工业机器人技术第3章.pptx
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工业机器人技术第3章.pptx
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3,工业机器人机械结构,3.1,垂直串联机器人,3.1.1本体基本结构,1基本结构垂直串联结构是工业机器人最常见的结构形态,它被广泛用于加工、搬运、装配、包装等场合。
虽然垂直串联工业机器人的形式多样,但是总体而言,它都是由关节和连杆依次串联而成的,而每一关节都由一台伺服电机驱动,因此,如将机器人分解,它便是由若干台伺服电机经减速器减速后,驱动运动部件的机械运动机构的叠加和组合。
常用的小规格、轻量6轴垂直串联机器人的外观和参考结构如图3.1-1所示。
3.1,垂直串联机器人,图3.1-1垂直串联基本结构1基座4腰关节5下臂6肘关节11上臂15腕关节16连接法兰18同步带19肩关节2、8、9、12、13、20伺服电机3、7、10、14、17、21减速器,3.1,垂直串联机器人,3.1.1本体基本结构,2其他结构在上述垂直串联基本结构中,手腕摆动、手回转的电机均安装于上臂前端,故称之为前驱结构。
前驱机器人除腕摆动、手回转轴可能使用同步带传动外,其他所有轴的伺服电机、减速器等驱动部件都需要安装在各自的回转或摆动部位,无需其他中间传动部件,其传动系统结构简单、层次清晰、传动链短、零部件少,且间隙小、精度高、防护性好,机器人安装、调试、运输等均非常方便。
但是,安装驱动电机和减速器需要有足够的空间,关节部位的外形和质量均较大,上臂重心离回转中心较远,它不仅增加了负载,且不利于高速运动;另一方面,由于内部空间紧凑、散热条件差,伺服电机和减速器的输出转矩也将受到结构的限制,且其检测、维修、保养也较困难,因此,它一般用于承载能力10kg以下、作业范围1m以内的小规格的轻量机器人。
3.1,垂直串联机器人,3.1.1本体基本结构,为了保证机器人作业的灵活性和运动稳定性,就应尽可能减小上臂的体积和质量,大中型垂直串联机器人常采用图3.1-2所示的手腕驱动电机后置式结构,简称后驱。
它不仅解决了前驱结构所存在的驱动电机和减速器安装空间小、散热差,检测、维修、保养困难等问题,而且还可使上臂的结构紧凑、重心靠近回转中心,机器人的重力平衡性更好,运动更稳定,这是一种广泛用于加工、搬运、装配、包装等各种用途机器人的结构形式。
3.1,垂直串联机器人,图3.1-2后驱机器人,3.1,垂直串联机器人,3.1.1本体基本结构,用于零件搬运、码垛的大型重载机器人,由于负载质量和惯性大,驱动系统必须有足够大的输出转矩,故需要配套大规格的伺服驱动电机和减速器;此外,为了保证机器人运动稳定,还必须降低整体重心、增加结构稳定性,并保证构件有足够的刚性,因此,通常需要采用平行四边形连杆驱动结构(见图3.1-3)。
3.1,垂直串联机器人,图3.1-3连杆驱动机器人,3.1,垂直串联机器人,3.1.2机身结构与传动系统,1结构特点6轴垂直串联机器人的腰回转、下臂和上臂摆动3个关节是用来改变手腕基准点位置的定位机构,它们与安装基座一起称为工业机器人的机身;安装在上臂上的手腕回转、弯曲和手回转3个关节是用来改变末端执行器姿态的运动机构,习惯上称之为定向机构或机器人手腕部件。
6轴垂直串联机器人机身的回转摆动关节如图3.1-4所示。
3.1,垂直串联机器人,(a)腰回转,(b)臂摆动,图3.1-4腰回转和臂摆动关节,3.1,垂直串联机器人,3.1.2机身结构与传动系统,垂直串联机器人的机身关节结构单一、传动简单,它实际只是若干电机带动减速器再驱动连杆回转摆动的机构组合,腰回转和上、下臂摆动只是运动方向和回转范围上的不同,其机械传动系统的结构并无本质上的区别。
机身运动的负载转矩大、运动速度低,它要求机械传动系统有足够的刚性和驱动转矩,因此,大多数机器人都采用图3.1-5所示的输出转矩大、结构刚性好的RV减速器(RotaryVectorReducer,旋转矢量减速器)进行减速。
