工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)與應(yīng)用(Designing and using industrial robots)機(jī)電工程學(xué)院學(xué)習(xí)內(nèi)容： 4.1 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 4.2 工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)部件設(shè)計(jì) 4.3 臂部設(shè)計(jì) 4.4 手腕設(shè)計(jì) 4.5 手部設(shè)計(jì) 4.6 機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、傳動(dòng)方式的選擇三、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四、材料的選擇五、平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問題是：選擇由連桿件和運(yùn)動(dòng)副組成的坐標(biāo)形式。 使兩物體直接接觸而又能產(chǎn)生一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的

2、聯(lián)接，稱為運(yùn)動(dòng)副。1、直角坐標(biāo)式機(jī)器人 主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝配和檢測(cè)作業(yè)，大約占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的14%左右。 手臂能垂直上下移動(dòng)（Z方向運(yùn)動(dòng)），并可沿滑架和橫梁上的導(dǎo)軌進(jìn)行水平面內(nèi)二維移動(dòng)（X、Y方向運(yùn)動(dòng)）。主體結(jié)構(gòu)有3個(gè)自由度，手腕自由度的數(shù)量視用途而定。圖4-1 直角坐標(biāo)式機(jī)器人示意圖圖4-2 AWD-ROBOT直角坐標(biāo)機(jī)器人 直角坐標(biāo)機(jī)器人定義:以單維直線運(yùn)動(dòng)單位為基礎(chǔ),搭建出空間多自由度、多方向的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),通常采用伺服驅(qū)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)空間各方向直線運(yùn)動(dòng)的插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)及配合運(yùn)動(dòng). 直角坐標(biāo)機(jī)器人用途: 大型多工序生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各環(huán)節(jié)自動(dòng)化銜接,物流設(shè)備、搬運(yùn)碼跺設(shè)備(如:食品

3、行業(yè)、化妝品行業(yè)、電子設(shè)備、各種零部件)、涂料設(shè)備、點(diǎn)膠設(shè)備、無損檢測(cè)設(shè)備、視覺檢測(cè)設(shè)備、貼標(biāo)設(shè)備、激光加工行業(yè)、焊接設(shè)備、跟蹤模擬設(shè)備(軍工)以及一些軍品制造和防爆場(chǎng)合. 資料來自：北京阿沃德自動(dòng)化設(shè)備有限責(zé)任公司 第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)表4.1 直角坐標(biāo)式機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)照表優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(2)容易編程(3)采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌后，速度高，定位精度高(4)在X、Y和Z坐標(biāo)軸方向上的運(yùn)動(dòng)沒有耦合作用，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)容易些。(1)導(dǎo)軌面的防護(hù)比較困難，不能像轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的軸承那樣密封得很好(2)導(dǎo)軌的支撐結(jié)構(gòu)增加了機(jī)器人的重量，并減少的有效工作范圍。(3)為了減少摩擦需要很長(zhǎng)的直線

4、滾動(dòng)導(dǎo)軌，價(jià)格高。(4)結(jié)構(gòu)尺寸與有效工作范圍相比顯得龐大(5)移動(dòng)部件的慣量比較大，增加了驅(qū)動(dòng)裝置的尺寸和能量消耗。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖4-3 搬運(yùn)/碼垛/裝配機(jī)器人 應(yīng)用案例一：直角坐標(biāo)機(jī)器人在鋁錠碼垛機(jī)上的應(yīng)用 直角坐標(biāo)機(jī)器人在碼垛機(jī)上的使用越來越多，其特點(diǎn)是負(fù)載范圍大，小到幾公斤，大到幾噸；運(yùn)行速度快，且速度可調(diào)整；動(dòng)作靈活，可以完成復(fù)雜的碼垛任務(wù)；可靠性高，維護(hù)簡(jiǎn)單。 要求：按層碼垛； 運(yùn)動(dòng)空間為三維，四自由度運(yùn)動(dòng)。 第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)行程：X方向2200mm, Y方向1500mm, Z方向1200mm, 水平旋轉(zhuǎn)：+-900 能夠和生產(chǎn)線融為一體，有良好的通

