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設(shè)計(jì)任務(wù) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 一、設(shè)計(jì)內(nèi)容 題目來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際。設(shè)計(jì)一個(gè)用于焊接的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，進(jìn)行機(jī)器人的總體 方案設(shè)計(jì)、腕部及執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其零件設(shè)計(jì)。 二、設(shè)計(jì)依據(jù) 　焊接關(guān)節(jié)型機(jī)器人具有六個(gè)自由度，腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)，臂關(guān)節(jié)俯仰，肘關(guān)節(jié)俯仰， 腕關(guān)節(jié)仰腕、擺腕和旋腕，腕部最大負(fù)荷4kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑 1500mm。 三、技術(shù)要求 1、機(jī)器人應(yīng)能滿足工作要求，保證焊接精度； 2、工作可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； 3、裝卸方便，便于維修、調(diào)整； 4、盡量使用通用件，以便降低制造成本。 四. 主要參考文獻(xiàn)： 1、殷際英.何廣平.關(guān)節(jié)型機(jī)器人：北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003. 2、馬香峰.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì).北京：冶金工業(yè)出版社，1996. 3、費(fèi)仁元.張慧慧.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998. 4、周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995. 5、蔡自興.機(jī)器人學(xué).北京：清華大學(xué)出版社，2000. 6、宗光華,劉海波譯.機(jī)器人技術(shù)手冊(cè). 北京：科學(xué)出版社，1996. 7、徐衛(wèi)良，錢(qián)瑞明譯.機(jī)器人操作的數(shù)學(xué)導(dǎo)論. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998. 8、孫迪生，王炎.機(jī)器人控制技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998. 9、徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000. 10、成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).第4版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002. 1 關(guān)節(jié)型機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要：為了提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，滿足特定的工作要求，本題設(shè)計(jì)用于焊接的關(guān)節(jié)型機(jī)器人的手腕和末端執(zhí)行器。根據(jù)機(jī)器人的工作要求進(jìn)行了機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)。確定機(jī)器人的外形時(shí)，擬定了手腕的傳動(dòng)路徑，選用直流電動(dòng)機(jī)，合理布置了電機(jī)、軸和齒輪，設(shè)計(jì)了齒輪和軸的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了強(qiáng)度校核計(jì)算。傳動(dòng)中采用了軟軸、波紋管聯(lián)軸器和行星齒輪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了擺腕、轉(zhuǎn)腕和提腕的三個(gè)自由度的要求。設(shè)計(jì)中大多采用了標(biāo)準(zhǔn)件和常用件，降低了設(shè)計(jì)和制造成本。關(guān)鍵詞：自由度；焊接；手腕 目　錄 1 前言………………………………………………………………………………1 1.1機(jī)器人的含義………………………………………………………………………1 1.2題目來(lái)源……………………………………………………………………………2 1.3技術(shù)要求…………………………………………………………………………2 1.4 本題要解決的主要問(wèn)題和設(shè)計(jì)思路……………………………………………2 2國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及現(xiàn)狀的介紹……………………………………………………2 2.1 研究現(xiàn)狀…………………………………………………………………………2 2.2 發(fā)展趨勢(shì)…………………………………………………………………………4 3總體方案論證…………………………………………………………………………5 3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的確定……………………………………………………………5 3.2 工作空間的確定……………………………………………………………………6 3.3 手腕結(jié)構(gòu)的確定……………………………………………………………………7 3.4 基本參數(shù)的確定……………………………………………………………………8 4 手腕詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明………………………………………………………………8 4.1 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇……………………………………………………8 4.2手腕電機(jī)的選擇………………………………………………………………9 4.3傳動(dòng)比的確定………………………………………………………………9 4.4 傳動(dòng)比的分配………………………………………………………………10 4.5 齒輪的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………10 4.6 軸的設(shè)計(jì)和校核……………………………………………………………18 4.7 夾持器的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………23 4.8 殼體的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………23 5結(jié)論………………………………………………………………………………24 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………25 附錄………………………………………………………………………………26 開(kāi)題論證報(bào)告 關(guān)節(jié)型機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 一、 題目來(lái)源、題目研究的主要內(nèi)容及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀綜述 題目來(lái)源：工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品。