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精密儀器

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工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識大全,看完秒懂!

1.主體

主體機(jī)械即機(jī)座和實(shí)行機(jī)構(gòu),包括大臂、小臂、腕部和手部,構(gòu)成的多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。有的機(jī)器人另有行走機(jī)構(gòu)。工業(yè)機(jī)器人有6個自由度乃至更多腕部通常有1~3個活動自由度。

2.驅(qū)動系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng),按動力源分為液壓,氣動和電動三大類。依據(jù)需求也可由這三種范例組合并復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)?;蛘咄ㄟ^同步帶、輪系、齒輪等機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)來間接驅(qū)動。驅(qū)動系統(tǒng)有動力裝置和傳動機(jī)構(gòu),用以實(shí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的動作,這三類根本驅(qū)動系統(tǒng)的各有特點(diǎn),現(xiàn)在主流的是電動驅(qū)動系統(tǒng)。

由于低慣量,大轉(zhuǎn)矩交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動器(交換變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器)的普遍接納。這類系統(tǒng)不需能量轉(zhuǎn)換,運(yùn)用方便,控制靈敏。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精細(xì)的傳動機(jī)構(gòu):減速器。其齒運(yùn)用齒輪的速率轉(zhuǎn)換器,將電機(jī)的反轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的反轉(zhuǎn)數(shù),并得到較大轉(zhuǎn)矩的裝置,從而降低轉(zhuǎn)速,添加轉(zhuǎn)矩,當(dāng)負(fù)載較大時(shí),一味提升伺服電機(jī)的功率是很不劃算的,能夠在適宜的速率范疇內(nèi)通過減速器來進(jìn)步輸出扭矩。伺服電機(jī)在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)下容易發(fā)熱和出現(xiàn)低頻振動,長時(shí)間和重復(fù)性的工作不利于確保其準(zhǔn)確性、牢靠地運(yùn)轉(zhuǎn)。精細(xì)減速電機(jī)的存在使伺服電機(jī)在一個適宜的速率下運(yùn)轉(zhuǎn),加強(qiáng)機(jī)器體剛性的同時(shí)輸出更大的力矩。如今主流的減速器有兩種:諧波減速器和RV減速

3.控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦,是決定機(jī)器人功用和功能的主要要素??刂葡到y(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和實(shí)行機(jī)構(gòu)收回指令信號,并進(jìn)行控制。工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)的主要任務(wù)便是控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的活動范圍、姿勢和軌跡、動作的時(shí)間等。具有編程簡單、軟件菜單操縱、友好的人機(jī)交互界面、在線操縱提示和運(yùn)用方便等特點(diǎn)。

控制器系統(tǒng)是機(jī)器人的中心,外國有關(guān)公司對我國實(shí)驗(yàn)緊密封閉。連年來隨著微電子技術(shù)的開展,微處置器的功能越來越高,而價(jià)錢則越來越便宜,現(xiàn)在市集上曾經(jīng)出現(xiàn)了1-2美金的32位微處置器。高性價(jià)比的微處置器為機(jī)器人控制器帶來了新的開展機(jī)會,使開辟低本錢、高功能的機(jī)器人控制器成為可能。為了使系統(tǒng)具有充足的運(yùn)算與存儲能力,現(xiàn)在機(jī)器人控制器多接納較強(qiáng)的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片構(gòu)成。

由于已有的通用芯片功用及功能上不可以完全滿足有些機(jī)器人系統(tǒng)在價(jià)錢、功能、集成度和接口等方面的要求,這就萌生了機(jī)器人系統(tǒng)對SoC(Systemon Chip)技能的需求,將特定的處置器與所需求的接口集成在一同,可簡化系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì),減少系統(tǒng)尺寸,并低低成本。比方,Actel公司將NEOS或ARM7的處置器內(nèi)核集成在其FPGA產(chǎn)品上,構(gòu)成了一個完整的SoC系統(tǒng)。在機(jī)器人技術(shù)控制器方面,其研討主要會合在美國和日本,并有成熟的成品,如美國DELTATAU公司、日本朋立株式會社等。其運(yùn)動控制器以DSP技術(shù)為核心,采用基于PC的開放式結(jié)構(gòu)。

