第4章工业机器人机械系统设计.ppt

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1、工业机器人设计与应用(Designing and using industrial robots)主讲：韩兴本机电工程学院学习内容：4.1 工业机器人总体设计 4.2 工业机器人传动部件设计 4.3 臂部设计 4.4 手腕设计 4.5 手部设计 4.6 机身及行走机构设计 第4章 工业机器人机械系统设计 4.1 工业机器人总体设计工业机器人总体设计 第4章 工业机器人机械系统设计一、主体结构设计一、主体结构设计二、传动方式的选择二、传动方式的选择三、模块化结构设计三、模块化结构设计四、材料的选择四、材料的选择五、平衡系统的设计五、平衡系统的设计主要内容：主要内容：第第4章章 工业机器人机械系统

2、设计工业机器人机械系统设计一、一、主体结构设计主体结构设计 主主体体结结构构设设计计的的主主要要问问题题是是：选选择择由由连连杆杆件件和和运运动动副副组组成成的的坐坐标标形形式。式。使两物体直接接触而使两物体直接接触而又能产生一定相对运又能产生一定相对运动的联接，称为运动动的联接，称为运动副。副。1、直角坐标式机器人、直角坐标式机器人 主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业，大约占工业机器人总数的作业，大约占工业机器人总数的14%左右。左右。手臂能垂直上下移动（手臂能垂直上下移动（Z方向运动），方向运动），并可沿滑架和横梁上

3、的导轨进行水平面内并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移动（二维移动（X、Y方向运动）。主体结构有方向运动）。主体结构有3个自由度，手腕自由度的数量视用途而定。个自由度，手腕自由度的数量视用途而定。图图4-1 直角坐标式机器人示意图直角坐标式机器人示意图图图4-2 AWD-ROBOT直角坐标机器人直角坐标机器人 直角坐标机器人定义直角坐标机器人定义:以单维直线运动单位为以单维直线运动单位为根底根底,搭建出空间多自由搭建出空间多自由度、多方向的运动机构度、多方向的运动机构,通常采用伺服驱动通常采用伺服驱动,可实可实现空间各方向直线运动的现空间各方向直线运动的插补联动及配合运动插补联动及配合运

4、动.直角坐标机器人用途直角坐标机器人用途:大型多工序生产现场的各环节自动化衔接大型多工序生产现场的各环节自动化衔接,物流设备、搬运码跺设备物流设备、搬运码跺设备(如如:食品行业、化装品行业、电子设备、各食品行业、化装品行业、电子设备、各种零部件种零部件)、涂料设备、点胶设备、无损检测设备、视觉检测设备、贴、涂料设备、点胶设备、无损检测设备、视觉检测设备、贴标设备、激光加工行业、焊接设备、跟踪模拟设备标设备、激光加工行业、焊接设备、跟踪模拟设备(军工军工)以及一些军以及一些军品制造和防爆场合品制造和防爆场合.资料来自：北京阿沃德自动化设备有限责任公司 第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人

5、机械系统设计表表4.1 直角坐标式机器人的优缺点对照表直角坐标式机器人的优缺点对照表优点优点优点优点缺点缺点缺点缺点(1)(1)结构简单结构简单结构简单结构简单(2)(2)容易编程容易编程容易编程容易编程(3)(3)采用直线滚动导轨后，速度高，采用直线滚动导轨后，速度高，采用直线滚动导轨后，速度高，采用直线滚动导轨后，速度高，定位精度高定位精度高定位精度高定位精度高(4)(4)在在在在X X、Y Y和和和和Z Z坐标轴方向上的运坐标轴方向上的运坐标轴方向上的运坐标轴方向上的运动没有耦合作用，对控制系统设动没有耦合作用，对控制系统设动没有耦合作用，对控制系统设动没有耦合作用，对控制系统设计相对容

6、易些。计相对容易些。计相对容易些。计相对容易些。(1)(1)导轨面的防护比较困难，不能导轨面的防护比较困难，不能导轨面的防护比较困难，不能导轨面的防护比较困难，不能像转动关节的轴承那样密封得很像转动关节的轴承那样密封得很像转动关节的轴承那样密封得很像转动关节的轴承那样密封得很好好好好(2)(2)导轨的支撑结构增加了机器人导轨的支撑结构增加了机器人导轨的支撑结构增加了机器人导轨的支撑结构增加了机器人的重量，并减少的有效工作范围。的重量，并减少的有效工作范围。的重量，并减少的有效工作范围。的重量，并减少的有效工作范围。(3)(3)为了减少摩擦需要很长的直线为了减少摩擦需要很长的直线为了减少摩擦需要

