第1章 绪论
工业机器人的定义
定义,四个共同特征
共同特征:结构化、通用性、智能化
工业机器人的分类
按技术水平分类的三代机器人及其特点,按构型分类的机器人类别及特点
表格 1按工业机器人的技术等级划分
第n代工业机器人 |
分类 |
特点 |
1 |
示教再现型机器人 (计算智能型) |
第一代工业机器人主要采取“示教-再现”编程方式,能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业,示教可由操作员手把手进行或通过示教器完成。工业机器人的传统使用方式,当前主流。 |
2 |
感知型机器人 (感知智能型) |
第二代工业机器人具有环境感知装置,能在一定程度度上适应环境的变化,具有对某些外界信息进行反馈调整的能力,构成人-机-物控制闭环。目前已经进入应用阶段。 |
3 |
智能型机器人 (认知智能型) |
第三代工业机器人具有发现问题,并且能自主地解决问题的能力,具有高度的适应性和自治能力,尚处于实验研究阶段。 |
按工业机器人的应用领域划分
工业机器人的发展现状和趋势
两条路径,三种模式,国外四大,国产机器人和国外机器人相比的差距所在
国内四大机器人企业:
- 沈阳新松(SIASUN)
- 广州数控(GSK)
- 芜湖埃夫特(Efort)
- 南京埃斯顿(Estun)
国产机器人与进口机器人尚有差距:
1)自主创新能力不强,缺乏核心零部件研发技术;
2)中低端技术水平,高端很少,集成为主;
3)产业链条亟待充实与规范。民营为主,企业成本压力大,产能规模和应用平台受限;
4)自主品牌认可度不高;
5)专业人才流失严重。
图表 1 工业机器人企业的人才需求
第2章 机电一体化结构
工业机器人产业链组成
上中下游划分,核心部件组成
中游操作机(本体)
机器人组成的三大件,本体组成,手臂构型分类及特点,手腕构型分类
上游核心零部件(驱动和传动)
驱动方式分类,气液电三种驱动的特点和比较,不同电机的比较
图表 1三种驱动方式特点比较
图表 1不同电机的比较
交流电机 |
一般无刷,散热性能好,有额定转速(与频率相关) |
直流有刷电机 |
价格更贵,由于刷的原因寿命低,惯性大,有盘式和空心杯两种 |
直流无刷电机 |
开关直流波形(PWM调速,转速和占空比有关),平均电压低。应用非常广泛 |
步进电机 |
² 将数字脉冲转化为机械位移,一个脉冲信号对应一个步进,因此机械位移和脉冲数量严格对应; ² 开环控制,无需反馈(伺服),整步/半步调速,寿命长,价格低,但除桌面机器人外很少用于工业机器人; ² 低速时振动大,噪声大;负载过大或转速超限时丢步。 |
舵机 |
舵机即低端伺服电机。主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机,经由电路板上的IC判断转动方向,再驱动无核心马达开始转动,透过减速齿轮将动力传至摆臂,同时由位置检测器送回讯号,判断是否已经到达定位。多用于小型或玩具机器人。 |
直线电机 |
把电能直接转化为直线机械运动能量的装置。电机是一种执行装置,是执行器的一种。 |
伺服电机vs. 步进电机 |
² 伺服电机包括交流电机、有/无刷直流电机等,通过提供位置和速度反馈,为闭环控制,可提高控制精度 ² 步进电机无反馈,为开环控制,易丢步,精度低,可靠差 |
减速机概念和作用,谐波、RV两种常用机器人减速机的特点、用途和比较
减速机两大作用:
- 将高转速、低扭矩的电机侧输入转化为低转速、大扭矩的连杆侧输出,即:
- 在减速同时降低负载的惯量,惯量减少为减速比的平方。
常见减速器分类:
- 谐波减速器(Harmonic reducer)
- RV减速器(RV reducer)
- 行星齿轮减速器(Planetary gear reducer)
- 蜗轮蜗杆减速器(NMRV)
- 摆线针轮减速器(Cycloidal gear reducer)
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特点 |
结构 |
工作原理 |
品牌 |
谐波减速器 |
体积小,重量轻,减速比大(70~500),传动效率大(70%以上),但刚度不够,惯量大。多用于搬运等中小型机器人。 |
柔轮的齿数比钢轮的齿数少两个齿。随着谐波发生器的转动,柔轮与钢轮的齿依次啮合,从转过相同齿数的中心角来说,柔轮比钢轮大,于是柔轮相对于钢轮沿着谐波发生器的反方向作微小的转动。例如,齿数为100的钢轮与齿数为98的柔轮组合,每一周会产生2/100的转动差,从而得到大的减速比。 |
波发生器转动一周时,柔轮向相反方向转过两个齿的角度 |
² 国外:日本哈默纳克(Harmonic Drive, HD),德国Harmonic Drive Polymer(GmbH);
² 国内:苏州绿的、北京谐波研究所、中技克美、众合天成 |
RV减速器 |
在传统针摆行星传动的基础上发展出来,较谐波传动具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命,且回差精度稳定,高精度传动(特别是大型的焊接或搬运机器人)多采用RV减速器,有逐渐取代谐波减速器的趋势。 |
由一级行星轮系再串联一级摆线针轮减速器组合而成。输入轴转动一周,摆线轮移动了1个齿,摆线轮的齿数就是速比。 |
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² 国外:日本Nabtesco(纳博特斯克,原帝人),日本住友,村田机械;
² 国内:秦川机床、浙江恒丰泰。 |
RV减速机目前是工业机器人上应用的主流减速机类型,其次是谐波减速机!!
末端执行器机构
末端执行器分类,TCP概念及特点
图表 2 末端执行器按用途分类
TCP标定问题:
默认工业机器人工具手坐标系的原点位于法兰中心,对于接装了不同末端执行器的工业机器人,在使用中首先需要进行TCP(Tool center point, 工具手中心点)标定,即确定新的工具坐标系相对于世界坐标系的变换关系。
工业机器人的技术指标
几大技术指标的定义、内涵和特点
技术指标:自由度、工作空间、额定负载、最大工作速度、最大工作范围、精度。
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