工业机器人技术及应用 课件 2 工业机器人的组成及性能

工业机器人技术及应用主讲人：机器人本体控制器示教器传感器末端执行器工业机器人的组成1工业机器人的组成工业机器人的组成机器人本体控制器示教器工业机器人是一种模拟人手臂、手腕和手的功能的机电一体化设备，可对物体运动的位置、速度和加速度进行精确控制，从而完成某一功能的生产作业要求。工业机器人的组成工业机器人的组成从细分领域看，工业机器人主要由控制系统、驱动系统、机械结构系统、机器人本体感知系统、外界环境感知系统和人机交互系统等六个子系统构成。如同人脑如同人四肢如同人感官工业机器人是一种可自由编程并受程序控制的操作机。机器人本体A机械臂

工业机器人本体是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构。它主要由机械臂、驱动装置、传动装置及内部传感器等部分组成。

关节型工业机器人的机械臂是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体。①基座②腰部④手腕③手臂

关节通常是移动关节和旋转关节，由4个独立旋转“关节”（腰关节、肩关节、肘关节和腕关节）串联而成。工业机器人的组成机器人本体B驱动装置液压驱动气压驱动电动驱动多采用交流伺服电动机，且大都采用一个关节轴一个驱动器布置。运动精度不高、重负载或有防爆要求工业机器人的组成气动驱动式焊接工业机器人液压驱动式工业机器人B驱动装置电动驱动式工业机器人驱动方式输出力控制性能维修使用结构体积使用范围液压驱动压力高，可获得大的输出力油液不可压缩、压力、流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制维修方便，液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火在输出力相同的情况下，体积比气压驱动方式小适于承载能力大(100kg以上)、惯量大以及在防爆环境下工作的机器人，如搬运/码垛机器人。气体压力低，输出力较小，如需输出力大时，其结构尺寸过大可高速运行，冲击较严重，精确定位困难。气体压缩性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易与CPU连接維修简单，能在高温、粉尘等恶劣环境中使用，泄漏无影响体积较大适于承载能力大(100kg以上)、惯量大以及在防爆环境下工作的机器人，如搬运/码垛机器人。气压驱动输出力较小或较大容易与CPU连接，控制性能好，响应快，可精确定位但控制系统复杂维修使用较复杂需要减速装置，体积较小高精度、高速度、高性能、运动轨迹要求严格的机器人电气驱动工业机器人的组成机器人本体C传动装置具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。RV减速器：一般将RV减速器放置在基座、腰部、大臂等重负载位置（主要用于20kg以上的机器人关节）；谐波减速器：将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部等轻负载（主要用于20kg以下的机器人关节）。①机器人关节减速器②齿轮、皮带传动工业机器人的组成（1）谐波齿轮减速器

1-波发生器2-柔轮3-刚轮波齿轮减速器的基本构造谐波齿轮传动有内齿的刚轮带有外齿的柔轮柔性滚动轴承的波发生器输入轴转动0°输入轴转动90°输入轴转动180°输入轴转动360°谐波齿轮减速器的工作原理C传动装置

具有高精度、高承载力等优点，由于使用的材料要少50%，其体积和重量至少减少1/3。工业机器人的组成1-行星轮2-太阳轮3-摆线轮4-曲柄5-销6-外壳RV摆线针轮减速器的基本构造输入轴转动0°输入轴转动180°输入轴转动360°RV摆线针轮减速器的工作原理（2）RV摆线针轮减速器

C传动装置RV传动具有较高的疲劳强度和刚度以及较长的寿命，而且回差精度稳定，不像谐波传动，随着使用时间的增长，运动精度就会显著降低，故高精度机器人传动多采用RV减速器，且有逐渐取代谐波减速器的趋势。工业机器人的组成控制器

机器人控制器是根据指令以及传感器信息控制机器人完成一定动作或作业任务的装置，是决定机器人功能和性能的主要因素，也是机器人系统中更新和发展最快的部分。它通过各种控制电路中硬件和软件的结合来操纵机器人，并协调机器人与周边设备的关系。IRC5紧凑型控制柜工业机器人的组成控制器IRC5控制器的内部构造1-操作面板2-电源模块3-主控制计算机4-轴控制计算机5-安全保护回路6-PLC模块7-操作机连接接口(盖板下面)8-伺服驱动模块(盖板下面)9-示教盒及用户连接端口

