工业机器人机械传动部分.ppt

南京熊猫电子装备限公司熊猫机器人 主讲 张亚二 一五年七月十一日 本培训内容解释权归南京熊猫电子装备所有 主要内容 1 工业机器人的历史背景及应用的多样化2 焊接机器人及系统特征3 焊接机器人结构及传动设计4 外部轴和变位机 一 工业机器人的历史背景和应用的多样化 机器人定义 美国工业协会 RIA 机器人是一种用于移动各种材料 零件 工具或者专用装置 通过可编程动作来执行各种任务 并具有编程能力的多功能机器手 这个定义实际上针对的是工业机器人 日本工业机器人协会 JIRA 机器人是一种带有存储器件和末端操作器的通用机械 他能通过自动化的动作代替人类劳动 日本著名学者加藤一郎 机器人三要素1 具有脑 手 脚等要素的个体 2 具有非接触传感器和接触传感器 3 具有用于平衡和定位的传感器 机器人三大特征 拟人功能 可编程 通用性 机器人分类 第一代机器人 能试教 再现的工业机器人第二代机器人 可感知周围环境 进行反馈控制 第三代机器人 智能机器人 能够逻辑推断 判断 决策等第四代机器人 情感类机器人 具有人类情感 工业机器人历史背景 1962年 美国研制出第一台工业机器人1965年 美国使用第一台点焊机器人1984年 全世界机器人使用量8万台1998年 美国拥有8万台 德国拥有7万台 分别占世界机器人总数的15 和13 日本一直占有60 50年的发展 广泛用于汽车制作业 毛皮制作 机械加工 焊接 热处理 装配 检测 上下料等 西周偃师制造能歌善舞的伶人 鲁班制造木鸟 三日不下 捷克作家卡雷尔 恰佩克在小说中 罗莎姆的万能机器人 中首次提出Robot 标志性机器人 1973年世界上机器人和小型计算机第一次携手合作 诞生了美国CincinnatiMilacron公司的机器人T3 1979年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA 这标志着工业机器人技术已经成熟 PUMA至今仍然工作在第一线 1979年日本山里大学牧野洋发明发明了平面关节 SCARA 型机器人 该机器人此后在装配作业中得到广泛应用 并联机器人定义 运动平台和基座间至少有两根活动连杆连接 具有2个或2个以上自由度的闭环结构机器人 1965年英国高级工程师Stewart提出了Stewart平台 推动了对并联机器人的研究 1978年澳大利亚著名机构教授Hunt提出把6自由度Stawart平台作为机器人结构 图为Adept公司的Quattro并联机器人 应用多样化 二 焊接机器人及系统特征 工业机器人一般结构 1 三大部分机械本体 传感器部分 控制部分2 六个子系统驱动系统 机械结构系统 感知系统 机器人 环境交互系统 人机交互系统以及控制系统 焊接机器人的系统构成 焊接机器人单体 机器人本体电力电缆外部装置控制柜焊丝盘架工装夹具示教器变压器扩展设备 外部轴 焊接电源焊枪防碰撞装置接口电路控制电缆焊枪送丝机构 焊接机器人应用环境 应用环境较为恶劣 1 强弧光 高温 复杂电磁2 烟尘 飞溅3 加工或装配误差4 焊接热变形 焊件表面状态5 其它环境因素 三 焊接机器人结构及传动设计 基本参数 自由度 6最大工作半径 1400mm负载 6kg重复定位精度 0 1mm 典型关节自由度种类及图形符号 工业机器人操作臂的关节常为单自由度主动运动副 即每一个关节均有一个驱动器驱动 五种坐标形式的机器人 直角坐标型机器人 圆柱坐标型机器人 球坐标型机器人 关节坐标型机器人 SCARA型机器人 作业范围为立方体状 位置精度高 运动求解简单 结构庞大 动作范围小 灵活性差 占地面积较大 多做成楼门式 框架式 用于搬运 作业范围为圆柱形状 位置精度高 运动直观 控制简单 占地面积小 廉价 应用广泛 不能抓取靠近立柱或地面上的物体 作业范围为空心球体状 结构紧凑 动作灵活 占地面积小 结构复杂 定位精度低 动作直观性差 作业范围为空心球体状 作业范围大 动作灵活 能抓取靠近机身的物体 应用广泛 现在标准六轴工业机器人代表 定位精度低 动作直观性差 三个转动关节可在平面内进行定位和定向 一个移动关节 用于完成手抓在垂直平面方向上的运动 水平面内具有良好的柔顺型 且动作灵活 速度快 定位精度高 适用于平面定位 以及垂直方向上进行装配 又称为装配机器人 结构设计 结构分类 手臂和手腕 1 手臂设计 手臂控制机器人末端焊枪的位姿 想要达到任意位姿 需要3个自由度 手臂构型常见位姿有四种 1 直角坐标系型 2圆柱坐标系型 3 球坐标系型 4 关节型 这种形式的手臂是通过控制三个互相垂直方向的位移 从而确定了机器人焊枪的空间位置 由于三个关节都是移动关节 故其结构刚度大 工作精度高 因为三个关节没有耦合运动 所以控制起来也较为简单 但其不足之处也是显而易见的 比如说 其运动需要导轨 这使其整体尺寸变大 并且导致工作空间与结构所占空间的比值减小 工作速度也较慢 圆柱坐标式的手臂 是运用关节的转动形式和移动形式的组合运动来确定腕部在工作空间的位置 