7、很长的直线为了减少摩擦需要很长的直线滚动导轨，价格高。滚动导轨，价格高。滚动导轨，价格高。滚动导轨，价格高。(4)(4)结构尺寸与有效工作范围相比结构尺寸与有效工作范围相比结构尺寸与有效工作范围相比结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大显得庞大显得庞大显得庞大(5)(5)移动部件的惯量比较大，增加移动部件的惯量比较大，增加移动部件的惯量比较大，增加移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置的尺寸和能量消耗。了驱动装置的尺寸和能量消耗。了驱动装置的尺寸和能量消耗。了驱动装置的尺寸和能量消耗。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计图图4-3 搬运搬运/码垛码垛/装配机器人装配机器人 应用案

8、例一：应用案例一：直角坐标机器人在铝锭直角坐标机器人在铝锭码垛机上的应用码垛机上的应用 直角坐标机器人在码垛机上的使用直角坐标机器人在码垛机上的使用越来越多，其特点是负载范围大，小到越来越多，其特点是负载范围大，小到几公斤，大到几吨；运行速度快，且速几公斤，大到几吨；运行速度快，且速度可调整；动作灵活，可以完成复杂的度可调整；动作灵活，可以完成复杂的码垛任务；可靠性高，维护简单。码垛任务；可靠性高，维护简单。要求要求：按层码垛；：按层码垛；运动空间为三维，四自由度运动。运动空间为三维，四自由度运动。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计行程：行程：X方向方向2200mm,Y方

9、向方向1500mm,Z方向方向1200mm,水平旋转：水平旋转：+-900 能够和生产线融为一体，有良好的通讯。能够和生产线融为一体，有良好的通讯。最大负载重量为最大负载重量为150Kg，额定负载，额定负载125Kg。层与层间成。层与层间成90度角交叉排放。度角交叉排放。每垛共九层，垛高每垛共九层，垛高1000mm。最快码垛速度为最快码垛速度为1000mm/s，平均速度为，平均速度为500mm/s。码垛精度：码垛精度：1mm 应用案例二：直角坐标机器人在汽车发动应用案例二：直角坐标机器人在汽车发动机涂胶机上的应用机涂胶机上的应用 要求：在汽车发动机盖上连续均布涂胶，要求：在汽车发动机盖上连续均

10、布涂胶，涂胶曲线为空间三维曲线。共有两条涂胶涂胶曲线为空间三维曲线。共有两条涂胶曲线，空间夹角为曲线，空间夹角为16度度,每个曲线根本由每个曲线根本由直线和圆弧组成。直线和圆弧组成。涂胶速度为涂胶速度为100mm/s，回原点速度为，回原点速度为500mm/s 最小圆弧半径：最小圆弧半径：5mm 涂胶精度：涂胶精度：0.1mm 涂胶行程：涂胶行程：600400100。该机器人由安装架、机器人定位系统、该机器人由安装架、机器人定位系统、伺服驱动系统、供胶系统及涂胶枪、控制伺服驱动系统、供胶系统及涂胶枪、控制系统及电控配电系统、平安防护装置等组系统及电控配电系统、平安防护装置等组成。成。图图4-4

11、涂胶机器人涂胶机器人 第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计应用案例三：三坐标壁挂机器人对液晶显示应用案例三：三坐标壁挂机器人对液晶显示器的检测器的检测 工作要求：工作要求：1、采用视觉系统对地上显示器进行检测。、采用视觉系统对地上显示器进行检测。2、检测范围：、检测范围：X，Y，Z 轴的有效行程分别为轴的有效行程分别为2500mm，600mm 和和 400mm。在。在 Z 轴下端装配轴下端装配 可旋可旋转视觉像机。相机可旋转。转视觉像机。相机可旋转。3、工件形状：工件形状：工件为电脑液晶显示器，该显示器有大工件为电脑液晶显示器，该显示器有大有小，工作台每次安装有小，工作台每

12、次安装10个显示器，以备检测。个显示器，以备检测。4、定位精度及分辨率：定位精度及分辨率：重复定位度为重复定位度为0.025mm,系统系统分辨率分辨率0.01 mm 5、控制系统：、控制系统：系统要求能够对检测数据要进行分析处系统要求能够对检测数据要进行分析处理，包括显示出探伤扫描图像、滤波、增强、理，包括显示出探伤扫描图像、滤波、增强、图图4-5 检测机器人检测机器人 放大、旋转、特征提取、将扫描结果打印或上传给上位机、位置标记放大、旋转、特征提取、将扫描结果打印或上传给上位机、位置标记 等。等。6、机器人组成：、机器人组成：该机器人由安装架及显示器工作台、机器人定位系统、伺服驱动系统、末端

