第四章工业机器人(2新)

大连理工大学冯新安主编的机械制造设备设计是由大连理工大学制造教研室褚余凯教授主讲的讲座。第四章工业机器人的设计。(1)机器人的定义是20世纪出现的一个新名词。机器人可以被广泛理解为模仿人类的机器。随着机器人的发展，它们模仿人的能力正在逐渐提高。工业机器人是用于生产的机器人。在20世纪20年代，一个连接在自动机器和自动生产线上的机械手似乎取代了人来转移和装卸工件。20世纪40年代，出现了由操作员直接控制的半自动机械手，20世纪60年代，出现了能够自动控制和实现各种操作的工业机器人。工业机器人发展非常迅速，它们模仿人的能力越来越强。具有学习和推理能力的智能机器人已经开始出现。4.1.1工业机器人及其工作原理，从模仿能力的角度来看，机械手、机械手和工业机器人也可以统称为“工业机器人”。目前，世界上对机器人没有统一的定义。中国国家标准GB/T 12643-90将工业机器人定义为“一种具有自动控制、可重复编程、多功能和多自由度的操作机器，它可以携带材料、工件或搬运工具来完成各种操作”。操作机被定义为“一种具有与人的手臂相似的动作功能的机械装置，能够在空间中抓取和放置物体或进行其他操作”。(2)工业机器人的基本工作原理基本工作原理是通过操作机上各运动部件的运动，自动实现手动操作的动作功能和技术要求。1)两个末端执行器都有姿态变化要求，如机床加工过程中刀具相对于工件的姿态变化要求，以及操作过程中机械手相对于机床底座的姿态变化要求；2)两者都通过协调运动来实现末端执行器的姿态变化要求。3)机床主要以直角坐标的形式运动，而机器人主要以关节的形式运动。4)机床要求高刚性和高精度，灵活性相对较低。然而，机器人需要很高的灵活性，它们的刚性和精度相对较低。4.1.2、工业机器人的组成，(1)机械手机械手机械手是机器人的机械体，也可称为主机，通常由末端执行器和机架组成。操作机具有与人手臂相似的动作功能，其运动功能与机床相同，通常由各种运动单元串联而成。(2)驱动单元由驱动装置(如电动机、液压或气动装置)、减速器和内部检测元件等组成。为操作机器的所有运动部件提供动力和运动。(3)控制装置由检测和控制两部分组成，用于控制驱动单元、检测其运动参数和反馈。工业机器人的组成一般由三部分组成：执行机构、控制系统和驱动系统。(1)执行机构是一种具有与人的手臂相似的动作功能的机械装置，它可以在空间中抓取和放置物体或执行其他操作，通常包括基座、手臂、手腕和末端执行器。(1)末端效应器末端效应器(或手)是一种机器人直接执行工作的装置，可以配备有夹子、工具、传感器等。夹持器可分为机械夹持、真空吸附、液压夹持、磁吸附等。(2)腕部是连接臂和末端执行器的部件，用于调整末端执行器的方向和姿态。(3)臂臂是支撑手腕和末端执行器的部件。它由动力关节和连杆组成，用于改变末端执行器的空间位置。(4)机座是工业机器人的基本部件，承受相应的载荷。机器底座分为固定式和移动式。(2)控制系统控制系统用于控制工业机器人按要求运行。可分为开环控制系统和闭环控制系统。大多数工业机器人由计算机控制。这种控制系统分为三个层次：决策层、策略层和执行层。功能(3)驱动系统的驱动系统是放大信号并根据控制系统发出的控制命令驱动致动器移动的传动装置。此外，机器人可以配备各种传感器(如位置、力、天线、视觉等传感器)来检测其运动位置和工作状态。4.1.3工业机器人的分类，1。按机械结构的类型分类，(1)关节机器人(图a)所谓的关节是一个运动副，因为关节机器人的动作类似于人的关节动作，所以它的运动副称为关节。