工业机器人基础知识及应用培训PPT课培训方案【91页PPT】

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工业机器人基础知识 1 2 3 4 5 6 7 8 • 工业机器人意义与定义 • 工业机器人分类 • 工业机器人组成和性能参数 • 工业机器人的结构 • 工业机器人控制技术 • 工业机器人传感系统 • 工业机器人的应用 • 工业机器人发展方向 1 、工业机器人意义与定义  为什么要用机器人？  有些工作对人体有伤害，如 喷漆，重物搬运；  有些产品要求极高的质量， 如焊接、精密装配；  有些工作人难以参与，如核 燃料加注、高温熔炉；  有些工作枯燥乏味，如流水 生产线。。。 提高效率 降低成本 1 、工业机器人意义与定义  什么是工业机器人？ 如何定义？ “ 工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编 程操作机。”——国际标准化组织， 1987 1 、工业机器人意义与定义 三大特征： （ 1 ）拟人功能：机器人是模仿人或动物肢体动作的机器，能像人那样使用工 具。因此，数控机床和汽车不是机器人； （ 2 ）可编程性：机器人具有智力或具有感觉与识别能力，可随工作环境变化 的需要而再编程。一般的电动玩具没有感觉和识别能力，不能再编程，因此 不能称为机器人； （ 3 ）通用性：一般机器人在执行不同作业任务时，具有较好的通用性。比如， 通过更换机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的任务。  什么是工业机器人？ 1 2 3 4 5 6 7 8 • 工业机器人意义与定义 • 工业机器人分类 • 工业机器人组成和性能参数 • 工业机器人的结构 • 工业机器人控制技术 • 工业机器人传感系统 • 工业机器人的应用 • 工业机器人发展方向 柱坐标系机器人 z R r 1 、手臂可伸缩（沿 r 方向）； 2 、滑动架（托板）可沿柱上下移动（ z 轴方向）； 3 、水平臂和滑动架组合件可作为基座上的一个 整体而旋转（绕 z 轴）。 一般旋转不允许旋转 360° ，因为有液压，电气 或气动联结机构或连线造成的约束。 2 、工业机器人的分类  根据机械结构（坐标形式）分类 2.1 串联机器人 • 柱坐标机器人 • 球坐标机器人 • 关节机器人 • 笛卡尔坐标机器人 2.2 并联机器人 1. 2. 3. 其臂可升出缩回（ r ）， 类似于可伸缩的望远镜套 筒； 在垂直面内绕轴回转（ φ ）； 在基座水平面内转动（ θ ）。 2 、工业机器人的分类 • 柱坐标机器人 • 球坐标机器人 • 关节机器人 • 笛卡尔坐标机器人 球坐标系机器人 A 纯球状 机械臂的上臂和前臂相连，该枢轴常称为肘关节，允许前臂 转动角度 α ；上臂与基座相连，与基座垂直的面内的运动可 绕此肩关节进行角度 φ ；而基座可自由转动，因而整个组合 件可在与基座平行的平面内移动角度 θ ，具有这类结构的机 器人的工作包络范围大体上是球状的。 优点：机械臂可以方便灵活的到达机器人基座附近的地方， 并越过其工作范围内的人和障碍物。 2 、工业机器人的分类 • 柱坐标机器人 • 球坐标机器人 • 关节机器人 • 笛卡尔坐标机器人 •B 平行四边形球状 用多重闭合的平行四边形的连杆机构 代替单一的刚性构件的上臂。 优点： • 允许关节驱动器位置靠近机器人的 基座或装在机器人的基座上，这就 意味着它们不是装在前臂或上臂之 内或之上，从而使臂的惯性机重量 大为减少，结果是采用同样大小的 执行器时它们所具有的承载能力就 比球体关节的机器人要大； • 机械刚度比其它大多数机械手大。 缺点：工作范围受到的限制较大。 2 、工业机器人的分类 2 、工业机器人的分类 运动学链系代替纯圆柱状机器人中 的单一轴部件。 这种机器人有精密且快速的优点， 但一般垂直作用范围有限（ Z 方向 ），通常 Z 轴运动用一简单的气缸 或步进电机控制，而其它轴则采用 较精巧的电气执行器（如伺服电机 ）。 z r1 r2 r3 腕的 横滚 2 、工业机器人的分类 •C 圆柱状 圆柱状关节机器人也称为 SCARA 机器人，这种结构用多重铰接开放 2 、工业机器人的分类 2 、工业机器人的分类 A 悬臂笛卡尔式 • 从支撑架伸出的长度有限， 刚性差，但其工作空间所受 约束较其它机器人所受的约 束少，故重复性和精度高； • 其坐标更近乎自然状态，故 编程容易； • 但有些运动形式，由于需要 大量计算，此结构可能较难 完成，如方向与任何轴都不 平行的直线轨迹。 x z 腕的俯仰 腕的偏摆 腕的偏摆 腕的横滚 腕的横滚 2 、工业机器人的分类 • 柱坐标机器人 • 球坐标机器人 • 关节机器人 • 笛卡尔坐标机器人 ( 直角坐标 ) y 2 、工业机器人的分类 B 门形笛卡尔式（桁架机器人） 一般在需要精确移动以及负载较大 的时候使用，这类机器人常常安在 顶板（天花板）上。 