机械结构部分讲稿(胡旺宁).pdf

工业机器人设计——机械结构部分胡旺宁机械分析工程师2012-2-14huwangning@内容介绍„ 工业机器人分类„ 典型结构组成及传动机构„ 驱动-传动部件„ 其他工业机器人分类z 按手臂机构的结构型式分¾ 直角坐标型¾ 圆柱坐标型¾ 极坐标型¾ 垂直多关节型¾ 水平多关节型一般工业机器人为6个自由度：前三个称为手臂机构；后三个称为手腕机构直角坐标机器人z 结构特点¾ 在直角坐标空间内解耦，空间轨迹易于求解；¾ 易于实现高定位精度；¾ 当具有相同的工作空间时，本体所占空间体积较大这也是大多数数控设备采用这种结构形式的原因圆柱坐标机器人z 结构特点¾ 在圆柱坐标空间内解耦；¾ 能够伸入型腔式空间；¾ 相同工作空间，本体所占空间体积比直角坐标式要小；¾ 直线驱动部分密封、防尘较难极坐标机器人z 结构特点¾ 所占空间体积小，机构紧凑；¾ 往往需要将极坐标转化成我们习惯的直角坐标，轨迹求解较难；¾ 直线驱动同样存在密封、防尘问题垂直多关节机器人z 结构特点¾ 机构紧凑，动作灵活，工作空间大；¾ 能绕过基座周围的一些障碍物；¾ 适合电机驱动，关节密封、防尘比较容易相邻关节轴线垂直或平行水平多关节机器人（ SCARA ）z 结构特点¾ 作业空间与占地面积比很大，使用起来方便；¾ 沿升降方向刚性好，尤其适合平面装配作业1978年由日本山梨大学牧野洋教授首先提出SCARA-Selective Compliance Assembly Robot Arm工业机器人结构形式应用占比z 由2002年的产量统计可知，垂直多关节型机器人占日本国内生产总数的一半以上，其次是直角坐标型机器人、水平多关节型机器人889其他机器人48602总计30并联机器人5143水平多关节机器人31547垂直多关节机器人132极坐标型机器人1949圆柱坐标型机器人8912直角坐标型机器人产量/台分类机器人的产量（2002年）摘自：日本机器人工业会的统计资料结构形式应用占比极坐标型机器人0%水平多关节机器人11%并联机器人0%其他机器人2%圆柱坐标型机器人4%直角坐标型机器人18%垂直多关节机器人65%直角坐标型机器人圆柱坐标型机器人极坐标型机器人垂直多关节机器人水平多关节机器人并联机器人其他机器人 工业机器人分类z 按作业用途分¾ 物料搬运机器人¾ 焊接机器人¾ 喷涂机器人¾ 去毛刺机器人¾ 装配机器人¾ 其他物料搬运机器人z 主要应用领域¾ 压铸（树脂成型）¾ 冲压¾ 机床上下料¾ 码垛焊接机器人z 主要应用领域¾ 点焊¾ 弧焊¾ 激光焊接喷涂机器人z 主要应用领域¾ 普通喷涂¾ 涂胶去毛刺机器人z 两种工作方式¾ 工件固定在工作台上，机器人抓取工具（硬质合金刀具、毛刷、抛光砂带等）¾ 工具固定在工作台上，机器人抓取工件装配机器人z 主要应用领域¾ 普通装配¾ 螺钉紧固¾ 汽车舣装其他机器人z 主要应用领域¾ 切割¾ 分拣（包装）典型结构组成z 为什么通用型工业机器人均选用6-DOF串联结构形式？¾ 一个运动物体在直角坐标系中的位姿（位置和姿态）可由6个自由度变量（3个平动、3个转动）来表示；¾ 6-DOF串联机器人抓取物体时，手臂机构（前3个自由度）决定物体的位置，手腕机构（后3个自由度）决定物体的姿态；¾ 6-DOF串联结构形式给机器人运动学计算带来了方便 ——可以将位置和姿态变量分开计算典型结构组成z 6-DOF串联机器人执行机构组成¾ 底座¾ 腰关节¾ 转座¾ 肩关节¾ 大臂¾ 肘关节¾ 小臂¾ 腕部¾ 末端执行器（手爪）¾ 平衡装置关节传动机构z 腰关节¾ 腰关节为回转关节，既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾覆力矩，且应具有较高的运动精度和刚度¾ 腰关节多采用高刚性的RV减速机传动。

