工业机器人的总体设计方案(PPT136页)课件.ppt

1、2.1 工业机器人的总体设计工业机器人的总体设计 机器人总体设计的主要内容有：n 确定基本参数，n 选择运动方式，n 手臂配置形式， 位置检测，驱动和控制方式等。 进行结构设计，对各部件的强度、刚度、动特性等进行必要的验算。一、系统分析一、系统分析1根据机器人的使用场合，明确所使用机根据机器人的使用场合，明确所使用机器人的目的和任务。器人的目的和任务。2分析机器人所在系统的工作环境，包括分析机器人所在系统的工作环境，包括机器人与已有设备的兼容性。机器人与已有设备的兼容性。3分析系统的工作要求，确定机器人的基分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。本功能和方案。 具体来说，确定机器人的自

2、由度数，信息的存储容量，计算机的功能水平，机器人的动作速度，定位精度，机器人容许的运动空间的大小，环境条件（如温度、是否存在振动），抓取工件的重量、外形尺寸的大小，生产批量等。举例：鸡蛋分检包装系统中的机器人（1）n明确机器人的目的和任明确机器人的目的和任务务：n从传送带拾取一个鸡蛋；n把蛋置于强光下照射，测定蛋是否透光（有无胚胎生长）n根据蛋有无胚胎，把蛋放入废品箱或包装箱内。基本工作流程n分析机器人所在系统的工作环境分析机器人所在系统的工作环境： 分析工作车间的平面布置，相互间的位置关系等。举例示图2：机器人与环境的关系机器人自由度，几个？外部轴，几个？分析系统的工作要求分析系统的工作要求

3、：n循环时间3.0sn每次循环有三种不同的运动：n移动到传送带并拾取一只鸡蛋；n移动到照射位置；n把鸡蛋放入纸箱或废品区。n一个循环中需要三次暂停：n闭合手爪0.2s；完成照射0.05s；开启手爪放蛋0.2sn每只鸡蛋重量85g；手爪重量370gn位置分辨率最低为1.27mm确定机器人的自由度及运动范围：n初步分析初步分析：机器人满足上面提出的条件，应该具备一个旋转运动和两个直线运动。n仔细分析仔细分析：还应该有一个运动以对蛋进行定向排列。因为当受臂移动和转动时，鸡蛋的取向会发生改变。n确定技术参数为确定技术参数为：n伸缩运动：45.761.0cmn腰部旋转： 90n腕部旋转：360 n腕部垂

4、直移动：50.8cm初步确定机器人的结构：机械臂使用移动自由度时会引起机械臂的惯量变化所以一般较少采用如果一定需要用移动自由度则一般选用直角坐标的结构或龙门架式二、技术设计二、技术设计1机器人基本参数的确定（机器人基本参数的确定（1）：）：n自由度的确定：自由度的确定：在系统分析时已经确定了。 n臂力的确定：臂力的确定： n对于专用机器人来说：是针对专门的工作对象来设计的，臂力主要根据被抓取物体的重量确定，取1.53.0的安全系数。n对于工业机器人来说：具有一定的通用性，臂力要根据被抓取物体的重量变化来确定。n工作范围的确定：工作范围的确定： 要根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定n运动速度的确

5、定：运动速度的确定： 主要是根据生产需要的工作节拍分配每个动作的时间，进而根据机械手各部位的运动行程确定其运动。n定位精度的确定：定位精度的确定： 机器人的定位精度是根据使用要求确定的。而要达到这样的精度取决于机器人的定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚度、驱动方式、缓冲方法等。夹紧工件手臂升降伸缩运动回转运动工作节拍5分钟每一个动作都由4个关节协同完成综合分配每个关节的运动速度运动速度确定举例运动速度确定举例速度分配的时候要计算加速度，保证动特性稳定2机器人运动形式的选择（机器人运动形式的选择（1）：）：n根据机器人的运动参数确定其运动形式，然后才能确定其结构。常见的运动形式有以下几种：n1

6、 直角坐标型：直角坐标型：机器人的主体结构的关节都是移动关节。n特点：特点：n结构简单，刚度高。n关节之间运动相互独立，没有耦合作用。n占地面积大，导轨面防护比较困难。 n2 圆柱坐标型：圆柱坐标型： 圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转、升降和伸缩。亦即具有一个旋转运动和两个直线运动。n特点：特点：n通用性较强；n结构紧凑；n机器人腰转时将手臂缩回，减少了转动惯量。n受结构限制，手臂不能抵达底部，减少了工作范围。n3 球面坐标式球面坐标式（极坐标）：（极坐标）： 机器人主体结构具有三个自由度，两个旋转运动和一个直线运动。n特点：n工作范围较大；n占地面积小；n控制系统复杂n4 SCA

