装配机器人报告Word下载.docx
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参考文献33
1.装配机器人背景介绍
工业机器人技术简介
机器人技术是综合了计算机、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。
机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行各种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。
工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备，特别适合于多品种、变批量的柔性生产。
它对提高产品质量、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。
我国国家标准将工业机器人定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业”。
在标准中给出了“操作机”的明确定义：
“操作机”是“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置”。
自60年代研制出第一台通用工业机器人，工业机器人的研究和开发在国外工业发达国家中一直备受青睐。
特别是随着相关支撑学科（如人工智能、计算机技术、传感器技术等的发展，工业机器人的研究和开发突飞猛进，应用进一步扩大，己经成为一个独立的高科技产业。
在经历了第一代机器人（示教机器人）和第二代机器人（适应控制机器人）阶段，工业机器人研究不断向第三代机器人（自律机器人）即智能化方向发展，以适应“敏捷制造”，满足多样化、个性化的需求，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。
我国工业机器人的研究从80年代“七五”科技攻关开始起步，随着世界机器人技术的发展和市场的形成，我国在机器人科学研究、技术开发与应用工程等方面取得了可喜的进步。
尤其是随着改革开放的深入及与国际市场的接轨，新产品、新工艺的需求需要有新的设备来武装制造业，机器人应用在我国具有良好的前景和希望，在汽车、电子、家电、机械、轻工等行业尤为必须。
装配机器人发展现状
装配机器人简介
装配是产品生产的后续工序，在制造业中占有重要地位，在人力、物力、财力消耗中占有很大比例，作为一项新兴的工业技术，机器人装配应运而生。
在机器人应用各领域中只占很小的份额。
究其原因，一方面是由于装配操作本身比焊接、喷涂、搬运等复杂；
另一方面，机器人装配技术目前还存在一些亟待解决的问题。
如：
对装配环境要求高，装配效率低，缺乏感知与自适应的控制能力，难以完成变动环境中的复杂装配，对于机器人的精度要求较高，否则经常出现装不上或“卡死”现象。
尽管存在上述问题，但由于装配所具有的重要意义，装配领域将是未来机器人技术发展的焦点之一。
其重要性在机器人应用中将跃居第一位。
装配机器人从适应的环境不同，又分为普及型装配机器人和精密型装配机器人，根据臂部的运动形式不同，分为直角坐标型装配机器人，垂直多关节型装配机器人和平面关节型（SCARA）装配机器人。
我国装配机器人发展现状
经过多年来的研究与开发，我国在装配机器人方面有了很大的进步。
目前在装配机器人研制方面，基本掌握了机构设计制造技术，解决了控制、驱动系统设计和配置、软件设计和编制等关键技术，还掌握了自动化装配线及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术，在基础元器件方面，谐波减速器、六轴力传感器、运动控制器等也有了突破。
我国已研制出精密型装配和实用型装配机器人，如华南理工大学完成的用于吊扇电动机装配的机器人自动装配系统。
