工业机器人的总体设计课件

第二讲工业机器人的总体设计

工业机器人的总体设计4.4工业机器人

4.4.1工业机器人概况 工业机器人是一种可编程的智能型自动化设备，是应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统。机器人是从初级到高级逐步完善起来的，它的发展过程可以分为三代。

工业机器人的总体设计 第二代机器人是带感觉的机器人，它具有一些对外部信息进行反馈的能力，诸如力觉、触觉、视觉等。

4.4.2工业机器人的结构 工业机器人一般由主构架（手臂）、手腕、驱动系统、测量系统、控制器及传感器等组成。图4-16是工业机器人的典型结构。工业机器人的总体设计图4-16工业机器人的典型结构工业机器人的总体设计

4.4.3工业机器人的应用 目前，工业机器人主要应用于汽车制造、机械制造、电子器件、集成电路、塑料加工等较大规模生产企业。下面介绍几种机器人的典型应用。

1.汽车制造领域 图4-19是一个焊接机器人系统的示意图。焊接机器人还分成采用点位控制的点焊机器人和采用轨迹控制的焊接机器人两种。工业机器人的总体设计图4-18喷漆工业机器人系统示意图工业机器人的总体设计图4-19焊接工业机器人系统示意图工业机器人的总体设计

2.机械制造领域 机械制造企业的柔性制造系统采用搬运机器人搬运物料、工件和工具，装配机器人完成设备的零件装配，测量机器人进行在线或离线测量。 图4-20所示是两台机器人用于自动装配的情况，主机器人是一台具有三个自由度且带有触觉传感器的直角坐标机器人，它抓取第1号(No.1)零件，并完成装配动作；辅助机器人仅有一个回转自由度，它抓取第2号(No.2)零件，第1号和第2号零件装配完成后，再由主机械手完成与第3号(No.3)零件的装配工作。工业机器人的总体设计图4-20机器人用于零件装配工业机器人的总体设计 图4-21所示是一教学型FMS，由一台CNC车床、一台CNC铣床、工件传送带、料仓、两台关节型机器人和控制计算机组成。两台机器人在FMS中服务，一台机器人服务于加工设备和传送带之间，为车床和铣床装卸工件；另一台位于传送带和料仓之间，负责上、下料。工业机器人的总体设计图4-21机器人上、下料工业机器人的总体设计

3.其它领域 机器人在其它领域的应用也非常广泛，如工业机器人可以取代人去完成一些危险环境中的作业(如放射线、火灾、海洋、宇宙等)。例如，2004年1月4日，美国“勇气”号火星探测机器人实现了人类登陆火星的梦想，图4-22为“勇气”号的图片。工业机器人的总体设计图4-22“勇气”号火星探测器工业机器人的总体设计工业机器人操作机的结构及设计工业机器人的总体设计工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

工业机器人的总体设计机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。工业机器人的总体设计机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。工业机器人的总体设计一．操作机的不同结构及其特点

1．直角坐标型操作机

这类操作机的手部在空间三个相互垂直的方向X、Y、Z上作移动运动，运动是独立的，如图1a所示。其控制简单，运动直观性强，易达到高精度，但操作灵活性差，运动的速度较低，操作范围较小而占据的空间相对较大。

工业机器人的总体设计2．圆柱坐标型操作机

这类操作机在水平转台上装有立柱，水平臂可沿立柱上下运动并可在水平方向伸缩，如图1b所示。其工作范围较大，运动速度较高，但随着水平臂沿水平方向伸长，其线位移分辨精度越来越低。工业机器人的总体设计3．球坐标型操作机

也称极坐标型操作机，工作臂不仅可绕垂直轴旋转，还可绕水平轴作俯仰运动，且能沿手臂轴线作伸缩运动，如图12c所示。其操作比圆柱坐标型更为灵活，并能扩大机器人的工作空间，但旋转关节反映在未端执行器上的线位移分辨率是一个变量。工业机器人的总体设计4．关节型操作机

这类操作机由多个关节联接的机座、大臂、小臂和手腕等构成，大小臂既可在垂直于机座的平面内运动，也可实现绕垂直轴的转动，如图1d所示。其操作灵活性最好，运动速度较高，操作范围大，但精度受手臂位姿的影响，实现高精度运动较困难。工业机器人的总体设计二．操作机腰部、臂部和腕部结构