7、RA机器人：机器人： 有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个是移动关节。这种结构轻便、响应快。n特点：特点：n结构轻便，响应快；n适用于平面定位和在垂直方向进行作的场合。 n5 关节式机器人：关节式机器人： 关节式机器人的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。 3拟定检测传感系统框图：拟定检测传感系统框图：图例：传感系统框图：4确定控制系统总体方案确定控制系统总体方案机器人控制器： 运动控制卡(PMAC) PLC 专用控制器.三、机器人系统设计三、机器人系统设计1机器人的驱动方式：机器人的驱动方式： 机器人的驱动方式有电动、液压和气动三种方式。一台

8、机器人可以只有一种驱动方式，也可以是几种方式的联合。n液压传动：液压传动：具有较大的功率体积比，常用于大负载的场合。n气压传动：气压传动：气动系统简单，成本低，适合于节拍快、负载小且精度要求不高的场合，常用于点位控制、抓取、弹性握持和真空吸附。n电动：电动：适合于中等负载，特别适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人。2关节驱动方式（关节驱动方式（1）：）： 分为直接驱动和间接驱动两种方式。 n直接驱动：直接驱动：直接驱动的机器人也叫DDR（Direct drive robot），一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接（例如步进电机、伺服电机驱动式）。n特点 驱动电机和关节之间

9、没有速度和转矩的转换。 A机械传动精度高； B振动小，结构刚性好； C结构紧凑，可靠性高； D电机的重量会增加转动负担。 关节直接驱动图例：2关节驱动方式（关节驱动方式（2）：）：n间接驱动方式：间接驱动方式：大部分机器人是间接驱动方式。由于驱动器的输出转矩大大小于驱动关节所要求的转矩，所以必须使用减速器。n间接驱动特点：间接驱动特点：n可以获得一个比较大的力矩；n可以减轻关节的负担；n可以把电机作为一个平衡质量；n增加了传动误差；n结构庞大。 间接驱动方式图例间接驱动方式图例间接驱动方式图例间接驱动方式图例气动肌肉3材料的选择：材料的选择： 选择机器人本体的材料，应从机器人的性能要求出发，满

10、足机器人的设计和制造要求。如：n机器人的臂和机器人整体是运动的，则要求采用轻质材料。n精密机器人，则要求材料具有较好的刚性。 n还要考虑材料的可加工性等。n机器人常用的材料有：碳素结构钢、铝合金、硼纤维增强合金、陶瓷等。 4平衡系统的设计平衡系统的设计 的设计是机器人设计中一个不可忽视的问题。平衡系统具有以下作用：n安全：防止机器人在切断电源后因重力而失去稳定。 n借助平衡系统能降低机器人的构形变化。n借助平衡系统能降低因机器人运动，导致惯性力矩引起关节驱动力矩峰值的变化。n借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响。平衡系统图例5平衡系统的工作原理平衡系统的工作原理n通常采用平行四边形

11、机构构成平衡系统。其原理是在系统中增加一个质量，与原构件的质量形成一个力的平衡，该平衡系统不随机器人位姿的变化而失去平衡。图例：平行四边形平衡系统：233222233OOmGOmVmOBOmmSV横向力的平衡：纵向力的平衡：5模块化结构设计：模块化结构设计： 将每一自由度的轴作为一个单独模块，并由独立的单片机控制，然后用户可根据自己的需要进行多轴组装。这种结构设计具有经济和灵活的特点。模块结构机器人1模块结构机器人2图例：模块化设计 2.2 工业机器人的驱动与传动系统结构工业机器人的驱动与传动系统结构 在机器人机械系统中，在机器人机械系统中，驱动器通过联轴器带动传动装驱动器通过联轴器带动传动装

12、置置( (一般为减速器一般为减速器) )，再通过关节轴带动杆件运动，再通过关节轴带动杆件运动。 机器人一般有两种运动关节机器人一般有两种运动关节转动关节和移转动关节和移( (直直) )动动关节。关节。 为了进行为了进行位置和速度控制位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和，驱动系统中还包括位置和速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精度、连接方式以及有利于控制的输出方式。度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机对于伺服电机驱动，检测元件常与电机直接相联驱动，检测元件常与电机直接相联；对于；对于液压驱动，则常液压驱动，则常通过联

