I. Общие кинематические схемы
1. Декартовский рабочий рычаг
Преимущества: легко реализовать с помощью компьютерного управления, легко достичь высокой точности. Недостатки: мешает работе, охватывает большую площадь, низкая скорость передвижения, плохая герметизация.
①Сварка, погрузка, разгрузка, упаковка, укладка на поддоны, депаллетизация, испытания, дефектоскопия, сортировка, сборка, маркировка, напыление, маркировка, напыление (мягкая имитация), отслеживание цели, детонация и ряд работ.
② Особенно подходит для нескольких-видов, тогда очень важную роль играет серия гибких операций, стабильность, улучшение качества продукции, повышение производительности труда, улучшение условий труда и быстрая замена продукта.
2. Шарнирный рабочий рычаг (шарнирный)
Все суставы шарнирных роботов вращаются, подобно человеческой руке, наиболее распространенной конструкции промышленных роботов. Его рабочий диапазон более сложен.
① автомобильные детали, формы, детали из листового металла, пластмассовые изделия, спортивное оборудование, стеклянные изделия, керамика, авиация и другие средства быстрого обнаружения и разработки продукции.
② Сборка кузова, сборка общего оборудования и другие виды производственного контроля качества, такие как трехкоординатное измерение и обнаружение ошибок.
③ Быстрое прототипирование антиквариата, произведений искусства, скульптуры, моделирования персонажей мультфильмов, портретной продукции и т. д.
④ Измерение и проверка всего автомобиля- на месте.
⑤ Измерение формы человеческого тела, производство медицинского оборудования, такого как скелет, изготовление формы человеческого тела и медицинская пластическая хирургия.
3. Операционный рычаг SCARA
Роботы SCARA обычно используются в сборочных операциях, наиболее примечательной особенностью является то, что их движение в плоскости x-y обладает большой гибкостью, а вдоль оси z- имеет сильную жесткость, поэтому обладает избирательной гибкостью. Этот тип роботов нашел хорошее применение в сборочных операциях.
①Часто используется при сборке печатных плат и электронных компонентов.
② Перемещение, подъем и размещение объектов, таких как интегральные платы и т. д.
③Широко используется в пластмассовой, автомобильной, электронной, фармацевтической и пищевой промышленности.
④ Движущиеся части и сборочные работы.
4.Рабочий рычаг сферического координатного типа.
Характеристики: Рабочий диапазон возле центрального кронштейна большой, два вращающихся привода легко герметизируются и покрывают большое рабочее пространство. Однако координаты сложны, трудноуправляемы и имеются проблемы с уплотнением линейного привода.
5.Рабочий рычаг с цилиндрической поверхностью.
Преимущества: и простой расчет; линейная часть может иметь гидравлический привод и выдавать большую мощность; возможность проникнуть внутрь машины полостного типа. Недостатки: его рука может достичь ограниченного пространства, не может достичь пространства возле колонны или у земли; часть линейного привода трудногерметизируема, пыленепроницаема; задний рычаг работает, не может дотянуться до места возле колонны или у земли.
Часть линейного привода трудно герметизировать и защитить от пыли; Когда задний рычаг работает, задний конец рычага будет касаться других объектов в рабочем диапазоне.
6. Избыточные учреждения
Обычно для пространственного позиционирования требуется 6 степеней свободы, а использование дополнительных шарниров может помочь механизму избежать нестандартной формы долот. На рисунке ниже показано положение рычага манипулятора с 7-степенью-свободы.
7. Замкнутая-структура цикла
Замкнутая-контурная конструкция может повысить жесткость механизма, но при этом уменьшится диапазон движений сустава, а также несколько уменьшится рабочее пространство.
① Имитатор движения;
② Параллельные станки;
③ Робот для микроманипуляций;
④ Датчики силы;
⑤ Могут быть реализованы роботы для манипулирования клетками в биомедицинской инженерии, инъекции и деления клеток;
⑥ Микрохирургические роботы;
⑦ Устройства регулировки ориентации крупных радиоастрономических телескопов;
⑧ гибридное оборудование, такое как гибридный манипуляторный модуль Tricept компании SMT, является успешным примером модульной конструкции, основанной на параллельных механизмах.
