第四章工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第四章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì),,主要內(nèi)容,1、工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)方式選擇模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料選擇平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌及轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸承傳動(dòng)件的定位及消隙諧波傳動(dòng)絲杠螺母副及其滾珠絲杠傳動(dòng)其它傳動(dòng),3、臂部設(shè)計(jì)臂部設(shè)計(jì)的基本要求手臂的常用結(jié)構(gòu)臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算4、手腕設(shè)計(jì)概述手腕分類手腕設(shè)計(jì)舉例,主要內(nèi)容,5、手部設(shè)計(jì)概述手部分類手爪設(shè)計(jì)和選用的要求普通手

2、爪設(shè)計(jì)6、機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)身設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),一 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì),主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵是選擇由連桿件和運(yùn)動(dòng)副組成的坐標(biāo)形式工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式直角坐標(biāo)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，全為伸縮圓柱坐標(biāo)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，腰轉(zhuǎn)、升降、伸縮球面坐標(biāo)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和伸縮關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，全為轉(zhuǎn)動(dòng),一 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì),傳動(dòng)方式選擇選擇驅(qū)動(dòng)源和傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)部件的

3、連接、驅(qū)動(dòng)方式工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)形式,一 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì),模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化工業(yè)機(jī)器人由一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊件通過具有特殊功能的結(jié)合部用積木拼搭方式組成的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。模塊化工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)經(jīng)濟(jì)性靈活性存在的問題剛度比較差整體重量偏重模塊針對(duì)性待提高,一 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì),材料的選擇材料選擇的基本要求強(qiáng)度高彈性模量大重量輕阻尼大價(jià)格低結(jié)構(gòu)件材料介紹 碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金等

4、合金材料、纖維增強(qiáng)合金、陶瓷、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、粘彈性大阻尼材料,一 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì),平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)平衡系統(tǒng)的作用安全降低因構(gòu)形變化而導(dǎo)致重力引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值降低因運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值改進(jìn)動(dòng)力特性使運(yùn)行穩(wěn)定，降低地面安裝要求平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要途徑質(zhì)量平衡技術(shù)彈簧力平衡技術(shù)可控力平衡技術(shù),二 傳動(dòng)部件設(shè)計(jì),移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌及轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸承移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌要求類型：普通滑動(dòng)導(dǎo)軌、液壓動(dòng)

5、壓移動(dòng)導(dǎo)軌、液壓靜壓移動(dòng)導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌應(yīng)用實(shí)例轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸承球軸承專用軸承特殊材料制作的軸承,動(dòng)壓導(dǎo)軌：靠導(dǎo)軌之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力油膜將運(yùn)動(dòng)件浮起,把兩個(gè)導(dǎo)軌面隔離,形成純液體摩檫，其工作原理與動(dòng)壓軸承相同,形成導(dǎo)軌面間壓力油膜的條件是:兩導(dǎo)軌面之間應(yīng)有鍥形間隙和一定的相對(duì)速度,此外還需要有一定粘度的潤滑油流進(jìn)鍥形間隙適用于主運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌,靜壓導(dǎo)軌：將具有一定壓力的潤滑油,經(jīng)節(jié)流器輸入到導(dǎo)軌面上的油腔,即可形成承載油

6、膜,使導(dǎo)軌面之間處于純液體摩擦狀態(tài). 優(yōu)點(diǎn)是軌運(yùn)動(dòng)速度的變化對(duì)油膜厚度的影響很?。惠d荷的變化對(duì)油膜厚度的影響很小,摩檫系數(shù)僅為0.005左右,油膜抗振性好。缺點(diǎn)是導(dǎo)軌自身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜需要增加一套供油系統(tǒng)對(duì)潤滑油的清潔程度要求很高主要應(yīng)用:精密機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和低速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。,二 傳動(dòng)部件設(shè)計(jì),傳動(dòng)件的定位和消隙傳動(dòng)件的定位電氣開關(guān)定位、機(jī)械擋塊定位、伺服定位系統(tǒng)傳動(dòng)件的消隙消隙齒輪柔性齒輪對(duì)稱傳動(dòng)消隙偏心機(jī)構(gòu)消隙齒廓彈性

7、覆層消隙,二 傳動(dòng)部件設(shè)計(jì),減速器諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)行星齒輪機(jī)構(gòu),與一般齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)不同，諧波傳動(dòng)其工作原理是基于一種變形原理，即通過柔輪變形時(shí)其徑向位移和切向位移間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力和運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。諧波齒輪傳動(dòng)是靠柔性齒輪（柔輪）所產(chǎn)生的可控彈性變形來實(shí)現(xiàn)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的。它的基本構(gòu)件有：柔輪、波發(fā)生器和剛輪。三個(gè)構(gòu)件中可任意固定一個(gè)，其余兩個(gè)一為主動(dòng)、一為從動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)減速或增速（固定傳動(dòng)比），也可變換成兩個(gè)輸入，

