第四章工业机器人设计介绍

第四章工业机器人设计介绍第一页，共77页。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第二页，共77页。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第三页，共77页。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第四页，共77页。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。第五页，共77页。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第六页，共77页。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。第七页，共77页。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—操作机第八页，共77页。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)运动功能简图第九页，共77页。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。第十页，共77页。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第十一页，共77页。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第十二页，共77页。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。第十三页，共77页。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。第十四页，共77页。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第十五页，共77页。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第十六页，共77页。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第十七页，共77页。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第十八页，共77页。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机器人的工作空间第十九页，共77页。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第二十页，共77页。4.1.4工业机器人的设计方法（一）总体设计：Ⅳ1、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

第二十一页，共77页。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第二十二页，共77页。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。第二十三页，共77页。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。第二十四页，共77页。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。第二十五页，共77页。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—摆动液压马达第二十六页，共77页。4.2.1工业机器人的手臂和机座Ⅳ2、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。第二十七页，共77页。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—支座第二十八页，共77页。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)轴承内圈回转第二十九页，共77页。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—基座第三十页，共77页。4.2.1工业机器人的手臂和机座ⅣPUMA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—座机第三十一页，共77页。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—手臂壳体第三十二页，共77页。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第三十三页，共77页。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—机械接口第三十四页，共77页。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工业机器人的手腕第三十五页，共77页。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—排油孔第三十六页，共77页。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—机械接口法兰盘第三十七页，共77页。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第三十八页，共77页。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：

（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,

（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n9第三十九页，共77页。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—手腕架第四十页，共77页。ⅣCINCINNATTIMILACRON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)手腕传动机构简图1、2、3—电动机4、5、6—空心传动轴7、8、9、11、13、14—齿轮10—壳体12—机械接口法兰盘第四十一页，共77页。ⅣPUMA机器人手腕结构4.2.2工业机器人的手腕a)手臂b)手腕c)柔性联轴器1—手腕2—壳体3、4、11、12、13、14—传动齿轮5—传动轴6—柔性联轴器7、8、9—电动机10—手臂外壳15、16—轴17—手腕机械接口第四十二页，共77页。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工业机器人的末端执行器3Ⅳ4.2工业机器人的机械结构系统设计第四十三页，共77页。Ⅳ（一）分类和设计要求根据用途和结构的不同可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具三类。

4.2.3工业机器人的末端执行器

设计末端执行器时，要求：满足作业需要的足够的夹持力和所需的夹持位置精度；尽可能使末端执行器结构简单、紧凑，质量轻，以减轻手臂的负荷。第四十四页，共77页。Ⅳ4.2.3工业机器人的末端执行器（二）机械式夹持器的结构与设计工业机器人中应用的机械夹持器多为双指手爪式；按其手爪的运动方式可分为平移型和回转型；回转型手爪又分为单支点回转型和双支点回转型；按夹持方式可分为外夹式和内撑式；按驱动方式可以有电动、液压和气动。第四十五页，共77页。Ⅳ4.2.3工业机器人的末端执行器机械式夹持器a)单支点回转型b)双支点回转型c)平移型d)内撑式第四十六页，共77页。Ⅳ4.2.3工业机器人的末端执行器楔块杠杆式回转型夹持器

1—杠，2—弹簧

3—滚子，4—楔块

5—驱动器

夹紧力FN和驱动力FP

之间的计算公式为：第四十七页，共77页。Ⅳ4.2.3工业机器人的末端执行器滑槽杠杆式回转型夹持器

1—支架

2—杆

3—圆柱销

4—杠杆

夹紧力FN和驱动力FP

之间的计算公式为：第四十八页，共77页。Ⅳ4.2.3工业机器人的末端执行器连杆杠杆式回转型夹持器

1—杆

2—连杆

3—摆动钳爪

4—调整垫片

夹紧力FN和驱动力FP

之间的计算公式为：第四十九页，共77页。Ⅳ4.2.3工业机器人的末端执行器齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器

