焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),焊接,機(jī)械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述 背景和研究意義: 機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)與一般的機(jī)械設(shè)計(jì)相比，既具有類(lèi)似性，又有其獨(dú)特性。從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來(lái)看，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可看作是一系列連桿通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、移動(dòng)關(guān)節(jié)連接起來(lái)的開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈。 與一般機(jī)構(gòu)相比，機(jī)器人的開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)型式具有靈巧性和空間可達(dá)性等，但由于開(kāi)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)實(shí)際上是一系列懸臂桿件串聯(lián)而成的，機(jī)械誤差和彈性變形的累計(jì)，影響機(jī)器人的剛度和精度。因此，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)既要滿足強(qiáng)度要求，又要考慮剛度和精度。另一方面，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)，是整個(gè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分，無(wú)論是結(jié)構(gòu)的緊湊性、靈巧性，還是在運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性、快速性等伺服性能，都比一般機(jī)構(gòu)有更高的要求。 對(duì)焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，目的是尋找在不同要求下最優(yōu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以最大效益的滿足生產(chǎn)需要。 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況: 點(diǎn)焊機(jī)器人雖然有多種結(jié)構(gòu)形式，但大體上都可以分為3大組成部分，即機(jī)器人本體、點(diǎn)焊焊接系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。目前應(yīng)用較廣的點(diǎn)焊機(jī)器人，其本體形式為直角坐標(biāo)簡(jiǎn)易型及全關(guān)節(jié)型。前者可具有1～3個(gè)自由度，焊件及焊點(diǎn)位置受到限制；后者具有5～6個(gè)自由度，能在可到達(dá)的工作區(qū)間內(nèi)任意調(diào)整焊鉗姿態(tài)，以適應(yīng)多種形式結(jié)構(gòu)的焊接。 焊接機(jī)器人基本上都屬于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人、液壓驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人這兩類(lèi)工業(yè)機(jī)器人，弧焊機(jī)器人大多采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，因?yàn)楹笜屩亓恳话愣荚?0kg以內(nèi)。點(diǎn)焊機(jī)器人由于焊鉗重量都超過(guò)35kg。也有采用液壓驅(qū)動(dòng)方式的，因?yàn)橐簤候?qū)動(dòng)機(jī)器人抓重能力大，但大多數(shù)點(diǎn)焊機(jī)器人仍是采用大功率伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因它成本較低，系統(tǒng)緊湊。工業(yè)機(jī)器人是由機(jī)械手、控制器、驅(qū)動(dòng)器和示教盒 4 個(gè)基本部分構(gòu)成。對(duì)于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，控制器和驅(qū)動(dòng)器一般裝在一個(gè)控制箱內(nèi)，而液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，液壓驅(qū)動(dòng)源單獨(dú)成一個(gè)部件，現(xiàn)分別簡(jiǎn)述如下： ??機(jī)械手 機(jī)器人機(jī)械手又稱(chēng)操作機(jī)，是機(jī)器人的操作部分，由它直接帶動(dòng)末端操作器。實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)和操作，它的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，完全根據(jù)任務(wù)需要而定，其追求的目標(biāo)是高精度、高速度、高靈活性、大工作空間和模塊化?，F(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)形式有如下 3 種： 1、機(jī)床式 這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)類(lèi)似機(jī)床。其達(dá)到空間位置的3個(gè)運(yùn)動(dòng)。是由直線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，其末端操作器的姿態(tài)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，這種形式的機(jī)械手優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)學(xué)模型簡(jiǎn)單，控制精度容易提高；缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)較龐大，占地面積大、工作空間小。簡(jiǎn)易和專(zhuān)用焊接機(jī)器人常采用這種形式。 2、全關(guān)節(jié)式 這種機(jī)械手的結(jié)構(gòu)類(lèi)似人的腰部和手部，其位置和姿態(tài)全部由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。這是工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手最普遍的結(jié)構(gòu)形式。其特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)緊湊、靈活性好、占地面積小、工作空間大，缺點(diǎn)是精度高、控制難度大。偏置式與正置式的區(qū)別是手腕關(guān)節(jié)置于小臂的外側(cè)或小臂活動(dòng)范圍，但其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型要復(fù)雜一些。目前焊接機(jī)器人主要采用全關(guān)節(jié)式機(jī)械手。 3、平面關(guān)節(jié)式 這種機(jī)械手的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是上下運(yùn)動(dòng)由直線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，其他運(yùn)動(dòng)均由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)在垂直方向剛度大，水平方向又十分靈活，較適合以插裝為主的裝配作業(yè)，所以被裝配機(jī)器人廣泛采用。 機(jī)器人機(jī)械手的具體結(jié)構(gòu)雖然多種多樣，但都是由常用的機(jī)構(gòu)組合而成。現(xiàn)以美國(guó) PUMA 機(jī)械手為例來(lái)簡(jiǎn)述其內(nèi)部機(jī)構(gòu)，它是由機(jī)座、大臂、小臂、手腕 4 部分構(gòu)成，機(jī)座與大臂、大臂與小臂、小臂與手腕有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以保證達(dá)到工作空間的任意位置，手腕中又有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腕轉(zhuǎn)、腕曲、腕擺，以實(shí)現(xiàn)末端操作器的任意空間姿態(tài)。手腕的端部為一法蘭，以連接末端操作器。 每個(gè)關(guān)節(jié)都由一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，PUMA機(jī)械手是采用齒輪減速、桿傳動(dòng)，但不同廠家采用的機(jī)構(gòu)不盡相同，減速機(jī)構(gòu)常用的是4種方式：齒輪、諧波減速器、滾珠絲杠、蝸輪蝸桿。傳動(dòng)方式有桿傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等。其技術(shù)關(guān)鍵是要保證傳動(dòng)雙向無(wú)間隙 ( 即正反傳動(dòng)均無(wú)間隙 ) ，這是機(jī)器人精度的機(jī)械保證，當(dāng)然還要求效率高，機(jī)構(gòu)緊湊。 主要內(nèi)容及研究方案、研究方法或措施 主要內(nèi)容： 本設(shè)計(jì)研究汽車(chē)車(chē)身焊接的機(jī)械手，以完成汽車(chē)的車(chē)身、底盤(pán)等重要部位的焊接工作。 進(jìn)行機(jī)械手的原理方案設(shè)計(jì)，比較并提出系統(tǒng)的總體方案。 根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)焊接機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械手和焊接設(shè)備的機(jī)械接口等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。 技術(shù)要求： 腰部回轉(zhuǎn)最大角度280度； 擺動(dòng)最大角度120度； 直線位移范圍0-450mm， 研究方案、研究方法或措施： 先把本設(shè)計(jì)模塊化處理，它包含選型（坐標(biāo)型式），腰部回轉(zhuǎn)，手臂俯仰，直線位移，焊槍與手臂結(jié)合5部分。