并联机器人应用背景一览

1、并联运动机器人应用背景略谈并联构型装备已成为制造业目前的研究热点之一。与串联构型相比, 并联构型具有刚度好、精度高、高速和高加速度等特点, 众多研究机构和制造企业都看好其在制造领域的应用前景。目前多种并联构型装备已经被设计和开发出来, 应用的领域涉及机床、机器人、定位装置、娱乐、医疗卫生等。研究人员正试图开发出在速度、刚度、精度和费用等方面更优的并联构型装备, 以便在与传统制造装备的竞争中占据更有利的地位。1. 早期的并联构型装备及特点1结构中包含一个或多个并联机构的机器称为并联构型装备。只要是多自由度, 驱动器分配在不同环路上的闭式多环机构均可称为并联机构。20 世纪中叶, 罗马尼亚人Gou

2、gh 采用并联机构设计了一种六自由度的轮胎测试机(见图1) , 这种结构被称为六足结构(Hexapod) 。1965 年, Stewart 将一种并联机构用于飞行模拟器, 它包含三个支链, 每个支链上分别通过一个固定平台上的旋转关节和一个可伸缩连杆来控制。这种机构具有六自由度, 被称为Stewart 平台。1978年, 澳大利亚机构学家Hunt 提出并联机构可以应用于机器人操作 。此后若干年, 并联构型装备的研究进展缓慢, 主要是受到计算机和伺服控制技术的限制, 计算6 个支链运动的时间和物质花费太大。但一些经济实力雄厚的部门已开始使用并联机构, 主要应用于航空、航天等领域。随着计算机技术的发

3、展, 尤其是计算快速、功能强大的工业PC 出现之后, 促进了并联机构的应用和发展。80 年代后期, 几种基于并联结构的机器人相继出现, 它们普遍具有较高的速度和加速度, 动态特性好, 在装配行业得到很好的应用。但真正引起轰动是在1994 年的芝加哥机床展览会上, Giddings & Lewis 和Ingersoll 分别推出了基于并联机构的六足机床, 被媒体誉为“机床结构的重大革命”、“二十一世纪的数控加工装备”。从此并联构型装备一直是制造业的研究热点之一。这种结构的主要特点是:1) 杆件只受拉压, 不受弯曲应力;2) 刚度高, 承载能力与整机质量比大;3) 移动部件质量小, 可获得

4、很高的动态特性;4) 零件标准化程度高, 易于实现模块化设计;5) 作业空间与机器尺寸比小;6) 灵活性较差, 运动平台倾斜角度较小;7) 作业空间存在杆件干涉和奇异位变形危险。 图1 Gough 的轮胎测试机 2 并联构型装备的研究进展 应用领域根据德国机床研究所提供的数据, 目前大多数并联装备应用于机床、定位装置和机器人领域, 其中机床所占比例最高(见图2) 。但在该领域, 样机数量远远超过商业用机, 比例是73 。机器人领域的情况则相反, 60 %已投入实际工业应用, 40 %是样机。定位装置领域的情况与机床领域类似。 图2 并联构型装备的应用2.1 定位装置并联机构在光学和微定位领域有

5、很好的应用, 主要是发挥其刚度高、运动误差无累积的特点。定位装置一般采用纯并联结构(大多数是基于六足结构的六自由度系统) , 个别采用平面或混联结构。驱动装置一般采用滚珠丝杠, 个别需要较小行程的设备采用压电驱动 。图3 是PI公司开发的高精度定位装置F - 206 , 采用定长杆结构, 其x 、y 和z 方向的移动距离为6 mm , 图3 PI 公司的F - 206 精确定位系统绕x 、y 和z 轴的旋转角度为±5°, x 、y 和z 方向的最小增量运动为0.1m , 设计分辨率为0.003m , x 、y 和z 方向最大速度为10 mm/ s , 最大承载能力为2 kg

6、 ; 可应用于光子包装、光学设备测试、定位及调整装置、光纤定位、微细加工、微操作(生命科学中) 、半导体操作系统、微动手术操作。2.2 机器人并联构型装备在机器人领域的应用主要集中在两个方面, 一是提供高加速度和高速度,二是提供高于串联机器人的承载能力和刚度。在需要快速移动能力的包装行业, 并联机器人得到广泛应用。比较成功的例子有三轴搬运系统Delta 和六轴搬运系统Hexa (见图4 和图5) , 均使用肘关节驱动, 质量轻, 作业空间大。由于运动部件质量小, 最大加速度可达20 个g ( Hexa) , 重复定位精度0.01 mm。截至1998 年底, 已经有250台Delta机器人投入实

7、际生产环境。在制造领域, 使用并联机器人往往可以获得较好的刚度和精度。挪威MultiCraft 公司的并联机器人就是一个成功的实例, 它主要应用于螺旋桨的磨削、门把手的磨削和抛光等(见图6) 。 图4 Demaurex 公司的高速机器人Delta 图5 六自由度并联机器人HEXA图6 挪威MultiCraf t 公司的MultiCraf t 5602.3 机床目前大多数并联结构机床还处于样机阶段, 大约有30 台, 其中80 % 是铣床。目前许多公司正努力研制功能更加完备的并联装备, 以实现介于机床和机器人之间的应用, 即那些串联机器人无法满足要求(可能由于刚度或精度等方面的原因) , 以及机