1—扇形齿轮，2—齿条杆

3—电磁式驱动器

4—机座，5、6—连杆

7—钳爪

夹紧力FN和驱动力FP

之间的计算公式为：第五十页，共77页。Ⅳ4.2.3工业机器人的末端执行器左右旋丝杠平移型夹持器

1—电动机

2—丝杠

3—导轨

4—钳爪杆

夹紧力FN和驱动力矩T的计算公式为：第五十一页，共77页。Ⅳ4.2.3工业机器人的末端执行器内撑连杆杠杆式夹持器

1—驱动器

2—杆

3—钳爪

撑紧力FN和上推力FP

之间的计算公式为：第五十二页，共77页。Ⅳ（三）吸附式末端执行器的结构与设计吸附式末端执行器（又称吸盘），有气吸式和磁吸式两种。它们分别是利用吸盘内负压产生的吸力或磁力来吸住并移动工作的。

1、气吸式吸盘挤压排气式吸盘电流负压式吸盘真空泵排气式吸盘2、磁吸式吸盘分为电磁吸盘和永磁吸盘4.2.3工业机器人的末端执行器第五十三页，共77页。Ⅳ4.2.3工业机器人的末端执行器气吸式吸盘的结构a)挤压排气式b)真空泵排气式c)气流负压式d)特殊吸盘e)双吸盘式吸头1—压盖2—密封盖3—吸盘4—工件

第五十四页，共77页。Ⅳ4.2.3工业机器人的末端执行器磁吸式吸盘1—绕组2—铁心3—工件4—内盘体5—隔磁物6—外盘面7—盘体

第五十五页，共77页。4.3工业机器人在制造系统中的应用单机形式应用1机械制造系统中的应用2工业机器人在极限作业中的应用3Ⅳ第五十六页，共77页。Ⅳ4.3.1单机形式应用工业机器人是一种生产设备，作业时一般需要有外围设备完成一些辅助工作。单机形式工作的工业机器人如去铸件飞边、刮研、切削加工、焊接等机器人。

主要考虑的原则：首先应能满足作业内容、工作空间、工作质量及定位精度等技术参数要求；同时考虑功能价格比，自由度多，价格昂贵。第五十七页，共77页。单机形式应用1机械制造系统中的应用2工业机器人在极限作业中的应用3Ⅳ4.3工业机器人在制造系统中的应用第五十八页，共77页。Ⅳ4.3.2机械制造系统中的应用（一）选择与布局设计原则：满足作业技术参数要求；性价比好；满足系统的生产节拍要求；在系统中，作业不发生干涉的约束条件下，优化工业机器人与前后相联接设备之间的布置，从而减小机器人规格要求，减少制造系统的占地面积，缩短运动路径；机器人与系统中相联接的装备控制应协调。第五十九页，共77页。Ⅳ柔性加工单元中的机器人

4.3.2机械制造系统中的应用第六十页，共77页。Ⅳ车削加工单元中的机器人

4.3.2机械制造系统中的应用第六十一页，共77页。Ⅳ4.3.2机械制造系统中的应用（二）工业机器人应用实例柔性加工系统中的机器人

1—拉床2—车床3—插齿机4—剃齿机5—塔式储存架6—机器人7—去毛剃机第六十二页，共77页。Ⅳ4.3.2机械制造系统中的应用装配系统中的机器人

1—机器人2—轴承3—轴4—压力机5—套

6—垫圈7—法兰8—螺母9—产品传动带第六十三页，共77页。Ⅳ4.3.2机械制造系统中的应用装配系统中的双臂智能机器人

1~7—固定式电视摄像机8—可转式电视摄像机9—抓握手臂

10—感知手臂11、12、13—吸尘器零部件14—吸尘器装配成品第六十四页，共77页。Ⅳ4.3.2机械制造系统中的应用焊接作业系统中的机器人

1—机器人2—传送带3—汽车壳体第六十五页，共77页。Ⅳ4.3.2机