5、訊。 最大負(fù)載重量為150Kg，額定負(fù)載125Kg。層與層間成90度角交叉排放。 每垛共九層，垛高1000mm。 最快碼垛速度為1000mm/s，平均速度為500mm/s。 碼垛精度：1mm /pro_15117.html應(yīng)用案例二：直角坐標(biāo)機(jī)器人在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠機(jī)上的應(yīng)用 要求：在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋上連續(xù)均布涂膠， 涂膠曲線為空間三維曲線。共有兩條涂膠曲線，空間夾角為16度 ,每個(gè)曲線基本由直線和圓弧組成。涂膠速度為100mm/s，回原點(diǎn)速度為500mm/s 最小圓弧半徑：5mm 涂膠精度：0.1mm 涂膠行程：600400100。 該機(jī)器人由安裝架、機(jī)器人定位系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、供膠系統(tǒng)及涂膠槍

6、、控制系統(tǒng)及電控配電系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置等組成。/pro_15115.html 圖4-4 涂膠機(jī)器人 第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用案例三：三坐標(biāo)壁掛機(jī)器人對(duì)液晶顯示器的檢測(cè) 工作要求： 1、采用視覺系統(tǒng)對(duì)地上顯示器進(jìn)行檢測(cè)。 2、檢測(cè)范圍： X ， Y ， Z 軸的有效行程分別為2500mm ，600mm 和 400mm 。在 Z 軸下端裝配 可旋轉(zhuǎn)視覺像機(jī)。相機(jī)可旋轉(zhuǎn)。 3、 工件形狀： 工件為電腦液晶顯示器，該顯示器有大有小，工作臺(tái)每次安裝10個(gè)顯示器，以備檢測(cè)。 4、 定位精度及分辨率： 重復(fù)定位度為0.025mm,系統(tǒng)分辨率0.01 mm 5、控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)要求能夠?qū)z測(cè)數(shù)據(jù)要進(jìn)

7、行分析處理，包括顯示出探傷掃描圖像、濾波、增強(qiáng)、圖4-5 檢測(cè)機(jī)器人 放大、旋轉(zhuǎn)、特征提取、將掃描結(jié)果打印或上傳給上位機(jī)、位置標(biāo)記 等。 6、機(jī)器人組成： 該機(jī)器人由安裝架及顯示器工作臺(tái)、機(jī)器人定位系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、末端檢測(cè)設(shè)備（相機(jī)）、控制系統(tǒng)等組成。 /pro_15116.html第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)，升降，手臂伸縮。手腕采用2個(gè)自由度繞手臂縱向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)與其垂直的水平軸線轉(zhuǎn)動(dòng) 若手腕采用3個(gè)自由度，則機(jī)器人自由度數(shù)目達(dá)到6個(gè)，但手腕上的某個(gè)自由度將與主體上的回轉(zhuǎn)自由度有部分重復(fù)。此類機(jī)器人大約占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的47%左右。圖4-6

8、 圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人 示意圖第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)表4.2 圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)照表優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)(1)除了簡(jiǎn)單的“抓放”作業(yè)外還可以用在許多其它生產(chǎn)領(lǐng)域，與直角坐標(biāo)式機(jī)器人相比增加了通用性。(2)結(jié)構(gòu)緊湊(3)在垂直方向和徑向有兩個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可采用伸縮套筒式結(jié)構(gòu)。當(dāng)機(jī)器人開始腰轉(zhuǎn)時(shí)可把手臂縮進(jìn)去，在很大程度上減少的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，改善動(dòng)力學(xué)載荷。由于機(jī)身結(jié)構(gòu)的緣故，手臂不能抵達(dá)底部，減少了機(jī)器人的工作范圍。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、球面坐標(biāo)式機(jī)器人 主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，繞垂直軸線（機(jī)身）、水平軸線（回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）的轉(zhuǎn)動(dòng)及手臂的伸縮。圖4-7 球面坐標(biāo)式機(jī)器人示意圖第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械

9、系統(tǒng)設(shè)計(jì)4、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人 主體結(jié)構(gòu)的三個(gè)自由度腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，手腕的三個(gè)自由度上的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（俯仰、偏轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)）用來確定末端操作器的姿態(tài)，大約占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的25%左右。圖4-8 球面坐標(biāo)式機(jī)器人示意圖第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大而安裝占地面積小具有很高的可達(dá)性。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)易于封閉，由于軸承件是大量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，則摩擦小、慣量小、可靠性好。所需關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩小，能量消耗較少。關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人的缺點(diǎn)：肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)軸線是平行的，當(dāng)大、小臂舒展成一直線時(shí)雖能抵達(dá)很遠(yuǎn)的工作點(diǎn)，但機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛度比較低

