《机械工程导论》-第7章

７.１工业机器人工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。７.１.１历史沿革已知最早的工业机器人，符合ＩＳＯ定义是由“条例”格里菲斯Ｐ·泰勒于１９３７年完成并出版的Ｍｅｃｃａｎｏ杂志，１９３８年３月，几乎完全是用吊车状装置建成的Ｍｅｃｃａｎｏ件和动力由单个电动机。运动五轴运动是可能的。自动化是用穿孔纸带通电螺线管，这将有利于起重机的控制杆的运动来实现的。该机器人可以在预先设定的图案上叠积木。下一页返回７.１工业机器人需要为每个所需的运动马达的转数，第一次绘制在坐标纸上。然后这个信息被转移到纸带上，从而也推动了机器人的单个马达。１９９７年，克里斯舒特建造的机器人的完整副本。７.１.２主要特点戴沃尔提出的工业机器人有以下特点:将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆机构连接在一起，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作，示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部记录在存储器内，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置，故这种机器人的主要技术功能被称为“可编程”和“示教再现”。上一页下一页返回７.１工业机器人１９６２年美国推出的一些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形主要由类似人的手和臂组成。后来，出现了具有视觉传感器的、能识别与定位的工业机器人系统。７.１.３组成结构工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成，如图７－１所示。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有３~６个运动自由度，其中腕部通常有１~３个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。上一页下一页返回７.１工业机器人工业机器人按臂部的运动形式分为四种:直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可做升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过ＲＳ２３２串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。上一页下一页返回７.１工业机器人示教输入型的示教方法有两种:一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中，在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。上一页下一页返回７.１工业机器人７.１.４发展前景１.中国的工业机器人我国工业机器人起步于１９７０年初期，经过２０多年的发展，大致经历了三个阶段:７０年代的萌芽期，８０年代的开发期和９０年代的适用化期。目以及伺服电动机、驱动及控制系统、精密减速机等配套的核心零部件项目。２.国外机器人在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。上一页下一页返回７.１工业机器人国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。机器人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。国际电气电子工程师协会ＩＥＥＥ的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了４个重点发展方向，机器人技术就是其中之一。７.１.５技术原理机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。上一页下一页返回７.１工业机器人工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。７.１.６机器人典型种类介绍１.移动机器人(ＡＧＶ)移动机器人(ＡＧＶ)是工业机器人的一种类型，它由计算机控制，具有移动、自动导航、多传感器控制、网络交互等功能，它可广泛应用于机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业的柔性搬运、传输等功能，也用于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配系统(以ＡＧＶ作为活动装配平台)上一页下一页返回７.１工业机器人同时可在车站、机场、邮局的物品分拣中作为运输工具。国际物流技术发展的新趋势之一，而移动机器人是其中的核心技术和设备，是用现代物流技术配合、支撑、改造、提升传统生产线，实现点对点自动存取的高架箱储、作业和搬运相结合，实现精细化、柔性化、信息化，缩短物流流程，降低物料损耗，减少占地面积，降低建设投资等的高新技术和装备。２.点焊机器人点焊机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点，焊接质量明显优于人工焊接，大大提高了点焊作业的生产率。上一页下一页返回７.１工业机器人３.弧焊机器人弧焊机器人主要应用于各类汽车零部件的焊接生产。在该领域，国际大型工业机器人生产企业主要以向成套装备供应商提供单元产品为主。４.激光加工机器人激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中，通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业。本系统通过示教盒进行在线操作，也可通过离线方式进行编程。