電氣百科:一文詳解,工業機器人結構、驅動及技術

2018年09月08日 自動化生產線 16 views

一文詳解:工業機器人結構、驅動及技術,供大家學習參考!

文/機器人網

一、常用運動學構形  

1、笛卡爾操作臂  

優點:很容易通過計算機控製實現,容易達到高精度。缺點:妨礙工作, 且占地麵積大, 運動速度低, 密封性不好。

①焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標、噴碼、打碼、(軟仿型)噴塗、目標跟隨、排爆等一係列工作。 

②特別適用於多品種,便批量的柔性化作業,對於穩定,提高產品質量,提高勞動生產率,改善勞動條件和產品的快速更新換代有著十分重要的作用。

2、鉸鏈型操作臂(關節型) 

關節機器人的關節全都是旋轉的, 類似於人的手臂,工業機器人中最常見的結構。它的工作範圍較為複雜。 

①汽車零配件、模具、鈑金件、塑料製品、運動器材、玻璃製品、陶瓷、航空等的快速檢測及產品開發。 

②車身裝配、通用機械裝配等製造質量控製等的三坐標測量及誤差檢測。 

③古董、藝術品、雕塑、卡通人物造型、人像製品等的快速原型製作。

④汽車整車現場測量和檢測。

⑤人體形狀測量、骨骼等醫療器材製作、人體外形製作、醫學整容等。


3、SCARA操作臂 

SCARA機器人常用於裝配作業, 最顯著的特點是它們在x-y平麵上的運動具有較大的柔性, 而沿z軸具有很強的剛性, 所以, 它具有選擇性的柔性。這種機器人在裝配作業中獲得了較好的應用。

①大量用於裝配印刷電路板和電子零部件

②搬動和取放物件,如集成電路板等 

③廣泛應用於塑料工業、汽車工業、電子產品工業、藥品工業和食品工業等領域. 

④搬取零件和裝配工作。


4、球麵坐標型操作臂 

特點:中心支架附近的工作範圍大,兩個轉動驅動裝置容易密封,覆蓋工作空間較大。但該坐標複雜, 難於控製,且直線驅動裝置存在密封的問題。


5、圓柱麵坐標型操作臂 

優點:且計算簡單;直線部分可采用液壓驅動,可輸出較大的動力; 能夠伸入型腔式機器內部。 缺點:它的手臂可以到達的空間受到限製, 不能到達近立柱或近地麵的空間;  

直線驅動部分難以密封、防塵;  後臂工作時, 手臂後端會碰到工作範圍內的其它物體。


6、冗餘機構 

通常空間定位需要6個自由度,利用附加的關節可以幫助機構避開奇異位形。下圖為7自由度操作臂位形 

7、閉環結構 

閉環結構可以提高機構剛度,但會減小關節運動範圍,工作空間有一定減小。

①運動模擬器;

②並聯機床;

③微操作機器人;

④力傳感器;

⑤生物醫學工程中的細胞操作機器人、可實現細胞的注射和分割;

⑥微外科手術機器人;

⑦大型射電天文望遠鏡的姿態調整裝置;

⑧混聯裝備等,如SMT公司的Tricept混聯機械手模塊是基於並聯機構單元的模塊化設計的成功典範。


工業機器人的幾種常用結構形式(圖)


二、機器人的主要技術參數 

機器人的技術參數反映了機器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況,是設計、應用機器人必須考慮的問題。機器人的主要技術參數有自由度、分辨率、工作空間、工作速度、工作載荷等。 

1、自由度 

機器人具有的獨立坐標軸運動的數目。 機器人的自由度是指確定機器人手部在空間的位置和姿態時所需要的獨立運動參數的數目。手指的開、合,以及手指關節的自由度一般不包括在內。.機器人的自由度數一般等於關節數目。 機器人常用的自由度數一般不超過5~6個。  

2、關節(Joint)

即運動副,允許機器人手臂各零件之間發生相對運動的機構。


3、工作空間 

機器人手臂或手部安裝點所能達到的所有空間區域。其形狀取決於機器人的自由度數和各運動關節的類型與配置。機器人的工作空間通常用圖解法和解析法兩種方法進行表示。

4、工作速度 

機器人在工作載荷條件下、勻速運動過程中,機械接口中心或工具中心點在單位時間內所移動的距離或轉動的角度。  

5、工作載荷 

指機器人在工作範圍內任何位置上所能承受的最大負載,一般用質量、力矩、慣性矩表示。 還和運行速度和加速度大小方向有關,一般規定高速運行時所能抓取的工件重量作為承載能力指標。

