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南京工程學(xué)院先進(jìn)制造技術(shù)工程中心畢業(yè)設(shè)計說明書
目錄
前 言 2
第一章 緒 論 3
1.1 引言 3
1.2 工業(yè)機(jī)器人的含義 4
1.3 選題背景與意義 5
1.4 工業(yè)機(jī)器人的組成 6
1.5 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 7
第二章 SC750三軸伺服驅(qū)動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 12
2.1 機(jī)械手的設(shè)計方法 12
2.1.1 機(jī)械手的選擇與分析 12
2.1.2 直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計方法 13
2.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 19
2.2.1 機(jī)器人的總體設(shè)計 19
2.2.2 機(jī)械手的傳動部件設(shè)計 20
2.2.3 機(jī)械手的臂部設(shè)計 21
2.3 SC750三軸伺服驅(qū)動機(jī)器人機(jī)構(gòu)的特點(diǎn) 21
第三章 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)分析 22
3.1 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)分析 22
3.1.1機(jī)器人的運(yùn)動概述 22
3.1.2 機(jī)器人的驅(qū)動方式 25
第四章SC750三軸伺服驅(qū)動機(jī)器人零件的設(shè)計 26
4.1 伺服電機(jī)的選擇 26
4.2 減速機(jī)的選擇 28
4.3 齒輪齒條的選擇 30
4.4 導(dǎo)軌的選擇 38
第五章 結(jié)論 40
致 謝 41
參 考 文 獻(xiàn) 42
前 言
進(jìn)入21世紀(jì)后,FANUC公司開發(fā)成功了配備有視覺傳感器和力覺傳感器的智能機(jī)器人。到現(xiàn)在已擁有可搬運(yùn)質(zhì)量從2 公斤到1.2 噸的種類豐富的商品系列。隨后，F(xiàn)ANUC公司又開發(fā)了運(yùn)用這一智能機(jī)器人的長時間連續(xù)機(jī)械加工系統(tǒng)機(jī)器人單元 。在整個加 工工序中加工作業(yè)本身使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動化加工已經(jīng)非常普遍了。但是，附帶作業(yè)，毛比如在加工中心的夾具上進(jìn)行加工材料裝卸的作業(yè)，以及去毛刺邊，清洗等作業(yè)中的很多部分， 現(xiàn)在還是依靠人工來完成。機(jī)器人單元使用智能機(jī)器人，不但實現(xiàn)了這些作業(yè)的自動化，而且在世界上最早實現(xiàn)了。小時的長時間連續(xù)加工 ，現(xiàn)在在FANUC公司的工廠共運(yùn)轉(zhuǎn)著13 套這樣的機(jī)器人單元。機(jī)器人單元使用了兩種控制裝置 也就是CNC和機(jī)器人控制器我們現(xiàn)在正在開發(fā)使這兩種控制裝置都可以單獨(dú)地顯示雙方狀態(tài)的功能， 以進(jìn)一步推進(jìn)機(jī)床和機(jī)器人的融合。[1]
隨著我國工業(yè)自動化水平的不斷提高 ，在機(jī)械加工與制造領(lǐng)域，以及各種裝配與包裝自動化生產(chǎn)線上機(jī)械手的應(yīng)用已相當(dāng)普遍機(jī)械手通常擔(dān)負(fù)著上料下料等加工任務(wù)。由于PLC順序控制具有系統(tǒng)簡單可靠，控制靈活方便等特點(diǎn) ，而且從 PLC誕生之日起其最基本最普遍的應(yīng)用領(lǐng)域就是在工業(yè)環(huán)境下的順序控 制，因此，基于PLC順序控制的機(jī)械手在工業(yè)自動化領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。
機(jī)器人是一種很特別的生產(chǎn)工具，因此，機(jī)器人應(yīng)用的范圍十分廣泛。這些應(yīng)用可以被劃分為3類：材料處理、材料搬運(yùn)和裝配。在材料處理中，機(jī)器人用工具來加工和處理原材料。例如，機(jī)器人工具可包括鉆頭，從而可以在原始材料上執(zhí)行鉆孔操作。材料搬運(yùn)包括裝載零件。這些操作可以由機(jī)器人可靠地重復(fù)執(zhí)行，因此提高了質(zhì)量，減少了廢料損失。裝配是機(jī)器人技術(shù)的另一個廣泛應(yīng)用。自動裝配系統(tǒng)能合并自動測試、機(jī)器人自動控制和機(jī)械處理，以減少勞動成本，提高產(chǎn)量，消除人工操作的危險性。
第一章 緒 論
1.1 引言
工業(yè)機(jī)器人是一種提高制造業(yè)生產(chǎn)力的工具。他誕生于20世紀(jì)60年代,在20世紀(jì)90年代得到迅速發(fā)展,是最先產(chǎn)業(yè)化的機(jī)器人技術(shù)它可以承擔(dān)那些對人類可能有危險的工作。它是綜合了計算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù),是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。它的出現(xiàn)是為了適應(yīng)制造業(yè)規(guī)?；a(chǎn),解決單調(diào)、重復(fù)的體力勞動和提高生產(chǎn)質(zhì)量而代替人工作業(yè)。最早的工業(yè)機(jī)器人就曾用來在核能發(fā)電廠中更換核燃料棒。工業(yè)機(jī)器人也能在裝配線上工作，如安裝印刷電路板上的電子元器件。這樣人們就可以從這種單調(diào)的工作中解脫出來。機(jī)器人還能拆除炸彈，為傷殘人服務(wù)，為我們的社會做各種各樣的工作。[7]在我國,工業(yè)機(jī)器人的真正使用到現(xiàn)在已經(jīng)接近20多年了,已經(jīng)基本實現(xiàn)了試驗、引進(jìn)到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)了我國制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。
機(jī)械手作為自動生產(chǎn)線中的重要設(shè)備,已成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱之一, 可傳統(tǒng)的機(jī)械手,采用繼電器- 控制器控制氣壓系統(tǒng),其控制系統(tǒng)復(fù)雜,大量的接線使系統(tǒng)的可靠性降低,設(shè)備的工作效率下降, 自動化程度不高,安全系數(shù)低.因此,利用PID 算法與PLC 控制技術(shù)改造傳統(tǒng)的機(jī)械手,研制一種智能機(jī)械手已成為當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)自動化研究的主流.根據(jù)外國資料統(tǒng)計, [8] 在工業(yè)控制中 80% 都采用PLC.目前國外應(yīng)用于自動控制這一領(lǐng)域占60%,應(yīng)用于數(shù)據(jù)管理占 20%,用于生產(chǎn)管理占18%,用于人機(jī)接占 22%.可見, PLC 在工業(yè)領(lǐng)域已占主導(dǎo)地位.因此,研究機(jī)械手的智能控制對工業(yè)自動控制有重要意義. [9]
在理論上，隨著世界經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展，人類活動領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)有正迅速向社會生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域擴(kuò)展，也從制造領(lǐng)域轉(zhuǎn)向非制造領(lǐng)域，各種各樣的機(jī)器人產(chǎn)品隨之出現(xiàn)。SC750三軸伺服機(jī)械手的設(shè)計，不但在技術(shù)上可以追蹤機(jī)器人的發(fā)展趨勢，而且還可以填補(bǔ)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用的空白，促進(jìn)我國工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平的提高和產(chǎn)業(yè)化水平的發(fā)展。[10]
