《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》課程教案

課題：模塊3工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)

課型：新授課

課時(shí)：

本章安排4個(gè)課時(shí)。

教學(xué)過程：

1.教學(xué)形式：講授課，教學(xué)組織采用課堂整體講授和分組演示。

2.教學(xué)媒體：采用啟發(fā)式教學(xué)、案例教學(xué)等教學(xué)方法。教學(xué)手段采用多媒

體課件、視頻等媒體技術(shù)。

板書設(shè)計(jì)：

本課標(biāo)題模塊3工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)課次2

課時(shí)安4

授課方式理論課□討論課□習(xí)題課□其他口排

學(xué)分共2分

授課對象應(yīng)用型本科院校和高職院校工'也機(jī)器人專任課教

業(yè)學(xué)生師

教材及參考1.《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》。

資料2.本教材配套視頻教程及學(xué)習(xí)檢查等資源。

3.與本深程相關(guān)的其他資源。

教學(xué)基本內(nèi)容教學(xué)方法及教學(xué)手段

引言參考以下形式：

口機(jī)械系統(tǒng)是由機(jī)械零件組成的工程系統(tǒng)，它是

1銜.接導(dǎo)入

很多工具、機(jī)器及現(xiàn)代化設(shè)備的主體。從人類使用2.懸念導(dǎo)入

工具及金屬開始，各種機(jī)械結(jié)構(gòu)不斷被應(yīng)用于勞動(dòng)3情.樂導(dǎo)入

生產(chǎn)。隨著物理學(xué)、數(shù)學(xué)及材料科學(xué)的發(fā)展，越來4激.嬰導(dǎo)入

越多的新型結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于各種機(jī)械產(chǎn)品。5.演示導(dǎo)入

6.實(shí)例導(dǎo)入

7.其他形式

本章基本知識(shí)匯總1.教學(xué)以學(xué)生學(xué)習(xí)教材的基

單元1工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)概述本內(nèi)容為主，系統(tǒng)全面地學(xué)

一、機(jī)械系統(tǒng)的意義習(xí)稅收制度的構(gòu)成要素的基

最早的“機(jī)械”定義是古羅馬建筑師維特魯威本內(nèi)容。

在其著作《建筑十書》中所提出，主要是對搬運(yùn)重2.整個(gè)教學(xué)過程中，各教學(xué)

物的機(jī)械和工具作了區(qū)別：“機(jī)械和工具之間似乎點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行拓

有著以下的區(qū)別，即機(jī)械是以多數(shù)人工和很大的力展知識(shí)的講解。

量而發(fā)生效果，如重弩炮和葡萄壓榨機(jī),：而工具蛆

是由一名操縱人員慎重地處理來達(dá)到目的，如蝸形

輕弩炮或不等圓的螺旋裝置。”因此，機(jī)械和工具

都是實(shí)際生產(chǎn)中不可缺少的東西。古羅馬數(shù)學(xué)家希

羅認(rèn)為機(jī)械的要素有五類：輪與軸、杠桿、滑車、

尖劈、螺旋。這一論述反映了古典機(jī)械的特征。

現(xiàn)代機(jī)械的定義來源于機(jī)械工程學(xué)。機(jī)器是執(zhí)

行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，用來變換或傳遞能量、物料、

信息。在生產(chǎn)和日常生活中，機(jī)器已成為代替或減

輕人類勞動(dòng)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的主要手段。使用機(jī)

器的水平是衡量一個(gè)國家現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。

二、機(jī)械系統(tǒng)的組成及功能

工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要指的是本體部分

的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行

機(jī)構(gòu)組成。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是為機(jī)械的運(yùn)動(dòng)功能提供驅(qū)動(dòng)力的

機(jī)構(gòu)，常用的有電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和氣

動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是指把驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳遞給執(zhí)行

機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)部分。在實(shí)際應(yīng)用中，除了本身的傳動(dòng)

功能，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)還能進(jìn)行變速、變向、改變扭矩及

改變運(yùn)動(dòng)形式等功能,這為機(jī)械運(yùn)動(dòng)提供了廣闊的

設(shè)計(jì)天地。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指在機(jī)械設(shè)備中用于執(zhí)行具體工

