i目 錄第一章 緒論 . 1 第二章 焊接機器人的總體方案 5 2.1 總體設(shè)計的思路 . 5 2.2 自由度和坐標(biāo)系的選擇 . 5 2.3 自由度和坐標(biāo)系的選擇 . 6 2.4 焊接機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求 6 2.5 機械手的組成 7 第三章 驅(qū)動方式的選擇 11 3.1 液壓驅(qū)動 11 3.2 氣壓驅(qū)動 11 3.3 電機驅(qū)動 12 第四章 傳動方式的選擇 13 4.1 帶傳動 . 13 4.2 鏈傳動 . 13 4.3 齒輪傳動 . 14 4.4 蝸桿傳動 . 15 第五章 焊接機器人的組成 . 16 5.1 執(zhí)行機構(gòu) . 16 第六章 腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計 18 6.1 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求 . 18 6.2 腕部結(jié)構(gòu)及選擇 . 18 第七章 臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計及計算 26 7.1 臂部結(jié)構(gòu) . 26 7.2 臂部結(jié)構(gòu)的選擇及計算校核 . 27 第八章 機械手機座設(shè)計 29 8.1 機座結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 29 8.2 電動機的選擇 . 29 第九章 機械手材料選擇 31 9.1 材料選擇原則 . 31 ii8.2 電動機的選擇 . 32 第十章 焊接機器人的運動軌跡計算 . 34 9.1 位姿矩陣 . 34 9.2 焊接機器人位姿方程的正、逆解 . 38 總 結(jié) . 41 致 謝 . 42 參考文獻 . 43 - 1 -第 1 章 緒論工業(yè)機器人（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)各種功能的一種機器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機，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)。工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、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。 焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO ）工業(yè)機器人術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)的定義，工業(yè)機器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動控制操作機（Manipulator） ，具有三個或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機器人最后一個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機器人就是在工業(yè)機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂。焊接機器人主要包括機器人和焊接設(shè)備兩部分。點焊機器人（spot welding robot）用于點焊自動作業(yè)的工業(yè)機器人。世界上第一臺點焊機于 1965 年開始使用，是美國 Unimation 公司推出的 Unimate 機器人，中國在 1987 年自行研制成第一臺點焊機器人──華宇-Ⅰ型點焊機器人。點焊機器人由機器人本體、計算機控制系統(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，通常電焊機器人選用關(guān)節(jié)式工業(yè)機器人的基本設(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。從機器人誕生到本世紀(jì) 80 年代初，機器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了 90 年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機器人的制造成本和價格卻不斷下降。在西方社會，和機器人價格相反的是，人的勞動力成本有不斷增長的趨勢。在西方國家，由于勞動力成本的提高為企- 2 -業(yè)帶來了不小的壓力，而機器人價格指數(shù)的降低又恰巧為其進一步推廣應(yīng)用帶來了契機。減少員工與增加機器人的設(shè)備投資，在兩者費用達(dá)到某一平衡點的時候，采用機器人的利顯然要比采用人工所帶來的利大，它一方面可大大提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平，從而提高勞動生產(chǎn)率，同時又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的整體競爭力。雖然機器人一次性投資比較大，但它的日常維護和消耗相對于它的產(chǎn)出遠(yuǎn)比完成同樣任務(wù)所消耗的人工費用小。因此，從長遠(yuǎn)看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會大大降低。而機器人價格的降低使一些中小企業(yè)投資購買機器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機器人的應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有將近一半的工業(yè)機器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。 焊接機器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率等特點，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機械、通用機械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。