II. Основные технические параметры робота
Технические параметры робота отражают работу, которую может выполнить робот, с наивысшими эксплуатационными характеристиками и так далее, поэтому необходимо учитывать конструкцию и применение робота. Основными техническими параметрами робота являются степень свободы, разрешение, рабочее пространство, скорость работы, нагрузка и так далее.
1. Степень свободы
Робот имеет ряд независимых координатных осей перемещения. Степень свободы робота — это количество независимых параметров движения, необходимых для определения положения и положения руки робота в пространстве. Открытие и закрытие пальцев, а также степени свободы суставов пальцев обычно не учитываются.... Число степеней свободы робота обычно равно количеству суставов. Число степеней свободы, обычно используемых в роботах, обычно не превышает 5–6.
2. Суставы (Джойнт)
То есть тиски движения, позволяющие роботу частично выполнять относительное движение между учреждениями.
3. Рабочее пространство
Все области пространства, доступные для манипулятора робота или точек крепления руки. Его форма зависит от количества степеней свободы робота, а также типа и конфигурации каждого подвижного сустава. Рабочее пространство робота обычно представляется как графическим, так и аналитическим методами.
4. Рабочая скорость
Робот в условиях рабочей нагрузки, процесса движения с равномерной скоростью, центра механического интерфейса или центра инструмента в единицу времени пройденного расстояния или угла поворота.
5. Рабочая нагрузка
Относится к роботу в любом положении в пределах рабочего диапазона максимальной нагрузки, которую он может выдержать, обычно выражаемой через массу, момент и момент инерции. Кроме того, а также скорость вращения, размер и направление ускорения, общие положения высокоскоростной работы-могут учитывать вес заготовки как показатель несущей способности.
6. Разрешение
Может реализовать минимальное расстояние перемещения или минимальный угол поворота.
7. Точность
Повторяемость или точность повторного позиционирования: относится к степени разницы между повторным достижением роботом определенной целевой позиции. Или в одной и той же инструкции позиции робот продолжает несколько раз повторять разброс своей позиции. Это мера плотности столбца значений ошибок, то есть степени повторяемости.
III. Робот обычно используемые материалы
(1) углеродистая конструкционная сталь и легированная конструкционная сталь. Эти материалы обладают хорошей прочностью, особенно легированная конструкционная сталь, ее прочность увеличивается в 4-5 раз, модуль упругости E большой, высокая устойчивость к деформации, являются наиболее широко используемыми материалами.
(2) алюминий, алюминиевые сплавы и другие материалы из легких сплавов. Общей характеристикой этих материалов является легкий вес, модуль упругости E невелик, но плотность материала мала, поэтому соотношение E / ρ все еще можно сравнить со сталью. Некоторые редкие алюминиевые сплавы имели более значительные улучшения качества, например, добавление 3,2% (весовой процент) литий-алюминиевого сплава, модуль упругости увеличился на 14%, соотношение E / ρ увеличилось на 16%.
3) Сплавы, армированные волокном-. Эти сплавы, такие как алюминиевые сплавы, армированные борным волокном-, и магниевые сплавы, армированные графитовым волокном-, имеют отношение E/ρ 11,4 × 107 и 8,9 × 107 соответственно. эти металлические материалы, армированные волокном-, имеют очень высокое соотношение E/ρ, но они дороги.
(4) Керамика Керамические материалы обладают хорошими качествами, но хрупкие, их нелегко обрабатывать. Япония попыталась изготовить образцы керамических манипуляторов, используемых в небольших-прецизионных роботах.