13、轴器或销轴与被驱动的杆件相联通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。 2.2.1 2.2.1 驱动驱动传动系统的构成传动系统的构成1码盘；码盘；2 测速机；测速机；3 电机；电机；4 联轴器；联轴器；5 传动装置；传动装置；6 转动关节；转动关节；7 杆杆 8 电机；电机； 9 联轴器；联轴器；10 螺旋副；螺旋副；11 移动关节；移动关节；12 电位器电位器 (或光栅尺或光栅尺) 1 1电动驱动器电动驱动器 电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，速电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，

14、直接驱动比较困难。动比较困难。 电动驱动器又可分为直流电动驱动器又可分为直流 (DC)、交流、交流(AC)伺服电机伺服电机驱动和步进电机驱动。驱动和步进电机驱动。 直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。 步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。多用于低精度小功率机器人系统。2.2

15、.2 2.2.2 驱动器的类型和特点驱动器的类型和特点2. 液压驱动器液压驱动器 液压驱动的优点是功率大，可省去减速液压驱动的优点是功率大，可省去减速装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。但需要增设液压源，易产生液体的精度。但需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。目前多用于特大功率的机器人系统。 数字液压缸参数型号外形尺寸（m）重量（t）采样高度（m）采样半径（m）采样深度（m）回转角度（）

16、采样周期（s）入料粒度（mm）制样粒度（mm）缩分比环境温度（）用途MCYY-10 x2.5x4.0174.035.02.527080010061:21:16-4050汽车、火车、煤堆采样智能机器人化煤炭采制样设备整机工作状态模拟图隧道凿岩隧道凿岩机器人机器人大型喷浆大型喷浆机器人机器人3气动驱动器气动驱动器 气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器

17、人。 3其它驱动器其它驱动器 作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、 驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格高低、技术水平为评价标准。以价格高低、技术水平为评价标准。一般说来，目前负一般说来，目前负荷为荷为100 kg以下的以下的, ,可优先考虑电动驱动器可优先考虑电动驱动器；只须点位控只须点位控制且功率较小者，可采用气动驱动器制且功率较小者，可采用气动驱动器；负荷较大或机器负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。对于驱动器来

18、说，最重要的是要求起动力矩大，调速对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与之范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与之配套的数字控制系统。配套的数字控制系统。60 机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型传动类型、传动方传动方式、传动刚性以及传动的可靠性式、传动刚性以及传动的可靠性对机器人系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。因此，应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。2.2.3 2.2.3 机器人的常用传动机构机器人的常用传动机构 机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传机

19、器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构，其中最常用的为谐波传动、动机构，其中最常用的为谐波传动、RV摆线摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动。针轮行星传动和滚动螺旋传动。 机器人传动机构的基本要求机器人传动机构的基本要求：(1) 结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻；结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻；(2) 传动刚度大，即承受扭矩时角度变形要小，以传动刚度大，即承受扭矩时角度变形要小，以提提整机的整机的 固有频率高，固有频率高，降低整机的低频振动；降低整机的低频振动；(3) 回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位置控制精度；较高的位置控制精度；

20、(4) 寿命长、价格低。寿命长、价格低。 RV减速器谐波减速器RV减速机RV减速机由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成，RV减速器具有结构紧凑，传动比大，以及在一定条件下具有自锁功能的传动机械，是最常用的减速机之一而且振动小，噪音低，能耗低RV减速器减速器64 为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中，常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。为达到上述要求 主要从以下几方面采取措施：主要从以下几方面采取措施： 1) 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件； 2) 缩短传动链，提高传动与支承刚度； 3) 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率

21、、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力； 4) 缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的措施； 5) 改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。 67 1.齿轮传动形式及其传动比的 最佳匹配选择 齿轮传动比i应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器，其输入电动机为高转速、低转矩，而输出则为低转速、高转矩。 1) 重量最轻原则重量最轻原则 2) 输出轴转角误差最小原则输出轴转角误差最小原则 3) 等效转动惯量最小原则68 各级传动比的最佳分配原则 1)1)重量最轻原则重量最轻原则 对于小功率传

