工業(yè)機(jī)器人是一種獨(dú)立的，具有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可編程的，用以搬運(yùn)物料，零件和工具或完成多種操作功能的自動(dòng)化機(jī)械裝置。它的特點(diǎn)是工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，適用于中、小批量、多品種生產(chǎn)的自動(dòng)化系統(tǒng)中。
工業(yè)機(jī)器人是由操作系統(tǒng)（手部、臀部、立柱或機(jī)身）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和位置檢測系統(tǒng)組成。
1. 搬運(yùn)機(jī)器人的坐標(biāo)形式及規(guī)格參數(shù)
根據(jù)手臂三個(gè)動(dòng)作自由度的不同運(yùn)動(dòng)組，機(jī)器人有四種運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式。圖50-71所示是四種坐標(biāo)形式機(jī)器人的簡圖。
1） 直線坐標(biāo)式。如圖50-71a所示，手臂動(dòng)作由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)x、y、z組成，若Lx、Ly、Lz、表示三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)的最大2，其空間作業(yè)范圍為Lx×Ly×Lz的立方體（mm3）。
2） 圓柱坐標(biāo)式，如圖50-71b所示，手臂運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)x、z和一個(gè)繞z軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成，其空間作業(yè)范圍為空中圓柱體的一部分，可用下式表示：
3） 球坐標(biāo)式，如圖50-71c所示，手臂運(yùn)動(dòng)由直線運(yùn)動(dòng)x和兩個(gè)擾y、z的運(yùn)動(dòng)組成，其空間作業(yè)范圍為空心球體的一部分，可用下式表示：
4） 關(guān)節(jié)式，如圖50-71d所示，手臂運(yùn)動(dòng)由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成，其空間作業(yè)范圍為多圓狐疊合球體。
工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式及其特征見表50-17。
在選用工業(yè)機(jī)器人時(shí)應(yīng)注意以下規(guī)格和參數(shù)：
1） 抓重。即機(jī)器人抓取物體允許的最大重量，是表明機(jī)器人負(fù)載能力的技術(shù)參數(shù)。
2） 工作行程，即機(jī)器人各動(dòng)作自由度的最大工作行程，如直線運(yùn)動(dòng)的行程若Lx、Ly、Lz、回轉(zhuǎn)角度φ、θ等。
3） 運(yùn)動(dòng)速度
4） 定位精度。一般指取、放物料或運(yùn)動(dòng)軌道的重復(fù)精度。定位精度與2方式、構(gòu)件的精度、剛度、抓重及運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，表50-18列舉了各種方法的定位精度及其特點(diǎn)。
50-17工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式及其特征比較
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坐標(biāo)形式 |
極限作業(yè)空間 |
慣性 |
定位精度 |
定向特征 |
直觀性 |
結(jié)構(gòu)特點(diǎn) |
占地面積 |
應(yīng)用情況 |
特征及應(yīng)用范圍 |
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大小 |
形狀 |
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直角坐標(biāo)式 |
小 |
立方體 |
較大 |
容易控制 |
好 |
好 |
簡單 |
大 |
較多 |
適用于直移式機(jī)械手，架空方便，宜作直線傳送及長方體的作業(yè)空間采用，能抓取地面上的工件并保持工件原方位 |
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圓柱坐標(biāo)式 |
較大 |
空間柱體 |
較大 |
容易控制 |
較好 |
較好 |
較簡單 |
較小 |
較多 |
適用于圓狐形軌跡作業(yè)機(jī)械手，宜作狐形傳送及圓柱體作業(yè)空間采用，不能抓取地面上工件，能改變工件一個(gè)軸向的方位，不宜作直線傳送 |
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球坐標(biāo)式 |
大 |
扇形截面旋轉(zhuǎn)體 |
較小 |
不易控制 |
差 |
差 |
較復(fù)雜 |
較小 |
較多 |