13、该机器人由安装架及显示器工作台、机器人定位系统、伺服驱动系统、末端检测设备相机、控制系统等组成。检测设备相机、控制系统等组成。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2、圆柱坐标式机器人、圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。主体结构具有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。手腕采用手腕采用2个自由度个自由度绕手臂纵向轴线转动绕手臂纵向轴线转动与其垂直的水平轴线转动与其垂直的水平轴线转动 假设手腕采用3个自由度，那么机器人自由度数目到达6个，但手腕上的某个自由度将与主体上的回转自由度有局部重复。此类机器人大约占工业机器人总数的47%左右。图图4-6 圆柱坐标

14、式机器人圆柱坐标式机器人 示意图示意图第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计表表4.2 圆柱坐标式机器人的优缺点对照表圆柱坐标式机器人的优缺点对照表优点优点优点优点缺点缺点缺点缺点(1)(1)除了简单的除了简单的除了简单的除了简单的“抓抓抓抓放放放放”作业外作业外作业外作业外还可以用在许多其它生产领域，还可以用在许多其它生产领域，还可以用在许多其它生产领域，还可以用在许多其它生产领域，与直角坐标式机器人相比增加了与直角坐标式机器人相比增加了与直角坐标式机器人相比增加了与直角坐标式机器人相比增加了通用性。通用性。通用性。通用性。(2)(2)结构紧凑结构紧凑结构紧凑结构紧凑(3)

15、(3)在垂直方向和径向有两个往复在垂直方向和径向有两个往复在垂直方向和径向有两个往复在垂直方向和径向有两个往复运动，可采用伸缩套筒式结构。运动，可采用伸缩套筒式结构。运动，可采用伸缩套筒式结构。运动，可采用伸缩套筒式结构。当机器人开始腰转时可把手臂缩当机器人开始腰转时可把手臂缩当机器人开始腰转时可把手臂缩当机器人开始腰转时可把手臂缩进去，在很大程度上减少的转动进去，在很大程度上减少的转动进去，在很大程度上减少的转动进去，在很大程度上减少的转动惯量，改善动力学载荷。惯量，改善动力学载荷。惯量，改善动力学载荷。惯量，改善动力学载荷。由于机身结构的缘故，手臂不能由于机身结构的缘故，手臂不能由于机身结

16、构的缘故，手臂不能由于机身结构的缘故，手臂不能抵达底部，减少了机器人的工作抵达底部，减少了机器人的工作抵达底部，减少了机器人的工作抵达底部，减少了机器人的工作范围。范围。范围。范围。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计3、球面坐标式机器人、球面坐标式机器人 主体结构有三个自由度，绕垂直轴线机身、水平轴线回转关节的转动及手臂的伸缩。图图4-7 球面坐标式机器人示意图球面坐标式机器人示意图第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计4、关节坐标式机器人、关节坐标式机器人 主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节，手腕的三个自由度上的转动关节俯仰、偏

17、转和翻转用来确定末端操作器的姿态，大约占工业机器人总数的25%左右。图图4-8 球面坐标式机器人示意图球面坐标式机器人示意图第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计关节坐标式机器人的优点：关节坐标式机器人的优点：结构紧凑，工作范围大而安装占地面积小结构紧凑，工作范围大而安装占地面积小具有很高的可达性。具有很高的可达性。转动关节易于封闭，由于轴承件是大量生产的标准件，那么摩擦小、惯量小、可靠性好。转动关节易于封闭，由于轴承件是大量生产的标准件，那么摩擦小、惯量小、可靠性好。所需关节驱动力矩小，能量消耗较少。所需关节驱动力矩小

18、，能量消耗较少。关节坐标式机器人的缺点：关节坐标式机器人的缺点：肘关节和肩关节轴线是平行的，当大、小臂舒展成一直线时虽能抵达很远的工作点，但机器肘关节和肩关节轴线是平行的，当大、小臂舒展成一直线时虽能抵达很远的工作点，但机器人的结构刚度比较低；人的结构刚度比较低；机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。二、二、传动方式的选择传动方式的选择 传动方式选择是传动方式选择是选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动方式动方式。1、直接连接传动、直接连接传动 驱动电机（或带有传动装置）直

