作者：张爱红
出版社：电子工业出版社
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工业机器人应用与编程技术试读：
前言
目前，中国制造正面临着向高端转变，承接国际先进制造，参与国际分工的巨大挑战，而工业机器人技术正是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段与途径。与此同时，人力成本的逐年上升也将刺激制造业对机器人的需求，因此“机器换人”已是大势所趋。作为中国先进制造业代表的江苏、上海、广东等地，这一趋势尤为明显。无锡职业技术学院适应了这一发展趋势，于2013年设置了工业机器人技术专业，并开设了“工业机器人应用与编程”等专业课程，2014年开始着手编写“工业机器人应用与编程技术”教材。
本书着重培养学生典型工业机器人的操作与编程能力。通过本书的学习，使学生掌握一般工业机器人的硬件组成、坐标系统、示教编程、数据保护等内容，使学生掌握以安川（YASKAWA）等为代表的典型工业机器人的操作与编程等基本知识与基本技能，同时为提高学生的全面素质、提升综合职业能力打下基础。
本教材内容的选取符合学生的认知规律，并体现了能力递进的特点，适合不同基础与层次的学生学习。在介绍了工业机器人基本概念、机械结构、坐标系统等知识的基础上，重点以安川（YASKAWA NX100）MOTOMAN工业机器人为例，介绍工业机器人的硬件组成、技术参数、坐标系统、系统设置、示教编程、应用案例等内容，除此以外，还介绍了工业机器人虚拟仿真软件（MotoSimEG）的使用方法。
本书由无锡职业技术学院张爱红教授编写，在全书编写过程中参考了有关文献资料，详见参考文献，主要包括安川工业机器人英文版说明书，同时融入了编者多年来对工业机器人研究与教学实践的心得与体会。本书编者对参考文献中的各位作者深表谢意。编著者2015年7月
第一章 工业机器人基本概念
机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息与传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术。工业机器人本身是一种典型的机电一体化系统。各种生产过程的机械化和自动化是现代生产技术发展的总趋势，随着技术的进步和经济的发展，为适应产品多品种、小批量生产，作为现代新水平的柔性制造系统FMS和工厂自动化FA技术重要组成部分的工业机器人技术得到了迅速发展，并在世界范围内很快形成了机器人产业。
本章将主要介绍工业机器人的定义、发展及工业机器人的组成与分类等。
第一节 工业机器人的定义与发展
一、工业机器人的定义
国际上，关于工业机器人的定义主要有美国机器人协会、英国机器人协会、日本工业机器人协会以及我国国家标准等几种定义，国际标准化组织（ISO）基本上采纳了美国机器人协会的定义，即：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作手，用以搬运材料、零件、工具或者是一种为了完成不同操作任务，可以有多种程序流程的专门系统。
日本工业机器人协会（JIRA）将工业机器人定义成：一种装备有记忆装置和末端执行器，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。
英国机器人协会（BRA）的定义是：一种可重复编程的装置，用以加工和搬运零件、工具或特殊加工器具，通过可变的程序流程以完成特定的加工任务。
我国国家标准GB/T12643—1997将工业机器人定义为：一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机，能搬运材料、零件或操作工具，用以完成各种作业。而操作机定义为：具有和人手臂类似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的装置。
综合以上定义，工业机器人是一种机械装置，可以搬运材料、零件、工具或者完成多种操作和动作功能，具有通用性；工业机器人可以再编程，具有独立的柔性；工业机器人还具有一套自动控制系统，可以在无人参与下，自动地完成操作作业和动作功能。
二、工业机器人的发展
工业机器人的发展可分为三代。
