工業(yè)機(jī)器人設(shè)計說明書總文

1、采區(qū)變壓器的選擇變壓器的型號選擇在確定變壓器型號時，應(yīng)考慮變壓器的使用場所、電壓等級和容量等級，還應(yīng)考慮巷道斷面、運(yùn)輸條件、備品配件來源等因素。一般在變電硐室內(nèi)的動力變壓器，選擇礦用一般型油浸變壓器。為了供電經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量選用低損耗變壓器。故選用礦用變壓器KS11。變壓器臺數(shù)確定對采區(qū)變電所一臺變壓器滿足要求時盡量選一臺。如需采用多臺變壓器時，最好不采用幾個工作面共用一臺變壓器的供電方式。如采區(qū)變電所的供電負(fù)荷中有一類負(fù)荷，變壓器的臺數(shù)不得少于兩臺。根據(jù)現(xiàn)場情況，選一臺變壓器。（9）低沼氣礦井、掘進(jìn)工作面與回采工作面的電氣設(shè)備應(yīng)分開供電，局部扇風(fēng)機(jī)實(shí)行風(fēng)電沼氣閉鎖，沼氣噴出區(qū)域、高壓沼氣礦井、

2、煤與沼氣突出礦井中，所有掘進(jìn)工作面的局扇機(jī)械裝設(shè)三專（專用變壓器、專用開關(guān)、專用線路）二閉鎖設(shè)施即風(fēng)、電、沼氣閉鎖第一章 緒論1.1 引言工業(yè)機(jī)器人，一般指的是在工廠車間環(huán)境中，配合自動化生產(chǎn)的需要，代替人來完成材料或零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在對工業(yè)機(jī)器人所下的定義是“機(jī)器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個軸，能借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用設(shè)備，以執(zhí)行種種任務(wù)” 。隨著科學(xué)和技術(shù)的不斷發(fā)展，在過去的幾個世紀(jì)里，人類在許多方面都取得了重大的進(jìn)展。機(jī)器人技術(shù)作為人類最偉大的發(fā)明之一，自 20 世

3、紀(jì) 60 年代初問世以來，經(jīng)歷了短短的 40 年，已取得長足的進(jìn)步。工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了誕生、成長、成熟期后，已成為制造業(yè)中必不可少的核心裝備，而且工業(yè)機(jī)器人不僅在工廠里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以驚人的速度向航空航天、軍事、服務(wù)、娛樂等人類生活的各個領(lǐng)域滲透。據(jù)聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)委員會和國際機(jī)器人聯(lián)合會去年關(guān)于世界機(jī)器人的報告，僅 2003 年新投入使用的機(jī)器人接近 10 萬個，使世界目前使用的機(jī)器人總數(shù)超過75 萬。世界使用機(jī)器人最多的國家是日本，約 38 .9 萬；其次為德國(9.1 萬)、美國(9 萬)、意大利(3.9 萬)、韓國(3.8 萬)、法國(2.1 萬)、西班牙(1.3 萬)和英

4、國(1.2萬)，并且報告估計 2004 年，全世界使用的機(jī)器人總數(shù)將超過 100 萬。我國的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的歷史已經(jīng)有 20 多年，從“七五”科技攻關(guān)開始，正式列入國家計劃，在國家的組織和支持下，通過“七五” 、“八五”科技攻關(guān)，不僅在機(jī)器人的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破，而且在工業(yè)機(jī)器人整機(jī)方面，己經(jīng)陸續(xù)掌握了噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配和搬運(yùn)等不同用途、典型的工業(yè)機(jī)器人整機(jī)技術(shù)，并成功的應(yīng)用于生產(chǎn)，掌握了相關(guān)的應(yīng)用工程知識。但總的看來，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外的相比還有一定的距離。我國目前大約有 4000 臺工業(yè)機(jī)器人，其中僅有 1/5 是國產(chǎn)的，其余的則是從 40 多

5、個國外廠商進(jìn)口的機(jī)器人?？傊?，各種各樣機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類走向文明和發(fā)展的一個巨大進(jìn)步和標(biāo)志，在未來社會中，機(jī)器人的廣泛應(yīng)用和發(fā)展是一個必然的發(fā)展趨勢。相信在不遠(yuǎn)的將來，機(jī)器人技術(shù)將一定能夠?yàn)槿祟悗砀嗟姆奖?，為人類的文明和發(fā)展帶來更大的機(jī)會。工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個分支，它代表了機(jī)電一體化的最高成就。自1962年美國推出世界上第一臺Unimation型和Versatran型工業(yè)機(jī)器人以來，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)迅猛發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合了機(jī)械工程學(xué)、電氣工程學(xué)、微電子工程學(xué)、計算機(jī)工程學(xué)、控制工程學(xué)、信息傳感工程學(xué)、聲學(xué)工程學(xué)、仿生學(xué)以及人工智能工程學(xué)等多門尖端學(xué)科，是感知、決策、行動和交

6、互四大技術(shù)的綜合的高新技術(shù)，具有廣泛的研究和應(yīng)用價值，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用水平代表了國家工業(yè)自動化水平。工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。主要進(jìn)行焊接、裝配、搬運(yùn)、加工、噴涂、碼垛等復(fù)雜作業(yè)。機(jī)器人的應(yīng)用主要有兩種方式:一種是機(jī)器人工作單元，另一種是帶機(jī)器人的生產(chǎn)線(如圖1一2所示)，并且后者在國內(nèi)外已經(jīng)成為機(jī)器人應(yīng)用的主要方式。以機(jī)器人為核心的自動化生產(chǎn)線適應(yīng)了現(xiàn)代制造業(yè)多品種、少批量的柔性生產(chǎn)發(fā)展方向，具有廣闊的市場發(fā)展前景和強(qiáng)勁生命力，已開發(fā)出多種面向汽車、電氣機(jī)械等行業(yè)的自動化成套裝備和生產(chǎn)線產(chǎn)圖1-1 裝配工業(yè)機(jī)器人圖1-2 噴漆機(jī)器人1.1.1工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展過程及其應(yīng)用20 世紀(jì) 50 年