(5) Композиты, армированные волокном-. Эти материалы имеют превосходное соотношение E/ρ, а также обладают очень заметным преимуществом - большим демпфированием. Обычные металлические материалы не могут иметь такого большого демпфирования, поэтому появляется все больше и больше примеров композитных материалов, используемых в высокоскоростных-роботах.
6) Вязкоэластичные демпфирующие материалы. Увеличение демпфирования элементов рычажного механизма робота является эффективным способом улучшения динамических характеристик роботов. Существует множество способов увеличения демпфирования конструкционных материалов, один из наиболее подходящих для роботов — использование вязкоупругих больших демпфирующих материалов в качестве исходного элемента демпфирующей обработки ограничивающего слоя.
IV. Основная конструкция робота
(i) Привод робота
Концепция: для того, чтобы заставить робота разбегаться, необходимо в каждом суставе, то есть на каждой степени свободы движения, разместить передающее устройство. Роль: обеспечить все части робота, суставы действия первичного двигателя.
Система привода: может быть гидравлическим приводом, пневмоприводом, электроприводом или их комбинацией, применяемой в единой системе; может приводиться в движение прямо или косвенно через синхронный ремень, цепь, колесную систему, гармонические шестерни и другие механизмы механической передачи.
1.Электрический привод
Энергия устройства электропривода проста, диапазон изменения скорости, высокая эффективность, скорость и точность позиционирования очень высоки. Но они больше связаны с тормозным устройством, прямой привод сложнее.
Электрический привод можно разделить на привод серводвигателя постоянного тока (DC), переменного тока (AC) и привод шагового двигателя. Щетки серводвигателя постоянного тока склонны к износу и образованию искр. Бесщеточные двигатели постоянного тока также используются все более широко. Привод шагового двигателя в основном представляет собой управление с открытым-контуром, простое управление, но небольшой мощности, в основном используется для низко-роботных систем малой мощности.
Перед вводом электропитания в эксплуатацию необходимо провести следующие проверки:
(1) соответствует ли напряжение источника питания (перенапряжение может привести к повреждению приводного модуля); для входа постоянного тока +/- полярность не должна быть неправильной, управляйте типом двигателя на контроллере или значение настройки тока является подходящим (не слишком большим в начале);
(2) провода управляющего сигнала подключены надежно, на промышленной площадке лучше всего предусмотреть экранирование (например, использование витой-кабеля);
(3) Не начинайте подключать все провода, подключайте только к самой базовой системе, которая работает хорошо, а затем постепенно подключайте.
4) Обязательно определите способ заземления или используйте плавающий воздух без подключения.
(5) начните работу через полчаса, чтобы внимательно наблюдать за состоянием двигателя, например, нормальное ли движение, повышение звука и температуры, и обнаружили, что проблема немедленно отключается для регулировки.
2. Гидравлический привод
Благодаря высокоточному-цилиндру и поршню для завершения, посредством относительного движения цилиндра и штока поршня для достижения линейного движения.
Преимущества: высокая мощность, отсутствие устройства замедления, непосредственно соединенного с ведомым стержнем, компактная конструкция, хорошая жесткость, быстрый отклик, сервопривод с высокой точностью.
Недостатки: необходимость в дополнительном гидравлическом источнике, легкость возникновения утечки жидкости, непригодность для работы при высоких и низких температурах, поэтому гидравлический привод в настоящее время используется в роботизированных системах сверхвысокой-мощности.
Выберите подходящую гидравлическую жидкость. Не допускайте попадания твердых примесей в гидравлическую систему, не допускайте попадания воздуха и воды в гидравлическую систему. Механическая работа должна быть мягкой и плавной. Механическая работа должна избегать резких движений, иначе она неизбежно приведет к ударным нагрузкам, что приведет к частым механическим поломкам, что значительно сократит срок службы. Обратите внимание на кавитацию и шум перелива. При эксплуатации всегда следует обращать внимание на звук гидравлического насоса и предохранительного клапана. Если «кавитационный» шум гидравлического насоса после выхлопа не может быть устранен, необходимо определить причину неисправности перед использованием. Поддерживайте соответствующую температуру масла. Рабочая температура гидравлической системы обычно контролируется в пределах 30–80 градусов.
