第一章工业机器人Word文件下载.docx

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现在每万名制造业职工拥有机器人约350台，日本汽车制造业职工大约使用811台机器人，机器人成为现代制造业的主力军。

各国制造企业家已取得共识,即提高劳动生产率，增加产量主要依靠机器人，而不是增加就业人数。

据国际机器人联合会（IFR）1995年统计，机器人的销售增长较快，1995年比1994年增长了22%。

预计1995年到1998年世界机器人销售的平均增长率为19%，到2000年，世界机器人的安装总数将增加到100万台。

从应用领域来看，机器人主要集中在制造业的焊接、装配、机加工、电子、精密机械等领域。

随着机器人的普及应用，工业机器人技术也取得较快发展。

近年来，工业机器人的传感器技术、控制技术、主体结构等关键技术也进展较快，目前已研制出各种新型机器人传感器。

因此，下一世纪将是传感器发生革命性变化的时代。

超小型化、高可靠性及廉价的新型传感器的出现，将从根本上改变机器人编程及控制系统的设计。

机器人新材料及弹性臂的研究，可能出现负载自重比为1/2的轻型机器人。

在驱动单元研究方面，出现了传感器与驱动器一体化的趋势。

工业机器人的编程语言和编程方式也取得了较大进展，机器人语言将会象计算机语言一样规范化，机器人的编程也可望与机床的数控设备一样，完全实现离线编程。

由于工业机器人的应用范围不断扩大，机器人已从当初的柔性上下料装置变为可编程的高度柔性单元，由“部件发展方式”向“系统发展方式”转移。

21世纪的制造业将进入一个新的阶段，由面向市场多变生产转向面向顾客生产，敏捷制造企业（AGIENTENTERPRISE）将是未来企业的主导模式，以机器人为核心的可重组的加工和装配系统，已成为工业机器人和敏捷制造业的重要发展方向。

1.2我国机器人技术研究发展概况

我国机器人学研究起步较晚，但进步较快，已经在工业机器人、特种机器人和智能机器人各个方面区的了明显的成就，为我国机器人学的发展打下了坚实的基础。

我国工业机器人起步于20世纪70年代初，经过20多年的发展，大致可分为三个阶段：

70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。

在第一台机械手出现后20年，我国于1972年开始研制工业机器人，由上海起，接着天津，吉林，哈尔滨，广州，昆明等十几个研究单位和院校分别开发了固定程序、结合式、液压伺服型同用机器人，并开始了机构学（包括步行机构）、计算机控制和应用技术的研究，这些机器人大约有

1/3用于生产。

在该技术的推动下，随着改革开放方针的实施，我国机器人技术的发展得到政府的重视和支持，在80年代中期，国家组织了对工业机器人的需求的行业的调研，结果表明，对第二代工业机器人的需求主要集中于汽车行业（占总需要的60%～70%）。

在众多的专家的建议和规划下，于“七五”期间，由机电部主持，中央各部委，中科院及地方十几所科研院所和大学参加，国家投入相当的资金，进行了工业机器人基础技术，基础元器件，几类工业机器人整机及应用工程的开发研究，完成了示教再现式工业机器人成套技术（包括机械手、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、制造、应用和小批量生产的工艺技术等）的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机器人整机，几类专用和通用控制系统及几类关键元部件如交、直流伺服马达驱动单元机器人专用薄壁轴承、谐波传动系统、焊接电源和变压器等，并在生产中经过实用考核，其主要性能指标达到80年代初国际同类产品的水平，且形成小批量生产能力。

在应用方面，在第二汽车厂建立的我国第一条采用国产机器人的生产线－东风系列驾驶室多品种混流机器人喷涂生产线，该线由7台国产PJ系列喷涂机器人和PM系列喷涂机器人和周边设备构成，已运行十年，完成喷涂20万辆东风系列驾驶室的生产任务，成为国产机器人应用的一个窗口；

此外，还建立了几个弧焊和点焊机器人工作站。

与此同时，还研制了几种SCARA型装配机器人样机，并进行了试应用。

在基础技术研究方面，解剖了国外10余种先进的机型，并进行了机构学，控制编程，驱动传动方式，检测等基础理论与技术的系统研究。

开发出具有国际先进水平的测量系统，编制了我国工业机器人标准体系和12项国标，行标。

为了跟踪国外高技术，80年代在国家高技术计划中，安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人，高功能装配机器人（DD驱动）和各类特种机器人，进行了智能机器人体系结构，机构控制，人工智能机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究已取得一批成果。

