机械制造装备设计
机械制造装备设计
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
目录
第一章 机械制造及装备设计方法 第二章 金属切削机床设计 第三章 典型部件设计 第四章 工业机器人设计 第五章 机床夹具设计 第六章 物流系统设计 第七章 机械加工生产线总体设计
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
▪ 坐标系按右手确定（右图）； ▪ 关节坐标系的确定（下图）； ▪ 确定基准状态； ▪ 关节坐标轴轴线位置的选取； ▪ 关节坐标方向的选取。
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1.3工业机器人的主要特性表示方法 Ⅳ
❖ （二）机械结构类型 用结构坐标形式和自由度表示。 自由度是表示工业机器人动作灵 活程度的参数，以直线运动和回 转运动的独立运动数表示
机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
操作机 由末端执行器、手腕、 手臂及机座组成。
图4-1工业机器人系统的组成 1—机座 2—控制装置 3—操作机
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
图4-2PUMA机器人 操作机
a)结构简图 b)运动功能简图
机械制造装备设计
4.1.1工业机器人的定义及工作原理 Ⅳ
❖ （一）机器人的定义 ▪ 我国国家标准GB/T12643——90将工业机器人定义为 “是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度 的操作机 ，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各 种作业”。
❖ （二）工业机器人的基本工作原理 ▪ 工业机器人的基本工作原理：通过操作机上各运动构件 的运动，自动的实现手部作业的动作功能及技术要求。
▪ 数控型机器人 不必使机器人动作，通过数值、语言等对机 器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类 Ⅳ
▪ 感觉控制型机器人 利用传感器获取的信息控制机器人的 动作。
▪ 适应控制型机器人 机器人能适应环境的变化，控制其自 身的行动。
机械制造装备设计
4.2.1工业机器人的手臂和机座 Ⅳ
▪ PUMA机器人手臂的结构图（4-27）（直流伺服电 机驱动、六自由度关节型）
a)大臂驱动机构 b)小臂驱动机构 1、10—大臂 2、3、5、6、8、9、14、15—齿轮 4、13、16—偏心套 7、11—驱动电动机 12—驱动轴大连17理—工小大臂学 机18械—工座程机学院
ns
（2）手腕偏摆运动及其诱导运动：当B 、S轴不动，T轴 以nT转动时，手爪回转运动n7,和手腕俯仰运动n9,
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.2 工业机器人的机械结构系统设计 Ⅳ
1 工业机器人的手臂和机座 2 工业机器人的手腕 3 工业机器人的末端执行器
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.2.2工业机器人的手腕
Ⅳ
❖ 手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其功能是在手 臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐 标的基础上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间
排爆机器人
有触觉的水下机器人
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1 概述
Ⅳ
1 工业机器人的定义及工作原理
2 工业机器人的构成及分类
3 工业机器人的主要特性表示方法
4 工业机器人的设计方法
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1.3工业机器人的主要特性表示方法 Ⅳ
❖ （一）坐标系
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
❖ （二）工业机器人的分类 ▪ 1、按机械结构类型分类：关节型机器人、球坐标型机器 人、圆柱坐标型机器人、直角坐标型机器人。
▪ 2、按用途分类：焊接机器人、冲压机器人、浇注机器人、 搬运机器人、装配机器人、喷漆机器人、切削加工机器 人、 检测机器人等。
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.2.1工业机器人的手臂和机座 Ⅳ
❖ （一）设计要求 1、手臂结构设计要求
▪ 手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工 作空间要求；
▪ 合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料，减轻自重； ▪ 减小驱动装置的负荷，提高手臂运动的响应速度； ▪ 提高运动的精确性和运动刚度。
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.2.1工业机器人的手臂和机座 Ⅳ
2、机座结构设计要求
▪ 机座主要有回转机座和升降机座两种，用以实现手 臂的整体回转或升降；
▪ 要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的稳 定性；