能抓取地面上工件。能改變工件兩個(gè)軸向的方位，適用于扇形截面的回轉(zhuǎn)體作業(yè)空間，不宜作直線傳送，經(jīng)簡化自由度即成平面級(jí)坐標(biāo)式 |
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多關(guān)節(jié)式 |
大 |
球體 |
較小 |
不易控制 |
差 |
差 |
復(fù)雜 |
小 |
少 |
臂能折疊，能抓取地面上的工件并傳送到任意方向，宜作復(fù)雜動(dòng)作，能改變工件三個(gè)軸向的方位 |
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復(fù)合坐標(biāo)式 |
大 |
柱體 |
較大 |
不易控制 |
差 |
差 |
復(fù)雜 |
較小 |
少 |
能擴(kuò)大作業(yè)范圍，并具有各類運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式的部分特點(diǎn)，適合用于多工位的移動(dòng)式作業(yè)及科學(xué)探索等情況 |
50-18各種定位方法的定位精度及其特點(diǎn)
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定位裝置 |
重復(fù)定位精度/mm |
實(shí)現(xiàn)定位的方法 |
優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
應(yīng)用情況 |
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機(jī)械擋塊 |
±1~±0.02 |
擋塊控制液壓（氣）缸行程 |
結(jié)構(gòu)簡單可靠 |
調(diào)整麻煩多為固定定位 |
定位前實(shí)現(xiàn)完全緩沖，其定位精度可達(dá)±0.01mm |
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機(jī)械結(jié)構(gòu) |
±0.2~±0.05 |
凸輪、連桿、擺動(dòng)導(dǎo)桿等 |
結(jié)構(gòu)可按需要設(shè)計(jì) |
需自行設(shè)計(jì)，無標(biāo)準(zhǔn)需經(jīng)試制 |
可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位適于專用機(jī)械手 |
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崖壓缸端部定位 |
±1~±0.02 |
活塞緊靠液壓缸端部 |
當(dāng)不能安裝外部擋塊時(shí)用此裝置較好 |
如未經(jīng)完全緩沖，會(huì)產(chǎn)生碰撞液壓缸端部 |
多用于關(guān)節(jié)式機(jī)械手及工業(yè)機(jī)器人 |
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多級(jí)液壓缸多級(jí)定位 |
±0.05 |
控制各級(jí)液壓缸由路實(shí)現(xiàn)多種行程的組和尺寸 |
可作較大范圍的高精度多點(diǎn)定位 |
液壓缸長，管道多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜 |
卡在0~750mm范圍內(nèi)按0.5倍關(guān)系任意組合行程尺寸 |
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可調(diào)活塞定位 |
±0.5~±0.2 |
調(diào)整活塞總長改變行程長度 |
在有限范圍內(nèi)能去級(jí)調(diào)整行程 |
結(jié)構(gòu)復(fù)雜 |
在有限范圍內(nèi)作多點(diǎn)定位 |
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電氣開關(guān) |
±3~±5 |
按時(shí)間或行程發(fā)信號(hào) |
結(jié)構(gòu)簡單 |
受慣性力及油溫影響大 |
利用檢測信號(hào)關(guān)閉電磁閥 |
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附加定位機(jī)構(gòu) |
±0.5左右 |
活塞部件加簡形氣缸通入壓縮空氣制動(dòng) |
停止時(shí)如超出規(guī)定位置可使缸飯向以保證定位精度 |
起動(dòng)時(shí)缸的速度慢 |
用于氣動(dòng)機(jī)械手及工業(yè)機(jī)器人 |
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電液伺服 |
±1~±0.5 |
控制進(jìn)由路關(guān)閉 |
能任意定位 |
制造困難、價(jià)貴 |
用于工業(yè)機(jī)器人 |
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步進(jìn)電動(dòng)機(jī) |
±2~±0.02 |
控制脈沖數(shù) |
能任意定位 |
復(fù)雜，價(jià)貴 |
用于工業(yè)機(jī)器人 |
