工業(yè)機器人機械傳動部分

1、南京熊貓電子裝備限公司熊貓機器人主講: 張亞二一五年七月十一日本培訓(xùn)內(nèi)容解釋權(quán)歸南京熊貓電子裝備所有主要內(nèi)容u1、工業(yè)機器人的歷史背景及應(yīng)用的多樣化u2、焊接機器人及系統(tǒng)特征u3、焊接機器人結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計u4、外部軸和變位機一、工業(yè)機器人的歷史背景和應(yīng)用的多樣化機器人定義美國工業(yè)協(xié)會（RIA）：機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或者專用裝置，通過可編程動作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能機器手。這個定義實際上針對的是工業(yè)機器人。日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRA）：機器人是一種帶有存儲器件和末端操作器的通用機械，他能通過自動化的動作代替人類勞動。日本著名學(xué)者加藤一郎：機器人三要素 1、具

2、有腦、手、腳等要素的個體；2、具有非接觸傳感器和接觸傳感器。3、具有用于平衡和定位的傳感器。機器人三大特征：擬人功能，可編程，通用性機器人分類第一代機器人：能試教-再現(xiàn)的工業(yè)機器人第二代機器人：可感知周圍環(huán)境，進(jìn)行反饋控制。第三代機器人：智能機器人，能夠邏輯推斷、判斷、決策等第四代機器人：情感類機器人，具有人類情感。工業(yè)機器人歷史背景1962年：美國研制出第一臺工業(yè)機器人1965年：美國使用第一臺點焊機器人1984年：全世界機器人使用量8萬臺1998年：美國擁有8萬臺，德國擁有7萬臺，分別占世界機器人總數(shù)的 15%和13%，日本一直占有60%。50年的發(fā)展：廣泛用于汽車制作業(yè)、毛皮制作、機械

3、加工、焊接、熱處理、裝配、檢測、上下料等。西周偃師制造能歌善舞的伶人魯班制造木鳥，三日不下捷克作家卡雷爾.恰佩克在小說中（羅莎姆 的萬能機器人）中首次提出Robot標(biāo)志性機器人1973年世界上機器人和小型計算機第一次攜手合作，誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機器人T3。1979年美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)成熟。PUMA至今仍然工作在第一線1979年日本山里大學(xué)牧野洋發(fā)明發(fā)明了平面關(guān)節(jié)（SCARA）型機器人，該機器人此后在裝配作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。并聯(lián)機器人定義：運動平臺和基座間至少有兩根活動連桿連接，具有2個或2個以上自

4、由度的閉環(huán)結(jié)構(gòu)機器人，1965年英國高級工程師Stewart提出了Stewart平臺，推動了對并聯(lián)機器人的研究1978年澳大利亞著名機構(gòu)教授Hunt提出把6自由度Stawart平臺作為機器人結(jié)構(gòu)。圖為Adept公司的Quattro并聯(lián)機器人。應(yīng)用多樣化二、焊接機器人及系統(tǒng)特征工業(yè)機器人一般結(jié)構(gòu)1、三大部分 機械本體、傳感器部分、控制部分2、六個子系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。焊接機器人的系統(tǒng)構(gòu)成焊接機器人單體： 機器人本體 電力電纜 外部裝置 控制柜 焊絲盤架 工裝夾具 示教器 變壓器 擴展設(shè)備（外部軸） 焊接電源 焊槍防碰撞裝置 接口

5、電路 控制電纜 焊槍 送絲機構(gòu) 焊接機器人應(yīng)用環(huán)境應(yīng)用環(huán)境較為惡劣：1、強弧光、高溫、復(fù)雜電磁2、煙塵、飛濺3、加工或裝配誤差4、焊接熱變形、焊件表面狀態(tài)5、其它環(huán)境因素三、焊接機器人結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計基本參數(shù)自由度：6最大工作半徑：1400mm負(fù)載：6kg重復(fù)定位精度：0.1mm典型關(guān)節(jié)自由度種類及圖形符號工業(yè)機器人操作臂的關(guān)節(jié)常為單自由度主動運動副。即每一個關(guān)節(jié)均有一個驅(qū)動器驅(qū)動。五種坐標(biāo)形式的機器人直角坐標(biāo)型機器人圓柱坐標(biāo)型機器人球坐標(biāo)型機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機器人SCARA型機器人作業(yè)范圍為立方體狀位置精度高運動求解簡單結(jié)構(gòu)龐大、動作范圍小靈活性差、占地面積較大多做成樓門式，框架式，用于搬運作業(yè)

