工业机器人机械系统设计课件.ppt

1、2022-11-1422022-11-1422022-11-1422022-11-142-2-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31主要内容主要内容 5.1工业机器人总体设计工业机器人总体设计 5.2传动部件设计传动部件设计 5.3臂部设计臂部设计 5.4手腕设计手腕设计 5.5手部设计手部设计 5.6机身及行走机构设计机身及行走机构设计2022-11-1432022-11-1432022-11-1432022-11-143-3-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/315.1工业机器人总体设计工业机器人总体设计 一、主体结构设计一、主体结构设计 工业机器人坐标

2、形式有：工业机器人坐标形式有：直角坐标式直角坐标式 圆柱坐标式圆柱坐标式 球面坐标式球面坐标式(极坐标式极坐标式)关节坐标式。关节坐标式。2022-11-1442022-11-1442022-11-1442022-11-144-4-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 1.直角坐标式机器人直角坐标式机器人 一般直角坐标式机器人的手臂能垂一般直角坐标式机器人的手臂能垂直上下移动直上下移动(Z方向运动方向运动)，并可沿滑架，并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移和横梁上的导轨进行水平面内二维移动动(x和和y方向运动方向运动)。直角坐标式机器人主要用于生产设直角坐标式机器人主

3、要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业。和检测作业。直角坐标式机器人主体结构具有三直角坐标式机器人主体结构具有三个自由度，而手腕自由度的多少可视个自由度，而手腕自由度的多少可视用途而定。用途而定。直角坐标机器人演示直角坐标机器人演示直角坐标机器人应用直角坐标机器人应用2022-11-1452022-11-1452022-11-1452022-11-145-5-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 直角坐标式机器人的优点是：直角坐标式机器人的优点是：(1)结构简单。结构简单。(2)容易编程。容易编程。(3)采用直线滚动导轨后，速

4、度采用直线滚动导轨后，速度高，定位精度高。高，定位精度高。(4)在在x，y和和z三个坐标轴方向三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用，对控制上的运动没有耦合作用，对控制系统设计相对容易些。系统设计相对容易些。2022-11-1462022-11-1462022-11-1462022-11-146-6-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 直角坐标式机器人主要缺点是：直角坐标式机器人主要缺点是：(1)导轨面的防护比较困难。导轨面的防护比较困难。(2)导轨的支承结构增加了机器人的重量，导轨的支承结构增加了机器人的重量，并减少了有效工作范围。并减少了有效工作范围。(3)为了减少摩擦需

5、要用很长的直线滚动导为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨，价格高。轨，价格高。(4)结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大。结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大。(5)移动部件的惯量比较大，增加了驱动装移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置的尺寸和能量消耗。置的尺寸和能量消耗。2022-11-1472022-11-1472022-11-1472022-11-147-7-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 起重机台架式直角坐标机器人的应用越来起重机台架式直角坐标机器人的应用越来越多，在直角坐标机器人中的比重正在增加。越多，在直角坐标机器人中的比重正在增加。2022-11-14820

6、22-11-1482022-11-1482022-11-148-8-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 2圆柱坐标式机器人圆柱坐标式机器人 圆柱坐标式机器人主体结圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转，构具有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。升降，手臂伸缩。手腕通常采用两（三）个手腕通常采用两（三）个自由度，绕手臂纵向轴线自由度，绕手臂纵向轴线转动和与其垂直的水平轴转动和与其垂直的水平轴线转动。线转动。2022-11-1492022-11-1492022-11-1492022-11-149-9-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 圆柱坐标式机器

7、人的优点：圆柱坐标式机器人的优点：（1）除了简单的）除了简单的“抓一放抓一放”作业外还可以用在许多其它生作业外还可以用在许多其它生产领域。产领域。(2)结构紧凑。结构紧凑。(3)在垂直方向和径向有两个在垂直方向和径向有两个往复运动，可采用伸缩套筒式往复运动，可采用伸缩套筒式结构。当机器人开始腰转时可结构。当机器人开始腰转时可把手臂缩进去，在很大程度上把手臂缩进去，在很大程度上减少了转动惯量，改善动力学减少了转动惯量，改善动力学载荷。载荷。2022-11-14102022-11-14102022-11-14102022-11-1410-10-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/3

