工业机器人机械传动部分

主要内容
1、工业机器人的历史背景及应用的多样化 2、焊接机器人及系统特征 3、焊接机器人结构及传动设计 4、外部轴和变位机
一、工业机器人的历史背景和应用的多样化
机器人定义
美国工业协会（RIA）：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工 具或者专用装置，通过可编程动作来执行各种任务，并具有编程 能力的多功能机器手。这个定义实际上针对的是工业机器人。
为复杂，但随着计算机技术的发展和控制算
手臂控制机器人末端焊枪的位姿，想法要的完达善，到目任前已意经位比较姿成，熟了需要3
个自由度，手臂构型常见位姿有四种，1、直角坐标系型；2圆柱
坐标系型；3、球坐标系型；4、关节型；
2、手腕设计
BBR型手腕减少了R手BR腕构纵型向的尺手寸腕，不减仅RR小很R手了容腕工易构实型现的远工距作离空的间传较大，但其结构较 作空间，不够灵活动。和一控般制来，说而，且旋其复转手杂腕，三对根焊关接节工轴作相的交精于度有较大影响，且 关节与平移关节相一比点，，具运有动工学作逆空问当间题其大有完、封全闭伸解展，时控，制三算根法关节轴处于同一平 结构紧凑、重量轻简以单及，灵其活结性构好紧等凑面特，内点在，同同样时条有件两下根其旋末转端轴重合，这样将导 也更容易做密封防运尘动件更加轻型化致，机并器且人RB手R完腕全丧展失开一时个更自由度，从而使手
应用多样化
二、焊接机器人及系统特征
工业机器人一般结构
1、三大部分 机械本体、传感器部分、控制部分
2、六个子系统 驱动系统、机械结构系统、感知系统、机器人-环境交互系
统、人机交互系统以及控制系统。
焊接机器人的系统构成
焊接机器人单体： 机器人本体
外部装置 控制柜
工装夹具 示教器
扩展设备（外部轴） 焊接电源 接口电路 焊枪
6.4、Βιβλιοθήκη Baidut轴（旋转）驱动装置
谐波减速机
1、Rt轴为从臂部到腕部的过渡传动 系统，从Rt轴开始，机器人各关节尺 寸变小而显灵巧，驱动功率急剧降低
2、且为了使传动灵活并且空间有效 利用，传动形势不在是按照“电机减速器-关节”进行传动
3、综合考虑驱动系统精度高、体积 优点：小同、步传带动传灵动活效、率过高线、方回便差等小因、素传， 动灵活Rt、轴结旋构转简驱单动有系效统，采使用用“中电取机得-主了动 良好的同效步果带轮-同步带-从动同步带轮-减
电力电缆
焊丝盘架
变压器
焊枪防碰撞装置 控制电缆
送丝机构
焊接机器人应用环境
应用环境较为恶劣：
1、强弧光、高温、复杂电磁 2、烟尘、飞溅 3、加工或装配误差 4、焊接热变形、焊件表面状态 5、其它环境因素
三、焊接机器人结构及传动设计
基本参数
自由度：6 最大工作半径：1400mm 负载：6kg 重复定位精度：±0.1mm
1965年英国高级工程 师Stewart提出了 Stewart平台，推动了 对并联机器人的研究
并联机器人定义：运动平台和 基座间至少有两根活动连杆连 接，具有2个或2个以上自由度 的闭环结构机器人，
1978年澳大利亚著名机构 教授Hunt提出把6自由度 Stawart平台作为机器人结 构。图为Adept公司的 Quattro并联机器人。
它心行将公星带转轮只就动的2相要可三同固设获个时连呈还计得而有1同2合高逆0速度理精时转布针度,动置制方的,和向两造行小自片星装转相间轮配,位2三隙在差精个回绕1曲8度0中差柄度保心轴的轮证3摆与轴,
线轮4铰接在三个曲柄轴上,并与固定的针轮相哨合
,在其轴传线动绕效针轮率轴高线公转的同时,还将反方向自转
标志性机器人
