工业机器人技术第2章.pptx

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,2,工业机器人组成与性能,2.1工业机器人的组成与特点,2.1.1工业机器人的组成,1工业机器人系统的组成工业机器人是一种功能完整、可独立运行的典型机电一体化设备，它有自身的控制器、驱动系统和操作界面，可对其进行手动、自动操作及编程，它能依靠自身的控制能力来实现所需要的功能。

广义上的工业机器人是由图2.1-1所示的机器人及相关附加设备组成的完整系统，它总体可分为机械部件和电气控制系统两大部分。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.1工业机器人的组成,图2.1-1工业机器人系统的组成,2.1工业机器人的组成与特点,2.1.1工业机器人的组成,工业机器人（以下简称机器人）系统的机械部件包括机器人本体、末端执行器、变位器等；电气控制系统主要包括控制器、驱动器、操作单元、上级控制器等。

其中，机器人本体、末端执行器以及控制器、驱动器、操作单元是机器人必需的基本组成部件，所有机器人都必须配备。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.1工业机器人的组成,2机器人本体机器人本体又称操作机，它是用来完成各种作业的执行机构，包括机械部件及安装在机械部件上的驱动电机、传感器等。

机器人本体的形态各异，但绝大多数由若干关节（Joint）和连杆（Link）连接而成。

以常用的6轴垂直串联型（VerticalArticulated）工业机器人为例，其运动主要包括整体回转（腰关节）、下臂摆动（肩关节）、上臂摆动（肘关节）、腕回转和弯曲（腕关节）等。

本体的典型结构如图2.1-2所示，其主要组成部件包括手部、腕部、上臂、下臂、腰部、基座等。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.1工业机器人的组成,机器人的末端执行器又称工具，它是安装在机器人手腕上的作业机构。

末端执行器与机器人的作业要求、作业对象密切相关，,2.1.1工业机器人的组成,3变位器变位器是用于机器人或工件整体移动，进行协同作业的附加装置，它既可选配机器人生产厂家的标准部件，也可由用户根据需要设计、制作。

变位器的作用和功能如图2.1-3所示，通过选配变位器，可增加机器人的自由度和作业空间；此外，还可实现作业对象或其他机器人的协同运动，增强机器人的功能和作业能力。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.1工业机器人的组成,图2.1-2工业机器人本体的典型结构1末端执行器2手部3腕部4上臂5下臂6腰部7基座,图2.1-3变位器的作用,2.1工业机器人的组成与特点,2.1.1工业机器人的组成,机器人变位器可分通用型和专用型两类，其运动轴数可以是单轴、双轴、3轴或多轴。

通用型变位器又可分为图2.1-4所示的回转变位器和直线变位器两类。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.1工业机器人的组成,机器人变位器可分通用型和专用型两类，其运动轴数可以是单轴、双轴、3轴或多轴。

通用型变位器又可分为图2.1-4所示的回转变位器和直线变位器两类。

2.1工业机器人的组成与特点,（a）回转,（b）直线,图2.1-4变位器,2.1.1工业机器人的组成,4电气控制系统机器人生产厂家一般将电气控制系统统一设计成图2.1-5所示的通用控制柜。

在控制柜中，示教器是用于工业机器人操作、编程及数据输入/显示的人机界面，为了方便使用，一般为可移动式悬挂部件，其他控制部件通常统一安装在控制柜内。

电气控制系统的组成部件功能如下。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.1工业机器人的组成,2.1工业机器人的组成与特点,图2.1-5电气控制系统结构1电源开关2急停按钮3示教器4辅助控制电路5驱动器6机器人控制器,2.1.1工业机器人的组成,机器人控制器。

机器人控制器是用于机器人坐标轴位置和运动轨迹控制的装置，输出运动轴的插补脉冲，其功能与数控装置（CNC）非常类似，控制器的常用结构有工业计算机型和PLC型2种。

操作单元。

工业机器人的现场编程一般通过示教操作实现，它对操作单元的移动性能和手动性能的要求较高，但其显示功能一般不及数控系统，因此，机器人的操作单元以手持式为主，习惯上称之为示教器。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.1工业机器人的组成,（3）驱动器。