本次設(shè)計是根據(jù)對工業(yè)三自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設(shè)計以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
1.2 工業(yè)機(jī)器人的含義
工業(yè)機(jī)器人的定義為：一種能夠自動定位控制，可重復(fù)編程的，多功能的，多自由度的操作機(jī)。工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)(FMS)、自動化工廠(FA)、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動化工具。
機(jī)械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預(yù)定的程序軌跡極其它要求，實現(xiàn)抓取，搬運(yùn)工件或操做工具的自動化裝置。在我國由于大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人所執(zhí)行的工作為模擬人的手臂而工作，因而通常把工業(yè)機(jī)器人稱做操作機(jī)械手。
智能機(jī)器人是機(jī)器人的發(fā)展方向，它具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業(yè)機(jī)器人，能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；如具有識別功能或更進(jìn)一步增加自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，即成為智能型工業(yè)機(jī)器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應(yīng)環(huán)境，并自動完成更為復(fù)雜的工作。
1.3 選題背景與意義
由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作已滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動化機(jī)械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機(jī)械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強(qiáng)度、危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng)度，可以說是一舉兩得。在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的一個重要組成部分。
本次設(shè)計研究的意義有：
1、 可提高生產(chǎn)過程的自動化程度，應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。
2、 可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
3、 可以減少人力，并便于有節(jié)奏地生產(chǎn)。
4、 本課題研究的機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡單，主要采用一個伺服電機(jī)和兩個氣缸控制機(jī)械手在三個方向進(jìn)行移動來實現(xiàn)上料動作，成本相對其它機(jī)械手比較低且控制容易。
畢業(yè)設(shè)計作為大學(xué)四年的一個總結(jié)。通過對SC750三軸伺服驅(qū)動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)過的基本理論、基本知識和基本方法和解決問題的能力。同時讓我們對軟件的使用有了更深的認(rèn)識，是我們踏上工作崗位之后手中多了一份籌碼，而且，通過自身對課題的研究和小組的討論，增強(qiáng)了我們的團(tuán)隊合作意識，提高了我們的實踐能力。
1.4 工業(yè)機(jī)器人的組成
工業(yè)機(jī)器人一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成。如圖1-1所示。目前，具有人工智能系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人還處于研究實驗階段。而應(yīng)用于生產(chǎn)實際的多數(shù)是那些具有執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人。
圖1-1 機(jī)器人的一般組成
要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機(jī)構(gòu)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動的驅(qū)動－傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。
對于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個機(jī)器人的。要實現(xiàn)機(jī)器人所期望實現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2 所示。
圖1-2 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系
機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動－傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動－傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。
1.5 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及國內(nèi)外發(fā)展趨勢
一、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷程
早在1954 年美國喬治·德沃爾首次設(shè)計出第一臺電子程序可編的工業(yè)機(jī)器人，并于 1961 年發(fā)表了該項專利。1962年美國通用汽車公司投入使用，標(biāo)志著第一代機(jī)器人誕生。 從此機(jī)器人開始成為人類生活中的現(xiàn)實。 之后日本使工業(yè)機(jī)器人得到迅速的發(fā)展。目前，日本已成為世界上工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量和擁有量最多的國家。
80 年代，世界上生產(chǎn)技術(shù)的高度自動化和集成化，使工業(yè)機(jī)器人得以進(jìn)一步發(fā)展，并在這個時代起著十分重要的作用。
第一代機(jī)器人，一般指工業(yè)上大量使用的可編程機(jī)器人及遙控操作機(jī)?？删幊虣C(jī)器人可根據(jù)操作人員所編程序完成一些簡單重復(fù)性作業(yè)。遙控操作機(jī)制每一步動作都要靠操作人員發(fā)出。1982年，美國通用汽車公司在裝配線上為機(jī)器人裝備了視覺系統(tǒng)，從而宣告了第二代機(jī)器人—感知機(jī)器人的問世。這代機(jī)器人，帶有外部傳感器，可進(jìn)行離線編程。能在傳感系統(tǒng)支持下，具有不同程度感知環(huán)境并自行修正程序的功能。第三代機(jī)器人為自治機(jī)器人，正在各國研制和發(fā)展。它不但具有感知功能，還具有一定決策和規(guī)劃能力。能根據(jù)人的命令或按照所處環(huán)境自行做出決策規(guī)劃動作即按任務(wù)編程。
我國機(jī)器人研究工作起步較晚，從“七五”開始國家投入資金，對工業(yè)機(jī)器及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)和研制。1986 年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃開始實施，智能機(jī)器人主題跟蹤世界機(jī)器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人我國工業(yè)機(jī)器人起步于70年代初期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。
