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1.2 工業(yè)機(jī)器人典型結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人按機(jī)身是否固定分為移動(dòng)式和固定式兩種。在制造業(yè)中,固定式機(jī)器人應(yīng)用極為廣泛,但隨著核能工業(yè)、宇宙空間探索等方向的需要,移動(dòng)式機(jī)器人和自主機(jī)器人的應(yīng)用也越來(lái)越多。

1.2.1 工業(yè)機(jī)器人的組成

工業(yè)機(jī)器人是一種功能完整、可獨(dú)立運(yùn)行的典型機(jī)電一體化設(shè)備。它有自身的控制器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和操作界面,可進(jìn)行手動(dòng)、自動(dòng)操作及編程,能依靠自身的控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的功能。廣義上的工業(yè)機(jī)器人是由圖1-4所示的機(jī)器人及相關(guān)附加設(shè)備組成的完整系統(tǒng),總體可分為機(jī)械部件和電氣控制系統(tǒng)兩大部分。

圖1-4 工業(yè)機(jī)器人組成

工業(yè)機(jī)器人(以下簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)器人)系統(tǒng)的機(jī)械部件包括機(jī)器人本體、末端執(zhí)行器、變位器等;電氣控制系統(tǒng)主要包括控制器、驅(qū)動(dòng)器、操作單元、上級(jí)控制器等。其中,機(jī)器人本體、末端執(zhí)行器以及控制器、驅(qū)動(dòng)器、操作單元是機(jī)器人的基本組成部件,所有機(jī)器人都必須配備。

1.機(jī)器人本體

機(jī)器人本體又稱(chēng)操作機(jī),是用來(lái)完成各種作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),包括機(jī)械部件及安裝在機(jī)械部件上的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、傳感器等。

機(jī)器人本體的形態(tài)各異,但絕大多數(shù)都是由若干關(guān)節(jié)和連桿連接而成的。以常用的六軸垂直關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人為例,其運(yùn)動(dòng)主要包括整體回轉(zhuǎn)(腰關(guān)節(jié))、下臂擺動(dòng)(肩關(guān)節(jié))、腕回轉(zhuǎn)和彎曲(腕關(guān)節(jié))等。本體的典型結(jié)構(gòu)如圖1-5所示,其主要組成包括手部、腕部、臂部、腰部、基座等。

機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)包括機(jī)器人的本體機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)等。機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)由機(jī)身(含基座)、臂部(含手腕)和手部三部分組成;機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)多采用交流伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn);機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接,將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中伺服電動(dòng)機(jī)輸出的高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)換為低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力,來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械本體動(dòng)作。常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪、同步帶、減速器等。

2.變位器

變位器是用于機(jī)器人或工件整體移動(dòng),進(jìn)行協(xié)同作業(yè)的附加裝置,它既可選配機(jī)器人生產(chǎn)廠家的標(biāo)準(zhǔn)部件,也可由用戶(hù)根據(jù)需要設(shè)計(jì)、制作。回轉(zhuǎn)變位器如圖1-6所示,通過(guò)選配變位器,可增加機(jī)器人的自由度和作業(yè)空間。此外,變位器還可實(shí)現(xiàn)作業(yè)對(duì)象或其他機(jī)器人的協(xié)同運(yùn)動(dòng),增強(qiáng)機(jī)器人的功能和作業(yè)能力。簡(jiǎn)單機(jī)器人系統(tǒng)的變位器一般由機(jī)器人控制器直接控制,而多機(jī)器人復(fù)雜系統(tǒng)的變位器需要由上級(jí)控制器進(jìn)行集中控制。

圖1-5 工業(yè)機(jī)器人本體的典型結(jié)構(gòu)

圖1-6 回轉(zhuǎn)變位器

通用型回轉(zhuǎn)變位器與數(shù)控機(jī)床的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)類(lèi)似,常用的有如圖1-7所示的單軸和雙軸兩類(lèi)。單軸變位器可用于機(jī)器人或作業(yè)對(duì)象的垂直(立式)或水平(臥式)360°回轉(zhuǎn),配置單軸變位器后,機(jī)器人可以增加1個(gè)自由度。雙軸變位器可實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的360°回轉(zhuǎn)和另一方向的局部擺動(dòng);配置雙軸變位器后,機(jī)器人可以增加2個(gè)自由度。

圖1-7 變位器

a)單軸 b)雙軸

通用型直線變位器與數(shù)控機(jī)床的移動(dòng)工作臺(tái)類(lèi)似,它多用于機(jī)器人本體的大范圍直線運(yùn)動(dòng)。圖1-8所示為常用的水平移動(dòng)直線變位器,但也可以根據(jù)實(shí)際需要,選擇垂直方向移動(dòng)的變位器或雙軸十字運(yùn)動(dòng)、三軸空間運(yùn)動(dòng)的變位器。

3.電氣控制系統(tǒng)

在機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)中,上級(jí)控制器僅用于復(fù)雜系統(tǒng)各種機(jī)電一體化設(shè)備的協(xié)同控制、運(yùn)行管理和調(diào)試編程,它通常以網(wǎng)絡(luò)通信的形式與機(jī)器人控制器進(jìn)行信息交換,因此,實(shí)際上屬于機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)的外部設(shè)備;而機(jī)器人控制器、操作單元、伺服驅(qū)動(dòng)器及輔助控制電路則是機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)必不可少的系統(tǒng)部件。

