直線軸工業(yè)機器人設計綜述

直線軸工業(yè)機器人設計綜述一、 課題國內外現(xiàn)狀工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的重要的現(xiàn)代制造業(yè)自動化裝備。在國家標準中，工業(yè)機器人被定義為：“一種能自動定位控制、可重復編程的、多功能的、多自由度的操作機。他能搬運材料、零件、或夾持工具，用以完成各種作業(yè)［1］?！瘪R香峰、余達太等在文獻［1］中對工業(yè)機器人的誕生做了闡述，并對早期的工業(yè)機器人類型做了說明。書中先概括介紹了工業(yè)機器人的組成和操作機的主要類型和設計步驟；進而對工業(yè)機器人進行速度分析、動力分析和靜力分析，為工業(yè)機器人的設計打下基礎。作為工業(yè)機器人設計要解決的主要問題之一——驅動和傳動系統(tǒng)，本書詳盡介紹了最常見的三種傳動。最后指出工業(yè)機器人在材料和執(zhí)行機構在今后的發(fā)展方向。陳航，殷國富，趙偉等在文獻［2］中介紹了工業(yè)機器人模塊化設計的概念，并且詳細闡述了這種設計方式的過程及其對比傳統(tǒng)設計方法的優(yōu)勢，指出了模塊化設計的關鍵技術是模塊的劃分和集成。以50kg負載工業(yè)機器人的設計為實例，對這一設計思路進行說明［2］。在大型關節(jié)型工業(yè)機器人的研究中，也有了新的突破。安彥波，高娃，宋寶玉等在文獻［3］中提出對大小臂桿進行重力補償，可以增加運動的平穩(wěn)性。文中針對六自由度關節(jié)型機器人，介紹了一種在不外加裝置的情況下，利用機器人本身的驅動電機進行補償的方法，并對其動靜態(tài)特性作了詳細的分析［3］。田東升，胡明，鄒平在文獻［4］中提出了可以提高機器人整體的動態(tài)性能的方案。文中指出利用三維建模軟件Pro/E進行六自由度機器人實體建模及裝配，然后無縫導入ANSYS軟件中。通過機器人模型簡化和等效模擬建立有限元模型，利用有限元方法和振動理論對一個六自由度的工業(yè)機器人進行模態(tài)分析.通過對整個系統(tǒng)的固有頻率和振型的分析，確定了整個機器人的各個軸承關節(jié)和動力傳動鏈為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，進而通過增強這些薄弱的環(huán)節(jié)來提高機器人整體的動態(tài)性能［4］。利用可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng)的高可靠性、編程及維護方便、體積小的特點，將其應用于環(huán)流可逆調速系統(tǒng)中，研制出基于PLC的工業(yè)機器人關節(jié)直流伺服系統(tǒng)，通過環(huán)流可逆調速系統(tǒng)控制電機的正反轉，實現(xiàn)對工業(yè)機器人關節(jié)的伺服控制。這是朱仕學，陳偉，謝永宏等在文獻［5］中提出的。其優(yōu)點是在改變電機正反轉時無需改變線路結構，使工業(yè)機器人關節(jié)的伺服控制更簡單、更可靠和更穩(wěn)定［5］。歲波，都東，陳強等針對工業(yè)機器人運動軌跡準確度檢測困難的問題在文獻［6］中提出了一種基于雙目視覺理論的檢測方法。根據空間解析幾何學中點線和面三者之間的約束關系建立了基于直線特征匹配的工業(yè)機器人運動軌跡位姿視覺檢測模型?；诖四Ｐ蛯σ环N典型六軸工業(yè)機器人運動軌跡的位置偏差和姿態(tài)偏差進行了測量測量結果表明采用這種方的測量系統(tǒng)結構相對簡單，能夠方便地進行工業(yè)機器人動態(tài)軌跡準確度的測量［6］。激光加工機器人是國際上面向21世紀的先進制造技術。楊洗陳等在文獻［7］中綜述了激光機器人的原理、構成、種類和若干重大工業(yè)應用。重點研究討論了激光加工機器人的某些關鍵單元技術———光纖傳輸的高功率激光技術、機器人本體技術、機器人編程技術、機器人智能化和網絡化技術及反求工程重建修復區(qū)三維(3D)形貌技術。提出了激光加工機器人未來發(fā)展的一些重要方向———高功率激光遠程加工和柔性制造技術、具有機器視覺和聽覺功能的智能控制技術和遠程監(jiān)控功能的網絡化管理技術［7］。張興國，徐海黎在文獻［8］中分析開放式平面關節(jié)型工業(yè)機器人的結構及工作空間，詳細闡述了機器人的控制系統(tǒng)結構及工作原理。同時還討論了該工業(yè)機器人的計算機輔助軟件系統(tǒng)中的設置模塊、分析模塊、軌跡規(guī)劃流程和顯示模塊等。借助于開放式工業(yè)機器人系統(tǒng)，可以更好地滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求。同時所開發(fā)的機器人系統(tǒng)還可用于機器人技術訓練［8］。楊萍，楊鋒，張淑珍等在［9］中提出以JR—1型機器人本體為基礎，利用單片機技術對控制系統(tǒng)進行全新的設計。指出全新機器人主、從兩級微機控制系統(tǒng)。在此基礎上，對其直流伺服電機控制的機器人手腕位置控制進行了數學建模，并對穩(wěn)定性及穩(wěn)定誤差進行了分析［9］。殷際英、何廣平等在文獻［13］中先對關節(jié)機器人的發(fā)展史和當今狀況做了概括性敘述，然后對關節(jié)機器人的運動學、動力學以及軌跡和本體結構技術做了概述，最后簡要介紹了關節(jié)型機器人在工業(yè)領域的應用情況。