第四章工业机器人设计(机械制造装备设计第四版)
典型部件设计介绍(机械制造装备设计介绍第四版
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整理课件 大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计 3.1.3 主轴部件结构设计
（五）主轴
主支承轴颈
（1）主轴的构造
主轴的构造和形状主要取决于主轴
上所安装的刀具、夹具、传动件、
设计基准
轴承等零件的类型、数量、位置和
安装定位方法等。
（2）主轴的材料和热处理
普通机床主轴可选用中碳钢（如45
钢），调质处理后，在主轴端部、
机械制造装备设计 3.1.3 主轴部件结构设计
（二）推力轴承的位置配置型式 （3）两端配置：两个方向的推 力轴承分别布置在前后两个支承 处。这类配置方案当主轴受热伸 长后，影响主轴轴承的轴向间隙 。为避免松动，可用弹簧消除间 隙和补偿热膨胀。常用于短主轴 ，如组合机床主轴。 （4）中间配置：两个方向的推 力轴承在前支承的后侧。这类配 置方案可减少主轴的悬伸量，并 使主轴的热膨胀向后；但前支承 结构较复杂，温升也可能较高。
（2）带传动： 同步齿形带是通过带上的齿形与带轮上 的轮齿相啮合传递运动和动力。同步齿形 带的齿形有两种:梯形齿和圆弧齿。
（3）电动机直接驱动方式：特点是主轴单元大 大简化了结构，有效地提高了主轴部件的 刚度，降低了噪声和振动；有较宽的调速 范围；有较大的驱动功率和扭矩；便于组 织专业化生产。广泛应用于精密机床、高 速加工中心和数控车床中。
机械制造装备设计
机械制造装备设计
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
目录
第一章 机械制造及装备设计方法
第二章 金属切削机床设计
第三章 典型部件设计
第四章 工业机器人设计
第五章 机床夹具设计
第六章 物流系统设计
第4章工业机器人机械系统设计
第4章 工业机器人机械系统设计 三、谐波传动 1、机器人对减速器的要求 运动精度高、间隙小，以实现较高的重复定位精度； 回转速度稳定，无波动，运动副间摩擦小，效率高；
体积小，重量轻，传动扭矩大。
2、 行星齿轮机构和谐波传动机构
第4章 工业机器人机械系统设计 谐波传动的特点： 优点：尺寸小、惯量低；传动精度高；传动侧隙小；具有 高阻尼特性。 缺点：柔轮的疲劳问题；扭转刚度低；以输入轴速度2、4、 6倍的啮合频率产生振动；刚度比行星齿轮差。 选型时就确定以下三项参数： (1) 传动比或输出转速（r/min)
角。m为可移动的平衡质量，它用来 平衡下臂和上臂的质量。杆SA、AB 与上臂、下臂铰接构成一个平行四边
形平衡系统。要使该机构平衡，满足
下面两个方程式即可。
图4-10 工业机器人用的平行四边形平衡机构
平衡与否只与可移动平衡质量m的大小和位置有关，与θ2、θ3无关， 这说明该平衡系统在机械臂的任何构形下都是平衡的。
殊功能的结合部用积木拼搭的方式组成一个工业机器人系统。
2、模块化工业机器人的特点 （1） 经济性
（2）灵活性
3、模块化工业机器人所存在的问题 （1）模块化工业机器人整个机械系统的刚度比较差。
（2）模块化工业机器人的整体重量有可能增加。
（3）尚未做到根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。
第4章 工业机器人机械系统设计
轨进行水平面内二维移动（X、Y方向运动）。主体结构有3个自由度，
手腕自由度的数量视用途而定。
第4章 工业机器人机械系统设计
直角坐标机器人定义: 以单维直线运动单位为基础,搭建出空间多自由度、多方向的
运动机构,通常采用伺服驱动,可实现空间各方向直线运动的插补联
(完整word版)机械制造装备设计第四章习题答案(关慧贞)
第四章工业机器人设计思考题与习题1.工业机器人的定义是什么？操作机的定义是什么？答：我国国家标准GT/T12643—1997《工业机器人词汇》将工业机器人定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度操作机,能搬运物料、工件或夹持工具，用以完成各种作业”；将操作机定义为“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”.2.工业机器人由哪几部分组成？并比较它与数控机床组成的区别.答：工业机器人由操作机、驱动单元和控制装置组成。
数控机床一般由机床本体、伺服系统和数控装置组成。
二者组成的区别主要在于机械本体,机器人操作机通常由末端执行器、手腕、手臂和机座组成，而数控机床机械本体通常包含主运动部件、进给运动部件、支承部件、冷却润滑、排屑等部分。
3.工业机器人的基本功能和基本工作原理是什么？它与机床主要有何相同和不同之处？答：工业机器人基本功能是提供作业所需的运动和动力,其基本工作原理是通过操作机上各运动构件的运动，自动地实现手部作业的动作功能及技术要求.在基本功能及基本工作原理上，工业机器人与机床有如下相同之处：二者的末端执行器都有位姿变化要求；二者都是通过坐标运动来实现末端执行器的位姿变化要求。
