工业机器人介绍和应用.pptx

,工业机器人基础知识,科普式交流,12345678,工业机器人意义与定义工业机器人分类工业机器人组成和性能参数工业机器人的结构工业机器人控制技术工业机器人传感系统工业机器人的应用工业机器人发展方向,1910年捷克斯洛伐克作家卡雷尔恰佩克在他的科幻小说中，根据robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和robotnik（波兰文，原意为“工人”），创造出“机器人”这个词。,1、工业机器人意义与定义,阿西莫夫“机器人三定律”,第一法则:机器人不得伤害人类，或坐视人类受到伤害；,第二法则:除非违背第一法则，机器人必须服从人类的命令；,第三法则在不违背第一及第二法则下，机器人必须保护自己。,1、工业机器人意义与定义,1、工业机器人意义与定义为什么要用机器人？有些工作对人体有伤害，如喷漆，重物搬运；有些产品要求极高的质量，如焊接、精密装配；有些工作人难以参与，如核燃料加注、高温熔炉；有些工作枯燥乏味，如流水,生产线。,提高效率降低成本,1、工业机器人意义与定义,什么是工业机器人？,如何定义？,“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”国际标准化组织，1987,1、工业机器人意义与定义,三大特征：,（1）拟人功能：机器人是模仿人或动物肢体动作的机器，能像人那样使用工具。因此，数控机床和汽车不是机器人；,（2）可编程性：机器人具有智力或具有感觉与识别能力，可随工作环境变化的需要而再编程。一般的电动玩具没有感觉和识别能力，不能再编程，因此不能称为机器人；,（3）通用性：一般机器人在执行不同作业任务时，具有较好的通用性。比如，通过更换机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的任务。,什么是工业机器人？,12345678,工业机器人意义与定义工业机器人分类工业机器人组成和性能参数工业机器人的结构工业机器人控制技术工业机器人传感系统工业机器人的应用工业机器人发展方向,分类名称操作型机器人程控型机器人示教再现型机器人数控型机器人感觉控制型机器人适应控制型机器人学习控制型机器人智能机器人,简要解释能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。利用传感器获取的信息控制机器人的动作。机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。以人工智能决定其行动的机器人。,2、工业机器人的分类,柱坐标系机器人,z,r,r,1、手臂可伸缩（沿r方向）；2、滑动架（托板）可沿柱上下移动（z轴方向）；3、水平臂和滑动架组合件可作为基座上的一个整体而旋转（绕z轴）。一般旋转不允许旋转360，因为有液压，电气或气动联结机构或连线造成的约束。,2、工业机器人的分类根据机械结构（坐标形式）分类,2.1串联机器人柱坐标机器人球坐标机器人关节机器人笛卡尔坐标机器人,2.2并联机器人,1.2.3.,其臂可升出缩回（r），类似于可伸缩的望远镜套筒；在垂直面内绕轴回转（）；在基座水平面内转动（,）。,2、工业机器人的分类柱坐标机器人球坐标机器人关节机器人笛卡尔坐标机器人,球坐标系机器人,a纯球状,机械臂的上臂和前臂相连，该枢轴常称为肘关节，允许前臂,转动角度；上臂与基座相连，与基座垂直的面内的运动可绕此肩关节进行角度；而基座可自由转动，因而整个组合件可在与基座平行的平面内移动角度，具有这类结构的机,器人的工作包络范围大体上是球状的。,优点：机械臂可以方便灵活的到达机器人基座附近的地方，并越过其工作范围内的人和障碍物。,2、工业机器人的分类,柱坐标机器人球坐标机器人关节机器人,笛卡尔坐标机器人,b平行四边形球状,用多重闭合的平行四边形的连杆机构代替单一的刚性构件的上臂。,优点：,允许关节驱动器位置靠近机器人的,基座或装在机器人的基座上，这就意味着它们不是装在前臂或上臂之内或之上，从而使臂的惯性机重量大为减少，结果是采用同样大小的执行器时它们所具有的承载能力就比球体关节的机器人要大；,机械刚度比其它大多数机械手大。缺点：工作范围受到的限制较大。,2、工业机器人的分类,2、工业机器人的分类,运动学链系代替纯圆柱状机器人中的单一轴部件。,这种机器人有精密且快速的优点，但一般垂直作用范围有限（z方向），通常z轴运动用一简单的气缸,或步进电机控制，而其它轴则采用较精巧的电气执行器（如伺服电机）。