工業(yè)機器人詳解

工業(yè)機器人ppt課件當前第1頁\共有41頁\編于星期日\22點第5章工業(yè)機器人5.1工業(yè)機器人的發(fā)展歷史5.2工業(yè)機器人的基本組成5.3工業(yè)機器人的典型結構5.4工業(yè)機器人的種類及應用當前第2頁\共有41頁\編于星期日\22點5.1工業(yè)機器人的發(fā)展歷史5.1.1工業(yè)機器人發(fā)展概況通常所說的工業(yè)機器人一般指用于工業(yè)制造環(huán)境中，模擬人的手臂的部分動作，按照預定的程序、軌跡及其它要求，實現抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置。1948年，機械式的主從機械手1951年，美國麻省理工學院（MIT）成功開發(fā)了第一代數控機床（CNC）。1954年，美國人喬治·德沃爾（GeorgeDevol）設計并研制了世界上第一臺可編程的工業(yè)機器人樣機，將之命名為“UniversalAutomation”，并申請了該項機器人專利。Devol與Engerlberge合作創(chuàng)建了美國萬能自動化公司（Unimation），于1962年生產了第一臺機器人，取名Unimate。當前第3頁\共有41頁\編于星期日\22點美國機床與鑄造公司（AMF）于1960年生產了一臺被命名為Versation的圓柱坐標型的數控自動機械，并以IndustrialRobot（工業(yè)機器人）的名稱進行宣傳。通常認為這是世界上最早的工業(yè)機器人。Unimate和Versation這兩種型號的機器人以“示教再現”的方式在汽車生產線上成功地代替工人進行傳送、焊接、噴漆等作業(yè)，Unimate和Versation作為商品開始在世界市場上銷售。此后，美國工業(yè)機器人技術的發(fā)展，大致經歷了如下幾個階段：1963~1967年為實驗定型階段。1963~1966年，萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝實驗。1967年，該公司生產的工業(yè)機器人定型為1900型。1968~1970年為實際應用階段。從20世紀60年代后期開始，搬運、噴漆、弧焊機器人相繼在生產中得以應用，并且出現了由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元（FMC）。當前第4頁\共有41頁\編于星期日\22點1970~1980年為技術發(fā)展和推廣應用階段。1970年4月，第一次國際工業(yè)機器人會議在美國伊利斯工學院舉行，工業(yè)機器人多種卓有成效的實用范例促進了機器人應用領域的進一步擴展。1980年至今為產業(yè)化、實用化、商品化階段。隨著大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展，微型計算機的普遍應用和性能飛躍，機器人的控制性能得到了大幅度地提高，成本不斷下降，于是產生了不同用途的機器人。工業(yè)機器人進入了商品化和實用化階段，形成了大規(guī)模的機器人產業(yè)。日本、俄羅斯、西歐等，大都是從1967、1968年開始以美國的Unimate和Versation型機器人為藍本開始進行研制。其中日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。20世紀80年代以來，國際機器人以平均25%~30%的年增長率發(fā)展。這是由于工業(yè)自動化正向著“柔性生產”方向發(fā)展，以適應多品種、中小批量生產或混流生產的需要。到2002年，全世界服役的機器人大約有100萬臺。當前第5頁\共有41頁\編于星期日\22點5.1.2中國工業(yè)機器人研制情況我國工業(yè)機器人起步于70年代初期，經過30多年的發(fā)展，大致經歷了3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。20世紀80年代，我國機器人技術的發(fā)展得到政府的重視和支持，機器人步入了跨越式發(fā)展時期。1986年我國開展了“七五”機器人攻關計劃。1987年我國“863”高技術計劃將機器人方面的研究開發(fā)列入其中。當前第6頁\共有41頁\編于星期日\22點從90年代初期起，我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應用工程，形成了一批機器人產業(yè)化基地。到目前為止，我國在機器人的技術研究方面已經相繼取得了一些重要成果，在某些技術領域已經接近國際前沿水平。但從總體上看，我國在智能機器人方面的研究可以說還是剛剛起步，機器人傳感技術和機器人專用控制系統等方面的研究還比較薄弱。另外，在機器人的應用方面，我國就顯得更為落后。當前第7頁\共有41頁\編于星期日\22點5.2工業(yè)機器人的基本組成工業(yè)機器人通常由執(zhí)行機構、驅動系統、控制系統和傳感系統四部分組成。工業(yè)機器人各組成部分之間的相互作用關系如圖：當前第8頁\共有41頁\編于星期日\22點5.2.1執(zhí)行機構執(zhí)行機構是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由一系列連桿、關節(jié)或其他形式的運動副所組成。從功能的角度可分為：手部、腕部、臂部、腰部和機座。手部：腕部：1—手部