二者的主要不同之处有:机床是以直角坐标形式运动为主，而机器人是以关节形式运动为主；机床对刚度、精度要求很高，其灵活性相对较低；而机器人对灵活性要求很高，其刚度、精度相对较低4.工业机器人的结构类型有哪几类？各种类型的特点如何？答:工业机器人的结构类型有如下四类:关节型机器人，其特点是关节一般为回转运动副，灵活性好,工作空间范围大(同样占地面积329情况下），但刚度和精度较低；球坐标型机器人，其特点是按球坐标形式动作（运动）,灵活性好,工作空间范围大，但刚度、精度较差;圆柱坐标型机器人，其特点是按圆柱坐标形式动作,灵活性较好，工作空间范围较大，刚度、精度较好;直角坐标型机器人，其特点是按直角坐标形式动作，刚度和精度高,但灵活性差，工作空间范围小。
机械制造装备设计第四版
机械制造装备设计第四版在机械制造这个领域，装备设计就像给机器穿衣服。
想想吧，衣服合不合身可是直接影响人的气质。
机械装备也是一样，如果设计得不合适，哪怕是再高大上的机器，也可能会让你哭笑不得。
哈哈，大家都知道，机器就像人一样，穿得好看，心情就好，做事也带劲儿。
机械制造装备设计，真的是个需要智慧和创意的活儿。
设计师们就像那些时尚界的大咖，得时刻关注潮流，还得考虑实用性，这可不是个简单的活儿。
设计师们就像在给机器做美容，咱们不仅要看外表，内部也得要搭配得当。
想象一下，如果你的机器外观像个艺术品，但里面的零件就像一团乱麻，那可真是让人心急如焚。
各个零件的相互配合，真的是一门艺术。
设计师们得把这些零件的特性考虑周全，不然就得“自作自受”，等着机器出毛病。
唉，遇到这样的问题，真是“欲哭无泪”。
再说说材料的选择，这也是一门大学问。
有些材料就像好酒，越陈越香；有些材料呢，可能一碰就碎。
设计师们得睁大眼睛，挑挑拣拣，选对材料可比选对象还要重要，真的是“千挑万选”。
不仅要考虑成本，还得考虑到使用环境，天气变化等等。
如果一个机器的设计是“天衣无缝”，那么材料选择就是“锦上添花”。
选好了，机器就能顺风顺水，反之则可能“事倍功半”。
说到这里，咱们还得聊聊工艺。
设计再好，工艺不到位，最后结果也不过是空中楼阁。
工艺就像是烹饪的火候，火候掌握得当，才能做出美味的菜；火候掌握不好，那就是“煮了也白煮”。
在机械制造中，工艺的每一个细节都得认真对待，稍有不慎，可能就会让整台机器“功亏一篑”。
设计师们的责任可真不小，要时刻保持警觉，生怕哪一步出了差错。
随着科技的发展，机械制造的设计也在不断进步。
这就像是跟上潮流的舞者，得不断学习新招式。
新技术、新材料层出不穷，设计师们可得时刻跟进。
就像做菜，总得尝试新食材，才能做出让人惊艳的美味。
未来的设计可能会引入更多智能化元素，让机器不仅能干活，还能“聪明”地做出决策，简直就是让人兴奋。
机械制造的设计也离不开团队合作。
郭四章工业机器人
第4章 工业机器人的环境感觉技术
4.2 工业机器人的触觉
为使机器人准确地完成工作，需时刻检测机器人与对象 物体的配合关系。机器人触觉可分成接触觉、接近觉、压觉、 滑觉和力觉五种，如图4.7所示。触头可装配在机器人的手 指上，用来判断工作中各种状况。
用接近觉可感知对象物体在附近，手臂减速慢慢接近物 体；用接触觉可知已接触到物体，控制手臂让物体到手指中 间，合上手指握住物体；用压觉控制握力。如果物体较重， 则靠滑觉来检测滑动，修正设定的握力来防止滑动；靠力觉 控制与被测物体自重和转矩相应的力，或举起或移动物体， 另外，力觉在旋紧螺母、轴与孔的嵌入等装配工作中也有广 泛的应用。
第4章 工业机器人的环境感觉技术 图 4.7 机器人触觉
第4章 工业机器人的环境感觉技术
4.2.1 机器人的接触觉 1. 接触觉传感器 图4.8所示的接触觉传感器由微动开关组成，根据用途
不同配置也不同，一般用于探测物体位置、探索路径和安全 保护。这类配置属于分散装置，即把单个传感器安装在机械 手的敏感位置上。
第4章 工业机器人的环境感觉技术 图 4.11 用表面矩阵触觉传感器引导随机搜索
第4章 工业机器人的环境感觉技术
每一步搜索过程由三部分组成： (1) 接触觉信息的获取、量化和对象表面形心位置的估 算； (2) 对象边缘特征的提取和姿势估算； (3) 运动计算及执行运动。 要判定搜索结果是否满足形心对中、姿势符合要求，则 还可设置一个目标函数，要求目标函数在某一尺度下最优， 用这样的方法可判定对象的存在和位姿情况。
第4章 工业机器人的环境感觉技术 图 4.6 日立自主控制机器人工作示意图
第4章 工业机器人的环境感觉技术
从功能上看，这种机器人具有图形识别功能和决策规划 功能，前者可以识别一定的目标(如宏指令)、装配图纸、多 面体等；后者可以确定操作序列，包括装配顺序、手部轨迹、 抓取位置等。这样，只要对机器人发出类似于人的表达形式 的宏指令，机器人就会自动考虑执行这些指令的具体工作细 节。该机器人已成功地进行了印刷板检查和晶体管、电动机 等装配工作。
机械制造装备设计第四版(关慧贞著)
机械制造装备设计》第四版思考题与习题答案第一章机械制造及装备设计方法1.为什么机械制造装备在国民经济发展中占有重要作用？答：制造业是国民经济发展的的支柱产业，也是科学技术发展的载体及其转化为规模生产力的工具与桥梁。
机械制造业的生产能力主要取决于机械制造装备的先进程度，装备制造业是一个国家综合制造能力的集中体现，重大装备研制能力是衡量一个国家工业化水平和综合国力的重要标准。