8、1圆柱坐标式机器人的缺点：圆柱坐标式机器人的缺点：主要是由于机身结构的缘故，主要是由于机身结构的缘故，手臂不能抵达底部，减少了手臂不能抵达底部，减少了机器人的工作范围。机器人的工作范围。2022-11-14112022-11-14112022-11-14112022-11-1411-11-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/313球面坐标式机器人球面坐标式机器人 球面坐标式机器人具有较大的球面坐标式机器人具有较大的工作范围，设计和控制系统比较工作范围，设计和控制系统比较复杂。复杂。在这类机器人中最出名的一种在这类机器人中最出名的一种产品是美国产品是美国unimation公司的公

9、司的Unimation 机器人，它的结构简机器人，它的结构简图如图所示。图如图所示。机器人主体结构有三个自由度，机器人主体结构有三个自由度，绕垂直轴线绕垂直轴线(柱身柱身)转动、水平轴线转动、水平轴线(关节关节6)的转动、手臂伸缩的移动的转动、手臂伸缩的移动关节关节2，其最大行程决定了球面最，其最大行程决定了球面最大半径，机器人实际工作范围的大半径，机器人实际工作范围的形状是个不完全的球缺。形状是个不完全的球缺。2022-11-14122022-11-14122022-11-14122022-11-1412-12-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/314关节坐标式机器人关节坐

10、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、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上的转动关节(俯仰，偏转和翻转俯仰，偏转和翻转)用来最后确定末端用来最后确定末端操作器的姿态。操作器的姿态。2022-11-14132022-11-14132022-11-14132022-11-1413-13-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 关节坐标式机器人的优点：关节坐标式机器人的优点：（1）结构紧凑，工作范围大而安装占地面）结构紧凑，工作范围大而安装占地面积

11、小。积小。(2)具有很高的可达性。具有很高的可达性。(3)因为没有移动关节，所以不需要导轨。因为没有移动关节，所以不需要导轨。(4)所需关节驱动力矩小，能量消耗较少。所需关节驱动力矩小，能量消耗较少。2022-11-14142022-11-14142022-11-14142022-11-1414-14-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 关节坐标式机器人的缺关节坐标式机器人的缺点：点：(1)肘关节和肩关节轴线肘关节和肩关节轴线是平行的，当大小臂舒是平行的，当大小臂舒展成直线时虽能抵达很展成直线时虽能抵达很远的工作点，但是机器远的工作点，但是机器人结构刚度比较低。人结构刚度

12、比较低。(2)机器人手部在工作范机器人手部在工作范围边界上工作时有运动围边界上工作时有运动学上的退化行为。学上的退化行为。2022-11-14152022-11-14152022-11-14152022-11-1415-15-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31二、传送方式的选择二、传送方式的选择 传动方式选择传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件是指选择驱动源及传动装置与关节部件的的连接形式连接形式和和驱动方式驱动方式。基本的连接形式和驱动方式有如下几种：基本的连接形式和驱动方式有如下几种：（1）直接连接传动。）直接连接传动。驱动源或带有机械传动装置直驱动源或带有

13、机械传动装置直接与关节相连。接与关节相连。（2）远距离连接传动。）远距离连接传动。驱动源通过远距离机械传动驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。后与关节相连。（3）间接驱动。）间接驱动。驱动源经一个速比远大于驱动源经一个速比远大于1的机械传的机械传动装置与关节相连。动装置与关节相连。（4）直接驱动。）直接驱动。驱动源不经过中间环节或经过一个驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于速比等于1的机械传动这样的中间环节与关节相连。的机械传动这样的中间环节与关节相连。2022-11-14162022-11-14162022-11-14162022-11-1416-16-工业机器人技术基础工业机器人技术基

