工业机器人(下)

1、5.3工业机器人的控制与驱动第5.3.1 工业机器人控制1. 概述 控制系统是机器人的指挥中枢，负责对作业指令、内外环境信息进行处理，并依据预定的本体模型、环境模型和控制程序做出决策，产生相应的控制信号，通过驱动器驱动执行机构的各个关节，按确定的顺序、轨迹、速度和加速度运动，完成制定的任务。 机器人控制系统不仅要考虑运动学关系，还要考虑动力学因素，是一个多变量耦合系统，特殊、复杂。 目前，机器人控制器是一个由计算机控制的高性能控制器，并且控制轴数日益增多，体积减小，价格走低，并实现了软件控制和数字控制，系统的可靠性增强。4. 机器人控制系统的特点 机器人的每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的

2、运动要求各个伺服系统协同工作。 机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器进行空间点位运动或连续轨迹运动。对机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算，以及矩阵函数的逆运算。 机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变量之间还存在着耦合，因此机器人控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术 。 更高级的机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析采用计算机建立庞大的信息库，用人工智能的方法进行控制、决策、管理和操作，按照给定的要求，自动选择最佳控制规律。2. 机器人控制系统的特点 3. 对机器人控制系统的一般要求 实现对机器人位姿、速度、加速度等的控制功能，对于连续

3、轨迹运动的机器人还必须具有轨迹的规划与控制功能 。 方便的人机交互功能。 具有对外部环境(包括作业条件)的检测和感觉功能。 具有与外部环境、控制系统或设备的通讯功能。 应具有自我诊断、故障监视等功能。4. 控制的主要变量 从各个电机的电压矢量V(t)开始，得到各个驱动电机的输出转矩矢量T(t)，再经过各个减速机的放大或缩小转变为各关节处力矩矢量C(t)，在C(t)作用下，各关节产生运动，输出各关节的转角矢量(t)，而这个转角矢量最终决定了末端执行器的状态矢量X(t)。 由此，机器人的控制就是对电压矢量V(t)、电机输出转矩矢量T(t)、各关节处力矩矢量C(t)、各关节转角矢量(t)和末端执行器

4、状态矢量X(t)之间的双向反复求解方程。5. 分类 1) 按控制运动方式：关节运动控制，直角坐标空间控制，自适应控制 2) 按轨迹控制方式：点位控制，连续轨迹控制 3) 按速度控制方式：速度控制，加速度控制，力控制 4) 按发展阶段：程序控制，适应性控制，人工智能控制6. 机器人控制系统的组成 机器人控制系统是一个分级的控制系统，主要由作业控制器、运动控制器和驱动控制器三级组成。 1) 作业控制器：决策级，负责发出作业命令并处理外部输入的信息。 2) 运动控制器：策略级，根据作业控制器给的指令，输出各关节的运动指令。 3) 驱动控制器：执行级，负责具体驱动关节运动。5.3.25.3.2工业机器

5、人的驱动工业机器人的驱动机器人关节的驱动方式有：机器人关节的驱动方式有： （1 1）液压式）液压式 （2 2）气动式）气动式 （3 3）电动式。）电动式。一、驱动方式一、驱动方式1 1、液压驱动、液压驱动 液压驱动是由高精度的缸体和液压驱动是由高精度的缸体和活塞一起完成的。活塞和缸体采用活塞一起完成的。活塞和缸体采用滑动配合滑动配合, , 压力油从液压缸的一端压力油从液压缸的一端进入进入, , 把活塞推向液压缸的另一端把活塞推向液压缸的另一端, , 调节液压缸内部活塞两端的液体压调节液压缸内部活塞两端的液体压力和进入液压缸的油量即可控制活力和进入液压缸的油量即可控制活塞的运动。塞的运动。优点优

6、点: :(1) (1) 液压容易达到较高的单位面积压力液压容易达到较高的单位面积压力( (常用油常用油压为压为2.52.56.3 MPa), 6.3 MPa), 体积较小体积较小, , 可以获得较大可以获得较大的推力或转矩。的推力或转矩。(2) (2) 液压系统介质的可压缩性小液压系统介质的可压缩性小, , 工作平稳可工作平稳可靠靠, , 并可得到较高的位置精度。并可得到较高的位置精度。 (3) (3) 液压传动中液压传动中, , 力、力、 速度和方向比较容易实速度和方向比较容易实现自动控制。现自动控制。 (4) (4) 液压系统采用油液作介质液压系统采用油液作介质, ,具有防锈性和自具有防锈

