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工業(yè)機器人的特點及應用簡介

機器人的定義及分類

　　機器人按ISO8373定義為：位置可以固定或移動，能夠實現(xiàn)自動控制姚锥、可重復編程询崇、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個或3個以上自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動化設備凉逛。這里自由度就是指可運動或轉動的軸性宏。工業(yè)機器人按其結構形式及編程坐標系主要分類為關節(jié)型機器人、移動機器人状飞、水下機器人和直角坐標機器人等毫胜。按主要功能特征及應用分為移動機器人、水下機器人昔瞧、潔凈機器人指蚁、直角坐標機器人、焊接機器人自晰、手術機器人和機器人等凝化。機器人學涉及到機器人結構，機器人視覺酬荞，機器人運動規(guī)劃搓劫，機器人傳感器，機器人通訊和人工智能等許多方面混巧，不同用處的機器人涉及到不同的學科枪向，下面僅對這些機器人的結構和應用進行簡單介紹：

　　關節(jié)型機器人

　　關節(jié)型機器人的結構類同人的手臂，由幾個轉動軸猎蚀，擺動軸和手爪等6~7個自由度組成糠牍。生產(chǎn)廠家主要有德國Manutec公司，德國KUKA竖杂，德國REIS,日本Motorman,日本Yaskawa和沈陽新松等卑我。關節(jié)型機器人的轉動軸和擺動軸主要用伺服電機配幾乎沒有反向間隙的精密減速機或直驅力矩電機驅動，而其控制系統(tǒng)其難度也很大雕乃。各個廠家的關節(jié)型機器人其結構類同桌强，主要差別在技術參數(shù),下面以德國Manutec公司的關節(jié)型機器人為例介紹。

　　Manutec公司型號為r15-30的關節(jié)機器人侯旬，額定負載30公斤浴营，可達到75公斤，工作半徑1.3米擂冷，重復定位精度小于0.04mm磁不，點到點的運行速度高達5.9m/s曹略，加速度高達23m/s2和工作壽命20年∽鹄蹋可以坐立式安裝俄删，可以是掉掛式安裝，也可以與水平面小于30度角的斜式安裝奏路，不影響其各項技術指標畴椰。r15可以選配防爆式的，也可以選配一級潔凈式等鸽粉。

　　r15-30主要特點是強度大剛性好和重復定位精度高斜脂，主要應用領域是其它廠家的關節(jié)型機器人由于剛性和精度不夠無法應用的領域，而用5軸加工中心成本太高或無法勝任的工作触机。如磨齒帚戳，異形銑削，殼（腔）內(nèi)部銑削儡首，磨片任，拋，切割和焊接等蔬胯。

　　在手爪末端可以配力傳感器对供，來加工異形表面（如銑削，磨和拋）氛濒。一個機器人也可以與雙工作臺及各種的雙旋轉軸協(xié)調(diào)同步運動产场。也可以是兩個機器人協(xié)調(diào)同步工作，如一臺機器人抓取工件软动，而令一臺機器人對該工件進行加工惧梦，兩臺機器人同步協(xié)調(diào)完成特定的加工軌跡。

　　其它廠家的關節(jié)機器人主要應用在汽車焊接和裝配等任務中衙地。關節(jié)型機器人的優(yōu)點是可以從不同角度不同方位來工作眶侣，速度快，工作效率高洗筛。但主要缺點是工作半徑小夷著，負載小，價格高种司，應用難度大和維護費用高刷桐。

　　作為關節(jié)機器人的簡化型機器人SCARA就是兩個擺動軸和一個上下運動軸粥谐，其特點是簡單娶得，經(jīng)濟，適合工作空間小漾群，負載小懊湾、高速搬運。但它的價位高于直角坐標機器人，應用行業(yè)和數(shù)量非常小畜伐。