細(xì)化每部分的設(shè)計(jì)思路如下表： 1 2 3 4 坐標(biāo)型式 直角坐標(biāo)式 圓柱坐標(biāo)式 球坐標(biāo)式 關(guān)節(jié)式 腰部回轉(zhuǎn) 齒輪傳動(dòng) 蝸輪蝸桿 帶傳動(dòng) 手臂俯仰 齒輪傳動(dòng) 蝸輪蝸桿 帶傳動(dòng) 直線位移 齒條傳動(dòng) 液壓傳動(dòng) 氣壓傳動(dòng) 滾珠絲杠副 焊槍手臂結(jié)合 夾持式 吸附式 如圖可得：可能采用的方案共：4x3x3x4x2=288種 本設(shè)計(jì)研究汽車(chē)車(chē)身焊接的機(jī)械手，以完成汽車(chē)的車(chē)身、底盤(pán)等重要部位的焊接工作。 方案一：直角坐標(biāo)式機(jī)械手，蝸輪蝸桿傳動(dòng)，直線位移液壓傳動(dòng)，焊槍手臂結(jié)合吸附式。 方案二：關(guān)節(jié)式機(jī)械手，齒輪傳動(dòng)，直線位移滾珠絲杠副。焊槍手臂夾持式。 方案三：直角坐標(biāo)式機(jī)械手，齒輪傳動(dòng)，直線位移齒條傳動(dòng)，焊槍手臂結(jié)合夾持式。 方案四：球坐標(biāo)式機(jī)械手，齒輪傳動(dòng)，直線位移氣壓傳動(dòng)，焊槍手臂結(jié)合吸附式。 本設(shè)計(jì)中要求腰部回轉(zhuǎn)和手臂俯仰，加工范圍較大；盡可能減少機(jī)體空間更優(yōu)；并要求進(jìn)行電焊，因此對(duì)位置精度要求較高；焊槍要長(zhǎng)時(shí)間工作。 因此選用方案二為最優(yōu)方案。 本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開(kāi)展工作 重點(diǎn)： 1、原理方案的確定 2、主要參數(shù)的確定 3、機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 難點(diǎn)： 各個(gè)部分的準(zhǔn)確定位； 合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)以滿足設(shè)計(jì)要求； 前期已開(kāi)展工作： 在對(duì)焊接機(jī)械手有足夠的了解之后，對(duì)設(shè)計(jì)提出構(gòu)想，初步構(gòu)想如圖： 在設(shè)計(jì)中，機(jī)械手的關(guān)節(jié)均采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的形式，每個(gè)關(guān)節(jié)由兩個(gè)箱體所組成。兩個(gè)箱體之間安裝有能夠承受徑向和軸向載荷的深溝球軸承，通過(guò)軸承的傳遞實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即能實(shí)現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。 由于電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)快，需要減速。因此箱體內(nèi)部集成了一個(gè)諧波減速器，電機(jī)安裝在與箱體1相連的連桿A內(nèi)部，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)諧波減速器減速傳遞到箱體2，箱體2帶動(dòng)與其相連的連桿B實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。 關(guān)節(jié)傳動(dòng)原理如圖所示： 本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，故關(guān)節(jié)均采用上述的結(jié)構(gòu)，分別為兩種運(yùn)動(dòng):俯仰和回轉(zhuǎn)。需要實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)動(dòng)作的關(guān)節(jié)，把連桿安裝在箱體的中軸線上;需要實(shí)現(xiàn)俯仰動(dòng)作的關(guān)節(jié)，把連桿安裝在箱體的側(cè)壁。 對(duì)于直線位移部分： 導(dǎo)軌副的選用：需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。 絲桿螺母副的選用：伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲桿螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足定位精度，滑動(dòng)滑動(dòng)絲桿副無(wú)能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到。滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。 完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃（按周次填寫(xiě)） 1-3周：接受設(shè)計(jì)任務(wù)，查閱相關(guān)資料，了解課題的背景和發(fā)展?fàn)顩r。 4-5周：了解學(xué)習(xí)常用機(jī)械手設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，初步原理方案的提出。 6周：設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化比較，論證并選擇最優(yōu)方案。 7-8周：機(jī)械手腰部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 9-10周：機(jī)械手搖臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 11-12周：機(jī)械手與焊接設(shè)備的機(jī)械接口設(shè)計(jì)。 13：設(shè)計(jì)機(jī)械手與焊接設(shè)備的接口。 14-15周：繪制相關(guān)設(shè)計(jì)的零件圖和裝配圖。 16-17周：撰寫(xiě)畢業(yè)論文。 19周：準(zhǔn)備答辯。 5 指導(dǎo)教師意見(jiàn)（對(duì)課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)） 指導(dǎo)教師： 年 月 日 6 所在系審查意見(jiàn)： 系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日  參考文獻(xiàn) [1]李雷陣，胡小建，王求.《全國(guó)機(jī)械裝備先進(jìn)制造技術(shù){廣州)高峰論壇》.文集：機(jī)械工業(yè)出 版社，2005 [2]李坤，楊家軍.《5自由度焊接機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究》：機(jī)器人技術(shù)，機(jī)械工程師2007 年第4期 [3]張建民.《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》第三版.高等教育出版社 [4]尹志強(qiáng).《系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》.機(jī)械工業(yè)出版社 [5]張利萍.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005:1-402. [6]楊東邦.機(jī)械CAD制圖與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998 [7]Hoostetter GH.Design of Feed Control System.CBS College Publishing.1982 [8]王政.焊接工裝夾具及變位機(jī)械fMl.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003. [9]張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)網(wǎng).北京:北京理工大學(xué)出版社，2006. [10]何家金.機(jī)械電氣自動(dòng)控制網(wǎng).重慶:重慶大學(xué)出版社，2002. [11]周驥平，林崗.機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)網(wǎng).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007. [12]吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[K1.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003. [13]孫樹(shù)棟.《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》.西北工業(yè)大學(xué)出版社2006.4,75-76. [14]孫杏初.《關(guān)節(jié)型機(jī)器人主連桿參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)》北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào).1996.510一 512 [15]Craig JJ.Introduction to Roborics[J].New York:Addison Wesky PublishingCo.,1989 [16]Yu. M. Gelfgat. Rotating fields as means to control the hydrodynamics and heat transfer in the processes of bulksingle crystal growth [J]. Crystal Growth, 1999,8(198/199). 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題目：焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系 別： 機(jī)電信息系 專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： B090201 學(xué) 生： 張芮華 學(xué) 號(hào)： B09020132 指導(dǎo)教師： 強(qiáng)懷博 　　　　　　　　　　　　　 2013年5月 　　　　　　　　　　　　　 焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘　　要 本設(shè)計(jì)為焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要研究?jī)?nèi)容：腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；大、小臂和腕部回轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)由整體布局入手，參考現(xiàn)有關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的相關(guān)設(shè)計(jì)，初步確定腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而確定電機(jī)的選型，安裝等相關(guān)設(shè)計(jì)。