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作业 1、机身和臂部的作用各是什么?在设计时应注意哪些问题? 2、手腕上的自由度主要起什么作用?若要求手部能处于空间任意方向,则手腕应具有什么样的自由度? 第二章 工业机器人的总体设计 2.1 机器人总体设计 2.2 机器人传动机构 2.3 机身和臂部机构 2.4 机器人的腕部结构 2.5 机器人的手部结构 2.6 机器人的行走能力 2.1 机器人总体设计 工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆和运动副(关节)组成的坐标形式。 2.1.1 坐标形式的选择 最广泛使用的机器人的坐标形式有:直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式、关节坐标式(包括平面关节式)。 在确定主体结构时,应该明确其应用场合和功能要求,综合考虑各种坐标形式的优缺点,选择合适的主体结构。 2.1.2 机器人本体材料的选择 选择机器人本体材料应从机器人的性能要求出发,满足机器人的设计和制作要求。 1、材料选择的基本要求 1) 强度高。机器人臂是直接受力的构件,高强度材料不仅能满足机器人臂的强度条件,而且可望减少臂杆的截面尺寸,减轻重量。 2) 弹性模量大。构件刚度(或变形量)与材料的弹性模量E有关。弹性模量越大,变形量越小,刚度越大。不同材料弹性模量的差异比较大,而同一种材料的改性对弹性模量却没有太多改变。比如,普通结构钢的强度极限为420MPa,高合金结构钢的强度极限为2000~2300MPa,但是二者的弹性模量E却没有多大变化,均为2.1×105MPa。因此,还应寻找其他提高构件刚度的途径。 3)重量轻。机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由惯性力引起的,与构件的质量有关。也就是说,为了提高构件刚度选用弹性模量E大而密度ρ也大的材料是不合理的。因此,提出了选用高弹性模量、低密度材料的要求。 4)阻尼大。选择机器人的材料时不仅要求刚度大,重量轻,而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人臂经过运动后,要求能平稳地停下来。可是在终止运动的瞬时构件会产生惯性力和惯性力矩,构件自身又具有弹性,因而会产生残余振动。从提高定位精度和传动平稳性来考虑,希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。 5)材料经济性。材料价格是机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等用来作为机器人臂的材料是很理想的,但价格昂贵。 2、机器人常用材料简介 1)碳素结构钢和合金结构钢 这类材料强度好,特别是合金结构钢,其强度增大了4~5倍,弹性模量E大,抗变形能力强,是应用最广泛的材料。 2)铝、铝合金及其他轻合金材料 这类材料的共同特点是重量轻,弹性模量E并不大,但是材料密度小,故E/ρ之比仍可与钢材相比。有些稀贵铝合金的品质得到了更明显的改善,例如添加3.2%(重量百分比)锂的铝合金,弹性模量增加了14%,E/ρ比增加了16%。 3)纤维增强合金 这类合金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等,其E/ρ比分别达到11.4×107 和8.9×107。这种纤维增强金属材料具有非常高的E/ρ比,但价格昂贵。 4)陶瓷 陶瓷材料具有良好的品质,但是脆性大,不易加工,日本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人臂样品。 5)纤维增强复合材料 这类材料具有极好的E/ρ比,而且还具有十分突出的大阻尼的优点。传统金属材料不可能具有这么大的阻尼,所以在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。 6)粘弹性大阻尼材料 增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法用来增加结构件材料的阻尼,其中最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。 2.2 机器人传动机构 传动机构是连接动力源和运动连杆的关键部分,根据关节形式,常用的传动机构形式有直线传动和旋转传动机构。 2.2.1 直线传动机构 直线传动方式可用于直角坐标机器人的X、Y、Z向驱动,圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动,以及球坐标结构的径向伸缩驱动。 直线运动可以通过齿轮齿条、丝杠螺母等传动元件将旋转运动转换成直线运动,也可以有直线驱动电机驱动,也可以直接由气缸或液压缸的活塞产生。 1、齿轮齿条装置 通常齿条是固定的。齿轮的旋转运动转换成托板的直线运动。 优点:结构简单。 缺点:回差较大 2、普通丝杠 由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴移动。 优点:传动平稳(面接触),无噪声,能自锁(螺纹升角小),减速比较大,驱动力矩小。 缺点:摩擦力较大,效率低,低速易爬行,精度低,回差大。 自锁的经验条件:导程小于螺杆直径的1/3 3、滚珠丝杠 在丝杠和螺母的螺旋槽内嵌入滚珠,并通过螺母中的导向槽使滚珠能连续循环。 优点:摩擦力小,传动效率高,无爬行,精度高 缺点:制造成本高,结构复杂。 1-丝杠 2-螺母 3-滚珠 4-
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