6、分辨率 

能夠實現的最小移動距離或最小轉動角度。

7、精度 

重複性或重複定位精度:指機器人重複到達某一目標位置的差異程度。或在相同的位置指令下,機器人連 續重複若幹次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度,即重複度。

三、機器人常用材料  

1)碳素結構鋼和合金結構鋼  這類材料強度好,特別是合金結構鋼,其強度增大了4~5倍,彈性模量E大,抗變形能力強,是應用最廣泛的材料。  

2)鋁、鋁合金及其他輕合金材料  這類材料的共同特點是重量輕,彈性模量E並不大,但是材料密度小,故E/ρ之比仍可與鋼材相比。有些稀貴鋁合金的品質得到了更明顯的改善,例如添加3.2%(重量百分比)鋰的鋁合金,彈性模量增加了14%,E/ρ比增加了16%。   

3)纖維增強合金  這類合金如硼纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金等,其E/ρ比分別達到11.4×107和8.9×107。這種纖維增強金屬材料具有非常高的E/ρ比,但價格昂貴。   

4)陶瓷  陶瓷材料具有良好的品質,但是脆性大,不易加工,日本已經試製了在小型高精度機器人上使用的陶瓷機器人臂樣品。 

5)纖維增強複合材料  這類材料具有極好的E/ρ比,而且還具有十分突出的大阻尼的優點。傳統金屬材料不可能具有這麽大的阻尼,所以在高速機器人上應用複合材料的實例越來越多。  

6)粘彈性大阻尼材料  增大機器人連杆件的阻尼是改善機器人動態特性的有效方法。目前有許多方法用來增加結構件材料的阻尼,其中最適合機器人采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對原構件進行約束層阻尼處理。

四、機器人主要結構


㈠、機器人驅動裝置 

概念:要使機器人運行起來, 需給各個關節即每個運動自由度安置傳動裝置 作用:提供機器人各部位、各關節動作的原動力。

驅動係統:可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動, 或者把它們結合起來應用的綜合係統; 可以是直接驅動或者是通過同步帶、鏈條、輪係、諧波齒輪等機械傳動機構進行間接驅動。 

1、電動驅動裝置 


電動驅動裝置的能源簡單,速度變化範圍大,效率高,速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯,直接驅動比較困難。

電動驅動裝置又可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電機驅動和步進電機驅動。 直流伺服電機電刷易磨損,且易形成火花。無刷直流電機也得到了越來越廣泛的應用。 步進電機驅動多為開環控製,控製簡單但功率不大,多用於低精度小功率機器人係統。

電動上電運行前要作如下檢查: 

1)電源電壓是否合適(過壓很可能造成驅動模塊的損壞); 對於直流輸入的+/-極性一定不能接錯,驅動控製器上的電機型號或電流設定值是否合適(開始時不要太大); 

2)控製信號線接牢靠,工業現場最好要考慮屏蔽問題(如采用雙絞線); 

3)不要開始時就把需要接的線全接上,隻連成最基本的係統,運行良好後,再逐步連接。 

4)一定要搞清楚接地方法,還是采用浮空不接。 

5)開始運行的半小時內要密切觀察電機的狀態,如運動是否正常,聲音和溫升情況,發現問題立即停機調整。

2、液壓驅動 

通過高精度的缸體和活塞來完成,通過缸體和活塞杆的相對運動實現直線運動。

優點:功率大,可省去減速裝置直接與被驅動的杆件相連,結構緊湊,剛度好,響應快,伺服驅動具有較高的精度。 

缺點:需要增設液壓源,易產生液體泄漏,不適合高、低溫場合,故液壓驅動目前多用於特大功率的機器人係統。

選擇適合的液壓油。 防止固體雜質混入液壓係統,防止空氣和水入侵液壓係統 。機械作業要柔和平順機械作業應避免粗暴,否則必然產生衝擊負荷,使機械故障頻發,大大縮短使用壽命。要注意氣蝕和溢流噪聲。作業中要時刻注意液壓泵和溢流閥的聲音,如果液壓泵出現“氣蝕”噪聲,經排氣後不能消除,應查明原因排除故障後才能使用。 保持適宜的油溫。液壓係統的工作溫度一般控製在30~80℃之間為宜。

