ABB工業(yè)機器人操作與編程課件：工業(yè)機器人基礎(chǔ)知識

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01工業(yè)機器人概況工業(yè)機器人組成與分類位置檢測原理020403常用的驅(qū)動裝置CONTENTS目錄01工業(yè)機器人概況一、機器人三定律1942年，美國科幻家阿西莫夫在他的科幻小說《我，機器人》中提出了“機器人三定律”。雖然是科幻小說里的創(chuàng)造，但后來成為學(xué)術(shù)界默認的機器人研發(fā)原則：

1.第一定律：機器人不得傷害人類個體，或者目睹人類個體將遭受危險而袖手不管。2.第二定律：機器人必須服從人給予它的命令，當(dāng)該命令與第一定律沖突時例外。3.第三定律：機器人在不違反第一、第二定律的情況下要盡可能保護自己的生存。二、工業(yè)機器人產(chǎn)生及發(fā)展

1954年，美國發(fā)明家喬治·德沃爾向美國政府提出專利申請，要求生產(chǎn)一種用于工業(yè)生產(chǎn)的“重復(fù)性作用的機器人”，該專利在1961年通過。之后，恩格爾伯格成立美國聯(lián)合控制公司，將德沃爾的發(fā)明投入應(yīng)用，以生產(chǎn)取代人力勞動的機器人，成為世界上第一家機器人生產(chǎn)公司。二、工業(yè)機器人產(chǎn)生及發(fā)展

2019年我國機器人密度140國內(nèi)機器人銷售量和增速，2018年15.6萬臺二、工業(yè)機器人產(chǎn)生及發(fā)展當(dāng)前，對全球機器人技術(shù)的發(fā)展最有影響的國家是美國和日本。美國在工業(yè)機器人技術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先地位，尤其在特種機器人研究方面處于全球領(lǐng)先。而日本生產(chǎn)的工業(yè)機器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位，全球一度有60%的工業(yè)機器人都來自日本。在國外，工業(yè)機器人技術(shù)已逐漸成熟，成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而被各行業(yè)廣泛采用，形成了一批有影響力的工業(yè)機器人公司。ABBFANUCKUKAYaskawa全球四大工業(yè)機器人生產(chǎn)商二、工業(yè)機器人產(chǎn)生及發(fā)展工業(yè)機器人核心技術(shù)伺服電動機及驅(qū)動減速器機器人本體機器人控制器視覺與傳感器技術(shù)三、工業(yè)機器人典型應(yīng)用搬運、碼垛機器人碼垛機器人在生產(chǎn)中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，它大大節(jié)省了勞動力，節(jié)省空間。碼垛機器人運作靈活精準(zhǔn)、快速高效、穩(wěn)定性高，作業(yè)效率高。三、工業(yè)機器人典型應(yīng)用上下料機器人上下料機器人能滿足“快速/大批量加工節(jié)拍”、“節(jié)省人力成本”、“提高生產(chǎn)效率”等要求，成為越來越多工廠的理想選擇。上下料機器人系統(tǒng)具有高效率和高穩(wěn)定性,結(jié)構(gòu)簡單更易于維護,可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn),對用戶來說,可以很快進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和擴大產(chǎn)能,并且可以大大降低產(chǎn)業(yè)工人的勞動強度。三、工業(yè)機器人典型應(yīng)用焊接機器人焊接機器人具有性能穩(wěn)定、工作空間大、運動速度快和負荷能力強等特點，焊接質(zhì)量明顯優(yōu)于人工焊接，大大提高了點焊作業(yè)的生產(chǎn)率。在汽車零部件的生產(chǎn)焊接中，涉及機器人系統(tǒng)優(yōu)化集成技術(shù)、協(xié)調(diào)控制技術(shù)、精確焊縫軌跡跟蹤技術(shù)等。三、工業(yè)機器人典型應(yīng)用多機器人協(xié)作系統(tǒng)人們希望機器人能夠完成更復(fù)雜的作業(yè)，這些復(fù)雜的作業(yè)由單一機器人很難完成，因此需要多機器人相互協(xié)調(diào)與合作共同完成。目前，由幾十臺甚至上百臺機器人組成的自動化生產(chǎn)線已屢見不鮮。02工業(yè)機器人組成與分類一、工業(yè)機器人組成

