工业机器人技术第2章.ppt

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1、第二章第二章一、工业机器人组成与特点一、工业机器人组成与特点1.系统组成（系统组成（P17、图、图2-1-1）后述内容中，工业机器人简称后述内容中，工业机器人简称“机器人机器人”机电设备机电设备 =机械机械+电气电气vv 机械部分机械部分 本体本体（必需）（必需）又称操作机，实现机器人动作的又称操作机，实现机器人动作的执行机构执行机构；包括机械部件、驱动电机、传感器等包括机械部件、驱动电机、传感器等；由由关节关节（Joint）和）和连杆连杆（Link）连接而成；）连接而成；关节：可回转、摆动的间接连接机构（转动副）；关节：可回转、摆动的间接连接机构（转动副）；连杆：连接关节的刚性构件。连杆：连

2、接关节的刚性构件。执行器执行器（必需）（必需）用于作业的工具；用于作业的工具；安装在机器人末端关节上；安装在机器人末端关节上；可以根据需要更换。可以根据需要更换。变位器（可选）变位器（可选）扩大机器人作业范围（增加自由度）的扩大机器人作业范围（增加自由度）的辅助机构辅助机构；包括机械部件、驱动电机、传感器等包括机械部件、驱动电机、传感器等；有回转、直线两类，通常为有回转、直线两类，通常为14轴。轴。回转变位器回转变位器直线变位器直线变位器关节关节执行器执行器连杆连杆本体本体vv 电气部分电气部分电气部分电气部分 控制器控制器 功能与数控系统相同；功能与数控系统相同；产生机器人运动轨迹控制脉冲；

3、产生机器人运动轨迹控制脉冲；控制轴数较多（通常控制轴数较多（通常6轴）。轴）。操作单元操作单元 机器人的操作面板；又称示教器；机器人的操作面板；又称示教器；结构简单、采用手持式结构。结构简单、采用手持式结构。驱动器驱动器 将控制脉冲转换为电机转角；将控制脉冲转换为电机转角；多采用交流伺服驱动系统。多采用交流伺服驱动系统。控制器、驱动器安装在控制柜内控制器、驱动器安装在控制柜内示教器示教器控制柜控制柜2.2.基本特点基本特点vv 拟人拟人拟人拟人 结构形态类似人类；结构形态类似人类；部件称腰、手臂（上、下臂）、手腕（手腕、爪）；部件称腰、手臂（上、下臂）、手腕（手腕、爪）；传感器以视觉、听觉、触

4、觉为主（智能机器人）。传感器以视觉、听觉、触觉为主（智能机器人）。vv 柔性柔性柔性柔性 有完整、独立的控制系统；有完整、独立的控制系统；可通过编程来改变其动作和行为；可通过编程来改变其动作和行为；可安装不同的执行器，实现不同的应用。可安装不同的执行器，实现不同的应用。vv 通用通用通用通用 可通过程序改变动作；可通过程序改变动作；可通过执行器改变功能。可通过执行器改变功能。3.3.工业机器人工业机器人 PK 数控机床数控机床vv 相同点相同点相同点相同点 控制要求（轨迹控制）、控制系统结构相同；控制要求（轨迹控制）、控制系统结构相同；定义类似：可编程、可定位、多用途设备。定义类似：可编程、可

5、定位、多用途设备。vv 区别区别区别区别 作用作用 CNC机床：机床：工作母机，零件加工的必需设备；工作母机，零件加工的必需设备；IR：服务于机床、代替人工操作的辅助设备。服务于机床、代替人工操作的辅助设备。地位地位 CNC机床：机床：国民经济基础的基础；国民经济基础的基础；IR：自动化制造的配套设备。自动化制造的配套设备。价值价值 CNC机床：机床：占装备总价的占装备总价的85%以上，最高可达数亿；以上，最高可达数亿；IR：在装备总价的在装备总价的10%左右，最高为数十万。左右，最高为数十万。形态形态 CNC机床：机床：直线运动轴为主，回转、摆动为辅；直线运动轴为主，回转、摆动为辅；IR：回

