工业机器人分类及应用

————工业机器人工业机器人的分类及应用所处位置————1、按机器人的技术等级划分【课（1）示教再现机器人第一代工业机器人能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业，示教可由操作员手把手进行或通过示教器完成。堂认知】返回目录（2）感知机器人第二代工业机器人程具有环境感知装置，能在一定度上适应环境的变化，目前已经进入应用阶段。（3）智能机器人第三代工业机器人具有发现问题，并且能自主地解决问题的能力，尚处于实验研究阶段。课前回顾按机器人结构坐标系特点方式分类1）直角坐标型机器人2）圆柱坐标型机器人3）极坐标型机器人4）关节型机器人通过沿三个互相垂直的轴线的移动来实现机器人手部空间位置的改变通过两个移动和一个转动实现位置的改变运动由一个直线运动和两个转动组成运动由前后的俯仰及立柱的回转组成章节目录思考练习2.1工业机器人的系统组成2.1.1操作机2.1.2控制器2.1.3示教器2.2工业机器人的技术指标学习目标导入案例扩展与提高本章小结课堂认知2.3工业机器人的运动控制2.3.1机器人运动学问题2.3.2机器人的点位运动…2.3.3机器人的位置控制学习目标所处位置————能够正确识别工业机器人的基本组成【学掌握工业机器人的机构组成及各部分的功能能够正确判别工业机器人的点位运动和连续路径运动习目标】返回目录认知目标能力目标导入案例国产机器人竞争力缺失关键技术是瓶颈————众所周知，中国机器人产业由于先天因素，在单体与核心零部件仍然落后于日、美、韩等发达国家。虽然中国机器人产业经过30年的发展，形成了较为完善的产业基础，但与发达国家相比，仍存在较大差距，产业基础依然薄弱，关键零部件严重依赖进口。【导入案】整个机器人产业链主要分为上游核心零部件（主要是机器人三大核心零部件——伺服电机、减速器和控制系统，相当于机器人的“大脑”）、中游机器人本体（机器人的“身体”）和下游系统集成商（国内95%的企业都集中在这个环节上）三个层面。返回目录2.1工业机器人的系统组成第一代工业机器人主要由以下几部分组成：操作机、控制器和示教器。示教器是机器人的人机交互接口，操作者可通过它对机器人进行编程或手动操纵机器人移动。操作机用于完成各种作业任务的机械主体，主要包含机械臂、驱动装置、传动单元以及内部传感器等部分。控制器是完成机器人控制功能的结构实现，是决定机器人功能和水平的关键部分。工业机器人系统组成对于第二代及第三代工业机器人还包括感知系统和分析决策系统，它们分别由传感器及软件实现。关节型机器人操作机基本构造2.1工业机器人的系统组成2.1.1操作机操作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构。它主要由机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器等部分组成。伺服电机减速器腕关节小臂肘关节手腕大臂连接法兰皮带传动腰部肩关节腰关节基座▲机器人操作机的每个关节均采用1个交流伺服马达驱动返回目录2.1工业机器人的系统组成所处机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰，可接装不同的机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。位置————【课堂认知】吸盘焊枪夹紧爪返回目录夹紧爪夹紧爪夹紧爪吸盘焊枪2.1工业机器人的系统组成2.1.1操作机所处(1)机械臂位置关节型工业机器人的机械臂是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体。实质上是一个拟人手臂的空间开链式机构，一端固定在基座上，另一端可自由运动，由关节-连杆结构所构成的机械臂大体可分为基座、腰部、臂部（大臂和小臂）和手腕4部分。————课堂认知返回目录机械部分1手部2手腕（次轴）3臂部（主轴）5基座末端执行器联接手部和手臂的部分，主要改变手部的空间方向和将作业载荷传递到手臂联接机身和手腕的部分，改变手部的空间位置，并将各种载荷传递到机座起到支承作用4腰部腰部是机器人手臂的支承部分。基座腰部大臂小臂手腕1、手臂的运动垂直移动径向移动回转运动机器人手臂的上下运动手臂的伸缩运动机器人绕铅垂轴的转动2、手腕的运动手腕旋转手腕弯曲手腕侧摆手腕绕小臂轴线的转动手腕的上下摆动手腕的水平摆动最小的三指手BH—II三指手四指灵巧手灵巧的双手DLR多指手哈工大多指手SuperRobustRobotHand超级机器人灵巧手DLR_标清2.1工业机器人的系统组成所处(2)驱动装置位置————驱使工业机器人机械臂运动的机构。它按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作，相当于人的肌肉、筋络。【课机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种基本类型。堂认知目前，除个别运动精度不高、重负载或有防爆要求的机器人采用液压、气压驱动外，工业机器人大多采用电气驱动，而其中属交流伺服电机应用最广，且驱动器布置大都采用一个关节一个驱动器。】返回目录优点:(1)可以获得较大的推力或转矩。(2)液压系统介质的可压缩性小,工作平稳可靠,并可得到较高的位置精度。(3)液压传动中,力、速度和方向比较容易实现自动控制。(4)液压系统采用油液作介质,具有防锈性和自润滑性能,可以提高机械效率,使用寿命长。液压驱动存在的不足:　(1)油液的粘度随温度变化而变化,这将影响工作性能。高温容易引起燃烧、爆炸等危险。　　(2)液体的泄漏难于克服,要求液压元件有较高的精度和质量,故造价较高。　　(3)需要相应的供油系统,尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置,否则会引起故障。液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。　气动机械手气压驱动与液压驱动相比,气压驱动的特点是:(1)压缩空气粘度小,容易达到高速(1m／s)。(2)利用工厂集中的空气压缩机站供气,不必添加动力设备。(3)空气介质对环境无污染,使用安全,可直接应用于高温作业。