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1、機(jī)器人引論 第 5章 工業(yè)機(jī)器人 第 5章 工業(yè)機(jī)器人 5.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史 5.2 工業(yè)機(jī)器人的基本組成 5.3 工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu) 5.4 工業(yè)機(jī)器人的種類及應(yīng)用 5.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史 5.1.1 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展概況 通常所說的工業(yè)機(jī)器人一般指用于工業(yè)制造環(huán)境中，模擬人 的手臂的部分動作，按照預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實(shí) 現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動化裝置。 1948年 ， 機(jī)械式的主從機(jī)械手 1951年 ， 美國麻省理工學(xué)院（ MIT）成功開發(fā)了第一代數(shù)控 機(jī)床（ CNC） 。 1954年，美國人喬治 德沃爾（ George
2、 Devol）設(shè)計(jì)并研制了 世界上第一臺可編程的工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)，將之命名為 “ Universal Automation” ，并申請了該項(xiàng)機(jī)器人專利。 Devol與 Engerlberge合作創(chuàng)建了美國萬能自動化公司 （ Unimation），于 1962年生產(chǎn)了第一臺機(jī)器人，取名 Unimate。 美國機(jī)床與鑄造公司（ AMF）于 1960年生產(chǎn)了一臺被命名為 Versation的圓柱坐標(biāo)型的數(shù)控自動機(jī)械，并以 Industrial Robot （工業(yè)機(jī)器人）的名稱進(jìn)行宣傳。通常認(rèn)為這是世界上最早的 工業(yè)機(jī)器人。 Unimate和 Versation這兩種型號的機(jī)器人以“示教再現(xiàn)
3、”的方 式在汽車生產(chǎn)線上成功地代替工人進(jìn)行傳送、焊接、噴漆等作 業(yè)， Unimate和 Versation作為商品開始在世界市場上銷售。 此后，美國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段： 19631967年為實(shí)驗(yàn)定型階段。 19631966年，萬能自動化公司制 造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝實(shí)驗(yàn)。 1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè) 機(jī)器人定型為 1900型。 19681970年為實(shí)際應(yīng)用階段。從 20世紀(jì) 60年代后期開始，搬運(yùn)、 噴漆、弧焊機(jī)器人相繼在生產(chǎn)中得以應(yīng)用，并且出現(xiàn)了由加工中 心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元（ FMC）。 19701980年為技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用階段
4、。 1970年 4月，第一次 國際工業(yè)機(jī)器人會議在美國伊利斯工學(xué)院舉行，工業(yè)機(jī)器人多 種卓有成效的實(shí)用范例促進(jìn)了機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)展。 1980年至今為產(chǎn)業(yè)化、實(shí)用化、商品化階段。隨著大規(guī)模集成 電路技術(shù)的飛速發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用和性能飛躍，機(jī) 器人的控制性能得到了大幅度地提高，成本不斷下降，于是產(chǎn) 生了不同用途的機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入了商品化和實(shí)用化階 段，形成了大規(guī)模的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。 日本、俄羅斯、西歐等，大都是從 1967、 1968年開始以美國的 Unimate和 Versation型機(jī)器人為藍(lán)本開始進(jìn)行研制。其中日本是 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。 20
