工業(yè)機(jī)器人機(jī)械傳動(dòng)部分

1、南京熊貓電子裝備限公司熊貓機(jī)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(jī)器人的歷史背景及應(yīng)用的多樣化u2、焊接機(jī)器人及系統(tǒng)特征u3、焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)u4、外部軸和變位機(jī)一、工業(yè)機(jī)器人的歷史背景和應(yīng)用的多樣化機(jī)器人定義美國(guó)工業(yè)協(xié)會(huì)（RIA）：機(jī)器人是一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或者專用裝置，通過可編程動(dòng)作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能機(jī)器手。這個(gè)定義實(shí)際上針對(duì)的是工業(yè)機(jī)器人。日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）：機(jī)器人是一種帶有存儲(chǔ)器件和末端操作器的通用機(jī)械，他能通過自動(dòng)化的動(dòng)作代替人類勞動(dòng)。日本著名學(xué)者加藤一郎：機(jī)器人三要素 1、具

2、有腦、手、腳等要素的個(gè)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(jī)器人三大特征：擬人功能，可編程，通用性機(jī)器人分類第一代機(jī)器人：能試教-再現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人第二代機(jī)器人：可感知周圍環(huán)境，進(jìn)行反饋控制。第三代機(jī)器人：智能機(jī)器人，能夠邏輯推斷、判斷、決策等第四代機(jī)器人：情感類機(jī)器人，具有人類情感。工業(yè)機(jī)器人歷史背景1962年：美國(guó)研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人1965年：美國(guó)使用第一臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人1984年：全世界機(jī)器人使用量8萬臺(tái)1998年：美國(guó)擁有8萬臺(tái)，德國(guó)擁有7萬臺(tái)，分別占世界機(jī)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(jī)械

3、加工、焊接、熱處理、裝配、檢測(cè)、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(jī)器人）中首次提出Robot標(biāo)志性機(jī)器人1973年世界上機(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)第一次攜手合作，誕生了美國(guó)Cincinnati Milacron公司的機(jī)器人T3。1979年美國(guó)Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)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(jī)器人，該機(jī)器人此后在裝配作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。并聯(lián)機(jī)器人定義：運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和基座間至少有兩根活動(dòng)連桿連接，具有2個(gè)或2個(gè)以上自

4、由度的閉環(huán)結(jié)構(gòu)機(jī)器人，1965年英國(guó)高級(jí)工程師Stewart提出了Stewart平臺(tái)，推動(dòng)了對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的研究1978年澳大利亞著名機(jī)構(gòu)教授Hunt提出把6自由度Stawart平臺(tái)作為機(jī)器人結(jié)構(gòu)。圖為Adept公司的Quattro并聯(lián)機(jī)器人。應(yīng)用多樣化二、焊接機(jī)器人及系統(tǒng)特征工業(yè)機(jī)器人一般結(jié)構(gòu)1、三大部分 機(jī)械本體、傳感器部分、控制部分2、六個(gè)子系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。焊接機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成焊接機(jī)器人單體： 機(jī)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(kuò)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(jī)構(gòu) 焊接機(jī)器人應(yīng)用環(huán)境應(yīng)用環(huán)境較為惡劣：1、強(qiáng)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(jī)器人結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)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(hào)工業(yè)機(jī)器人操作臂的關(guān)節(jié)常為單自由度主動(dòng)運(yùn)動(dòng)副。即每一個(gè)關(guān)節(jié)均有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。五種坐標(biāo)形式的機(jī)器人直角坐標(biāo)型機(jī)器人圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人球坐標(biāo)型機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人SCARA型機(jī)器人作業(yè)范圍為立方體狀位置精度高運(yùn)動(dòng)求解簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)龐大、動(dòng)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(yùn)作業(yè)

6、范圍為圓柱形狀位置精度高，運(yùn)動(dòng)直觀、控制簡(jiǎn)單、占地面積小、廉價(jià)、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(dòng)作靈活、占地面積小結(jié)構(gòu)復(fù)雜、定位精度低、動(dòng)作直觀性差作業(yè)范圍為空心球體狀作業(yè)范圍大、動(dòng)作靈活、能抓取靠近機(jī)身的物體、應(yīng)用廣泛，現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)六軸工業(yè)機(jī)器人代表定位精度低、動(dòng)作直觀性差三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)可在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成手抓在垂直平面方向上的運(yùn)動(dòng)水平面內(nèi)具有良好的柔順型，且動(dòng)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(jī)器人。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分類：手臂和手腕1、手臂設(shè)計(jì) 手臂控制機(jī)器人末端焊槍的位姿，想要達(dá)到任意位姿