3. Пневматический привод
Простая конструкция пневматического привода, чистое, чувствительное действие, с буферным эффектом. . Однако по сравнению с гидравлическим приводом мощность меньше, низкая жесткость, шум, скорость нелегко контролировать, поэтому он в основном используется для роботов точечного управления с низкой точностью.
(1) имеет высокую скорость, простую структуру системы, простоту обслуживания, низкую цену и так далее. Подходит для использования в роботах средней и малой нагрузки. Однако, поскольку сервоуправление сложно реализовать, оно чаще всего используется в роботах с программным-управлением, например, в погрузочно-разгрузочных и штамповочных роботах.
(2) В большинстве случаев он используется при реализации двух-позиционного или ограниченного точечного управления средними и малыми роботами.
(3) В качестве устройства управления в настоящее время чаще всего используется программируемый логический контроллер (контроллер ПЛК). Пневматические логические компоненты могут использоваться для формирования устройства управления в пожароопасных и взрывоопасных ситуациях.
(ii) Механизм линейной передачи.
Передающее устройство является ключевой частью соединения между источником энергии и рычажным механизмом. В зависимости от формы соединений обычно используемыми формами передаточного механизма являются линейная передача и поворотный передаточный механизм.
Линейную передачу можно использовать для привода в направлениях X, Y, Z прямоугольного координатного робота, радиального привода и привода вертикального подъема цилиндрической координатной структуры, а также радиального телескопического привода шаровой координатной структуры.
Линейное движение может быть преобразовано из вращательного движения в линейное с помощью элементов передачи, таких как рейка и шестерня, винт и гайка и т. д., или может использоваться привод с линейным приводом, или оно может создаваться непосредственно поршнем цилиндра или гидравлического цилиндра.
1. Реечное устройство.
Обычно рейка и шестерня фиксированы. Вращательное движение шестерни преобразуется в линейное движение поддона.
Преимущество: простая структура.
Недостатки: большой дифференциал возврата.
2. ШВП
Шарики встроены в спиральную канавку винта и гайки, а направляющая канавка гайки обеспечивает непрерывную циркуляцию шариков.
Преимущества: низкое трение, высокая эффективность передачи, отсутствие проскальзывания, высокая точность.
Недостатки: высокая стоимость изготовления, сложная конструкция.
Проблема с самоблокировкой-: теоретически тиски с шарико-винтовой парой также могут быть самоблокирующимися-, но фактическое применение этой самоблокирующейся-не используется, основная причина: низкая надежность или очень высокие затраты на обработку; поскольку диаметр направляющей с очень большим передаточным числом обычно добавляется к набору червячных передач и других самосто-устройств.
(iii). Поворотный приводной механизм
Целью механизма поворотного привода является преобразование более высокой скорости источника привода двигателя в более низкую скорость и получение большего крутящего момента. Наиболее широко используемыми механизмами поворотного привода в роботах являются зубчатые цепи, зубчатые ремни и гармонические шестерни.
1. Зубчатая цепь
(1) Соотношение скоростей
(2) Соотношение крутящего момента
2. Ремень синхронизатора
Ремень синхронизатора представляет собой ремень с множеством зубьев, который входит в зацепление с синхронным шкивом с зубьями того же типа. Это эквивалентно гибкой передаче при работе.
Преимущества: отсутствие скольжения, хорошая гибкость, недорогая стоимость, высокая повторяющаяся точность позиционирования.
Недостатки: определенная степень упругой деформации.
3. Гармоничная передача
Гармоническая передача состоит из трех основных частей: жесткой передачи, генератора гармоник и гибкой передачи, обычно жесткая передача фиксирована, а генератор гармоник приводит во вращение гибкую передачу. Основные особенности:
(1), передаточное число большое, одноступенчатое-от 50 до 300.