2.机械制造装备与其它工业装备相比，特别强调应满足哪些要求，为什么？答：机械制造装备与其它工业装备相比应具备的主要功能中，除了一般的功能要求外，应强调柔性化、精密化、自动化、机电一体化、节材节能、符合工业工程和绿色工程的要求；更加注重加工精度方面的要求、强度、刚度和抗振性方面的要求、加工稳定性方面的要求、耐用度方面的要求、技术经济方面的要求。
3.柔性化指的是什么？试分析组合机床、普通机床、数控机床、加工中心和柔性制造系统的柔性化程度。
其柔性表现在哪里？答：即产品结构柔性化和功能柔性化。
产品结构柔性化是指产品设计时采用模块化设计方法和机电一体化技术，只需对结构作少量的重组和修改，或修改软件，就可以快速地推出满足市场需求的，具有不同功能的新产品。
功能柔性化是指只需进行少量的调整，或修改软件可以方便地改变产品或系统的运行功能，以满足不同的加工需要。
数控机床、柔性制造单元或系统具有较高的功能柔性化程度。
在柔性制造系统中，不同工件可以同时上线，实现混流加工。
普通机床、组合机床、数控机床、加工中心和柔性制造系统的柔性化程度依次增高，其柔性表现在机床结构柔性化和功能柔性化，其中，柔性制造系统的柔性化程度最高。
4.如何解决用精密度较差的机械制造装备制造出精密度较高机械制造装备来？答：采用机械误差补偿技术或采用数字化技术分析各种引起加工误差的因素，建立误差的数学模型，将误差的数学模型存入计算机。
在加工时，由传感器不断地将引起误差的因素测出，输入计算机，算出将产生的综合误差，然而由误差补偿装置按算出的综合误差进行补偿。
第四章-总体设计-工业机器人ppt课件
•
以上四种传动方式具体分析如下：
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
• 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。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
• 2.远距离连接传动 • 下图为一种远距离连接传动的机器人示意图。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
第四章 工业机器人设计(机械制造装备设计 第四版)
机械制造装备设计
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
目录
第一章 机械制造及装备设计方法 第二章 金属切削机床设计 第三章 典型部件设计 第四章 工业机器人设计 第五章 机床夹具设计 第六章 物流系统设计 第七章 机械加工生产线总体设计
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▪ 坐标系按右手确定（右图）； ▪ 关节坐标系的确定（下图）； ▪ 确定基准状态； ▪ 关节坐标轴轴线位置的选取； ▪ 关节坐标方向的选取。
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4.1.3工业机器人的主要特性表示方法 Ⅳ
❖ （二）机械结构类型 用结构坐标形式和自由度表示。 自由度是表示工业机器人动作灵 活程度的参数，以直线运动和回 转运动的独立运动数表示
机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
操作机 由末端执行器、手腕、 手臂及机座组成。
图4-1工业机器人系统的组成 1—机座 2—控制装置 3—操作机
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机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
图4-2PUMA机器人 操作机
a)结构简图 b)运动功能简图
机械制造装备设计
4.1.1工业机器人的定义及工作原理 Ⅳ
❖ （一）机器人的定义 ▪ 我国国家标准GB/T12643——90将工业机器人定义为 “是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度 的操作机 ，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各 种作业”。
❖ （二）工业机器人的基本工作原理 ▪ 工业机器人的基本工作原理：通过操作机上各运动构件 的运动，自动的实现手部作业的动作功能及技术要求。
机械制造装备设计第4章-2
实现通断 电磁：通断电
2015/11/4
4.6 工业机器人在机械制造系统中的应用
各种工业机器人可以以单机形式使用，也可以作为生产 系统中的一个构成都分使用。随着社会偏求发展的变化， 工业生产向多品种小批量方向发展，对制造系统的柔性 要求越来越高。工业机器人的灵活性好，因此，在柔性 自动化制造系统中应用越来越多。
3）三自由度机械传动手腕
分离传动 回转：S轴经齿轮1-6传动 摆动：T轴直接驱动10 俯仰：B轴经齿轮15-11驱动9 俯仰与摆动有诱导运动关系 回转与摆动、俯仰有双重诱导运