一般关节指的是旋转运动对，但关节机器人有时包括可移动运动对。为方便起见，它们可以统称为关节，包括旋转运动关节和线性运动关节。铰接式机器人的特点是灵活性好，工作空间大(在相同的占地面积下)，但刚性和精度低。(2)球面坐标机器人(图B)也称为极坐标型，以球面坐标的形式动作(移动)。其特点是灵活性好，工作空间大，但刚性和精度差。(3)圆柱坐标机器人(图C)以圆柱坐标的形式工作。其特点是灵活性好，工作空间范围大，刚性好，精度高。(4)直角坐标机器人(图D)类似于机床，以直角坐标形式工作。刚性和精度高，但灵活性差，工作空间小。工业机器人根据其用途和操作类型进行分类：焊接机器人；一种机器，具有三个或三个以上可自由编程的轴，能够根据需要将焊接工具输送到预定的空间位置，并根据需要的轨迹和速度移动焊接工具。包括弧焊机器人、激光焊接机器人、点焊机器人等。冲压机器人、浇注机器人、搬运机器人、装配机器人、喷漆机器人、切割机器人、探测机器人、采矿机器人、水下机器人等。还有其他分类方法，如控制方法和机器人功能级别。根据信息输入方式，人操作机械手是由操作者直接操作的具有多个自由度的机械手。(2)程序固定的机器人按照预设的顺序、条件和位置，一步一步地重复给定的任务。(3)可编程机器人与固定程序机器人基本相同，但它们的工作顺序和其他信息很容易修改。(4)程序控制机器人。其任务指令由计算机程序提供给机器人，其控制方式与数控机床相同。(5)诸如机器人的教学机器人可以根据存储在存储装置中的信息再现人们所教授的动作，并且教学动作可以自动重复。智能机器人利用传感器感知工作环境或工作条件的变化，并利用自身的决策能力完成相应的工作任务。从驱动方式来看，电驱动是目前使用最广泛的一种。早期采用步进电机驱动，后来发展了DC伺服电机，现在交流伺服电机的应用也发展很快。这种驱动装置经谐波减速器减速后，可直接驱动机构运动或驱动机构，结构简单紧凑。(2)液压驱动机器人抓取能力强，能抓取数百公斤质量的物体，油压可达7兆帕，液压传动稳定，动作灵敏，但对密封要求高，不适合在高温或低温环境下工作，需要配备一套液压系统。(3)气动驱动气动机器人结构简单，动作迅速，价格低廉。由于空气的可压缩性，工作速度稳定性差，气源压力一般为0.7兆帕，抓取力小，只能抓取几公斤到几十公斤的物体。4.1.4、工业机器人特征表达方法，(a)坐标系，按照右手定则坐标系，如图所示。绝对坐标系框架坐标系机械接口(连接到末端执行器的机械接口)坐标系关节坐标系，(1)坐标系，(1)确定参考状态通常，机器人处于机械原点时的状态可以作为参考状态。机器人的每个关节轴(或大多数关节轴)平行于框架直角坐标轴时的状态(2)选择关节坐标轴的轴位置(3)使用右手坐标系选择关节坐标方向，指定X轴和Z轴的方向，自然确定Y轴方向。坐标系之间的坐标转换很简单。(2)机械结构型机器人的机械结构型特征由其结构坐标形式和自由度表示。机器人分类中描述了结构坐标的形式。自由度是一个指示工业机器人柔性程度的参数，它由线性运动和旋转运动的独立运动的数量来表示。机器人的自由度相当于机床的轴数，它们都代表运动的次数。例如，一个有三个自由度的机器人被称为三自由度机器人。从运动功能来看，它也可以称为三坐标机器人或三轴机器人。工业机器人的自由度越多，其灵活性越好，但其结构和控制越复杂。机器人的自由度等于执行器的数量。(3)工作空间工作空间是指工业机器人正常工作时，手腕参考点(或机械接口坐标系的原点)在空间中可以移动的最大范围。