作的部分

在很多機(jī)械設(shè)備中，有的既是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也是執(zhí)

行機(jī)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)中，它們沒有明顯的區(qū)分。

單元2工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)械設(shè)備中的傳動(dòng)系統(tǒng)是指把動(dòng)力設(shè)備的動(dòng)

力傳遞給工作機(jī)構(gòu)的中間機(jī)械裝置。

工業(yè)機(jī)器人中常用的傳動(dòng)系統(tǒng)有齒輪傳動(dòng)機(jī)

構(gòu)、同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲杠與導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲杠

與滾珠花鍵傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

一、齒輪傳動(dòng)

齒輪是指輪緣上有齒的輪狀連續(xù)嚙合傳遞運(yùn)

動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)械元件。由兩個(gè)或以上齒輪組成的機(jī)

構(gòu)是齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。齒輪機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最廣的傳動(dòng)機(jī)

構(gòu)之一。

為了獲得大的傳動(dòng)比，或?yàn)榱藢⑤斎胼S的一種

轉(zhuǎn)速變換為輸出軸的多種轉(zhuǎn)速等原因，常采用一系

列互相嚙合的齒輪將輸入軸和輸出軸連接起來。這

種由一系列齒輪組成的傳動(dòng)系統(tǒng)稱為輪系。

輪系可分為兩種類型：定軸輪系和周轉(zhuǎn)輪系。

1.齒輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

(1)傳動(dòng)比和功率范圍廣。

（2）傳動(dòng)比穩(wěn)定，傳動(dòng)效率高。

（3）可實(shí)現(xiàn)平行軸、任意角度相交軸及任意

角交錯(cuò)軸之間的傳動(dòng)。

2.齒輪機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)

（1）制造和安裝精度要求高，成本較高。

（2）不適于遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。

按照兩軸的相對位置和齒向。

工業(yè)機(jī)器人使用的減速機(jī)均是以齒輪為傳動(dòng)

基體，所以，齒輪是工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心部

件。不僅是工業(yè)機(jī)器人，齒輪的應(yīng)用幾乎涵蓋了整

個(gè)現(xiàn)代動(dòng)力設(shè)備。

二、同步帶傳動(dòng)

同步帶傳動(dòng)是以內(nèi)壁成齒狀的同步帶和外周

成齒狀的同步輪嚙合實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)。

同步帶通常是由橡膠、抗拉體和包布制成的。

抗拉體在傳動(dòng)中為同步帶提供支撐力。

根據(jù)齒形分類，同步帶有梯形齒、圓弧形齒、

S型齒和拋物線型齒等類型，最常用的是梯形齒和

圓弧形齒。

同步帶同步輪一般由45#、鋁合金等材料制

成，再進(jìn)行相應(yīng)的表面處理。

1.同步帶傳動(dòng)的特點(diǎn)

（1）傳動(dòng)準(zhǔn)確，工作時(shí)無滑動(dòng)，具有恒定的

傳動(dòng)比。

（2）傳動(dòng)平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲

低。

（3）傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.98,節(jié)能效果明顯。

（4）維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護(hù)費(fèi)用低，

（5）速率比范圍大，一般可達(dá)1（）,線速度可

達(dá)50m/s,具有較大的功率傳遞范圍，可達(dá)幾瓦至J

幾百千瓦。

（6）可用于長距離傳動(dòng)，中心距可達(dá)10m以

上。

（7）相對于V型帶傳送，預(yù)緊力較小，軸和

軸承上所受載荷小。

因此，同步帶傳動(dòng)被廣泛用于紡織、機(jī)床、煙

草、通訊電纜、輕工、化工、冶金、儀表儀器、食

品、礦山、石油、汽車等各行業(yè)各種類型的機(jī)械傳

動(dòng)中，尤其在靜音、無塵、干燥的工作環(huán)境下具有

巨大的優(yōu)勢。

2.同步帶的失效形式

（1）帶體疲勞斷裂。

（2）帶齒剪斷和壓潰。

（3）帶側(cè)、帶齒磨損，包布剝離。

（4）承載層伸長、節(jié)距增大，形成齒的干涉、

爬齒。

（5）沖擊、過載使帶體斷裂。

（6）帶背面裂紋或帶變軟。

（7）運(yùn)行噪音過大。

三、絲杠與導(dǎo)軌傳動(dòng)