动关系：一个本身驱动与三个诱 导运动的合成。 回转运动的构成：
假象运动--诱导运动
4）偏置三自由度机械传动手腕
机
床
工业机器人的手腕
床
设
手臂结构形式应根据其自由度数、运动形式、承受的载荷和 运动精度要求等因素来确定。
机器人手臂通常支承在机座上，机座主要有回转机座和升降 机座两种。用以实现手臂的整体回转或升降，机座可视为一 种特殊的手臂。
手臂结构设计要求
手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工 作空间要求。工作空间的形状和大小与手臂的长度、手 臂关节的转角范围密切相关。
吸附式末端执行器典型结构 1）气吸式吸盘
负压工作 大而薄、刚性差对
象：金属、塑料… 挤压排气式：简单
方便、吸力小 真空泵：吸力大、
复杂 气流负压吸盘：
需压缩空气—拉瓦 尔口，相当于真 空泵
5
2）磁吸式吸盘
对象必须为铁磁性物质 分电磁吸盘和永磁吸盘 永磁吸盘吸力小、结构
2015/11/4
驱动方式
液压驱动：动力大、易于实现直接驱动，但效率较低、 易泄漏。只用于少数负荷在1KN以上大型机器人中。
机械制造装备设计第4版教学课件ppt作者关慧贞第一章机械制造机装备设计方法
机械制造装备设计
1.2 机械制造装备的主要功能
1.2.1 一般的功能要求 5．技术经济方面的要求 投入机械制造装备上的费用将分摊到产品成本中去。如产品 产量很大，分摊到每个产品的费用较少。反之，产品的产量 较少，甚至是单件，过大地在机械制造装备上投资，将大幅 度地提高产品的成本，削弱产品的市场竞争力。因此不应盲 目地追求机械制造装备的技术先进程度，无计划地加大投入， 而应该进行仔细的技术经济分析，确定机械制造装备设计和 选购方面的指导方针。
机械制造装备设计
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第一章 机械制造及装备设计方法 第二章 金属切削机床设计 第三章 典型部件设计 第四章 工业机器人设计 第五章 机床夹具设计 第六章 物流系统设计 第七章 机械加工生产线总体设计
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力主要取决于机械制造装备的先进程度。
“拿来主义”不能形成制造业的核心竞争力，发展先进的装备
制造技术刻不容缓，是实现向“制造强国”跨越的必由之路。
机床及其它制造装备是机械制造技术的重要载体。
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机械制造装备设计
机床工业的战略地位
国际军事竞争的战略物资
高档数控机床对我国禁运: 2000年10月14日,美国参议院通过控制高技术 机床出口法案,美国商务部把数控机床列为对我 出口的20类敏感物资; 日本通产省禁止东芝公司龙门五面体加工中心、 安田公司高精度数控机床、森精机公司精密机床 、五轴联动数控机床出口到中国。
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机械制造装备设计
1.2 机械制造装备的主要功能
机械制造装备设计第4版教学课件ppt作者关慧贞第二章金属切削机床设计
2.1.2 机床模块化设计方法
选配具有不同 性能的，可以 互换选用的模 块
关键： a. 模块接合
部设计 b. 模块快速
配.2 金属切削机床设计的基本理论
（一） 机床的运动学原 理
工件的加工，就是通过刀具相对工件的运动来完成的。
机床运动学是研究、分析和实现机床期望的加工功能所需 要的运动功能配置。
外圆磨床 最大磨削直径
第2主参数 工件最大长度 最大跨距 工作台工作面长度 最大磨削长度
2.1.1 机床设计应满足的基本要 求 • 2.机床的柔性：适应加工对象变化的能力。
• 3.与物流系统的可接近性：机床与物流系统之间进行物流（工 件、刀具、切屑等）流动的方便程度。
• 4.机床的刚度：加工过程中，在切削力的作用下，抵抗刀具相 对于工件在影响加工精度方向变形的能力。包括静态刚度、动 态刚度、热态刚度。
1) 温度控制技术 热平衡结构设计技术 基础部件温度控制 关键部件温度控制
滑台
立柱
底座
机床热变形及其补偿技术的研究
1) 温度控制技术 热平衡结构设计技术 基础部件温度控制 关键部件温度控制
中空丝杆冷 却技术已得
到应用
4.3 机床热变形及其补偿技术的研究
机床热变形及其补偿技术的研究
2) 实时热补偿技术
机床在大空调厂房中，早、中、晚温度变化梯度较大，机床从冷却到 全热态过程中，机床的 坐标系原点存在漂移；钢件材料的热线张系数 和铝材料相差较大 (c) 解决方案 稳定机床工作的环境温度，搭建了二次恒温空调间，在加工前数小时 预热后不停机连续加工到完成，工件实测误差控制到0.05mm以内
机床热变形及其补偿技术的研究
笛卡尔直角坐标系
《工业机器人》教学课件 第4章
二 机械臂的运动形式
1.直角坐标型
臂部由三个相互 正交的移动副组 成 . 带动腕部分 别沿X 别沿X,Y,Z三 个坐标轴的方向 作直线移动. 作直线移动 . 结 构简单, 构简单 , 运动位 置精度高. 置精度高 . 但 所 占空间较大, 占空间较大 , 工 作范围相对较小. 作范围相对较小 .