,z,r1,r2,r3,腕的横滚,2、工业机器人的分类c圆柱状圆柱状关节机器人也称为scara机器人，这种结构用多重铰接开放,2、工业机器人的分类,2、工业机器人的分类,a悬臂笛卡尔式从支撑架伸出的长度有限，刚性差，但其工作空间所受约束较其它机器人所受的约束少，故重复性和精度高；,其坐标更近乎自然状态，故编程容易；但有些运动形式，由于需要大量计算，此结构可能较难完成，如方向与任何轴都不平行的直线轨迹。,x,z,腕的俯仰腕的偏摆腕的偏摆,腕的横滚腕的横滚,2、工业机器人的分类柱坐标机器人,球坐标机器人关节机器人笛卡尔坐标机器人y,2、工业机器人的分类,b门形笛卡尔式（桁架机器人）,一般在需要精确移动以及负载较大的时候使用，这类机器人常常安在顶板（天花板）上。,2、工业机器人的分类,2、工业机器人的分类,并联机器人可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机器人。,优点：,无累积误差，精度高；,驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重,量轻，速度高，动态响应好；,结构紧凑，刚度高，承载能力大；,完全对称的并联机构具有较好的各向同性。,缺点：,工作空间较小。,2、工业机器人的分类,2.2并联机器人,6自由度并联机构,3/4自由度并联机构,2自由度并联机构,2、工业机器人的分类2.2并联机器人从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构。按并联机构的自由度数分类：,2自由度并联机构,3自由度并联机构,并联机器人上下料,并联机器人分拣,并联机器人装配,6自由度并联机构,12345678,工业机器人意义与定义工业机器人分类工业机器人组成和性能参数工业机器人的结构工业机器人控制技术工业机器人传感系统工业机器人的应用工业机器人发展方向,执行机构控制系统驱动系统（液压缸、电机等）检测系统,工业机器人,3、工业机器人的组成和性能参数3.1工业机器人的组成,控制系统,驱动系统,执行机构,操作对象,各组成部分关系检测系统,执行机构也称操作机，使机器人赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。从功能角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部（立柱）和基座等。,手部：又称末端执行器，是工业机器人直接进行工作的部分，其作用是直接抓取和放置物件。可以是各种手持器。,腕部：是连接手部和臂部的部件。其作用是调整或改变手部的姿态，是操作机中结构最复杂的部分。,臂部：又称手臂，用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆（大臂和小臂）组成，用以带动腕部运动。,腰部：又称立柱，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部运动，与臂部运动结合，把腕部传递到需到的工作位置。,基座（行走机构）：基座是机器人的支持部分，有固定式和移动式两种，该部件必须具有足够的刚度、强度和稳定性。,3、工业机器人的组成和性能参数,3.1工业机器人的组成,a执行机构,包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与执行机构连成,机器人本体。,传动机构常用的有：谐波减速器、滚珠丝杆、链、带以及,各种齿轮系。,驱动器通常有：,电机驱动：直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机。液压驱动；气动驱动。,3、工业机器人的组成和性能参数,3.1工业机器人的组成,b驱动系统,通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求,进行工作。,一般由控制计算机和伺服控制器组成。,控制计算机发出指令，协调各关节驱动之间的运动，同时还要完成编程、示教/再现，以及和其他环境状态,（传感器信息）、工艺要求，外部相关设备（如电焊机）之间的信息传递和协调工作。,伺服控制各个关节驱动器，使各杆按一定的速度、加,速度、和位置要求进行运动。,c控制系统,3、工业机器人的组成和性能参数,3.1工业机器人的组成,检测系统的作用就是通过各种检测器、,传感器、检测执行机构的运动状况，根据需要反馈给控制系统，与设定值进行比较后对执行机构进行调整以保证其动作符合设计要求。,3、工业机器人的组成和性能参数,3.1工业机器人的组成,d检测系统,性能参数,工作空间精度/重复定位精度最大工作速度其它动态特性,3、工业机器人的组成和性能参数3.2工业机器人的性能参数自由度数负载能力,端操作器）的开合自由度。