▪ 机座承受机器人全部重量和工作载荷，应保证足够 的强度、刚度和承载能力；
图4-25薄壁密封交叉滚子轴承的安装方式 a)轴承外圈回转 b)轴承内圈回转
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.2.1工业机器人的手臂和机座 Ⅳ
图4-26用普通轴承的机座支 撑机构
1—轴承 2—手臂 3、6—电动机 4—机座 5—腰关 7—谐波减速器 8、9、10—齿轮 11—基座
大连理工大学 机械工程学院
产生手爪回转、 手腕偏摆和手腕俯仰 三个运动
1、2、3、4、5、6、7、 11、12、13、14、 15—齿轮 8—手抓 9、10、16—壳体
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.2.2工业机器人的手腕
Ⅳ
（1）手爪回转运动：当B 、T轴不动，S轴以ns转动时：
n7
z2 z5z7 z1z4 z6
▪ 学习控制型机器人 机器人能“体会”工作的经验，具有一 定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。
▪ 智能机器人 以人工智能决定其行动的机器人。
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类 Ⅳ
双足仿人机器人
管道机器人
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类 Ⅳ
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.2.1工业机器人的手臂和机座 Ⅳ
图4-24采用环形轴承的机器人机座结构 1—刚轮 2—柔轮 3—位置传感器 4—带传动 5—壳体 6—轴承 7—电动机 8—波发生器 9—支座
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.2.1工业机器人的手臂和机座 Ⅳ
▪ 机座轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器的运 动精度影响最大。
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.2.1工业机器人的手臂和机座 Ⅳ
❖ （二）典型结构
▪ 1、液压驱动圆柱坐标型机器人手臂结构（图4-22），具有手臂 伸缩（液压缸2驱动）、回转（摆动液压马达11驱动）和升降（6 的下面升降液压缸）三个运动。
以防止关节超限造成事故。
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.2.2工业机器人的手腕
Ⅳ
❖ （二）手腕的结构
▪ 用摆动液压缸驱动实现回转运动的手腕结构。
图4-31用摆动液压 缸驱动的手腕
1—活塞 2、4—油路 3—进油孔 5—定片 6—动片 7—排油孔
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4 工业机器人的设计方法
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1.4工业机器人的设计方法 Ⅳ
❖ （一）总体设计：
▪ 1、基本技术参数的选择（额定负载、额定速度、驱 动方式、用途、作业空间、性能指标）；
▪ 2、总体方案设计（运动功能方案设计、传动系统方 案设计、结构布局方案、参数设计、控制系统方案设 计、总体方案评价）
第四章：工业机器人设计
Ⅳ
第一节 概述 第二节 工业机器人的机械结构系统设计 第三节 工业机器人在机械制造系统中的应用
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1 概述
成及分类 3 工业机器人的主要特性表示方法 4 工业机器人的设计方法
大连理工大学 机械工程学院
执行器（又称手部）、手腕、手臂（又可分为大臂和小臂） 及机座（又称机身或立柱）组成。 • 驱动单元由驱动装置（如电动机、液压或气压装置）、减 速器和内部检测元件等组成，为操作机各运动部件提供动 力和运动。 • 控制装置由检测和控制两部分组成，用来控制驱动单元， 检测其运动参数并进行反馈。
大连理工大学 机械工程学院
的三个姿态坐标，即实现三个旋转自由度。
图4-30手腕自由度 1—手臂 2—机械接口
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.2.2工业机器人的手腕
Ⅳ
❖ （一）设计要求
▪ 力求手腕部件的结构紧凑，为减轻其质量和体积； ▪ 自由度愈多，运动范围愈大，动作灵活性愈高，机
器人对作业的适应能力愈强； ▪ 提高传动刚度，尽量减少反转误差； ▪ 对手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机械挡块，
空间曲线焊接机器人
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
❖ 3、机器人按控制方式分类 ▪ 操作型机器人 能自动控制，可重复编程，多功能，有几个 自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。
▪ 程控型机器人 按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人 的机械动作。
▪ 示教再现型机器人 通过引导或其它方式，先教会机器人动 作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。
机械制造装备设计
4.2.1工业机器人的手臂和机座 Ⅳ
▪ 带谐波减速器的机器人手臂关节结构图（4-29）。 （手臂壳体13与刚轮一起在轴承3和12上转动）