2.圆柱坐标型
臂部由一个转 动副和两个移 动副组成. 动副组成.相 对来说, 对来说,所占 空间较小, 空间较小,工 作范围较大, 作范围较大, 应用较广泛. 应用较广泛.
3.关节型
由动力型旋转关节 和前, 下两臂组成 . 和前 , 下两臂组成. 关节型机器人以臂 部各相邻部件的相 对角位移为运动坐 标 . 动作灵活 , 所 动作灵活, 占空间小, 占空间小 , 工作范 围大, 围大 , 能在狭窄空 间内饶过各种障碍 物.
图2.53 用曲线凹槽机构实现手臂复合运动的结构
�
4.重量轻,转动惯量小
为提高机器人的运动速度, 为提高机器人的运动速度,要尽量减 少臂部运动部分的重量, 少臂部运动部分的重量,以减少整个 手臂对回转轴的转动惯量. 手臂对回转轴的转动惯量.
5.合理设计与腕部和机身的连接部位
臂部的安装形式和位置不仅关系到机 器人的强度, 刚度和承载能力 , 器人的强度 , 刚度和承载能力, 而且 还直接影响到机器人的外观. 还直接影响到机器人的外观.
图 2.48 双导向杆手臂的伸缩结构
手臂回转运动机构 2. 手臂回转运动机构 实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的,常用 的有叶片式回转缸,齿轮传动机构,链轮传动机构和连杆机 构.下面以齿轮传动机构中活塞缸和齿轮齿条机构为例说明 手臂的回转. 齿轮齿条机构是通过齿条的往复移动,带动与手臂联接的 齿轮作往复回转, 即可实现手臂的回转运动.带动齿条往复 移动的活塞缸可以由压力油或压缩气体驱动.图2.49所示为 手臂作升降和回转运动的结构.
第4章工业机器人机械系统设计
第4章工业机器人机械系统设计工业机器人是现代制造业中非常重要的设备，它能够替代人力完成一些重复性、繁琐性和危险性高的工作，提高生产效率，保证产品质量。
而机械系统设计是工业机器人的核心部分，决定着机器人的工作性能和稳定性。
本章将重点介绍工业机器人机械系统设计的关键内容。
首先是机械结构的设计。
机械结构包括机器人身体的外形、连接方式、关节结构等。
根据机器人的工作任务和使用环境，设计出合适的机械结构非常关键。
一般来说，机械结构应具备轻量化、刚性好、耐磨损等特点。
同时，机器人的关节结构需要有足够的自由度，以便完成各种复杂的工作任务。
其次是传动系统的设计。
传动系统是机器人的关键组成部分，它负责将电机的转动传递到末端执行器上。
常见的传动方式有齿轮传动、带传动、链传动等。
设计传动系统时需要考虑传动效率、精准度、稳定性等因素。
同时，根据机器人的工作特点，还需要选择合适的减速比，以确保机器人的运动速度和力矩满足要求。
第三个关键是控制系统的设计。
控制系统是机器人的大脑，负责控制机器人的动作和工作。
在工业机器人中常用的控制方式有伺服控制和步进控制。
在设计控制系统时，需要考虑控制器的性能、稳定性和可靠性。
同时，还需要考虑机器人的传感器系统，以获取机器人的位置、力矩等信息，并进行反馈控制。
最后是机械系统的安全设计。
工业机器人在运行过程中会面临一些安全风险，因此需要进行安全性设计。
安全设计包括防护装置的设计和安全控制系统的设计。
防护装置可以是机械装置，如护栏、安全门等；也可以是电子装置，如激光安全扫描器、光幕等。
安全控制系统可以通过编程来实现，对机器人的运动进行监控和控制，确保机器人在运行过程中不会对人员造成伤害。
在工业机器人机械系统设计过程中，需要综合考虑机器人的工作任务、环境要求、经济成本等因素，合理选择机械结构、传动系统和控制系统。
同时，还需要进行安全设计，确保机器人的安全运行。
只有在综合考虑这些因素的基础上进行设计，才能设计出稳定性高、性能优良的工业机器人。
机械制造装备设计_工业机器人(PDF53页)
4.4.1 工业机器人的手臂和机座
（一）设计要求
(2)机座结构设计要求 要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时 的稳定性； 机座承受机器人全部重量和工作载荷，应保证 足够的强度、刚度和承载能力； 机座轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器 的运动精度影响最大。
4.4.1 工业机器人的手臂和机座
（二）典型结构 电动机驱动机械传动圆柱坐标型机器人手臂和 机座结构。
4.2.3 工业机器人的运动功能设计
（二）创成式设计方法步骤如下：
（1）根据作业动作功能要求，建立作业功能位 姿矩阵； （2）分析作业功能位姿矩阵的特征，设定相应 的运动功能矩阵； （3）解方程式，即可得到运动功能方案。
4.2.4 工业机器人的工作空间解析
机器人的运动功能及相关尺寸参数确定后，给 出各关节的运动范围可以通过解位姿运动方程 式，求出机器人的实际工作空间，同时检验其 姿态是否满足设计要求。
4.5.1 工业机器人控制系统的构成
位置控制是机器人最基本的控制任务。 工业机器人控制系统的构成形式取决于机器人所 要执行的任务及描述任务的层次。 第一控制层次为人工智能级； 第二控制层为控制模式级。 动力学方面的困难在于： ¾因为模型参数的误差，建立精确的动力学模型 实际上是不可能的； ¾即使能够考虑这些误差，模型将包含数以千计 的参数，实时计算不可能； ¾控制对模型变换的响应。