工業(yè)機器人系統(tǒng)組成一般包括機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)四大組成部分，四個部分密切結(jié)合，構(gòu)成一套閉環(huán)控制系統(tǒng)，其原理框圖如圖所示。工業(yè)機器人系統(tǒng)組成框圖1.工業(yè)機器人機械系統(tǒng)

工業(yè)機器人機械系統(tǒng)一般由基座、臂部、腕部、手部（也稱為末端執(zhí)行器）組成，機器人機械系統(tǒng)也稱為機器人本體。工業(yè)機器人機械系統(tǒng)組成2.工業(yè)機器人伺服系統(tǒng)

工業(yè)機器人的伺服驅(qū)動系統(tǒng)是將電能或其他形式的能轉(zhuǎn)換為機械能的動力裝置，根據(jù)驅(qū)動源的不同，伺服驅(qū)動系統(tǒng)可以分為液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動三種。

電氣驅(qū)動。是目前工業(yè)機器人中普遍采用的驅(qū)動形式，它通過減速器減速后驅(qū)動運動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。根據(jù)驅(qū)動電機的不同，可以分為步進電機驅(qū)動、直流伺服電機驅(qū)動和交流伺服電機驅(qū)動三種。液壓驅(qū)動。系統(tǒng)動力大，負載能力強，適用于重載搬運和零部件抓取的機器人。氣壓驅(qū)動。是利用氣壓動力驅(qū)動工業(yè)機器人系統(tǒng)運動，一般由活塞和控制閥組成，適于中小負荷的機器人使用。其結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、價格低、維護方便，但氣體具有壓縮性，其工作時穩(wěn)定性較差。3.工業(yè)機器人感知系統(tǒng)工業(yè)機器人感知系統(tǒng)是由內(nèi)部傳感器和外部傳感器組成，他們將機器人各種內(nèi)部狀態(tài)信息及外部環(huán)境信息轉(zhuǎn)換為機器人能夠識別的數(shù)據(jù)，提供給控制系統(tǒng)做出決策。

內(nèi)部傳感器。要用于測量和反饋內(nèi)部變量，如速度傳感器、位置傳感器、力覺傳感器等。外部傳感器。用于檢測機器人周圍的環(huán)境狀態(tài)，如視覺傳感器、接近程度傳感器、觸覺傳感器、溫度傳感器等。外部傳感器使機器人具有一定自校正能力及適應(yīng)環(huán)境變化的能力，賦予機器人一定的智能。4.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人的核心裝置，是機器人的指揮調(diào)度機構(gòu)。控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從感知系統(tǒng)反饋回來的信號，控制機器人執(zhí)行機構(gòu)完成規(guī)定的運動和動作，包括運動中的位置控制、姿態(tài)控制、軌跡控制及操作順序等?？刂葡到y(tǒng)一般應(yīng)包括以下功能：示教功能記憶功能坐標(biāo)設(shè)置功能位置控制功能通信功能傳感器接口故障診斷及保護功能人機交互功能

