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本科畢業(yè)設(shè)計(論文)
題目：焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計
系 別： 機(jī)電信息系
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級：
學(xué) 生：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師：
2013年5月
焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘 要
本設(shè)計為焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要研究內(nèi)容：腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計；大、小臂和腕部回轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
本設(shè)計由整體布局入手，參考現(xiàn)有關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的相關(guān)設(shè)計，初步確定腰部的轉(zhuǎn)動慣量，從而確定電機(jī)的選型，安裝等相關(guān)設(shè)計。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，然后根據(jù)總體結(jié)構(gòu)，從而確定本設(shè)計的機(jī)械臂各個主要零部件的設(shè)計。
在主要零部件的設(shè)計中，主要包括腰部殼體的設(shè)計、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計、軸承的選擇、電機(jī)的設(shè)計計算、大小臂的結(jié)構(gòu)和固定等。
本設(shè)計整體在現(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)計的設(shè)計要求。本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、外形尺寸小、設(shè)備費用低、運轉(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
II
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)器人簡介 1
1.1.1 機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用 2
1.1.2 點焊機(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)的類型 12
2.2 設(shè)計具體采用方案 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 15
3.2 機(jī)械手腰部機(jī)座設(shè)計的具體采用方案 15
3.3 電動機(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 20
4.1 設(shè)計具體采用方案 21
4.2 大臂電動機(jī)的選擇 21
4.3 大臂減速器的相關(guān)計算 22
4.4 小臂電動機(jī)的選擇 23
4.5 小臂減速器的相關(guān)計算 24
5 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 27
5.1 腕部電動機(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（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 42
畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明 43
IV
1 緒論
1 緒論
1.1 機(jī)器人簡介
工業(yè)機(jī)器人（英語：industrial robot。簡稱IR）是廣泛適用的能夠自主動作，且多軸聯(lián)動的機(jī)械設(shè)備。它們在必要情況下配備有傳感器，其動作步驟包括靈活的，轉(zhuǎn)動都是可編程控制的（即在工作過程中，無需任何外力的干預(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)行搬運操作與加工制造的任務(wù)。機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、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作的專門系統(tǒng)[1]?！?
工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了長期發(fā)展后，已經(jīng)成為制造業(yè)中不可缺少的核心設(shè)備。同時隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機(jī)器人也被開發(fā)出來去適應(yīng)制造領(lǐng)域意外的各個行業(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居上之勢，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)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、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)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，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。
機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(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)域不可缺少的自動化設(shè)備。
39
畢業(yè)設(shè)計（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《羅薩姆的機(jī)器人萬能公司》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”這個詞。
1939年 美國紐約世博會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，會說77個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn)。但它讓人們對家用機(jī)器人的憧憬變得更加具體。
1942年 美國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里的創(chuàng)造，但后來成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則。
1954年 美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機(jī)器人，并注冊了專利。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)特茅斯會議上，馬文·明斯基提出了他對智能機(jī)器的看法：智能機(jī)器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個定義影響到以后30年智能機(jī)器人的研究方向。
1959年 德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(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。由于英格伯格對工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“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。人們試著在機(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年則開始在機(jī)器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個帶有視覺傳感器，能識別并定位積木的機(jī)器人系統(tǒng)。
1965年 約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研制出Beast機(jī)器人。Beast已經(jīng)能通過聲納系統(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年代中期開始，美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實驗室。美國興起研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機(jī)器人，并向人工智能進(jìn)發(fā)。
1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計算機(jī)有一個房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機(jī)器人，拉開了第三代機(jī)器人研發(fā)的序幕。
1973年 世界上第一次機(jī)器人和小型計算機(jī)攜手合作，就誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機(jī)器人T3。