19、接与关节相连。驱动电机（或带有传动装置）直接与关节相连。2、远距离连接传动、远距离连接传动 驱动源通过远距离机械传动装置与关节相连。驱动源通过远距离机械传动装置与关节相连。3、间接驱动机器人、间接驱动机器人 驱动源经一个速比大于驱动源经一个速比大于1的机械传动装置与关节相连。的机械传动装置与关节相连。4、直接驱动机器人、直接驱动机器人 驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于1的机械传动这样的中间环节与的机械传动这样的中间环节与关节相连。关节相连。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计三、三、模块化结构设计模块化结构设计 1、模块化工业机器

20、人、模块化工业机器人2、模块化工业机器人的特点、模块化工业机器人的特点3、模块化工业机器人所存在的问题、模块化工业机器人所存在的问题 模块化机器人：是由一些标准化、系列化的模块化机器人：是由一些标准化、系列化的模块件模块件通过具有特通过具有特殊功能的殊功能的结合部结合部用积木拼搭的方式组成一个工业机器人系统。用积木拼搭的方式组成一个工业机器人系统。1 经济性经济性2灵活性灵活性1模块化工业机器人整个机械系统的刚度比较差。模块化工业机器人整个机械系统的刚度比较差。2模块化工业机器人的整体重量有可能增加。模块化工业机器人的整体重量有可能增加。3尚未做到根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。尚

21、未做到根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计四、材料的选择四、材料的选择1、材料选择的根本要求、材料选择的根本要求2、结构件材料介绍、结构件材料介绍1强度高强度高2弹性模量大弹性模量大3重量轻重量轻4阻尼大阻尼大5材料价格低材料价格低 碳素结构钢、合金结构钢；铝、铝合金及其它轻合金材料；纤碳素结构钢、合金结构钢；铝、铝合金及其它轻合金材料；纤维增强合金；陶瓷；纤维增强复合材料。维增强合金；陶瓷；纤维增强复合材料。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计五、平衡系统设计五、平衡系统设计1、工业机器人平衡系统的作用、工业

22、机器人平衡系统的作用2、平衡系统设计的主要途径、平衡系统设计的主要途径1平安平安2降低因机器人构形变化而导致重力引起关节驱动力矩变化的峰值。降低因机器人构形变化而导致重力引起关节驱动力矩变化的峰值。3降低因机器人运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值。降低因机器人运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值。4减少动力学方程中内部耦合项和非线性项，改进机器人动力特性。减少动力学方程中内部耦合项和非线性项，改进机器人动力特性。5减小机械臂结构柔性所引起的不良影响。减小机械臂结构柔性所引起的不良影响。6能使机器人运行稳定，降低地面安装要求。能使机器人运行稳定，降低地面安装要求。（1）质量平衡

23、技术）质量平衡技术（2）弹簧力平衡技术）弹簧力平衡技术（3）可控力平衡技术。）可控力平衡技术。举例举例第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计 图中，图中，L2、L3和和G2、G3分别代表分别代表下臂和上臂的长度与质心，下臂和上臂的长度与质心，m2、m3和和2、3分分别别代表它代表它们们的的质质量与量与转转角。角。m为为可移可移动动的平衡的平衡质质量，它用来平衡量，它用来平衡下臂和上臂的下臂和上臂的质质量。杆量。杆SA、AB与上与上臂、下臂臂、下臂铰铰接构成一个平行四接构成一个平行四边边形平形平衡系衡系统统。要使。要使该该机构平衡，机构平衡，满满足下面足下面两个方程式即可。两个

24、方程式即可。平衡与否只与可移动平衡质量平衡与否只与可移动平衡质量m的大小和位置有关，与的大小和位置有关，与2、3无关，无关，这说明该平衡系统在机械臂的任何构形下都是平衡的。这说明该平衡系统在机械臂的任何构形下都是平衡的。返回返回第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计图图4-10 工业机器人用的平行四边形平衡机构工业机器人用的平行四边形平衡机构第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计 4.2 工业机器人传动部件设计工业机器人传动部件设计一、一、移动关节导轨及转动关节轴承移动关节导轨及转动关节轴承二、二、传动件的定位及消隙传动件的定位及消隙三、三、谐波传动谐波传动