它用于测量机器人的工作范围。机床的工作空间(加工空间)一般为长方体或圆柱体空间；然而，机器人的工作空间形状复杂(见图4-6)。(4)其他特性包括用途、外形尺寸和质量、负载、速度、驱动模式和电源、控制、编程方法、性能、分辨率和环境条件等。4.1.5工业机器人的基本设计方法，(1)工业机器人的设计方法从以上对工业机器人工作原理的分析可以看出，工业机器人和机床的基本功能和基本工作原理是相似的，但它们的特点和要求是不同的。从设计方法论的角度来看，工业机器人的设计方法与机床的设计方法基本相同，但其具体的设计内容、设计要求和设计技术却大相径庭。工业机器人总体方案的设计方法也可分为分析设计方法和创新设计方法。(2)设计内容和步骤1。总体设计(1)基本技术参数设计：1)用途，如搬运、点焊等。2)额定负载。额定负载是指在机器人规定的性能范围内，机械接口能够承受的负载的允许值。包括机器人末端执行器的质量、抓取工件的质量和惯性力(力矩)以及外力(力矩)。3)根据操作要求确定工作空间，并考虑机器人末端执行器操作对象的位置和姿态要求，为后续方案设计中的自由度设计提供依据。4)额定速度。指工业机器人在额定负载和匀速运动时机械接口中心的最大速度。由于机器人的整体结构还没有设计出来，在这个阶段只能粗略地估计一下。5)驱动模式的选择。6)绩效指标。总体设计(2)总体方案设计：1)运动功能方案设计。这一阶段的主要设计任务是设计和确定机器人的自由度、每个关节运动的性质和排列顺序以及参考状态下每个关节轴的方向。2)传动系统方案设计。根据功率和速度参数、驱动方式等选择传动方式和传动部件。3)结构布置方案。根据机器人的工作空间、运动功能方案和传动方案，确定各部件的关节形式、轮廓形状和尺寸。4)参数设计。确定一些在设计阶段不能考虑的基本技术参数，如单轴速度、单轴载荷、单轴运动范围等。这项工作应该与第三项设计工作交叉。5)控制系统方案设计。最近设计的工业机器人基本上采用计算机控制系统。6)整体项目评估。详细设计包括装配图设计、零件图设计和控制系统设计。3.总体评估在总体设计阶段获得的设计结果是每个部件和接头的大致形状和尺寸，其已经通过详细设计进行了细化4.2工业机器人传动功能的设计，1。工业机器人位置信息(位置和姿态)的描述(1)操作功能姿态的描述方法：通过末端执行器和机床坐标系之间的齐次坐标变换实现(第202页图4-7)，1。末端执行器：可以在XM-ym-zm坐标系中实现，坐标系om，原点OM也可以在x0-y0-z0坐标系中表示，坐标系O0，原点O02，末端执行器相对于机床坐标系OM X0Y0Z0 t=0tm 0001 t的位置和姿态，以及x-y-z和x0-y0-z0之间的平移变换。注意：坐标系统OM中原点OM的坐标：XM=ym=zm=0 0tm:末端执行器位置和姿态变化的矩阵。即，齐次变换矩阵0Rm):旋转变换矩阵0Pm):平移变换矩阵。机器人运动姿态描述方法1和0坐标系被转换为O1点，然后旋转0，0，r与X1-Y1-Z1一致。2.运动矩阵规定关节的运动量分别由I(旋转量)和Zi(线性运动量)表示。Oi和Oi 1坐标之间的平移变换坐标量由表示，并且旋转变换量由分别绕、Yi和Zi轴旋转的角度I、I和I表示。Ti代表万向节的运动，Ti，i k代表Oi k坐标系相对于Oi坐标系的相对运动矩阵。注：O0和oi坐标系x0y 0z 01t=0t 1t1 x1y1z11 t=t0，1x1y