70年代是世界科技發(fā)展的一個里程碑：人類登上了月球，實現(xiàn)了金星、火星的軟著陸。我國也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界上工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用掀起一個高潮，尤其在日本發(fā)展更為迅猛，它補(bǔ)充了日益短缺的勞動力。在這種背景下，我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。
進(jìn)入80年代后，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，隨著改革開放的不斷深入，我國機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國家投入資金，對工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1986年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）開始實施，智能機(jī)器人主題跟蹤世界機(jī)器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人。
從90年代初期起，中國的國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入實現(xiàn)兩個根本轉(zhuǎn)變時期，掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮，我國的工業(yè)機(jī)器人又在實踐中邁進(jìn)一大步，先后研制出了點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn)、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。
中國工業(yè)機(jī)器人經(jīng)過“七五”攻關(guān)計劃、“九五”攻關(guān)計劃和863計劃的支持已經(jīng)取得了較大進(jìn)展,工業(yè)機(jī)器人市場也已經(jīng)成熟,應(yīng)用上已經(jīng)遍及各行各業(yè)。
雖然中國的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在不斷的進(jìn)步中，但和國際同行相比，差距依舊明顯。從市場占有率來說，更無法相提并論。工業(yè)機(jī)器人很多核心技術(shù)，目前我們尚未掌握，這是影響我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要瓶頸。
我國未來工業(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。
二、工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)、生產(chǎn)中的應(yīng)用
工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時間作業(yè)，或是危險惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機(jī)械加工、金屬制品業(yè)和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運(yùn)或工藝操作。在日、美、西歐等一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國家中，工業(yè)機(jī)器人得到越來越廣泛的應(yīng)用。
三、 工業(yè)機(jī)器人在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用
隨著科技的發(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)域日益在擴(kuò)大，其應(yīng)用范圍已不限于工業(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)、海洋和深空探測等事業(yè)中。
四、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢
機(jī)器人是先進(jìn)制造技術(shù)和自動化裝備的典型代表，是人造機(jī)器的“終極”形式。它涉及到機(jī)械、電子、自動控制、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)展與眾多學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢主要有：
（一） 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價格不斷下降。
（二）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；有關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人。
（三）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化，網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，采用模塊化結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
（四） 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，視覺、力覺、聲覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
（五）機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。
總體趨勢是，從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(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)的內(nèi)涵已變?yōu)?靈活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實際動作功能的智能化系統(tǒng)。機(jī)器人結(jié)構(gòu)越來越靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。
五、我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與前景
自從20世紀(jì)60年代人類制造了第一臺工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人就顯示出了極強(qiáng)的生命力。經(jīng)過40年的飛速發(fā)展，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、物流、制造業(yè)等諸多領(lǐng)域中。
盡管如此，我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化卻存在著巨大的問題。除了眾多歷史原因造成制造業(yè)水平低下的原因外，更多的是對工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的認(rèn)識和定位上存在著不同觀點(diǎn)。
首先，我國基礎(chǔ)零部件制造能力差。雖然我國在相關(guān)零部件方面有了一定的基礎(chǔ)，但是無論從質(zhì)量、產(chǎn)品系列全面，還是批量化供給方面都與國外存在較大的差距。特別是在高性能交流伺服電機(jī)和精密減速器方面的差距尤其明顯，因此造成關(guān)鍵零部件的進(jìn)口，影響了我國機(jī)器人的價格競爭力。
第二，中國的機(jī)器人還沒有形成自己的品牌。雖然已經(jīng)擁有一批企業(yè)從事機(jī)器人的開發(fā)，但是都沒有形成較大的規(guī)模，缺乏市場的品牌認(rèn)知度，在機(jī)器人市場方面一直面臨國外機(jī)器人品牌的打壓。國外機(jī)器人作為成熟的產(chǎn)業(yè)采用整機(jī)降價，吸引國內(nèi)企業(yè)購買，而在后續(xù)的維護(hù)備件費(fèi)用很高的策略，逐步占領(lǐng)中國市場。
第三，國家認(rèn)識不到位，在鼓勵工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品方面的政策少。工業(yè)機(jī)器人的制造及應(yīng)用水平，代表了一個國家的制造業(yè)水平，我們必須從國家高度認(rèn)識發(fā)展中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的重要性，這是我國從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的重要手段和途徑。
