机械制造装备设计北科大第四章.pptx
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1、,退出,第四章 工业机器人设计,第四章 工业机器人设计,返回主页,第一节 概述,第二节 工业机器人运动功能设计方法及举例,第三节 工业机器人传动系统设计,第四节 工业机器人的机械机构系统设计,第五节 工业机器人的控制,上一页,下一页,第六节 机器人在机械制造系统中的应用,第四章 工业机器人设计,4.1 概述,一、工业机器人的定义及工作原理,二、工业机器人的构成及分类,三、工业机器人的主要特性表示方法,上一页,下一页,退出,返回主页,四、工业机器人的设计方法,返回本章,第四章 工业机器人设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,4.1.1 工业机器人的定义及工作原理,1、机器人的定义 我国国家标准
2、GB/T126431990将工业机器 人定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、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”。2、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,自动地实 现手部作业的动作功能及技术要求。,第四章 工业机器人设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,4.1.2 工业机器人的构成及分类,1、工业机器人的构成 操作机、驱动单元、控制装置 图1、图2 2、工业机器人的分类 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。图3 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
3、人、喷漆 机器人、切削加工机器人、检测机器人等。还有按控制方式、机器人的功能水平等分类方式。,第四章 工业机器人设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,4.1.3 工业机器人的主要特性表示方法,1、坐标系 坐标系按右手确定 图4 关节坐标系的确定:确定基准状态 PUMA机器人坐标系图5;关节坐标轴轴线位置的选取;关节坐标方向的选取。2、机械结构类型 用结构坐标形式和自由度表示。3、作业空间 机器人的工作空间图6 4、其他特性 用途、负载、速度、控制、分辨率等。,第四章 工业机器人设计,退出,返回本节,返回主页,进入下一节,4.1.4 工业机器人的设计方法,1、总体设计:1)基本技术参数的选择
4、2)总体方案设计2、结构和工艺设计;3、总体评价;,第四章 工业机器人设计,4.2 工业机器人运动功能设计方法及举例,一、工业机器人的位姿描述,二、工业机器人运动方程,三、工业机器人的运动功能设计方法,上一页,下一页,退出,返回主页,五、工业机器人的工作空间解释,返回本章,六、工业机器人的轨迹解析,四、工业机器人的运动功能设计举例,第四章 工业机器人设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,4.2.1 工业机器人的位姿描述,工业机器人的位姿是指其末端执行器在指定坐标系中 的位置和姿态。1、作业功能姿态描述法 图7 所谓用作业动作功能要求来描述机器人位姿,就 是直接用末端执行器和机座之间的齐次坐标
5、变换 来描述。2、运动功能姿态描述法 坐标变换:坐标系采用右手系坐标。运动矩阵:机器人各个关节的运动都是坐标运动,坐标运动可以用齐次坐标变换矩阵 表示。机器人末端执行器与机座之间 的相对运动可以用运动矩阵来表示。三自由度机器人图8,第四章 工业机器人设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,4.2.2 工业机器人的运动方程,机器人的位姿可以用运动功能矩阵To,m来描述,它可以展开为:To,m=To,1T1,2 Ti-1,iTn-1,n Tn,Tm 此式是一个矩阵表达的方程式,也称机器人的位姿运动方程。若机器人各个关节运动量为已知,则可以根据上式求出末端执行器在基座坐标系中的位置和姿态。,第四章
6、工业机器人设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,4.2.3 工业机器人的运动功能设计方法,机器人运动功能设计可采用分析式设计方法和创成式设计方法。1、分析式设计方法步骤 根据作业运动功能的要求,确定机器人末端执行器 应达到的位置和姿态,即建立作业功能位姿矩阵;对作业动作功能进行分析,写出运动功能矩阵;给出各关节运动量,求出机器人的实际工作空间及 姿态,也可用作图法求解;校核所求出的实际工作空间及姿态是否满足步骤的 设计要求。,第四章 工业机器人设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,4.2.3 工业机器人的运动功能设计方法,2、创成式设计方法步骤 根据作业动作功能要求,建立作业功能位姿 矩阵
7、;分析作业功能位姿矩阵的特征,设定相应的 运动功能矩阵;解方程式,即可得到运动功能方案。,第四章 工业机器人设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,4.2.4 工业机器人运动功能设计举例,例:设计平面搬运机器人的运动功能方案,作业动作功能要求将工件w从a平面搬运到b平面上,手爪抓取工件Y方向(工件窄方向)。如图4-9所示,X0-Y0-Z0和Xm-Ym-Zm分别为机器人机座坐标系和末端执行器坐标系,X-Y-Z为工件坐标系。1)建立机器人作业功能矩阵 2)基本运动功能方案设置3)推理设置其他运动功能方案,第四章 工业机器人设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,4.2.5 工业机器人的工作空间解析
8、,机器人的运动功能及相关尺寸参数确定后,给出各关节的运动范围可以通过解位姿运动方程式,求出机器人的实际工作空间,同时检验其姿态是否满足设计要求。由各关节的运动量求机器人的位置和姿态,称为机器人的正运动学解析。机器人的工作空间,还可以用作图法图13进行解析。,第四章 工业机器人设计,退出,返回本节,返回主页,进入下一节,4.2.6 工业机器人的轨迹解析,当作业动作功能所要求机器人末端执行器的运动轨迹已知,即作业功能位置矩阵已知,则运动矩阵就确定了。各关节运动量的计算是机器人控制程序设计所必需的。,第四章 工业机器人设计,4.3 工业机器人传动系统设计,一、工业机器人的速度和加速度分析,二、工业机
9、器人的静力分析,上一页,下一页,退出,返回主页,三、工业机器人的传动系统设计,返回本章,四、驱动方式选择,第四章 工业机器人设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,4.3.1 工业机器人的速度和加速度分析,1、构件的速度和加速度分析 机器人操作机是由若干构件通过其间的关 节联接而成的。末端执行器上的参考点P 相对于机座坐标系的的速度,可通过相应 位置变量对时间的微分而得到。2、较速度和角加速度分析 在末端执行器上所夹持的工件角速度是所 有回转关节的角速度的矢量和。,第四章 工业机器人设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,4.3.2 工业机器人的静力分析,机器人进行作业时,其末端执行器上将作用
10、有工作阻力(力矩),而机器人中的各驱动器则对各运动关节施加驱动力矩,驱使操作机运动。进行机器人操作机设计时,往往首先进行初步的静力分析,为操作机的方案和结构设计提供依据。作用在操作机上的静力,是由末端执行器开始自上编号杆件向下编号杆件递推的。,第四章 工业机器人设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,4.3.3 工业机器人的传动系统设计,机器人操作机是由若干个构件和关节组成的多自由度空间机构,其运动都是由驱动器经各种机械传动装置减速后驱动负载。机器人中常用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动和行星齿轮传动等。,第四章 工业机器人设计,退出,返回本节,返回主页
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