驱动器实际上是用于控制器的插补脉冲功率放大的装置，实现驱动电机位置、速度、转矩控制，驱动器通常安装在控制柜内。

驱动器的形式决定于驱动电机的类型，伺服电机需要配套伺服驱动器、步进电机则需要使用步进驱动器。

机器人目前常用的驱动器以交流伺服驱动器为主，它有集成式、模块式和独立型3种基本结构形式。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.1工业机器人的组成,集成式驱动器的全部驱动模块集成一体，电源模块可以独立或集成，这种驱动器的结构紧凑、生产成本低，是目前使用较为广泛的结构形式。

模块式驱动器的电源模块为公用，驱动模块独立，驱动器需要统一安装。

集成式、模块式驱动器不同控制轴间的关联性强，调试、维修和更换相对比较麻烦。

独立型驱动器的电源和驱动电路集成一体，每一轴的驱动器可独立安装和使用，因此，其安装使用灵活、通用性好，其调试、维修和更换也较方便。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.1工业机器人的组成,（4）辅助控制电路。

辅助电路主要用于控制器、驱动器电源的通断控制和接口信号的转换。

由于工业机器人的控制要求类似，接口信号的类型基本统一，为了缩小体积、降低成本、方便安装，辅助控制电路常被制成标准的控制模块。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.2工业机器人的特点,1基本特点工业机器人是集机械、电子、控制、检测、计算机、人工智能等多学科先进技术于一体的典型机电一体化设备，其主要技术特点如下。

拟人。

在结构形态上，大多数工业机器人的本体有类似人类的腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部件，并接受其控制器的控制。

柔性。

工业机器人有完整、独立的控制系统，它可通过编程来改变其动作和行为，此外，还可通过安装不同的末端执行器，来满足不同的应用要求，因此，它具有适应对象变化的柔性。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.2工业机器人的特点,（3）通用。

除了部分专用工业机器人外，大多数工业机器人都可通过更换工业机器人手部的末端操作器，如更换手爪、夹具、工具等，来完成不同的作业。

因此，它具有一定的、执行不同作业任务的通用性。

工业机器人、数控机床、机械手三者在结构组成、控制方式、行为动作等方面有许多相似之处，以至于非专业人士很难区分，有时引起误解。

以下通过三者的比较，来介绍相互间的区别。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.2工业机器人的特点,2工业机器人与数控机床工业机器人和数控机床的控制系统类似，它们都有控制面板、控制器、伺服驱动等基本部件，操作者可利用控制面板对它们进行手动操作或进行程序自动运行、程序输入与编辑等操作控制。

图2.1-6所示为数控机床和工业机器人的功能比较图，总体而言，两者的区别主要有以下几点。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.2工业机器人的特点,2.1工业机器人的组成与特点,图2.1-6数控机床和工业机器人的功能比较,2.1.2工业机器人的特点,作用和地位。

机床是用来加工机器零件的设备，是制造机器的机器，故称为工作母机；没有机床就几乎不能制造机器，没有机器就不能生产工业产品。

目的和用途。

数控机床是直接用来加工零件的生产设备；而大部分工业机器人则是用来替代或部分替代操作者进行零件搬运、装卸、装配、包装等作业的生产辅助设备，两者目前尚无法相互完全替代。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.2工业机器人的特点,（3）结构形态。

工业机器人需要模拟人的动作和行为，在结构上以回转摆动轴为主、直线轴为辅（可能无直线轴），多关节串联、并联轴是其常见的形态；部分机器人（如无人搬运车等）的作业空间也是开放的。

数控机床的结构以直线轴为主、回转摆动轴为辅（可能无回转摆动轴），绝大多数都采用直角坐标结构；其作业空间（加工范围）局限于设备本身。

但是，随着技术的发展，两者的结构形态也在逐步融合。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.2工业机器人的特点,（4）技术性能。

