动效率9098%; 谐波减速器:传动比30320,传动效率4090%; 重要

27、!提高减速比、工作温度和输出转矩,可提高效率。结构简单,体积小、重量轻、使用寿命长。 只有3个零件,寿命700010000h(哈默纳科)传动平稳,无冲击、噪声小 ,安装调整方便 。对材料(特别柔轮)要求极高。 国产谐波减速器还远远达不到7000h。3. 可选结构 柔轮形状、输入连接方式可选。柔轮形状 水杯形(Cup type) 礼帽形(Silk Hat type) 薄饼形(Pancake type)水杯形(Cup type )外径小、刚性好;不能为“中空” 结构,对连接面要求较高。礼帽形( Silk Hat type ) 端面敞开、安装方便,对连接面要求较低;可采用“中空”结构; 外径大、刚性

28、较差 。 薄饼形( Pancake type ) 超薄型减速器特殊结构,可大大减少轴向尺寸; 不能直接固定或连接负载,必须使用第2刚轮 ; 承载能力强,安装要求特殊,连续工作要求油润滑(脂润滑:减速器平均输入转速、负载率ED% 10%、运行时间 10min)。输入连接方式 可选柔性轴孔(带联轴器)、刚性轴孔、刚性法兰。柔性轴孔刚性轴孔刚性法兰凸轮轴承轴套联轴器轴承凸轮柔性轴孔(标准结构 )输入轴与轴套孔采用平键连接、轴套与凸轮通过奥尔德姆联轴器(Oldmans Coupling) 连接;具有偏心自动调整功能,对输入轴和减速器的同轴度要求低;联轴器存在间隙,不能为“中空”结构。 奥尔德姆联轴器(

29、十字滑块联轴器)原理输入十字滑块输出刚性轴孔连接轴孔直接加工在凸轮体上,输入轴与凸轮采用平键连接;不能为“中空” 结构;刚性、无间隙连接,不具备自动调心功能。刚性法兰连接面、孔直接加工在凸轮体上,输入轴与凸轮用法兰(内孔、端面定位)连接、螺钉固定;输入轴可为“中空” 结构;刚性、无间隙连接,不具备自动调心功能。4. 产品型式部件型(Component type )只提供刚轮、柔轮、谐波发生器3个部件;规格全、价格低、使用灵活;减速器需用户现场安装,装配要求高;支承柔轮的输出轴承需用户设计、安装;需用户充填润滑脂、维护工作量大;柔轮形状、输入连接方式可选。 常用产品: 标准水杯形、标准礼帽形、标

30、准博饼形。标准水杯形(P56、图2.2-9)标准结构;柔轮为水杯形,输入为柔性轴孔连接。刚轮凸轮轴套柔轮输入轴平键标准礼帽形(P56、图2.2-10)标准结构;柔轮为礼帽形,输入为柔性轴孔连接。刚轮凸轮轴套柔轮输入轴平键标准薄饼形(P57、图2.2-11)标准结构;柔轮为薄壁外齿圈、通过1:1传动的刚轮S连接负载(或固定);输入为刚性轴孔连接。刚轮S凸轮柔轮输入轴平键刚轮D单元型(Unit type )减速器、CRB轴承、壳体统一设计,可整体安装;刚轮、柔轮间有CRB轴承;可直接连接负载;带有密封壳体,工作可靠性高;无需用户现场组装,使用简单、方便;无需用户充填润滑脂,维护工作量小;输入连接可

31、选择标准轴孔、中空轴、标准轴。 变形产品:简易单元型(Simple unit type )单元型的简化结构,有CRB轴承,但无壳体;性能、价格介于部件型、单元型之间;减速器无需用户现场组装,但润滑脂需用户充填;柔轮均为礼帽形,输入连接可为标准轴孔、中空轴。标准单元型(P57、图2.2-12)水杯形柔轮、柔性轴孔输入,刚轮与壳体一体。刚轮凸轮CRB柔轮连接板中空轴单元型(P58、图2.2-13)礼帽形柔轮,输入轴中空、用前后端盖支承、密封。刚轮中空轴&凸轮CRB柔轮端盖端盖轴输入单元型(P58、图2.2-14)礼帽形柔轮、标准轴输入,有前后端盖支承、密封。刚轮输入轴CRB柔轮端盖端盖凸轮简易标准

