工业机器人技术与应用

成都航空职业技术学院 论文题目:工业机器人技术与应用 年 级：2011级 学 号：110310 姓 名:何大元 专 业：汽车制造与装配技术 指导老师：刘培勇 二零一三年十二月 本文主要针对工业机器人的基本应用知识进行讲解，其中包含工业机器人的 基础常识，工业机器人的安装与调试、控制原理、传感器、离线编程、末端执行 器等。之后还对工业机器人的核心部件的原理及其维修进行了分析。 关键字：工业机器人、安装、调试、离线编程、伺服控制、伺服电机、传感器、 维修 （中文摘要一般为400字左右，英文摘要应与中文摘要内容相同。） Abstract This article mainly aims at the basic of the industrial robot application knowledge, including basic common sense, the installation and commissioning, control theory, sensor, off-line programming and terminal actuators of industrial robots. After that, Analysis of the core parts of the robot, and maintenance. Key words:Industrial robots, installation, debugging, off-line programming, servo control, servo motors, sensors, maintenance 目录 摘要 1 第一章工业机器人的组成 3 1.1绪论 3 1.2工业机器人的定义 3 1.3工业机器人的组成 3 1.3. 1工业机器人的控制系统 5 1.3. 2工业机器人的驱动系统 6 1.3. 3工业机器人的执行机构 7 1.3. 4工业机器人的检测系统 10 1.4工业机器人之中的常用概念 12 第二章工业机器人的离线开发 13 2.1工业机器人的编程方式 13 2.2 ABB工业机器人的离线编程 14 2.2. 1 RAPID程序的构架 14 2.2. 2 RAPID程序的程序数据与指令 14 2.2. 3 RAPID程序运动控制指令 16 2.2.4 RAPID程序逻辑控制指令 18 2.2. 5 RAPID程序的经典程序解析： 21 第三章工业机器人的安装 29 3.1机器人的搬运 29 3.1安全护栏的安装 30 3.2机器人的安装 31 3.2. 1机器人本体的安装实例 31 3.2. 2机器人的壁挂式安装 32 3.3安装现场和环境 32 3.4线缆的连接 33 第四章交流永磁伺服电动机 35 4.1交流永磁电机的结构 35 4.1. 1交流永磁电机的定子结构 35 4.1. 2交流永磁电机的转子结构 36 4.1. 3交流永磁电机的控制方式 38 4.1. 4永磁体的退磁 38 4.2交流永磁电机的伺服控制 38 4.2. 1交流永磁电机的驱动器 39 4.2. 2交流永磁电机的控制方式 46 4.2. 3转矩控制实例 51 第五章机器人的驱动 56 5.1步进电机驱动 56 5.1. 1步进电机的工作原理与分类 56 5.1. 2步进电机的控制 60 5.1. 3对步进电机的选择 62 5.2直流伺服驱动 62 5.2. 1直流伺服电机的组成及工作原理 63 5.3交流伺服电动机 64 5.3. 1交流伺服电动机原理及分类 65 5.3. 2交流伺服电动机的特点 65 5.3. 3交流伺服电动机控制原理 65 5.4三环系统 66 5.4. 1光电编码器 67 5.4. 2比例积分（PI）调节 70 第六章工业机器人的传感器 72 6.1工业机器人的视觉 72 6.1. 1工业机器人视觉系统的功能 72 6.1. 2工业机器人视觉系统的要求 72 6.1. 3人类与机器人的视觉 72 6.1. 4图像采集技术 73 6.1. 5图像处理技术 75 6.2工业机器人的听觉 76 6.2. 1语音消噪 77 6.2. 2语音信号预处理及特征提取 77 6.2工业机器人的触觉 78 6.2. 1机器人触觉传感器简介 78 6.2. 2机器人触觉的原理 79 第七章工业机器人的维修 84 7.1机器人的常见故障 84 7.2交流永磁电动机的维修 84 7.2. 1定子绕组的维修 84 7.2. 2刹车盘的维修 85 7.2. 3刹车电磁铁的维修 85 7.2. 4永磁电机转子的维修 85 7.3伺服驱动器的维修 86 7.4机器人本体及电缆的维修 86 7.4. 1机器人臂的维修 86 7.4. 2机器人立柱和平衡缸的维修 87 7.4. 3机器人电缆的维修 87 7.5减速机的维修 88 7.5. 1轴承的维修 88 7.5. 2曲轴的维修 88 结束语 90 第一章工业机器人的组成 1.1绪论 工业机器人是由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装 置几大部分构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间内完 成各种作业的现代机电一体化自动化生产设备。特别适合多品种、变批量的柔性 生产。工业机器人对稳定、提高产品质量，提升生产效率，改善劳动环境和条件, 产品的快速更新换代等都起着十分重要的作用。 工业机器人是一种集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多种 学科先进技术于一体的现代制造业之中重要的自动化装备。是当代研究十分热 门，应用快速广泛的领域。工业机器人的应用情况，已成为一个国家工业自动化 水平的重要标志。工业机器人并不只是在简单意义上的代替人工劳动，而是综合 了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反 应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力， 从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产 和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 1.2工业机器人的定义 工业机器人是一种模拟人的手、臂，按照预定的程序、轨迹及其要求，实 现抓取、搬运及其操作的自动化装置。 