4.感知系統(tǒng)

它是內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊的構(gòu)成,獲取內(nèi)部和外部的環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。

內(nèi)部傳感器:用來檢測機(jī)器人本身狀態(tài)(如手臂間的角度)的傳感器,多為檢測位置和角度的傳感器。具體有:位置傳感器、位置傳感器、角度傳感器等。

外部傳感器:用來檢測機(jī)器人所處環(huán)境(如檢測物體,距離物體的距離)及狀況(如檢測抓取的物體是否滑落)的傳感器。具體有距離傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器等。

智能傳感系統(tǒng)的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動性,實(shí)用性和智能化的標(biāo)準(zhǔn),人類的感知系統(tǒng)對外部世界信息是機(jī)器人靈巧的,然而,對于一些特許的信息,傳感器比人的系統(tǒng)更加有效。

5.末端執(zhí)行器

末端執(zhí)行器連接在機(jī)械手最后一個關(guān)節(jié)上的部件,它一般用來抓取物體,與其他機(jī)構(gòu)連接并執(zhí)行需要的任務(wù)。機(jī)器人制造上一般不設(shè)計(jì)或出售末端執(zhí)行器,多數(shù)情況下,他們只提供一個簡單的抓持器。通常末端執(zhí)行器安裝在機(jī)器人6軸的法蘭盤上以完成給定環(huán)境中的任務(wù),如焊接,噴漆,涂膠以及零件裝卸等就是需要機(jī)器人來完成的任務(wù)。

伺服電機(jī)的概述

伺服驅(qū)動器又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”,是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器,其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá),屬于伺服系統(tǒng)的一部分。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機(jī)進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位。

一、伺服電機(jī)的分類

分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類,交流伺服電動機(jī)又分為異步伺服電動機(jī)和同步伺服電動機(jī),目前交流系統(tǒng)正在逐漸代替直流系統(tǒng)。與直流系統(tǒng)相比,交流伺服電機(jī)具有高可靠性、散熱好、轉(zhuǎn)動慣量小、能工作于高壓狀態(tài)下等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)闊o電刷和轉(zhuǎn)向器,故交流私服系統(tǒng)也成為無刷伺服系統(tǒng),用于其中的電機(jī)是無刷結(jié)構(gòu)的籠型異步電機(jī)和永磁同步型電機(jī)。

1)直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)

①有刷電機(jī)成本低,結(jié)構(gòu)簡單,啟動轉(zhuǎn)矩大,調(diào)速范圍寬,控制容易,需要維護(hù),但維護(hù)方便(換碳刷),產(chǎn)生電磁干擾,對使用環(huán)境有要求,通常用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合;

②無刷電機(jī)體積小重量輕,出力大響應(yīng)快,速度高慣量小,力矩穩(wěn)定轉(zhuǎn)動平滑,控制復(fù)雜,智能化,電子換相方式靈活,可以方波或正弦波換相,電機(jī)免維護(hù),高效節(jié)能,電磁輻射小,溫升低壽命長,適用于各種環(huán)境。

二、不同類型伺服電機(jī)的特點(diǎn)

1)直流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):速度控制精確,轉(zhuǎn)矩速度特性很硬,控制原理簡單,使用方便,價(jià)格便宜。

缺點(diǎn):電刷換向,速度限制,附加阻力,產(chǎn)生磨損微粒(無塵易爆環(huán)境不宜)

2)交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):速度控制特性良好,在整個速度區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)平滑控制,幾乎無振蕩,90%以上的高效率,發(fā)熱少,高速控制,高精確度位置控制(取決于編碼器精度),額定運(yùn)行區(qū)域內(nèi),可實(shí)現(xiàn)恒力矩,慣量低,低噪音,無電刷磨損,免維護(hù)(適用于無塵、易爆環(huán)境)。

