机械结构部分讲稿(胡旺宁)

《机械结构部分讲稿(胡旺宁)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械结构部分讲稿(胡旺宁)（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、工业机器人设计工业机器人设计 机械结构部分机械结构部分胡旺宁 机械分析工程师胡旺宁 机械分析工程师2012-2-内容介绍内容介绍?工业机器人分类工业机器人分类?典型结构组成及传动机构典型结构组成及传动机构?驱动-传动部件驱动-传动部件?其他其他工业机器人分类工业机器人分类?按手臂机构的结构型式分按手臂机构的结构型式分 ? 直角坐标型直角坐标型 ? 圆柱坐标型圆柱坐标型 ? 极坐标型极坐标型 ? 垂直多关节型垂直多关节型 ? 水平多关节型水平多关节型一般工业机器人为6个自由度： 前三个称为手臂机构；后三个 称为手腕机构一般工业机器人为6个自由度： 前三个称为手臂机构；后三个 称为手腕机构直角坐标

2、机器人直角坐标机器人?结构特点结构特点 ? 在直角坐标空间内解耦， 空间轨迹易于求解；在直角坐标空间内解耦， 空间轨迹易于求解； ? 易于实现高定位精度；易于实现高定位精度； ? 当具有相同的工作空间 时，本体所占空间体积较 大当具有相同的工作空间 时，本体所占空间体积较 大这也是大多数数控设 备采用这种结构形式 的原因这也是大多数数控设 备采用这种结构形式 的原因圆柱坐标机器人圆柱坐标机器人?结构特点结构特点 ? 在圆柱坐标空间内解耦；在圆柱坐标空间内解耦； ? 能够伸入型腔式空间；能够伸入型腔式空间； ? 相同工作空间，本体所占 空间体积比直角坐标式要 小；相同工作空间，本体所占 空间体积

3、比直角坐标式要 小； ? 直线驱动部分密封、防尘 较难直线驱动部分密封、防尘 较难极坐标机器人极坐标机器人?结构特点结构特点 ? 所占空间体积小，机构紧 凑；所占空间体积小，机构紧 凑； ? 往往需要将极坐标转化成 我们习惯的直角坐标，轨 迹求解较难；往往需要将极坐标转化成 我们习惯的直角坐标，轨 迹求解较难； ? 直线驱动同样存在密封、 防尘问题直线驱动同样存在密封、 防尘问题垂直多关节机器人垂直多关节机器人?结构特点结构特点 ? 机构紧凑，动作灵活，工 作空间大；机构紧凑，动作灵活，工 作空间大； ? 能绕过基座周围的一些障 碍物；能绕过基座周围的一些障 碍物； ? 适合电机驱动，关节密

4、封、防尘比较容易适合电机驱动，关节密 封、防尘比较容易相邻关节轴线垂直或平行相邻关节轴线垂直或平行水平多关节机器人（ SCARA ）水平多关节机器人（ SCARA ）?结构特点结构特点 ? 作业空间与占地面积比很 大，使用起来方便；作业空间与占地面积比很 大，使用起来方便； ? 沿升降方向刚性好，尤其 适合平面装配作业沿升降方向刚性好，尤其 适合平面装配作业1978年由日本山梨大学牧野洋 教授首先提出1978年由日本山梨大学牧野洋 教授首先提出SCARA-Selective Compliance Assembly Robot ArmSCARA-Selective Compliance Asse

5、mbly Robot Arm工业机器人结构形式应用占比工业机器人结构形式应用占比?由2002年的产量统计可知， 垂直多关节型机器人占日本 国内生产总数的一半以上， 其次是直角坐标型机器人、 水平多关节型机器人由2002年的产量统计可知， 垂直多关节型机器人占日本 国内生产总数的一半以上， 其次是直角坐标型机器人、 水平多关节型机器人889889其他机器人其他机器人4860248602总计总计3030并联机器人并联机器人51435143水平多关节机器 人水平多关节机器 人3154731547垂直多关节机器 人垂直多关节机器 人132132极坐标型机器人极坐标型机器人19491949圆柱坐标型机器

6、 人圆柱坐标型机器 人89128912直角坐标型机器 人直角坐标型机器 人产量/台产量/台分类分类机器人的产量（2002年）摘自：日本机器人工业会的统 计资料机器人的产量（2002年）摘自：日本机器人工业会的统 计资料结构形式应用占比极坐标型机器人 0%水平多关节机器人 11%并联机器人 0%其他机器人 2%圆柱坐标型机器人 4%直角坐标型机器人 18%垂直多关节机器人 65%直角坐标型机器人 圆柱坐标型机器人 极坐标型机器人 垂直多关节机器人 水平多关节机器人 并联机器人 其他机器人 工业机器人分类工业机器人分类?按作业用途分按作业用途分 ? 物料搬运机器人物料搬运机器人 ? 焊接机器人焊接