4） 驅(qū)動(dòng)方式，工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有機(jī)械式、電氣失、氣壓和液壓等及聯(lián)合驅(qū)動(dòng)形式。表50-19列舉了各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)。
5） 控制方式。表50-20列舉了各種電控系統(tǒng)的特點(diǎn)。
2. 固定式機(jī)器人。
50-19各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)
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比較內(nèi)容 |
驅(qū)動(dòng)方式 |
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機(jī)械聯(lián)動(dòng) |
電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) |
氣壓驅(qū)動(dòng) |
液壓驅(qū)動(dòng) |
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異步、直流電動(dòng)機(jī) |
步進(jìn)伺服電動(dòng)機(jī) |
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輸出力 |
輸出力較大 |
輸出力較大 |
輸出力較小 |
氣體壓力小，輸出力較小 |
液壓壓力大，可獲得較大的輸出力 |
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控制性能 |
速度較高，速度與加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步 |
控制性較差，慣性大，不易精確定位 |
控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜 |
可高速，沖擊較嚴(yán)重，精確定位困難，氣替壓縮性大，阻尼效果差第度不易控制 |
油液不可壓縮力、流量均易控制，可無級(jí)調(diào)速，反映靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 |
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體積 |
當(dāng)自由度多時(shí)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積較大 |
要有減速裝置體積較大 |
體積較小 |
體積較大 |
在輸出力性同的條件下體積小 |
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維修使用 |
維修使用方便 |
維修使用方便 |
維修使用較復(fù)雜 |
維修簡單，能在高溫粉塵等惡劣環(huán)境中使用，泄漏影響小 |
維修方便，液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄漏。易著火 |
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應(yīng)用范圍 |
適用自由度少，速度高的專用機(jī)械手 |
適用于抓重大速度低的專用機(jī)械手 |
可用于程序復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手 |
中小型專用，通用機(jī)械手也都有應(yīng)用 |
中小型專用，通用機(jī)械手也都有應(yīng)用，特別是重型機(jī)械手多為液壓驅(qū)動(dòng) |
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成本 |
結(jié)構(gòu)簡單，成本低，一般工廠可以自己制造 |
成本低 |
成本較高 |
結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低 |
液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜 |
50-20各種電控系統(tǒng)的特點(diǎn)
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比較內(nèi)容 |
控制系統(tǒng) |
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固定程序 |
可編程序 |
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繼電器線路 |
半導(dǎo)體邏輯線路 |
順序控制器 |
示教再現(xiàn)或微型計(jì)算機(jī) |
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動(dòng)作程序容量 |
動(dòng)作程序少 |
動(dòng)作程序可較多 |
動(dòng)作程序一般為16步，卡擴(kuò)展32步或更多 |
動(dòng)作程序較多，通常為200步，可擴(kuò)展更多 |