6、转、摆动轴为主，直线运动为辅。回转、摆动轴为主，直线运动为辅。性能性能 CNC机床：机床：高精度轮廓加工，多为高精度轮廓加工，多为0.001mm级；级；IR：粗略轨迹运动，多为粗略轨迹运动，多为0.1mm级。级。控制控制 CNC机床：机床：一般一般5轴及以下，准确轮廓运动；轴及以下，准确轮廓运动；IR：一般一般6轴及以上，粗略轨迹运动。轴及以上，粗略轨迹运动。软件软件 CNC机床：机床：笛卡尔坐标运动为主，相对简单；笛卡尔坐标运动为主，相对简单；IR：多轴摆动空间合成运动，相当复杂。多轴摆动空间合成运动，相当复杂。结论：不在同一体量。结论：不在同一体量。4.工业机器人工业机器人 PK 机械手机

7、械手PLC机械手机械手机器人机器人控制系统控制系统vv 相同点相同点相同点相同点 作用相同，都是自动化制造的辅助设备；作用相同，都是自动化制造的辅助设备；定义类似：机器人定义类似：机器人=可编程的机械手。可编程的机械手。vv 区别区别区别区别 控制控制 机械手：机械手：由由CNC系统的系统的PLC控制，无独立控制系统；控制，无独立控制系统；IR：有独立的控制系统。有独立的控制系统。作用作用 机械手：机械手：单功能、固定用途和动作；单功能、固定用途和动作；IR：可操作、可编程，多功能、多用途。可操作、可编程，多功能、多用途。驱动驱动 机械手：机械手：PLC开关量控制，液压、气动系统为主；开关量控

8、制，液压、气动系统为主；IR：轨迹插补控制，必须用伺服驱动系统。轨迹插补控制，必须用伺服驱动系统。二、工业机器人结构形态二、工业机器人结构形态1.垂直串联（垂直串联（Vertical Articulated）vv 要点要点要点要点 最常见结构，最常见结构，1973年年KUKA研发；研发；关节沿垂直方向串联，数量关节沿垂直方向串联，数量5-7个；个；通用性好，可用于各种场合。通用性好，可用于各种场合。vv 关节名称关节名称关节名称关节名称S（或（或J1）：）：腰（腰（Swing）回转；）回转；L（或（或J2）：）：下臂（下臂（Lower Arm）摆动；）摆动；U（或（或J3）：）：上臂（上臂（U

9、pper Arm）摆动；）摆动；R（或（或J4）：）：腕回转（腕回转（Wrist Rolling ）；）；B（或（或J5）：）：腕摆动（腕摆动（Wrist Bending）；）；T（或（或J6）：）：手回转（手回转（Turning ）。）。关节数量可根据实际需要增减（如关节数量可根据实际需要增减（如5、7）。）。vv 名词说明名词说明名词说明名词说明 机身：机身：S/L/U（J1/J2/J3）轴，主要用于机器人作业工具）轴，主要用于机器人作业工具定位，称为定位，称为定位机构定位机构；手腕：手腕：R/B/T（J4/J5/J6）轴，主要用来调整作业工具方）轴，主要用来调整作业工具方向，称为向，称为

10、定向机构定向机构。回转（回转（Roll）：）：转动范围一般大于转动范围一般大于270；摆动（摆动（Bend）：）：转动范围一般小于等于转动范围一般小于等于270。2.水平串联（水平串联（Horizontal Articulated）vv 要点要点要点要点 典典 型型 结结 构构 为为 日日 本本 山山 梨梨 大大 学学 1978年年 研研 发发，称称SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm），关节以水平串联为主（关节以水平串联为主（23个），总数个），总数 4-5个；个；速度快，多用于轻载、平面作业（速度快，多用于轻载、平面作业（3C、食品、药

11、品）。、食品、药品）。Z3.并联（并联（Parallel）vv 要点要点要点要点 基基本本结结构构为为6连连杆杆运运动动，1965年年英英国国Stewart研研发发（简简称称Stewart平台平台）；）；简简化化结结构构为为3连连杆杆摆摆动动（常常用用），1985年年瑞瑞士士研研发发（简简称称 Delta结构结构）。）。Stewart平台平台Delta结构结构 Stewart平台至少平台至少6个直线升降轴、控制复杂，多用于重个直线升降轴、控制复杂，多用于重载搬运工业机器人，较少采用。载搬运工业机器人，较少采用。Delta机身为机身为3轴摆动结构、手腕安装在机身上，控制简轴摆动结构、手腕安装在机