这些技术的实用化将加速我国第二代机器人的发展。

经过80年代尤其是后50年的努力，吸引了160多个单位从事机器人及其相关技术的研究力量，形成了京津、东北、华东、华南等机器人技术地区和十几家优势单位，培养了一支2000多人的工业机器人设计、研制、应用队伍，造就了一批机器人专家，使我国的工业机器人技术发展基本上可以立足于国内。

90年代初期，我国主要开发下列机器人及其相关技术：

1．喷涂机器人根据用户多方面的需求，开发了交流伺服离线编程机器人，喷涂机器人（顶喷、侧喷、仿形喷）小型马达器等系列产品，但还未达到产品的定型，从需求出发开发了汽车喷涂生产线，马达，箱体，陶瓷等生产线的机器人应用工程，共完成20条生产线及工作站。

2．焊接机器人进行了新机构的探索和焊缝跟踪、工装、变位机等的研究，近几年汽车行业和工程机械行业大量引进点焊、弧焊机器人，提出了许多应用工程和维修技术问题需要解决。

3．搬运机器人根据用户需求，一些单位开发了码垛换力机器人，已在多条生产线上应用。

4．装配机器人及视觉、力觉等传感器技术得到高技术计划的支持，研制了高档样机，开始了应用工程。

在90年代中期，国家已选择以焊接机器人的工程应用为重点进行开发研究，从而迅速掌握焊接机器人应用工程成套开发技术、关键设备制造、工程配套、现场运行等技术，即以机器人焊接工艺为龙头，开展焊装线总体设计、线体总控及多机通讯，新型焊接机器人用焊接电源、送丝机构、焊缝跟踪系统、机电精度、控制技术等开发及完善化，以及几条焊装生产线的全套应用及其可靠性作为主攻目标。

90年代后期是实现国产机器人的商品化，为产业化奠定基础的时期。

国内一些机器人专家认为：

应继续开发和完善喷涂、点焊、弧焊、搬运等机器人系统应用成套技术，完成交钥匙工程。

在掌握机器人开发技术和应用技术的基础上，进一步开拓市场，扩大应用领域，从汽车制造业逐渐扩展到其他制造业并渗透到非制造业领域，开发第二代工业机器人及各类适合我国国情的经济型机器人以满足不同行业多层次的需求，开展机器人柔性装配系统的研究，充分发挥工业机器人在CIMS（计算机集成制造系统）中的核心技术作用。

在此过程中，嫁接国外技术，促进国际合作，促使我国工业机器人得到进一步发展，为21世纪机器人产业奠定更坚实的基础。

经过20年的改革开放，随着对商品高质量和多样化的要求普遍提高，生产过程的柔性自动化要求日益迫切，在电子、家电、汽车、轻工业等行业，工业机器人的应用日趋广泛，随着我国加入WTO后国际竞争更加激烈，对工业机器人的需求会越来越大。

我国的工业机器人将在21世纪得到普及，随我国加入世界贸易组织（WTO），我国的工业机器人产业将面临新的发展机遇和来自国外的挑战，我们要把握这一机遇，迎接挑战，为我国跻身于机器人强国之列而努力奋斗。

第二章工业机器人技术

2．1工业机器人的定义和基本构成

虽然机器人的概念在人类的想象中已有数十年的历史，但将机器人作为专有名词加以引用则是近30年的事。

为促进机器人的发展，有关国家和组织曾给机器人下过多种定义，但由于各国家机器人的研究，发展状况不尽相同，对机器人的理解各有侧重，至今尚无被各方一致接受的统一的定义。