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)按照控制方式可分為集控式、主從式、分散式三種。分散式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示：控制系統(tǒng)分散式結(jié)構(gòu)圖分散式系統(tǒng)控制分為幾個模塊，每個模塊各有不同的控制任務(wù)和控制策略，各模塊之間可以是主從關(guān)系，也可以是并行關(guān)系。這種方式實時性好，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度控制，易于擴展，是目前工業(yè)機器人系統(tǒng)普遍采用的結(jié)構(gòu)。二、工業(yè)機器人的坐標(biāo)形式工業(yè)機器人坐標(biāo)形式有直角坐標(biāo)式（PPP）、圓柱坐標(biāo)式（PPR）、球坐標(biāo)式(PRR)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式(RRR)及SCARA型機器人。實際采用哪一種結(jié)構(gòu)形式，可以根據(jù)不同的工作任務(wù)性質(zhì)進行選擇，進行移動關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的組合。工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)為單自由度主運動副，典型的自由度種類及圖形符號如圖所示。典型的自由度種類及其圖形符號1.直角坐標(biāo)機器人直角坐標(biāo)機器人運動部分由三個相互垂直的直線移動（即PPP）組成，3個關(guān)節(jié)均為移動關(guān)節(jié),如圖1-5所示，軸線相互垂直，相當(dāng)于笛卡爾坐標(biāo)系的X軸、Y軸和Z軸，其工作空間圖形為長方形。它在各個軸向的移動距離，可在各個坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，控制無耦合，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，適合大負載的搬運，但機體所占空間體積大，動作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作，如圖所示。直角坐標(biāo)機器人2.圓柱坐標(biāo)機器人圓柱坐標(biāo)機器人運動形式是通過1個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和2個移動關(guān)節(jié)組成的運動系統(tǒng)來實現(xiàn)的，如圖所示，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人相比，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大，控制簡單，其位置精度僅次于直角坐標(biāo)型機器人，但難與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作且不能抓取靠近機身的物體。圓柱坐標(biāo)機器人3.球坐標(biāo)機器人球坐標(biāo)機器人又稱極坐標(biāo)型工業(yè)機器人，其手臂的運動由2個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和1個直線移動關(guān)節(jié)（一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動）所組成，如圖所示，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動作并能抓取地面上或較低位置的工件，其優(yōu)點是動作靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、位置誤差與臂長成正比。球坐標(biāo)機器人4.關(guān)節(jié)坐標(biāo)機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)機器人又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型工業(yè)機器人，這種工業(yè)機器人的手臂與人體上肢類似，有3個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其中1個為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，2個為俯仰關(guān)節(jié)，如圖所示。該工業(yè)機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂做回轉(zhuǎn)運動和俯仰擺動，小臂做仰俯擺動，工作范圍為球形。其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作，但位置精度較低，有平衡問題，控制耦合問題，這種工業(yè)機器人應(yīng)用越來越廣泛。關(guān)節(jié)坐標(biāo)機器人5.SCARA型機器人SCARA型機器人采用1個移動關(guān)節(jié)和3個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)Z方向上下運動，用于完成手抓在垂直平面內(nèi)的抓取。3個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)軸線相互平行，可在平面內(nèi)進行定位和定向，如圖所示，這種形式的工業(yè)機器人又稱（SCARA(SeletiveComplianceAssemblyRobotArm)裝配機器人，在水平方向則具有柔順性，而在垂直方向則有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，速度快，定位精度高，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應(yīng)用廣泛。SCARA型機器人三、工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)反映了工業(yè)機器人能夠勝任的工作，是選擇、設(shè)計、應(yīng)用機器人時必須要考慮的數(shù)據(jù)。工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)包括自由度、定位精度、重復(fù)定位精度、工作空間、最大工作速度及承載能力等。一般工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)是由工業(yè)機器人制造商在產(chǎn)品供貨時所提供的技術(shù)數(shù)據(jù)。自由度。自由度是指機器人所具有的獨立坐標(biāo)軸運動的數(shù)目，不包括手抓（末端操作器）的開合自由度。定位精度。指機器人手部（末端操作器）實際到達的位置與目標(biāo)位置的差異，由機械誤差、控制誤差與系統(tǒng)分辨率等組成。重復(fù)定位精度。機器人重復(fù)定位其手部于同一目標(biāo)位置的能力，描述工業(yè)機器人在同一環(huán)境、同一目標(biāo)動作、同一命令下連續(xù)重復(fù)運動若干次，其位置的分散程度，是關(guān)于機器人的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。速度和加速度。速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標(biāo)。承載能力。指機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。03常用的驅(qū)動裝置一、步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)步進電機是開環(huán)伺服系統(tǒng)(又稱步進式伺服系統(tǒng))的驅(qū)動元件。步進電動機是一種將脈沖信號變換成角位移(或線位移)的電磁裝置。其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角(或位移)與輸入的電脈沖數(shù)成正比，速度與脈沖頻率成正比，而運動方向是由步進電動機的各相通電順序來決定，并且保持電動機各相通電狀態(tài)就能使電動機自鎖。1.步進電機的分類按相數(shù)。有二、三、四、五、六相等幾種，相數(shù)越多，步距角越小，而且采用多相通電，可以提高步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩。力矩產(chǎn)生的原理。分為反應(yīng)式和永磁反應(yīng)式(也稱混合式)。2.步進電機的結(jié)構(gòu)及工作原理以三相反應(yīng)式步進電機為例，其結(jié)構(gòu)如圖所示，步進電動機包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子有六個均勻分布的磁極，每兩個相對的磁極上繞有一相控制繞組，轉(zhuǎn)子是一個帶齒的鐵心，轉(zhuǎn)子沒有繞組。圖中的轉(zhuǎn)子可看作是一個兩齒的鐵心，實際的轉(zhuǎn)子鐵心外圓周有很多小齒。三相反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)正轉(zhuǎn)通電。A—B—C—A—B—C┅┅反轉(zhuǎn)通電。C—B—A—C—B—A┅┅通電方式。