我國自上個世紀(jì) 70 年代末開始進行工業(yè)機器人的研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長足的發(fā)展，對國民經(jīng)濟尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動作用。從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，焊接機器人技術(shù)的研究十分活躍，焊接機器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個方面。應(yīng)用點焊機器人，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；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器人操作機的設(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)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；弧焊機器人已應(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，沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)。 工業(yè)機器人在焊接領(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)提供各類點焊機器人單元產(chǎn)品并以焊接機器人與整車生產(chǎn)線配套形式進入中國，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公斤點焊機器人是目前汽車焊接中最常用的一種機器人。2008 年 9 月，機器人研究所研制完成國內(nèi)首臺 165 公斤級點焊機器人，并成功應(yīng)用于奇瑞汽車焊接車間。- 3 -2009 年 9 月，經(jīng)過優(yōu)化和性能提升的第二臺機器人完成并順利通過驗收，該機器人整體技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國外同類機器人水平。 經(jīng)過 50 年的艱苦努力，中國焊接生產(chǎn)機械化自動化技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，取得了很大的成就，焊接生產(chǎn)過程機械化與自動化程度已達(dá)到 20%。在以焊接技術(shù)為主導(dǎo)制造工藝技術(shù)的大中型骨干企業(yè)，焊接生產(chǎn)過程綜合機械化與自動化程度已達(dá)到40%～ 45%。在機床、鍋爐、汽車、化工機械、工程機械和重型機械等國家重點骨干企業(yè)，通過引進國外先進技術(shù)及相應(yīng)配套的自動化焊機、成套焊接設(shè)備、焊接生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)，使焊接生產(chǎn)機械化與自動化技術(shù)達(dá)到了國際 90 年代初的先進水平，進入世界先進之列。 工業(yè)機器人發(fā)展趨勢：目前國際機變機界都在加大科研力度，進變機變機共性技術(shù)的研究。從機變機技術(shù)發(fā)展趨勢看，焊安機變機和其它工畢機變機一樣，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：  機變機操動機結(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)機變機操動機構(gòu)的優(yōu)化畢畢。探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高總載/自重比。  機變機機機系統(tǒng)：重打研究開放式，電電化機機系統(tǒng)。向基于 PC 機的開放型機機變方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；變件集成度提高，機機機日見小巧，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；機機系統(tǒng)的性能進一步提高，實現(xiàn)軟件伺服和安數(shù)字機機；機機界面更加友好。機變機傳感技術(shù)：機變機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，裝配、焊安機變機還應(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)機變物體的自動定變以及精密裝配動畢等，大大提高了機變機的動畢性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。  網(wǎng)絡(luò)與光功能：日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機變機機機變已實現(xiàn)了與 Canbus、Profibus 總機及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)安，使機變機由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進了一大步，也使機變機由過去的專用畢備向標(biāo)準(zhǔn)化畢備發(fā)展。  虛擬機變機技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機變機中的動用已從仿真、預(yù)演發(fā)展大用于過正機機，如使遙機機變機操動者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)安動畢環(huán)境中的感覺來操縱機變機?；诙鄠鞲凶?、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機變機的虛擬遙機操動和機機三互。  