32、单元(P58、图2.2-15)礼帽形柔轮、标准轴孔输入,无前后支承、密封端盖。刚轮CRB柔轮凸轮简易中空单元(P59、图2.2-16)礼帽形柔轮、标准轴孔输入,无前后支承、密封端盖。刚轮中空轴&凸轮CRB柔轮其他产品齿轮箱型(Gear head type )可直接安装电机、直接驱动负载(P35图2.2-7)。回转执行器(Rotary Actuator )电机、减速器集成一体,典型机电一体化。 练一练 : 完成 P68,技能训练三、RV减速器1. 基本概念要点旋转矢量(Rotary Vector)减速器的简称 ;日本Nabtesco Corporation(纳博特斯克)1985年研发;减速原理

33、= 摆线针轮减速 + 行星齿轮减速;纳博特斯克是全球最早、最大、最著名,几乎唯一的RV减速器生产企业;国内有山寨产品,但性能差距十分大;实际也可用于升速;在机器人上,总是用于减速,故称RV减速器。2. 结构与原理基本结构 复杂,包括行星齿轮、曲轴、摆线针轮3大部分。输入太阳轮行星齿轮2. 行星齿轮曲轴RV齿轮3. RV齿轮针齿销针轮 传动路线太阳轮(输入轴)带动行星齿轮(2或3个)旋转 ; 第一级、正齿轮减速;行星齿轮带动曲轴(2或3根)旋转;旋转曲轴带动RV齿轮(2片)摆动;RV齿轮通过针齿销推动针轮偏转; 简单RV减速器有时直接将RV齿轮、针轮做成齿轮,省略针齿销。 RV齿轮和针轮存在齿差

34、(一般为1) ,RV齿轮旋转一周,只能推动针轮偏转一个齿差。 第二级、差动齿轮变速。变速原理 观看原理视频曲轴回转RV齿轮和针轮啮合位置(最高点)一齿、一齿顺时针移动针齿销推动针轮缓慢偏转 差动齿轮变速原理曲轴回转360,针轮偏移1个齿差 结论: 可将曲轴(行星齿轮)的360回转变成针轮(输出)一个齿差的偏转。 第一级(正齿轮减速)输出/输入速比 i 1 = Z 1 / Z 2 Z 1:太阳轮齿数;Z2:行星齿轮齿数第二级(差动齿轮变速,针轮输出时) i 2 =( Z 4 Z 3 )/ Z 4 Z 4 :针轮齿数(针齿销数);Z3 :RV齿轮齿数 如齿差为1,则( Z 4 Z 3 )= 1 i

35、 2 =( Z 4 Z 3 )/ Z 4 = 1 / Z 4 总变速比(针轮输出/太阳轮输入,齿差为1) i =( Z 1 / Z 2 )(1 / Z 4 )= Z 1 / ( Z 2 Z 4 )变速比 定义: 基本减速比 R = 1 + ( Z 2 Z 4 ) / Z 1 以符号 “-” 表示输出与输入转向相反。 典型应用:速比 i = - 1 / (R 1)减速比:-( R 1 )太阳轮输入针轮输出RV齿轮固定针轮固定RV齿轮输出太阳轮输入速比 i = 1 / R减速比:R主要特点(相比谐波减速器)减速比较大、结构刚性更好。 原因:齿差小(通常为1)、2级减速(减速比相乘,R= 30260

36、);针齿销直径较大、刚性高(谐波齿轮减速器柔轮为薄壁、小齿)。传动间隙较大、传动精度较低。 原因:2级齿轮传动 + 曲轴摆动,必然存在间隙;降低传动精度。结构复杂,安装、调试、维修不及谐波减速器方便。 原因:零件多、不能分离安装。 结论:谐波减速器:适合手腕(小体积、高精度);RV减速器:适合机身(高刚性、大转矩)。3. 产品型式 有基本型 、单元型(分标准型、紧凑型、中空型)、齿轮箱型(分高速型、标准型、基座型)3大类。基本型(Original type ) P94、图4.3-1, P99、图4.3-4; 由外向内(径向)可分针轮层、RV齿轮层、芯轴层3层,每一层均可旋转。针轮层RV齿轮层芯

37、轴层针轮层由针轮和针齿销组成;针轮是加工有法兰和安装孔的内齿圈;针齿销用来代替齿轮直接啮合,减小摩擦阻力。 RV齿轮层(最复杂)包括RV齿轮、端盖、输出法兰、曲轴组件等;RV齿轮、端盖、输出法兰均为中空结构,中间用来安装芯轴;端盖和输出法兰用来安装曲轴支承轴承,两者通过法兰上的脚状支架(23个)连为一体;脚状支架所空出的空间用来安装曲轴;RV齿轮套在脚状支架外圆上,可偏摆、不能回转; 曲轴组数量与减速器规格(输出转矩大小)有关,小规格2组,中、大规格为3组。 芯轴层包括芯轴和太阳轮,安装在减速器中心;中空型减速器的芯轴为空心轴;同规格减速器的减速比,通过正齿轮速比改变;减速比大、太阳直径小,芯