（1）單三拍A—B—C—A—B—C┅┅

（2）雙三拍AB—BC—CA—AB—BC—CA┅┅

（3）三相六拍A—AB—B—BC—C—CA—A—AB┅┅3.步進電機的主要參數(shù)步角距。步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度，它取決于電機結(jié)構(gòu)和控制方式。步距角α可按下式計算：最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。代表電機承載能力的重要指標(biāo)，最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，電機帶負載的能力越強，運行的快速性和穩(wěn)定性越好。起動頻率和起動時的慣頻特性。運行矩頻特性。步進電機起動后，其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運行頻率，其值遠大于起動頻率。運行矩頻特性加、減速特性。步進電機的加減速特性是描述步進電機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加、減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系。加減速特性曲線步進電機的驅(qū)動控制。步進式伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要由驅(qū)動控制線路和步進電機兩部分組成。驅(qū)動控制線路接收來自機器人控制器的進給脈沖信號，并把此信號轉(zhuǎn)換為控制步進電機各相定子繞組依次通電、斷電信號，使步進電機運轉(zhuǎn)。一個完整的步進電機的驅(qū)動控制線路應(yīng)該包括加減速電路、環(huán)形脈沖分配器、功率放大器，如圖所示。步進電機驅(qū)動線路構(gòu)成二、直流電機及其控制方法直流伺服電動機根據(jù)結(jié)構(gòu)有一般電樞式、無槽電樞式、印刷電樞式、繞線盤式和空心杯電樞式等。為避免電刷換向器的接觸，還有無刷直流伺服電動機。根據(jù)控制方式，直流伺服電動機可分為磁場控制方式和電樞控制方式。永磁直流伺服電動機只能采用電樞控制方式，一般電磁式直流伺服電動機大多也用電樞控制方式。1.直流電機調(diào)速原理直流電機由磁極(定子)、電樞(轉(zhuǎn)子)和電刷與換向片三部分組成。以他勵式直流伺服電動機為例，研究直流電機的機械特性。直流電機是基于電流切割磁力線，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來進行工作的，如圖所示。工作原理等效電路由以上可得出他勵式直流伺服電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系式：該式稱為直流電機的固有機械特性曲線。直流電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱機械特性，機械特性是電機的靜態(tài)特性，是穩(wěn)定運行時帶動負載的性能，此時，電磁轉(zhuǎn)矩與外負載相等。當(dāng)電機帶動負載時，電機轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，它反映了電機機械特性的硬度，越小，表明機械特性越硬。2.直流電機調(diào)速方式晶閘管(可控硅semiconductorcontrolrectifier，SCR)調(diào)速系統(tǒng)。晶體管脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation，PWM)調(diào)速系統(tǒng)。（1）晶體管脈寬調(diào)制原理就是使功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)頻率保持恒定，用改變開關(guān)導(dǎo)通時間的方法來調(diào)整晶體管的輸出，使電機兩端得到寬度隨時間變化的電壓脈沖。