7、性和自润滑性能润滑性能, , 可以提高机械效率可以提高机械效率, , 使用寿命长。使用寿命长。 存在的不足存在的不足: : (1) (1) 油液的粘度随温度变化而变化油液的粘度随温度变化而变化, , 这将影这将影响工作性能。高温容易引起燃烧、爆炸等危险。响工作性能。高温容易引起燃烧、爆炸等危险。 (2) (2) 液体的泄漏难于克服液体的泄漏难于克服, ,要求液压元件有要求液压元件有较高的精度和质量较高的精度和质量, , 故造价较高。故造价较高。 (3) (3) 需要相应的供油系统需要相应的供油系统, ,尤其是电液伺服尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置系统要求严格的滤油装置, ,否则会引起故障

8、。否则会引起故障。 液压驱动方式的输出力和功率更液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。器人关节的驱动。 右右图为一气动机械手。图为一气动机械手。该机械手采用气动方式驱该机械手采用气动方式驱动动, , 有三个自由度有三个自由度, , 分别分别为转动为转动( (由摆动气缸实现由摆动气缸实现) )、X X轴移动轴移动( (由由X X轴直线气缸实轴直线气缸实现现) )和和Z Z轴升降轴升降( (由由Z Z轴气缸轴气缸实现实现) )。末端操作器为小型。末端操作器为小型气流负压式吸盘。气流负压式吸盘。 图图 气动机械手气动机械手2 2、

9、气压驱动、气压驱动与液压驱动相比与液压驱动相比, , 气压驱动的特点是气压驱动的特点是: : (1) (1) 压缩空气粘度小压缩空气粘度小, , 容易达到高速容易达到高速(1 (1 m ms)s)。 (2) (2) 利用工厂集中的空气压缩机站供气利用工厂集中的空气压缩机站供气, , 不必添加动力设备。不必添加动力设备。(3) (3) 空气介质对环境无污染空气介质对环境无污染, ,使用安全使用安全, ,可直接应用于高温作业。可直接应用于高温作业。 (4) (4) 气动元件工作压力低气动元件工作压力低, , 故制造要求故制造要求也比液压元件低。也比液压元件低。气压驱动的不足气压驱动的不足: : (

10、1) (1) 压缩空气常用压力为压缩空气常用压力为0.40.40.6 MPa, 0.6 MPa, 若要获得较大的压力若要获得较大的压力, ,其结构就要相对增大。其结构就要相对增大。 (2) (2) 空气压缩性大空气压缩性大, ,工作平稳性差工作平稳性差, , 速度控速度控制困难制困难, ,要达到准确的位置控制很困难。要达到准确的位置控制很困难。 (3) (3) 压缩空气的除水问题是一个很重要的压缩空气的除水问题是一个很重要的问题问题, ,处理不当会使钢类零件生锈处理不当会使钢类零件生锈, , 导致机器人导致机器人失灵失灵. .此外此外, ,排气还会造成噪声污染。排气还会造成噪声污染。 3 3、

11、电动机驱动、电动机驱动1 1）普通交流电动机驱动）普通交流电动机驱动2 2）交、直流伺服电动机驱动）交、直流伺服电动机驱动3 3）步进电动机驱动）步进电动机驱动输出力矩大，输出力矩大，但控制性能差，但控制性能差，惯性大，适用惯性大，适用于中型或重型于中型或重型机器人机器人用于闭环控制系统，用于闭环控制系统，输出力矩相对小，输出力矩相对小，控制性能好，可实控制性能好，可实现速度和位置的精现速度和位置的精确控制，适用于中确控制，适用于中小型机器人小型机器人用于开环控制，一般用用于开环控制，一般用于对速度和位置要求不于对速度和位置要求不高的场合高的场合 电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机使

12、用简单，且随着材料性能的提高，电机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机电机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器人关节驱动逐渐为电动式所代替。器人关节驱动逐渐为电动式所代替。驱动方式驱动方式特特 点点输出力输出力控制性能控制性能维修使用维修使用结构体积结构体积使 用 范使 用 范围围制造成本制造成本液液压压驱驱动动压 力 高 ，压 力 高 ，可 获 得 大可 获 得 大的 输 出 力的 输 出 力。油液不可压缩，压油液不可压缩，压力、流量均容易控力、流量均容易控制，可无极调速，制，可无极调速，反应灵敏，可实现反应灵敏，可实现连续轨迹控制连续轨迹控制维 修 方 便维 修 方 便， 液 体 对，