（一）滾珠絲杠

滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)?/p>

直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，是工具機(jī)械

和精密機(jī)械上最常用的傳動(dòng)元件，兼具高精度、可

逆性和高效率的特點(diǎn)。由于滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦阻

力極小，因此被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀

器。

滾珠絲杠根據(jù)鋼珠回流方式分為三類，分別是

外循環(huán)式、內(nèi)循環(huán)式、端蓋式。

1.外循環(huán)式

2.內(nèi)循環(huán)式

3.端蓋式循環(huán)

滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)有行程、軸徑、螺距、

珠圈、回流方式、珠卷回流系數(shù)、珠徑和螺帽形式

等。

（1）行程：螺母做線性運(yùn)動(dòng)的有效行程。

（2）軸徑：絲杠宜徑，軸徑越大，負(fù)載越大,

（3）螺距：珠槽睬旋線螺距，螺距越大，速

度比越小。大螺距通常用于高速運(yùn)動(dòng)的工作，小螺

距用于中低速且定位精度較高的工作。

（4）珠圈：螺母內(nèi)回流鋼珠與絲杠珠槽的接

觸圈數(shù)。珠圈數(shù)越大，負(fù)載越大，摩擦力也越大。

（5）回流方式：外循環(huán)式、內(nèi)循環(huán)式、端蓋

式。

（6）珠卷回流系數(shù)：每一個(gè)鋼珠回流系統(tǒng)中

鋼珠與絲杠珠槽的接觸圈數(shù)。一個(gè)螺母可能有多個(gè)

回流系統(tǒng)。

（7）珠徑：鋼珠直徑。珠徑越大，負(fù)載越大,

機(jī)構(gòu)的外形尺寸也越大。

（8）螺帽形式：螺帽形式指的螺帽外形結(jié)構(gòu),

通常與安裝許可情況相關(guān)。

（二）導(dǎo)軌

古埃及在修建金字塔時(shí)有大量的石材需要搬

運(yùn)，而它們都重達(dá)數(shù)噸，所以搬運(yùn)這樣的重物是個(gè)

不小的難題。埃及人用他們的智慧找到了很好的解

決方法——在重石的下面墊上可以滾動(dòng)的圓木，搬

運(yùn)重物就輕松了許多。

這樣的簡易機(jī)構(gòu)演變到今天，人們制造出了摩

擦力更小、精度更高的精密滾動(dòng)機(jī)構(gòu)一線性導(dǎo)

軌。

導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)軌和滑塊組成。滑塊內(nèi)裝有

滾動(dòng)體，滾動(dòng)體的兩側(cè)分別與導(dǎo)軌和滑塊的滑槽接

觸產(chǎn)生滑動(dòng)作用。

根據(jù)滾動(dòng)槽的位置和安裝方式不同，導(dǎo)軌的形

式也各種各樣。各種不司形式的導(dǎo)軌在受力上有所

區(qū)別，根據(jù)滾動(dòng)體的類型可分為滾珠式和滾柱式:

常用的導(dǎo)優(yōu)機(jī)構(gòu)多為滾珠式，該結(jié)構(gòu)成本低、通用

性強(qiáng)；滾柱式成本高但壽命長，承載能力強(qiáng)，多用

于高速重載。

（三）組合應(yīng)用

滾珠絲杠和導(dǎo)軌在組合使用時(shí)，絲杠與導(dǎo)軌平

行安裝，電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣運(yùn)動(dòng)體就可以在

導(dǎo)軌上做線性運(yùn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際需要與安裝環(huán)境的不

同，通常一根絲杠配合一根或兩根導(dǎo)軌組合使用。

四、絲杠與滾珠花鍵傳動(dòng)

（?）滾珠花鍵

滾珠花鍵結(jié)構(gòu)由花鍵軸和花鍵套組成，花鍵羯

是一根表面加工有珠槽的光軸，花鍵套包括外筒主

體、鋼珠、保持器、密封側(cè)環(huán)。鋼珠與花鍵軸的珠

槽和保持器接觸，以使花鍵套在花鍵軸上做定向線

性運(yùn)動(dòng)。

與導(dǎo)軌相比，滾珠花鍵結(jié)構(gòu)的載荷較低，長時(shí)