38、轴、太阳轮一体;太阳轮齿轮直接加工在芯轴上;减速比小、太阳直径大,芯轴、太阳轮分离;太阳轮套在芯轴上。芯轴为花键轴,太阳轮的外圈为齿轮、内圈为花键。单元型标准单元型 P99、图4.3-5 采用标准单元型结构,减速器端盖、输出法兰和针轮间,有1对(2只)高刚性、角接触球轴承(和基本型的区别); 减速器可直接安装、并连接负载,使用更方便 。输出轴承紧凑单元型 P100、图4.3-6 减速器端盖、输出法兰和针轮间,同样有1对(2只)高刚性、角接触球轴承; 芯轴(太阳轮)安装在输出法兰侧、不穿越减速器;减速器外径小、结构紧凑; 减速器可直接安装、并连接负载。中空单元型 P100、图4.3-7 端盖、R

39、V齿轮、输出法兰结构同标准单元型,但中空直径更大; 太阳轮为中空双联齿轮,安装在输出法兰侧; 减速器中空区域,可以安装电缆、管线。齿轮箱型高速型( P101、图4.3-8 )可直接安装电机、使减速器电机一体化;输出可以为轴或法兰;减速比小 、输出转速高。轴输出法兰输出标准型( P102、图4.3-9图4.3-11 ) 带有芯轴及其连接、支承部件,减速器可为中空;输入轴方向可选择与减速器同轴(平行)、垂直2种;输入可选择联轴器、标准轴2种连接形式。同轴(平行)垂直(正交)联轴器输入标准轴输入联轴器输入基座型( P103、图4.3-12 ) 又称扁平型,带有芯轴及其连接、支承部件;输入轴方向与减速

40、器垂直,减速器本体为中空;用于大型、重载减速,基座设计有地脚螺钉孔,可直接在地面、墙面安装,直接作为机器人基座使用。 练一练 : 完成 P110,练习一(15)(19)1. 基本概念要点旋转矢量(Rotary Vector)减速器的简称 ;日本Nabtesco Corporation(纳博特斯克)1985年研发;减速原理 = 摆线针轮减速 + 行星齿轮减速;纳博特斯克是全球最早、最大、最著名,几乎唯一的RV减速器生产企业;实际也可用于升速;在机器人上,总是用于减速,故称RV减速器。项目二、任务 32. 结构与原理基本结构 复杂,包括行星齿轮、曲轴、摆线针轮3大部分。输入太阳轮行星齿轮2. 行星

41、齿轮曲轴RV齿轮3. RV齿轮针齿销针轮 传动路线太阳轮(输入轴)带动行星齿轮(2或3个)旋转 ; 第一级、正齿轮减速;行星齿轮带动曲轴(2或3根)旋转;旋转曲轴带动RV齿轮(2片)摆动;RV齿轮通过针齿销推动针轮偏转; 简单RV减速器有时直接将RV齿轮、针轮做成齿轮,省略针齿销。 RV齿轮和针轮存在齿差(一般为1) ,RV齿轮旋转一周,只能推动针轮偏转一个齿差。 第二级、差动齿轮变速。变速原理 观看原理视频曲轴回转RV齿轮和针轮啮合位置(最高点)一齿、一齿顺时针移动针齿销推动针轮缓慢偏转 差动齿轮变速原理曲轴回转360,针轮偏移1个齿差 结论: 可将曲轴(行星齿轮)的360回转变成针轮(输出

42、)一个齿差的偏转。 第一级(正齿轮减速)输出/输入速比 i 1 = Z 1 / Z 2 Z 1:太阳轮齿数;Z2:行星齿轮齿数第二级(差动齿轮变速,针轮输出时) i 2 =( Z 4 Z 3 )/ Z 4 Z 4 :针轮齿数(针齿销数);Z3 :RV齿轮齿数 如齿差为1,则( Z 4 Z 3 )= 1 i 2 =( Z 4 Z 3 )/ Z 4 = 1 / Z 4 总变速比(针轮输出/太阳轮输入,齿差为1) i =( Z 1 / Z 2 )(1 / Z 4 )= Z 1 / ( Z 2 Z 4 )变速比 定义: 基本减速比 R = 1 + ( Z 2 Z 4 ) / Z 1 以符号 “-” 表