第一代工业机器人：通常指目前国际上商品化和实用化的“示教-再现型工业机器人”。所谓示教，也就是为了让工业机器人完成某项工作前，先由操作人员将完成该项工作所需的各种信息，包括：运动的轨迹、中间作业位置、作业条件与作业时间等，通过控制盒等，对工业机器人预先进行引导操作与编程，简称“示教”，工业机器人将这些知识记忆下来后，即可根据示教程序，在一定精度范围内忠实地重复，即“再现”各种被示教的动作。20世纪60年代美国万能自动化公司的第一台Unimate工业机器人在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代工业机器人的诞生。
进入20世纪80年代，随着传感技术，包括视觉、力觉、触觉、接近觉等传感器以及信息处理技术的发展，出现了第二代工业机器人，与第一代工业机器人相比，第二代工业机器人能够获得作业环境和作业对象的部分有关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。1982年美国通用汽车公司在装配线上为工业机器人装配了视觉系统，标志着第二代工业机器人进入了使用阶段。
第三代工业机器人是智能机器人，它不仅具有比第二代工业机器人更加完善的环境感知能力，而且还具有逻辑思维、判断和决策能力，可根据任务要求和环境信息自主地进行工作。由于这类工业机器人带有多种传感器，使机器人可以知道自身和外部的状态。机器人根据采集到的信息进行逻辑推理、判断、决策，并自主决定自身的行为。这类机器人具有高度适应性和自治能力。这一代工业机器人目前仍处于研究阶段。
第二节 工业机器人的组成与分类
一、工业机器人的组成
工业机器人一般由以下部分组成，如图1-1所示。
1.机械系统
机械系统又称操作机或执行系统。工业机器人的机械系统由机身、臂部、腕部、末端执行器等组成。机身是工业机器人用来支撑手臂部件，并安装驱动装置及其他装置的部件。臂部是工业机器人用来支撑腕部和手部，实现较大运动范围的部件，关节机器人的臂部一般分为上臂和下臂。腕部是用来连接工业机器人的手部和臂部，确定手部工作位置并扩大臂部动作范围的部件。末端执行器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是两手指或多手指的手爪，也可以是喷枪、焊枪等作业工具。图1-1 工业机器人的基本组成
2.控制系统
控制系统是工业机器人的指挥系统，它控制驱动系统，让机械系统按照规定的要求进行工作。按照运动轨迹，可以分为点位控制系统和轨迹控制系统；按照控制原理可以分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统；按照有无信息反馈，可以分为开环控制系统和闭环控制系统。
3.驱动系统
工业机器人的驱动系统是向机械系统的各个运动部件提供动力的装置。根据驱动器的不同，可分为电驱动系统、液压驱动系统和气压驱动系统。驱动系统中的电动机、液压缸、汽缸可以与操作机直接相连，也可以通过齿轮传动、链传动、谐波齿轮传动、螺旋传动、带传动装置等与执行机构相连。
4.传感系统
为了使工业机器人正常工作，必须与周围环境保持密切联系，除了关节伺服驱动系统的内部位置传感器外，还要配置视觉、触觉等外部传感器以及传感信号的采集处理系统。
5.人机交互系统
人机交互系统是使操作人员参与机器人控制与机器人进行联系的装置。例如：计算机的标准终端，指令控制台，信息显示板，示教盒等。主要有两类：指令给定装置和信息显示装置。
6.机器人-环境交互系统
工业机器人-环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中设备相互联系和协调的系统。工业机器人可与外部设备集成为一个功能单元，例如加工制造单元，焊接单元，装配单元等。为了与周围设备集成，工业机器人内部PLC可以与外部设备联系，完成与外部设备间的逻辑与顺序控制。工业机器人一般还有串行与网络通信接口等，以完成数据存储、远程控制以及离线编程等工作。
二、工业机器人的关节
工业机器人的机身、臂部、手腕和末端执行器之间是通过关节顺序相串联而成的。可以将上述部件看成连杆件，关节则决定两相邻连杆副之间的连接关系，也称运动副。工业机器人最常用的两种关节是移动关节（P关节）和回转关节（R关节），见表1-1。表1-1 典型关节种类及其图形符号
三、工业机器人的分类
1.按操作机坐标形式分类
操作机的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。依据坐标形式的不同工业机器人可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、多关节型、平面关节型。（1）直角坐标型工业机器人
