工业机器人技术及应用-第2章

2020-02-27 248浏览

1.工业机器人技术及应用 —工业机器人的机械结构和运动控制主编：兰虎
2.章节目录 2.1 工业机器人的系统组成 2.1.1 操作机 2.1.2 控制器 2.1.3 示教器 2.2 工业机器人的技术指标学习目标导入案例课堂认知扩展与提高本章小结思考练习 2.3 工业机器人的运动控制 2.3.1 机器人运动学问题 2.3.2 机器人的点位运动 … 2.3.3 机器人的位置控制返回目录 1/30
3.课前回顾所处位置 ——— — 【课前回顾】 ü 何为工业机器人？ ü工业机器人具有几个显著特点，分别是什么？ ü工业机器人的常见分类有哪些，简述其行业应用。返回目录 2/30
4.学习目标所处位置 ——— — 【学习目标】 Ø 熟悉工业机器人的常见技术指标 Ø能够正确识别工业机器人的基本组成 Ø 掌握工业机器人的机构组成及各部分的功能 Ø能够正确判别工业机器人的点位运动和连续路径运动 Ø了解工业机器人的运动控制认知目标能力目标返回目录 3/30
5.导入案例所处位置 ——— — 【导入案例】国产机器人竞争力缺失关键技术是瓶颈众所周知，中国机器人产业由于先天因素，在单体与核心零部件仍然落后于日、美、韩等发达国家。虽然中国机器人产业经过 30 年的发展，形成了较为完善的产业基础，但与发达国家相比，仍存在较大差距，产业基础依然薄弱，关键零部件严重依赖进口。整个机器人产业链主要分为上游核心零部件（主要是机器人三大核心零部件 —— 伺服电机、减速器和控制系统，相当于机器人的“大脑”）、中游机器人本体（机器人的“身体”）和下游系统集成商（国内 95% 的企业都集中在这个环节上）三个层面。返回目录 4/30
6.2.1 工业机器人的系统组成所处位置 ——— — 【课堂认知】第一代工业机器人主要由以下几部分组成：操作机、控制器和示教器。对于第二代及第三代工业机器人还包括感知系统和分析决策系统，它们分别由传感器及软件实现。示教器是机器人的人机交互接口，操作者可通过它对机器人进行编程或手动操纵机器人移动。操作机控制器是完成机器人控制功能的结构实现，是决定机器人功能和水平的关键部分。用于完成各种作业任务的机械主体，主要包含机械臂、驱动装置、传动单元以及内部传感器等部分。工业机器人系统组成 5/30 返回目录
7.2.1 工业机器人的系统组成所处位置 ——— — 【课堂认知】 2.1.1 操作机操作机（或称机器人本体）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、传动单元及内部传感器等部分组成。腕关节小臂伺服电机减速器肘关节手腕大臂连接法兰皮带传动腰部肩关节腰关节基座 ▲ 机器人操作机的每个关节均采用 1 个交流伺服马达驱动关节型机器人操作机基本构造 6/30 返回目录
8.2.1 工业机器人的系统组成所处位置 ——— — 2.1.1 操作机机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰，可接装不同的机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。【课堂认知】夹紧爪吸盘焊枪返回目录 7/30
9.2.1 工业机器人的系统组成 2.1.1 操作机所处 (1) 机械臂位置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。实 ——— — 质上是一个拟人手臂的空间开链式机构，一端固定在基座上，另一端可自由运动，【课堂认知】由关节 - 连杆结构所构成的机械臂大体可分为基座、腰部、臂部（大臂和小臂）和手腕 4 部分。 1) 基座基座是机器人的基础部分，起支撑作用。 2) 腰部腰部是机器人手臂的支承部分。 3) 手臂手臂是连接机身和手腕的部分，是执行结构中的主要运动部件，亦称主轴，主要用于改变手腕和末端执行器的空间位置。 4) 手腕手腕是连接末端执行器和手臂的部分，亦称次轴，主要用于改变末端执行器的空间姿态。返回目录 8/30
10.2.1 工业机器人的系统组成所处位置 ——— — 【课堂认知】 2.1.1 操作机 (2) 驱动装置驱使工业机器人机械臂运动的机构。它按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作，相当于人的肌肉、筋络。机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种基本类型。目前，除个别运动精度不高、重负载或有防爆要求的机器人采用液压、气压驱动外，工业机器人大多采用电气驱动，而其中属交流伺服电机应用最广，且驱动器布置大都采用一个关节一个驱动器。返回目录 9/30
11.2.1 工业机器人的系统组成所处位置 ——— — 【课堂认知】 2.1.1 操作机 (2) 驱动装置特点驱动方式液压驱动气压驱动电气驱动三种驱动方式特点比较输出力控制性能维修使用结构体积维修方便，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使用范围压力高，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，冲击较严重，精确定位维修简单，能困难。气体压缩在高温、粉尘性大，阻尼效果等恶劣环境中差，低速不易控使用，泄露无制，不易与 CPU 连影响接体积较大中、小型机器人输出力较小或较大容易与 CPU 连接，控制性能好，响维修使用较复应快，可精确定杂位，但控制系统复杂需要减速装置，体积较小高性能、运动轨迹要求严格 10/30 制造成本中、小型及重型机器人液压元件成本较高，油路比较复杂结构简单，能源方便，成本低成本较高返回目录