第二章 SC750三軸伺服驅(qū)動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
2.1 機(jī)械手的設(shè)計方法
機(jī)械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預(yù)定的程序軌跡極其它要求，實現(xiàn)抓取，搬運(yùn)工件或操做工具的自動化裝置。在我國由于大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人所執(zhí)行的工作為模擬人的手臂而工作，因而通常把工業(yè)機(jī)器人稱做操作機(jī)械手。
機(jī)械手的特點(diǎn)：
（1） 對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng) 能代替人從事危險，有害的工作。在長時間工作對人體有害的場所，機(jī)械手不受影響，只要根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行合理的設(shè)計，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機(jī)械手就可以在異常高溫或低溫，異常壓力和有害氣體，粉塵，放射線作用下，以及沖壓，滅等危險環(huán)境中勝任工作。
（2） 機(jī)械手能持久，耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動中解放出來，并能擴(kuò)大和延伸人的功能。
（3） 由于機(jī)械手的動作準(zhǔn)確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時又可以避免人為的操作錯誤。
（4） 機(jī)械手特點(diǎn)是通過用工業(yè)機(jī)械手的通用性，靈活性好，能很好的適應(yīng)產(chǎn)品的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。
2.1.1 機(jī)械手的選擇與分析
為實現(xiàn)機(jī)器人的末端執(zhí)行器在空間的位置而提供的3個自由度，可以有不同的運(yùn)動組合，通常可以將其設(shè)計成圓柱坐標(biāo)型、直角坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型 、平面關(guān)節(jié)型五種形式。
直角坐標(biāo)型 直角坐標(biāo)型機(jī)器人，其運(yùn)動部分的三個相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它在各個軸向的移動距離可在坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)體所占空間大，靈活性較差。
根據(jù)本次設(shè)計的要求，三軸同時可以模擬操作員取出動作，并可以沿著規(guī)定路徑連續(xù)運(yùn)動，因此選擇直角坐標(biāo)型。
2.1.2 直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計方法
(一) 直角坐標(biāo)機(jī)器人概念：
工業(yè)應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、運(yùn)動自由度建成空間直角關(guān)系、多用途的操作機(jī)。他能夠搬運(yùn)物體、操作工具，以完成各種作業(yè)。關(guān)于機(jī)器人的定義隨著科技的不斷發(fā)展，在不斷的完善，直角坐標(biāo)機(jī)器人作為機(jī)器人的一種，其含義也在不斷的完善中。
圖2-2 典型直角坐標(biāo)機(jī)器人
（二） 直角坐標(biāo)機(jī)器人的特點(diǎn)：
1、自由度運(yùn)動，每個運(yùn)動自由度之間的空間夾角為直角；
2、自動控制的，可重復(fù)編程，所有的運(yùn)動均按程序運(yùn)行；
3、一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、操作工具等組成。
4、靈活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。
5、高可靠性、高速度、高精度。
6、可用于惡劣的環(huán)境，可長期工作，便于操作維修。
（三）直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用：
因末端操作工具的不同，直角坐標(biāo)機(jī)器人可以非常方便的用作各種自動化設(shè)備，完成如焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂、目標(biāo)跟隨、排爆等一系列工作。特別適用于多品種、便批量的柔性化作業(yè)，對于穩(wěn)定提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
圖2-3直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用
隨著直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計工作日益顯得重要。成功的設(shè)計一臺直角坐標(biāo)機(jī)器人涉及到很多方面的工作，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、動力驅(qū)動、伺服控制等等。
（四）機(jī)器人設(shè)計特點(diǎn)：
1、機(jī)器人的設(shè)計是一個復(fù)雜的工作，工作量很大，涉及的知識面很多，往往需要多人完成。
2、機(jī)器人設(shè)計是面向客戶的設(shè)計，不是閉門造車。設(shè)計者需要經(jīng)常和用戶在一起，不停分析用戶要求，尋求解決方案。
3、機(jī)器人設(shè)計是面向加工的設(shè)計，再好的設(shè)計，如果工廠不能加工出產(chǎn)品，設(shè)計也是失敗的，設(shè)計者需要掌握大量的加工工藝及加工手段。
4、機(jī)器人設(shè)計是一個不斷完善的過程。
（五）機(jī)器人設(shè)計流程：
1、使用要求的分析：每一個機(jī)器人都是根據(jù)特定的要求的產(chǎn)生而設(shè)計的，設(shè)計的第一步就是要將使用要求分析清楚，確定設(shè)計時需要考慮的參數(shù)，包括：
1).機(jī)器人的定位精度，重復(fù)定位精度；
2).機(jī)器人的負(fù)載大小，負(fù)載特性；
3).機(jī)器人運(yùn)動的自由度數(shù)量，每自由度的運(yùn)動行程；
4).機(jī)器人的工作周期或運(yùn)動速度，加減速特性；
5).機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，動作的關(guān)聯(lián)；
6).機(jī)器人的工作環(huán)境、安裝方式；
7).機(jī)器人的運(yùn)行工作制、運(yùn)行壽命；
其他特殊要求；
2、 機(jī)械模型初建：機(jī)器人從機(jī)械結(jié)構(gòu)分大體可分為龍門結(jié)構(gòu)、壁掛結(jié)構(gòu)，垂掛結(jié)構(gòu)，根據(jù)安裝空間的要求選擇不同的結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、運(yùn)動特性都是不一樣的。后續(xù)的設(shè)計必須是基于一個確定的結(jié)構(gòu)。
圖2-4機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)圖
3、 速度：V=S/t 最大速度：Vmax=at
加速度/減速度：a=F/m
其中：S為運(yùn)動行程
t為定位運(yùn)動時間
F加速時的驅(qū)動力
M運(yùn)動物體質(zhì)量和
4、力學(xué)特性分析
一個機(jī)器人是由許多定位單元組成的，每根定位系統(tǒng)都要分析。需要分析的項目如下：
圖2-5力學(xué)分析圖
水平推力Fx
正壓力Fz
側(cè)壓力Fy
Mx、My、Mz
5、機(jī)械強(qiáng)度校核：
每個定位單元，每個梁都要進(jìn)行校核，尤其雙端支撐梁和懸臂梁。
1） 撓度變形計算
圖2-6撓度變形圖
F：負(fù)載（N）；
L：定位單元長度（mm）；
E：材料彈性模量；
I：材料截面慣性矩(mm4)；
f：撓度形變（mm）
注意：在計算撓度形變時，梁的自重產(chǎn)生的變形不能忽視，梁的自重按均布載荷計算。
