第2章 工业机器人的组成与性能

2.1　工业机器人的组成及特点

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齐全、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人们所需要的功能。广义上的工业机器人是由如图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。

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。

末端执行器又称工具,它是机器人的作业机构,与作业对象和要求有关,其种类繁多,它一般需要由机器人制造厂和用户共同设计、制造与集成。变位器是用于机器人或工件的整体移动或进行系统协同作业的附加装置,它可根据需要选配。

在电气控制系统中,上级控制器是用于机器人系统协同控制、管理的附加设备,既可用于机器人与机器人、机器人与变位器的协同作业控制,也可用于机器人和数控机床、机器人和自动生产线其他机电一体化设备的集中控制,此外,还可用于机器人的操作、编程与调试。上级控制器同样可根据实际系统的需要选配,在柔性加工单元(FMC)、自动生产线等自动化设备上,上级控制器的功能也可直接由数控机床所配套的数控系统(CNC)、生产线控制用的PLC等承担。

(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,但绝大多数都是由若干关节(joint)和连杆(link)连接而成的。以常用的6轴垂直串联型(vertical articulated)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。

机器人的手部用来安装末端执行器,它既可以安装类似人类的手爪,也可以安装吸盘或其他各种作业工具;腕部用来连接手部和手臂,起到支撑手部的作用;上臂用来连接腕部和下臂,上臂可回绕下臂摆动,实现手腕大范围的上下(俯仰)运动;下臂用来连接上臂和腰部,并可回绕腰部摆动,以实现手腕大范围的前后运动;腰部用来连接下臂和基座,它可以在基座上回转,以改变整个机器人的作业方向;基座是整个机器人的支持部分。机器人的基座、腰、下臂、上臂通称机身,机器人的腕部和手部通称手腕。

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,一般需要由机器人制造厂和用户共同设计与制造。例如,用于装配、搬运、包装的机器人则需要配置吸盘、手爪等用来抓取零件、物品的夹持器,而加工类机器人需要配置用于焊接、切割、打磨等加工的焊枪、割枪、铣头、磨头等各种工具或刀具。

(3)变位器

变位器是工业机器人的主要配套附件,其作用和功能如图2.1.3所示。通过变位器,可增加机器人的自由度、扩大作业空间、提高作业效率,实现作业对象或多机器人的协同运动,提升机器人系统的整体性能和自动化程度。

从用途上说,工业机器人的变位器主要有工件变位器、机器人变位器两大类。

工件变位器如图2.1.4所示,它主要用于工件的作业面调整与工件的交换,以减少工件装夹次数,缩短工件装卸等辅助时间,提高机器人的作业效率。

在结构上,工件变位器以回转变位器居多。通过工件的回转,可在机器人位置保持不变的情况下,改变工件的作业面,以完成工件的多面作业,避免多次装夹。此外,还可通过工装的180°整体回转运动,实现作业区与装卸区的工件自动交换,使得工件的装卸和作业同时进行,从而大大缩短工件装卸时间。

机器人变位器通常采用图2.1.5所示的轨道式、摇臂式、横梁式、龙门式等结构。轨道式变位器通常采用可接长的齿轮/齿条驱动,其行程一般不受限制;摇臂式、横梁式、龙门式变位器主要用于倒置式机器人的平面(摇臂式)、直线(横梁式)、空间(龙门式)变位。利用变位器,可实现机器人整体的大范围运动,扩大机器人的作业范围,实现大型工件、多工件的作业;或者,通过机器人的运动,实现作业区与装卸区的交换,以缩短工件装卸时间,提高机器人的作业效率。

工件变位器、机器人变位器既可选配机器人生产厂家的标准部件,也可用户根据需要设计、制作。简单机器人系统的变位器一般由机器人控制器直接控制,多机器人复杂系统的变位器需要由上级控制器进行集中控制。

(4)电气控制系统

在机器人电气控制系统中,上级控制器仅用于复杂系统的各种机电一体化设备的协同控制、运行管理和调试编程,它通常以网络通信的形式与机器人控制器进行信息交换,因此,实际上属于机器人电气控制系统的外部设备;而机器人控制器、操作单元、驱动器及辅助控制电路,则是机器人控制必不可少的系统部件。

① 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PC机型和PLC型两种。

工业计算机(又称工业PC机)型机器人控制器的主机和通用计算机并无本质的区别,但机器人控制器需要增加传感器、驱动器接口等硬件,这种控制器的兼容性好、软件安装方便、网络通信容易。PLC(可编程序控制器)型控制器以类似PLC的CPU模块作为中央处理器,然后通过选配各种PLC功能模块,如测量模块、轴控制模块等,来实现对机器人的控制,这种控制器的配置灵活,模块通用性好、可靠性高。

② 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。

传统的示教器由显示器和按键组成,操作者可通过按键直接输入命令和进行所需的操作。目前常用的示教器为菜单式,它由显示器和操作菜单键组成,操作者可通过操作菜单选择需要的操作。先进的示教器使用了与目前智能手机同样的触摸屏和图标界面,这种示教器的最大优点是可直接通过Wi⁃Fi连接控制器和网络,从而省略了示教器和控制器间的连接电缆。智能手机型操作单元的使用灵活、方便,是适合网络环境下使用的新型操作单元。