7、代是工業(yè)機(jī)器人的萌芽時期，1954 年美國戴沃爾發(fā)表了“通用重復(fù)型機(jī)器人”的專利論文，第一次提出了“工業(yè)機(jī)器人”的概念。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺數(shù)控工業(yè)機(jī)器人原型。1959 年美國 UNIMATION 公司推出第一臺工業(yè)機(jī)器人。美國是機(jī)器人的故鄉(xiāng)。20 世紀(jì) 60 年代隨著傳感技術(shù)和工業(yè)自動化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入發(fā)展期，機(jī)器人開始向適用化發(fā)展，并被用于電焊和噴涂作業(yè)。20 世紀(jì) 70 年代隨著計算機(jī)和人工智能的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入適用化時代。日本雖起步較晚，但結(jié)合國情，面向中小企業(yè)，采取了一系列鼓勵使用機(jī)器人的措施。其機(jī)器人擁有量很快超過了美國，一舉成為“機(jī)器人王國”。20 世紀(jì)

8、 80 年代工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入普及時代，汽車、電子等行業(yè)開始大量使用工業(yè)機(jī)器人，推動了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用滿足了人們特性化的要求，產(chǎn)品的批量越來越大，品種越來越多，而且產(chǎn)品的一致性也大大提高，為商家占有了更多的市場份額，獲得了更多的市場利潤。20 世紀(jì) 90 年代初期，工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)與需求達(dá)到了一個高峰期。1990 年世界上新裝備工業(yè)機(jī)器人 80943 臺，1991 年裝備了 76443 臺，到 1991 年底世界上己有 53萬臺工業(yè)機(jī)器人工作在各條戰(zhàn)線上。目前工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、金屬加工以及金屬制品業(yè)等。在日、美、西歐等一些工業(yè)發(fā)達(dá)的

9、國家中，工業(yè)機(jī)器人得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，機(jī)器人功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，其應(yīng)用范圍已不限于制造業(yè)，還用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、原子能工業(yè)、醫(yī)療、福利事業(yè)、海洋和太空的開發(fā)事業(yè)中。在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著工業(yè)機(jī)器人。我國科學(xué)家對機(jī)器人的定義是:“機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器”。一個典型的機(jī)器人系統(tǒng)由本體、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等幾部分組成。一般多自由度串聯(lián)機(jī)器人具有 46 個自由度，其中 23個自由度決

10、定了末端執(zhí)行器在空間的位置，其余 23 個自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。本文設(shè)計的機(jī)器人具有三個自由度，也就是機(jī)器人的整個手臂部分，來決定了末端執(zhí)行器在空間的位置。1.1.2 工業(yè)機(jī)器人研究的現(xiàn)狀與意義機(jī)器人涉及到機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。機(jī)器人在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強(qiáng)，并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。機(jī)器人應(yīng)用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉(zhuǎn)變，向以人為中心的個人化和微小型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類活動的各個領(lǐng)域。

11、總趨勢是從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)(RT)概念轉(zhuǎn)移；從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決工程應(yīng)用方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)（RT）的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)在動作功能的智能化系統(tǒng)?！蹦壳?，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開放化、PC 化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化；工作環(huán)境設(shè)計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代以來，機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許

12、多發(fā)達(dá)國家均把機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)、研究列入國家高新技術(shù)發(fā)展計劃。世界各國普遍在高等院校為大學(xué)本科生及研究生開設(shè)了介紹機(jī)器人技術(shù)的有關(guān)課程。為了培養(yǎng)機(jī)器人開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、維護(hù)方面的人才，我國很多高校也為本科生和研究生開設(shè)了機(jī)器人學(xué)課程。1.2 國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀國外目前機(jī)器人研究的重點(diǎn)主要有以下幾個方面:(1) 機(jī)器人操作機(jī)，通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運(yùn)用，機(jī)器人操作機(jī)己實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。以德國 KUKA 公司為代表的機(jī)器人公司，將機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機(jī)器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了機(jī)器人

13、的性能。(2) 并聯(lián)機(jī)器人：采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測量及加工，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利 COMAU 公司，日本 FANUC 等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。(3) 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的 6 軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制 21 軸甚至 27 軸機(jī)器人，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機(jī)界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。(4) 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化

14、生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。日本 KAWASAKI, YASKAWA,FANUC 和瑞典 ABB、德國 KUKA, REIS 等公司皆推出了此類產(chǎn)品。(5) 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與 Canbus、Profibus 總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備有了發(fā)展。(6) 可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時，而現(xiàn)在已

15、達(dá)到5 萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求。1.2.2 國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)和世界各國機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，我國在機(jī)器人科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用工程等方面取得了可喜的進(jìn)步。從 20 世紀(jì) 80 年代末到 20 世紀(jì) 90 年代，國家 863 計劃把機(jī)器人列為自動化領(lǐng)域的重要研究課題，系統(tǒng)地開展了機(jī)器人基礎(chǔ)科學(xué)、關(guān)鍵技術(shù)與機(jī)器人元部件、先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)的研究及機(jī)器人在自動化工程上的應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人選型方面，確定以開發(fā)點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人為主。這是中國機(jī)器人事業(yè)從研制到應(yīng)用邁出的重要一步。一批從事機(jī)器人研究、開發(fā)、應(yīng)用的人才和隊伍在實(shí)踐中成長、壯大，一批以機(jī)器人為

