工业机器人的结构与关键技术参数.docx
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工业机器人的结构与关键技术参数
工业机器人构造与技术参数
工业机器人是集机械、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当代制造业重要自动化装备。
自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来,机器人技术及其产品发展不久,已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)自动化工具。
广泛采用工业机器人,不但可提高产品质量与产量,并且对保障人身安全,改进劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及减少生产成本,有着十分重要意义。
和计算机、网络技术同样,工业机器人广泛应用正在日益变化着人类生产和生活方式。
一、惯用运动学构形
1、笛卡尔操作臂
长处:
很容易通过计算机控制实现,容易达到高精度。
缺陷:
妨碍工作,且占地面积大,运动速度低,密封性不好。
①焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、(软仿型)喷涂、目的跟随、排爆等一系列工作。
②特别合用于多品种,便批量柔性化作业,对于稳定,提高产品质量,提高劳动生产率,改进劳动条件和产品迅速更新换代有着十分重要作用。
2、铰链型操作臂(关节型)
关节关节全都是旋转,类似于人手臂,工业机器人中最常用构造。
它工作范畴较为复杂。
①汽车零配件、模具、钣金件、塑料制品、运动器材、玻璃制品、陶瓷、航空等迅速检测及产品开发。
②车身装配、通用机械装配等制造质量控制等三坐标测量及误差检测。
③古董、艺术品、雕塑、卡通人物造型、人像制品等迅速原型制作。
④汽车整车现场测量和检测。
⑤人体形状测量、骨骼等医疗器材制作、人体外形制作、医学整容等。
3、SCARA操作臂
SCARA机器人惯用于装配作业,最明显特点是它们在x-y平面上运动具备较大柔性,而沿z轴具备很强刚性,因此,它具备选取性柔性。
这种机器人在装配作业中获得了较好应用。
①大量用于装配印刷电路板和电子零部件
②搬动和取放物件,如集成电路板等
③广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药物工业和食品工业等领域.
④搬取零件和装配工作。
4、球面坐标型操作臂
特点:
中心支架附近工作范畴大,两个转动驱动装置容易密封,覆盖工作空间较大。
但该坐标复杂,难于控制,且直线驱动装置存在密封问题。
5、圆柱面坐标型操作臂
长处:
且计算简朴;直线某些可采用液压驱动,可输出较大动力;可以伸入型腔式机器内部。
缺陷:
它手臂可以到达空间受到限制,不能到达近立柱或近地面空间;
直线驱动某些难以密封、防尘;后臂工作时,手臂后端会遇到工作范畴内其他物体。
6、冗余机构
普通空间定位需要6个自由度,运用附加关节可以协助机构避开奇异位形。
下图为7自由度操作臂位形
7、闭环构造
闭环构造可以提高机构刚度,但会减小关节运动范畴,工作空间有一定减小。
①运动模仿器;
②并联机床;
③微操作机器人;
④力传感器;
⑤生物医学工程中细胞操作机器人、可实现细胞注射和分割;
⑥微外科手术机器人;
⑦大型射电天文望远镜姿态调节装置;
⑧混联装备等,如SMT公司Tricept混联机械手模块是基于并联机构单元模块化设计成功典范。
工业机器人几种惯用构造形式(图)
二、机器人重要技术参数
机器人技术参数反映了机器人可胜任工作、具备最高操作性能等状况,是设计、应用机器人必要考虑问题。
机器人重要技术参数有自由度、辨别率、工作空间、工作速度、工作载荷等。
1、自由度
机器人具备独立坐标轴运动数目。
机器人自由度是指拟定机器人手部在空间位置和姿态时所需要独立运动参数数目。
