工业机器人第一章【精品PPT】PPT格式课件下载.ppt
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(2)可编程:
机器人具有智力或具有感觉和识别能力,可随工作环境变化而再编程。
因此电动玩具不是机器人。
(3)通用性:
一般机器人在执行不同的作业任务时,具有较好的通用性。
(4)机电一体化:
工业机器人技术是机械学和微电子学的结合,一个工业机器人所具有的功能在本质上是由其机械部分、传感部分、控制部分所决定的。
但是,工业机器人的作业能力还决定于与外部环境的联系和配合,即工业机器人与环境的交互能力。
工业机器人与外部环境的交互包括硬件环境和软件环境:
(1)与硬件环境的交互主要是与外部设备的通信、工作域中障碍和自由空间的描述、操作对象的描述。
(2)与软件环境的交互主要是与生产单元监控计算机所提供的管理信息的通信。
二、工业机器人与环境交互,1.2机器人的分类,1.2.1机器人的分类1按机器人的发展程度,1.2机器人的分类,1.2.1机器人的分类2按控制方式,1.2机器人的分类,1.2.1机器人的分类3按应用领域分类,1.2机器人的分类,1.2.1机器人的分类4按机器人关节连接形式分类,1.2机器人的分类,1.2.2工业机器人的分类,两种基本关节形式移动关节(Prismaticjoint)旋转关节(Revolutejoint)(回转和旋转),典型的关节自由度种类和图形符号,移动关节P,回转关节R,旋转关节R,1.2机器人的分类,1.2.2工业机器人的分类,1.五种基本坐标式机器人,直角坐标式主要用于生产设备的上下料、高精度的装配和检测等。
优点:
结构简单;
容易编程;
采用直线滚动导轨,速度高,定位精度高;
在X、Y、Z三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用,对控制系统设计相对容易些。
直角坐标式主要用于生产设备的上下料、高精度的装配和检测等。
缺点:
导轨面的保养维护比较困难,不能像转动关节的轴承那样很好的密封;
导轨面的支承结构增加了机器人的重量,并减少了有效工作范围;
为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨,价格高;
结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大;
移动部件的惯量比较大,增加了驱动装置的尺寸和能量消耗。
1.2.2工业机器人的分类,1.2机器人的分类,1.五种基本坐标式机器人,圆柱坐标式,优点:
除了简单的“抓-放”作业外还可以用在许多其他生产领域,与直角坐标机器人相比,增加了通用性;
结构紧凑;
在垂直方向和径向方向有两个往复运动,可采用伸缩套筒式结构,当机器人开始腰转时可把手臂缩进去,在很大程度上减少了转动惯量,改善动力学载荷。
由于机身结构的原因,手臂不能到达底部,减少了机器人的工作范围。
1.2.2工业机器人的分类,1.2机器人的分类,1.五种基本坐标式机器人,球坐标式,优点:
具有较大的工作范围;
设计和控制系统比较复杂;
1.2.2工业机器人的分类,1.2机器人的分类,1.五种基本坐标式机器人,关节坐标式,优点:
结构紧凑,工作范围大而安装占地面积小;
具有很高的可达性,可进入狭小的封闭区域内部工作;
没有移动关节,不需要导轨,转动关节容易密封,轴承件是大量生产的标准件,摩擦小,惯量小,可靠性好;
所需关节驱动力矩小,能量消耗较少;
当关节完成展开时,机器人的结构刚度比较低;
机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。
平面关节式机器人可以看成是关节坐标式机器人的特例,它只有平行的肩关节、肘关节和腕关节,关节轴线共面,1.2.2工业机器人的分类,1.2机器人的分类,1.五种基本坐标式机器人,2.两种冗余自由度结构机器人,
(1)整体控制的柔软臂机器人,也叫象鼻子机器人,如左下下图所示。
(2)每一关节独立控制的冗余自由度机器人,如图1-11所示。
模仿大象鼻子的机器人手臂,1.3工业机器人的组成与技术参数,一、工业机器人的基本组成工业机器人系统由四大部分六个子系统组成。
六个子系统,机身手臂末端操作器,机械结构三大件,四大部分:
机械部分(身体、骨骼四肢)驱动部分(肌肉)控制部分(大脑、神经)感知部分(五官、皮肤),四大部分:
机械部分(身体、骨骼四肢)驱动部分(肌肉)控制部分(大脑、神经)感知部分(五官、皮肤),驱动部分:
电气:
步进电机;
直流伺服电机;
交流伺服电机;
液(气)压:
控制部分:
开环和闭环,感知部分:
内部感知和外部感知,二、工业机器人技术参数,技术参数是各工业机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据。
工业机器人的主要技术参数一般都应有:
自由度、定位精度和重复定位精度、工作范围、承载能力、最大工作速度等。
(5个主要参数),1.自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目,不应包括手爪的开合自由度。
工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。
定位精度只指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的偏差,由机械误差、控制算法误差、系统分辨率等有关。
重复定位精度是指在同一环境、同一条件、同一目标动作、同一命令下,机器人连续重复运动若干次,其位置的分散情况,是关于精度的统计数据。
机器人重复定位精度可以用标准偏差这个统计量来表示,它是衡量一列误差值的密集度,即重复度。
