工业机器人机械基础与维护-工业机器人的机械结构和运动控制

工业机器人机械基础与维护工业机器人的机械结构和运动控制1-操作机2-控制系统3-示教器（KUKAsmartPad）123工业机器人的系统组成2.11—底座4—腰关节5—大臂6—肘关节

11—小臂

15—腕关节16—连接法兰18—传动带19—肩关节

2、8、9、12、13、20—伺服电机3、7、10、14、17、21—减速器工业机器人操作机的基本构造操作机工业机器人的系统组成2.1操作机末端执行器1—手指2—传动机构3—驱动装置4—支架5—工件夹钳式取料手的基本构造吸附式取料手的基本构造1—吸盘2—固定环

3—垫片

4—支承杆

5—螺母6—基板工业机器人的系统组成2.1操作机末端执行器工业机器人专用末端执行器工业机器人的系统组成2.1操作机机械臂行走机构1—手腕2—小臂3—大臂4—腰部5—平衡装置6—底座123465工业机器人的系统组成2.1操作机驱动装置

驱动

方式内容液压驱动气压驱动电气驱动输出功率压力高，可获得大的输出功率气体压力低，输出功率较小，如需输出功率大时，其结构尺寸过大输出功率较小或较大控制性能油液不可压缩，压力、流量均容易控制，控制精度高，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，阻尼效果差，低速不易控制，控制精度低，不易与CPU连接。

可高速，冲击较严重，精确定位困难比较容易与CPU连接，控制性能好，响应快，可精确定位，但控制系统复杂结构体积在输出力相同的情况下体积比气压驱动方式小体积较大需要减速装置，体积较小工业机器人的系统组成2.1操作机驱动装置

驱动

方式内容液压驱动气压驱动电气驱动密封性密封问题较大密封问题较小无密封问题安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa时，应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾的危险环境影响油液易泄漏，对环境有污染排气时有噪音无工业机器人的系统组成2.1操作机驱动装置

驱动

方式内容液压驱动气压驱动电气驱动维修使用维修方便，液体对温度变化敏感维修简单，能在高温、粉尘等恶劣环境中使用，泄露无影响维修使用较复杂制造成本液压元件成本较高，油路比较复杂结构简单，能源方便，成本低成本较高使用范围中、小型及重型机器人中、小型机器人高性能机器人、运动轨迹要求严格的场合工业机器人的系统组成2.1步进电动机与步进驱动器操作机驱动装置电气驱动反应式步进电机步进电机驱动永磁式步进电机混合式步进电机步进电机具有周期性位置误差而无累积误差，具有自锁力等运动特点，与伺服电动机相比，是一种精度高、控制简单、成本低廉的驱动方案。伺服电机驱动工业机器人的系统组成2.1操作机驱动装置伺服电动机与伺服驱动器伺服电机的主要特点：当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。工业机器人的系统组成2.1电气驱动直流伺服电机步进电机驱动交流伺服电机伺服电机驱动操作机驱动装置交流伺服电机的主要优点：①无电刷和换向器，工作可靠，对维护和保养要求低。②定子绕组散热比较方便。③惯量小，易于提高系统的快速性。④适应于高速大转矩工作状态。⑤同功率下有较小的体积和重量。工业机器人的系统组成2.1减速器优点：1）传动链短2）间隙小3）减速比大4）刚度大5）输出扭矩高6）体积小7）质量轻8）可控性好工业机器人机械传动单元减速器齿轮传动带传动链传动直线运动单元操作机传动单元工业机器人的系统组成2.1常用谐波减速器和RV减速器控制系统1）控制器工业计算机型

PLC型工业机器人的系统组成2.1用于控制器的插补脉冲功率放大的装置实现驱动电机位置、速度、转矩控制伺服电机需要配套伺服驱动器，而步进电机需要使用步进驱动器控制系统2）驱动器机器人常用交流伺服驱动器集成式模块式独立式全部驱动模块集成一体，电源模块可以独立或集成电源模块为公用，驱动模块独立，驱动器需要统一安装电源和驱动电路集成一体，每一轴的驱动器可独立安装和使用工业机器人的系统组成2.1控制系统3）上级控制器用途机器人与机器人、机器人与行走装置的协同作业控制机器人与数控机床、机器人与其他机电一体化设备的集中控制机器人的调试、编程PC机：一般的机器人编程、调试和网络连接操作CNC：机器人和数控机床结合，组成柔性加工单元（FMC）PLC：自动化生产线等设备形式工业机器人的系统组成2.1开放程度封闭型开放型混合型日系机器人欧系机器人计算机结构控制方式控制算法集中式控制主从式控制分布式控制控制系统分类工业机器人的系统组成2.1控制系统1）集中式控制系统系统控制缺乏灵活性控制危险容易集中出现故障，影响面广，后果严重系统实时性差连线复杂，会降低系统的可靠性优点：硬件成本较低便于信息的采集和分析易于实现系统的最优控制整体性与协调性较好基于PC的系统硬件扩展较为方便缺点：工业机器人的系统组成2.1控制系统2）主从式控制系统主从控制方式是采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPU实现所有关节的动作控制。优点：实时性较好，适用于高精度，高速度控制缺点：系统扩展性较差，维修困难工业机器人的系统组成2.1控制系统3）分布式控制系统分散控制集中管理

