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各种机器人特点及应用简介

供稿:工控网 2013/11/26 10:09:55

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  • 关键词: 机器人 简介
  • 摘要:一 机器人的定义及分类:   机器人按ISO 8373定义为:位置可以固定或移动,能够实现自动控制、可重复编程、多功能多用处、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内可编程的工业自动化设备。这里自由度就是指可运动或转动的轴。工业机器人按其结构形式及编程坐标系主要分类为关节型机器人、移动机器人、水下

      一 机器人的定义及分类:

  机器人按ISO 8373定义为:位置可以固定或移动,能够实现自动控制、可重复编程、多功能多用处、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内可编程的工业自动化设备。这里自由度就是指可运动或转动的轴。工业机器人按其结构形式及编程坐标系主要分类为关节型机器人、移动机器人、水下机器人和直角坐标机器人等。按主要功能特征及应用分为移动机器人、水下机器人、洁净机器人、直角坐标机器人、焊接机器人、手术机器人和军用机器人等。机器人学涉及到机器人结构,机器人视觉,机器人运动规划,机器人传感器,机器人通讯和人工智能等许多方面,不同用处的机器人涉及到不同的学科,下面仅对这些机器人的结构和应用进行简单介绍:

      二 关节型机器人
  关节型机器人的结构类同人的手臂,由几个转动轴,摆动轴和手爪等6~7个自由度组成。生产厂家主要有德国Manutec公司,德国KUKA,德国REIS,日本Motorman,日本Yaskawa和沈阳新松等。关节型机器人的转动轴和摆动轴主要用伺服电机配几乎没有反向间隙的精密减速机或直驱力矩电机驱动,而其控制系统其难度也很大。各个厂家的关节型机器人其结构类同,主要差别在技术参数,下面以德国Manutec公司的关节型机器人为例介绍。
  图1是Manutec公司型号为r15-30的 6 自由度通用关节机器人,额定负载30公斤,最大可达到 75 公斤,工作半径1.3 米,重复定位精度小于0.04 mm ,点到点的最大运行速度高达 5.9 m/s,加速度高达23 m/s2和工作寿命20 年。可以坐立式安装,可以是掉挂式安装,也可以与水平面小于30度角的斜式安装,不影响其各项技术指标。r15可以选配防爆式的,也可以选配一级洁净式等。

 

  r15-30主要特点是强度大刚性好和重复定位精度高,主要应用领域是其它厂家的关节型机器人由于刚性和精度不够无法应用的领域,而用 5 轴加工中心成本太高或无法胜任的工作。如磨齿,异形铣削,壳(腔)内部铣削,磨,抛,切割和焊接等。
  在手爪末端可以配力传感器,来加工异形表面(如铣削,磨和抛)。一个机器人也可以与双工作台及各种的双旋转轴协调同步运动。也可以是两个机器人协调同步工作,如一台机器人抓取工件,而令一台机器人对该工件进行加工,两台机器人同步协调完成特定的加工轨迹。
  其它厂家的关节机器人主要应用在汽车焊接和装配等任务中。关节型机器人的优点是可以从不同角度不同方位来工作,速度快,工作效率高。但主要缺点是工作半径小,负载小,价格高,应用难度大和维护费用高。
  作为关节机器人的简化型机器人SCARA就是两个摆动轴和一个上下运动轴,其特点是简单,经济,适合工作空间小,负载小、高速搬运。但它的价位高于直角坐标机器人,应用行业和数量非常小。
      三 特种机器人
  移动机器人就是能自主移动或上下楼梯的电动车,主要用于生产现场货物的自主运输和排险作业,或进入有污染和放射的环境内取样及监视等。还有一些移动机器人就是仿造一些动物,用腿和爪行走路的行走机器人,如美国的军用狗,还处于适用阶段。水下机器人与潜艇能自主潜入水下完成对海上钻井平台的水下建筑、发电站的水下闸门、海底打捞等工程的录像和监控。洁净式机器人主要是穿上防护衣的关节型机器人,使其自身有良好的密封性,不把灰尘带入工作现场,自身也不会产生灰尘,他们主要应用于电子器件,食品和药品等生产中。国际对洁净机器人的洁净度有明确的定义。军用机器人主要是小型移动车,遥控飞机或电子狗等,他们完成危险场所的一些作业,如排雷,布雷,现场监控,射击摧毁特定目标等。尽管目前服务机器人主要是玩具式的自治电动车,在其上面装有视觉和超声等装置使其可以在家里无碰撞移动,对不同位置进行照像,用来防盗,检测煤汽泄露,无线发送信息和接收指令,运输物品等等。但未来服务机器人的功能会不断增强,不断深入到人们日产生活的各个方面。还有手术机器人,航天机器人,挤牛奶机器人和核电站专用机器人等专用机器人。
      四 直角坐标机器人
  作为在各行各业中最广泛应用的直角坐标机器人,它主要是以直线运动轴为主,各个运动轴通常对应直角坐标系中的X轴,Y轴和Z轴,一般X轴和Y轴是水平面内运动轴,Z轴是上下运动轴。在一些应用中Z轴上带有一个旋转轴,或带有一个摆动轴和一个旋转轴。在绝大多数情况下直角坐标机器人的各个直线运动轴间的夹角为直角。
  4.1直角坐标机器人的组成