数控机床是用来加工零件的精密加工设备，其轮廓加工能力、定位精度和加工精度等是衡量数控机床性能最重要的技术指标。

数控机床的轮廓加工能力决定于工件要求和机床结构，通常而言，能同时控制5轴（5轴联动）的机床，就可满足几乎所有零件的轮廓加工要求。

此外，智能工业机器人还需要有一定的感知能力，故需要配备位置、触觉、视觉、听觉等多种传感器；而数控机床一般只需要检测速度与位置，因此，工业机器人对检测技术的要求高于数控机床。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.2工业机器人的特点,3工业机器人与机械手图2.1-7所示为工业机器人和机械手的比较图，两者的主要区别如下。

（1）控制系统。

工业机器人需要有独立的控制器、驱动系统、操作界面等，可对其进行手动、自动操作和编程，因此，它是一种可独立运行的完整设备，能依靠自身的控制能力来实现所需要的功能。

（2）操作编程。

工业机器人具有适应动作和对象变化的柔性，其动作是随时可变的，如需要，最终用户可随时通过手动操作或编程来改变其动作，现代工业机器人还可根据人工智能技术所制定的原则纲领自主行动。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.2工业机器人的特点,（3）驱动系统。

工业机器人需要灵活改变位姿，绝大多数运动轴都需要有任意位置定位功能，需要使用伺服驱动系统；在无人搬运车（AutomatedGuidedVehicle，AGV）等输送机器人上，还需要配备相应的行走机构及相应的驱动系统。

而辅助机械手的安装位置、定位点和动作次序样板都是固定不变的，大多数运动部件只需要控制起点和终点，故较多地采用气动、液压驱动系统。

2.1工业机器人的组成与特点,2.1.2工业机器人的特点,2.1工业机器人的组成与特点,（b）机械手,（a）工业机器人图2.1-7工业机器人与机械手的比较,2.2,工业机器人的结构形态,从运动学原理上说，绝大多数机器人的本体都是由若干关节（Joint）和连杆（Link）组成的运动链。

根据关节间的连接形式，多关节工业机器人的典型结构主要有垂直串联、水平串联（或SCARA）和并联3大类。

2.2,工业机器人的结构形态,2.2.1垂直串联机器人,垂直串联（VerticalArticulated）是工业机器人最常见的结构形式，机器人的本体部分一般由57个关节在垂直方向依次串联而成，它可以模拟人类从腰部到手腕的运动，用于加工、搬运、装配、包装等各种场合。

2.2,工业机器人的结构形态,2.2.1垂直串联机器人,16轴串联结构图2.2-1所示的6轴串联是垂直串联机器人的典型结构。

机器人的6个运动轴分别为腰部回转轴S（Swing）、下臂摆动轴L（LowerArmWiggle）、上臂摆动轴U（UpperArmWiggle）、腕回转轴R（WristRotation）、腕弯曲轴B（WristBending）、手回转轴T（Turning）；其中，图中用实线表示的腰部回转轴S、腕回转轴R、手回转轴T为可在4象限进行360或接近360回转，称为回转轴（Roll）；用虚线表示的下臂摆动轴L、上臂摆动轴U、腕弯曲轴B一般只能在3象限内进行小于270回转，称摆动轴（Bend）。

2.2,工业机器人的结构形态,2.2.1垂直串联机器人,27轴串联结构6轴垂直串联结构机器人较好地实现了三维空间内的任意位置和姿态控制，它对于各种作业都有良好的适应性，故可用于加工、搬运、装配、包装等各种场合。

但是，由于结构所限，6轴垂直串联结构机器人存在运动干涉区域，在上部或正面运动受限时，进行下部、反向作业非常困难，为此，在先进的工业机器人上有时也采用图2.2-2所示的7轴垂直串联结构。