8、床也不适合(可能由于作业空间不够大, 或机床造价太高) 的操作任务。在该领域, 混联结构机器占有很大市场。比较成功的有Neos Robotics 公司的Tricept (见图7) 、MultiCraft560 和应用于汽车薄板激光加工的Georg V (见图8) 。这类机器的末端装有运动手腕, 其灵活性高,作业空间与机器尺寸比可达13 , 而普通纯并联机器只有16110 , 传统机床也只是1314。在主受力方向的刚度一般为630 N/m , 运动精度也高于传统串联机器人。以Neos Robotics 公司的TR805 为例, 其最大速度可达100 m/ min , 加速度2个g , 主轴功率4

9、5 kW, 最高转速24 000 r/ min , 工作空间可达2 000 mm ×1 800 mm ×800 mm。由于末端装有串联式手腕, 刀具倾斜角度可达90°。 图7 Neos Robotics 公司的TR805 图8 Hannover 大学的五轴混联机床Georg 2 图9 Variax型并联运动机床（加工中心）Variax型加工中心（图9）是一种“内铣型”结构，机床占地面积为7800mmX8180mm，而工作空间仅有700mmX700mmX750mm，安装工件也不太方便，因此没有这生产中获得应用。后来该机床提供给英国诺廷汉大学工学院作为进行“航空工业敏

10、捷制造”项目研究的设备。之后，美国Ingersoll公司推出采用并联机构的VOH 1000型立式加工中心和HOH 600（图10）型卧式加工中心，在结构上作了最大改进，从“内铣型”改为“外铣型”，明显缩小动平台的体积，减轻了运动部件的重量，安装工件也较为方便，对并联运动机床的发展曾经产生很大的影响。但是由于种种原因，Ingersoll机床也没有投入生产实际应用。两台VOH 1000型立式加工中心分别交付给美国国家标准和技术研究所和美国国家宇航局进行研究。HOH 600型加工中心提供给德国阿亨工业大学的机床实验室进行研究。它们的研究结果对并联运动机床的发展起到很大的促进作用。 图10 HOH 6

11、00型卧式加工中心德国Mikromat公司（）的6X Hexa立式加工中心（图11）的研制由欧共体Esprit高科技研究计划资助，有4个单位参加：1) Mikromat机床公司，负责机床的设计和制造，同时也作为机床的最终用户。2) 富兰霍夫机床及锻压技术研究所，作为企业的技术顾问，提出机床总体设计方案。3) Andron公司，提供Andronic 400数控系统的软、硬件，以及数控系统的优化。4) GMD-First公司，高性能计算机和网络专家，负责并联运动控制策略和高速数据传送。 图11 6X Hexa型并联运动机床该机床主要用于模具加工，可以实现5坐标高速铣削，加工精度可达0.010.02

12、mm，明显提高加工效率、改善表面质量，延长刀具寿命。俄罗斯Lapic公司将Stewart平台并联机构用于TM-1000型精密加工中心和-750型3坐标测量机，-750型测量机的外观如图12所示。 图12 -750型测量机从图中可见，上平台就是测量机的框架，6根伸缩杆是由伺服电动机驱动的滚珠丝杆，它们共同与装有测量头的下平台连接。在固定的上平台和运动的下平台之间安装有6根激光干涉测量尺，对伸缩杆的位移进行测量，并实时反馈，工作精度可达±0.0010.002mm。工作空间为750mm×550mm×450mm。采用并联机构的测量机的特点是可以很方便地将测量头偏转一个角度

13、，测量斜孔的直径。美国Hexel公司（或）致力于并联运动机床和并联机构应用的普及化，推出低价位的Tornado型5坐标加工中心和P 2000铣床工作台，以及6自由度的定位平台和微型机器人等一系列产品。P2000 铣床工作台是一个采用并联机构的6自由度动平台，它可以作为单独部件提供给用户，也可以配置成为完整的5坐标立式铣床。将P2000铣床工作台与旧的普通立式铣床相配合，将主轴部件转180°，就能够很快构成一台全新的5坐标数控立式铣床，适用于加工小型模具或样件制造。数控系统软件由该公司自行开发，硬件采用Window操作系统的微机和Delta-Tau公司的控制卡。机床外观如图13所示。

14、图13 P 2000 5坐标立式铣床德国Index机床公司（index-werke.de）2000年率先推出采用并联机构的车削中心，2002年又将其联成加工回转体零件的流水线，在生产中应用效果良好。机床的外观如图14所示。 图14 V100型车削加工中心法国Renault Automation 公司（http:/www.renualt- SX卧式加工中心，其外观如图15所示。该机床采用一系列新技术，如直线电动机、电主轴、高速镗铣削和油雾干切削等。该机床用于加工Ranault汽车齿轮变速箱体的平面和孔，采用高速切削，效率很高。机床的并联机构特点是采用3杆并联机构，具有很高的动态特性，快速移动可达

15、100m/min，最大加速度甚至可以达到5g      图15 Urane SX型卧式加工中心德国Reichenbacher公司（http:/www.reicherbacher/. de）是一家生产木材加工数控铣床为主的小公司。最近推出采用并联机构的Pegasus型木材加工中心，其外观如图16所示。 图16 Pegasus型木材加工中心公司主要产品及应用ABB公司的两款并联运动机器人IRB 340, Flex PickerIRB 340, Flex Picker此并联机器人有惊人的筛选速度，其抓取速度可达150件/分钟，运动周期为0.4s 。更为惊讶的是，该系统具有自动挑选功能，如在筛选饼干、巧克力糖和药片时可以自动去掉不适合的产品。因此，在分类和比较应用时有较好的适应性。用于铝件的清洗和预加工的IRB 940 IRB 940该机器人主