12.2.1 工业机器人的系统组成 2.1.1 操作机所处 (3) 传动单元位置目前工业机器人广泛采用的机械传动单元是减速器，应用在关节型机器人上的 ——— — 减速器主要有两类： RV 减速器和谐波减速器。一般将 RV 减速器放置在基座、腰部【课堂认知】、大臂等重负载的位置 ( 主要用于 20kg 以上的机器人关节 ) ；将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部等轻负载的位置 ( 主要用于 20kg 以下的机器关节 ) 。此外，机器人还采用齿轮传动、链条（带）传动、直线运动单元等。谐波减速器 RV 减速器皮带传动机器人关节传动单元 11/30 返回目录
13.2.1 工业机器人的系统组成所处位置 ——— — 【课堂认知】 2.1.1 操作机 (3) 传动单元 1) 谐波减速器通常由 3 个基本构件组成，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有柔性滚动轴承的波发生器，在这 3 个基本结构中可任意固定一个，其余一个为主动件一个从动件。柔轮波发生器刚轮谐波减速器原理图 12/30 返回目录
14.2.1 工业机器人的系统组成所处位置 ——— — 【课堂认知】 2.1.1 操作机 (3) 传动单元 2) RV 减速器主要由太阳轮（中心轮）、行星轮、转臂（曲柄轴）、转臂轴承、摆线轮（ RV 齿轮）、针齿、刚性盘与输出盘等零部件组成。具有较高的疲劳强度和刚度以及较长的寿命，回差精度稳定，高精度机器人传动多采用 RV 减速器。针齿 2 级减速 1 级减速 Z2 Z1 行星轮太阳轮输入 Z4 输出 Z3 摆线轮转臂输出轴针齿壳 RV 减速器原理图 13/30 返回目录
15.2.1 工业机器人的系统组成 2.1.2 控制器所处位机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定动作或作业任务置 ———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 — 【课堂认知】快的部分，其基本功能有：示教功能、记忆功能、位置伺服功能、坐标设定功能、与外围设备联系功能、传感器接口、故障诊断安全保护功能等。依据控制系统的开放程度，机器人控制器分 3 类：封闭型、开放型和混合型。目前基本上都是封闭型系统（如日系机器人）或混合型系统（如欧系机器人）。按计算机结构、控制方式和控制算法的处理方法，机器人控制器又可分为集中式控制和分布式控制两种方式。返回目录 14/30
16.2.1 工业机器人的系统组成 2.1.2 控制器所处 (1) 集中式控制器位置优点：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。 — 【课堂认知】缺点：系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面广，后果严重；大量数据计算，会降低系统实时性，系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；系统连线复杂，会降低系统的可靠性。运动接口卡 1 机器人控制计算机驱动器 1 机器人关节 1 运动接口卡 2 驱动器 2 机器人关节 2 … … … 运动接口卡 n 驱动器 n 机器人关节 n 多轴运动控制卡 1 机器人控制计算机 a) 单独接口卡驱动集中式机器人控制器结构 15/30 多轴运动控制卡 2 驱动器 1 机器人关节 1 驱动器 2 机器人关节 2 … … 驱动器 n 机器人关节 n 驱动器 n +1 机器人关节 n +1 驱动器 n +2 机器人关节 n +2 b) 多轴运动控制卡驱动返回目录
17.2.1 工业机器人的系统组成 2.1.2 控制器所处 (2) 分布式控制器位置主要思想为“分散控制，集中管理”，为一个开放、实时、精确的机器人控 ——— 制系统。分布式系统中常采用两级控制方式，由上位机和下位机组成。 — 【课堂认知】优点：系统灵活性好，控制系统的危险性降低，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。关节控制器 1 （下位机）关节控制器 2 （下位机）通讯总线机器人主控制器（上位机） … 关节控制器 n （下位机）驱动器 1 机器人关节 1 驱动器 2 机器人关节 2 … … 驱动器 n 机器人关节 n 分布式机器人控制器结构 16/30 返回目录
18.2.1 工业机器人的系统组成 2.1.3 示教器所处亦称示教编程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按键组成。可由操作者手位置持移动。它是机器人的人机交互接口，机器人的所有操作基本上都是通过它来完 ——— 成的。示教器实质上就是一个专用的智能终端。 — 控制器【课堂认知】相关模块 ? ? S4 示教器 S5 S0 S5 串口通信模块相关模块 S3 S2 S2 S1 指令解 S2 S2 释模块 ? ? S4 操作机相关模块 S3 相关模块示教时的数据流关系 17/30 返回目录