7、机器人 ? 喷涂机器人喷涂机器人 ? 去毛刺机器人去毛刺机器人 ? 装配机器人装配机器人 ? 其他其他物料搬运机器人物料搬运机器人?主要应用领域主要应用领域 ? 压铸（树脂成型）压铸（树脂成型） ? 冲压冲压 ? 机床上下料机床上下料 ? 码垛码垛焊接机器人焊接机器人?主要应用领域主要应用领域 ? 点焊点焊 ? 弧焊弧焊 ? 激光焊接激光焊接喷涂机器人喷涂机器人?主要应用领域主要应用领域 ? 普通喷涂普通喷涂 ? 涂胶涂胶去毛刺机器人去毛刺机器人?两种工作方式两种工作方式 ? 工件固定在工作台上，机 器人抓取工具（硬质合金 刀具、毛刷、抛光砂带 等）工件固定在工作台上，机 器人抓取工具（硬质合

8、金 刀具、毛刷、抛光砂带 等） ? 工具固定在工作台上，机 器人抓取工件工具固定在工作台上，机 器人抓取工件装配机器人装配机器人?主要应用领域主要应用领域 ? 普通装配普通装配 ? 螺钉紧固螺钉紧固 ? 汽车舣装汽车舣装其他机器人其他机器人?主要应用领域主要应用领域 ? 切割切割 ? 分拣（包装）分拣（包装）典型结构组成典型结构组成?为什么通用型工业机器人均选用6-DOF串联结构形式？为什么通用型工业机器人均选用6-DOF串联结构形式？ ? 一个运动物体在直角坐标系中的位姿（位置和姿态）可由6个 自由度变量（3个平动、3个转动）来表示；一个运动物体在直角坐标系中的位姿（位置和姿态）可由6个 自

9、由度变量（3个平动、3个转动）来表示； ? 6-DOF串联机器人抓取物体时，手臂机构（前3个自由度）决 定物体的位置，手腕机构（后3个自由度）决定物体的姿态；6-DOF串联机器人抓取物体时，手臂机构（前3个自由度）决 定物体的位置，手腕机构（后3个自由度）决定物体的姿态； ? 6-DOF串联结构形式给机器人运动学计算带来了方便6-DOF串联结构形式给机器人运动学计算带来了方便可以 将位置和姿态变量分开计算可以 将位置和姿态变量分开计算典型结构组成典型结构组成?6-DOF串联机器人执行机构组成6-DOF串联机器人执行机构组成 ? 底座底座 ? 腰关节腰关节 ? 转座转座 ? 肩关节肩关节 ? 大

10、臂大臂 ? 肘关节肘关节 ? 小臂小臂 ? 腕部腕部 ? 末端执行器（手爪）末端执行器（手爪） ? 平衡装置平衡装置关节传动机构关节传动机构?腰关节腰关节 ? 腰关节为回转关节，既承 受很大的轴向力、径向 力，又承受倾覆力矩，且 应具有较高的运动精度和 刚度腰关节为回转关节，既承 受很大的轴向力、径向 力，又承受倾覆力矩，且 应具有较高的运动精度和 刚度 ? 腰关节多采用高刚性的RV 减速机传动。为方便走 线，常采用中空型RV腰关节多采用高刚性的RV 减速机传动。为方便走 线，常采用中空型RV减速比？减速比？关节传动机构关节传动机构?肩、肘关节肩、肘关节 ? 肩、肘关节承受很大扭矩 （肩关节同

11、时承受来自平 衡装置的弯矩）且应具有 较高的运动精度和刚度；肩、肘关节承受很大扭矩 （肩关节同时承受来自平 衡装置的弯矩）且应具有 较高的运动精度和刚度； ? 多采用高刚性的RV减速机 传动。多采用高刚性的RV减速机 传动。关节传动机构关节传动机构?肩、肘关节肩、肘关节关节传动机构关节传动机构?手腕手腕 ? 汇交型汇交型 ? 偏交型偏交型 ? 中空偏交型中空偏交型只要在其姿态能力范围内，任 一给定姿态，三种结构方式都 能实现只要在其姿态能力范围内，任 一给定姿态，三种结构方式都 能实现关节传动机构关节传动机构?中空偏交型手腕中空偏交型手腕 ? 主要应用在喷涂行业主要应用在喷涂行业 ? 减少喷涂

