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确定只需再加一个独立变量———手部绕自身轴线（Ｏ3—Ｃ）的旋转φ3 。

机器人的自由度越多，就越能接近人手的动作机能，通用性就越好；但是自由度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。

目前通用的工业机器人大多为３～６个自由度。

2、机器人语言机器人编积语胃是人与机器人迟行对话的工具及通讯的接口。

目前有三种机器人编程方法。

（1）示教编程示教编程用于示教再现型机器人中，它是目前大多数工业机器人的编程方式，在机器人作业现场进行。

所谓示教编程，即操作者根据机器人作业的需要把机器人末端执行器送到目标位置，且处于相应的姿态，然后把这一位置、姿态所对应的关节角度信息记录到存储器保存。

对机器人作业空间的各点重复以上操作，就把整个作业过程记录下来，再通过适当的软件系统，自动生成整个作业过程的程序代码，这个过程就是示教过程。

（2）离线编程离线编程是在专门的软件环境支持下用专用或通用程序在离线情况下进行机器人轨迹规划编程的一种方法。

离线编程程序通过支持软件的解释或编译产生目标程序代码，最后生成机器人路径规划数据。

一些离线编程系统带有仿真功能，这使得在编程时就解决了障碍干涉和路径优化问题。

这种编程方法与数控机床中编制数控加工程序非常类似。

离线编程的发展方向是自动编程。

（3）机器人语言编程机器人语言编程即用专用的机器人语言来描述机器人的动作轨迹。

它不但能准确地描述机器人的作业动作，而且能描述机器人的现场作业环境，如对传感器状态信息的描述，更进一步还能引入逻辑判断、决策、规划功能及人工智能。

机器人编程语言具有良好的通用性，同一种机器人语言可用于不同类型的机器人，也解决了多台机器人协调工作的问题。

机器人的工作原理是一个比较复杂的问题。

简单来说，其原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。

其实质为由外部传感器引导，带动一个或多个末端执行器，通过可编程运动，自动的实现手部作业的动作功能及技术要求。

从控制的角度，可分为四种方式。

1）“示教再现”方式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教机械手如何动作，控制器将示教过程记录下来，然后机器人按照记忆周而复始的重复示教动作2）“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。

大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。

3）“遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项任务。

如防暴排险机器人、军用机器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。

4）“自主控制”方式：是机器人控制中最高级、最复杂的控制方式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为。

四、在铸造中的应用工业机器人最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运：工业机器人延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人从事危险、有害、有意、低温和高热等筋劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。

工业机器人与数控加工中心，自动搬运小车以及自动检测系统可组成柔性制造系统(FM5)和计算机集成制造系统(CIMS)，实现生产自动化。

随着工业机器人技术的发展，其应用已打展到宇宙探索、深海开发、核科学研究和医疗福利领域。

在此主要讨论在铸造方面的应用。

机器人在铸造业中的应用首先是从压力铸造开始的。

最早的有记录的机器人应用是1961年，在美国福特公司的一个铸造厂中作为一台压铸机的辅助设备。

它的主要优点是能够保证操作者的安全，并能预测产量和保证零件质量。

随着机器人技术和工业技术的发展，对生产过程提出了更高的要求，尤其是操作过程的柔性化。

工业机器人的真正的潜力正在逐渐被认识。

机器人比专用设备更经济的关键原因是它具有执行各种任务的能力。

在压铸行业中，机器人可以完成诸如将金属型放入压铸机，从压铸机中取出铸件、切除浇口、去毛刺以及装配等各项任务。