采用工業(yè)機(jī)器人是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件的一種有效手段。目前手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對(duì)操作員技術(shù)熟練程度要求較高，因此采用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動(dòng)化，以提高生產(chǎn)效率。 題目研究的主要內(nèi)容：機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)等的設(shè)計(jì)和伺服控制密切相關(guān)。本課題主要是對(duì)焊接用機(jī)器人進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，我主要著重手腕（手腕，夾持器）部分，該部分由三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（臂轉(zhuǎn)、手轉(zhuǎn)、腕擺）組合而成。并保證與基座和手臂部分尺寸和功能的協(xié)調(diào)。 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀綜述:從機(jī)器人誕生到本世紀(jì)80年代初，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的發(fā)展過(guò)程。到90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。目前的研究?jī)?nèi)容主要集中在：工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、機(jī)器人控制技術(shù)、多傳感技術(shù)、機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù),機(jī)器人半自主和自主技術(shù)、虛擬機(jī)器人技術(shù)、多智能體調(diào)控制技術(shù)、軟機(jī)器人技術(shù)、仿人和仿生技術(shù)、微型和微小機(jī)器人技術(shù)。其中微型和微小機(jī)器人技術(shù)是機(jī)器人研究的一個(gè)新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過(guò)去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì)引起機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命， 并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。在我國(guó)對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，如徐衛(wèi)平和張玉茹發(fā)表的《六自由度微動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析》對(duì)六自由度微動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了位移分析并為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了計(jì)算依據(jù)。還有劉辛軍、高峰和汪勁松發(fā)表的《并聯(lián)六自由度微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法》研究了微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，建立了并聯(lián)六自由度微動(dòng)機(jī)器人的空間模型，并分析了該微動(dòng)機(jī)器人的空間模型，并分析了該微動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)尺寸與各向同性、剛度等性能指標(biāo)的關(guān)系得到了一系列性能圖譜，從各圖譜中可以看出各項(xiàng)性能指標(biāo)在空間模型設(shè)計(jì)參數(shù)空間中的分布規(guī)律，這有助于設(shè)計(jì)者根據(jù)性能指標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)該微動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)尺寸，是探討微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效分析工具。 二、本題擬解決的問(wèn)題 1. 手腕處于手臂末端，須減輕手臂的載荷，力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減 少其重量和體積； 2. 提高手腕動(dòng)作的精確性； 3. 三個(gè)自由度（臂轉(zhuǎn)、手轉(zhuǎn)、腕擺）的實(shí)現(xiàn)。 三、解決方案及預(yù)期效果 （一）解決方案： 1. 腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置采用分離傳動(dòng)，將3個(gè)驅(qū)動(dòng)器安置在小臂的后端。 2. 提高傳動(dòng)的剛度，盡量減少機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)回差， 對(duì)分離傳動(dòng)多采用傳動(dòng)軸。 3. 驅(qū)動(dòng)電機(jī)1經(jīng)傳動(dòng)軸和一對(duì)圓柱齒輪和一對(duì)圓錐齒輪帶動(dòng)手腕在殼體上 作偏擺運(yùn)動(dòng)。電機(jī)2經(jīng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)圓柱齒輪傳動(dòng)和圓錐齒輪傳動(dòng)，從而 使軸回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手腕的上下擺動(dòng)。電機(jī)3經(jīng)傳動(dòng)軸和兩對(duì)圓錐齒輪傳動(dòng) 帶動(dòng)軸回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手腕機(jī)械接口法蘭盤(pán)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) （二）預(yù)期效果： 1. 工作可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； 2. 能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確動(dòng)作； 3. 裝卸方便，便于維修、調(diào)整； 4. 盡量使用通用件，以便降低制造成本。 作業(yè)范圍大，動(dòng)作靈活并能廣泛應(yīng)用于噴涂、焊接等作業(yè)中。 2 1前言 1.1機(jī)器人的概念 機(jī)器人是一個(gè)在三維空間中具有較多自由度，并能實(shí)現(xiàn)較多擬人動(dòng)作和功能的機(jī)器，而工業(yè)機(jī)器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)器人。美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)提出的工業(yè)機(jī)器人定義為：“機(jī)器人是一種可重復(fù)編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)”。英國(guó)和日本機(jī)器人協(xié)會(huì)也采用了類似的定義。我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643-90將工業(yè)機(jī)器人定義為：“機(jī)器人是一種能自動(dòng)定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。而將操作機(jī)定義為：“具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置”。 