圖1-8 水平移動(dòng)直線變位器

1.2.2 工業(yè)機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

機(jī)器人腰部主要包括底座、基座兩個(gè)結(jié)構(gòu)件和減速部件。底座一般用地腳螺栓固定在地面上或用螺栓固定在其他的工作平臺(tái)上,底座的尺寸要盡量大一點(diǎn),使其能夠承受較大的傾覆力矩,底座結(jié)構(gòu)上為中空的圓臺(tái),以利于各種電纜等從中經(jīng)過(guò);基座為支撐連接大臂的結(jié)構(gòu)件,既是機(jī)器人的安裝和固定部分,也是機(jī)器人電線、電纜、氣管、油管輸入連接部分,如圖1-9所示。減速部件為電動(dòng)機(jī)后面的減速器,將電動(dòng)機(jī)的高速低轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)為低速高轉(zhuǎn)矩。

腰部是連接臂部和基座,并安裝驅(qū)動(dòng)裝置及其他裝置的部件。腰部結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下應(yīng)盡量減小尺寸,降低質(zhì)量,同時(shí)考慮外觀要求。典型6軸串聯(lián)式工業(yè)機(jī)器人的腰部結(jié)構(gòu)如圖1-10所示。工業(yè)機(jī)器人腰部要承擔(dān)機(jī)器人本體的小臂、腕部和末端負(fù)載,所受力及力矩最大,要求其具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖1-9 工業(yè)機(jī)器人基座結(jié)構(gòu)

1—基座體 2—RV減速器 3、6、8—螺釘 4—潤(rùn)滑管 5—蓋 7—管線連接盒

圖1-10 腰部(S軸)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1—伺服電動(dòng)機(jī) 2—RV減速器輸入軸 3—潤(rùn)滑管 4—電動(dòng)機(jī)座 5—下臂安裝端面 6—腰部

1.2.3 工業(yè)機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)

臂部是工業(yè)機(jī)器人用來(lái)支撐腕部和手部,實(shí)現(xiàn)較大運(yùn)動(dòng)范圍的部件。它不僅承受被抓取工件的質(zhì)量,而且承受末端操作器、手腕和手臂自身質(zhì)量。臂部的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性、臂力和定位精度都會(huì)直接影響機(jī)器人的工作性能。工業(yè)機(jī)器人的臂部由下臂和上臂組成,一般具有2~3個(gè)自由度,即伸縮、回轉(zhuǎn)或者俯仰。典型6軸串聯(lián)式工業(yè)機(jī)器人的下臂部結(jié)構(gòu)如圖1-11所示,典型6軸串聯(lián)式工業(yè)機(jī)器人的上臂部結(jié)構(gòu)如圖1-12所示。

臂部的總質(zhì)量較大,受力較復(fù)雜,直接承受腕部、手部和工具的靜、動(dòng)載荷,在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生較大的慣性力。手臂的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)幾種形式,其中電驅(qū)動(dòng)最為通用。

1.2.4 工業(yè)機(jī)器人的腕部和手部結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人的腕部起到支撐手部的作用,機(jī)器人一般具有6個(gè)自由度才能使手部(末端執(zhí)行器)達(dá)到目標(biāo)位置和處于期望的姿態(tài)。作為一種通用性較強(qiáng)的自動(dòng)化作業(yè)設(shè)備,工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器(手部)是直接執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的裝置,大多數(shù)手部的結(jié)構(gòu)和尺寸都是根據(jù)其不同的作業(yè)任務(wù)要求來(lái)設(shè)計(jì)的,從而形成了多種多樣的結(jié)構(gòu)形式。

手腕是連接末端執(zhí)行器和手臂的部件,通過(guò)手腕可以調(diào)整或改變工件的方位,它具有獨(dú)立的自由度,以便機(jī)器人末端執(zhí)行器適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕一般需要3個(gè)自由度,由3個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組合而成,組合的方式多種多樣。手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的組合形式,各回轉(zhuǎn)方向的定義分別如圖1-13所示。

圖1-11 下臂(L軸)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1—伺服電動(dòng)機(jī) 2、5、8、10、13、14、16—螺釘 3—減速器輸入軸 4—彈簧墊圈 6—堵塞 7—下臂安裝端面 9—墊圈 11—RV減速器 12—彈簧墊圈 15—蓋板 17—墊圈 18—下臂體

圖1-12 上臂(U軸)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1—伺服電動(dòng)機(jī) 2、5、6、11、12、13、14—螺釘 3—減速器輸入軸 4—彈簧墊圈 7—墊圈 8—堵塞 9—RV減速器 10—下臂體 15—墊圈 16—蓋板 17—上臂體

圖1-13 腕部運(yùn)動(dòng)

a)手腕的翻轉(zhuǎn) b)手腕的俯仰 c)手腕的偏轉(zhuǎn)

為了使手部能處于空間任意方向,一般需要3個(gè)自由度,即翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)。通常把手腕的翻轉(zhuǎn)稱(chēng)作Roll,用R表示;把手腕的俯仰稱(chēng)作Pitch,用P表示;把手腕的偏轉(zhuǎn)稱(chēng)作Yaw,用Y表示。手腕結(jié)構(gòu)多為上述三種回轉(zhuǎn)方式的組合,組合的方式可以有多種形式。圖1-14所示為典型的3自由度手腕。

圖1-14 典型的3自由度手腕

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