以上公式計算的是靜態(tài)形變，實際應(yīng)用中，因為機(jī)器人一直處于運(yùn)動狀態(tài)，必須計算加速力產(chǎn)生的形變，形變直接影響機(jī)器人的運(yùn)行精度。
2）扭轉(zhuǎn)形變計算：
當(dāng)一根梁的一端固定，另一端施加一個繞軸扭矩后，將產(chǎn)生扭曲變形。實際應(yīng)用中產(chǎn)生該形變的原因一般是負(fù)載偏心或有繞軸加速旋轉(zhuǎn)的物體存在。
6、 驅(qū)動元件選擇
常用的驅(qū)動系統(tǒng)有：交流/直流伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、直線伺服電機(jī)/直線伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。
每一個驅(qū)動系統(tǒng)都由電機(jī)和驅(qū)動器兩部分組成。驅(qū)動器的作用是將弱電信號放大，將其加載在驅(qū)動電機(jī)的強(qiáng)電上，驅(qū)動電機(jī)。電機(jī)則是將電信號轉(zhuǎn)化成精確的速度及角位移。
需要計算的項目如下：
電機(jī)功率：
電機(jī)扭矩：
電機(jī)轉(zhuǎn)速：
減速機(jī)減速比
電機(jī)慣量/負(fù)載慣量的匹配關(guān)系
圖2-7 扭轉(zhuǎn)力矩分析圖
7、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計
在完成了前面六項工作后，一個直角坐標(biāo)機(jī)器人定位系統(tǒng)的雛形就已經(jīng)在設(shè)計者的頭腦中形成了，接下來的工作就是將雛形畫成工程圖，以便生產(chǎn)。機(jī)器人的運(yùn)動軌跡具有不確定性，靈活多變，往往在一個位置不存在位置干涉，但到下一個位置就干涉了。
8、設(shè)備壽命校核
機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，要對整臺設(shè)備進(jìn)行壽命計算，核心元件的壽命到要計算，如機(jī)器人軌道的壽命，減速機(jī)的壽命，伺服電機(jī)的壽命等。
機(jī)器人的運(yùn)行壽命與運(yùn)行速度、負(fù)載大小、結(jié)構(gòu)形式、工作環(huán)境、工作制等有關(guān)。
如果發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)行壽命太短，需要重新調(diào)整設(shè)計。
以上為一個機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計方法，至于控制系統(tǒng)部分這里不加說明。
2.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計
工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動裝置是帶動操作機(jī)個運(yùn)動臂的動力源。驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分，工業(yè)機(jī)械手的性價比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動等。
2.2.1 機(jī)器人的總體設(shè)計
(一) 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計
工業(yè)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要問題是選擇由連桿件和運(yùn)動副組成的坐標(biāo)形式。本次設(shè)計的三軸伺服驅(qū)動機(jī)器人的坐標(biāo)形式是直角坐標(biāo)式機(jī)器人，主要完成3軸可以同時模擬操作員取出動作，能連續(xù)運(yùn)動并有C軸水平旋轉(zhuǎn)功能。
（二）傳動方式
傳動方式選擇是指選擇驅(qū)動源及傳動裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動形式，主要包括：（1）直接連接傳動：驅(qū)動源或帶有機(jī)械傳動裝置直接與關(guān)節(jié)相連。（2）遠(yuǎn)距離連接傳動：驅(qū)動源通過遠(yuǎn)距離機(jī)械傳動后與關(guān)節(jié)相連。（3）間接驅(qū)動：驅(qū)動源經(jīng)一個速比遠(yuǎn)大于1的機(jī)械裝置與關(guān)節(jié)相連。（4）直接傳動：驅(qū)動源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個速比等于1的機(jī)械傳動這樣的中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相連。
（三）模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計
模塊化機(jī)器人是有一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊件通過具有特殊功能的結(jié)合部用積木拼接的方式組成一個工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。模塊化設(shè)計是指基本模塊設(shè)計和結(jié)合部設(shè)計。模塊化工業(yè)機(jī)器人主要的特點(diǎn)是：經(jīng)濟(jì)性、靈活性。
（四）材料的選擇
與一般機(jī)械設(shè)備相比，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動力特性是十分重要的，這是材料選擇的出發(fā)點(diǎn)。材料選擇的基本要求是：強(qiáng)度高、彈性模量大、重量輕、阻尼大、材料價格低。
2.2.2 機(jī)械手的傳動部件設(shè)計
傳動部件是驅(qū)動源和機(jī)器人各個關(guān)節(jié)連接的橋梁，是工業(yè)機(jī)器人的重要部件。機(jī)器人的運(yùn)動速度、加速度（減速度）特性、運(yùn)動平穩(wěn)性、精度、承載能力很大程度上是取決于傳動部件設(shè)計的合理性和優(yōu)劣。因此，關(guān)節(jié)傳動部件的設(shè)計是工業(yè)機(jī)器人設(shè)計的關(guān)鍵之一。
1）移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌
工業(yè)機(jī)器人對移動導(dǎo)軌的要求
移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌的目的是在運(yùn)動過程中保證位置精度和導(dǎo)向,對移動導(dǎo)軌有如下要求:
1． 間隙小或者能消除間隙；
2． 再垂直于運(yùn)動方向上的剛度高；
3． 摩擦系數(shù)低并不隨速度變化;
4． 高阻尼；
5． 移動導(dǎo)軌和其輔助元件尺寸小、慣量低。
移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌主要分類：普通滑動導(dǎo)軌、液壓動壓滑動導(dǎo)軌、液壓靜壓滑動導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。
上面介紹的導(dǎo)軌中，前兩種具有結(jié)果結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點(diǎn)，但是必須有間隙以便潤滑，但是間隙的存在又將會引起坐標(biāo)的變化和有效負(fù)載的變化，在低速時候容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。第三種靜壓滑動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生預(yù)載荷，能完全消除間隙，具有高剛度、低摩擦、高阻尼等優(yōu)點(diǎn)，但是它需要單獨(dú)的液壓系統(tǒng)和回收潤滑油的機(jī)構(gòu)。第四種氣浮導(dǎo)軌不需要回收潤滑油的機(jī)構(gòu)，但是剛度和阻尼較低。第五種滾動導(dǎo)軌在工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)軌種用的是最廣泛，具有很多的優(yōu)點(diǎn) :1摩擦小,特別是不隨速度變化;2尺寸小;3剛度高承載能力大;4精度和精度保持度高;5潤滑簡單;6容易制造成標(biāo)準(zhǔn)件;7易加預(yù)載，消除間隙，增加剛度等等。但是,滾動導(dǎo)軌用在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)也存在著缺點(diǎn):1阻尼低;2對臟物比較敏感.
