工业机器人基础指南：原理与系统集成

工业机器人基础知识什么是机器人？什么是机器人技术？

虽然机器人和机器人密切相关，但这两个术语指的是不同的东西。根据《大英百科全书》，机器人是自行操作的机器，可以接管原本由人类完成的工作，通常是单调或危险的任务。另一方面，机器人是专门研究机器人的工程领域。机器人工程师参与机器人的设计、构建和操作，包括他们如何与其他技术连接并完成或帮助完成任务。

什么是工业机器人？

工业制造机器人具有一套独特的功能，使它们能够在工业环境中运行，同时也将它们与其他专业机器人区分开来。由传感器和计算机软件触发的复杂机械手势网络使工业机器人能够执行广泛的任务：点焊和电弧焊、拾取和夹紧活动、加工夹紧以及零件的转移和操纵都是工业机器人的常见应用。

4种工业机器人

根据应用和规格，有不同类型的工业机器人可能适用，以及不同的机器人配置。常用的工业机器人有几种基本类型：非伺服机器人、伺服机器人、可编程机器人和计算机可编程机器人。

• 非伺服机器人主要用于移动和放置物体;它可以拾取一个物体，运输物体并将其放下。
• 由于机械手和效应器的存在，伺服机器人具有更广泛的功能，机器人附属物充当机器人的手臂和手，赋予其更大的灵活性和更大的运动。
• 可编程机器人可以将命令存储在数据库中，这意味着它可以重复预定次数的任务。
• 计算机可编程机器人本质上是一种伺服机器人，可以通过计算机进行远程控制。

5种类型的工业机器人配置

在机器人运动能力方面，有几种常见的机器人配置：垂直铰接、笛卡尔、SCARA、圆柱形、极性和三角形。

垂直铰接

垂直铰接配置，也称为铰接臂，涉及通过扭曲关节将机器人的关节臂连接到机器人。由于手臂中的每个环节都通过旋转关节连接，因此机械臂看起来是关节的。

笛卡尔

笛卡尔配置，也称为直线，可以沿三个轴（x、y 和 z）移动;因此，工作区是方形的。这种配置中的臂连杆通过线性接头连接。

SCARA（选择性顺应装配机器人手臂）

这种类型的配置具有两个水平接头和一个圆柱形工作区。它不适用于在多个平面上工作，而是在一个平面内精确工作。

圆柱

与SCARA一样，这种配置还具有圆柱形工作区。然而，机械臂通过底部的一个关节连接，线性关节连接手臂的连杆。

极性

在极性配置中，机械臂通过扭曲接头连接到底座。臂的连杆通过旋转和线性接头的组合连接。工作区呈球形。

工业机器人原理

专为工业应用设计的机器人可以根据其操作模式、控制系统、安装的工具或交互机构以及手臂几何形状进行表征。这些机器用于广泛的制造目的，并在工业系统自动化中发挥着重要作用。通常，工业机器人通过有限或无限的顺序控制进行编程，这决定了与外部物体相互作用的机器人机构（例如工具或夹持器）所采用的运动路径。机器人控制也可以是基于伺服的，依靠闭环提供反馈并实现无限的顺序控制，或者非伺服，具有不提供反馈并依赖于有限序列运动的开环控制。

工业机器人系统有可能处理比标准自动机械更广泛的任务，即使机器可以配备多种工具配置。但是，尽管它们可以用作多功能设备，但大多数工业机器人旨在专门用于特定任务，例如组装，装载，喷漆或焊接。许多机器人可用于执行与其专业领域类似的应用，但给定项目中的运营效率通常取决于单元的大小、尺寸、重量、范围、速度、运动可重复性、负载能力和运营成本等因素。