機(jī)器人系統(tǒng)一般由操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元、控制裝置和為使機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。 1.1.1操作機(jī) 操作機(jī)是機(jī)器人完成作業(yè)的實(shí)體，它具有和人手臂相似的動(dòng)作功能。通常由下列部分組成： a.末端執(zhí)行器 又稱手部，是機(jī)器人直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機(jī)器人直接與工作對(duì)象接觸以完成作業(yè)的機(jī)構(gòu)。 b. 手腕 是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來(lái)確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴(kuò)大手臂的動(dòng)作范圍，一般有2～3個(gè)回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機(jī)器人可以沒(méi)有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。 c. 手臂 它由機(jī)器人的動(dòng)力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時(shí)包括肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)，即手臂與手臂間。手臂與機(jī)座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴(kuò)大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運(yùn)動(dòng)范圍。 d. 機(jī)座 有時(shí)稱為立柱，是工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中相對(duì)固定并承受相應(yīng)的力的基礎(chǔ)部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿?dòng)式兩類。 1.1.2驅(qū)動(dòng)單元 它是由驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)單元等組成的部件，是用來(lái)為操作機(jī)各部件提供動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的裝置。 1.1.3控制裝置 它是由人對(duì)機(jī)器人的啟動(dòng)、停機(jī)及示教進(jìn)行操作的一種裝置，它指揮機(jī)器人按規(guī)定的要求動(dòng)作。 1.1.4人工智能系統(tǒng) 它由兩部分組成，一部分是感覺(jué)系統(tǒng)，另一部分為決策－規(guī)劃智能系統(tǒng)。 1.2題目來(lái)源 本題設(shè)計(jì)的是關(guān)節(jié)型機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)，主要是整體方案設(shè)計(jì)和手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其零件設(shè)計(jì)。此課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際。對(duì)于目前手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對(duì)操作員技術(shù)熟練程度要求高，因此采用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件。 1.3技術(shù)要求 根據(jù)設(shè)計(jì)要達(dá)到以下要求 a. 工作可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； b. 裝卸方便，便于維修、調(diào)整； c. 盡量使用通用件，以便降低制造成本。 1.4本題要解決的主要問(wèn)題及設(shè)計(jì)總體思路 本題要解決的問(wèn)題有以下三個(gè)： a. 手腕處于手臂末端，需減輕手臂的載荷，力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減少重量和體積； b. 提高手腕動(dòng)作的精確性； c. 三個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn)。 針對(duì)上述問(wèn)題有了以下設(shè)計(jì)思路： a. 腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置采用分離傳動(dòng)，將3個(gè)驅(qū)動(dòng)器安置在小臂的后端。 b. 提高傳動(dòng)的剛度，盡量減少機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)誤差，對(duì)于分離傳動(dòng)采用傳動(dòng)軸。 c. 驅(qū)動(dòng)電機(jī)1經(jīng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)一對(duì)圓柱齒輪和一對(duì)圓錐齒輪帶動(dòng)手腕在小臂殼體上作偏擺運(yùn)動(dòng)。電機(jī)2經(jīng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)一對(duì)圓柱齒輪和一對(duì)圓錐齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手腕的上下擺動(dòng)。電機(jī)3經(jīng)傳動(dòng)軸和兩對(duì)圓錐齒輪帶動(dòng)軸回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手腕上機(jī)械接口的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r 2.1研究現(xiàn)狀 從機(jī)器人誕生到本世紀(jì)80年代初，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的發(fā)展過(guò)程。到90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。下面將按工業(yè)機(jī)器人和先進(jìn)機(jī)器人兩條技術(shù)發(fā)展路線分述機(jī)器人的最新進(jìn)展情況。 2.1.1工業(yè)機(jī)器人 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是以機(jī)械、電機(jī)、電子計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)為基礎(chǔ)融合而成的一種系統(tǒng)技術(shù)。 　　a. 機(jī)器人操作機(jī)：通過(guò)有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，機(jī)器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以德國(guó)KUKA公司為代表的機(jī)器人公司，已將機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開(kāi)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)器人的性能。此外采用先進(jìn)的RV減速器及交流伺服電機(jī)，使機(jī)器人操作機(jī)幾乎成為免維護(hù)系統(tǒng)。 　 b. 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(cè)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(lái)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(kāi)發(fā)出了此類產(chǎn)品。 　　