工业机器人2

第二章工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.1工业机器人总体设计机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析与技术设计。系统分析明确机器人的目的和任务分析机器人所在系统的工作环境、机器人与已有设备的兼容性确定机器人的基本功能和设计方案，确定具体技术指标进行必要调查研究工业机器人机械系统设计2.1工业机器人总体设计机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析与技术设计。技术设计基本参数：自由度，作业范围，运动速度，承载能力，定位精度。:基本参数、运动形式、传感系统、控制方案、机械结构运动形式：直角坐标，圆柱坐标，球（极）坐标，关节坐标，SCARA。检测传感系统方案，控制系统方案。机械结构设计。工业机器人机械系统设计2.2驱动机构驱动机构用于将驱动元件的运动传递到机器人的关节和动作部位。分为直线驱动机构和旋转驱动机构。工业机器人机械系统设计液压驱动方式易获得较大推力或扭矩工作平稳、位置精度高易实现力、速度、方向自动控制机械效率高，使用寿命长油液黏度随温度变化影响工作性能，易燃易爆液体易泄漏需要专门的供油系统优点不足2.2.1驱动方式工业机器人机械系统设计气压驱动方式空气黏度小，易达到高速使用安全，适用于恶劣工作环境价格低廉能实现过载保护单位体积能提供的动力小工作平稳性差，位置精度低除水麻烦噪声污染优点不足工业机器人机械系统设计利用电动机直接驱动机械传动装置。能源简单、使用方便、机构速度变化范围大、机械效率高、位置精度高，噪声低。电气驱动步进电机伺服电机直流伺服电机交流伺服电机电气驱动方式工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2驱动机构工业机器人机械系统设计2.2驱动机构常用的直线驱动机构包括：齿轮齿条装置齿条(4)固定，齿轮(3)转动时拖板(1)沿着齿条方向做直线运动。该装置的回差较大。2.2.2直线驱动机构工业机器人机械系统设计普通丝杠采用一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿着丝杠轴向移动，从而将丝杠的旋转运动转化成螺母的直线运动。传动效率低、精度低、回差大。工业机器人机械系统设计滚珠丝杠-滚动螺旋传动是在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间放入适当的滚珠，使其由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋传动。-滚珠在工作过程中顺螺旋槽(滚道)滚动，故必须设置滚珠的返回通道，才能循环使用。为了消除回差(空回)，螺母分成两段，以垫片、双螺母或齿差调整两段螺母的相对轴向位置，从而消除间隙和施加预紧力，使回差为零。工业机器人机械系统设计滚珠丝杠工作特点工业机器人机械系统设计液压(气压)缸将液压泵(或空气压缩机)输出的压力能转换为机械能，驱动执行构件做直线往复运动。工业机器人机械系统设计2.2驱动机构2.2.3旋转驱动机构齿轮链由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构，可以传递运动角位移和角速度，也可以传递力和力矩。常用的旋转驱动机构包括：工业机器人机械系统设计齿轮链特点(1)齿轮链的引入会减小系统等效转动惯量，使电动机的响应时间缩短，使伺服系统易于控制。输出轴等效到输入轴上的等效转动惯量与输入/输出齿轮齿数比的平方成正比。(2)齿轮间隙误差将导致机器人手臂的定位误差增加，若不采取补偿措施还会引起伺服系统的不稳定。工业机器人机械系统设计2.2驱动机构常用的旋转驱动机构包括：同步皮带用于传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动。同步皮带的传动比计算公式为：2112nzinz工业机器人机械系统设计同步皮带同步皮带传动的优点在于：传动时无滑动，传动比精确，传动平稳；速比范围大；初始拉力小，轴及轴承不易过载。同步皮带传动的限制在于：对传动机构的制造及安装要求严格，对皮带的材料要求较高，故成本较高。同步皮带传动是低惯性传动，适合于电动机和高减速比减速器之间的传动。谐波齿轮结构简单，体积、质量小；传动比范围大；运动精度高，承载能力大；运动平稳，无冲击，噪声小；齿侧间隙可以调整。