工业机器人末端执行器

工业机器人末端执行器学习内容本节导入工业机器人的手部也称末端执行器,它是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。对于整个工业机器人来说手部是完成作业好坏、作业柔性优劣的关键部件之一。一、末端执行器的分类1.1何为末端执行器末端执行器是其实现自动化生产的执行工具。工业机器人的末端执行器相当于人的手。机器人末端执行器是指任何一个安装在机器人手部末端关节上，且具有一定功能的工具。一、末端执行器的分类大多数末端执行器的结构和尺寸都是根据其不同的工作场景和要求而设计的，因而在结构形式上是多种多样的，如图所示。一、末端执行器的分类1.2工业机器人末端执行器的种类工业机器人末端执行器根据用途和结构的不同，大致可分为拾取工具和专用工具两大类。一、末端执行器的分类吸附式末端执行器（又称吸盘），有气吸式和磁吸式两种，如图所示。一、末端执行器的分类专用工具大多为在行业中有特殊作用的场合进行应用，如:机器人弧焊焊枪、机器人喷涂喷枪、机器人打磨布轮等。二、拾取工具2.1机械夹持式拾取工具目前在工业生产应用中机械夹持式拾取工具使用较多。根据其结构、性能和应用方式分为四大类：简单的夹持机构。多夹持机构。柔性夹持机构。仿人手型夹持机构。二、拾取工具简单的夹持机构，如夹爪，只适合夹取规则的物体。多为气动驱动，应用范围有限。二、拾取工具多夹持机构，主要用于抓取对象种类较多，抓取对象外形变化较大的场合，如图所示。但结构复杂，增加机器人腕部的负载。二、拾取工具柔性夹持机构可拾取形状变化大且要求夹持力小的物体。但在操作过程中不存在固定不变的夹持形心，无法精确控制物体的空间位姿，在实际应用中有一定的局限性。如图所示，为并联机器人末端上使用的一种柔性拾取工具。二、拾取工具仿人手型夹持机构与人手相似，具有多个可独立驱动的关节，如图所示。在操作过程中，通过各独立关节的移动和旋转，调整被抓取物体的位姿，可以提高作业的准确性，应用前景广阔。二、拾取工具2.2气吸式末端拾取工具气吸式末端拾取工具的吸盘（多为橡胶或塑料）可以根据不同工作生产需求，做成单吸盘、多吸盘和不规则形状的吸盘等。按形成负压的方法的不同，气吸式末端拾取工具吸盘有挤压排气式、气流负压式和真空泵排气式，结构及工作原理见下表。名称常见结构工作原理挤压排气式吸盘利用挤压力将吸盘内的空气排出，从而形成负压，吸住工件完成拾取。挤压排气式吸盘结构简单，成本低，多用于轻薄物体的吸取。常见的气吸式末端拾取工具二、拾取工具常见的气吸式末端拾取工具（续）名称常见结构工作原理气流负压式吸盘利用气泵压缩空气形成高速射流，将吸盘腔内的空气带走形成负压，使得物体被吸盘吸住，实现工件的拾取。它的结构简单，成本低，但工作噪声大。真空泵排气式吸盘利用真空泵抽出吸盘与工件间的空气，形成负压达到吸住工件的效果，在停止抽空气后，通进大气即可实现工件的松开。真空泵排气式吸盘的吸力取决于吸附面积和吸盘腔内的真空度，工作可靠，吸力大，可用于拾取规格较大的工件。二、拾取工具气吸式末端拾取工具适用于拾取表面光滑平整的工件，在工作过程中能有效地保护工件表面。吸盘是耗材，需要定期更换。气吸式末端拾取工具常被用于板材、玻璃、薄壁零件等的搬运和输送，如图所示。二、拾取工具2.3磁吸式末端拾取工具电磁吸盘通过线圈中感应电流产生的磁力吸住铁磁性工件。电磁吸盘的线圈通电时，吸住被拾取对象，切断线圈电流则可释放被拾取对象。电磁吸盘在工作过程中，线圈通电会产生热，易导致工件热变形。二、拾取工具磁吸盘与电磁吸盘最大的区别在于不需要通电，它是利用磁通的连续性原理以及磁场的叠加原理进行设计的。永磁吸盘内的永久磁钢由多个磁系（即磁极或磁极对）形成磁路（磁通形成的闭合路径）。二、拾取工具当吸盘处于图（a）所示状态时，磁系形成的磁路不通过吸盘的工作极面，对工件没有产生吸力，达到释放工件的目的。当吸盘处于如图（b）所示状态时，磁系发生变化，形成的磁路通过吸盘的工作极面，对工件产生吸力，完成工件的拾取。（a）无吸力（a）有吸力三、快换装置较简单的方法便是用成对的可拆卸法兰盘状金属连接零件，作为快速连接和断开末端执行器与机器人手腕末端的机械接口，来完成装载和释放执行器的任务，这种接口就是机器人末端执行器快换装置。为了实现快速和自动更换末端执行器，接口的连接和断开一般采用气动控制、液压控制或电磁控制。