c. 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過(guò)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，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(wèn)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。 　　d. 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺(jué)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(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)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(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德國(guó)KUKA、REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。 　 e. 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAWA和德國(guó)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(guò)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(guò)去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。 　　f. 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(guò)去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時(shí)，而現(xiàn)在已達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)，幾乎可以滿足任何場(chǎng)合的需求。 2.2.2先進(jìn)機(jī)器人 　　近年來(lái)，人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開(kāi)發(fā)、宇宙探測(cè)、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè)等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對(duì)機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能，對(duì)外 感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 　　a. 水下機(jī)器人：美國(guó)的AUSS、俄羅斯的MT-88、法國(guó)的EPAVLARD等水下機(jī)器人已用于海洋石油開(kāi)采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護(hù)、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機(jī)器人（remote operated vehicle）和無(wú)纜水下機(jī)器人（autonomous under water vehicle）兩大類。 　　b. 空間機(jī)器人：空間機(jī)器人一直是先進(jìn)機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿大等國(guó)已研制出各種空間機(jī)器人。如美國(guó)NASA的空間機(jī)器人 Sojanor等。Sljanor是一輛自主移動(dòng)車，重量為11.5kg，尺寸630~48mm，有6個(gè)車輪，它在火星上的成功應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān) 注。 　　c. 核工業(yè)用機(jī)器人：國(guó)外的研究主要集中在機(jī)構(gòu)靈巧，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠、反應(yīng)快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動(dòng)機(jī)器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國(guó)ORML基于機(jī)器人的放射性儲(chǔ)罐清理系統(tǒng)、反應(yīng)堆用雙臂操作器，加拿來(lái)大研制成功的輻射監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，德國(guó)的C7 靈巧手等 　　d. 地下機(jī)器人：地下機(jī)器人主要包括采掘機(jī)器人和地下管道檢修機(jī)器人兩大類。主要研究?jī)?nèi)容為：機(jī)械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達(dá)國(guó)家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機(jī)器人，各種采機(jī)器人及自動(dòng)化系統(tǒng)正在研制中。 　　e. 醫(yī)用機(jī)器人： 醫(yī)用機(jī)器人的主要研究?jī)?nèi)容包括：醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、機(jī)器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場(chǎng)感外科手術(shù)等。美國(guó)已開(kāi)展臨場(chǎng)感外科（telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場(chǎng)模擬、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。法、英、意、德等國(guó)家聯(lián)合開(kāi)展了圖像引導(dǎo)型矯形外科（telematics）計(jì)劃、袖珍機(jī)器人（biomed）計(jì)劃以及用于外科手術(shù)的機(jī)電手術(shù)工具等項(xiàng)目的研究，并已取得一些卓有成效的結(jié)果。 　 f. 建筑機(jī)器人：日本已研制出20多種建筑機(jī)器人。如高層建筑抹灰機(jī)器人、預(yù)制件安裝機(jī)器人、室內(nèi)裝修機(jī)器人、地面拋光機(jī)器人、擦玻璃機(jī)器人等，并已實(shí)際應(yīng)用。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進(jìn)行管道挖掘和埋設(shè)機(jī)器人、內(nèi)墻安裝機(jī)器人等型號(hào)的研制、并開(kāi)展了傳感器、移動(dòng)技術(shù)和系統(tǒng)自動(dòng)化施工方法等基礎(chǔ)研究。英、德、法等國(guó)也在開(kāi)展這方面的研究。 　　g. 軍用機(jī)器人：近年來(lái)，美、英、法、德等國(guó)已研制出第二代軍用智能機(jī)器人。其特點(diǎn)是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場(chǎng)上具有看、嗅和觸摸能力，能夠自動(dòng)跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動(dòng)搜索、識(shí)別和消滅敵方目標(biāo)的功能。如美國(guó)的Navplab自主導(dǎo)航車、SSV半自主地面戰(zhàn)車，法國(guó)的自主式快速運(yùn)動(dòng) 偵察車（DARDS），德國(guó)MV4爆炸物處理機(jī)器人等。