2）傳動件的定位及消隙傳動件的定位主要有：
1． 電氣開關(guān)定位
2． 機(jī)械擋塊定位
3． 伺服定位系統(tǒng)定位
傳動件的消隙主要有：
1． 消隙齒輪
2． 柔性齒輪消隙
3． 對稱傳動消隙
4． 偏心機(jī)構(gòu)消隙
5． 齒廓彈性覆層消隙
2.2.3 機(jī)械手的臂部設(shè)計
工業(yè)機(jī)器人臂部設(shè)計的基本要求：
1、剛度高。為了防止臂部在運(yùn)動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面彎曲剛度一般比截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支撐板。
2、導(dǎo)向性好。為防止手臂在直線運(yùn)動中，沿運(yùn)動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形，花鍵等形式的臂桿。
3、重量輕。為提高機(jī)器人的運(yùn)動速度，要盡量減小臂部運(yùn)動部分的重量，以減小整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。
4、運(yùn)動平穩(wěn)定位精度高。
除了臂部設(shè)計上要求力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕外，同時要采用一定形式的緩沖措施。
常用的臂部結(jié)構(gòu)有：
1、手部直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)；
機(jī)器人手臂的伸縮，橫向移動均屬于直線運(yùn)動。實現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸，齒輪齒條機(jī)構(gòu)，絲杠螺母機(jī)構(gòu)以及連桿機(jī)構(gòu)等。由于活塞（氣）缸的體積小，重量輕，因而在機(jī)器人結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的比較多。
2.3 SC750三軸伺服驅(qū)動機(jī)器人機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)
1、完美的重現(xiàn)性和定位精度。SC750三軸伺服驅(qū)動機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用先進(jìn)的高精度的主要機(jī)構(gòu)部件。三軸采用最先進(jìn)的伺服馬達(dá)和最高等級低背隙減速機(jī)。
2、具有高剛性，高精度，防塵防落物，經(jīng)濟(jì)耐用等特點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，運(yùn)動響應(yīng)快，速度高?？梢蕴峁┒喾N組合方式，裝配和維護(hù)簡單，操作容易。
3、三軸運(yùn)動采用最先進(jìn)的伺服馬達(dá)和最高等級低背隙的減速機(jī)（展現(xiàn)出完美的重現(xiàn)性與定位精度）三軸運(yùn)動的傳動皆采用高剛性的齒輪加齒排的機(jī)構(gòu)。
圖2.8 SC750三軸伺服機(jī)構(gòu)整體效果圖
第3章 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)分析
3.1 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)分析
3.1.1機(jī)器人的運(yùn)動概述
工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動，可從工業(yè)機(jī)器人的自由度，工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型等三方面來討論。
1、工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動自由度
所謂機(jī)器人的運(yùn)動自由度是指確定一個機(jī)器人操作位置時所需要的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目，它是表示機(jī)器人動作靈活程度的參數(shù)。
本設(shè)計的工業(yè)機(jī)器人具有轉(zhuǎn)動副和移動副兩種運(yùn)動副，具有Y軸手臂垂直伸降運(yùn)動，C軸水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，X軸和Z軸往復(fù)運(yùn)動三自由度。
2、機(jī)器人的工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型
（1） 工作空間 工作空間是指機(jī)器人正常運(yùn)行時，手部參考點(diǎn)能在空間活動的最大范圍，是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)。本次設(shè)計所用的Apexrobot 技術(shù)參數(shù)及Apexrobot 機(jī)構(gòu)圖如下：
參數(shù)及Apexrobot 機(jī)構(gòu)圖如下：
（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)類型
直角坐標(biāo)型機(jī)器人為本設(shè)計所采用方案，這種運(yùn)動形式是自由度運(yùn)動，每個運(yùn)動之間都是直角關(guān)系，共三個自由度組成的運(yùn)動系統(tǒng)，工作空間是垂直的。它是自動控制的，可以通過編程使各部分協(xié)調(diào)運(yùn)動，這種機(jī)器人運(yùn)動靈活，有高可靠性、高速度和高精度。同時它們還可以在惡劣環(huán)境下工作，可長期工作，便于操作與維修。
3.1.2 機(jī)器人的驅(qū)動方式
1、液壓驅(qū)動
分類: 從運(yùn)動形式來分分為直線驅(qū)動如直線運(yùn)動液壓缸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動如液壓馬達(dá),擺動液壓缸. 從控制水平的高低來分分為開環(huán)控制液壓系統(tǒng)和閉環(huán)控制液壓系統(tǒng).適用范圍: 液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比,適合于大負(fù)載的情形. 液壓驅(qū)動的本質(zhì)優(yōu)點(diǎn)在于它的安全性.
2、氣壓驅(qū)動:
分類:直線氣缸,擺動汽缸及旋轉(zhuǎn)氣動馬達(dá).適用范圍: 適合于節(jié)拍快,負(fù)載小且精度要求不高的場合(因為空氣具有可壓縮性).
3、電力驅(qū)動:
分類: 按照電機(jī)的工作原理不同分為伺服電機(jī),直流伺服電機(jī),無刷電機(jī)等.按照控制水平的高低來分分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng).適用范圍:適合于中等負(fù)載,特別適合于動作復(fù)雜,運(yùn)動軌跡嚴(yán)格的各類機(jī)器人.對驅(qū)動裝置的要求驅(qū)動裝置的質(zhì)量盡可能要輕.單位質(zhì)量的輸出功率要高,效率高.反應(yīng)速度要快.要求力質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大. 動作平滑,不產(chǎn)生沖擊.控制靈活,位移偏差和速度偏差小.安全可靠. 操作維修方便等.
一般情況下機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇是物料搬運(yùn)用有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)器人，重負(fù)載用液壓驅(qū)動，中等載荷可選用電動驅(qū)動系統(tǒng)，輕載荷可選用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。沖壓機(jī)器人多用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。
電動驅(qū)動 隨著低慣量、直流伺服電機(jī)及配套的伺服驅(qū)動器的廣泛采用，這種驅(qū)動系統(tǒng)被大量選用 。
本次設(shè)計所采用的驅(qū)動方式有兩種。其中X軸和Y軸是使用電機(jī)來提供動力,電動機(jī)經(jīng)減速器帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪帶動齒條分配各軸直線移動；另外Z方向是通過直線氣缸直接驅(qū)動Z軸工作臺的運(yùn)動。
??