1978年 美國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，檢查安全”。
1999年 日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛寶(AIBO)，當(dāng)即銷售一空，從此娛樂機(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，它能避開障礙，自動設(shè)計行進(jìn)路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、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、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾·蓋茨預(yù)言，家用機(jī)器人很快將席卷全球。
機(jī)器人的未來發(fā)展將很快，應(yīng)用范圍更大，如設(shè)計工業(yè)、農(nóng)業(yè)、運輸、醫(yī)藥、科學(xué)研究等各個方面。
總的趨勢是提高工作精度和運動速度，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)，開發(fā)傳感器技術(shù)和機(jī)器人語言，同時根據(jù)內(nèi)部信息和環(huán)境信息來控制機(jī)器人，采用計算機(jī)仿真技術(shù)以及實現(xiàn)機(jī)器人的智能化。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展正從各個方面顯露出它的強(qiáng)大勢頭。從近幾年來國際工業(yè)機(jī)器人會議上綜合的情況來看，工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的重點是具有智能的高級機(jī)器人以及低成本、穩(wěn)定可靠的用于自動化生產(chǎn)的機(jī)器人。
空間探索、能源問題和人工智能是當(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，人機(jī)對話，是智能機(jī)器人發(fā)展的四個主要問題。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)用價值，空間自動加工工廠；開發(fā)宇宙空間的高級自治系統(tǒng)；在空間裝配的自重復(fù)系統(tǒng)等。
本世紀(jì)以來，人類開始有計劃地開發(fā)海洋，開發(fā)食物、能源和物質(zhì)來源。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)時代發(fā)展的需要，人們把大部分智能技術(shù)結(jié)合起來，使之向更高級的機(jī)器人——智能機(jī)器人發(fā)展，這已成為機(jī)器人的一個發(fā)展方向。
相對于人來說，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，海洋開發(fā)機(jī)器人，空間開發(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。具有感覺和識別功能（特別是視覺）的機(jī)器人已經(jīng)用于自動檢修和裝配作業(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，微型計算機(jī)的性能大幅提高，從而可以利用多個微處理器對各種感覺(如視覺、觸覺等)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，人類步行控制和動物步行機(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. 識別功能的提高：從識別物體(或零件)的位置和形狀發(fā)展為識別物體的姿態(tài)和顏色，并達(dá)到實用，使機(jī)器人能夠快速地識別更復(fù)雜的物體。
1.1.2 點焊機(jī)器人介紹及其研究意義
點焊機(jī)器人（spot welding robot）用于點焊自動作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人。世界上第一臺點焊機(jī)于1965年開始使用，是美國Unimation公司推出的Unimate機(jī)器人，中國在1987年自行研制成第一臺點焊機(jī)器人──華宇-Ⅰ型點焊機(jī)器人。點焊機(jī)器人由機(jī)器人本體、計算機(jī)控制系統(tǒng)、示教盒和點焊焊接系統(tǒng)幾部分組成，由于為了適應(yīng)靈活動作的工作要求，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，一般具有六個自由度：腰轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)、小臂轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)、腕擺及腕捻。其驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動兩種。其中電氣驅(qū)動具有保養(yǎng)維修簡便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等優(yōu)點，因此應(yīng)用較為廣泛。點焊機(jī)器人按照示教程序規(guī)定的動作、順序和參數(shù)進(jìn)行點焊作業(yè)，其過程是完全自動化的，并且具有與外部設(shè)備通信的接口，可以通過這一接口接受上一級主控與管理計算機(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、豐富的實踐經(jīng)驗、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。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，減輕焊工的勞動強(qiáng)度，同時也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。點焊機(jī)器人在汽車裝配生產(chǎn)線上的大量應(yīng)用大大提高了汽車裝配焊接的生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量，同時又具有柔性焊接的特點，即只要改變程序，就可在同一條生產(chǎn)線上對不同的車型進(jìn)行裝配焊接[2]。
應(yīng)用點焊機(jī)器人，有如下優(yōu)點：a.容易實現(xiàn)生產(chǎn)過程的完全自動化；b.對生產(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。
我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(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，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機(jī)器人；弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(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)與國外比有差距；應(yīng)用規(guī)模小，沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。 工業(yè)機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用最早是從汽車裝配生產(chǎn)線上的電阻點焊開始的。原因在于電阻點焊的過程相對比較簡單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對機(jī)器人的精度和重復(fù)精度的控制要求比較低。國際工業(yè)機(jī)器人企業(yè)憑借與各大汽車企業(yè)的長期合作關(guān)系，向各大型汽車生產(chǎn)企業(yè)提供各類點焊機(jī)器人單元產(chǎn)品并以焊接機(jī)器人與整車生產(chǎn)線配套形式進(jìn)入中國，在該領(lǐng)域占據(jù)市場主導(dǎo)地位。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接生產(chǎn)線要求焊鉗一體化，重量越來越大，165公斤點焊機(jī)器人是目前汽車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內(nèi)首臺165公斤級點焊機(jī)器人，并成功應(yīng)用于奇瑞汽車焊接車間。2009年9月，經(jīng)過優(yōu)化和性能提升的第二臺機(jī)器人完成并順利通過驗收，該機(jī)器人整體技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國外同類機(jī)器人水平。
工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢 目前國際機(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)在如定幾個方面：
