第四章工業(yè)機器人設計介紹

第四章工業(yè)機器人設計介紹第一頁，共77頁。目錄第一章機械制造及裝備設計方法第二章金屬切削機床設計第三章典型部件設計第七章機械加工生產(chǎn)線總體設計第五章機床夾具設計第四章工業(yè)機器人設計第六章物流系統(tǒng)設計第二頁，共77頁。第四章：工業(yè)機器人設計Ⅳ第一節(jié)概述第二節(jié)工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設計第三節(jié)工業(yè)機器人在機械制造系統(tǒng)中的應用第三頁，共77頁。4.1概述工業(yè)機器人的定義及工作原理1工業(yè)機器人的構(gòu)成及分類2工業(yè)機器人的主要特性表示方法3工業(yè)機器人的設計方法4Ⅳ第四頁，共77頁。4.1.1工業(yè)機器人的定義及工作原理（一）機器人的定義我國國家標準GB/T12643——90將工業(yè)機器人定義為“是一種能自動控制、可重復編程、多功能、多自由度的操作機，能搬運材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。Ⅳ（二）工業(yè)機器人的基本工作原理工業(yè)機器人的基本工作原理：通過操作機上各運動構(gòu)件的運動，自動的實現(xiàn)手部作業(yè)的動作功能及技術(shù)要求。第五頁，共77頁。工業(yè)機器人的定義及工作原理1工業(yè)機器人的構(gòu)成及分類2工業(yè)機器人的主要特性表示方法3工業(yè)機器人的基本設計方法44.1概述Ⅳ第六頁，共77頁。4.1.2工業(yè)機器人的構(gòu)成及分類工業(yè)機器人的構(gòu)成：操作機、驅(qū)動單元、控制裝置操作機是機器人的機械本體，也可稱為主機。通常由末端執(zhí)行器（又稱手部）、手腕、手臂（又可分為大臂和小臂）及機座（又稱機身或立柱）組成。驅(qū)動單元由驅(qū)動裝置（如電動機、液壓或氣壓裝置）、減速器和內(nèi)部檢測元件等組成，為操作機各運動部件提供動力和運動。控制裝置由檢測和控制兩部分組成，用來控制驅(qū)動單元，檢測其運動參數(shù)并進行反饋。第七頁，共77頁。4.1.2工業(yè)機器人的構(gòu)成及分類操作機由末端執(zhí)行器、手腕、手臂及機座組成。Ⅳ圖4-1工業(yè)機器人系統(tǒng)的組成1—機座2—控制裝置3—操作機第八頁，共77頁。4.1.2工業(yè)機器人的構(gòu)成及分類Ⅳ圖4-2PUMA機器人操作機a)結(jié)構(gòu)簡圖

b)運動功能簡圖第九頁，共77頁。4.1.2工業(yè)機器人的構(gòu)成及分類Ⅳ（二）工業(yè)機器人的分類1、按機械結(jié)構(gòu)類型分類：關(guān)節(jié)型機器人、球坐標型機器人、圓柱坐標型機器人、直角坐標型機器人。2、按用途分類：焊接機器人、沖壓機器人、澆注機器人、搬運機器人、裝配機器人、噴漆機器人、切削加工機器人、檢測機器人等。3、按控制方式、機器人的功能水平等分類方式。第十頁，共77頁。4.1.2工業(yè)機器人的構(gòu)成及分類圖4-3機器人的機械結(jié)構(gòu)類型：a)關(guān)節(jié)型b)球坐標型c)圓柱坐標型d)直角坐標型Ⅳ第十一頁，共77頁。4.1.2工業(yè)機器人的構(gòu)成及分類2、按用途分類：焊接機器人、裝配機器人......空間曲線焊接機器人Ⅳ第十二頁，共77頁。4.1.2工業(yè)機器人的構(gòu)成及分類3、機器人按控制方式分類Ⅳ操作型機器人能自動控制，可重復編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。程控型機器人按預先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。示教再現(xiàn)型機器人通過引導或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復進行作業(yè)。數(shù)控型機器人不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機器人根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。第十三頁，共77頁。4.1.2工業(yè)機器人的構(gòu)成及分類Ⅳ感覺控制型機器人利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。適應控制型機器人機器人能適應環(huán)境的變化，控制其自身的行動。學習控制型機器人機器人能“體會”工作的經(jīng)驗，具有一定的學習功能，并將所“學”的經(jīng)驗用于工作中。智能機器人以人工智能決定其行動的機器人。第十四頁，共77頁。4.1.2工業(yè)機器人的構(gòu)成及分類Ⅳ雙足仿人機器人管道機器人第十五頁，共77頁。4.1.2工業(yè)機器人的構(gòu)成及分類Ⅳ排爆機器人有觸覺的水下機器人第十六頁，共77頁。工業(yè)機器人的定義及工作原理1工業(yè)機器人的構(gòu)成及分類2工業(yè)機器人的主要特性表示方法3工業(yè)機器人的設計方法44.1概述Ⅳ第十七頁，共77頁。4.1.3工業(yè)機器人的主要特性表示方法（一）坐標系坐標系按右手確定（右圖）；