機變機性能價格比：機變機性能不斷提高(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，使機變機系統(tǒng)的可靠性有了很大提高  - 4 -多智能體調(diào)機技術(shù)：這是目前機變機研究的一個嶄新領(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理，感知與三三方法，建電和規(guī)劃、群體變?yōu)闄C機等方面進變研究。本文首先確定了機械手的總體布局，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)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計；b. 大臂擺動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計；c. 小臂擺動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計；d. 腕部擺動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。- 5 -第二章 焊接機器人的總體方案該設(shè)計的目的是為了設(shè)計一臺焊接機器人，本章主要對焊接機器人的機械結(jié)構(gòu)部分進行設(shè)計和分析。2.1 機械手總體結(jié)構(gòu)的類型工業(yè)機器人的結(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)機器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機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)機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標(biāo)機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結(jié)構(gòu)。b. 圓柱坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機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)機器人結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)機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)型機器人結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(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器人。2.2 總體設(shè)計的思路設(shè)計機器人大體上可分為兩個階段：(1) 系統(tǒng)分析階段①根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機器人的目的和任務(wù)；②分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境；③根據(jù)機器人的工作要求，確定機器人的基本功能和方案。如機器人的自由度、- 6 -信息的存儲量、計算機功能、動作精度的要求、容許的運動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應(yīng)性。(2) 技術(shù)設(shè)計階段①根據(jù)系統(tǒng)的要求確定機器人的自由度和允許的空間工作范圍，選擇機器人的坐標(biāo)形式；②擬訂機器人的運動路線和空間作業(yè)圖；③確定驅(qū)動系統(tǒng)的類型；④選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進行機器人總裝圖的設(shè)計；⑤繪制機器人的零件圖，并確定尺寸。2.3 自由度和坐標(biāo)系的選擇機器人的運動自由度是指各運動部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨立運動數(shù)，對于一個構(gòu)件來說，它有幾個運動坐標(biāo)就稱其有幾個自由度。各運動部件自由度的總和為機器人的自由度數(shù)。自由度一般為 3-6 個（不包括手部）,本次設(shè)計的焊接機器人為 4 自由度。2.4 焊接機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求，包括對機器整機的設(shè)計要求和對組成零件的設(shè)計要求兩個方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。(1) 對機器整機設(shè)計的要求對機器使用功能方面的要求：實現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機械設(shè)計的最基本要求，好的使用性能指標(biāo)使設(shè)計的主要目標(biāo)。另外，操作使用方便、工作安全可靠、體積小、重量輕、效率高、外形美觀、噪聲低等往往也是設(shè)計時所要求的。對機器經(jīng)濟性的要求：機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設(shè)計、制造和使用的全過程中，在設(shè)計機器時要全面綜合的進行考慮。設(shè)計的經(jīng)濟性體現(xiàn)為合理的功能定位、實現(xiàn)使用功能要求的最簡單的技術(shù)途徑和最簡單合理的結(jié)構(gòu)。(2) 對零件設(shè)計的基本要求機械零件是組成機器的基本單元，對機器的設(shè)計要求最終都是通過零件的設(shè)計要求來實現(xiàn)的，所以設(shè)計零件時應(yīng)滿足的要求是從設(shè)計機器的要求中引申出來的，即也應(yīng)從保證滿足機器的使用功能要求和經(jīng)濟性要求兩個方面來考慮。要求在預(yù)定的工作期限內(nèi)正?？煽康墓ぷ?，從而保證機器的各種功能的正常實現(xiàn)。這就要求零件在預(yù)定的壽命期內(nèi)不會產(chǎn)生各種可能的失效，即要求零件在強度、剛度、振動穩(wěn)定性、耐磨性和溫升等方面必須滿足必要的條件，這些條件就是判定零件工作能力的推測。