这类机器人手部空间位置的改变通过沿三个相互垂直的轴线移动来实现，如图1-2所示，其工作空间为长方体。该类机器人位置控制精度高，控制无耦合、结构简单，但是所占空间体积较大、动作范围小、灵活性差，难于其他工业机器人协调工作。（2）圆柱坐标型工业机器人
如图1-3所示，圆柱坐标型工业机器人手部空间位置的改变是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的。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，难与其他工业机器人协调工作。图1-2 直角坐标型工业机器人图1-3 圆柱坐标型工业机器人（3）球坐标型工业机器人
这类机器人的手臂运动由两个转动和一个直线移动组成，如图1-4所示，其工作空间为一球体。它可以做上下俯仰动作并能抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，能与其他工业机器人协调工作。其位置精度尚可，位置误差与臂长成正比。图1-4 球坐标型工业机器人（4）垂直关节坐标型工业机器人
垂直关节坐标型工业机器人主要由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂与小臂间形成肘关节，如图1-5所示。其结构最紧凑、灵活性大、占地面积最小、工作空间最大，能与其他工业机器人协调工作，但其位置精度较低，有平衡与控制耦合等问题。该类工业机器人的应用最为广泛。图1-5 关节坐标型工业机器人（5）平面关节坐标型工业机器人
平面关节坐标型工业机器人又称SCARA 型工业机器人（Selective Compliance Assembly Robot Arm），其有3个转动关节，轴线相互平行，可在平面内进行定位和定向（图1-6）。另外还有一个移动关节，用于完成手爪在垂直于平面方向上的运动。手腕中心的位置由两个转动关节的角度θ和θ及移动关节的位移z决定，手爪的12方向由转动关节的角度θ决定。该类机器人的特点是在垂直平面内具3有很好的刚度，在水平面内具有较好的柔顺性，且动作灵活、速度快、定位精度高。SCARA型工业机器人最适宜于平面定位，以及在垂直方向上进行装配，所以又称装配机器人。图1-6 SCARA型工业机器人
2.按控制方式分类（1）点位控制工业机器人
采用点位控制方式，只在目标点处准确控制工业机器人手部的位姿，完成预定的操作要求，而不对点与点之间的运动过程进行严格的控制。目前部分工业机器人是点位控制的。（2）连续轨迹控制工业机器人
工业机器人的各关节同时做受控运动，准确控制工业机器人手部按预定轨迹和速度运动，而手部的姿态也可以通过腕关节的运动得以控制。弧焊、喷漆和检测等机器人均属于连续轨迹控制方式。
3.按驱动方式分类（1）电动式工业机器人
电动式工业机器人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，也因为可以运用多种灵活的控制方法。早期采用步进电动机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，目前以交流伺服驱动单元的应用为主。这些驱动单元可以直接驱动操作机，也可以通过谐波减速器等装置来减速后驱动，结构简单紧凑。（2）气压驱动式工业机器人
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2性，导致工作速度的稳定性较差，又因气源压力一般只有6kgf/cm左右，所以这类工业机器人抓取力较小。（3）液压驱动式工业机器人2
由于液压压力比气压压力高得多，一般在70kgf/cm左右，故液压传动工业机器人具有较大的抓举能力。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。
四、工业机器人的主要技术参数
工业机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作，具有最高操作性能等情况，是选择、设计、应用机器人所必须考虑的问题。工业机器人的主要技术参数包括：自由度、分辨率、精度、重复定位精度、工作范围、最大工作速度及承载能力等。
1.自由度