目前美國(guó)ORNL正在研制和開(kāi)發(fā)Abrams坦克、愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈裝電池用機(jī)器人等各種用途的軍用機(jī)器人。 　　可以預(yù)見(jiàn)，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。 2.2發(fā)展趨勢(shì) 目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究?jī)?nèi)容集中在以下10個(gè)方面： 　 a. 工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載.自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 　 b. 機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開(kāi)放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于 PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。 　 c. 多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問(wèn)題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問(wèn)題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。 　 d. 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。 　 e. 機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。 　 f. 虛擬機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。 　 g. 多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。 　 h. 微型和微小機(jī)器人技術(shù)（micro/miniature robotics）:這是機(jī)器人研究的一個(gè)新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過(guò)去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì)引起機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命， 并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。 　 我國(guó)對(duì)此進(jìn)行了深入的研究。徐衛(wèi)平和張玉茹發(fā)表的《六自由度微動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析》對(duì)六自由度微動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了位移分析并為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了計(jì)算依據(jù)。還有劉辛軍、高峰和汪勁松發(fā)表的《并聯(lián)六自由度微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法》研究了微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，建立了并聯(lián)六自由度微動(dòng)機(jī)器人的空間模型，并分析了該微動(dòng)機(jī)器人的空間模型，并分析了該微動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)尺寸與各向同性、剛度等性能指標(biāo)的關(guān)系得到了一系列性能圖譜，從各圖譜中可以看出各項(xiàng)性能指標(biāo)在空間模型設(shè)計(jì)參數(shù)空間中的分布規(guī)律，這有助于設(shè)計(jì)者根據(jù)性能指標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)該微動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)尺寸，是探討微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效分析工具。 3總體方案設(shè)計(jì) 3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的確定 為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的6個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計(jì)成以下五種方案： 3.1.1圓柱坐標(biāo)型 這種運(yùn)動(dòng)形式是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。 3.1.2直角坐標(biāo)型 直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)組成，其工作空間圖形為長(zhǎng)方體。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體所占空間體積大、靈活性較差。 3.1.3球坐標(biāo)型 又稱極坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)所組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)組成，其工作空間圖形為一個(gè)球形，它可以作上下俯仰運(yùn)動(dòng)并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 3.1.4關(guān)節(jié)型 關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)使工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取靠進(jìn)機(jī)座的物體。 3.1.5平面關(guān)節(jié)型 采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)；兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動(dòng)關(guān)節(jié)的行程長(zhǎng)，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。 對(duì)以上五種方案進(jìn)行比較：方案一不能夠完全實(shí)現(xiàn)本課題所要求的動(dòng)作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無(wú)法實(shí)現(xiàn)本課題的動(dòng)作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機(jī)器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，工藝操作精度高。 3.2工作空間的確定 根據(jù)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間。工作空間是指機(jī)器人正常工作運(yùn)行時(shí)，手腕參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍，是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)。此機(jī)器人的工作空間為1500mm。 