第四章工业机器人设计(机械制造装备设计第四版)

第四章工业机器人设计思考题与习题1.工业机器人的定义是什么？操作机的定义是什么？答：我国国家标准GT/T12643—1997《工业机器人词汇》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、多自由度操作机,能搬运物料、工件或夹持工具，用以完成各种作业”；将操作机定义为“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”.2.工业机器人由哪几部分组成？并比较它与数控机床组成的区别.答：工业机器人由操作机、驱动单元和控制装置组成。

数控机床一般由机床本体、伺服系统和数控装置组成。

二者组成的区别主要在于机械本体,机器人操作机通常由末端执行器、手腕、手臂和机座组成，而数控机床机械本体通常包含主运动部件、进给运动部件、支承部件、冷却润滑、排屑等部分。

3.工业机器人的基本功能和基本工作原理是什么？它与机床主要有何相同和不同之处？答：工业机器人基本功能是提供作业所需的运动和动力,其基本工作原理是通过操作机上各运动构件的运动，自动地实现手部作业的动作功能及技术要求.在基本功能及基本工作原理上，工业机器人与机床有如下相同之处：二者的末端执行器都有位姿变化要求；二者都是通过坐标运动来实现末端执行器的位姿变化要求。

二者的主要不同之处有:机床是以直角坐标形式运动为主，而机器人是以关节形式运动为主；机床对刚度、精度要求很高，其灵活性相对较低；而机器人对灵活性要求很高，其刚度、精度相对较低4.工业机器人的结构类型有哪几类？各种类型的特点如何？答:工业机器人的结构类型有如下四类:关节型机器人，其特点是关节一般为回转运动副，灵活性好,工作空间范围大(同样占地面积329情况下），但刚度和精度较低；球坐标型机器人，其特点是按球坐标形式动作（运动）,灵活性好,工作空间范围大，但刚度、精度较差;圆柱坐标型机器人，其特点是按圆柱坐标形式动作,灵活性较好，工作空间范围较大，刚度、精度较好;直角坐标型机器人，其特点是按直角坐标形式动作，刚度和精度高,但灵活性差，工作空间范围小。

机械制造装备设计第四版在机械制造这个领域，装备设计就像给机器穿衣服。

想想吧，衣服合不合身可是直接影响人的气质。

机械装备也是一样，如果设计得不合适，哪怕是再高大上的机器，也可能会让你哭笑不得。

哈哈，大家都知道，机器就像人一样，穿得好看，心情就好，做事也带劲儿。

机械制造装备设计，真的是个需要智慧和创意的活儿。

设计师们就像那些时尚界的大咖，得时刻关注潮流，还得考虑实用性，这可不是个简单的活儿。

设计师们就像在给机器做美容，咱们不仅要看外表，内部也得要搭配得当。

想象一下，如果你的机器外观像个艺术品，但里面的零件就像一团乱麻，那可真是让人心急如焚。

各个零件的相互配合，真的是一门艺术。

设计师们得把这些零件的特性考虑周全，不然就得“自作自受”，等着机器出毛病。

唉，遇到这样的问题，真是“欲哭无泪”。

再说说材料的选择，这也是一门大学问。

有些材料就像好酒，越陈越香；有些材料呢，可能一碰就碎。

设计师们得睁大眼睛，挑挑拣拣，选对材料可比选对象还要重要，真的是“千挑万选”。

不仅要考虑成本，还得考虑到使用环境，天气变化等等。

如果一个机器的设计是“天衣无缝”，那么材料选择就是“锦上添花”。

选好了，机器就能顺风顺水，反之则可能“事倍功半”。

说到这里，咱们还得聊聊工艺。

设计再好，工艺不到位，最后结果也不过是空中楼阁。

工艺就像是烹饪的火候，火候掌握得当，才能做出美味的菜；火候掌握不好，那就是“煮了也白煮”。

在机械制造中，工艺的每一个细节都得认真对待，稍有不慎，可能就会让整台机器“功亏一篑”。

设计师们的责任可真不小，要时刻保持警觉，生怕哪一步出了差错。

随着科技的发展，机械制造的设计也在不断进步。

这就像是跟上潮流的舞者，得不断学习新招式。

新技术、新材料层出不穷，设计师们可得时刻跟进。

就像做菜，总得尝试新食材，才能做出让人惊艳的美味。

未来的设计可能会引入更多智能化元素，让机器不仅能干活，还能“聪明”地做出决策，简直就是让人兴奋。

机械制造的设计也离不开团队合作。

机械制造装备设计》第四版思考题与习题答案第一章机械制造及装备设计方法1.为什么机械制造装备在国民经济发展中占有重要作用？答：制造业是国民经济发展的的支柱产业，也是科学技术发展的载体及其转化为规模生产力的工具与桥梁。

