直线轴工业机器人设计综述

直线轴工业机器人设计综述一、 课题国内外现状工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的重要的现代制造业自动化装备。在国家标准中，工业机器人被定义为：“一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。他能搬运材料、零件、或夹持工具，用以完成各种作业［1］。”马香峰、余达太等在文献［1］中对工业机器人的诞生做了阐述，并对早期的工业机器人类型做了说明。书中先概括介绍了工业机器人的组成和操作机的主要类型和设计步骤；进而对工业机器人进行速度分析、动力分析和静力分析，为工业机器人的设计打下基础。作为工业机器人设计要解决的主要问题之一——驱动和传动系统，本书详尽介绍了最常见的三种传动。最后指出工业机器人在材料和执行机构在今后的发展方向。陈航，殷国富，赵伟等在文献［2］中介绍了工业机器人模块化设计的概念，并且详细阐述了这种设计方式的过程及其对比传统设计方法的优势，指出了模块化设计的关键技术是模块的划分和集成。以50kg负载工业机器人的设计为实例，对这一设计思路进行说明［2］。在大型关节型工业机器人的研究中，也有了新的突破。安彦波，高娃，宋宝玉等在文献［3］中提出对大小臂杆进行重力补偿，可以增加运动的平稳性。文中针对六自由度关节型机器人，介绍了一种在不外加装置的情况下，利用机器人本身的驱动电机进行补偿的方法，并对其动静态特性作了详细的分析［3］。田东升，胡明，邹平在文献［4］中提出了可以提高机器人整体的动态性能的方案。文中指出利用三维建模软件Pro/E进行六自由度机器人实体建模及装配，然后无缝导入ANSYS软件中。通过机器人模型简化和等效模拟建立有限元模型，利用有限元方法和振动理论对一个六自由度的工业机器人进行模态分析.通过对整个系统的固有频率和振型的分析，确定了整个机器人的各个轴承关节和动力传动链为系统的薄弱环节，进而通过增强这些薄弱的环节来提高机器人整体的动态性能［4］。利用可编程控制器（PLC）控制系统的高可靠性、编程及维护方便、体积小的特点，将其应用于环流可逆调速系统中，研制出基于PLC的工业机器人关节直流伺服系统，通过环流可逆调速系统控制电机的正反转，实现对工业机器人关节的伺服控制。这是朱仕学，陈伟，谢永宏等在文献［5］中提出的。其优点是在改变电机正反转时无需改变线路结构，使工业机器人关节的伺服控制更简单、更可靠和更稳定［5］。岁波，都东，陈强等针对工业机器人运动轨迹准确度检测困难的问题在文献［6］中提出了一种基于双目视觉理论的检测方法。根据空间解析几何学中点线和面三者之间的约束关系建立了基于直线特征匹配的工业机器人运动轨迹位姿视觉检测模型。基于此模型对一种典型六轴工业机器人运动轨迹的位置偏差和姿态偏差进行了测量测量结果表明采用这种方的测量系统结构相对简单，能够方便地进行工业机器人动态轨迹准确度的测量［6］。激光加工机器人是国际上面向21世纪的先进制造技术。杨洗陈等在文献［7］中综述了激光机器人的原理、构成、种类和若干重大工业应用。重点研究讨论了激光加工机器人的某些关键单元技术———光纤传输的高功率激光技术、机器人本体技术、机器人编程技术、机器人智能化和网络化技术及反求工程重建修复区三维(3D)形貌技术。提出了激光加工机器人未来发展的一些重要方向———高功率激光远程加工和柔性制造技术、具有机器视觉和听觉功能的智能控制技术和远程监控功能的网络化管理技术［7］。张兴国，徐海黎在文献［8］中分析开放式平面关节型工业机器人的结构及工作空间，详细阐述了机器人的控制系统结构及工作原理。同时还讨论了该工业机器人的计算机辅助软件系统中的设置模块、分析模块、轨迹规划流程和显示模块等。借助于开放式工业机器人系统，可以更好地满足工业现场的要求。同时所开发的机器人系统还可用于机器人技术训练［8］。杨萍，杨锋，张淑珍等在［9］中提出以JR—1型机器人本体为基础，利用单片机技术对控制系统进行全新的设计。指出全新机器人主、从两级微机控制系统。在此基础上，对其直流伺服电机控制的机器人手腕位置控制进行了数学建模，并对稳定性及稳定误差进行了分析［9］。殷际英、何广平等在文献［13］中先对关节机器人的发展史和当今状况做了概括性叙述，然后对关节机器人的运动学、动力学以及轨迹和本体结构技术做了概述，最后简要介绍了关节型机器人在工业领域的应用情况。文献［14］中首先讲述了工业机器人在生产中的作用，然后对手部、手腕部、手臂、机械传动机构进行实例分析，最后把当前先进的工业机器人机构进行结构解析。顾震宇在文献［19］中总结了日本和美国、英国、德国、法国等欧美国家在工业机器人方面的发展历程，并与我国的工业机器人的发展做了对比，找出了我国在这方面的不足。夏鲲、徐涛，李静峰等在文献［20］中重点讲述了我国工业机器人的发展、应用和今后的发展，指出中国要想从工业大国向工业强国转变必须在技术上取得领先，而现在工业技术的核心就是工业机器人技术，所以我们必须在工业机器人上去的成就。以上就是国内外的研究现状，从中我们可以看出我国在工业机器人领域与国外的差距。我们要在吸取国外工业机器人研究经验的基础上，加快工业机器人的改进和研发，把中国尽快从一个工业大国向一个工业强国转变！二、 研究主要成果我国在工业机器人方面的研究成果我国的工业机器人研究开始于20世纪70年代，由于受经济体制等因素的制约，发展比较缓慢，研究和应用水平比较低。1985年，随着工业发达国家开始大量应用和普及工业机器人，我国在“七•五”科技攻关计划中将工业机器人列入了发展计划。20世纪90年代末期，我国建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地，目前我国已经能够生产具有国际先进水平的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人及自动引导车(AGV)等一系列产品。国产AGV小车具有很强的竞争力，已经占领了国内大部分市场。20世纪80年代末，清华大学研制了“Eye—in—Hand”智能装配机器人系统。该装配机器人有PUMA560机械手、图像处理系统和计算机构成。在机械手顶部装一部摄像机，用于观察工作台的全景。在机械手的末端有CCD的急、摄像机和半导体的激光发生器。“Eye—in—Hand”能完成很精密的装配任务。

