工業(yè)機器人是一種獨立的，具有計算機控制系統(tǒng)，可編程的，用以搬運物料，零件和工具或完成多種操作功能的自動化機械裝置。它的特點是工作范圍大，定位精度高，通用性強，適用于中、小批量、多品種生產的自動化系統(tǒng)中。
工業(yè)機器人是由操作系統(tǒng)（手部、臀部、立柱或機身）、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和位置檢測系統(tǒng)組成。
1. 搬運機器人的坐標形式及規(guī)格參數
根據手臂三個動作自由度的不同運動組，機器人有四種運動坐標形式。圖50-71所示是四種坐標形式機器人的簡圖。
1） 直線坐標式。如圖50-71a所示，手臂動作由三個直線運動x、y、z組成，若Lx、Ly、Lz、表示三個直線運動的最大2，其空間作業(yè)范圍為Lx×Ly×Lz的立方體（mm3）。
2） 圓柱坐標式，如圖50-71b所示，手臂運動由兩個直線運動x、z和一個繞z軸的回轉運動組成，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） 球坐標式，如圖50-71c所示，手臂運動由直線運動x和兩個擾y、z的運動組成，其空間作業(yè)范圍為空心球體的一部分，可用下式表示：
4） 關節(jié)式，如圖50-71d所示，手臂運動由三個回轉運動組成，其空間作業(yè)范圍為多圓狐疊合球體。
工業(yè)機器人的運動坐標形式及其特征見表50-17。
在選用工業(yè)機器人時應注意以下規(guī)格和參數：
1） 抓重。即機器人抓取物體允許的最大重量，是表明機器人負載能力的技術參數。
2） 工作行程，即機器人各動作自由度的最大工作行程，如直線運動的行程若Lx、Ly、Lz、回轉角度φ、θ等。
3） 運動速度
4） 定位精度。一般指取、放物料或運動軌道的重復精度。定位精度與2方式、構件的精度、剛度、抓重及運動速度有關，表50-18列舉了各種方法的定位精度及其特點。
50-17工業(yè)機器人的運動坐標形式及其特征比較
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坐標形式 |
極限作業(yè)空間 |
慣性 |
定位精度 |
定向特征 |
直觀性 |
結構特點 |
占地面積 |
應用情況 |
特征及應用范圍 |
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大小 |
形狀 |
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直角坐標式 |
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，能改變工件一個軸向的方位，不宜作直線傳送 |
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球坐標式 |
大 |
扇形截面旋轉體 |
較小 |
不易控制 |
差 |
差 |
較復雜 |
較小 |
較多 |
能抓取地面上工件。能改變工件兩個軸向的方位，適用于扇形截面的回轉體作業(yè)空間，不宜作直線傳送，經簡化自由度即成平面級坐標式 |
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多關節(jié)式 |
大 |
球體 |
較小 |
不易控制 |
差 |
差 |
復雜 |
小 |
少 |
臂能折疊，能抓取地面上的工件并傳送到任意方向，宜作復雜動作，能改變工件三個軸向的方位 |
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復合坐標式 |
大 |
柱體 |
較大 |
不易控制 |
差 |
差 |
復雜 |
較小 |
少 |
能擴大作業(yè)范圍，并具有各類運動坐標形式的部分特點，適合用于多工位的移動式作業(yè)及科學探索等情況 |
50-18各種定位方法的定位精度及其特點
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定位裝置 |
重復定位精度/mm |
實現定位的方法 |
優(yōu)點 |
缺點 |
應用情況 |
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機械擋塊 |
±1~±0.02 |
擋塊控制液壓（氣）缸行程 |
結構簡單可靠 |
調整麻煩多為固定定位 |
定位前實現完全緩沖，其定位精度可達±0.01mm |
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機械結構 |
±0.2~±0.05 |
凸輪、連桿、擺動導桿等 |
結構可按需要設計 |
需自行設計，無標準需經試制 |
可實現多點定位適于專用機械手 |
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崖壓缸端部定位 |
±1~±0.02 |
活塞緊靠液壓缸端部 |
當不能安裝外部擋塊時用此裝置較好 |
如未經完全緩沖，會產生碰撞液壓缸端部 |
多用于關節(jié)式機械手及工業(yè)機器人 |
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多級液壓缸多級定位 |
±0.05 |
控制各級液壓缸由路實現多種行程的組和尺寸 |
可作較大范圍的高精度多點定位 |
液壓缸長，管道多，結構復雜 |
卡在0~750mm范圍內按0.5倍關系任意組合行程尺寸 |
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可調活塞定位 |
±0.5~±0.2 |
調整活塞總長改變行程長度 |
在有限范圍內能去級調整行程 |
結構復雜 |
在有限范圍內作多點定位 |
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電氣開關 |
±3~±5 |
按時間或行程發(fā)信號 |
結構簡單 |
受慣性力及油溫影響大 |
利用檢測信號關閉電磁閥 |
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附加定位機構 |
±0.5左右 |
活塞部件加簡形氣缸通入壓縮空氣制動 |
停止時如超出規(guī)定位置可使缸飯向以保證定位精度 |
起動時缸的速度慢 |
用于氣動機械手及工業(yè)機器人 |
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電液伺服 |
±1~±0.5 |
控制進由路關閉 |
能任意定位 |
制造困難、價貴 |
用于工業(yè)機器人 |
