第四章总体设计.ppt

工业机器人机械系统设计是工业机器人设计的重要部分，其它系统的设计应有自己的独立要求，但还必须与机械系统相匹配，相辅相成，组成一个完整的机器人系统。虽然工业机器人不同于专用设备，它具有较强的灵活性，但是，要设计和制造什么活都能干的机器人是不现实的。不同应用领域的工业机器人机械系统设计上的差异比工业机器人其它系统设计上的差异大得多。因此，使用要求是工业机器人机械系统设计的出发点。动力源是单独被划分出来的，并且考虑到电动驱动、液压驱动、气动驱动。 一、主体结构设计 工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。最广泛使用的工业机器人坐标形式有：直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式(极坐标式)、关节坐标式(包括平面关节式)。 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作业，大约占工业机器人总数的14%左右。一般直角坐标式机器人的手臂能垂直主下移动(Z方向运动),并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移动(X和y方向运动)。 直角坐标式机器人的优点是： (1)结构简单。 (2)容易编程。 (3)采用直线滚动导轨后,速度高,定位精度高。 (4)在X、Y和Z三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用，对控制系统设计相对容易些。 但是，由于直角坐标式机器人必须采用导轨，带来许多问题。 主要缺点是： (1)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好。 (2)导轨的支承结构增加了机器人的重量,并减少了有效工作范围。 (3)为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨,价格高。 (4)结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大。 (5)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。 近来一种起重机台架式直角坐标机器人的应用越来越多，在直角坐标式机器人中的比重正在增加(如下图)。在像装配飞机构件这样的大车间中，这种起重机台架式直角坐标机器人的X和y坐标轴方向移动距离分别可达100m和40m，沿Z坐标轴方向可达5m，成为目前最大的机器人。并且，因为仅仅台架的立柱占据了安装位置，所以它能很好地利用车间的空间。 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。手腕通常采用两个自由度，绕手臂纵向轴线转动和与其垂直的水平轴线转动。手腕若采用三个自由度，如图4-2所示，则使机器人自由度总数达到六个，但是手腕上的某个自由度将与主体上的回转自由度有部分重复。此类工业机器人大约占工业机器人总数的47%左右。 圆柱坐标式机器人的优点： (1)除了简单的“抓--放”作业外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通用性。 (2)结构紧凑。 (3)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。当机器人开始腰转时可把手臂缩进去，在很大程度上减少了转动惯量，改善动力学载荷。 圆柱坐标式机器人的缺点是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范围。不过，当手腕具有像下图所示的第四个转动关节时，在一定程度上弥补了这个缺陷。 3.球面坐标式机器人 球面坐标式机器人也叫做极坐标式机器人，它具有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂，大约占工业机器人总数的13%。在这类机器人中最出名的一种产品它的结构简图如图4-3所示。机器人主体结构有三个自由度，绕垂直轴线(柱身)和水平轴线(回转关节)的转动均采用了液压伺服驱动，转角范围分别为200°左右和50°左右，手臂伸缩采用液压驱动的移动关节，其最大行程决定了球面最大半径，机器人实际工作范围的形状是个不完全的球缺。手腕应具有三个自由度，当机器人主体运动时，装在手腕上的末端操作器才能维持应有的姿态。 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,偏转和翻转)用来最后确定末端操作器的姿态，它是一种广泛使用的拟人化的机器人，大约占工业机器人总数的25%左右。下图所示为在航天工业方面使用的RMS机械臂,它是最大的关节坐标式机器人。平面关节式机器人的主体结构有三个转动关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向，因此可认为是此类机器人的一个特例。 关节坐标式机器人的优点： (1)结构紧凑，工作范围大而安装占地面积小。 (2)具有很高的可达性。关节坐标式机器人可以使其手部进入像汽车车身这样一个封闭的空间内进行作业，而直角坐标式机器