工业机器人和总体设计)

2.1工业机器人的总体设计机器人总体设计的主要内容有：确定基本参数，选择运动方式，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1．根据机器人的使用场合，明确所使用机器人的目的和任务。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，确定机器人的基本功能和方案。具体来说，确定机器人的自由度数，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）明确机器人的目的和任务：从传送带拾取一个鸡蛋；把蛋置于强光下照射，测定蛋是否透光（有无胚胎生长）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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：循环时间≤3.0s每次循环有三种不同的运动：移动到传送带并拾取一只鸡蛋；移动到照射位置；把鸡蛋放入纸箱或废品区。一个循环中需要三次暂停：闭合手爪0.2s；完成照射0.05s；开启手爪放蛋0.2s每只鸡蛋重量≤85g；手爪重量≤370g位置分辨率最低为1.27mm确定机器人的自由度及运动范围：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。仔细分析：还应该有一个附加旋转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。确定技术参数为：伸缩运动：45.7~61.0cm腰部旋转：±90°腕部旋转：360°腕部垂直移动：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1．机器人基本参数的确定（1）：自由度的确定：在系统分析时已经确定了。臂力的确定：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1.5~3.0的安全系数。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。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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速度。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（1）：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：1直角坐标型：机器人的主体结构的关节都是移动关节。特点：结构简单，刚度高。关节之间运动相互独立，没有耦合作用。占地面积大，导轨面防护比较困难。2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。特点：通用性较强；结构紧凑；机器人腰转时将手臂缩回，减少了转动惯量。受结构限制，手臂不能抵达底部，减少了工作范围。3球面坐标式（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。特点：工作范围较大；占地面积小；控制系统复杂4SCARA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。特点：结构轻便，响应快；适用于平面定位和在垂直方向进行作的场合。5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：图例：传感系统框图：4．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1．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。一台机器人可以只有一种驱动方式，也可以是几种方式的联合。液压传动：具有较大的功率体积比，常用于大负载的场合。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。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（1）：分为直接驱动和间接驱动两种方式。直接驱动：直接驱动的机器人也叫DDR（Directdriverobot），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）。特点驱动电机和关节之间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（2）：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。间接驱动特点：可以获得一个比较大的力矩；可以减轻关节的负担；可以把电机作为一个平衡质量；增加了传动误差；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：选择机器人本体的材料，应从机器人的性能要求出发，满足机器人的设计和制造要求。如：机器人的臂和机器人整体是运动的，则要求采用轻质材料。精密机器人，则要求材料具有较好的刚性。还要考虑材料的可加工性等。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：安全：防止机器人在切断电源后因重力而失去稳定。借助平衡系统能降低机器人的构形变化。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。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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：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在机器人机械系统中，驱动器通过联轴器带动传动装置(一般为减速器)，再通过关节轴带动杆件运动。机器人一般有两种运动关节——转动关节和移(直)动关节。为了进行位置和速度控制，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度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。2.2.1驱动—传动系统的构成1—码盘；2—测速机；3—电机；4—联轴器；5—传动装置；6—转动关节；7—杆8—电机；9—联轴器；10—螺旋副；11—移动关节；12—电位器(或光栅尺)1．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，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。电动驱动器又可分为直流(DC)、交流(AC)伺服电机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。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。2.2.2驱动器的类型和特点2.液压驱动器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。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（°）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-Ⅳ10x2.5x4.017≤4.03~5.0≤2.5≤270≤800~100≤61:2~1:16-40~50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机器人大型喷浆机器人3．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。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。3．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、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。一般说来，目前负荷为100kg以下的,可优先考虑电动驱动器；只须点位控制且功率较小者，可采用气动驱动器；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。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、传动方式、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动机构，其中最常用的为谐波传动、RV摆线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：(1)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，以提整机的固有频率高，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，以得到较高的位置控制精度；(4)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：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、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。671.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2)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)重量最轻原则对于小功率传动系统，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)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