《工业机器人的结构、驱动及控制系统》

  • 来源专题:数控机床——前沿技术
  • 编译者: 杨芳
  • 发布时间:2017-09-25
  • 增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法用来增加结构件材料的阻尼,其中最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。

    一、常用运动学构形

      

    1、笛卡尔操作臂

      

    优点:很容易通过计算机控制实现,容易达到高精度。

      

    缺点:妨碍工作,且占地面积大,运动速度低,密封性不好。

      

    ①焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、(软仿型)喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。

      

    ②特别适用于多品种,便批量的柔性化作业,对于稳定,提高产品质量,提高劳动生产率,改善劳动条件和产品的快速更新换代有着十分重要的作用。

      

    2、铰链型操作臂(关节型)

      

    关节机器人的关节全都是旋转的,类似于人的手臂,工业机器人中最常见的结构。它的工作范围较为复杂。

      

    ①汽车零配件、模具、钣金件、塑料制品、运动器材、玻璃制品、陶瓷、航空等的快速检测及产品开发。

      

    ②车身装配、通用机械装配等制造质量控制等的三坐标测量及误差检测。

      

    ③古董、艺术品、雕塑、卡通人物造型、人像制品等的快速原型制作。

      

    ④汽车整车现场测量和检测。

      

    ⑤人体形状测量、骨骼等医疗器材制作、人体外形制作、医学整容等。

      

    3、SCARA操作臂

      

    SCARA机器人常用于装配作业,最显著的特点是它们在x-y平面上的运动具有较大的柔性,而沿z轴具有很强的刚性,所以,它具有选择性的柔性。这种机器人在装配作业中获得了较好的应用。

      

    ①大量用于装配印刷电路板和电子零部件

      

    ②搬动和取放物件,如集成电路板等

      

    ③广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域.

      

    ④搬取零件和装配工作。

      

    4、球面坐标型操作臂

      

    特点:中心支架附近的工作范围大,两个转动驱动装置容易密封,覆盖工作空间较大。但该坐标复杂,难于控制,且直线驱动装置存在密封的问题。

     

    5、圆柱面坐标型操作臂

      

    优点:且计算简单;直线部分可采用液压驱动,可输出较大的动力;能够伸入型腔式机器内部。缺点:它的手臂可以到达的空间受到限制,不能到达近立柱或近地面的空间;

      

    直线驱动部分难以密封、防尘;后臂工作时,手臂后端会碰到工作范围内的其它物体。

      

    6、冗余机构

      

    通常空间定位需要6个自由度,利用附加的关节可以帮助机构避开奇异位形。下图为7自由度操作臂位形

      

    7、闭环结构

      

    闭环结构可以提高机构刚度,但会减小关节运动范围,工作空间有一定减小。

      

    ①运动模拟器;

      

    ②并联机床;

      

    ③微操作机器人;

      

    ④力传感器;

      

    ⑤生物医学工程中的细胞操作机器人、可实现细胞的注射和分割;

      

    ⑥微外科手术机器人;

      

    ⑦大型射电天文望远镜的姿态调整装置;

      

    ⑧混联装备等,如SMT公司的Tricept混联机械手模块是基于并联机构单元的模块化设计的成功典范。

      

    二、机器人的主要技术参数

      

    机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况,是设计、应用机器人必须考虑的问题。机器人的主要技术参数有自由度、分辨率、工作空间、工作速度、工作载荷等。

      

    1、自由度

      

    机器人具有的独立坐标轴运动的数目。机器人的自由度是指确定机器人手部在空间的位置和姿态时所需要的独立运动参数的数目。手指的开、合,以及手指关节的自由度一般不包括在内。.机器人的自由度数一般等于关节数目。机器人常用的自由度数一般不超过5~6个。

      

    2、关节(Joint)

      

    即运动副,允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。

      

    3、工作空间

      

    机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间区域。其形状取决于机器人的自由度数和各运动关节的类型与配置。机器人的工作空间通常用图解法和解析法两种方法进行表示。

      

    4、工作速度

      

    机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中,机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。