 

  图2是一个典型的3D直角坐标机器人,它由X轴,Y轴,Z轴及驱动电机组成。此外一个完整的机器人系统还需要控制系统和手抓,下面分别予以介绍:
  4.1.1直线运动轴: 也叫直线运动单元,它就是一个独立的运动轴,主要由支撑载体的铝型 材或钢型材和被安装在型材内部的直线导轨、运动滑块以及作为带动滑块做高速运动的同步带组成。
  4.1.2运动轴的驱动系统
  直角坐标机器人的传动主要是通过驱动电机的转动带动同步带运动,同步带带动直线导轨上的滑块运动。当驱动轴的最高转速低于600转/分时通常选用步进电机,否则选用交流伺服电机。
  4.1.3 直角坐标机器人的控制系统
  机器人要在一定时间内完成特定的任务,比如每10秒内完成一次搬运工作。在完成抓取,加速运动,高速运动,减速运动,释放工件等同时,还要与相关的设备通过通讯或I/O口实现一些时序上的协调同步。另外在涂胶应用上,各个运动轴要完成直线和圆弧插补运动。因此其数控系统要按具体应用要求来选定其控制轴数、I/O口数量和软件功能。通常选用数控系统,PLC,工控机加运动控制卡和带轴卡功能及I/O口的驱动电机来做控制系统。
  4.1.4 直角坐标机器人的末端操作器——手爪系统
  根据其具体应用情况,其手爪系统可能是气动吸盘、气动夹取手爪、电动夹取手爪、电磁吸取手爪、焊枪、胶枪、专用工具和检测仪器等。在很多场合可以一次抓取多个工件。
  很多厂家已开发出一些标准的直线运动单元及其组合,下面结合德国百格拉公司的产品来介绍直角坐标机器人的技术数据及应用。
      4.2德国百格拉公司直角坐标机器人简介
  德国百格拉公司是世界上最著名的直角坐标机器人供应商之一,生产多种规格的直线运动单元,步进电机,交流伺服电机,直线电机和多轴数控系统。以此为基础在短时间内可以提供各种规格的线性导轨、二维、三维标准机器人及用户专用机器人和生产线。这些机器人可以装备焊枪、各种通用手抓或专用工具。它们按需要在定义好的3D空间内可靠、精确和快速地定位,沿直线或圆弧插补运动。完成焊接、搬运和上下料、包装、码垛、拆垛、检测、分类、装配、贴标、喷码、打码、(软仿型)喷涂等一系列工作。由于所有部件全部自己生产,使得机器人整体性能更加优异。
  4.2.1 龙门轴直线运动单元
  直线运动单元和驱动电机固定不动,而滑块运动,主要用于水平面和垂直面上长距离运动。有标准化产品PAS41,PAS42,PAS43和PAS44。对应的横截面尺寸是40*40 mm,60*60mm,80*80 mm和110*110mm,单根标准长度是6000 mm、负载是10~200公斤、重复定位精度0.05mm、最高运行速度8米/秒,加速度是每秒4米。
  4.2.2 抓取轴直线运动单元
  驱动电机和滑块固定在一平面上,直线运动单元本体运动,其导轨标准长度可达2400 mm。主要以垂直或水平进入工作空间,用于货物的抓取和搬运等。其标准化产品有LM-A001到LM-A808等,对应的尺寸是40*40 mm,60*60mm,80*80 mm到110*110mm,单根最大长度是3000 mm、负载是2~100公斤、重复定位精度0.05mm、最高运行速度8米/秒,加速度是每秒4米。
  4.2.3 各种结构形式的2D和3D直角坐标机器人
  利用标准的龙门式和抓取轴直线运动单元德国百格拉公司在过去的20多年中成功组合成了数百种结构形式,不同行程和负载能力,不同安装方式的机器人。其中针对不同应用要求还采取了多种加强形式来保证其强度,提高其变形能力,减少震动和晃动,提高寿命等。其常用的结构形式有龙门式,悬臂式,挂臂式和掉挂式等。
  4.3 直角坐标机器人的主要结构形式及主要特点
  但针对各种不同的应用,实际上可以方便快速组合成不同维数,各种行程和不同带载能力的壁挂式、悬臂式、龙门式或倒挂式等各种形式的直角坐标机器人。从简单的二维机器人到复杂的五维机器人就有上百种结构形式的成功应用案例。从电机到汽车等各行各业的自动化生产线中,也是各式各样的多台直角坐标机器人和其它设备严格同步协调工作。可以说直角坐标机器人几乎能胜任所有的工业自动化任务。下面是其主要特点:
  4.3.1任意组合成各种样式:每根直线运动轴最长是6米,其带载能力从10公斤到200公斤。在实际应用中已有近百种结构的直角坐标机器人,这些结构也可以任意组合成新的结构等。