16、主業(yè)的產(chǎn)業(yè)化基地已經(jīng)破土而出。我國近幾年機(jī)器人自動化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來顯著效益。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高，機(jī)器人自動化線的市場也會越來越大，并且逐漸成為自動化生產(chǎn)線的主要方式。我國機(jī)器人自動化生產(chǎn)線裝備的市場剛剛起步，而國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進(jìn)制造裝備轉(zhuǎn)型的時期，這就給機(jī)器人自動化生產(chǎn)線研究開發(fā)者帶來巨大商機(jī)。但是，無論從工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量上還是技術(shù)上，我們都是比較落后的。而我國作為一個工業(yè)大國，不能寄希望從其他國家得到真正的高技術(shù)，必須自主的發(fā)展我國的高技術(shù)，機(jī)器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個重要分支，將成為 21 世紀(jì)各國爭奪的經(jīng)濟(jì)技術(shù)制高點(diǎn)。如何在 21 世紀(jì)

17、加速我國機(jī)器人的發(fā)展，使我國早日進(jìn)入機(jī)器人大國行列，已成為當(dāng)務(wù)之急。由于目前我國機(jī)器人的基礎(chǔ)數(shù)量太低，以工業(yè)機(jī)器人為例，到了2010 年我國機(jī)器人擁有量只能達(dá)到世界擁有量 1.38%2%，這與我國作為 21 世紀(jì)前半葉世界主要制造國的要求差距太大，如果這種差距只能以進(jìn)口機(jī)器人來彌補(bǔ)，其巨大損失不是可以用貨幣損失來計算的?？梢?，無論從資金方面考慮，還是從長遠(yuǎn)利益考慮，我們有必要自主地對機(jī)器人進(jìn)行研究和開發(fā)。但是由于國內(nèi)機(jī)器人的科研與開發(fā)與國外尚有較大差距，雖然計劃開發(fā)的機(jī)器人基本上采用的是在國外基木成熟的技術(shù)，但國內(nèi)各單位對這些技術(shù)的了解有相當(dāng)部分還停留在文獻(xiàn)上或局部技術(shù)上。所以我們應(yīng)該從基本做

18、起，有必要研制少數(shù)型號的機(jī)器人和開展一批基礎(chǔ)技術(shù)研究作為機(jī)器人課題的主要研究與開發(fā)內(nèi)容。1.2.3 我國未來工業(yè)機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略我國這一戰(zhàn)略目標(biāo)是：根據(jù)2l世紀(jì)初我國國民經(jīng)濟(jì)對先進(jìn)制造及自動化技術(shù)的需求，瞄準(zhǔn)國際前沿高技術(shù)發(fā)展方向創(chuàng)新性地研究和開發(fā)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)。未來工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)有：第一，危險、惡劣環(huán)境作業(yè)機(jī)器人：主要有防暴、高壓帶電清掃、星球檢測、油汽管道等機(jī)器人；第二，醫(yī)用機(jī)器人：主要有腦外科手術(shù)輔助機(jī)器人，遙控操作輔助正骨等；第三，仿生機(jī)器人：主要有移動機(jī)器人，網(wǎng)絡(luò)遙控操作機(jī)器人等。其發(fā)展趨勢是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。工業(yè)機(jī)器人市場

19、競爭越來越激烈，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，加快工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究開發(fā)與生產(chǎn)是我們抓住這個歷史機(jī)遇的主要途徑。因此我國工業(yè)機(jī)器人行業(yè)要認(rèn)識到以下幾點(diǎn)情況：第一，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是我國由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的主要手段和途徑，政府要對國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人有更多的政策與經(jīng)濟(jì)支持，參考國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，加大技術(shù)投入與改造；第二，在國家的科技發(fā)展計劃中，應(yīng)該繼續(xù)對智能機(jī)器人研究開發(fā)與應(yīng)用給予大力支持，形成產(chǎn)品和自動化制造裝備同步協(xié)調(diào)的新局面；第三，部分國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)與國外相當(dāng)，企業(yè)采購工業(yè)機(jī)器人時不要盲目進(jìn)口，應(yīng)該立足國產(chǎn)，經(jīng)綜合評估，然后作出安排。第二章 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 機(jī)器

20、人結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計2.1.1所設(shè)計工業(yè)機(jī)器人的工作要求主要設(shè)計參數(shù)如下：自由度數(shù)目：5個機(jī)械機(jī)構(gòu)形式：立式關(guān)節(jié)型作業(yè)半徑：1090mm負(fù)荷能力：4kg驅(qū)動電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)最大重量:50kg詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如下表表2-1所設(shè)計工業(yè)機(jī)器人詳細(xì)技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目規(guī)格機(jī)械結(jié)構(gòu)5自由度，立式關(guān)節(jié)式機(jī)器人 腰轉(zhuǎn)部分工作范圍（角度）： 大臂部分 小臂部分 手腕俯仰 手腕翻轉(zhuǎn)360200180180360腰轉(zhuǎn)高度500mm大臂長500mm小臂長410mm手腕長180mm承載能力最大4kg機(jī)器人總重約50kg驅(qū)動系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動2.1.2機(jī)器人機(jī)械設(shè)計的特點(diǎn) 2.1.2.1 機(jī)器人獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （1）關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)

21、可以簡化成各連桿首尾相接、末端開放的一個開式連桿系。為實(shí)現(xiàn)要求的坐標(biāo)運(yùn)動，在大多數(shù)工作時間內(nèi)，連桿系末端是無法加以支撐的，因而操作機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度差，并隨連桿系在空間位姿的變化而變化。 (2) 在組成操作機(jī)的開式連桿系中，每根連桿都具有獨(dú)立的驅(qū)動器，因而屬于主動連桿系。這和普通的連桿系不同，在普通連桿系中，所有的連桿運(yùn)動都出自同一驅(qū)動源，各連桿間的運(yùn)動是互相制約的。由于操作機(jī)連桿的運(yùn)動各自獨(dú)立，不同連桿的運(yùn)動之間沒有依從關(guān)系，故而操作機(jī)的運(yùn)動更為靈活。 (3) 連桿驅(qū)動扭矩的瞬態(tài)過程在時域中的變化是非常復(fù)雜的，且和執(zhí)行件反饋信號有關(guān)。連桿的驅(qū)動屬于伺服控制型，因而對機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度、間隙和運(yùn)動精