（三）吸附式末端执行器的结构与设计 吸附式末端执行器（又称吸盘），有气吸式和 磁吸式两种。它们分别是利用吸盘内负压产生 的吸力或磁力来吸住并移动工作的。
（1）气吸式吸盘 挤压排气式吸盘 电流负压式吸盘 真空泵排气式吸盘 （2）磁吸式吸盘 分为电磁吸盘和永磁 吸盘
4.5 工业机器人的控制
一、工业机器人控制系统的构成 二、工业机器人的位置伺服控制 三、工业机器人其它控制方式 四、机器人智能技术
机械制造装备设计第4版课后习题答案
《机械制造装备设计》第4版第一章习题参考答案1-1 机床应满足哪些基本要求什么是人机关系机床应具有的性能指标:1、工艺范围；2、加工精度；3、生产率和自动化；4、可靠性；人机关系：使机床符合人的生理和心理特征，实现人机环境高度协调统一，为操作者创造一个安全、舒适、可靠、高效的工作条件；能减轻操作者精神紧张和身体疲劳。
机床的信号指示系统的显示方式、显示器位置等都能使人易于无误地接受；机床的操纵应灵活方便，符合人的动作习惯，使操作者从接收信号到产生动作不用经过思考，提高正确操作的速度，不易产生误操作或故障。
机床造型应美观大方，色彩协调，提高作业舒适度。
另外，应降低噪声，减少噪声污染。
1-2 机床设计的内容和步骤是什么机床设计大致包括总体设计，技术设计，零件设计，样机试制和试验鉴定四个阶段。
1-3 机床的总体方案拟定包括什么内容机床总布局的内容和步骤是什么总体设计：1、掌握机床的设计依据；2、工艺分析；3、总体布局；4、确定主要的技术参数机床总体布局：1、分配机床运动；2、选择传动形式和支承形式；3、安排操纵部位；4、拟定提高动刚度的措施。
1-4 机床分配运动的原则是什么驱动型式如何选择机床运动的分配应掌握四个原则：1、将运动分配给质量小的零部件；2、运动分配应有利于提高工件的加工精度；3、运动分配应有利于提高运动部件的刚度；4、运动分配应视工件形状而定。
机床的主传动按驱动电动机类型分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。
交流电动机驱动又分为单速电动机、双速电动机及变频调速电动机驱动。
机床传动的形式有机械传动，液压传动等。
机械传动靠滑移齿轮变速，变速级数一般少于30级，它传递功率大，变速范围较广，传动比准确，工作可靠，广泛用于通用机床中，尤其是中小型机床中。
缺点是有相对转速损失，工作中不能变速。
随着变频调速技术的迅速发展，变频调速—多楔带—齿轮传动组合的传动已成为机床主传动的主导形式。
液压无级变速传动平稳，运动换向冲击小，易于实现直线运动，适用于刨床、拉床、大型矩台平面磨床等机床的主运动中。
02210机械制造装备设计第4版课后习题答案(李庆余)
02210机械制造装备设计第4版课后习题答案(李庆余)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1《机械制造装备设计》第4版第一章习题参考答案1-1 机床应满足哪些基本要求什么是人机关系机床应具有的性能指标:1、工艺范围；2、加工精度；3、生产率和自动化；4、可靠性；人机关系：使机床符合人的生理和心理特征，实现人机环境高度协调统一，为操作者创造一个安全、舒适、可靠、高效的工作条件；能减轻操作者精神紧张和身体疲劳。
机床的信号指示系统的显示方式、显示器位置等都能使人易于无误地接受；机床的操纵应灵活方便，符合人的动作习惯，使操作者从接收信号到产生动作不用经过思考，提高正确操作的速度，不易产生误操作或故障。
机床造型应美观大方，色彩协调，提高作业舒适度。
另外，应降低噪声，减少噪声污染。
1-2 机床设计的内容和步骤是什么机床设计大致包括总体设计，技术设计，零件设计，样机试制和试验鉴定四个阶段。
1-3 机床的总体方案拟定包括什么内容机床总布局的内容和步骤是什么总体设计：1、掌握机床的设计依据；2、工艺分析；3、总体布局；4、确定主要的技术参数机床总体布局：1、分配机床运动；2、选择传动形式和支承形式；3、安排操纵部位；4、拟定提高动刚度的措施。
1-4 机床分配运动的原则是什么驱动型式如何选择机床运动的分配应掌握四个原则：1、将运动分配给质量小的零部件；2、运动分配应有利于提高工件的加工精度；3、运动分配应有利于提高运动部件的刚度；4、运动分配应视工件形状而定。
机床的主传动按驱动电动机类型分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。
交流电动机驱动又分为单速电动机、双速电动机及变频调速电动机驱动。
机床传动的形式有机械传动，液压传动等。
机械传动靠滑移齿轮变速，变速级数一般少于30级，它传递功率大，变速范围较广，传动比准确，工作可靠，广泛用于通用机床中，尤其是中小型机床中。
缺点是有相对转速损失，工作中不能变速。
工业机器人件设计20
A zp 0
sin cos
0
0 0
B B
xp yp
1 B zp
这是绕Z轴的旋转。其它两轴只要把坐标次序调换可得上页结果.