19.2.2 工业机器人的技术指标所处位置 ——— — 【课堂认知】机器人的技术指标反映机器人的适用范围和工作性能。一般都有：自由度、工作空间、额定负载、最大工作度速和工作精度等。自由度物体能够对坐标系进行独立运动的数目，末端执行器的动作不包括在内。通常作为机器人的技术指标，反映机器人动作的灵活性，可用轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示，目前，焊接和涂装作业机器人多为 6 或 7 自由度，而搬运、码垛和装配机器人多为 4~6 自由度。额定负载也称持重。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，目前，使用的工业机器人负载范围可从 0.5kg 直至 800kg 。工作精度机器人的工作精度主要指定位精度和重复定位精度。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，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。返回目录 18/30
20.2.2 工业机器人的技术指标所处位置 ——— — 【课堂认知】工业机器人典型行业应用的工作精度额定负载（ kg ）作业任务重复定位精度（ 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 2~5 ± 0.02~ ± 0.03 6~10 ± 0.06~ ± 0.08 10~20 ± 0.06~ ± 0.1 装配工作空间也称工作范围、工作行程。工业机器人执行任务时，其手腕参考点所能掠过的空间，常用图形表示。目前，单体工业机器人本体的工作范围可达 3.5 m 左右。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。返回这在生产中是影响生产效率的重要指标。目录 19/30
21.2.2 工业机器人的技术指标所处位置 ——— — 【课堂认知】 b) 水平串联多关节机器人 MOTOMAN MPP3S a) 垂直串联多关节机器人 MOTOMAN MH3F c) 并联多关节机器人 MOTOMAN MYS650L 不同本体结构 YASKAWA 机器人工作范围 20/30 返回目录
22.2.3 工业机器人的运动控制 2.3.1 机器人运动学问题所处工业机器人操作机可看作是一个开链式多连杆机构，始端连杆就是机器人的位置基座，末端连杆与工具相连，相邻连杆之间用一个关节（轴）连接在一起。 ——— 对于一个 6 自由度工业机器人，它由 6 个连杆和 6 个关节（轴）组成。编号时， — 【课堂认知】基座称为连杆 0 ，不包含在这 6 个连杆内，连杆 1 与基座由关节 1 相连，连杆 2 通过关节 2 与连杆 1 相连，依此类推。连杆 4 连杆 6 连杆 5 关节 6 关节 5 连杆 3 关节 4 关节 3 连杆 2 关节 2 连杆 1 关节 1 a) 实物图 b) 机构简图工业机器人操作机 21/30 连杆 0 返回目录
23.2.3 工业机器人的运动控制 2.3.1 机器人运动学问题所处 (1) 运动学正问题对给定的机器人操作机，己知各关节角矢量，求末端执行器相位置对于参考坐标系的位姿，称之为正向运动学（运动学正解或 Where 问题），机器人 ——— 示教时，机器人控制器即逐点进行运动学正解运算。 — 【课堂认知】 (2) 运动学逆问题对给定的机器人操作机，已知末端执行器在参考坐标系中的初始位姿和目标（期望）位姿，求各关节角矢量，称之为逆向运动学（运动学逆解或 How 问题），机器人再现时，机器人控制器即逐点进行运动学逆解运算，并将矢量分解到操作机各关节。 Where is my hand? How do I put my hand here? 运动学正问题（示教）运动学逆问题（再现） 22/30 返回目录
24.2.3 工业机器人的运动控制所处位置 ——— — 【课堂认知】 2.3.2 机器人的点位运动和连续路径运动 (1) 点位运动（ Point to Point, PTP ） PTP 运动只关心机器人末端执行器运动的起点和目标点位姿，不关心这两点之间的运动轨迹。 (2) 连续路径运动（ Continuous Path, CP ） CP 运动不仅关心机器人末端执行器达到目标点的精度，而且必须保证机器人能沿所期望的轨迹在一定精度范围内重复运动。 Z Y X ①② A E ③ D B C 工业机器人 PTP 运动和 CP 运动 23/30 返回目录
25.2.3 工业机器人的运动控制 2.3.2 机器人的点位运动和连续路径运动所机器人 CP 运动的实现是以点到点运动为基础，通过在相邻两点之间采用满处位足精度要求的直线或圆弧轨迹插补运算即可实现轨迹的连续化。机器人再现时置 ———主控制器（上位机从）存储器中逐点取出各示教点空间位姿坐标值，通过对其进 — 行直线或圆弧或插补运算，生成相应路径规划，然后把各插补点的位姿坐标值通【课堂认知】过运动学逆解运算转换成关节角度值，分送机器人各关节或关节控制器（下位机）。机器人主控制器关节控制器 1 （下位机）（上位机）轨迹示教点位姿机器人关节中间位姿直线 / 圆弧插补关节控制器 2 （下位机）角度值 θ i 运动学逆问题 … 关节控制器 n （下位机）工业机器人的连续路径运动 24/30 返回目录