缺點(diǎn):控制較復(fù)雜,驅(qū)動器參數(shù)需要現(xiàn)場調(diào)整PID參數(shù)確定,需要更多的連線。

目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制核心,可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊(IPM)為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路,同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流,得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電,再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元(AC-DC)主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?/span>

三、伺服系統(tǒng)接線圖

1. 驅(qū)動器接線

伺服驅(qū)動器主要有控制回路電源、主控制回路電源、伺服輸出電源、控制器輸入CN1、編碼器接口CN2、連接起CN3??刂苹芈冯娫词菃蜗郃C電源,輸入電源可單相、三相,但是必須是220v,就是說三相輸入時(shí),咱們的三相電源必須經(jīng)過變壓器變壓才能接,對于功率較小的驅(qū)動器,可單相直接驅(qū)動,單相接法必須接R、S端子。伺服電機(jī)輸出U、V、W切記千萬不能與主電路電源連接,有可能燒毀驅(qū)動器。CN1端口主要用于上位機(jī)控制器的連接,提供輸入、輸出、編碼器ABZ三相輸出、各種監(jiān)控信號的模擬量輸出。

2. 編碼器接線

從上圖看出九個端子我們只使用了5個,一個屏蔽線、電源線兩根、串行通訊信號(+-)兩根,與我們普通的編碼器接線差不多。

3. 通訊端口

驅(qū)動器通過CN3端口與電腦PLC、HMI等上位機(jī)相連接,采用MODBUS通訊來控制驅(qū)動器,可使用RS232、RS485進(jìn)行通訊。

四、伺服驅(qū)動器市場

機(jī)器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的要求非常嚴(yán)格,交流伺服電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)高端市場主要被國外名企占據(jù),主要來自日本和歐美,未來國產(chǎn)替代空間大。目前國外品牌占據(jù)了中國交流伺服市場近80%的市場份額,主要來自日本和歐美。其中,日系產(chǎn)品以約50%的市場份額居首,其著名品牌包括松下、三菱電機(jī)、安川、三洋、富士等,其產(chǎn)品特點(diǎn)是技術(shù)和性能水平比較符合中國用戶的需求,以良好的性價(jià)比和較高的可靠性獲得了穩(wěn)定且持續(xù)的客戶源,在中小型OEM市場上尤其具有壟斷優(yōu)勢。

精密減速器

最近看了一則新聞:機(jī)器人產(chǎn)業(yè)要破除“卡脖子”難題,感觸挺深。隨著人工成本的提高,工業(yè)機(jī)器人替換人已成為趨勢。工業(yè)機(jī)器人作為智能制造的基石,但核心零部件卻制約著我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示目前國內(nèi)機(jī)器人減速器普通依賴進(jìn)口。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在中國要成氣候,必須下決心解決核心零部件的問題。

下面介紹工業(yè)機(jī)器人核心精密零部件:減速器,與通用減速器相比,機(jī)器人用減速器要求具有傳動鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易于控制等特點(diǎn)。減速器行業(yè),我們不得不提這行業(yè)兩巨頭是Nabtesco(帝人,也叫納博特斯克)和Hamonica Drive(哈默納科),業(yè)界俗稱(RV減速器和諧波減器)。他們幾乎壟斷了全球的機(jī)器人用減速器。這兩種減速器都是微米級的加工精度,光這一條在量產(chǎn)階段可靠性高就很難了,更別說幾千轉(zhuǎn)的高速運(yùn)轉(zhuǎn),而且還要高壽命。目前市面上的大量應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人上的減速器主要有兩類:RV減速器和諧波減速器。

RV減速器:是少齒差嚙合,但相對于諧波減速器,RV減速器通常用的是擺線針輪,RV減速器由擺線針輪和行星支架組成。相比諧波減速器,RV減速器的關(guān)鍵在于加工工藝和裝配工藝。RV減速器具有更高的疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命,不像諧波傳動那樣隨著使用時(shí)間增長,運(yùn)動精度會顯著降低,其缺點(diǎn)是重量重,外形尺寸較大。RV減速器用于轉(zhuǎn)矩大的機(jī)器人腿部腰部和肘部三個關(guān)節(jié),負(fù)載大的工業(yè)機(jī)器人,一二三軸都是用RV減速器。