要盡量降低零件的生產(chǎn)制造成本，這要求從零件的設(shè)計和制造等多方面加以考慮。設(shè)計時應(yīng)合理地選擇材料和毛坯的形式、設(shè)計簡單合理的零件結(jié)構(gòu)、合理規(guī)定零件加工的公差等級以及認(rèn)真考慮零件的加工工藝性和裝配工藝性等。另外要盡量- 7 -采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的零部件。任何一種機器都有動力機、傳動裝置和工作機組成。動力機是機器工作的能量來源，可以直接利用自然資源或二次資源轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，如水輪機、內(nèi)燃機、汽輪機、電動機、液壓馬達(dá)、氣動馬達(dá)等。工作機是機器的執(zhí)行機構(gòu)，用來實現(xiàn)機器的動力和運動功能，如機器人的末端執(zhí)行器就是工作機。傳動裝置則是一種實現(xiàn)能量傳遞和兼有其他作用的裝置。本次設(shè)計的焊接機器人的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示:圖 2.1 焊接機器人結(jié)構(gòu)圖2.5 機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構(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 2.2 所示?？刂葡到y(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng) 工作對象執(zhí)行機構(gòu)位置檢測裝置圖 2.2 機械手的組成方框圖a. 執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。- 8 -(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(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式。(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，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強。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)。(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)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運- 9 -動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。手臂在進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。(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。(5) 行走機構(gòu)當(dāng)工業(yè)機械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構(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)機械傳動裝置。(6) 機座機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。b. 驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(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、電力傳動和機械傳動等四種形式。c. 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(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，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息( 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)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。d. 位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。- 10 -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； 本機械手的主要動作是：首先腰部回轉(zhuǎn)機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。- 11 -第三章 驅(qū)動方式的選擇目前焊接機器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機驅(qū)動等多種方式，各種驅(qū)動方式都有其自身的特點，在工業(yè)機器人中液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動應(yīng)用很廣泛，有些機器人則同時采用多種驅(qū)動方式，這都視不同機器人的特點和要求所定。比較這些驅(qū)動方式的特點，從而選擇適合焊接機器人的驅(qū)動方式。3.1 液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動的特點：（1）驅(qū)動力和驅(qū)動力矩較大，臂力可達(dá) 100 公斤；（2）速度反應(yīng)性好，因為被驅(qū)動件的速度快慢取決于油液的容積變化，所以當(dāng)不考慮油液的溫度變化時，被驅(qū)動系統(tǒng)的滯后也幾乎沒有，而且液壓機構(gòu)的重量輕、慣性小，因此他的速度反應(yīng)性較好；（3）調(diào)速范圍大，而且可以無級調(diào)速，易于適應(yīng)不同的工作要求；（4）傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向；（5）在產(chǎn)生相同驅(qū)動力的條件下，液壓驅(qū)動比其他驅(qū)動方式體積小、重量輕、慣性??