在機(jī)械臂的靈活和精度的前提下完成總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后根據(jù)總體結(jié)構(gòu)，從而確定本設(shè)計(jì)的機(jī)械臂各個(gè)主要零部件的設(shè)計(jì)。 在主要零部件的設(shè)計(jì)中，主要包括腰部殼體的設(shè)計(jì)、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸承的選擇、電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算、大小臂的結(jié)構(gòu)和固定等。 本設(shè)計(jì)整體在現(xiàn)有關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)上做了修改，使得它能夠更好的滿足本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、外形尺寸小、設(shè)備費(fèi)用低、運(yùn)轉(zhuǎn)安全、操作方便、便于維修和管理。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；諧波減速器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) I Structure design of robot arm Abstract The design for the design of welding structure of the manipulator, the main research contents: the design of the waist turning mechanism； structure design of large, small arm and wrist rotation. This design by the overall layout with reference to the relevant design, the existing joint type manipulator, preliminary determine the moment of inertia of the waist, so as to determine the motor selection, installation and other related design. Complete the design of the overall structure of the flexible manipulator based on precision and the next, and then based on the overall structure, design of mechanical arm to determine the design of all the major components of the. The design of the main components, including the housing design, structural design of shaft, bearing selection, design and calculation of the size of motor, arm structure and fixed. The design of the whole made changes in the existing joint type manipulator structure, so that it can better meet the design requirement of this design. The design has simple structure, light weight, small size, low cost of equipment, operation safety, convenient operation, easy to repair and management. KeyWords：robot arm；harmonic drive；structure design 目 錄 1 緒論 1 1.1 機(jī)器人簡(jiǎn)介 1 1.1.1 機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用 2 1.1.2 點(diǎn)焊機(jī)器人介紹及其研究意義 4 1.1.3 機(jī)器人的組成 6 1.2 機(jī)械手的組成 8 1.3 本文主要研究工作 11 2 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 12 2.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類(lèi)型 12 2.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 13 3 機(jī)械手腰部機(jī)座 15 3.1 機(jī)械手腰部機(jī)座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 15 3.2 機(jī)械手腰部機(jī)座設(shè)計(jì)的具體采用方案 15 3.3 電動(dòng)機(jī)的選擇 16 3.4 減速器的選擇 17 3.5 鍵的選擇 18 4 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 4.1 設(shè)計(jì)具體采用方案 21 4.2 大臂電動(dòng)機(jī)的選擇 21 4.3 大臂減速器的相關(guān)計(jì)算 22 4.4 小臂電動(dòng)機(jī)的選擇 23 4.5 小臂減速器的相關(guān)計(jì)算 24 5 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 27 5.1 腕部電動(dòng)機(jī)的選擇 27 5.2 腕部減速器的選擇 27 6 軸承的選用與校核 29 7 結(jié)論 39 參考文獻(xiàn) 40 致謝 41 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 42 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 43 I 1 緒論 1 緒論 1.1 機(jī)器人簡(jiǎn)介 工業(yè)機(jī)器人（英語(yǔ)：industrial robot。簡(jiǎn)稱(chēng)IR）是廣泛適用的能夠自主動(dòng)作，且多軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備。它們?cè)诒匾闆r下配備有傳感器，其動(dòng)作步驟包括靈活的，轉(zhuǎn)動(dòng)都是可編程控制的（即在工作過(guò)程中，無(wú)需任何外力的干預(yù)）。它們通常配備有機(jī)械手、刀具或其他可裝配的的加工工具，以及能夠執(zhí)行搬運(yùn)操作與加工制造的任務(wù)。機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)[1]?！? 工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了長(zhǎng)期發(fā)展后，已經(jīng)成為制造業(yè)中不可缺少的核心設(shè)備。同時(shí)隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機(jī)器人也被開(kāi)發(fā)出來(lái)去適應(yīng)制造領(lǐng)域意外的各個(gè)行業(yè)。這些機(jī)器人作為機(jī)器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來(lái)居上之勢(shì)，仿形機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等各種用途的特種機(jī)器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。 38 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1.1.1 機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用 1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說(shuō)《羅薩姆的機(jī)器人萬(wàn)能公司》中，根據(jù)Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機(jī)器人”這個(gè)詞。 1939年 美國(guó)紐約世博會(huì)上展出了西屋電氣公司制造的家用機(jī)器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會(huì)說(shuō)77個(gè)字，甚至可以抽煙，不過(guò)離真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn)。但它讓人們對(duì)家用機(jī)器人的憧憬變得更加具體。 1942年 美國(guó)科幻巨匠阿西莫夫提出“機(jī)器人三定律”。雖然這只是科幻小說(shuō)里的創(chuàng)造，但后來(lái)成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則。 1954年 美國(guó)人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺(tái)可編程的機(jī)器人，并注冊(cè)了專(zhuān)利。這種機(jī)械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。 1956年 在達(dá)特茅斯會(huì)議上，馬文·明斯基提出了他對(duì)智能機(jī)器的看法：智能機(jī)器“能夠創(chuàng)建周?chē)h(huán)境的抽象模型，如果遇到問(wèn)題，能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個(gè)定義影響到以后30年智能機(jī)器人的研究方向。 1959年 德沃爾與美國(guó)發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。隨后，成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱(chēng)為“工業(yè)機(jī)器人之父”。 1962年—1963年 傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器人的可操作性。