2—腕部

3—臂部

4—腰部

5—機座工業(yè)機器人的手部也叫做末端執(zhí)行器，是裝在機器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。工業(yè)機器人的腕部是連接手部和臂部的部件，起支承手部的作用。機器人一般具有六個自由度才能使手部達到目標位置和處于期望的姿態(tài)，腕部的自由度主要是實現所期望的姿態(tài)，并擴大臂部運動范圍。當前第9頁\共有41頁\編于星期日\22點臂部：工業(yè)機器人的臂部是連接腰部和腕部的部件，用來支撐腕部和手部，實現較大運動范圍。臂部一般由大臂、小臂（或多臂）所組成。腰部：腰部是連接臂部和基座的部件，通常是回轉部件。由于它的回轉，再加上臂部的運動，就能使腕部作空間運動。機座：機座是整個機器人的支持部分，有固定式和移動式兩類。5.2.2驅動系統工業(yè)機器人的驅動系統是向執(zhí)行系統各部件提供動力的裝置，包括驅動器和傳動機構兩部分，它們通常與執(zhí)行機構聯成一體。驅動器通常有電動、液壓、氣動裝置以及把它們結合起來應用的綜合系統。常用的傳動機構有諧波傳動、螺旋傳動、鏈傳動、帶傳動以及各種齒輪傳動等機構。當前第10頁\共有41頁\編于星期日\22點5.2.3控制系統控制系統的任務是根據機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構完成固定的運動和功能。若工業(yè)機器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統。工業(yè)機器人的控制系統主要由主控計算機和關節(jié)伺服控制器組成工業(yè)機器人通常具有示教再現和位置控制兩種方式。工業(yè)機器人的位置控制方式有點位控制和連續(xù)路徑控制兩種。當前第11頁\共有41頁\編于星期日\22點5.2.4傳感系統傳感系統是機器人的重要組成部分，按其采集信息的位置，一般可分為內部和外部兩類傳感器。內部傳感器是完成機器人運動控制所必須的傳感器，如位置、速度傳感器等，用于采集機器人內部信息，是構成機器人不可缺少的基本元件。外部傳感器檢測機器人所處環(huán)境、外部物體狀態(tài)或機器人與外部物體的關系。常用的外部傳感器有力覺傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、視覺傳感器等。一些特殊領域應用的機器人還可能需要具有溫度、濕度、壓力、滑動量、化學性質等感覺能力方面的傳感器。當前第12頁\共有41頁\編于星期日\22點5.3工業(yè)機器人的典型機構工業(yè)機器人按其本體機械結構的不同，可分為SCARA型、平行桿型和多關節(jié)等幾種典型機構。5.3.1SCARA機構SCARA是SelectiveComplianceAssemblyRobotArm的縮寫，意思是具有選擇順應性的裝配機器人手臂。它具有平行的肩關節(jié)和肘關節(jié)，關節(jié)軸線共面。這種機器人在水平方向有順應性，而在垂直方向則具有很大的剛性。由于各個臂都只沿水平方向旋轉，故又稱水平關節(jié)型機器人，多用于裝配，也稱為裝配機器人。SCARA型機器人大多采用四自由度結構，這是由于裝配操作對姿態(tài)的要求只需繞Z軸轉動，故一般是由四個關節(jié)組成。根據作業(yè)要求，少部分操作機在手腕處再增加一個沿Z軸的微小移動。當前第13頁\共有41頁\編于星期日\22點下圖所示是采用伺服電機驅動的SCARA機器人：日本DAIKIN的S1400操作機SCARA機器人S1400當前第14頁\共有41頁\編于星期日\22點5.3.2平行桿型機構平行桿型機構又稱并聯平行四邊形機構，其特點是機器人的上臂通過一根拉桿驅動，拉桿與下臂組成一個平行四邊形的兩條邊，故而得名。右圖所示是平行桿型機器人Motoman-L10操作機。Motoman-L10立體圖當前第15頁\共有41頁\編于星期日\22點Motoman-L10傳動示意圖1-電機2-機座3-電機4-諧波減速器5-回轉殼6-鏈輪I7-鏈輪II8-諧波減速器9-電機10-下臂桿11-凸耳12-絲杠13-諧波減速器14-絲杠15-拉桿16-雙聯鏈輪I17-銷軸18-雙聯鏈輪II19-上臂桿20-鏈輪21-錐齒輪22-腕殼23-手部法蘭24-電機25-鏈輪當前第16頁\共有41頁\編于星期日\22點5.3.3多關節(jié)機構多關節(jié)型機器人一般由多個轉動關節(jié)串聯起若干連桿組成的開鏈式機構，是模擬人類腰部到手臂的基本結構而構成的。其機械本體部分通常包括機座（即底部和腰部的固定支撐）結構、腰部關節(jié)轉動裝置、大臂結構及大臂關節(jié)轉動裝置、小臂結構及小臂關節(jié)轉動裝置、手腕結構及手腕關節(jié)轉動裝置和末端執(zhí)行器（即手爪部分）。小臂和大臂間的關節(jié)稱為肘關節(jié)，大臂和底座間的關節(jié)稱為肩關節(jié)，繞底座的旋轉稱為腰關節(jié)。腰、肩和肘三個關節(jié)一般為轉動關節(jié)，其中兩個關節(jié)軸線平行，構成較為復雜形狀的工作范圍，用于決定手部的空間位置，其腕部一般具有翻轉、俯仰和偏轉三個自由度，用于決定手部的姿態(tài)。當前第17頁\共有41頁\編于星期日\22點PUMA-262關節(jié)型機器人結構簡圖1—關節(jié)2電動機2—關節(jié)3電動機3-—大臂4—關節(jié)1電動機5—小臂定位夾板6—小臂7—氣動閥8—立柱9—直齒輪10—中間齒輪11—基座12—主齒輪13—管形連接軸14—手腕