该装配系统用于装配1400mm、1200mm和1050mm3种规格的吊扇电动机。
使用该装配系统后，产品质量显著提高，返修率降低至5%～8%左右。
另外还有小型电器机器人自动装配线，以及自动导引汽车发动机装配线，精密机芯机器人自动装配线等机器人示范应用工程。
上海交通大学也研制了“精密1号”机器人，它是我国第一款高精度的装配机器人。
国外在装配机器人领域的开发与应用方面走在中国前面。
在韩国，装配机器人占1998年和1999年总销售量的27%。
日本作为机器人王国，各产业中应用的机器人总数占世界的40%。
其中装配机器人是日本机器人的最大应用领域，它占实际安装机器人数量的41%。
据日本产业机器人协会统计，在1982~1991年的10年中，日本用于装配作业的机器人台数为177500台，居工程应用数量之首。
我国已研制出精密型装配和实用型装配机器人，如广东吊扇电机机器人自动装配线，小型电器机器人自动装配线，以及自动导引汽车发动机装配线，精密机芯机器人自动装配线等机器人示范应用工程。
近几年来，“大连贤科机器人技术有限公司”与国内5家高校、科研所合作，开发出具有自主知识产权的系列化模块化直角坐标型装配机器人CAD设计平台；
开发出两个系列共4种规格的平面关节型装配机器人；
开发出两种类型3个系列的直线运动单元以及由此组成的直角坐标型装配机器人；
研制出基于开放式体系结构的机器人控制器。
“贤科”自主开发的装配机器人已在家电、电子仪表、轻工等行业得到初步应用，其质量不亚于国外同类产品，是国内当之无愧的最精密的装配机器人。
国外装配机器人发展现状
美、日、西欧的制造业中约40%的劳动力用于装配，西德电子工业产品总成本的50～70%是装配。
装配机器人是高质量、高柔性、高效率完成自动装配的理想手段。
所以装配机器人得到迅速发展，如美国工业界Delphi法调查表明到2000年应用于装配和检验的机器人销售台数将从1985年占工业机器人总数16%猛增到35%。
日本装配机器人的增长比任何其他工业应用领域的机器人都快，增长速度比欧洲和美国更快。
日本装配机器人的增长臂人和其他工业应用领域的机器人都快，增长速度比欧洲和美国更快。
日本机器人的广泛的应用领域在装配工段，1985年装配机器人已达15800台，是焊接机器人的两倍，成为工业应用领域中应用最多的机器人。
1995年为33500台，产值为2590～3000亿日元，到2004年，达到55000台，产值4200～5100亿日元。
这个数值远远高于其他领域机器人的发展速度，为世界所瞩目。
其中装配机器人近年来异军突起，发展迅速。
据日本产业机器人协会统计，在1982～1991年的10年中，日本用于装配作业的机器人台数为177500台，居工程应用数量之首。
据日本产业机器人协会的统计，日本装配机器人1980年左右首次达到最高点。
生产台数为2849台，产值2497亿日元，以后又呈上升趋势。
目前，日本应用的装配机器人的主要型号有：
直角坐标型、水平多关节型、垂直多关节型及圆柱坐标型等。
据日本产业机器人协会的预测，在日本制造业，装配机器人的需求逐年上升。
装配机器人技术的应用简介
环保压缩装配机器人控制技术的研究与开发，不仅产品处于国内领先地位，而且在压缩机生产领域的技术水平与产业素质提高到行业之首，并收到良好的经济效益和社会效益。
具备视觉功能的装配机器人在工业领域得到越来越广泛的应用，相比程控型、示教再现型等其它类型的机器人，视觉装配机器人无疑具有更强的适应环境的能力以及智能化程度，因而更能适用于智能化装配任务的发展需求，目前视觉装配机器人已成为机器人领域内的研究热点。
空间太阳电池阵自动装配机器人的设计也是当期一大研究，因为国外在这方面对中国采取封锁政策，我们也无从得知他们的研究现状。
国内，则用此类机器人完全替代落后的手工贴装工艺，实现机器人的自动贴装。
从而提高太阳电池阵的加工品质，提高生产效率，降低电池片碎片率，缩短生产周期，避免胶液污染太阳电池现象的发生，满足新一代太阳电池发展的趋势。