旋转矩阵的几何意义:
1)
A B
R
可以表示固定于刚体上的坐标系{B}对参考坐标
系的姿态矩阵。
2)
A B
R
可作为坐标变换矩阵。它使得坐标系{B}中的点
的坐标 B p 变换成{A}中点的坐标A p 。
❖ 参考各国的定义，对机器人给出以下定义：机器人是一种计算机控制 的可以编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示 命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化， 能计划其操作程序来完成任务。
❖
今天我们所做的一切，并不意味着不远的将来机器人就能像人一样思考，
但通过人工智能的研究，它们能够变得更容易沟通、更具独立性、更加高效 。
6)总体方案评价。 进行评价后选取较好的方案，并进一步进行优化设计，作为后续
详细设计的依据。 （二）详细设计 内容包括 ：装配图设计、零件图设计和控制 系统设计。
（三）总体评价 总体设计阶段（即第一步）所得的设计结果是各构件及关节的概略
形状及尺寸，通过详细设计将其细化了，而且总体设计阶段尚未考虑 的细节也具体化了，因此各部分尺寸会有一些变化，需要对设计进行 总体评价，检测其是否能满足所需设计指标的要求。
（二）工业机器人的分类
1、按机械结构类型分： （1）关节型机器人
关节全部是转动关节， 特点：动作灵活，工作空间大；关
节运动部位密封性好；运动 学复杂，不便于控制；刚度 和精度较低。
（2）球坐标型机器人；
两个旋转运动和一个直 线运动。 特点：工作范围较大；占地面
大工11秋《机械制造装备设计》辅导资料十六
机械制造装备设计辅导资料十六主题：第四章工业机器人设计〔第2节〕学习时间：2021年1月16日－2021年1月22日内容：第二节工业机器人的机械结构系统设计一、工业机器人的手臂和机座工业机器人机械结构系统由机座、手臂、手腕、末端执行器和移动装置组成。
工业机器人的手臂由动力关节和连接杆件构成，用以支承和调整手腕和末端执行器的位置。
手臂部件一般具有2-3个自由度〔回转、俯仰、升降或伸缩〕，包括驱动装置、传动机构、定位导向装置、支承连接件和检测元件等。
〔一〕设计要求1、手臂结构设计要求●手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求；●合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料，减轻自重；●减小驱动装置的负荷，提高手臂运动的响应速度；●提高运动的精确性和运动刚度。
2、机座结构设计要求●机座主要有回转机座和升降机座两种，用以实现手臂的整体回转或升降；●要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的稳定性；●机座承受机器人全部重量和工作载荷，应保证足够的强度、刚度和承载能力；●机座轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器的运动精度影响最大。
〔二〕典型结构1、液压驱动圆柱坐标型机器人手臂结构液压缸2驱动的手臂伸缩、摆动液压马达11驱动的回转和升降液压缸驱动的升降三个运动。
图1 液压驱动圆柱坐标型机器人手臂1-活塞杆2-液压缸3-手臂端部4-手臂支架5-导轨6-中间支座7、9-齿轮8-挡块10-行程开关11-摆动液压马达2、电动机驱动机械传动圆柱坐标型机器人手臂和机座结构图2 GMF M-100型机器人手臂直线移动手臂的升降和伸缩运动由双圆柱导轨导向和直流伺服电机驱动滚动丝杠实现。
回转运动由底部的回转机座实现。
图3 PUMA机器人手臂的结构1、10-大臂2、3、14、15-齿轮4、13、16-偏心套5-大锥齿轮6-小锥齿轮7、11-驱动电动机8,9-锥齿轮12-驱动轴17-小臂18-机座图4 带谐波减速器的机器人手臂关节结构二、工业机器人的手腕手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其功能是在手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标的根底上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，回转运动、左右偏摆运动和俯仰运动即实现三个旋转自由度。
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4 工业机器人的设计方法
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4.1.4工业机器人的设计方法 Ⅳ
❖ （一）总体设计：
▪ 1、基本技术参数的选择（额定负载、额定速度、驱 动方式、用途、作业空间、性能指标）；
▪ 2、总体方案设计（运动功能方案设计、传动系统方 案设计、结构布局方案、参数设计、控制系统方案设 计、总体方案评价）
▪ 3、按控制方式、机器人的功能水平等分类方式。
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4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
图4-3机器人的机械结 构类型：
a)关节型 b)球坐标型 c)圆柱坐标型 d)直角坐标型
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机械制造装备设计 4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
• 2、按用途分类：焊接机器人、装配机器 人......