25、四、四、丝杠螺母副及滚珠丝杠传动丝杠螺母副及滚珠丝杠传动五、五、其它传动其它传动 主要内容：主要内容：第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计一、移动关节导轨及转动关节轴承一、移动关节导轨及转动关节轴承一移动关节导轨一移动关节导轨1、要求、要求 移动关节导轨的目的是在运动过程中保证位置精度和导向，对机移动关节导轨的目的是在运动过程中保证位置精度和导向，对机器人移动导轨要求如下：器人移动导轨要求如下：1间隙小或能消除间隙；间隙小或能消除间隙；2在垂直于运动方向上的刚度高；在垂直于运动方向上的刚度高；3摩擦系数低但不随速度变化；摩擦系数低但不随速度变化；4高阻尼；高阻尼；5移动导轨

26、和其它辅助元件尺寸小，惯量低。移动导轨和其它辅助元件尺寸小，惯量低。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2、应用实例、应用实例图图4-11 包容式滚动导轨包容式滚动导轨a开式套筒开式套筒 b开式套筒的刚度特性开式套筒的刚度特性 用支承座支承，可以方便地与任何平面相连，这种情况下，套筒必须是开用支承座支承，可以方便地与任何平面相连，这种情况下，套筒必须是开式的，嵌入在滑枕中，即增强刚度也方便了与其它元件的连接。由于滑枕的影式的，嵌入在滑枕中，即增强刚度也方便了与其它元件的连接。由于滑枕的影响，套筒各个方向的刚度是不一样的。响，套筒各个方向的刚度是不一样的。第第4章章 工业机器

27、人机械系统设计工业机器人机械系统设计图图4-12 固定轴滚动体的滚动导轨固定轴滚动体的滚动导轨 图a中，滚子安装在定轴上，移动件3沿垂直立柱5移动，固定轴滚动体2和4支承在移动件的两个凸台上，移动件沿与立柱5相连的导轨1移动。图b中，导轨上的三个滚动体7沿移动件6滚动，移动件6的转动是由滚动体8限制的。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计(二二)转动关节轴承转动关节轴承 机器人和机械手结构中最常用的是球轴承。机器人和机械手结构中最常用的是球轴承。普通向心球轴承普通向心球轴承向心推力球轴承向心推力球轴承两点接触，必须成两点接触，必须成对使用。对使用。“四点接触四点接触”球轴承

28、：球轴承：轴承的滚道是尖拱式半圆，球与滚轴承的滚道是尖拱式半圆，球与滚道两点接触，该轴承通过两内滚道之间道两点接触，该轴承通过两内滚道之间适当的过盈量实现预紧。适当的过盈量实现预紧。优点：无间隙，能承受双向轴向载荷，优点：无间隙，能承受双向轴向载荷，尺寸小，承载能力和刚度比同样大小的尺寸小，承载能力和刚度比同样大小的一般球轴承高一般球轴承高1.5倍。倍。缺点：价格较高缺点：价格较高图图4-13 基本耐磨球轴承基本耐磨球轴承第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计二、传动件的定位及消隙二、传动件的定位及消隙1、传动件的定位、传动件的定位电气开关定位电气开关定位机械挡块定位机械挡块

29、定位伺服定位系统伺服定位系统2、传动件的消隙、传动件的消隙消隙齿轮消隙齿轮图图4-15 消隙齿轮消隙齿轮图图4-14 利用插销定位的结构利用插销定位的结构 消除传动间隙的主要途径：提高制造和装配精度；设计可调整传动消除传动间隙的主要途径：提高制造和装配精度；设计可调整传动间隙的机构；设置弹性补偿零件。间隙的机构；设置弹性补偿零件。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计柔性齿轮消隙柔性齿轮消隙图图4-16 柔性消隙齿轮柔性消隙齿轮(a)钟罩状柔性齿轮钟罩状柔性齿轮 (b)径向柔性齿轮径向柔性齿轮第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计对称传动消隙对称传动消隙图图

30、4-17 对称传动消隙对称传动消隙(a)钟罩状柔性齿轮钟罩状柔性齿轮 (b)径向柔性齿轮径向柔性齿轮第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计偏心机构消隙偏心机构消隙图图4-18 偏心消隙机构偏心消隙机构第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计齿廓弹性覆层消隙齿廓弹性覆层消隙图图4-19 齿廓弹性覆层消隙齿廓弹性覆层消隙第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计三、谐波传动三、谐波传动2、行星齿轮机构和谐波传动机构行星齿轮机构和谐波传动机构1、机器人对减速器的要求、机器人对减速器的要求 运动精度高、间隙小，以实现较高的重复定位精度；运动精度高、间隙小