文獻［14］中首先講述了工業(yè)機器人在生產中的作用，然后對手部、手腕部、手臂、機械傳動機構進行實例分析，最后把當前先進的工業(yè)機器人機構進行結構解析。顧震宇在文獻［19］中總結了日本和美國、英國、德國、法國等歐美國家在工業(yè)機器人方面的發(fā)展歷程，并與我國的工業(yè)機器人的發(fā)展做了對比，找出了我國在這方面的不足。夏鯤、徐濤，李靜峰等在文獻［20］中重點講述了我國工業(yè)機器人的發(fā)展、應用和今后的發(fā)展，指出中國要想從工業(yè)大國向工業(yè)強國轉變必須在技術上取得領先，而現(xiàn)在工業(yè)技術的核心就是工業(yè)機器人技術，所以我們必須在工業(yè)機器人上去的成就。以上就是國內外的研究現(xiàn)狀，從中我們可以看出我國在工業(yè)機器人領域與國外的差距。我們要在吸取國外工業(yè)機器人研究經驗的基礎上，加快工業(yè)機器人的改進和研發(fā)，把中國盡快從一個工業(yè)大國向一個工業(yè)強國轉變！二、 研究主要成果我國在工業(yè)機器人方面的研究成果我國的工業(yè)機器人研究開始于20世紀70年代，由于受經濟體制等因素的制約，發(fā)展比較緩慢，研究和應用水平比較低。1985年，隨著工業(yè)發(fā)達國家開始大量應用和普及工業(yè)機器人，我國在“七?五”科技攻關計劃中將工業(yè)機器人列入了發(fā)展計劃。20世紀90年代末期，我國建立了9個機器人產業(yè)化基地和7個科研基地，目前我國已經能夠生產具有國際先進水平的平面關節(jié)型裝配機器人、直角坐標機器人、弧焊機器人、點焊機器人及自動引導車(AGV)等一系列產品。國產AGV小車具有很強的競爭力，已經占領了國內大部分市場。20世紀80年代末，清華大學研制了“Eye—in—Hand”智能裝配機器人系統(tǒng)。該裝配機器人有PUMA560機械手、圖像處理系統(tǒng)和計算機構成。在機械手頂部裝一部攝像機，用于觀察工作臺的全景。在機械手的末端有CCD的急、攝像機和半導體的激光發(fā)生器?！癊ye—in—Hand”能完成很精密的裝配任務。

20世紀90年代末期，我國建立了9個機器人產業(yè)化基地和7個科研基地，目前我國已經能夠生產具有國際先進水平的平面關節(jié)型裝配機器人、直角坐標機器人、弧焊機器人、點焊機器人及自動引導車(AGV)等一系列產品。圖一國產AGV小車國產AGV小車具有很強的競爭力，已經占領了國內大部分市場，在國外也已經有一定市場?？傊?，經過近20多年的發(fā)展，我國在工業(yè)機器人基礎研究、關鍵元件的開發(fā)、機器人整機設計、周邊設備開發(fā)及機器人應用等諸多方面都取得了不少令人鼓舞的戰(zhàn)績，已經形成了一支相當有戰(zhàn)斗力的隊伍，為中國工業(yè)機器人在國內外拓展市場奠定了基礎。國外研究成果國外在工業(yè)機器人方面已經取得了相當高的成就，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：機器人操作機：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現(xiàn)代設計方法運用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設計。以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯(lián)平行四邊形結構改為開鏈結構，拓展了機器人工作范圍，加之輕質J可，大大提高了機器人的性能。此外采新型機器人機器人技術，實現(xiàn)高精度測量及加工作范圍，加之輕質J可，大大提高了機器人的性能。此外采新型機器人機器人技術，實現(xiàn)高精度測量及加（2）并聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構，工，這是機器人技術向數控技術的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數控技術一體化奠定了基礎。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產品。

圖三日本FANUC工業(yè)機器人圖四日本FANUC工業(yè)機器 圖五意大利COMAU工業(yè)機器人（3）控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數字控制。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領域的離線編程已實現(xiàn)實用化。（4）傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。日本KAWASAKIYASKAWAFANUC和瑞典ABB、德國KUKA、REIS等公司皆推出了此類產品。r?六日本YASKAWAr?六日本YASKAWA工業(yè)機器.(5)網絡通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網絡的聯(lián)接，使機器人由過標準化設備發(fā)展。(6)可靠性：由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達到5萬小時。