工業(yè)機(jī)器人是一種獨立的,具有計算機(jī)控制系統(tǒng),可編程的,用以搬運物料,零件和工具或完成多種操作功能的自動化機(jī)械裝置。它的特點是工作范圍大,定位精度高,通用性強(qiáng),適用于中、小批量、多品種生產(chǎn)的自動化系統(tǒng)中。
工業(yè)機(jī)器人是由操作系統(tǒng)(手部、臀部、立柱或機(jī)身)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和位置檢測系統(tǒng)組成。
1. 搬運機(jī)器人的坐標(biāo)形式及規(guī)格參數(shù)
根據(jù)手臂三個動作自由度的不同運動組,機(jī)器人有四種運動坐標(biāo)形式。圖50-71所示是四種坐標(biāo)形式機(jī)器人的簡圖。
1) 直線坐標(biāo)式。如圖50-71a所示,手臂動作由三個直線運動x、y、z組成,若Lx、Ly、Lz、表示三個直線運動的最大2,其空間作業(yè)范圍為Lx×Ly×Lz的立方體(mm3)。
2) 圓柱坐標(biāo)式,如圖50-71b所示,手臂運動由兩個直線運動x、z和一個繞z軸的回轉(zhuǎn)運動組成,其空間作業(yè)范圍為空中圓柱體的一部分,可用下式表示:
3) 球坐標(biāo)式,如圖50-71c所示,手臂運動由直線運動x和兩個擾y、z的運動組成,其空間作業(yè)范圍為空心球體的一部分,可用下式表示:
4) 關(guān)節(jié)式,如圖50-71d所示,手臂運動由三個回轉(zhuǎn)運動組成,其空間作業(yè)范圍為多圓狐疊合球體。
工業(yè)機(jī)器人的運動坐標(biāo)形式及其特征見表50-17。
在選用工業(yè)機(jī)器人時應(yīng)注意以下規(guī)格和參數(shù):
1) 抓重。即機(jī)器人抓取物體允許的最大重量,是表明機(jī)器人負(fù)載能力的技術(shù)參數(shù)。
2) 工作行程,即機(jī)器人各動作自由度的最大工作行程,如直線運動的行程若Lx、Ly、Lz、回轉(zhuǎn)角度φ、θ等。
3) 運動速度
4) 定位精度。一般指取、放物料或運動軌道的重復(fù)精度。定位精度與2方式、構(gòu)件的精度、剛度、抓重及運動速度有關(guān),表50-18列舉了各種方法的定位精度及其特點。
50-17工業(yè)機(jī)器人的運動坐標(biāo)形式及其特征比較
坐標(biāo)形式 |
極限作業(yè)空間 |
慣性 |
定位精度 |
定向特征 |
直觀性 |
結(jié)構(gòu)特點 |
占地面積 |
應(yīng)用情況 |
特征及應(yīng)用范圍 |
大小 |
形狀 |
直角坐標(biāo)式 |
小 |
立方體 |
較大 |
容易控制 |
好 |
好 |
簡單 |
大 |
較多 |
適用于直移式機(jī)械手,架空方便,宜作直線傳送及長方體的作業(yè)空間采用,能抓取地面上的工件并保持工件原方位 |
圓柱坐標(biāo)式 |
較大 |
空間柱體 |
較大 |
容易控制 |
較好 |
較好 |
較簡單 |
較小 |
較多 |
適用于圓狐形軌跡作業(yè)機(jī)械手,宜作狐形傳送及圓柱體作業(yè)空間采用,不能抓取地面上工件,能改變工件一個軸向的方位,不宜作直線傳送 |
球坐標(biāo)式 |
大 |
扇形截面旋轉(zhuǎn)體 |
較小 |
不易控制 |
差 |
差 |
較復(fù)雜 |
較小 |
較多 |
能抓取地面上工件。能改變工件兩個軸向的方位,適用于扇形截面的回轉(zhuǎn)體作業(yè)空間,不宜作直線傳送,經(jīng)簡化自由度即成平面級坐標(biāo)式 |
多關(guān)節(jié)式 |
大 |
球體 |
較小 |
不易控制 |
差 |
差 |
復(fù)雜 |
小 |
少 |
臂能折疊,能抓取地面上的工件并傳送到任意方向,宜作復(fù)雜動作,能改變工件三個軸向的方位 |
復(fù)合坐標(biāo)式 |
大 |
柱體 |
較大 |
不易控制 |
差 |
差 |
復(fù)雜 |
較小 |
少 |
能擴(kuò)大作業(yè)范圍,并具有各類運動坐標(biāo)形式的部分特點,適合用于多工位的移動式作業(yè)及科學(xué)探索等情況 |
50-18各種定位方法的定位精度及其特點
定位裝置 |
重復(fù)定位精度/mm |
實現(xiàn)定位的方法 |
優(yōu)點 |
缺點 |
應(yīng)用情況 |
機(jī)械擋塊 |
±1~±0.02 |
擋塊控制液壓(氣)缸行程 |
結(jié)構(gòu)簡單可靠 |
調(diào)整麻煩多為固定定位 |