進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計
機(jī)械平臺設(shè)計內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動部件慣性的計算，選擇伺服電機(jī)，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。
2.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量
脈沖當(dāng)量δp是一個進(jìn)給指令時工作臺的位移量，應(yīng)小于等于工作臺的位置精度，由于定位精度為±0.01mm因此選擇脈沖當(dāng)量為0.01mm。
2.2重量初步估算
根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算水平向和豎直向工作臺承載重量W水平和W豎直。
水平向拖板(上拖板)尺寸為:
長*寬*高=420*410*50
重量:按重量=體積*材料比重估算為:
=
豎直向拖板(下拖板)尺寸為:
重量=
上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量為
夾具及工件重量:約155N
水平-豎直工作臺運(yùn)動部分總重量為:
2.3 滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇
根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的W水平和W豎直計算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：
因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取
根據(jù)計算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:
選擇漢機(jī)江機(jī)床廠HJG-D系列滾動直線導(dǎo)軌,其型號為:HJG-D25
基本參數(shù)如下:
額定載荷/N
靜態(tài)力矩/N*M
滑座重量
導(dǎo)軌重量
導(dǎo)軌長度
動載荷
靜載荷
L
(mm)
17500
26000
198
198
288
0.60
3.1
760
滑座個數(shù)
單向行程長度
每分鐘往復(fù)次數(shù)
M
4
0.6
4
導(dǎo)軌的額定動載荷N
依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：
額定行程長度壽命:
導(dǎo)軌的額定工作時間壽命:
導(dǎo)軌的工作壽命足夠.
2.4 滾珠絲杠計算、選擇
初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=5mm
強(qiáng)度計算
絲杠軸向力：(N)
其中：K=1.15，滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時：F水平=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)豎直=(0.15~0.7)Fz，可取F水平=0.5Fz，F(xiàn)豎直=0.6Fz計算。
取f=0.004,則:
壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)
最大動載荷：
式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時為1.0。
查表得中等沖擊時則:
根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號為: CM系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5。
其基本參數(shù)如下:
其額定動載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式.
滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表
名稱
計算公式
結(jié)果
公稱直徑
――
20mm
螺距
――
５mm
接觸角
――
鋼球直徑
――
3.175mm
螺紋滾道法向半徑
1.651mm
偏心距
0.04489mm
螺紋升角
螺桿外徑
19.365mm
螺桿內(nèi)徑
16.788mm
螺桿接觸直徑
17.755mm
螺母螺紋外徑
23.212mm
螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）
20.7mm
（1） 傳動效率計算
絲杠螺母副的傳動效率為：
式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。
（2） 穩(wěn)定性驗算
絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。
（3） 剛度驗算
滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm)
豎直向所受牽引力大,故用豎直向參數(shù)計算
絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計。導(dǎo)程變形總誤差Δ為
E級精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。
2.5 伺服電機(jī)慣性負(fù)載的計算
根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，有：
（1）等效轉(zhuǎn)動慣量的計算
折算到伺服電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為：
式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為伺服電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量；為齒輪１的轉(zhuǎn)動慣量；
為齒輪２的轉(zhuǎn)動慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；Ｍ為移動部件的質(zhì)量。
對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：
式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。
所以有：
電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，所以有：
2.6 伺服電機(jī)的選用
(１）伺服電機(jī)啟動力矩的計算
設(shè)伺服電機(jī)的等效負(fù)載力矩為Ｔ，負(fù)載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系：
式中為電機(jī)轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動部件的相應(yīng)位移，為機(jī)械傳動的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以：
式中：為移動部件負(fù)載（N），G為移動部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動部件上的負(fù)載力（N），為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，為伺服電機(jī)的步距角（rad）,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm）。
取=0.3（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），＝０.8，==279.23Ｎ。考慮到重力影響，Ｙ向電機(jī)負(fù)載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：
考慮到啟動時運(yùn)動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩：
取系數(shù)為０.３，則：
對于工作方式為三相６拍的伺服電機(jī)：
(２） 伺服電機(jī)的最高工作頻率
為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動頻率要大于最高運(yùn)行頻率,同時電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個90BF001型三相反應(yīng)式伺服電機(jī).
電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下:
型號
主要技術(shù)參數(shù)
相數(shù)
步距角
電壓
(V)
相電流
(A)
最大靜轉(zhuǎn)矩
(n.m)
空載啟動頻率
空載運(yùn)行頻率
分配方式
90BF001
4
0.9
80
7
3.92
2000
8000
4相8拍
外形尺寸(mm)
重量
kg
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量
Kg.m
外直徑
長度
軸直徑
90
145
9
5
1764
第四章SC750三軸伺服驅(qū)動機(jī)器人零件的設(shè)計
4.1 伺服電機(jī)的選擇
