第4章工业机器人机械系统设计.ppt

工业机器人设计与应用(Designing and using industrial robots),学习内容： 4.1 工业机器人总体设计 4.2 工业机器人传动部件设计 4.3 臂部设计 4.4 手腕设计 4.5 手部设计 4.6 机身及行走机构设计,第4章 工业机器人机械系统设计, 4.1 工业机器人总体设计,第4章 工业机器人机械系统设计,一、主体结构设计二、传动方式的选择三、模块化结构设计四、材料的选择五、平衡系统的设计,主要内容：,第4章 工业机器人机械系统设计,一、 主体结构设计,主体结构设计的主要问题是：选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。,使两物体直接接触而又能产生一定相对运动的联接，称为运动副。,1、直角坐标式机器人,图4-2 AWD-ROBOT直角坐标机器人,直角坐标机器人定义:以单维直线运动单位为基础,搭建出空间多自由度、多方向的运动机构,通常采用伺服驱动,可实现空间各方向直线运动的插补联动及配合运动.,直角坐标机器人用途: 大型多工序生产现场的各环节自动化衔接,物流设备、搬运码跺设备(如:食品行业、化妆品行业、电子设备、各种零部件)、涂料设备、点胶设备、无损检测设备、视觉检测设备、贴标设备、激光加工行业、焊接设备、跟踪模拟设备(军工)以及一些军品制造和防爆场合.,资料来自：北京阿沃德自动化设备有限责任公司,第4章 工业机器人机械系统设计,表4.1 直角坐标式机器人的优缺点对照表,第4章 工业机器人机械系统设计,图4-3 搬运/码垛/装配机器人,应用案例一：直角坐标机器人在铝锭码垛机上的应用 直角坐标机器人在码垛机上的使用越来越多，其特点是负载范围大，小到几公斤，大到几吨；运行速度快，且速度可调整；动作灵活，可以完成复杂的码垛任务；可靠性高，维护简单。 要求：按层码垛； 运动空间为三维，四自由度运动。,第4章 工业机器人机械系统设计,行程：X方向2200mm, Y方向1500mm, Z方向1200mm, 水平旋转：+-900 能够和生产线融为一体，有良好的通讯。 最大负载重量为150Kg，额定负载125Kg。层与层间成90度角交叉排放。 每垛共九层，垛高1000mm。 最快码垛速度为1000mm/s，平均速度为500mm/s。 码垛精度：1mm /pro_15117.html,应用案例二：直角坐标机器人在汽车发动机涂胶机上的应用 要求：在汽车发动机盖上连续均布涂胶， 涂胶曲线为空间三维曲线。共有两条涂胶曲线，空间夹角为16度 ,每个曲线基本由直线和圆弧组成。涂胶速度为100mm/s，回原点速度为500mm/s 最小圆弧半径：5mm 涂胶精度：0.1mm 涂胶行程：600400100。 该机器人由安装架、机器人定位系统、伺服驱动系统、供胶系统及涂胶枪、控制系统及电控配电系统、安全防护装置等组成。/pro_15115.html,图4-4 涂胶机器人,第4章 工业机器人机械系统设计,应用案例三：三坐标壁挂机器人对液晶显示器的检测 工作要求： 1、采用视觉系统对地上显示器进行检测。 2、检测范围： X ， Y ， Z 轴的有效行程分别为2500mm ，600mm 和 400mm 。在 Z 轴下端装配 可旋转视觉像机。相机可旋转。 3、 工件形状： 工件为电脑液晶显示器，该显示器有大有小，工作台每次安装10个显示器，以备检测。 4、 定位精度及分辨率： 重复定位度为0.025mm,系统分辨率0.01 mm 5、控制系统： 系统要求能够对检测数据要进行分析处理，包括显示出探伤扫描图像、滤波、增强、,图4-5 检测机器人,放大、旋转、特征提取、将扫描结果打印或上传给上位机、位置标记 等。 6、机器人组成： 该机器人由安装架及显示器工作台、机器人定位系统、伺服驱动系统、末端检测设备（相机）、控制系统等组成。 /pro_15116.html,第4章 工业机器人机械系统设计,2、圆柱坐标式机器人,主体结构具有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。,若手腕采用3个自由度，则机器人自由度数目达到6个，但手腕上的某个自由度将与主体上的回转自由度有部分重复。此类机器人大约占工业机器人总数的47%左右。,图4-6 圆柱坐标式机器人 示意图,第4章 工业机器人机械系统设计,表4.2 圆柱坐标式机器人的优缺点对照表,第4章 工业机器人机械系统设计,3、球面坐标式机器人,主体结构有三个自由度，绕垂直轴线（机身）、水平轴线（回转关节）的转动及手臂的伸缩。