第四章工业机器人机械系统设计 工业机器人机械系统设计是工业机器人设计的重 要部分,其它系统的设计应有自己的独立要求,但还 必须与机械系统相匹配,相辅相成,组成一个完整的 机器人系统。虽然工业机器人不同于专用设备,它具 有较强的灵活性,但是,要设计和制造什么活都能干 的机器人是不现实的。不同应用领域的工业机器人机 械系统设计上的差异比工业机器人其它系统设计上的 差异大得多。因此,使用要求是工业机器人机械系统 设计的出发点。动力源是单独被划分出来的,并且考 虑到电动驱动、液压驱动、气动驱动已在其它课程中 进行了学习,所以,动力源设计在此不再讲述了
第四章 工业机器人机械系统设计 工业机器人机械系统设计是工业机器人设计的重 要部分，其它系统的设计应有自己的独立要求，但还 必须与机械系统相匹配，相辅相成，组成一个完整的 机器人系统。虽然工业机器人不同于专用设备，它具 有较强的灵活性，但是，要设计和制造什么活都能干 的机器人是不现实的。不同应用领域的工业机器人机 械系统设计上的差异比工业机器人其它系统设计上的 差异大得多。因此，使用要求是工业机器人机械系统 设计的出发点。动力源是单独被划分出来的，并且考 虑到电动驱动、液压驱动、气动驱动已在其它课程中 进行了学习，所以，动力源设计在此不再讲述了
§4-1业机器人总体设计 主体结构设计 工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连 杆件和运动副组成的坐标形式。最广泛使用的工业机 器人坐标形式有2直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标 式(极坐标式)、关节坐标式(包括平面关节式)。 1.直角坐标式机器人 直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料, 也可用于高精度的装配和检测作业,大约占工业机器 人总数的14%左右。一般直角坐标式机器人的手臂能 垂直主下移动(Z方向运动)并可沿滑架和横梁上的导轨 进行水平面内二维移动(X和y方向运动)。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 可视用途而定
• §4一l工业机器人总体设计 • 一、主体结构设计 • 工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连 杆件和运动副组成的坐标形式。最广泛使用的工业机 器人坐标形式有2直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标 式(极坐标式)、关节坐标式(包括平面关节式)。 • 1.直角坐标式机器人 • 直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料， 也可用于高精度的装配和检测作业，大约占工业机器 人总数的14%左右。一般直角坐标式机器人的手臂能 垂直主下移动(Z方向运动),并可沿滑架和横梁上的导轨 进行水平面内二维移动(X和y方向运动)。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 可视用途而定
直角坐标式机器人的优点是: (1)结构简单。 (2)容易编程。 (3)用直线滚动导轨后速度高定位精度高。 (4)在X,Y和Z三个坐标轴方向上的运动没有桐合作用,对控制 系统设计相对容易些。但是,由于直角坐标式机器人必须采用导 轨,带来许多问题,其主要缺点是: (1)导轨丽的防护比较困难,不能像转动关节的轴承那样密封得 很好 (2)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 (3)为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨价格高。 (4)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,增加了驱动装置的尺寸和能量消耗
• 直角坐标式机器人的优点是： • (1)结构简单。 • (2)容易编程。 • (3)采用直线滚动导轨后,速度高,定位精度高。 • (4)在X，Y和Z三个坐标轴方向上的运动没有桐合作用，对控制 系统设计相对容易些。但是，由于直角坐标式机器人必须采用导 轨，带来许多问题，其主要缺点是： • (1)导轨丽的防护比较困难,不能像转动关节的轴承那样密封得 很好。 • (2)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。 • (3)为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨,价格高。 • (4)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,增加了驱动装置的尺寸和能量消耗