三、快换装置如图所示，快换装置分为主接端口和被接端口两部分，其中：①为主端口（主盘），安装在机器人手腕末端法兰上。②为被接端口（工具盘），安装在末端执行器上。①②三、快换装置快换装置可在数秒内实现单一功能的末端执行器间的快速更换，节省完成指定任务的时间，提高生产效率。如图所示，在制造过程中，通过更换不同功能的末端执行器，完成工件的加工制造。三、快换装置国外对末端执行器快换装置的研究起步早，其中美国的ATI、AppliedRobotics、德国的Schunk、史陶比尔、瑞典的RSP（RobotSystemProducts）等，都是国外末端执行器快换装置品牌的代表。四、专用工具应用实例4.1激光跟踪激光（laser，又称镭射）是被激发出来的具有相同光学特性的光子队列，被人们称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。四、专用工具应用实例焊接机器人激光焊缝跟踪系统中将激光作为光源，结合视觉传感器与焊枪共同固定在焊接机器人的末端执行器上，使激光发生器和视觉传感器与焊枪同步移动，在焊接过程中同步跟踪焊缝。四、专用工具应用实例四、专用工具应用实例如图所示，为激光追踪焊缝的弧焊机器人工作示意图。激光焊缝跟踪焊接机器人，不仅能实时检测出加工误差、表面状态和装夹精度等引起的焊缝偏差，还能有效地消除热变形引起的偏差。四、专用工具应用实例4.2喷涂喷枪喷涂工艺是指涂料通过喷枪类工具，将借助压力和离心力分散成的细小且均匀的雾滴，均匀地施涂在被涂物体表面的加工方法。喷涂机器人将机器人技术与喷涂工艺相结合，将喷枪作为末端执行器，如图所示。四、专用工具应用实例空气喷涂机器人的喷枪一般由空气帽、喷嘴、涂料入口、枪体、涂料调节旋钮和空气入口等部分组成，如图所示。四、专用工具应用实例无气喷涂技术通常使用高压柱塞泵、隔膜泵等对涂料直接加压，高压涂料经高压软管输送至无气喷枪，由于喷嘴的特殊设计，当带有高压涂料从喷嘴高速喷出时，释放液压并与大气产生摩擦，产生剧烈膨胀，使涂料雾化并喷到工件表面上形成涂膜。四、专用工具应用实例静电喷涂，就是使雾化了的涂料微粒在直流高压电场中带上负电荷，再在静电场的作用下，定向地飞向带正电荷的被喷涂表面，形成涂膜的方法。静电喷枪如图所示。四、专用工具应用实例4.3钻孔与切割钻孔是指用钻头在零件上加工出所需孔径大小的孔。钻孔加工可由镗、铣等机床完成，也可由人工利用钻床和钻孔工具（如钻头、铰刀等）完成。四、专用工具应用实例将机器人用于切割加工中时，需先根据加工材料确定切割方法，然后选用合适的末端执行器。激光切割机器人可实现自主化切割，相较于数控切割机，除了能保证切割质量外，还更为灵活，更适合柔性生产。四、专用工具应用实例4.4搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊是一种利用摩擦热与塑性变形热作为热源的焊接方法。搅拌摩擦焊的焊接头，由搅拌头、搅拌肩和夹持部分组成。四、专用工具应用实例在搅拌摩擦焊的焊接过程中，焊接头高速旋转，搅拌头（圆柱体或其他形状）伸入焊缝和焊接工件摩擦产热，在使连接部位熔化的同时，搅拌头和搅拌肩对材料进行搅拌以完成焊接。如图所示。搅拌摩擦焊不需要如焊条、焊丝、焊剂和保护气体等耗材，只对焊接头有损耗。四、专用工具应用实例如图所示，机器人搅拌摩擦焊技术亟待解决的关键问题，就是其末端执行器——焊接头的设计和制造。四、专用工具应用实例4.5力控制装配工业机器人在实际生产中应用中，可用来实现零部件的精准装配。这类用于装配的机器人，其末端执行器需要能对力有精确的控制。四、专用工具应用实例为了实现末端执行器上力的控制，工业机器人在其末端执行器上安装力传感器，实现主动柔顺控制。以机器人拧紧螺钉的场景为例（如图所示），说明利用力控制进行装配的过程。四、专用工具应用实例力控制装配将机器人的刚性柔顺化，应用于精密零部件的装配，提高了装配效率的同时，减小了装配误差。有利于实现精准装配而不会造成零件因压迫和撞击带来的损坏。四、专用工具应用实例4.6柔性机械手机械结构的工业机器人末端执行器（如机械夹具），虽然也能代替人手完成搬运、装配等工作，但是对于鸡蛋、纸张等轻巧或易碎的物体，无法做到使用恰当精确的力进行拾取或搬运。四、专用工具应用实例柔性机械手能使用适当的力和姿态抓握、夹取、捏拿的关键在于：手指的感知能力和