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Ⅳ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4.1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4Ⅳ机械制造装备设计大连理工大学机械工程学院4.1.1工业机器人的定义及工作原理（一）机器人的定义我国国家标准GB/T12643——90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”。Ⅳ（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44.1概述Ⅳ机械制造装备设计大连理工大学机械工程学院4.1.2工业机器人的构成及分类工业机器人的构成：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4.1.2工业机器人的构成及分类操作机由末端执行器、手腕、手臂及机座组成。Ⅳ图4-1工业机器人系统的组成1—机座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4.1.2工业机器人的构成及分类Ⅳ图4-2PUMA机器人操作机a)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4.1.2工业机器人的构成及分类Ⅳ（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4.1.2工业机器人的构成及分类图4-3机器人的机械结构类型：a)关节型b)球坐标型c)圆柱坐标型d)直角坐标型Ⅳ机械制造装备设计大连理工大学机械工程学院4.1.2工业机器人的构成及分类•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Ⅳ机械制造装备设计大连理工大学机械工程学院4.1.2工业机器人的构成及分类3、机器人按控制方式分类Ⅳ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4.1.2工业机器人的构成及分类Ⅳ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4.1.2工业机器人的构成及分类Ⅳ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4.1.2工业机器人的构成及分类Ⅳ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44.1概述Ⅳ机械制造装备设计大连理工大学机械工程学院4.1.3工业机器人的主要特性表示方法（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。Ⅳ机械制造装备设计大连理工大学机械工程学院4.1.3工业机器人的主要特性表示方法Ⅳ（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4-6机器人的工作空间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44.1概述Ⅳ机械制造装备设计大连理工大学机械工程学院4.1.4工业机器人的设计方法（一）总体设计：Ⅳ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4.2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3Ⅳ机械制造装备设计大连理工大学机械工程学院4.2.1工业机器人的手臂和机座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。Ⅳ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2~3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4.2.1工业机器人的手臂和机座Ⅳ（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4.2.1工业机器人的手臂和机座Ⅳ2、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4.2.1工业机器人的手臂和机座Ⅳ（二）典型结构1、液压驱动圆柱坐标型机器人手臂结构（图4-22），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4.2.1工业机器人的手臂和机座Ⅳ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4-23）。GMFM-100型机器人手臂。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4.2.1工业机器人的手臂和机座Ⅳ图4-24采用环形轴承的机器人机座结构1—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4.2.1工业机器人的手臂和机座Ⅳ图4-25薄壁密封交叉滚子轴承的安装方式a)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4.2.1工业机器人的手臂和机座Ⅳ图4-26用普通轴承的机座支撑机构1—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4.2.1工业机器人的手臂和机座ⅣPUMA机器人手臂的结构图（4-27）（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4.2.1工业机器人的手臂和机座Ⅳ带谐波减速器的机器人手臂关节结构图（4-29）。（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3Ⅳ4.2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4.2.2工业机器人的手腕Ⅳ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4-30手腕自由度1—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Ⅳ（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。4.2.2工业机器人的手腕机械制造装备设计大连理工大学机械工程学院Ⅳ（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。4.2.2工业机器人的手腕图4-31用摆动液压缸驱动的手腕1—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Ⅳ具有两个自由度的机械传动手腕结构。4.2.2工业机器人的手腕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Ⅳ具有三个自由度的机械传动手腕结构。4.2.2工业机器人的手腕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Ⅳ4.2.2工业机器人的手腕（1）手爪回转运动：当B、T轴不动，S轴以ns转动时：snzzzzzzn6417527（2）手腕偏摆运动及其诱导运动：当B、S轴不动，T轴以nT转动时，手爪回转运动n7,和手腕俯仰运动n9,Tnzzzzzzn2573467，Tnzzzzn14111312,9（3）手腕俯仰运动及其诱导运动：当S、T轴不动，B轴以nB转动时，驱动壳体9实现俯仰运动n9Bnzzzzn141115129Tnzzzzzzn1411715126,,,7Bnzzzzzzn1411715126,,7机械制造装备设计大连理工大学机械工程学院Ⅳ偏置三自由度机械传动手腕结构。4.2.2工业机器人的手腕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ⅣCINCINNATTIMILACRON三转轴手腕结构4.2.2工业机器人的手腕a)手腕结构装配图b