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工业机器人系统
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  关键技术

  1.本体设计关键技术

  (1)传动结构设计

  拟定总体方案,确定机器人的结构形式,并据此进行初步的传动结构设计,零件结构设计,三维建模。要求设计者对机器人常见的结构形式,常见的传动原理和传动结构,减速器的类型和特点非常的熟悉和了解,要有较强的结构设计能力和经验。 

  (2)减速器选型

  要对减速器的结构类型,性能参数的含义有深刻理解,会对减速器进行选型和计算校核。要会对减速器进行检测、测试,检测的内容主要包括噪音、抖动、输出扭矩、扭转刚度、背隙、重复定位精度和定位精度等。减速器的振动会引起机器人末端的抖动,降低机器人的轨迹精度。减速器振动有多种原因,其中共振是共性的问题,机器人企业必须掌握抑制或者避免出现共振的方法。 

  (3)电机选型

  必须要对电机的工作特性非常了解,并会对电机扭矩、功率、惯量进行计算和校核。

  (4)仿真分析

  进行静力学和动力学的仿真分析,对电机、减速器的选型校核,对本体零部件进行强度、刚度校核,降低本体重量,提高机器人工作效率,降低成本。对三维模型进行模态分析,计算出固有频率,有助于进行共振抑制。 

  (5)可靠性设计

  结构设计采用最简化设计原则;本体铸铁件采用综合性能较好的球墨铸铁材料,铸铝件采用流动性好的铸造材料,采用金属模铸造;装配要有详细的装配工艺指导书,装配过程中有部件和单轴的测试;装配完后要有整机性能测试和耐久拷机测试;提高整机的防护等级设计,提高电柜的抗干扰能力,以适用不同工作环境的使用。 

  2.电机伺服关键技术

  (1)电机

  ①轻量化

  对机器人来说,电机的尺寸和重量非常敏感,通过高磁性材料优化、一体化优化设计、加工装配工艺优化等技术的研究,提高伺服电机的效率,减小电机空间尺寸和降低电机重量,是机器人电机的关键技术之一。 

  ②高速

  在减速比不能较大调整的情况,电机的最高转速则直接影响着机器人的末端速度和工作节拍;而且速比太低会影响电机的惯量匹配,因此提高电机的最高转速也是机器人电机的关键技术之一。 

  ③直驱、中空

  随着协作机器人的不断成熟和推广,机器人结构的轻量化、紧凑化要求提高,发展高力矩直接驱动电机、盘式中空电机等机器人专用电机也是未来的趋势。

  (2)伺服

  ①快速响应,精确定位

  伺服的响应时间直接影响到机器人的快速起停效果,影响机器人的工作效率和节拍。 

  ②无传感器方式实现弹性碰撞

  安全性是衡量机器人性能的一个重要指标。加入力或力矩传感器会使结构更复杂,成本更高,基于编码器、电机电流耦合关系的无传感弹性碰撞技术,可以在不改变本体结构,不增加本体成本的条件下,在一定程度上提高机器人的安全性。 

  ③驱动多合一、驱控一体。

  驱动多合一,多核CPU多轴驱控一体化集成技术,提高系统性能,降低驱动体积与成本。 

  ④在线自适应抖振抑制

  工业机器人悬臂结构极易在多轴联动、重载及快速起停时引起抖动。机器人本体刚度要与电机伺服刚度参数相匹配,刚度过高,会造成振动,刚度过低会造成起停反应缓慢。机器人在不同的位置和姿态,以及在不同的工装负载下刚度都不一样,很难通过提前设置伺服刚度值能满足所有工况的需求。在线自适应抖振抑制技术,提出免参数调试的智能控制策略,同时兼顾刚度匹配、抖振抑制的需求,可以抑制机器人末端抖动,提高末端定位精度。 

  3.控制关键技术

  (1)运动解算及轨迹规划

  运动求解,最佳路径规划,提高机器人的运动精度和工作效率。 

  (2)动力学补偿

  一般工业机器人是一个串联悬臂式结构,刚性弱,运动复杂,容易发生变形和抖动,是一个需要运动学和动力学相结合的课题。为了改善机器人的动态性能和提高运动精度,机器人控制系统必须建立动力学模型,进行动力学补偿。补偿的内容主要包括重力补偿、惯量补偿、摩擦补偿、耦合补偿等。 

  (3)标定补偿

  机器人机械本体由于加工误差和装配误差的原因,难以避免会和理论数学模型存在偏差,会降低机器人TCP精度和轨迹精度,如在焊接和离线编程使用时会受到严重影响。通过检测和算法标定补偿机器人的模型参数,可以较好地解决此问题。 

  (4)工艺包完善

  控制系统要与实际工程应用相结合,系统除不断升级,功能更加强大外,还要根据行业应用的需求不断开发和完善工艺包,有利于积累行业工艺经验,对客户来说使用更方便,操作更简单,效率更高。 

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