6、范圍為圓柱形狀位置精度高，運動直觀、控制簡單、占地面積小、廉價、應(yīng)用廣泛不能抓取靠近立柱或地面上的物體作業(yè)范圍為空心球體狀結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈活、占地面積小結(jié)構(gòu)復(fù)雜、定位精度低、動作直觀性差作業(yè)范圍為空心球體狀作業(yè)范圍大、動作靈活、能抓取靠近機身的物體、應(yīng)用廣泛，現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)六軸工業(yè)機器人代表定位精度低、動作直觀性差三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)可在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。一個移動關(guān)節(jié)，用于完成手抓在垂直平面方向上的運動水平面內(nèi)具有良好的柔順型，且動作靈活、速度快、定位精度高。適用于平面定位，以及垂直方向上進(jìn)行裝配，又稱為裝配機器人。結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)分類：手臂和手腕1、手臂設(shè)計 手臂控制機器人末端焊槍的位姿，想要達(dá)到任意位姿

7、，需要3個自由度，手臂構(gòu)型常見位姿有四種，1、直角坐標(biāo)系型；2圓柱坐標(biāo)系型；3、球坐標(biāo)系型；4、關(guān)節(jié)型；這種形式的手臂是通過控制三個互相垂直方向的位移，從而確定了機器人焊槍的空間位置，由于三個關(guān)節(jié)都是移動關(guān)節(jié)，故其結(jié)構(gòu)剛度大、工作精度高，因為三個關(guān)節(jié)沒有耦合運動，所以控制起來也較為簡單，但其不足之處也是顯而易見的，比如說，其運動需要導(dǎo)軌，這使其整體尺寸變大，并且導(dǎo)致工作空間與結(jié)構(gòu)所占空間的比值減小，工作速度也較慢圓柱坐標(biāo)式的手臂，是運用關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動形式和移動形式的組合運動來確定腕部在工作空間的位置，這種構(gòu)型工作速度較快，結(jié)構(gòu)尺寸好計算，但是操作起來有些不太靈活，工作過程中容易和其他物體發(fā)生碰撞，

8、因此一般應(yīng)用于搬運機器人球坐標(biāo)式手臂是由兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)組成，這種構(gòu)型的設(shè)計方案使其結(jié)構(gòu)緊湊，自身所占空間減小，然而移動關(guān)節(jié)需要導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，使整體機構(gòu)靈活性變差，目前應(yīng)用不多關(guān)節(jié)式手臂是由三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)來實現(xiàn)末端的位姿調(diào)整，這種構(gòu)型方案是運用仿生學(xué)理論來進(jìn)行設(shè)計的，其靈感來自于人或類人的手臂結(jié)構(gòu)。關(guān)節(jié)型的手臂相對其它構(gòu)型的手臂來說，其對于確定工作空間內(nèi)的任意位姿是最快的，并且在工作時手臂幾乎不存在任何干涉；其結(jié)構(gòu)緊湊，操作靈活，工作空間與自身結(jié)構(gòu)體積的比值是最大的；雖然控制較為復(fù)雜，但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和控制算法的完善，目前已經(jīng)比較成熟了手腕可以確定焊槍空間的姿態(tài)，在參考人體手腕的基礎(chǔ)

9、上，確定機器人腕有三個自由度，俯仰形式關(guān)節(jié)為B，旋轉(zhuǎn)形式關(guān)節(jié)為R，則現(xiàn)存的手腕結(jié)構(gòu)有BBR、BRR、RBR、RRR。2、手腕設(shè)計RRR手腕構(gòu)型的工作空間較大，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對焊接工作的精度有較大影響，且當(dāng)其完全伸展時，三根關(guān)節(jié)軸處于同一平面內(nèi)，同時有兩根旋轉(zhuǎn)軸重合，這樣將導(dǎo)致機器人手腕喪失一個自由度，從而使手腕不能到達(dá)任意位置姿態(tài)，不滿足本設(shè)計要求RBR構(gòu)型的手腕不僅很容易實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳動和控制，而且其手腕三根關(guān)節(jié)軸相交于一點，運動學(xué)逆問題有封閉解，控制算法簡單，其結(jié)構(gòu)緊湊，在同樣條件下其末端運動件更加輕型化，并且RBR完全展開時更適合微調(diào)操作BBR型手腕減少了手腕縱向尺寸，減小了工作空間，

