工业机器人第4章 工业机器人的基本结构

工业机器人的基本结构工业机器人是一种广泛应用于制造业的自动化设备。它们由各种互连的机械部件和电子控制系统组成,具有灵活的运动能力和智能化的控制功能。了解工业机器人的基本结构特点,有助于更好地设计和使用这类先进设备。ＯabyＯＯＯＯＯＯＯＯＯ4.1工业机器人的组成机械臂:执行各种物理操作的手臂装置,由关节和连杆组成。控制系统:根据指令控制机器人动作,包括计算机控制和伺服控制。传感器:检测机器人环境参数并反馈给控制系统,包括位置传感器、力/力矩传感器和视觉传感器。4.1.1机械臂工业机器人的机械臂是用于完成各种工作任务的关键部件。它由一系列可旋转的关节组成,可实现多自由度的运动,如伸缩、旋转和扭转等动作。通过各个关节的精确控制,机械臂可以模仿人类手臂的灵活性,在狭小空间内完成复杂的操作。4.1.2控制系统工业机器人的控制系统是其"大脑"所在,负责对机器人的各个部件进行精确协调和控制。控制系统由计算机控制、伺服控制和传感反馈系统三大组成部分构成,能够实现机器人自动化运行和智能化操作。4.1.3传感器传感器是工业机器人不可或缺的重要组成部分。它们用于检测机器人的位置、速度、力量等相关信息,为机器人的控制系统提供实时反馈。常见的传感器包括位置传感器、力/力矩传感器和视觉传感器等。这些传感器通过电子或机械的方式,将物理量转换为电信号,输入到控制系统进行处理和分析。执行机构执行机构是工业机器人的核心组件之一,其主要功能是将电、液压或气压能量转换为机械能,从而驱动机械臂进行各种动作。常见的执行机构包括夹持器、工具夹持装置和工件定位装置等。夹持器用于抓取和固定工件,常见的类型有机械夹持器、磁性夹持器和真空吸盘等。工具夹持装置可以快速更换端执行器,提高工作灵活性。工件定位装置则用于固定和调节工件的位置,确保加工精度。驱动系统工业机器人的驱动系统是指驱动机械臂各关节运动的动力系统。常见的驱动方式包括电动驱动、液压驱动和气动驱动。每种驱动方式都有其特点和应用场景,需要根据具体的工况和要求进行选择。机械臂的结构工业机器人的机械臂通常由多个连杆组成,可实现多自由度运动。机械臂的结构包括关节、连杆和末端执行器等,通过这些部件实现不同的功能。机械臂的运动范围和灵活性取决于其结构设计,如自由度数量、关节类型等。工作空间工业机器人的工作空间是指机器人末端执行器(如机械手)可以到达的三维区域。工作空间的大小和形状取决于机器人的机械结构、自由度以及各个关节的运动范围。工作空间的几何形状通常是一个复杂的立体图形,受工厂环境的限制而存在一些局限性。4.2.2自由度轴数机器人的自由度由其机械臂的轴数决定。常见的有6轴、7轴等。轴数越多,意味着机器人的活动范围和灵活性越强。运动学每个轴的运动自由度都会影响整个机械臂的工作空间和活动能力。精确的运动学分析对于确定机器人的自由度至关重要。几何结构机械臂的几何结构,如关节角度范围、臂长等,也决定了其自由度。结构设计时要兼顾自由度、工作空间和负载能力。4.2.3关节类型旋转关节可以绕一个轴旋转的关节,常见于机械臂的各个连杆之间。提供可调节的角度,让机械臂能够实现灵活多变的运动。滑动关节可沿直线方向移动的关节,可以实现机械臂的伸缩。通常与旋转关节配合使用,扩展工作范围。球面关节可在三维空间内旋转的球形关节,允许机械臂在多个方向上自由活动。提供更大的工作空间和灵活性。万向节由两个互相垂直的转轴组成的特殊关节,能提供两个自由度,增加了机械臂的灵活性。4.3控制系统的组成计算机控制系统：负责运算、逻辑控制、程序控制等功能,是机器人控制的核心部分。伺服控制系统：执行具体的位置、速度、加速度控制指令,实现机械臂的精密运动控制。传感反馈系统：收集机械臂各关节的位置、力矩等信息,为控制系统提供反馈数据。计算机控制系统计算机控制系统是工业机器人的核心部件之一。它负责对机器人各部分的运动进行精确的控制和协调。该系统由微处理器、存储器、接口电路等组成,可根据预先设定的程序和传感器反馈信息,自动或遥控地控制机器人的运动。