工业机器人机械系统设计

工业机器人机械系统设计

机器人技术是利用计算机的记忆功能、编程功能来控制操作机自动完成工业生产中某一类指定任务的高新技术，是当今各国竞相发展的高技术内容之一。它是综合了当代机构运动学与动力学、精密机械设计发展起来的产物，是典型的机电一体化产品，工业机器人由操作机和控制器两大部分组成。操作机按计算机指令运动，可实现无人操作；控制器中计算机程序可依加工对象不同而从新设计，从而满足柔性生产的需要。

机器人应用领域广泛，包括建筑、医疗、采矿、核能、农牧渔业、航空航天、水下作业、救火、环境卫生、教育、娱乐、办公、家用、军用等方面，工业机器人在国内主要应用于危险、有毒、有害的工作环境以及产品质量要求高（超洁、同一性）的重复性作业场合，如焊接、喷涂上下料、插件、防爆等。

一、工业机器人的总体设计

1．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。工业机器人的坐标形式主要有直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式、关节坐标式等。

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。

圆柱坐标式机器人主要有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。手腕常采用两个自由度，绕手臂纵向轴转动与垂直的水平轴线转动。手腕若采用三个自由度，机器人总自由度达到六个。

球面坐标式机器人也叫极坐标式机器人，具有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂。

关节坐标式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

Cobra Series 桌面机器人

Reach:600mm/800mm

Payload:5.5kg

Repeatability:0.02mm

Weight:34/35kg

Desingn Life:

60 Million Cycles SmartModules 框架机器人

Mas Stroke:2000mm

Min Stroke:130mm Number of Axis: 1 to 3 Max Payload:60kg Max speed:1200mm/sec Repeatability:0.01mm Design Life:5000km Cartesian Robots

Size:600*450mm Payload:5.5kg Accuracy:0.025mm Weight:54kg Design Life:5000km

直角坐标机器人工作台：

2．传动方式

传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动形式，主要包括：

直接连接传动。驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。

远距离连接传动。驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。

间接驱动。驱动源经一个速比远大于1的机械装置与关节相连。

直接传动。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

中间环节与关节相连。

3．模块化结构设计

模块化机器人是有一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼接的方式组成一个工业机器人系统。模块化设计是指基本模块设计和结合部设计。

模块化工业机器人主要的特点是：经济性、灵活性

4．材料的选择

与一般机械设备相比，机器人结构的动力特性是十分重要的，这是材料选择的出发点。材料选择的基本要求是：强度高、弹性模量大、重量轻、阻尼大、材料价格低。

5．平衡系统设计

工业机器人是一个多刚体耦合系统，系统的平衡性是极其重要的，在工业中采用平衡系统的理由是：安全、借助平衡系统能降低因机器人结构变化而导致重力引起关节驱动力矩变化的峰值、借助平衡系统能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、借助平衡系统能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、借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响、借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低地面安装要求。

二、传动部件设计

传动部件是驱动源和机器人各个关节连接的桥梁，是工业机器人的重要部件。机器人的运动速度、加速度（减速度）特性、运动平稳性、精度、承载能力很大程度上是取决于传动部件设计的合理性和优劣。因此，关节传动部件的设计是工业机器人设计的关键之一。

(一)．移动关节导轨

工业机器人对移动导轨的要求

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,对移动导轨有如下要求:

1．间隙小或者能消除间隙；

2．再垂直于运动方向上的刚度高；

3．摩擦系数低并不随速度变化;

4．高阻尼；

5．移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低。

移动关节导轨主要分类：普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨和滚动导轨。

上面介绍的导轨中，前两种具有结果结构简单、成本低的特点，但是必须有间隙以便润滑，但是间隙的存在又将会引起坐标的变化和有效负载的变化，在低速时候容易产生爬行现象。第三种静压滑动导轨结构能产生预载荷，能完全消除间隙，具有高刚度、低摩擦、高阻尼等优点，但是它需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。第四种气浮导轨不需要回收润滑油的机构，但是刚度和阻尼较低。第五种滚动导轨在工业机器人导轨种用的是最广泛，具有很多的优点:1摩擦小,特别是不随速度变化;2尺寸小;3刚度高承载能力大;4精度和精度保持度高;5润滑简单;6容易制造成标准件;7易加预载，消除间隙，增加刚度等等。但是,滚动导轨用在机器人机械系统也存在着缺点:1阻尼低;2对脏物比较敏感.

（二）．转动关节轴承

转动关节轴承主要用的是球轴承，它能承受轴向和径向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。主要分向心推力球轴承和“四点接触”球轴承。（三）．.传动件的定位及消隙

传动件的定位主要有：

1．电气开关定位

2．机械挡块定位

3．伺服定位系统定位

传动件的消隙主要有：

1．消隙齿轮

2．柔性齿轮消隙

3．对称传动消隙

4．偏心机构消隙

5．齿廓弹性覆层消隙