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工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)分析

2017-09-29 | rar | 0.5 MB | 次下載 | 1積分

資料介紹

  此文將工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)、驅(qū)動及技術(shù)指標描述很為詳盡,值得細看!

  一、常用運動學構(gòu)形

  1.笛卡爾操作臂

  優(yōu)點:很容易通過計算機控制實現(xiàn),容易達到高精度。缺點:妨礙工作, 且占地面積大, 運動速度低, 密封性不好。

  焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標、噴碼、打碼、(軟仿型)噴涂、目標跟隨、排爆等一系列工作;

  特別適用于多品種,便批量的柔性化作業(yè),對于穩(wěn)定,提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高勞動生產(chǎn)率,改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代有著十分重要的作用。

  2.鉸鏈型操作臂(關(guān)節(jié)型)

  關(guān)節(jié)機器人的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的, 類似于人的手臂,工業(yè)機器人中最常見的結(jié)構(gòu)。它的工作范圍較為復雜。

  汽車零配件、模具、鈑金件、塑料制品、運動器材、玻璃制品、陶瓷、航空等的快速檢測及產(chǎn)品開發(fā);

  車身裝配、通用機械裝配等制造質(zhì)量控制等的三坐標測量及誤差檢測;

  古董、藝術(shù)品、雕塑、卡通人物造型、人像制品等的快速原型制作;

  汽車整車現(xiàn)場測量和檢測;

  人體形狀測量、骨骼等醫(yī)療器材制作、人體外形制作、醫(yī)學整容等。

  

  3.SCARA操作臂

  SCARA機器人常用于裝配作業(yè), 最顯著的特點是它們在x-y平面上的運動具有較大的柔性, 而沿z軸具有很強的剛性, 所以, 它具有選擇性的柔性。這種機器人在裝配作業(yè)中獲得了較好的應用。

  大量用于裝配印刷電路板和電子零部件;

  搬動和取放物件,如集成電路板等;

  廣泛應用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域;

  搬取零件和裝配工作。

  

  4.球面坐標型操作臂

  特點:中心支架附近的工作范圍大,兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封,覆蓋工作空間較大。但該坐標復雜, 難于控制,且直線驅(qū)動裝置存在密封的問題。

  

  5.圓柱面坐標型操作臂

  優(yōu)點:且計算簡單;直線部分可采用液壓驅(qū)動,可輸出較大的動力; 能夠伸入型腔式機器內(nèi)部。

  缺點:它的手臂可以到達的空間受到限制, 不能到達近立柱或近地面的空間;直線驅(qū)動部分難以密封、防塵; 后臂工作時, 手臂后端會碰到工作范圍內(nèi)的其它物體。

  

  6.冗余機構(gòu)

  通常空間定位需要6個自由度,利用附加的關(guān)節(jié)可以幫助機構(gòu)避開奇異位形。下圖為7自由度操作臂位形。

  

  7.閉環(huán)結(jié)構(gòu)

  閉環(huán)結(jié)構(gòu)可以提高機構(gòu)剛度,但會減小關(guān)節(jié)運動范圍,工作空間有一定減小。

  運動模擬器;

  并聯(lián)機床;

  微操作機器人;

  力傳感器

  生物醫(yī)學工程中的細胞操作機器人、可實現(xiàn)細胞的注射和分割;

  微外科手術(shù)機器人;

  大型射電天文望遠鏡的姿態(tài)調(diào)整裝置;

  混聯(lián)裝備等,如SMT公司的Tricept混聯(lián)機械手模塊是基于并聯(lián)機構(gòu)單元的模塊化設(shè)計的成功典范。

  

  工業(yè)機器人的幾種常用結(jié)構(gòu)形式(圖):

  

  二、機器人的主要技術(shù)參數(shù)

  機器人的技術(shù)參數(shù)反映了機器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況,是設(shè)計、應用機器人必須考慮的問題。機器人的主要技術(shù)參數(shù)有自由度、分辨率、工作空間、工作速度、工作載荷等。

  1.自由度

  機器人具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目。 機器人的自由度是指確定機器人手部在空間的位置和姿態(tài)時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。手指的開、合,以及手指關(guān)節(jié)的自由度一般不包括在內(nèi)。。機器人的自由度數(shù)一般等于關(guān)節(jié)數(shù)目。 機器人常用的自由度數(shù)一般不超過5~6個。

  2.關(guān)節(jié)(Joint)

  即運動副,允許機器人手臂各零件之間發(fā)生相對運動的機構(gòu)。

  

  3.工作空間

  機器人手臂或手部安裝點所能達到的所有空間區(qū)域。其形狀取決于機器人的自由度數(shù)和各運動關(guān)節(jié)的類型與配置。機器人的工作空間通常用圖解法和解析法兩種方法進行表示。