目前，国内外已有各种专用和通用的装配机器人在生产中得到应用，主要有直角坐标型、圆柱坐标型和关节型三大类。
关节型装配机器人又有垂直关节型（即空间关节型）和平面关节型（即SCARA型）二种，其中平面关节型装配机器人是应用数量最多且较为广泛的一种装配机器人。
机器人技术在零件装配领域的应用越来越得到人们的重视，尤其是大型零件的轴孔配合的应用。
本课题来自某单位对蒸汽发生器单元装配实际需要，设计开发出一款能够完成工件和压力容器之间轴孔配合的装配机器人。
蒸汽发生器单元装配工艺，分析轴孔装配偏差和柔顺轴孔装配方法，提出完成蒸汽发生器单元装配所需要机械结构方案、电气控制方案以及检测方法。
机械结构方面：
在inventor软件下设计出具有7自由度的装配机器人机械结构和工件的工装。
通过Algor有限元分析软件对关键的零部件进行了非线性分析，保证结构的刚度和强度满足要求。
基于matlab的机器人工具箱对装配机器运动学仿真和作业路径规划，为控制部分提供依据。
总结
总的来看，目前装配机器人向提高控制精度、加快动作速度、操作机本体轻量化和多用途方向发展。
在装配机器人种类方面发展动向有：
（1）对特定的工件装配作业采用专用装配机器人，如为了焊接扁平封装的IC电路，使用能完成微细的局部加热的激光焊锡装配机器人；
（2）为扩大装配机器人的适用范围，装配机器人必须进一步向智能化方向发展。
随着机器人智能化程度的提高，对复杂产品（如汽车发电机、电动机、电动打字机、收录机和电视机等）进行自动装配将成为现实。
柔顺运动概念的研究及其进展，也有助于机械部件的自动装配工作。
2.装配机器人原理
装配机器人机械结构
机械系统是整个系统的机械本体部分，是工件的载体，对工件位姿调节。
因此，机械系统有足够的刚度、强度，防止在抓工件后零部件变形、断裂；
满足运动空间，即按照规划好的路径将工件从初始位置安装到预定位置；
具有冗余的自由度，补偿运动误差和制造误差；
具有专用的机械手夹具，保证每次抓取工件后，工件在机械系统的位置不变。
装配机器人的机械本体一般由手部（末端执行执行器）、手腕、手臂及机座组成。
根据结构不同，可分为四种类型：
关节型、球坐标型、圆柱坐标型、直角坐标型。
关节型和球坐标型灵活性好、工作空间大；
直角坐标型刚度和精度高，但工作空间小；
圆柱型介于他们之间。
工业机器人的总体方案设计主要进行运动功能方案、传动系统方案以及结构布局方案的设计。
机器人运动功能设计:
主要设计任务是机器人自由度数目、关节运动的性质及排列顺序的确定、以及在基准状态下的附体坐标系的建立。
根据机器人机构的特点，可以分为串联、并联和混联三种，串联的特点是结构简单，机构灵活，工作空间大，姿态性能好，但是机器人的刚度小，承载能力较低;
而并联机器人的特点恰好与此相反，机器人的刚度较大，承载能力高，但是其工作空间小，姿态能力差。
而混联方式，则是把串、并联结合起来，充分利用了串、并联的优点，避免了二者的缺点。
但是混联机构势必会增加机器人结构的复杂性。
装配机器人控制
机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。
工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。
具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。
其工作原理为：
控制系统发出动作指令，控制驱动器动作，驱动器带动机械系统运动，使末端操作器到达空间某一位置和实现某一姿态，实施一定的作业任务。
末端操作器在空间的实时位姿由感知系统反馈给控制系统，控制系统把实际位姿与目标位姿相比较，发出下一个动作指令，如此循环，直到完成作业任务为止。
关键技术包括：
（1）开放性模块化的控制系统体系结构：