5、世紀(jì) 80年代以來，國際機(jī)器人以平均 25%30%的年增長率發(fā) 展。這是由于工業(yè)自動化正向著“柔性生產(chǎn)”方向發(fā)展，以適 應(yīng)多品種、中小批量生產(chǎn)或混流生產(chǎn)的需要。到 2002年，全世 界服役的機(jī)器人大約有 100萬臺。 5.1.2 中國工業(yè)機(jī)器人研制情況 我國工業(yè)機(jī)器人起步于 70年代初期，經(jīng)過 30多年的發(fā)展， 大致經(jīng)歷了 3個(gè)階段： 70年代的萌芽期， 80年代的開發(fā)期 和 90年代的適用化期。 我國于 1972年開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。 20世紀(jì) 80年代，我國機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展得到政府的重視和 支持，機(jī)器人步入了跨越式發(fā)展時(shí)期。 1986年我國開展了 “ 七五 ” 機(jī)器
6、人攻關(guān)計(jì)劃。 1987年我國 “ 863”高技術(shù)計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究開發(fā)列 入其中。 從 90年代初期起，我國的工業(yè)機(jī)器人又在實(shí)踐中邁進(jìn)一大 步，先后研制出了點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn)、 包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人 應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地。 到目前為止，我國在機(jī)器人的技術(shù)研究方面已經(jīng)相繼取得 了一些重要成果，在某些技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)接近國際前沿水平。 但從總體上看，我國在智能機(jī)器人方面的研究可以說還是 剛剛起步，機(jī)器人傳感技術(shù)和機(jī)器人專用控制系統(tǒng)等方面 的研究還比較薄弱。另外，在機(jī)器人的應(yīng)用方面，我國就 顯得更為落后。 5.2 工業(yè)機(jī)
7、器人的基本組成 工業(yè)機(jī)器人通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳 感系統(tǒng)四部分組成 。 工業(yè)機(jī)器人各組成部分之間的相互作用關(guān)系如圖 ： 5.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由一系列 連桿、關(guān)節(jié)或其他形式的運(yùn)動副所組成。從功能的角度可分 為：手部、腕部、臂部、腰部和機(jī)座 。 手部： 腕部： 1 手部 2 腕部 3 臂部 4 腰部 5 機(jī)座 工業(yè)機(jī)器人的手部也叫做末端執(zhí)行器，是 裝在機(jī)器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。 工業(yè)機(jī)器人的腕部是連接手部和臂部的部 件，起支承手部的作用。機(jī)器人
8、一般具有六個(gè)自由 度才能使手部達(dá)到目標(biāo)位置和處于期望的姿態(tài)，腕 部的自由度主要是實(shí)現(xiàn)所期望的姿態(tài)，并擴(kuò)大臂部 運(yùn)動范圍。 臂部 ： 工業(yè)機(jī)器人的臂部是連接腰部和腕部的部件，用來支撐腕部 和手部，實(shí)現(xiàn)較大運(yùn)動范圍。臂部一般由大臂、小臂（或多臂）所 組成。 腰部 ： 腰部是連接臂部和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件。由于它的 回轉(zhuǎn)，再加上臂部的運(yùn)動，就能使腕部作空間運(yùn)動。 機(jī)座 ： 機(jī)座是整個(gè)機(jī)器人的支持部分，有固定式和移動式兩類。 5.2.2 驅(qū)動系統(tǒng) 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力的裝置， 包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu)兩部分，它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一 體。驅(qū)動器通常有電動