機(jī)變機(jī)操動機(jī)結(jié)構(gòu)：與過有限元積析、電態(tài)積析及仿真畢畢等現(xiàn)代畢畢方法的變用，實現(xiàn)機(jī)變機(jī)操動機(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)：重打研究開放式，電電化機(jī)機(jī)系統(tǒng)。向基于PC機(jī)的開放型機(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、易操動性和可維修性；機(jī)機(jī)系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，實現(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、視覺傳感變和力傳感變，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)機(jī)變物體的自動定變以及精密裝配動畢等，大大提高了機(jī)變機(jī)的動畢性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。
網(wǎng)絡(luò)與光功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機(jī)變機(jī)機(jī)機(jī)變已實現(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)由過去的獨立應(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)由過去的專用畢備向標(biāo)準(zhǔn)化畢備發(fā)展。
虛擬機(jī)變機(jī)技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)變機(jī)中的動用已從仿真、預(yù)演發(fā)展大用于過正機(jī)機(jī)，如使遙機(jī)機(jī)變機(jī)操動者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)安動畢環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)變機(jī)?；诙鄠鞲凶?、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機(jī)變機(jī)的虛擬遙機(jī)操動和機(jī)機(jī)三互。
機(jī)變機(jī)性能價格比：機(jī)變機(jī)性能不斷提高(高高度、高精度、高可靠性、便于操動和維修，而單機(jī)價格不斷定定。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)研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、三互長的與光與磋商機(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)動器等四部分組成。機(jī)械本體是機(jī)器人實施作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為對本體進(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，通過控制各關(guān)節(jié)運動坐標(biāo)的驅(qū)動器，使各臂桿端點按照要求的軌跡、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)動器將控制系統(tǒng)輸出的信號變換成大功率的信號，以驅(qū)動執(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)，一般是一臺機(jī)械手，也稱操作器、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個自由度，其中3個用來確定末端執(zhí)行器的位置，另外3個則用來確定末端執(zhí)行裝置的方向（姿勢）。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、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，通過驅(qū)動器驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各個關(guān)節(jié)按所需的順序、沿確定的位置或軌跡運動，完成特定的作業(yè)。從控制系統(tǒng)的構(gòu)成看，有開環(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)動器
驅(qū)動器是機(jī)器人的動力系統(tǒng)，相當(dāng)于人的心血管系統(tǒng)，一般由驅(qū)動裝置和傳動機(jī)構(gòu)兩部分組成。因驅(qū)動方式的不同，驅(qū)動裝置可以分成電動、液動和氣動三種類型。驅(qū)動裝置中的電動機(jī)、液壓缸、氣缸可以與操作機(jī)直接相連，也可以通過傳動機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。傳動機(jī)構(gòu)通常有齒輪傳動、鏈傳動、諧波齒輪傳動、螺旋傳動、帶傳動等幾種類型。
d. 傳感器
傳感器是機(jī)器人的感測系統(tǒng)，相當(dāng)于人的感覺器官，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。內(nèi)部傳感器主要用來檢測機(jī)器人本身的狀態(tài)，為機(jī)器人的運動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)行器傳感器兩種類型；前者用于識別物體和檢測物體與機(jī)器人的距離等信息，后者安裝在末端執(zhí)行器上，檢測處理精巧作業(yè)的感覺信息。常見的外部傳感器有力覺傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、視覺傳感器等[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)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、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)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，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。
機(jī)器人技術(shù)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。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。
機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(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)域不可缺少的自動化設(shè)備[6]。
機(jī)械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“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)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(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)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用[7]。
機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(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,升料臺和滑道等裝置，是沖床自動連續(xù)工作。該裝置的特點是由上料機(jī)械手來控制沖床動作，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)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。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)動系統(tǒng)
被抓取工件
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
位置檢測裝置
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，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，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，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)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來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等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(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)壓吸盤和電磁盤兩類。
對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。