i=Z2-Z1/Z2结构-摆线针轮减速机全部传动装置可分为三部分：输入部分、减速部分、输出部分。输入：1、输入轴2、180°偏心轮3、滚柱轴承减速：1、摆线轮2、针齿轮3、针齿销（套）输出：1、内柱销（套）2、输出轴摆线针轮减速器摆线轮180°的双偏心轴输入轴针轮销输出轴摆线针轮减速器减速原理-当输入轴带着偏心套转动一周时，由于摆线轮上齿廓曲线的特点及其受针齿轮上针齿限制之故，摆线轮的运动成为即有公转又有自转的平面运动，在输入轴正转一周时，偏心套亦转动一周，摆线轮于相反方向上转过一个齿差从而得到减速，将摆线轮的低速自转运动通过销轴，传递给输出轴，从而获得较低的输出转速。传动比范围大i=31~171运动精度高、回差小、刚度大、抗冲击能力强体积小、结构紧凑传动效率高0.850.92~五自由度工业机器人•各关节运动的实现：•腕部的旋转：•电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5•腕部俯仰：•电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4•肘关节摆动：•电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动n3•肩关节的摆动：•电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2工业机器人机械系统设计2.3机身和臂部设计工业机器人主要由三大部分构成：机身(立柱)、臂部(包括手腕)、手部。若是固定式，则固定机座一般与机身为一体；若是移动式，则还需要一个行走机构。机身是连接、支撑手臂及行走机构的部件，用于安装臂部的驱动装置或传动装置。臂部机器人的主要执行部件，用于支撑腕部和手部，带动手及腕在空间运动。工业机器人机械系统设计2.3机身和臂部设计(1)机身设计机身一般用于实现升降、回转和俯仰等运动，通常有1~3个自由度。机身结构一般由机器人的坐标形式来确定：圆柱坐标型：回转、升降自由度；球坐标型：回转、俯仰自由度；关节坐标型：回转自由度；直角坐标型：升降或水平移动自由度。2.3机身和臂部设计(1)机身设计机身做垂直运动时，除了需要克服摩擦力之外，还要克服运动部件的重力及惯性力。故，驱动力Fq计算如下：垂直升降运动的驱动力qmgFFFGFm为各支撑处的摩擦力；Fg为启动时的总惯性力；G为运动构件总重力。工业机器人机械系统设计2.3机身和臂部设计(1)机身设计回转运动的驱动力矩包括：回转部件的摩擦总力矩和运动构件的总惯性力矩。故，驱动力矩Mq计算如下：回转运动驱动力矩Mm为总摩擦阻力矩；Mg为总惯性力矩，且有：qmgMMM0gMJt工业机器人机械系统设计2.3机身和臂部设计(1)机身设计机器人手臂偏重力矩为：升降立柱下降不卡死的条件Gi为零部件及工件的重量；Li为零部件及工件重心到机身回转轴的距离。若偏重力矩过大，会使支承导向套与立柱之间的摩擦力过大，依靠自重下降则立柱可能卡死在导向套内出现自锁。iiiiiGLMGLGGLG工业机器人机械系统设计2.3机身和臂部设计(1)机身设计为防止自锁必须根据偏重力矩来确定导向套的长度。根据平衡条件可知：升降立柱下降不开死的条件112NNNLFhGLFFGh要使升降立柱在导套内自由下降，臂部总重量G必须大于导套与立柱间的摩擦力，因此不卡死的条件为：121222mmNLGFFFfGfhfLh工业机器人机械系统设计2.3机身和臂部设计(1)机身设计为保证机器人工作过程中的灵活性和准确性，还必须注意以下几点：机身要有足够的刚度、强度和稳定性；运动要灵活，用于实现升降运动的导向套长度不宜过短，以免发生卡死现象；驱动方式要适宜；结构布置要合理。工业机器人机械系统设计2.3机身和臂部设计(2)臂部设计工业机器人的臂部由大臂、小臂(或多臂)所组成，一般具有2~3个自由度，完成伸缩、回转、俯仰或升降动作，是工业机器人的主要执行部件，用于支撑手部和腕部，并改变手部的空间位置。臂部运动部分零件直接影响臂部结构的刚度和强度，同时由于其承受运动过程中的动、静载荷和惯性力较大，还影响着机器人定位的准确性。工业机器人机械系统设计2.3机身和臂部设计(2)臂部设计臂部结构的形式取决于机器人的运动形式、抓取动作自由度和运动精度等。一般需要注意以下几点要求：具有足够的承载能力和刚度；导向性要好；重量和转动惯量要小；运动要平稳、定位精度要高。