當前第18頁\共有41頁\編于星期日\22點PUMA-262關節(jié)型機器人傳動原理圖1—關節(jié)2電機

2—關節(jié)3電機

3-—聯軸器

4—關節(jié)5電機

5—關節(jié)4電機

6—關節(jié)6電機當前第19頁\共有41頁\編于星期日\22點早期開發(fā)的平行四邊形機器人工作空間比較?。ň窒抻跈C器人的前部），難以倒掛工作。但80年代后期以來開發(fā)的新型平行四邊形機器人，已能把工作空間擴大到機器人的頂部、背部及底部，機器人的剛度又比關節(jié)式機器人高，從而得到普遍的重視。這種結構形式不僅適合于輕型機器人，也適合于重型機器人。近年來點焊用機器人（負載100～150kg）大多選用平行四邊形結構形式的機器人。關節(jié)型機器人是一種廣泛使用的擬人化的機器人，其特點是結構緊湊、工作范圍大而占用空間小、動作靈活、具有很高的可達性，可以輕易避障和伸入狹窄彎曲的管道操作，對多種作業(yè)都有良好的適應性，已廣泛應用于代替人完成裝配作業(yè)、貨物搬運、電弧焊接、噴涂、點焊接等作業(yè)場合，成為使用最為廣泛的機器人。當前第20頁\共有41頁\編于星期日\22點5.4工業(yè)機器人的種類及應用5.4.1焊接機器人焊接機器人是在工業(yè)機器人的的末軸法蘭上裝接焊鉗或焊（割）槍，使之能進行焊接、切割或熱噴涂的機器人。目前焊接機器人是最大的工業(yè)機器人應用領域，占工業(yè)機器人總數的25%左右。1焊接機器人系統組成完整的焊接機器人系統一般由如下幾部分組成：機械手、變位機、控制器、焊接系統（專用焊接電源、焊槍或焊鉗等）、焊接傳感器、中央控制計算機和相應的安全設備等當前第21頁\共有41頁\編于星期日\22點焊接機器人系統組成當前第22頁\共有41頁\編于星期日\22點2焊接機器人的主要結構形式及性能焊接用機器人基本上都屬關節(jié)式機器人，絕大部分有6個軸。其中，1、2、3軸可將末端工具送到不同的空間位置，而4、5、6軸解決工具姿態(tài)的不同要求。焊接機器人本體的機械結構主要有兩種形式：一種為平行桿型機構，一種為多關節(jié)型機構。多關節(jié)型機構的主要優(yōu)點是上、下臂的活動范圍大，使機器人的工作空間幾乎能達一個球體。因此，這種機器人可倒掛在機架上工作，以節(jié)省占地面積，方便地面物件的流動。但是這種結構形式的機器人，2、3軸為懸臂結構，降低機器人的剛度，一般適用于負載較小的機器人，用于電弧焊、切割或噴涂。平行桿型機器人的工作空間能達到機器人的頂部、背部及底部，又沒有多關節(jié)型機器人的剛度問題，從而得到普遍的重視，不僅適合于輕型機器人，也適合于重型機器人。當前第23頁\共有41頁\編于星期日\22點(a)(b)焊接機器人的基本結構形式(a)平行桿型機構

(b)多關節(jié)型機構當前第24頁\共有41頁\編于星期日\22點3點焊機器人點焊機器人（spotweldingrobot）用于點焊自動作業(yè)的工業(yè)機器人。點焊機器人的組成和基本功能點焊機器人由機器人本體、計算機控制系統、示教盒和點焊焊接系統幾部分組成。點焊機器人機械本體一般具有六個自由度：腰轉、大臂轉、小臂轉、腕轉、腕擺及腕捻。其驅動方式有液壓驅動和電氣驅動兩種，其中電氣驅動應用更為廣泛。點焊作業(yè)對所用機器人的要求不是很高。因為點焊只需點位控制，至于焊鉗在點與點之間的移動軌跡沒有嚴格要求，這也是機器人最早只能用于點焊的原因。點焊機器人需要有足夠的負載能力，而且在點與點之間移位時速度要快捷，動作要平穩(wěn)，定位要準確，以減少移位的時間，提高工作效率。當前第25頁\共有41頁\編于星期日\22點點焊機器人的組成1—機械臂

