第四章工业机器人设计(机械制造装备设计第四版)课件.ppt

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1、机械制造装备设计,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,第四章：工业机器人设计,第一节 概述,第二节 工业机器人的机械结构系统设计,第三节 工业机器人在机械制造系统中的应用,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,工业机器人的主要特性表示方法,3,工业机器人的设计方法,4,4.1.1工业机器人的定义及工作原理,（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

2、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”。,（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。,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,4,4.1 概述,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

3、）、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。,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成1机座 2控制装置 3操作机,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,4.1.2工业机器人的构成及分类,（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、

4、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。,4.1.2工业机器人的构成及分类,图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,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,4.1.2工业机器人的构成及分类,3、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

5、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。,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。,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,4.1.2工业机器人的构成及分类,排爆机器人,有触觉的水下机器人,工业机器人的定义及工作原理,1,工业机器人的

6、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,4,4.1 概述,4.1.3工业机器人的主要特性表示方法,（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。,4.1.3工业机器人的主要特性表示方法,（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,（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。,（四）其他特性 用途、负载、速度、控制、分辨率等。,图4-6机器人的工作空间,工业机器

7、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,4,4.1 概述,4.1.4工业机器人的设计方法,（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、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,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

8、器人的末端执行器,3,4.2.1工业机器人的手臂和机座,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。,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、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。,4.2.1工业机器人的手臂和机座,（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。,4.2.1工业机器

9、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。,4.2.1工业机器人的手臂和机座,（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,4.2.

10、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。,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,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,4.2.1工业机器人的手臂和机座,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

11、 4机座5腰关 7谐波减速器 8、9、10齿轮 11基座,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,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,工业机器人的手臂和机座,1,工

12、业机器人的手腕,2,工业机器人的末端执行器,3,4.2 工业机器人的机械结构系统设计,4.2.2工业机器人的手腕,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,（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,（二）

13、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,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,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,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

14、动时：,（2）手腕偏摆运动及其诱导运动：当B 、S轴不动，T轴以nT转动时，手爪回转运动n7,和手腕俯仰运动n9,（3）手腕俯仰运动及其诱导运动：当S 、T轴不动，B轴以nB转动时，驱动壳体9实现俯仰运动n9,偏置三自由度机械传动手腕结构。,4.2.2工业机器人的手腕,a)装置外观图 b)传动机构简图 1、2、3、4、7、9齿轮5机械接口法兰盘6壳体8手腕架,CINCINNATTI MILACRON三转轴手腕结构,4.2.2工业机器人的手腕,a)手腕结构装配图 b)手腕传动机构简图 1、2、3电动机4、5、6空心传动轴7、8、9、11、13、14齿轮10壳体12机械接口法兰盘,PUMA机器人手

15、腕结构,4.2.2工业机器人的手腕,a)手臂 b)手腕 c)柔性联轴器 1手腕 2壳体 3、4、11、12、13、14传动齿轮 5传动轴 6柔性联轴器 7、8、9电动机 10手臂外壳 15、16轴 17手腕机械接口,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,工业机器人的末端执行器,3,4.2 工业机器人的机械结构系统设计,（一）分类和设计要求 根据用途和结构的不同可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具三类。,4.2.3工业机器人的末端执行器,设计末端执行器时，要求：满足作业需要的足够的夹持力和所需的夹持位置精度；尽可能使末端执行器结构简单、紧凑，质量轻，以减轻手臂的

16、负荷。,4.2.3工业机器人的末端执行器,（二）机械式夹持器的结构与设计工业机器人中应用的机械夹持器多为双指手爪式；按其手爪的运动方式可分为平移型和回转型 ；回转型手爪又分为单支点回转型和双支点回转型 ；按夹持方式可分为外夹式和内撑式； 按驱动方式可以有电动、液压和气动 。,4.2.3工业机器人的末端执行器,机械式夹持器a)单支点回转型b)双支点回转型c)平移型d) 内撑式,4.2.3工业机器人的末端执行器,楔块杠杆式回 转型夹持器 1杠，2弹簧 3滚子，4楔块 5驱动器,夹紧力FN和驱动力FP 之间的计算公式为：,4.2.3工业机器人的末端执行器,滑槽杠杆式回 转型夹持器 1支架 2杆 3圆

17、柱销 4杠杆,夹紧力FN和驱动力FP 之间的计算公式为：,4.2.3工业机器人的末端执行器,连杆杠杆式回 转型夹持器 1杆 2连杆 3摆动钳爪 4调整垫片,夹紧力FN和驱动力FP 之间的计算公式为：,4.2.3工业机器人的末端执行器,齿轮齿条平行连杆 式平移型夹持器 1扇形齿轮，2齿条杆 3电磁式驱动器 4机座，5、6连杆 7钳爪,夹紧力FN和驱动力FP 之间的计算公式为：,4.2.3工业机器人的末端执行器,左右旋丝杠平移 型夹持器 1电动机 2丝杠 3导轨 4钳爪杆,夹紧力FN和驱动力 矩T的计算公式为：,4.2.3工业机器人的末端执行器,内撑连杆杠杆式 夹持器 1驱动器 2杆 3钳爪,撑紧