(2), плавная передача, высокая грузоподъемность.
(3), высокая эффективность передачи, до 70%-90%.
(4), высокая точность передачи, в 3-4 раза выше, чем у обычной зубчатой передачи.
(5), разница в возврате невелика, может быть менее 3'.
(6), не может получить промежуточный выход, жесткость гибкого колеса низкая.
Гармонический привод широко используется в странах с более развитыми технологиями робототехники. Только в Японии 60% устройств привода роботов используют гармонический привод.
Соединенные Штаты отправили на Луну робота, его различные суставные части используются в гармоническом приводе, одно из плеч с механизмом 30 гармонического привода.
Советский Союз отправил на Луну мобильный робот «лунный посадочный модуль», его пары из восьми колес установлены с закрытым механизмом гармонического привода с индивидуальным приводом.. . В механизме гармонической передачи используются роботы ROHREN, разработанные немецкой компанией Volkswagen, робот GEROT R30 и французская компания Renault, разработанные роботами VERTICAL 80 и т. д.
(iv). Сенсорная система робота
1. Сенсорная система состоит из внутреннего сенсорного модуля и внешнего сенсорного модуля, которые используются для получения значимой информации о состоянии внутренней и внешней среды.
2. Использование интеллектуальных датчиков повышает мобильность, адаптивность и уровень интеллекта робота.
3. Использование интеллектуальных датчиков повышает мобильность, адаптируемость и интеллект робота.
4. Для получения некоторой специальной информации датчики более эффективны, чем сенсорная система человека.
(в). Определение положения робота
Поворотный оптический энкодер является наиболее часто используемым устройством обратной связи по положению. Оптический детектор преобразует световые импульсы в двоичные сигналы. Угол поворота вала получается путем подсчета количества импульсов, а направление вращения определяется относительной фазой двух прямоугольных сигналов.
Индуктивный синхронизатор выдает два аналоговых сигнала -: синусоидальный сигнал и косинусоидальный сигнал угла вала. Угол вала рассчитывается на основе относительных амплитуд этих двух сигналов. Индуктивный синхронизатор, как правило, более надежен, чем энкодер, но имеет меньшее разрешение.
Потенциометр является наиболее прямой формой определения положения. Он включен мостом и способен генерировать сигнал напряжения, пропорциональный углу вала. Однако из-за низкого разрешения плохая линейность и чувствительность к шуму.
Тахометр способен выдавать аналоговый сигнал, пропорциональный скорости вращения вала. Если такой датчик скорости недоступен, сигнал обратной связи по скорости можно получить путем разности обнаруженного положения во времени.
(ви). Обнаружение рабочей силы машины
Датчик силы обычно устанавливается в следующих трех положениях на рычаге управления:
1. Установлен на шарнирном приводе. Он может измерять крутящий момент или усилие самого привода/редуктора. Однако он не может точно определить контактную силу между концевым-эффектором и окружающей средой.
2. Установленный между концевым-эффектором и концевым шарниром рабочего рычага, его можно назвать датчиком силы запястья. Обычно можно измерить от трех до шести компонентов силы/крутящего момента, приложенных к концевому-эффектору.
3. Устанавливается на «кончиках пальцев» концевого-эффектора. Обычно эти пальцы с датчиками силы имеют встроенные-тензодатчики, которые могут измерять от одного до четырех компонентов силы, приложенной к кончикам пальцев.
(vii). Система взаимодействия робота-с окружающей средой
1. Система взаимодействия робота-среды — это система, реализующая взаимосвязь и координацию между промышленным роботом и оборудованием во внешней среде.
2. Промышленные роботы и внешнее оборудование интегрированы в функциональный блок, например, блок обработки и производства, сварочный блок, сборочный блок и т. д. Также могут быть несколько роботов, несколько станков или оборудования, несколько устройств хранения деталей и другие интегрированные устройства.
3. Также могут быть несколько роботов, несколько станков или оборудования, несколько устройств хранения деталей и т. д., интегрированных в функциональный блок для выполнения сложных задач.