1.腰部结构

操作机腰部包括机座和腰关节，机座承受机器人全部重量，要有足够的强度和刚度，一般用铸铁或铸钢制造，机座要有一定的尺寸以保证操作机的稳定，并满足驱动装置及电缆的安装。工业机器人的总体设计腰关节是负载最大的运动轴，对末端执行器运动精度影响最大，故设计精度要求高。腰关节的轴可采用普通轴承的支承结构，图1所示为PUMA机器人腰部结构。其优点是结构简单、安装调整方便，但腰部高度较高。现在大多数机器人的腰关节均采用大直径交叉滚子轴承支承的结构，既可使机座高度大大降低，又具有更好的支承刚度。工业机器人的总体设计2．臂部结构

臂部的作用是连结腰部和腕部，实现操作机在空间中的运动。手臂的长度尺寸要满足工作空间的要求，由于手臂的刚度、强度直接影响机器人的整体运动刚度，同时又要灵活运动，故应尽可能选用高强度轻质材料，减轻其重量。工业机器人的总体设计在臂体设计中，也应尽量设计成封闭形和局部带加强肋的结构，以增加刚度和强度。手臂结构可分为伸缩型结构、旋转伸缩型结构和屈伸型结构。图2示出了PUMA560机器人小臂传动结构。工业机器人的总体设计3．腕部结构

腕部用来连接操作机手臂和末端执行器，并决定末端执行器在空间里的姿态。腕部一般应有2～3个自由度，结构要紧凑，质量较小，各运动轴采用分离传动。图3a所示为P-100机器人腕部结构（其中，轴1～轴3为手臂轴，未画出）是一种典型的3轴分立型式，图3b为JRS-80机器人的手腕原理图，本图是类似P100典型手腕的实际结构的一种型式。

工业机器人的总体设计三．操作机整机设计原则和设计方法

1.操作机整机设计原则

（1）最小运动惯量原则

由于操作机运动部件多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动，采用最小运动惯量原则，可增加操作机运动平稳性，提高操作机动力学特性。为此，在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下，尽量减小运动部件的质量，并注意运动部件对转轴的质心配置。

（2）尺度规划优化原则当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸，这将有利于操作机刚度的提高，使运动惯量进一步降低。

工业机器人的总体设计（3）高强度材料选用原则

由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。（4）刚度设计的原则

操作机设计中，刚度是比强度更重要的问题，要使刚度最大，必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。

工业机器人的总体设计

（5）可靠性原则

机器人操作机因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。一般来说，元器件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整机的可靠性。可以通过概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构，也可以通过系统可靠性综合方法评定操作机系统的可靠性。

（6）工艺性原则

机器人操作机是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理的结构设计而无良好的工艺性，必然导致操作机性能的降低和成本的提高。工业机器人的总体设计2．操作机的设计方法和步骤

（1）确定工作对象和工作任务

开始设计操作机之前，首先要确定工作对象、工作任务。

1）焊接任务

工业机器人的总体设计2）喷漆任务

3）搬运任务4）装配任务工业机器人的总体设计（2）确定设计要求

1）负载

2）速度3）精度

4）示教方式

工业机器人的总体设计5）工作空间

6）尺寸规划

7）减速器的选用

工业机器人的总体设计机器人总体设计机器人总体设计的主要内容有：确定基本参数，选择运动方式，手臂配置形式，位置检测，驱动和控制方式等。然后是进行结构设计，同时，要对各部件的强度、刚度进行必要的验算。工业机器人的总体设计一、系统分析

1．根据机器人的使用场合，明确所使用机器人的目的和任务。2．分析机器人所在系统的工作环境，包括机器人与已有设备的兼容性。工业机器人的总体设计3．分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。