  4.工作速度

  機器人在工作載荷條件下、勻速運動過程中,機械接口中心或工具中心點在單位時間內(nèi)所移動的距離或轉(zhuǎn)動的角度。

  5.工作載荷

  指機器人在工作范圍內(nèi)任何位置上所能承受的最大負載,一般用質(zhì)量、力矩、慣性矩表示。 還和運行速度和加速度大小方向有關(guān),一般規(guī)定高速運行時所能抓取的工件重量作為承載能力指標。

  6.分辨率

  能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。

  7.精度

  重復性或重復定位精度:指機器人重復到達某一目標位置的差異程度。或在相同的位置指令下,機器人連 續(xù)重復若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度,即重復度。

  

  三、機器人常用材料

  1.碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼 這類材料強度好,特別是合金結(jié)構(gòu)鋼,其強度增大了4~5倍,彈性模量E大,抗變形能力強,是應用最廣泛的材料。

  2.鋁、鋁合金及其他輕合金材料 這類材料的共同特點是重量輕,彈性模量E并不大,但是材料密度小,故E/ρ之比仍可與鋼材相比。有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善,例如添加3.2%(重量百分比)鋰的鋁合金,彈性模量增加了14%,E/ρ比增加了16%。

  3.纖維增強合金 這類合金如硼纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金等,其E/ρ比分別達到11.4×107和8.9×107。這種纖維增強金屬材料具有非常高的E/ρ比,但價格昂貴。

  4.陶瓷 陶瓷材料具有良好的品質(zhì),但是脆性大,不易加工,日本已經(jīng)試制了在小型高精度機器人上使用的陶瓷機器人臂樣品。

  5.纖維增強復合材料 這類材料具有極好的E/ρ比,而且還具有十分突出的大阻尼的優(yōu)點。傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼,所以在高速機器人上應用復合材料的實例越來越多。

  6.粘彈性大阻尼材料 增大機器人連桿件的阻尼是改善機器人動態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法用來增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼,其中最適合機器人采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對原構(gòu)件進行約束層阻尼處理。

  四、機器人主要結(jié)構(gòu)

  

  機器人驅(qū)動裝置

  概念:要使機器人運行起來, 需給各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置 作用:提供機器人各部位、各關(guān)節(jié)動作的原動力。

  驅(qū)動系統(tǒng):可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動, 或者把它們結(jié)合起來應用的綜合系統(tǒng); 可以是直接驅(qū)動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構(gòu)進行間接驅(qū)動。

  1.電動驅(qū)動裝置

  電動驅(qū)動裝置的能源簡單,速度變化范圍大,效率高,速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián),直接驅(qū)動比較困難。

  電動驅(qū)動裝置又可分為直流(DC)、交流(AC伺服電機驅(qū)動和步進電機驅(qū)動。 直流伺服電機電刷易磨損,且易形成火花。無刷直流電機也得到了越來越廣泛的應用。 步進電機驅(qū)動多為開環(huán)控制,控制簡單但功率不大,多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。

  電動上電運行前要作如下檢查:

  電源電壓是否合適(過壓很可能造成驅(qū)動模塊的損壞); 對于直流輸入的+/-極性一定不能接錯,驅(qū)動控制器上的電機型號或電流設(shè)定值是否合適(開始時不要太大);

  控制信號線接牢靠,工業(yè)現(xiàn)場最好要考慮屏蔽問題(如采用雙絞線);

  一定要搞清楚接地方法,還是采用浮空不接。

  開始運行的半小時內(nèi)要密切觀察電機的狀態(tài),如運動是否正常,聲音和溫升情況,發(fā)現(xiàn)問題立即停機調(diào)整。

  2.液壓驅(qū)動

  通過高精度的缸體和活塞來完成,通過缸體和活塞桿的相對運動實現(xiàn)直線運動。

  優(yōu)點:功率大,可省去減速裝置直接與被驅(qū)動的桿件相連,結(jié)構(gòu)緊湊,剛度好,響應快,伺服驅(qū)動具有較高的精度。

  缺點:需要增設(shè)液壓源,易產(chǎn)生液體泄漏,不適合高、低溫場合,故液壓驅(qū)動目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。

  選擇適合的液壓油。 防止固體雜質(zhì)混入液壓系統(tǒng),防止空氣和水入侵液壓系統(tǒng) 。機械作業(yè)要柔和平順機械作業(yè)應避免粗暴,否則必然產(chǎn)生沖擊負荷,使機械故障頻發(fā),大大縮短使用壽命。要注意氣蝕和溢流噪聲。作業(yè)中要時刻注意液壓泵和溢流閥的聲音,如果液壓泵出現(xiàn)“氣蝕”噪聲,經(jīng)排氣后不能消除,應查明原因排除故障后才能使用。 保持適宜的油溫。液壓系統(tǒng)的工作溫度一般控制在30~80℃之間為宜。

  3.氣壓驅(qū)動

  氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單,清潔,動作靈敏,具有緩沖作用。 。但與液壓驅(qū)動裝置相比,功率較小,剛度差,噪音大,速度不易控制,所以多用于精度不高的點位控制機器人。

