工业机器人第四章工业机器人结构设计

工业机器人第四章工业机器人结构设计第1页，共32页，2023年，2月20日，星期一主

要

内

容1、工业机器人总体设计主体结构设计传动方式选择模块化结构设计材料选择平衡系统设计2、传动部件设计移动关节导轨及转动关节轴承传动件的定位及消隙谐波传动丝杠螺母副及其滚珠丝杠传动其它传动第2页，共32页，2023年，2月20日，星期一3、臂部设计臂部设计的基本要求手臂的常用结构臂部运动驱动力计算4、手腕设计概述手腕分类手腕设计举例主要内容5、手部设计概述手部分类手爪设计和选用的要求普通手爪设计6、机身及行走机构设计机身设计行走机构设计第3页，共32页，2023年，2月20日，星期一一工业机器人总体设计主体结构设计关键是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式工业机器人的坐标形式直角坐标机器人主体结构有三个自由度，全为伸缩圆柱坐标机器人主体结构有三个自由度，腰转、升降、伸缩球面坐标机器人主体结构有三个自由度，转动、转动和伸缩关节坐标机器人主体结构有三个自由度，全为转动第4页，共32页，2023年，2月20日，星期一一工业机器人总体设计传动方式选择选择驱动源和传动装置与关节部件的连接、驱动方式工业机器人的传动形式传动形式特征优点缺点直接连结传动直接装在关节上结构紧凑需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大远距离连结传动经远距离传动装置与关节相连不需考虑电机自重，平衡性良好额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大间接传动经速比远>1的传动装置与关节相连经济、对载荷变化不敏感、便于制动设计、方便一些运动转换传动精度低、结构不紧凑、引入误差，降低可靠性直接驱动不经中间关节或经速比=1的传动装置与关节相连传动精度高，振动小，传动损耗小，可靠性高，响应快控制系统设计困难，对传感元件要求高，成本高第5页，共32页，2023年，2月20日，星期一一工业机器人总体设计模块化结构设计模块化工业机器人由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。模块化工业机器人的特点经济性灵活性存在的问题刚度比较差整体重量偏重模块针对性待提高第6页，共32页，2023年，2月20日，星期一一工业机器人总体设计材料的选择材料选择的基本要求强度高弹性模量大重量轻阻尼大价格低结构件材料介绍碳素结构钢、合金结构钢、铝合金等合金材料、纤维增强合金、陶瓷、纤维增强复合材料、粘弹性大阻尼材料第7页，共32页，2023年，2月20日，星期一一工业机器人总体设计平衡系统设计平衡系统的作用安全降低因构形变化而导致重力引起关节驱动力矩变化的峰值降低因运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值改进动力特性使运行稳定，降低地面安装要求平衡系统设计的主要途径质量平衡技术弹簧力平衡技术可控力平衡技术第8页，共32页，2023年，2月20日，星期一二传动部件设计移动关节导轨及转动关节轴承移动关节导轨要求类型：普通滑动导轨、液压动压移动导轨、液压静压移动导轨、气浮导轨、滚动导轨应用实例转动关节轴承球轴承专用轴承特殊材料制作的轴承第9页，共32页，2023年，2月20日，星期一动压导轨：靠导轨之间的相对运动产生的压力油膜将运动件浮起,把两个导轨面隔离,形成纯液体摩檫，其工作原理与动压轴承相同,形成导轨面间压力油膜的条件是:两导轨面之间应有锲形间隙和一定的相对速度,此外还需要有一定粘度的润滑油流进锲形间隙

适用于主运动导轨静压导轨：将具有一定压力的润滑油,经节流器输入到导轨面上的油腔,即可形成承载油膜,使导轨面之间处于纯液体摩擦状态.优点是轨运动速度的变化对油膜厚度的影响很小；载荷的变化对油膜厚度的影响很小,摩檫系数仅为0.005左右,油膜抗振性好。缺点是导轨自身结构比较复杂需要增加一套供油系统对润滑油的清洁程度要求很高主要应用:精密机床的进给运动和低速运动导轨。第10页，共32页，2023年，2月20日，星期一二传动部件设计传动件的定位和消隙传动件的定位电气开关定位、机械挡块定位、伺服定位系统传动件的消隙消隙齿轮柔性齿轮对称传动消隙偏心机构消隙齿廓弹性覆层消隙第11页，共32页，2023年，2月20日，星期一二传动部件设计减速器谐波传动机构行星齿轮机构第12页，共32页，2023年，2月20日，星期一第13页，共32页，2023年，2月20日，星期一与一般齿轮传动和蜗杆传动不同，谐波传动其工作原理是基于一种变形原理，即通过柔轮变形时其径向位移和切向位移间的转换关系，从而实现传动机构的力和运动的转换。谐波齿轮传动是靠柔性齿轮（柔轮）所产生的可控弹性变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、波发生器和刚轮。三个构件中可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，可实现减速或增速（固定传动比），也可变换成两个输入，一个输出，组成差动传动。第14页，共32页，2023年，2月20日，星期一当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮的齿数少2，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。第15页，共32页，2023年，2月20日，星期一与一般齿轮传动比较，它有以下特点：

