工业机器人操作机的结构及设计.pptx

工业机器人操作机的结构及设计 01 机电—班 袁媛第一页，共九页。 工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。本文主要介绍操作机的结构及其设计原则。第二页，共九页。一．操作机的不同结构及其特点 1．直角坐标型操作机 这类操作机的手部在空间三个相互垂直的方向X、Y、Z上作移动运动，运动是独立的，如图1a所示。其控制简单，运动直观性强，易达到高精度，但操作灵活性差，运动的速度较低，操作范围较小而占据的空间相对较大。 2．圆柱坐标型操作机 这类操作机在水平转台上装有立柱，水平臂可沿立柱上下运动并可在水平方向伸缩，如图1b所示。其工作范围较大，运动速度较高，但随着水平臂沿水平方向伸长，其线位移分辨精度越来越低。 3．球坐标型操作机 也称极坐标型操作机，工作臂不仅可绕垂直轴旋转，还可绕水平轴作俯仰运动，且能沿手臂轴线作伸缩运动，如图12c所示。其操作比圆柱坐标型更为灵活，并能扩大机器人的工作空间，但旋转关节反映在未端执行器上的线位移分辨率是一个变量。4．关节型操作机 这类操作机由多个关节联接的机座、大臂、小臂和手腕等构成，大小臂既可在垂直于机座的平面内运动，也可实现绕垂直轴的转动，如图1d所示。其操作灵活性最好，运动速度较高，操作范围大，但精度受手臂位姿的影响，实现高精度运动较困难。 第三页，共九页。二．操作机腰部、臂部和腕部结构 1.腰部结构 操作机腰部包括机座和腰关节，机座承受机器人全部重量，要有足够的强度和刚度，一般用铸铁或铸钢制造，机座要有一定的尺寸以保证操作机的稳定，并满足驱动装置及电缆的安装。腰关节是负载最大的运动轴，对末端执行器运动精度影响最大，故设计精度要求高。腰关节的轴可采用普通轴承的支承结构，图1所示为PUMA机器人腰部结构。其优点是结构简单、安装调整方便，但腰部高度较高。现在大多数机器人的腰关节均采用大直径交叉滚子轴承支承的结构，既可使机座高度大大降低，又具有更好的支承刚度。 第四页，共九页。2．臂部结构 臂部的作用是连结腰部和腕部，实现操作机在空间中的运动。手臂的长度尺寸要满足工作空间的要求，由于手臂的刚度、强度直接影响机器人的整体运动刚度，同时又要灵活运动，故应尽可能选用高强度轻质材料，减轻其重量。在臂体设计中，也应尽量设计成封闭形和局部带加强肋的结构，以增加刚度和强度。手臂结构可分为伸缩型结构、旋转伸缩型结构和屈伸型结构。图2示出了PUMA560机器人小臂传动结构。第五页，共九页。3．腕部结构 腕部用来连接操作机手臂和末端执行器，并决定末端执行器在空间里的姿态。腕部一般应有2～3个自由度，结构要紧凑，质量较小，各运动轴采用分离传动。图3a所示为P-100机器人腕部结构（其中，轴1～轴3为手臂轴，未画出）是一种典型的3轴分立型式，图3b为JRS-80机器人的手腕原理图，本图是类似P100典型手腕的实际结构的一种型式。 第六页，共九页。三．操作机整机设计原则和设计方法1. 操作机整机设计原则 （1）最小运动惯量原则 由于操作机运动部件多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动，采用最小运动惯量原则，可增加操作机运动平稳性，提高操作机动力学特性。为此，在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下，尽量减小运动部件的质量，并注意运动部件对转轴的质心配置。 （2）尺度规划优化原则当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸，这将有利于操作机刚度的提高，使运动惯量进一步降低。 （3）高强度材料选用原则 ? 由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。 （4）刚度设计的原则 操作机设计中，刚度是比强度更重要的问题，要使刚度最大，必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。 （5）可靠性原则 机器人操作机因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得