14、础2016/10/31(a)直接连接传动，间接驱动直接连接传动，间接驱动(b)直接连接传动，直接驱动直接连接传动，直接驱动(c)远距离连接传动，间接驱动远距离连接传动，间接驱动(d)远距离连接传动，直接驱动远距离连接传动，直接驱动2022-11-14172022-11-14172022-11-14172022-11-1417-17-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/311直接连接传动的特点直接连接传动的特点 优点：优点：驱动电机直接装在关节上、结构紧凑。驱动电机直接装在关节上、结构紧凑。缺点：缺点：电机比较重，腰转时大臂关节电机和电机比较重，腰转时大臂关节电机和小臂关节电机随

15、之运动；大臂转动时小臂关节小臂关节电机随之运动；大臂转动时小臂关节电机也随之运动。不仅增加了能量消耗，而且电机也随之运动。不仅增加了能量消耗，而且增大了转动惯量从动力学观点来看对系统相增大了转动惯量从动力学观点来看对系统相有损害。有损害。克服的办法：克服的办法：把肘关节电机、肩关节电机都把肘关节电机、肩关节电机都放到机器人的基础部件上，通过远距离的机械放到机器人的基础部件上，通过远距离的机械传动把电机动力传给肘和肩关节。传动把电机动力传给肘和肩关节。2022-11-14182022-11-14182022-11-14182022-11-1418-18-工业机器人技术基础工业机器人技术基础201

16、6/10/31 2远距离连接传动远距离连接传动 远距离连接传动机器人远距离连接传动机器人的主要优点：的主要优点：(1)克服了直接连接克服了直接连接传动的缺点。传动的缺点。(2)可以把电机作为可以把电机作为一个平衡质量，获得平一个平衡质量，获得平衡性良好的机器人主体衡性良好的机器人主体结构。结构。2022-11-14192022-11-14192022-11-14192022-11-1419-19-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 2远距离连接传动远距离连接传动 远距离连接传动机器人远距离连接传动机器人的主要缺点：的主要缺点：(1)远距离传动产生额远距离传动产生额外的间隙

17、和柔性，影响外的间隙和柔性，影响机器人的精度。机器人的精度。(2)增加能量消耗。增加能量消耗。（3）结构庞大，传动）结构庞大，传动装置占据了机器人其它装置占据了机器人其它子系统所需要的空间。子系统所需要的空间。2022-11-14202022-11-14202022-11-14202022-11-1420-20-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 图所示图所示SCARA机器人采用机器人采用了一种折哀的方案：了一种折哀的方案：因为手腕离机器人基础件因为手腕离机器人基础件最远，把手腕电机从手腕处最远，把手腕电机从手腕处移到基础件附近安装，中间移到基础件附近安装，中间采用同步带

18、传动；采用同步带传动；因基础件附近空间已经比因基础件附近空间已经比较狭窄，并且臂较狭窄，并且臂1的刚性也的刚性也比较好，肘关节电机就直接比较好，肘关节电机就直接装在肘关节上。装在肘关节上。2022-11-14212022-11-14212022-11-14212022-11-1421-21-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/313间接驱动机器人间接驱动机器人 间接驱动机器人是驱动电机和关节之间间接驱动机器人是驱动电机和关节之间有一个速比远大于有一个速比远大于1的机械传动装置。的机械传动装置。使用机械传动装置的理由是：使用机械传动装置的理由是：(1)工业机器人关节转轴的速度不高