對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、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，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動.一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動在增加一個上下擺動即可滿足要求，有些動作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機(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。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(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)動源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。
手臂在進(jìn)行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運動。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)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。
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)運動和升降(或俯仰)運動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的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱[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，可在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運動。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動裝置[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)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機(jī)械傳動等四種形式[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)定的要求運動的系統(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)定的程序運動，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號[17]。
d. 位置檢測裝置
控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實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，然后提出了各個部分的具體設(shè)計方案，根據(jù)方案，主要的設(shè)計和研究內(nèi)容有：
a. 腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計；
b. 大臂擺動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計；
c. 小臂擺動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計；
d. 腕部擺動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2 機(jī)械手的總體設(shè)計
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，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)器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(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方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。
b. 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。
c. 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。
d. 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(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、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人[19]。
本題目規(guī)格參數(shù):
腰部回轉(zhuǎn)最大角度280度；
擺動最大角度120度；
工作范圍范圍0-450mm；
畢業(yè)設(shè)計（論文）
本機(jī)械手的主要動作是：
首先腰部回轉(zhuǎn)機(jī)械臂和焊點處于同一平面；接著大臂回轉(zhuǎn)，調(diào)整焊槍和焊點的距離；然后小臂回轉(zhuǎn)，使焊槍接觸焊點；最后腕部回轉(zhuǎn)，使焊槍和焊點垂直，達(dá)到焊接的目的。
2.2 設(shè)計具體采用方案
具體到本設(shè)計，因為焊槍質(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動,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，要求工作區(qū)間0-450mm，擴(kuò)大到0-60mm，為擴(kuò)大1/3倍。因為A2+b2≥2ab。所以當(dāng)c一定時，a=b機(jī)械臂為最短。6002=2a2。A≈424.3，又因為小臂比大臂更靈活，活動更頻繁，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)計圖
本設(shè)計的三維建模基于solidworks。首先進(jìn)行腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，再進(jìn)行大臂擺動機(jī)構(gòu)的設(shè)計，然后進(jìn)行小臂擺動機(jī)構(gòu)的設(shè)計，最后進(jìn)行腕部的設(shè)計。在所有設(shè)計完成之后，整體的效果如下圖所示：
圖2.2 設(shè)計完成整體圖
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
進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計后，就要針對機(jī)械手的腰部、大臂、小臂、腕部等各個部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。
機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求：
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)器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運動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)計機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時，要注意以下設(shè)計原則：
a. 腰座要有足夠大的安裝基面，以保證在工作時整體安裝的穩(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)器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機(jī)器人末端的運動精度影響最大，在設(shè)計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。
d. 腰部的回轉(zhuǎn)運動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器（電動、液壓及氣動）及減速器。驅(qū)動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。
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)，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。
f. 為了減輕機(jī)器人運動部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運動部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動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)計的具體采用方案
腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或氣壓缸來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者?？紤]到腰座是機(jī)器人的第一個回
畢業(yè)設(shè)計（論文）
轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動。
3.3 電動機(jī)的選擇
設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為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)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為15N.m。