22、度都有較高的要求。本文所用的三個關(guān)節(jié)驅(qū)動是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，屬于開環(huán)控制型。 (4) 連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化的，因此，極容易發(fā)生振動或出現(xiàn)其它不穩(wěn)定現(xiàn)象。 從以上特點(diǎn)可見，一個好的機(jī)器人設(shè)計應(yīng)當(dāng)使其機(jī)械系統(tǒng)的抓重自重比盡量大，結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)剛度盡可能好，并盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。人類的手臂是最優(yōu)秀的操作機(jī)，它的性能是機(jī)器人設(shè)計追求的目標(biāo)。 2.1.2.2 與機(jī)器人設(shè)計有關(guān)的概念 以下是本文中涉及到的一些與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的概念。 1、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)(1)機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)從體系結(jié)構(gòu)來看，機(jī)器人分為三大部分六個系統(tǒng)，分別是：三大部分：機(jī)械部分（用于實(shí)現(xiàn)

23、各種動作）、傳感部分（用于感知內(nèi)部和外部的信息）、控制部分（控制機(jī)器人完成各種動作）。六個系統(tǒng)： A 驅(qū)動系統(tǒng)：提供機(jī)器人各部位、各關(guān)節(jié)動作的 原動力。B機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：完成各種動作。C感受系統(tǒng)：由內(nèi)部傳感器和外部傳感器組成。D機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部設(shè)備的聯(lián)系和協(xié)調(diào)并構(gòu)成功能單元。E人機(jī)交互系統(tǒng)：是人與機(jī)器人聯(lián)系和協(xié)調(diào)的單元。F控制系統(tǒng)：是根據(jù)程序和反饋信息控制機(jī)器人動作的中心。分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。(2)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)： 工業(yè)機(jī)器人一般有以下幾部分構(gòu)成（如圖1-1）：機(jī)身部分：如同機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)一樣，機(jī)器人機(jī)身構(gòu)成機(jī)器人的基礎(chǔ)支撐。有的機(jī)身底部安裝有機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)；有的機(jī)身

24、可以繞軸線回轉(zhuǎn)，構(gòu)成機(jī)器人的腰。臂部分：分為大臂、小臂和手腕，完成各種動作。末端操作器：可以是擬人的手掌和手指，也可以是各種作業(yè)工具，如焊槍、噴漆槍等。關(guān)節(jié)：分為滑動關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。實(shí)現(xiàn)機(jī)身、手臂各部分、末端操作器之間的相對運(yùn)動。圖2-12、機(jī)器人的幾何模型： a 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié) b 移動關(guān)節(jié)圖2-2利用關(guān)節(jié)圖形符號，可以把復(fù)雜的真實(shí)機(jī)器人抽象成簡單的幾何模型，以便研究其運(yùn)動和進(jìn)行受力分析。一個形狀和大小不同的工業(yè)機(jī)器人，可能有著相同的幾何模型（僅幾何參數(shù)不同），并有著相同的運(yùn)動學(xué)分析結(jié)果。 a 5R型工業(yè)機(jī)器人 b 機(jī)器人幾何模型圖2-32.1.2.3機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)（1）自由度： 指機(jī)器人所具

25、有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動的數(shù)目。（2）工作精度：包括定位精度和重復(fù)定位精度?？梢杂镁芏取⒄_度、和準(zhǔn)確度三個參數(shù)來衡量。（3）定位精度：指機(jī)器人實(shí)際到達(dá)的位置和設(shè)計的理想位置之間的差異。（4）重復(fù)定位精度：指機(jī)器人重復(fù)到達(dá)某一目標(biāo)位置的差異程度。（5）工作范圍：指機(jī)器人末端操作器所能到達(dá)的區(qū)域。（6）工作速度：指機(jī)器人各個方向的移動速度或轉(zhuǎn)動速度。這些速度可以相同，可以不同。（7）承載能力：指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。2.1.3 工業(yè)機(jī)器人的分類方法機(jī)器人分類方法有多種。 （1）按機(jī)器人控制方法的不同，可分為點(diǎn)位控制型(PTP)，連續(xù)軌跡控制型(CP)： (a) 點(diǎn)位控制型

26、(Point to Point Control)：機(jī)器人受控運(yùn)動方式為自一個點(diǎn)位目標(biāo)向另一個點(diǎn)位目標(biāo)移動，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。例如機(jī)器人在進(jìn)行點(diǎn)焊時的軌跡控制。本文的機(jī)器人就屬于PTP型。 (b) 連續(xù)軌跡控制型(Continuous Path Control)：機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時做受控運(yùn)動，使機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運(yùn)動，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動機(jī)的角位移和角速度信號，如機(jī)器人進(jìn)行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時的軌跡控制。 （2） 按機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分類，可分為四類： (a) 直角坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，運(yùn)動方向垂直，其控制方案與數(shù)控機(jī)床類似，各關(guān)節(jié)之間沒有耦合，不會產(chǎn)生奇

27、異狀態(tài)，剛性好、精度高。缺點(diǎn)是占地面積大、工作空間小。 (b) 圓柱坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個關(guān)節(jié)為兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，以, r, z為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P=f (, r, z)，其中，r是手臂徑向長度，z是垂直方向的位移，是手臂繞垂直軸的角位移。這種形式的機(jī)器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單。 (c) 球坐標(biāo)型：具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)。以,y 為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P =f (,y)，該型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。 (d)關(guān)節(jié)坐標(biāo)型：有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型(SCARA 型)機(jī)器人。前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動作靈活、工作空間大、占地面積小，缺點(diǎn)是剛度和精度較差