13、液 体 对温 度 变 化温 度 变 化敏 感 ， 油敏 感 ， 油液 泄 漏 易液 泄 漏 易着火。着火。在 输 出 力在 输 出 力相 同 的 情相 同 的 情况 下 ， 体况 下 ， 体积 比 气 压积 比 气 压驱 动 方 式驱 动 方 式小。小。中 、 小中 、 小型 及 重型 及 重型 机 器型 机 器人。人。液压元件液压元件成本较高成本较高，油路比，油路比较复杂。较复杂。气气压压驱驱动动气 压 压 力气 压 压 力低 ， 输 出低 ， 输 出力 较 小 ，力 较 小 ，如 需 要 输如 需 要 输出 力 大 时出 力 大 时， 其 结 构， 其 结 构尺 寸 过 大尺 寸 过 大。

14、可高速，冲击较严可高速，冲击较严重，精确定位困难重，精确定位困难。气体压缩性大，。气体压缩性大，阻尼效果差，低速阻尼效果差，低速不易控制，不易与不易控制，不易与CPUCPU连接。连接。维 修 简 单维 修 简 单， 能 在 高， 能 在 高温 、 粉 尘温 、 粉 尘等 恶 劣 环等 恶 劣 环境 中 使 用境 中 使 用， 泄 漏 无， 泄 漏 无影响。影响。体积较大体积较大中 、 小中 、 小型 机 器型 机 器人。人。结构简单结构简单，能源方，能源方便，成本便，成本低。低。电电机机驱驱动动异步电动异步电动机机直流电动直流电动机机输 出 力 较输 出 力 较大大控制性能较差，惯控制性能较差

15、，惯性大，不易精确定性大，不易精确定位位维 修 使 用维 修 使 用方便。方便。需 要 减 速需 要 减 速装 置 ， 体装 置 ， 体积较大。积较大。速 度 低速 度 低， 持 重， 持 重大 的 机大 的 机器人。器人。成本低。成本低。步进电动步进电动机机伺服电动伺服电动机机输 出 力 较输 出 力 较小或较大小或较大容易与容易与CPUCPU连接，连接，控制性能好，响应控制性能好，响应快，可精确定位，快，可精确定位，但控制系统复杂。但控制系统复杂。维 修 使 用维 修 使 用较复杂。较复杂。体积效小体积效小程 序 复程 序 复杂 、 运杂 、 运动 轨 迹动 轨 迹要 求 严要 求 严格

16、的 机格 的 机器人。器人。成本较高成本较高。二、驱动机构二、驱动机构 驱动机构驱动机构直线驱动机构直线驱动机构旋转驱动机构旋转驱动机构 由于旋转驱动的旋转轴强度高，摩擦小、可靠性好等由于旋转驱动的旋转轴强度高，摩擦小、可靠性好等优点，在结构设计中应尽量多采用。但是在行走机构关优点，在结构设计中应尽量多采用。但是在行走机构关节中，完全采用旋转驱动实现关节伸缩有如下缺点：节中，完全采用旋转驱动实现关节伸缩有如下缺点：（1 1）旋转运动虽然也能转化得到直线运动，但在高速运动）旋转运动虽然也能转化得到直线运动，但在高速运动时，关节伸缩的加速度不能忽视，它可能产生振动。时，关节伸缩的加速度不能忽视，它

17、可能产生振动。（2 2）为了提高着地点选择的灵活性，还必须增加直线驱动）为了提高着地点选择的灵活性，还必须增加直线驱动系统。系统。 机器人采用的直线驱动方式包机器人采用的直线驱动方式包括直角坐标结构的括直角坐标结构的X X、Y Y、Z Z向驱动向驱动, ,圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动降驱动, , 以及极坐标结构的径向伸以及极坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气缸缩驱动。直线运动可以直接由气缸或液压缸的活塞产生或液压缸的活塞产生, , 也可以采用也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动元件齿轮齿条、丝杠、螺母等传动元件把旋转运动转换成直线运动。把旋转运动