自由度是指工业机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，以腕部为例一般具有三自由度（图1-7），即偏转、俯仰与翻转，不包括手爪的开合自由度。操作机的自由度多，机构运动的灵活性大，通用性强，但机构的结构也更复杂，刚性变差。
机器人的自由度多于为完成生产任务所必需的自由度时，多余的自由度称为冗余自由度。设置冗余自由度可以增加机器人的灵活性，躲避障碍物和改善运动性能。在进行运动逆解时，使各关节的运动具有优选的条件。工业机器人一般多为4～6个自由度。例如，安川HP-20机器人具有6个自由度，可以进行复杂的空间曲线运动作业。图1-7 工业机器人三自由度腕部
2.分辨率
工业机器人的分辨率由系统设计检测参数决定，并受到位置反馈检测单元性能的影响。机器人分辨率分为编程分辨率与控制分辨率，统称系统分辨率。
编程分辨率是指程序中可以设定的最小距离单位，又称基准分辨率。例如：当电机旋转0.1°（最小驱动单位），机器人手臂尖端点移动的直线距离为0.01mm时，其基准分辨率为0.01mm。
控制分辨率是位置反馈回路能够检测到的最小位移量。例如：若每转1000个脉冲的增量式编码器与电动机同轴安装，则电动机每旋转0.36°，编码器就发出一个脉冲，0.36°以下的角度变化无法检测，该系统的控制分辨率为0.36°。显然，当编程分辨率与控制分辨率相等时，系统性能达到最高。
3.精度
工业机器人的精度主要受机械误差、控制算法误差与分辨率系统误差的影响。
机械误差主要产生于传动误差、关节间隙与连杆机构的挠性。传动误差由轮齿误差、螺距误差等所引起。关节间隙是由关节处的轴承间隙、谐波齿隙等引起的。连杆机构的挠性随机器人位形、负载的变化而变化。
控制算法误差主要指算法能否得到直接解和算法在计算机内的运算字长所造成的比特（bit，位）误差。对于控制系统的设计者，由于计算机运算精度提高，与机构误差相比控制算法误差可以忽略不计。
分辨率系统误差可取基准分辨率。机器人的精度可以认为是基准分辨率与机械误差之和。如果能够做到使机构的综合误差达到基准分辨率，则精度等于分辨率。但是目前除纳米领域的机构以外，工业机器人尚难以实现这一点。
4.重复定位精度
重复定位精度是关于精度的统计。任何一台机器人即使在同一环境、同一条件、同一动作、同一命令之下，每一次动作的位置也不可能完全一致。如图1-8所示，重复定位精度是指各次不同位置平均值的偏差。若重复定位精度为±0.2mm，则指所有的动作位置停止点均在中心的左右0.2mm以内。在测试机器人的重复定位精度时，不同速度、不同方位下，反复试验次数越多，重复定位精度的评价就越准确。图1-8 精度与重复定位精度
因重复定位精度不受工作载荷变化的影响，故通常用重复定位精度指标作为衡量“示教-再现”方式工业机器人水平的重要指标。
5.工作范围
工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫做工作区域。由于末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，一般工作范围是指不安装末端执行器时的工作区域。
工作范围的形状和大小是十分重要的，机器人在执行某作业时可能会因为存在手部不能到达的作业死区而不能完成任务。
6.最大工作速度
不同厂家对最大工作速度规定的内容不尽相同，有的厂家定义为工业机器人主要自由度上最大的稳定速度，有的厂家定义为手臂末端最大的合成速度，一般在技术参数中加以说明。显而易见，机器人工作速度越高，工作效率也越高。但是工作速度越高就要花费更多的时间去升速或降速，或者对工业机器人最大加速度变化率及最大减速度变化率的要求更高。
7.承载能力
承载能力是指工业机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。承载能力不仅取决于负载的质量，也与工业机器人运行速度和加速度的大小、方向有关。为安全起见，承载能力技术指标是指高速运行时的运行能力。通常承载能力不仅指负载质量，也包括机器人末端执行器的质量。
习题一
1.1 简述工业机器人的定义。
1.2 分别说明三代工业机器人的特点。
1.3 一般工业机器人由哪几个组成部分?
1.4 按操作机坐标形式的不同，工业机器人可以分为哪几种?
1.5 按控制方式的不同，工业机器人可以分为哪几种?
1.6 按驱动方式不同，工业机器人可以分为哪几种?
1.7 工业机器人的主要技术参数有哪些?具体内涵是什么?