；（6）定位精度比氣動高，但比電機低；（7）液壓系統(tǒng)的泄漏對機構(gòu)的工作穩(wěn)定性有一定的影響；（8）油液中如果混入氣體，將降低傳動機構(gòu)的剛性，影響定位精度（產(chǎn)生爬行）；（9）油液的溫度和粘度變化影響傳動性能。液壓驅(qū)動機器人多用于要求臂力較大而且運動速度較低的工作場合。3.2 氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動的特點：（1）通過調(diào)節(jié)氣流，就可實現(xiàn)無級變速；（2）由于壓縮空氣粘性小，流速大，因此氣壓驅(qū)動的機器人動作速度快；（3）壓縮空氣可以從大氣中吸取，故動力源獲得方便、價格低廉，而且廢氣處理方便；（4）由于壓縮空氣粘度小，因此在管路中的壓力損失也很小，一般其阻力損失不到油液在油路中損失的千分之一，故壓縮空氣可以集中供應(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送；（5）壓縮空氣的壓縮性較大，因此使機器人的運動平穩(wěn)性較差，定位精度較低，而且壓縮空氣排到大氣中時噪聲較大，另外還須考慮潤滑和防銹等；- 12 -（5）壓縮空氣的工作壓力較低，致使機器人結(jié)構(gòu)較大。因此，氣壓驅(qū)動的機器人，常用于臂力小于 30 公斤、運動速度較快以及高溫、低溫、高粉塵等工作條件惡劣的場合。3.3 電機驅(qū)動電機驅(qū)動系統(tǒng)按電機的功能可分為直流電機驅(qū)動系統(tǒng)、交流異步電機驅(qū)動系統(tǒng)、無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)和多態(tài)電機驅(qū)動系統(tǒng)等。各種電機驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理有很大的區(qū)別，性能上也存在著較大的差異。電機驅(qū)動的特點：（1）電機驅(qū)動的輸出力較大；（2）控制精度高，功率較大，能夠精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜；（3）電機驅(qū)動系統(tǒng)響應(yīng)速度很快；（4）伺服電動機易標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機一般需要配置減速裝置，出 DD 電動機外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題；（5）電機驅(qū)動的設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境防爆性能較差；（6）對環(huán)境沒有很明顯的影響；（7）適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人；（8）維修和使用都較復(fù)雜。電機驅(qū)動機器人可避免電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，效率比液壓和氣壓驅(qū)動的都高；電機系統(tǒng)將電動機、測速即、編碼器及制動器組裝在一次加工的殼體中，使得整個電機系統(tǒng)體積小，可靠性和通用性也得到很大的提高；另外，電動機根據(jù)運行距離及電機的脈沖當(dāng)量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計算機，可達(dá)到非常高的位姿準(zhǔn)確度，這些都是電機驅(qū)動獨有的優(yōu)點。相對的，液壓與氣壓驅(qū)動系統(tǒng)組成機構(gòu)繁瑣，維護不方便。綜上所述，選擇電機驅(qū)動作為焊接機器人的驅(qū)動方式。- 13 -第四章 傳動方式的選擇傳動裝置是一種實現(xiàn)能量傳遞和兼有其他作用的裝置，它的主要作用有：能量的分配與傳遞；運動形式的改變；運動速度的改變。傳動通常分為兩類：第一類是機械能不發(fā)生改變的傳動——機械傳動；第二類是機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑螂娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的傳動——電傳動。機械傳動又可以分為嚙合傳動、摩擦傳動和流體傳動三大類。考慮焊接機器人的實際情況，帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸桿傳動是其可能的傳動方式，所以下面對以上四種傳動方式進行比較。4.1 帶傳動帶傳動通常是由主動輪、從動輪和張緊在兩輪上的傳動帶所組成的。當(dāng)主動輪回轉(zhuǎn)時，依靠帶與帶輪接觸面見的摩擦力拖動從動輪一起回轉(zhuǎn)，從而傳遞一定的運動和動力。帶傳動具有的優(yōu)點：（1）有良好的饒性和彈性，有吸振和緩沖作用，因而使帶傳動平穩(wěn)、噪聲??；（2）有過載保護作用，當(dāng)過載時引起帶在帶輪上發(fā)生相對滑動，可防止其他零件的損壞；（3）制造和安裝精度與齒輪傳動相比較低，機構(gòu)簡單，制造、安裝、維護均較方便；（4）適合于中心距離較大的兩軸間的傳動（中心距最大可達(dá) 15 米） 。帶傳動具有的缺點：（1）由于彈性滑動的存在，使得傳動效率降低，不能保證準(zhǔn)確的傳動比；（2）由于帶傳動需要初始緊張，因此，當(dāng)傳遞同樣大的圓周力時，與嚙合傳動相比軸上的壓力較大；（3）結(jié)構(gòu)尺寸較大，不緊湊；（4）傳動帶壽命短；（5）傳動帶與帶輪之間會產(chǎn)生摩擦放電現(xiàn)象；（6）不宜用于有爆炸危險的場合?，F(xiàn)在一些新型帶傳動形式，如高速帶傳動、同步帶傳動、多楔帶傳動已經(jīng)克服了以上大部分缺點。4.2 鏈傳動鏈傳動是由鏈條和主、從動鏈輪所組成的。鏈輪上制造有特殊齒型的齒，依靠鏈輪齒與鏈節(jié)的嚙合來傳遞運動和動力。- 14 -鏈傳動是屬于帶有中間饒性件的嚙合傳動。與屬于摩擦傳動的帶傳動相比，鏈傳動具有以下優(yōu)點：（1）鏈傳動沒有彈性滑動和打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的平均傳動比，傳動效率較高；（2）鏈條不需要像帶那樣張得很緊，所以作用于軸上的壓力較?。