工业机器人技术 第1章

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第1章 绪 论
第1章 绪 论
1.1 机器人的分类 1.2 工业机器人的应用和发展 1.3 工业机器人的基本组成及技术参数 习题
第1章 绪 论
1.1 机器人的分类
1. 按照应用类型分类 机器人按应用类型可分为工业机器人、 极限作业机器人 和娱乐机器人。 (1) 工业机器人。 工业机器人有搬运、 焊接、 装配、 喷 漆、 检查等机器人, 主要用于现代化的工厂和柔性加工系统中, 如图1.1、 图1.2所示。
第1章 绪 论 图 1.11 Unimate机器人
第1章 绪 论
这是一台用于压铸作业的五轴液压驱动机器人, 手臂的控 制由一台专用计算机完成。它采用分离式固体数控元件, 并装 有存储信息的磁鼓, 能够记忆完成180个工作步骤。
与此同时, 另一家美国公司——AMF公司也开始研制工业 机器人, 即Versatran(Versatile Transfer)机器人, 如图1.12所示。 它主要用于机器之间的物料运输, 采用液压驱动。该机器人的 手臂可以绕底座回转, 沿垂直方向升降, 也可以沿半径方向伸缩。 一般认为, Unimate和Versatran是世界上最早的工业机器人。 这两种工业机器人的控制方式与数控机床大致相似, 但外形特 征迥异, 主要由类似人的手和臂组成。
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20世纪80年代后,国家投入资金,对机器人及其零部件进 行攻关,完成了示教再现型工业机器人成套技术的开发,研制 出了喷涂、电焊、弧焊和搬运机器人。863计划实施后,成功 研制了一批特种机器人。
从20世纪90年代初期起, 我国先后研制出了点焊、弧焊、 装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等各种用途的工业机器 人, 并实施了一批机器人应用工程, 形成了一批机器人产业化基 地, 为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。
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1.3 工业机器人的基本组成及技术参数
1.3.1 工业机器人的基本组成 工业机器人由3大部分6个子系统组成。 3大部分是机械部
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(2) 材料搬运机器人。 材料搬运机器人可用来上下料、 码 垛、 卸货以及抓取零件定向等作业。 一个简单抓放作业机器 人只需较少的自由度; 一个给零件定向作业的机器人要求有更 多的自由度, 以增加其灵巧性。
(3) 检测机器人。 零件制造过程中的检测以及成品检测都 是保证产品质量的关键工序。 检测机器人主要有两个工作内 容: 确认零件尺寸是否在允许的公差内; 控制零件按质量分类。
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2) 智能机器人开发研究
这些研究主要包括: 遥控加局部自主系统构成和控制策 略研究;智能移动机器人的导航和定位技术研究; 面向遥控 机器人的虚拟现实系统;人机交互环境建模系统; 基于计算 机屏幕的多机器人遥控技术。
3) 机器人化机械研究开发
这些研究开发主要包括: 并联机构机床(VMT)与机器人 化加工中心(RMC)开发研究; 机器人化无人值守和具有自适 应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备。
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(4) 装配机器人。 装配是一个比较复杂的作业过程, 不仅要 检测装配作业过程中的误差, 而且要试图纠正这种误差。 因此, 装配机器人上应用有许多传感器, 如接触传感器、 视觉传感器、 接近传感器和听觉传感器等。
(5) 喷漆和喷涂机器人。 一般在三维表面进行喷漆和喷涂 作业时,至少要有5个自由度。由于可燃环境的存在, 驱动装置 必须防燃防爆。在大件上作业时, 往往把机器人装在一个导轨 上, 以便行走。
第1章 绪 论 图 1.8 火星探险者
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1.2 工业机器人的应用和发展
1.2.1 工业机器人的应用
工业机器人最早应用于汽车制造工业, 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、有毒、低温和高热等恶劣 环境中的工作; 代替人完成繁重、单调的重复劳动, 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(FMS)和 计算机集成制造系统(CIMS), 实现生产自动化。