7、，需要3個(gè)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(gè)互相垂直方向的位移，從而確定了機(jī)器人焊槍的空間位置，由于三個(gè)關(guān)節(jié)都是移動(dòng)關(guān)節(jié)，故其結(jié)構(gòu)剛度大、工作精度高，因?yàn)槿齻€(gè)關(guān)節(jié)沒有耦合運(yùn)動(dòng)，所以控制起來也較為簡(jiǎn)單，但其不足之處也是顯而易見的，比如說，其運(yùn)動(dòng)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(yùn)用關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)形式和移動(dòng)形式的組合運(yùn)動(dòng)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(jì)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(yùn)機(jī)器人球坐標(biāo)式手臂是由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)組成，這種構(gòu)型的設(shè)計(jì)方案使其結(jié)構(gòu)緊湊，自身所占空間減小，然而移動(dòng)關(guān)節(jié)需要導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，使整體機(jī)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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)末端的位姿調(diào)整，這種構(gòu)型方案是運(yùn)用仿生學(xué)理論來進(jìn)行設(shè)計(jì)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(duì)其它構(gòu)型的手臂來說，其對(duì)于確定工作空間內(nèi)的任意位姿是最快的，并且在工作時(shí)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(jì)算機(jī)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(jī)器人腕有三個(gè)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(jì)RRR手腕構(gòu)型的工作空間較大，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)焊接工作的精度有較大影響，且當(dāng)其完全伸展時(shí)，三根關(guān)節(jié)軸處于同一平面內(nèi)，同時(shí)有兩根旋轉(zhuǎn)軸重合，這樣將導(dǎo)致機(jī)器人手腕喪失一個(gè)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(jì)要求RBR構(gòu)型的手腕不僅很容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)和控制，而且其手腕三根關(guān)節(jié)軸相交于一點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題有封閉解，控制算法簡(jiǎn)單，其結(jié)構(gòu)緊湊，在同樣條件下其末端運(yùn)動(dòng)件更加輕型化，并且RBR完全展開時(shí)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(diǎn)，也更容易做密封防塵3、焊接機(jī)器人整體構(gòu)型設(shè)計(jì)4、機(jī)器人結(jié)構(gòu)外觀圖及部件簡(jiǎn)介腕小臂肘大臂肩機(jī)器人底座焊槍肩關(guān)節(jié)通過Ws軸與底座相連，做回旋運(yùn)動(dòng)大臂通過Sh軸與肩關(guān)節(jié)相連，做前后運(yùn)動(dòng)肘關(guān)節(jié)通過Eb軸與大臂相連，做上下運(yùn)動(dòng)小臂通過Rt軸與肘關(guān)節(jié)相連，做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)腕關(guān)節(jié)通過Bn軸與小臂相連，做擺臂運(yùn)動(dòng)焊槍通過Tr軸與腕關(guān)節(jié)相連，做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)5、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍6、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)6.1、Ws軸（回旋）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基座是機(jī)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(dòng)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(jī)-減速器-肩關(guān)節(jié)”直接傳動(dòng)的方式，與“電機(jī)-減速器-輸入齒輪-中心齒輪-肩關(guān)節(jié)”的傳動(dòng)方式對(duì)比優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，回差小等優(yōu)點(diǎn)6.2 Sh軸（前后）驅(qū)動(dòng)裝置大臂是主要的載荷傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)依然采用“電機(jī)-減速器-肩關(guān)節(jié)”的傳動(dòng)方式，簡(jiǎn)單、高效6.3、Eb軸（上下）驅(qū)動(dòng)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(jī)器人末端的位置根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，Ws軸回旋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)依然采用“電機(jī)-減速器-肩關(guān)節(jié)”傳動(dòng)的方式。減速機(jī)RV減速器6.4、Rt軸（旋轉(zhuǎn)）驅(qū)動(dòng)裝置1、Rt軸為從臂部到腕部

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

13、式6.6、Tr 軸（旋轉(zhuǎn)）驅(qū)動(dòng)裝置Tr軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制著焊槍的旋轉(zhuǎn)，采用“電機(jī)-減速器-焊槍”直接驅(qū)動(dòng)的方式，且電機(jī)內(nèi)置于腕腔內(nèi)，體積小，外表美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。機(jī)器人用減速機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：電、氣、液。常用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)：常用RV減速機(jī)和諧波減速機(jī)RV傳動(dòng)裝置是由第一級(jí)漸開線圓柱齒輪行星減速機(jī)構(gòu)和第二級(jí)擺線針輪行星減速機(jī)構(gòu)兩部分組成,為一封閉差動(dòng)輪系如圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。主動(dòng)的太陽輪1與輸入軸相連,如果漸開線中心輪1順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),它將帶動(dòng)三個(gè)呈120度布置的行星輪2在繞中心輪軸心公轉(zhuǎn)的同時(shí)還有逆時(shí)針方向自轉(zhuǎn),三個(gè)曲柄軸3與行星輪2相固連而同速轉(zhuǎn)動(dòng),兩片相位差180度的擺線輪4鉸接在三個(gè)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(shí),還將反方向自轉(zhuǎn),即順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。輸出機(jī)構(gòu)(即行星架)6由裝在其上的三對(duì)曲柄軸支撐軸承來推動(dòng),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(jī)原理圖傳動(dòng)比范圍大扭轉(zhuǎn)剛度大只要設(shè)計(jì)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(dòng)效率高傳遞同樣轉(zhuǎn)矩與功率時(shí)