28、。本文設(shè)計的機(jī)器人為關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。 直角坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型 球坐標(biāo)型 關(guān)節(jié)型圖2-4（3），按驅(qū)動方式分類可分為：(a) 氣壓驅(qū)動；(b) 液壓驅(qū)動；(c) 電氣驅(qū)動。 電氣驅(qū)動是20世紀(jì)90年代后機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。它有結(jié)構(gòu)簡 單、易于控制、使用方便、運(yùn)動精度高、驅(qū)動效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。本文 設(shè)計的機(jī)器人三個關(guān)節(jié)均使用電氣驅(qū)動。 （4），按用途分類可分為搬運(yùn)機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、切削加工機(jī)器人和特種用途機(jī)器人等。 本文的機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)演示用途的機(jī)器人，五自由度通用型工業(yè)機(jī)器人，末端有法蘭，用來連接末端執(zhí)行器。 2.1.4 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 手臂的總體設(shè)

29、計是工業(yè)機(jī)器人設(shè)計的首要問題，主要有包括總體方案設(shè)計和基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計。 2.1.4.1 方案功能設(shè)計與分析 1、機(jī)器人手臂自由度的分配和構(gòu)形 手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動部件，它用來支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運(yùn)動。為了使手部能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機(jī)器人手臂自由度少于三個。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖21所示。 圖 2-5 幾種多自由度機(jī)器人手臂構(gòu)形 本課題要求機(jī)器人手臂能達(dá)到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時要結(jié)構(gòu)簡單，容易控制。綜合考慮后確定該機(jī)器人具有五個自由度，其中手臂三個自由度，手腕部分二個自由度，由于在同樣的體積條件下，關(guān)

30、節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對空間(手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比)和絕對工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動作和軌跡更靈活，因此該型機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對平移關(guān)節(jié)來講，操作空間大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，關(guān)節(jié)易于密封防塵。這里機(jī)器人手臂使用了三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，綜合各種手臂構(gòu)形，最后確定其結(jié)構(gòu)形式 為圖11中的第一種形式，此手臂決定了末端執(zhí)行器在空間的位置。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂有三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，通常腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸是鉛垂的，手臂在水平面內(nèi)可繞腰關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸平行，且都平行于水平面，故手臂可在垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動。由三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)構(gòu)成的關(guān)節(jié)組聯(lián)接在小臂

31、桿的端部，模擬人的手腕，決定末端件的姿態(tài)。在運(yùn)動學(xué)結(jié)構(gòu)上，這類機(jī)器人最像人的手臂，因而結(jié)構(gòu)最緊湊，柔性最好，可達(dá)空間最大，它甚至可以繞過障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，因而是機(jī)器人中最有前途的一種。但由于三個關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動的，故臂端的分辨率完全取決于它在工作空間中的位置。另外，位置精度也較差。 2、機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)方案的對比分析及選擇 參考國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)，初步對各個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)單獨(dú)分析。 (1) 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 圖 2-6 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 1 圖 2-7 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 2 方案一：如圖26所示，電機(jī)安裝在底座下面，其輸出軸經(jīng)諧波減速器減速后，直接帶動第一關(guān)節(jié)輸出軸，使整個腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 方案二

32、：如圖27所示，電機(jī)安裝在底座上面，其輸出軸先經(jīng)諧波減速器減速，再經(jīng)一對齒輪減速后，由第一關(guān)節(jié)輸出軸帶動整個腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 兩種方案在傳動實(shí)現(xiàn)上，都是可行的。均采用了減速比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載力大、噪音小、效率高、定位安裝方便的諧波減速器。雖然方案二在安裝和維修方面優(yōu)于方案一，但是方案一的傳動結(jié)構(gòu)簡單一點(diǎn)，而且少了一對普通直齒輪，其整體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速后，速度己經(jīng)較低，噪音問題不突出。故綜合考慮，腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)選擇方案一。 (2) 大臂和小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 圖2-8 大臂小臂手腕和末端執(zhí)行器回轉(zhuǎn)示意圖大臂和小臂回轉(zhuǎn)都是通過諧波減速器減速器減速后直接帶動來實(shí)現(xiàn)的

33、，且結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)，成本低，安裝方便。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對空間(手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比)和絕對工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動作和軌跡更靈活,結(jié)合本課題的實(shí)際條件，因此,大臂、小臂手腕和末端執(zhí)行器回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)選擇方案是合理的。2.2 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計2.2.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定首先確定所設(shè)計工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸，大致的結(jié)構(gòu)尺寸如2-9圖所示其次確定各主要部件的質(zhì)量，并且把各部件質(zhì)量等效在各關(guān)節(jié)處（在誤差范圍內(nèi)），有利于分析與計算。大致確定各大部件的質(zhì)量及其等效位置如圖2-9所示末端操作器處4kg手腕處8kg小

34、臂電機(jī)處12kg大臂電機(jī)處及腰轉(zhuǎn)部分25kg總重量約為49kg 圖2-9 所設(shè)計的工業(yè)機(jī)器人主要尺寸（mm）2.2.2電機(jī)與減速器的的選擇(1)電機(jī)的選擇由于本工業(yè)機(jī)器人有5個自由度，為使其右確定的運(yùn)動規(guī)律，必須有5個電機(jī)來驅(qū)動。首先，在機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)的選用方面，目前機(jī)器人電機(jī)主要有四種:1.步進(jìn)電機(jī):可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低廉;通常不需要反饋就能對位置和速度進(jìn)行控制;位置誤差不會積累;步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力和保持轉(zhuǎn)矩的能力，這對于控制系統(tǒng)的定位是有利的，適合于傳動功率不大的關(guān)節(jié)或小型機(jī)器人。 2.直流伺服電機(jī):直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對

35、功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，而且需要外圍轉(zhuǎn)換電路與微機(jī)配合實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。同時，使用直流伺服電機(jī)，還要考慮電刷放電對實(shí)際工作的影響。3.交流伺服電機(jī):交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，價格較昂貴。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，其在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動功率，提供很高的響應(yīng)速度。4.液壓伺服馬達(dá):液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動。但是，其費(fèi)用