10、；機(jī)器人手部在工作范圍邊界上工作時(shí)有運(yùn)動(dòng)學(xué)上的退化行為。二、 傳動(dòng)方式的選擇 傳動(dòng)方式選擇是選擇驅(qū)動(dòng)源及傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動(dòng)方式。1、直接連接傳動(dòng) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)（或帶有傳動(dòng)裝置）直接與關(guān)節(jié)相連。2、遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng) 驅(qū)動(dòng)源通過遠(yuǎn)距離機(jī)械傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)相連。3、間接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人 驅(qū)動(dòng)源經(jīng)一個(gè)速比大于1的機(jī)械傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)相連。4、直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人 驅(qū)動(dòng)源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個(gè)速比等于1的機(jī)械傳動(dòng)這樣的中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相連。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1、模塊化工業(yè)機(jī)器人2、模塊化工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)3、模塊化工業(yè)機(jī)器人所存在的問題 模塊化機(jī)器人：是由一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模

11、塊件通過具有特殊功能的結(jié)合部用積木拼搭的方式組成一個(gè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。（1） 經(jīng)濟(jì)性（2）靈活性（1）模塊化工業(yè)機(jī)器人整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的剛度比較差。（2）模塊化工業(yè)機(jī)器人的整體重量有可能增加。（3）尚未做到根據(jù)作業(yè)對(duì)象就可以合理進(jìn)行模塊化分析和設(shè)計(jì)。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)四、材料的選擇1、材料選擇的基本要求2、結(jié)構(gòu)件材料介紹（1）強(qiáng)度高（2）彈性模量大（3）重量輕（4）阻尼大（5）材料價(jià)格低 碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼；鋁、鋁合金及其它輕合金材料；纖維增強(qiáng)合金；陶瓷；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)五、平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、工業(yè)機(jī)器人平衡系統(tǒng)的作用2、平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要途徑（1）安全（

12、2）降低因機(jī)器人構(gòu)形變化而導(dǎo)致重力引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值。（3）降低因機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值。（4）減少動(dòng)力學(xué)方程中內(nèi)部耦合項(xiàng)和非線性項(xiàng)，改進(jìn)機(jī)器人動(dòng)力特性。（5）減小機(jī)械臂結(jié)構(gòu)柔性所引起的不良影響。（6）能使機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定，降低地面安裝要求。（1）質(zhì)量平衡技術(shù)（2）彈簧力平衡技術(shù)（3）可控力平衡技術(shù)。舉例第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖中，L2、L3和G2、G3分別代表下臂和上臂的長(zhǎng)度與質(zhì)心，m2、m3和2、3分別代表它們的質(zhì)量與轉(zhuǎn)角。m為可移動(dòng)的平衡質(zhì)量，它用來平衡下臂和上臂的質(zhì)量。桿SA、AB與上臂、下臂鉸接構(gòu)成一個(gè)平行四邊形平衡系統(tǒng)。要使該機(jī)構(gòu)平衡，滿

13、足下面兩個(gè)方程式即可。 平衡與否只與可移動(dòng)平衡質(zhì)量m的大小和位置有關(guān)，與2、3無關(guān)，這說明該平衡系統(tǒng)在機(jī)械臂的任何構(gòu)形下都是平衡的。返回第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖4-10 工業(yè)機(jī)器人用的平行四邊形平衡機(jī)構(gòu)第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.2 工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)一、移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌及轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸承二、傳動(dòng)件的定位及消隙三、諧波傳動(dòng)四、絲杠螺母副及滾珠絲杠傳動(dòng)五、其它傳動(dòng) 主要內(nèi)容：第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌及轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸承（一）移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌1、要求 移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌的目的是在運(yùn)動(dòng)過程中保證位置精度和導(dǎo)向，對(duì)機(jī)器人移動(dòng)導(dǎo)軌要求如下：（1）間隙小或能消除間隙；（2）在垂直于運(yùn)動(dòng)方