1973年世界上机器人和 小型计算机第一次携手 合作，诞生了美国 Cincinnati Milacron公 司的机器人T3。
1979年美国Unimation公司 推出通用工业机器人PUMA， 这标志着工业机器人技术已 经成熟。PUMA至今仍然工作 在第一线
1979年日本山里大学牧野洋发明发 明了平面关节（SCARA）型机器人 ，该机器人此后在装配作业中得到 广泛应用。
臂相连，做摆臂运动
小臂
腕
焊枪通过Tr轴与腕关节 相连，做旋转运动
焊枪
小臂通过Rt轴与肘关节 相连，做旋转运动
机器人底座
肘关节通过Eb轴与大臂相连， 做上下运动
大臂
大臂通过Sh轴与肩关节 相连，做前后运动
肩
肩关节通过Ws轴与 底座相连，做回旋 运动
5、机器人运动范围
6、机器人驱动系统
6.1、Ws轴（回旋）驱动系统
捷克作家卡雷尔.恰佩克在小说
1984年：全世界机器人使用量8万台
中（罗莎姆 的万能机器人）中 首次提出Robot
1998年：美国拥有8万台，德国拥有7万台，分别占世界机器人总数的
15%和13%，日本一直占有60%。
50年的发展：广泛用于汽车制作业、毛皮制作、机械
下料等。
加工、焊接、热处理、装配、检测、上
典型关节自由度种类及图形符号
即每一个关 节均有一个 驱动器驱动 。
工业机器人操 作臂的关节常 为单自由度主 动运动副。
五种坐标形式的机器人
多做成楼门 式，框架式 ，用于搬运
一个移动关节，用 于完成手抓在垂直 平面方向上的运动
作业范围为圆 柱形状
水平面内具有良好 的柔顺型，且动作 灵活、速度快、定 位精度高。
以及垂直方向上进 行装配，又称作为业装范围为
定向。
配机器人。 空心球体状
结构复杂、
定位精度低
、动作直观
性差
结构紧凑、动作灵
活、占地面积小
球坐标型机器人
定位精度低 、动作直观 性差
作业范围大、动作灵活、 能抓取靠近机身的物体、
关节应坐用标广泛型，机现器在人标准六轴
工业机器人代表
结构设计
结构分类：手臂和手腕
Sh轴前后驱动系统依然采 用“电机-减速器-肩关节 ”的传动方式，简单、高 效
大臂是主要的载荷传动部件，它将 各种载荷传递给肩，肩再传给底座
6.3、Eb轴（上下）驱动装置
根据结构特点，Ws轴 回旋驱动系统依然采 用“电机-减速器-肩 关节”传动的方式。 减速机RV减速器
肘关节作用虽然仍负责传 递载荷，但不再是主要承 载关节，大部分作用是为 了改变机器人末端的位置
,即顺时针转动。输出机构(即行星架)6由装在其上
的三对传曲递柄轴同支样撑转轴承矩来与推功动,率把摆时线的轮体上的积自小转
矢量以1:1的速比传递出来。左图即是RV减速器减 速原理
谐波减速机
谐波齿轮的组成元件有以下三个部 分：柔性齿轮(下文简称柔轮)、刚 性齿轮(下文简称刚轮)以及波发生 器。在传递运动和动力时，只需固 定其中一个构件，在剩下的两个构 件中，一个构件作为主动件，则另 外一个构件就作为从动件
其工作原理是：凭借柔性薄壁弹性 构件的柔轮在波发生器的作用下， 被迫发生连续的弹性变形，使柔轮 长轴方向的轮齿与刚轮轮齿相互作 用，从而实现运动和动力的传递
四、外部轴和变位机
两轴变位机 L型变位机
头尾架变位机
谢谢！
1、手臂设计