(4)气动元件工作压力低,故制造要求也比液压元件低。气压驱动的不足:　　(1)压缩空气常用压力为0.4～0.6MPa,若要获得较大的压力,其结构就要相对增大。　　(2)空气压缩性大,工作平稳性差,速度控制困难,要达到准确的位置控制很困难。　　(3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题,处理不当会使钢类零件生锈,导致机器人失灵.此外,排气还会造成噪声污染。电动机驱动1）普通交流电动机驱动2）交、直流伺服电动机驱动3）步进电动机驱动输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人用于闭环控制系统，输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人用于开环控制，一般用于对速度和位置要求不高的场合电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器人关节驱动逐渐为电动式所代替。所处三种驱动方式特点比较位置————【课堂认知】特点使用范制造成输出力控制性能维修使用结构体积驱动方式围本油液不可压缩，在输出力相液压元压力、流量均容维修方便，液中、小同的情况下件成本液压驱动压力高，可获得大的输出力易控制，可无级体对温度变化型及重，体积比气较高，调速，反应灵敏敏感，油液泄型机器压驱动方式油路比，可实现连续轨漏易着火人小较复杂迹控制可高速，冲击较气体压力低，严重，精确定位维修简单，能结构简输出力较小，困难。气体压缩在高温、粉尘中、小单，能气压驱动如需输出力大性大，阻尼效果等恶劣环境中体积较大型机器源方便时，其结构尺差，低速不易控使用，泄露无人，成本寸过大制，不易与CPU连影响低接容易与CPU连接，高性能控制性能好，响需要减速装电气驱动输出力较小或维修使用较复、运动成本较应快，可精确定置，体积较较大杂轨迹要高位，但控制系统小求严格复杂2.1工业机器人的系统组成所处(3)传动单元位置目前工业机器人广泛采用的机械传动单元是减速器，应用在关节型机器人上的————减速器主要有两类：RV减速器和谐波减速器。一般将RV减速器放置在基座、腰部、大臂等重负载的位置(主要用于20kg以上的机器人关节)；将谐波减速器放置在小【臂、腕部或手部等轻负载的位置(主要用于20kg以下的机器关节)。此外，机器人还课采用齿轮传动、链条（带）传动、直线运动单元等。堂认知】谐RV波减减速速器器皮带传动返回目录机器人关节传动单元2.1工业机器人的系统组成所处位置1)谐波减速器————通常由3个基本构件组成，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有柔性滚动轴承的波发生器，在这3个基本结构中可任意固定一个，其余一个为主动件一个从动件。【课堂认知柔轮】波发生器刚轮谐波减速器原理图谐波减速器_XB谐波减速机_机器人_印刷机_机床_谐波传动减速器2.1工业机器人的系统组成所处位置2)RV减速器————主要由太阳轮（中心轮）、行星轮、转臂（曲柄轴）、转臂轴承、摆线轮（RV齿轮）、针齿、刚性盘与输出盘等零部件组成。具有较高的疲劳强度和刚度以及较长的寿命，回差精度稳定，高精度机器人传动多采用RV减速器。【课堂针齿认知2级减速1级减速行星轮】太阳轮Z2输入Z1Z4输出Z3摆线轮转臂输出轴针齿壳RV减速器原理图2.1工业机器人的系统组成2.1.2控制器所处机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定动作或作业任务的装置，是决定机器人功能和性能的主要因素，也是机器人系统中更新和发展最快的部分，其基本功能有：示教功能、记忆功能、位置伺服功能、坐标设定功。位置————【课堂认知】依据控制系统的开放程度，机器人控制器分3类：封闭型、开放型和混合型。目前基本上都是封闭型系统（如日系机器人）或混合型系统（如欧系机器人）。按计算机结构、控制方式和控制算法的处理方法，机器人控制器又可分为集中式控制和分布式控制两种方式。所处(1)集中式控制器位置优点：硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易于实现系统的最优控制，整体性与协调性较好，基于PC的系统硬件扩展较为方便。————缺点：系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面广，后果严重；大量数据计算，会降低系统实时性，系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；系统连线复杂，会降低系统的可靠性。【课堂认知】机器人关节1机器人关节1机器人关节2机器人关节2机器人关节n机器人关节n+1运动接口卡1驱动器1运动接口卡2驱动器2………机器人控制计算机运动接口卡n驱动器n机器人关节n驱动器1多轴驱动器2运动控制卡1……驱动器n机器人控制计算机多轴驱动器n+1运动控制卡2驱动器n+2机器人关节n+2a)单独接口卡驱动b)多轴运动控制卡驱动集中式机器人控制器结构所处(2)分布式控制器位置主要思想为“分散控制，集中管理”，为一个开放、实时、精确的机器人控制系统。分布式系统中常采用两级控制方式，由上位机和下位机组成。————优点：系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。【课堂认知】关节控制器1（下位机）驱动器1机器人关节1关节控制器2（下位机）驱动器2机器人关节2通讯总线………关节控制器n机器人主控制器（下位机）（上位机）驱动器n机器人关节n分布式机器人控制器结构2.1.3示教器所处亦称示教编程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按键组成。可由操作者手持移动。它是机器人的人机交互接口，机器人的所有操作基本上都是通过它来完成的。示教器实质上就是一个专用的智能终端。位置————控制器【课相关模块相关模块堂认?知操作机?S4S3】S2示教器S5S2串口指令解S0通S1释模块信模S5S2S2块?S4S3?相关模块相关模块示教时的数据流关系返回返回返回返回结束语若有不当之处，请指正，谢谢！