22、动系统，使各级传动相等，即可使传动装置的重量最轻。由于这个结论是在假定各主动小齿轮模数、齿数均相同的条件下导出的，故所有大齿轮的齿数、模数也相同，每级齿轮副的中心距离也相同。上述结论对于大功率传动系统是不适用的，因其传递扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数要逐级增加的情况,此时应根据经验、类比方法以及结构紧凑的要求进行综合考虑。各级传动比一般应以“先大后小”原则处理。692)2)输出轴转角误差最小原则输出轴转角误差最小原则70转角误差的计算举例 已知：有一三级齿轮传动减速器，如图所示，z1z6的转角误差分别是： 1=0.06弧度/sec、 2=3=0.03弧度/sec、 4=5=0.015

23、弧度/sec、6=0.01弧度/sec。 减速比分别为：i1=i2=2、i3=3，则i=12 . 求其总转角误差max . 解：max=1/i+(2+3)/(i2i3)+ (4+5)/ i3+6=0.06/12+0.06/6+0.03/3+0.01 =0.035(弧度/sec)713)等效转动惯量最小原则72齿轮传动部件齿轮传动部件齿侧间隙对传动精度影响很大提高关键零件的装配精度以保证整体精度提高关键零件的装配精度以保证整体精度74齿轮传动间隙的调整方法偏心调整法提高关键零件的装配精度以保证整体精度提高关键零件的装配精度以保证整体精度 轴向压簧错齿调整 1、2-薄片齿轮；3-宽齿轮；4-调整螺

24、母；5-弹簧75 轴向垫片调整法提高关键零件的装配精度以保证整体精度提高关键零件的装配精度以保证整体精度76双片薄齿轮错齿调整法 垫片错齿调整 轴向压簧错齿调整 1、2-薄片齿轮；3-宽齿轮；4-垫片 1、2-薄片齿轮；3-宽齿轮；4-调整螺母；5-弹簧提高关键零件的装配精度以保证整体精度提高关键零件的装配精度以保证整体精度771-短柱；2-弹簧；3、4-薄片齿轮1、2-齿轮；3-凸耳；4-弹簧； 5、6-螺母；7-螺钉 提高关键零件的装配精度以保证整体精度提高关键零件的装配精度以保证整体精度双片薄齿轮错齿调整法78 谐波齿轮传动产品谐波齿轮传动产品 1-刚性轮；2-柔性轮；3-波发生器 二、

25、谐波传动的主要特点二、谐波传动的主要特点(1) 传动比大，单级为传动比大，单级为50300，双级可达，双级可达2 2x106。(2)传动平稳，承载能力高，传递单位扭矩的体积和重量小。传动平稳，承载能力高，传递单位扭矩的体积和重量小。 在相同的工作条件下，体积可减小在相同的工作条件下，体积可减小20一一50。(3)齿面磨损小而均匀，传动效率高。当结构合理，润滑良好齿面磨损小而均匀，传动效率高。当结构合理，润滑良好时，对时，对i = =100的传动，效率可达的传动，效率可达0.85。(4)传动精度高传动精度高。在制造精度相同的情况下，谐波传动的精度。在制造精度相同的情况下，谐波传动的精度可比普通齿

26、轮传动高一级。若齿面经过很好的研磨，则谐波齿可比普通齿轮传动高一级。若齿面经过很好的研磨，则谐波齿轮传动的传动精度要比普通齿轮传动高轮传动的传动精度要比普通齿轮传动高4倍。倍。(5)回差小回差小。精密谐波传动的回差一般可小于。精密谐波传动的回差一般可小于3，甚至可以实，甚至可以实现无回差传动。现无回差传动。(6)可以通过密封壁传递运动。这是其他传动机构难实现的。可以通过密封壁传递运动。这是其他传动机构难实现的。(7)谐波传动不能获得中间输出，并且杯式柔轮刚度较低。谐波传动不能获得中间输出，并且杯式柔轮刚度较低。RV摆线针轮传动摆线针轮传动RV摆线针轮传动装置，是由一级行星轮系再串联一级摆摆线针

27、轮传动装置，是由一级行星轮系再串联一级摆线针轮减速器组合而成的。线针轮减速器组合而成的。二、主要特点二、主要特点与谐波传动相比，与谐波传动相比，RV摆线针轮传动除了具有相同的速比摆线针轮传动除了具有相同的速比大、同轴线传动、结构紧凑、效率高等待点外，最显著的特大、同轴线传动、结构紧凑、效率高等待点外，最显著的特点是刚性好，传动刚度较谐波传动要大点是刚性好，传动刚度较谐波传动要大26倍，但重量却增倍，但重量却增加了加了13倍。倍。该减速器特别适用于操作机上的第一级旋转关节该减速器特别适用于操作机上的第一级旋转关节(腰关节腰关节)，这时自重是坐落在底座上的，充这时自重是坐落在底座上的，充分分发挥了