圖3－1 機(jī)器人的機(jī)座坐標(biāo)系 3.3手腕結(jié)構(gòu)的確定 手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件，處于機(jī)器人操作機(jī)的最末端，其功能是在手臂和腰部實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)坐標(biāo)位置的基礎(chǔ)上，再由手腕來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)姿態(tài)坐標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度。 圖3－2 傳動(dòng)原理圖 考慮到結(jié)構(gòu)，電機(jī)將成三角形布置，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖。 3.4基本參數(shù)的確定 空間結(jié)構(gòu)和手腕結(jié)構(gòu)的確定，那么手腕回轉(zhuǎn)、手腕擺動(dòng)、和手腕旋轉(zhuǎn)三個(gè)姿態(tài)的自由度也得到了實(shí)現(xiàn)。 表3-1 機(jī)器人的主要規(guī)格參數(shù) 動(dòng)作范圍 手腕回轉(zhuǎn) 手腕擺動(dòng) 手腕旋轉(zhuǎn) 額定載荷 最大速度 4手腕詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明 4.1機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇 通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種: a. 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(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。但是由于采用開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過(guò)大時(shí)會(huì)造成“失步”現(xiàn)象。 b. 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(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。 c. 交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)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(pán)的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過(guò)載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。 d. 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(dòng)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(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問(wèn)題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。 本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 4.2手腕電機(jī)的選擇 4.2.1提腕電機(jī)的選擇 手腕的最大負(fù)荷重量，初估腕部的重量，最大運(yùn)動(dòng)速度V=2m/s 功率 取安全系數(shù)為1.2， 考慮到傳動(dòng)損失和摩擦，最終的電機(jī)功率。選擇Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，技術(shù)參數(shù)如下 表4-1 Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù) 型 號(hào) 額定電壓 （V） 額定轉(zhuǎn)矩(N/m) 額定轉(zhuǎn)速 (r/m) 參考功率 (W) 重量 (kg) Z200/20-400 200 1 2000 400 5.5 4.2.2擺腕和轉(zhuǎn)腕電機(jī)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求取相同型號(hào)的電機(jī)，選擇Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為200/20-400。 4.3傳動(dòng)比的確定 4.3.1提腕總傳動(dòng)比的確定 先根據(jù)下式求角速度 = ＝＝20 r/s 為角速度(r/s)，V為運(yùn)動(dòng)速度（m/s）， R為機(jī)械接口到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離(m)。 再求實(shí)際轉(zhuǎn)速 n’＝ 為轉(zhuǎn)速(r/min)。 最后求得總傳動(dòng)比 i總＝＝10.4 取整i總1=10 4.3.2轉(zhuǎn)腕和擺腕傳動(dòng)比的確定 用同樣的方法，可求得 轉(zhuǎn)腕總傳動(dòng)比i總2＝20 擺腕總傳動(dòng)比i總3＝10 4.4傳動(dòng)比的分配 傳動(dòng)比分配時(shí)要充分考慮到各級(jí)傳動(dòng)的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。 a. 提腕傳動(dòng)比分配 提腕總的傳動(dòng)比i總1=10，該傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)，第一極傳動(dòng)為圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i11=2，第二極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i12＝5。 b. 轉(zhuǎn)腕傳動(dòng)比分配 轉(zhuǎn)腕總的傳動(dòng)比i總2＝20，該傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)，第一極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i21＝5，第二極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i21＝4。 c. 擺腕傳動(dòng)比分配 擺腕總的傳動(dòng)比i總3＝10，該傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)，第一極傳動(dòng)為圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i31＝2，第二極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i32＝5。 4.5齒輪的設(shè)計(jì) 按照上述傳動(dòng)比配對(duì)各齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。 4.5.1提腕部分齒輪設(shè)計(jì) A. 第一極圓柱齒輪傳動(dòng) 齒輪采用45號(hào)鋼，鍛造毛坯，正火處理后齒面硬度170~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。 a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。 b.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件的設(shè)計(jì)表達(dá)式 （4－1） 其中， ，， ，，， 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計(jì)算可得 （4-2） 則 接觸疲勞壽命系數(shù), 彎曲疲勞壽命系數(shù) 接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。 