手指开、合,以及手指关节自由度普通不涉及在内。
.机器人自由度数普通等于关节数目。
机器人惯用自由度数普通不超过5~6个。
2、关节(Joint)
即运动副,容许机器人手臂各零件之间发生相对运动机构。
3、工作空间
机器人手臂或手部安装点所能达到所有空间区域。
其形状取决于机器人自由度数和各运动关节类型与配备。
机器人工作空间通惯用图解法和解析法两种办法进行表达。
4、工作速度
机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中,机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动距离或转动角度。
5、工作载荷
指机器人在工作范畴内任何位置上所能承受最大负载,普通用质量、力矩、惯性矩表达。
还和运营速度和加速度大小方向关于,普通规定高速运营时所能抓取工件重量作为承载能力指标。
6、辨别率
可以实现最小移动距离或最小转动角度。
7、精度
重复性或重复定位精度:
指机器人重复到达某一目的位置差别限度。
或在相似位置指令下,机器人连续重复若干次其位置分散状况。
它是衡量一列误差值密集限度,即重复度。
三、机器人惯用材料
1)碳素构造钢和合金构造钢此类材料强度好,特别是合金构造钢,其强度增大了4~5倍,弹性模量E大,抗变形能力强,是应用最广泛材料。
2)铝、铝合金及其她轻合金材料此类材料共同特点是重量轻,弹性模量E并不大,但是材料密度小,故E/ρ之比仍可与钢材相比。
有些稀贵铝合金品质得到了更明显改进,例如添加3.2%(重量比例)锂铝合金,弹性模量增长了14%,E/ρ比增长了16%。
3)纤维增强合金此类合金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等,其E/ρ比分别达到11.4×107和8.9×107。
这种纤维增强金属材料具备非常高E/ρ比,但价格昂贵。
4)陶瓷陶瓷材料具备良好品质,但是脆性大,不易加工,日本已经试制了在小型高精度机器人上使用陶瓷机器人臂样品。
5)纤维增强复合材料此类材料具备极好E/ρ比,并且还具备十分突出大阻尼长处。
老式金属材料不也许具备这样大阻尼,因此在高速机器人上应用复合材料实例越来越多。
6)粘弹性大阻尼材料增大机器人连杆件阻尼是改进机器人动态特性有效办法。
当前有许多办法用来增长构造件材料阻尼,其中最适合机器人采用一种办法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼解决。
四、机器人重要构造
㈠、机器人驱动装置
概念:
要使机器人运营起来,需给各个关节即每个运动自由度安顿传动装置作用:
提供机器人各部位、各关节动作原动力。
驱动系统:
可以是液压传动、气动传动、电动传动,或者把它们结合起来应用综合系统;可以是直接驱动或者是通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。
1、电动驱动装置
电动驱动装置能源简朴,速度变化范畴大,效率高,速度和位置精度都很高。
但它们多与减速装置相联,直接驱动比较困难。
电动驱动装置又可分为直流(DC)、交流(AC)伺服电机驱动和步进电机驱动。
直流伺服电机电刷易磨损,且易形成火花。
无刷直流电机也得到了越来越广泛应用。
步进电机驱动多为开环控制,控制简朴但功率不大,多用于低精度小功率机器人系统。
电动上电运营前要作如下检查:
1)电源电压与否适当(过压很也许导致驱动模块损坏);对于直流输入+/-极性一定不能接错,驱动控制器上电机型号或电流设定值与否适当(开始时不要太大);
2)控制信号线接牢固,工业现场最佳要考虑屏蔽问题(如采用双绞线);
3)不要开始时就把需要接线全接上,只连成最基本系统,运营良好后,再逐渐连接。
4)一定要弄清晰接地办法,还是采用浮空不接。
5)开始运营半小时内要密切观测电机状态,如运动与否正常,声音和温升状况,发现问题及时停机调节。