臂部的设计要求工业机器人机械系统设计手臂直线运动结构机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。为了使手臂移动的距离和速度有定值的增加，可以采用齿轮齿条传动的增倍机构。工业机器人机械系统设计手臂回转运动结构图为利用齿轮齿条液压缸实现手臂回转运动的机构。压力油分别进入液压缸两腔，推动齿条活塞做往复移动，与齿条啮合的齿轮即做往复回转运动。齿轮与手臂固连，从而实现手臂的回转运动。工业机器人机械系统设计手臂回转运动结构图为采用活塞杆和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构。当液压缸1的两腔通压力油时，连杆2带动曲柄3绕轴心O作90°的上、下摆动。手臂摆到水平位置时，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。工业机器人机械系统设计机器人手腕是工业机器人小臂(上臂)和末端执行器(手爪)之间的联接部件。其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端执行器的姿态。故手腕也称作机器人的姿态机构。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕部运动的三个自由度，分别称为手腕的回转R、手腕的俯仰P和手腕的摆动Y。并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据实际使用的工作性能要求来确定。1.结构紧凑、重量轻；2.动作灵活、平稳，定位精度高；3.强度、刚度高；4.合理连接结构，传感器和驱动装置的合理布局及安装等；5.要适应工作环境的需要。1.按自由度数目来分手腕按自由度数目来分,可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。如图所示。图(a)是一种回转关节,它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴形式。这种R关节旋转角度大,可达到360°以上。图(b)、(c)是一种俯仰、摆动关节(简称B关节),关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直。这种B关节因为受到结构上的干涉,旋转角度小,大大限制了方向角。图(d)所示为移动关节。(1)单自由度手腕2.4.2手腕的分类SCARA机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度。手腕转动的目的在于调整装配件的方位。其传动系统设计使大、小臂的转动不影响末端执行器的水平方位，该方位的调整完全取决于腕转动的驱动电机，特别适合于电子线路板的插接等作业。(2)二自由度手腕如图所示。二自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节组成BR手腕(见图(a))，也可以由两个B关节组成BB手腕(见图(b))。但是,不能由两个R关节组成RR手腕,因为两个R共轴线,所以退化了一个自由度,实际只构成了单自由度手腕(见图(c))。链轮5锥齿轮3相联，通过齿轮副带动末杆自转；链轮7与壳体10相联，使末杆摆动，从而形成两个自由度。汇交式两自由度手腕1-法兰；2-锥齿轮轴；3-锥齿轮；8、4-弹簧；5、1-链轮；6、9-轴承；10-转壳偏置式两自由度手腕1-法兰；2-转壳；3、6-轴-齿轮；4-小臂；5-、7-链轮；8-链；9、10-弹簧(3)三自由度手腕三自由度手腕是在两自由度手腕的基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度而形成的。三自由度手腕是“万向”型手腕，结构形式繁多，可以完成两自由度手腕很多无法完成的作业。大多数关节型机器人都采用三自由度手腕。三个R关节组成的RRR手腕,它也可以实现手部RPY运动。RBR手腕BBR手腕,使手部具有俯仰、偏转和翻转运动,即RPY运动。BRR手腕,为了不使自由度退化,使手部产生RPY运动,第一个R关节必须进行如图所示的偏置。1.按驱动方式分类1）直接驱动手腕2）远距离传动驱动手腕远距离驱动的二自由度BR手腕•回转运动：轴S旋转→锥齿轮副Z1、Z2→锥齿轮副Z3、Z4→手腕与锥齿轮Z4为一体→手腕实现绕C轴的旋转运动俯仰回转轮系驱动的二自由度BR手腕•俯仰运动：轴B旋转→锥齿轮副Z5、Z6→轴A旋转→手腕