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1、机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院目 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 物流系统设计机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院第四章：工业机器人设计第一节 概述第二节 工业机器人工业机器人的机械结构的机械结构系统设计系统设计第三节 工业机器人工业机器人在机械制造系统中的在机械制造系统中的应用应用机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院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
2、的主要特性表示方法3工业机器人的设计方法4机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.1.1工业机器人的定义及工作原理v（一）机器人的定义 我国国家标准GB/T1264390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”。v（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。机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院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
3、述机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院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。机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院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。图4-1工业机器人系统的组
4、成1 机座 2控制装置 3操作机机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.1.2工业机器人的构成及分类图4-2PUMA机器人 操作机a)结构简图b)运动功能简图机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.1.2工业机器人的构成及分类v（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。机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.1.2工业机器人的构成及分类图
5、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)直角坐标型机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院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机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.1.2工业机器人的构成及分类v3、机器人按控制方式分类操作型机器人 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
6、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。机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.1.2工业机器人的构成及分类感觉控制型机器人 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。机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.1.2工业机器人的构成及分类双足仿人机器人管道机器人机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.1.2工业机器人的构成及分类排爆机器人有触觉的水
7、下机器人机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院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 概述机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.1.3工业机器人的主要特性表示方法v（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。机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.1.3工业机器人的主要特性表示方法v（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 v（
8、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。v（四）其他特性用途、负载、速度、控制、分辨 率等。 图图4-64-6机器人的工作空间机器人的工作空间机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院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 概述机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.1.4工业机器人的设计方法v（一）总体设计：1、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、
9、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 机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院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3机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.2.1工业机器人的手臂和机座v 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。v 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23个自由度（回转、俯仰、
10、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。机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.2.1工业机器人的手臂和机座v（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。机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.2.1工业机器人的手臂和机座2、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
11、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。机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.2.1工业机器人的手臂和机座v（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摆动液压马达机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.2.1工业机器人的手臂和机座2、电动机驱动机械传动圆柱坐标型机器
12、人手臂和机座图（ 图4-23）。GMF M-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 。机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.2.1工业机器人的手臂和机座图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支座机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.2.1工业机器人的手臂和机座图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)轴承内圈回转机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.2.1工业机器人的手臂和
13、机座图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基座机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.2.1工业机器人的手臂和机座PUMA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座机机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.2.1工业机器人的手臂和机座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
14、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手臂壳体机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院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34.2 工业机器人的机械结构系统设计机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.2.2工业机器人的手腕v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机械接口机械制造装备设计大连理工大
15、学 机械工程学院v（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工业机器人的手腕机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院v（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排油孔机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院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机械接口法兰盘机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院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 三个运动机械制造装备设计大连理工大学 机械工程学院4.2.2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