第二章 工业机器人的机械结构
工业机器人操作机由机身（机座、立柱）、手臂、手腕和手部等部分组成，如图2-1所示。图2-1 工业机器人操作机
一般用运动自由度来表示工业机器人动作的灵活程度，也就是确定操作机位置时所需要的独立运动参数的数目。对于只进行二维平面作业的工业机器人只需要三个自由度，若要使操作具有随意的空间位置与姿态，工业机器人至少需要六个自由度。而对于回避障碍作业的工业机器人则需要有比六个自由度更多的冗余自由度。工业机器人常采用回转副或移动副来实现各个自由度。
第一节 工业机器人的手臂与手腕
一、工业机器人的手臂
手臂是操作机中的主要运动部件，它用来支承手腕和手部，并用来调整手部在空间的位置。手臂一般有三个自由度，即手臂的伸缩、回转和升降（或俯仰）运动。
手臂的直线运动可通过液压缸或汽缸驱动来实现，也可以通过齿轮齿条、滚珠丝杠、直线电动机等来实现。回转运动的实现方法很多，例如蜗轮蜗杆式、齿轮齿条式、链轮链条式，以及谐波齿轮传动装置等。
手臂不仅承受被抓取工件的重量，还承受末端执行器、手腕和手臂自身重量。
图2-2所示为PUMA型工业机器人的手臂传动机构。其大、小臂是用高强度铝合金材料制成的薄臂框形结构，各运动都采用齿轮传动。驱动大臂的传动机构如图2-2（a）所示，大臂1的驱动电动机7安置在臂的后端，兼起配重平衡作用，运动经电动机轴上的小锥齿轮6、大锥齿轮5和一对圆柱齿轮2、3驱动大臂轴转动。驱动小臂17的传动机构如图2-2（b）所示，驱动装置安装于大臂10的框形臂架，驱动电动机11也置于大臂后端，经驱动轴12，锥齿轮9、8，圆柱齿轮14、15，驱动小臂轴转动。回转机座的回转运动则由伺服电动机24经齿轮23、22、21和19驱动，如图2-2（c）所示。图中偏心套4、13、16及20用来调整齿轮传动间隙。图2-2 PUMA机器人手臂传动机构
二、工业机器人的手腕
1.腕部的作用
工业机器人手腕是手臂和手部的连接部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。机器人一般具有六个自由度才能使手部达到目标位置和处于期望的姿态，手腕上的自由度主要实现所期望的姿态。
2.手腕的自由度
为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的转动，即具有翻转、俯仰和偏转三个自由度，如图2-3所示。通常把手腕的翻转称为Roll，用R表示；把手腕的俯仰称为Pitch，用P表示；把手腕的偏转称为Yaw，用Y表示。图2-3（d）所示手腕即可实现RPY运动。图2-3 工业机器人手腕的自由度
手腕按自由度数目可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕等。（1）单自由度手腕
单自由度手腕如图2-4所示。其中，图2-4（a）所示为一种回转（roll）关节，它使手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴线形式，这种R关节旋转角度大，可达360°以上；图2-4（b）、图2-4（c）所示为一种弯曲（bend）关节，也称B关节，关节轴线与前、后两个连接件的轴线相垂直。这种B关节因为受到结构上的干涉，旋转角度小，方向角大大受限。图2-4（d）所示为移动（translate）关节，也称T关节。图2-4 单自由度手腕（2）二自由度手腕
二自由度手腕如图2-5所示。二自由度手腕可以是由一个R关节和一个B关节组成的BR手腕[图2-5（a）]，也可以是由两个B关节组成的BB手腕[图2-5（b）]。但是不能由两个RR关节组成RR手腕，因为两个R关节共轴线，所以退化了一个自由度，实际只构成单自由度手腕[图2-5（c）]。二自由度手腕中最常用的是BR手腕。图2-5 二自由度手腕（3）三自由度手腕