有关RV减速器的结构原理、安装维护要求等内容,将在第4章进行详细阐述。
3.1,垂直串联机器人,图3.1-5RV减速器,3.1,垂直串联机器人,3.1.2机身结构与传动系统,2传动系统腰回转S轴。
采用RV减速器的垂直串联机器人腰回转轴S的传动系统参考结构如图3.1-6所示。
上/下臂摆动L/U轴。
采用RV减速器的垂直串联机器人上/下臂摆动轴L/U的传动系统参考结构如图3.1-7所示。
3.1,垂直串联机器人,图3.1-6S轴传动系统1基座2CRB轴承3腰体4驱动电机5RV减速器,图3.1-7L/S轴机械传动系统结构1支承部件2RV减速器3驱动电机4回转部件5减速器壳体(针轮)6减速器输出轴7减速器输入轴,3.1,垂直串联机器人,3.1.3手腕的基本形式,1基本特点工业机器人的手腕主要用来改变末端执行器的姿态(WorkingPose),进行工具作业点的定位,它是决定机器人作业灵活性的关键部件。
垂直串联机器人的手腕一般由腕部和手部组成。
腕部用来连接上臂和手部;手部用来安装执行器(作业工具)。
手腕回转部件通常如图3.1-8所示,与上臂同轴安装,因此,腕部也可视为上臂的延伸部件。
3.1,垂直串联机器人,图3.1-8手腕安装,3.1,垂直串联机器人,3.1.3手腕的基本形式,相对于交流伺服驱动电机而言,机器人的手腕同样属于低速、大转矩负载,因此,它也需要安装大比例的减速器。
由于手腕结构紧凑、运动部件的质量相对较小,故对驱动转矩、结构刚性的要求低于机身,因此,通常采用图3.1-9所示的结构紧凑、减速比大的谐波减速器(HarmonicReducer)减速。
有关谐波减速器的结构原理、安装维护要求等内容,将在本书第4章进行详细阐述。
3.1,垂直串联机器人,图3.1-9谐波减速器,3.1,垂直串联机器人,3.1.3手腕的基本形式,2手腕结构形式垂直串联机器人的手腕结构形式主要有图3.1-10所示的3种。
图中的回转轴(Roll)能够在4象限进行360或接近360的回转,称R型轴;摆动轴(Bend)一般只能在3象限以下进行小于270的回转,称B型轴。
图3.1-10(a)所示为由3个回转轴组成的手腕,称为3R(RRR)结构。
3R结构的手腕一般采用伞齿轮传动,3个回转轴的回转范围通常不受限制。
3.1,垂直串联机器人,3.1.3手腕的基本形式,图3.1-10(b)所示为“摆动轴+回转轴+回转轴”或“摆动轴+摆动轴+回转轴”组成的手腕,称为BRR或BBR结构。
BRR和BBR结构的手腕回转中心线相互垂直,并和三维空间的坐标轴一一对应,其操作简单、控制容易。
图3.1-10(c)所示为“回转轴+摆动轴+回转轴”组成的手腕,称为,RBR,结构。
RBR结构的手腕回转中心线同样相互垂直,并和三维空间的坐标轴一一对应,其操作简单、控制容易;且结构紧凑、动作灵活,它是目前工业机器人最为常用的手腕结构。
3.1,垂直串联机器人,图3.1-10手腕的结构形式,3.1,垂直串联机器人,3.1.4前驱RBR手腕结构,1结构特点小型垂直串联机器人的手腕承载要求低、驱动电机的体积小、重量轻,为了缩短传动链、简化结构、便于控制,它通常采用图3.1-11所示的前驱RBR结构。
3.1,垂直串联机器人,3.1.4前驱RBR手腕结构,前驱RBR结构手腕有手腕回转轴R、腕摆动轴B和手回转轴T3个运动轴。
其中,R轴通常利用上臂延伸段的回转实现,其驱动电机和主要传动部件均安装在上臂后端摆动关节处;B轴、T轴驱动电机直接布置于上臂前端内腔,驱动电机和手腕间通过同步皮带连接,3轴传动系统都有大比例的减速器进行减速。
3.1,垂直串联机器人,3.1.4前驱RBR手腕结构,B、T轴传动系统有采用部件型(ComponentType)谐波减速器减速和单元型(UnitType)谐波减速器两种。
在早期设计的产品上,手腕大都采用部件型谐波减速器减速,这种结构的不足是:
减速器采用的是刚轮、柔轮、谐波发生器分离型结构,减速器和传动部件都需要在现场安装,其零部件多、装配要求高、安装复杂、传动精度很难保证;特别是在手腕维修时,同样需要分解谐波减速器和传动部件,并予以重新装配,这不仅增加了维修难度,而且,减速器和传动部件的装拆,会导致传动系统性能和精度的下降。
3.1,垂直串联机器人,3.1.4前驱RBR手腕结构,2传动系统采用单元型谐波减速器的前驱手腕传动系统参考结构如图3.1-12所示,传动组件的结构和功能分别如下。
3.1,垂直串联机器人,图3.1-12前驱手腕传动系统1上臂2、26伺服电机3、5、23、25带轮4、24同步带6、12输出轴7、11输入轴8、10CRB轴承9摆动体13工具安装法兰14、19伞齿轮15、18、22轴承16支承座17端盖20中间传动轴21隔套,3.1,垂直串联机器人,3.1.4前驱RBR手腕结构,B轴减速摆动组件。
B轴减速摆动组件由B轴谐波减速器、摆动体9及连接件组成。
T轴中间传动组件。
T轴中间传动组件由摆动体辅助支承轴承15、支承座16、密封端盖17、伞齿轮19、中间传动轴20、同步皮带轮23及中间传动轴支承轴承、隔套、锁紧螺母等件组成,它用来连接T轴驱动电机和T轴减速输出组件,并对摆动体进行辅助支撑。
T轴减速输出组件。
T轴减速输出组件固定在摆动体前端,减速器输入轴11上安装伞齿轮14,输出轴12连接工具安装法兰13,壳体固定在摆动体前端。
3.1,垂直串联机器人,3.1.5后驱RBR手腕结构,1结构特点大中型工业机器人需要有较大的输出转矩和承载能力,B、T轴驱动电机的体积大、重量重,为了保证电机有足够的安装空间和良好的散热条件,同时,能够减小上臂的体积和重量、平衡重力、提高运动稳定性,它通常采用图3.1-13所示的后驱RBR结构,将手腕R、B、T轴的驱动电机均布置在上臂后端,然后,通过上臂内部的传动轴,将驱动力传递到上臂前端的手腕单元上,利用手腕单元实现R、B、T轴的回转与摆动。
3.1,垂直串联机器人,图3.1-13后驱手腕结构1R/B/T电机2手腕单元3上臂4下臂,3.1,垂直串联机器人,3.1.5后驱RBR手腕结构,2上臂传动系统后驱结构机器人的上臂组成通常如图3.1-14所示。
为了将后部的R、B、T轴驱动电机动力传递到前端手腕单元上,臂内部需要安装R、B、T传动轴,故需要采用中空结构。
3.1,垂直串联机器人,图3.1-14上臂组成1同步带轮2安装法兰3上臂体4R轴减速器5B轴6T轴,3.1,垂直串联机器人,3.1.5后驱RBR手腕结构,上臂的机械传动系统参考结构如图3.1-15所示,其机械传动部件可分为内外4层。
由于机器人的T、B、R轴的驱动力矩依次增加,为了保证传动系统的刚性,由内向外通常依次为手回转传动轴T、腕弯曲传动轴B、手腕回转传动轴R,每一驱动轴均可独立回转,最外侧为固定的上臂体。
3.1,垂直串联机器人,图3.1-15上臂传动系统1T轴同步带轮2B轴同步带轮3R轴同步带轮4上臂摆动体5上臂6R轴7B轴8T轴9B花键轴10R轴花键套11、12螺钉13手腕体14刚轮15CRB轴承16柔轮17谐波发生器18端盖19输入轴2125螺钉,3.1,垂直串联机器人,3.1.5后驱RBR手腕结构,3手腕传动系统后驱机器人的手腕单元组成一般如图3.1-16所示,它通常由B/T传动轴、B轴减速摆动、T轴中间传动、T轴减速输出4个组件及连接体、摆动体等安装部件组成,其内部传动系统结构较复杂。
连接体1是手腕单元的安装部件,它与上臂前端的R轴减速器输出轴连接后,可带动整个手腕单元实现R轴回转运动。
摆动体4是一个带固定臂和螺钉连接辅助臂的U形箱体,它可在B轴减速器输出轴的驱动下,在连接体1上进行B轴摆动运动。
3.1,垂直串联机器人,图3.1-16手腕单元组成1连接体2T轴中间传动组件3T轴减速输出组件4摆动体,5B轴减速摆动组件,3.1,垂直串联机器人,3.1.5后
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