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4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
操作机 由末端执行器、手腕、 手臂及机座组成。
图4-1工业机器人系统的组成 1—机座 2—控制装置 3—操作机
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4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
图4-2PUMA机器人 操作机
a)结构简图 b)运动功能简图
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4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
❖ （二）工业机器人的分类 ▪ 1、按机械结构类型分类：关节型机器人、球坐标型机器 人、圆柱坐标型机器人、直角坐标型机器人。
▪ 2、按用途分类：焊接机器人、冲压机器人、浇注机器人、 搬运机器人、装配机器人、喷漆机器人、切削加工机器 人、 检测机器人等。
大家好
1
机械制造装备设计
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机械制造装备设计
目录
第一章 机械制造及装备设计方法 第二章 金属切削机床设计 第三章 典型部件设计 第四章 工业机器人设计 第五章 机床夹具设计 第六章 物流系统设计 第七章 机械加工生产线总体设计
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▪ 数控型机器人 不必使机器人动作，通过数值、语言等对机 器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。
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4.1.2工业机器人的构成及分类 Ⅳ
▪ 感觉控制型机器人 利用传感器获取的信息控制机器人的 动作。
▪ 适应控制型机器人 机器人能适应环境的变化，控制其自 身的行动。
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机械制造装备设计
4.1 概述
Ⅳ
1 工业机器人的定义及工作原理 2 工业机器人的构成及分类 3 工业机器人的主要特性表示方法 4 工业机器人的基本设计方法
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机械制造装备设计 4.1.2工业机器人的构成及分类
工业机器人的构成：操作机 、驱动单元、控制装置 • 操作机是机器人的机械本体，也可称为主机。通常由末端
▪ 坐标系按右手确定（右图）； ▪ 关节坐标系的确定（下图）； ▪ 确定基准状态； ▪ 关节坐标轴轴线位置的选取； ▪ 关节坐标方向的选取。
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4.1.3工业机器人的主要特性表示方法 Ⅳ
❖ （二）机械结构类型 用结构坐标形式和自由度表示。 自由度是表示工业机器人动作灵 活程度的参数，以直线运动和回 转运动的独立运动数表示
第四章：工业机器人设计
Ⅳ
第一节 概述 第二节 工业机器人的机械结构系统设计 第三节 工业机器人在机械制造系统中的应用
Hale Waihona Puke 大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1 概述
Ⅳ
1 工业机器人的定义及工作原理 2 工业机器人的构成及分类 3 工业机器人的主要特性表示方法 4 工业机器人的设计方法
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排爆机器人
有触觉的水下机器人
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机械制造装备设计
4.1 概述
Ⅳ
1 工业机器人的定义及工作原理
2 工业机器人的构成及分类
3 工业机器人的主要特性表示方法
4 工业机器人的设计方法
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4.1.3工业机器人的主要特性表示方法 Ⅳ
❖ （一）坐标系
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4.1.1工业机器人的定义及工作原理 Ⅳ
❖ （一）机器人的定义 ▪ 我国国家标准GB/T12643——90将工业机器人定义为 “是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度 的操作机 ，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各 种作业”。
❖ （二）工业机器人的基本工作原理 ▪ 工业机器人的基本工作原理：通过操作机上各运动构件 的运动，自动的实现手部作业的动作功能及技术要求。
❖ （三）工作空间 工作空间是指工业机器人正常运行 时，手腕参考点能在空间活动的最 大范围。
❖ （四）其他特性 用途、负载、速度、控制、分辨 率等。
图4-6机器人的工作空间
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4.1 概述
Ⅳ
1 工业机器人的定义及工作原理 2 工业机器人的构成及分类 3 工业机器人的主要特性表示方法
空间曲线焊接机器人
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机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
❖ 3、机器人按控制方式分类 ▪ 操作型机器人 能自动控制，可重复编程，多功能，有几个 自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。
▪ 程控型机器人 按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人 的机械动作。
▪ 示教再现型机器人 通过引导或其它方式，先教会机器人动 作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。
执行器（又称手部）、手腕、手臂（又可分为大臂和小臂） 及机座（又称机身或立柱）组成。 • 驱动单元由驱动装置（如电动机、液压或气压装置）、减 速器和内部检测元件等组成，为操作机各运动部件提供动 力和运动。 • 控制装置由检测和控制两部分组成，用来控制驱动单元， 检测其运动参数并进行反馈。
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▪ 学习控制型机器人 机器人能“体会”工作的经验，具有一 定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。
▪ 智能机器人 以人工智能决定其行动的机器人。
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机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类 Ⅳ
双足仿人机器人
管道机器人
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机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类 Ⅳ