伺服電機(jī)是在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，是可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確。
交流伺服電機(jī)是無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確。主要優(yōu)點(diǎn)有：
1、精度：實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了伺服電機(jī)失步的問題；
2、轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000轉(zhuǎn)；
3、適應(yīng)性：抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對有瞬間負(fù)載波動和要求快速起動的場合特別適用；
4、穩(wěn)定：低速運(yùn)行平穩(wěn)，適用于有高速響應(yīng)要求的場合；
5、及時性：電機(jī)加減速的動態(tài)相應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；
6、舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。
1、一般伺服電機(jī)選擇考慮的問題
（1）電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速
電機(jī)選擇首先依據(jù)機(jī)械手快速行程速度。快速行程的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴(yán)格控制在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。
式中，為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（rpm）；n為快速行程時電機(jī)的轉(zhuǎn)速（rpm）；為直線運(yùn)行速度（m/min）；u為系統(tǒng)傳動比，u=n電機(jī)/n絲杠；絲杠導(dǎo)程（mm）。（2）慣量匹配問題及計算負(fù)載慣量
為了保證足夠的角加速度使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏和滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求, 負(fù)載慣量應(yīng)限制在2.5倍電機(jī)慣量之
慣量應(yīng)限制在2.5倍電機(jī)慣量之內(nèi)，即<2.5jm。
式中， Jj為各轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2； wj為各轉(zhuǎn)動件角速度，rad/min； mj為各移動件的質(zhì)量，kg； vj為各移動件的速度，m/min； w為伺服電機(jī)的角速度，rad/min。
（3）空載加速轉(zhuǎn)矩
空載加速轉(zhuǎn)矩發(fā)生在執(zhí)行部件從靜止以階躍指令加速到快速時。一般應(yīng)限定在變頻驅(qū)動系統(tǒng)最大輸出轉(zhuǎn)矩的80% 以內(nèi)。
式中, 為與電機(jī)匹配的變頻驅(qū)動系統(tǒng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩（N.m）； 為空載時加速轉(zhuǎn)矩（N.m）； 為快速行程時轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的載荷轉(zhuǎn)矩（N.m）； 為快速行程時加減速時間常數(shù)（ms）。
（4）切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩
在正常工作狀態(tài)下，切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tms 不超過電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩TMs 的80%。
（5）連續(xù)過載時間
連續(xù)過載時間 應(yīng)限制在電機(jī)規(guī)定過載時間 之內(nèi)。
4.3 齒輪齒條的選擇
如上所述，采用電機(jī)驅(qū)動，因為本次設(shè)計是直角坐標(biāo)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計，需要三軸直線運(yùn)動。故采用齒輪齒條傳動將電機(jī)的選擇運(yùn)動轉(zhuǎn)變成齒條的直線運(yùn)動。齒輪齒條傳動具有傳動比準(zhǔn)確，傳動效率高的優(yōu)點(diǎn)，而且它們的結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，使用壽命也很長。齒輪齒條傳動時使用最普遍的一種傳動方式。
假設(shè)所選齒輪的參數(shù)如下：
標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪 模數(shù)m = 3.5 （m是決定齒輪尺寸的基本參數(shù)，已標(biāo)準(zhǔn)化）
齒數(shù)Z = 42
因為所選為標(biāo)準(zhǔn)齒輪，故壓力角 變位系數(shù) 齒頂高系數(shù) 齒頂隙系數(shù) 齒頂過渡圓角半徑0 齒根過渡圓角半徑1.14 有效齒輪42 精度0.01 有效齒起始角0。以下是齒輪的設(shè)計報告。
漸開線圓柱齒輪傳動設(shè)計報告
1、 設(shè)計信息
設(shè)計者
設(shè)計單位
設(shè)計日期
設(shè)計時間
二、設(shè)計參數(shù)
傳遞功率 P=7.50(kW)
傳遞轉(zhuǎn)矩 T=49.05(N·m)
齒輪1轉(zhuǎn)速 n1=1460(r/min)
齒輪2轉(zhuǎn)速 n2=500(r/min)
傳動比 i=2.92
原動機(jī)載荷特性 SF=輕微振動
工作機(jī)載荷特性 WF=均勻平穩(wěn)
預(yù)定壽命 H=10000(小時)
三、布置與結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)形式 ConS=開式
齒輪1布置形式 ConS1=對稱布置
齒輪2布置形式 ConS2=對稱布置
四、材料及熱處理
齒面嚙合類型 GFace=軟齒面
熱處理質(zhì)量級別 Q=ML
齒輪1材料及熱處理 Met1=34CrNi3Mo<調(diào)質(zhì)>
齒輪1硬度取值范圍 HBSP1=269～341
齒輪1硬度 HBS1=305
齒輪1材料類別 MetN1=0
齒輪1極限應(yīng)力類別 MetType1=5
齒輪2材料及熱處理 Met2=45<正火>
齒輪2硬度取值范圍 HBSP2=162～217
齒輪2硬度 HBS2=190
齒輪2材料類別 MetN2=0
齒輪2極限應(yīng)力類別 MetType2=7
五、齒輪精度
齒輪1第Ⅰ組精度 JD11=7
齒輪1第Ⅱ組精度 JD12=7
齒輪1第Ⅲ組精度 JD13=7
齒輪1齒厚上偏差 JDU1=F
齒輪1齒厚下偏差 JDD1=L
齒輪2第Ⅰ組精度 JD21=7
齒輪2第Ⅱ組精度 JD22=7
齒輪2第Ⅲ組精度 JD23=7
齒輪2齒厚上偏差 JDU2=F
齒輪2齒厚下偏差 JDD2=L
六、齒輪基本參數(shù)
模數(shù)(法面模數(shù)) Mn=3.5(2)(mm)
端面模數(shù) Mt=3.50000(mm)
螺旋角 β=0.000000(度)
基圓柱螺旋角 βb=0.0000000(度)
齒輪1齒數(shù) Z1=42
齒輪1變位系數(shù) X1=0.00
齒輪1齒寬 B1=40(mm)
齒輪1齒寬系數(shù) Φd1=0.272
齒輪2齒數(shù) Z2=123
齒輪2變位系數(shù) X2=0.00
齒輪2齒寬 B2=40(mm)
齒輪2齒寬系數(shù) Φd2=0.093
總變位系數(shù) Xsum=0.000
標(biāo)準(zhǔn)中心距 A0=288.75000(mm)
實際中心距 A=288.75000(mm)
中心距變動系數(shù) yt=0.00000
齒高變動系數(shù) △yt=0.00000
齒數(shù)比 U=2.92857
端面重合度 εα=1.79833
縱向重合度 εβ=0.00000
總重合度 ε=1.79833
齒輪1分度圓直徑 d1=147.00000(mm)
齒輪1齒頂圓直徑 da1=154.00000(mm)
齒輪1齒根圓直徑 df1=138.25000(mm)
齒輪1基圓直徑 db1=138.13482(mm)
齒輪1齒頂高 ha1=3.50000(mm)
齒輪1齒根高 hf1=4.37500(mm)
齒輪1全齒高 h1=7.87500(mm)
齒輪1齒頂壓力角 αat1=26.236191(度)
齒輪2分度圓直徑 d2=430.50000(mm)
齒輪2齒頂圓直徑 da2=437.50000(mm)
齒輪2齒根圓直徑 df2=421.75000(mm)
齒輪2基圓直徑 db2=404.53767(mm)
齒輪2齒頂高 ha2=3.50000(mm)
齒輪2齒根高 hf2=4.37500(mm)
齒輪2全齒高 h2=7.87500(mm)
齒輪2齒頂壓力角 αat2=22.383229(度)
齒輪1分度圓弦齒厚 sh1=5.49651(mm)
齒輪1分度圓弦齒高 hh1=3.55140(mm)
齒輪1固定弦齒厚 sch1=4.85467(mm)
齒輪1固定弦齒高 hch1=