求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力： 將有關(guān)值代入（4－1）得： 則 動(dòng)載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動(dòng)載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則 修正 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 c.計(jì)算基本尺寸 取 d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 復(fù)合齒形系數(shù)， 取 校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度 （4－3） 所以齒輪完全達(dá)到要求。 表4－2 齒輪的幾何尺寸 名稱 符號(hào) 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 中心距 頂隙 由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，小齒輪將做成齒輪軸。 B. 第二極圓錐齒輪傳動(dòng) 齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取 a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。 b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)表達(dá)式 （4－4） 其中， ，， ，， 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下式計(jì)算可得 （4-5） 則 接觸疲勞壽命系數(shù), 彎曲疲勞壽命系數(shù) 接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。 求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力： 將有關(guān)值代入（4－4）得： 則 動(dòng)載荷系數(shù)；使用系數(shù)；齒向載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)取，則 修正 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 c.計(jì)算基本尺寸 d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 復(fù)合齒形系數(shù)， 取 校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度 （4-6） 所以齒輪完全達(dá)到要求。 表4－3齒輪的幾何尺寸 · 符號(hào) 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒頂角 齒根角 分度圓錐角 頂錐角 根錐角 錐距 齒寬 由于小齒輪的分度圓直徑較小，所以作成齒輪軸。 4.5.2轉(zhuǎn)腕部分齒輪設(shè)計(jì) 第一極圓錐齒輪傳動(dòng)：齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。經(jīng)計(jì)算齒輪滿足要求 表4－4齒輪的幾何尺寸 名稱 符號(hào) 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒頂角 齒根角 分度圓錐角 頂錐角 根錐角 錐距 齒寬 第二極圓錐齒輪傳動(dòng)：齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。經(jīng)計(jì)算齒輪滿足要求。 表4－5齒輪的幾何尺寸 名稱 符號(hào) 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒頂角 齒根角 分度圓錐角 頂錐角 根錐角 錐距 齒寬 4.5.3擺腕部分齒輪設(shè)計(jì) 第一極圓柱齒輪傳動(dòng)：齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。經(jīng)計(jì)算齒輪滿足要求。小齒輪作成齒輪軸。 表4－6齒輪的幾何尺寸 名稱 符號(hào) 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 中心距 頂隙 第二極圓錐齒輪傳動(dòng)：齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。經(jīng)計(jì)算齒輪滿足要求。小齒輪作成齒輪軸。 表4－6齒輪的幾何尺寸 名稱 符號(hào) 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒頂角 齒根角 分度圓錐角 頂錐角 根錐角 錐距 齒寬 4.6軸的設(shè)計(jì)和校核 軸的結(jié)構(gòu)決定于受力情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類型和尺寸、軸的毛坯，制造和裝配工藝、以及運(yùn)輸、安裝等條件。軸的結(jié)構(gòu)，應(yīng)使軸受力合理，避免或減輕應(yīng)力集中，有良好的工藝性，并使軸上零件定位可靠、裝配方便。對(duì)于要求剛度大的軸，還應(yīng)該從結(jié)構(gòu)上考慮減少軸的變形。 4.5.1輸出軸的設(shè)計(jì) 擺腕的傳動(dòng)軸根據(jù)連軸器選：軸徑d=18mm ，根據(jù)結(jié)構(gòu)取軸長(zhǎng)l=135mm。 由于要實(shí)現(xiàn)擺腕，工作時(shí)要求彼此有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空間傳動(dòng)所以提腕和轉(zhuǎn)腕的傳動(dòng)軸采用軟軸。軟軸通常由鋼絲軟軸、軟管、軟軸接頭和軟管接頭等幾部分組成。 a. 鋼絲軟軸由幾層彈簧鋼絲緊繞在一起構(gòu)成的。每層又由若干根鋼絲組成。相鄰鋼絲層的纏繞方向相反。 b. 軟管用來(lái)保護(hù)鋼絲軟軸，以免與外界的機(jī)件接觸，并保存潤(rùn)滑劑和防止塵垢侵入；工作時(shí)軟管還起支撐作用。 c. 軟軸接頭用以連接動(dòng)力輸出軸及工作部件 d. 軟管接口用以連接傳動(dòng)裝置及工作部件的機(jī)體，有時(shí)也是軟軸接頭的軸承座。 在使用軟軸的時(shí)候要注意鋼絲軟軸必須定時(shí)涂潤(rùn)滑脂，不得使軟軸的彎曲半徑小于允許最小半徑。 4.5.2傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 軸的材料為45號(hào)鋼，調(diào)制處理 a. 初估軸徑， c=106~117,取c=106則 （4-7） b. 各段軸徑的確定 初估軸徑后，就可按照軸上零件的安裝順序從處開(kāi)始逐段確定軸徑，上面計(jì)算的是軸段1的直徑，由于軸段1上安裝連軸器，因此軸段1直徑的確定和連軸器型號(hào)同時(shí)進(jìn)行。這次選用的是波紋管連軸器。故軸段1直徑＝20mm。 右端用軸肩固定，考慮到在軸段2上裝套筒，故取軸徑＝22mm。 在軸段3上要安裝軸承，其直徑應(yīng)該便于軸承安裝，又應(yīng)該符合軸承內(nèi)徑系列， 即軸段3的直徑應(yīng)與軸承型號(hào)的選擇同時(shí)進(jìn)行?，F(xiàn)取角接觸球軸承型號(hào)為7205，其內(nèi)徑＝25mm。通常一根軸上的兩個(gè)軸承取相同型號(hào)，故取軸段7的直徑＝25mm。 軸段4上用軸肩固定軸承，故?。?0mm。 軸段5上作成齒輪軸，尺寸與齒輪相同。 根據(jù)結(jié)構(gòu)確定軸段6的直徑＝30mm。 c. 各軸段長(zhǎng)度的確定 各軸段長(zhǎng)度主要根據(jù)軸上零件的轂長(zhǎng)或軸長(zhǎng)零件配合部分的長(zhǎng)度確定。另一些軸段長(zhǎng)度，除與軸上零件有關(guān)外，還與箱體及軸承蓋等零件有關(guān)。 根據(jù)聯(lián)軸器取 。 考慮到套筒長(zhǎng)度取 。 根據(jù)軸承寬度取 。 根據(jù)結(jié)構(gòu) 。 