31、，以实现较高的重复定位精度；回转速度稳定，无波动，运动副间摩擦小，效率高；回转速度稳定，无波动，运动副间摩擦小，效率高；体积小，重量轻，传动扭矩大。体积小，重量轻，传动扭矩大。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计图图4-20 行星齿轮传动结构简图行星齿轮传动结构简图第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计谐波传动在运动学上是一种具有柔性齿圈的行星传动。谐波传动在运动学上是一种具有柔性齿圈的行星传动。【一】谐波发生器简称波发生器【一】谐波发生器简称波发生器是凸轮通常为椭圆形及薄壁轴承组成，随着凸轮转动，是凸轮通常为椭圆形及薄壁轴承组成，随着凸轮转动，薄壁轴承的

32、外环作椭圆形变形运动弹性范围内。薄壁轴承的外环作椭圆形变形运动弹性范围内。【二】刚轮【二】刚轮是刚性的内齿轮。是刚性的内齿轮。【三】柔轮【三】柔轮是薄壳形元件，具有弹性的外齿轮。是薄壳形元件，具有弹性的外齿轮。以上三个构件可以任意固定一个，成为减速传动及增速传动，或者发生器、刚轮主动，柔轮从以上三个构件可以任意固定一个，成为减速传动及增速传动，或者发生器、刚轮主动，柔轮从动，成为差动机构即转动的代数合成。动，成为差动机构即转动的代数合成。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计图图4-21 谐波传动结构简图谐波传动结构简图播放播放第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械

33、系统设计选型时就确定以下三项参数：选型时就确定以下三项参数：(1)传动比或输出转速传动比或输出转速r/min)(2)减速机输入功率减速机输入功率kw)(3)额定输入转速额定输入转速r/min)谐波传动的特点：谐波传动的特点：优点：尺寸小、惯量低；传动精度高；传动侧隙小；具有优点：尺寸小、惯量低；传动精度高；传动侧隙小；具有高阻尼特性。高阻尼特性。缺点：柔轮的疲劳问题；扭转刚度低；以输入轴速度缺点：柔轮的疲劳问题；扭转刚度低；以输入轴速度2、4、6倍的啮合频率产生振动；刚度比行星齿轮差。倍的啮合频率产生振动；刚度比行星齿轮差。谐波传动装置广泛应用在机器人驱动方面！谐波传动装置广泛应用在机器人驱动

34、方面！北京谐波传动技术研究所 第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计四、丝杠螺母副及滚珠丝杠传动四、丝杠螺母副及滚珠丝杠传动图图4-22 滚动丝杠的基本组成滚动丝杠的基本组成1-丝杠丝杠 2-滚道滚道 3-螺母螺母 4-滚珠滚珠1、组成、组成第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计滚珠丝杠螺母副的优点：滚珠丝杠螺母副的优点：滚珠丝杠螺母副的优点：滚珠丝杠螺母副的优点：n n传动效率高，摩擦损失小传动效率高，摩擦损失小传动效率高，摩擦损失小传动效率高，摩擦损失小n n运动平稳无爬行运动平稳无爬行运动平稳无爬行运动平稳无爬行n n传动精度高，反向时无空程传动精度高

35、，反向时无空程传动精度高，反向时无空程传动精度高，反向时无空程 n n磨损小磨损小磨损小磨损小 精度保持性好，使用寿命长。精度保持性好，使用寿命长。精度保持性好，使用寿命长。精度保持性好，使用寿命长。n n具有运动的可逆性具有运动的可逆性具有运动的可逆性具有运动的可逆性2、特点、特点滚珠丝杠螺母副的缺点：滚珠丝杠螺母副的缺点：滚珠丝杠螺母副的缺点：滚珠丝杠螺母副的缺点：制造本钱高制造本钱高制造本钱高制造本钱高必须增加制动装置必须增加制动装置必须增加制动装置必须增加制动装置第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计滚珠丝杠副间隙的调整滚珠丝杠副间隙的调整滚珠丝杠副间隙的调整滚珠丝杠

36、副间隙的调整1 1n n消除间隙的方法常采用消除间隙的方法常采用消除间隙的方法常采用消除间隙的方法常采用双螺母结构双螺母结构双螺母结构双螺母结构，利用两个螺利用两个螺利用两个螺利用两个螺母的相对轴向位移，使每个螺母中的滚珠分别接母的相对轴向位移，使每个螺母中的滚珠分别接母的相对轴向位移，使每个螺母中的滚珠分别接母的相对轴向位移，使每个螺母中的滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧触丝杠滚道的左右两侧触丝杠滚道的左右两侧触丝杠滚道的左右两侧。3、滚珠丝杠副间隙的调整滚珠丝杠副间隙的调整滚珠丝杠副间隙的调整滚珠丝杠副间隙的调整第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计滚珠丝杠副间隙的调整滚珠