它是衡量示教再现机器人水平的重要指标。
2定位精度和重复定位精度,2定位精度和重复定位精度,(a)重复定位精度的测定(b)合理定位精度,良好重复定位精度(c)良好定位精度,很差重复定位精度(d)很差定位精度。
良好重复定位精度,4.最大工作速度最大工作速度,有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度,有的厂家指手臂末端最大的合成速度,通常都在技术参数中加以说明。
5.承载能力承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。
承载能力不仅决定于负载的质量,而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。
第二章工业机器人机械系统设计,2.1工业机器人总体设计,2.2驱动机构,2.3机身和臂部设计,2.4腕部设计,2.5手部设计,2.6行走机构设计,2.1工业机器人总体设计,一、系统分析,采用工业机器人需要先进行综合的技术和经济分析,一旦确定采用,设计人员在开始技术设计之前应进行如下工作:
1.根据使用场合,确定机器人的目的和任务;
2.分析机器人所在系统的工作环境,包括机器人与已有设备的兼容性;
3.分析系统的工作要求,确定机器人的基本功能和方案,准备做技术设计;
4.进行必要的调查研究,搜集国内外的有关资料,进行综合分析,找出可供借鉴之处,以及别人的经验教训;
2.1工业机器人总体设计,二、技术设计,1.确定机器人的基本参数(自由度数目、工作范围、承载能力、运动速度、定位精度等);
2.确定机器人的运动形式(五种基本结构);
3.拟定传感系统框图;
4.确定控制系统总体方案;
5.机械结构设计(驱动方式、机器人总装图、主要零部件图)6.平衡系统设计,6.1工业机器人平衡系统的作用:
质量平衡技术;
弹簧力平衡技术;
可控力平衡技术;
6.2平横系统设计的主要途径:
安全;
降低因各种因素而导致关节驱动力矩变化的峰值;
借助平衡系统,改进机器人的动力特性;
减小结构柔性所引起的不良影响;
使机器人运行平稳。
2.1工业机器人总体设计,二、技术设计,2.1工业机器人总体设计,二、技术设计,6.3质量平衡技术实例平行四边形平衡机构,如图所示,和分别代表下臂和上臂的长度和质心,和分别代表它们的质量和转角。
m为可移动的平衡质量,它用来平衡下臂和上臂的质量,杆SA、AB与上臂下臂铰接构成一个平行四边形平衡系统。
经过推导,只要满足下面两个方程式,平行四边形机构就可以取得平衡,即。
左式说明:
平衡与否只与可移动平衡质量m的大小和位置有关,与无关,这说明该平衡系统在机械臂的任何位姿下都是平衡的。
第二章工业机器人机械系统设计,2.1工业机器人总体设计,2.2驱动机构,2.3机身和臂部设计,2.4腕部设计,2.5手部设计,2.6行走机构设计,2.2驱动机构,一、各种驱动方式的优缺点,优点:
液压驱动,体积小,可以获得较大的推力和转矩;
介质的可压缩性小,系统工作稳定可靠,精度高;
容易实现对力、速度、方向的自动控制;
油液介质使系统具有防锈蚀和自润滑性能;
油液的黏度受温度影响,影响工作性能;
液体泄漏难以克服,要求液压元件制造精度高;
需要提供相应的供油系统和严格的滤油装置;
2.2驱动机构,一、各种驱动方式的优缺点,优点:
气压驱动,压缩空气黏度小,容易达到高速(1m/s);
工厂一般都自有空气压缩机站,可提供压缩空气,不必再额外的添加动力设备,而且空气介质对环境无污染,使用安全;
气动元件工作压力低,因此制造要求也低一些,价格低廉;
空气具有压缩性,是系统能够实现过载自动保护;
压缩空气一般为0.40.6Mpa,要想获得较大的压力,结构就要增大;
空气具有压缩性,工作平稳性差,速度控制困难,要实现准确的位置控制更困难;
压缩空气排水比较麻烦;
排气造成噪音污染;
2.2驱动机构,一、各种驱动方式的优缺点,电气驱动,1.步进电机:
多为开环控制,简单,功率较小,多用于低精度、小功率的机器人;
2.直流伺服电机:
易于控制,有较理想的机械特性,但其电刷易磨损,易形成火花;
3.交流伺服电机:
结构简单,运行可靠,可以频繁的启动、制动;
交流伺服电机和直流伺服电机相比:
没有电刷等易磨损部件,外形尺寸小,能在重载下高速运行,加速性能好,能实现动态控制和平滑运动,但控制较复杂;
2.2驱动机构,二、各种传动机构,1、齿轮齿条:
旋转运动变为直线运动,2.2驱动机构,二、各种传动机构,2、普通丝杆(丝杠螺母副)及滚珠丝杠传动,丝杠螺母副传动部件是把回转运动变换为直线运动的重要部件。
由于丝杠螺母机构是连续的面接触,传动中不会产生冲击,传动平稳,无噪声,并且能自锁;
由于丝杠的螺旋升角交小,所以用较小的驱动力矩,也可以获得较大的牵引力。
丝杠螺母的螺旋面之间的摩擦是滑动摩擦,所以传动效率较低。
丝杠螺母副的改进:
滚珠丝杠,传动效率高,而且传动精度和定位精度都很高,在传动时灵敏度和平稳性也很好;
由于滚珠丝杠的磨损小,其使用寿命比较长。
丝杠、螺母的材料、热处理和加工工艺要求很高,故成本较高。
2.2驱动机构,二、各种传动机构,3、谐波传动,一般电机是高转速、低力矩的驱动器,在机器人中要用减速器变成低转速、高力矩的驱动器。
机器人对减速器的要求如下:
在工业机器人中,比较合乎要求且常用的减速器是行星齿轮机构和谐波传动机构,谐波传动在运动学上是一种具有柔性齿圈的行星传动。
运动精度高,间隙小,以实现较高的重复定位精度;
回转速度稳定,无波动,运动副间摩擦小,效率高;
体积小,重量轻,传动扭矩大;
2.2驱动机构,3、谐波传动,特点:
传动尺
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