采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器（RC），运动控制器（MC），光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。
机器人控制器（RC）和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。
机器人控制器（RC）的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。
（2）模块化层次化的控制器软件系统：
软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。
整个控制器软件系统分为三个层次：
硬件驱动层、核心层和应用层。
三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。
（3）机器人的故障诊断与安全维护技术：
通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。
（4）网络化机器人控制器技术：
当前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。
控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。
可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。
现阶段机器人的控制体系结构有两种主要形式同时存在：
一是象ABB、Fanuc、Motoman这样的传统机器人制造商继续使用大型专有控制装置，持有他们专有的控制体系结构；
二是开放式的通用运动控制体系结构（比如基于Pc机的运动控制结构），具有开放性、可移植性、可扩展性等优点，而且可以方便的添加网络通信功能。
许多新公司都在研究和尝试基于PC的运动控制结构。
开放式控制系统顾名思义要体现一个开放的设计思想，能够实现多个平台和系统的可靠交互，而且具有一定的通用性，能够方便的实现移植及转化，各个模块就类似“即插即用”型的部件。
该系统的几个关键点：
使用基于通用计算机平台的开发系统，比如说个人计算机平台、SUN计算机平台等。
2.使用标准的操作系统和标准的开发语言，比如Windows系统下VB、C/C++。
3.总线硬件架构采用标准的结构，能与外围设备和传感器接口对应。
4.采用网络策略，使控制器数据通过网络共享，能够实现远程控制。
要实现一个控制系统的开放性必须要具备几个条件：
可靠的扩展性能、优越的数据交互性能、方便的再开发性能，拥有这几点特性的控制系统无疑将会是一个可靠的开放式系统，所以必须采用通用型的硬件平台以及标准的软件运行环境。
以一种六自由度机器人为例，采用的硬件系统结构是基于PC平台再结合多轴运动控制器所搭建的具有多处理核心的控制系统，控制软件是基于通用的Windows操作系统环境下利用标准的编程语言C#来开发完成，整个系统的结构框图如图所示，上位机是搭载了Windows系统的工控机，下位机是能够进行8轴控制的运动控制器，上、下位机通过标准的以太网协议进行通讯，整个系统总共由两个CPU核心来共同协作运行，工控机是整个系统的控制核心，主要负责控制过程中的非实时任务，而实时控制任务则交由运动控制器来实现，这样既能充分利用通用系统平台丰富的软硬件资源，利用标准的语言来开发控制软件，而且两个CPU核心各自负责不同类型任务相互协作，实现最佳控制效率。
图控制系统结构框图
整个机器人控制系统中硬件平台的选择至关重要，基于DSP技术的多轴运动控制器具有快速性、兼容性、高集成性和易操作性等特点，再配合具有较好稳定性和抗干扰能力的工业计算机（IPC），组建成一套IPC+DSP运动控制器的开放式焊接机器人控制系统，图是系统硬件原理框图。
图中的运动控制系统模块的核心主要由工控机和ACR9000运动控制器组成，工控机以其卓越的可靠性和高抗干扰性已经在工业现场控制领域中得到了广泛的运用，工控机与控制器之间用双绞网线连接，具有优秀的抗干扰性，运动执行部分采用的是交流伺服控制形式。