分布控制方式是按系统的性质和方式将控制系统分成几个模块，每个模块都自己的控制任务和控制策略，各模块之间可以是主从关系，也可以是同级关系。工业机器人的系统组成2.1控制系统3）分布式控制系统1）实时性好，易于实现高速、高精度控制2）易于扩展，可实现智能控制3）系统灵活性好4）控制系统的危险性降低5）采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间德国KUKA机器人控制系统KRC4就是一个典型的分布式控制系统，采用基于PC的控制技术，是一个全新的、结构清晰且注重使用开放、高效数据标准的系统架构。优点：工业机器人的系统组成2.1示教器示教编程器或示教盒主要由液晶屏幕和操作按键组成KUKAsmartPAD1）生产运行2）查阅机器人的参数和状态3）手动操作机器人4）编辑程序5）确认示教轨迹主要功能工业机器人的系统组成2.1自由度DegreeofFreedom，DoF刚体的自由度机构的自由度机器人的自由度工业机器人的技术指标2.2额定负载持重正常操作条件下，作用于机器人手腕末端，不会使机器人性能降低的最大载荷。负载是指另外装在机器人上，并跟着机器人一起移动的部件，包含工具负载和附加负载。狭义：广义：1—工具负载

2—A3轴附加负载3—A2轴附加负载4—A1轴附加负载工具负载（payload）简称负载，指的是法兰上的负荷。附加负载（supplymentlyload）包含A1轴、A2轴和A3轴的附加负载，即在底座、大臂和小臂上附加安装的部件，包括供能系统、阀门、上料系统、材料储备等。1234工业机器人的技术指标2.2工作精度绝对精度（AP）重复定位精度（RP）±0.01~±0.5mm作业任务额定负载（kg）重复定位精度（mm）搬运5~200±0.2~±0.5码垛50~800±0.5点焊50~350±0.2~±0.3弧焊3~20±0.08~±0.1喷涂5~20±0.2~±0.5装配2~5±0.02~±0.036~10±0.06~±0.0810~20±0.06~±0.1工业机器人典型行业应用的工作精度工业机器人的技术指标2.2重复定位精度绝对精度ISO9283工作精度工业机器人的技术指标2.2KUKA机器人KR120R2500pro工作空间工作空间工业机器人的技术指标2.2最大工作速度在各轴联动情况下，机器人手腕中心所能达到的最大线速度。最大工作速度越高，生产效率也越高。工作速度越高，对机器人最大加速度的要求也越高。工业机器人的技术指标2.2技术参数名称内容名称内容额定负载（kg）120附加负载（kg）50结构形式串联轴数6工作半径（mm）2500重复精度（mm）±0.06本体重量（kg）1049安装方式地面最大工作范围第一轴±185°最大速度第一轴136°/s第二轴-5°/﹣140°第二轴130°/s第三轴﹢155°/﹣120°第三轴120°/s第四轴±350°第四轴292°/s第五轴﹢125°第五轴258°/s第六轴±350°第六轴284°/sKUKA机器人

KR120R2500pro主要技术参数工业机器人的技术指标2.2运动学问题工业机器人的控制：位置控制和力控制1—机械臂2—运动链的始端3—运动链的终端工业机器人的运动控制2.3运动学问题

已知各关节角矢量，求末端执行器相对于参考坐标系的位姿，称之为正向运动学，又称为运动学正解。1）运动学正问题

机器人示教时，机器人控制器逐点进行运动学正解运算。工业机器人的运动控制2.3运动学问题

已知末端执行器在参考坐标系中的初始位姿和目标位姿，求各关节角矢量，称为逆向运动学，又称为运动学逆解。2）运动学逆问题

机器人再现时，机器人控制器逐点进行运动学逆解运算，并将矢量分解到操作机各关节。工业机器人的运动控制2.3奇异点过顶奇异点α1

延伸奇异点α2

手轴奇异点α5

在运动学逆解时，如果得不到唯一解时，即方程为无解或多解