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。驱动器的形式取决于驱动电机的类型,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。

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,调试、维修和更换也较方便。

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。

尽管机器人的用途、规格有所不同,但电气控制系统的组成部件和功能类似,因此,机器人生产厂家一般将电气控制系统统一设计成图2.1.6所示的控制箱型或控制柜型。

在以上控制箱、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,驱动器一般为集成式交流伺服驱动器,控制器则以PLC型为主。另外,在采用工业计算机型机器人控制器的系统上,控制器有时也可独立安装,系统的其他控制部件通常统一安装在控制柜内。

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。

① 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部、大臂、小臂、手腕、手爪等部件,并接受其控制器的控制。在智能工业机器人上,还安装有模拟人类等生物的传感器,如模拟感官的接触传感器、力传感器、负载传感器、光传感器,模拟视觉的图像识别传感器,模拟听觉的声传感器、语音传感器等。这样的工业机器人具有类似人类的环境自适应能力。

② 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。

③ 通用　除了部分专用工业机器人外,大多数工业机器人还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,有时会引起误解。以下通过三者的比较,来介绍相互间的区别。

(2)工业机器人与数控机床

世界首台数控机床出现于1952年,它由美国麻省理工学院率先研发,其诞生比工业机器人早7年,因此,工业机器人的很多技术都来自数控机床。

George Devol(乔治·德沃尔)最初设想的机器人实际就是工业机器人,他所申请的专利就是利用数控机床的伺服轴驱动连杆机构,然后通过操纵和控制器对伺服轴的控制,来实现机器人的功能。按照相关标准的定义,工业机器人是“具有自动定位控制、可重复编程的多功能、多自由度的操作机”,这点也与数控机床十分类似。

因此,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。但是,由于工业机器人和数控机床的研发目的有着本质的区别,因此,其地位、用途、结构、性能等各方面均存在较大的差异。图2.1.7是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。

① 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。因此,机床被称为国民经济基础的基础,在现有的制造模式中,它仍处于制造业的核心地位。工业机器人尽管发展速度很快,但目前绝大多数还只是用于零件搬运、装卸、包装、装配的生产辅助设备,或是进行焊接、切割、打磨、抛光等简单粗加工的生产设备,它在机械加工自动生产线上(焊接、涂装生产线除外)所占的价值一般只有15%左右。

因此,除非现有的制造模式发生颠覆性变革,否则工业机器人的体量很难超越机床。所以,那些认为“随着自动化大趋势的发展,机器人将取代机床成为新一代工业生产的基础”的观点,至少在目前看来是不正确的。

② 目的和用途　研发数控机床的根本目的是解决轮廓加工的刀具运动轨迹控制问题,而研发工业机器人的根本目的是用来协助或代替人类完成那些单调、重复、频繁或长时间、繁重的工作或进行高温、粉尘、有毒、易燃、易爆等危险环境中的作业。由于两者研发目的不同,因此,其用途也有根本的区别。简言之,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。

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,如机器人有时也采用直角坐标结构,采用并联虚拟轴结构的数控机床也已有实用化的产品等。

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。高精度数控机床的定位精度和加工精度通常需要达到0.01mm或0.001mm的数量级,甚至更高,且其精度检测和计算标准的要求高于机器人。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。

工业机器人是用于零件搬运、装卸、码垛、装配的生产辅助设备,或是进行焊接、切割、打磨、抛光等粗加工的设备,强调的是动作灵活性、作业空间、承载能力和感知能力。因此,除少数用于精密加工或装配的机器人外,其余大多数工业机器人对定位精度和轨迹精度的要求并不高,通常只需要达到0.1~1mm的数量级便可满足要求,且精度检测和计算标准的要求低于数控机床。但是,工业机器人的控制轴数将直接决定自由度、动作灵活性等关键指标,其要求很高;理论上说,需要工业机器人有6个自由度(6轴控制),才能完全描述一个物体在三维空间的位姿,如需要避障,还需要有更多的自由度。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。

(3)工业机器人与机械手

用于零件搬运、装卸、码垛、装配的工业机器人功能和自动化生产设备中的辅助机械手类似。例如,国际标准化组织(ISO)将工业机器人定义为“自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手”,日本机器人协会(JRA)将工业机器人定义为“能够执行人体上肢(手和臂)类似动作的多功能机器”,表明两者的功能存在很大的相似之处。但是,工业机器人与生产设备中的辅助机械手的控制系统、操作编程、驱动系统均有明显的不同。图2.1.8是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。机械手只是用来实现换刀或工件装卸等操作的辅助装置,其控制一般需要通过设备的控制器(如CNC、PLC等)实现,它没有自身的控制系统和操作界面,故不能独立运行。

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。但是,辅助机械手的动作和对象是固定的,其控制程序通常由设备生产厂家编制;即使在调整和维修时,用户通常也只能按照设备生产厂的规定进行操作,而不能改变其动作的位置与次序。

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(automated guided vehicle,简称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。