12、身上，控制简单；一般采用倒挂式安装，多用于食品、药品行业的轻载单；一般采用倒挂式安装，多用于食品、药品行业的轻载包装（分拣）工业机器人；包装（分拣）工业机器人；练一练练一练：完成完成P35，练习一（，练习一（1）（6）视频视频 13：垂直串联、垂直串联、SCARA、Delta机器人工作过程机器人工作过程三、工业机器人的技术性能三、工业机器人的技术性能 参见参见P27、表、表2.3-1 主主要要参参数数：工工作作范范围围（作作业业空空间间）、承承载载能能力力、自自由由度、运动速度、定位精度。度、运动速度、定位精度。1.1.工作范围工作范围（Working Range）vv 要点要点要点要点 是工

13、业机器人是工业机器人TRP点点能够运动的区域。能够运动的区域。TRP：工工具具参参考考点点（Tool Reference Point），机机器器人工具安装的基准位置人工具安装的基准位置手腕工具安装法兰中心。手腕工具安装法兰中心。典型结构机器人的典型结构机器人的TRP点位置如下图：点位置如下图：TRP TRP TRP垂直串联垂直串联DeltaSCARA 通常场合可用通常场合可用“作业半径作业半径R”简单表示。简单表示。工作范围大多是工作范围大多是不规则形状不规则形状、不完整空间不完整空间。垂直串联结构（包括球坐标、圆柱坐标）的作业死区垂直串联结构（包括球坐标、圆柱坐标）的作业死区较大，称较大，称

14、“部分范围作业部分范围作业”机器人。机器人。R=740RR SCARA、Delta结构（以及直角坐标）结构（以及直角坐标）机器人的作机器人的作业死区较小，称业死区较小，称“全范围作业全范围作业”机器人。机器人。2.2.承载能力承载能力（Payload）vv 要点要点要点要点 机器人可承受的机器人可承受的最大负载最大负载（质量、转矩或切削力）；（质量、转矩或切削力）；实实际际承承载载能能力力与与负负载载的的重重心心位位置置有有关关，样样本本数数据据通通常常是是假设负载重心位于假设负载重心位于TRP点点时的最大理论值。时的最大理论值。承载能力承载能力6kg机器人的允许负载图：机器人的允许负载图：尺

15、寸基准尺寸基准 TRP负载重心负载重心ZL1003006kg1kg3.3.自由度自由度（Degree of Freedom）vv 要点要点要点要点 机机器器人人能能产产生生的的独独立立运运动动数数（相相对对于于地地面面），包包括括直直线、回转、摆动；线、回转、摆动；自由度实际就是机器人自由度实际就是机器人系统系统的的总控制轴数总控制轴数；自由度包括变位器运动，使用变位器可增加自由度；自由度包括变位器运动，使用变位器可增加自由度；自由度不包括执行器的运动（如刀具旋转等）自由度不包括执行器的运动（如刀具旋转等）；自由度越多，运动越灵活；自由度越多，运动越灵活；有有6个自由度，理论上可实现个自由度，

16、理论上可实现3维空间的任意运动；维空间的任意运动；自由度可用规定的符号表示。自由度可用规定的符号表示。见见P33、图、图2.3-6。4.4.速度与精度速度与精度 vv 要点要点要点要点 程序速度程序速度是机器人是机器人TCP点点相对与大地的运动速度；相对与大地的运动速度；TCP：工工具具控控制制点点（Tool Control Point），有有时时称称工工具具中中心心点点（Tool Center Point），是是机机器器人人作作业业位位置置和和运动控制目标点运动控制目标点；样样本本参参数数为为机机器器人人空空载载时时，各各关关节节所所能能达达到到的的最最大大回回转转速度的形式表示；速度的形式

17、表示；TCP速速度度（程程序序速速度度）是是所所有有参参与与运运动动的的关关节节轴轴的的速速度度合成值；合成值；速度反映机器人工作效率，速度越高、效率越高。速度反映机器人工作效率，速度越高、效率越高。精度以精度以TCP实际位置实际位置和理论位置的和理论位置的误差表示误差表示；通常以重复定位精度的形式表示；通常以重复定位精度的形式表示；测测量量标标准准与与CNC机机床床不不同同，即即使使数数值值相相同同，实实际际误误差差远大于远大于CNC机床机床；机器人不是高精度设备，机器人不是高精度设备，不能用于精密加工不能用于精密加工。练一练练一练：完成完成P35，练习一（，练习一（7）（10）；练习三。）；练习三。