8、一個(gè)輸出 ，組成差動(dòng)傳動(dòng)。,當(dāng)剛輪固定，波發(fā)生器為主動(dòng)，柔輪為從動(dòng)時(shí)，柔輪在橢圓凸輪作用下產(chǎn)生變形，在波發(fā)生器長軸兩端處的柔輪輪齒與剛輪輪齒完全嚙合；在短軸兩端處的柔輪輪齒與剛輪輪齒完全脫開；在波發(fā)生器長軸與短軸區(qū)間，柔輪輪齒與剛輪輪齒有的處于半嚙合狀態(tài)，稱為嚙入；有的則逐漸退出嚙合處于半脫開狀態(tài)，稱為嚙出。由于波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得嚙入、完全嚙合、嚙出、完全脫開這四種情況依次變化，循環(huán)不已。由于柔輪比剛輪的齒數(shù)少2 ，所以當(dāng)波發(fā)生器

9、轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，柔輪向相反方向轉(zhuǎn)過兩個(gè)齒的角度，從而實(shí)現(xiàn)了大的減速比。,,與一般齒輪傳動(dòng)比較，它有以下特點(diǎn)：　?。?）傳動(dòng)比大，且范圍廣。單級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比為50~320，復(fù)波傳動(dòng)的傳動(dòng)比可達(dá)107。　?。?）同時(shí)參加嚙和的齒數(shù)多，承載能力高。傳遞公稱力矩時(shí)，同時(shí)參加嚙和的齒數(shù)可達(dá)到總齒數(shù)的30%~40%?！　。?）體積小，重量輕。在傳動(dòng)比和承載條件相同的情況下，諧波齒輪傳動(dòng)比一般齒輪傳動(dòng)的體積和重量減小1/3~1/2左右?！　。?）

10、運(yùn)動(dòng)精度高，回差小?！　。?）傳動(dòng)效率高，一般單級(jí)傳動(dòng)效率為70%-90%?！　。?）可向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，這一點(diǎn)是其它任何機(jī)械傳動(dòng)無法實(shí)現(xiàn),行星減速器的主要特點(diǎn)如下：　?。?）體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞功率大、承載能力高。由于行星齒輪傳動(dòng)是一種共軸線式傳動(dòng)形式，即具有同軸線傳動(dòng)的特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)上采用了對(duì)稱分流傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，即用幾個(gè)完全相同的行星輪均勻分布在中心輪圓周來共同分擔(dān)載荷，并且合理地應(yīng)用了內(nèi)嚙合，充分地利用了空間的容

11、積，從而縮小了徑、軸向尺寸，使結(jié)構(gòu)緊湊，而承載能力又高。因而行星齒輪傳動(dòng)在相同功率和傳動(dòng)比的條件下，可使其外部尺寸和重量只為普通齒輪傳動(dòng)的1/2-1/6。　?。?）傳動(dòng)效率高，工作可靠。行星齒輪傳動(dòng)由于采用了對(duì)稱的分流傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，使作用于中心輪和行星架等主要軸承上的作用力互相平衡，有利于提高傳動(dòng)效率?！　。?）傳動(dòng)比大。適當(dāng)選擇傳動(dòng)類型和齒輪齒數(shù)，便可利用少數(shù)幾個(gè)齒輪而獲得很大的傳動(dòng)比?！　∮捎谛行驱X輪傳動(dòng)具有上述優(yōu)點(diǎn)，故目前行星齒

12、輪減速器不僅適用于告訴大功率，而且在低速大扭矩設(shè)備上也已廣泛應(yīng)用。,三 臂部設(shè)計(jì),臂部設(shè)計(jì)的基本要求剛度高、導(dǎo)向性好、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、定位精度高手臂的常用結(jié)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算,四 手腕設(shè)計(jì),概述手腕可具有的自由度：翻轉(zhuǎn)、俯仰、偏轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是手腕的大小和重量手腕的分類按自由度數(shù)目分類按驅(qū)動(dòng)方式分類手腕設(shè)計(jì)舉例,五 手部設(shè)計(jì),工業(yè)機(jī)器人手部特點(diǎn)手部與手腕相連處可拆卸手部是工業(yè)機(jī)器

13、人末端操作器手部的通用性比較差手部是一個(gè)獨(dú)立部件手部的分類手部設(shè)計(jì)和選用要求普通手爪設(shè)計(jì),手部設(shè)計(jì)和選用要求,被抓握的對(duì)象物幾何參數(shù)：工件尺寸；抓握表面數(shù)目、位置和方向；夾持表面間的距離和幾何形狀；機(jī)械特性：質(zhì)量、材料、表面溫度等物料饋送器或存儲(chǔ)裝置對(duì)手爪必需的最小、最大爪鉗間的距離；必需的夾緊力；其它的不確定因素機(jī)器人作業(yè)順序手爪和機(jī)器人的匹配手爪的機(jī)械接口/手爪自重環(huán)境條件,普通手爪設(shè)計(jì),機(jī)械式手爪設(shè)計(jì)驅(qū)

14、動(dòng)：氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng)：運(yùn)動(dòng)要求和夾緊力要求爪鉗：形狀、材料、與工件的接觸面積磁力吸盤設(shè)計(jì)不需夾具，要求工件表面清潔、平整、干燥只適合對(duì)工件要求不高或不考慮剩磁的影響，不適合高溫真空式吸盤設(shè)計(jì)要求工件表面清潔、平整、干燥、能氣密各類真空式吸盤舉例,六 機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),機(jī)身設(shè)計(jì)考慮因素：足夠的剛度和穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)布置合理回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身機(jī)身驅(qū)動(dòng)力（力矩）計(jì)算行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)各類行走機(jī)構(gòu)的