  具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,維修方便、價格低等特點。適于在中、小負荷的機器人中采用。但因難于實現(xiàn)伺服控制,多用于程序控制的機械人中,如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。

  在多數(shù)情況下是用于實現(xiàn)兩位式的或有限點位控制的中、小機器人中的。

  控制裝置目前多數(shù)選用可編程控制器(PLC控制器)。在易燃、易爆場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置。

  直線傳動機構(gòu)

  傳動裝置是連接動力源和運動連桿的關(guān)鍵部分,根據(jù)關(guān)節(jié)形式,常用的傳動機構(gòu)形式有直線傳動和旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)。

  直線傳動方式可用于直角坐標機器人的X、Y、Z向驅(qū)動,圓柱坐標結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動和垂直升降驅(qū)動,以及球坐標結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動。

  直線運動可以通過齒輪齒條、絲杠螺母等傳動元件將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動,也可以有直線驅(qū)動電機驅(qū)動,也可以直接由氣缸或液壓缸的活塞產(chǎn)生。

  1.齒輪齒條裝置

  通常齒條是固定的。齒輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成托板的直線運動。

  優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單。

  缺點:回差較大。

  2.滾珠絲杠

  在絲杠和螺母的螺旋槽內(nèi)嵌入滾珠,并通過螺母中的導向槽使?jié)L珠能連續(xù)循環(huán)。

  優(yōu)點:摩擦力小,傳動效率高,無爬行,精度高

  缺點:制造成本高,結(jié)構(gòu)復雜。

  自鎖問題:理論上滾珠絲杠副也可以自鎖,但是實際應用上沒有使用這個自鎖的,原因主要是:可靠性很差,或加工成本很高;因為直徑與導程比非常大,一般都是再加一套蝸輪蝸桿之類的自鎖裝置。

  旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)

  采用旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)的目的是將電機的驅(qū)動源輸出的較高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成較低轉(zhuǎn)速,并獲得較大的力矩。機器人中應用較多的旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)有齒輪鏈、同步皮帶和諧波齒輪。

  1.齒輪鏈

  轉(zhuǎn)速關(guān)系

  力矩關(guān)系

  2.同步皮帶

  同步帶是具有許多型齒的皮帶,它與同樣具有型齒的同步皮帶輪相嚙合。工作時相當于柔軟的齒輪。

  優(yōu)點:無滑動,柔性好,價格便宜,重復定位精度高。

  缺點:具有一定的彈性變形。

  3.諧波齒輪

  諧波齒輪由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個主要零件組成,一般剛性齒輪固定,諧波發(fā)生器驅(qū)動柔性齒輪旋轉(zhuǎn)。 主要特點:

  傳動比大,單級為50—300。

  傳動平穩(wěn),承載能力高。

  傳動效率高,可達70%—90%。

  傳動精度高,比普通齒輪傳動高3—4倍。

  回差小,可小于3’。

  不能獲得中間輸出,柔輪剛度較低。

  諧波傳動裝置在機器人技術(shù)比較先進的國家已得到了廣泛的應用。僅就日本來說,機器人驅(qū)動裝置的60%都采用了諧波傳動。

  美國送到月球上的機器人,其各個關(guān)節(jié)部位都采用諧波傳動裝置,其中一只上臂就用了30個諧波傳動機構(gòu)。

  前蘇聯(lián)送入月球的移動式機器人“登月者”,其成對安裝的8個輪子均是用密閉諧波傳動機構(gòu)單獨驅(qū)動的。 。德國大眾汽車公司研制的ROHREN、GEROT R30型機器人和法國雷諾公司研制的VERTICAL 80型機器人等都采用了諧波傳動機構(gòu)。

  

  機器人傳感系統(tǒng)

  1.感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成, 用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息

  2.智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。

  3.智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。

  4.對于一些特殊的信息, 傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。

  機器人位置檢測

  旋轉(zhuǎn)光學編碼器是最常用的位置反饋裝置。光電探測器把光脈沖轉(zhuǎn)化成二進制波形。軸的轉(zhuǎn)角通過計算脈沖數(shù)得到,轉(zhuǎn)動方向由兩個方波信號的相對相位決定。

  感應同步器輸出兩個模擬信號——軸轉(zhuǎn)角的正弦信號和余弦信號。軸的轉(zhuǎn)角由這兩個信號的相對幅值計算得到。感應同步器一般比編碼器可靠,但它的分辨率較低。

  電位計是最直接的位置檢測形式。它連接在電橋中,能夠產(chǎn)生與軸轉(zhuǎn)角成正比的電壓信號。但是,由于分辨率低、線性不好以及對噪聲敏感。

  轉(zhuǎn)速計能夠輸出與軸的轉(zhuǎn)速成正比的模擬信號。如果沒有這樣的速度傳感器,可以通過對檢測到的位置相對于時間的差分得到速度反饋信號。

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