（1）传动比大，且范围广。单级传动的传动比为50~320，复波传动的传动比可达107。

（2）同时参加啮和的齿数多，承载能力高。传递公称力矩时，同时参加啮和的齿数可达到总齿数的30%~40%。

（3）体积小，重量轻。在传动比和承载条件相同的情况下，谐波齿轮传动比一般齿轮传动的体积和重量减小1/3~1/2左右。

（4）运动精度高，回差小。

（5）传动效率高，一般单级传动效率为70%-90%。

（6）可向密闭空间传递运动和动力，这一点是其它任何机械传动无法实现第16页，共32页，2023年，2月20日，星期一行星减速器的主要特点如下：

（1）体积小、重量轻、结构紧凑、传递功率大、承载能力高。由于行星齿轮传动是一种共轴线式传动形式，即具有同轴线传动的特点。在结构上采用了对称分流传动结构，即用几个完全相同的行星轮均匀分布在中心轮圆周来共同分担载荷，并且合理地应用了内啮合，充分地利用了空间的容积，从而缩小了径、轴向尺寸，使结构紧凑，而承载能力又高。因而行星齿轮传动在相同功率和传动比的条件下，可使其外部尺寸和重量只为普通齿轮传动的1/2-1/6。

（2）传动效率高，工作可靠。行星齿轮传动由于采用了对称的分流传动结构，使作用于中心轮和行星架等主要轴承上的作用力互相平衡，有利于提高传动效率。

（3）传动比大。适当选择传动类型和齿轮齿数，便可利用少数几个齿轮而获得很大的传动比。

由于行星齿轮传动具有上述优点，故目前行星齿轮减速器不仅适用于告诉大功率，而且在低速大扭矩设备上也已广泛应用。第17页，共32页，2023年，2月20日，星期一三臂部设计臂部设计的基本要求刚度高、导向性好、重量轻、运动平稳、定位精度高手臂的常用结构直线运动机构回转运动机构臂部运动驱动力计算第18页，共32页，2023年，2月20日，星期一四手腕设计概述手腕可具有的自由度：翻转、俯仰、偏转设计的重点是手腕的大小和重量手腕的分类按自由度数目分类按驱动方式分类手腕设计举例第19页，共32页，2023年，2月20日，星期一五手部设计工业机器人手部特点手部与手腕相连处可拆卸手部是工业机器人末端操作器手部的通用性比较差手部是一个独立部件手部的分类手部设计和选用要求普通手爪设计第20页，共32页，2023年，2月20日，星期一手部设计和选用要求被抓握的对象物几何参数：工件尺寸；抓握表面数目、位置和方向；夹持表面间的距离和几何形状；机械特性：质量、材料、表面温度等物料馈送器或存储装置对手爪必需的最小、最大爪钳间的距离；必需的夹紧力；其它的不确定因素机器人作业顺序手爪和机器人的匹配手爪的机械接口/手爪自重环境条件第21页，共32页，2023年，2月20日，星期一普通手爪设计机械式手爪设计驱动：气动、液动、电动传动：运动要求和夹紧力要求爪钳：形状、材料、与工件的接触面积磁力吸盘设计不需夹具，要求工件表面清洁、平整、干燥只适合对工件要求不高或不考虑剩磁的影响，不适合高温真空式吸盘设计要求工件表面清洁、平整、干燥、能气密各类真空式吸盘举例第22页，共32页，2023年，2月20日，星期一六机身及行走机构设计机身设计考虑因素：足够的刚度和稳定性、运动灵活、结构布置合理回转与升降机身回转与俯仰机身机身驱动力（力矩）计算行走机构设计各类行走机构的简介第23页，共32页，2023年，2月20日，星期一垂直升降运动驱动力计算——各支承处的摩擦力——启动时的总惯性力——运动部件的总重力回转运动驱动力计算——总摩擦阻力矩——各回转运动部件总惯性力矩第24页，共32页，2023年，2月20日，星期一升降立柱下降不卡死条件计算——偏重力臂——偏重力矩——立柱支撑导套产生的防止手臂倾斜的力矩