该系统通过对加工工件的自动检测，产生加工件的模型，继而生成加工曲线，也可以利用ＣＡＤ数据直接加工。可用于工件的激光表面处理、打孔、焊接和模具修复等。上一页下一页返回７.１工业机器人５.真空机器人真空机器人是一种在真空环境下工作的机器人，主要应用于半导体工业中，实现晶圆在真空腔室内的传输。真空机器人难进口、受限制、用量大、通用性强，其成为制约了半导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件。而且国外对中国买家严加审查，归属于禁运产品目录，真空机器人已成为严重制约我国半导体设备整机装备制造的“卡脖子”问题。直驱型真空机器人技术属于原始创新技术。６.洁净机器人洁净机器人是一种在洁净环境中使用的工业机器人。随着生产技术水平不断提高，其对生产环境的要求也日益苛刻，很多现代工业产品生产都要求在洁净环境中进行，洁净机器人是洁净环境下生产需要的关键设备。上一页下一页返回７.１工业机器人７.１.７应用领域工业机器人的典型应用包括焊接、刷漆、组装、采集和放置(例如包装、码垛和ＳＭＴ)、产品检测和测试等；所有的工作的完成都具有高效性、持久性、速度和准确性。７.１.８发展方向工业机器人正向着智能化方向发展，而智能工业机器人将成为未来的技术制高点和经济增长点。要想跟上未来工业发展，工业机器人技术是先进制造技术的代表。首要任务是提高工业机器人的智能化技术。上一页下一页返回７.１工业机器人智能化技术可以提高机器人的工作能力和使用性能。智能化技术的发展将推动着机器人技术的进步，未来智能化水平将标志着机器人的水平，虽然目前还有很多问题需要解决，但随着科学技术的进步，会逐渐改进发展。未来的智能化方向不会改变，并且会将机器人产品拓展到更多行业，形成完备的系统。在现今我国人工利息不时上升的大环境下，工业机器人必将迅速发展，逐渐成为工厂自动化生产线的主要发展形势。上一页返回７.２３Ｄ打印技术３Ｄ打印，即快速成形技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。３Ｄ打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(ＡＥＣ)、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。下一页返回７.２３Ｄ打印技术７.２.１发展历史３Ｄ打印技术出现在２０世纪９０年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物，这种打印技术称为３Ｄ立体打印技术。１９８６年，ＣｈａｒｌｅｓＨｕｌｌ开发了第一台商业３Ｄ印刷机。１９９３年，麻省理工学院获３Ｄ印刷技术专利。１９９５年，美国ＺＣｏｒｐ公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发３Ｄ打印机。上一页下一页返回７.２３Ｄ打印技术２００５年，市场上首个高清晰彩色３Ｄ打印机ＳｐｅｃｔｒｕｍＺ５１０由ＺＣｏｒｐ公司研制成功。２０１０年１１月，世界上第一辆由３Ｄ打印机打印而成的汽车Ｕｒｂｅｅ问世，如图７－１０所示。２０１１年６月６日，发布了全球第一款３Ｄ打印的比基尼。２０１１年７月，英国研究人员开发出世界上第一台３Ｄ巧克力打印机。２０１１年８月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架３Ｄ打印的飞机。２０１２年１１月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用３Ｄ打印机打印出人造肝脏组织。上一页下一页返回７.２３Ｄ打印技术２０１３年１０月，全球首次成功拍卖一款名为“ＯＮＯ之神”的３Ｄ打印艺术品。２０１３年１１月，美国德克萨斯州奥斯汀的３Ｄ打印公司“固体概念”(ＳｏｌｉｄＣｏｎｃｅｐｔｓ)设计制造出３Ｄ打印金属手枪。上一页下一页返回７.２３Ｄ打印技术７.２.２技术原理日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而所谓的３Ｄ打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而３Ｄ打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，３Ｄ打印机是可以“打印”出真实的３Ｄ物体的一种设备，比如打印一个机器人、打印玩具车，打印各种模型，甚至是食物等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术称为３Ｄ立体打印技术。上一页下一页返回７.２３Ｄ打印技术７.２.３打印过程１.三维设计三维打印的设计过程是:先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是ＳＴＬ文件格式。一个ＳＴＬ文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。ＰＬＹ是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的ＶＲＭＬ或者ＷＲＬ文件经常被用作全彩打印的输入文件。上一页下一页返回７.２３Ｄ打印技术２.切片处理打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式黏合起来，从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。打印机打出的截面的厚度(即Ｚ方向)以及平面方向即Ｘ－Ｙ方向的分辨率是以ｄｐｉ(像素每英寸)或者微米来计算的。一般的厚度为１００μｍ，即０.１ｍｍ，也有部分打印机，如ＯｂｊｅｔＣｏｎｎｅｘ系列，还有三维ＳｙｓｔｅｍｓＰｒｏＪｅｔ系列可以打印出１６μｍ薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。上一页下一页