工业机器人的总体设计举例：鸡蛋分检包装系统中的机器人（1）下面以鸡蛋分检包装系统为例，介绍机器人的系统分析方法。明确机器人的目的和任务：从传送带拾取一个鸡蛋；把蛋置于强光下照射，测定蛋是否透光（有无胚胎生长）；根据蛋有无胚胎，把蛋放入废品箱或包装箱内。工业机器人的总体设计举例示图1：基本工作流程工业机器人的总体设计举例：鸡蛋分检包装系统中的机器人（2）分析机器人所在系统的工作环境：包括工作车间的平面布置，相互间的位置关系等。工业机器人的总体设计举例示图2：机器人与环境的关系工业机器人的总体设计举例：鸡蛋分检包装系统中的机器人（3）分析系统的工作要求：循环时间≤3.0s每次循环有三种不同的运动：移动到传送带并拾取一只鸡蛋；移动到照射位置；把鸡蛋放入纸箱或废品区。一个循环中需要三次暂停：闭合手爪0.2s；完成照射0.05s；开启手爪放蛋0.2s每只鸡蛋重量≤85g；手爪重量≤369g位置分辨率最低为1.27mm工业机器人的总体设计确定机器人的自由度及运动范围：初步分析：机器人满足上面提出的条件，应该具备一个旋转运动和两个直线运动。仔细分析：还应该有一个附加旋转运动以对蛋进行定向排列。因为当手臂移动和转动时，鸡蛋的取向会发生改变。确定技术参数为：伸缩运动：45.7~61.0cm腰部旋转：±90°腕部旋转：360°腕部垂直移动：50.8cm工业机器人的总体设计初步确定机器人的结构：工业机器人的总体设计二、技术设计

工业机器人的总体设计1．机器人基本参数的确定（1）：

自由度的确定臂力的确定

工作范围的确定

工业机器人的总体设计1．机器人基本参数的确定（2）：

运动速度的确定：

主要是根据生产需要的工作节拍分配每个动作的时间，进而根据机械手各部位的运动行程确定其运动速度。定位精度的确定：机器人的定位精度是根据使用要求确定的。而要达到这样的精度取决于机器人的定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚度、驱动方式、缓冲方法等。工业机器人的总体设计夹紧工件手臂升降伸缩运动回转运动工作节拍5分钟每一个动作都由5个关节协同完成综合分配每个关节的运动速度运动速度确定举例工业机器人的总体设计2．机器人运动形式的选择（1）：

根据机器人的运动参数确定其运动形式，然后才能确定其结构。常见的运动形式有以下几种：工业机器人的总体设计2．机器人运动形式的选择（2）：

直角坐标型：机器人的主体结构的关节都是移动关节。特点：结构简单，刚度高。关节之间运动相互独立，没有耦合作用。占地面积大，导轨面防护比较困难。工业机器人的总体设计2．机器人运动形式的选择（3）：

圆柱坐标型：圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转、升降和伸缩。亦即具有一个旋转运动和两个直线运动。特点：通用性较强；结构紧凑；机器人腰转时将手臂缩回，减少了转动惯量。受结构限制，手臂不能抵达底部，减少了工作范围。工业机器人的总体设计2．机器人运动形式的选择（4）：

球面坐标式（极坐标）：

机器人主体结构具有三个自由度，两个旋转运动和一个直线运动。特点：工作范围较大；占地面积小；控制系统复杂工业机器人的总体设计2．机器人运动形式的选择（5）：

SCARA机器人：有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个是移动关节。这种结构轻便、响应快。特点：结构轻便，响应快；适用于平面定位和在垂直方向进行作的场合。

工业机器人的总体设计2．机器人运动形式的选择（6）：

关节式机器人：关节式机器人的主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节。

特点：动作灵活，工作空间大；关节运动部位密封性好；运动学复杂，不便于控制。工业机器人的总体设计3．拟定检测传感系统框图：

工业机器人的总体设计图例：传感系统框图：工业机器人的总体设计4．确定控制系统总体方案，给出框图

工业机器人的总体设计图例：控制系统总体方案工业机器人的总体设计5．机械结构设计

工业机器人的总体设计三、机器人机械系统设计

工业机器人的总体设计1．机器人的驱动方式：

机器人的驱动方式有电动、液压和气动三种方式。一台机器人可以只有一种驱动方式，也可以是几种方式的联合。液压传动：具有较大的功率体积比，常用于大负载的场合。气压传动：气动系统简单，成本低，适合于节拍快、负载小且精度要求不高的场合，常用于点位控制、抓取、弹性握持和真空吸附。电动：适合于中等负载，特别