2—進水、出水管線

3—焊鉗

4—電極修整裝置

5—氣管6—控制電纜

7—點焊定時器

8—機器人控制柜

9—安全圍欄當前第26頁\共有41頁\編于星期日\22點點焊工藝對機器人的基本要求（1）點焊作業(yè)一般采用點位控制（PTP），其重復定位精度≤±1mm。（2）點焊機器人工作空間必須大于焊接所需的空間（由焊點位置及焊點數量確定）。（3）按工件形狀、種類、焊縫位置選用焊鉗。（4）根據選用的焊鉗結構、焊件材質與厚度以及焊接電流波形（工頻交流、逆變式直流等）來選取點焊機器人額定負載，一般在50-120kg之間。（5）機器人應具有較高的抗干擾能力和可靠性（平均無故障工作時間應超過2000h，平均修復時間不大于30min）；具有較強的故障自診斷功能，例如可發(fā)現電極與工件發(fā)生“黏結”而無法脫開的危險情況，并能作出電極沿工件表面反復扭轉直至故障消除。（6）點焊機器人示教記憶容量應大于1000點。（7）機器人應具有較高的點焊速度（例如60點/min以上），以保證單點焊接時間（含加壓、焊接、維持、休息、移位等點焊循環(huán)）與生產線物流速度匹配，且其中50mm短距離移動的定位時間應縮短在0.4s以內。（8）需采用多臺機器人時，應研究是否選用多種型號；當機器人布置間隔較小時，應注意動作順序的安排，可通過機器人群控或相互間連鎖作用避免干擾。當前第27頁\共有41頁\編于星期日\22點點焊機器人的焊接設備點焊機器人的焊接設備主要有阻焊變壓器、焊鉗、點焊控制器以及水、電、氣路及其輔助設備等組成。點焊機器人的應用引入點焊機器人可以取代笨重、單調、重復的體力勞動；能更好地保證焊點質量；可長時間重復工作，提高工作效率30%以上；可以組成柔性自動生產系統，特別適合新產品開發(fā)和多品種生產，增強企業(yè)應變能力。FanucS-420點焊機器人應用實例當前第28頁\共有41頁\編于星期日\22點4弧焊機器人弧焊機器人（arcweldingrobot）用于進行自動弧焊的工業(yè)機器人?；『笝C器人的組成和基本功能弧焊機器人一般由示教盒、控制盤、機器人本體及自動送絲裝置、焊接電源等部分組成?；『笝C器人機械本體通常采用關節(jié)式機械手。雖然從理論上講，有5個軸的機器人就可以用于電弧焊，但是對復雜形狀的焊縫，需選用6軸機器人。其驅動方式多采用直流或交流伺服電機驅動?；『高^程比點焊過程要復雜得多，工具中心點（TCP），也就是焊絲端頭的運動軌跡、焊槍姿態(tài)、焊接參數都要求精確控制。所以，弧焊機器人應能實現連續(xù)軌跡控制，并可以利用直線插補和圓弧插補功能焊接由直線及圓弧所組成的空間焊縫，還應具備不同擺動樣式的軟件功能，供編程時選用，以便作擺動焊，而且擺動在每一周期中的停頓點處，機器人也應自動停止向前運動，以滿足工藝要求。此外，還應有接觸尋位、自動尋找焊縫起點位置、電弧跟蹤及自動再引弧功能等。當前第29頁\共有41頁\編于星期日\22點弧焊機器人組成1—機械手