1984年，国际标准化组织（ISO）通过的定义是：

机器人是一种自动控制下的通过编程可完成某些操作或移动作业的机器。

在我国1989年的国标草案中，工业机器人被定义为：

一种自动定位控制，可重复编程的多功能的，多自由度的操作机。

操作机被定义为：

具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓取物体或进行其他操作的机械装置。

由此可见，工业机器人是一种机电系统，操作机是它的执行机构，该机构与电子器件密切相关，它的灵活程度和动态特性直接影响到机器人系统的工作质量。

工业机器人系统如图所示，主要由机器人本体、机器人控制部分（控制器、示教盒、再现操作盒）等组成。

2．2机器人的本体技术

机器人本体是机器人的执行机构，它的任务是精确地保证末端执行器所需要的位置、姿态和实现其运动。

机器人本体通常它的基本结构是将机构学中的杆件和运动副相互联接而成构成的开式运动链。

杆件也可以成为手臂。

运动副在机器人中称作关节，根据运动形态可分为转动关节和平移关节，关节有一个或几个自由度，但通常为一个。

机器人能独立运动的关节（包括回转和平移）的数目,就是该机器人的运动自由度（degreeoffreedomofmotion）。

在三维空间的无约束物体，可以做平行于各轴的平移运动，还可以做围绕各轴的旋转运动，因此它有与位置有关的三个自由度和与姿态有关的三个自由度，共六个自由度。

机器人手臂为了能任意操纵物体的位置和姿态，必须最少有六个自由度。

如图中所示的关节性机器人，它包括机座、立柱、大臂、小臂和手腕等部件，有时为了增加机器人的工作空间，在机座处装有行走机构。

机座与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有三个旋转关节，以保证达到工作空间的任意位置，手腕中又有三个旋转关节：

腕转、腕曲、腕摆，以实现末端操作器的任意空间姿态，手腕的端部为一法兰，以连接末端操作器。

2．1．2机器人本体的主要构成要素

1．机器人本体的伺服机构

驱动装置在机器人系统中占有重要地位，它的性能在很大程度上决定了机器人的运动性能指标，应该说机器人技术的进步依存于驱动装置的发展。

在机器人的发展历史上，曾经出现过多种驱动形式，如气动、液压驱动、电动等。

由于气动和液压驱动的局限，除了特殊场合下，已不再占主要地位，随着伺服马达和控制技术的发展，目前工业机器人中主要采用伺服马达驱动。

伺服机构在日本工业标准JIS中被定义为“以物体的位置、方位、姿势等为控制量，组成能跟踪目标的任意变化的控制系统。

”伺服机构在由指令部输入目标值（位置、速度等）时，就能检测当前值（位置、速度等），并与目标值相比较，经常进行着使其差值变小的控制。

工业机器人的伺服机构包括：

驱动放大器、驱动马达、和检测器组成。

（1）伺服马达

伺服马达分交流伺服马达（AC）和直流伺服马达（DC）两种，交流伺服马达分成两种类型：

同步马达（SMSynchonousmotor）和异步马达（IMInductionmotor）。

直流伺服马达曾经占据了很长的一段历史，在1980年以前，人们提到伺服马达通常指的是直流伺服马达，直到1984年以后，随着以微处理器为代表的电子器件的发展，复杂的控制实现了高速且廉价，伺服马达向不需要维护、马达生产率高的AC伺服马达发展。

为了适应机器人的频繁起停和高的动态品质要求,一般都采用低惯量的SM马达。

IM型马达结构坚固，容易适应大型化、高速化，变为大容量，功率也随之提高，所以IM型主要用于7.5KW以上的马达。

各种马达的结构和特征如下表所示。

伺服马达的动作原理：

所有马达的动作原理都是相同的。

根据“弗来明左手定则”，给磁场中的导体通电，力就会作用于导体，就会产生转矩。

SM型AC伺服马达，在转子上配置永久磁铁、定子上配置通电线圈，在定子线圈上流过对应转子动作（转速、方向、输出转矩）的电流。

马达线圈，是通过放大器的晶体管ON-OFF，给垂直于转子磁铁的线圈通电。

外加电压可在数KHz转换，流动电流被线圈的电抗平滑为正弦波。

线圈电压的正负区间是根据接在马达轴上的检测器指示的磁极位置检测信号进行判断。

由于磁通和电流被控制成垂直状态，所以不存在象普通同步马达那样的失步现象。

产生的转矩T为

T=K1a

与线圈电流成正比，转速为

N=

与外加电压成正比.

符号说明：

T：

转矩Ia：

电流N：

转速K1、K2：

常数V：

外加电压：

磁通Z：

线圈电阻

近年来交流伺服马达及其伺服放大器在性能上有了较大发展，伺服马达向体积小型化、重量轻量化、高速、高精度、低噪音等方向发展。

伺服放大器驱动器已经由原来的模拟伺服控制发展为数字伺服控制。

（2）伺服放大器

工业机器人中的驱动器装置的功能不仅能提供足够的功率驱动机械手各关节,而且要实现快速起停,精确到位和运动。

因此必须采用位置闭环、速度闭环和加速度闭环。

为了保护马达和电路，还要有电流闭环。

伺服放大器用来驱动伺服马达，下面用框图表示伺服放大器的基本功能和动作原理。

该框图是以三菱AC伺服系统MR-J系列为例。

伺服放大器主要包括两个部分。

（a）主回路部分

主回路的基本功能是利用整流器（二极管电桥、电容器）对商用电源（三相）进行整流、平滑，由输出模块（IGBT）将受正弦波PWM控制的任意电压频率的三相电流供给马达，控制马达的速度和转矩。

