工業(yè)機器人第四章工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計.ppt

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1、第四章 工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設(shè)計,,主要內(nèi)容,1、工業(yè)機器人總體設(shè)計 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 傳動方式選擇 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計 材料選擇 平衡系統(tǒng)設(shè)計 2、傳動部件設(shè)計 移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌及轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)軸承 傳動件的定位及消隙 諧波傳動 絲杠螺母副及其滾珠絲杠傳動 其它傳動,3、臂部設(shè)計 臂部設(shè)計的基本要求 手臂的常用結(jié)構(gòu) 臂部運動驅(qū)動力計算 4、手腕設(shè)計 概述 手腕分類 手腕設(shè)計舉例,主要內(nèi)容,5、手部設(shè)計 概述 手部分類 手爪設(shè)計和選用的要求 普通手爪設(shè)計 6、機身及行走機構(gòu)設(shè)計 機身設(shè)計 行走機構(gòu)設(shè)計,一 工業(yè)機器人總體設(shè)計,主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 關(guān)鍵是選擇由連桿件和運動副組成的坐標形式 工業(yè)機器人的坐標形式 直角坐標機

2、器人 主體結(jié)構(gòu)有三個自由度，全為伸縮 圓柱坐標機器人 主體結(jié)構(gòu)有三個自由度，腰轉(zhuǎn)、升降、伸縮 球面坐標機器人 主體結(jié)構(gòu)有三個自由度，轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)動和伸縮 關(guān)節(jié)坐標機器人 主體結(jié)構(gòu)有三個自由度，全為轉(zhuǎn)動,一 工業(yè)機器人總體設(shè)計,傳動方式選擇 選擇驅(qū)動源和傳動裝置與關(guān)節(jié)部件的連接、驅(qū)動方式 工業(yè)機器人的傳動形式,一 工業(yè)機器人總體設(shè)計,模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計 模塊化工業(yè)機器人 由一些標準化、系列化的模塊件通過具有特殊功能的結(jié)合部用積木拼搭方式組成的工業(yè)機器人系統(tǒng)。 模塊化工業(yè)機器人的特點 經(jīng)濟性 靈活性 存在的問題 剛度比較差 整體重量偏重 模塊針對性待提高,一 工業(yè)機器人總體設(shè)計,材料的選擇 材料選擇的基本

3、要求 強度高 彈性模量大 重量輕 阻尼大 價格低 結(jié)構(gòu)件材料介紹 碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金等合金材料、纖維增強合金、陶瓷、纖維增強復(fù)合材料、粘彈性大阻尼材料,一 工業(yè)機器人總體設(shè)計,平衡系統(tǒng)設(shè)計 平衡系統(tǒng)的作用 安全 降低因構(gòu)形變化而導(dǎo)致重力引起關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化的峰值 降低因運動而導(dǎo)致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化的峰值 改進動力特性 使運行穩(wěn)定，降低地面安裝要求 平衡系統(tǒng)設(shè)計的主要途徑 質(zhì)量平衡技術(shù) 彈簧力平衡技術(shù) 可控力平衡技術(shù),二 傳動部件設(shè)計,移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌及轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)軸承 移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌 要求 類型：普通滑動導(dǎo)軌、液壓動壓移動導(dǎo)軌、液壓靜壓移動導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌 應(yīng)用實例 轉(zhuǎn)動關(guān)

4、節(jié)軸承 球軸承 專用軸承 特殊材料制作的軸承,動壓導(dǎo)軌：靠導(dǎo)軌之間的相對運動產(chǎn)生的壓力油膜將運動件浮起,把兩個導(dǎo)軌面隔離,形成純液體摩檫，其工作原理與動壓軸承相同,形成導(dǎo)軌面間壓力油膜的條件是:兩導(dǎo)軌面之間應(yīng)有鍥形間隙和一定的相對速度,此外還需要有一定粘度的潤滑油流進鍥形間隙適用于主運動導(dǎo)軌,靜壓導(dǎo)軌：將具有一定壓力的潤滑油,經(jīng)節(jié)流器輸入到導(dǎo)軌面上的油腔,即可形成承載油膜,使導(dǎo)軌面之間處于純液體摩擦狀態(tài). 優(yōu)點是軌運動速度的變化對油膜厚度的影響很??；載荷的變化對油膜厚度的影響很小,摩檫系數(shù)僅為0.005左右,油膜抗振性好。缺點是導(dǎo)軌自身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜需要增加一套供油系統(tǒng)對潤滑油的清潔程度要求很高

5、主要應(yīng)用:精密機床的進給運動和低速運動導(dǎo)軌。,二 傳動部件設(shè)計,傳動件的定位和消隙 傳動件的定位 電氣開關(guān)定位、機械擋塊定位、伺服定位系統(tǒng) 傳動件的消隙 消隙齒輪 柔性齒輪 對稱傳動消隙 偏心機構(gòu)消隙 齒廓彈性覆層消隙,二 傳動部件設(shè)計,減速器 諧波傳動機構(gòu) 行星齒輪機構(gòu),與一般齒輪傳動和蝸桿傳動不同，諧波傳動其工作原理是基于一種變形原理，即通過柔輪變形時其徑向位移和切向位移間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而實現(xiàn)傳動機構(gòu)的力和運動的轉(zhuǎn)換。 諧波齒輪傳動是靠柔性齒輪（柔輪）所產(chǎn)生的可控彈性變形來實現(xiàn)傳遞運動和動力的。它的基本構(gòu)件有：柔輪、波發(fā)生器和剛輪。三個構(gòu)件中可任意固定一個，其余兩個一為主動、一為從動，可實