9、、液壓、氣動裝置以及把它們結(jié)合起 來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)。常用的傳動機(jī)構(gòu)有諧波傳動、螺旋傳動、 鏈傳動、帶傳動以及各種齒輪傳動等機(jī)構(gòu)。 5.2.3 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器 反饋回來的信號支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成固定的運(yùn)動和功 能。若工業(yè)機(jī)器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)； 若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。 工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由主控計(jì)算機(jī)和關(guān)節(jié)伺服控制器 組成 工業(yè)機(jī)器人通常具有示教再現(xiàn)和位置控制兩種方式。 工業(yè)機(jī)器人的位置控制方式有點(diǎn)位控制和連續(xù)路徑控制兩種。 5.2.4 傳感系統(tǒng) 傳感系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分
10、，按其采集信息的位置， 一般可分為內(nèi)部和外部兩類傳感器。 內(nèi)部傳感器是完成機(jī)器人運(yùn)動控制所必須的傳感器，如位置、 速度傳感器等，用于采集機(jī)器人內(nèi)部信息，是構(gòu)成機(jī)器人不 可缺少的基本元件。 外部傳感器檢測機(jī)器人所處環(huán)境、外部物體狀態(tài)或機(jī)器人與 外部物體的關(guān)系。常用的外部傳感器有力覺傳感器、觸覺傳 感器、接近覺傳感器、視覺傳感器等。一些特殊領(lǐng)域應(yīng)用的 機(jī)器人還可能需要具有溫度、濕度、壓力、滑動量、化學(xué)性 質(zhì)等感覺能力方面的傳感器。 5.3 工業(yè)機(jī)器人的典型機(jī)構(gòu) 工業(yè)機(jī)器人按其本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，可分為 SCARA型、平行 桿型和多關(guān)節(jié)等幾種典型機(jī)構(gòu)。 5.3.1 SCARA機(jī)構(gòu)
11、 SCARA是 Selective Compliance Assembly Robot Arm的縮寫，意思是具有 選擇順應(yīng)性的裝配機(jī)器人手臂。它具有平行的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 軸線共面。這種機(jī)器人在水平方向有順應(yīng)性，而在垂直方向則具有很 大的剛性。由于各個(gè)臂都只沿水平方向旋轉(zhuǎn)，故又稱水平關(guān)節(jié)型機(jī)器 人，多用于裝配，也稱為裝配機(jī)器人。 SCARA型機(jī)器人大多采用四自由度結(jié)構(gòu)，這是由于裝配操作對姿態(tài)的 要求只需繞 Z軸轉(zhuǎn)動，故一般是由四個(gè)關(guān)節(jié)組成。根據(jù)作業(yè)要求，少 部分操作機(jī)在手腕處再增加一個(gè)沿 Z軸的微小移動。 下 圖所示是采用伺服電機(jī)驅(qū)動的 SCARA機(jī)器人 ： 日本 DAIKIN
12、的 S1400操作機(jī) SCARA 機(jī)器人 S1400 5.3.2 平行桿型機(jī)構(gòu) 平行桿型機(jī)構(gòu)又稱并聯(lián)平行四邊形機(jī) 構(gòu)，其特點(diǎn)是機(jī)器人的上臂通過一根 拉桿驅(qū)動，拉桿與下臂組成一個(gè)平行 四邊形的兩條邊，故而得名。 右 圖所示是平行桿型機(jī)器人 Motoman- L10操作機(jī)。 Motoman-L10立體圖 Motoman-L10傳動示意圖 1-電機(jī) 2-機(jī)座 3-電機(jī) 4-諧波減速器 5-回轉(zhuǎn)殼 6-鏈輪 I 7-鏈輪 II 8-諧波 減速器 9-電機(jī) 10-下臂桿 11-凸耳 12- 絲杠 13-諧波減速器 14-絲杠 15-拉桿 16-
13、雙 聯(lián)鏈輪 I 17-銷軸 18-雙聯(lián)鏈輪 II 19-上臂 桿 20-鏈輪 21-錐齒輪 22-腕殼 23-手部法蘭 24-電機(jī) 25-鏈輪 5.3.3 多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu) 多關(guān)節(jié)型機(jī)器人一般由多個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)串聯(lián)起若干連桿組成的 開鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)，是模擬人類腰部到手臂的基本結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的。 