　　特種機器人

　　移動機器人就是能自主移動或上下樓梯的電動車馍惹，主要用于生產(chǎn)現(xiàn)場貨物的自主運輸和排險作業(yè)，或進入有污染和放射的環(huán)境內(nèi)取樣及監(jiān)視等玛界。還有一些移動機器人就是仿造一些動物万矾，用腿和爪行走路的行走機器人，如美國的狗慎框，還處于適用階段良狈。水下機器人與潛艇能自主潛入水下完成對海上鉆井平臺的水下建筑、發(fā)電站的水下閘門笨枯、海底打撈等工程的錄像和監(jiān)控薪丁。潔凈式機器人主要是穿上防護衣的關節(jié)型機器人，使其自身有良好的密封性馅精，不把灰塵帶入工作現(xiàn)場严嗜，自身也不會產(chǎn)生灰塵，他們主要應用于電子器件洲敢，食品和藥品等生產(chǎn)中漫玄。國際對潔凈機器人的潔凈度有明確的定義。機器人主要是小型移動車纤厨，遙控飛機或等族逻，他們完成危險場所的一些作業(yè)，如守镰，布雷崎络，現(xiàn)場監(jiān)控，射擊摧毀特定目標等猖右。盡管目前服務機器人主要是玩具式的自治電動車颗酷，在其上面裝有視覺和超聲等裝置使其可以在家里無碰撞移動，對不同位置進行照像稽橱，用來防盜戏丽，檢測煤汽泄露，無線發(fā)送信息和接收指令谷庐，運輸物品等等耙屹。但未來服務機器人的功能會不斷增強，不斷深入到人們?nèi)债a(chǎn)生活的各個方面拘绳。還有手術機器人抗俄，航天機器人，擠牛奶機器人和核電站專用機器人等專用機器人世舰。

　　直角坐標機器人

　　作為在各行各業(yè)中泛應用的直角坐標機器人动雹，它主要是以直線運動軸為主槽卫，各個運動軸通常對應直角坐標系中的X軸，Y軸和Z軸胰蝠，一般X軸和Y軸是水平面內(nèi)運動軸歼培，Z軸是上下運動軸。在一些應用中Z軸上帶有一個旋轉軸茸塞，或帶有一個擺動軸和一個旋轉軸躲庄。在絕大多數(shù)情況下直角坐標機器人的各個直線運動軸間的夾角為直角。

　　直線運動軸:也叫直線運動單元钾虐，它就是一個獨立的運動軸读跷，主要由支撐載體的鋁型材或鋼型材和被安裝在型材內(nèi)部的直線導軌、運動滑塊以及作為帶動滑塊做高速運動的同步帶組成禾唁。

　　運動軸的驅動系統(tǒng)

　　直角坐標機器人的傳動主要是通過驅動電機的轉動帶動同步帶運動效览，同步帶帶動直線導軌上的滑塊運動。當驅動軸的轉速低于600轉/分時通常選用步進電機穗狞，否則選用交流伺服電機踱封。

　　直角坐標機器人的控制系統(tǒng)

　　機器人要在一定時間內(nèi)完成特定的任務，比如每10秒內(nèi)完成一次搬運工作凭衩。在完成抓取脏诈，加速運動，高速運動慌位，減速運動锯政，釋放工件等同時，還要與相關的設備通過通訊或I/O口實現(xiàn)一些時序上的協(xié)調(diào)同步子宵。另外在涂膠應用上尚档，各個運動軸要完成直線和圓弧插補運動。因此其數(shù)控系統(tǒng)要按具體應用要求來選定其控制軸數(shù)彪性、I/O口數(shù)量和軟件功能彩梅。通常選用數(shù)控系統(tǒng)，PLC稍记，工控機加運動控制卡和帶軸卡功能及I/O口的驅動電機來做控制系統(tǒng)巩恼。

　　直角坐標機器人的末端操作器——手爪系統(tǒng)

　　根據(jù)其具體應用情況，其手爪系統(tǒng)可能是氣動吸盤靠抑、氣動夾取手爪量九、電動夾取手爪、電磁吸取手爪颂碧、焊槍荠列、膠槍、專用工具和檢測儀器等稚伍。在很多場合可以一次抓取多個工件弯予。

　　很多廠家已開發(fā)出一些標準的直線運動單元及其組合，下面結合德國百格拉公司的產(chǎn)品來介紹直角坐標機器人的技術數(shù)據(jù)及應用个曙。

　　龍門軸直線運動單元

　　直線運動單元和驅動電機固定不動锈嫩，而滑塊運動，主要用于水平面和垂直面上長距離運動垦搬。有標準化產(chǎn)品PAS41呼寸，PAS42，PAS43和PAS44猴贰。對應的橫截面尺寸是40*40mm对雪，60*60mm，80*80mm和110*110mm证摩，單根標準長度是6000mm树颖、負載是10~200公斤、重復定位精度0.05mm诡亥、運行速度8米/秒效聂，加速度是每秒4米。