为方便走线，常采用中空型RV减速比？关节传动机构z 肩、肘关节¾ 肩、肘关节承受很大扭矩（肩关节同时承受来自平衡装置的弯矩）且应具有较高的运动精度和刚度；¾ 多采用高刚性的RV减速机传动关节传动机构z 肩、肘关节关节传动机构z 手腕¾ 汇交型¾ 偏交型¾ 中空偏交型只要在其姿态能力范围内，任一给定姿态，三种结构方式都能实现关节传动机构z 中空偏交型手腕¾ 主要应用在喷涂行业¾ 减少喷涂系统中空压机到机器人之间的辅助压缩空气管道¾ 杜绝喷枪软管和喷涂对象之间干涉¾ 减少附着在软管上的涂料的滴落关节传动机构z 偏交型手腕关节传动机构z 汇交型手腕¾ 应用最为广泛关节传动机构z 为什么一般情况下将减速机配置在关节传动链的最末端？¾ 减小细长轴（或套管）及有关传动齿轮的传递扭矩;¾ 有利于减小输出轴转角误差(末端减速机对前端传动链的转角误差有均化作用)转角误差的来源？1、细长轴扭转角2、齿轮齿侧间隙造成的回差关节传动机构z 电机配置位置¾ 对小负载机器人，5、6关节电机一般配置在小臂内部，5、6关节传动链之间有交叉耦合¾ 对大负载机器人，4、5、6关节电机一般配置在肘关节附近，4、5、6关节传动链之间有交叉耦合关节传动机构z 诱导运动¾ 把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动，称作诱导运动。

实质是因为传动链的交叉耦合¾ 在进行机器人运动学计算时，必须考虑诱导运动平衡机构z 为什么大负载串联机器人需要平衡机构？¾ 串联机器人的肩关节和肘关节在正常工作角度范围内运动时，由于重力的作用，电机所受负载力矩往往偏向正值（或负值）一侧，另一侧的负载能力没有起到作用如果给大臂、小臂加上平衡机构，相当于将电机所受负载力矩进行了数值上的平移，充分利用电机另一侧的负载能力平衡机构的配置同时也减小了电机的选用型号，节约了成本平衡机构z 小臂平衡机构¾ 一般选用配重来平衡¾ 配重平衡的一个缺点是增大了关节转动惯量平衡机构z 大臂平衡机构¾ 一般选用弹簧、气压或液压来平衡¾ 弹簧平衡不会增加关节转动惯量驱动-传动部件z 电动驱动器¾ 直流伺服电机有很多有点，但它的电刷容易磨损，且易产生火花一般多用于移动机器人¾ 随着电力电子技术的发展，交流伺服电机正取代直流伺服电机成为机器人的主要驱动器另外，直流无刷电机克服了电刷的缺点，在很多精密设备上获得很多的应用¾ 步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，用于低精度小功率机器人系统¾ 直驱（DD）电机能够代替减速机加伺服电机的传动系统。

不过目前除了用其进行高速搬运作业外，尚未达到普及的程度驱动 -传动部件直流伺服电机与驱动放大器步进电机 直驱电机交流伺服电机 驱动放大器直流无刷电机驱动-传动部件z 液压驱动器¾ 液压传动的特点是输出功率高，缺点是需要准备液压源¾ 在机器人领域曾经广泛被应用于固定型工业机器人中，但是出于维护角度考虑，已经被电气驱动所取代¾ 液压驱动在机器人中的应用，以面向移动重载机器人为主谐波减速机z 构成¾ 由谐波发生器（椭圆形凸轮及薄壁轴承）、柔轮（在柔性材料上切制齿形）以及与它们啮合的钢轮构成的传动机构谐波减速机z 原理¾ 柔轮的齿数比钢轮的齿数少两个齿随着谐波发生器的转动，柔轮与钢轮的齿依次啮合，从转过相同齿数的中心角来说，柔轮比钢轮大，于是柔轮相对于钢轮沿着谐波发生器的反方向作微小的转动例如，齿数为100的钢轮与齿数为98的柔轮组合，每一周会产生2/100的转动差，从而得到大的减速比谐波减速机z 特点¾ 结构紧凑，能实现同轴输出¾ 减速比大¾ 同时啮合齿数多（30%+），承载能力大¾ 回差小（<3 ’）,传动精度高¾ 运动平稳，传动效率较高（70%）z 缺点¾ 扭转刚度不足¾ 谐波发生器自身转动惯量大谐波减速机z 品牌¾ 国外，日本Harmonic Drive (HD)、德国Harmonic Drive Polymer GmbH¾ 国内，北京谐波研究所、中技克美、众合天成摆线针轮减速机（机器人用）z 结构¾ 行星摆线针轮减速机全部传动装置可分为三部分：输入部分、减速部分、输出部分。

