機械制造裝備設(shè)計第四章習題答案(關(guān)慧貞)

PAGEPAGE329第四章工業(yè)機器人設(shè)計思考題與習題工業(yè)機器人的定義是什么？操作機的定義是什么？答：我國國家標準GT/T12643-1997《工業(yè)機器人詞匯》將工業(yè)機器人定義為“是一種能自動控制、可重復編程、多功能、多自由度操作機，能搬運物料、工件或夾持工具，用以完成各種作業(yè)”；將操作機定義為“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置”。工業(yè)機器人由哪幾部分組成？并比較它與數(shù)控機床組成的區(qū)別。答：工業(yè)機器人由操作機、驅(qū)動單元和控制裝置組成。數(shù)控機床一般由機床本體、伺服系統(tǒng)和數(shù)控裝置組成。二者組成的區(qū)別主要在于機械本體，機器人操作機通常由末端執(zhí)行器、手腕、手臂和機座組成，而數(shù)控機床機械本體通常包含主運動部件、進給運動部件、支承部件、冷卻潤滑、排屑等部分。工業(yè)機器人的基本功能和基本工作原理是什么？它與機床主要有何相同和不同之處？答：工業(yè)機器人基本功能是提供作業(yè)所需的運動和動力，其基本工作原理是通過操作機上各運動構(gòu)件的運動，自動地實現(xiàn)手部作業(yè)的動作功能及技術(shù)要求。在基本功能及基本工作原理上，工業(yè)機器人與機床有如下相同之處：二者的末端執(zhí)行器都有位姿變化要求；二者都是通過坐標運動來實現(xiàn)末端執(zhí)行器的位姿變化要求。二者的主要不同之處有：機床是以直角坐標形式運動為主，而機器人是以關(guān)節(jié)形式運動為主；機床對剛度、精度要求很高，其靈活性相對較低；而機器人對靈活性要求很高，其剛度、精度相對較低工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)類型有哪幾類？各種類型的特點如何？答：工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)類型有如下四類：關(guān)節(jié)型機器人，其特點是關(guān)節(jié)一般為回轉(zhuǎn)運動副，靈活性好，工作空間范圍大（同樣占地面積情況下），但剛度和精度較低；球坐標型機器人，其特點是按球坐標形式動作（運動），靈活性好，工作空間范圍大，但剛度、精度較差；圓柱坐標型機器人，其特點是按圓柱坐標形式動作，靈活性較好，工作空間范圍較大，剛度、精度較好；直角坐標型機器人，其特點是按直角坐標形式動作，剛度和精度高，但靈活性差，工作空間范圍小。如何選擇和確定機器人的坐標系？分析圖4-5所示的PUMA機器人的坐標系是如何確定的？答：坐標系按右手定則確定。絕對坐標系X-Y-Z，機座坐標系X0-Y0-Z0和機械接坐標系Xm-Ym-Zm的取法參考GB-T16977-1997《工業(yè)機器人坐標系和運動命名》。關(guān)節(jié)坐標系Xi-Yi-Zi以下簡明的方法確定：(1)確定基準狀態(tài)—般可取機器人處于機械原點時的狀態(tài)作為基準狀態(tài)。也可以取機器人各關(guān)節(jié)軸線(或大部分關(guān)節(jié)軸線)與機座直角坐標系軸線平行時的狀態(tài)作為基準狀態(tài)。(2)關(guān)節(jié)坐標軸軸線位置的選取取Zi軸與i關(guān)節(jié)的運動方向一致。對于回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，取Zi軸與i關(guān)節(jié)的軸線重合；對于移動關(guān)節(jié)，取Zi軸與i關(guān)節(jié)的運動方向平行(或重合)。(3)關(guān)節(jié)坐標方向的選取采用右手坐標系，規(guī)定Xi、Zi軸的方向，Yi軸方向就自然確定了。原則上Xi、Zi軸的正向可視方便任意選取，但應盡可能使各坐標系間的坐標變簡單。圖4-5PUMA機器人的坐標系就是按上述方法確定的。機器人的自由度表示什么？它與機床中的軸數(shù)和原動件是否相等？答：自由度是表示工業(yè)機器人動作靈活程度的參數(shù)，以直線運動和回轉(zhuǎn)運動的獨立運動數(shù)表示(一般末端執(zhí)行器本身的動作不包括在內(nèi)，如夾持器手爪的開合運動，因為它不影響夾持器的位姿特性)?？梢钥闯鰴C器人的自由度數(shù)相當于機床的軸數(shù)，都表示運動的個數(shù)。機器人的自由度數(shù)與原動件數(shù)目相等。工業(yè)機器人的設(shè)計內(nèi)容與步驟大致如何？答：（1）.總體設(shè)計：1）基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計。在總體方案設(shè)計階段首先要確定的主要參數(shù)有如下幾種：用途，額定負載，工作空間，額定速度，驅(qū)動方式的選擇，性能指標；2）總體方案設(shè)計包括：運動功能方案設(shè)計，傳動系統(tǒng)方案設(shè)計，結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計，參數(shù)設(shè)計，控制系統(tǒng)方案設(shè)計，總體方案評價；（2）詳細設(shè)計詳細設(shè)計內(nèi)容包括：裝配圖設(shè)計、零件圖設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計。