　　抓取軸直線運動單元

　　驅動電機和滑塊固定在一平面上卑裹，直線運動單元本體運動枷澜，其導軌標準長度可達2400mm。主要以垂直或水平進入工作空間蜒媳，用于貨物的抓取和搬運等跷缀。其標準化產(chǎn)品有LM-A001到LM-A808等，對應的尺寸是40*40mm古贡，60*60mm那捍，80*80mm到110*110mm，單根長度是3000mm签党、負載是2~100公斤纯末、重復定位精度0.05mm、運行速度8米/秒靴寂，加速度是每秒4米磷蜀。

　　各種結構形式的2D和3D直角坐標機器人

　　利用標準的龍門式和抓取軸直線運動單元德國百格拉公司在過去的20多年中成功組合成了數(shù)百種結構形式，不同行程和負載能力百炬，不同安裝方式的機器人褐隆。其中針對不同應用要求還采取了多種加強形式來保證其強度，提高其變形能力剖踊，減少震動和晃動庶弃，提高壽命等。其常用的結構形式有龍門式德澈，懸臂式歇攻，掛臂式和掉掛式等固惯。

　　直角坐標機器人的主要結構形式及主要特點

　　但針對各種不同的應用，實際上可以方便快速組合成不同維數(shù)缴守，各種行程和不同帶載能力的壁掛式葬毫、懸臂式、龍門式或倒掛式等各種形式的直角坐標機器人屡穗。從簡單的二維機器人到復雜的五維機器人就有上百種結構形式的成功應用案例讥捧。從電機到汽車等各行各業(yè)的自動化生產(chǎn)線中，也是各式各樣的多臺直角坐標機器人和其它設備嚴格同步協(xié)調(diào)工作揖漫〈缚可以說直角坐標機器人幾乎能勝任所有的工業(yè)自動化任務。下面是其主要特點：

　　任意組合成各種樣式：每根直線運動軸最長是6米垄坡，其帶載能力從10公斤到200公斤间皮。在實際應用中已有近百種結構的直角坐標機器人，這些結構也可以任意組合成新的結構等琼葫。

　　超大行程：因為單根龍門式直線運動單元的長度是6米拇掺，還可以多根方便地級連成超大行程，所以其工作空間幾乎沒有限制破卜，小到手機點膠機赚毫，大到18米長行程的切割機，8米長行程鉆銑床廷前，6米*6米*3米的檢測機器人等筹柠。超大行程時要采用直線導軌和齒條傳動方式。

　　負載能力強：單根直線運動單元的負載通常小于200公斤贱甥。但當采用雙滑塊或多滑塊剛性聯(lián)結時負載能力可以增加5到10倍适袜。當把兩根或四根直線運動單元并排接起來使用時，其負載可以增加2到4倍舷夺。當采用多根多滑塊結構時其負載能力可增加到數(shù)噸苦酱。

　　高動態(tài)特性：輕負載時其運行速度可達到每秒8米，加速度可達到每秒4米给猾。使其具有很高的動態(tài)特性疫萤，工作效率非常高，通常在幾秒內(nèi)完成一個工作節(jié)拍敢伸。

　　高精度：按傳動方式及配置在整個行程內(nèi)其重復定位精度可達到0.05mm~0.01mm扯饶。

　　擴展能力強：可以方便改變結構或通過編程來適合新的應用。

　　簡單經(jīng)濟：對比關節(jié)機器人池颈，直角坐標機器人不僅外觀直觀且構造成本低尾序，編程簡單類同數(shù)控銑床，易培訓員工和維修，使其具有非常好的經(jīng)濟性每币。

　　勝任復雜任務：采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數(shù)控系統(tǒng)能完成非常復雜的噴涂携丁，噴丸，檢測峰遇，加工等任務拿详。

　　壽命長：直角坐標機器人的壽命一般是10年以上，維護好了可達20年溅逃。

　　應用范圍廣：可以方便地裝配多種形式和尺寸的手爪，可以勝任許多常見的工作帘衣，如焊接少锭、切割，搬運税则、上下料谎躁、包裝、碼垛赡喻、拆垛疮肿、檢測、探傷旭手、分類家么、裝配、貼標汁掠、噴碼略吨、打碼和噴涂等任務。