,图4-7 球面坐标式机器人示意图,第4章 工业机器人机械系统设计,4、关节坐标式机器人,主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节，手腕的三个自由度上的转动关节（俯仰、偏转和翻转）用来确定末端操作器的姿态，大约占工业机器人总数的25%左右。,图4-8 球面坐标式机器人示意图,第4章 工业机器人机械系统设计,第4章 工业机器人机械系统设计,关节坐标式机器人的优点：,结构紧凑，工作范围大而安装占地面积小具有很高的可达性。转动关节易于封闭，由于轴承件是大量生产的标准件，则摩擦小、惯量小、可靠性好。所需关节驱动力矩小，能量消耗较少。,关节坐标式机器人的缺点：,肘关节和肩关节轴线是平行的，当大、小臂舒展成一直线时虽能抵达很远的工作点，但机器人的结构刚度比较低；机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。,二、 传动方式的选择,传动方式选择是选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动方式。,第4章 工业机器人机械系统设计,三、 模块化结构设计,1、模块化工业机器人,2、模块化工业机器人的特点,3、模块化工业机器人所存在的问题,模块化机器人：是由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭的方式组成一个工业机器人系统。,（1） 经济性（2）灵活性,（1）模块化工业机器人整个机械系统的刚度比较差。（2）模块化工业机器人的整体重量有可能增加。（3）尚未做到根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。,第4章 工业机器人机械系统设计,四、材料的选择,1、材料选择的基本要求,2、结构件材料介绍,（1）强度高（2）弹性模量大（3）重量轻（4）阻尼大（5）材料价格低,碳素结构钢、合金结构钢；铝、铝合金及其它轻合金材料；纤维增强合金；陶瓷；纤维增强复合材料。,第4章 工业机器人机械系统设计,五、平衡系统设计,1、工业机器人平衡系统的作用,2、平衡系统设计的主要途径,（1）安全（2）降低因机器人构形变化而导致重力引起关节驱动力矩变化的峰值。（3）降低因机器人运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值。（4）减少动力学方程中内部耦合项和非线性项，改进机器人动力特性。（5）减小机械臂结构柔性所引起的不良影响。（6）能使机器人运行稳定，降低地面安装要求。,第4章 工业机器人机械系统设计,图中，L2、L3和G2、G3分别代表下臂和上臂的长度与质心，m2、m3和2、3分别代表它们的质量与转角。m为可移动的平衡质量，它用来平衡下臂和上臂的质量。杆SA、AB与上臂、下臂铰接构成一个平行四边形平衡系统。要使该机构平衡，满足下面两个方程式即可。,平衡与否只与可移动平衡质量m的大小和位置有关，与2、3无关，这说明该平衡系统在机械臂的任何构形下都是平衡的。,返回,第4章 工业机器人机械系统设计,图4-10 工业机器人用的平行四边形平衡机构,第4章 工业机器人机械系统设计, 4.2 工业机器人传动部件设计,一、移动关节导轨及转动关节轴承二、传动件的定位及消隙三、谐波传动四、丝杠螺母副及滚珠丝杠传动五、其它传动,主要内容：,第4章 工业机器人机械系统设计,一、移动关节导轨及转动关节轴承,（一）移动关节导轨,1、要求 移动关节导轨的目的是在运动过程中保证位置精度和导向，对机器人移动导轨要求如下：（1）间隙小或能消除间隙；（2）在垂直于运动方向上的刚度高；（3）摩擦系数低但不随速度变化；（4）高阻尼；（5）移动导轨和其它辅助元件尺寸小，惯量低。,第4章 工业机器人机械系统设计,2、应用实例,图4-11 包容式滚动导轨（a）开式套筒 （b）开式套筒的刚度特性,用支承座支承，可以方便地与任何平面相连，这种情况下，套筒必须是开式的，嵌入在滑枕中，即增强刚度也方便了与其它元件的连接。由于滑枕的影响，套筒各个方向的刚度是不一样的。,第4章 工业机器人机械系统设计,图4-12 固定轴滚动体的滚动导轨,图（a）中，滚子安装在定轴上，移动件3沿垂直立柱5移动，固定轴滚动体2和4支承在移动件的两个凸台上，移动件沿与立柱5相连的导轨1移动。图（b）中，导轨上的三个滚动体7沿移动件6滚动，移动件6的转动是由滚动体8限制的。