28、高刚度作用，可以发挥了高刚度作用，可以大大提高整机的固有频率，降低振动；在频繁加、减速的运大大提高整机的固有频率，降低振动；在频繁加、减速的运动过程中可以提高响应速度并降低能量消耗。动过程中可以提高响应速度并降低能量消耗。 滚动螺旋特点：滚动螺旋特点： (1)摩擦小、效率高。一般情况下，传动的效率在摩擦小、效率高。一般情况下，传动的效率在90以上。以上。 (2)动、静摩擦系数相差极小，传动平稳，灵敏度高。动、静摩擦系数相差极小，传动平稳，灵敏度高。 (3)磨损小、寿命长。磨损小、寿命长。 (4)可以通过预紧消除轴向间隙，提高轴向刚度。可以通过预紧消除轴向间隙，提高轴向刚度。滚动螺旋传动不能自锁

29、滚动螺旋传动不能自锁，必须有防止逆，必须有防止逆转的制动或自锁机构才能安全地用于有自转的制动或自锁机构才能安全地用于有自重下降的场合。最怕落入灰尘、铁屑、砂重下降的场合。最怕落入灰尘、铁屑、砂粒。通常，螺母两端必须密封，丝杠的外粒。通常，螺母两端必须密封，丝杠的外露部分必须用露部分必须用“风箱风箱”套或钢带卷套加以套或钢带卷套加以密封。密封。滚动螺旋传动滚动螺旋传动86提高关键零件的装配精度以保证整体精度提高关键零件的装配精度以保证整体精度丝杠螺母的预紧87 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧 (1)双螺母螺纹预紧调整式如下图所示，其中，螺母3的外端有凸缘，而螺母4的外端虽无凸缘，但制有螺纹，并通

30、过两个圆螺母固定。调整时旋转圆螺母2消除轴向间隙并产生一定的预紧力，然后用锁紧螺母1锁紧。预紧后两个螺母中的滚珠相向受力(如图b所示)，从而消除轴向间隙。其特点是结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。1-锁紧螺母；2-调整螺母；3、4-滚珠螺母提高关键零件的装配精度以保证整体精度提高关键零件的装配精度以保证整体精度88 (2)双螺母齿差预紧调整式 如下图所示丝杠4的两端的两个螺母分别制有圆柱齿轮的螺母3，两者齿数相差一个齿，通过两端的两个内齿轮2与上述圆柱齿轮相啮合，并用螺钉和定位销固定在套筒1上。调整时先取下两端的内齿轮2，当两个滚珠螺母相对于套筒同一方向转动

31、同一个齿后固定，则一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移，使两个滚珠螺母产生相对移动，从而消除间隙并产生一定的预紧力。其特点是可实现定量调整，即可进行精密微调(如0.002mm)，使用中调整较方便。1-套筒；2-内齿轮；3-螺母；4-丝杠 提高关键零件的装配精度以保证整体精度提高关键零件的装配精度以保证整体精度89 (3) 双螺母垫片调整预紧式 如下图所示，调整垫片l的厚度，可使两螺母2产生相对位移，以达到消除间隙、产生预紧拉力之目的。其特点是结构简单、刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。 双螺母垫片预紧式 1-垫片； 2-螺母提高关键零件的装配精度以保证整体精度提高关键零件的装配精

32、度以保证整体精度90 （4）弹簧式自动调整预紧式 如下图所示，双螺母中一个活动另一个固定，用弹簧使其间始终具有产生轴向位移的推动力，从而获得预紧力。其特点是能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，适用于轻载场合。 弹簧自动调整预紧式 提高关键零件的装配精度以保证整体精度提高关键零件的装配精度以保证整体精度91 （5）单螺母变位导程自预紧式 下图为单螺母变位导程自预紧方式。它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向制作一个Ph 的导程突变量，从而使二列滚珠产生轴向错位而实现预紧，预紧力的大小取决于Ph 和单列滚珠的径向间隙。其特点是结构简单紧凑，但使