它較機(jī)器人中常用的諧波傳動具有高得多的疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命,而且回差精度穩(wěn)定,不像諧波傳動那樣隨著使用時(shí)間增長運(yùn)動精度就會顯著降低,故世界上許多國家高精度機(jī)器人傳動多采用RV減速器,因此,該種RV減速器在先進(jìn)機(jī)器人傳動中有逐漸取代諧波減速器的發(fā)展趨勢。

RV減速器分解圖

諧波減速器:用的也是少齒差嚙合,諧波里的一種關(guān)鍵齒輪是柔性的,它需要反復(fù)的高速變形,所以它比較脆弱,承載力和壽命都有限。

諧波減速器是諧波傳動裝置的一種,諧波傳動裝置包括諧波加速器和諧波減速器。諧波減速器主要包括:剛輪、柔輪、和徑向變形的波發(fā)生器三者組成。它是利用柔性齒輪產(chǎn)生可控制的彈性變形波,引起剛輪與柔輪的齒間相對錯齒來傳遞動力和運(yùn)動。這種傳動與一般的齒輪傳遞具有本質(zhì)上的差別,在嚙合理論、集合計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面具有特殊性。諧波齒輪減速器具有高精度、高承載力等優(yōu)點(diǎn),和普通減速器相比,由于使用的材料要少50%,其體積及重量至少減少1/3。所以諧波減速機(jī)主用于小型機(jī)器人,特點(diǎn)是體積小、重量輕、承載能力大、運(yùn)動精度高,單級傳動比大。一般用于負(fù)載小的工業(yè)機(jī)器人或大型機(jī)器人末端幾個軸。

諧波減速器分解圖

日本納博特斯克公司從1980年代初提出RV型設(shè)計(jì)到1986年RV減速器研究獲得實(shí)質(zhì)性突破,花了6-7年時(shí)間;而國內(nèi)率先拿出結(jié)果的南通振康和恒豐泰花費(fèi)時(shí)間也為6-8年。是不是意味著我國本土企業(yè)就沒什么機(jī)會了呢!可喜的是中國企業(yè)布局若干年后,終于取得一些突破。國產(chǎn)主要由南通振康、秦川機(jī)床、武漢精華、浙江恒豐泰和浙江雙環(huán)傳動提供。據(jù)說南通振康產(chǎn)量已經(jīng)突破萬臺,秦川機(jī)床生產(chǎn)線已經(jīng)打通,產(chǎn)量正在逐步上升。秦川機(jī)床的是國家進(jìn)口替代項(xiàng)目,秦川機(jī)床9萬套工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器技術(shù)改造項(xiàng)目、工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器生產(chǎn)線兩項(xiàng)合計(jì)投資3.14億元。

控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦,是決定機(jī)器人功用和功能的主要要素??刂葡到y(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和實(shí)行機(jī)構(gòu)收回指令信號,并進(jìn)行控制。下面文章主要介紹機(jī)器人控制系統(tǒng)。

1、機(jī)器人的控制系統(tǒng)

“控制”的目的是指被控對象會按照者所期望的方式產(chǎn)生行為?!翱刂啤钡幕緱l件是了解被控對象的特性。

“實(shí)質(zhì)”是對驅(qū)動器輸出力矩的控制。機(jī)器人的控制系統(tǒng)

2、機(jī)器人的基本工作原理

工作原理是示教再現(xiàn);示教也稱導(dǎo)引示教,既是人工導(dǎo)引機(jī)器人,一步步按實(shí)際需求動作流程操作一遍,機(jī)器人在導(dǎo)引過程中自動記憶示教的每個動作的姿態(tài)、位置、工藝參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)等,并自動生成一個連續(xù)執(zhí)行的程序。完成示教后,只需要給機(jī)器人一個啟動命令,機(jī)器人將會地自動按照示教好的動作,完成全部流程;

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