2、液压驱动
通过高精度缸体和活塞来完毕,通过缸体和活塞杆相对运动实现直线运动。
长处:
功率大,可省去减速装置直接与被驱动杆件相连,构造紧凑,刚度好,响应快,伺服驱动具备较高精度。
缺陷:
需要增设液压源,易产生液体泄漏,不适合高、低温场合,故液压驱动当前多用于特大功率机器人系统。
选取适合液压油。
防止固体杂质混入液压系统,防止空气和水入侵液压系统。
机械作业要柔和平顺机械作业应避免粗暴,否则必然产生冲击负荷,使机械故障频发,大大缩短使用寿命。
要注意气蚀和溢流噪声。
作业中要时刻注意液压泵和溢流阀声音,如果液压泵浮现“气蚀”噪声,经排气后不能消除,应查明因素排除故障后才干使用。
保持适当油温。
液压系统工作温度普通控制在30~80℃之间为宜。
3、气压驱动
气压驱动构造简朴,清洁,动作敏捷,具备缓冲作用。
.但与液压驱动装置相比,功率较小,刚度差,噪音大,速度不易控制,因此多用于精度不高点位控制机器人。
(1)具备速度快、系统构造简朴,维修以便、价格低等特点。
适于在中、小负荷机器人中采用。
但因难于实现伺服控制,多用于程序控制机械人中,如在上、下料和冲压机器人中应用较多。
(2)在多数状况下是用于实现两位式或有限点位控制中、小机器人中。
(3)控制装置当前多数选用可编程控制器(PLC控制器)。
在易燃、易爆场合下可采用气动逻辑元件构成控制装置。
㈡、直线传动机构。
传动装置是连接动力源和运动连杆核心某些,依照关节形式,惯用传动机构形式有直线传动和旋转传动机构。
直线传动方式可用于直角坐标机器人X、Y、Z向驱动,圆柱坐标构造径向驱动和垂直升降驱动,以及球坐标构造径向伸缩驱动。
直线运动可以通过齿轮齿条、丝杠螺母等传动元件将旋转运动转换成直线运动,也可以有直线驱动电机驱动,也可以直接由气缸或液压缸活塞产生。
1、齿轮齿条装置
普通齿条是固定。
齿轮旋转运动转换成托板直线运动。
长处:
构造简朴。
缺陷:
回差较大。
2、滚珠丝杠
在丝杠和螺母螺旋槽内嵌入滚珠,并通过螺母中导向槽使滚珠能持续循环。
长处:
摩擦力小,传动效率高,无爬行,精度高
缺陷:
制导致本高,构造复杂。
自锁问题:
理论上滚珠丝杠副也可以自锁,但是实际应用上没有使用这个自锁,因素重要是:
可靠性很差,或加工成本很高;由于直径与导程比非常大,普通都是再加一套蜗轮蜗杆之类自锁装置。
㈢、旋转传动机构
采用旋转传动机构目是将电机驱动源输出较高转速转换成较低转速,并获得较大力矩。
机器人中应用较多旋转传动机构有齿轮链、同步皮带和谐波齿轮。
1、齿轮链
(1)转速关系
(2)力矩关系
2、同步皮带
同步带是具备许多型齿皮带,它与同样具备型齿同步皮带轮相啮合。
工作时相称于柔软齿轮。
长处:
无滑动,柔性好,价格便宜,重复定位精度高。
缺陷:
具备一定弹性变形。
3、谐波齿轮
谐波齿轮由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮三个重要零件构成,普通刚性齿轮固定,谐波发生器驱动柔性齿轮旋转。
重要特点:
(1)、传动比大,单级为50—300。
(2)、传动平稳,承载能力高。
(3)、传动效率高,可达70%—90%。
(4)、传动精度高,比普通齿轮传动高3—4倍。
(5)、回差小,可不大于3’。
(6)、不能获得中间输出,柔轮刚度较低。
谐波传动装置在机器人技术比较先进国家已得到了广泛应用。
仅就日本来说,机器人驱动装置60%都采用了谐波传动。
美国送到月球上机器人,其各个关节部位都采用谐波传动装置,其中一只上臂就用了30个谐波传动机构。
前苏联送入月球移动式机器人“登月者”,其成对安装8个轮子均是用密闭谐波传动机构单独驱动。
.德国大众汽车公司研制ROHREN、GEROTR30型机器人和法国雷诺公司研制VERTICAL80型机器人等都采用了谐波传动机构。
㈣、
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- 工业 机器人 结构 关键技术 参数