14、向上的剛度高；（3）摩擦系數(shù)低但不隨速度變化；（4）高阻尼；（5）移動(dòng)導(dǎo)軌和其它輔助元件尺寸小，慣量低。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、應(yīng)用實(shí)例圖4-11 包容式滾動(dòng)導(dǎo)軌（a）開式套筒 （b）開式套筒的剛度特性 用支承座支承，可以方便地與任何平面相連，這種情況下，套筒必須是開式的，嵌入在滑枕中，即增強(qiáng)剛度也方便了與其它元件的連接。由于滑枕的影響，套筒各個(gè)方向的剛度是不一樣的。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖4-12 固定軸滾動(dòng)體的滾動(dòng)導(dǎo)軌 圖（a）中，滾子安裝在定軸上，移動(dòng)件3沿垂直立柱5移動(dòng)，固定軸滾動(dòng)體2和4支承在移動(dòng)件的兩個(gè)凸臺(tái)上，移動(dòng)件沿與立柱5相連的導(dǎo)軌1移動(dòng)。圖（b）中，導(dǎo)軌上的

15、三個(gè)滾動(dòng)體7沿移動(dòng)件6滾動(dòng)，移動(dòng)件6的轉(zhuǎn)動(dòng)是由滾動(dòng)體8限制的。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)(二) 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸承 機(jī)器人和機(jī)械手結(jié)構(gòu)中最常用的是球軸承。普通向心球軸承向心推力球軸承兩點(diǎn)接觸，必須成對(duì)使用?！八狞c(diǎn)接觸”球軸承： 軸承的滾道是尖拱式半圓，球與滾道兩點(diǎn)接觸，該軸承通過兩內(nèi)滾道之間適當(dāng)?shù)倪^盈量實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。優(yōu)點(diǎn)：無間隙，能承受雙向軸向載荷，尺寸小，承載能力和剛度比同樣大小的一般球軸承高1.5倍。缺點(diǎn)：價(jià)格較高圖4-13 基本耐磨球軸承第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、傳動(dòng)件的定位及消隙1、傳動(dòng)件的定位電氣開關(guān)定位機(jī)械擋塊定位伺服定位系統(tǒng)2、傳動(dòng)件的消隙消隙齒輪圖4-15 消隙齒輪圖4-14

16、 利用插銷定位的結(jié)構(gòu) 消除傳動(dòng)間隙的主要途徑：提高制造和裝配精度；設(shè)計(jì)可調(diào)整傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu)；設(shè)置彈性補(bǔ)償零件。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)柔性齒輪消隙圖4-16 柔性消隙齒輪(a)鐘罩狀柔性齒輪 (b)徑向柔性齒輪第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)稱傳動(dòng)消隙圖4-17 對(duì)稱傳動(dòng)消隙(a)鐘罩狀柔性齒輪 (b)徑向柔性齒輪第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)偏心機(jī)構(gòu)消隙圖4-18 偏心消隙機(jī)構(gòu)第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)齒廓彈性覆層消隙圖4-19 齒廓彈性覆層消隙第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、諧波傳動(dòng)2、 行星齒輪機(jī)構(gòu)和諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1、機(jī)器人對(duì)減速器的要求 運(yùn)動(dòng)精度高、間隙小，以實(shí)現(xiàn)較高的重復(fù)定

17、位精度； 回轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定，無波動(dòng)，運(yùn)動(dòng)副間摩擦小，效率高； 體積小，重量輕，傳動(dòng)扭矩大。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖4-20 行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)諧波傳動(dòng)在運(yùn)動(dòng)學(xué)上是一種具有柔性齒圈的行星傳動(dòng)?！疽弧恐C波發(fā)生器（簡(jiǎn)稱波發(fā)生器）是凸輪（通常為橢圓形）及薄壁軸承組成，隨著凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，薄壁軸承的外環(huán)作橢圓形變形運(yùn)動(dòng)（彈性范圍內(nèi)）?！径縿傒喪莿傂缘膬?nèi)齒輪。 【三】柔輪是薄殼形元件，具有彈性的外齒輪。 以上三個(gè)構(gòu)件可以任意固定一個(gè)，成為減速傳動(dòng)及增速傳動(dòng)，或者發(fā)生器、剛輪主動(dòng)，柔輪從動(dòng)，成為差動(dòng)機(jī)構(gòu)（即轉(zhuǎn)動(dòng)的代數(shù)合成）。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖4-21 諧波傳動(dòng)結(jié)

