工业机器人的结构与技术参数

工业机器人的结构与技术参数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。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展不久，已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，并且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及减少生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术同样，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。一、常用运动学构形1、笛卡尔操作臂优点：很容易通过计算机控制实现，容易达成高精度。缺陷：妨碍工作,且占地面积大,运动速度低,密封性不好。①焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、(软仿型)喷涂、目的跟随、排爆等一系列工作。②特别合用于多品种，便批量的柔性化作业，对于稳定，提高产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件和产品的快速更新换代有着十分重要的作用。2、铰链型操作臂(关节型)关节的关节全都是旋转的，类似于人的手臂,工业机器人中最常见的结构。它的工作范围较为复杂。①汽车零配件、模具、钣金件、塑料制品、运动器材、玻璃制品、陶瓷、航空等的快速检测及产品开发。②车身装配、通用机械装配等制造质量控制等的三坐标测量及误差检测。③古董、艺术品、雕塑、卡通人物造型、人像制品等的快速原型制作。④汽车整车现场测量和检测。⑤人体形状测量、骨骼等医疗器材制作、人体外形制作、医学整容等。3、SCARA操作臂SCARA机器人常用于装配作业,最显著的特点是它们在x-y平面上的运动具有较大的柔性,而沿z轴具有很强的刚性,所以,它具有选择性的柔性。这种机器人在装配作业中获得了较好的应用。①大量用于装配印刷电路板和电子零部件②搬动和取放物件，如集成电路板等③广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域.④搬取零件和装配工作。4、球面坐标型操作臂特点：中心支架附近的工作范围大,两个转动驱动装置容易密封,覆盖工作空间较大。但该坐标复杂,难于控制,且直线驱动装置存在密封的问题。5、圆柱面坐标型操作臂优点：且计算简朴;直线部分可采用液压驱动,可输出较大的动力;可以伸入型腔式机器内部。缺陷：它的手臂可以到达的空间受到限制,不能到达近立柱或近地面的空间;直线驱动部分难以密封、防尘;后臂工作时,手臂后端会碰到工作范围内的其它物体。6、冗余机构通常空间定位需要6个自由度，运用附加的关节可以帮助机构避开奇异位形。下图为7自由度操作臂位形7、闭环结构闭环结构可以提高机构刚度，但会减小关节运动范围，工作空间有一定减小。①运动模拟器;②并联机床;③微操作机器人;④力传感器;⑤生物医学工程中的细胞操作机器人、可实现细胞的注射和分割;⑥微外科手术机器人;⑦大型射电天文望远镜的姿态调整装置;⑧混联装备等，如SMT公司的Tricept混联机械手模块是基于并联机构单元的模块化设计的成功典范。工业机器人的几种常用结构形式(图)二、机器人的重要技术参数机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况，是设计、应用机器人必须考虑的问题。机器人的重要技术参数有自由度、分辨率、工作空间、工作速度、工作载荷等。1、自由度机器人具有的独立坐标轴运动的数目。机器人的自由度是指拟定机器人手部在空间的位置和姿态时所需要的独立运动参数的数目。手指的开、合，以及手指关节的自由度一般不涉及在内。.机器人的自由度数一般等于关节数目。机器人常用的自由度数一般不超过5～6个。2、关节(Joint)即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。3、工作空间机器人手臂或手部安装点所能达成的所有空间区域。其形状取决于机器人的自由度数和各运动关节的类型与配置。机器人的工作空间通常用图解法和解析法两种方法进行表达。4、工作速度机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。5、工作载荷指机器人在工作范围内任何位置上所能承受的最大负载，一般用质量、力矩、惯性矩表达。还和运营速度和加速度大小方向有关，一般规定高速运营时所能抓取的工件重量作为承载能力指标。6、分辨率可以实现的最小移动距离或最小转动角度。7、精度反复性或反复定位精度：指机器人反复到达某一目的位置的差异限度。或在相同的位置指令下，机器人连续反复若干次其位置的分散情况。它是衡量一列误差值的密集限度，即反复度。三、机器人常用材料1)碳素结构钢和合金结构钢这类材料强度好，特别是合金结构钢，其强度增大了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、铝合金及其他轻合金材料这类材料的共同特点是重量轻，弹性模量E并不大，但是材料密度小，故E/ρ之比仍可与钢材相比。有些稀贵铝合金的品质得到了更明显的改善，例如添加3.2%(重量比例)锂的铝合金，弹性模量增长了14%，E/ρ比增长了16%。3)纤维增强合金这类合金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等，其E/ρ比分别达成11.4×107和8.9×107。这种纤维增强金属材料具有非常高的E/ρ比，但价格昂贵。4)陶瓷陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工，日本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人臂样品。5)纤维增强复合材料这类材料具有极好的E/ρ比，并且还具有十分突出的大阻尼的优点。传统金属材料不也许具有这么大的阻尼，所以在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。6)粘弹性大阻尼材料增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法用来增长结构件材料的阻尼，其中最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼解决。四、机器人重要结构㈠、机器人驱动装置概念：要使机器人运营起来,需给各个关节即每个运动自由度安顿传动装置作用：提供机器人各部位、各关节动作的原动力。驱动系统：可以是液压传动、气动传动、电动传动,或者把它们结合起来应用的综合系统;可以是直接驱动或者是通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。