定位前實現(xiàn)完全緩沖,其定位精度可達(dá)±0.01mm |
機(jī)械結(jié)構(gòu) |
±0.2~±0.05 |
凸輪、連桿、擺動導(dǎo)桿等 |
結(jié)構(gòu)可按需要設(shè)計 |
需自行設(shè)計,無標(biāo)準(zhǔn)需經(jīng)試制 |
可實現(xiàn)多點定位適于專用機(jī)械手 |
崖壓缸端部定位 |
±1~±0.02 |
活塞緊靠液壓缸端部 |
當(dāng)不能安裝外部擋塊時用此裝置較好 |
如未經(jīng)完全緩沖,會產(chǎn)生碰撞液壓缸端部 |
多用于關(guān)節(jié)式機(jī)械手及工業(yè)機(jī)器人 |
多級液壓缸多級定位 |
±0.05 |
控制各級液壓缸由路實現(xiàn)多種行程的組和尺寸 |
可作較大范圍的高精度多點定位 |
液壓缸長,管道多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜 |
卡在0~750mm范圍內(nèi)按0.5倍關(guān)系任意組合行程尺寸 |
可調(diào)活塞定位 |
±0.5~±0.2 |
調(diào)整活塞總長改變行程長度 |
在有限范圍內(nèi)能去級調(diào)整行程 |
結(jié)構(gòu)復(fù)雜 |
在有限范圍內(nèi)作多點定位 |
電氣開關(guān) |
±3~±5 |
按時間或行程發(fā)信號 |
結(jié)構(gòu)簡單 |
受慣性力及油溫影響大 |
利用檢測信號關(guān)閉電磁閥 |
附加定位機(jī)構(gòu) |
±0.5左右 |
活塞部件加簡形氣缸通入壓縮空氣制動 |
停止時如超出規(guī)定位置可使缸飯向以保證定位精度 |
起動時缸的速度慢 |
用于氣動機(jī)械手及工業(yè)機(jī)器人 |
電液伺服 |
±1~±0.5 |
控制進(jìn)由路關(guān)閉 |
能任意定位 |
制造困難、價貴 |
用于工業(yè)機(jī)器人 |
步進(jìn)電動機(jī) |
±2~±0.02 |
控制脈沖數(shù) |
能任意定位 |
復(fù)雜,價貴 |
用于工業(yè)機(jī)器人 |
4) 驅(qū)動方式,工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動方式有機(jī)械式、電氣失、氣壓和液壓等及聯(lián)合驅(qū)動形式。表50-19列舉了各種驅(qū)動方式的特點。
5) 控制方式。表50-20列舉了各種電控系統(tǒng)的特點。
2. 固定式機(jī)器人。
50-19各種驅(qū)動方式的特點
比較內(nèi)容 |
驅(qū)動方式 |
機(jī)械聯(lián)動 |
電動機(jī)驅(qū)動 |
氣壓驅(qū)動 |
液壓驅(qū)動 |
異步、直流電動機(jī) |
步進(jìn)伺服電動機(jī) |
輸出力 |
輸出力較大 |
輸出力較大 |
輸出力較小 |
氣體壓力小,輸出力較小 |
液壓壓力大,可獲得較大的輸出力 |
控制性能 |
速度較高,速度與加速度均由機(jī)構(gòu)控制,定位精度高,可與主機(jī)嚴(yán)格同步 |
控制性較差,慣性大,不易精確定位 |
控制性能好,可精確定位,但控制系統(tǒng)復(fù)雜 |
可高速,沖擊較嚴(yán)重,精確定位困難,氣替壓縮性大,阻尼效果差第度不易控制 |
油液不可壓縮力、流量均易控制,可無級調(diào)速,反映靈敏,可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 |
體積 |
當(dāng)自由度多時,機(jī)構(gòu)復(fù)雜,體積較大 |
要有減速裝置體積較大 |
體積較小 |
體積較大 |
在輸出力性同的條件下體積小 |
維修使用 |
維修使用方便 |
維修使用方便 |
維修使用較復(fù)雜 |
維修簡單,能在高溫粉塵等惡劣環(huán)境中使用,泄漏影響小 |
維修方便,液體對溫度變化敏感,油液泄漏。易著火 |
應(yīng)用范圍 |
適用自由度少,速度高的專用機(jī)械手 |
適用于抓重大速度低的專用機(jī)械手 |
可用于程序復(fù)雜運動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手 |
中小型專用,通用機(jī)械手也都有應(yīng)用 |
中小型專用,通用機(jī)械手也都有應(yīng)用,特別是重型機(jī)械手多為液壓驅(qū)動 |
成本 |
結(jié)構(gòu)簡單,成本低,一般工廠可以自己制造 |
成本低 |
成本較高 |