3、氣壓驅動 

氣壓驅動的結構簡單,清潔,動作靈敏,具有緩衝作用。 .但與液壓驅動裝置相比,功率較小,剛度差,噪音大,速度不易控製,所以多用於精度不高的點位控製機器人。 

(1)具有速度快、係統結構簡單,維修方便、價格低等特點。適於在中、小負荷的機器人中采用。但因難於實現伺服控製,多用於程序控製的機械人中,如在上、下料和衝壓機器人中應用較多。 

(2)在多數情況下是用於實現兩位式的或有限點位控製的中、小機器人中的。 

(3)控製裝置目前多數選用可編程控製器(PLC控製器)。在易燃、易爆場合下可采用氣動邏輯元件組成控製裝置。

㈡、直線傳動機構。

傳動裝置是連接動力源和運動連杆的關鍵部分,根據關節形式,常用的傳動機構形式有直線傳動和旋轉傳動機構。 

直線傳動方式可用於直角坐標機器人的X、Y、Z向驅動,圓柱坐標結構的徑向驅動和垂直升降驅動,以及球坐標結構的徑向伸縮驅動。 

直線運動可以通過齒輪齒條、絲杠螺母等傳動元件將旋轉運動轉換成直線運動,也可以有直線驅動電機驅動,也可以直接由氣缸或液壓缸的活塞產生。

1、齒輪齒條裝置 

通常齒條是固定的。齒輪的旋轉運動轉換成托板的直線運動。

  • 優點:結構簡單。

  • 缺點:回差較大。

2、滾珠絲杠 

在絲杠和螺母的螺旋槽內嵌入滾珠,並通過螺母中的導向槽使滾珠能連續循環。  

  • 優點:摩擦力小,傳動效率高,無爬行,精度高  

  • 缺點:製造成本高,結構複雜。  

自鎖問題:理論上滾珠絲杠副也可以自鎖,但是實際應用上沒有使用這個自鎖的,原因主要是:可靠性很差,或加工成本很高;因為直徑與導程比非常大,一般都是再加一套蝸輪蝸杆之類的自鎖裝置。

㈢、旋轉傳動機構 

采用旋轉傳動機構的目的是將電機的驅動源輸出的較高轉速轉換成較低轉速,並獲得較大的力矩。機器人中應用較多的旋轉傳動機構有齒輪鏈、同步皮帶和諧波齒輪。

1、齒輪鏈

(1)轉速關係

(2)力矩關係 

2、同步皮帶 

同步帶是具有許多型齒的皮帶,它與同樣具有型齒的同步皮帶輪相齧合。工作時相當於柔軟的齒輪。 

  • 優點:無滑動,柔性好,價格便宜,重複定位精度高。

  • 缺點:具有一定的彈性變形。  

3、諧波齒輪 

諧波齒輪由剛性齒輪、諧波發生器和柔性齒輪三個主要零件組成,一般剛性齒輪固定,諧波發生器驅動柔性齒輪旋轉。 主要特點:

(1)、傳動比大,單級為50—300。 

(2)、傳動平穩,承載能力高。

(3)、傳動效率高,可達70%—90%。 

(4)、傳動精度高,比普通齒輪傳動高3—4倍。

(5)、回差小,可小於3’。 

(6)、不能獲得中間輸出,柔輪剛度較低。 

諧波傳動裝置在機器人技術比較先進的國家已得到了廣泛的應用。僅就日本來說,機器人驅動裝置的60%都采用了諧波傳動。  

美國送到月球上的機器人,其各個關節部位都采用諧波傳動裝置,其中一隻上臂就用了30個諧波傳動機構。  

前蘇聯送入月球的移動式機器人“登月者”,其成對安裝的8個輪子均是用密閉諧波傳動機構單獨驅動的。  .德國大眾汽車公司研製的ROHREN、GEROT R30型機器人和法國雷諾公司研製的VERTICAL 80型機器人等都采用了諧波傳動機構。

㈣、機器人傳感係統  

1、感受係統由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成, 用以獲取內部和外部環境狀態中有意義的信息。 