工业机器人一般使用整合型单柜控制器(如图)，其硬件包括电源供给单元、主控制计算机、轴控制计算机、伺服驱动单元以及支持多种现场总线技术的输入/输出连接端口等。IRC5控制器的两级分布式控制架构工业机器人的组成机器人本体与控制柜之间的连接工业机器人的组成示教器

示教器（FlexPendant）也称示教编程器或示教盒，由硬件和软件组成，其本身就是一成套完整的计算机，通过集成电缆和连接器与控制器连接。作为机器人的人机交互接口，工业机器人的手动控制、程序编辑、参数修改以及状态监视等操作基本都是通过示教器来完成。工业机器人的组成传感器又称本体感受传感器，用于测量机器人内部状态的机器人传感器，以满足机器人本体的运动特性及精度要求，包括编码器、电位计、加速度计和陀螺仪等惯性传感器。又称外感受传感器，指第二代和第三代工业机器人系统中用于测量机器人所处环境状态或机器人与环境交互状态的机器人传感器，包括视觉传感器、距离传感器、力/触觉传感器、声音传感器等。视觉传感器力/触觉传感器外部状态传感器①内部状态传感器(InnerStateSensor)②外部状态传感器(ExternalStateSensor)工业机器人的组成末端执行器

工业机器人在制造领域的推广应用实则是标准设备融入非标设备的过程，这需要解决机器人与工艺设备、工装夹具、物料输送装置等周边设备的集成与通讯控制，以及系统的功能分布和任务并行等。工业机器人的组成末端执行器以末端执行器的集成为例，按用途划分，机器人末端执行器可分为搬运类、加工类和测量类三种(如图)。末端执行器搬运类加工类测量类用途指各种夹持装置(习惯上称为夹持器)，用于抓取(托举或吸附)、运输、放置工件以及其它物料等。指机器人携带焊/割枪(炬)、喷枪、砂轮、铣刀等工具，用于多样性的成形加工和表面处理等。指的是机器人携带一套(或多套)传感器(接触式、非接触式传感器)进行产品定位、尺寸测量、缺陷评定等。实例图

工业机器人的组成

如图是由德国Binzel研制的焊接机器人枪颈自动更换系统ATS-Rotor，类似加工中心的刀库，该系统配置有5个可更换枪颈(可使用不同熔焊枪颈备件)。焊接机器人枪颈更换装置ATS-Rotor工业机器人的组成技术指标运动分析运动控制工业机器人的性能2工业机器人的技术指标工业机器人的技术指标反映了工业机器人的使用范围和工作性能，是选择和使用机器人必须考虑的因素。主要技术指标一般包括下列几项：自由度(轴数)、工作空间、额定负载、工作精度和最大工作速度。FANUCM-10iA机械结构6轴垂直多关节型最大速度J1210º/s最大负载10kgJ2190º/s工作半径1420mmJ3210º/s重复精度±0.08mmJ4400º/s安装方式落地式、倒置式J5400º/s本体质量130kgJ6600º/s动作范围J1340º动作范围J4380°J2250ºJ5380°J3445ºJ6720°工业机器人的性能YASKAWMA1400机械结构6轴垂直多关节型最大速度S轴220º/s最大负载6kgL轴220º/s工作半径1434mmU轴220º/s重复精度±0.08mmR轴410º/s安装方式落地式、倒置式B轴410º/s本体质量130k«T轴610º/s动作范围S轴-170°~+170°动作范围R轴-150°~+150°L轴-90°~+155°B轴-45°~+180°U轴-175°~+190°T轴-200°~+200°工业机器人的性能

ABBIRB1410机械结构6轴垂直多关节型最大速度轴1141º/s最大负载5kg轴2141º/s工作半径1450mm轴3141º/s重复精度±0.05mm轴4280º/s安装方式落地式、倒置式轴5280º/s本体质量170kg轴6280º/s动作范围轴1-170°~+170°动作范围轴4-150°~+150°轴2-70°~+70°轴5-115°~+115°轴3-65°~+70°轴6-300°~+300°工业机器人的性能

