1、工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì) 01 機(jī)電班 袁媛 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長

2、的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。本文主要介紹操作機(jī)的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)原則。一操作機(jī)的不同結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn) 1直角坐標(biāo)型操作機(jī) 這類操作機(jī)的手部在空間三個(gè)相互垂直的方向X、Y、Z上作移動(dòng)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，如圖1a所示。其控制簡單，運(yùn)動(dòng)直觀性強(qiáng)，易達(dá)到高精度，但操作靈活性差，運(yùn)動(dòng)的速度較低，操作范圍較小而占據(jù)的空間相對較大。2圓柱坐標(biāo)型操作機(jī) 這類操作機(jī)在水平轉(zhuǎn)臺(tái)上裝有立柱，水平臂可沿立柱上

3、下運(yùn)動(dòng)并可在水平方向伸縮，如圖1b所示。其工作范圍較大，運(yùn)動(dòng)速度較高，但隨著水平臂沿水平方向伸長，其線位移分辨精度越來越低。 3球坐標(biāo)型操作機(jī) 也稱極坐標(biāo)型操作機(jī)，工作臂不僅可繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，還可繞水平軸作俯仰運(yùn)動(dòng)，且能沿手臂軸線作伸縮運(yùn)動(dòng)，如圖12c所示。其操作比圓柱坐標(biāo)型更為靈活，并能擴(kuò)大機(jī)器人的工作空間，但旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)反映在未端執(zhí)行器上的線位移分辨率是一個(gè)變量。4關(guān)節(jié)型操作機(jī) 這類操作機(jī)由多個(gè)關(guān)節(jié)聯(lián)接的機(jī)座、大臂、小臂和手腕等構(gòu)成，大小臂既可在垂直于機(jī)座的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)繞垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1d所示。其操作靈活性最好，運(yùn)動(dòng)速度較高，操作范圍大，但精度受手臂位姿的影響，實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)較困難。

4、 二操作機(jī)腰部、臂部和腕部結(jié)構(gòu) 1.腰部結(jié)構(gòu) 操作機(jī)腰部包括機(jī)座和腰關(guān)節(jié)，機(jī)座承受機(jī)器人全部重量，要有足夠的強(qiáng)度和剛度，一般用鑄鐵或鑄鋼制造，機(jī)座要有一定的尺寸以保證操作機(jī)的穩(wěn)定，并滿足驅(qū)動(dòng)裝置及電纜的安裝。腰關(guān)節(jié)是負(fù)載最大的運(yùn)動(dòng)軸，對末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)精度影響最大，故設(shè)計(jì)精度要求高。腰關(guān)節(jié)的軸可采用普通軸承的支承結(jié)構(gòu)，圖1所示為PUMA機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、安裝調(diào)整方便，但腰部高度較高?，F(xiàn)在大多數(shù)機(jī)器人的腰關(guān)節(jié)均采用大直徑交叉滾子軸承支承的結(jié)構(gòu)，既可使機(jī)座高度大大降低，又具有更好的支承剛度。 3腕部結(jié)構(gòu) 腕部用來連接操作機(jī)手臂和末端執(zhí)行器，并決定末端執(zhí)行器在空間里的姿態(tài)。腕部一般應(yīng)有

5、23個(gè)自由度，結(jié)構(gòu)要緊湊，質(zhì)量較小，各運(yùn)動(dòng)軸采用分離傳動(dòng)。圖3a所示為P-100機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)（其中，軸1軸3為手臂軸，未畫出）是一種典型的3軸分立型式，圖3b為JRS-80機(jī)器人的手腕原理圖，本圖是類似P100典型手腕的實(shí)際結(jié)構(gòu)的一種型式。 三操作機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法1. 操作機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)原則 （1）最小運(yùn)動(dòng)慣量原則 由于操作機(jī)運(yùn)動(dòng)部件多，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，采用最小運(yùn)動(dòng)慣量原則，可增加操作機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，提高操作機(jī)動(dòng)力學(xué)特性。為此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，盡量減小運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，并注意運(yùn)動(dòng)部件對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心配置。 （2）尺度規(guī)劃優(yōu)化原則當(dāng)設(shè)計(jì)要求滿足一定工作

6、空間要求時(shí)，通過尺度優(yōu)化以選定最小的臂桿尺寸，這將有利于操作機(jī)剛度的提高，使運(yùn)動(dòng)慣量進(jìn)一步降低。 （3）高強(qiáng)度材料選用原則 由于操作機(jī)從手腕、小臂、大臂到機(jī)座是依次作為負(fù)載起作用的，選用高強(qiáng)度材料以減輕零部件的質(zhì)量是十分必要的。 （4）剛度設(shè)計(jì)的原則 操作機(jī)設(shè)計(jì)中，剛度是比強(qiáng)度更重要的問題，要使剛度最大，必須恰當(dāng)?shù)剡x擇桿件剖面形狀和尺寸，提高支承剛度和接觸剛度，合理地安排作用在臂桿上的力和力矩，盡量減少桿件的彎曲變形。 （5）可靠性原則 機(jī)器人操作機(jī)因機(jī)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)較多，可靠性問題顯得尤為重要。一般來說，元器件的可靠性應(yīng)高于部件的可靠性，而部件的可靠性應(yīng)高于整機(jī)的可靠性?？梢酝ㄟ^概率設(shè)計(jì)方法設(shè)

7、計(jì)出可靠度滿足要求的零件或結(jié)構(gòu)，也可以通過系統(tǒng)可靠性綜合方法評定操作機(jī)系統(tǒng)的可靠性。 （6）工藝性原則 機(jī)器人操作機(jī)是一種高精度、高集成度的自動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，良好的加工和裝配工藝性是設(shè)計(jì)時(shí)要體現(xiàn)的重要原則之一。僅有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而無良好的工藝性，必然導(dǎo)致操作機(jī)性能的降低和成本的提高。（2）確定設(shè)計(jì)要求1）負(fù)載：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人的負(fù)載。一般噴漆和弧焊機(jī)器人的負(fù)載為56kg。2）精度：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人未端的最大復(fù)合速度和機(jī)器人各單軸的最大角速度。 3）精度：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人的重復(fù)定位精度、如弧焊機(jī)器人的重復(fù)定位精度為0.4mm，ABB公司開發(fā)的Model 5003型噴漆機(jī)器人的重復(fù)定位精度為1mm。同時(shí)要確定構(gòu)成機(jī)器人的零件的精度、臂體的尺寸精度、形位精度和傳動(dòng)鏈的間隙，如齒輪的精度和傳動(dòng)間隙；還要確定機(jī)器人上所用的元器件的精度，如減速器的傳動(dòng)精度、軸承的精度等等。 4）示教方式：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，確定機(jī)器人的示教方式。 5）工作空間：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外