43、示输出与输入转向相反。 典型应用:速比 i = - 1 / (R 1)减速比:-( R 1 )太阳轮输入针轮输出RV齿轮固定针轮固定RV齿轮输出太阳轮输入速比 i = 1 / R减速比:R主要特点(相比谐波减速器)减速比较大、结构刚性更好。 原因:齿差小(通常为1)、2级减速(减速比相乘,R= 30260);针齿销直径较大、刚性高(谐波齿轮减速器柔轮为薄壁、小齿)。传动间隙较大、传动精度较低。 原因:2级齿轮传动 + 曲轴摆动,必然存在间隙;降低传动精度。结构复杂,安装、调试、维修不及谐波减速器方便。 原因:零件多、不能分离安装。 结论:谐波减速器:适合手腕(小体积、高精度);RV减速器:适合

44、机身(高刚性、大转矩)。3. 产品型式 有基本型 、单元型(分标准型、紧凑型、中空型)、齿轮箱型(分高速型、标准型、基座型)3大类。基本型(Original type ) P72、图2.3-1, P78、图2.3-9; 由外向内(径向)可分针轮层、RV齿轮层、芯轴层3层,每一层均可旋转。针轮层RV齿轮层芯轴层针轮层由针轮和针齿销组成;针轮是加工有法兰和安装孔的内齿圈;针齿销用来代替齿轮直接啮合,减小摩擦阻力。 RV齿轮层(最复杂)包括RV齿轮、端盖、输出法兰、曲轴组件等;RV齿轮、端盖、输出法兰均为中空结构,中间用来安装芯轴;端盖和输出法兰用来安装曲轴支承轴承,两者通过法兰上的脚状支架(23个

45、)连为一体;脚状支架所空出的空间用来安装曲轴;RV齿轮套在脚状支架外圆上,可偏摆、不能回转; 曲轴组数量与减速器规格(输出转矩大小)有关,小规格2组,中、大规格为3组。 芯轴层包括芯轴和太阳轮,安装在减速器中心;中空型减速器的芯轴为空心轴;同规格减速器的减速比,通过正齿轮速比改变;减速比大、太阳直径小,芯轴、太阳轮一体;太阳轮齿轮直接加工在芯轴上;减速比小、太阳直径大,芯轴、太阳轮分离;太阳轮套在芯轴上。芯轴为花键轴,太阳轮的外圈为齿轮、内圈为花键。单元型标准单元型 P78、图2.3-10 采用标准单元型结构,减速器端盖、输出法兰和针轮间,有1对(2只)高刚性、角接触球轴承(和基本型的区别);

46、 减速器可直接安装、并连接负载,使用更方便 。输出轴承紧凑单元型 P79、图2.3-11 减速器端盖、输出法兰和针轮间,同样有1对(2只)高刚性、角接触球轴承; 芯轴(太阳轮)安装在输出法兰侧、不穿越减速器;减速器外径小、结构紧凑; 减速器可直接安装、并连接负载。中空单元型 P79、图2.3-12 端盖、RV齿轮、输出法兰结构同标准单元型,但中空直径更大; 太阳轮为中空双联齿轮,安装在输出法兰侧; 减速器中空区域,可以安装电缆、管线。齿轮箱型高速型( P77、图2.3-7 )可直接安装电机、使减速器电机一体化;输出可以为轴或法兰;减速比小 、输出转速高。轴输出法兰输出标准型( P77、图2.3

47、-6 ) 带有芯轴及其连接、支承部件,减速器可为中空;输入轴方向可选择与减速器同轴(平行)、垂直2种;输入可选择联轴器、标准轴2种连接形式。同轴(平行)垂直(正交)联轴器输入标准轴输入联轴器输入基座型( P77、图2.3-8 ) 又称扁平型,带有芯轴及其连接、支承部件;输入轴方向与减速器垂直,减速器本体为中空;用于大型、重载减速,基座设计有地脚螺钉孔,可直接在地面、墙面安装,直接作为机器人基座使用。 练一练 : 完成 P9293技能训练项目三、任务 1 基本概念:产量小,没有统一的编程标准、语言、格式;无导向部件(导轨),很难描述运动、只能示教;粗略控制、定位点基本靠目测。一、程序与编程1.