人們?cè)囍跈C(jī)器人上安裝各種各樣的傳感器，包括1961年恩斯特采用的觸覺(jué)傳感器，托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器，而麥卡錫1963年則開(kāi)始在機(jī)器人中加入視覺(jué)傳感系統(tǒng)，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個(gè)帶有視覺(jué)傳感器，能識(shí)別并定位積木的機(jī)器人系統(tǒng)。 1965年 約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出Beast機(jī)器人。Beast已經(jīng)能通過(guò)聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始，美國(guó)麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。美國(guó)興起研究第二代帶傳感器、“有感覺(jué)”的機(jī)器人，并向人工智能進(jìn)發(fā)。 1968年 美國(guó)斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人Shakey。它帶有視覺(jué)傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過(guò)控制它的計(jì)算機(jī)有一個(gè)房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺(tái)智能機(jī)器人，拉開(kāi)了第三代機(jī)器人研發(fā)的序幕。 1973年 世界上第一次機(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)攜手合作，就誕生了美國(guó)Cincinnati Milacron公司的機(jī)器人T3。 1978年 美國(guó)Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。 1984年 英格伯格再推機(jī)器人Helpmate，這種機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預(yù)言：“我要讓機(jī)器人擦地板，做飯，出去幫我洗車(chē)，檢查安全”。 1999年 日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛(ài)寶(AIBO)，當(dāng)即銷(xiāo)售一空，從此娛樂(lè)機(jī)器人成為目前機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭的途徑之一。 2002年 丹麥iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Roomba，它能避開(kāi)障礙，自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線，還能在電量不足時(shí)，自動(dòng)駛向充電座。Roomba是目前世界上銷(xiāo)量最大、最商業(yè)化的家用機(jī)器人。 2006年 6月，微軟公司推出Microsoft Robotics Studio，機(jī)器人模塊化、平臺(tái)統(tǒng)一化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，比爾·蓋茨預(yù)言，家用機(jī)器人很快將席卷全球。 機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展將很快，應(yīng)用范圍更大，如設(shè)計(jì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、運(yùn)輸、醫(yī)藥、科學(xué)研究等各個(gè)方面。 總的趨勢(shì)是提高工作精度和運(yùn)動(dòng)速度，增加機(jī)構(gòu)的自由度以提高通用性和靈活性。降低結(jié)構(gòu)自重，逐步采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊式組合結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)傳感器技術(shù)和機(jī)器人語(yǔ)言，同時(shí)根據(jù)內(nèi)部信息和環(huán)境信息來(lái)控制機(jī)器人，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展正從各個(gè)方面顯露出它的強(qiáng)大勢(shì)頭。從近幾年來(lái)國(guó)際工業(yè)機(jī)器人會(huì)議上綜合的情況來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的重點(diǎn)是具有智能的高級(jí)機(jī)器人以及低成本、穩(wěn)定可靠的用于自動(dòng)化生產(chǎn)的機(jī)器人。 空間探索、能源問(wèn)題和人工智能是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)三大課題。人工智能主要內(nèi)容之一就是關(guān)于智能機(jī)器人的研究。感受外界信息，理解和記憶信息，規(guī)劃行動(dòng)，人機(jī)對(duì)話，是智能機(jī)器人發(fā)展的四個(gè)主要問(wèn)題。在空間探索領(lǐng)域中，機(jī)器人技術(shù)具有美好的發(fā)展前景和廣泛的應(yīng)用價(jià)值，空間自動(dòng)加工工廠；開(kāi)發(fā)宇宙空間的高級(jí)自治系統(tǒng)；在空間裝配的自重復(fù)系統(tǒng)等。 本世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)開(kāi)始有計(jì)劃地開(kāi)發(fā)海洋，開(kāi)發(fā)食物、能源和物質(zhì)來(lái)源。機(jī)器人是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果之一。人們常常把新出現(xiàn)的技術(shù)用來(lái)制造機(jī)器人，再將機(jī)器人應(yīng)用到新技術(shù)領(lǐng)域中去。為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要，人們把大部分智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使之向更高級(jí)的機(jī)器人——智能機(jī)器人發(fā)展，這已成為機(jī)器人的一個(gè)發(fā)展方向。 相對(duì)于人來(lái)說(shuō)，工業(yè)機(jī)器人的工作準(zhǔn)確性高，工作速度高，負(fù)載能力大，耐久力強(qiáng)，重復(fù)性好，所以工業(yè)機(jī)器人獲得了廣泛應(yīng)用，顯示了很好的效能。 從目前情況看，工業(yè)機(jī)器人的研究、制造和使用者都希望能更加擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，例如：由計(jì)算機(jī)控制的具有適應(yīng)性控制的裝配用機(jī)器人、焊接機(jī)器人、實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制的機(jī)器人、清理鑄件的機(jī)器人，建筑用機(jī)器人，地下工作機(jī)器人，消防用機(jī)器人，城市垃圾處理機(jī)器人，看護(hù)病人的機(jī)器入，協(xié)助料理殘廢人生活的機(jī)器人，海洋開(kāi)發(fā)機(jī)器人，空間開(kāi)發(fā)機(jī)器人等。 目前，智能機(jī)器人已從基礎(chǔ)研究發(fā)展為應(yīng)用研究，今后逐漸推廣應(yīng)用。具有感覺(jué)和識(shí)別功能（特別是視覺(jué)）的機(jī)器人已經(jīng)用于自動(dòng)檢修和裝配作業(yè)。能在極限作業(yè)環(huán)境中工作的極限作業(yè)機(jī)器人等等都在加緊研究開(kāi)發(fā)之中。 a. 手部機(jī)構(gòu)的多功能化：日前的工業(yè)機(jī)器人的手大部分只有兩個(gè)手指，相當(dāng)于一種夾持器的功能。機(jī)器人的手將逐漸發(fā)展為多關(guān)節(jié)、多手指并具有人工觸覺(jué)的人造手。 b. 采用并行處理的復(fù)合控制：由于微電子技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)的性能大幅提高，從而可以利用多個(gè)微處理器對(duì)各種感覺(jué)(如視覺(jué)、觸覺(jué)等)信息進(jìn)行并行處理，并控制機(jī)器人多功能的手快速地完成更復(fù)雜的工作。 c. 步行機(jī)的研究，它能使機(jī)器人的車(chē)輛方式發(fā)展為多關(guān)節(jié)的步行方式。隨著生物工程的迅速發(fā)展，人類(lèi)步行控制和動(dòng)物步行機(jī)理的研究更為深入，引用這些機(jī)理將使步行機(jī)性能顯著提高。 d. 識(shí)別功能的提高：從識(shí)別物體(或零件)的位置和形狀發(fā)展為識(shí)別物體的姿態(tài)和顏色，并達(dá)到實(shí)用，使機(jī)器人能夠快速地識(shí)別更復(fù)雜的物體。 1.1.2 點(diǎn)焊機(jī)器人介紹及其研究意義 點(diǎn)焊機(jī)器人（spot welding robot）用于點(diǎn)焊自動(dòng)作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人。世界上第一臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)于1965年開(kāi)始使用，是美國(guó)Unimation公司推出的Unimate機(jī)器人，中國(guó)在1987年自行研制成第一臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人──華宇-Ⅰ型點(diǎn)焊機(jī)器人。點(diǎn)焊機(jī)器人由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、示教盒和點(diǎn)焊焊接系統(tǒng)幾部分組成，由于為了適應(yīng)靈活動(dòng)作的工作要求，通常電焊機(jī)器人選用關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)，一般具有六個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)、小臂轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)、腕擺及腕捻。其驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)兩種。