電機(jī)功率可按下式估算
（3.4）
其中：Pm為電動機(jī)功率W；
MLP為負(fù)載力矩；
為負(fù)載轉(zhuǎn)速；
為傳動裝置效率，初定0.9；
系數(shù)為經(jīng)驗數(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
因為整體最高轉(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)速計算傳動比。
（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/ 潤滑方式：合成脂潤滑（長效潤滑）
安裝方式：任意 防護(hù)等級：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)計時需要先根據(jù)工作要求和軸徑上鍵的類型以及尺寸來選擇鍵，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)計中的鍵均為減速器自帶的鍵，即普通圓頭A型。
驗證電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量
（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)動慣量之后，就要進(jìn)行軸的具體尺寸確定：
實心軸的材料均選用45號鋼，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
4 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計
機(jī)器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運動。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計時，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，這樣可以使機(jī)器人運動學(xué)正逆運算簡化，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)器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。但機(jī)器人手臂末端工作空間并沒有考慮機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機(jī)器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。
c. 為了提高機(jī)器人的運動速度與控制精度，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?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價格昂貴，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題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應(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。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)械間隙所造成的運動誤差。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)器人的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對減小氣缸負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計機(jī)器人的手臂時，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減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時還要設(shè)計平衡機(jī)構(gòu)來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)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。
畢業(yè)設(shè)計（論文）
4.1 設(shè)計具體采用方案
機(jī)械手的大臂和小臂均為回轉(zhuǎn)運動?？紤]到機(jī)械手的動態(tài)性能及運動的穩(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 大臂電動機(jī)的選擇
設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為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)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為13N.m。
電機(jī)功率可按下式估算：
（4.4）
其中：Pm為電動機(jī)功率W；
MLP為負(fù)載力矩；
為負(fù)載轉(zhuǎn)速；
為傳動裝置效率，初定0.9；
系數(shù)為經(jīng)驗數(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)計算
因為整體最高轉(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)速計算傳動比。
（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)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為2N.m。
電機(jī)功率可按下式估算：
（4.13）
其中：Pm為電動機(jī)功率W；
MLP為負(fù)載力矩；
為負(fù)載轉(zhuǎn)速；
為傳動裝置效率，初定0.9；
系數(shù)為經(jīng)驗數(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)計算
因為整體最高轉(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)速計算傳動比。
（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/ 潤滑方式：合成脂潤滑（長效潤滑）
安裝方式：任意 防護(hù)等級：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)計時需要先根據(jù)工作要求和軸徑上鍵的類型以及尺寸來選擇鍵，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)動慣量之后，就要對軸進(jìn)行設(shè)計：
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
5 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
5.1 腕部電動機(jī)的選擇
（5.1）
（5.2）
m3=0.5kg；
設(shè)輸出軸速度為所需時間；
腕部 （5.3）
若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為1N.m。
電機(jī)功率可按下式估算：
（5.4）
其中：Pm為電動機(jī)功率W；
MLP為負(fù)載力矩；
為負(fù)載轉(zhuǎn)速；
為傳動裝置效率，初定0.9；
系數(shù)為經(jīng)驗數(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
因為整體最高轉(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
畢業(yè)設(shè)計（論文）
轉(zhuǎn)速并正常工作。所以以最高轉(zhuǎn)速計算傳動比。
（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)動慣量計算如下：
（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)動慣量之后就要對軸進(jìn)行設(shè)計：
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)械臂的正常運行，不僅軸承的制造質(zhì)量良好，而且機(jī)械臂的設(shè)計必須合理，軸承的裝配和使用必須規(guī)范。軸承的選擇對于機(jī)械臂的正常運轉(zhuǎn)十分重要。
a. 軸承類型的選擇
機(jī)座轉(zhuǎn)動軸上的軸承選擇：
推力球軸承，它承載能力較低，額定動載荷比為1，不能承受徑向載荷，只能承受一個方向的軸向載荷，限制軸和殼在軸向位移。極限轉(zhuǎn)速低。
機(jī)座相對轉(zhuǎn)動處的軸承選擇：
一對圓錐滾子軸承。額定動載荷比1.5~2.5。能承受單向軸向載荷，在徑向載荷作用下會產(chǎn)生附加軸向力，一般成對使用。能限制軸和外殼在一個方向的軸向位移。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)動軸承的選擇：
深溝球軸承，承載能力較小，額定動載荷比為1。主要承受徑向載荷，也可同時承受一定的軸向載荷。當(dāng)軸承的徑向游隙加大時，具有角接觸軸承的功能，可承受較大的軸向載荷。允許一定的軸向位移，但軸向位移限制在軸向游隙范圍內(nèi)。摩擦系數(shù)小，極限轉(zhuǎn)速高。結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。工作期間不需要保養(yǎng)。適于高速，應(yīng)用極為廣泛