36、較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。結(jié)合機(jī)器人驅(qū)動裝置的一般要求，考慮此工業(yè)機(jī)器人負(fù)載不大，要求整機(jī)重量輕，且作業(yè)范圍不大，要求機(jī)器人體積小的特點(diǎn)，本設(shè)計中機(jī)器人五個電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，具體型號為雷賽科技公司圣餐的兩相式步進(jìn)電機(jī)，五個電機(jī)分別為腰轉(zhuǎn)電機(jī)01、大臂電機(jī)02、小臂電機(jī)03、手腕俯仰電機(jī)04、手腕回轉(zhuǎn)電機(jī)05，在后面的書寫中便簡稱電機(jī)01-05。 圖2-10 兩相式步進(jìn)電機(jī)（86式）外形圖步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)，以86式兩相式步進(jìn)電機(jī)為例進(jìn)行詳細(xì)介紹五個步進(jìn)電機(jī)在機(jī)器人中所處的位置如下圖所示： 圖2-10 五個步進(jìn)電機(jī)電機(jī)的位置(2) 減速器的選擇正如前面所提到。在機(jī)器人的設(shè)計中一般需要

37、高傳動比和體積小的減速器，諧波減速器便是比較理想的選擇。所以在本機(jī)器人的設(shè)計中采用諧波減速器作為減速裝備，具體型號為北京諧波傳動研究所的XB1諧波減速器 圖2-11諧波減速器圖2-12 XB1諧波減速器標(biāo)準(zhǔn)組件外形尺寸圖下面介紹有關(guān)諧波減速器的一些基本概念。諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動比大(幾十幾百)、傳動精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，故在工業(yè)機(jī)器人、航空、火箭等機(jī)電一體化系統(tǒng)中日益得到廣泛的應(yīng)用。諧波齒輪構(gòu)成：諧波齒輪傳動是諧波齒輪行星傳動的簡稱。是一種少齒差行星傳動。通常由剛性圓柱齒輪G、柔性圓柱齒輪R、波發(fā)生器H和柔性軸承等零部件構(gòu)成。 柔輪和剛輪的齒

38、形有直線三角齒形和漸開線齒形兩種，以后者應(yīng)用較多 。諧波齒輪特點(diǎn)：諧波齒輪傳動既可用做減速器，也可用做增速器。柔輪、剛輪、波發(fā)生器三者任何一個均可固定，其余二個一為主動，另一個為從動。傳動比大，且外形輪廓小，零件數(shù)目少，傳動效率高。效率高達(dá)9296，單級傳動比可達(dá)504000。 承載能力較高：柔輪和剛輪之間為面接觸多齒嚙合，且滑動速度小，齒面摩損均勻。柔輪和剛輪的齒側(cè)間隙是可調(diào)：當(dāng)柔輪的扭轉(zhuǎn)剛度較高時，可實(shí)現(xiàn)無側(cè)隙的高精度嚙合。諧波齒輪傳動可用來由密封空間向外部或由外部向密封空間傳遞運(yùn)動。諧波齒輪傳動的工作原理 諧波傳動由三個主要構(gòu)件所組成，即具有內(nèi)齒的剛輪l、具有外齒的柔輪2和波發(fā)生器3。通

39、常波發(fā)生器為主動件，而剛輪和柔輪之一為從動件，另一個為固定件。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時，由于前者的總長度略大于后者的內(nèi)孔直徑，故柔輪變?yōu)闄E圓形，于是在橢圓的長軸兩端產(chǎn)生了柔輪與剛輪輪齒的兩個局部嚙合區(qū)；同時在橢圓短軸兩端，兩輪輪齒則完全脫開。至于其余各處，則視柔輪回轉(zhuǎn)方向的不同，或處于嚙合狀態(tài)，或處于非嚙合狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時，柔輪長短軸的位置不斷交化，從而使輪齒的嚙合處和脫開處也隨之不斷變化，于是在柔輪與剛輪之間就產(chǎn)生了相對位移，從而傳遞運(yùn)動。 在波發(fā)生器轉(zhuǎn)動一周期間，柔輪上一點(diǎn)變形的循環(huán)次數(shù)與波發(fā)生器上的凸起部位數(shù)是一致的，稱為波數(shù)。常用的有兩波和三波兩種。為了有利于柔輪的力平衡和防

40、止輪齒干涉，剛輪和柔輪的齒數(shù)差應(yīng)等于波發(fā)生器波數(shù)(即波發(fā)生器上的滾輪數(shù))的整倍數(shù)，通常取為等于波數(shù)。A、齒差：諧波齒輪傳動中，剛輪的齒數(shù)zG略大于柔輪的齒數(shù)zR，其齒數(shù)差要根據(jù)波發(fā)生器轉(zhuǎn)一周柔輪變形時與剛輪同時嚙合區(qū)域數(shù)目來決定。即zG-zR=u。目前多用雙波和三波傳動。錯齒是運(yùn)動產(chǎn)生的原因B、變形： 波發(fā)生器的長度比未變形的柔輪內(nèi)圓直徑大：當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)圓時，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀，使其長軸處柔輪輪齒插入剛輪的輪齒槽內(nèi)，成為完全嚙合狀態(tài)；而其短軸處兩輪輪齒完全不接觸，處于脫開狀態(tài)。由嚙合到脫開的過程之間則處于嚙出或嚙入狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時：迫使柔輪不斷產(chǎn)生變形，使兩輪輪齒