其中電氣驅(qū)動(dòng)具有保養(yǎng)維修簡(jiǎn)便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用較為廣泛。點(diǎn)焊機(jī)器人按照示教程序規(guī)定的動(dòng)作、順序和參數(shù)進(jìn)行點(diǎn)焊作業(yè)，其過(guò)程是完全自動(dòng)化的，并且具有與外部設(shè)備通信的接口，可以通過(guò)這一接口接受上一級(jí)主控與管理計(jì)算機(jī)的控制命令進(jìn)行工作。 焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動(dòng)條件差、煙塵多、熱輻射大、危險(xiǎn)性高的工作。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。點(diǎn)焊機(jī)器人在汽車(chē)裝配生產(chǎn)線上的大量應(yīng)用大大提高了汽車(chē)裝配焊接的生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量，同時(shí)又具有柔性焊接的特點(diǎn)，即只要改變程序，就可在同一條生產(chǎn)線上對(duì)不同的車(chē)型進(jìn)行裝配焊接[2]。 應(yīng)用點(diǎn)焊機(jī)器人，有如下優(yōu)點(diǎn)：a.容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的完全自動(dòng)化；b.對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的適應(yīng)能力將大大加強(qiáng)；c.可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及質(zhì)量；d.可以明顯改善工作條件。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；應(yīng)用規(guī)模小，沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。 工業(yè)機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用最早是從汽車(chē)裝配生產(chǎn)線上的電阻點(diǎn)焊開(kāi)始的。原因在于電阻點(diǎn)焊的過(guò)程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對(duì)機(jī)器人的精度和重復(fù)精度的控制要求比較低。國(guó)際工業(yè)機(jī)器人企業(yè)憑借與各大汽車(chē)企業(yè)的長(zhǎng)期合作關(guān)系，向各大型汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)提供各類(lèi)點(diǎn)焊機(jī)器人單元產(chǎn)品并以焊接機(jī)器人與整車(chē)生產(chǎn)線配套形式進(jìn)入中國(guó)，在該領(lǐng)域占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，焊接生產(chǎn)線要求焊鉗一體化，重量越來(lái)越大，165公斤點(diǎn)焊機(jī)器人是目前汽車(chē)焊接中最常用的一種機(jī)器人。2008年9月，機(jī)器人研究所研制完成國(guó)內(nèi)首臺(tái)165公斤級(jí)點(diǎn)焊機(jī)器人，并成功應(yīng)用于奇瑞汽車(chē)焊接車(chē)間。2009年9月，經(jīng)過(guò)優(yōu)化和性能提升的第二臺(tái)機(jī)器人完成并順利通過(guò)驗(yàn)收，該機(jī)器人整體技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)外同類(lèi)機(jī)器人水平。 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 目前國(guó)際機(jī)變機(jī)界都在加大科研力度，進(jìn)變機(jī)變機(jī)共性技術(shù)的研究。從機(jī)變機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，焊安機(jī)變機(jī)和其它工畢機(jī)變機(jī)一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。夾體而言，表現(xiàn)在如定幾個(gè)方面：  機(jī)變機(jī)操動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)：與過(guò)有限元積析、電態(tài)積析及仿真畢畢等現(xiàn)代畢畢方法的變用，實(shí)現(xiàn)機(jī)變機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化畢畢。探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高總載/自重比。  機(jī)變機(jī)機(jī)機(jī)系統(tǒng)：重打研究開(kāi)放式，電電化機(jī)機(jī)系統(tǒng)。向基于PC機(jī)的開(kāi)放型機(jī)機(jī)變方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；變件集成度提高，機(jī)機(jī)機(jī)日見(jiàn)小巧，且采用電電化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操動(dòng)性和可維修性；機(jī)機(jī)系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)軟件伺服和安數(shù)字機(jī)機(jī)；機(jī)機(jī)界面更加友好。 機(jī)變機(jī)傳感技術(shù)：機(jī)變機(jī)中的傳感變動(dòng)用日益重要，除采用傳統(tǒng)的變置、高度、加高度等傳感變機(jī)，裝配、焊安機(jī)變機(jī)還應(yīng)用了激光傳感變、視覺(jué)傳感變和力傳感變，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)機(jī)變物體的自動(dòng)定變以及精密裝配動(dòng)畢等，大大提高了機(jī)變機(jī)的動(dòng)畢性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。  網(wǎng)絡(luò)與光功能：日本YASKAWA和德國(guó)KUKA公司的最新機(jī)變機(jī)機(jī)機(jī)變已實(shí)現(xiàn)了與Canbus、Profibus總機(jī)及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)安，使機(jī)變機(jī)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)變機(jī)由過(guò)去的專(zhuān)用畢備向標(biāo)準(zhǔn)化畢備發(fā)展。  虛擬機(jī)變機(jī)技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)變機(jī)中的動(dòng)用已從仿真、預(yù)演發(fā)展大用于過(guò)正機(jī)機(jī)，如使遙機(jī)機(jī)變機(jī)操動(dòng)者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)安動(dòng)畢環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)變機(jī)?；诙鄠鞲凶?、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)變機(jī)的虛擬遙機(jī)操動(dòng)和機(jī)機(jī)三互。  機(jī)變機(jī)性能價(jià)格比：機(jī)變機(jī)性能不斷提高(高高度、高精度、高可靠性、便于操動(dòng)和維修，而單機(jī)價(jià)格不斷定定。由于微畢子技術(shù)的快高發(fā)展和大規(guī)電集成畢畢的應(yīng)用，使機(jī)變機(jī)系統(tǒng)的可靠性有了很大提高  多智能體調(diào)機(jī)技術(shù)：這是目前機(jī)變機(jī)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)、三互長(zhǎng)的與光與磋商機(jī)理，感知與三三方法，建電和規(guī)劃、群體變?yōu)闄C(jī)機(jī)等方面進(jìn)變研究[3]。 1.1.3 機(jī)器人的組成 機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，一般由機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、傳感器、和驅(qū)動(dòng)器等四部分組成。機(jī)械本體是機(jī)器人實(shí)施作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為對(duì)本體進(jìn)行精確控制，傳感器應(yīng)提供機(jī)器人本體或其所處環(huán)境的信息，控制系統(tǒng)依據(jù)控制程序產(chǎn)生指令信號(hào)，通過(guò)控制各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的驅(qū)動(dòng)器，使各臂桿端點(diǎn)按照要求的軌跡、速度和加速度，以一定的姿態(tài)達(dá)到空間指定的位置。驅(qū)動(dòng)器將控制系統(tǒng)輸出的信號(hào)變換成大功率的信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器工作[4]。 a. 機(jī)械本體 機(jī)械本體，是機(jī)器人賴以完成作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般是一臺(tái)機(jī)械手，也稱(chēng)操作器、或操作手，可以在確定的環(huán)境中執(zhí)行控制系統(tǒng)指定的操作。典型工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體一般由手部（末端執(zhí)行器）、腕部、臂部、腰部和基座構(gòu)成。機(jī)械手多采用關(guān)節(jié)式機(jī)械結(jié)構(gòu)，一般具有6個(gè)自由度，其中3個(gè)用來(lái)確定末端執(zhí)行器的位置，另外3個(gè)則用來(lái)確定末端執(zhí)行裝置的方向（姿勢(shì)）。機(jī)械臂上的末端執(zhí)行裝置可以根據(jù)操作需要換成焊槍、吸盤(pán)、扳手等作業(yè)工具。 b. 