1.3工业机器人的组成 工业机器人包括的范围很大，分类方式也是多种多样。下面是对现在的工业 机器人进行分类。 工业机器人按操作机坐标形式分以下几类：（坐标形式是指操作机的手臂在运动 时所取的参考坐标系的形式。 （1） 直角坐标型工业机器人 其运动部分由三个相互垂直的直线移动（即ppp）组成，其工作空间图形 为长方形。它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强， 易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，控制无耦合，结构简单，但机体所占 空间体积大，动作范围小，灵活性差，难与其他工业机器人协调工作。 （2） 圆柱坐标型工业机器人 其运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的，其工作 空间图形为圆柱，与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机 体所占体积小，而运动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与其他 工业机器人协调工作。 (3) 球坐标型工业机器人 又称极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一个直线移动(即 RRP,一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动)所组成，其工作空间为一球体，它可 以作上下俯仰动作并能抓取地面上或教低位置的协调工件，其位置精度高，位置 误差与臂长成正比。 (4) 多关节型工业机器人 又称回转坐标型工业机器人，这种工业机器人的手臂与人一体上肢类似， 其前三个关节是回转副(即RRR)，该工业机器人一般由立柱和大小臂组成，立 柱与大臂见形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂做回转运动和俯仰 摆动，小臂做仰俯摆动。其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，能与其他工 业机器人协调工作，但位置精度教低，有平衡问题，控制耦合，这种工业机器人 应用越来越广泛。 (5) 平面关节型工业机器人 它采用一个移动关节和两个回转关节(即PRR),移动关节实现上下运动， 而两个回转关节则控制前后、左右运动。这种形式的工业机器人又称装配机器人。 在水平方向则具有柔顺性，而在垂直方向则有教大的刚性。它结构简单，动作灵 活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业的插接、 墙西F中应田广。 工业机器人按驱动方式分以下几类： (1) 气动式工业机器人 这类工业机器人以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作 迅速，结构简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳 定性较差，又因气源压力一般只有6kPa左右，所以这类工业机器人抓举力较小， 一般只有几十牛顿，最大百余牛顿。 (2) 液压式工业机器人 液压压力比气压压力高得多，一般为70kPa左右，故液压传动工业机器人 具有较大的抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动 作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温或低温环境下工作。 (3) 电动式工业机器人 这是目前用得最多的一类工业机器人，不仅因为电动机品种众多，为工业 机器人设计提供了多种选择，也因为它们可以运用多种灵活控制的方法。早期多 采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在 迅速发展。这些驱动单元或是直接驱动操作机，或是通过诸如谐波减速器的装置 来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。 以现在应用最广的电动式六轴多关节机器人为列，工业机器人是模仿人类 的手、臂的自动化装置。其机器人本体由四大部分组成：控制系统、驱动系统、 执行机构、检测系统。 工业机器人还可以按用途分以下几类：焊接机器人、冲压机器人、浇注机器人、 装配机器人、搬运机器人、喷漆机器人、切削加工机器人、检测机器人等。 1.3. 1工业机器人的控制系统 工业机器人控制系统的定义：用来控制机器人的执行机构按规定要求动作， 相当于人的大脑。工业机器人是通过控制末端执行器的坐标（TCP）来实现动作。 控制程序一般是通过专业软件进行离线编程，也可以通过手持示教编程器进行现 场控制。 工业机器人控制系统可以从不同角度分类，如控制运动的方式不同，可为关 节控制、笛卡尔空间运动控制和自适应控制；按轨迹控制方式的不同，可分为点 位控制和连续轨迹控制；按速度控制方式的不同，可分为速度控制、加速度控制、 力控制。给每个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨 迹。 工业机器人的控制技术是在传统机械系统的控制技术的基础上发展起来 的，两者在根本上相差不大，但工业机器人控制系统也有许多特殊之处。 工业机器人控制系统的组成： （1） 控制计算机。是控制系统的核心。一般为微处理器，有32位、64位等。 （2） 示教器。用于控制机器人的工作轨迹和参数设定。实现人为控制和数据交 流。拥有自己独立的CPU和储存单元。通过串行通信方式与计算机之间实 现交流。 （3） 操作面板。对机器人基本功能进行操作。 （4） 储存器。存储机器人工作程序。 （5） 打印机接口。记录各种需要输出的信息。 （6） 总线接口。实现机器人的总线通信。包括与计算机的总线、与其他机器人 的总线、与外围设备的总线等。 工业机器人控制方式： （1） 点位控制。只控制工业机器人TCP在空间内离散点的位姿。这种控制方式 只要求工业机器人快速、准确的实现相邻点之间的运动，而对到达目标点 的运动轨迹不做要求。这种控制方式的关键在于定位精度和运动时间。由 于其控制简单，定位精度要求不高，这种控制方式常用在搬运、上下料、 点焊等只要求在目标点保持末端执行器的姿态和位置的作业之中。 （2） 连续轨迹控制。控制机器人末端执行