其機(jī)械本體部分通常包括機(jī)座（即底部和腰部的固定支撐） 結(jié)構(gòu)、腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、大臂結(jié)構(gòu)及大臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、 小臂結(jié)構(gòu)及小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、手腕結(jié)構(gòu)及手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝 置和末端執(zhí)行器（即手爪部分）。小臂和大臂間的關(guān)節(jié)稱為 肘關(guān)節(jié)，大臂和底座間的關(guān)節(jié)稱為肩關(guān)節(jié)，繞底座的旋轉(zhuǎn)稱 為腰關(guān)節(jié)。腰、肩和肘
14、三個(gè)關(guān)節(jié)一般為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其中兩個(gè) 關(guān)節(jié)軸線平行，構(gòu)成較為復(fù)雜形狀的工作范圍，用于決定手 部的空間位置，其腕部一般具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)三個(gè)自由 度，用于決定手部的姿態(tài)。 PUMA-262關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖 1 關(guān)節(jié) 2電動機(jī) 2 關(guān)節(jié) 3電動機(jī) 3 大臂 4 關(guān)節(jié) 1電動機(jī) 5 小臂定 位夾板 6 小臂 7 氣動閥 8 立柱 9 直齒輪 10 中間齒輪 11 基座 12 主齒輪 13 管形連接軸 14 手腕 PUMA-262關(guān)節(jié)型機(jī)器人傳動原理圖 1 關(guān)節(jié) 2電機(jī) 2 關(guān)節(jié) 3電機(jī) 3 聯(lián)軸器 4 關(guān)節(jié) 5電機(jī) 5 關(guān)節(jié) 4電機(jī) 6 關(guān)節(jié) 6電機(jī)
15、 早期開發(fā)的平行四邊形機(jī)器人工作空間比較?。ň窒抻跈C(jī)器 人的前部），難以倒掛工作。但 80年代后期以來開發(fā)的新型 平行四邊形機(jī)器人，已能把工作空間擴(kuò)大到機(jī)器人的頂部、 背部及底部，機(jī)器人的剛度又比關(guān)節(jié)式機(jī)器人高，從而得到 普遍的重視。這種結(jié)構(gòu)形式不僅適合于輕型機(jī)器人，也適合 于重型機(jī)器人。近年來點(diǎn)焊用機(jī)器人（負(fù)載 100 150kg）大 多選用平行四邊形結(jié)構(gòu)形式的機(jī)器人。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人是一種廣泛使用的擬人化的機(jī)器人，其特點(diǎn)是 結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大而占用空間小、動作靈活、具有很高 的可達(dá)性，可以輕易避障和伸入狹窄彎曲的管道操作，對多 種作業(yè)都有良好的適應(yīng)性，已廣泛應(yīng)用于代替人完成裝配作 業(yè)
16、、貨物搬運(yùn)、電弧焊接、噴涂、點(diǎn)焊接等作業(yè)場合，成為 使用最為廣泛的機(jī)器人。 5.4 工業(yè)機(jī)器人的種類及應(yīng)用 5.4.1 焊接機(jī)器人 焊接機(jī)器人是在工業(yè)機(jī)器人的的末軸法蘭上裝接焊鉗或焊 （割）槍，使之能進(jìn)行焊接、切割或熱噴涂的機(jī)器人。目 前焊接機(jī)器人是最大的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，占工業(yè)機(jī)器 人總數(shù)的 25%左右。 1 焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成 完整的焊接機(jī)器人系統(tǒng)一般由如下幾部分組成：機(jī)械手、 變位機(jī)、控制器、焊接系統(tǒng)（專用焊接電源、焊槍或焊鉗 等）、焊接傳感器、中央控制計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的安全設(shè)備等 焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成 2 焊接機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)形式及性能 焊接用機(jī)器人基本上都屬關(guān)節(jié)式機(jī)