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是機(jī)器人的指揮中樞，相當(dāng)于人的大腦功能，負(fù)責(zé)對(duì)作業(yè)指令信息、內(nèi)外環(huán)境信息進(jìn)行處理，并依據(jù)預(yù)定的本體模型、環(huán)境模型和控制程序做出決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各個(gè)關(guān)節(jié)按所需的順序、沿確定的位置或軌跡運(yùn)動(dòng)，完成特定的作業(yè)。從控制系統(tǒng)的構(gòu)成看，有開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)之分；從控制方式看有程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)之分。 c. 驅(qū)動(dòng)器 驅(qū)動(dòng)器是機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)，相當(dāng)于人的心血管系統(tǒng)，一般由驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成。因驅(qū)動(dòng)方式的不同，驅(qū)動(dòng)裝置可以分成電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)三種類(lèi)型。驅(qū)動(dòng)裝置中的電動(dòng)機(jī)、液壓缸、氣缸可以與操作機(jī)直接相連，也可以通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常有齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)、帶傳動(dòng)等幾種類(lèi)型。 d. 傳感器 傳感器是機(jī)器人的感測(cè)系統(tǒng)，相當(dāng)于人的感覺(jué)器官，是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，包括內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類(lèi)。內(nèi)部傳感器主要用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人本身的狀態(tài)，為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制提供必要的本體狀態(tài)信息，如位置傳感器、速度傳感器等。外部傳感器則用來(lái)感知機(jī)器人所處的工作環(huán)境或工作狀況信息，又可分成環(huán)境傳感器和末端執(zhí)行器傳感器兩種類(lèi)型；前者用于識(shí)別物體和檢測(cè)物體與機(jī)器人的距離等信息，后者安裝在末端執(zhí)行器上，檢測(cè)處理精巧作業(yè)的感覺(jué)信息。常見(jiàn)的外部傳感器有力覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器、接近覺(jué)傳感器、視覺(jué)傳感器等[5]。 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)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。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。 機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備[6]。 機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱(chēng)為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用[7]。 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專(zhuān)用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專(zhuān)用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱(chēng)通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用[8]。 60噸沖床自動(dòng)上料裝置是在一般沖床上改裝沖床曲軸，添加上料機(jī)械手,升料臺(tái)和滑道等裝置，是沖床自動(dòng)連續(xù)工作。該裝置的特點(diǎn)是由上料機(jī)械手來(lái)控制沖床動(dòng)作，能保證沖床有節(jié)奏的，安全的生產(chǎn)[9]。 1.2 機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1-1所示。 控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 被抓取工件 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 位置檢測(cè)裝置 圖1.1 機(jī)械手的組成方框圖 a. 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。 (1) 手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛；平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。 手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式；指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式，式彈簧式和重力式等。 附式手部主要由吸盤(pán)等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤(pán)內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤(pán)和電磁盤(pán)兩類(lèi)。 對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤(pán)吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。 對(duì)于導(dǎo)磁性的環(huán)類(lèi)和帶孔的盤(pán)類(lèi)零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤(pán)吸料。電磁吸盤(pán)的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。 用負(fù)壓吸盤(pán)和電磁吸盤(pán)吸料，其吸盤(pán)的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式[10]。 (2) 手腕 是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng).一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專(zhuān)用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小，并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)[11]。 (3) 手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。 手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動(dòng)。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)部件受力狀態(tài)簡(jiǎn)單。 導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式[12]。 (4) 立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱(chēng)為可移式立柱[13]。 (5) 行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無(wú)軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置[14]。 (6) 機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用[15]。 b. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四種形式[16]。 c. 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)[17]。 d. 位置檢測(cè)裝置 控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置[18]。 1.3 本文主要研究工作 本文首先確定了機(jī)械手的總體布局，然后提出了各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)方案，主要的設(shè)計(jì)和研究?jī)?nèi)容有： a. 腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； b. 大臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； c. 小臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； d. 腕部擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 2 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 2.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類(lèi)型 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下: a. 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類(lèi)型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門(mén)式，天車(chē)式三種結(jié)構(gòu)。 b. 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。 c. 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類(lèi)球形的空間。 d. 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類(lèi)型的機(jī)器人[19]。 