这种构型工作速度较快 结构尺寸好计算 但是操作起来有些不太灵活 工作过程中容易和其他物体发生碰撞 因此一般应用于搬运机器人 球坐标式手臂是由两个转动关节和一个移动关节组成 这种构型的设计方案使其结构紧凑 自身所占空间减小 然而移动关节需要导轨结构 使整体机构灵活性变差 目前应用不多 关节式手臂是由三个转动关节来实现末端的位姿调整 这种构型方案是运用仿生学理论来进行设计的 其灵感来自于人或类人的手臂结构 关节型的手臂相对其它构型的手臂来说 其对于确定工作空间内的任意位姿是最快的 并且在工作时手臂几乎不存在任何干涉 其结构紧凑 操作灵活 工作空间与自身结构体积的比值是最大的 虽然控制较为复杂 但随着计算机技术的发展和控制算法的完善 目前已经比较成熟了 手腕可以确定焊枪空间的姿态 在参考人体手腕的基础上 确定机器人腕有三个自由度 俯仰形式关节为B 旋转形式关节为R 则现存的手腕结构有BBR BRR RBR RRR 2 手腕设计 RRR手腕构型的工作空间较大 但其结构较复杂 对焊接工作的精度有较大影响 且当其完全伸展时 三根关节轴处于同一平面内 同时有两根旋转轴重合 这样将导致机器人手腕丧失一个自由度 从而使手腕不能到达任意位置姿态 不满足本设计要求 RBR构型的手腕不仅很容易实现远距离的传动和控制 而且其手腕三根关节轴相交于一点 运动学逆问题有封闭解 控制算法简单 其结构紧凑 在同样条件下其末端运动件更加轻型化 并且RBR完全展开时更适合微调操作 BBR型手腕减少了手腕纵向尺寸 减小了工作空间 不够灵活 一般来说 旋转关节与平移关节相比 具有工作空间大 结构紧凑 重量轻以及灵活性好等特点 也更容易做密封防尘 3 焊接机器人整体构型设计 4 机器人结构外观图及部件简介 腕 小臂 肘 大臂 肩 机器人底座 焊枪 肩关节通过Ws轴与底座相连 做回旋运动 大臂通过Sh轴与肩关节相连 做前后运动 肘关节通过Eb轴与大臂相连 做上下运动 小臂通过Rt轴与肘关节相连 做旋转运动 腕关节通过Bn轴与小臂相连 做摆臂运动 焊枪通过Tr轴与腕关节相连 做旋转运动 5 机器人运动范围 6 机器人驱动系统 6 1 Ws轴 回旋 驱动系统 基座是机器人的基础部分 起支撑作用 直接固定到地面或者其它固定物上 Ws轴回旋驱动系统又叫回转腰座 连接大臂和基座 起回转支撑的作用 此结构采用 电机 减速器 肩关节 直接传动的方式 与 电机 减速器 输入齿轮 中心齿轮 肩关节 的传动方式 对比优点 传动效率高 结构紧凑 回差小等优点 6 2Sh轴 前后 驱动装置 大臂是主要的载荷传动部件 它将各种载荷传递给肩 肩再传给底座 Sh轴前后驱动系统依然采用 电机 减速器 肩关节 的传动方式 简单 高效 6 3 Eb轴 上下 驱动装置 肘关节作用虽然仍负责传递载荷 但不再是主要承载关节 大部分作用是为了改变机器人末端的位置 根据结构特点 Ws轴回旋驱动系统依然采用 电机 减速器 肩关节 传动的方式 减速机RV减速器 6 4 Rt轴 旋转 驱动装置 1 Rt轴为从臂部到腕部的过渡传动系统 从Rt轴开始 机器人各关节尺寸变小而显灵巧 驱动功率急剧降低 2 且为了使传动灵活并且空间有效利用 传动形势不在是按照 电机 减速器 关节 进行传动 3 综合考虑驱动系统精度高 体积小 传动灵活 过线方便等因素 Rt轴旋转驱动系统采用 电机 主动同步带轮 同步带 从动同步带轮 减速器 小臂 的传动方式 优点 同步带传动效率高 回差小 传动灵活 结构简单有效 使用中取得了良好的效果 谐波减速机 6 5 Bn轴 摆臂 驱动装置 Bn轴驱动系统的作用是调节焊接角度 需要具备传动灵活 精确 节约体积 小功率等特点 基于此 仍采用 电机 主动同步带轮 同步带 从动同步带轮 减速器 腕 结构紧凑的传动方式 6 6 Tr轴 旋转 驱动装置 Tr轴驱动系统控制着焊枪的旋转 采用 电机 减速器 焊枪 直接驱动的方式 且电机内置于腕腔内 体积小 外表美观 结构紧凑 机器人用减速机 驱动方式 电 气 液 常用交流伺服电机驱动 减速机 常用RV减速机和谐波减速机 RV传动装置是由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成 为一封闭差动轮系如图结构简图 主动的太阳轮1与输入轴相连 如果渐开线中心轮1顺时针方向旋转 它将带动三个呈120度布置的行星轮2在绕中心轮轴心公转的同时还有逆时针方向自转 三个曲柄轴3与行星轮2相固连而同速转动 两片相位差180度的摆线轮4铰接在三个曲柄轴上 并与固定的针轮相哨合 在其轴线绕针轮轴线公转的同时 还将反方向自转 即顺时针转动 输出机构 即行星架 6由装在其上的三对曲柄轴支撑轴承来推动 把摆线轮上的自转矢量以1 1的速比传递出来 左图即是RV减速器减速原理 RV减速机原理图 传动比范围大 扭转刚度大 只要设计合理 制造装配精度保证 就可获得高精度和小间隙回差 传动效率高 传递同样转矩与功率时的体积小 谐波减速机 谐波齿轮的组成元件有以下三个部分 柔性齿轮 下文简称柔轮 刚性