唬?）在同樣的使用條件下，鏈傳動結(jié)構(gòu)較為緊湊。與齒輪傳動相比，鏈傳動的優(yōu)點：（1）鏈傳動的制造安裝精度要求較低，成本低廉；（2）在遠(yuǎn)距離傳動時，其結(jié)構(gòu)比齒輪傳動輕便得多。鏈傳動的主要缺點：（1）在兩根平行軸間只能用于同向回轉(zhuǎn)傳動；（2）運轉(zhuǎn)時不能保持恒定的瞬時傳動比；（3）磨損后易發(fā)生跳齒；（4）工作時有噪聲；（5）不宜在速度變化很大和急速方向的運動中應(yīng)用。鏈傳動主要用在要求工作可靠，且兩軸相距較遠(yuǎn)，以及其他不宜采用齒輪傳動的場合。4.3 齒輪傳動齒輪傳動是機械傳動中應(yīng)用最為廣泛的一類傳動，常用的漸開線齒輪傳動具有以下特點：（1）傳動效率高，在常用的機械傳動中，齒輪傳動的效率是最高的；（2）一級圓柱齒輪傳動在正常潤滑條件下效率可達(dá) 99%以上，在大功率傳動中，高純度效率是十分重要的；（3）傳動比恒定，齒輪傳動具有不變的瞬時傳動比，因此成了齒輪傳動可用于200m/s 以上的高速傳動；（4）結(jié)構(gòu)緊湊，在同樣使用條件下，齒輪傳動所需要的空間尺寸比帶傳動和鏈傳動小得多；（5）工作可靠、壽命長，齒輪傳動在正確安裝，良好潤滑和正常維護條件下，具有其他機械傳動無法比擬的高可靠性和壽命。齒輪傳動的主要缺點有：（1）對齒輪制造、安裝要求高；（2）齒輪制造常用插齒機和滾齒機等專用機床和專業(yè)工具；（3）通常的齒輪傳動為閉式傳動，需要良好的維護保養(yǎng)，因此齒輪傳動成本和費用高；- 15 -（4）齒輪傳動不適合中心矩較大的兩軸間的動力傳動。4.4 蝸桿傳動蝸桿傳動是一種空間齒輪傳動，能實現(xiàn)交錯角為 90°的兩軸間動力和運動傳遞。蝸桿傳動與圓柱齒輪傳動和圓錐齒輪傳動相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、傳動平穩(wěn)和可以自鎖等顯著特點。蝸桿傳動的主要缺點是：（1）齒面摩擦力大，發(fā)熱量高，傳動效率低；（2）通常用于中、小功率非長時間連續(xù)工作的應(yīng)用場合。表 4.1 主要傳動形式的效率傳動方式 傳動效率帶傳動 0.9-0.98鏈傳動 0.93-0.97圓柱齒輪傳動 0.9-0.99圓錐齒輪傳動 0.88-0.98蝸桿傳動 0.4-0.95表 4.1 中傳動效率的范圍是由傳動的潤滑條件、加工精度和類型不同而產(chǎn)生的。綜上所述，這里采用齒輪傳動。- 16 -第五章 焊接機器人的組成焊接機器人由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。5.1 執(zhí)行機構(gòu)（1）手部手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單） 。手部多為兩指（也有多指） ；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。本設(shè)計為焊接機器人設(shè)計，因此手部并無其他結(jié)構(gòu)，僅僅是一個焊槍，通過螺栓固定于腕部之上。（2）腕部腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)焊槍的方位，以擴大焊槍的工作范圍，并使手部變的更靈巧，適應(yīng)性更強。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)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，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?。ㄒ话阈∮?270°）,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)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計的焊接機器人的腕部是利用液壓缸實現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)運動。腕部的驅(qū)動方式采用直接驅(qū)動的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)計的十分緊湊可以把驅(qū)動源裝在手腕上。機器人手腕的回轉(zhuǎn)運動是由電機和行星輪系實現(xiàn)的。（3）臂部手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具） ，并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到直線運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位） ，則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有一個自由度就能滿足基本要求，即臂部的伸縮運動。臂部的運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（電機）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部的靜、動載荷。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。機器人臂部的伸縮使- 17 -其手臂的工作長度發(fā)生變化，在直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。（4）機身機身部分運動的目的：把臂部送到直線運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變臂部的姿態(tài)（方位） ，則用機身的自由度加以實現(xiàn)。機身的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（電機）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從機身的受力情況分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。