（b）控制回路部分

利用16位微机，根据指令值（目标值）和当前值高速高精确地计算控制量（位置、速度和电流），实现快速响应和高精度的伺服控制，同时，实行对控制内容监视和单元保护。

2．编码器

在机器人伺服控制系统中，编码器用来实现马达位置和速度的检测。

根据信号的输出形式编码器分为增量式（incremental）编码器和绝对式（absolute）编码器。

增量式（incremental）编码器对应每个单位位移输出一个脉冲；

绝对式旋转编码器根据读出的码盘上的编码，检测绝对位置。

根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。

下面介绍在工业机器人中目前使用较多的光学编码器的原理。

增量式光学式旋转码盘的结构如下图所示。

/

光电码盘与马达同轴安装，在带有明暗方格的码盘两侧，安装发光元件和光敏元件。

随着码盘的旋转，光敏元件接收的光通亮与方格的间隔同步变化。

光敏元件输出的波形经过整形后变成脉冲。

根据脉冲计数，可以知道固定在码盘上的转轴的角位移。

在码盘上有Z相标志信号，每转一圈输出一个脉冲。

此外，为了判断旋转方向，并得到提高系统分辨率所需要的插补信号，实际的码盘是输出二路脉冲，由于在码盘内布置了二对光电管，它们之间有一定偏差，因此二路脉冲也有固定的相位差（90），如图所示，A、B两相信号中，当A相信号上升时，观测B相信号的电平，就可以根据哪个信号的相位超前来判定码盘的旋转方向。

另外将A、B两相进行异或运算就得到频率为原信号频率2倍的信号C，进而将C和C上升时的触发信号Cr和Cr进行异或运算就得到频率为原信号频率2倍的信号D。

这样可以通过电学的手段进一步提高物理角度的分辨率。

绝对式光学编码器的结构如图所示。

在绝对位置检测系统中，由于需要判断电源接通时的旋转位置，所以将图中的绝对位置信号（该图中为7bit）迭加在上述的增量信号（A、B）上输出。

绝对位置检测系统框图如下图所示。

在绝对位置编码器中，除了上述增量信号（A、B相）外，还有马达转一周的绝对位置检测、从原点开始的马达转数计数。

所有的数据都存储在存储器中，若一次用原点复位定位，即使电源OFF，伺服放大器和控制器也能知道码盘的位置。

因此，当再次接通电源时，即使不进行原点复位，也能照样进行位置、速度控制。

在目前工业机器人中使用最多的为旋转变压器和光电式编码器。

一般在欧洲国家的点焊机器人中主要使用旋转变压器，而在日本光电式码盘器使用的较多。

下面以光电式码盘器为例，来说明一下编码器的功能和动作原理。

2、减速器

减速器是为了增大马达的输出转矩，改善机器人的加速性能和提高伺服性能而使用的。

常用的减速器中有齿轮、谐波减速器、滚珠丝杠等。

滚珠丝杠利用螺丝的旋转变换成直线运动的原理，让滚珠环让绕丝杠旋转槽旋转，使磨擦变小。

谐波减速器靠称做圆形齿的内齿齿轮和称做椭圆形齿的有可动性的外齿齿轮的齿数差，实现减速作用。

输入转轴一周，椭圆型齿仅旋转几个齿（通常为2齿）。

设圆形齿的齿数为200，则减速比为1/100。

减速机构常用的有：

谐波减速器、RV减速器、摆线减速器、滚珠丝杠、蜗轮蜗杆等。

传动方式有：

杆传动、链条传动、齿轮传动等。

其技术关键是保证传动双向无间隙。

1.直角坐标型机器人

如图1.1所示。

这种机器人具有三个互相垂直的移动轴线，它们通过手臂的上下左右移动和前后伸缩构成一个直角坐标系，其手腕能摆动和旋转。

这种形式的机器人以IBMRS-1型为代表，机器人的机械结构和控制方式比较简单，位置精度较高，但操作范围小，运行速度较低，灵活性差，难以与其它机器人协调，且占地较大。