图机器人硬件结构组成
图示教再现系统框图
机器人柔性装配
机器人装配作业是自动柔性制造系统的关键环节，如何使工业机器人实现快速、精密的装配作业是目前尚未完全解决的问题。
装配机器人并没有走出实验阶段而普遍应用于工业生产装配机器人不同于喷漆、焊接机器人，它的特点是机器人工作时机械手末端所操作的工件与实际环境相接触，产生力/力矩.如果采用位置控制机器人来实现装配作业，则由于机器人本身存在的位置分辨率和重复定位精度以及机器人所处的各种环境的不确定性，是难以完成复杂的装配作业的。
目前装配机器人采用:
（1）被动适从调节方法;
（2）基于主动手腕的主动适从调节方法;
（3）基于机械本体的主动适从调节方法。
机器人在完全结构化和确定环境中获得广泛使用，但是非结构化和变化环境严重地限制了机器人在装配作业中的应用。
具有精确位置伺服以及刚度很大的机器人不适合执行装配过程中频繁产生接触的场合，因为很小的位置偏差将产生巨大的接触力，对于机械手和装配件都是非常有害的。
克服刚体之间相互接触而产生巨大接触力的有效途径就是增加机械手和装配件在约束环境中的适从性。
适从是机器人所操作的工件和环境之间的接触力来修正它们的相对位置和运动.按照一般的分类把采用力信息反馈的适从称为主动适从，而把机械结构在外力作用下的适从称为被动适从。
被动适从广泛地应用于解决机械手与它所处的环境的不确定性带来的问题.通常机械手具有两种不同的被动适从。
1.由于机械手本身的柔性产生的被动适从。
目前广泛应用的多关节机器人，本身具有一定的柔性，在一定精度范围内，可利用机械手本身的柔性完成装配任务.但不同的机械手或同一机械手不同的位姿的柔性是不同的，因而末端的顺应不是准确已知的.机械结构的柔性较小，很小的位置偏差能导致较大的接触力。
2.具有特殊用途的被动适从装置。
它是根据具体任务设计出的一种被动适从结构，如RCC。
主动适从是以力反馈控制来实现的。
以控制目标通常将约束运动中的力控制方法分为两类:
第一种方法是以非冲突的方法控制力和力矩，沿着被约束的方向控制力;
沿着非约束方向控制位置.在加工过程中（磨光、打毛刺等），末端执行器的位置以及作用在环境的接触力必须同时控制。
这类方法的共同点是设计出依赖于机械手运动学、动力学以及它的环境的控制结构.如果机械手的约束环境变化，控制器的结构必须重新设置以适应这种变化。
这种控制方案难以在装配机器人中获得应用.因为实现这种控制算法需要相当大的计算量，控制器综合复杂，缺乏对象精确的动力学模型及参数、高精度的力传感器以及指定位置/力控制策略的复杂性.第二种方法是根据接触力和位置之间的关系，确保机械手在约束环境中运动而保持适当的接触力.接触力作为机械手末端执行器相对于环境的实际位置的信息源.装配过程（插轴入孔）的操作属于此类，力反馈只是增加在约束环境中的定位精度.
柔顺装配机构
柔顺装配方法大致可分三类：
一类是被动装配的方法，如被动柔顺手腕（RCC等）和被动柔顺工作台、气流法、磁力法、振动法等。
第二类是主动装配方法，如通过力觉伺服的主动柔顺手腕和主动柔顺工作台。
通过视觉的伺服法，通过接近觉伺服的方法等。
第三类是被动和主动相结合的装配方法.
被动柔顺手腕RCC机构
被动柔顺手腕RCC机构它是一种纯机械式的装置。
通过弹性变形或构件微小位移，克服装配机器人定位误差造成的配对装配件间的顶卡、阻滞现象，达到柔顺装配。
这种机构完成插入操作的时间短，不要求信息处理，但允许定位误差受零件倒角限制，可能产生大的插入力，对工作环境的适应能力受限制。
应用被动柔顺手腕如RCC，对公差间隙为的有孔装配，在零件有倒角的情况下允许定位误差为偏移mm，转角，接触及插入时间秒。
各种柔顺手腕机构将继续得到研究和发展，主要是努力提高柔顺手腕对装配环境的适应能力。
主动柔顺手腕