37、丝杠副间隙的调整2n n双螺母垫片式消隙双螺母垫片式消隙双螺母垫片式消隙双螺母垫片式消隙 如下图，此种形式结构简单可靠、刚如下图，此种形式结构简单可靠、刚如下图，此种形式结构简单可靠、刚如下图，此种形式结构简单可靠、刚度好，应用最为广泛。度好，应用最为广泛。度好，应用最为广泛。度好，应用最为广泛。图例图例 双螺母垫片调整法双螺母垫片调整法1中间加垫片中间加垫片第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计图例图例图例图例 双螺母垫片调整法双螺母垫片调整法双螺母垫片调整法双螺母垫片调整法2 2端部加垫片端部加垫片端部加垫片端部加垫片第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设

38、计滚珠丝杠副间隙的调整滚珠丝杠副间隙的调整3n n双螺母螺纹式消隙双螺母螺纹式消隙双螺母螺纹式消隙双螺母螺纹式消隙 如下图，利用一个螺母上的外螺纹，如下图，利用一个螺母上的外螺纹，如下图，利用一个螺母上的外螺纹，如下图，利用一个螺母上的外螺纹，通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整好后用另一个圆螺母锁紧。好后用另一个圆螺母锁紧。好后用另一个圆螺母锁紧。好后用另一个圆螺母锁紧。图例图例 双螺母螺纹消隙双螺母螺纹消隙第第4章章 工业机器人

39、机械系统设计工业机器人机械系统设计滚珠丝杠副间隙的调整滚珠丝杠副间隙的调整4n n齿差式消隙齿差式消隙齿差式消隙齿差式消隙 如下图，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿如下图，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿如下图，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿如下图，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为为为为Z1Z1、Z2Z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两，并相

40、差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，那么两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量为：圈，那么两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量为：圈，那么两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量为：圈，那么两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量为：n n式中式中式中式中Z1Z1、Z2Z2为齿轮的齿数，为齿轮的齿数，为齿轮的齿数，为齿轮的齿数，PhPh为滚珠丝杠的导程。

41、为滚珠丝杠的导程。为滚珠丝杠的导程。为滚珠丝杠的导程。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计图例图例 齿差式消隙齿差式消隙第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计n n一端装止推轴承一端装止推轴承一端装止推轴承一端装止推轴承(固定自由式固定自由式固定自由式固定自由式)如图如图如图如图a a所示。所示。所示。所示。n n一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承(固定支承式固定支承式固定支承式固定支承式)如图如图如图如图b b所示。所示。所示。所示。n n两端装推力轴承

42、单推两端装推力轴承单推两端装推力轴承单推两端装推力轴承单推单推式或双推单推式或双推单推式或双推单推式或双推单推式单推式单推式单推式 如图如图如图如图c c所示。所示。所示。所示。n n两端装双重止推轴承及深沟球轴承两端装双重止推轴承及深沟球轴承两端装双重止推轴承及深沟球轴承两端装双重止推轴承及深沟球轴承(固定固定式固定固定式固定固定式固定固定式)如图如图如图如图d d所示。所示。所示。所示。4、滚珠丝杠副的支承方式、滚珠丝杠副的支承方式图例图例 滚珠丝杠副支承方式滚珠丝杠副支承方式图图4-23 丝杠螺母传动的手丝杠螺母传动的手臂升降机构臂升降机构5、滚珠丝杠传动、滚珠丝杠传动第第4章章 工业机

43、器人机械系统设计工业机器人机械系统设计五、其它传动五、其它传动活塞缸和齿轮齿条机构活塞缸和齿轮齿条机构链传动、皮带传动、绳传动链传动、皮带传动、绳传动钢带传动钢带传动图图4-25 齿轮齿条式增倍机构的手臂结齿轮齿条式增倍机构的手臂结构构图图4-27 钢带传动钢带传动end第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计 4.3 臂部设计臂部设计一、臂部设计的根本要求一、臂部设计的根本要求刚度要求高 常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢或槽钢作支承板。导向性要好 设计导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。重量要轻 减小臂部运动局部的重量。运动要平稳、定位精度要高 设计上结构紧凑、重量轻，还