26.2.3 工业机器人的运动控制所处位置 ——— — 【课堂认知】 2.3.3 机器人的位置控制实现机器人的位置控制是工业机器人的基本控制任务。关节控制器（下位机）是执行计算机，负责伺服电机的闭环控制及实现所有关节的动作协调。关节控制器位置调节器给定 + 位置 - 速度调节器 + 转矩调节器功率放大 + - M - 期望位置电流反馈光电码盘位置反馈速度反馈工业机器人的位置控制返回目录 25/30
27.运动控制电机及驱动所处有位置 ——— — 【扩展与提高】机器人的核心技术是运动控制技术，目前工业机器人采用的电气驱动主要步进电动机和伺服电动机两类。 1 ．步进电动机系统步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制精密驱动元件，分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机三种，其中混合式步进电机的应用最为广泛，是一种精度高、控制简单、成本低廉的驱动方案。步进电机与步进驱动器 26/30 返回目录
28.运动控制电机及驱动 2 ．伺服电动机系统所处伺服电机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电机位置轴上的角位移或角速度输出，可分为直流和交流伺服电机两大类。 ——— 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。 — 【扩展与提高】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适应于高速大力矩工作状态； ⑤同功率下有较小的体积和重量。伺服电机与伺服驱动器 27/30 返回目录
29.本章小结所处位置 ——— — 【本章小结】工业机器人的机械结构部分称为操作机。通常用自由度、工作空间、额定负载、定位精度、重复定位精度和最大工作速度等技术指标来表征工业机器人操作机的性能。工业机器人通常由操作机、控制器和示教器三部分组成。操作机是机器人赖以完成各种作业的主体部分，一般由机械臂、驱动 - 传动装置以及内部传感器等组成。控制器是完成机器人控制功能的结构实现，一般由控制计算机和伺服控制器组成。示教器是机器人的人机交互接口，主要由显示屏和按键组成。工业机器人的运动控制是指工业机器人的末端执行器从一点移动到另一点的过程中，常采用点位（ PTP ）控制和连续路径（ CP ）控制两种方式。返回目录 28/30
30.思考练习 1 、填空所 (1) ______ 通常作为机器人的技术指标，反映了机器人动作的灵活性，可处位用轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示。置 (2) 工业机器人主要由 ________ 、 _______ 和 _______ 组成。下图中 1 表 ——— — _______ 示； 2 表示 _______ ； 3 表示 _______ 和 4 表示【思考练习】 _______ 。 1 2 3 4 题2图 (3) 工业机器人的运动控制主要是实现 _____ 和 _____ 两种。当机器人进行 ______ 运动控制时，末端执行器既要保证运动的起点和目标点位姿，而且必须保证机器人能沿所期望的轨迹在一定精度范围内运动。 (4) 对给定的机器人操作机，己知各关节角矢量，求末端执行器相对于参考坐标系的位姿，称之为 _____ 运动学。 29/30 返回目录
31.思考练习 2 、选择所处位置 ——— — 【思考练习】 (1) 操作机是工业机器人的机械主体，是用于完成各种作业的执行机构。它主要哪几部分组成？（） ①机械臂；②驱动装置；③传动单元；④内部传感器 A. ①② B. ①②③ C. ①③ D. ①②③④ (2) 示教器也称示教编程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按键组成，可由操作者手持移动。它是机器人的人机交互接口，试问以下哪些机器人操作可通过示教器来完成？（）。 ①点动机器人；②编写、测试和运行机器人程序；③设定机器人参数；④查阅机器人状态 A. ①② B. ①②③ C. ①③ D. ①②③④ 3 、判断 (1) 机器人手臂是连接机身和手腕的部分。它是执行结构中的主要运动部件，主要用于改变手腕和末端执行器的空间位置，满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到机座。（） (2) 除个别运动精度不高、重负载或有防爆要求的机器人采用液压、气压驱动外，工业机器人目前大多采用交流伺服电机驱动。（） (3) 工业机器人的腕部传动多采用 RV 减速器，臂部则采用谐波减速器。（）返回目录 30/30
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