主动柔顺手腕，通过力觉直接获取接触和力（力矩）的信息，反馈给机器人手臂或手腕，通过微小的柔顺运动或校正力的施加方向和大小，达到柔顺装配。
被动柔顺手腕只适合小的定位误差，并有一定的局限性，而主动柔顺手腕可以适应于大的定位误差以及零件无倒角的情况。
但是主动柔顺手腕搜索运动和信息处理时间长，所以插入时间较长。
智能手爪
装配机器人进行各种装配作业，最后都是通过末端执行器来完成的，末端执行器包括各种装配工具，如拧螺钉螺母、钻、焊、软焊、粘配、测量等和各种手爪，其中应用最多的是各种手爪。
二指、三指、多指，多功能的手爪系列的开发和研究，对扩大装配机器人的应用是非常关键的。
装配机器人智能化在很大程度上可以在手爪上得到体现.在手爪机构中可以配置各种传感器，如接近传感器、触觉传感器、力（力矩）觉、物体光学辨识系统、位移传感器等。
通过这些传感系统就有可能使手爪本身或机器人实现自适应控制和智能控制，进行柔顺装配，以及判断或识别被抓物品的位置、形状等功能。
完成更复杂更细微的装配作业。
轴孔装配的柔顺装配方法分析
轴孔最理想状态是轴孔同轴，配合后间隙均匀。
但是，实际中由于装配系统加工、装配误差、检测系统的检测误差、运动的定位精度等，都会造成轴孔不能完全同轴。
装配时存在以下三种偏差情况，如图。
（1）轴孔的轴线平行，但不重合，存在偏移X；
（2）由于定位或检测精度不够，造成轴未插入孔中时，存在夹角θ；
（3）轴插入到孔中时，由于加工误差造成在某一段轴线偏差β或者由于插入运动方向与轴的轴线不平行造成运动角度偏差β；
图轴孔安装偏差情况
角度偏差β相对与角度偏差θ和偏移X是可以忽略的，在设计中不作为重点考虑。
要能够消除轴线偏差θ和偏移X修正轴的姿态，需要装配系统具有：
足够高的灵敏度检测出轴孔偏差量，很高的定位精度使偏差尽可能小，足够的刚度确保系统变形足够小，足够的调整自由度来调整工件的姿态。
被动柔顺装配通过辅助的柔顺机构，靠轴孔接触力来驱动柔顺机构，调整被装对象的姿态。
由于主动顺装配是靠轴孔的接触力来修正相对姿态的，在存在偏差情况，轴孔始终相对滑动着完成装配。
这样方法不需要复杂的检测设备，对定位精度要求也不高，适合装配精度不高、质量小、对装配表面没有影响的装配对象。
主动柔顺中轴配合是指通过传感器检测出轴孔偏差，装配控制系统根据反馈偏差信息，修正被装对象的姿态。
根据引导的方式可分为视觉引导、接近觉引导、力控制引导。
视觉引导是指通过分析处理由工业相机拍下的孔和轴的图像，得出轴孔的轴线偏差反馈给控制系统，控制系统根据反馈调整机械手位姿，反复检查和调整指导轴孔偏差在一定范围后再实施精装配。
视觉引导的精度受相机的分辨率、平行光源的强度、周围光线、轴孔配合间隙和配合长度的影响。
同时实时处理图像花费时间，处理相机和装配运动系统之间的坐标转换也需要大量时间，整个系统适应性不强。
因此，在装配环境恶劣的情况下，使用视觉引导很难达到装配要求。
接近觉引导是通过装配系统末端的接近觉传感检测出与被装对象的距离和相对倾角，配合搜索和识别功能的软件程序来完成装配。
这种方式对传感器的精度要求很高，适合一些配合精度不高的场所。
力控制引导是靠力觉反馈，调整机械手姿态，使轴孔由接触到非接触状态转换。
因此，靠这种方式并不能使轴孔配合后有均匀的间隙，对于有台阶的轴孔配合时很可能在下一个轴段不能配合在一起。
另外当检测到力后，系统并不能立即停止，为了减小碰撞冲击，只能降低速度提高系统的响应速度。
自动寻找法轴孔装配是通过一定的装置使得待装配的零件自动寻找正确的位置，待装配的零件按照随机或预想的轨迹运动，直到一个偶然的机会与配合对象对准重合。
如图（a）所示，由于轴线偏差的存在，气流流过待装轴时受到的阻力不同，在轴周围形成压力差，通过压力差的作用将轴修正并吸入孔中。
图（b）是通过磁场来修正位姿的，自动装配。
可以看出，自动寻找法是一种以安装对象作为基准，通
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