20世纪90年代末期，我国建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地，目前我国已经能够生产具有国际先进水平的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人及自动引导车(AGV)等一系列产品。图一国产AGV小车国产AGV小车具有很强的竞争力，已经占领了国内大部分市场，在国外也已经有一定市场。总之，经过近20多年的发展，我国在工业机器人基础研究、关键元件的开发、机器人整机设计、周边设备开发及机器人应用等诸多方面都取得了不少令人鼓舞的战绩，已经形成了一支相当有战斗力的队伍，为中国工业机器人在国内外拓展市场奠定了基础。国外研究成果国外在工业机器人方面已经取得了相当高的成就，主要体现在以下几个方面：机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人工作范围，加之轻质J可，大大提高了机器人的性能。此外采新型机器人机器人技术，实现高精度测量及加工作范围，加之轻质J可，大大提高了机器人的性能。此外采新型机器人机器人技术，实现高精度测量及加（2）并联机器人：采用并联机构，工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。

图三日本FANUC工业机器人图四日本FANUC工业机器 图五意大利COMAU工业机器人（3）控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。（4）传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKIYASKAWAFANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。r?六日本YASKAWAr?六日本YASKAWA工业机器.(5)网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过标准化设备发展。(6)可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时。三、 发展趋势工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。机械结构向模块化可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；有关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人。工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化，网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化系统中已有成熟应用。机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统”。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。四、 存在问题通过50多年的发展，工业机器人已经日趋完善了；但是，在某些方面还有缺陷：工业机器人移动位置精度不够高。工业机器人的伺服系统和传动系统存在技术上的问题，在命令下达后，机构反应迟缓，运行不到位。所以对于某些精度要求较高的作业，会有很大的影响。工业机器人适用范围不够广泛。虽然现在工业机器人在很多领域都有应用，但是在某些领域中还是空白；另外，对于有些特殊环境，不能够适应，需要改进和开发。工业机器人的运动计算较复杂。在运动中涉及到计算问题时，必须对整个机械机构进行重复计算，浪费了大量时间，而且对于这种复杂运动计算中难免有误差，这样对于整个机构来说会有误差叠加，这样就比较大了。结合部对机械结构的影响。结合部即储存能量又消耗能量的“柔性结合"的本质及特性对机械结构整体的动态性能产生显著影响，表现为使机械结构整体刚度降低、阻尼增加，从而导致结构固有频率降低,振动形态复杂化。五、 主要参考文献【1】马香峰、余达太等著《工业机器人的操作机设计》，冶金工业出版社1999【2】陈航，殷国富，赵伟.工业机器人模块化设计研究.四川.机器人技术机械2009年第3期【3】安彦波，高娃，宋宝玉.关节机器人机械臂自重的电机补偿.哈尔滨工业大学【4】田东升，胡明，邹平.基于ANSYS的六自由度工业机器人模态.东北大学机械工程与自动化学院5】朱仕学，陈伟，谢永宏.基于PLC的工业机器人关节直流伺服系统.深圳职业技术学院报，2003年第1期6】岁波，都东，陈强.基于双目视觉的工业机器人运动准确度检测.机械工程学报，2003年5月7】杨洗陈.激光加工机器人技术及工业应用.天津工业大学激光技术研究所.中国激光，第36卷第11期，2009年11月8】张兴国，徐海黎.一种开放式平面关节型工业机器人系统.南通大学机械工程学院.制造业自动化9】杨萍，杨锋，张淑珍.关节式机器人控制系统特性分析.兰州工业大学机械工程学院.机电产品开发与创新，第19卷第3期10】陈航，殷国富，赵伟.工业机器人模块化设计研究.机械2009年第3期11】安彦波，高娃，宋宝玉.关节机器人机械臂自重的电机补偿.哈尔滨工业大学-【12】田东升，胡明，邹平基于ANSYS的六自由度工业机器人模态.东北大学机械工程与自动化学院13】殷际英、何广平等著《关节型机器人》，化学工业出版社200314】费仁元等编著《机器人机械设计和分析》,北京工业大学出版社199715】徐灏等编著《机械设计手册》，机械工业出版社199216】《工业机械手设计基础》天津科学技术出版社198017】广东机械学院李允文编著《工业机械手设计》机械工业出版社199418】方建军、何广平编著《智能机器人》，化学工业出版社200419】顾震宇《机电一体化》2006年第02期上海科学技术情报研究所20】张广鹏，方英武，田忠强等著.工业机器人整机结构方案的动态性能评价.西安理工大学报21】夏鲲、徐涛，李静峰《广西轻工业》2008年8月第8期长江大学机械工程学院22】杜志俊作《工业机器人的应用及发展趋势》2002年23】张杨林作《国内工业机器人市场发展趋势》在《大众科技》2006年24】熊有伦、唐立新等著《机器人技术基础》中科技大学出版社25】Teshnehlab.NeuralNetworkContorllerwithFlexibleStructureBase