2.2,工业机器人的结构形态,2.2.1垂直串联机器人,图2.2-16轴垂直串联结构,图2.2-27轴垂直串联结构,2.2,工业机器人的结构形态,2.2.1垂直串联机器人,7轴机器人在6轴机器人的基础上，增加了下臂回转轴LR（LowerArmRotation），使定位机构扩大到腰回转、下臂摆动、下臂回转、上臂摆动4个关节，手腕基准点（参考点）的定位更加灵活。

当机器人运动受到限制时，它仍能通过下臂的回转，避让干涉区，完成图2.2-3所示的下部与反向作业。

2.2,工业机器人的结构形态,2.2.1垂直串联机器人,（a）上部避让,（b）反向作业,图2.2-37轴机器人的应用,2.2,工业机器人的结构形态,2.2.1垂直串联机器人,3其他结构机器人末端执行器的姿态与作业要求有关，在部分作业场合，有时可省略12个运动轴，简化为45轴垂直串联结构的机器人。

例如，对于以水平面作业为主的搬运、包装机器人，可省略腕回转轴R，以简化结构、增加刚性等。

为了减轻6轴垂直串联典型结构的机器人的上部质量，降低机器人重心，提高运动稳定性和承载能力，大型机器人、重载的搬运机器人、码垛机器人也经常采用平行四边形连杆驱动机构，来实现上臂和腕弯曲的摆动运动。

2.2,工业机器人的结构形态,2.2.2水平串联机器人,1基本结构水平串联（HorizontalArticulated）结构是日本山梨大学在1978年发明的、一种建立在圆柱坐标上的特殊机器人结构形式，又称选择顺应性装配机器手臂（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm，SCARA）结构。

SCARA机器人的基本结构如图2.2-4所示。

2.2,工业机器人的结构形态,2.2.2水平串联机器人,图2.2-4SCARA机器人,2.2,工业机器人的结构形态,2.2.2水平串联机器人,SCARA机器人的结构简单、外形轻巧、定位精度高、运动速度快，它特别适合于平面定位、垂直方向装卸的搬运和装配作业，故首先被用于3C行业印刷电路板的器件装配和搬运作业；随后在光伏行业的LED、太阳能电池安装，以及塑料、汽车、药品、食品等行业的平面装配和搬运领域得到了较为广泛的应用。

SCARA结构机器人的工作半径通常为1001000mm，承载能力一般为1200kg。

2.2,工业机器人的结构形态,2.2.2水平串联机器人,2执行器升降结构采用SCARA基本结构的机器人结构紧凑、动作灵巧，但水平旋转关节C1、C2、C3的驱动电机均需要安装在基座侧，其传动链长、传动系统结构较为复杂；此外，垂直轴Z需要控制3个手臂的整体升降，其运动部件质量较大、升降行程通常较小，因此，实际使用时经常采用图2.2-5所示的执行器直接升降结构。

2.2,工业机器人的结构形态,2.2.2水平串联机器人,图2.2-5执行器升降的SCARA机器人,2.2工业机器人的结构形态,2.2.3并联机器人,1摆动结构并联结构的工业机器人简称并联机器人（ParallelRobot），它多用于电子电工及食品药品等行业的装配、包装、搬运工序中，是一种高速、轻载机器人。

Clavel博士发明了图2.2-6（a）所示的3自由度空间平移的并联机器人，并称之为Delta机器人（Delta机械手）。

Delta机器人一般采用悬挂式布置，其基座上置，手腕通过空间均布的3根并联连杆支撑；机器人可通过图2.2-6（b）所示的连杆摆动角控制，使得手腕在一定的空间圆柱内定位。

2.2,工业机器人的结构形态,2.2.3并联机器人,（a）结构原理,（b）运动控制,图2.2-6Delta机器人,2.2工业机器人的结构形态,2.2.3并联机器人,2直线驱动结构采用连杆摆动结构的Delta机器人具有结构紧凑、安装简单、运动速度快等优点，但其承载能力通常较小（通常在10kg以内），故多用于电子、食品、药品等行业的轻量物品的分拣、搬运等。