17、器人，絕大部分有 6個(gè)軸。其中， 1、 2、 3軸可將末端工具送到不同的空間位置，而 4、 5、 6軸解決工 具姿態(tài)的不同要求。焊接機(jī)器人本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有兩種形式： 一種為平行桿型機(jī)構(gòu)，一種為多關(guān)節(jié)型機(jī)構(gòu)。 多關(guān)節(jié)型機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是上、下臂的活動范圍大，使機(jī)器人的工 作空間幾乎能達(dá)一個(gè)球體。因此，這種機(jī)器人可倒掛在機(jī)架上工作 ，以節(jié)省占地面積，方便地面物件的流動。但是這種結(jié)構(gòu)形式的機(jī) 器人， 2、 3軸為懸臂結(jié)構(gòu)，降低機(jī)器人的剛度，一般適用于負(fù)載較 小的機(jī)器人，用于電弧焊、切割或噴涂。 平行桿型機(jī)器人的工作空間能達(dá)到機(jī)器人的頂部、背部及底部，又 沒有多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的剛度問題，從而得
18、到普遍的重視，不僅適合 于輕型機(jī)器人，也適合于重型機(jī)器人。 (a) (b) 焊接機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)形式 (a) 平行桿型機(jī)構(gòu) (b) 多關(guān)節(jié)型機(jī)構(gòu) 3 點(diǎn)焊機(jī)器人 點(diǎn)焊機(jī)器人（ spot welding robot）用于點(diǎn)焊自動作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人。 點(diǎn)焊機(jī)器人的組成和基本功能 點(diǎn)焊機(jī)器人由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、示教盒和點(diǎn)焊焊接系統(tǒng) 幾部分組成。點(diǎn)焊機(jī)器人機(jī)械本體一般具有六個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)、大臂 轉(zhuǎn)、小臂轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)、腕擺及腕捻。其驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動 兩種，其中電氣驅(qū)動應(yīng)用更為廣泛。 點(diǎn)焊作業(yè)對
19、所用機(jī)器人的要求不是很高。因?yàn)辄c(diǎn)焊只需點(diǎn)位控制，至 于焊鉗在點(diǎn)與點(diǎn)之間的移動軌跡沒有嚴(yán)格要求，這也是機(jī)器人最早只 能用于點(diǎn)焊的原因。點(diǎn)焊機(jī)器人需要有足夠的負(fù)載能力，而且在點(diǎn)與 點(diǎn)之間移位時(shí)速度要快捷，動作要平穩(wěn)，定位要準(zhǔn)確，以減少移位的 時(shí)間，提高工作效率。 點(diǎn)焊機(jī)器人的組成 1 機(jī)械臂 2 進(jìn)水、出水管線 3 焊鉗 4 電極修整裝置 5 氣管 6 控制電纜 7 點(diǎn)焊定時(shí)器 8 機(jī)器人控制柜 9 安全圍欄 點(diǎn)焊工藝對機(jī)器人的基本要求 （ 1）點(diǎn)焊作業(yè)一般采用點(diǎn)位控制（ PTP），其重復(fù)定位精度 1mm。 （ 2）點(diǎn)焊機(jī)器人工作空間必須大于焊接所需的空間（由焊點(diǎn)位置及
20、焊點(diǎn)數(shù)量確定）。 （ 3）按工件形狀、種類、焊縫位置選用焊鉗。 （ 4）根據(jù)選用的焊鉗結(jié)構(gòu)、焊件材質(zhì)與厚度以及焊接電流波形（工頻交流、逆變式直 流等）來選取點(diǎn)焊機(jī)器人額定負(fù)載，一般在 50-120kg之間。 （ 5）機(jī)器人應(yīng)具有較高的抗干擾能力和可靠性（平均無故障工作時(shí)間應(yīng)超過 2000h， 平均修復(fù)時(shí)間不大于 30min）；具有較強(qiáng)的故障自診斷功能，例如可發(fā)現(xiàn)電極與工 件發(fā)生“黏結(jié)”而無法脫開的危險(xiǎn)情況，并能作出電極沿工件表面反復(fù)扭轉(zhuǎn)直至 故障消除。 （ 6）點(diǎn)焊機(jī)器人示教記憶容量應(yīng)大于 1000點(diǎn)。 （ 7）機(jī)器人應(yīng)具有較高的點(diǎn)焊速度（例如 60點(diǎn) /min以上），以保證單點(diǎn)焊接
21、時(shí)間（含 加壓、焊接、維持、休息、移位等點(diǎn)焊循環(huán)）與生產(chǎn)線物流速度匹配，且其中 50mm短距離移動的定位時(shí)間應(yīng)縮短在 0.4s以內(nèi)。 （ 8）需采用多臺機(jī)器人時(shí)，應(yīng)研究是否選用多種型號；當(dāng)機(jī)器人布置間隔較小時(shí)，應(yīng) 注意動作順序的安排，可通過機(jī)器人群控或相互間連鎖作用避免干擾。 點(diǎn)焊機(jī)器人的焊接設(shè)備 點(diǎn)焊機(jī)器人的焊接設(shè)備主要有 阻焊變壓器、焊鉗、點(diǎn)焊控制 器以及水、電、氣路及其輔助 設(shè)備等組成。 點(diǎn)焊機(jī)器人的應(yīng)用 引入點(diǎn)焊機(jī)器人可以取代笨重 、單調(diào)、重復(fù)的體力勞動；能 更好地保證焊點(diǎn)質(zhì)量；可長時(shí) 間重復(fù)工作，提高工作效率 30%以上；可以組成柔性自動 生產(chǎn)系統(tǒng)，特別適合新產(chǎn)品開 發(fā)
