第四章工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

1、第四章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計,,主要內(nèi)容,1、工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計主體結(jié)構(gòu)設(shè)計傳動方式選擇模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計材料選擇平衡系統(tǒng)設(shè)計2、傳動部件設(shè)計移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌及轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)軸承傳動件的定位及消隙諧波傳動絲杠螺母副及其滾珠絲杠傳動其它傳動,3、臂部設(shè)計臂部設(shè)計的基本要求手臂的常用結(jié)構(gòu)臂部運(yùn)動驅(qū)動力計算4、手腕設(shè)計概述手腕分類手腕設(shè)計舉例,主要內(nèi)容,5、手部設(shè)計概述手部分類手爪設(shè)計和選用的要求普通手

2、爪設(shè)計6、機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)設(shè)計機(jī)身設(shè)計行走機(jī)構(gòu)設(shè)計,一 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計,主體結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵是選擇由連桿件和運(yùn)動副組成的坐標(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)有三個自由度，轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)動和伸縮關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)有三個自由度，全為轉(zhuǎn)動,一 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計,傳動方式選擇選擇驅(qū)動源和傳動裝置與關(guān)節(jié)部件的

3、連接、驅(qū)動方式工業(yè)機(jī)器人的傳動形式,一 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計,模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化工業(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,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

4、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,平衡系統(tǒng)設(shè)計平衡系統(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)動力矩變化的峰值降低因運(yùn)動而導(dǎo)致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化的峰值改進(jìn)動力特性使運(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 傳動部件設(shè)計,移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌及轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)軸承移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌要求類型：普通滑動導(dǎo)軌、液壓動

5、壓移動導(dǎo)軌、液壓靜壓移動導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌應(yīng)用實(shí)例轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)軸承球軸承專用軸承特殊材料制作的軸承,動壓導(dǎo)軌：靠導(dǎo)軌之間的相對運(yùn)動產(chǎn)生的壓力油膜將運(yùn)動件浮起,把兩個導(dǎo)軌面隔離,形成純液體摩檫，其工作原理與動壓軸承相同,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

6、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)動速度的變化對油膜厚度的影響很??；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)動和低速運(yùn)動導(dǎo)軌。,二 傳動部件設(shè)計,傳動件的定位和消隙傳動件的定位電氣開關(guān)定位、機(jī)械擋塊定位、伺服定位系統(tǒng)傳動件的消隙消隙齒輪柔性齒輪對稱傳動消隙偏心機(jī)構(gòu)消隙齒廓彈性

7、覆層消隙,二 傳動部件設(shè)計,減速器諧波傳動機(jī)構(gòu)行星齒輪機(jī)構(gòu),與一般齒輪傳動和蝸桿傳動不同，諧波傳動其工作原理是基于一種變形原理，即通過柔輪變形時其徑向位移和切向位移間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)傳動機(jī)構(gòu)的力和運(yùn)動的轉(zhuǎn)換。諧波齒輪傳動是靠柔性齒輪（柔輪）所產(chǎn)生的可控彈性變形來實(shí)現(xiàn)傳遞運(yùn)動和動力的。它的基本構(gòu)件有：柔輪、波發(fā)生器和剛輪。三個構(gòu)件中可任意固定一個，其余兩個一為主動、一為從動，可實(shí)現(xiàn)減速或增速（固定傳動比），也可變換成兩個輸入，

8、一個輸出 ，組成差動傳動。,當(dāng)剛輪固定，波發(fā)生器為主動，柔輪為從動時，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，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

9、轉(zhuǎn)動一周時，柔輪向相反方向轉(zhuǎn)過兩個齒的角度，從而實(shí)現(xiàn)了大的減速比。,,與一般齒輪傳動比較，它有以下特點(diǎn)：　　（1）傳動比大，且范圍廣。單級傳動的傳動比為50~320，復(fù)波傳動的傳動比可達(dá)107?！　。?）同時參加嚙和的齒數(shù)多，承載能力高。傳遞公稱力矩時，同時參加嚙和的齒數(shù)可達(dá)到總齒數(shù)的30%~40%。　?。?）體積小，重量輕。在傳動比和承載條件相同的情況下，諧波齒輪傳動比一般齒輪傳動的體積和重量減小1/3~1/2左右?！　。?）

10、運(yùn)動精度高，回差小。　?。?）傳動效率高，一般單級傳動效率為70%-90%?！　。?）可向密閉空間傳遞運(yùn)動和動力，這一點(diǎn)是其它任何機(jī)械傳動無法實(shí)現(xiàn),行星減速器的主要特點(diǎn)如下：　?。?）體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞功率大、承載能力高。由于行星齒輪傳動是一種共軸線式傳動形式，即具有同軸線傳動的特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)上采用了對稱分流傳動結(jié)構(gòu)，即用幾個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

11、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。因而行星齒輪傳動在相同功率和傳動比的條件下，可使其外部尺寸和重量只為普通齒輪傳動的1/2-1/6?！　。?）傳動效率高，工作可靠。行星齒輪傳動由于采用了對稱的分流傳動結(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，有利于提高傳動效率?！　。?）傳動比大。適當(dāng)選擇傳動類型和齒輪齒數(shù)，便可利用少數(shù)幾個齒輪而獲得很大的傳動比?！　∮捎谛行驱X輪傳動具有上述優(yōu)點(diǎn)，故目前行星齒

12、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,臂部設(shè)計的基本要求剛度高、導(dǎo)向性好、重量輕、運(yùn)動平穩(wěn)、定位精度高手臂的常用結(jié)構(gòu)直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)臂部運(yùn)動驅(qū)動力計算,四 手腕設(shè)計,概述手腕可具有的自由度：翻轉(zhuǎn)、俯仰、偏轉(zhuǎn)設(shè)計的重點(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)動方式分類手腕設(shè)計舉例,五 手部設(shè)計,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

13、人末端操作器手部的通用性比較差手部是一個獨(dú)立部件手部的分類手部設(shè)計和選用要求普通手爪設(shè)計,手部設(shè)計和選用要求,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,機(jī)械式手爪設(shè)計驅(qū)

14、動：氣動、液動、電動傳動：運(yùn)動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,機(jī)身設(shè)計考慮因素：足夠的剛度和穩(wěn)定性、運(yùn)動靈活、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)動力（力矩）計算行走機(jī)構(gòu)設(shè)計各類行走機(jī)構(gòu)的