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工业机器人组合式模块化结构设计研究风口

时间:2023年01月11日

工业机器人组合式模块化结构设计研究

工业机器人组合式模块化结构设计研究 2011: 引言工业机器人自20世纪60年代问世以来,其研究和开发在工业发达国家中一直备受青睐。尽管各国对机器人的定义不尽相同,但都有可编程、拟人化、通用性等特点,是一种融机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制技术等多学科为一体的高新技术产品。随着相关支撑学科的长远发展,工业机器人的研究和开发正突飞猛进,其应用领域进一步扩大。我国机器人技术的研究工作起步较晚,虽已取得较大进展,但较之发达国家的水平仍有较大距离,应积极探索适合我国国情的工业机器人应用思路,开发低成本、高性价的实用型工业机器人。1组合式工业机器人设计思路目前机器人技术领域的研究工作从智能化程度来区分,主要分2个方向:一是全功能通用机器人的研究,追求高智能化,即在计算机控制下的视、触、听、嗅觉与肢体动作协调一致、高度拟人化的机器人;二是不过于强调机器人的智能化,提供价格和性能都能令人满意的简易型机器人。根据我国的实际情况,我们认为工业机器人技术开发的思路应从以下几个方面进行考虑:(1)实用性。应能开发出市场急需的、功能实用的、满足用户要求的机器人。为此,应强调功能实用性,不片面追求所谓的高科技和全面先进性,先进并不等于实用。(2)快速性。能够在尽可能短的时间内实现机器人产品的快速制造,快速投放市场和发往用户。(3)高质量。能够生产出品质优良的机器人产品,机器人配置中关键部件必要时可采用进口产品,只有质量好的机器人产品才能赢得用户。(4)低价格。价格往往是用户购置机器人时考虑的首要因素。机器人开发应尽可能选用标准件、通用件,减少自制件,控制成本,能够向市场提供价格低廉的机器人产品。(5)模块化。采用模块化的设计理念和配置组合、系统集成的制造思路。综上所述,工业机器人设计总体技术原理是:在成组技术指导下,针对多品种小批量生产的特点,面对生产线上的机台和单元间的物品移置的工艺要求或是装配、喷涂等作业的工艺要求,利用模块化设计手段,选择品质优良的控制模块以及执行模块,按一定的坐标体系进行集成,实现工业机器人的快速制造。其明显的优点在于:(1)简化了结构,兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性。便于实现标准化、系列化和组织专业生产。(2)缩短了研制周期。能适应工厂用户的急需,在尽可能短的时间内,快速制造出功能实用的满足用户要求的机器人产品。(3)提高了性能价格比。采用优质功能部件集成的方式,有利于保证机器人的质量和降低成本。(4)具备了充分的柔性。以具备高可靠性的工控机为核心,控制模块和伺服模块可根据机器人及相应周边设备的工作要求,综合运用步进驱动技术、交流伺服控制技术、微机气动控制技术及变频技术等,为机器人提供了充分的柔性。2工业机器人组合式模块化结构设计2.1工业机器人结构配置方式及分析图l列出了几种常规的工业机器人配置方式,按不同的坐标进行配置可归纳为以下几种:直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型(scARA型)‘11等。无疑,这些配置方式都是经过实践证明为经济可行的方式,也是组合式模块化工业机器人坐标配置方式设计时所要借鉴和参照的方式。通过对常用配置方式(常规坐标型)的机器人的运动分析可看到以下两点:(1)基本动作可分解为体升降、臂伸缩、体旋转、臂旋转、腕旋转等;(2)基本运动形式可分为直线运动和旋转运动两类。这启发我们在设计机器人时,可充分利用能够实现直线运动和旋转运动的通用部件(气、液、电等)来进行功能组合,也就是说可以将经过合适选择的通用部件作为模块来进行集成。这些部件可以作为一个独立的基本模块,也可以将几个部件组合为一个复合模块。显然,配置方式应根据产品最终实现的功能要求来确定,同样,模块的分解也是基于产品应满足的功能要求下的模块分解。

(a)直角坐标型 (b)圆柱坐标型 (c)球坐标型 (d)关节坐标型 (e)平面关节型图1工业机器人常规配置方式

2.2工业机器人组合式模块化结构设计对所要设计的工业机器人进行功能分析,划分并设计出一系列通用的功能模块,并对这些模块进行选择和组合配置,就可以构成不同功能,或功能相近但性能不同、价格不同的机器人产品。可见,在工业机器人设计中,采用组合式、模块化设计思路可以很好地解决产品品种、规格与设计制造周期和生产成本之间的矛盾。工业机器人的组合式模块化设计也为机器人产品快速更新换代、提高产品质量、方便维修、增强竞争力提供了条件。随着敏捷制造时代的到来,模块化设计会越来越显示出其独到的优越性。工业机器人的组合式模块化设计过程见图2所示,图3列出了初步设计的工业机器人模块编码结构示意。