18、構(gòu)簡(jiǎn)圖播放第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型時(shí)就確定以下三項(xiàng)參數(shù)： (1) 傳動(dòng)比或輸出轉(zhuǎn)速（r/min) (2) 減速機(jī)輸入功率（kw) (3) 額定輸入轉(zhuǎn)速（r/min) 諧波傳動(dòng)的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：尺寸小、慣量低；傳動(dòng)精度高；傳動(dòng)側(cè)隙小；具有高阻尼特性。缺點(diǎn)：柔輪的疲勞問題；扭轉(zhuǎn)剛度低；以輸入軸速度2、4、6倍的嚙合頻率產(chǎn)生振動(dòng)；剛度比行星齒輪差。諧波傳動(dòng)裝置廣泛應(yīng)用在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方面！ 北京諧波傳動(dòng)技術(shù)研究所 第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)四、絲杠螺母副及滾珠絲杠傳動(dòng)圖4-22 滾動(dòng)絲杠的基本組成1-絲杠 2-滾道 3-螺母 4-滾珠1、組成第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)：

19、傳動(dòng)效率高，摩擦損失小運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)無爬行傳動(dòng)精度高，反向時(shí)無空程 磨損小 精度保持性好，使用壽命長(zhǎng)。具有運(yùn)動(dòng)的可逆性2、特點(diǎn)滾珠絲杠螺母副的缺點(diǎn)：制造成本高必須增加制動(dòng)裝置第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)滾珠絲杠副間隙的調(diào)整（1）消除間隙的方法常采用雙螺母結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)螺母的相對(duì)軸向位移，使每個(gè)螺母中的滾珠分別接觸絲杠滾道的左右兩側(cè)。3、滾珠絲杠副間隙的調(diào)整第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)滾珠絲杠副間隙的調(diào)整（2）雙螺母墊片式消隙 如圖所示，此種形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、剛度好，應(yīng)用最為廣泛。圖例 雙螺母墊片調(diào)整法1（中間加墊片）第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖例 雙螺母墊片調(diào)整法2（端部加墊片）第4章 工業(yè)

20、機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)滾珠絲杠副間隙的調(diào)整（3）雙螺母螺紋式消隙 如圖所示，利用一個(gè)螺母上的外螺紋，通過圓螺母調(diào)整兩個(gè)螺母的相對(duì)軸向位置實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，調(diào)整好后用另一個(gè)圓螺母鎖緊。圖例 雙螺母螺紋消隙第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)滾珠絲杠副間隙的調(diào)整（4）齒差式消隙 如圖所示，在兩個(gè)螺母的凸緣上各制有圓柱外齒輪，分別與固緊在套筒兩端的內(nèi)齒圈相嚙合，其齒數(shù)分別為Z1、Z2，并相差一個(gè)齒。調(diào)整時(shí)，先取下內(nèi)齒圈，讓兩個(gè)螺母相對(duì)于套筒同方向都轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，然后再插入內(nèi)齒圈，則兩個(gè)螺母便產(chǎn)生相對(duì)角位移，其軸向位移量為：式中Z1、Z2為齒輪的齒數(shù)，Ph為滾珠絲杠的導(dǎo)程。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖例 齒差式消隙第

21、4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)一端裝止推軸承(固定自由式) 如圖a所示。一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承(固定支承式) 如圖b所示。兩端裝推力軸承（單推單推式或雙推單推式） 如圖c所示。兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承(固定固定式) 如圖d所示。4、滾珠絲杠副的支承方式圖例 滾珠絲杠副支承方式圖4-23 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的手臂升降機(jī)構(gòu)5、滾珠絲杠傳動(dòng)第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)五、其它傳動(dòng)活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)、繩傳動(dòng)鋼帶傳動(dòng)圖4-25 齒輪齒條式增倍機(jī)構(gòu)的手臂結(jié)構(gòu)圖4-27 鋼帶傳動(dòng)end第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.3 臂部設(shè)計(jì)一、臂部設(shè)計(jì)的基本要求剛度要求高 常用鋼管作臂

22、桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼或槽鋼作支承板。導(dǎo)向性要好 設(shè)計(jì)導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。 重量要輕 減小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量。運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高 設(shè)計(jì)上結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，還要采用一定形式的緩沖措施。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、手臂的常用結(jié)構(gòu)1、手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)器人手臂的伸縮、升降及橫向(或縱向)移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng), 而實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線活塞和連桿機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式較多,常用的有活塞油(氣)缸、 齒輪齒條機(jī)構(gòu)、 絲杠螺母機(jī)構(gòu)等。 第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖4-28 雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu) 直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)可采用液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)的活塞油(氣)缸。 由于活塞油 (氣)缸的體積小,重