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控制的參數(shù) |
1） 動(dòng)作程序
2） 動(dòng)作到達(dá)的位置或時(shí)間
3） 夾放工件信息
4） 聯(lián)鎖信息
這些信息固定于線路之中不能任意變動(dòng) |
1） 動(dòng)作程序
2） 動(dòng)作到達(dá)的位置
3） 時(shí)間信息
4） 工件夾放信息
5） 聯(lián)鎖信息
6） 程序終了信息，著些信息可以任意編排 |
1） 動(dòng)作程序
2） 動(dòng)作應(yīng)到達(dá)的位置
3） 工件夾放信息
4） 時(shí)間信息
5） 聯(lián)鎖信息
6） 運(yùn)動(dòng)速度信息
7） 定位精度信息
8） 程序終了信息。編排程序順序范圍大，可設(shè)置各種傳感器 |
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制造與維護(hù) |
制造簡單，維護(hù)方便、體積較大 |
制造簡單，維護(hù)方便，體積小 |
一般由專業(yè)廠生產(chǎn)供應(yīng)，需具有一定專業(yè)知識(shí)人員維護(hù) |
線路復(fù)雜，制造、調(diào)整均較困難，需專業(yè)人員維護(hù) |
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使用的行程檢測單元 |
行程開關(guān)，機(jī)械擋鐵 |
行程開關(guān)，機(jī)械擋鐵 |
行程開關(guān)，電位器 |
行程開關(guān)，旋轉(zhuǎn)變壓器，數(shù)碼器，光柵等 |
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使用壽命 |
一般低于繼電器 |
壽命較高 |
壽命較高 |
壽命較高 |
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成本 |
便宜 |
較便宜 |
成本較高 |
成本高 |
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使用范圍 |
用于動(dòng)作少，速度低的專用機(jī)械手 |
用于速度快，節(jié)拍短的專用機(jī)械手 |
適用一般工業(yè)機(jī)器人 |
動(dòng)作多，程序復(fù)雜的高級(jí)工業(yè)機(jī)器人使用 |
固定式機(jī)器人的本體是固定的，它只能進(jìn)行臂部可活動(dòng)范圍內(nèi)的輸送作業(yè)。所以它作為柔性制造單元內(nèi)部的搬運(yùn)設(shè)備被廣泛應(yīng)用，雖然在輸送距離上受到限制，但是，如果能自動(dòng)更換手部，它不僅能輸送工件，刀具、夾具等各種物料，而且可以裝卸工件，具有較高的柔性。
固定式機(jī)器人可分成服務(wù)于多臺(tái)機(jī)床式和服務(wù)于固定機(jī)床式兩種。圖50-72所示是采用一臺(tái)機(jī)器人把工件供給數(shù)臺(tái)機(jī)床的示例，著種柔性制造單元是以機(jī)器人為核心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。各臺(tái)機(jī)床的工件裝卸位置分布在機(jī)器人的可活動(dòng)范圍內(nèi)，機(jī)器人按控制成粗實(shí)現(xiàn)各臺(tái)機(jī)床的工件裝卸及傳遞。
固定機(jī)床式是機(jī)器人服務(wù)于某一臺(tái)機(jī)床，圖50-73所示的是將小型機(jī)器人組裝在機(jī)床內(nèi)，機(jī)器人采用圓柱面坐標(biāo)或球面坐標(biāo)形式，它具有搬運(yùn)及裝卸工件所需的最低限度的運(yùn)動(dòng)自由度，實(shí)現(xiàn)工件的上下料及機(jī)床各工位間的零件搬運(yùn)。
3. 行走式機(jī)器人
行走式機(jī)器人即移動(dòng)式機(jī)器人，普通自動(dòng)裝卸機(jī)處理工件功能的柔性較小，但隨著對(duì)這些功能柔性要求的提高，將自動(dòng)裝卸機(jī)處理工件的功能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人的臂和手的形態(tài)，就形成了行走式機(jī)器人。圖50-74是行走式機(jī)器人的例子。采用了機(jī)器人與傳送機(jī)及運(yùn)輸小車的組合輸送方式。
如果將單軌改為兩條導(dǎo)軌，則成為橋式起重機(jī)，或龍門式起重機(jī)，在柔性制造系統(tǒng)中也使用以這些起重機(jī)為基礎(chǔ)的行走式機(jī)器人，圖50-75所示的是德國柏林工業(yè)大學(xué)使用龍門行走式機(jī)器人的柔性制造單元，它的手部位可自動(dòng)交換，不僅對(duì)工件，而且對(duì)刀具、量規(guī)和夾具進(jìn)行搬運(yùn)與操作處理。這種龍門行走式機(jī)器人結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可實(shí)現(xiàn)高精度定位。
若在柔性制造系統(tǒng)中采用多于一臺(tái)機(jī)器人時(shí)，應(yīng)對(duì)其劃分區(qū)域以免相互碰撞。