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日本的机器人技术从美国引进吸收,在解决劳动力不足、 提高生产率、改进产品质量和降低生产成本方面,机器人发挥 这越来越显著的作用。日本推动 机器人发展的主要原因是向海 外发展的日本企业数量逐渐增加,同事海外的汽车制造商也开 始积极地引进日本的机器人。
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2. 我国工业机器人的发展状况
2. 按照控制方式分类 机器人按控制方式可分为操作机器人、 程序机器人、 示 教再现机器人、 智能机器人和综合机器人。 (1) 操作机器人。 操作机器人的典型代表是在核电站处理 放射性物质时远距离进行操作的机器人。 在这种场合, 相当于 人手操纵的部分称为主动机械手, 而从动机械手基本上与主动 机械手类似, 只是从动机械手要比主动机器手大一些, 作业时 的力量也更大。
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2) 特殊作业场合和极限作业
火山探险、 深海探密和空间探索等领域对于人类来说是 力所不能及的, 只有机器人才能进行作业。 如图1.10所示的航 天飞机上用来回收卫星的操作臂RMS(Remote Manipulator System), 它是由加拿大SPAR航天公司设计并制造的, 是世 界上最大的关节式机器人。 该操作臂额定载荷为15 000 kg, 最 大载荷为30 000 kg; 末端操作器的最大速度空载时为 0.6 m/s,
燃料自动交换机的主要结构如图1.9所示, 它是由机上操作 台、 辅助提升机、 台架、 空中吊运机、 主提升机、 燃料夹 持器等组成的; 采用了计算机控制方式, 可依据操作人员的运 转指令, 完成自动运转、半自动运转和手动运转模式下的燃料 交换。 这种装置的主要特征是: ① 可以在远距离的操作室中 全自动运转; ② 精密的多重圆筒立柱可提高定位精度; ③ 利用 计算机可以控制系统高速运转, 防止误操作。 这种交换机的使 用不仅提高了效率, 降低了对操作人员的辐射, 而且由计算机控 制的操作自动化可以提高作业的安全性。
蛟龙号载人潜水器
Байду номын сангаас
第1章 绪 论 图 1.4 火星探测机器人
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(3) 娱乐机器人。娱乐机器人包括弹奏乐器的机器人、 舞 蹈机器人、 玩具机器人等(具有某种程度的通用性), 也有根据 环境而改变动作的机器人, 如图1.5、 图1.6所示。
图 1.5 宠物机器狗
图 1.6 机器男孩
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4) 以机器人为基础的重组装配系统
这些系统主要包括:开放式模块化装配机器人;面向机器 人装配的设计技术;机器人柔性装配系统设计技术;重构机器 人柔性装配系统设计技术;装配力觉、视觉技术;智能装配策 略及其控制技术。
5) 多传感器信息融合与配置技术
该技术主要包括:机器人的传感器配置和融合技术在水泥 生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用;机电一体化 智能传感器的设计应用。
第1章 绪 论 图 1.12 Versatran机器人
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表 1.1 工 业 机 器 人 的 发 展 历 史
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第1章 绪 论
虽然美国走过一条重视理论研究,忽视应用开发研究的曲 折道路,但美国的机器人技术一直处于世界领先水平,具体体 现在:
(1)性能可靠,功能全面,精确度高; (2)机器人语言研究发展较快,语言类型多、应用广,水 平高居世界之首; (3)智能技术发展快,其视觉、触觉等人工智能技术已在 航天、汽车工业中广泛应用; (4)高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅 速。
第1章 绪 论 图 1.1 弧焊机器人
第1章 绪 论 图 1.2 汽车焊接生产线上的机器人
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(2) 极限作业机器人。 极限作业机器人主要是指在人们 难以进入的核电站、 海底、 宇宙空间进行作业的机器人, 也 包括建筑、 农业机器人等, 如图1.3、图1.4所示。
图 1.3 排爆机器人
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1.2.2 工业机器人的发展
1. 全球机器人的发展状况
1954年,美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念, 借助 伺服技术控制机器人的关节, 利用人手对机器人进行动作示教, 机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器 人, 现有的机器人差不多都采用这种控制方式。