23、量輕, 因而在機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。 圖4-28所示為雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端, 當(dāng)雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時(shí), 則推動(dòng)活塞桿2(即手臂)做往復(fù)直線移動(dòng)。 導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動(dòng),以防手臂伸縮時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)(并兼作手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道)。由于手臂的伸縮油缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間,由導(dǎo)向桿承受彎曲作用, 活塞桿只受拉壓作用, 故受力簡(jiǎn)單,傳動(dòng)平穩(wěn),外形整齊美觀, 結(jié)構(gòu)緊湊。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的,常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)

24、等。 例1：下面以齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)為例說明手臂的回轉(zhuǎn)。下面舉2個(gè)例子：第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖4-28 手臂升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu) 齒輪齒條機(jī)構(gòu)是通過齒條的往復(fù)移動(dòng),帶動(dòng)與手臂聯(lián)接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn), 即可實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。帶動(dòng)齒條往復(fù)移動(dòng)的活塞缸可以由壓力油或壓縮氣體驅(qū)動(dòng)。圖4-28所示為手臂作升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)例2 采用活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)的一種雙臂機(jī)器人手臂圖4-29 雙臂機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)手臂的上下擺動(dòng)由鉸接活塞油缸和連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)鉸接活塞油缸1的兩腔通壓力油時(shí), 通過連桿2帶動(dòng)曲桿3(即手臂)繞軸心O做90的上下擺動(dòng)(如雙點(diǎn)劃

25、線所示位置)。 手臂下擺到水平位置時(shí), 其水平和側(cè)向的定位由支承架4上的定位螺釘6和5來調(diào)節(jié)。此手臂結(jié)構(gòu)具有傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、湊緊和輕巧等特點(diǎn)。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3. 手臂俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)一般采用活塞油(氣)缸與連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)用來實(shí)現(xiàn)。手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)用的活塞缸位于手臂的下方, 其活塞桿和手臂用鉸鏈連接, 缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱聯(lián)接, 如圖4-30、圖4-31所示。圖4-30 手臂俯仰驅(qū)動(dòng)缸安置示意圖 第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖4-31 鉸接活塞缸實(shí)現(xiàn)手臂俯仰運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖 第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)大作業(yè)： 綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),搜集有關(guān)資料獨(dú)立完成三

26、自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)和驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)工作。原始數(shù)據(jù)：自動(dòng)線上有，兩條輸送帶之間距離為1.5m，需設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人將一零件從A帶送到B帶。零件尺寸：內(nèi)孔100，壁厚10，高100。零件材料：45鋼。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.4 手腕設(shè)計(jì) Roll : 手腕的翻轉(zhuǎn), 用R表示; Pitch : 手腕的俯仰, 用P表示; Yaw : 手腕的偏轉(zhuǎn), 用Y表示。 (a)手腕的翻轉(zhuǎn) (b)手腕的俯仰 (c) 手腕的偏轉(zhuǎn) (d)腕部坐標(biāo)系圖 4-32手腕的自由度 第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 注意： 腕部實(shí)際所需要的自由度數(shù)目應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的工作性能要求來確定。 手腕的大小和重量是手腕設(shè)

27、計(jì)時(shí)要考慮的關(guān)鍵問題，要緊湊的結(jié)構(gòu)，合理的自由度。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容： 手腕的分類 手腕的典型結(jié)構(gòu) 手腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)舉例第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、手腕的分類1、按自由度數(shù)目來分類2、按驅(qū)動(dòng)方式分類第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)單自由度手腕(a) R手腕； (b) 、(c) B手腕； (d) T手腕 圖 4-33 單自由度手腕第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)(2) 二自由度手腕（a）BR手腕； (b) BB手腕; (c) RR手腕圖 4-34 二自由度手腕第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)(3) 三自由度手腕BBR手腕; (b) BRR手腕; (c) RRR手腕; (d) B

28、BB手腕圖 4-35 三自由度手腕第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、按驅(qū)動(dòng)方式分類（1）直接驅(qū)動(dòng)手腕圖 4-36 液壓直接驅(qū)動(dòng)BBR手腕 第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）遠(yuǎn)距離傳動(dòng)手腕圖 4-37 遠(yuǎn)距離傳動(dòng)RBR手腕 第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、手腕的典型結(jié)構(gòu)圖4-38 手腕回轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖 圖4-39 PT600型弧焊機(jī)器人手腕部結(jié)構(gòu)圖和傳動(dòng)原理圖圖4-40 KUKA IR-662100型機(jī)器人的手腕傳動(dòng)原理圖圖4-41 手腕部分的裝配圖第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 4-26 手腕回轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖 第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 4-27 PT-600型弧焊機(jī)器