,c,2,3,1,2,3,1,4,5要定位的旋转钻头,要定位的球体,(b),(a),冗余度机器人：,从运动学的观点看，在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人，就叫做冗余自由度机器人，亦可简称冗余度机器人。,3、工业机器人的组成和性能参数3.2工业机器人的性能参数a自由度自由度英文名称为degreeoffreedom，缩写为dof。机器人自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪（末,3、工业机器人的组成和性能参数,例如：abb1410机器人去执,行印刷电路板上接插电子器件的作业时就成为冗余度机器人。,利用冗余的自由度可以增加机器人的灵活性，躲避障碍物和改善动力性能。,3、工业机器人的组成和性能参数,3.2工业机器人的性能参数,定位精度是指机器人手部实际到达位,机器人重复定位其手部至同一目标位,置的能力，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，,置与目标位置之间的差异。a重复定位精度是指,h,h,b,h,b,o,o,b,(b),(c),(d),（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,3、工业机器人的组成和性能参数3.2工业机器人的性能参数,b定位精度/重复定位精度,3、工业机器人的组成和性能参数,3、工业机器人的组成和性能参数,工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫做工作区域。,工作范围的形状和大小是十分重要的，机器人在执行某作业时可能会因为存在手部不能到达的作业死区而不能完成任务。,3、工业机器人的组成和性能参数,3.2工业机器人的性能参数,c工作范围,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。,工作速度愈高，工作效率愈高。,工作速度愈高就要花费更多的时间去升速,或降速，或者对工业机器人的最大加速度率或最大减速度率的要求更高。,3、工业机器人的组成和性能参数,3.2工业机器人的性能参数,d最大工作速度,承载能力是指机器人在工作范围内的任何位置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。为了安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。通常，承载能力包含了机器人末端操作器的质量。,3、工业机器人的组成和性能参数3.2工业机器人的性能参数,e最大承载能力（负载）根据承载能力的不同，可将机器人分为：微型机器人，提取重力在10n以下；小型机器人，提取重力为1050n；中型机器人，提取重力为50300n；大型机器人，提取重力为300500n；重型机器人，提取重力在500n以上。,3、工业机器人的组成和性能参数,12345678,工业机器人意义与定义工业机器人分类工业机器人组成和性能参数工业机器人的结构工业机器人控制技术工业机器人传感系统工业机器人的应用工业机器人发展方向,4、工业机器人的结构工业机器人的机械部分主要由末端执行器、手腕、手臂和机座组成。末端执行器,手腕手臂机座,机械部分,工业机器人,末端执行器是机器人直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或夹持专用工具（如喷枪、扳手、焊接工具）进行操作的部件，它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。,末端执行器大致可分为以下几类：,a夹钳式取料手；b吸附式取料手；,c专用操作器及转换器。,4、工业机器人的结构,4.1机器人末端执行器,23,75,簧片,夹爪,线圈,d(b),(c),4,32,1,6,(a),弹性力手爪,指,连杆圆弧平动式手爪,4、工业机器人的结构a夹钳式取料手r导轨十字头中间连杆指尖点平行连杆,齿轮齿条摆动式手爪105,气吸附式取料手是利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差而工作的。按形成压力差的方法，可分为真空吸附、气流负压气吸、挤压排气负压气吸式几种。