¾ 在输入轴上装有一个错位180°的双偏心套，在偏心套上装有两个滚柱轴承，形成H机构，两个摆线轮的中心孔即为偏心套上转臂轴承的 滚道，并由摆线轮与针齿轮上一组环形排列的针齿轮相啮合，以组成少齿差内啮合减速机构，（为了减少摩擦，在速比小的减速机中，针齿上带有针齿套）摆线针轮减速机（机器人用）z 减速原理¾当输入轴带着偏心套转动一周时，由于摆线轮上齿廓曲线的特点及其受针齿轮上针齿限制之故，摆线轮的运动成为即有公转又有自转的平面运动，在输入轴正转一周时，偏心套亦转动一周，摆线轮于相反方向上转过一个齿差从而得到减速，再借助W输出机 构，将摆线轮的低速自转运动通过销轴，传递给输出轴，从而获得较低的输出转速摆线针轮减速机（机器人用）z 特点¾ 结构紧凑，能实现同轴输出¾ 减速比大¾ 高刚度，负载能力大¾ 回差小（<1 ’）,传动精度高¾ 运动平稳，传动效率较高（70%）¾ 可靠性高，寿命长摆线针轮减速机（机器人用）z 品牌¾ 国外，日本住友FINE CYCLO-C、D系列、斯洛伐克SPINEA公司TwinSpin系列¾ 国内，暂无RV减速机z 结构¾ 由一级行星轮系再串联一级摆线针轮减速器组合而成的RV减速机z 特点¾ 相比摆线针轮减速机，结构上更紧凑¾ 相比摆线针轮减速机，减速比更大¾ 高刚度，负载能力大¾ 回差小（<1 ’）,传动精度高¾ 运动平稳，传动效率较高（85%）¾ 可靠性高，寿命长毋庸置疑，RV减速机目前是工业机器人上应用的主流减速机类型，其次是谐波减速机！！RV减速机z 品牌¾ 国外，日本帝人制机（Nabtesco前身）VIGO DRIVE中的RV-C、RV-E系列减速机、日本住友FINE CYCLO-T系列、韩国SEJIN-iGB中的XQ、QH系列¾ 国内，浙江恒丰泰CORT复式滚动活齿减速机RV传动技术的发展历程滚动螺旋传动z 结构¾ 滚动螺旋传动是在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间放入适当的滚珠，使其由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋传动。

¾ 滚珠在工作过程中顺螺旋槽(滚道)滚动，故必须设置滚珠的返回通道，才能循环使用为了消除回差(空回)，螺母分成两段，以垫片、双螺母或齿差调整两段螺母的相对轴向位置，从而消除间隙和施加预紧力，使回差为零1一齿轮；2一返回装置；3一键；4一滚珠；5一丝杠；6一螺母；7—支座滚动螺旋传动z 特点¾ 摩擦小、效率高一般情况下，传动的效率在90％以上¾ 动、静摩擦系数相差极小，传动平稳，灵敏度高¾ 磨损小、寿命长¾ 可以通过预紧消除轴向间隙，提高轴向刚度z 缺点¾ 大大加大了2、3关节轨迹算法的复杂性¾ 不能自锁¾ 密封、防尘困难其他传动z 齿轮传动¾ 间隙调整较困难，因为有齿侧间隙，所以有较大的回差¾ 一般不会单独使用，常用于其他减速传动的前一级传动¾ 高速时，噪声较大，尽量采用弧形齿和磨齿z 同步带传动¾ 需要张紧或调整机构，否则会有较大的回差¾ 一般也不会单独使用，常用于其他减速传动的前一级传动¾ 负载能力不能太大¾ 噪声较小，无需润滑并联机器人z 并联机器人机构定义¾ 上下平台用两个或两个以上分支相连，具有两。