本次設(shè)計實現(xiàn)基座的機身的回轉(zhuǎn)運動。機身的運動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍： 。機器人機身的伸縮使其工作長度發(fā)生變化，在直角坐標(biāo)式09~??結(jié)構(gòu)中，機身的最大工作長度決定其末端所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。機身部分的回轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動源來自電機。本章從焊接機器人的實用方面入手，提出了一套總體設(shè)計方案，并根據(jù)機器人自由度的要求選取直角坐標(biāo)系為本次設(shè)計坐標(biāo)系。同時，就焊接機器人的組成（執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)）以及現(xiàn)實作業(yè)，給出了具體的手部、腕部、臂部和基座的結(jié)構(gòu)形式；并選擇電機驅(qū)動作為本次設(shè)計的驅(qū)動機構(gòu)。最后，給出了設(shè)計中所需的技術(shù)參數(shù)。- 18 -第六章 腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計6.1 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求(1) 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。(2) 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局腕部作為焊接機器人的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐焊槍的作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。(3) 必須考慮工作條件對于本次設(shè)計，焊接機器人的工作條件是在工作場合中焊接工件，最大載荷為8KG，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對焊接機器人的腕部沒有太多不利因素。6.2 腕部結(jié)構(gòu)及選擇6.2.1 腕部結(jié)構(gòu)手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎(chǔ)上進一步改變或調(diào)整手部在空間的位置，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得靈巧，適應(yīng)性更強。手腕的運動形式可以有：繞 Y 軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動；繞 Z 軸轉(zhuǎn)動稱為左右擺動；有的甚至是沿著 Y 軸或 Z 軸的橫向移動。一般手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)或再增加一個上下擺動即可滿足工作要求。6.2.2 電動機選擇由查表得，以及考慮到安全系數(shù) S,一般取 S=1.5，大致確定 P 至少大于 1KW。綜合以上數(shù)據(jù) 130SYX-01 型號伺服電機，其參數(shù)如下：額定功率=1.2KW額定轉(zhuǎn)矩=4N/M額定轉(zhuǎn)速=3000r/min額定電壓=160V額定電流=9.4A峰值轉(zhuǎn)矩=32N/M- 19 -電樞電阻=0.2 ?電框電感=3.2MH6.2.3 諧波齒輪減速器的選擇諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動） ，它是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種行星齒輪傳動。 諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動） ，它是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種行星齒輪傳動。 （1）傳動原理 它主要由三個基本構(gòu)件組成：（1）帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪）2，它相當(dāng)于行星系中的中心輪； （2）帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）1，它相當(dāng)于行星齒輪；（3）諧波發(fā)生器 H，它相當(dāng)于行星架。當(dāng)諧波發(fā)生器為主動時，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動，就近使柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形（可控的彈性變形） ，這時柔輪的齒就在變形的過程中進入（嚙合）或退出（嚙離）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處在完全的脫開。 諧波發(fā)生器通常成橢圓形的凸輪，將凸輪裝入薄壁軸承內(nèi)，再將它們裝入柔輪內(nèi)。此時柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的內(nèi)齒沿齒高嚙合。這是嚙合區(qū)，一般有 30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態(tài)，簡稱脫開；在波發(fā)生器長軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區(qū)段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態(tài)，稱之為嚙出。 