1、电动驱动装置电动驱动装置的能源简朴，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。电动驱动装置又可分为直流(DC)、交流(AC)伺服电机驱动和步进电机驱动。直流伺服电机电刷易磨损，且易形成火花。无刷直流电机也得到了越来越广泛的应用。步进电机驱动多为开环控制，控制简朴但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。电动上电运营前要作如下检查：1)电源电压是否合适(过压很也许导致驱动模块的损坏);对于直流输入的+/-极性一定不能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适(开始时不要太大);2)控制信号线接牢固，工业现场最佳要考虑屏蔽问题(如采用双绞线);3)不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运营良好后，再逐步连接。4)一定要搞清楚接地方法，还是采用浮空不接。5)开始运营的半小时内要密切观测电机的状态，如运动是否正常，声音和温升情况，发现问题立即停机调整。2、液压驱动通过高精度的缸体和活塞来完毕，通过缸体和活塞杆的相对运动实现直线运动。优点：功率大，可省去减速装置直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。缺陷：需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。选择适合的液压油。防止固体杂质混入液压系统，防止空气和水入侵液压系统。机械作业要柔和平顺机械作业应避免粗暴，否则必然产生冲击负荷，使机械故障频发，大大缩短使用寿命。要注意气蚀和溢流噪声。作业中要时刻注意液压泵和溢流阀的声音，假如液压泵出现“气蚀”噪声，经排气后不能消除，应查明因素排除故障后才干使用。保持适宜的油温。液压系统的工作温度一般控制在30～80℃之间为宜。3、气压驱动气压驱动的结构简朴，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。.但与液压驱动装置相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。(1)具有速度快、系统结构简朴，维修方便、价格低等特点。适于在中、小负荷的机器人中采用。但因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。(2)在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制的中、小机器人中的。(3)控制装置目前多数选用可编程控制器(PLC控制器)。在易燃、易爆场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。㈡、直线传动机构。传动装置是连接动力源和运动连杆的关键部分，根据关节形式，常用的传动机构形式有直线传动和旋转传动机构。直线传动方式可用于直角坐标机器人的X、Y、Z向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以通过齿轮齿条、丝杠螺母等传动元件将旋转运动转换成直线运动，也可以有直线驱动电机驱动，也可以直接由气缸或液压缸的活塞产生。1、齿轮齿条装置通常齿条是固定的。齿轮的旋转运动转换成托板的直线运动。优点：结构简朴。缺陷：回差较大。2、滚珠丝杠在丝杠和螺母的螺旋槽内嵌入滚珠，并通过螺母中的导向槽使滚珠能连续循环。优点：摩擦力小，传动效率高，无爬行，精度高缺陷：制导致本高，结构复杂。自锁问题：理论上滚珠丝杠副也可以自锁,但是实际应用上没有使用这个自锁的,因素重要是：可靠性很差，或加工成本很高;由于直径与导程比非常大，一般都是再加一套蜗轮蜗杆之类的自锁装置。㈢、旋转传动机构采用旋转传动机构的目的是将电机的驱动源输出的较高转速转换成较低转速，并获得较大的力矩。机器人中应用较多的旋转传动机构有齿轮链、同步皮带和谐波齿轮。1、齿轮链(1)转速关系(2)力矩关系2、同步皮带同步带是具有许多型齿的皮带，它与同样具有型齿的同步皮带轮相啮合。工作时相称于柔软的齿轮。优点：无滑动，柔性好，价格便宜，反复定位精度高。缺陷：具有一定的弹性变形。3、谐波齿轮谐波齿轮由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮三个重要零件组成，一般刚性齿轮固定，谐波发生器驱动柔性齿轮旋转。重要特点：(1)、传动比大，单级为50—300。(2)、传动平稳，承载能力高。(3)、传动效率高,可达70%—90%。(4)、传动精度高,比普通齿轮传动高3—4倍。(5)、回差小，可小于3’。(6)、不能获得中间输出，柔轮刚度较低。谐波传动装置在机器人技术比较先进的国家已得到了广泛的应用。仅就日本来说，机器人驱动装置的60%都采用了谐波传动。美国送到月球上的机器人，其各个关节部位都采用谐波传动装置，其中一只上臂就用了30个谐波传动机构。前苏联送入月球的移动式机器人“登月者”，其成对安装的8个轮子均是用密闭谐波传动机构单独驱动的。.德国大众汽车公司研制的ROHREN、GEROTR30型机器人和法国雷诺公司研制的VERTICAL80型机器人等都采用了谐波传动机构。㈣、机器人传感系统1、感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成,用以获取内部和外部环境状态中故意义的信息。2、智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。3、智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。4、对于一些特殊的信息,传感器比人类的感受系统更有效。㈤、机器人位置检测旋转光学编码器是最常用的位置反馈装置。光电探测器把光脉冲转化成二进制波形。轴的转角通过计算脉冲数得到，转动方向由两个方波信号的相对相位决定。感应同步器输出两个模拟信号——轴转角的正弦信号和余弦信号。轴的转角由这两个信号的相对幅值计算得到。感应同步器一般比编码器可靠，但它的分辨率较低。电位计是最直接的位置检测形式。它连接在电桥中，可以产生与轴转角成正比的电压信号。但是，由于分辨率低、线性不好以及对噪声敏感。转速计可以输出与轴的转速成正比的模拟信号。假如没有这样的速度传感器，可以通过对检测到的位置相对于时间的差分得到速度反馈信号。㈥、机器人力检测力传感器通常安装在操作臂下述三个位置：1、安装在关节驱动器上。可测量驱动器/减速器自身的力矩或者力的输出。但不能很好地检测末端执行器与环境之间的接触力。2、安装在末端执行器与操作臂的终端关节之间，可称腕力传感器。通常，可以测量施加于末端执行器上的三个到六个力/力矩分量。3、安装在末端执行器的“指尖”上。通常，