工业机器人在汽车制造业应用论文.docx
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工业机器人在汽车制造业应用论文
机械电子工程研究生课程考核(研究报告、论文等)
题目:
关于工业机器人系统的研究及其子在汽车工业的应用
课程名称:
机器人技术
姓名:
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专业:
时间:
课程成绩:
任课老师:
关于工业机器人系统的研究及其在汽车工业的应用
摘要:
本文介绍了先进制造自动化技术中的工业机器人的概念、基本原理,以及当今世界工业机器人技术的前沿,描述了工业机器人在汽车工业方面的应用情况、典型事例等发展现状,并展望了今后工业机器人技术的发展趋势。
关键词:
工业机器人;概况;组成;汽车工业;应用;发展趋势
引言
机器人的最初出现是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物。
工业机器人是集机械、材料、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,它代表了机电一体化的最高成就,是当代科学技术发展最活跃的领域之一。
它的研究和应用水平一个国家的自动化的水平。
1961年,美国的ConsolidedControlCorp和AMF公司联合制造了第一台实用的示教再现型工业机器人,迄今为止,世界上对工业机器人的研究已经经历了四十余年的历程,日本、美国、法国、德国的机器人产业已日趋成熟和完善。
广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与数量,而且保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。
和计算机、网络技术一样,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。
20世纪80年代以来,工业机器人技术逐渐成熟,并很快得到推广,目前已经在工业生产的许多领域得到应用。
1工业机器人的简介
1.1工业机器人的概念
1.1.1“机器人”一词的由来
1920年,捷克剧作家卡里洛·奇别克在其科幻剧本《罗萨姆万能机器人制造公司》(Rossum’sUniversalRobots)首次使用了ROBOT这个名词,意思是“人造的人”。
现在已被人们作为机器人的专用名词。
1.1.2定义
关于机器人的定义,专家们仍在争议之中,至今还没有人能够提出一个令人信服的明确定义,美国机器人协会(RIA)对机器人的定义一是:
“所谓工业机器人,是为了完成不同的作业,根据种种程序化的运动来实现材料、零部件、工具货特殊装置的移动并可重新编程的多功能操作机。
”
日本产业机器人协会(JIRA)的定义是:
“所谓工业机器人,是在三维空间具有类似人体上肢动作机能及其结构,并能完成复杂空间动作的多自由度的自动机械”或“根据感觉机能或认识机能,能够自行决定行动的机器(智能机器人)。
”
国际标准化组织(ISO):
机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机,这种操作机具有几个轴,能够借助可编程操作来处理各类材料、零件、工具和专用装置,以执行各种任务。
虽然工业机器人的定义不明确,但是有一点是可以明确的,那就是人们开发研究工业机器人的最终目标,在于要研制出一种能够综合人的所有动作特性—通用性、柔软性、灵活性的自动机械。
机器人集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制原理以及人工智能等多学科的最新研究成果,代表了机电一体化的最高成就,是当代科学技术发展最活跃的领域之一。
工程技术人员了解和学习机器人学具有重要的意义。
综上,工业机器人是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的机械装置,由计算机控制,是无人参与的自动化控制系统,是可编程、具有柔性的自动化系统。
它能复现人的动作和职能。
反复调整以执行不同的功能。
具有通用性、柔性和灵活性的自动机械。
已成为FMS和CIMS系统的重要设备。
1.1.3发展历史