,第4章 工业机器人机械系统设计,(二) 转动关节轴承,机器人和机械手结构中最常用的是球轴承。,图4-13 基本耐磨球轴承,第4章 工业机器人机械系统设计,二、传动件的定位及消隙,2、传动件的消隙,图4-14 利用插销定位的结构,消除传动间隙的主要途径：提高制造和装配精度；设计可调整传动间隙的机构；设置弹性补偿零件。,第4章 工业机器人机械系统设计,柔性齿轮消隙,图4-16 柔性消隙齿轮(a)钟罩状柔性齿轮 (b)径向柔性齿轮,第4章 工业机器人机械系统设计,对称传动消隙,图4-17 对称传动消隙(a)钟罩状柔性齿轮 (b)径向柔性齿轮,第4章 工业机器人机械系统设计,偏心机构消隙,图4-18 偏心消隙机构,第4章 工业机器人机械系统设计,齿廓弹性覆层消隙,图4-19 齿廓弹性覆层消隙,第4章 工业机器人机械系统设计,三、谐波传动,2、 行星齿轮机构和谐波传动机构,1、机器人对减速器的要求,运动精度高、间隙小，以实现较高的重复定位精度； 回转速度稳定，无波动，运动副间摩擦小，效率高； 体积小，重量轻，传动扭矩大。,第4章 工业机器人机械系统设计,图4-20 行星齿轮传动结构简图,第4章 工业机器人机械系统设计,谐波传动在运动学上是一种具有柔性齿圈的行星传动。,【一】谐波发生器（简称波发生器）是凸轮（通常为椭圆形）及薄壁轴承组成，随着凸轮转动，薄壁轴承的外环作椭圆形变形运动（弹性范围内）。【二】刚轮是刚性的内齿轮。 【三】柔轮是薄壳形元件，具有弹性的外齿轮。 以上三个构件可以任意固定一个，成为减速传动及增速传动，或者发生器、刚轮主动，柔轮从动，成为差动机构（即转动的代数合成）。,第4章 工业机器人机械系统设计,图4-21 谐波传动结构简图,播放,第4章 工业机器人机械系统设计,选型时就确定以下三项参数： (1) 传动比或输出转速（r/min) (2) 减速机输入功率（kw) (3) 额定输入转速（r/min),谐波传动的特点：优点：尺寸小、惯量低；传动精度高；传动侧隙小；具有高阻尼特性。缺点：柔轮的疲劳问题；扭转刚度低；以输入轴速度2、4、6倍的啮合频率产生振动；刚度比行星齿轮差。,谐波传动装置广泛应用在机器人驱动方面！, 北京谐波传动技术研究所,第4章 工业机器人机械系统设计,四、丝杠螺母副及滚珠丝杠传动,第4章 工业机器人机械系统设计,滚珠丝杠螺母副的优点：传动效率高，摩擦损失小运动平稳无爬行传动精度高，反向时无空程 磨损小 精度保持性好，使用寿命长。具有运动的可逆性,2、特点,滚珠丝杠螺母副的缺点：制造成本高必须增加制动装置,第4章 工业机器人机械系统设计,滚珠丝杠副间隙的调整（1）,消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使每个螺母中的滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧。,3、滚珠丝杠副间隙的调整,第4章 工业机器人机械系统设计,滚珠丝杠副间隙的调整（2）,双螺母垫片式消隙 如图所示，此种形式结构简单可靠、刚度好，应用最为广泛。,图例 双螺母垫片调整法1（中间加垫片）,第4章 工业机器人机械系统设计,图例 双螺母垫片调整法2（端部加垫片）,第4章 工业机器人机械系统设计,滚珠丝杠副间隙的调整（3）,双螺母螺纹式消隙 如图所示，利用一个螺母上的外螺纹，通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整好后用另一个圆螺母锁紧。,图例 双螺母螺纹消隙,第4章 工业机器人机械系统设计,滚珠丝杠副间隙的调整（4）,齿差式消隙 如图所示，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为Z1、Z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量为：式中Z1、Z2为齿轮的齿数，Ph为滚珠丝杠的导程。,第4章 工业机器人机械系统设计,图例 齿差式消隙,第4章 工业机器人机械系统设计,一端装止推轴承(固定自由式) 如图a所示。一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承(固定支承式) 如图b所示。两端装推力轴承（单推单推式或双推单推式） 如图c所示。两端装双重止推轴承及深沟球轴承(固定固定式) 如图d所示。