三自由度机械手腕设计机构设计
1.1工业机器人简介
机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手,能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置,以执行种种任务[1]。工业机器人是一种用于工业生产的机器人系统,通过自动化、可编程的控制下完成工作,并能够代替人力完成生产线上的各种工作,特别是在一些很不利于劳动者身体健康的恶劣环境下。
图 1 KUKA 工业机器人系统
机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:其一,它能部分的代替人工操作;其二,它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序,时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三,它能操作必要的机具进行焊接和装配。在我国,近几年来也有较快的发展,并取得一定的效果,受到机械工业和铁路工业部门的重视。
1.2 工业机器手简介
第 2 章 六自由度工业机械臂运动系统总体设计
工业机械臂是一种典型的机电一体化装备,整个工业机械臂系统主要包括结构本体、驱动系统、传感系统及控制系统。
2.2 设计原则、设计思路及设计要求
工业机械臂运动系统设计是一项综合性的工作,在设计过程中应注意以下设计原则:
(1)最小运动惯量原则,减小机械臂的运动惯量,可以提高机械臂的运动平稳性。
(2)高强度设计原则。在机械臂上,应当选择强度相对较高但密度相对较小的材料。
(3)高刚度设计原则。应选择弯曲刚度和扭转刚度较高的剖面形状和尺寸,以提高刚度。
(4)可靠性原则。可靠性问题对于机械臂这种结构复杂、环节较多的系统显得十分重要。
(5)经济性原则。设计的机械臂应当在满足各项性能指标的情况下,使其更具经济性。
在此次课程设计当中,要求对后3关节(J4、J5、J6)进行设计,其自由度为3。
运动速度一般是指各关节运动时的最大转动速度。课程设计中速度工作范围如下。
结合课程设计的实际的工作任务要求,最终确定了该工业机械臂的主要技术参数,如表 2.1 所示。
关节 |
关节范围 |
额定速度 |
J4 |
±350°(关节零位时关节4的轴线与地面平行) |
122°/s |
J5 |
±122.5° |
113°/s |
J6 |
±350°(关节零位时关节6的轴线与地面垂直) |
175°/s |
确定末端执行器的作业方法,一般需要3个自由度,由3个回转关节组合而成,组合的方式有多种多样。常用的如图1所示,腕关节配置一般由臂转、腕摆、手转三部分组成。
手腕的设计除应满足起动和传递过程中所需的输出力矩外,还要求满足以下要求:
(1) 由于腕部处于手臂末端,为减轻手臂的载荷,应力求腕部结构紧凑、减少重量和体积。腕部机构的驱动装置多采用分离传动,将驱动器安置在手臂的后端。
(3) 为提高腕部动作的精确性,应提高传动的刚度,尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。
(4) 对手腕各回转关节轴上要设置限位开关,以防止关节超限造成事故。
2.2腕部的结构特点
2.2.1 概述
腕部结构通常只采用转动方式,但也有的腕部可作短距离平移。 根据转动特点的不同,用于手腕关节的转动又可细分为弯转(用B来标记)和滚转(用R来标记),分别如图3中(a)和(b)所示。
2.2.4三自由度手腕
有R关节和B关节的组合构成的三自由度手腕可以有多种型式,实现翻转、俯仰和偏转功能。其中BBR型的手腕最为流行。
根据机械臂的设计要求,同时结合机械臂手臂和手腕各构型特点的分析比较,提出六自由度关节型机械臂的结构简图,机械臂整个机构为一个串联型单开链的结构形式,由六个关节组成,前三个关节负责机械臂的位置调整,后三个关节负责机械臂的姿态调整。
4轴、5轴和6轴的结构示意图如图4所示。4自由度电机与4自由度电机安装套通过螺栓连接,4 自由度电机安装套与机械臂小臂(图4 中未示出)通过螺栓连接,联轴器与5 自由度电机安装套通过螺栓连接,5 自由度电机安装套通过轴承嵌套在机械臂的小臂内部,4 自由度电机输出轴与联轴器采用键连接,联轴器与5 自由度电机安装套采用键连接,机械臂的手腕部分与5 自由度电机安装套采用螺钉连接的方式,从而使4 自由度电机的动力可以传递到手腕部分,带动手腕前部的旋转。5 自由度电机安装在相应的电机安装套中,5 自由度电机的输出轴与锥齿轮1 采用键连接,锥齿轮2 与锥齿轮1 为1 ∶ 1 传动。6 自由度关节的相应部件安装在6 自由度电机安装套之上,6 自由度电机安装套与锥齿轮2 通过键连接固定,从而使5 自由度电机的动力可以传递到手腕的前部,带动手腕前部的俯仰。
4 轴~6 轴的机械结构设计后3 个关节控制前臂转动、腕部摆动和腕部转动,3 个电机均布置于小臂的后侧,采用外部走线,保证了电机信号的稳定性(采用内部走线需设计导电滑环结构,信号不稳定。小臂旋转电机通过一级直齿减速,直接与小臂固定连接,控制小臂沿轴线转动;腕部摆动电机和腕部转动电机均由齿轮减速,通过传动轴将驱动力传到腕部。腕部摆动传动轴和腕部摆动锥齿轮1 相连,摆动锥齿轮2 与腕部壳体相连,实现腕部的摆动;腕部转动传动轴经过锥齿轮、直齿轮和锥齿轮的传动,实现腕部沿轴线转动。
腕部摆动传动轴和腕部摆动锥齿轮1 相连,摆动锥齿轮2 与腕部壳体相连,实现腕部的摆动;腕部转动传动轴经过锥齿轮、直齿轮和锥齿轮的传动,实现腕部沿轴线转动。图4 为腕部传动示意图
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