  4.3.2 超大行程:因为单根龙门式直线运动单元的长度是6米,还可以多根方便地级连成超大行程,所以其工作空间几乎没有限制,小到手机点胶机,大到18米长行程的切割机,8米长行程钻铣床,6米*6米*3米的检测机器人等。超大行程时要采用直线导轨和齿条传动方式。
  4.3.3负载能力强:单根直线运动单元的负载通常小于200公斤。但当采用双滑块或多滑块刚性联结时负载能力可以增加5到10倍。当把两根或四根直线运动单元并排接起来使用时,其负载可以增加2到4倍。当采用多根多滑块结构时其负载能力可增加到数吨。
  4.3.4高动态特性:轻负载时其最大运行速度可达到每秒8米,加速度可达到每秒4米。使其具有很高的动态特性,工作效率非常高,通常在几秒内完成一个工作节拍。
  4.3.5高精度:按传动方式及配置在整个行程内其重复定位精度可达到0.05mm~0.01mm。
  4.3.6扩展能力强:可以方便改变结构或通过编程来适合新的应用。
  4.3.7简单经济:对比关节机器人,直角坐标机器人不仅外观直观且构造成本低,编程简单类同数控铣床,易培训员工和维修,使其具有非常好的经济性。
  4.3.8胜任复杂任务:采用带有RTCP功能的五轴或五轴以上数控系统能完成非常复杂的喷涂,喷丸,检测,加工等任务。
  4.3.9寿命长:直角坐标机器人的寿命一般是10年以上,维护好了可达20年。
  4.3.10应用范围广:可以方便地装配多种形式和尺寸的手爪,可以胜任许多常见的工作,如焊接、切割,搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码和喷涂等任务。
  4.4 直角坐标机器人的选型和保养
  4.4.1选型: 首先要根据负载大小,行程,工作节拍和工作空间的限制来选择机器人的外形结构。选好结构形式后要根据行程和变形量等选择每个轴的形式和型号。大负载和高冲击力时可以选择由2根或4根运动轴组合成一个复合运动轴。各个运动轴间的装配也很关键,不仅要保证其垂直度,更要考虑在各个方向有足够的抗冲击力和变形。机器人要在几秒内完成一个运动节拍,选择的驱动电机必须有足够的驱动力,通常要比理论计算值高出100%。当负载的转动惯量与驱动电机的转动惯量之比大于12时,要选配德国纽卡特公司的精密行星减速机。
  在超高动态和定位精度要求很高情况下,可以选用直线电机来驱动。但直线电机的安装和防护难度大,发热量大,撞击危险性高和控制难度高,成本也高,所以要慎用。而其防护难度大和发热量大目前在机床行业还是世界性难题。
  4.4.2 安装
  机器人在加速和减速时会产生强大的冲击力,而且通常每天要工作24小时,所以机器人必须被牢固地安装在支架上。机器人的支架要有足够的抗冲击力,要有地脚,以保证在长期高速高动态运动冲击下,没有任何晃动。此外在安装时要保证运动轴间的平行度、平面度和垂直度。
  4.4.3 保养事项
  通常机器人的每个运动轴在经过一定长度的运动后要周期性的通过滑块的注油孔给直线导轨加注润滑油。根据机器人使用环境的不同和工作速度不同,其注油的周期也不同。在食品和玻璃切割等行业要选用带防尘带的运动轴和缩短注油周期,在有喷水的场合也要缩短注油周期。
      五 应用和展望
  每种机器人都有其特殊性和优势,适用特定的行业或作业。也有把关节机器人安装在大的直线运动平台上来扩大工作区域和完成更多的任务。为了克服直角坐标机器人不易深入细长空间区域内工作,德国百格拉公司成功组合成了多种结构的悬臂式直角坐标机器人及在直角坐标机器人的Z轴上加上500mm的摆动轴和上下升降轴,有时还在Z轴上加上一个转动轴和摆动轴构成5轴机器人,还把不同结构形式的直角坐标机器人组合成多种集抓取,搬运,处理和最后抓取运走功能于一体的机器人工作中心。在德国就有大大小小50多家直角坐标机器人生产企业,他们20多年的努力使得直角坐标机器人比关节式机器人有更广泛的应用。例如在西方发达国家被广泛用来执行焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、涂胶和切割等一系列工作。深受包装机械、印刷机械、汽车工业、食品生产工业、药品生产工业、电子工业、机器制造业和化妆品生产等行业的好评。随着自动化程度、环保要求、卫生规定、生产效率、人员素质和人工费用的提高,直角坐标机器人在中国也必将被各行各业广泛采用。

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