關(guān)節(jié)坐標系的確定（下圖）；確定基準狀態(tài)；關(guān)節(jié)坐標軸軸線位置的選??；關(guān)節(jié)坐標方向的選取。Ⅳ第十八頁，共77頁。4.1.3工業(yè)機器人的主要特性表示方法Ⅳ（二）機械結(jié)構(gòu)類型

用結(jié)構(gòu)坐標形式和自由度表示。自由度是表示工業(yè)機器人動作靈活程度的參數(shù)，以直線運動和回轉(zhuǎn)運動的獨立運動數(shù)表示（三）工作空間工作空間是指工業(yè)機器人正常運行時，手腕參考點能在空間活動的最大范圍。（四）其他特性

用途、負載、速度、控制、分辨率等。圖4-6機器人的工作空間第十九頁，共77頁。工業(yè)機器人的定義及工作原理1工業(yè)機器人的構(gòu)成及分類2工業(yè)機器人的主要特性表示方法3工業(yè)機器人的設計方法44.1概述Ⅳ第二十頁，共77頁。4.1.4工業(yè)機器人的設計方法（一）總體設計：Ⅳ1、基本技術(shù)參數(shù)的選擇（額定負載、額定速度、驅(qū)動方式、用途、作業(yè)空間、性能指標）；2、總體方案設計（運動功能方案設計、傳動系統(tǒng)方案設計、結(jié)構(gòu)布局方案、參數(shù)設計、控制系統(tǒng)方案設計、總體方案評價）（二）結(jié)構(gòu)和工藝設計裝配圖設計、零件圖設計、控制系統(tǒng)設計；（三）

總體評價對總體設計方案進行評價，預測其是否能滿足所需設計指標的要求

第二十一頁，共77頁。4.2工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設計工業(yè)機器人的手臂和機座1工業(yè)機器人的手腕2工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器3Ⅳ第二十二頁，共77頁。4.2.1工業(yè)機器人的手臂和機座工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和移動裝置組成。Ⅳ工業(yè)機器人的手臂由動力關(guān)節(jié)和連接桿件構(gòu)成，用以支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器的位置。手臂部件一般具有2~3個自由度（回轉(zhuǎn)、俯仰、升降或伸縮），包括驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)、定位導向裝置、支承連接件和檢測元件等。第二十三頁，共77頁。4.2.1工業(yè)機器人的手臂和機座Ⅳ（一）設計要求

1、手臂結(jié)構(gòu)設計要求

手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應滿足機器人完成作業(yè)任務提出的工作空間要求；合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料，減輕自重；減小驅(qū)動裝置的負荷，提高手臂運動的響應速度；提高運動的精確性和運動剛度。第二十四頁，共77頁。4.2.1工業(yè)機器人的手臂和機座Ⅳ2、機座結(jié)構(gòu)設計要求機座主要有回轉(zhuǎn)機座和升降機座兩種，用以實現(xiàn)手臂的整體回轉(zhuǎn)或升降；要有足夠大的安裝基面，以保證機器人工作時的穩(wěn)定性；機座承受機器人全部重量和工作載荷，應保證足夠的強度、剛度和承載能力；機座軸系及傳動鏈的精度和剛度對末端執(zhí)行器的運動精度影響最大。第二十五頁，共77頁。4.2.1工業(yè)機器人的手臂和機座Ⅳ（二）典型結(jié)構(gòu)1、液壓驅(qū)動圓柱坐標型機器人手臂結(jié)構(gòu)（圖4-22），具有手臂伸縮（液壓缸2驅(qū)動）、回轉(zhuǎn)（擺動液壓馬達11驅(qū)動）和升降（6的下面升降液壓缸）三個運動。1—活塞桿2—液壓缸3—手臂端部4—手臂支架5—導軌6—中間機座7、9—齒輪8—擋塊10—行程開關(guān)11—擺動液壓馬達第二十六頁，共77頁。4.2.1工業(yè)機器人的手臂和機座Ⅳ2、電動機驅(qū)動機械傳動圓柱坐標型機器人手臂和機座圖（圖4-23）。GMFM-100型機器人手臂。