12、系统中空压机到 机器人之间的辅助压缩空 气管道减少喷涂系统中空压机到 机器人之间的辅助压缩空 气管道 ? 杜绝喷枪软管和喷涂对象 之间干涉杜绝喷枪软管和喷涂对象 之间干涉 ? 减少附着在软管上的涂料 的滴落减少附着在软管上的涂料 的滴落关节传动机构关节传动机构?偏交型手腕偏交型手腕关节传动机构关节传动机构?汇交型手腕汇交型手腕 ? 应用最为广泛应用最为广泛关节传动机构关节传动机构?为什么一般情况下将减速机配置在关节传动链的最末 端？为什么一般情况下将减速机配置在关节传动链的最末 端？ ? 减小细长轴（或套管）及有关传动齿轮的传递扭矩;减小细长轴（或套管）及有关传动齿轮的传递扭矩; ? 有利于减

13、小输出轴转角误差(末端减速机对前端传动链的转 角误差有均化作用)有利于减小输出轴转角误差(末端减速机对前端传动链的转 角误差有均化作用)转角误差的来源？ 1、细长轴扭转角 2、齿轮齿侧间隙造成的回差转角误差的来源？ 1、细长轴扭转角 2、齿轮齿侧间隙造成的回差关节传动机构关节传动机构?电机配置位置电机配置位置 ? 对小负载机器人，5、6关 节电机一般配置在小臂内 部，5、6关节传动链之间 有交叉耦合对小负载机器人，5、6关 节电机一般配置在小臂内 部，5、6关节传动链之间 有交叉耦合 ? 对大负载机器人，4、5、6 关节电机一般配置在肘关 节附近，4、5、6关节传动 链之间有交叉耦合对大负载机

14、器人，4、5、6 关节电机一般配置在肘关 节附近，4、5、6关节传动 链之间有交叉耦合关节传动机构关节传动机构?诱导运动诱导运动 ? 把某一杆件因另一杆件的 被驱动而引起的运动，称 作诱导运动。实质是因为 传动链的交叉耦合把某一杆件因另一杆件的 被驱动而引起的运动，称 作诱导运动。实质是因为 传动链的交叉耦合 ? 在进行机器人运动学计算 时，必须考虑诱导运动。在进行机器人运动学计算 时，必须考虑诱导运动。平衡机构平衡机构?为什么大负载串联机器人需要平衡机构？为什么大负载串联机器人需要平衡机构？ ? 串联机器人的肩关节和肘关节在正常工作角度范围内运动 时，由于重力的作用，电机所受负载力矩往往偏向

15、正值（或 负值）一侧，另一侧的负载能力没有起到作用。如果给大 臂、小臂加上平衡机构，相当于将电机所受负载力矩进行了 数值上的平移，充分利用电机另一侧的负载能力。平衡机构 的配置同时也减小了电机的选用型号，节约了成本。串联机器人的肩关节和肘关节在正常工作角度范围内运动 时，由于重力的作用，电机所受负载力矩往往偏向正值（或 负值）一侧，另一侧的负载能力没有起到作用。如果给大 臂、小臂加上平衡机构，相当于将电机所受负载力矩进行了 数值上的平移，充分利用电机另一侧的负载能力。平衡机构 的配置同时也减小了电机的选用型号，节约了成本。平衡机构平衡机构?小臂平衡机构小臂平衡机构 ? 一般选用配重来平衡一般选

16、用配重来平衡 ? 配重平衡的一个缺点是增 大了关节转动惯量配重平衡的一个缺点是增 大了关节转动惯量平衡机构平衡机构?大臂平衡机构大臂平衡机构 ? 一般选用弹簧、气压或液 压来平衡一般选用弹簧、气压或液 压来平衡 ? 弹簧平衡不会增加关节转 动惯量弹簧平衡不会增加关节转 动惯量驱动-传动部件驱动-传动部件?电动驱动器电动驱动器 ? 直流伺服电机有很多有点，但它的电刷容易磨损，且易产生 火花。一般多用于移动机器人。直流伺服电机有很多有点，但它的电刷容易磨损，且易产生 火花。一般多用于移动机器人。 ? 随着电力电子技术的发展，交流伺服电机正取代直流伺服电 机成为机器人的主要驱动器。另外，直流无刷电机克服了电 刷的缺点，在很多精密设备上获得很多的应用。随着电力电子技术的发展，交流伺服电机正取代直流伺服电 机成为机器人的主要驱动器。另外，直流无刷电机克服了电 刷的缺点，在很多精密设备上获得很多的应用。 ? 步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，用于低 精度小功率机器人系统。步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，用于低 精度小功率