41、在進(jìn)行嚙入、嚙合、嚙出、脫開的過程中不斷改變各自的工作狀態(tài)，產(chǎn)生了所謂的錯齒運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)了主動波發(fā)生器與柔輪的運(yùn)動傳遞。2.2.3電機(jī)與減速器的選型計算電機(jī)01及諧波減速器01的選擇腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由步進(jìn)電機(jī)通過減速器來驅(qū)動。當(dāng)腰部回轉(zhuǎn)體與大臂，小臂，末端執(zhí)行器處于水平狀態(tài)時，各部分對回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量最大，其代數(shù)和為(簡化后計算) 初步規(guī)定機(jī)器人腰部回轉(zhuǎn)角速度從加速到所需要的時間為，則腰部回轉(zhuǎn)角加速度： （2-1）則腰部回轉(zhuǎn)啟動慣性矩： （2-2）諧波減速器型號為XB1-100，減速比為100，額定輸出力矩為240Nm，傳動效率為90%取安全系數(shù)為，所以步進(jìn)電機(jī)輸出力矩M>Ti=15

42、0.56100×0.9=1.67Nm同時考慮到86HS22的機(jī)身長度過長，所以就選擇86HS35比較合適再結(jié)合步進(jìn)電機(jī)型號，選擇電機(jī)01型號為86HS35具體參數(shù)如下：相數(shù)：4，步距角：1.8°，額定轉(zhuǎn)矩：3.5Nm，質(zhì)量2.0kg，機(jī)身長：65mm。電機(jī)02與諧波減速器02的選擇電機(jī)02為大臂電機(jī)，和腰轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇不同，大臂電機(jī)還要克服小臂手腕處得靜力矩，當(dāng)大臂與小臂，末端執(zhí)行器均處于水平狀態(tài)時，各部分對回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的靜轉(zhuǎn)矩最大，其靜力矩代數(shù)和M靜為M靜=40×1.09+80×0.91+120×0.5 =43.6+72.8+60 =176.4

43、Nm假設(shè)在只有大臂電機(jī)帶動手臂做轉(zhuǎn)動時，此時的所需力矩最大，據(jù)上文計算所得手臂對大臂回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為J=14.38Nm，假設(shè)此情況下大臂啟動時轉(zhuǎn)動角速度從加速到所需要的時間為此時的角加速度= =30×3.14180×0.2=2.62 （2-3）此時大臂所需慣性力矩為M慣=J=37.68Nm （2-4）諧波減速器的效率為90%，傳動比為100，所以步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩M>Ti=37.68+176.4100×0.9=2.38Nm所以步進(jìn)電機(jī)選擇86HS35。具體參數(shù)問為：相數(shù)：4，步距角：1.8°，額定轉(zhuǎn)矩：3.5Nm，質(zhì)量2.0kg，機(jī)身長：65mm

44、。諧波減速器選擇為XB1-100.額定輸出力矩為240Nm。小臂電機(jī)03與諧波減速器03的選型計算和大臂一樣，小臂在受到慣性力矩的同時還受到靜力矩，所以在選型計算上仿照大臂電機(jī)02的選擇。當(dāng)小臂，末端執(zhí)行器均處于水平狀態(tài)時，各部分對小臂回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的靜轉(zhuǎn)矩最大，其靜力矩代數(shù)和M靜為M靜=40×0.59+80×0.41 =23.6+32.8 =56.4Nm假設(shè)在只有小臂電機(jī)帶動小臂及手腕做轉(zhuǎn)動時，此時的所需力矩最大，據(jù)上文計算所得手臂對大臂回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為J=4×0.592+8×0.412 =1.39+1.34 =2.73kgm2假設(shè)此情況下大臂啟動時轉(zhuǎn)

45、動角速度從 0°/s加速到30°/s 所需要的時間為 此時的角加速度=30×3.14180×0.2=2.62此時大臂所需慣性力矩為M慣=J=7.15Nm諧波減速器的效率為90%，傳動比為100，所以步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩M>Ti=7.15+56.4100×0.9=0.71Nm所以步進(jìn)電機(jī)選擇57HS09。具體參數(shù)問為：相數(shù)：2，步距角：1.8°，額定轉(zhuǎn)矩：0.9Nm，質(zhì)量0.6kg，機(jī)身長：54mm。諧波減速器選擇為XB1-80.額定輸出力矩為120Nm。手腕俯仰電機(jī)04與手腕回轉(zhuǎn)電機(jī)05以及與其配套的諧波減速器的選擇計算與上面的選

46、型計算類似，這里邊便不再一一介紹。下面通過列表的形式把所選的步進(jìn)電機(jī)與諧波減速器進(jìn)行總結(jié)。表2-1 所選的5個步進(jìn)電機(jī)的具體型號與參數(shù)型號性能參數(shù)電機(jī)01電機(jī)02電機(jī)03電機(jī)04 電機(jī)05電機(jī)型號86HS3586HS3557HS0939HS0239HS01步距角（°）1.81.81.81.81.8額定輸出力距（Nm）3.53.50.90.20.1質(zhì)量（kg）220.60.20.2機(jī)身長度(mm)6565543420表2-2所選的諧波減速器的型號與性能參數(shù)型 號性能參數(shù)諧波減速器01諧波減速器02諧波減速器03諧波減速器04諧波減速器05型號XB1-100XB1-100XB1-80XB

47、1-40XB1-25額定輸出力距（Nm）240240120152額定輸入轉(zhuǎn)速（r/min）300030003000300030002.2.4 腰轉(zhuǎn)部分的設(shè)計與計算在工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計以及電機(jī)的選型計算已完成的基礎(chǔ)上，現(xiàn)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計，首先進(jìn)行腰轉(zhuǎn)部分的詳細(xì)設(shè)計。正如上文所說，腰轉(zhuǎn)部分的傳動方案是步進(jìn)電機(jī)連接諧波減速器，然后通過諧波減速器帶動軸01的轉(zhuǎn)動，腰轉(zhuǎn)部分與軸固聯(lián)在一起，帶動腰部的轉(zhuǎn)動。由于整個工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的軸承、鍵、以及軸比較多，為了防止混淆，對這些零件進(jìn)行編號處理，例如鍵01、鍵03，以及軸01、軸02.在這里箱體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以把箱體分成三個零件進(jìn)行設(shè)計，這樣才能達(dá)