1958 年 , 被 誉 为 “ 工 业 机 器 人 之 父 ” 的 Joseph F.Engel Berger 创 建 了 世 界 上 第 一 个 机 器 人 公 司 ——Unimation (Universal Automation)公司, 并参与设计了第一台Unimate 机 器人, 如图1.11所示。
承载15 000 kg时为0.06 m/s, 承载30 000 kg时为0.03 m/s; 定 位精度为±0.05 m。这些额定参数是在外层空间抓放飞行体时 的参数。
第1章 绪 论 图 1.10 航天飞机上的操作臂
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3) 自动化生产领域 早期的工业机器人在生产上主要用于机床上下料、 点焊 和喷漆。 随着柔性自动化的出现, 机器人在自动化生产领域 扮演了更重要的角色。 现举例如下: (1) 焊接机器人。 汽车制造厂已广泛应用焊接机器人进 行承重大梁和车身结构的焊接。 弧焊机器人需要6个自由度, 其中3个自由度用来控制焊具跟随焊缝的空间轨迹, 另外3个自 由度保持焊具与工件表面有正确的姿态关系, 这样才能保证良 好的焊缝质量。
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图 1.7 机器人示教 (a) 手把手示教; (b) 有线示教; (c) 无线示教
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(4) 智能机器人。 智能机器人不仅可以进行预先设定的动 作, 还可以按照工作环境的变化改变动作。
(5) 综合机器人。 综合机器人是由操作机器人、 示教再现 机器人、 智能机器人组合而成的机器人, 如火星机器人。 1997 年7月4日, “火星探险者(Mars Pathfinder)”在火星上着陆, 着陆 体是四面体形状, 着陆后三个盖子的打开状态如图1.8所示。 它 在能上、 下、 左、右动作的摄像机平台上装有两台CCD摄像 机, 通过立体观测而得到空间信息。 整个系统可以看做是由地 面指令操纵的操作机器人。
我校机器人中心是国家863项目喷浆机器人的产业化基地。
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目前我国机器人研究的主要内容如下:
1) 示教再现型工业机器人产业化技术研究
这些研究主要包括: 关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷 涂机器人产品的标准化、通用化、模块化、 系列化设计;柔 性仿形喷涂机器人开发;焊接机器人产品的标准化、通用化、 模块化、系列化设计;弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的 开发;焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真; 电子行业用装配机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化 设计; 批量生产机器人所需的专用制造、装配、测试设备和 工具的研究开发。
我国工业机器人起步于20世纪70年代初期, 经过30多年的 发展, 大致经历了3个阶段: 70年代的萌芽期, 80年代的开发期 和90年代的适用化期。
20世纪70年代是世界科技发展的一个里程碑: 人类登上了 月球, 实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。 世界范围内工业机器人的应用掀起了一个高潮,尤其在日本 发展更为迅猛, 它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下, 我国于1972年开始研制自己的工业机器人。
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(2) 程序机器人。 程序机器人按预先给定的程序、 条件、 位置进行作业, 目前大部分机器人都采用这种控制方式工作。
(3) 示教再现机器人。 示教再现机器人同盒式磁带的录放 一样, 将所教的操作过程自动记录在磁盘、 磁带等存储器中, 当需要再现操作时, 可重复所教过的动作过程。 示教方法有手 把手示教、 有线示教和无线示教, 如图1.7所示。
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1) 恶劣工作环境及危险工作 压铸车间及核工业等领域的作业是一种有害于健康并可 能危及生命, 或不安全因素很大而不宜于人去从事的作业, 此 类工作由工业机器人做是最适合的。 图1.9所示为核工业上沸 腾水式反应堆(BWR)燃料自动交换机。
第1章 绪 论 图 1.9 燃料自动交换机
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