5643211-橡胶吸盘；2-固定环；3-垫片4-支承杆；5-螺母；6-基板,4、工业机器人的结构,b吸附式取料手气吸附,电后产生的电磁吸力取料，因此只能对铁磁物体起作用，另外，对某些不允许有剩磁的零件要禁止使用，所以，磁吸附取料手的使用有一定的局限性。,f,s,n,n,s,1,2,3,io,1,2,3,（a）,（b）,1-线圈；2-铁心；-衔铁电磁铁工作原理,磁吸附,4、工业机器人的结构磁吸附式取料手是利用电磁铁通,各种专用末端操作器和电磁吸盘式换接器,4、工业机器人的结构,c专用操作器及换接器,专用末端操作器,1-末端操作器库；2-操作器过渡法兰；3-位置指示灯；4-换接器气路；5-联接法兰；6-过渡法兰；7-换接器；8-换接器配合端；9-末端操作器,具有一定的换接精度。,4、工业机器人的结构c专用操作器及换接器换接器由两部分组成：换接器插座和换接器插头专用末端操作器换接器的要求主要有：同时具备气源，电源及信号的快速联接与切换；能承受末端操作器的工作载荷；在失电、失气情况下，机器人停止工作时不会自行脱离；,4、工业机器人的结构,（b）棱柱形,(a),(b),（a）棱锥型,多工位末端操作器换接装置,4、工业机器人的结构多工位换接装置有棱锥型和棱柱型两种形式。棱锥型换接装置可保证手爪轴线和手腕轴线一致，受力较合理，但其传动机构较为复杂；棱柱型换接器传动机构较为简单，但其手爪轴线和手腕轴线不能保持一致，受力不良。,腕,爪,手,1,腕手腕是连接末端执行器和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机器人末端执行器适应复杂的动作要求。（1）臂转绕小臂轴线方向的旋转称臂转。（2）腕摆使末端执行器相对于手臂进行的摆动称腕摆。（3）手转使末端执行器（手部）绕自身轴线方向的旋转称手转。,4、工业机器人的结构4.2机器人手腕zw,机座的立柱实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受末端执行器、手腕和手臂自身的重量。,(a),(b),(c),(d),（a）、（b）单臂式（c）双臂式（d）悬挂式手臂直线运动机构,4、工业机器人的结构4.3机器人手臂一般机器人的手臂有3个自由度，即手臂的伸缩，左右回转和升降（或俯仰）运动。手臂回转和升降运动是通过,机座直接联接在地面基础上，也可固定在机身上。,4、工业机器人的结构,4.4机器人机座,固定式机器人,行走部机构按其运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。,固定轨迹式：行走机构主要用于工业机器人，如横梁式机器人。,无固定轨迹式：行走部按其行走机构的结构特点分为轮式行走部，履,带式行走部和关节式行走部。,4、工业机器人的结构,4.4机器人机座,行走式机器人,固定轨迹式,无固定轨迹式,12345678,工业机器人意义与定义工业机器人分类工业机器人组成和性能参数工业机器人的结构工业机器人控制技术工业机器人传感系统工业机器人的应用工业机器人发展方向,工业机器人的控制与其机构运动学和动力学有密不可分的关系，因,而要使工业机器人的臂、腕及末端执行器等部位在空间具有准确无误的位姿，就必须在不同的坐标系中描述它们，并且随着基准坐标系的不同而要做适当的坐标变换，并且要经常求解运动学和动力学问题。,描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，因此随,着工业机器人的运动及环境的改变，其参数也在改变。又因为工业机器人往往具有多个自由度，所以引起其运动变化的变量不止一个，而且各个变量之间一般都存在耦合问题，这就使得工业机器人的控制系统不仅是一个非线性系统，而且是一个多变量系统。,对工业机器人的任一位姿都可以通过不同的方式和路径达到，因而,工业机器人的控制系统还必须解决优化的问题。,控制系统的特点：,5、工业机器人的控制技术,控制方式（根据作业轨迹分）：点动控制方式连续轨迹控制方式,5、工业机器人的控制技术控制系统的主要功能：示教再现功能：示教再现功能是指在执行新的任务之前，预先将作业的操作过程示教给工业机器人，然后让工业机器人再现示教的内容，以完成作业任务。运动控制功能：运动控制功能是指对工业机器人末端执行器的位姿、速度、加速度等项的控制。,控制方式（根据编程方法分）：示教再现控制离线编程控制,又称cp控制，其特点是连续地控制工业机器人末端执行器在作业空间,中的位姿，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度要求内运动，而且速度可控，轨迹光滑且运,动平稳，以完成作业任务。