第四章--工业机器人设计(机械制造装备设计-第四版)

机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 机械制造装备设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 目 录 第一章 机械制造及装备设计方法 第二章 金属切削机床设计 第三章 典型部件设计 第七章 机械加工生产线总体设计 第五章 机床夹具设计 第四章 工业机器人设计 第六章 物流系统设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 第四章：工业机器人设计 第一节 概述 第二节 工业机器人的机械结构系统设计 第三节 工业机器人在机械制造系统中的应用 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 概述 工业机器人的定义及工作原理 1 工业机器人的构成及分类 2 工业机器人的主要特性表示方法 3 工业机器人的设计方法 4 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （一）机器人的定义 我国国家标准 1264390将工业机器人定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机 ，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业”。 （二） 工业机器人的基本工作原理 工业机器人的基本工作原理：通过操作机上各运动构件的运动，自动的实现手部作业的动作功能及技术要求。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 工业机器人的定义及工作原理 1 工业机器人的构成及分类 2 工业机器人的主要特性表示方法 3 工业机器人的基本设计方法 4 概述 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 工业机器人的构成：操作机 、 驱动单元、控制装置 操作机 是机器人的机械本体，也可称为主机。通常由末端执行器（又称手部）、手腕、手臂（又可分为大臂和小臂）及机座（又称机身或立柱）组成。 驱动单元 由驱动装置（如电动机、液压或气压装置）、减速器和内部检测元件等组成，为操作机各运动部件提供动力和运动。 控制装置 由检测和控制两部分组成，用来控制驱动单元，检测其运动参数并进行反馈。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 操作机 由末端执行器、手腕、 手臂及机座组成。 图 4座 2控制装置 3操作机 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 图 4a)结构简图 b)运动功能简图 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （二） 工业机器人的分类 1、按机械结构类型分类 ：关节型机器人、球坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、直角坐标型机器人。 2、按用途分类 ：焊接机器人、冲压机器人、浇注机器人、搬运机器人、装配机器人、喷漆机器人、切削加工机器人、 检测机器人等。 3、按控制方式、机器人的功能水平 等分类方式。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 图 4构类型： a)关节型 b)球坐标型 c)圆柱坐标型 d)直角坐标型 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 2、按用途分类 ：焊接机器人、装配机器人 . 空间曲线焊接机器人 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 3、机器人按 控制 方式分类 操作型机器人 能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。 程控型机器人 按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。 示教再现型机器人 通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。 数控型机器人 不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 感觉控制型机器人 利用传感器获取的信息控制机器人的动作。 适应控制型机器人 机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。 学习控制型机器人 机器人能 “体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。 智能机器人 以人工智能决定其行动的机器人。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 双足仿人机器人 管道机器人 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 排爆机器人 有触觉的水下机器人 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 工业机器人的定义及工作原理 1 工业机器人的构成及分类 2 工业机器人的主要特性表示方法 3 工业机器人的设计方法 4 概述 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （一） 坐标系 坐标系按右手确定（右图）； 关节坐标系的确定（下图）； 确定基准状态； 关节坐标轴轴线位置的选取； 关节坐标方向的选取。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （二） 机械结构类型 用结构坐标形式和自由度表示。自由度是表示工业机器人动作灵活程度的参数，以直线运动和回转运动的独立运动数表示 （三）工 作空间 工 作空间是指工业机器人正常运行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围。 （四） 其他特性 用途、负载、速度、控制、分辨率等。 