33、用中不能调整，且制造困难。提高关键零件的装配精度以保证整体精度提高关键零件的装配精度以保证整体精度92 典型支承方式典型支承方式93 1) 单推-单推式 如下图所示，推力轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。其特点是轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双推-双推式低。94 2) 双推-双推式 如下图所示，两端分别安装推力轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称。95 3) 双推-简支式 如下图所示，一端安装止推轴承和圆柱滚子轴承的组合，另一端仅安

34、装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。96 4) 双推-自由式 如下图所示，一端安装推力轴承与圆柱滚子轴承的组合，另一端悬空呈自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。97轴承的组合安装支承示例1) 简易单推-单推式支承98 2) 双推-简支支承方式 99 制动装置因滚珠丝杠传动效率高，无自锁作用，故在垂直安装状态，必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动的自锁、制动或重力平衡装置。常用的制动装置有体积小、重量轻、易于安装的超越离合器。选购滚珠丝杠副时可

35、同时选购相应的超越离合器(如下图所示)。 超越离合器 1-外圈 ； 2-星轮 ； 3-滚柱：4-活销 ； 5-弹簧100 当主轴7作上、下进给运动时，电磁线圈2通电并吸引铁心1，从而打开摩擦离合器4，此时电动机5通过减速齿轮、滚珠丝杠副6托动运动部件（主轴头）7作垂直上下运动。当电动机断电时，电磁线圈2也同时断电，在弹簧3的作用下摩擦离合器4压紧制动轮，使滚珠丝杠不能自由转动，从而防止运动部件因自重而下降。单推单推- -单推式支承的简易制动装置单推式支承的简易制动装置1-铁心； 2-电磁线圈； 3-弹簧； 4-摩擦离合器； 5-电动机； 6-滚珠丝杠副；7-主轴头101 滚珠丝杠副可用防尘密封

36、圈或防护套密封来防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副，使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维持其传动精度，延长其使用寿命。密封圈有接触式和非接触式两种，将其装在滚珠螺母的两端即可。非接触式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其内孔螺纹表面与丝杠螺纹之间略有间隙，故又称迷宫式密封圈。接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因此有接触压力并产生一定的摩擦力矩，但其防尘效果好。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在装配时放进滚珠螺母滚道内定期润滑，而使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油。 滚珠丝杠副的密封与润滑102 防护套的形式防护套的形式 有折叠式密封套、伸缩套管和伸缩挡板。 下图为防

37、护套示例。 103 除滚珠丝杠副、齿轮副等传动部件之外，还有可能使用同步带、钢带、链条、钢丝绳及尼龙绳等挠性传动部件。104 打印机中同步带传动系统打印机中同步带传动系统 1-驱动轮 ；2-驱动轴 ；3-从动轮； 4-伺服电动机 ；5-电动机齿轮 ；6-字车 ；7-色带驱动手柄 ； 8-销；9-联接环 ；10-字车驱动同步带；11-支架 ；12-带张力调节螺杆；13-色带驱动带； 14-压带轮 ；15-色带驱动轮 ；16-色带驱动轴 ；17-导杆105 梯形齿同步带结构1-包布层 ； 2-带齿 ； 3-带背；4-加强筋 梯形齿同步带及带轮结构106 同步带实物照片107钢带和绳轮传动钢带传动定

38、位机构1-导杆； 2-轴承； 3-小车； 4-导轨；5-磁头； 6-钢带； 7-步进电动机 绳轮传动在打印机字车送进机构中的应用1-字车；2-绳轮(电动机输出轴上)；3-伺服电动机； 4-钢丝绳108六、间歇传动部件间歇传动部件有：棘轮传动、槽轮传动、蜗形凸轮传动等部件 1-棘爪；2-棘轮；3-止动爪；4-摇杆；5-扭簧109 齿式棘轮机构的形式 1-棘轮；2-棘爪110槽轮传动机构槽轮传动机构传动机构工作原理图1-拨销盘； 2.锁紧弧； 3-槽轮； 4-定位弧； 5-拨销111蜗形凸轮传动机构l-转盘 ； 2-滚子； 3-蜗形凸轮112 能够得到在实际中所能遇到的任意的转位时间与静止时间之比

39、，其工作时间系数比槽轮机构的要小；能够实现转盘所要求的各种运动规律；与槽轮机构比较，能够用于工位数较多的设备上，而不需加入其他的传动机构；在一般情况下，凸轮棱边的定位精度已能满足要求，而不需其他定位装置；有足够高的刚度；装配方便；不足之处是它的加工工作量特别大，因而成本较高。 蜗形凸轮机构具有如下的特点蜗形凸轮机构具有如下的特点关节是操作机各杆件间的结合部分，有转动和移动两种类关节是操作机各杆件间的结合部分，有转动和移动两种类型。工业机器人前三关节通常称作腰关节、肩关节和肘关节，型。工业机器人前三关节通常称作腰关节、肩关节和肘关节，它们构成了操作机的位置机构。后面关节构成了操作机的姿它们构成了