圖4－1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖 4.5.3軸的強(qiáng)度校核 軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對(duì)于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，對(duì)于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算，兩者都具備的按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核等。 圖4－2軸的受力分析和彎扭矩圖 a． 軸上的轉(zhuǎn)矩T： 主軸上的傳遞的功率： （4-8） 求作用在齒輪上的力： b． 畫(huà)軸的受力簡(jiǎn)圖 見(jiàn)圖4－2 c． 計(jì)算軸的支撐反力 在水平面上 在垂直面上 d． 畫(huà)彎矩圖 見(jiàn)圖4－2 在水平面上，剖面左側(cè) 剖面右側(cè) 在垂直面上 合成彎矩，剖面左側(cè) 剖面右側(cè) e． 畫(huà)轉(zhuǎn)矩圖 見(jiàn)圖4－2 f. 判斷危險(xiǎn)截面 截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為T(mén)，則判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。 g.．軸的彎扭合成強(qiáng)度校核 許用彎曲應(yīng)力，， 截面左側(cè) h. 軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核 查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 截面左側(cè) 查得，；查得絕對(duì)尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則 彎曲應(yīng)力 ， 應(yīng)力幅 平均應(yīng)力 切應(yīng)力 安全系數(shù) 查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。 其它軸用相同方法計(jì)算，結(jié)果都滿足要求。 4.7夾持器的設(shè)計(jì) 根據(jù)焊槍的軸徑和機(jī)械接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了夾持器。本次設(shè)計(jì)使用的焊槍直徑為50mm。用螺栓固定焊槍。通過(guò)螺栓與機(jī)械接口聯(lián)接。 4.8殼體的設(shè)計(jì) 機(jī)座部分采用鑄鋁材料，方形結(jié)構(gòu)，臂厚8～12mm。機(jī)身部分采用鑄鋁材料，圓筒形結(jié)構(gòu)，臂厚7～8。大臂外殼和大臂箱體采用鑄鋁材料，方形結(jié)構(gòu)，厚度均為6～8。小臂箱體和小臂外殼采用鑄鋁材料，結(jié)構(gòu)為方形，側(cè)面為鑄件其它三面為鑄鋁板材。手腕外殼和手腕箱體采用鑄鋁材料，結(jié)構(gòu)為方形，兩側(cè)面、背面、底面為鑄件，端面和正面為鑄鋁板材，臂厚5～8mm。 其它部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)決定，詳見(jiàn)圖紙。 5結(jié)論 本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人采用了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)一系列的軸和齒輪傳動(dòng)順利實(shí)現(xiàn)了三個(gè)自由度：擺腕、提腕、轉(zhuǎn)腕。應(yīng)用于焊接生產(chǎn)線上將大大提高生產(chǎn)效率，和加工質(zhì)量，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 本機(jī)器人設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，通用性強(qiáng)。除了應(yīng)用于焊接外，還可以應(yīng)用于噴漆等工作中。設(shè)備制造成本合理，拆裝方便，便于維護(hù)。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 劉辛軍,汪勁松,高峰.并聯(lián)六自由度微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2001,41.(8):16-20. [2] 徐衛(wèi)平,張玉茹,六自由度微動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析[J].機(jī)器人ROBOT,1995,17.(5):298-302. [3] 李明利,楊利華. 磁性輪式球罐焊接機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械, 2001,28:83-84. [4] 潘沛霖,楊宏,高波,吳微光.四自由度折疊式機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1994,26.(4):90-95. [5] 殷際英,何廣平.關(guān)節(jié)型機(jī)器人[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003. [6] 馬香峰.工業(yè)機(jī)器人的操作設(shè)計(jì)和分析[M] .北京：冶金工業(yè)出版社, 1996. [7] 費(fèi)仁元,張慧慧.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析[M] .北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社,1998． [8] 周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)[M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1995． [9] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2000． [10] 宗光華,劉海波譯.機(jī)器人技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：科學(xué)出版社, 1996． [11] 徐衛(wèi)良,錢(qián)瑞名譯.機(jī)器人操作的數(shù)學(xué)導(dǎo)論[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998． [12] 孫迪生,王炎.機(jī)器人控制技術(shù)[M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998． [13] 徐錦康.機(jī)械設(shè)計(jì)[M] .第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001. [14] 徐灝．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M] .第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000. [15] 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．第四版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002． [16] 陳秀寧，施高義.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M]．第一版.浙江：浙江大學(xué)出版社，1995 . 附 錄 1 機(jī)器人總裝圖 HJJQR00 A0 2 手腕裝配圖 HJJQR-23 A0 3 夾持器裝配圖 HJJQR01 A2 4 軸 HJJQR-23-11 A3 5 大錐齒輪 HJJQR-14 A2 6 小錐齒輪 HJJQR-23-13 A3 7 圓柱齒輪 HJJQR-10 A3 8 圓柱齒輪軸 HJJQR-12 A3 9 圓錐齒輪軸 HJJQR-13 A3 27