工业机器人操作机的结构及设计课件

1、工业机器人操作机的结构及设计 01 机电班 袁媛 工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长

2、的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。本文主要介绍操作机的结构及其设计原则。一操作机的不同结构及其特点 1直角坐标型操作机 这类操作机的手部在空间三个相互垂直的方向X、Y、Z上作移动运动，运动是独立的，如图1a所示。其控制简单，运动直观性强，易达到高精度，但操作灵活性差，运动的速度较低，操作范围较小而占据的空间相对较大。2圆柱坐标型操作机 这类操作机在水平转台上装有立柱，水平臂可沿立柱上

3、下运动并可在水平方向伸缩，如图1b所示。其工作范围较大，运动速度较高，但随着水平臂沿水平方向伸长，其线位移分辨精度越来越低。 3球坐标型操作机 也称极坐标型操作机，工作臂不仅可绕垂直轴旋转，还可绕水平轴作俯仰运动，且能沿手臂轴线作伸缩运动，如图12c所示。其操作比圆柱坐标型更为灵活，并能扩大机器人的工作空间，但旋转关节反映在未端执行器上的线位移分辨率是一个变量。4关节型操作机 这类操作机由多个关节联接的机座、大臂、小臂和手腕等构成，大小臂既可在垂直于机座的平面内运动，也可实现绕垂直轴的转动，如图1d所示。其操作灵活性最好，运动速度较高，操作范围大，但精度受手臂位姿的影响，实现高精度运动较困难。

4、 二操作机腰部、臂部和腕部结构 1.腰部结构 操作机腰部包括机座和腰关节，机座承受机器人全部重量，要有足够的强度和刚度，一般用铸铁或铸钢制造，机座要有一定的尺寸以保证操作机的稳定，并满足驱动装置及电缆的安装。腰关节是负载最大的运动轴，对末端执行器运动精度影响最大，故设计精度要求高。腰关节的轴可采用普通轴承的支承结构，图1所示为PUMA机器人腰部结构。其优点是结构简单、安装调整方便，但腰部高度较高。现在大多数机器人的腰关节均采用大直径交叉滚子轴承支承的结构，既可使机座高度大大降低，又具有更好的支承刚度。 3腕部结构 腕部用来连接操作机手臂和末端执行器，并决定末端执行器在空间里的姿态。腕部一般应有

5、23个自由度，结构要紧凑，质量较小，各运动轴采用分离传动。图3a所示为P-100机器人腕部结构（其中，轴1轴3为手臂轴，未画出）是一种典型的3轴分立型式，图3b为JRS-80机器人的手腕原理图，本图是类似P100典型手腕的实际结构的一种型式。 三操作机整机设计原则和设计方法1. 操作机整机设计原则 （1）最小运动惯量原则 由于操作机运动部件多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动，采用最小运动惯量原则，可增加操作机运动平稳性，提高操作机动力学特性。为此，在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下，尽量减小运动部件的质量，并注意运动部件对转轴的质心配置。 （2）尺度规划优化原则当设计要求满足一定工作

6、空间要求时，通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸，这将有利于操作机刚度的提高，使运动惯量进一步降低。 （3）高强度材料选用原则 由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。 （4）刚度设计的原则 操作机设计中，刚度是比强度更重要的问题，要使刚度最大，必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。 （5）可靠性原则 机器人操作机因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。一般来说，元器件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整机的可靠性。可以通过概率设计方法设

7、计出可靠度满足要求的零件或结构，也可以通过系统可靠性综合方法评定操作机系统的可靠性。 （6）工艺性原则 机器人操作机是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理的结构设计而无良好的工艺性，必然导致操作机性能的降低和成本的提高。（2）确定设计要求1）负载：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人的负载。一般喷漆和弧焊机器人的负载为56kg。2）精度：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人未端的最大复合速度和机器人各单轴的最大角速度。 3）精度：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人的重复定位精度、如弧焊机器人的重复定位精度为0.4mm，ABB公司开发的Model 5003型喷漆机器人的重复定位精度为1mm。同时要确定构成机器人的零件的精度、臂体的尺寸精度、形位精度和传动链的间隙，如齿轮的精度和传动间隙；还要确定机器人上所用的元器件的精度，如减速器的传动精度、轴承的精度等等。 4）示教方式：根据用户工作对象和工作任务的要求，确定机器人的示教方式。 5）工作空间：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外