22、和多品種生產(chǎn)，增強(qiáng)企業(yè)應(yīng) 變能力。 Fanuc S-420點(diǎn)焊機(jī)器人應(yīng)用實(shí)例 4 弧焊機(jī)器人 弧焊機(jī)器人（ arc welding robot）用于進(jìn)行自動弧焊的工業(yè)機(jī)器人。 弧焊機(jī)器人的組成和基本功能 弧焊機(jī)器人一般由示教盒、控制盤、機(jī)器人本體及自動送絲裝置、焊接 電源等部分組成。弧焊機(jī)器人機(jī)械本體通常采用關(guān)節(jié)式機(jī)械手。雖然從 理論上講，有 5個(gè)軸的機(jī)器人就可以用于電弧焊，但是對復(fù)雜形狀的焊 縫，需選用 6軸機(jī)器人。其驅(qū)動方式多采用直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動。 弧焊過程比點(diǎn)焊過程要復(fù)雜得多，工具中心點(diǎn)（ TCP），也就是焊絲端 頭的運(yùn)動軌跡、焊槍姿態(tài)、焊接參數(shù)都要求精確控制。所
23、以，弧焊機(jī)器 人應(yīng)能實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，并可以利用直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)功能焊接由 直線及圓弧所組成的空間焊縫，還應(yīng)具備不同擺動樣式的軟件功能，供 編程時(shí)選用，以便作擺動焊，而且擺動在每一周期中的停頓點(diǎn)處，機(jī)器 人也應(yīng)自動停止向前運(yùn)動，以滿足工藝要求。此外，還應(yīng)有接觸尋位、 自動尋找焊縫起點(diǎn)位置、電弧跟蹤及自動再引弧功能等。 弧焊機(jī)器人組成 1 機(jī)械手 2 工作臺 3 焊槍 4 防撞傳感器 5 送絲機(jī) 6 焊絲盤 7 氣瓶 8 焊接電源 9 電源 10 機(jī)器人控制柜 11 示教盒 弧焊工藝對機(jī)器人的基本要求 （ 1）弧焊作業(yè)均采用連續(xù)路徑控制（ CP），其定位精度應(yīng) 0
24、.5mm。 （ 2）弧焊機(jī)器人可達(dá)到的工作空間必須大于焊接所需的工作空間。 （ 3）按焊件材質(zhì)、焊接電源、弧焊方法選擇合適種類的機(jī)器人。 （ 4）正確選擇周邊設(shè)備，組成弧焊機(jī)器人工作站?；『笝C(jī)器人僅僅是柔性焊接 作業(yè)系統(tǒng)的主體，還應(yīng)有行走機(jī)構(gòu)及移動機(jī)架，以擴(kuò)大機(jī)器人的工作范圍。 同時(shí)，還應(yīng)有各種定位裝置、夾具及變位機(jī)。多自由度變位機(jī)應(yīng)能與機(jī)器人 協(xié)調(diào)控制，使焊縫處于最佳焊接位置。 （ 5）弧焊機(jī)器人應(yīng)具有防碰撞及焊槍矯正、焊縫自動跟蹤、熔透控制、焊縫始 端檢出、定點(diǎn)擺焊及擺動焊接、多層焊、清槍剪絲等相關(guān)功能。 （ 6）機(jī)器人應(yīng)具有較高的抗干擾能力和可靠性（平均無故障工作時(shí)間應(yīng)超過 2
25、000h，平均修復(fù)時(shí)間不大于 30min；在額定負(fù)載和工作速度下連續(xù)運(yùn)行 120h ，工作應(yīng)正常），并具有較強(qiáng)的故障自診斷功能（如“黏絲”、“斷弧”故 障顯示及處理等）。 （ 7）弧焊機(jī)器人示教記憶容量應(yīng)大于 5000點(diǎn)。 （ 8）弧焊機(jī)器人的抓重一般為 5-20kg，經(jīng)常選用 8kg左右。 （ 9）在弧焊作業(yè)中，焊接速度及其穩(wěn)定性是重要指標(biāo)，一般情況下焊速約取 5-50mm/s，在薄板高速 MAG焊中，焊接速度可能達(dá)到 4m/min以上。因此 ，機(jī)器人必須具有較高的速度穩(wěn)定性，在高速焊接中還對焊接系統(tǒng)中電源 和送絲機(jī)構(gòu)有特殊要求。 （ 10）由于弧焊工藝復(fù)雜，示教工作量大，現(xiàn)場示教
