工業(yè)機器人機械傳動部分

1、南京熊貓電子裝備限公司熊貓機器人主講: 張亞二一五年七月十一日本培訓內(nèi)容解釋權歸南京熊貓電子裝備所有主要內(nèi)容u1、工業(yè)機器人的歷史背景及應用的多樣化u2、焊接機器人及系統(tǒng)特征u3、焊接機器人結構及傳動設計u4、外部軸和變位機一、工業(yè)機器人的歷史背景和應用的多樣化機器人定義美國工業(yè)協(xié)會（RIA）：機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或者專用裝置，通過可編程動作來執(zhí)行各種任務，并具有編程能力的多功能機器手。這個定義實際上針對的是工業(yè)機器人。日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRA）：機器人是一種帶有存儲器件和末端操作器的通用機械，他能通過自動化的動作代替人類勞動。日本著名學者加藤一郎：機器人三要素 1、具

2、有腦、手、腳等要素的個體；2、具有非接觸傳感器和接觸傳感器。3、具有用于平衡和定位的傳感器。機器人三大特征：擬人功能，可編程，通用性機器人分類第一代機器人：能試教-再現(xiàn)的工業(yè)機器人第二代機器人：可感知周圍環(huán)境，進行反饋控制。第三代機器人：智能機器人，能夠邏輯推斷、判斷、決策等第四代機器人：情感類機器人，具有人類情感。工業(yè)機器人歷史背景1962年：美國研制出第一臺工業(yè)機器人1965年：美國使用第一臺點焊機器人1984年：全世界機器人使用量8萬臺1998年：美國擁有8萬臺，德國擁有7萬臺，分別占世界機器人總數(shù)的 15%和13%，日本一直占有60%。50年的發(fā)展：廣泛用于汽車制作業(yè)、毛皮制作、機械

3、加工、焊接、熱處理、裝配、檢測、上下料等。西周偃師制造能歌善舞的伶人魯班制造木鳥，三日不下捷克作家卡雷爾.恰佩克在小說中（羅莎姆 的萬能機器人）中首次提出Robot標志性機器人1973年世界上機器人和小型計算機第一次攜手合作，誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機器人T3。1979年美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA，這標志著工業(yè)機器人技術已經(jīng)成熟。PUMA至今仍然工作在第一線1979年日本山里大學牧野洋發(fā)明發(fā)明了平面關節(jié)（SCARA）型機器人，該機器人此后在裝配作業(yè)中得到廣泛應用。并聯(lián)機器人定義：運動平臺和基座間至少有兩根活動連桿連接，具有2個或2個以上自

4、由度的閉環(huán)結構機器人，1965年英國高級工程師Stewart提出了Stewart平臺，推動了對并聯(lián)機器人的研究1978年澳大利亞著名機構教授Hunt提出把6自由度Stawart平臺作為機器人結構。圖為Adept公司的Quattro并聯(lián)機器人。應用多樣化二、焊接機器人及系統(tǒng)特征工業(yè)機器人一般結構1、三大部分 機械本體、傳感器部分、控制部分2、六個子系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)、機械結構系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。焊接機器人的系統(tǒng)構成焊接機器人單體： 機器人本體 電力電纜 外部裝置 控制柜 焊絲盤架 工裝夾具 示教器 變壓器 擴展設備（外部軸） 焊接電源 焊槍防碰撞裝置 接口

5、電路 控制電纜 焊槍 送絲機構 焊接機器人應用環(huán)境應用環(huán)境較為惡劣：1、強弧光、高溫、復雜電磁2、煙塵、飛濺3、加工或裝配誤差4、焊接熱變形、焊件表面狀態(tài)5、其它環(huán)境因素三、焊接機器人結構及傳動設計基本參數(shù)自由度：6最大工作半徑：1400mm負載：6kg重復定位精度：0.1mm典型關節(jié)自由度種類及圖形符號工業(yè)機器人操作臂的關節(jié)常為單自由度主動運動副。即每一個關節(jié)均有一個驅動器驅動。五種坐標形式的機器人直角坐標型機器人圓柱坐標型機器人球坐標型機器人關節(jié)坐標型機器人SCARA型機器人作業(yè)范圍為立方體狀位置精度高運動求解簡單結構龐大、動作范圍小靈活性差、占地面積較大多做成樓門式，框架式，用于搬運作業(yè)