19、，而关节工业机器人关节转轴的速度不高，而关节驱动力矩要求比较大。一般电机满足不了这个驱动力矩要求比较大。一般电机满足不了这个要求，所以需要采用速比较大、传动效率较高要求，所以需要采用速比较大、传动效率较高的机械传动装置作为电机和关节之间传递力矩的机械传动装置作为电机和关节之间传递力矩和速度的中间环节。和速度的中间环节。(2)用于直接驱动的高转矩低速电机虽然已经用于直接驱动的高转矩低速电机虽然已经开发出来，但是电机价格高，并且转矩体积开发出来，但是电机价格高，并且转矩体积比和转矩重量比还比较小。比和转矩重量比还比较小。2022-11-14222022-11-14222022-11-1422202

20、2-11-1422-22-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/313间接驱动机器人间接驱动机器人 (3)直接驱动对载荷变化十分敏感。直接驱动对载荷变化十分敏感。(4)采用机械传动装置后，可选用高速低转采用机械传动装置后，可选用高速低转矩电机，对制动器设计和选用十分有利，制动矩电机，对制动器设计和选用十分有利，制动器尺寸小。器尺寸小。(5)可以通过机械传动装置解决可能出现的可以通过机械传动装置解决可能出现的倾斜轴之间、平行轴之间以及转动倾斜轴之间、平行轴之间以及转动-移动之间移动之间的运动转换。的运动转换。2022-11-14232022-11-14232022-11-14232

21、022-11-1423-23-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/314直接驱动机器人直接驱动机器人 直接驱动机器人也叫作直接驱动机器人也叫作DD机器人机器人(Direct Drive Robot)简称简称DDR。DD机器人一般指驱动电机通过机械接口机器人一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接，也包括一种采用速比等于直接与关节连接，也包括一种采用速比等于l的钢带传动的直接驱动机器人。的钢带传动的直接驱动机器人。DD机器人的特点机器人的特点是驱动电机和关节之间是驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。没有速度和转矩的转换。2022-11-14242022-11-14242022

22、-11-14242022-11-1424-24-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 DD机器人与间接驱动机器人相比如下优点：机器人与间接驱动机器人相比如下优点：(1)机械传动精度高。机械传动精度高。(2)振动小，结构刚度好。振动小，结构刚度好。(3)机械传动损耗小。机械传动损耗小。(4)结构紧凑、可靠性高。结构紧凑、可靠性高。(5)电机峰值转矩大，电气时间常数小，短电机峰值转矩大，电气时间常数小，短时间内可以产生很大转矩，响应速度快，调速时间内可以产生很大转矩，响应速度快，调速范围宽。范围宽。2022-11-14252022-11-14252022-11-14252022

23、-11-1425-25-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 目前主要存在的问题是：目前主要存在的问题是：(1)载荷变化、耦合转矩及非线性转矩对驱动载荷变化、耦合转矩及非线性转矩对驱动及控制影响显著，使控制系统设计困难和复杂。及控制影响显著，使控制系统设计困难和复杂。(2)对位置、速度的传感元件提出了相当高的对位置、速度的传感元件提出了相当高的要求。要求。(3)电机的转矩重量比，转矩体积比不大，电机的转矩重量比，转矩体积比不大，需开发小型实用的需开发小型实用的DD电机。电机。(4)电机成本高。电机成本高。2022-11-14262022-11-14262022-11-142

24、62022-11-1426-26-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31三、模块化结构设计三、模块化结构设计 1.模块化工业机器人模块化工业机器人 模块化机器人是由一些模块化机器人是由一些标准化、系列化的模块标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭的方结合部用积木拼搭的方式组成一个工业机器人式组成一个工业机器人系统。系统。模块化设计模块化设计是指是指基本模基本模块设计块设计和和结合部设计结合部设计。模块化机器人演示模块化机器人演示2022-11-14272022-11-14272022-11-14272022-11-1427-27-工业机器