44、要采用一定形式的缓冲措施。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计二、手臂的常用结构二、手臂的常用结构1 1、手臂直线运动机构、手臂直线运动机构 机器人手臂的伸缩、升降及横向(或纵向)移动均属于直线运动,而实现手臂往复直线活塞和连杆机构等运动的机构形式较多,常用的有活塞油活塞油(气气)缸缸、齿齿轮齿条机构轮齿条机构、丝杠螺母机构丝杠螺母机构等。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计图图4-28 双导向杆手臂的伸缩结构双导向杆手臂的伸缩结构 直线往复运动可采用液压或气压驱动的活塞油(气)缸。由于活塞油(气)缸的体积小,重量轻,因而在机器人手臂结构中应用较多。图4

45、-28所示为双导向杆手臂的伸缩结构。手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端,当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时,那么推动活塞杆2(即手臂)做往复直线移动。导向杆3在导向套4内移动,以防手臂伸缩时的转动(并兼作手腕回转缸6及手部7的夹紧油缸用的输油管道)。由于手臂的伸缩油缸安装在两根导向杆之间,由导向杆承受弯曲作用,活塞杆只受拉压作用,故受力简单,传动平稳,外形整齐美观,结构紧凑。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2 2、手臂回转运动机构、手臂回转运动机构 实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的,常用的有叶片式回转缸叶片式回转缸、齿轮传动机构齿轮传动机构、链轮传

46、动机构链轮传动机构和和连杆机构连杆机构等。例1：下面以齿轮传动机构中活塞缸和齿轮齿条机构为例说明手臂的回转。下面举2个例子：第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计图图4-28 手臂升降和回转运动的结构手臂升降和回转运动的结构 齿轮齿条机构是通过齿条的往复移动,带动与手臂联接的齿轮作往复回转,即可实现手臂的回转运动。带动齿条往复移动的活塞缸可以由压力油或压缩气体驱动。图4-28所示为手臂作升降和回转运动的结构。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计例2 采用活塞缸和连杆机构的一种双臂机器人手臂图图4-29 双臂机器人的手臂结构双臂机器人的手臂结构手臂的上下摆动

47、由铰接活塞油缸和连杆机构来实现。当铰接活塞油缸1的两腔通压力油时,通过连杆2带动曲杆3(即手臂)绕轴心O做90的上下摆动(如双点划线所示位置)。手臂下摆到水平位置时,其水平和侧向的定位由支承架4上的定位螺钉6和5来调节。此手臂结构具有传动结构简单、凑紧和轻巧等特点。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计3.手臂俯仰运动机构手臂俯仰运动机构机器人手臂的俯仰运动一般采用活塞油(气)缸与连杆机构联用来实现。手臂的俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方,其活塞杆和手臂用铰链连接,缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱联接,如图4-30、图4-31所示。图图4-30 手臂俯仰驱动缸安置示意图

48、手臂俯仰驱动缸安置示意图 第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计图图4-31 铰接活塞缸实现手臂俯仰运动结构示意图铰接活塞缸实现手臂俯仰运动结构示意图 第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计大作业：大作业：综合运用所学知识综合运用所学知识,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。原始数据：原始数据：自动线上有，两条输送带之间距离为自动线上有，两条输送带之间距离为1.5m，需设计工业，需设计工业机器人将一零件从机器人将一零件从A带送到带送到B带。带。

49、零件尺寸：内孔零件尺寸：内孔100，壁厚，壁厚10，高，高100。零件材料：零件材料：45钢。钢。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计 4.4 手腕设计手腕设计 Roll:Roll:手腕的手腕的翻转翻转,用用R R表示表示;Pitch:手腕的手腕的俯仰俯仰,用用P表示表示;Yaw :手腕的手腕的偏转偏转,用用Y表示。表示。(a)(a)手腕的翻转手腕的翻转(b)(b)手腕的俯仰手腕的俯仰(c)(c)手腕的偏转手腕的偏转(d)(d)腕部坐标系腕部坐标系图图 4-32手腕的自由度手腕的自由度 第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计 注意：注意：腕部实际所需要的腕

50、部实际所需要的自由度数目自由度数目应根据机器人的工作性应根据机器人的工作性能要求来确定。能要求来确定。手腕的大小和重量手腕的大小和重量是手腕设计时要考虑的关键问题，是手腕设计时要考虑的关键问题，要紧凑的结构，合理的自由度。要紧凑的结构，合理的自由度。第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计主要内容：主要内容：手腕的分类手腕的分类 手腕的典型结构手腕的典型结构 手腕部结构设计举例手腕部结构设计举例第第4章章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计一、手腕的分类一、手腕的分类1、按、按自由度数目自由度数目来分类来分类2、按、按驱动方式驱动方式分类分类第第4章章 工业机器人机械