,4、滚珠丝杠副的支承方式,图例 滚珠丝杠副支承方式,图4-23 丝杠螺母传动的手臂升降机构,5、滚珠丝杠传动,第4章 工业机器人机械系统设计,五、其它传动,活塞缸和齿轮齿条机构,链传动、皮带传动、绳传动,钢带传动,图4-27 钢带传动,end,第4章 工业机器人机械系统设计, 4.3 臂部设计,一、臂部设计的基本要求,刚度要求高 常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢或槽钢作支承板。导向性要好 设计导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。 重量要轻 减小臂部运动部分的重量。运动要平稳、定位精度要高 设计上结构紧凑、重量轻，还要采用一定形式的缓冲措施。,第4章 工业机器人机械系统设计,二、手臂的常用结构,1、手臂直线运动机构 机器人手臂的伸缩、升降及横向(或纵向)移动均属于直线运动, 而实现手臂往复直线活塞和连杆机构等运动的机构形式较多,常用的有活塞油(气)缸、 齿轮齿条机构、 丝杠螺母机构等。,第4章 工业机器人机械系统设计,图4-28 双导向杆手臂的伸缩结构,直线往复运动可采用液压或气压驱动的活塞油(气)缸。 由于活塞油 (气)缸的体积小,重量轻, 因而在机器人手臂结构中应用较多。 图4-28所示为双导向杆手臂的伸缩结构。手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端, 当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时, 则推动活塞杆2(即手臂)做往复直线移动。 导向杆3在导向套4内移动,以防手臂伸缩时的转动(并兼作手腕回转缸6及手部7的夹紧油缸用的输油管道)。由于手臂的伸缩油缸安装在两根导向杆之间,由导向杆承受弯曲作用, 活塞杆只受拉压作用, 故受力简单,传动平稳,外形整齐美观, 结构紧凑。,第4章 工业机器人机械系统设计,2、手臂回转运动机构 实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的,常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构和连杆机构等。,例1：下面以齿轮传动机构中活塞缸和齿轮齿条机构为例说明手臂的回转。,下面举2个例子：,第4章 工业机器人机械系统设计,图4-28 手臂升降和回转运动的结构,齿轮齿条机构是通过齿条的往复移动,带动与手臂联接的齿轮作往复回转, 即可实现手臂的回转运动。带动齿条往复移动的活塞缸可以由压力油或压缩气体驱动。图4-28所示为手臂作升降和回转运动的结构。,第4章 工业机器人机械系统设计,例2 采用活塞缸和连杆机构的一种双臂机器人手臂,图4-29 双臂机器人的手臂结构,手臂的上下摆动由铰接活塞油缸和连杆机构来实现。 当铰接活塞油缸1的两腔通压力油时, 通过连杆2带动曲杆3(即手臂)绕轴心O做90的上下摆动(如双点划线所示位置)。 手臂下摆到水平位置时, 其水平和侧向的定位由支承架4上的定位螺钉6和5来调节。此手臂结构具有传动结构简单、凑紧和轻巧等特点。,第4章 工业机器人机械系统设计,3. 手臂俯仰运动机构机器人手臂的俯仰运动一般采用活塞油(气)缸与连杆机构联用来实现。手臂的俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方, 其活塞杆和手臂用铰链连接, 缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱联接, 如图4-30、图4-31所示。,图4-30 手臂俯仰驱动缸安置示意图,第4章 工业机器人机械系统设计,图4-31 铰接活塞缸实现手臂俯仰运动结构示意图,第4章 工业机器人机械系统设计,大作业： 综合运用所学知识,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。原始数据：自动线上有，两条输送带之间距离为1.5m，需设计工业机器人将一零件从A带送到B带。零件尺寸：内孔100，壁厚10，高100。零件材料：45钢。,第4章 工业机器人机械系统设计, 4.4 手腕设计,Roll : 手腕的翻转, 用R表示; Pitch : 手腕的俯仰, 用P表示; Yaw : 手腕的偏转, 用Y表示。,(a)手腕的翻转 (b)手腕的俯仰 (c) 手腕的偏转 (d)腕部坐标系图 4-32手腕的自由度,第4章 工业机器人机械系统设计,注意： 腕部实际所需要的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。 