（3）總體評價總體設(shè)計階段所得的設(shè)計結(jié)果，是各構(gòu)件及關(guān)節(jié)的概略形狀及尺寸，通過詳細設(shè)計將其細化了，而且總體設(shè)計階段尚未考慮的細節(jié)也具體化了，因此各部分尺寸會有一些變化，需要對設(shè)計進行總體評價，檢測其是否能滿足所需設(shè)計指標的要求。機器人的運動如何用齊次坐標變換來表示？答：機器人個關(guān)節(jié)的運動是坐標運動，坐標運動可以用齊次坐標變換來表示。機器人的運動可用運動后的坐標系相對于運動前坐標系的齊次坐標變換矩陣來表示。工業(yè)機器人的位姿的含義是什么？答：是指機器人末端執(zhí)行器在指定坐標系中的位置和姿態(tài)。如何用作業(yè)動作功能要求來描述機器人位姿？答：可用作業(yè)軌跡對末端執(zhí)行器在機座坐標系或絕對坐標系下的位姿要求來表示作業(yè)動作功能要求，而末端執(zhí)行器可用機械接口坐標系表示，所以對末端執(zhí)行器的位姿要求可直接用機械接口坐標系與機座坐標系或絕對坐標系間的齊次變換來表示。如何用關(guān)節(jié)運動來描述機器人的位姿？答：對工業(yè)機器人手腕設(shè)計的要求有：（1）由于手腕處于手臂末端，為減輕手臂的載荷，應力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減少其重量和體積。為此腕部機構(gòu)的驅(qū)動裝置多采用分離傳動，將驅(qū)動器安置在手臂的后端。（2）手腕部件的自由度愈多，各關(guān)節(jié)角的運動范圍愈大，其動作的靈活性愈高，機器人對作業(yè)的適應能力也愈強。但增加手腕自由度，會使手腕結(jié)構(gòu)復雜，運動控制加度加大。因此，設(shè)計時，不應盲目增加手腕的自由度數(shù)。通用目的機器手手腕多配置3個自由度，某些動作簡單的專用工業(yè)機器人的手腕，根據(jù)作業(yè)實際需要，可減少其自由度數(shù)，甚至可以不設(shè)置手腕以簡化結(jié)構(gòu)。（3）為提高手腕動作的精確性。應提高傳動的剛度，應盡量減少機械傳動系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)回差。如齒輪傳動中的齒側(cè)間隙，絲杠螺母中的傳動間隙；聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)間隙等。對分離傳動采用鏈、同步齒帶傳動或傳動軸。（4）對手腕回轉(zhuǎn)各關(guān)節(jié)軸上要設(shè)置限位開關(guān)和機械擋塊，以防止關(guān)節(jié)超限造成事故。手腕的誘導運動的含義是什么？誘導運動的存在對什么有影響？答：如圖4-34所示之手腕結(jié)構(gòu)。當鏈6和鏈輪4不動，使鏈7和鏈輪5單獨轉(zhuǎn)動時，由于軸10不動，轉(zhuǎn)動的殼體8將迫使圓錐齒輪11作行星運動，即齒輪11隨殼體8作公轉(zhuǎn)(上下俯仰)，同時還繞軸14作一附加的自轉(zhuǎn)運動，稱為“誘導運動”。誘導運動的存在使得對手腕的運動控制變得復雜。機器人末端執(zhí)行器應滿足的要求是什么？答：（1）不論是夾持或吸附，末端執(zhí)行器需具有滿足作業(yè)需要的足夠的夾持(吸附)力和所需的夾持位置精度。（2）應盡可能使末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，重量輕，以減輕手臂的負荷。專用的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，而能完成多種作業(yè)的“萬能”末端執(zhí)行器可能帶來結(jié)構(gòu)復雜，費用昂貴的缺點，因此提倡設(shè)計可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器。在機械制造系統(tǒng)中工業(yè)機器人的選擇與布局設(shè)計原則是什么？答：在進行工業(yè)機器人的選擇和系統(tǒng)布局設(shè)計上應考慮以下原則：（1）滿足作業(yè)技術(shù)參數(shù)要求；（2）性能價格比好；（3）滿足系統(tǒng)的生產(chǎn)節(jié)拍要求；（4）單元的布局設(shè)計應盡可能緊湊，以減少對機器人工作空間的要求，減小制造系統(tǒng)的占地面積（或空間），縮短機器的運動路徑；（5）機器人與系統(tǒng)中的相聯(lián)接的裝備控制應協(xié)調(diào)。AGV運動原理圖及運動自由度如何描述？答：AGV運動原理圖是將其運動功能用簡潔的符號和圖形表達出來；AGV物流小車運動數(shù)目用自由度表示，有3自由度AGV和2自由度AGV。AGV的各個運動是相對大地運動，屬于并聯(lián)運動形式，因此不能直接用它的實際運動軸的運動描述，需用虛擬軸運動表示。AGV的實軸運動有兩種：①驅(qū)動運動（車輪回轉(zhuǎn)，驅(qū)動車體相對地面移動），②操舵運動（轉(zhuǎn)向機構(gòu)驅(qū)動車輪相對車體偏轉(zhuǎn)）。AGV的虛擬軸運動是將AGV的實軸運動等效為虛擬軸運動，如2自由度的AGV只要用車體坐標系虛擬軸運動v和ω描述就可以了。AGV運動轉(zhuǎn)向方式有哪些？答：AGV