48、编程方法 不同厂家的机器人,虽程序不同,但方法一致: FANUC、安川:程序结构、编程方法类似,指令不同; ABB:RAPID语言,结构最复杂(可参见ABB工业机器人应用技术全集,人民邮电出版社、2020。 概念辨析示教编程一种编程方法(最简单),通过手动机器人移动、人机对话操作,将机器人位置、运动要求告知控制器(示教);控制器记录、保存运动过程,在需要时重复相同动作(再现);再现运行的机器人运动速度,可与示教操作不同;虽然,示教编程必须在机器人现场、在线进行,但不能将其称为“现场编程”或“在线编程”。现场编程只表明编程场所,是否在机器人现场(车间);不限定编程方法,可采用示教、也可采用虚拟仿

49、真。在线、离线编程只表明设备的电气连接状态,机器人控制器与编程设备有电气连接(电缆线):在线;无连接:离线。不限定编程方法,可采用示教、也可采用虚拟仿真。虚拟仿真用仿真软件的机器人虚拟运动,代替示教操作的机器人实际运动,生成程序的一种方法;与编程场所、是否存在电气连接无关。 结论: 机器人编程方法只有示教、虚拟仿真2种,其他的提法都不够严谨。2. RAPID程序结构任务(Task)包含一项作业所需的全部指令和数据,是一个完整的RAPID应用程序。由若干程序模块、系统模块组成;简单系统通常只有一个任务;复杂控制系统,可同步执行多个任务;任务的属性,可通过任务特性参数定义。程序模块(Program

50、 module)RAPID应用程序的主体,它程序数据(Program data)、作业程序(Routine,ABB说明书称例行程序);程序数据用来定义移动目标位置、工具、工件、作业参数等指令操作数;作业程序是用来控制机器人动作。系统模块(System module)用来定义控制系统功能和参数的程序;定义机器人系统的软硬件功能;定义机器人规格结构;由程序(Routine)和数据(System data)组成;由工业机器人的生产厂家定义,用户一般不可更改;在控制系统起动时自动加载;与用户编程无关。二、程序模块格式1. 组成标题(Header)程序的简要说明文本;可根据实际需要添加、无强制性要求;以

51、字符“%”作为开始、结束标记。注释(comment)为了方便程序阅读所附加的说明文本;注释只能显示,而不具备任何其他功能;可根据要求自由添加或省略;以符号“!”(指令COMMENT的简写)作为起始标记;以换行符结束。指令(Instruction)系统的控制命令,用来定义系统需要执行的操作。 如:PERS tooldata tMIG1 := 用来定义系统的工具数据tMIG1; MoveJ p1, v100, z30, 用来定义机器人运动等。标识(identifier)又称名称,它是应用程序构成元素的识别标记。 如:PERS tooldata tMIG1 := ,tMIG1工具数据名; VAR s

52、peeddata vrapid := ,vrapid移动速度名。32字、首字符必须为字母,不能使用空格、保留字;不可重复使用,不能仅通过大小写区分。2. 格式主模块 MODULE 模块名称(属性); / 模块声明(起始) 模块注释 程序数据定义 主程序 子程序 1 子程序 n ENDMODULE / 模块结束 三、作业程序格式1. 程序格式主程序Main program PROC 主程序名称(参数表) / 程序声明 程序注释 一次性执行子程序 WHILE TRUE DO 循环子程序 执行等待指令 ENDWHILE ERROR 错误处理程序 ENDIF ENDPROC普通程序PROC(Proce

53、dures) PROC 程序名称(参数表) / 程序声明 程序指令 ENDPROC功能程序FUNC(Functions) FUNC 数据类型 功能名称(参数表) / 程序声明 程序数据定义 程序指令 RETURN 返回数据 ENDFUNC中断程序TRAP(Trap routines) / 程序声明 TRAP 程序名称(参数表) 程序指令 END TRAP 2. 程序声明格式 使用范围 限定调用该程序的模块,可为全局(GLOBAL)或局域(LOCAL);系统默认GLOBAL(可省略); 局域程序只能由本模块调用,优先级高于全局程序; 局域程序的结构、编程方法与全局程序并无区别。程序类型 可选择普