手臂的升降和伸縮運動由雙圓柱導軌導向和直流伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠實現(xiàn)直線移動?；剞D(zhuǎn)運動由底部的回轉(zhuǎn)機座實現(xiàn)。第二十七頁，共77頁。4.2.1工業(yè)機器人的手臂和機座Ⅳ圖4-24采用環(huán)形軸承的機器人機座結(jié)構(gòu)1—剛輪2—柔輪3—位置傳感器4—帶傳動5—殼體6—軸承7—電動機8—波發(fā)生器9—支座第二十八頁，共77頁。4.2.1工業(yè)機器人的手臂和機座Ⅳ圖4-25薄壁密封交叉滾子軸承的安裝方式a)軸承外圈回轉(zhuǎn)b)軸承內(nèi)圈回轉(zhuǎn)第二十九頁，共77頁。4.2.1工業(yè)機器人的手臂和機座Ⅳ圖4-26用普通軸承的機座支撐機構(gòu)1—軸承2—手臂3、6—電動機4—機座5—腰關(guān)7—諧波減速器8、9、10—齒輪11—基座第三十頁，共77頁。4.2.1工業(yè)機器人的手臂和機座ⅣPUMA機器人手臂的結(jié)構(gòu)圖（4-27）（直流伺服電機驅(qū)動、六自由度關(guān)節(jié)型）

a)大臂驅(qū)動機構(gòu)b)小臂驅(qū)動機構(gòu)1、10—大臂2、3、5、6、8、9、14、15—齒輪4、13、16—偏心套7、11—驅(qū)動電動機12—驅(qū)動軸17—小臂18—座機第三十一頁，共77頁。4.2.1工業(yè)機器人的手臂和機座Ⅳ帶諧波減速器的機器人手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖（4-29）。（手臂殼體13與剛輪一起在軸承3和12上轉(zhuǎn)動）1—臂座2、11—法蘭盤3、12—軸承4—驅(qū)動電機5—柔輪6—從動剛輪7—波發(fā)生器8—套筒9—電磁制動器10—驅(qū)動軸13—手臂殼體第三十二頁，共77頁。工業(yè)機器人的手臂和機座1工業(yè)機器人的手腕2工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器3Ⅳ4.2工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設計第三十三頁，共77頁。4.2.2工業(yè)機器人的手腕Ⅳ手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，其功能是在手臂和機座實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個位置坐標的基礎上，再由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個姿態(tài)坐標，即實現(xiàn)三個旋轉(zhuǎn)自由度。

圖4-30手腕自由度1—手臂2—機械接口第三十四頁，共77頁。Ⅳ（一）設計要求力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，為減輕其質(zhì)量和體積；自由度愈多，運動范圍愈大，動作靈活性愈高，機器人對作業(yè)的適應能力愈強；提高傳動剛度，盡量減少反轉(zhuǎn)誤差；對手腕回轉(zhuǎn)各關(guān)節(jié)軸上要設置限位開關(guān)和機械擋塊，以防止關(guān)節(jié)超限造成事故。4.2.2工業(yè)機器人的手腕第三十五頁，共77頁。Ⅳ（二）手腕的結(jié)構(gòu)用擺動液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動的手腕結(jié)構(gòu)。

4.2.2工業(yè)機器人的手腕圖4-31用擺動液壓缸驅(qū)動的手腕1—活塞2、4—油路3—進油孔5—定片6—動片7—排油孔第三十六頁，共77頁。Ⅳ具有兩個自由度的機械傳動手腕結(jié)構(gòu)。4.2.2工業(yè)機器人的手腕1、2、3、12、13—軸承4、5—鏈輪6、7—鏈條8—手腕殼體9、11—錐齒輪10、14—軸15—機械接口法蘭盤第三十七頁，共77頁。Ⅳ具有三個自由度的機械傳動手腕結(jié)構(gòu)。4.2.2工業(yè)機器人的手腕1、2、3、4、5、6、7、11、12、13、14、15—齒輪8—手抓9、10、16—殼體