26、會占用大量生產(chǎn)時(shí)間，因 此弧焊機(jī)器人必須具有離線編程功能。其方法為：在生產(chǎn)線外另安裝一 臺主導(dǎo)機(jī)器人，用它模仿焊接作業(yè)的動作，然后將生成的示教程序傳送給 生產(chǎn)線上的機(jī)器人；借助計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，在顯示器 (CRT)上按焊件與 機(jī)器人的位置關(guān)系對焊接動作進(jìn)行圖形仿真，然后將示教程序傳給生產(chǎn)線 上的機(jī)器人，目前已經(jīng)有多種這方面商品化的軟件包可以使用，如 ABB公 司提供的機(jī)器人離線編程軟件 Program Maker。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，后 一種方法將越來越多地應(yīng)用于生產(chǎn)中。 弧焊機(jī)器人的焊接設(shè)備 弧焊機(jī)器人的焊接設(shè)備 主要有弧焊電源、焊槍 送絲機(jī)構(gòu)、焊接傳感器 等組成。 弧焊機(jī)器人的應(yīng)用
27、 弧焊機(jī)器人的應(yīng)用范圍 很廣，除了汽車行業(yè)之 外，在通用機(jī)械、金屬 結(jié)構(gòu)、航天、航空、機(jī) 車車輛及造船等行業(yè)都 有應(yīng)用 。 弧焊機(jī)器人實(shí)例 5.4.2 搬運(yùn)機(jī)器人 搬運(yùn)機(jī)器人（ transfer robot）是主要從事自動化搬運(yùn)作業(yè)的工 業(yè)機(jī)器人。所謂搬運(yùn)作業(yè)是指用一種設(shè)備握持工件，從一個(gè)加 工位置移到另一個(gè)加工位置。工件搬運(yùn)和機(jī)床上下料是工業(yè)機(jī) 器人的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，在工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成比例中占有較 大的比重。 搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)組成 搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)由搬運(yùn)機(jī)械手和周邊設(shè)備組成。搬運(yùn)機(jī)械手可 用于搬運(yùn)重達(dá)幾公斤至 1t以上的負(fù)載。微型機(jī)械手可搬運(yùn)輕至 幾克甚至幾毫克的樣品，用于傳
28、送超凈實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的樣品。周邊 設(shè)備包括工件自動識別裝置、自動啟動和自動傳輸裝置等。搬 運(yùn)機(jī)器人可安裝不同的末端執(zhí)行器（如機(jī)械手爪、真空吸盤及 電磁吸盤等）以完成各種不同形狀和狀態(tài)的工件搬運(yùn)工作。 搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用 最早的搬運(yùn)機(jī)器人出現(xiàn)在 1960年的美國， Versatran 和 Unimate兩種機(jī)器人首 次用于搬運(yùn)作業(yè)。八十年 代以來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家在 推廣搬運(yùn)碼垛的自動化、 機(jī)器人化方面得到了顯著 的進(jìn)展。日本、德國等國 家在大批量生產(chǎn)如機(jī)械、 家電、食品、水泥、化肥 等行業(yè)廣泛使用搬運(yùn)機(jī)器 人。 FUJIACE搬運(yùn)機(jī)器人 5.4.3 噴漆機(jī)器人 噴漆機(jī)器人是用于噴漆或噴涂其他涂
29、料的工業(yè)機(jī)器人。 噴漆機(jī)器人系統(tǒng)組成 噴漆機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成， 配有自動噴槍、供漆裝置、變更顏色裝置等噴漆設(shè)備。 噴漆機(jī)器人采用液壓驅(qū)動較多。液壓驅(qū)動的噴漆機(jī)器人還包括液 壓油源，如油泵、油箱和電機(jī)等。機(jī)器人多采用 5或 6自由度關(guān)節(jié) 式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運(yùn)動空間，并可做復(fù)雜的軌跡運(yùn)動。其腕 部一般有 2 3個(gè)自由度，可靈活運(yùn)動。較先進(jìn)的噴漆機(jī)器人腕部 采用柔性手腕，既可向各個(gè)方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動，其動作類似人 的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。 動作速度快、有良好的防爆性能，其示教方式以連續(xù)軌跡示教為 主，也可作點(diǎn)位示教。 噴