當(dāng)開關(guān)在每一周期內(nèi)的導(dǎo)通時間隨時間發(fā)生連續(xù)變化時，電機電樞得到的電壓的平均值也隨時間連續(xù)地發(fā)生變化，而由于內(nèi)部的續(xù)流電路和電樞電感的濾波作用，電樞上的電流則連續(xù)地改變，從而達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)電路中開關(guān)功率晶體管關(guān)斷時，由二極管VD續(xù)流，電機便可以得到連續(xù)電流。下圖為PWM脈寬調(diào)制原理圖。PWM脈寬調(diào)制原理圖（2）晶體管脈寬調(diào)制系統(tǒng)的組成原理脈寬調(diào)制系統(tǒng)原理三、交流電機及其控制方法在工業(yè)機器人上應(yīng)用的交流電機一般都為三相交流伺服電動機，分為異步型交流伺服電動機和同步型交流伺服電動機。1.永磁式交流同步電機的工作原理永磁式交流同步電機由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件三部分組成，其工作過程如圖所示，當(dāng)定子三相繞組通以交流電后，產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場，這個旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。永磁式交流同步電機的工作原理2.永磁式交流同步電機的調(diào)速由電機學(xué)基本原理可知，交流電機的同步轉(zhuǎn)速為：因此對電機的調(diào)速可以采用變頻調(diào)速和變極對數(shù)調(diào)速。變極對數(shù)調(diào)速只能獲得有級調(diào)速，它是通過對定子繞組接線的切換以改變磁極對數(shù)調(diào)速的。變頻調(diào)速是通過平滑改變定子供電電壓頻率而使轉(zhuǎn)速平滑變化的調(diào)速方法，這是交流電動機的一種先進的調(diào)速方法。3.變頻調(diào)速類型變頻調(diào)速的主要作用是為電動機提供頻率可變的交流電源，從而達到改變交流電動機轉(zhuǎn)速的目的。變頻器可分為交-交變頻和交-直-交變頻兩種。交-交變頻交-直-交變頻交-交變頻，利用可控硅整流器直接將工頻交流電(頻率50Hz)變成頻率較低的脈動交流電，這個脈動交流電的基波就是所需的變頻電壓。交-直-交變頻，是先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波電壓，這個矩形脈沖波的基波就是所需的變頻電壓。4.

SPWM逆變器的原理與正弦波等效的矩形脈沖正弦脈寬調(diào)制SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）逆變器是用來產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波，如圖所示，正弦波的形成原理是把一個正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫坐標(biāo)所包圍的面積都用一個與此面積相等的高矩形脈沖來代替，這樣可得到N個等高而不等寬的脈沖。這N個脈沖對應(yīng)著一個正弦波的半周。對正弦波的負半周也采取同樣處理，得到相應(yīng)的2N個脈沖，這就是與正弦波等效的正弦脈寬調(diào)制波，即SPWM波。5.三角波調(diào)制原理三角波調(diào)制法原理

SPWM波形可采用模擬電路、以“調(diào)制”方法實現(xiàn)。SPWM調(diào)制是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個所需要的電壓信號，它是利用三角波電壓與正弦參考電壓相比較，以確定各分段矩形脈沖的寬度。三相SPWM控制電路框圖6.三相電壓型