18、转换成直线运动。1 1、直线驱动机构、直线驱动机构1 1）齿轮齿条装置）齿轮齿条装置通常通常, ,齿条是固定不动的，当齿轮传动时齿条是固定不动的，当齿轮传动时, , 齿轮轴连同拖齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动板沿齿条方向做直线运动, , 这样这样, , 齿轮的旋转运动就转换成为齿轮的旋转运动就转换成为拖板的直线运动拖板的直线运动, , 如下图所示。拖板是由导杆或导轨支承如下图所示。拖板是由导杆或导轨支承的。的。 该装置的回差较大。该装置的回差较大。 图图 齿轮齿条装置齿轮齿条装置 2 2）普通丝杠）普通丝杠 普通丝杠驱动是由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿普通丝杠驱动是由一个旋转的精密丝杠

19、驱动一个螺母沿丝杠轴向移动。丝杠轴向移动。 由于普通丝杠的摩擦力较大由于普通丝杠的摩擦力较大, , 效率低效率低, , 惯性惯性大大, , 在在低速时容易产生爬行现象低速时容易产生爬行现象, , 而且精度低而且精度低, , 回差大回差大, , 因因此在机器人上很少采用此在机器人上很少采用。 3 3）滚珠丝杠）滚珠丝杠 在机器人上经常采用滚珠丝杠在机器人上经常采用滚珠丝杠, , 这是因为滚珠丝杠的摩擦这是因为滚珠丝杠的摩擦力很小且力很小且运动响应速度快运动响应速度快。由于滚珠丝杠在丝杠螺母的螺旋。由于滚珠丝杠在丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠槽里放置了许多滚珠, ,传动过程中所受的摩擦力是滚动摩

20、擦传动过程中所受的摩擦力是滚动摩擦, , 可极大地减小摩擦力可极大地减小摩擦力, ,因此传动效率高因此传动效率高, ,消除了低速运动时的消除了低速运动时的爬行现象。在装配时施加一定的预紧力爬行现象。在装配时施加一定的预紧力, ,可消除回差。可消除回差。 2 2、旋转驱动机构、旋转驱动机构齿轮链齿轮链齿轮链是由两个或齿轮链是由两个或两个以上的齿轮组成两个以上的齿轮组成的传动机构。它不但的传动机构。它不但可以传递运动角位移可以传递运动角位移和角速度和角速度, , 而且可以而且可以传递力和力矩。如右传递力和力矩。如右图所示为具有两个齿图所示为具有两个齿轮的齿轮链轮的齿轮链, , 其中一其中一个齿轮装

21、在输入轴上个齿轮装在输入轴上, , 另一个齿轮装在输出另一个齿轮装在输出轴上轴上图图 齿轮链机构齿轮链机构机器人常用的传动方式机器人常用的传动方式三、制动器三、制动器 许多机器人的机械臂都需要在各关节处许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动器安装制动器, , 其作用是其作用是: : 在机器人停止工作在机器人停止工作时时, , 保持机械臂的位置不变保持机械臂的位置不变; ; 在电源发生故在电源发生故障时障时, , 保护机械臂和它周围的物体不发生碰保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。撞。 假如齿轮链、谐波齿轮机构和滚珠丝杠假如齿轮链、谐波齿轮机构和滚珠丝杠等元件的质量较高等元件的质量较高, ,

22、一般其摩擦力都很小一般其摩擦力都很小, , 在在驱动器停止工作的时候驱动器停止工作的时候, , 它们是不能承受负它们是不能承受负载的。如果不采用某种外部固定装置载的。如果不采用某种外部固定装置, , 如如制制动器、夹紧器或止挡装置动器、夹紧器或止挡装置等等, ,一旦电源关闭一旦电源关闭, , 机器人的各个部件就会在重力的作用下滑落。机器人的各个部件就会在重力的作用下滑落。因此因此, , 为机器人设计制动装置是十分必要的为机器人设计制动装置是十分必要的。其缺点是在工作期其缺点是在工作期间要不断通电使制动器间要不断通电使制动器松开。松开。 假如需要的话，假如需要的话， 也可以采用一种省电的也可以采

23、用一种省电的方法方法, , 其原理是其原理是: : 需要需要各关节运动时各关节运动时, , 先接通先接通电源电源, , 松开制动器松开制动器, , 然然后接通另一电源后接通另一电源, , 驱动驱动一个挡销将制动器锁在一个挡销将制动器锁在放松状态。放松状态。 图图 三菱装配机器人肩部制动闸安装图三菱装配机器人肩部制动闸安装图 5.4工业机器人的编程语言 机器人程序的编制是高效使用机器人的前提，机器人编程语言是一种程序描述语言，它能十分简洁地描述工作环境和机器人的动作，能把复杂的操作内容通过尽可能简单的程序来实现。机器人编程语言也和一般的程序语言一样，应当具有结构简明、概念统一、容易扩展等特点。从