54、通(PROC)、功能(FUNC)和中断(TRAP)。程序名称 程序的识别标记,按RAPID标识规定定义; 功能程序FUNC的名称前必须定义返回数据的类型。程序参数 用于参数化程序,在名称后的括号内附加(见后述); 不使用参数的普通程序PROC需要保留括号; 中断程序TRAP不能使用参数,名称后不能加括号; 功能程序FUNC必须使用参数。 3. 程序参数格式 选择标记 无前缀:必需参数; 前缀“”:可选参数; 可选参数通常用于以函数命令Present(当前值)作为判断条件的IF指令。访问模式 参数转换方式:IN(输入)、INOUT(输入/输出); IN参数系统默认、可省略 IN; 需要指定初始值

55、; 不能在程序中改变参数值(数值不变)。 INOUT参数。 必须加 INOUT; 需要指定初始值; 可以在程序中改变参数值(数值可变)。数据性质定义使用方法及保存、赋值、更新要求(见后述);可为VAR(程序变量)、PERS(永久数据);VAR(程序变量)为系统默认,无需标注。数据类型用来规定参数的数据格式, 十进制数值 num、逻辑状态 bool等。参数/数组名称参数识别标记,数组名称后需要加“*”。排斥参数用“”分隔,只能选择其中之一;通常用于以Present作为判断条件的IF指令。4. 数据性质常量CONST 具有恒定的值,程序执行完成可继续保持; 必须通过数据定义指令定义; 通常在模块中

56、定义; 定义示例赋值指令:CONST num a := 3;表达式:CONST num index := a + 6;数组(1阶、3元数组):CONST pos seq3 := 0, 0, 0, 0, 0, 500, 0, 0,1000; “:=”为赋值符,相当于等号“=”。永久数据PERS 可定义初始值,数值可利用程序改变、结果能保存; 只能在模块中定义,主程序、子程序可使用、改变; 可利用赋值指令、函数命令或表达式定义或修改; 全局永久数据未定义初始值,系统将自动取0(空白)。 定义示例赋值指令:PERS num a := 3;表达式:PERS num index := a + 6;数组(

57、1阶、3元数组):PERS pos seq3 := 0, 0, 0, 0, 0, 500, 0, 0,1000;永久数据PERS 可定义初始值,数值可利用程序改变、结果能保存; 只能在模块中定义,主程序、子程序可使用、改变; 可利用赋值指令、函数命令或表达式定义或修改; 全局永久数据未定义初始值,系统将自动取0(空白)。 定义示例赋值指令:PERS num a := 3;表达式:PERS num index := a + 6;数组(1阶、3元数组):PERS pos seq3 := 0, 0, 0, 0, 0, 500, 0, 0,1000;程序变量VAR 可在模块、程序中自由定义、自由使用;

58、 数值只对指定的程序有效; 程序执行完成后,变量值将被自动清除; 可通过程序中的赋值指令、函数命令或表达式定义或修改。 定义示例赋值指令:VAR num counter ; / counter=0 VAR pos pStart := 100, 100, 50 ;表达式:VAR num index := a + b数组(1阶、3元数组):VAR pos seq3 := 0, 0, 0, 0, 0, 500, 0, 0,1000; 四、普通程序执行与调用1. 一次性执行 在主程序起始位置编制; 以无条件调用指令调用; 子程序无条件调用指令ProcCall可直接省略; 只需要在程序行编写子程序名称。

59、 调用示例 rCheckHomePos ; /无条件调用子程序rCheckHomePos rWelding; /无条件调用子程序rWelding2. 循环执行 一般通过条件循环指令“WHILEDO”实现; 循环条件可使用判别、比较式、逻辑状态; 如果循环条件直接定义为“TRUE”,将无限重复WHILE至ENDWHILE间的指令。 调用示例 WHILE 循环条件 DO 子程序名称(子程序调用指令) 执行等待指令 ENDWHILE ENDPROC3. 重复调用 一般通过指令FOR实现,重复次数由计数器指定; 子程序调用指令(名称)编写在指令FOR至ENDFOR之间; 可附加正(加)或负(减)整数S

60、TEP,执行FOR至ENDFOR间的指令,计数值可加一个STEP; 省略STEP时,默认“STEP = 1”。 调用示例 FOR 计数器 FROM 起始值 TO结束值 STEP增量 DO 子程序名称(子程序调用指令) ENDFOR4. IF条件调用 IFTHEN指令:子程序调用指令编写在IF与ENDIF间,如满足IF条件,调用子程序;否则,跳过子程序; 调用示例 IF reg15 THEN work1 ; / reg15时执行子程序work1 ENDIF IFTHENELSE指令:IF条件满足,执行IF与ELSE间的子程序、跳过ELSE与ENDIF间的子程序;IF条件不满足,跳过IF与ELSE

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