產(chǎn)生手爪回轉(zhuǎn)、手腕偏擺和手腕俯仰三個運動第三十八頁，共77頁。Ⅳ4.2.2工業(yè)機器人的手腕

（1）手爪回轉(zhuǎn)運動：當B、T軸不動，S軸以ns轉(zhuǎn)動時：

（2）手腕偏擺運動及其誘導運動：當B、S軸不動，T軸以nT轉(zhuǎn)動時，手爪回轉(zhuǎn)運動n7,和手腕俯仰運動n9,

（3）手腕俯仰運動及其誘導運動：當S、T軸不動，B軸以nB轉(zhuǎn)動時，驅(qū)動殼體9實現(xiàn)俯仰運動n9第三十九頁，共77頁。Ⅳ偏置三自由度機械傳動手腕結(jié)構(gòu)。4.2.2工業(yè)機器人的手腕a)裝置外觀圖b)傳動機構(gòu)簡圖1、2、3、4、7、9—齒輪5—機械接口法蘭盤6—殼體8—手腕架第四十頁，共77頁。ⅣCINCINNATTIMILACRON三轉(zhuǎn)軸手腕結(jié)構(gòu)

4.2.2工業(yè)機器人的手腕a)手腕結(jié)構(gòu)裝配圖b)手腕傳動機構(gòu)簡圖1、2、3—電動機4、5、6—空心傳動軸7、8、9、11、13、14—齒輪10—殼體12—機械接口法蘭盤第四十一頁，共77頁。ⅣPUMA機器人手腕結(jié)構(gòu)4.2.2工業(yè)機器人的手腕a)手臂b)手腕c)柔性聯(lián)軸器1—手腕2—殼體3、4、11、12、13、14—傳動齒輪5—傳動軸6—柔性聯(lián)軸器7、8、9—電動機10—手臂外殼15、16—軸17—手腕機械接口第四十二頁，共77頁。工業(yè)機器人的定義及工作原理1工業(yè)機器人的構(gòu)成及分類2工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器3Ⅳ4.2工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設計第四十三頁，共77頁。Ⅳ（一）分類和設計要求根據(jù)用途和結(jié)構(gòu)的不同可以分為機械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具三類。

4.2.3工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器

設計末端執(zhí)行器時，要求：滿足作業(yè)需要的足夠的夾持力和所需的夾持位置精度；盡可能使末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，質(zhì)量輕，以減輕手臂的負荷。第四十四頁，共77頁。Ⅳ4.2.3工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器（二）機械式夾持器的結(jié)構(gòu)與設計工業(yè)機器人中應用的機械夾持器多為雙指手爪式；按其手爪的運動方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型；回轉(zhuǎn)型手爪又分為單支點回轉(zhuǎn)型和雙支點回轉(zhuǎn)型；按夾持方式可分為外夾式和內(nèi)撐式；按驅(qū)動方式可以有電動、液壓和氣動。第四十五頁，共77頁。Ⅳ4.2.3工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器機械式夾持器a)單支點回轉(zhuǎn)型b)雙支點回轉(zhuǎn)型c)平移型d)內(nèi)撐式第四十六頁，共77頁。Ⅳ4.2.3工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器

1—杠，2—彈簧

3—滾子，4—楔塊

5—驅(qū)動器

夾緊力FN和驅(qū)動力FP

之間的計算公式為：第四十七頁，共77頁。Ⅳ4.2.3工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器

1—支架

2—桿

3—圓柱銷

4—杠桿

夾緊力FN和驅(qū)動力FP

之間的計算公式為：第四十八頁，共77頁。Ⅳ4.2.3工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器連桿杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器

1—桿

2—連桿

3—擺動鉗爪

4—調(diào)整墊片

夾緊力FN和驅(qū)動力FP

之間的計算公式為：第四十九頁，共77頁。Ⅳ4.2.3工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器齒輪齒條平行連桿式平移型夾持器

1—扇形齒輪，2—齒條桿

3—電磁式驅(qū)動器

4—機座，5、6—連桿

7—鉗爪

夾緊力FN和驅(qū)動力FP

之間的計算公式為：第五十頁，共77頁。Ⅳ4.2.3工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器左右旋絲杠平移型夾持器