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步進電動機 |
±2~±0.02 |
控制脈沖數 |
能任意定位 |
復雜，價貴 |
用于工業(yè)機器人 |
4） 驅動方式，工業(yè)機器人的驅動方式有機械式、電氣失、氣壓和液壓等及聯合驅動形式。表50-19列舉了各種驅動方式的特點。
5） 控制方式。表50-20列舉了各種電控系統(tǒng)的特點。
2. 固定式機器人。
50-19各種驅動方式的特點
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比較內容 |
驅動方式 |
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機械聯動 |
電動機驅動 |
氣壓驅動 |
液壓驅動 |
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異步、直流電動機 |
步進伺服電動機 |
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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構控制，定位精度高，可與主機嚴格同步 |
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)復雜 |
可高速，沖擊較嚴重，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，可無級調速，反映靈敏，可實現連續(xù)軌跡控制 |
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體積 |
當自由度多時，機構復雜，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，液體對溫度變化敏感，油液泄漏。易著火 |
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應用范圍 |
適用自由度少，速度高的專用機械手 |
適用于抓重大速度低的專用機械手 |
可用于程序復雜運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手 |
中小型專用，通用機械手也都有應用 |
中小型專用，通用機械手也都有應用，特別是重型機械手多為液壓驅動 |
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成本 |
結構簡單，成本低，一般工廠可以自己制造 |
成本低 |
成本較高 |
結構簡單，能源方便，成本低 |
液壓元件成本較高，油路也較復雜 |
50-20各種電控系統(tǒng)的特點
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比較內容 |
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 |
半導體邏輯線路 |
順序控制器 |
示教再現或微型計算機 |
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動作程序容量 |
動作程序少 |
動作程序可較多 |
動作程序一般為16步，卡擴展32步或更多 |
動作程序較多，通常為200步，可擴展更多 |
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控制的參數 |
1） 動作程序
2） 動作到達的位置或時間
3） 夾放工件信息
4） 聯鎖信息
這些信息固定于線路之中不能任意變動 |
1） 動作程序
2） 動作到達的位置
3） 時間信息
4） 工件夾放信息
5） 聯鎖信息
6） 程序終了信息，著些信息可以任意編排 |
1） 動作程序
2） 動作應到達的位置
3） 工件夾放信息
4） 時間信息
5） 聯鎖信息
6） 運動速度信息
7） 定位精度信息
8） 程序終了信息。編排程序順序范圍大，可設置各種傳感器 |
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制造與維護 |
制造簡單，維護方便、體積較大 |
制造簡單，維護方便，體積小 |
一般由專業(yè)廠生產供應，需具有一定專業(yè)知識人員維護 |
線路復雜，制造、調整均較困難，需專業(yè)人員維護 |
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使用的行程檢測單元 |
行程開關，機械擋鐵 |
行程開關，機械擋鐵 |
行程開關，電位器 |
行程開關，旋轉變壓器，數碼器，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 |
用于動作少，速度低的專用機械手 |
用于速度快，節(jié)拍短的專用機械手 |
適用一般工業(yè)機器人 |
動作多，程序復雜的高級工業(yè)機器人使用 |
固定式機器人的本體是固定的，它只能進行臂部可活動范圍內的輸送作業(yè)。所以它作為柔性制造單元內部的搬運設備被廣泛應用，雖然在輸送距離上受到限制，但是，如果能自動更換手部，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。
固定式機器人可分成服務于多臺機床式和服務于固定機床式兩種。圖50-72所示是采用一臺機器人把工件供給數臺機床的示例，著種柔性制造單元是以機器人為核心的系統(tǒng)結構。各臺機床的工件裝卸位置分布在機器人的可活動范圍內，機器人按控制成粗實現各臺機床的工件裝卸及傳遞。
固定機床式是機器人服務于某一臺機床，圖50-73所示的是將小型機器人組裝在機床內，機器人采用圓柱面坐標或球面坐標形式，它具有搬運及裝卸工件所需的最低限度的運動自由度，實現工件的上下料及機床各工位間的零件搬運。
3. 行走式機器人
行走式機器人即移動式機器人，普通自動裝卸機處理工件功能的柔性較小，但隨著對這些功能柔性要求的提高，將自動裝卸機處理工件的功能轉變?yōu)闄C器人的臂和手的形態(tài)，就形成了行走式機器人。圖50-74是行走式機器人的例子。采用了機器人與傳送機及運輸小車的組合輸送方式。
如果將單軌改為兩條導軌，則成為橋式起重機，或龍門式起重機，在柔性制造系統(tǒng)中也使用以這些起重機為基礎的行走式機器人，圖50-75所示的是德國柏林工業(yè)大學使用龍門行走式機器人的柔性制造單元，它的手部位可自動交換，不僅對工件，而且對刀具、量規(guī)和夾具進行搬運與操作處理。這種龍門行走式機器人結構堅固，可實現高精度定位。
若在柔性制造系統(tǒng)中采用多于一臺機器人時，應對其劃分區(qū)域以免相互碰撞。