40、操作机的位置机构。后面关节构成了操作机的姿态机构，称作腕部。下面分别讨论这些关节的构造和传动配态机构，称作腕部。下面分别讨论这些关节的构造和传动配置。置。一、腰关节一、腰关节腰关节既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾翻力矩，腰关节既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾翻力矩，且具有较高的运动精度和刚度。多采用高刚性的且具有较高的运动精度和刚度。多采用高刚性的RV减速器减速器减速，也可采用谐波传动、摆线针轮或蜗杆减速器。减速，也可采用谐波传动、摆线针轮或蜗杆减速器。 2.3 工业机器人关节的构造及其传动配置工业机器人关节的构造及其传动配置腰关节腰关节电机上置电机上置)1 电机；电机；2 RV减速器

41、，减速器，3 支架，支架，6 交叉滚子轴承；交叉滚子轴承；5 电缆电缆腰关节腰关节 (电机下置电机下置)1谐波减速器；谐波减速器；2 电机；电机；3 四点接触球轴承四点接触球轴承腰关节腰关节1 电机电机 ；2 齿轮；齿轮；3 立柱；立柱；4 结合螺栓结合螺栓2134由上面的图例可以看出，腰关节的构造主要是两种类型：由上面的图例可以看出，腰关节的构造主要是两种类型：使用交叉滚子或四点接触式轴承的同轴式平行轴式。前者使用交叉滚子或四点接触式轴承的同轴式平行轴式。前者结构紧凑，腰关节高度尺寸小结构紧凑，腰关节高度尺寸小(使用特制抽承的缘故使用特制抽承的缘故)，但后，但后面关节的各种电缆走线比较困难，

42、大多是在固定的中间柱面关节的各种电缆走线比较困难，大多是在固定的中间柱体外面留有较大的环形空间，使电缆以盘旋的形式松松地体外面留有较大的环形空间，使电缆以盘旋的形式松松地套在中间柱体上，当腰支架等机体转动时，电缆犹如盘旋套在中间柱体上，当腰支架等机体转动时，电缆犹如盘旋弹簧般收紧或放松。对于平行轴式腰关节，电缆则可方便弹簧般收紧或放松。对于平行轴式腰关节，电缆则可方便地通过中空轴，联接于支座的固定接线板上。地通过中空轴，联接于支座的固定接线板上。二、肩关节和肘关节二、肩关节和肘关节 对于开式连杆结构，肩关节位于腰部的支座上，多采用高对于开式连杆结构，肩关节位于腰部的支座上，多采用高刚性的刚性的

43、RV减速器减速，也可采用谐波传动或摆线针轮。减速器减速，也可采用谐波传动或摆线针轮。 肘关节位于大臂与小臂的联接处。其结构形式有偏置式或肘关节位于大臂与小臂的联接处。其结构形式有偏置式或同轴式配置，多采用谐波传动、摆线针轮、齿轮传动等。同轴式配置，多采用谐波传动、摆线针轮、齿轮传动等。1 大臂；大臂；2 关节关节1电机；电机；3 小臂定位板；小臂定位板；4 小臂；小臂；5 气动阀；气动阀； 6 立柱；立柱；7 直齿轮；直齿轮； 8 中间齿轮；中间齿轮；9 机座；机座； 10 主齿轮；主齿轮；11 管形连接轴；管形连接轴；12 手腕手腕同轴减速传动结构同轴减速传动结构2) 双推-双推式 如下图所

44、示，两端分别安装推力轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。2) 双推-简支支承方式齿轮传动比i应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器，其输入电动机为高转速、低转矩，而输出则为低转速、高转矩。2) 双推-简支支承方式滚珠丝杠副的密封与润滑驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。每只鸡蛋重量85g；根据机器人的运动参数确定其运动形式，然后才能确定其结构。一般说来，目前负荷为100 kg以下的,可优先考虑电动驱动器；下图为防护套示例。4) 缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的措施；提高关键零件的装配精度以保证整体