6、范圍為圓柱形狀位置精度高，運動直觀、控制簡單、占地面積小、廉價、應用廣泛不能抓取靠近立柱或地面上的物體作業(yè)范圍為空心球體狀結構緊湊、動作靈活、占地面積小結構復雜、定位精度低、動作直觀性差作業(yè)范圍為空心球體狀作業(yè)范圍大、動作靈活、能抓取靠近機身的物體、應用廣泛，現(xiàn)在標準六軸工業(yè)機器人代表定位精度低、動作直觀性差三個轉動關節(jié)可在平面內(nèi)進行定位和定向。一個移動關節(jié)，用于完成手抓在垂直平面方向上的運動水平面內(nèi)具有良好的柔順型，且動作靈活、速度快、定位精度高。適用于平面定位，以及垂直方向上進行裝配，又稱為裝配機器人。結構設計結構分類：手臂和手腕1、手臂設計 手臂控制機器人末端焊槍的位姿，想要達到任意位姿

7、，需要3個自由度，手臂構型常見位姿有四種，1、直角坐標系型；2圓柱坐標系型；3、球坐標系型；4、關節(jié)型；這種形式的手臂是通過控制三個互相垂直方向的位移，從而確定了機器人焊槍的空間位置，由于三個關節(jié)都是移動關節(jié)，故其結構剛度大、工作精度高，因為三個關節(jié)沒有耦合運動，所以控制起來也較為簡單，但其不足之處也是顯而易見的，比如說，其運動需要導軌，這使其整體尺寸變大，并且導致工作空間與結構所占空間的比值減小，工作速度也較慢圓柱坐標式的手臂，是運用關節(jié)的轉動形式和移動形式的組合運動來確定腕部在工作空間的位置，這種構型工作速度較快，結構尺寸好計算，但是操作起來有些不太靈活，工作過程中容易和其他物體發(fā)生碰撞，

8、因此一般應用于搬運機器人球坐標式手臂是由兩個轉動關節(jié)和一個移動關節(jié)組成，這種構型的設計方案使其結構緊湊，自身所占空間減小，然而移動關節(jié)需要導軌結構，使整體機構靈活性變差，目前應用不多關節(jié)式手臂是由三個轉動關節(jié)來實現(xiàn)末端的位姿調(diào)整，這種構型方案是運用仿生學理論來進行設計的，其靈感來自于人或類人的手臂結構。關節(jié)型的手臂相對其它構型的手臂來說，其對于確定工作空間內(nèi)的任意位姿是最快的，并且在工作時手臂幾乎不存在任何干涉；其結構緊湊，操作靈活，工作空間與自身結構體積的比值是最大的；雖然控制較為復雜，但隨著計算機技術的發(fā)展和控制算法的完善，目前已經(jīng)比較成熟了手腕可以確定焊槍空間的姿態(tài)，在參考人體手腕的基礎

9、上，確定機器人腕有三個自由度，俯仰形式關節(jié)為B，旋轉形式關節(jié)為R，則現(xiàn)存的手腕結構有BBR、BRR、RBR、RRR。2、手腕設計RRR手腕構型的工作空間較大，但其結構較復雜，對焊接工作的精度有較大影響，且當其完全伸展時，三根關節(jié)軸處于同一平面內(nèi)，同時有兩根旋轉軸重合，這樣將導致機器人手腕喪失一個自由度，從而使手腕不能到達任意位置姿態(tài)，不滿足本設計要求RBR構型的手腕不僅很容易實現(xiàn)遠距離的傳動和控制，而且其手腕三根關節(jié)軸相交于一點，運動學逆問題有封閉解，控制算法簡單，其結構緊湊，在同樣條件下其末端運動件更加輕型化，并且RBR完全展開時更適合微調(diào)操作BBR型手腕減少了手腕縱向尺寸，減小了工作空間，