　　直角坐標機器人的選型和保養(yǎng)

　　選型:

　　首先要根據(jù)負載大小考阱，行程翠忠，工作節(jié)拍和工作空間的限制來選擇機器人的外形結構。選好結構形式后要根據(jù)行程和變形量等選擇每個軸的形式和型號乞榨。大負載和高沖擊力時可以選擇由2根或4根運動軸組合成一個復合運動軸秽之。各個運動軸間的裝配也很關鍵，不僅要保證其垂直度吃既，更要考慮在各個方向有足夠的抗沖擊力和變形考榨。機器人要在幾秒內(nèi)完成一個運動節(jié)拍，選擇的驅動電機必須有足夠的驅動力鹦倚，通常要比理論計算值高出99%董虱。當負載的轉動慣量與驅動電機的轉動慣量之比大于12時，要選配德國紐卡特公司的精密行星減速機申鱼。

　　在超高動態(tài)和定位精度要求很高情況下愤诱，可以選用直線電機來驅動。但直線電機的安裝和防護難度大捐友，發(fā)熱量大晋粱，撞擊危險性高和控制難度高锁澡，成本也高，所以要慎用馁惨。而其防護難度大和發(fā)熱量大目前在機床行業(yè)還是世界性難題神翁。

　　安裝

　　機器人在加速和減速時會產(chǎn)生強大的沖擊力，而且通常每天要工作24小時业弊，所以機器人必須被牢固地安裝在支架上誓贝。機器人的支架要有足夠的抗沖擊力，要有地腳于哩，以保證在長期高速高動態(tài)運動沖擊下剑瞻，沒有任何晃動。此外在安裝時要保證運動軸間的平行度见炫、平面度和垂直度舅兑。

　　保養(yǎng)事項

　　通常機器人的每個運動軸在經(jīng)過一定長度的運動后要周期性的通過滑塊的注油孔給直線導軌加注潤滑油。根據(jù)機器人使用環(huán)境的不同和工作速度不同得稼，其注油的周期也不同腐蛀。在食品和玻璃切割等行業(yè)要選用帶防塵帶的運動軸和縮短注油周期，在有噴水的場合也要縮短注油周期回溺。

　　應用和展望

　　每種機器人都有其特殊性和優(yōu)勢春贸，適用特定的行業(yè)或作業(yè)。也有把關節(jié)機器人安裝在大的直線運動平臺上來擴大工作區(qū)域和完成更多的任務遗遵。為了克服直角坐標機器人不易深入細長空間區(qū)域內(nèi)工作祥诽，德國百格拉公司成功組合成了多種結構的懸臂式直角坐標機器人及在直角坐標機器人的Z軸上加上500mm的擺動軸和上下升降軸，有時還在Z軸上加上一個轉動軸和擺動軸構成5軸機器人瓮恭，還把不同結構形式的直角坐標機器人組合成多種集抓取雄坪，搬運，處理和最后抓取運走功能于一體的機器人工作中心屯蹦。在德國就有大大小小50多家直角坐標機器人生產(chǎn)企業(yè)维哈，他們20多年的努力使得直角坐標機器人比關節(jié)式機器人有更廣泛的應用。例如在西方發(fā)達國家被廣泛用來執(zhí)行焊接登澜、搬運阔挠、上下料、包裝脑蠕、碼垛购撼、拆垛、檢測稻沮、探傷纯亲、分類、裝配、貼標羞遭、噴碼朗玩、涂膠和切割等一系列工作。深受包裝機械蔼于、印刷機械即荞、汽車工業(yè)、食品生產(chǎn)工業(yè)柴怒、藥品生產(chǎn)工業(yè)尾疟、電子工業(yè)、機器制造業(yè)和化妝品生產(chǎn)等行業(yè)的好評肩雾。隨著自動化程度垫弱、環(huán)保要求、衛(wèi)生規(guī)定芹枷、生產(chǎn)效率衅疙、人員素質(zhì)和人工費用的提高莲趣，直角坐標機器人在中國也必將被各行各業(yè)廣泛采用鸳慈。

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