机械制造业的生产能力主要取决于机械制造装备的先进程度，装备制造业是一个国家综合制造能力的集中体现，重大装备研制能力是衡量一个国家工业化水平和综合国力的重要标准。

2.机械制造装备与其它工业装备相比，特别强调应满足哪些要求，为什么？答：机械制造装备与其它工业装备相比应具备的主要功能中，除了一般的功能要求外，应强调柔性化、精密化、自动化、机电一体化、节材节能、符合工业工程和绿色工程的要求；更加注重加工精度方面的要求、强度、刚度和抗振性方面的要求、加工稳定性方面的要求、耐用度方面的要求、技术经济方面的要求。

3.柔性化指的是什么？试分析组合机床、普通机床、数控机床、加工中心和柔性制造系统的柔性化程度。

其柔性表现在哪里？答：即产品结构柔性化和功能柔性化。

产品结构柔性化是指产品设计时采用模块化设计方法和机电一体化技术，只需对结构作少量的重组和修改，或修改软件，就可以快速地推出满足市场需求的，具有不同功能的新产品。

功能柔性化是指只需进行少量的调整，或修改软件可以方便地改变产品或系统的运行功能，以满足不同的加工需要。

数控机床、柔性制造单元或系统具有较高的功能柔性化程度。

在柔性制造系统中，不同工件可以同时上线，实现混流加工。

普通机床、组合机床、数控机床、加工中心和柔性制造系统的柔性化程度依次增高，其柔性表现在机床结构柔性化和功能柔性化，其中，柔性制造系统的柔性化程度最高。

4.如何解决用精密度较差的机械制造装备制造出精密度较高机械制造装备来？答：采用机械误差补偿技术或采用数字化技术分析各种引起加工误差的因素，建立误差的数学模型，将误差的数学模型存入计算机。

在加工时，由传感器不断地将引起误差的因素测出，输入计算机，算出将产生的综合误差，然而由误差补偿装置按算出的综合误差进行补偿。

第4章工业机器人机械系统设计工业机器人是现代制造业中非常重要的设备，它能够替代人力完成一些重复性、繁琐性和危险性高的工作，提高生产效率，保证产品质量。

而机械系统设计是工业机器人的核心部分，决定着机器人的工作性能和稳定性。

本章将重点介绍工业机器人机械系统设计的关键内容。

首先是机械结构的设计。

机械结构包括机器人身体的外形、连接方式、关节结构等。

根据机器人的工作任务和使用环境，设计出合适的机械结构非常关键。

一般来说，机械结构应具备轻量化、刚性好、耐磨损等特点。

同时，机器人的关节结构需要有足够的自由度，以便完成各种复杂的工作任务。

其次是传动系统的设计。

传动系统是机器人的关键组成部分，它负责将电机的转动传递到末端执行器上。

常见的传动方式有齿轮传动、带传动、链传动等。

设计传动系统时需要考虑传动效率、精准度、稳定性等因素。

同时，根据机器人的工作特点，还需要选择合适的减速比，以确保机器人的运动速度和力矩满足要求。

第三个关键是控制系统的设计。

控制系统是机器人的大脑，负责控制机器人的动作和工作。

在工业机器人中常用的控制方式有伺服控制和步进控制。

在设计控制系统时，需要考虑控制器的性能、稳定性和可靠性。

同时，还需要考虑机器人的传感器系统，以获取机器人的位置、力矩等信息，并进行反馈控制。

最后是机械系统的安全设计。

工业机器人在运行过程中会面临一些安全风险，因此需要进行安全性设计。

安全设计包括防护装置的设计和安全控制系统的设计。

防护装置可以是机械装置，如护栏、安全门等；也可以是电子装置，如激光安全扫描器、光幕等。

安全控制系统可以通过编程来实现，对机器人的运动进行监控和控制，确保机器人在运行过程中不会对人员造成伤害。

在工业机器人机械系统设计过程中，需要综合考虑机器人的工作任务、环境要求、经济成本等因素，合理选择机械结构、传动系统和控制系统。

同时，还需要进行安全设计，确保机器人的安全运行。

只有在综合考虑这些因素的基础上进行设计，才能设计出稳定性高、性能优良的工业机器人。

《机械制造装备设计》第4版第一章习题参考答案1-1 机床应满足哪些基本要求什么是人机关系机床应具有的性能指标:1、工艺范围；2、加工精度；3、生产率和自动化；4、可靠性；人机关系：使机床符合人的生理和心理特征，实现人机环境高度协调统一，为操作者创造一个安全、舒适、可靠、高效的工作条件；能减轻操作者精神紧张和身体疲劳。

机床的信号指示系统的显示方式、显示器位置等都能使人易于无误地接受；机床的操纵应灵活方便，符合人的动作习惯，使操作者从接收信号到产生动作不用经过思考，提高正确操作的速度，不易产生误操作或故障。

机床造型应美观大方，色彩协调，提高作业舒适度。

另外，应降低噪声，减少噪声污染。

1-2 机床设计的内容和步骤是什么机床设计大致包括总体设计，技术设计，零件设计，样机试制和试验鉴定四个阶段。

1-3 机床的总体方案拟定包括什么内容机床总布局的内容和步骤是什么总体设计：1、掌握机床的设计依据；2、工艺分析；3、总体布局；4、确定主要的技术参数机床总体布局：1、分配机床运动；2、选择传动形式和支承形式；3、安排操纵部位；4、拟定提高动刚度的措施。