24、实际应用的角度来看，很多情况下都是操作者实时地操纵机器人工作，为此，机器人编程语言还应当简单易学，并且有良好的对话性。高水平的机器人编程语言还能够实现目标物体和环境的几何建模，在工作进行过程中，几何模型又是不断变化的，因此性能优越的机器人语言会极大地减少编程的困难。机器人语言有四种主要类型，从低级到高级分别是：1、面向点位控制的机器人语言(如T3FUNKY语言等)； 2、面向运动的机器人语言(如VAL.EMUY.RCL语言等)；3、结构化编程语言(如AL.MCL.MAPL语言等)；4、面向任务的机器人语言(如AUTOPASS语言等)。5. 4. 1机器人编程语言的分类5. 4. 2几种工业机器

25、人编程语言5. 4. 2几种工业机器人编程语言第五节 工业机器人的应用一、工业机器人在焊接方面的应用焊接工艺是工业机器人应用的重要领域，它使人从灼热的、不舒服的、有时是危险的工作环境中解脱出来。在焊接工艺中，机器人主要用于点焊和弧焊作业。1 1、点焊机器人 在汽车生产线和装配工序中较常见。装配每台汽车车体一般大约需要完成30004000个焊点，其中60%是由点焊机器人完成的。德国IR6621/100型点焊机器人1-手臂及手腕；2-臂架；3-橡皮缓冲器；4-肘形节杆；5-回转台；6-基座；7-连接电缆；8-转台缓冲器；9-第一轴（转台）电动机（M1）；10、14-平衡气缸；11-第二轴（臂架）电

26、动机（M2）；12-第三轴螺杆；15-驱动臂架；16-电动机组（ M4、M5、M6）；17-控制柜一汽红旗轿车生产线上的点焊机器人点焊机器人右为120公斤点焊机器人，即搭接点焊机可达120公斤ABB点焊机器人点焊机器人专用的点焊钳KUKAKUKA点焊机器人加工汽车车身外壳哈工大与海尔联合研制的点焊机器人 集成电路PCB基板点焊机器人多机器人点焊轿车车身壳体机器人焊接安全气囊点焊机器人内部结构点焊机器人内部结构点焊机器人内部结构点焊机器人内部结构2 2、弧焊机器人 弧焊是连续轨迹操作，机器人必须按预先规定预先规定的路线和要求的速度移动的路线和要求的速度移动进行作业，焊接轨迹的精度取决于焊接项目的

27、类型和尺寸。 弧焊机器人的应用范围很广，除汽车行业外，在弧焊机器人的应用范围很广，除汽车行业外，在通用机械、金属结构等许多行业中都有应用。通用机械、金属结构等许多行业中都有应用。 弧焊机器人国产6公斤弧焊机器人弧焊机器人日本OTC（上海）弧焊机器人埋弧焊机器人SW-101自动埋弧焊机器人SWT-24自动埋弧焊机（机器人）弧焊机器人定位弧焊机器人焊接冰激凌灌装壳弧焊机器人焊接不锈钢水箱弧焊机器人焊接轿车车门防撞杆二、工业机器人在喷涂方面的应用喷涂作业机器人除了应用于汽车、家电和仪表壳体的喷涂作业中，还在涂胶、铸型涂料、耐火饰面材涂胶、铸型涂料、耐火饰面材料、陶瓷制品釉料、陶瓷制品釉 料、粉状涂料料、粉状涂料等作业中应用。高层建筑墙壁喷涂、船舶保护层涂覆和炼焦炉内水泥喷射等方面也开展了应用研究。机器人喷涂作业的自动化程度越 来越高，以汽车为例，已由车体外表面多机自动喷涂，发展到多机内表面的成线自动喷涂。喷涂作业机器人机器人喷涂汽车后视镜机器人喷涂汽车保险杠喷淋室工作的喷涂机器人三菱重工喷涂机器人ABB喷涂机器人ABB喷涂机器人紧凑型喷涂机器人玻璃封胶机器人直角坐标涂胶机器人三、装配工业机器人装配工艺是整个机械制造过程中自动化程度最低的。随着科技的进步和市场竞争的加剧，尤其对多品种