图1.1直角坐标机器人1.2圆柱坐标型机器人

2.圆柱坐标型机器人

如图1.2所示。

这种机器人机座上有一个水平转台，在转台上装有立柱和水平臂，水平臂能上下移动和前后伸缩，并能绕立柱旋转，在空间构成部分圆柱面。

VERSATRAN机器人是其代表。

其操作范围较大，并能获得较高速度，控制简单，避障性好，但结构庞大，难以与其它机器人协调工作。

3.极坐标型机器人（球面坐标）

如图1.3所示。

这种机器人的手臂能上下俯仰、前后伸缩，并能绕立柱回转，在空间构成部分球面。

UNIMATE机器人是其代表。

这类机器人占地面积较小，结构紧凑，比圆柱坐标型更为灵活，操作范围更大，能与其它机器人协调工作，重量较轻，但避障性差，有平衡问题，位置误差与臂长成正比。

图1.3极坐标型机器人图1.4关节坐标型机器人

4.关节坐标型机器人

如图1.4所示。

这种机器人有三个主要回转关节：

腰回转（关节1）、肩回转（关节2）和肘回转（关节3），另外还有手腕的旋转（关节4、6）和弯曲（关节5）关节。

这种机器人的典型产品有美国的UNIMATION公司生产的PUMA型机器人、瑞士ASEA公司生产的IRB型机器人，以及德国KUKA公司生产的IR型机器人等。

其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其它机器人协调工作，避障性好，位置精度较低，有平衡问题。

5.SCARA型水平关节机器人

如图1.5所示。

这种机器人是日本日立公司生产的，其臂部和肘部可绕垂直轴在水平面内旋转，末端工作部分可沿垂直轴上下移动。

该产品主要用于电子产品中异型元器件的装配，如小型马达、电器、泵类等的装配工作。

它的定位精度比较高，其设计指标为01mm。

图1.5SCARA型水平关节机器人

机器人本体的选择方法

1机器人类型的选择

机器人类型的选择主要取决于机器人的目标作业类型，如汽车底盘的点焊用四自由度的点焊机器人就够了，复杂工件的焊接一般需要六自由度机器人。

2手腕的容许载荷

选择机器人时首先要考虑机器人的最大承载能力，如对于OTC公司生产的DR-4000机器人其最大承载能力为6公斤，如下图表示。

当安装标准焊枪时不会产生任何问题，但当用于搬运或其它类似的目的时，还应保证各腕部轴所承受的扭矩和转动惯量满足手册中规定的要求。

3动作范围的确定

机器人的种类确定后，还要检查其动作范围是否满足作业的要求。

机器人的动作范围一般指腕部轴的回转中心（P点）的动作范围。

如图所示DR-4000机器人的动作范围。

在实际作业时由于装有焊接工具，其作业范围将发生变化，因而需要进一步对其作业范围进行确认。

1·

2机器人的控制技术

机器人控制器是机器人的核心部件，是机器人的神经中枢，它实施机器人的全部信息处理和对机器人本体的运动控制。

工业机器人控制器具有如下主要功能：

1、作业点及作业内容的示教

为了让机器人完成某项作业，把完成该项作业内容的实现方法及机器人的位置进行示教。

作业内容包括包括让机器人产生应有的动作，也包括机器人周边装置的控制和通讯等方面的内容。

2、轨迹生成

接受示教系统送来的各示教点位置和姿态信息、运动参数和工艺参数，并通过计算把各点的示教（关节）坐标值转换成直角坐标值存入计算机内存，机器人在再现状态时，从内存中逐点取出其位置和姿态坐标值，按一定的时间节拍（又称采样周期）对它进行圆弧或直线插补运算，算出各插补点的位置和姿态坐标值，这就是路径规划生成。

然后逐点地把各插补点的位置和姿态坐标值转换成关节坐标值，分送各个关节。

为了控制机器人在被示教的作业点之间按照机器人语言所描述的指定轨迹运动，必须计算配置在机器人各关节处马达的控制量。

3、伺服控制

把从轨迹生成部分输出的控制量作为指令值，再把这个指令值与位置和速度等传感器来的信号进行比较，用比较后的指令值控制马达的转动。

4、作业设备的输入/输出控制。

5、基于传感器下的轨迹修正控制

图1.8为控制器的工作原理图。

工业机器人的控制器大都采用二级计算机结构。

虚线框内为第一级计算机，它的任务是规划和管理机器人在示教状态时，接受示教系统送来的各示教点位置和姿态信息、运动参数和工艺参数，并通过计算把各点的示教（关节）坐标值转换成直角坐标值存入计算机内存，机器人在再现状态时，从内存中逐点取出其位置和姿态坐标值，按一定的时间节拍（又称采样周期）对它进行圆弧或直线插补运算，算出各插补点的位置和姿态坐标值，这就是路