6、現(xiàn)減速或增速（固定傳動比），也可變換成兩個輸入，一個輸出 ，組成差動傳動。,當剛輪固定，波發(fā)生器為主動，柔輪為從動時，柔輪在橢圓凸輪作用下產(chǎn)生變形，在波發(fā)生器長軸兩端處的柔輪輪齒與剛輪輪齒完全嚙合；在短軸兩端處的柔輪輪齒與剛輪輪齒完全脫開；在波發(fā)生器長軸與短軸區(qū)間，柔輪輪齒與剛輪輪齒有的處于半嚙合狀態(tài)，稱為嚙入；有的則逐漸退出嚙合處于半脫開狀態(tài)，稱為嚙出。由于波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，使得嚙入、完全嚙合、嚙出、完全脫開這四種情況依次變化，循環(huán)不已。由于柔輪比剛輪的齒數(shù)少2 ，所以當波發(fā)生器轉(zhuǎn)動一周時，柔輪向相反方向轉(zhuǎn)過兩個齒的角度，從而實現(xiàn)了大的減速比。,,與一般齒輪傳動比較，它有以下特點：（1）傳

7、動比大，且范圍廣。單級傳動的傳動比為50320，復(fù)波傳動的傳動比可達107。（2）同時參加嚙和的齒數(shù)多，承載能力高。傳遞公稱力矩時，同時參加嚙和的齒數(shù)可達到總齒數(shù)的30%40%。（3）體積小，重量輕。在傳動比和承載條件相同的情況下，諧波齒輪傳動比一般齒輪傳動的體積和重量減小1/31/2左右。（4）運動精度高，回差小。（5）傳動效率高，一般單級傳動效率為70%-90%。（6）可向密閉空間傳遞運動和動力，這一點是其它任何機械傳動無法實現(xiàn),行星減速器的主要特點如下：（1）體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞功率大、承載能力高。由于行星齒輪傳動是一種共軸線式傳動形式，即具有同軸線傳動的特點。在結(jié)構(gòu)上采用了對

8、稱分流傳動結(jié)構(gòu)，即用幾個完全相同的行星輪均勻分布在中心輪圓周來共同分擔載荷，并且合理地應(yīng)用了內(nèi)嚙合，充分地利用了空間的容積，從而縮小了徑、軸向尺寸，使結(jié)構(gòu)緊湊，而承載能力又高。因而行星齒輪傳動在相同功率和傳動比的條件下，可使其外部尺寸和重量只為普通齒輪傳動的1/2-1/6。（2）傳動效率高，工作可靠。行星齒輪傳動由于采用了對稱的分流傳動結(jié)構(gòu)，使作用于中心輪和行星架等主要軸承上的作用力互相平衡，有利于提高傳動效率。（3）傳動比大。適當選擇傳動類型和齒輪齒數(shù)，便可利用少數(shù)幾個齒輪而獲得很大的傳動比。由于行星齒輪傳動具有上述優(yōu)點，故目前行星齒輪減速器不僅適用于告訴大功率，而且在低速大扭矩設(shè)備上也已廣

9、泛應(yīng)用。,三 臂部設(shè)計,臂部設(shè)計的基本要求 剛度高、導(dǎo)向性好、重量輕、運動平穩(wěn)、定位精度高 手臂的常用結(jié)構(gòu) 直線運動機構(gòu) 回轉(zhuǎn)運動機構(gòu) 臂部運動驅(qū)動力計算,四 手腕設(shè)計,概述 手腕可具有的自由度：翻轉(zhuǎn)、俯仰、偏轉(zhuǎn) 設(shè)計的重點是手腕的大小和重量 手腕的分類 按自由度數(shù)目分類 按驅(qū)動方式分類 手腕設(shè)計舉例,五 手部設(shè)計,工業(yè)機器人手部特點 手部與手腕相連處可拆卸 手部是工業(yè)機器人末端操作器 手部的通用性比較差 手部是一個獨立部件 手部的分類 手部設(shè)計和選用要求 普通手爪設(shè)計,手部設(shè)計和選用要求,被抓握的對象物 幾何參數(shù)：工件尺寸；抓握表面數(shù)目、位置和方向；夾持表面間的距離和幾何形狀； 機械特性：質(zhì)

10、量、材料、表面溫度等 物料饋送器或存儲裝置 對手爪必需的最小、最大爪鉗間的距離；必需的夾緊力；其它的不確定因素 機器人作業(yè)順序 手爪和機器人的匹配 手爪的機械接口/手爪自重 環(huán)境條件,普通手爪設(shè)計,機械式手爪設(shè)計 驅(qū)動：氣動、液動、電動 傳動：運動要求和夾緊力要求 爪鉗：形狀、材料、與工件的接觸面積 磁力吸盤設(shè)計 不需夾具，要求工件表面清潔、平整、干燥 只適合對工件要求不高或不考慮剩磁的影響，不適合高溫 真空式吸盤設(shè)計 要求工件表面清潔、平整、干燥、能氣密 各類真空式吸盤舉例,六 機身及行走機構(gòu)設(shè)計,機身設(shè)計 考慮因素：足夠的剛度和穩(wěn)定性、運動靈活、結(jié)構(gòu)布置合理 回轉(zhuǎn)與升降機身 回轉(zhuǎn)與俯仰機身 機身驅(qū)動力（力矩）計算 行走機構(gòu)設(shè)計 各類行走機構(gòu)的簡介,垂直升降運動驅(qū)動力計算, 各支承處的摩擦力 啟動時的總慣性力 運動部件的總重力,回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力計算, 總摩擦阻力矩 各回轉(zhuǎn)運動部件總慣性力矩,升降立柱下降不卡死條件計算, 偏重力臂, 偏重力矩,立柱支撐導(dǎo)套產(chǎn)生的防止手臂傾斜的力矩,不卡死條件,