25、人技术基础工业机器人技术基础2016/10/312模块化工业机器人的特点模块化工业机器人的特点 (1)经济性：经济性：采用批量制造技术来生产标准化系列化的工业机器人采用批量制造技术来生产标准化系列化的工业机器人模块，自由拼装工业机器人，满足用户经济性好和基模块，自由拼装工业机器人，满足用户经济性好和基本功能全的要求。本功能全的要求。(2)灵活性。灵活性。其主要体现在：其主要体现在：1)可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数量，机器人的自由度可以方便地增减。量，机器人的自由度可以方便地增减。2)为了扩大工业机器人的工作范围，可更换具有更长为了扩大

26、工业机器人的工作范围，可更换具有更长长度的手臂模块或加接手臂模块。长度的手臂模块或加接手臂模块。3)能不断对现规模块化工业机器人更新改造。能不断对现规模块化工业机器人更新改造。机器人演示机器人演示2022-11-14282022-11-14282022-11-14282022-11-1428-28-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/313.模块化工业机器人所存在的问题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模块化工业机器人整个机械系统的刚度比较差。比较差。(2)因为有许多机械接口及其它连接附件，因为有许多机械接口及其它连接附件，所以模块化工业机器

27、人的整体重量有可能增加。所以模块化工业机器人的整体重量有可能增加。(3)虽然功能模块有多种多样，但是虽然功能模块有多种多样，但是尚未真尚未真正正做到根据作业对象就可以合理进行模块化分做到根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。析和设计。2022-11-14292022-11-14292022-11-14292022-11-1429-29-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31四、材料的选择四、材料的选择 正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成本价格，更重要的是可适应机器人的高速化、本价格，更重要的是可适应机器人的高速化、高载荷化及高精

28、度化，满足其静力学及动力学高载荷化及高精度化，满足其静力学及动力学特性要求。特性要求。2022-11-14302022-11-14302022-11-14302022-11-1430-30-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31选择的基本要求：选择的基本要求：强度高。强度高。弹性模量大。弹性模量大。重量轻。重量轻。阻尼大。阻尼大。(1)材料价格低。材料价格低。2022-11-14312022-11-14312022-11-14312022-11-1431-31-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31五五.平衡系统设计平衡系统设计 1工业机器人平衡系统的作用工

29、业机器人平衡系统的作用 在工业机器人设计中采用平衡系统的理由是：在工业机器人设计中采用平衡系统的理由是：(1)安全。安全。根据机器人动力学方程知道，关节驱动力矩项包括重根据机器人动力学方程知道，关节驱动力矩项包括重力矩项，即各连杆质量对关节产生重力矩。力矩项，即各连杆质量对关节产生重力矩。因为重力是永恒的，即使机器人停止了运动重力矩因为重力是永恒的，即使机器人停止了运动重力矩项仍然存在。这样，当机器人完成作业切断电源后，项仍然存在。这样，当机器人完成作业切断电源后，机器人机构会因重力而失去稳定。机器人机构会因重力而失去稳定。平衡系统是为了防止机器人因动力源中断而失稳，引平衡系统是为了防止机器人

30、因动力源中断而失稳，引起向地面起向地面“例塌例塌”的趋势。的趋势。2022-11-14322022-11-14322022-11-14322022-11-1432-32-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 1工业机器人平衡系统的作用工业机器人平衡系统的作用 (2)借助平衡系统能降低因机器人重力引起关借助平衡系统能降低因机器人重力引起关节驱动力矩变化的峰值。节驱动力矩变化的峰值。(3)借助平衡系统能降低因机器人运动而导致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。惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值。(4)借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦借助平

31、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。合项和非线性项，改进机器人动力特性。(5)借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响。起的不良影响。(6)借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低地面安装要求。地面安装要求。2022-11-14332022-11-14332022-11-14332022-11-1433-33-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 2平衡系统设计的主要途径平衡系统设计的主要途径 （1）质量平衡技术；质量平衡技术；（2）弹簧力平衡技术；弹簧力平衡技术；（3