(viii) Система взаимодействия человека-компьютера
Система взаимодействия человека-робота предназначена для того, чтобы оператор мог участвовать в управлении роботом и контактировать с роботизированным устройством. Система разделена на две основные группы: устройства-отдачи команд и устройства отображения информации.
V. Система управления роботом
1. Система управления роботом
Цель «управления» — заставить управляемый объект вести себя так, как желает контроллер.. . Основное условие «управления» — понимание характеристик управляемого объекта. «Суть» — управление выходным крутящим моментом драйвера.
Подробное объяснение структуры системы привода и управления промышленным роботом.
2, принцип обучения робота
Структура системы привода и управления промышленными роботами
Основной принцип работы робота — воспроизведение обучения; обучение, также известное как руководство, то есть пользователь ведет робота шаг за шагом в соответствии с фактической задачей операции, робот в процессе управления автоматически запоминает обучение позиции каждого действия, позиции, параметров движения/параметров процесса и т. д. и автоматически генерирует непрерывное выполнение всех операций программы. После завершения обучения просто дайте роботу команду запуска, робот будет точно следовать обучающему действию, шаг за шагом, чтобы завершить все операции;
3, классификация управления роботом:
(1) по наличию или отсутствию обратной связи подразделяются на: разомкнутое-управление, замкнутое-управление;
Условия разомкнутого-точного управления: точно знать модель управляемого объекта, и эта модель остается неизменной в процессе управления.
(2) В зависимости от желаемой величины управление подразделяется на: позиционное управление, принудительное управление, гибридное управление;
Управление положением подразделяется на: управление положением одного сустава (обратная связь по положению, обратная связь по скорости положения, обратная связь по скорости положения, обратная связь по ускорению положения), многосоставное управление положением, многосоставное управление положением делится на разложение управления движением, централизованное управление; Управление силой делится на: прямое управление силой, управление импедансом, силовое-позиционное гибридное управление;
(3) методы интеллектуального управления: нечеткое управление, адаптивное управление, оптимальное управление, управление нейронной сетью, управление нечеткой нейронной сетью, экспертное управление и другие;
4. Конфигурация и структура оборудования системы управления:
Поскольку процесс управления роботом включает в себя большое количество преобразований координат и операций интерполяции, а также управление более низким-уровнем в реальном времени-, поэтому текущая система управления роботом в структуре большей части иерархической структуры микро-компьютерной системы управления обычно использует двух-ступенчатую компьютерную сервосистему управления.
Подробное объяснение структуры системы привода и управления промышленным роботом.
1) Конкретный процесс:
После того как главный управляющий компьютер получает введенные персоналом инструкции по эксплуатации, он сначала анализирует и интерпретирует инструкции для определения параметров движения руки.
Затем он выполняет кинематические, динамические и интерполяционные операции и, наконец, определяет параметры согласованного движения каждого сустава робота. Эти параметры выводятся на ступень сервоуправления по линии связи в виде заданного сигнала для системы сервоуправления каждого шарнира. Привод шарнира D/A преобразует этот сигнал и приводит в движение каждый сустав, обеспечивая скоординированное движение. Датчики будут передавать выходной сигнал движения каждого сустава обратно на компьютер ступени сервоуправления, чтобы сформировать локальный замкнутый-контур управления, чтобы более точно контролировать движение руки робота в пространстве.
(2) Управление движением на основе ПЛК-. Два метода управления:
1, использование определенных выходных портов ПЛК для использования инструкций импульсного вывода для генерации импульсов для управления двигателем, при этом используются-вводы-выводы общего назначения или компоненты счета для достижения замкнутого-управления положением двигателя.
2, использование внешнего расширения ПЛК модуля управления положением для реализации замкнутого-управления положением двигателя в основном заключается в отправке высокоскоростного импульсного управления-скоростью, относится к режиму управления положением, общий режим управления положением от точки-к-точке больше.