三、 發(fā)展趨勢工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降。機械結構向模塊化可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；有關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化，網絡化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，采用模塊化結構，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，視覺、力覺、聲覺、觸覺等多傳感器的融合技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域?？傮w趨勢是，從狹義的機器人概念向廣義的機器人技術概念轉移，從工業(yè)機器人產業(yè)向解決方案業(yè)務的機器人技術產業(yè)發(fā)展。機器人技術的內涵已變?yōu)椤办`活應用機器人技術的、具有實際動作功能的智能化系統(tǒng)”。機器人結構越來越靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。四、 存在問題通過50多年的發(fā)展，工業(yè)機器人已經日趨完善了；但是，在某些方面還有缺陷：工業(yè)機器人移動位置精度不夠高。工業(yè)機器人的伺服系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)存在技術上的問題，在命令下達后，機構反應遲緩，運行不到位。所以對于某些精度要求較高的作業(yè)，會有很大的影響。工業(yè)機器人適用范圍不夠廣泛。雖然現(xiàn)在工業(yè)機器人在很多領域都有應用，但是在某些領域中還是空白；另外，對于有些特殊環(huán)境，不能夠適應，需要改進和開發(fā)。工業(yè)機器人的運動計算較復雜。在運動中涉及到計算問題時，必須對整個機械機構進行重復計算，浪費了大量時間，而且對于這種復雜運動計算中難免有誤差，這樣對于整個機構來說會有誤差疊加，這樣就比較大了。結合部對機械結構的影響。結合部即儲存能量又消耗能量的“柔性結合"的本質及特性對機械結構整體的動態(tài)性能產生顯著影響，表現(xiàn)為使機械結構整體剛度降低、阻尼增加，從而導致結構固有頻率降低,振動形態(tài)復雜化。五、 主要參考文獻【1】馬香峰、余達太等著《工業(yè)機器人的操作機設計》，冶金工業(yè)出版社1999【2】陳航，殷國富，趙偉.工業(yè)機器人模塊化設計研究.四川.機器人技術機械2009年第3期【3】安彥波，高娃，宋寶玉.關節(jié)機器人機械臂自重的電機補償.哈爾濱工業(yè)大學【4】田東升，胡明，鄒平.基于ANSYS的六自由度工業(yè)機器人模態(tài).東北大學機械工程與自動化學院5】朱仕學，陳偉，謝永宏.基于PLC的工業(yè)機器人關節(jié)直流伺服系統(tǒng).深圳職業(yè)技術學院報，2003年第1期6】歲波，都東，陳強.基于雙目視覺的工業(yè)機器人運動準確度檢測.機械工程學報，2003年5月7】楊洗陳.激光加工機器人技術及工業(yè)應用.天津工業(yè)大學激光技術研究所.中國激光，第36卷第11期，2009年11月8】張興國，徐海黎.一種開放式平面關節(jié)型工業(yè)機器人系統(tǒng).南通大學機械工程學院.制造業(yè)自動化9】楊萍，楊鋒，張淑珍.關節(jié)式機器人控制系統(tǒng)特性分析.蘭州工業(yè)大學機械工程學院.機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，第19卷第3期10】陳航，殷國富，趙偉.工業(yè)機器人模塊化設計研究.機械2009年第3期11】安彥波，高娃，宋寶玉.關節(jié)機器人機械臂自重的電機補償.哈爾濱工業(yè)大學-【12】田東升，胡明，鄒平基于ANSYS的六自由度工業(yè)機器人模態(tài).東北大學機械工程與自動化學院13】殷際英、何廣平等著《關節(jié)型機器人》，化學工業(yè)出版社200314】費仁元等編著《機器人機械設計和分析》,北京工業(yè)大學出版社199715】徐灝等編著《機械設計手冊》，機械工業(yè)出版社199216】《工業(yè)機械手設計基礎》天津科學技術出版社198017】廣東機械學院李允文編著《工業(yè)機械手設計》機械工業(yè)出版社199418】方建軍、何廣平編著《智能機器人》，化學工業(yè)出版社200419】顧震宇《機電一體化》2006年第02期上海科學技術情報研究所20】張廣鵬，方英武，田忠強等著.工業(yè)機器人整機結構方案的動態(tài)性能評價.西安理工大學報21】夏鯤、徐濤，李靜峰《廣西輕工業(yè)》2008年8月第8期長江大學機械工程學院22】杜志俊作《工業(yè)機器人的應用及發(fā)展趨勢》2002年23】張楊林作《國內工業(yè)機器人市場發(fā)展趨勢》在《大眾科技》2006年24】熊有倫、唐立新等著《機器人技術基礎》中科技大學出版社25】Teshnehlab.NeuralNetworkContorllerwithFlexibleStructureBase