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1、工业机器人操作机的结构及设计,01 机电班 袁媛,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
2、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。,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
3、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
4、困难。,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。,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
5、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。,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23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P1
6、00典型手腕的实际结构的一种型式。,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
7、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，可靠性问题显得尤为重要。一般来说，元器件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整机的可靠性。可以通过概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构，也可以通过系统可靠性综合方法评定操作机系统的可靠性。 （6）工艺性原则 机器人操作机是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。
8、仅有合理的结构设计而无良好的工艺性，必然导致操作机性能的降低和成本的提高。,2操作机的设计方法和步骤 （1）确定工作对象和工作任务 开始设计操作机之前，首先要确定工作对象、工作任务。 1）焊接任务：如果工作对象是一辆汽车或是一个复杂曲面的物体，工作任务是对其进行弧焊或点焊，则要求机器人的制造精度很高，弧焊任务对机器人的轨迹精度和位姿精度及速度稳定性有很高的要求，点焊任务对机器人的位姿精度有很高的要求，两种任务都要求机器人具备摆弧的功能，同时要能在狭小的空间内自由地运动，具备防碰撞功能，故机器人的自由度至少为六个。 2）喷漆任务：如果工作对象是一辆汽车或是一个复杂曲面的物体，工作任务是喷涂汽车的
9、内部和车门或是复杂曲面物体的表面，则要求机器人手腕要灵活，能够在狭小的空间内自由地运动，具备防碰撞功能；要求机器人能够在长时间内连续稳定可靠地工作；同时要求机器人具备光滑的流线型外表面，漆、气管线最好能从其横臂和手腕内部通过，使机器人外表不易积漆积灰，不会污染已喷好的工作对象，且漆、气管线也不易损坏；因喷漆机器人是在易燃易爆的工作环境中工作，故要具备防爆的功能。同时对机器人的轨迹精度和位姿精度及速度稳定性也有较高的要求。机器人的自由度至少应为六个。 3）搬运任务：如果工作对象比较笨重，工作任务是定点搬运，定位精度要求高，则对机器人的承载能力和定位精度有高的要求。如果工作对象比较轻巧，工作任务也
10、是定点搬运，但要求轻拿轻放，且定位精度要求高，则对机器人的速度稳定和定位精度有高的要求。 4）装配任务：对机器人的速度稳定密和位姿精度有很高的要求。,（2）确定设计要求 1）负载：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人的负载。一般喷漆和弧焊机器人的负载为56kg。 2）精度：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人未端的最大复合速度和机器人各单轴的最大角速度。 3）精度：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人的重复定位精度、如弧焊机器人的重复定位精度为0.4mm，ABB公司开发的Model 5003型喷漆机器人的重复定位精度为1mm。同时要确定构成机器人的零件的精度、臂体的尺寸精度、形位精度和传动链的间隙，如齿轮的精度和传动间隙；还要确定机器人上所用的元器件的精度，如减速器的传动精度、轴承的精度等等。 4）示教方式：根据用户工作对象和工作任务的要求，确定机器人的示教方式。 5）工作空间：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人的工作空间的大小和形状。 6）尺寸规划：根据对工作空间的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人的臂杆长度和臂杆转角，并进行尺寸优化。 7）减速器的选用 机器人上所用的减速器，常见的有RV减速器和谐波减速器。,