2、智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。 

3、智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。

4、對於一些特殊的信息, 傳感器比人類的感受係統更有效。

㈤、機器人位置檢測 

旋轉光學編碼器是最常用的位置反饋裝置。光電探測器把光脈衝轉化成二進製波形。軸的轉角通過計算脈衝數得到,轉動方向由兩個方波信號的相對相位決定。 

感應同步器輸出兩個模擬信號——軸轉角的正弦信號和餘弦信號。軸的轉角由這兩個信號的相對幅值計算得到。感應同步器一般比編碼器可靠,但它的分辨率較低。

電位計是最直接的位置檢測形式。它連接在電橋中,能夠產生與軸轉角成正比的電壓信號。但是,由於分辨率低、線性不好以及對噪聲敏感。 

轉速計能夠輸出與軸的轉速成正比的模擬信號。如果沒有這樣的速度傳感器,可以通過對檢測到的位置相對於時間的差分得到速度反饋信號。  

㈥、機器人力檢測 

力傳感器通常安裝在操作臂下述三個位置: 

1、安裝在關節驅動器上。可測量驅動器/減速器自身的力矩或者力的輸出。但不能很好地檢測末端執行器與環境之間的接觸力。 

2、安裝在末端執行器與操作臂的終端關節之間,可稱腕力傳感器。通常,可以測量施加於末端執行器上的三個到六個力/力矩分量。 

3、安裝在末端執行器的“指尖”上。通常,這些帶有力覺得手指內置了應變計,可以測量作用在指尖上的一個到四個分力。  

㈦、機器人-環境交互係統 

1、機器人-環境交互係統是實現工業機器人與外部環境中的設備相互聯係和協調的係統。

2、工業機器人與外部設備集成為一個功能單元,如加工製造單元、焊接單元、裝配單元等。也可以是多台機器人、多台機床或設備、多個零件存儲裝置等集成 。

3、也可以是多台機器人、多台機床或設備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執行複雜任務的功能單元。  

㈧、人機交互係統 

人機交互係統是使操作人員參與機器人控製並與機器人進行聯係的裝置。 該係統歸納起來分為兩大類: 指令給定裝置和信息顯示裝置。

五、 機器人的控製係統

1、機器人的控製係統 

“控製”的目的是使被控對象產生控製者所期望的行為方式。 .“控製”的基本條件是了解被控對象的特性。 “實質”是對驅動器輸出力矩的控製。


2、機器人示教原理


機器人的基本工作原理是示教再現;示教也稱導引,即由用戶導引機器人,一步步按實際任務操作一遍,機器人在導引過程中自動記憶示教的每個動作的位置、姿態、運動參數/工藝參數等,並自動生成一個連續執行全部操作的程序。完成示教後,隻需給機器人一個啟動命令,機器人將精確地按示教動作,一步步完成全部操作;  

3、機器人控製的分類 :

1)按照有無反饋分為:開環控製、閉環控製;

開環精確控製的條件:精確地知道被控對象的模型,並且這一模型在控製過程中保持不變。  

2)按照期望控製量分為:位置控製,力控製,混合控製 ;

位置控製分為:單關節位置控製(位置反饋,位置速度反饋,位置速度加速度反饋)、多關節位置控製、多關節位置控製分為分解運動控、集中控製;力控製分為:直接力控製、阻抗控製、力位混合控製 ;

 3)智能化的控製方式 :模糊控製、自適應控製、最優控製、神經網絡控製、模糊神經網絡控製 、專家控製以及其他;

4控製係統硬件配置及結構:

由於機器人的控製過程中涉及大量的坐標變換和插補運算以及較低層的實時控製,所以,目前的機器人控製係統在結構上大多數采用分層結構的微型計算機控製係統,通常采用的是兩級計算機伺服控製係統。


1)具體流程: 

主控計算機接到工作人員輸入的作業指令後,首先分析解釋指令,確定手的運動參數。

然後進行運動學、動力學和插補運算,最後得出機器人各個關節的協調運動參數。這些參數經過通信線路輸出到伺服控製級,作為各個關節伺服控製係統的給定信號。關節驅動器將此信號D/A轉換後驅動各個關節產生協調運動。 傳感器將各個關節的運動輸出信號反饋回伺服控製級計算機形成局部閉環控製,從而更加精確的控製機器人手部在空間的運動。 

2)基於PLC的運動控製 兩種控製方式: 

1、利用PLC的某些輸出端口使用脈衝輸出指令來產生脈衝驅動電機,同時使用通用I/O或者計數部件來實現電機的閉環位置控製。

2、使用PLC外部擴展的位置控製模塊來實現電機的閉環位置控製主要是以發高速脈衝方式控製,屬於位置控製方式,一般點到點的位置控製方式較多。


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