30、漆機(jī)器人系統(tǒng)組成 1 機(jī)械手 2 液壓站 3 機(jī)器人控制柜 4， 12 防爆器 5 傳送帶 6 電動機(jī) 7 測速電機(jī) 8 噴槍 9 高壓靜電發(fā)生器 10 塑粉回收裝置 11 粉桶 /高壓靜電發(fā)生器 13 電源 14 氣源 15 烘道 防爆功能的實(shí)現(xiàn) 噴漆機(jī)器人的電機(jī)、電器接線盒、電纜線等都應(yīng)密封在殼體內(nèi)， 使它們與危險(xiǎn)的易燃?xì)怏w隔離，同時(shí)配備一套空氣凈化系統(tǒng)，用 供氣管向這些密封的殼體內(nèi)不斷地運(yùn)送清潔的、不可燃的、高于 周圍大氣壓的保護(hù)氣體，以防止外界易燃?xì)怏w的進(jìn)入。機(jī)器人按 此方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)稱為通風(fēng)式正壓防爆結(jié)構(gòu)。 凈化系統(tǒng) 參數(shù)設(shè)置 噴漆機(jī)器人
31、的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)控制的噴漆機(jī)器 人早在 1975年就投入運(yùn) 用。由于能夠代替人在 危險(xiǎn)和惡劣環(huán)境下進(jìn)行 噴漆作業(yè)，所以噴漆機(jī) 器人日益廣泛應(yīng)用于汽 車車體、儀表、家電產(chǎn) 品、陶瓷和各種塑料制 品的噴涂作業(yè)。 MOTOMAN噴漆機(jī)器人在噴漆 5.4.4 裝配機(jī)器人 裝配機(jī)器人（ assembly robot）是為完成裝配作業(yè)而設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī) 器人。裝配作業(yè)的主要操作是：垂直向上抓起零部件，水平移動 它，然后垂直放下插入。通常要求這些操作進(jìn)行得既快又平穩(wěn)， 因此，一種能夠沿著水平和垂直方向移動，并能對工作平面施加 壓力的機(jī)器人是最適于裝配作業(yè)的。 裝配機(jī)器人的大量工作是軸與孔的裝配，為
32、了在軸與孔存在誤差 的情況下進(jìn)行裝配，應(yīng)使機(jī)器人具有柔順性，即自動對準(zhǔn)中心孔 的能力。與一般工業(yè)機(jī)器人相比，裝配機(jī)器人具有精度高、柔順 性好、工作范圍小、能與其他系統(tǒng)配套使用等特點(diǎn)，主要用于各 種電器制造（包括家用電器 ,如電視機(jī)、錄音機(jī)、洗衣機(jī)、電冰箱 、吸塵器）、小型電機(jī)、汽車及其部件、計(jì)算機(jī)、玩具、機(jī)電產(chǎn) 品及其組件的裝配等方面。 裝配機(jī)器人的組成 裝配機(jī)器人是柔性自動化裝配系統(tǒng)的核心設(shè)備，由機(jī)器人操作機(jī)、控制器 、末端執(zhí)行器和傳感系統(tǒng)組成。 裝配機(jī)器人的種類和特點(diǎn) 水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人 ： 由連接在機(jī)座上的兩個(gè)水平旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) (即大小臂 )、沿升 降方向運(yùn)動的直線移動關(guān)節(jié)、末
33、端手部旋轉(zhuǎn)軸共 4個(gè)自由度構(gòu)成。它是特別 為裝配而開發(fā)的專用機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)表現(xiàn)為沿升降方向的剛性高，水 平旋轉(zhuǎn)方向的剛性低，因此稱之為 SCARA ( Selective Compliance Assembly Robot Arm，平面雙關(guān)節(jié)型機(jī)器人 )機(jī)器人。它的作業(yè)空間與占地面積比很大 直角坐標(biāo)機(jī)器人 ： 具有 3個(gè)直線移動關(guān)節(jié)?？臻g定位只需要 3軸運(yùn)動，末端 姿態(tài)不發(fā)生變化。該機(jī)器人的種類繁多，從小型、廉價(jià)的桌面型到較大型 應(yīng)有盡有，而且可以設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu)以便加以組合，是一種很方便的機(jī) 器人。它的缺點(diǎn)是盡管結(jié)構(gòu)簡單，便于與其他設(shè)備組合，但與其占地面積 相比，工作空間較小。 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人 ： 通常由轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成 6自由度機(jī)器人，它 的工作空間與占地面積之比是所有機(jī)器人中最大的，控制 6自由度 就可以實(shí)現(xiàn)位置和姿態(tài)的定位，即在工作空間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)任何姿 態(tài)的動作。因此，它通常用于多方向的復(fù)雜裝配作業(yè)，以及有三 維軌跡要求的特種作業(yè)場合。 （ a） （ b） （ c） （ a）水平多關(guān)節(jié)型 （ b）直角坐標(biāo)型 （ c）垂直多關(guān)節(jié)型 裝配機(jī)器人的類型
《工業(yè)機(jī)器人》PPT課件.ppt