为了增强结构刚性，使之能够适应大型物品的搬运、分拣等要求，大型并联机器人经常采用图2.2-7所示的直线驱动结构。

2.2,工业机器人的结构形态,2.2.3并联机器人,图2.2-7直线驱动并联机器人,2.3,工业机器人的技术性能,2.3.1主要技术参数,1基本参数以ABB公司IRB140T和安川公司MH6两种6轴通用型机器人为例，产品样本和说明书所提供的主要技术参数如表2.3-1所示。

2.3,工业机器人的技术性能,规格（Specification）,工作范围（WorkingRange）,表2.3-1,6轴通用机器人主要技术参数表,2.3,工业机器人的技术性能,机器人型号,IRB140T,MH6,工作范围（WorkingRange）,第3轴（Axis3）,280,175+250,第4轴（Axis4）,不限,180+180,第5轴（Axis5）,230,45+225,第6轴（Axis6）,不限,360+360,2.3,工业机器人的技术性能,机器人型号,IRB140T,M,H6,重复精度定位RP（Positionrepeatabilit）y,0.03mm/ISO9238,0,.08/JISB8432,工作环境（Ambient）,工作温度（OperationTemperatur）e,+5+45,0+45,储运温度（TransportationTemperatur）e,25+55,25+55,相对湿度（RelativeHumidit）y,95%RH,20%80%RH,电源（PowerSupply）,电压（SupplyVoltage）,200600V/5060Hz,20,0,400V/5060Hz,容量（PowerConsumptio）n,4.5kVA,1.5,kVA,外形（Dimensions）,长/宽/高（Width/Depth/Heigh）t,800mm620mm950mm,640mm387mm1219mm,重量（Weight）,98kg,13,0kg,2.3,工业机器人的技术性能,2.3.1主要技术参数,2作业空间和安装要求由于垂直串联等结构的机器人工作范围是三维空间的不规则球体，为了便于说明，产品样本中一般需要提供图2.3-1所示的详细作业空间图。

2.3,工业机器人的技术性能,2.3.1主要技术参数,（a）IBR140,（b）MH6,图2.3-1IRB2600-12/1.85的作业空间,2.3,工业机器人的技术性能,2.3.1主要技术参数,机器人的安装方式与规格、结构形态等有关。

一般而言，大中型机器人通常需要采用底面（Floor）安装；并联机器人则多数为倒置安装；水平串联（SCARA）和小型垂直串联机器人则可采用底面（Floor）、壁挂（Wall）、倒置（Inverted）、框架（Shelf）、倾斜（Tilted）等多种方式安装。

2.3,工业机器人的技术性能,2.3.1主要技术参数,3分类性能工业机器人的性能与机器人的用途、作业要求、结构形态等有关。

大致而言，对于不同用途的机器人，其常见的结构形态以及对控制轴数（自由度）、承载能力、重复定位精度等主要技术指标的要求如表2.3-2所示。

2.3,工业机器人的技术性能,加工类,装配类,搬运类,包装类,重复定位精度/mm0.050.10.20.30.050.10.050.10.20.50.10.30.20.50.050.10.51,2.3,工业机器人的技术性能,2.3.2工作范围与承载能力,工作范围与承载能力是决定机器人使用性能的关键指标，其含义分别如下。

1工作范围工作范围（WorkingRange）又称作业空间，它是指机器人在未安装末端执行器时，其手腕参考点所能到达的空间。

工作范围是衡量机器人作业能力的重要指标，工作范围越大，机器人的作业区域也就越大。

机器人的工作范围决定于各关节运动的极限范围，它与机器人结构有关。

2.3,工业机器人的技术性能,2.3.2工作范围与承载能力,

（1）全范围作业机器人。

在不同结构形态的机器人中，图2.3-2所示的直角坐标机器人（CartesianCoordinateRobot）、并联机器人（ParallelRobot）、SCARA机器人是通常无运动干涉区、机器人能够在整个工作范围内进行作业。