32、）可控力平衡技术。可控力平衡技术。2022-11-14342022-11-14342022-11-14342022-11-1434-34-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31（1)质量平衡技术质量平衡技术 通常采用平行四边形机构构成平衡系统。通常采用平行四边形机构构成平衡系统。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。机器人位姿的变化而失去平衡。2022-11-14352022-11-14352022-11-14352022-11-143

33、5-35-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31333m O GSVm0M 332222323mSVm O BmO Vm O Gm O O2223232m O Gm O OO Vm2022-11-14362022-11-14362022-11-14362022-11-1436-36-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/315.2传动部件设计传动部件设计 2022-11-14372022-11-14372022-11-14372022-11-1437-37-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 用户要求机器人速度高、加速度用户要求机器人速度高

34、、加速度(减速度减速度)特性特性好、运动平稳、精度高、承载能力大。这在很好、运动平稳、精度高、承载能力大。这在很大程度上决定于传动部件设计的合理性和优劣，大程度上决定于传动部件设计的合理性和优劣，所以，关节传动部件的设计是工业机器人设计所以，关节传动部件的设计是工业机器人设计的关键之一。的关键之一。5.2传动部件设计传动部件设计 2022-11-14382022-11-14382022-11-14382022-11-1438-38-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31一、移动关节导轨及传动关节轴承一、移动关节导轨及传动关节轴承(一一)移动关节导轨移动关节导轨 1工业机器人对

35、移动导轨的要求工业机器人对移动导轨的要求 (1)间隙小或能消除间隙；间隙小或能消除间隙；(2)在垂直于运动方向上的刚度高；在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，摩擦系数低并不随速度变化，(4)高阻尼；高阻尼；(5)移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低。移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低。2022-11-14392022-11-14392022-11-14392022-11-1439-39-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 移动关节导轨有五种：移动关节导轨有五种：(1)普通滑动导轨普通滑动导轨(2)液压动压滑动导轨液压动压滑动导轨(3)液压静压滑动导轨

36、液压静压滑动导轨(4)气浮导轨气浮导轨(5)滚动导轨。滚动导轨。2022-11-14402022-11-14402022-11-14402022-11-1440-40-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 普通滑动导轨、液压动压滑动导轨的特点：普通滑动导轨、液压动压滑动导轨的特点：具有结构简单、成本低的优点具有结构简单、成本低的优点 但是它必须留有间隙以便润滑，而机器人载荷但是它必须留有间隙以便润滑，而机器人载荷的大小和方向变化很快，间隙的存在又将会引的大小和方向变化很快，间隙的存在又将会引起坐标位置的变化和有效载荷的变化；起坐标位置的变化和有效载荷的变化；另外这种导轨的摩

37、擦系数又随着速度的变化另外这种导轨的摩擦系数又随着速度的变化而变化，在低速时，容易产生爬行现象等缺点而变化，在低速时，容易产生爬行现象等缺点 2022-11-14412022-11-14412022-11-14412022-11-1441-41-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 液压静压滑动导轨的特点：液压静压滑动导轨的特点：静压导轨结构能产生预载荷，能完全消除间隙，静压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。需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。2022

38、-11-14422022-11-14422022-11-14422022-11-1442-42-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 气浮导轨的特点：气浮导轨的特点：不需回收润滑油的，但是它的刚度和阻尼较低，不需回收润滑油的，但是它的刚度和阻尼较低，并且对制造精度和环境的空气条件并且对制造精度和环境的空气条件(过滤和干过滤和干燥燥)要求较高。要求较高。2022-11-14432022-11-14432022-11-14432022-11-1443-43-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 滚动导轨的特点：滚动导轨的特点：1）摩擦小，特别是不随速）摩擦小