48、到設(shè)計的要求以及結(jié)構(gòu)的簡化，這個三個部件分別稱為箱體上部、箱體中部、箱體下部。腰轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)如下圖圖2-13 腰轉(zhuǎn)部分的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖 1、箱體下部 2、腰轉(zhuǎn)電機(jī)01 3、鍵01 4、電機(jī)箱體聯(lián)接部 5、深溝球軸承01 6、箱體中部 7、諧波減速器01波發(fā)生器 8、諧波減速器01剛輪 9、諧波減速器輸入軸 10、諧波減速器柔輪 11、箱體上部 12、鍵02 13、圓螺母 14、腰轉(zhuǎn)輸出軸，即軸03 15、諧波減速器01輸出軸，軸02 16、推力球軸承 17、深溝球軸承01 18深溝球軸承02 19、軸承端蓋 電機(jī)01聯(lián)接部得設(shè)計由于電機(jī)01的輸出軸的軸徑為12.7mm，而諧波減速器01的輸入軸的軸徑為2

49、4mm，所以在電機(jī)與諧波減速器之間必須有連接部，連接的部得詳細(xì)設(shè)計圖如下：圖214 電機(jī)軸與諧波減速器輸入軸之間的連接鍵的選型為普通平鍵，靜連接，公稱尺寸b×h為5×5，鍵的長度為20mm。下面進(jìn)行鍵的校核。取許用擠壓應(yīng)力p=110（N/mm2） p=4Tdhl=4×3.512.7×5×20=11.02<p （2-5） 所以從擠壓強(qiáng)度角度來看該鍵是合格根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)，深溝球軸承01的選擇為 深溝球軸承60000型18系GB/T276-1994d=30mm,D=62mm,B=16mm 軸02與軸03的設(shè)計校核軸02最小軸徑的確定由于軸02主要

50、承受扭轉(zhuǎn)力矩，所以應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計算和軸的直徑軸的材料采用40Cr,取許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力T的系數(shù)A =100 根據(jù)公式 dA3Pn （2-6）便可求得最小軸徑 其中P為軸所傳遞的功率 n為軸的轉(zhuǎn)速,軸02的轉(zhuǎn)速n02=30r/min軸02所傳遞的功率為P02=T0202 （2-7）軸的扭矩T02=150.56Nm，軸的轉(zhuǎn)速02=2N60i=2×3.14×300060×100=3.14 （2-8）則功率為P02=T0202=0.473Kw由此可得理論最小軸徑dmin10030.47330=25.1mm取最小軸徑為30mm軸02的設(shè)計軸02的詳細(xì)設(shè)計如下 圖2- 15 軸

51、02的詳細(xì)結(jié)構(gòu)與三維視圖軸02粗處鍵的選型：普通平鍵，靜連接，公稱尺寸b×h為8×7，鍵的長度為18mm。下面進(jìn)行鍵的校核。取許用擠壓應(yīng)力p=110（N/mm2） p=4Tdhl=4×150.5632×10×18=104.6<p 所以該鍵是合格。軸03以及軸上零件的設(shè)計計算軸03是腰轉(zhuǎn)的輸出軸，帶動手臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，軸03與軸03之間采用鍵連接，且軸03和腰轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)盤是固聯(lián)在一起的。鍵的選型已在軸02的設(shè)計中介紹過，校核合格，現(xiàn)在不在贅述。軸03的詳細(xì)設(shè)計如下圖所示 圖2-16 軸03的設(shè)計圖2-17 軸03的三維造型 推力球軸承的選型為推力

52、球軸承51000型12系列 GB/T3011995d=50mm，D=78mm，T=22mm。 圓錐滾子軸承01、02為同一型號，均為圓錐滾子軸承30000型02系列GB/T297-1994d=60mm，D=110mm，T=23.75mm，B=22mm 軸03的校核。 由于軸03所受的軸力由推力球軸承來承受，而且在機(jī)器運(yùn)動時產(chǎn)生的向上的軸向力很小，可以忽略不計，因此在校核軸承時只考慮軸承所受的徑向力。 A、確定軸承作用力與外力的作用位置 確定了軸承對軸的作用位置后，再對軸的受力進(jìn)行簡化可得到下面的軸的受力示意圖。2-15 軸承在軸03上的作用力位置以及軸受力圖在上圖中F1為手臂的重力簡化在離軸中

53、心500mm處，且F1=400NF2為機(jī)器所受的最大慣性力，F(xiàn)3=250N。 F2=m1r1+m2r2+m3r3 =185N B、繪制軸的彎矩圖和扭矩圖圖2-16軸03受力簡圖 F1=400N，F(xiàn)2=185N，F(xiàn)3=250N，M1=M2=150.56Nm，F(xiàn)z1H，F(xiàn)z2H，為軸承的支反力。求軸承支反力由于垂直方向的力由推力球軸承承擔(dān)，軸承反力只存在于一個豎直平面內(nèi)，假設(shè)為H平面，通過計算可得 FZ1H-FZ2H=185 F1L1+F2L2=FZ2HL3計算可得 FZ1H=3606N FZ2H=3791N 可以計算得軸的彎矩圖如圖2-17（a）： 圖中Mw1=246415Nmm Mw2=258791Nmm2-17 軸03的彎矩、扭矩以及當(dāng)量彎矩圖（a）為彎矩圖，（b）為扭矩圖（c）為當(dāng)量彎矩圖軸的扭矩圖如2-17（b）：圖中TN=150560Nmm C、按彎扭合成強(qiáng)度條件校核軸強(qiáng)度 當(dāng)量彎矩 Mca=M2+(T)2 （2-9）取折合系數(shù)=0.6，則可算得當(dāng)量彎矩圖如圖2-17（c）： Mca1=(0.6×150560)2=90336Nmm Mca2=2464152+(0.6×150560)2=262452Nmm Mca3=2587912+(0.6×150560)2=274105Nm