KUKAKR5arc机械结构6轴垂直多关节型最大速度A1154º/s最大负载5kgA2154º/s工作半径1411mmA3228º/s重复精度±0.04mmA4343º/s安装方式落地式、倒置式A5384º/s本体质量127kgA6721º/s动作范围A1±155°动作范围A4±350°A2-180°~+65°A5±130°A3-15°~+158°A6±350°工业机器人的性能①自由度(DegreeofFreedom,DOF)

机器人的自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括末端执行器的自由度，它是度量机器人动作灵活的尺度。

因每个关节运动副仅有一个自由度，所以机器人的自由度数就等于它的关节数。由于具有六个旋转关节的铰接并链式机器人从运动学上已被证明能以最小的结构尺寸获取最大的工作空间，并且能以较高的位置精度和最优的路径到达指定位置，因而关节机器人在工业领域得到广泛地应用。

目前，焊接和涂装作业机器人多为6或7个自由度，而搬运、码垛和装配机器人多为4～6个自由度。工业机器人的性能②工作空间(WorkingSpace)

也称工作范围或工作行程，指工业机器人执行任务时，机器人控制点(手腕参考点)所能掠过的空间，不包括末端执行器和工件运动时所能掠过的空间，通常用图形表示。

它是由手腕各关节平移或旋转的区域附加于该手腕参考点的，直接决定了机器人动作的可达性。ABBIRB1410工业机器人的工作范围工业机器人的性能类型工作空间示例直角坐标型、机械臂可沿三个直角坐标轴移动，其工作空间为长方体。圆柱坐标型机械臂可作回转、升降和伸缩动作，其工作空间近似圆柱体。球坐标型械臂能实现回转、俯仰和伸缩，其工作空间为球面的一部分。类型工作空间示例平面关节型械臂能实现多轴回转和一轴伸缩，其工作空间为复杂柱面的一部分。垂直关节型机械臂有多个转动关节，可模拟手臂的回转、俯仰、伸缩和手腕的转动、摆动、回转等动作，其工作空间近似一个球体。并联型工作空间不足半个球面，空间体积明显小于其它类型机器人。工业机器人的性能

也称持重，指正常操作条件下，作用于机器人手腕末端，且不会使机器人性能降低的最大载荷。目前，常用的工业机器人负载范围为0.5～800kg。

额定负载反映的是工业机器人的承载能力。承载能力是指机器人在作业范围内的任何位姿上所能承受的最大重量。承载能力不仅取决于负载的重量，而且与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。根据承载能力的不同，工业机器人大致分为：③额定负载(RatedLoad)

微型机器人——承载能力为1N以下小型机器人——承载能力不超过105N中型机器人——承载能力为105~106N大型机器人——承载能力为106~107N重型机器人——承载能力为107N以上工业机器人的性能机器人的工作精度主要指定位精度和重复定位精度。

④工作精度(WorkAccuracy)

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涂装5~20±0.2~±0.5装配2~5±0.02~±0.036~10±0.06~±0.0810~20±0.06~±0.1表

工业机器人典型应用的工作精度定位精度：也称绝对精度，是指机器人末端执行器实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度：简称重复精度，是指机器人重复定位其末端执行器于同一目标位置的能力。一般而言，工业机器人的绝对精度要比重复精度低一到两个数量级。目前，工业机器人的重复精度可达±0.01~±0.5mm，依据作业任务和末端持重不同，机器人重复精度亦不同。工业机器人的性能最大工作速度是指在各轴联动情况下，机器人手腕中心所能达到的最大线速度。这在生产中是影响生产效率的重要指标。最大工作速度越高，生产效率也就越高；然而，工作速度越高，对机器人最大加速度的要求也就越高。⑤最大工作速度(MaximumWorkVelocity)

工业机器人的性能工业机器人的运动分析机器人连杆与坐标系描述工业机器人本体及机构运动简图

机器人的机构设计通常采用具有刚性的连杆通过关节相互连接组成运动链，一般每个关节只具有一个自由度。工业机器人的性能机器人连杆与坐标系描述机器人数学模型连杆的表示两连杆之间关系的表示机器人连杆两连杆关系描述单连杆描述工业机器人的性能工业机器人运动学分析(1)运动学正解(F