2—工作臺

3—焊槍

4—防撞傳感器

5—送絲機

6—焊絲盤7—氣瓶

8—焊接電源

9—電源

10—機器人控制柜

11—示教盒當前第30頁\共有41頁\編于星期日\22點弧焊工藝對機器人的基本要求（1）弧焊作業(yè)均采用連續(xù)路徑控制（CP），其定位精度應≤±0.5mm。（2）弧焊機器人可達到的工作空間必須大于焊接所需的工作空間。（3）按焊件材質、焊接電源、弧焊方法選擇合適種類的機器人。（4）正確選擇周邊設備，組成弧焊機器人工作站?；『笝C器人僅僅是柔性焊接作業(yè)系統的主體，還應有行走機構及移動機架，以擴大機器人的工作范圍。同時，還應有各種定位裝置、夾具及變位機。多自由度變位機應能與機器人協調控制，使焊縫處于最佳焊接位置。（5）弧焊機器人應具有防碰撞及焊槍矯正、焊縫自動跟蹤、熔透控制、焊縫始端檢出、定點擺焊及擺動焊接、多層焊、清槍剪絲等相關功能。（6）機器人應具有較高的抗干擾能力和可靠性（平均無故障工作時間應超過2000h，平均修復時間不大于30min；在額定負載和工作速度下連續(xù)運行120h，工作應正常），并具有較強的故障自診斷功能（如“黏絲”、“斷弧”故障顯示及處理等）。當前第31頁\共有41頁\編于星期日\22點（7）弧焊機器人示教記憶容量應大于5000點。（8）弧焊機器人的抓重一般為5-20kg，經常選用8kg左右。（9）在弧焊作業(yè)中，焊接速度及其穩(wěn)定性是重要指標，一般情況下焊速約取5-50mm/s，在薄板高速MAG焊中，焊接速度可能達到4m/min以上。因此，機器人必須具有較高的速度穩(wěn)定性，在高速焊接中還對焊接系統中電源和送絲機構有特殊要求。（10）由于弧焊工藝復雜，示教工作量大，現場示教會占用大量生產時間，因此弧焊機器人必須具有離線編程功能。其方法為：①在生產線外另安裝一臺主導機器人，用它模仿焊接作業(yè)的動作，然后將生成的示教程序傳送給生產線上的機器人；②借助計算機圖形技術，在顯示器(CRT)上按焊件與機器人的位置關系對焊接動作進行圖形仿真，然后將示教程序傳給生產線上的機器人，目前已經有多種這方面商品化的軟件包可以使用，如ABB公司提供的機器人離線編程軟件ProgramMaker。由于計算機技術發(fā)展，后一種方法將越來越多地應用于生產中。當前第32頁\共有41頁\編于星期日\22點弧焊機器人的焊接設備弧焊機器人的焊接設備主要有弧焊電源、焊槍送絲機構、焊接傳感器等組成?；『笝C器人的應用弧焊機器人的應用范圍很廣，除了汽車行業(yè)之外，在通用機械、金屬結構、航天、航空、機車車輛及造船等行業(yè)都有應用。