伺服控制系统伺服控制系统是工业机器人的核心部件之一。它通过检测反馈信号来实时调整执行机构的位置、速度和力矩,实现精确的运动控制。伺服控制系统可以高度重复定位,提高机器人的运行精度和稳定性。伺服控制系统包括伺服驱动器、伺服电机和位置反馈装置等核心部件,通过闭环反馈控制实现高精度的运动控制。传感反馈系统传感反馈系统是工业机器人控制系统的重要组成部分。它通过各种传感器获取机器人各关节和工具的位置、速度、力等信息,并反馈给控制系统,以实现闭环控制,提高机器人的定位精度和动态性能。传感反馈系统包括各种位置传感器、力/力矩传感器以及视觉传感器等,能实时监测机器人的运行状态,为控制系统提供精确的反馈数据。4.4传感器的类型位置传感器：检测机械臂关节角度或位置的传感器，如编码器、光电传感器等，为机器人运动控制提供反馈信息。力/力矩传感器：检测机械臂末端施加的力或力矩的传感器，用于控制机器人的动作和接触力。视觉传感器：为机器人提供视觉信息，通过相机等设备感知周围环境，配合图像处理算法进行目标识别和位置跟踪。4.4.1位置传感器位置传感器是工业机器人中不可或缺的一类重要传感器。它们可以精确测量机器人关节的位置和角度,为控制系统提供反馈信息,确保机器人能够精准地执行所需的运动轨迹。常见的位置传感器包括编码器、光学传感器和磁性传感器等。它们各有特点,适用于不同的场合。力/力矩传感器力/力矩传感器是机器人关键的感知组件之一,用于检测和测量机械臂的施加力或转矩。这类传感器通常采用压缩应变或拉伸应变的原理,将受力或扭力转换为电信号输出,为控制系统提供反馈信息。视觉传感器高分辨率摄像头工业机器人通常配备高分辨率的智能摄像头,可以提供清晰的图像数据,用于精确识别和定位物体。3D扫描传感器3D激光扫描传感器能快速获取工件的三维空间信息,为机器人提供精确的位置和形状数据。触觉传感器机器人手爪上配备的触觉传感器,能感知物体的形状、质地和力度,帮助机器人精准抓取和操作。4.5执行机构的分类夹持器：用于抓取和操纵工件的夹持设备。包括机械夹爪、气动夹爪和电动夹爪等。工具夹持装置：可以快速更换不同种类的工具，以执行不同的加工或操作任务。工件定位装置：用于固定和定位工件,确保工件在加工过程中保持稳定和精确的位置。夹持器夹持器是工业机器人末端执行机构的一种重要组成部分。它用于抓取和操作各种工件,起到夹持、移动和放置的作用。夹持器通常由夹爪、夹持驱动机构和控制系统组成,能够根据工件的形状和重量进行精确的抓取和放置。工具夹持装置工业机器人需要配备精密的工具夹持装置，以牢固地夹持各种尺寸和形状的工具。这种夹持装置采用金属材质制造，具有优秀的承载能力和可靠的夹紧效果。精细的机械设计确保夹持稳定可靠，适用于复杂的加工任务。4.5.3工件定位装置工件定位装置是工业机器人执行机构的重要组成部分,用于稳定地固定或支撑工件,确保机器人能够精确地对工件进行抓取、搬运和加工。这类装置通常采用机械夹持、真空吸附或磁力吸附等方式,确保工件不发生位置偏移。合理设计的定位装置可以提高机器人作业的重复精度和灵活性。4.6驱动系统的选择电动驱动：利用电机提供驱动力,控制简单,定位精度高,但能耗较大。适用于工业机器人的常见选择。液压驱动：利用液压油缸产生大推力,适用于重载机器人。系统构造复杂,但功率密度高,可承受大负载。气动驱动：利用压缩空气推动气缸,结构简单、成本低,但精度和力度较弱,多用于轻型操作。电动驱动1高效可靠电动驱动系统的能量转换效率高,操作稳定可靠,广泛应用于工业机器人领域。2响应迅速采用电机驱动,控制精度高,机械臂运动响应速度快,能满足高速运转的需求。3结构简单电动驱动系统的结构相对简单,维护方便,易于实现自动化控制。液压驱动1原理液压驱动利用液体压力将动力传递至执行机构,可产生大推力和高精度。通过液压泵、液压缸等元件驱动机器人关节运动。2优势液压驱动系统力矩大、响应快、可实现高速运转,在工业机器人中广泛应用。但需要泵站、管路等辅助设备,结构较为复杂。3应用常见于装配、焊接、搬运等需要大推力和高精度的