图2 工业机器人组合式模块化设计过程

2.3功能模块的整体集成2.3.1以功能模块有机集成为前提的模块组合在对各功能模块分解的基础上,再将各功能模块有机集成到一个系统中去,完成功能模块的整体集成,最终形成组合式工业机器人系统。从系统工程角度研究其集成,可见集成的组合式工业机器人系统具有以下属性:(1)集合性。组合式工业机器人系统是由两个以上具有独立特性的模块所构成。(2)相关性。构成系统的模块之间具有相互联系,这意味着其中的一个模块发生变化,都会对其他模块产生影响,因此,要研究各模块的影响范围、影响方式和影响程度。(3)整体性。组合式工业机器人系统应是一个有机的整体,对内呈现各模块间的最优组合,使信息流畅、反馈敏捷,对外则呈现出整体特性,要研究系统内各模块发生变化时对整体特性的影响。(4)目的性。组合式工业机器人系统是为实现特定的目的而存在,具有一定的功能。集成并不是简单地将各组成模块联接起来,而是模块间的有机组合。(5)环境适应性。一般情况下,系统与外部环境之间总有能量交换、物质交换和信息交换。环境对系统的作用为输入,系统对环境的作用为输出。作为移置机台或物品的组合式工业机器人,物品对系统的作用为输入,系统对物品的作用为输出。这样的机器人其工作特性不应受环境的影响,能在环境对系统的输入发生变化时,通过调节系统的有关参数,始终使系统处于最佳运行状态,实现对相似机台或物品的移置。2.3.2执行模块的概念一个用作实现直线运动或是旋转运动的部件,要成其为“执行模块”,一般情况下必须具备以下基本功能:(1)在伺服模块传送的“物质流”驱动下实现动作。(2)以“信息流”方式反映部件自身的位置(速度、压力)状态。具备以上功能,部件才能作为“执行模块”直接参与集成。2.3.3控制模块和伺服模块的研究工业机器入组合式模块化结构设计时是由控制模块、伺服模块、执行模块和传感器有机地结合起来,以实现整体功能的集成。这里的集成,并不是简单地将各组成部分叠加,而是在控制模块控制下,采用数据接口的方式,以实现各独立模块间的数据交换下的有机组合。其集成不仅是机械结构按一定坐标体系集成,更是控制模块、伺服模块与执行模块间的有机集成。只有这样,形成的整体才称其为组合式模块化工业机器人系统。图4所示为工业机器人组合式模块化设计系统集成框图。

图4 工业机器人组合式模块化设计系统集成框图

3工业机器人组合式模块化结构设计样机根据上述思路,将功能模块进行分解。参照机器人常用坐标配置方式,研制的电子气动工业机器人样机如图5所示,它是综合了图1中圆柱坐标型和球坐标型配置方式的一种新的配置方式,称为机座坐标下的混合坐标型配置方式。能实现5个自由度,分别为体旋转、体升降、臂旋转、臂伸缩、腕旋转,其中体旋转、臂旋转自由度由步进电机驱动,体升降、臂伸缩、腕旋转自由度由气动执行件驱动,机器人的末端执行器手爪采用气动夹持气缸实现。所完成的电子气动工业机器人样机控制系统采用PLC,并通过人机界面(触摸屏)进行操作,具有可编程、易操作等特点。所设计的电子气动工业机器人在成组技术理论指导下,面对单元内相似件可适当调整参数或快速更换样机中某些可换件,实现对单元内各相似物品的移置。与专用机器人相比具有柔性强、适应面宽等特点;与全功能通用机器人相比,具有成本低、性价比高、设计制造周期短等优点。 4结论及展望综合以上分析可知:将一个复杂的系统进行分解(或解“耦”),拆分成若干个独立的模块,即将各种互相耦合在一起的因素分开,将多因素控制降阶为单元素控制,是一种分解过程,也是一种创造过程,这是工业机器人采用组合式模块化结构设计的一个关键步骤。而将分解的模块再经过优化组合(或“耦合”),特别是通过控制模块、伺服模块和执行模块的耦合,最终有机集成为一个系统,这又是一个关键步骤。显然,集成也是一种创造过程。工业机器人的组合式模块化结构设计研究正是基于模块基础上的有机集成(耦合)和集成基础上的模块分解(解耦)。在此研究基础上,开发了用于轿车中立柱喷胶的气动机器人,与国外引进可用于喷胶的机器人相比,具有优越的性价比。投入生产后,在稳定产品质量、减少环境污染、减轻工人劳动强度等方面取得了明显的效益。

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