18、力FN和上推力FP 之间的计算公式为：,（三）吸附式末端执行器的结构与设计 吸附式末端执行器（又称吸盘），有气吸式和磁吸式两种。它们分别是利用吸盘内负压产生的吸力或磁力来吸住并移动工作的。,1、气吸式吸盘挤压排气式吸盘电流负压式吸盘 真空泵排气式吸盘,2、磁吸式吸盘分为电磁吸盘和永磁吸盘,4.2.3工业机器人的末端执行器,4.2.3工业机器人的末端执行器,气吸式吸盘的结构a)挤压排气式b)真空泵排气式c)气流负压式d)特殊吸盘e)双吸盘式吸头1压盖2密封盖3吸盘4工件,4.2.3工业机器人的末端执行器,磁吸式吸盘1绕组2铁心3工件4内盘体5隔磁物6外盘面7盘体,4.3 工业机器人在制造系统中的

19、应用,单机形式应用,1,机械制造系统中的应用,2,工业机器人在极限作业中的应用,3,4.3.1单机形式应用,工业机器人是一种生产设备，作业时一般需要有外围设备完成一些辅助工作。单机形式工作的工业机器人如去铸件飞边、刮研、切削加工、焊接等机器人。,主要考虑的原则： 首先应能满足作业内容、工作空间、工作质量及定位精度等技术参数要求； 同时考虑功能价格比，自由度多，价格昂贵。,单机形式应用,1,机械制造系统中的应用,2,工业机器人在极限作业中的应用,3,4.3 工业机器人在制造系统中的应用,4.3.2机械制造系统中的应用,（一）选择与布局设计原则： 满足作业技术参数要求；性价比好；满足系统的生产节拍

20、要求；在系统中，作业不发生干涉的约束条件下，优化工业机器人与前后相联接设备之间的布置，从而减小机器人规格要求，减少制造系统的占地面积，缩短运动路径；机器人与系统中相联接的装备控制应协调。,柔性加工单元中的机器人,4.3.2机械制造系统中的应用,车削加工单元中的机器人,4.3.2机械制造系统中的应用,4.3.2机械制造系统中的应用,（二）工业机器人应用实例柔性加工系统中的机器人,1拉床 2车床 3插齿机 4剃齿机 5塔式储存架 6机器人 7去毛剃机,4.3.2机械制造系统中的应用,装配系统中的机器人,1机器人 2轴承 3轴 4压力机 5套 6垫圈 7法兰 8螺母 9产品传动带,4.3.2机械制造

21、系统中的应用,装配系统中的双臂智能机器人,17固定式电视摄像机 8可转式电视摄像机 9抓握手臂 10感知手臂 11、12、13吸尘器零部件 14吸尘器装配成品,4.3.2机械制造系统中的应用,焊接作业系统中的机器人,1机器人 2传送带 3汽车壳体,4.3.2机械制造系统中的应用,喷漆作业系统中的机器人,1工装板 2循环拖动链条 3工件识别站 4工件5行程开关 6直角坐标机器人 7、8、9、10垂直关节机器人,4.3.2机械制造系统中的应用,焊接机器人,4.3.2机械制造系统中的应用,红旗轿车焊接线,单机形式应用,1,机械制造系统中的应用,2,工业机器人在极限作业中的应用,3,4.3 工业机器人

22、在制造系统中的应用,4.3.3工业机器人在极限作业中的应用,工业机器人可以代替人去处理一些危险作业，如放在射线、海洋、火灾、宇宙等环境中使用。,核工业中的步行机器人,4.3.3工业机器人在极限作业中的应用,美国陆军曾在伊拉克战场上使用18个遥控剑”(“SWORDS”)机器人士兵。这种全名为“特种武器观测侦察探测系统”的机器人士兵，每分钟能发射1000发子弹，它们是美国军队历史上第一批参加与敌方面对面实战的机器人。遥控 “剑”身高0.9米，配备有5.56毫米口径的M249机枪， 20多万美元 。,4.3.3工业机器人在极限作业中的应用,军用昆虫机器人,水下扫雷机器人,4.3.3工业机器人在极限作业中的应用,4.3.3工业机器人在极限作业中的应用,清洁机器人,4.3.3工业机器人在极限作业中的应用,双足步行机器人爬楼梯,