本題目規(guī)格參數(shù): 腰部回轉(zhuǎn)最大角度280度； 擺動(dòng)最大角度120度； 工作范圍范圍0-450mm； 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 本機(jī)械手的主要?jiǎng)幼魇牵? 首先腰部回轉(zhuǎn)機(jī)械臂和焊點(diǎn)處于同一平面；接著大臂回轉(zhuǎn)，調(diào)整焊槍和焊點(diǎn)的距離；然后小臂回轉(zhuǎn)，使焊槍接觸焊點(diǎn)；最后腕部回轉(zhuǎn)，使焊槍和焊點(diǎn)垂直，達(dá)到焊接的目的。 2.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)楹笜屬|(zhì)量約0.5KG，且考慮到焊接機(jī)械手的加工精度，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手在工作中需要四種運(yùn)動(dòng),腰部回轉(zhuǎn)；大臂回轉(zhuǎn)；小臂回轉(zhuǎn)；腕部回轉(zhuǎn)。綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為四。因此選擇關(guān)節(jié)型機(jī)械臂。 具體到本設(shè)計(jì)，要求工作區(qū)間0-450mm，擴(kuò)大到0-60mm，為擴(kuò)大1/3倍。因?yàn)锳2+b2≥2ab。所以當(dāng)c一定時(shí)，a=b機(jī)械臂為最短。6002=2a2。A≈424.3，又因?yàn)樾”郾却蟊鄹`活，活動(dòng)更頻繁，所以初始取a（大臂）=500mm；b（小臂）=400mm；c（腕部）=100mm。 整體布局如圖： 圖2.1 整體尺寸設(shè)計(jì)圖 本設(shè)計(jì)的三維建模基于solidworks。首先進(jìn)行腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再進(jìn)行大臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行小臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行腕部的設(shè)計(jì)。在所有設(shè)計(jì)完成之后，整體的效果如下圖所示： 圖2.2 設(shè)計(jì)完成整體圖 3 機(jī)械手腰部機(jī)座 3 機(jī)械手腰部機(jī)座 3.1 機(jī)械手腰部機(jī)座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)后，就要針對(duì)機(jī)械手的腰部、大臂、小臂、腕部等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求： 工業(yè)機(jī)器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，球坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)型機(jī)器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人的全部重量。在設(shè)計(jì)機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意以下設(shè)計(jì)原則： a. 腰座要有足夠大的安裝基面，以保證在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。 b. 腰座要承受機(jī)器人全部的重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。 c. 機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對(duì)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度的保證。 d. 腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括驅(qū)動(dòng)器（電動(dòng)、液壓及氣動(dòng)）及減速器。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動(dòng)器。 e. 腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來(lái)調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動(dòng)間隙。 f. 為了減輕機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成[20]。 3.2 機(jī)械手腰部機(jī)座設(shè)計(jì)的具體采用方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式要么是電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，要么是通過(guò)擺動(dòng)液壓缸或氣壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢(shì)是用前者?？紤]到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對(duì)機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 3.3 電動(dòng)機(jī)的選擇 設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，JG4根據(jù)平行軸定理可得繞軸0的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： （3.1）（3.2） m3=0.5kg；m2=5kg；m1=7kg；m0=7kg； 設(shè)輸出軸速度為所需時(shí)間； 機(jī)座 （3.3） 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為15N.m。 電機(jī)功率可按下式估算 （3.4） 其中：Pm為電動(dòng)機(jī)功率W； MLP為負(fù)載力矩； 為負(fù)載轉(zhuǎn)速； 為傳動(dòng)裝置效率，初定0.9； 系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2.5； （3.5） 博美德PL80-100/SM80-013-30LFB； 參數(shù)如下： 表3-1 電機(jī)參數(shù) 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子慣量 400w 1.3N.m 3000rpm 0.89X10-4kg.m2 電機(jī)結(jié)構(gòu)外形如圖： 圖3.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)外形圖 3.4 減速器的選擇 因?yàn)檎w最高轉(zhuǎn)速要求30r/min。伺服電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速之下可以調(diào)節(jié)需要轉(zhuǎn)速并正常工作。所以以最高轉(zhuǎn)速計(jì)算傳動(dòng)比。 （3.6） 減速器選用配套的 博美德PL80-100型，減速比100。 減速器如圖所示： 圖3.2 減速機(jī)安裝圖 參數(shù)如下： 額定輸出扭矩：52～110Nm 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.39～0.77Kgcm2/ 故障停止扭矩：104～220Nm 滿載效率：90% 額定輸入速度：4000min-1/ 工作溫度：-25°～+90° 最大輸入速度：6000min-1/ 潤(rùn)滑方式：合成脂潤(rùn)滑（長(zhǎng)效潤(rùn)滑） 安裝方式：任意 防護(hù)等級(jí)：IP65 平均壽命：20000h 法蘭精度:DIN 42955-R 輸出軸鍵標(biāo)準(zhǔn):圓頭普通平鍵（A型）GB1096-79。 3.5 鍵的選擇 鍵已標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)需要先根據(jù)工作要求和軸徑上鍵的類(lèi)型以及尺寸來(lái)選擇鍵，然后再進(jìn)行強(qiáng)度校核，鍵的材料按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用抗拉強(qiáng)度的鋼，常用45鋼。 本設(shè)計(jì)中的鍵均為減速器自帶的鍵，即普通圓頭A型。 驗(yàn)證電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （3.7） 電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為 所以選取合適 （3.8） 在確定了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之后，就要進(jìn)行軸的具體尺寸確定： 實(shí)心軸的材料均選用45號(hào)鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力[] = 30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120。 此軸傳遞扭矩T1=15N.m n1=30r/min P1=400w （3.9） 因此與電機(jī)相連的軸直徑必須大于28.5mm。 4 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則： a. 應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利于機(jī)器人的控制。 b. 機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī)器人手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系。但機(jī)器人手臂末端工作空間并沒(méi)有考慮機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對(duì)機(jī)器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒(méi)有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 c. 為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。目前，在國(guó)外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重小（其比重相當(dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價(jià)格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問(wèn)題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)器人手臂的重量。 