工业机器人的问世,大约是在25年前,微处理机的诞生,大约是在15年前,正是由于微处理机的出现,以及各种LSI,VLSI的飞跃发展,才使得工业机器人控制系统的技能大幅度提高,从而使数百种不同结构、不同控制方法、不同用途的工业机器人终于在八十年代,真正进入了实用与普及的阶段,并发挥了令人难以置信的巨大威力与经济效益。
目前,工业机器人像计算机一样,可以按“代”分类。
第一代工业机器人是指T/P方式(Teaching/Playback方式),即示教/再现方式。
19世纪50、60年代,随着机构理论和伺服理论的发展,机器人进入了实用阶段。
1954年美国的G.C.Devol发表了“通用机器人”专利;1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人,可进行点位和轨迹控制,这是世界上第一种应用于工业生产的机器人。
70年代,随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展,机器人也得到了迅速的发展。
1974年CincinnatiMilacron公司成功开发了多关节机器人;1979年,Unimation公司又推出了PUMA机器人,它是一种多关节、全电机驱动、多CPU二级控制的机器人,采用VAL专用语言,可配视觉、触觉、力觉传感器,在当时是技术最先进的工业机器人。
现在的工业机器人在结构上大体都以此为基础。
这一时期的机器人属于“示教再现”(Teach-in/Playback)型机器人,只具有记忆、存储能力,按相应程序重复作业,对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。
第二代工业机器人是具有一些简单智能、可行走的、能对周围环境做出反应的机器人,在机械、电子等生产领域得到了广泛的应用。
进入80年代,随着传感技术,包括视觉传感器、非视觉传感器(力觉、触觉、接近觉等)以及信息处理技术的发展,出现了第二代机器人——有感觉的机器人。
它能够获得作业环境和作业对象的部分相关信息,进行一定的实时处理,引导机器人进行作业。
第二代机器人已进入了使用化,在工业生产中得到了广泛应用。
第三代机器人称为智能机器人。
这种机器人不仅具有比第二代机器人更加完善的环境感知能力,视觉、触觉等智能,而且还具有像人一样的逻辑思维、逻辑判断机能,能推理、决策、自我规划、自我学习、有自立性。
可根据作业要求与环境信息自主地进行工作。
1.2工业机器人的组成
1.2.1机械本体
机器人的机械本体机构基本上分为两大类,一类是执行机构,即操作本体机构,它类似人的手臂和手腕,是一组具有与人手脚功能相似的机械机构;另一类为移动型本体结构,主要实现移动功能。
如行进系统。
1)手部(抓取机构或夹持器):
用来直接抓取工件或工具。
有机械式、真空吸附式、磁性吸附式。
2)腕部:
是联接手部和臂部的部件,用以支撑和调整手部的姿态。
3)臂部:
是支撑腕部的部件,由动力关节和连杆组成。
用以承受工件或工具负荷,改变工件的空间位置,并送至预定的位置。
4)机身(立柱):
是支撑臂部的部件,扩大臂部的活动范围。
5)机座及行走机构:
是支撑整个机器人的基础件,确定并改变机器人的位置。
1.2.2控制系统:
控制系统即计算机控制系统,各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后,在各采样周期给出。
机器人通常采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制。
它是机器人的大脑,控制与支配机器人按给定的程序动作,并记忆人们示教的指令信息,可再现控制所存储的示教信息。
机器人控制系统是机器人的重要组成部分,用于对操作机的控制,以完成特定的工作任务。
如图示:
1)控制计算机:
是调度指挥机构,微型机。
2)示教盒:
工作轨迹和参数设定,拥有独立存储单元,与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。
3)控制面板:
各操作功能按钮,状态指示灯。
4)硬盘和软盘存储:
存储程序。
5)数字和模拟量输入输出:
各种状态和控制命令输入输出。
6)轴控制器:
完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。
1.2.3驱动系统
