大工11秋《机械制造装备设计》辅导资料十六.docx

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： 2012年1月16日－2012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
l 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；
l 合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料，减轻自重；
l 减小驱动装置的负荷，提高手臂运动的响应速度；
l 提高运动的精确性和运动刚度。
2、机座结构设计要求
l 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；
l 要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的稳定性；
l 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；
l 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。

1—活塞杆 2—液压缸 3—手臂端部 4—手臂支架 5—导轨
6—中间机座 7、9—齿轮 8—挡块 10—行程开关 11—摆动液压马达
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基础上，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。

图5 手腕的自由度
1- 手臂 2-机械接口
（一）设计要求
l 手腕部件的结构力求紧凑，减轻其质量和体积；
l 自由度愈多，运动范围愈大，动作灵活性愈高，机器人对作业的适应能力愈强；
l 提高传动刚度，尽量减少反转误差；
l 对手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机械挡块，以防止关节超限造成事故。
（二）手腕的结构
1、用摆动液压缸驱动实现回转运动的手腕结构。

图6 摆动液压马达驱动的手腕
1- 活塞 2、4-油路 3、7-进、排油孔 5-定叶 6-动叶

2、具有两个自由度的机械传动手腕结构
3、具有三个自由度的机械传动手腕结构
4、偏置三自由度机械传动手腕结构
三、工业机器人的末端执行器
（一）分类和设计要求
根据用途和结构的不同分为：机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具三类。
设计末端执行器时，要求：
l 满足作业需要的足够的夹持力和所需的夹持位置精度。
l 尽可能使末端执行器结构简单、紧凑，质量轻，以减轻手臂的负荷。
（二）机械式夹持器的结构与设计
工业机器人中应用的机械夹持器多为双指手爪式；
按其手爪的运动方式可分为平移型和回转型 ；
回转型手爪又分为单支点回转型和双支点回转型 ；
按夹持方式可分为外夹式和内撑式；
按驱动方式可以有电动、液压和气动 。

图7 机械式夹持器
a) 单支点回转型 b)双支点回转型 c)平移型 d)内撑型

（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
l 挤压排气式吸盘
l 电流负压式吸盘
l 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

Ⅳ
本周要求掌握的内容如下：
了解：工业机器人的手臂设计要求，工业机器人的典型结构，工业机器人的手腕设计要求，末端执行器的分类。
掌握：工业机器人的机械结构系统组成、工业机器人的手腕的自由度、工业机器人的末端执行器。

习题：
1、判断
1) 自由度愈多，运动范围愈大，动作灵活性愈高，机器人对作业的适应能力愈强。（ ）
2) 尽可能使末端执行器结构复杂，质量重，以加大手臂的负荷。（ ）

习题答案：
1，判断
1) 对。
2) 错。