d. 機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。 e. 機(jī)器人的手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對(duì)減小氣缸負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在機(jī)器人上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來(lái)減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來(lái)平衡手臂殘余的不平衡重量。 f. 機(jī)器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開(kāi)關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4.1 設(shè)計(jì)具體采用方案 機(jī)械手的大臂和小臂均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？紤]到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，兩手臂的調(diào)節(jié)采用電機(jī)和諧波減速器配合。 4.2 大臂電動(dòng)機(jī)的選擇 設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3根據(jù)平行軸定理可得繞軸0的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： （4.1） （4.2） m3=0.5kg；m2=5kg；m1=7kg； 設(shè)輸出軸速度為所需時(shí)間； 大臂 （4.3） 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為13N.m。 電機(jī)功率可按下式估算： （4.4） 其中：Pm為電動(dòng)機(jī)功率W； MLP為負(fù)載力矩； 為負(fù)載轉(zhuǎn)速； 為傳動(dòng)裝置效率，初定0.9； 系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2.5； （4.5） 博美德PL80-80/SM80-013-30LFB； 參數(shù)如下： 表4.1 電機(jī)參數(shù) 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子慣量 400w 1.3N.m 3000rpm 0.89X10-4kg.m2 電機(jī)結(jié)構(gòu)外形如圖： 圖4.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)外形圖 4.3 大臂減速器的相關(guān)計(jì)算 因?yàn)檎w最高轉(zhuǎn)速要求30r/min。伺服電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速之下可以調(diào)節(jié)需要轉(zhuǎn)速并正常工作。所以以最高轉(zhuǎn)速計(jì)算傳動(dòng)比。 （4.6） 減速器選用配套的 博美德PL80-80型，減速比80。 電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （4.7） 電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為； （4.8） 所以選取合適。 此軸傳遞扭矩T1=13N.m n1=30r/min；P1=400w； （4.9） 因此與電機(jī)相連的軸直徑必須大于28.5mm。 4.4 小臂電動(dòng)機(jī)的選擇 （4.10） （4.11） m3=0.5kg；m2=5kg； 設(shè)輸出軸速度為所需時(shí)間； 小臂 （4.12） 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為2N.m。 電機(jī)功率可按下式估算： （4.13） 其中：Pm為電動(dòng)機(jī)功率W； MLP為負(fù)載力矩； 為負(fù)載轉(zhuǎn)速； 為傳動(dòng)裝置效率，初定0.9； 系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2.5； （4.14） 博美德PL40-200/SM42-001-40DCB； 參數(shù)如下： 表4.2 電機(jī)參數(shù) 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子慣量 30w 0.0625N.m 4000rpm 0.024X10-4kg.m2 圖4.2 電機(jī)安裝圖 4.5 小臂減速器的相關(guān)計(jì)算 因?yàn)檎w最高轉(zhuǎn)速要求20r/min。伺服電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速之下可以調(diào)節(jié)需要轉(zhuǎn)速并正常工作。所以以最高轉(zhuǎn)速計(jì)算傳動(dòng)比。 （4.15） 減速器如圖所示： 圖4.3 減速器外形結(jié)構(gòu)圖 減速器選用配套的 博美德PL40-200型，減速比200。 詳細(xì)參數(shù)如下： 額定輸出扭矩：7.5～15.5Nm 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.016～0.029Kgcm2/ 故障停止扭矩：15～31Nm 滿載效率：90% 額定輸入轉(zhuǎn)速: 4500min-1/ 工作溫度：-25°C～+90°C 最大輸入速度：10000min-1/ 潤(rùn)滑方式：合成脂潤(rùn)滑（長(zhǎng)效潤(rùn)滑） 安裝方式：任意 防護(hù)等級(jí)：IP65 平均壽命：20000h 法蘭精度:DIN 42955-R 重量： 0.6Kg 減速機(jī)符合JB1799-76標(biāo)準(zhǔn) 輸出軸鍵標(biāo)準(zhǔn):圓頭普通平鍵（A型）GB1096-79。 鍵已標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)需要先根據(jù)工作要求和軸徑上鍵的類(lèi)型以及尺寸來(lái)選擇鍵，然后再進(jìn)行強(qiáng)度校核，鍵的材料按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用抗拉強(qiáng)度的鋼，常用45鋼。 　　本設(shè)計(jì)中的鍵均為減速器自帶的鍵，即普通圓頭A型。 電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （4.16） 電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為； 所以選取合適 （4.17） 在確定了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之后，就要對(duì)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)： 此軸傳遞扭矩T1=2N.m n1=20r/min P1=30w （4.18） 因此與電機(jī)相連的軸直徑必須大于13.7mm。 5 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 5 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 5.1 腕部電動(dòng)機(jī)的選擇 （5.1） （5.2） m3=0.5kg； 設(shè)輸出軸速度為所需時(shí)間； 腕部 （5.3） 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為1N.m。 電機(jī)功率可按下式估算： （5.4） 其中：Pm為電動(dòng)機(jī)功率W； MLP為負(fù)載力矩； 為負(fù)載轉(zhuǎn)速； 為傳動(dòng)裝置效率，初定0.9； 系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2.5； （5.5） 博美德 PL40-200/SM42-001-40DCB；參數(shù)同上。 5.2 腕部減速器的選擇 因?yàn)檎w最高轉(zhuǎn)速要求20r/min。伺服電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速之下可以調(diào)節(jié)需要 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 轉(zhuǎn)速并正常工作。所以以最高轉(zhuǎn)速計(jì)算傳動(dòng)比。 （5.6） 減速器選用配套的 博美德PL40-200型，減速比200。 電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算如下： （5.7） 電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為； 所以選取合適 （5.8） 確定了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之后就要對(duì)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)： 此軸傳遞扭矩T1=1N.m n1=20r/min P1=30w （5.9） 因此與電機(jī)相連的軸直徑必須大于13.7mm。 6 軸承的選用與校核 6 軸承的選用與校核 為了保證機(jī)械臂的正常運(yùn)行，不僅軸承的制造質(zhì)量良好，而且機(jī)械臂的設(shè)計(jì)必須合理，軸承的裝配和使用必須規(guī)范。軸承的選擇對(duì)于機(jī)械臂的正常運(yùn)轉(zhuǎn)十分重要。 a. 軸承類(lèi)型的選擇 機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的軸承選擇： 推力球軸承，它承載能力較低，額定動(dòng)載荷比為1，不能承受徑向載荷，只能承受一個(gè)方向的軸向載荷，限制軸和殼在軸向位移。極限轉(zhuǎn)速低。 機(jī)座相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)處的軸承選擇： 一對(duì)圓錐滾子軸承。額定動(dòng)載荷比1.5~2.5。能承受單向軸向載荷，在徑向載荷作用下會(huì)產(chǎn)生附加軸向力，一般成對(duì)使用。能限制軸和外殼在一個(gè)方向的軸向位移。313系列具有較大的接觸角，可以承受更大的軸向載荷。 大臂、小臂、腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的選擇： 深溝球軸承，承載能力較小，額定動(dòng)載荷比為1。主要承受