驱动系统即驱动伺服单元,它是机器人执行作业的动力源,按照控制系统发出的指令驱动执行机构完成规定的作业。
其作用是使驱动单元驱动关节并带动负载按预定的轨迹运动。
已广泛采用的驱动方式有:
液压伺服驱动、电机伺服驱动,气动伺服驱动。
1.2.4传感系统
传感系统,除了关节伺服驱动系统的位置传感器(称作内部传感器)外,还配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多种类型的传感器(称作外部传感器)。
如:
感知系统和人工智能系统等。
1.2.5输入/输出系统接口
为了与周边系统及相应操作进行联系与应答,还应有各种通讯接口和人机通信装置。
1.3工业机器人的分类
首先,工业机器人做为完成任务的机具,按用途包括以下几种:
(a)搬运、上料机器人;(b)喷涞机器人;(c)焊接与切割机器人,点焊与弧焊;(d)装配机器人;(e)最后工序机器人,完成打毛剌、分类、检验、包装等工作。
可见工业机器人的用途实为广泛。
接着,更深一步,从技术上可以把工业机器人分为以下几类:
1.3.1按系统功能分
1)专用机器人:
用固定的程序在固定的地点工作的机器人。
其结构简单,成本低。
自动化的机械手。
2)通用机器人:
具有独立的控制系统,通过改变程序能完成多种作业的机器人。
其结构复杂,工作范围大,通用性强,适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。
3)示教再现机器人:
具有记忆功能,在操作者示教操作后,能按示教的顺序、位置、条件与其他信息反复示教作业。
4)智能机器人:
采用计算机控制,具有视觉、听觉、触觉等多功能和识别功能。
通过比较和识别,自主作出决策和规划,自动进行信息反馈,完成预定的动作。
1.3.2按驱动方式分
1)气压传动机器人:
以压缩空气作为动力源驱动执行机构的机器人,动作简单、成本低廉,适用于高速轻载、高温和粉尘大的环境作业。
2)液压传动机器人:
采用液压驱动,具有负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏的特点,适用于低速、重载的场合。
3)电气传动机器人:
用交流或直流伺服电动机驱动的机器人,不需要中间转换机构,结构简单、响应速度快、控制精度高。
1.3.3按结构形式分
1)直角坐标型:
由三个相互正交的平移坐标轴组成,坐标轴运动独立。
控制简单、定位精度高。
2)圆柱坐标型:
由立柱和一个安装在立柱上的水平臂组成,其立柱安装在回转的机座上,水平臂可以伸缩,并可沿立柱上下移动。
一个旋转轴和一个平移轴。
如:
Verstran机器人。
3)球坐标型:
由回转机座、俯仰绞链和伸缩臂组成,有两个旋转轴和一个平移轴。
4)关节型:
由大臂、小臂和立柱组成。
肘关节、肩关节是绞链。
有三个旋转轴。
如:
关节型搬运机器人、关节型焊接机器人
1.3.4根据自由度分类
自由度是表达机器人通用性、灵活性的重要指标。
目前,一般商业化的工业机器人自由度大都在3~7之间。
如:
仿生型特种机器人,该系列机器人,自由度一般较多,具有更强的适应性和灵活性,但控制更复杂,成本更高,刚性较差。
如:
类人型机器人、蛇形机器人、仿狗机器人、六足漫游机器人、六轮漫游机器人、仿鱼机器人、仿鸟机器人等
1.3.5根据负载能力与空间动作领域分类:
类型
负载能力与空间动作领域
超大型机器人
1t以上
大型机器人
100kg~1t动作领域10m²以上
中型机器人
10kg~100kg动作领域1m²~10m²
小型机器人
0.1kg~10kg动作领域0.1m²~1m²
超小型机器人
0.1kg以下动作领域0.1m²以下
1.3.6根据顺序信息分类:
名称
定义
操纵机械手
直接操作型的机械手
单机能机器人
仅具有固定记忆机能的机械手,这种控制装置无法实现多种反复作业
反复作业机器人
单纯反复作业机器人
固定程序
作业程序难以变更的机器人
可变程序
作业程序容易变更,而且根据程序可以进行固定顺序控制的机器人
作业程序容易变更,而且具有作业条件分枝机能的机器人
多种反复作业机器人
可变程序
具有多个作业程序,根据指令或作业条件,作业程序可以自由选择或自动选择的机器人
智能机器人
根据感觉机能或认识机能,能够自行决定行动的机器人
1.3.7根
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