三自由度手腕可以是由B关节和R关节组成的多种形式的手腕，但在实际应用中，常用的有BBR、RRR、BRR和RBR四种，如图2-6所示。PUMA 262机器人的手腕采用的是RRR结构形式，安川HP20机器人的手腕采用的是RBR结构形式（图2-7）。图2-6 三自由度手腕图2-7 安川HP20工业机器人腕部结构形式（RBR）
第二节 工业机器人的手部
工业机器人的手部也称末端执行器，它是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。对于整个工业机器人来说手部是完成作业好坏、作业柔性优劣的关键部件之一。工业机器人的手部可以像人手那样具有手指，也可以是不具备手指的手；可以是类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，例如装在机器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。
一、机械手爪
1.手爪的驱动
机械手爪的作用是抓住工件、握持工件和释放工件。通常采用气动、液动、电动和电磁来驱动手指的开合，气动手爪目前得到广泛的应用，主要由于气动手爪具有结构简单、成本低、容易维修，而且开合迅速，质量轻，其缺点在于空气介质的可压缩性，使爪钳位置控制比较复杂。液压驱动手爪成本要高些。电动手爪的优点在于手指开合电机的控制与机器人控制共用一个系统，但是夹紧力比气动手爪、液压手爪小，相比而言开合时间要稍长。如图2-8所示为一种气动手爪，汽缸4中压缩空气推动活塞3使连杆齿条2做往复运动，经扇形齿轮1带动平行四边形机构，使爪钳5平行地快速开合。图2-8 气压驱动的手爪1—扇形齿轮；2—齿条；3—活塞；4—汽缸；5—爪钳
2.手爪的传动机构
驱动源的驱动力通过传动机构驱使爪钳开合并产生夹紧力。对于传动机构有运动要求和夹紧力要求。如图2-8及图2-9（a）所示的平行连杆式手爪和齿轮齿条式手爪可保持爪钳平行运动，夹持宽度变化大。对夹紧力要求是爪钳开合度不同时夹紧力能保持不变。
3.爪钳
爪钳是与工件直接接触的部分。它们的形状和材料对夹紧力有很大影响。夹紧工件的接触点越多，所要求的夹紧力越小，对夹持工件来说更显得安全。图2-10所示是具有V形爪钳表面的手爪，有四条折线与工件相接触，形成力封闭形式的夹持状态。
二、磁力吸盘
磁力吸盘有电磁吸盘和永磁吸盘两种。磁力吸盘是在手部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住。图2-11为电磁吸盘的结构示意图。线圈通电后产生磁性吸力将工件吸住，断电后磁吸力消失将工件松开。若采用永久磁铁作为吸盘，则必须是强迫性取下工件。电磁吸盘只能吸住铁磁材料制成的工件，吸不住有色金属和非金属材料的工件。磁力吸盘的缺点是被吸取工件有剩磁，吸盘上常会吸附一些铁屑，致使不能可靠地吸住工件。对于不准有剩磁的场合，不能选用磁力吸盘，可用真空吸盘，例如钟表及仪表零件。另外高温条件下不宜使用磁力吸盘，主要在于钢、铁等磁性物质在723℃以上时磁性会消失。图2-9 四种手爪传动机构图2-10 V形爪钳图2-11 电磁吸盘结构1—磁盘；2—防尘盖；3—线圈；4—外壳体
三、真空式吸盘
真空式吸盘主要用在搬运体积大、质量轻的如冰箱壳体、汽车壳体等零件；也广泛用在需要小心搬运的物件如显像管、平板玻璃等。真空式吸盘对工件表面要求平整光滑、干燥清洁、能气密。根据真空产生的原理，可分为三种。
1.真空吸盘
图2-12所示为产生负压的真空吸盘控制系统。采用真空泵能保证吸盘内持续产生负压。吸盘吸力取决于吸盘与工件表面的接触面积和吸盘内外压差，另外与工件表面状态也有十分密切的关系，它影响负压的泄漏。
2.气流负压吸盘
气流负压吸盘的工作原理如图2-13所示。压缩空气进入喷嘴后，利用伯努利效应使橡胶皮碗内产生负压。在工厂一般都有空压机或空压站，空压机气源比较容易解决，不用专为机器人配置真空泵，因此气流负压吸盘在工厂使用方便。图2-12 真空吸盘控制系统1—电机；2—真空泵；3、4—电磁阀；5—吸盘；6—通大气图2-13 气流负压吸盘图2-14 挤气负压吸盘1—吸盘架；2—压盖；3—密封垫；4—吸盘；5—工件