間使用后，花鍵軸易彎曲變形。但其結(jié)構(gòu)簡單，安

裝容易，因此，也廣泛用于各種工業(yè)設(shè)備的傳動(dòng)結(jié)

構(gòu)。

常用的滾珠花鍵結(jié)構(gòu)有很多種，常見的一些。

滾珠花鍵的性能參數(shù)主要為扭矩：花鍵軸徑越大,

扭矩越大；珠槽接觸面鋼珠數(shù)越多，扭矩越大。

（二）絲杠與滾珠花鍵的應(yīng)用

四軸Scara機(jī)器人的第3、4軸的傳動(dòng)通常用

的是滾珠絲杠和滾珠花鍵。滾珠絲杠被電機(jī)驅(qū)動(dòng)艇

轉(zhuǎn)，通過滾珠螺母使花鍵軸在z方向做線性運(yùn)動(dòng)C

花鍵套被電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)，使花鍵軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

滾珠花鍵結(jié)構(gòu)除了應(yīng)用在Scara機(jī)器人上以

外，還常用在Delta機(jī)器人上。由于Delta機(jī)器人

的末端執(zhí)行器需要在z軸方向運(yùn)動(dòng)，還要繞z軸做

回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣的運(yùn)動(dòng)需求與Scara機(jī)器人第3粕

的運(yùn)動(dòng)需求是一樣的，所以同樣需要用到滾珠花鍵

結(jié)構(gòu)。

單元3工業(yè)機(jī)器人常用減速機(jī)

一、行星減速機(jī)

行星減速機(jī)是通過固定內(nèi)齒圈驅(qū)動(dòng)太陽輪和

行星齒輪組所組成的減速裝置。內(nèi)齒圈固定安裝在

減速器箱體內(nèi)，其中心有一個(gè)靠外部動(dòng)力(電機(jī))

所驅(qū)動(dòng)的太陽齒輪，行星齒輪組位于兩者之間，它

由三顆以上的齒輪在托盤上組合構(gòu)成。

若太陽輪齒數(shù)為R1,行星輪齒數(shù)為R2,內(nèi)齒

圈齒數(shù)為R3,則減速比i=R3/Rl,且Rl+(2xR2)

=R3o

有時(shí)因需要的減速比很大，行星減速機(jī)還被設(shè)

計(jì)成多級減速器——將兩套或三套行星減速機(jī)構(gòu)

串聯(lián)在一起，以此實(shí)現(xiàn)大減速比。多級行星減速機(jī)

比單級的長度要長一些。

從傳動(dòng)方向上分，行星減速機(jī)主要有同軸方向

和垂直方向兩種。如有特殊方向要求，也可定制。

行星減速機(jī)因其體積小、傳動(dòng)效率高、減速范

圍廣、精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于伺服、步進(jìn)、

直流等傳動(dòng)系統(tǒng)中，在工業(yè)機(jī)器人中也常被使用。

二、RV減速機(jī)

RV減速機(jī)由?個(gè)行星齒輪減速機(jī)的前級和-

個(gè)擺線針輪減速機(jī)的后級組成，是在一定條件下具

有自鎖功能的傳動(dòng)機(jī)械，也是工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用

最廣泛的減速機(jī)。

擺線針輪減速機(jī)由輸入軸、偏心軸承、擺線輪、

針齒、輸出軸組成。輸入軸連接偏心軸承內(nèi)孔，偏

心軸承裝入偏心輪，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)并

驅(qū)動(dòng)擺線輪，擺線輪再帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到減速

的目的。

RV減速機(jī)是先以輸入軸按照擺線針輪減速原

理驅(qū)動(dòng)擺線輪，再以擺線輪驅(qū)動(dòng)行星齒輪組，齒輪

組與輸出軸齒嚙合。

RV減速機(jī)是在傳統(tǒng)針擺行星傳動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)

展而來，具有體積小、質(zhì)量輕、傳動(dòng)比范圍大、壽

命長、精度保持穩(wěn)定、效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)等一系列

優(yōu)點(diǎn)。RV減速機(jī)與諧波減速機(jī)相比，具有更高的

疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命，而且回程精度穩(wěn)定，故越

來越多的高