1—電動機

2—絲杠

3—導軌

4—鉗爪桿

夾緊力FN和驅(qū)動力矩T的計算公式為：第五十一頁，共77頁。Ⅳ4.2.3工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器

1—驅(qū)動器

2—桿

3—鉗爪

撐緊力FN和上推力FP

之間的計算公式為：第五十二頁，共77頁。Ⅳ（三）吸附式末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與設計吸附式末端執(zhí)行器（又稱吸盤），有氣吸式和磁吸式兩種。它們分別是利用吸盤內(nèi)負壓產(chǎn)生的吸力或磁力來吸住并移動工作的。

1、氣吸式吸盤擠壓排氣式吸盤電流負壓式吸盤真空泵排氣式吸盤2、磁吸式吸盤分為電磁吸盤和永磁吸盤4.2.3工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器第五十三頁，共77頁。Ⅳ4.2.3工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器氣吸式吸盤的結(jié)構(gòu)a)擠壓排氣式b)真空泵排氣式c)氣流負壓式d)特殊吸盤e)雙吸盤式吸頭1—壓蓋2—密封蓋3—吸盤4—工件

第五十四頁，共77頁。Ⅳ4.2.3工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器磁吸式吸盤1—繞組2—鐵心3—工件4—內(nèi)盤體5—隔磁物6—外盤面7—盤體

第五十五頁，共77頁。4.3工業(yè)機器人在制造系統(tǒng)中的應用單機形式應用1機械制造系統(tǒng)中的應用2工業(yè)機器人在極限作業(yè)中的應用3Ⅳ第五十六頁，共77頁。Ⅳ4.3.1單機形式應用工業(yè)機器人是一種生產(chǎn)設備，作業(yè)時一般需要有外圍設備完成一些輔助工作。單機形式工作的工業(yè)機器人如去鑄件飛邊、刮研、切削加工、焊接等機器人。

主要考慮的原則：首先應能滿足作業(yè)內(nèi)容、工作空間、工作質(zhì)量及定位精度等技術(shù)參數(shù)要求；同時考慮功能價格比，自由度多，價格昂貴。第五十七頁，共77頁。單機形式應用1機械制造系統(tǒng)中的應用2工業(yè)機器人在極限作業(yè)中的應用3Ⅳ4.3工業(yè)機器人在制造系統(tǒng)中的應用第五十八頁，共77頁。Ⅳ4.3.2機械制造系統(tǒng)中的應用（一）選擇與布局設計原則：滿足作業(yè)技術(shù)參數(shù)要求；性價比好；滿足系統(tǒng)的生產(chǎn)節(jié)拍要求；在系統(tǒng)中，作業(yè)不發(fā)生干涉的約束條件下，優(yōu)化工業(yè)機器人與前后相聯(lián)接設備之間的布置，從而減小機器人規(guī)格要求，減少制造系統(tǒng)的占地面積，縮短運動路徑；機器人與系統(tǒng)中相聯(lián)接的裝備控制應協(xié)調(diào)。第五十九頁，共77頁。Ⅳ柔性加工單元中的機器人

4.3.2機械制造系統(tǒng)中的應用第六十頁，共77頁。Ⅳ車削加工單元中的機器人

4.3.2機械制造系統(tǒng)中的應用第六十一頁，共77頁。Ⅳ4.3.2機械制造系統(tǒng)中的應用（二）工業(yè)機器人應用實例柔性加工系統(tǒng)中的機器人

1—拉床2—車床3—插齒機4—剃齒機5—塔式儲存架6—機器人7—去毛剃機第六十二頁，共77頁。Ⅳ4.3.2機械制造系統(tǒng)中的應用裝配系統(tǒng)中的機器人

1—機器人2—軸承3—軸4—壓力機5—套

6—墊圈7—法蘭8—螺母9—產(chǎn)品傳動帶第六十三頁，共77頁。Ⅳ4.3.2機械制造系統(tǒng)中的應用裝配系統(tǒng)中的雙臂智能機器人

1~7—固定式電視攝像機8—可轉(zhuǎn)式電視攝像機9—抓握手臂

10—感知手臂11、12、13—吸塵器零部件14—吸塵器裝配成品第六十四頁，共77頁。Ⅳ4.3.2機械制造系統(tǒng)中的應用焊接作業(yè)系統(tǒng)中的機器人

1—機器人2—傳送帶3—汽車殼體第六十五頁，共77頁。Ⅳ4.3.2機