2 、工业机器人的分类 2 、工业机器人的分类 并联机器人可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链 相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一 种闭环机器人。 优点： • 无累积误差，精度高； • 驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重 量轻，速度高，动态响应好； • 结构紧凑，刚度高，承载能力大； • 完全对称的并联机构具有较好的各向同性。 缺点： • 工作空间较小。 2 、工业机器人的分类 2.2 并联机器人 6 自由度并联机构 3/4 自由度并联机构 2 自由度并联机构 2 、工业机器人的分类 2.2 并联机器人 从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动 机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动 机构。 按并联机构的自由度数分类： 3 自由度并联机构 并联机器人上下料 并联机器人分拣 并联机器人装配 6 自由度并联机构 1 2 3 4 5 6 7 8 • 工业机器人意义与定义 • 工业机器人分类 • 工业机器人组成和性能参数 • 工业机器人的结构 • 工业机器人控制技术 • 工业机器人传感系统 • 工业机器人的应用 • 工业机器人发展方向 执行机构 控制系统 驱动系统（液压缸、电机等） 检测系统 工 业 机 器 人 3 、工业机器人的组成和性能参数 3.1 工业机器人的组成 控制系统 驱动系统 执行机构 操作对象 各组成部分关系 检测系统 执行机构也称操作机，使机器人赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。从 功能角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部（立柱）和基座等。 手部：又称末端执行器，是工业机器人直接进行工作的部分，其作用是直接抓取和放置 物件。可以是各种手持器。 腕部：是连接手部和臂部的部件。其作用是调整或改变手部的姿态，是操作机中结构最 复杂的部分。 臂部：又称手臂，用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆（大臂和小臂）组成，用以带 动腕部运动。 腰部：又称立柱，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部运动，与臂部运动结合，把腕 部传递到需到的工作位置。 基座（行走机构）：基座是机器人的支持部分，有固定式和移动式两种，该部件必须具 有足够的刚度、强度和稳定性。 3 、工业机器人的组成和性能参数 3.1 工业机器人的组成 A 执行机构  包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与执行机构连成 机器人本体。  传动机构常用的有：谐波减速器、滚珠丝杆、链、带以及 各种齿轮系。  驱动器通常有： • 电机驱动：直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机。 • 液压驱动； • 气动驱动。 3 、工业机器人的组成和性能参数 3.1 工业机器人的组成 B 驱动系统  通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求 进行工作。  一般由控制计算机和伺服控制器组成。  控制计算机发出指令，协调各关节驱动之间的运动， 同时还要完成编程、示教 / 再现，以及和其他环境状态 （传感器信息）、工艺要求，外部相关设备（如电焊 机）之间的信息传递和协调工作。  伺服控制各个关节驱动器，使各杆按一定的速度、加 速度、和位置要求进行运动。 C 控制系统 3 、工业机器人的组成和性能参数 3.1 工业机器人的组成 检测系统的作用就是通过各种检测器、 传感器、检测执行机构的运动状况，根据需要 反馈给控制系统，与设定值进行比较后对执行 机构进行调整以保证其动作符合设计要求。 3 、工业机器人的组成和性能参数 3.1 工业机器人的组成 D 检测系统 性能参数 工作空间 精度 / 重复定位精度 最大工作速度 其它动态特性 3 、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数 自由度数 负载能力 端操作器）的开合自由度。 C 2 3 1 2 3 1 4 5 要定位的 旋转钻头 要定位 的球体 (b) (a) 冗余度机器人： 从运动学的观点看，在完成某一 特定作业时具有多余自由度的机 器人，就叫做冗余自由度机器人， 亦可简称冗余度机器人。 