近来一种起重机台架式直角坐标机器人的应用越 来越多,在直角坐标式机器人中的比重正在增加(见图 4-1)。在像装配飞机构件这样的大车间中,这种起重机 台架式直角坐标机器人的X和y坐标轴方向移动距离分 别可达100m和40m,沿Z坐标轴方向可达5m,成为目 前最大的机器人。并且,因为仅仅台架的立柱占据了 安装位置,所以它能很好地利用车间的空间
• 近来一种起重机台架式直角坐标机器人的应用越 来越多，在直角坐标式机器人中的比重正在增加(见图 4-1)。在像装配飞机构件这样的大车间中，这种起重机 台架式直角坐标机器人的X和y坐标轴方向移动距离分 别可达100m和40m，沿Z坐标轴方向可达5m，成为目 前最大的机器人。并且，因为仅仅台架的立柱占据了 安装位置，所以它能很好地利用车间的空间
(61) 图4-1起重机台架式直角坐标机器人
2圆柱坐标式机器人 圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由 度:腰转,升降,手臂伸缩。手腕通常采用两 个自由度,绕手臂纵向轴线转动和与其垂直的 水平轴线转动。手腕若采用三个自由度,如图 4-2所示,则使机器人自由度总数达到六个,但 是手腕上的某个自由度将与主体上的回转自卢 度有部分重复。此类工业机器人大约占工业机 器人总数的47%左右
• 2.圆柱坐标式机器人 • 圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由 度：腰转，升降，手臂伸缩。手腕通常采用两 个自由度，绕手臂纵向轴线转动和与其垂直的 水平轴线转动。手腕若采用三个自由度，如图 4-2所示，则使机器人自由度总数达到六个，但 是手腕上的某个自由度将与主体上的回转自卢 度有部分重复。此类工业机器人大约占工业机 器人总数的47%左右
圆柱坐标式机器人的优点: 1)巴户的“抓一放”作业外还可以用在许多其它生产 领域,与直角坐标式机器人相比增加了通用性。 (2)结构紧凑 (3)在垂直方向和径向有两个往复运动,可采用伸缩套 筒式结构。当机器人开始腰转时可把手臂缩进去,在 很大程度上减少了转动惯量,改善动力学载荷 圆柱坐标式机器人的缺点是由于机身结构的缘故, 手臂不能抵达底部,减少了机器人的工作范围。不过, 当手腕具有像图4-2所示的第四个转动关节时,在一定 程度上弥补了这个缺陷
• 圆柱坐标式机器人的优点： • (1)巴户的“抓一放”作业外还可以用在许多其它生产 领域,与直角坐标式机器人相比增加了通用性。 • (2)结构紧凑。 • (3)在垂直方向和径向有两个往复运动，可采用伸缩套 筒式结构。当机器人开始腰转时可把手臂缩进去，在 很大程度上减少了转动惯量，改善动力学载荷。 • 圆柱坐标式机器人的缺点是由于机身结构的缘故, 手臂不能抵达底部,减少了机器人的工作范围。不过， 当手腕具有像图4-2所示的第四个转动关节时，在一定 程度上弥补了这个缺陷
图4-2六自由度圆柱坐标式机器人
图4-3球面坐标式机器人
3球面坐标式机器人 球面坐标式机器人也叫做极坐标式机器人,它具 有较大的工作范围,设计和控制系统比较复杂,大约 占工业机器人总数的13%。在这类机器人中最出名的 种产品是美国 Unimadon公司的 Unmation2000型和 4000型机器人,它的结构简图如图4-3所示。机器人主 题结构有三个自由度,绕垂直轴线(柱身)和水平轴线 (关节6)的转动均采用了液压伺服驱动,转角范围分别 为200。左右和50。左右,手臂伸缩采用液压驱动的穆 铺失节(2与3),其最大行程决定了球面最大半径,机器 人实际工作范围的形状是个不完全的球缺。手腕应具 有三个自由度,当机器人主体运动时,装在手腕上的 末端操作器才能维持应有的姿态
• 3.球面坐标式机器人 • 球面坐标式机器人也叫做极坐标式机器人，它具 有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂，大约 占工业机器人总数的13%。在这类机器人中最出名的 一种产品是美国Unimadon公司的Unmation2000型和 4000型机器人，它的结构简图如图4-3所示。机器人主 题结构有三个自由度，绕垂直轴线(柱身)和水平轴线 (关节6)的转动均采用了液压伺服驱动，转角范围分别 为200。左右和50。左右，手臂伸缩采用液压驱动的穆 辅失节(2与3)，其最大行程决定了球面最大半径，机器 人实际工作范围的形状是个不完全的球缺。手腕应具 有三个自由度，当机器人主体运动时，装在手腕上的 末端操作器才能维持应有的姿态