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二是运动控制技术的推广和高水平应用下成长起来的专业运动控制企业,代表企业为固高、卡诺普,他们已经开始向市场提供机器人专用控制器。还有开发自己控制系统的机器人企业,包括新松机器人。 短期而言,与第三方合作、并购可能是中国机器人企业提升控制器质量的有效途径。 目前中国工业机器人企业尚未完全掌握最先进的控制器,未来可能有两种趋势: (1)采用第三方供应商的控制器。工业机器人本体企业通过引进第三方的控制器,实现机器人控制技术提升,比如很多国产机器人企业采用固高科技的控制器,固高的产品适配从三轴到八轴各种型号的机器人,为国内基于PC运动控制器市场的龙头企业。 (2)通过投资并购逐步引入国外的控制器技术。2010年,专注电气传动及运动控制的新时达切入工业机器人领域,后从2013年开始,新时达收购众为兴、晓奥享荣、会通科技,其中众为兴主营应用领域自动化 控制系统;随后又牵手外资运动控制巨头贝加莱。先后进军金属成形机床数控系统、电液伺服系统、交流伺服系统的埃斯顿2012年布局智能工业机器人,2017年收购TRIO、意大利ROBOX公司,TRIO是全球运动控制行业领军企业之一,其产品应用涵盖包装机械、3C电子机械、印刷机械、工业机器人、食品生产线等。 ROBOX是一家创立于1975年的为机器人和运动控制系统设计和生产电子控制器的公司,产品覆盖至几十个控制轴。 通过对TRIO和ROBOX的收购,埃斯顿作为工业机器人本体厂商,控制器生产水平将进一步提升。 长期而言,第三方控制器企业发展壮大,国产厂商通过拓展下游应用、并购和科研抢占控制器市场,或可实现专门化生产。 除了传统的汽车行业,机器人应用当中具有高附加值的应用行业还有很多,且目前3C已超越汽车成为工业机器人最大的下游领域。 可以预见立足于国内市场,现有应用提升和应用领域拓展有助于实现国产机器人行业的国产替代和长期盈利。 随着工业机器人控制技术的发展,针对结构封闭的工业机器人控制器的缺陷,开发具有开放式结构的模块化控制器,由通用语言模块化编制形成的专用工业语言,各个层次对用户开放是当前工业机器人控制器的一个发展方向。 开放式模块化的优势:控制系统中的各模块相互独立,可让用户在较大范围内根据要求配置系统,如机器人轴数、I/O点数等,具有更大的灵活性;便于用户进行二次开发,下游生产商或用户可在开放式环境下用不同的编程语言开发人机界面和某些特殊机器人的专属控制功能;对第三方应用软件、各种操作平台兼容性强;价格较低,性价比极高。 除了开放式模块化的趋势,标准化作为机器人行业整体的发展方向,一直都是国内外政府引导的重点。 为进一步加快推进我国机器人领域标准化水平,实现产业的快速发展和竞争实力的提升,2015年9月,国家机器人标准化总体组和专家咨询组成立,负责拟定我国机器人标准化战略和推进措施,组织开展机器人基础共性等相关国家标准制定、国际标准化和标准应用实施等工作。 2017年10月《中国机器人标准化白皮书(2017)》发布,梳理国内外机器人相关技术标准,提出我国机器人标准化工作的思考。标准化不仅有利于机器人相关产品的质量控制,更能让产品市场化,增强国产机器人的市场竞争力。 人工智能是国产机器人发展的重要机会。在传统机器人领域,准确、稳定、可靠是关键,国产品牌在该领域发展不及国外。 而在适应协作和智能制造需求的领域,在机器人的柔性,与人和环境的协作,在智能制造过程的不同层级辅助做决策等能力上,国内外机器人品牌的起点相近。 随着技术更迭,针对结构封闭的工业机器人控制器的缺陷,开发具有开放式结构的模块化、标准化工业机器人控制器,由通用语言模块化编制形成的专用工业语言正在成为工业机器人控制软件的主流,届时控制器不必与本体进行捆绑销售,四大家族除技术外的品牌优势将不再明显,控制器的产销将更加市场化,机器人核心零部件的生产专门化也有望实现,性价相对高的国产控制器前景广阔。 除此之外,如今中国工业自动化已经达到世界先进水平,在一些顶尖技术领域我们与国外企业处于同一起跑线,没有了过去发展时间晚的劣势,加上国家政策的大力支持,工业机器人控制器行业格局将被改变。 综上所述,控制系统是工业自动化的重要核心,而工业机器人是控制系统的最有发展潜力的下游领域之一。 近年来我国工业机器人密度实现了跨越式的发展,2018年预计市场规模可达87.3亿美元,产量也突破了14万台。控制器占机器人成本的12%,2020年,我国工业机器人控制器市场规模有望达到63亿元左右。 但是从现有的产业格局看,工业机器人控制器市场的国产化远不及控制器整体市场,四大家族就占据了53%的市场,原因有三: (1)在工业机器人领域控制器为厂家自产自销,四大家族整体产品优于国产机器人,且目前各大品牌都拥有自己的软件系统,在自有平台上开发产品,国产控制器本身具有容错性差、扩展性差的劣势,更加难以兼容,如此整机销售的产品优势造成了国外控制器在市场中的垄断; (2)控制器主要技术差距在于软件,控制精度比不上国外产品,在传统下游领域如汽车、电子优势不明显; (3)虽然国产控制器已经可以控制各种多轴机器人,且应用领域足够广,但目前规模化生产控制器的厂商不多,中低端市场待拓展。 但是这种局面很快将被打破,随着技术更迭,针对结构封闭的工业机器人控制器的缺陷,开发具有开放式结构的模块化、标准化工业机器人控制器,控制器的产销将更加市场化,机器人核心零部件的生产专门化也有望实现,加上国家政策的大力支持,工业机器人控制器行业格局将被改变,性价比相高的国产控制器前景广阔。 因此我们认为,以工业机器人为主要发展方向的运动控制器龙头可依托规模和技术优势,顺应未来机器人零部件生产专门化趋势拓展工业机器人下游领域。 长期深耕机器人控制器领域、深度绑定主流国产机器人本体厂商,产品性价比高的机器人控制器企业也有望突出重围,随国产机器人一同提升市占率。