3 、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数 A 自由度 自由度英文名称为 Degree of freedom ，缩写为 DOF 。 机器人自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪（末 3 、工业机器人的组成和性能参数 例如： 机器人去执行印刷电路板 上接插电子器件的作业时 就成为冗余度机器人。 利用冗余的自由度可以增 加机器人的灵活性，躲避 障碍物和改善动力性能。 3 、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数  定位精度是指机器 人手部实际到达位 机器人重复定位其 手部至同一目标位 置的能力，可以用 标准偏差这个统计 量来表示，它是衡 量一列误差值的密 集度，即重复度， 置与目标位置之间 的差异。 A  重复定位精度是指 h h B h B O O B (b) (c) (d) （ a ）重复定位精度的测定；（ b ）合理定位精度，良好重复定位精度； （ c ）良好定位精度，很差重复定位精度；（ d ）很差定位精度，良好重 复定位精度 3 、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数 B 定位精度 / 重复定位精度 工作范围是指机器人手臂末端或 手腕中心所能到达的所有点的集 合，也叫做工作区域。 工作范围的形状和大小是十分重 要的，机器人在执行某作业时可 能会因为存在手部不能到达的作 业死区而不能完成任务。 3 、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数 C 工作范围  有的厂家指工业机器人主要自由度上最大 的稳定速度，有的厂家指手臂末端最大的 合成速度，通常都在技术参数中加以说明。  工作速度愈高，工作效率愈高。  工作速度愈高就要花费更多的时间去升速 或降速，或者对工业机器人的最大加速度 率或最大减速度率的要求更高。 3 、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数 D 最大工作速度  承载能力是指机器人在工作范 围内的任何位置上所能承受的 最大质量。  承载能力不仅决定于负载的质 量，而且还与机器人运行的速 度和加速度的大小和方向有关。  为了安全起见，承载能力这一 技术指标是指高速运行时的承 载能力。  通常，承载能力包含了机器人 末端操作器的质量。 3 、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数 E 最大承载能力（负载） 根据承载能力的不同，可将机器人分为： ① 微型机器人，提取重力在 10 N 以下； ② 小型机器人， 提取重力为 10 ～ 50 N ； ③ 中型机器人， 提取重力为 50 ～ 300 N ； ④ 大型机器人， 提取重力为 300 ～ 500 N ； ⑤ 重型机器人，提取重力在 500N 以上。 1 2 3 4 5 6 7 8 • 工业机器人意义与定义 • 工业机器人分类 • 工业机器人组成和性能参数 • 工业机器人的结构 • 工业机器人控制技术 • 工业机器人传感系统 • 工业机器人的应用 • 工业机器人发展方向 4 、工业机器人的结构 工业机器人的机械部分主要由末端执行器、手腕、手臂和机座组成。 末端执行器 手腕 手臂 机座 机 械 部 分 工 业 机 器 人 末端执行器是机器人直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或夹持专用工 具（如喷枪、扳手、焊接工具）进行操作的部件，它具有模仿人手动作 的功能，并安装于机器人手臂的前端。 末端执行器大致可分为以下几类： • A 夹钳式取料手； • B 吸附式取料手； • C 专用操作器及转换器。 4 、工业机器人的结构 4.1 机器人末端执行器 23 75 簧片 夹爪 线圈 D (b) (c) 4 3 2 1 6 (a) 弹性力手爪 指 连杆圆弧平动式手爪 4 、工业机器人的结构 A 夹钳式取料手 R 导轨 十字头 中间连杆 指尖点 平行连杆 齿轮齿条摆动式手爪 10 5  气吸附式取料手是利用吸盘内 的压力和大气压之间的压力差 而工作的。  按形成压力差的方法，可分为 真空吸附、气流负压气吸、挤 压排气负压气吸式几种。 5 6 4 3 2 1 1- 橡胶吸盘； 2- 固定环； 3- 垫片 4- 支承杆； 5- 螺母； 6- 基板 4 、工业机器人的结构 B 吸附式取料手 气吸附 电后产生的电磁吸力取料，因此 只能对铁磁物体起作用，另外， 对某些不允许有剩磁的零件要禁 止使用，所以，磁吸附取料手的 使用有一定的局限性。 