2.3,工业机器人的技术性能,图2.3-2全范围作业机器人,2.3,工业机器人的技术性能,2.3.2工作范围与承载能力,

（2）部分范围作业机器人。

圆柱坐标（CylindricalCoordinateRobot）、球坐标（SphericalCoordinateRobot）和垂直串联（ArticulatedRobot）机器人的工作范围，需要去除机器人的运动干涉区，故只能进行图2.3-3所示的部分空间作业。

2.3,工业机器人的技术性能,图2.3-3部分范围作业机器人,2.3,工业机器人的技术性能,2.3.2工作范围与承载能力,2承载能力承载能力（Payload）是指机器人在作业空间内所能承受的最大负载，它一般用质量、力、转矩等技术参数表示。

搬运、装配、包装类机器人的承载能力是指机器人能抓取的物品质量，产品样本所提供的承载能力是指不考虑末端执行器、假设负载重心位于手腕参考点时，机器人高速运动可抓取的物品重量。

焊接、切割等加工机器人无需抓取物品，因此，所谓承载能力是指机器人所能安装的末端执行器质量。

切削加工类机器人需要承担切削力，其承载能力通常是指切削加工时所能够承受的最大切削进给力。

2.3,工业机器人的技术性能,2.3.2工作范围与承载能力,为了能够表示准确反映负载重心的变化情况，机器人承载能力有时也可用允许转矩（AllowableMoment）的形式表示，或者通过机器人承载能力随负载重心位置变化图，来详细表示承载能力参数。

图2.3-4所示为承载能力为6kg的ABB公司IBR140和安川公司MH6垂直串联结构工业机器人的承载能力图，其他同类结构机器人的情况与此类似。

2.3,工业机器人的技术性能,图2.3-4重心位置变化时的承载能力,2.3,工业机器人的技术性能,2.3.3自由度、速度及精度,自由度、运动速度和重复定位精度是衡量机器人的性能的重要指标，它们不仅反映了机器人作业的灵活性、效率和动作精度，而且也是衡量机器人性能与水平的标志。

2.3,工业机器人的技术性能,2.3.3自由度、速度及精度,1自由度自由度（DegreeofFreedom）是衡量机器人动作灵活性的重要指标。

所谓自由度，就是整个机器人运动链所能够产生的独立运动数，包括直线、回转、摆动运动，但不包括执行器本身的运动（如刀具旋转等）。

2.3,工业机器人的技术性能,2.3.3自由度、速度及精度,一般而言，机器人进行直线运动或回转运动所需要的自由度为1；进行平面运动（水平面或垂直面）所需要的自由度为2；进行空间运动所需要的自由度为3。

进而，如果机器人能进行图2.3-5所示的X、Y、Z方向直线运动和回绕X、Y、Z轴的回转运动，具有6个自由度，执行器就可在三维空间上任意改变姿态，实现完全控制。

图2.3-5三维空间的自由度,2.3,工业机器人的技术性能,2.3.3自由度、速度及精度,2自由度的表示通常而言，机器人的每一个关节都可驱动执行器产生1个主动运动，这一自由度称为主动自由度。

主动自由度一般有平移、回转、绕水平轴线的垂直摆动、绕垂直轴线的水平摆动4种，在结构示意图中，它们分别用图2.3-6所示的符号表示。

2.3,工业机器人的技术性能,2.3.3自由度、速度及精度,图2.3-6自由度的表示,2.3,工业机器人的技术性能,2.3.3自由度、速度及精度,当机器人有多个串联关节时，只需要根据其机械结构，依次连接各关节来表示机器人的自由度。

例如，图2.3-7所示为常见的6轴垂直串联和3轴水平串联机器人的自由度的表示方法，其他结构形态机器人的自由度表示方法类似。

2.3,工业机器人的技术性能,图2.3-7多关节串联的自由度表示,2.3工业机器人的技术性能,2.3.3自由度、速度及精度,3运动速度运动速度决定了机器