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)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)速度的變化對油膜厚度的影響很小 載荷的變化對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稱傳動(dòng)消隙偏心機(jī)構(gòu)消隙齒廓彈性覆層消隙 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 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) 1 傳動(dòng)比大 且范圍廣 單級傳動(dòng)的傳動(dòng)比為50 320 復(fù)波傳動(dòng)的傳動(dòng)比可達(dá)107 2 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 3 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 4 運(yùn)動(dòng)精度高 回差小 5 傳動(dòng)效率高 一般單級傳動(dòng)效率為70 90 6 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 1 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 2 傳動(dòng)效率高 工作可靠 行星齒輪傳動(dòng)由于采用了對稱的分流傳動(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 3 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 由于行星齒輪傳動(dòng)具有上述優(yōu)點(diǎn) 故目前行星齒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)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)的簡介 垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 各支承處的摩擦力 啟動(dòng)時(shí)的總慣性力 運(yùn)動(dòng)部件的總重力 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 總摩擦阻力矩 各回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件總慣性力矩 升降立柱下降不卡死條件計(jì)算 偏重力臂 偏重力矩 立柱支撐導(dǎo)套產(chǎn)生的防止手臂傾斜的力矩 不卡死條件