F S N N S 1 2 3 IO 1 2 3 δ （ a ） （ b ） 1- 线圈； 2- 铁心； - 衔铁 电磁铁工作原理 磁吸附 4 、工业机器人的结构 磁吸附式取料手是利用电磁铁通 各种专用末端操作器和电磁吸盘式换接器 4 、工业机器人的结构 C 专用操作器及换接器 专用末端操作器 1- 末端操作器库； 2- 操作器过渡法兰； 3- 位置指示灯； 4- 换接器气路； 5- 联接法兰； 6- 过渡法兰； 7- 换接器； 8- 换接器配合端； 9- 末端操作器 • 具有一定的换接精度。 4 、工业机器人的结构 C 专用操作器及换接器 换接器 由两部分组成： 换接器插座和换接器插头 专用末端操作器换接器的要求主要有： • 同时具备气源 ，电源及信号的快速联接与 切换； • 能承受末端操作器的工作载荷； • 在失电、失气情况下，机器人停止工作时不 会自行脱离； （ b ）棱柱形 (a) (b) （ a ）棱锥型 多工位末端操作器换接装置 4 、工业机器人的结构 多工位换接装置有棱锥型和棱柱型两种形式。 • 棱锥型换接装置可保证手爪轴线和手腕轴线一致，受 力较合理，但其传动机构较为复杂； • 棱柱型换接器传动机构较为简单，但其手爪轴线和手 腕轴线不能保持一致，受力不良。 腕 爪 手 Ɵ1 腕 手腕是连接末端执行器和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的 方位，因而它具有独立的自由度，以使机器人末端执行器适应复杂的 动作要求。 （ 1 ）臂转 绕小臂轴线方向的旋转称臂转。 （ 2 ）腕摆 使末端执行器相对于手臂进行的摆动称腕摆。 （ 3 ）手转 使末端执行器（手部）绕自身轴线方向的旋转称手转。 4 、工业机器人的结构 4.2 机器人手腕 Z w 机座的立柱实现的，立柱的 横向移动即为手臂的横移。 手臂不仅仅承受被抓取工件 的重量，而且承受末端执行 器、手腕和手臂自身的重量。 (a) (b) (c) (d) （ a ）、（ b ）单臂式 （ c ） 双臂式 （ d ）悬 挂式手臂直线运动机构 4 、工业机器人的结构 4.3 机器人手臂 一般机器人的手臂有 3 个自由 度，即手臂的伸缩，左右回 转和升降（或俯仰）运动。 手臂回转和升降运动是通过 机座直接联接在地面 基础上，也可固定在 机身上。 4 、工业机器人的结构 4.4 机器人机座 固定式机器人 行走部机构按其运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。 • 固定轨迹式：行走机构主要用于工业机器人，如横梁式机器人。 • 无固定轨迹式：行走部按其行走机构的结构特点分为轮式行走部，履 带式行走部和关节式行走部。 4 、工业机器人的结构 4.4 机器人机座 行走式机器人 固定轨迹式 无固定轨迹式 1 2 3 4 5 6 7 8 • 工业机器人意义与定义 • 工业机器人分类 • 工业机器人组成和性能参数 • 工业机器人的结构 • 工业机器人控制技术 • 工业机器人传感系统 • 工业机器人的应用 • 工业机器人发展方向  工业机器人的控制与其机构运动学和动力学有密不可分的关系，因 而要使工业机器人的臂、腕及末端执行器等部位在空间具有准确无 误的位姿，就必须在不同的坐标系中描述它们，并且随着基准坐标 系的不同而要做适当的坐标变换，并且要经常求解运动学和动力学 问题。  描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，因此随 着工业机器人的运动及环境的改变，其参数也在改变。又因为工业 机器人往往具有多个自由度，所以引起其运动变化的变量不止一个， 而且各个变量之间一般都存在耦合问题，这就使得工业机器人的控 制系统不仅是一个非线性系统，而且是一个多变量系统。  对工业机器人的任一位姿都可以通过不同的方式和路径达到，因而 工业机器人的控制系统还必须解决优化的问题。 控制系统的特点： 5 、工业机器人的控制技术 控制方式（根据作业轨迹分）： • 点动控制方式 • 连续轨迹控制方式 5 、工业机器人的控制技术 控制系统的主要功能： 示教再现功能： 示教再现功能是指在执行新的任务之前，预先将作业的 操作过程示教给工业机器人，然后让工业机器人再现示 教的内容，以完成作业任务。 运动控制功能： 运动控制功能是指对工业机器人末端执行器的位姿、速 度、加速度等项的控制。 控制方式（根据编程方法分）： • 示教再现控制 • 离线编程控制 又称 CP 控制，其特点是连续地控制 工业机器人末端执行器在作业空间 中的位姿，要求其严格按照预定的 轨迹和速度在一定的精度要求内运 动，而且速度可控，轨迹光滑且运 动平稳，以完成作业任务。 2 3 4 1 1 2 4 5 （ a ）点位控制 （ b ）连续轨迹控制 5 、工业机器人的控制技术 点位控制  又称 PTP 控制，其特点是只控制工业机器人末端执行器在作业空间中某些 规定的