10、不夠靈活。一般來說，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與平移關(guān)節(jié)相比，具有工作空間大、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕以及靈活性好等特點，也更容易做密封防塵3、焊接機器人整體構(gòu)型設(shè)計4、機器人結(jié)構(gòu)外觀圖及部件簡介腕小臂肘大臂肩機器人底座焊槍肩關(guān)節(jié)通過Ws軸與底座相連，做回旋運動大臂通過Sh軸與肩關(guān)節(jié)相連，做前后運動肘關(guān)節(jié)通過Eb軸與大臂相連，做上下運動小臂通過Rt軸與肘關(guān)節(jié)相連，做旋轉(zhuǎn)運動腕關(guān)節(jié)通過Bn軸與小臂相連，做擺臂運動焊槍通過Tr軸與腕關(guān)節(jié)相連，做旋轉(zhuǎn)運動5、機器人運動范圍6、機器人驅(qū)動系統(tǒng)6.1、Ws軸（回旋）驅(qū)動系統(tǒng)基座是機器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用，直接固定到地面或者其它固定物上Ws軸回旋驅(qū)動系統(tǒng)又叫回轉(zhuǎn)腰座，連接大臂和

11、基座，起回轉(zhuǎn)支撐的作用。此結(jié)構(gòu)采用“電機-減速器-肩關(guān)節(jié)”直接傳動的方式，與“電機-減速器-輸入齒輪-中心齒輪-肩關(guān)節(jié)”的傳動方式對比優(yōu)點：傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，回差小等優(yōu)點6.2 Sh軸（前后）驅(qū)動裝置大臂是主要的載荷傳動部件，它將各種載荷傳遞給肩，肩再傳給底座Sh軸前后驅(qū)動系統(tǒng)依然采用“電機-減速器-肩關(guān)節(jié)”的傳動方式，簡單、高效6.3、Eb軸（上下）驅(qū)動裝置肘關(guān)節(jié)作用雖然仍負(fù)責(zé)傳遞載荷，但不再是主要承載關(guān)節(jié)，大部分作用是為了改變機器人末端的位置根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，Ws軸回旋驅(qū)動系統(tǒng)依然采用“電機-減速器-肩關(guān)節(jié)”傳動的方式。減速機RV減速器6.4、Rt軸（旋轉(zhuǎn)）驅(qū)動裝置1、Rt軸為從臂部到腕部

12、的過渡傳動系統(tǒng)，從Rt軸開始，機器人各關(guān)節(jié)尺寸變小而顯靈巧，驅(qū)動功率急劇降低2、且為了使傳動靈活并且空間有效利用，傳動形勢不在是按照“電機-減速器-關(guān)節(jié)”進(jìn)行傳動3、綜合考慮驅(qū)動系統(tǒng)精度高、體積小、傳動靈活、過線方便等因素，Rt軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)采用“電機-主動同步帶輪-同步帶-從動同步帶輪-減速器-小臂”的傳動方式優(yōu)點：同步帶傳動效率高、回差小、傳動靈活、結(jié)構(gòu)簡單有效，使用中取得了良好的效果諧波減速機6.5、Bn軸（擺臂）驅(qū)動裝置Bn軸驅(qū)動系統(tǒng)的作用是調(diào)節(jié)焊接角度。需要具備傳動靈活、精確、節(jié)約體積、小功率等特點基于此，仍采用“電機-主動同步帶輪-同步帶-從動同步帶輪-減速器-腕”結(jié)構(gòu)緊湊的傳動方

13、式6.6、Tr 軸（旋轉(zhuǎn)）驅(qū)動裝置Tr軸驅(qū)動系統(tǒng)控制著焊槍的旋轉(zhuǎn)，采用“電機-減速器-焊槍”直接驅(qū)動的方式，且電機內(nèi)置于腕腔內(nèi)，體積小，外表美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。機器人用減速機驅(qū)動方式：電、氣、液。常用交流伺服電機驅(qū)動減速機：常用RV減速機和諧波減速機RV傳動裝置是由第一級漸開線圓柱齒輪行星減速機構(gòu)和第二級擺線針輪行星減速機構(gòu)兩部分組成,為一封閉差動輪系如圖結(jié)構(gòu)簡圖。主動的太陽輪1與輸入軸相連,如果漸開線中心輪1順時針方向旋轉(zhuǎn),它將帶動三個呈120度布置的行星輪2在繞中心輪軸心公轉(zhuǎn)的同時還有逆時針方向自轉(zhuǎn),三個曲柄軸3與行星輪2相固連而同速轉(zhuǎn)動,兩片相位差180度的擺線輪4鉸接在三個曲柄軸上,并與固定的針輪相哨合,在其軸線繞針輪軸線公轉(zhuǎn)的同時,還將反方向自轉(zhuǎn),即順時針轉(zhuǎn)動。輸出機構(gòu)(即行星架)6由裝在其上的三對曲柄軸支撐軸承來推動,把擺線輪上的自轉(zhuǎn)矢量以1:1的速比傳遞出來。左圖即是RV減速器減速原理RV減速機原理圖傳動比范圍大扭轉(zhuǎn)剛度大只要設(shè)計合理,制造裝配精度保證,就可獲得高精度和小間隙回差傳動效率高傳遞同樣轉(zhuǎn)矩與功率時