10、不夠靈活。一般來說，旋轉關節(jié)與平移關節(jié)相比，具有工作空間大、結構緊湊、重量輕以及靈活性好等特點，也更容易做密封防塵3、焊接機器人整體構型設計4、機器人結構外觀圖及部件簡介腕小臂肘大臂肩機器人底座焊槍肩關節(jié)通過Ws軸與底座相連，做回旋運動大臂通過Sh軸與肩關節(jié)相連，做前后運動肘關節(jié)通過Eb軸與大臂相連，做上下運動小臂通過Rt軸與肘關節(jié)相連，做旋轉運動腕關節(jié)通過Bn軸與小臂相連，做擺臂運動焊槍通過Tr軸與腕關節(jié)相連，做旋轉運動5、機器人運動范圍6、機器人驅動系統(tǒng)6.1、Ws軸（回旋）驅動系統(tǒng)基座是機器人的基礎部分，起支撐作用，直接固定到地面或者其它固定物上Ws軸回旋驅動系統(tǒng)又叫回轉腰座，連接大臂和

11、基座，起回轉支撐的作用。此結構采用“電機-減速器-肩關節(jié)”直接傳動的方式，與“電機-減速器-輸入齒輪-中心齒輪-肩關節(jié)”的傳動方式對比優(yōu)點：傳動效率高，結構緊湊，回差小等優(yōu)點6.2 Sh軸（前后）驅動裝置大臂是主要的載荷傳動部件，它將各種載荷傳遞給肩，肩再傳給底座Sh軸前后驅動系統(tǒng)依然采用“電機-減速器-肩關節(jié)”的傳動方式，簡單、高效6.3、Eb軸（上下）驅動裝置肘關節(jié)作用雖然仍負責傳遞載荷，但不再是主要承載關節(jié)，大部分作用是為了改變機器人末端的位置根據(jù)結構特點，Ws軸回旋驅動系統(tǒng)依然采用“電機-減速器-肩關節(jié)”傳動的方式。減速機RV減速器6.4、Rt軸（旋轉）驅動裝置1、Rt軸為從臂部到腕部

12、的過渡傳動系統(tǒng)，從Rt軸開始，機器人各關節(jié)尺寸變小而顯靈巧，驅動功率急劇降低2、且為了使傳動靈活并且空間有效利用，傳動形勢不在是按照“電機-減速器-關節(jié)”進行傳動3、綜合考慮驅動系統(tǒng)精度高、體積小、傳動靈活、過線方便等因素，Rt軸旋轉驅動系統(tǒng)采用“電機-主動同步帶輪-同步帶-從動同步帶輪-減速器-小臂”的傳動方式優(yōu)點：同步帶傳動效率高、回差小、傳動靈活、結構簡單有效，使用中取得了良好的效果諧波減速機6.5、Bn軸（擺臂）驅動裝置Bn軸驅動系統(tǒng)的作用是調(diào)節(jié)焊接角度。需要具備傳動靈活、精確、節(jié)約體積、小功率等特點基于此，仍采用“電機-主動同步帶輪-同步帶-從動同步帶輪-減速器-腕”結構緊湊的傳動方

13、式6.6、Tr 軸（旋轉）驅動裝置Tr軸驅動系統(tǒng)控制著焊槍的旋轉，采用“電機-減速器-焊槍”直接驅動的方式，且電機內(nèi)置于腕腔內(nèi)，體積小，外表美觀，結構緊湊。機器人用減速機驅動方式：電、氣、液。常用交流伺服電機驅動減速機：常用RV減速機和諧波減速機RV傳動裝置是由第一級漸開線圓柱齒輪行星減速機構和第二級擺線針輪行星減速機構兩部分組成,為一封閉差動輪系如圖結構簡圖。主動的太陽輪1與輸入軸相連,如果漸開線中心輪1順時針方向旋轉,它將帶動三個呈120度布置的行星輪2在繞中心輪軸心公轉的同時還有逆時針方向自轉,三個曲柄軸3與行星輪2相固連而同速轉動,兩片相位差180度的擺線輪4鉸接在三個曲柄軸上,并與固定的針輪相哨合,在其軸線繞針輪軸線公轉的同時,還將反方向自轉,即順時針轉動。輸出機構(即行星架)6由裝在其上的三對曲柄軸支撐軸承來推動,把擺線輪上的自轉矢量以1:1的速比傳遞出來。左圖即是RV減速器減速原理RV減速機原理圖傳動比范圍大扭轉剛度大只要設計合理,制造裝配精度保證,就可獲得高精度和小間隙回差傳動效率高傳遞同樣轉矩與功率時