手腕的大小和重量是手腕设计时要考虑的关键问题，要紧凑的结构，合理的自由度。,第4章 工业机器人机械系统设计,主要内容： 手腕的分类 手腕的典型结构 手腕部结构设计举例,第4章 工业机器人机械系统设计,一、手腕的分类,1、按自由度数目来分类2、按驱动方式分类,第4章 工业机器人机械系统设计,单自由度手腕,(a) R手腕； (b) 、(c) B手腕； (d) T手腕 图 4-33 单自由度手腕,第4章 工业机器人机械系统设计,(2) 二自由度手腕,（a）BR手腕； (b) BB手腕; (c) RR手腕图 4-34 二自由度手腕,第4章 工业机器人机械系统设计,(3) 三自由度手腕,BBR手腕; (b) BRR手腕; (c) RRR手腕; (d) BBB手腕图 4-35 三自由度手腕,第4章 工业机器人机械系统设计,2、按驱动方式分类,（1）直接驱动手腕,图 4-36 液压直接驱动BBR手腕 ,第4章 工业机器人机械系统设计,（2）远距离传动手腕,图 4-37 远距离传动RBR手腕 ,第4章 工业机器人机械系统设计,二、手腕的典型结构,图4-38 手腕回转和左右摆动的结构图,图4-39 PT600型弧焊机器人手腕部结构图和传动原理图,图4-40 KUKA IR-662100型机器人的手腕传动原理图,图4-41 手腕部分的装配图,第4章 工业机器人机械系统设计,图 4-26 手腕回转和左右摆动的结构图,第4章 工业机器人机械系统设计,图 4-27 PT-600型弧焊机器人手腕结构图,第4章 工业机器人机械系统设计,第4章 工业机器人机械系统设计,第4章 工业机器人机械系统设计,三、手腕部结构设计举例,1、试设计一种BR手腕：,第4章 工业机器人机械系统设计,图4-43 BR手腕设计原理图2,第4章 工业机器人机械系统设计,2、试设计一种RBR手腕：,图4-44 三自由度的RBR手腕原理图,第4章 工业机器人机械系统设计, 4.5 手部设计,一、概述,手部(Hand)也称做末端操作器 (End-effector),是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。,工业机器人手部特点：,二、手部的分类,第4章 工业机器人机械系统设计,1、按用途分,2、按夹持原理分,3、按手指或吸盘数目分,4、按智能化分,第4章 工业机器人机械系统设计,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，释放工件。,工具：是进行某响作业的专用工具，如喷漆枪、焊具等。,图 4-45 平面钳爪夹持零件 ,图 4-46 专用工具（喷枪、焊具） ,第4章 工业机器人机械系统设计,2、按夹持原理分,手爪,机械手爪,磁力吸盘(无指手爪),真空式吸盘(无指手爪),注：机械类手爪有靠摩擦力夹持和吊钩承重两类，前者是有指手爪，后者是无指手爪。,第4章 工业机器人机械系统设计,3、按手指或吸盘数目分,机械手爪可分为：二指手爪、多指手爪,机械手爪按手指关节分：单关节手指手爪、多关节手指手爪,吸盘式手爪按吸盘数目分：单吸盘式手爪、多吸盘式手爪。,图 4-47 三爪手指 ,第4章 工业机器人机械系统设计,4、按智能化分,（1）普通式手爪 不具备传感器。（2）智能化手爪(Intelligent Grippers) 具备一种或多种传感器。,三、手爪设计和选用的要求,手爪设计和选用最主要的是满足功能上的要求，具体来说要从下面几方面进行调查，提出设计参数和要求。,1、被抓握的对象物（几何形状、机械特性）2、物料馈送器或储存装置3、机器人作业顺序4、手爪和机器人匹配5、环境条件,第4章 工业机器人机械系统设计,第4章 工业机器人机械系统设计,四、普通手爪设计,1、机械式手爪设计,（1）驱动,包含驱动、传动、爪钳三部分设计,表4-1 机械式手爪驱动方式比较,1-扇形齿轮；2-齿条； 3-活塞；4-气缸；5-爪钳图4-48 气动手爪,第4章 工业机器人机械系统设计,（2）传动,传动机构是驱动源和爪钳之间力的传递者。机械式手爪常以传动机构来命名。,（a）齿轮齿条式手爪； （b)拨杆杠杆式手爪； （c）滑槽式手爪； （d）重力式手爪；图4-49 四种手爪传动机构,注意：有运动要求和夹紧力要求。,第4章 工业机器人机械系统设计,（3）爪钳,爪钳是与工件直接接触的部分，其形状和材料对夹紧力有很大影响。,第4章 工业机器人机械系统设计,2、磁力吸盘设计(自学),磁力吸盘要求工件表面清洁、平整、干燥，以