3.挤气负压吸盘
挤气负压吸盘结构如图2-14所示。当吸盘压向工件表面时，将吸盘内空气挤出；松开时，去除压力，吸盘恢复弹性变形使吸盘内腔形成负压，将工件牢牢吸住，机械手即可进行工件搬运；到达目标位置后，可用碰撞力或用电磁力使压盖2动作，使空气进入吸盘腔内，释放工件。这种挤气负压吸盘不需要真空泵也不需要压缩空气气源，比较经济方便，但是可靠性比真空吸盘和气流负压吸盘差。
第三节 工业机器人的传动机构
工业机器人的驱动源通过传动部件来驱动关节的移动或转动，从而实现机身、手臂和手腕的运动。因此，传动部件是构成工业机器人的重要部件。根据传动类型的不同，传动部件可以分为两大类：直线传动机构和旋转传动机构。
一、直线传动机构
工业机器人常用的直线传动机构可以直接由汽缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、滚珠丝杠螺母等传动元件由旋转运动转换得到。
1.移动关节导轨
在运动过程中移动关节导轨可以起到保证位置精度和导向的作用。移动关节导轨有五种：普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨和滚动导轨。前两种导轨具有结构简单、成本低的优点，但是它必须留有间隙以便润滑，而机器人载荷的大小和方向变化很快，间隙的存在又将会引起坐标位置的变化和有效载荷的变化；另外，这种导轨的摩擦系数又随着速度的变化而变化，在低速时容易产生爬行现象等缺点。第三种静压导轨结构能产生预载荷，能完全消除间隙，具有高刚度、低摩擦、高阻尼等优点，但是它需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。第四种气浮导轨的缺点是刚度和阻尼较低。目前第五种滚动导轨在工业机器人中应用最为广泛，如图2-15所示为包容式滚动导轨的结构，用支承座支承，可以方便地与任何平面相连，此时套筒必须是开式的，嵌入在滑枕中，既增强刚度也方便了与其他元件的连接。
2.齿轮齿条装置
齿轮齿条装置中（图2-16），如果齿条固定不动，当齿轮转动时，齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动。这样，齿轮的旋转运动就转换成拖板的直线运动。拖板是由导杆或导轨支承的，该装置的回差较大。图2-15 滚动导轨图2-16 齿轮齿条式增倍机构的手臂结构1—拖板；2—导向杆；3—齿轮；4—齿条
3.滚珠丝杠与螺母
在工业机器人中经常采用滚珠丝杠，这是因为滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。由于滚珠丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠，丝杠在传动过程中所受的是滚动摩擦力，摩擦力较小，因此传动效率高，同时可消除低速运动时的爬行现象；在装配时施加一定的预紧力，可消除回差。
如图2-17所示滚珠丝杠螺母里的滚珠经过研磨的导槽循环往复传递运动与动力。滚珠丝杠的传动效率可以达到90%。图2-17 滚珠丝杠螺母副
4.液（气）压缸
液（气）压缸是将液压泵（空压机）输出的压力能转换为机械能、做直线往复运动的执行元件，使用液（气）压缸可以容易地实现直线运动。液（气）压缸主要由缸筒、缸盖、活塞、活塞杆和密封装置等部件构成，活塞和缸筒采用精密滑动配合，压力油（压缩空气）从液（气）压缸的一端进入，把活塞推向液（气）压缸的另一端，从而实现直线运动。通过调节进入液（气）压缸液压油（压缩空气）的
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]