图 4机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 工业机器人的定义及工作原理 1 工业机器人的构成及分类 2 工业机器人的主要特性表示方法 3 工业机器人的设计方法 4 概述 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （一） 总体设计 ： 1、基本技术参数的选择 （额定负载、额定速度、驱动方式、用途、作业空间、性能指标）； 2、总体方案设计 （运动功能方案设计、传动系统方案设计、结构布局方案、参数设计、控制系统方案设计、总体方案评价 ） （二）结构和工艺设计 装配图设计、零件图设计、控制系统设计； （三） 总体评价 对总体设计方案进行评价， 预测其是否能满足所需设计指标的要求 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 工业机器人的机械结构系统设计 工业机器人的手臂和机座 1 工业机器人的手腕 2 工业机器人的末端执行器 3 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 工业机器人机械结构系统 由机座、手臂、手腕、末端执行器和移动装置组成。 工业机器人的手臂 由动力关节和连接杆件构成，用以支承和调整手腕和末端执行器的位置。 手臂部件一般具有 23个自由度（回转、俯仰、升降或伸缩），包括驱动装置、传动机构、定位导向装置、支承连接件和检测元件等。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （一） 设计要求 1、手臂结构设计要求 手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求； 合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料，减轻自重； 减小驱动装置的负荷，提高手臂运动的响应速度； 提高运动的精确性和运动刚度。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 2、机座结构设计要求 机座主要有回转机座和升降机座两种，用以实现手臂的整体回转或升降； 要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的稳定性； 机座承受机器人全部重量和工作载荷，应保证足够的强度、刚度和承载能力； 机座轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器的运动精度影响最大 。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （二） 典型结构 1、液压驱动圆柱坐标型机器人手臂结构（图 4具有手臂伸缩（液压缸 2驱动）、回转（摆动液压马达 11驱动）和升降（ 6的下面升降液压缸）三个运动。 1 活塞杆 2 液压缸 3 手臂端部 4 手臂支架 5 导轨 6 中间机座 7、 9 齿轮 8 挡块 10 行程开关 11 摆动液压马达 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 2、电动机驱动机械传动圆柱坐标型机器人手臂和机座图（图 4 机器人手臂。 手臂的升降和伸缩运动由双圆柱导轨导向和直流伺服电机驱动滚珠丝杠实现直线移动。回转运动由底部的回转机座实现。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 图 41刚轮 2柔轮 3位置传感器 4带传动 5壳体 6轴承 7电动机 8波发生器 9支座 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 图 4a)轴承外圈回转 b)轴承内圈回转 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 图 41轴承 2手臂 3、 6电动机 4机座 5腰关 7谐波减速器 8、 9、 10齿轮 11基座 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 4直流伺服电机驱动、六自由度关节型） a)大臂驱动机构 b)小臂驱动机构 1、 10 大臂 2、 3、 5、 6、 8、 9、 14、 15 齿轮 4、 13、 16 偏心套 7、 11 驱动电动机 12 驱动轴 17 小臂 18 座机 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 带谐波减速器的机器人手臂关节结构图（ 4（手臂壳体 13与刚轮一起在轴承 3和 12上转动） 1 臂座 2、 11 法兰盘 3、 12 轴承 4 驱动电机 5 柔轮 6 从动刚轮 7 波发生器 8 套筒 9 电磁制动器 10 驱动轴 13 手臂壳体 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 工业机器人的手臂和机座 1 工业机器人的手腕 2 工业机器人的末端执行器 3 工业机器人的机械结构系统设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其功能是在手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标的基础上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，即实现三个旋转自由度。 图 41手臂 2机械接口 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （一） 设计要求 力求手腕部件的结构紧凑 ， 为减轻其质量和体积； 自由度愈多 ， 运动范围愈大 ， 动作灵活性愈高 ， 机器人对作业的适应能力愈强； 提高传动刚度 ， 尽量减少反转误差； 对手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机械挡块，以防止关节超限造成事故。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （二） 手腕的结构 用摆动液压缸驱动实现回转运动的手腕结构 。 图 41 活塞 2、 4 油路 3 进油孔 5 定片 6 动片 7 排油孔 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 具有两个自由度的机械传动手腕结构 。 1、 2、 3、 12、 13轴承 4、 5链轮 6、 7链条 8手腕壳体 9、 11锥齿轮 10、 14轴 15机械接口 法兰盘 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 具有三个自由度的机械传动手腕结构 。 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、11、 12、 13、 14、15齿轮 8手抓 9、 10、 16壳体 产生手爪回转、手腕偏摆和手腕俯仰三个运动 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （ 1）手爪回转运动：当 B 、 （ 2）手腕偏摆运动及其诱导运动：当 B 、 爪回转运动 手腕俯仰运动 ， （ 3）手腕俯仰运动及其诱导运动：当 S 、 动壳体 9实现俯仰运动 ,7 7 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 偏置三自由度机械 传动手腕结构 。 