1-4 机床分配运动的原则是什么驱动型式如何选择机床运动的分配应掌握四个原则：1、将运动分配给质量小的零部件；2、运动分配应有利于提高工件的加工精度；3、运动分配应有利于提高运动部件的刚度；4、运动分配应视工件形状而定。

机床的主传动按驱动电动机类型分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。

交流电动机驱动又分为单速电动机、双速电动机及变频调速电动机驱动。

机床传动的形式有机械传动，液压传动等。

机械传动靠滑移齿轮变速，变速级数一般少于30级，它传递功率大，变速范围较广，传动比准确，工作可靠，广泛用于通用机床中，尤其是中小型机床中。

缺点是有相对转速损失，工作中不能变速。

随着变频调速技术的迅速发展，变频调速—多楔带—齿轮传动组合的传动已成为机床主传动的主导形式。

液压无级变速传动平稳，运动换向冲击小，易于实现直线运动，适用于刨床、拉床、大型矩台平面磨床等机床的主运动中。

02210机械制造装备设计第4版课后习题答案(李庆余)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1《机械制造装备设计》第4版第一章习题参考答案1-1 机床应满足哪些基本要求什么是人机关系机床应具有的性能指标:1、工艺范围；2、加工精度；3、生产率和自动化；4、可靠性；人机关系：使机床符合人的生理和心理特征，实现人机环境高度协调统一，为操作者创造一个安全、舒适、可靠、高效的工作条件；能减轻操作者精神紧张和身体疲劳。

机床的信号指示系统的显示方式、显示器位置等都能使人易于无误地接受；机床的操纵应灵活方便，符合人的动作习惯，使操作者从接收信号到产生动作不用经过思考，提高正确操作的速度，不易产生误操作或故障。

机床造型应美观大方，色彩协调，提高作业舒适度。

另外，应降低噪声，减少噪声污染。

1-2 机床设计的内容和步骤是什么机床设计大致包括总体设计，技术设计，零件设计，样机试制和试验鉴定四个阶段。

1-3 机床的总体方案拟定包括什么内容机床总布局的内容和步骤是什么总体设计：1、掌握机床的设计依据；2、工艺分析；3、总体布局；4、确定主要的技术参数机床总体布局：1、分配机床运动；2、选择传动形式和支承形式；3、安排操纵部位；4、拟定提高动刚度的措施。

1-4 机床分配运动的原则是什么驱动型式如何选择机床运动的分配应掌握四个原则：1、将运动分配给质量小的零部件；2、运动分配应有利于提高工件的加工精度；3、运动分配应有利于提高运动部件的刚度；4、运动分配应视工件形状而定。

机床的主传动按驱动电动机类型分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。

交流电动机驱动又分为单速电动机、双速电动机及变频调速电动机驱动。

机床传动的形式有机械传动，液压传动等。

机械传动靠滑移齿轮变速，变速级数一般少于30级，它传递功率大，变速范围较广，传动比准确，工作可靠，广泛用于通用机床中，尤其是中小型机床中。

缺点是有相对转速损失，工作中不能变速。

机械制造装备设计辅导资料十六主题：第四章工业机器人设计〔第2节〕学习时间：2021年1月16日－2021年1月22日内容：第二节工业机器人的机械结构系统设计一、工业机器人的手臂和机座工业机器人机械结构系统由机座、手臂、手腕、末端执行器和移动装置组成。

工业机器人的手臂由动力关节和连接杆件构成，用以支承和调整手腕和末端执行器的位置。

手臂部件一般具有2-3个自由度〔回转、俯仰、升降或伸缩〕，包括驱动装置、传动机构、定位导向装置、支承连接件和检测元件等。

〔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。

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；●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。

〔二〕典型结构1、液压驱动圆柱坐标型机器人手臂结构液压缸2驱动的手臂伸缩、摆动液压马达11驱动的回转和升降液压缸驱动的升降三个运动。

图1 液压驱动圆柱坐标型机器人手臂1-活塞杆2-液压缸3-手臂端部4-手臂支架5-导轨6-中间支座7、9-齿轮8-挡块10-行程开关11-摆动液压马达2、电动机驱动机械传动圆柱坐标型机器人手臂和机座结构图2 GMF M-100型机器人手臂直线移动手臂的升降和伸缩运动由双圆柱导轨导向和直流伺服电机驱动滚动丝杠实现。

回转运动由底部的回转机座实现。

图3 PUMA机器人手臂的结构1、10-大臂2、3、14、15-齿轮4、13、16-偏心套5-大锥齿轮6-小锥齿轮7、11-驱动电动机8,9-锥齿轮12-驱动轴17-小臂18-机座图4 带谐波减速器的机器人手臂关节结构二、工业机器人的手腕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根底上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，回转运动、左右偏摆运动和俯仰运动即实现三个旋转自由度。