29、人手腕結(jié)構(gòu)圖 第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、手腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)舉例1鏈輪 2軸 3、4回轉(zhuǎn)油缸 5夾緊油缸 6手指 圖4-42 BR手腕設(shè)計(jì)原理圖11、試設(shè)計(jì)一種BR手腕：第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖4-43 BR手腕設(shè)計(jì)原理圖2第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、試設(shè)計(jì)一種RBR手腕： 圖4-44 三自由度的RBR手腕原理圖第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.5 手部設(shè)計(jì)一、概述手部(Hand)也稱做末端操作器 (End-effector) 是裝在工業(yè)機(jī)器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。工業(yè)機(jī)器人手部特點(diǎn)：手部與手腕相連處可

30、拆卸。手部是工業(yè)機(jī)器人末端操作器。手部的通用性比較差。手部是一個(gè)獨(dú)立的部件。二、手部的分類第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、按用途分2、按夾持原理分3、按手指或吸盤數(shù)目分4、按智能化分第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、按用途分手爪：具有一定通用性。主要功能是：抓住工件，握持工件，釋放工件。工具：是進(jìn)行某響作業(yè)的專用工具，如噴漆槍、焊具等。圖 4-45 平面鉗爪夾持零件 圖 4-46 專用工具（噴槍、焊具） 第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、按夾持原理分手爪機(jī)械手爪磁力吸盤(無指手爪)真空式吸盤(無指手爪)氣動(dòng)夾緊液動(dòng)夾緊電動(dòng)夾緊電磁夾緊永磁吸盤電磁吸盤真空吸盤氣流負(fù)壓吸盤擠氣負(fù)壓吸盤注：機(jī)械類

31、手爪有靠摩擦力夾持和吊鉤承重兩類，前者是有指手爪，后者是無指手爪。第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、按手指或吸盤數(shù)目分機(jī)械手爪可分為：二指手爪、多指手爪機(jī)械手爪按手指關(guān)節(jié)分：?jiǎn)侮P(guān)節(jié)手指手爪、多關(guān)節(jié)手指手爪吸盤式手爪按吸盤數(shù)目分：?jiǎn)挝P式手爪、多吸盤式手爪。圖 4-47 三爪手指 第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)4、按智能化分（1）普通式手爪 不具備傳感器。（2）智能化手爪(Intelligent Grippers) 具備一種或多種傳感器。 三、手爪設(shè)計(jì)和選用的要求 手爪設(shè)計(jì)和選用最主要的是滿足功能上的要求，具體來說要從下面幾方面進(jìn)行調(diào)查，提出設(shè)計(jì)參數(shù)和要求。1、被抓握的對(duì)象物（幾何形狀、機(jī)械特性

32、）2、物料饋送器或儲(chǔ)存裝置3、機(jī)器人作業(yè)順序4、手爪和機(jī)器人匹配5、環(huán)境條件第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)四、普通手爪設(shè)計(jì)1、機(jī)械式手爪設(shè)計(jì)（1）驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式氣動(dòng)液動(dòng)電動(dòng)電磁優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、容易維修、而且開合迅速、重量輕手指開合電機(jī)的控制與機(jī)器人控制可共用一個(gè)系統(tǒng)控制信號(hào)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)爪鉗位置控制比較復(fù)雜成本高夾緊力小開合時(shí)間長(zhǎng)夾緊的電磁力與爪鉗行程有關(guān)包含驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、爪鉗三部分設(shè)計(jì)表4-1 機(jī)械式手爪驅(qū)動(dòng)方式比較1-扇形齒輪；2-齒條； 3-活塞；4-氣缸；5-爪鉗圖4-48 氣動(dòng)手爪第4章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）傳動(dòng) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)源和爪鉗之間力的傳遞者。機(jī)械式手爪常以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來命名。（a）齒輪齒條式手爪； （b)撥桿杠桿式手爪； （c）滑槽式手爪； （d）重力式手爪；圖4-49 四種手爪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)注意：有運(yùn)動(dòng)要求和夾緊