a)装置外观图 b)传动机构简图 1、 2、 3、 4、 7、 9齿轮 5机械接口法兰盘 6壳体 8手腕架 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 转轴手腕结构 a)手腕结构装配图 b)手腕传动机构简图 1、 2、 3电动机 4、 5、 6空心传动轴 7、 8、 9、 11、 13、 14齿轮 10壳体 12机械接口法兰盘 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 a)手臂 b)手腕 c)柔性联轴器 1 手腕 2 壳体 3、 4、 11、 12、 13、 14 传动齿轮 5 传动轴 6 柔性联轴器 7、 8、 9 电动机 10 手臂外壳 15、 16 轴 17 手腕机械接口 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 工业机器人的定义及工作原理 1 工业机器人的构成及分类 2 工业机器人的末端执行器 3 工业机器人的机械结构系统设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （一） 分类和设计要求 根据用途和结构的不同可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具三类。 设计末端执行器时，要求： 满足作业需要的足够的夹持力和所需的夹持位置精度； 尽可能使末端执行器结构简单 、 紧凑 ， 质量轻 ， 以减轻手臂的负荷 。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （二） 机械式夹持器的结构与设计 工业机器人中应用的机械夹持器多为双指手爪式； 按其手爪的运动方式可分为平移型和回转型 ； 回转型手爪又分为单支点回转型和双支点回转型 ； 按夹持方式可分为外夹式和内撑式； 按驱动方式可以有电动、液压和气动 。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 机械式夹持器 a)单支点回转型 b)双支点回转型 c)平移型 d) 内撑式 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 楔块杠杆式回 转型夹持器 1杠 ， 2弹簧 3滚子 ， 4楔块 5驱动器 夹紧力 P 之间的计算公式为： ps 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 滑槽杠杆式回 转型夹持器 1支架 2杆 3圆柱销 4杠杆 夹紧力 P 之间的计算公式为： c o 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 连杆杠杆式回 转型夹持器 1杆 2连杆 3摆动钳爪 4调整垫片 夹紧力 P 之间的计算公式为： pt a 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 齿轮齿条平行连杆 式平移型夹持器 1扇形齿轮 ， 2齿条杆 3电磁式驱动器 4机座 ， 5、 6连杆 7钳爪 夹紧力 P 之间的计算公式为： pc o 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 左右旋丝杠平移 型夹持器 1电动机 2丝杠 3导轨 4钳爪杆 夹紧力 矩 t 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 内撑连杆杠杆式 夹持器 1驱动器 2杆 3钳爪 撑紧力 P 之间的计算公式为： t 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （三） 吸附式末端执行器的结构与设计 吸附式末端执行器（又称吸盘）， 有气吸式和磁吸式两种。它们分别是利用吸盘内负压产生的吸力或磁力来吸住并移动工作的。 1、 气吸式吸盘 挤压排气式吸盘 电流负压式吸盘 真空泵排气式吸盘 2、 磁吸式吸盘 分为电磁吸盘和永磁吸盘 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 气吸式吸盘的结构 a)挤压排气式 b)真空泵排气式 c)气流负压式 d)特殊吸盘 e)双吸盘式吸头 1压盖 2密封盖 3吸盘 4工件 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 磁吸式吸盘 1绕组 2铁心 3工件 4内盘体 5隔磁物 6外盘面 7盘体 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 工业机器人在制造系统中的应用 单机形式应用 1 机械制造系统中的应用 2 工业机器人在极限作业中的应用 3 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 工业机器人是一种生产设备，作业时一般需要有外围设备完成一些辅助工作。 单机形式工作的工业机器人如去铸件飞边、刮研、切削加工、焊接等机器人。 主要考虑的原则： 首先应能满足作业内容 、 工作空间 、 工作质量及定位精度等技术参数要求； 同时考虑功能价格比 ， 自由度多 ， 价格昂贵 。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 单机形式应用 1 机械制造系统中的应用 2 工业机器人在极限作业中的应用 3 工业机器人在制造系统中的应用 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （一） 选择与布局设计原则 ： 满足作业技术参数要求； 性价比好； 满足系统的生产节拍要求； 在系统中 ， 作业不发生干涉的约束条件下 ， 优化工业机器人与前后相联接设备之间的布置 ， 从而减小机器人规格要求 ， 减少制造系统的占地面积 ， 缩短运动路径 ； 机器人与系统中相联接的装备控制应协调 。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 柔性加工单元中的机器人 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 车削加工单元中的机器人 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （二） 工业机器人应用实例 柔性加工系统中的机器人 1拉床 2车床 3插齿机 4剃齿机 5塔式储存架 6机器人 7去毛剃机 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 装配系统中的机器人 1机器人 2轴承 3轴 4压力机 5套 6垫圈 7法兰 8螺母 9产品传动带 机械制造装备设计 大连理工大学