为机器人系统提供动力

电动机、液压驱动器和气动执行器是用于为工业机器人提供动力的最常见机构。电动机具有高效的电源和相对简单的设计特性，使其成为性价比方面更受欢迎的选择之一。液压驱动器往往更强大，使机器人具有超过500磅的负载能力，并且可以有效地处理挥发性气体或有害物质，这些气体或有害物质存在电动机爆炸或火灾的风险。然而，液压驱动器更容易出现维护问题并存在漏油的风险，这可能会在封闭空间中产生火灾隐患。液压机器人系统也不太适合在靠近人员的受控环境中进行室内工作。气动执行器通常用于为与外部物体相互作用的机构提供动力，例如安装在电动机器人手臂末端的夹具。一对气动执行器协同工作，为单个抓手提供动力，使其能够沿多个轴移动。

运动轴

运动范围是机器人系统能力的重要决定因素，通常通过“自由度”（DOF）来衡量，自由度是指机器人手臂能够穿越的轴数。标准的有限序列机器人通常可以沿两个或三个轴移动，而其机械臂可以执行肩部旋转、手臂扫动或肘部伸展。相比之下，无限序列机器可以沿更多轴执行更复杂的运动，包括俯仰、偏航和滚动。具有复杂运动能力的典型重型机器人，例如RobotWorx描述的机器人，可能有多达六个主轴，每个轴向运动由电动机提供动力。

控制台

机器人系统控制台通常包含一台数字计算机，该计算机具有运行自动化任务所需的操作系统和应用软件。系统操作员可以通过控制台上的按钮阵列对机器人运动进行编程或控制，从而对编程序列进行一定程度的手动控制。在系统设置过程中，对编程进行了仔细调整，以确保机器人在操作时不会与任何周围物体发生碰撞。

工业机器人还可以配备手持控制箱，通过电缆连接到计算机化的控制台。这些盒子通常具有自己的按钮阵列以及图形显示界面，以提高易用性。此外，合格的操作员有时可以使用手持控制箱通过手动引导机器人单元完成分配的任务来训练机器人单元。当机器人完成沿轴的每个运动时，它将运动序列存储在其内存中，并根据命令重复例程。

安装选项

虽然较大的机器人系统往往是落地式的，但一些变体被设计为垂直、倒置或倾斜安装，以提高工作空间内的可达性。这些安装方法为某些应用提供了优势。例如，垂直安装的单元可以通过导轨连接到结构框架上，使其在进行长焊接或喷漆大型物体时移动预定距离。一些机器人也可以放置在墙上的固定位置或安装以实现角度运动。

机器人系统集成

要创建一个有效的集成机器人系统，有三个普遍的问题需要解决：复杂性、价格和性能。最终目标是以最低的价格创建一个具有最佳性能的系统，而无需诉诸过于复杂的解决方案。换句话说，系统应充分利用现代技术来尽可能简化系统，但不影响性能或价格。

在复杂性、价格和性能之间实现平衡通常涉及在通用组件和特定组件之间进行选择。通用组件可以减少生产中涉及的整体工作，并具有可重用的额外好处。如果使用同一家公司制造的通用组件，则好处会增加，因为机器之间的兼容性不是问题。专用组件可以进一步收紧系统，但从长远来看，可能需要更大的前期投资才能获得更大的成本效益。

除了组件选择之外，还有其他方法可以最大限度地提高自动化系统的整体性能。将一系列基本的机器人组件组合在一起以实现更高的功能是创建任何自动化系统的核心，但大部分集成取决于与机器性能相关的任务复杂性。为了限制系统的整体复杂程度，仅连接给定任务所需的组件会从基本组件创建高级系统，并最大程度地减少不必要的成本。

有许多种软件可以帮助创建集成系统，因此评估可用程序是规划过程中必不可少的步骤。但是，软件选择会因硬件组件而异，因此仔细检查设计的集成系统和组件将有助于做出此决定。

来源

• 关于工业机器人 (thomasnet.com)
• https://www.pftechnologies.com/benefits-of-robotics-and-automation/
• https://www.amdmachines.com/automated-solutions/
• https://tpcpack.com/packaging-equipment/automation-robotics/