工业机器人在铸造中的应用..

课程论文

题目工业机器人在铸造中的应用学院材料学院

专业材料成型及控制工程

班级

组员

（排名不分先后）

2013 年 5 月9 日

工业机器人在铸造中应用

一、历史与发展 (2)

二、基本机构组成 (3)

三、工作原理 (4)

四、在铸造中的应用 (6)

一、历史与发展

工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展,是最先产业化的机器人技术。工业机器人是精密机械技术和微电广技术相结合的机电一体化产品，它在工厂自动化和柔性生产系统中起着关键作用。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

一般来说，工业机器人的显著特点有以下四个方面：

(1)仿人功能。工业机器人通过各种传感器感知工作环境，达到自适应能力。在功能上模仿人的腰、臂、手腕、手抓等部位达到工业自动化的目的。

2)可编程。工业机器人作为柔性制造系统的重要组成部分，可编程能力是其对适应工作环境改变能力的一种体现。

(3)通用性。工业机器人一般分为通用与专用两类。通用工业机器人只要更换不同的末端执行器就能完成不同的工业生产任务。

(4)良好的环境交互性。智能工业机器人在无人为干预的条件下，对工作环境有自适应控制能力和自我规划能力。

工业机器人的发展过程可分为三个阶段：

第一代机器人就是目前工业中大量使用的“示教再现”机器人，主要由夹持器、手臂、驱动器和控制器组成。示教内容为机器人操作机构的空间轨迹，作业条件，作业顺序等。示教方法可以是操作者“手把手”直接做，或与计算机编程结合．通过示教存储信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作．广泛用于上下料、焊接、喷漆和搬运。

第二代机器人是带感觉的机器人。能获取作业环境，操作对象的简单信息，通过计算机处理和分析，对外界信息进行反馈，采用自适应控制，从90年代起进入实用阶段。

第三代机器人即智能机器人，是指只有适应性的自治机器人，能理解指示命令，感知环境，识别对象．具有知识库和专家系统，在作业环境中能独立工作，目前还处于实验阶段。

其未来的发展趋势是：

(1)提高运动速度和动作精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块组合化：将机器人的回转、伸缩、俯仰利摆动等各种功能的机械模块和控制模块、检测模块组合成结构和用途不同的机器人；

(2)开发新型结构，如开发微动机构保证动作精度；开发多关节、多自由度的手臂和手指；研制新型的行走机构，以适应各种作业需要。

(3)研制各种传感检测装置，如视觉、触觉、听觉和测距传感器等，用传感器获取有关工作对象和外部环境信息，来完成模式识别，并采用专家系统进行问题求

解．动作规划，采用微机控制。机器人可代替人完成重复的、繁琐的或危险的劳动，组成单机自动化或自动生产线，提高劳动生产率。工业机器人已广泛应用于焊接、喷漆、装配、核能、医疗和搬运等工作领域。

二、基本机构组成

工业机器人由三大部分、六个子系统组成。三大部分是：机械本体、传感器部分和控制部分。六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感知系统、机器人—环境交互系统、人机交互系统以及控制系统。如图1所示。

图1 机器人的基本组成

1、驱动系统

驱动系统主要指驱动机械系统的驱动装置。根据驱动源的不同，驱动系统可分为电动、液压、气动三种以及把它们结合起来应用的综合系统。驱动系统可以与机械系统直接相连，也可通过同步带、链条、齿轮、谐波传动装置等与机械系统间接相连。

2、机械系统

机械系统又称操作机或执行机构系统，它由一系列连杆、关节或其他形式的运动副所组成。机械系统通常包括机座、立柱、腰关节、臂关节、腕关节和手爪等，构成一个多自由度的机械系统。工业机器人的机械结构系统由机身、手臂、末端执行器三大件组成。每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。若机身具备行走机构便构成行走机器人；若机身不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端执行器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是两手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊枪等作业工具。

3、感知系统

感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状

态中有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平。人类的感知系统对感知外部世界的信息是极其灵巧的，然而对于一些特殊的信息，传感器比人类的感知系统更有效。

4、控制系统

控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构完成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。控制系统根据控制原理可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统；根据控制运动的形式可分为点位控制和轨迹控制。

5、机器人—环境交互系统

工业机器人环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。工业机器人可与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备及多个零件存储装置等集成为一个执行复杂任务的功能单元。

6、人机交互系统

人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置，例如，计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板及危险信号报警器等。归纳起来人机交互系统可分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。

三、工作原理

１、机器人的运动

机器人的机械结构在各种驱动、传动装置及控制系统的协同配合下，在确定的空间范围内运动。一般情况下，机器人的运动范围是指手部以及工件（或工具）在空间的运动范围和所能达到的位置。而手部在空间的位置，是由臂部、腕部以及整机各自独立运动的合成来确定的。例如，图２所示的机器人，臂部在Ｘ—Ｏ1—Ｙ面内有三个独立运动———升降（L1）、伸缩（L2）和转动（φ1）；腕部在Ｙ—Ｏ1—Ｚ面内有一个独立的运动———转动（φ2）。

图２五自由度机器人简图

图２所示的机器人手部轴线在Ｘ—Ｏ1—Ｙ面内，所以整个手部位置的最后