45、精度1机器人基本参数的确定（1）：12-带张力调节螺杆；（5）单螺母变位导程自预紧式 下图为单螺母变位导程自预紧方式。同轴减速传动结构同轴减速传动结构1腰支座；腰支座；2、7 RV减速器；减速器；3、6 驱动电机；驱动电机；4 大臂；大臂；5 曲柄；曲柄；8 轴承。轴承。三、三、直动关节直动关节 直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采用滚动丝杠和导柱用滚动丝杠和导柱(轨轨)式；后者可采用油缸驱动齿轮的倍速式；后者可采用油缸驱动齿轮的倍速移动结构。移动结构。四、手腕关节四、手腕关节1 1、单自由度手腕、单自由度手腕 SCARA水平关节

46、装配机器人多采用单自由度手腕。水平关节装配机器人多采用单自由度手腕。SCARA 机器人机器人 SCARA 机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度。为了减轻操作机的悬臂重量，手腕的驱动电机固自由度。为了减轻操作机的悬臂重量，手腕的驱动电机固结在机架上。手腕转动的目的在于调整装配件的方位。由结在机架上。手腕转动的目的在于调整装配件的方位。由于传动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响于传动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响末端执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕转末端执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕转动的驱动电机，

47、这是该种传动方式的主要优点，特别适合动的驱动电机，这是该种传动方式的主要优点，特别适合于电子线路板的插件作业。于电子线路板的插件作业。 2 2、两自由度手腕、两自由度手腕 两自由度手腕关节有两种常见的配置形式，即汇交两自由度手腕关节有两种常见的配置形式，即汇交式和偏置式。式和偏置式。1 法兰；法兰；2 锥齿轮轴；锥齿轮轴；3 锥齿轮；锥齿轮；8，4 弹簧；弹簧；5，7 链轮；链轮；6，9轴承；轴承；10一转壳一转壳汇交式两自由度手流汇交式两自由度手流1 法兰；法兰；2 转壳；转壳；3、6 锥齿轮轴；锥齿轮轴；4 小臂；小臂；5、7 链轮，链轮，8 链；链；9、10 弹簧弹簧偏置式两自由度手腕偏

48、置式两自由度手腕两自由度手腕的另两种结构。图两自由度手腕的另两种结构。图1 1属汇交型，将谐波减速器属汇交型，将谐波减速器置于臂部，驱动器通过齿形带带动谐波，或经锥齿轮再带置于臂部，驱动器通过齿形带带动谐波，或经锥齿轮再带动谐波使末杆获得沿动谐波使末杆获得沿x x、y轴轴两自由度运动。图两自由度运动。图2 2为为偏置型，偏置型，则是将驱动电机和谐波减速器连成一体，放于偏置的腕壳则是将驱动电机和谐波减速器连成一体，放于偏置的腕壳中直接带动腕完成角转动。中直接带动腕完成角转动。1 扁平谐波；扁平谐波； 2 杯式谐波；杯式谐波；3 齿形带轮；齿形带轮； 4 锥齿轮；锥齿轮；5 腕壳腕壳图图1 谐波前

49、置汇交手腕谐波前置汇交手腕 1谐波减速谐波减速9；2 马达；马达； 3 铭轮；铭轮； 4 腕壳腕壳图图2 电机前置偏置手腕电机前置偏置手腕 诱导运动诱导运动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。在进行机器人运动学计算时，必须考虑诱导运动。动。在进行机器人运动学计算时，必须考虑诱导运动。 2 主动链轮；主动链轮；3、5 从动链轮从动链轮手腕传动示意图手腕传动示意图3 3、三自由度手腕、三自由度手腕三自由度手腕的结构形式繁多。三自由度手腕是在两自由三自由度手腕的结构形式繁多。三自由度手腕是在两自由度手腕的基础上加一个整个手腕相对

50、于小臂的转动自由度度手腕的基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度而形成的。而形成的。三自由度手腕是三自由度手腕是“万向万向”型手腕，可以完成两自由度手腕型手腕，可以完成两自由度手腕很多无法完成的作业。近年来，大多数关节型机器人都采很多无法完成的作业。近年来，大多数关节型机器人都采用了三自由度手腕。用了三自由度手腕。必须指出，若操作机为必须指出，若操作机为6自由度，当手腕为偏置式时，运动学自由度，当手腕为偏置式时，运动学反解得不出解析的显式，且动力学参数也是强耦合的。设计反解得不出解析的显式，且动力学参数也是强耦合的。设计时必须给予充分注意。时必须给予充分注意。法国产ST/STK系列技术数据