結(jié)構(gòu)簡單,能源方便,成本低 |
液壓元件成本較高,油路也較復(fù)雜 |
50-20各種電控系統(tǒng)的特點
比較內(nèi)容 |
控制系統(tǒng) |
固定程序 |
可編程序 |
繼電器線路 |
半導(dǎo)體邏輯線路 |
順序控制器 |
示教再現(xiàn)或微型計算機(jī) |
動作程序容量 |
動作程序少 |
動作程序可較多 |
動作程序一般為16步,卡擴(kuò)展32步或更多 |
動作程序較多,通常為200步,可擴(kuò)展更多 |
控制的參數(shù) |
1) 動作程序
2) 動作到達(dá)的位置或時間
3) 夾放工件信息
4) 聯(lián)鎖信息
這些信息固定于線路之中不能任意變動 |
1) 動作程序
2) 動作到達(dá)的位置
3) 時間信息
4) 工件夾放信息
5) 聯(lián)鎖信息
6) 程序終了信息,著些信息可以任意編排 |
1) 動作程序
2) 動作應(yīng)到達(dá)的位置
3) 工件夾放信息
4) 時間信息
5) 聯(lián)鎖信息
6) 運動速度信息
7) 定位精度信息
8) 程序終了信息。編排程序順序范圍大,可設(shè)置各種傳感器 |
制造與維護(hù) |
制造簡單,維護(hù)方便、體積較大 |
制造簡單,維護(hù)方便,體積小 |
一般由專業(yè)廠生產(chǎn)供應(yīng),需具有一定專業(yè)知識人員維護(hù) |
線路復(fù)雜,制造、調(diào)整均較困難,需專業(yè)人員維護(hù) |
使用的行程檢測單元 |
行程開關(guān),機(jī)械擋鐵 |
行程開關(guān),機(jī)械擋鐵 |
行程開關(guān),電位器 |
行程開關(guān),旋轉(zhuǎn)變壓器,數(shù)碼器,光柵等 |
使用壽命 |
一般低于繼電器 |
壽命較高 |
壽命較高 |
壽命較高 |
成本 |
便宜 |
較便宜 |
成本較高 |
成本高 |
使用范圍 |
用于動作少,速度低的專用機(jī)械手 |
用于速度快,節(jié)拍短的專用機(jī)械手 |
適用一般工業(yè)機(jī)器人 |
動作多,程序復(fù)雜的高級工業(yè)機(jī)器人使用 |
固定式機(jī)器人的本體是固定的,它只能進(jìn)行臂部可活動范圍內(nèi)的輸送作業(yè)。所以它作為柔性制造單元內(nèi)部的搬運設(shè)備被廣泛應(yīng)用,雖然在輸送距離上受到限制,但是,如果能自動更換手部,它不僅能輸送工件,刀具、夾具等各種物料,而且可以裝卸工件,具有較高的柔性。
固定式機(jī)器人可分成服務(wù)于多臺機(jī)床式和服務(wù)于固定機(jī)床式兩種。圖50-72所示是采用一臺機(jī)器人把工件供給數(shù)臺機(jī)床的示例,著種柔性制造單元是以機(jī)器人為核心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。各臺機(jī)床的工件裝卸位置分布在機(jī)器人的可活動范圍內(nèi),機(jī)器人按控制成粗實現(xiàn)各臺機(jī)床的工件裝卸及傳遞。
固定機(jī)床式是機(jī)器人服務(wù)于某一臺機(jī)床,圖50-73所示的是將小型機(jī)器人組裝在機(jī)床內(nèi),機(jī)器人采用圓柱面坐標(biāo)或球面坐標(biāo)形式,它具有搬運及裝卸工件所需的最低限度的運動自由度,實現(xiàn)工件的上下料及機(jī)床各工位間的零件搬運。
3. 行走式機(jī)器人
行走式機(jī)器人即移動式機(jī)器人,普通自動裝卸機(jī)處理工件功能的柔性較小,但隨著對這些功能柔性要求的提高,將自動裝卸機(jī)處理工件的功能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人的臂和手的形態(tài),就形成了行走式機(jī)器人。圖50-74是行走式機(jī)器人的例子。采用了機(jī)器人與傳送機(jī)及運輸小車的組合輸送方式。
如果將單軌改為兩條導(dǎo)軌,則成為橋式起重機(jī),或龍門式起重機(jī),在柔性制造系統(tǒng)中也使用以這些起重機(jī)為基礎(chǔ)的行走式機(jī)器人,圖50-75所示的是德國柏林工業(yè)大學(xué)使用龍門行走式機(jī)器人的柔性制造單元,它的手部位可自動交換,不僅對工件,而且對刀具、量規(guī)和夾具進(jìn)行搬運與操作處理。這種龍門行走式機(jī)器人結(jié)構(gòu)堅固,可實現(xiàn)高精度定位。
若在柔性制造系統(tǒng)中采用多于一臺機(jī)器人時,應(yīng)對其劃分區(qū)域以免相互碰撞。