这的由、所显其占种位于工以而整空形移三作控易体间式，个精制见尺的的从关度起的寸比手而节高来，变值圆移在结不撞臂确都，也比大减柱动工构太，是 定 是 因 较 如 ， 小坐形作尺灵因通了移为为说并，标式空寸活此过机动三简，且工式的间好，一控器关个单其导作的组的计工般球节自构制人节关，运致速手合位算作应坐组身，关位来臂来最干自三焊，节但动工度臂运置，过用标成所使节姿进结说快涉身个枪故没其需作也，动，但程于式，占整式调行构，的；结互的其有不要空较是来这是中搬手这空体手整设。其，其构相空结耦足导间慢运确种操容运臂种间机臂，计关对并结体垂间构合之轨与用定构作易机是构减构是这的节于且构积直位刚运处，结关腕型起和器由型小灵由种，型确在紧的方置度动也这构节部工来其人两的，活三构其的定工凑比向，大，是使所的作有他个设然性个型灵手工作，值转速些物转计而变转方感臂作时操是动度体动方移差动案来相空手作最形较发关案动，关是自对间臂灵大式快生节使关目节运于其内几活的和，碰和其节前来用人它的乎，；一结需应实仿或构任不工虽个构要用现生类型意存作然移紧导不末学人的位在空控动凑轨多端理的手姿任间制关，结的论手臂是何与较
Ws轴回旋驱动系统又叫回转腰座，连 接大臂和基座，起回转支撑的作用。 此结构采用“电机-减速器-肩关节” 直接传动的方式，与“电机-减速器输入齿轮-中心齿轮-肩关节”的传动 方式
基座是机器人的基础 部分，起支撑作用，
对比直优接点固：定传到动地面效或率者高，结构紧 凑，其回它差固小定等物优上点
6.2 Sh轴（前后）驱动装置
日本工业机器人协会（JIRA）：机器人是一种带有存储器件和末端操作器的 通用机械，他能通过自动化的动作代替人类劳动。
日本著名学者加藤一郎：机器人三要素 1、具有脑、手、脚等要素的个体； 2、具有非接触传感器和接触传感器。3、具有用于平衡和定位的传感器。
机器人三大特征：拟人功能，可编程，通用性
机器人分类
适合微调操作 腕不能到达任意位置姿态，不满足本设计
要求
手腕可以确定焊枪空间的姿态，在参考人体手腕的基础上，确定机
器人腕有三个自由度，俯仰形式关节为B，旋转形式关节为R，则
现存的手腕结构有BBR、BRR、RBR、RRR。
3、焊接机器人整体构型设计
4、机器人结构外观图及部件简介
腕关节通过Bn轴与小
肘
第一代机器人：能试教-再现的工业机器人 第二代机器人：可感知周围环境，进行反馈控制。 第三代机器人：智能机器人，能够逻辑推断、判断、决策等 第四代机器人：情感类机器人，具有人类情感。
工业机器人历史背景
西周偃师制造能歌善舞的伶人
1962年：美国研制出第一台工业机器人 鲁班制造木鸟，三日不下
1965年：美国使用第一台点焊机器人
速器-小臂”的传动方式
6.5、Bn轴（摆臂）驱动装置
Bn轴驱动系统的作用是调节焊接 角度。需要具备传动灵活、精确 、节约体积、小功率等特点
基于此，仍采用“电机-主动同 步带轮-同步带-从动同步带轮减速器-腕”结构紧凑的传动方 式
6.6、Tr 轴（旋转）驱动装置
Tr轴驱动系统控制着焊枪的旋转，采 用“电机-减速器-焊枪”直接驱动的 方式，且电机内置于腕腔内，体积小 ，外表美观，结构紧凑。
不能抓取靠 近立柱或地 面上的物体
灵活性差、 占地面积较
大
直角坐标型机器人
作业范围为 立方体状
位置精度高
结构庞大、
动作范围小
圆位控柱制置简精坐单度标、高型占，机地运器动面人积直观小、、
运动求作解业简范围廉为价、应用广泛 单空心球体状
适用于平面定位S，CARA型机三 平器个 面人转 内动 进关 行节 定可 位在 和
机器人用减速机
驱动方式：电、气、液。常用交流伺服电机驱动 减速机：常用RV减速机和谐波减速机
RV减速机原理图
RV传动传装动置比是由范第围一大级渐开线圆柱齿轮行星减速机
构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成,为
一封闭扭差转动刚轮系度如大图结构简图。主动的太阳轮1与
输入轴相连,如果渐开线中心轮1顺时针方向旋转,