39、，特别是不随速度变化；度变化；2）尺寸小；）尺寸小；3）刚度高，承载能力大；）刚度高，承载能力大；4）精度和精度保持性高；）精度和精度保持性高；5）润滑简单；）润滑简单；6）容易制造成标准件；）容易制造成标准件；7）滚动导轨易加顶载，消）滚动导轨易加顶载，消除间隙、增加刚度。除间隙、增加刚度。2022-11-14442022-11-14442022-11-14442022-11-1444-44-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 滚动导轨在工业机器人机械系统中也存在缺点：滚动导轨在工业机器人机械系统中也存在缺点：（1）阻尼低；）阻尼低；（2）对脏物比较敏感。）对脏物比较敏

40、感。2022-11-14452022-11-14452022-11-14452022-11-1445-45-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31(二二)转动关节轴承转动关节轴承 球轴承是机器人和机械手结构中最常用的轴承。球轴承是机器人和机械手结构中最常用的轴承。它能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴和它能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。轴承座的刚度不敏感。2022-11-14462022-11-14462022-11-14462022-11-1446-46-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31二、传动件的定位及消隙二、传动件的定位

41、及消隙 (一一)传动件的定位传动件的定位 目前常用的定位方法：目前常用的定位方法：电气开关定位电气开关定位 机械挡块定位机械挡块定位 伺服定位伺服定位 2022-11-14472022-11-14472022-11-14472022-11-1447-47-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/311电气开关定位电气开关定位 电气开关定位电气开关定位是利用电气开关是利用电气开关(有触点或无有触点或无触点触点)作行程检测元件，当机械手运行到定位作行程检测元件，当机械手运行到定位点时，行程开关发信号，切断动力源或接通制点时，行程开关发信号，切断动力源或接通制动器，从而使机械手运行到定位

42、点。动器，从而使机械手运行到定位点。使用电气开关定位的机械手其结构简单、工使用电气开关定位的机械手其结构简单、工作可靠、维修方便，但由于受惯性力、油温波作可靠、维修方便，但由于受惯性力、油温波动和电控系统误差等因素的影响，重复定位精动和电控系统误差等因素的影响，重复定位精度比较低。度比较低。2022-11-14482022-11-14482022-11-14482022-11-1448-48-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/312机械挡块定位机械挡块定位 机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当机械手减速运动到终点时紧靠挡块而定位。当机

43、械手减速运动到终点时紧靠挡块而定位。若定位前缓冲较好、定位时驱动压力未撤除，若定位前缓冲较好、定位时驱动压力未撤除，在驱动压力下将运动件压在机械挡块上，或驱在驱动压力下将运动件压在机械挡块上，或驱动压力将活塞压靠在缸盖上就能达到较高的定动压力将活塞压靠在缸盖上就能达到较高的定位精度。位精度。若定位时关闭驱动油路、去掉驱动压力，机若定位时关闭驱动油路、去掉驱动压力，机械手运动件不能紧靠在机械挡块上，定位精度械手运动件不能紧靠在机械挡块上，定位精度就会减低，其减低的程度与定位前的缓冲效果就会减低，其减低的程度与定位前的缓冲效果和机械手的结构刚性等因素有关。和机械手的结构刚性等因素有关。2022-1

44、1-14492022-11-14492022-11-14492022-11-1449-49-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/313伺服定位系统伺服定位系统 伺服系统伺服系统可以输入指令控制位移的变化，从而可以输入指令控制位移的变化，从而获得良好的运动特性。它不仅适用于点位控制，获得良好的运动特性。它不仅适用于点位控制，而且也适用于连续轨迹控制。而且也适用于连续轨迹控制。开环伺服定位系统没有行程检测及反馈，是一开环伺服定位系统没有行程检测及反馈，是一种直接用脉冲频率变化和脉冲数控制机器人速种直接用脉冲频率变化和脉冲数控制机器人速度和位移的定位方式。这种定位方式抗干扰能度和位移