弧焊機器人實例當前第33頁\共有41頁\編于星期日\22點5.4.2搬運機器人搬運機器人（transferrobot）是主要從事自動化搬運作業(yè)的工業(yè)機器人。所謂搬運作業(yè)是指用一種設備握持工件，從一個加工位置移到另一個加工位置。工件搬運和機床上下料是工業(yè)機器人的一個重要應用領域，在工業(yè)機器人的構成比例中占有較大的比重。搬運機器人系統組成搬運機器人系統由搬運機械手和周邊設備組成。搬運機械手可用于搬運重達幾公斤至1t以上的負載。微型機械手可搬運輕至幾克甚至幾毫克的樣品，用于傳送超凈實驗室內的樣品。周邊設備包括工件自動識別裝置、自動啟動和自動傳輸裝置等。搬運機器人可安裝不同的末端執(zhí)行器（如機械手爪、真空吸盤及電磁吸盤等）以完成各種不同形狀和狀態(tài)的工件搬運工作。當前第34頁\共有41頁\編于星期日\22點搬運機器人的應用最早的搬運機器人出現在1960年的美國，Versatran和Unimate兩種機器人首次用于搬運作業(yè)。八十年代以來，工業(yè)發(fā)達國家在推廣搬運碼垛的自動化、機器人化方面得到了顯著的進展。日本、德國等國家在大批量生產如機械、家電、食品、水泥、化肥等行業(yè)廣泛使用搬運機器人。FUJIACE搬運機器人當前第35頁\共有41頁\編于星期日\22點5.4.3噴漆機器人噴漆機器人是用于噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機器人。噴漆機器人系統組成噴漆機器人主要由機器人本體、計算機和相應的控制系統組成，配有自動噴槍、供漆裝置、變更顏色裝置等噴漆設備。噴漆機器人采用液壓驅動較多。液壓驅動的噴漆機器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機等。機器人多采用5或6自由度關節(jié)式結構，手臂有較大的運動空間，并可做復雜的軌跡運動。其腕部一般有2～3個自由度，可靈活運動。較先進的噴漆機器人腕部采用柔性手腕，既可向各個方向彎曲，又可轉動，其動作類似人的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內部，噴涂其內表面。動作速度快、有良好的防爆性能，其示教方式以連續(xù)軌跡示教為主，也可作點位示教。當前第36頁\共有41頁\編于星期日\22點噴漆機器人系統組成1—機械手

2—液壓站

3—機器人控制柜

4，12—防爆器

5—傳送帶

6—電動機

7—測速電機

8—噴槍9—高壓靜電發(fā)生器

10—塑粉回收裝置

11—粉桶/高壓靜電發(fā)生器

13—電源

14—氣源

15—烘道當前第37頁\共有41頁\編于星期日\22點防爆功能的實現噴漆機器人的電機、電器接線盒、電