,2,3,4,1,1,2,4,5,（a）点位控制,（b）连续轨迹控制,5、工业机器人的控制技术点位控制又称ptp控制，其特点是只控制工业机器人末端执行器在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相邻各点之间的运动，而对达到目标点的运动轨迹（包括移动的路径和运动的姿态）则不作任何规定。连续轨迹控制方式3,示教再现控制是指控制系统可以,通过示教操纵盒或手把手进行示教，将动作顺序、运动速度、位置等信息用一定的方法预先教给工业机器人，由工业机器人的记忆装置将所教的操,作过程自动地记录在磁盘、u盘等存,储器中，当需要再现操作时，重放存储器中存储的内容即可。如需更改操作内容时，只需重新示教一遍或更换预先录好程序的磁盘或其它存储器即可，因而重编程序极为简便和直观。,5、工业机器人的控制技术,示教再现控制,5、工业机器人的控制技术,与示教编程相比，离线编程系统具有如下优点：,减少机器人停机的时间；,使编程者远离危险的工作环境，改善了编程环境；可以对各种机器人进行编程，能方便地实现优化编程；,便于和cadcam系统结合，做cad/cam/robotics一体化；,可使用高级计算机编程语言对复杂任务进行编程；便于修改机器人程序。,机器人离线编程系统是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的几何模型，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下进行轨迹规划。通过对编程结果进行三维图形动画仿真，以检验编程的正确性，最后将生成的代码传到机器人控制柜，以控制机器人运动，完成给定任务。,5、工业机器人的控制技术,离线编程控制,机器人离线编程的现状,国外在70年代末就开始了机器人离线规划和编程系统的研究。早期的离线编程系统有ipa程序、sdmmie软件包和grasp仿真系统,等，但这些系统都因为功能不完备而不能方便使用。,目前已经商品化的工业机器人离线编程系统国内有北京华航,唯实的robotart，国外有robotmaster、西门子的robcad、delmia/igrip、安川的motosimeg、robotworks、abb的robotstudio以及fanuc的roboguide等。,5、工业机器人的控制技术,robotart,robotart生成机器人的运动轨迹或使用通用cad/cam系统生成的g代码或apt代码作为加工轨迹。获取轨迹之后，robotart进行运动仿真、碰撞检查、代码优化等操作，以校验出机器人加工的正确性和可达性。在这个工作程序中，省略了示教过程，机器人无需停工，因此可以节省大量的加工时间。同时，该系统还可以自由定义末端执行器、工装、导轨、旋转台等其他外围设备。仿真优化完成后，robotart直接输出优化后的机器人控制代码，进而控制机器人进行实际加工。,5、工业机器人的控制技术,robotworksrobotstudio,robomoverobotmaster,5、工业机器人的控制技术,12345678,工业机器人意义与定义工业机器人分类工业机器人组成和性能参数工业机器人的结构工业机器人控制技术工业机器人传感系统工业机器人的应用工业机器人发展方向,敏感元件,转换元件,基本转换电路,电量,被测量,6、工业机器人的传感系统传感器是利用物体的物理、化学变化，并将这些变化变换成电信号（电压、电流和频率）的装置，通常由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。敏感元件的基本功能是将某种不易测量的物理量转换为易于测量的物理量；转换元件的功能是将敏感元件输出的物理量转换为电量，它与敏感元件一起构成传感器的主要部分；基本转换电路的功能是将敏感元件产生的不易测量的小信号进行变换，使传感器的信号输出符合具体工业系统的要求（如420ma、55v）。,传感器的性能指标：,灵敏度线性度,测量范围精度,重复性分辨率,响应时间,抗干扰能力,6、工业机器人的传感系统,触觉传感器,视觉传感器,倾角传感器,力/力矩传感器,碰撞传感器,接近觉传感器,超声波传感器,6、工业机器人的传感系统各种传感器和人工智能的应用使工业机器人更有“智慧”,六轴力/力矩传感器用于凸轮轴智能装配,6、工业机器人的传感系统,德国iiwa工业机器人,12345678,工业机器人意义与定义工业机器人分类工业机器人组成和性能参数工业机器人的结构工业机器人控制技术工业机器人传感系统工业机器人的应用工业机器人发展方向,汽车制造印刷和造纸,金属焊接食品,汽车装配木制品,塑胶切割娱乐,7、工业机器人的应用,焊接打磨,装配码垛,搬运