45、的定位方式。这种定位方式抗干扰能力差，定位精度较低。力差，定位精度较低。闭环伺服定位系统具有反馈环节，其抗干扰能闭环伺服定位系统具有反馈环节，其抗干扰能力强，反应速度快，容易实现任意点定位。力强，反应速度快，容易实现任意点定位。2022-11-14502022-11-14502022-11-14502022-11-1450-50-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31(二二)传动件的消隙传动件的消隙 传动机构存在有间隙、也叫侧隙。传动机构存在有间隙、也叫侧隙。齿轮传动的侧隙齿轮传动的侧隙是指一对齿轮中一个齿轮固定是指一对齿轮中一个齿轮固定不动，另一个齿轮能够作出的最大的角位移

46、。不动，另一个齿轮能够作出的最大的角位移。传动的间隙，影响了机器人的重复定位精度和传动的间隙，影响了机器人的重复定位精度和平稳性。平稳性。对机器人控制系统来说对机器人控制系统来说，传动间隙导致显著的，传动间隙导致显著的非线性变化、振动和不稳定。非线性变化、振动和不稳定。2022-11-14512022-11-14512022-11-14512022-11-1451-51-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 传动间隙产生的主要原因有：传动间隙产生的主要原因有：由于制造及装配误差所产生的间隙；由于制造及装配误差所产生的间隙；为适应热膨胀而特意留出的间隙。为适应热膨胀而特意留出

47、的间隙。消除传动间隙的主要途径有：消除传动间隙的主要途径有：提高制造和装配精度；提高制造和装配精度；设计可调整传动间隙的机构；设计可调整传动间隙的机构；设置弹性补偿零件。设置弹性补偿零件。2022-11-14522022-11-14522022-11-14522022-11-1452-52-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/311.消隙齿轮消隙齿轮 消隙齿轮由具有相同齿轮参数的并只有一半齿消隙齿轮由具有相同齿轮参数的并只有一半齿宽的两个薄齿轮组成，宽的两个薄齿轮组成，利用弹簧的压力使它们利用弹簧的压力使它们与配对的齿轮两侧齿廓相接触，与配对的齿轮两侧齿廓相接触，完全消除了齿完

48、全消除了齿侧间隙。侧间隙。2022-11-14532022-11-14532022-11-14532022-11-1453-53-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/311.消隙齿轮消隙齿轮 图图(b)用螺钉用螺钉3将两个薄齿轮将两个薄齿轮1和和2连接在一起，连接在一起，代替代替(a)中的弹簧。中的弹簧。2022-11-14542022-11-14542022-11-14542022-11-1454-54-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/312柔性齿轮消隙柔性齿轮消隙 图（图（a）所示为）所示为一种具有弹性一种具有弹性的柔性齿轮，的柔性齿轮，在装配时对它在装

49、配时对它稍许加些预载稍许加些预载就能引起轮壳就能引起轮壳的变形从而的变形从而使每个轮齿的使每个轮齿的双侧齿廓都能双侧齿廓都能啮合，消除了啮合，消除了侧隙。侧隙。2022-11-14552022-11-14552022-11-14552022-11-1455-55-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/312柔性齿轮消隙柔性齿轮消隙 图图(b)所示为所示为采用了径向采用了径向柔性齿轮，柔性齿轮，轮壳和齿圈轮壳和齿圈是刚性的，是刚性的，但与齿轮圈但与齿轮圈连接处具有连接处具有弹性。弹性。2022-11-14562022-11-14562022-11-14562022-11-1456-

50、56-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/313偏心机构消隙偏心机构消隙 如图所示的偏心机构实际上是如图所示的偏心机构实际上是中心距调整机构中心距调整机构。特别是齿轮磨损等原因造成传动间隙增加时，特别是齿轮磨损等原因造成传动间隙增加时，最简单的方法是调整中心距。最简单的方法是调整中心距。偏心消隙机构偏心消隙机构 2022-11-14572022-11-14572022-11-14572022-11-1457-57-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/314齿廓弹性覆层消隙齿廓弹性覆层消隙 齿廓表面覆盖有薄薄一层弹性很好的橡胶层，齿廓表面覆盖有薄薄一层弹性很好的橡