諧波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動時，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，就使柔輪齒的嚙入—嚙合—嚙出—脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之錯齒運動，正是這一錯齒運動，作為減速器就可將輸入的高速轉(zhuǎn)動變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動。 對于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動，當(dāng)波發(fā)生器順時針轉(zhuǎn)動1/8 周時，柔輪齒與剛輪齒就由原來的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來脫開狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。同樣道理，嚙出變?yōu)槊撻_，嚙合變?yōu)閲С?，這樣柔輪相對剛輪轉(zhuǎn)動（角位移）了1/4 齒；同理，波發(fā)生器再轉(zhuǎn)動1/8周時，重復(fù)上述過程，這時柔輪位移一個齒距。依此類推，波發(fā)生器相對剛輪轉(zhuǎn)動一周時，柔輪相對剛輪的位移為兩個齒距。 柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個純滾動（無滑動）的圓環(huán)一樣，- 20 -兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過的弧長必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長上少了兩個齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對剛輪轉(zhuǎn)過兩個齒距的角位移，這個角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了減速的目的。 諧波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，迫使柔輪上的一點不斷的改變位置，這時在柔輪的節(jié)圓的任一點，隨著波發(fā)生器角位移的過程，形成一個上下左右相對稱的和諧波，故稱之為：“諧波 ”。（二）特點 1．承載能力高 諧波傳動中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動形式高。 2．傳動比大 單級諧波齒輪傳動的傳動比，可達(dá) i=70～500。 3．體積小、重量輕。 4．傳動效率高、壽命長。 5．傳動平穩(wěn)、無沖擊，無噪音，運動精度高。6．由于柔輪承受較大的交變載荷，因而對柔輪材料的抗疲勞強度、加工和熱處理要求較高，工藝復(fù)雜。諧波減速器在國內(nèi)于六七十年代才開始研制，到目前已有不少廠家專門生產(chǎn)，并形成系列化。廣泛應(yīng)用于電子、航天航空、機器人等行業(yè)，由于它的獨特優(yōu)點，在化工行業(yè)的應(yīng)用也逐漸增多。（三）減速器的選擇根據(jù)電動機的參數(shù)，有《機械設(shè)計手冊》表 15-2-129 查表選出諧波減速器型號為：XB1-120-150。XB1 為產(chǎn)品代號，120 機型，150 表示減速比。其參數(shù)為：輸入功率=1.25KW輸入轉(zhuǎn)速=3000r/min輸出轉(zhuǎn)矩=450N/M輸出轉(zhuǎn)速=20r/min6.2.4 軸的計算（一）軸材料選擇軸的材料選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理， 。??pa360M??（二）軸的校核軸因為是豎直的，本身自重可以忽略不計，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用。- 21 -故只對軸扭矩進行校核。對軸進行簡化計算：從齒輪計算中得到轉(zhuǎn)矩 ，m.38201NT?得到的扭矩圖：由圖可知，危險截面在 C 面。在 C 面：扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：39-33t m10271654.??DW?pa.980t MT?在 C 無須進行彎轉(zhuǎn)應(yīng)力校核，也無須根據(jù)第三強度理論進行強度校核。軸的材料選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理， ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力，??pa360M??故合適。6.2.5 軸承選擇并校核為了保證機械臂的正常運行，不僅軸承的制造質(zhì)量良好，而且機械臂的設(shè)計必須合理，軸承的裝配和使用必須規(guī)范。軸承的選擇對于機械臂的正常運轉(zhuǎn)十分重要。a. 軸承類型的選擇機座轉(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- 22 -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。b. 軸承代號的選擇推力球軸承：根據(jù)安裝軸承段的軸徑為 35mm，以及軸承長度及安裝考慮，最終選擇推力球軸承代號為 51107 GB 301-1995。其基本尺寸如下：圓錐滾子軸承：根據(jù)安裝軸承段的軸徑為 70mm，以及軸承長度及安裝考慮，最終選則圓錐滾子軸承代號為 30214 GB 297-94。大臂轉(zhuǎn)動軸承：根據(jù)安裝軸承段的軸徑為 35mm，以及軸承長度及安裝考慮，最終選則深溝球軸承代號為 61807 GB 276-94。小臂轉(zhuǎn)動軸承：根據(jù)安裝軸承段的軸徑為 15mm，以及軸承長度及安裝考慮，最終選則深溝球軸承代號為 61802 GB 276-94。腕部轉(zhuǎn)動軸承：根據(jù)安裝軸承段的軸徑為 15mm，以及軸承長度及安裝考慮，最終選則深溝球軸承代號為 61802 GB 276-94?，F(xiàn)在選取一深溝球軸承校核。(1) 驗算軸承平均壓力 p(單位為 MPa)??pd??BF Nlr 274108.45.01.389. 622 ??????pa407M?式中：B ——軸承寬度，mm(根據(jù)寬徑比 B/d 確定 )[p]——軸瓦材料的許用壓力，單位為 MPa(2) 驗算軸承的 [pv]值(單位為 MPa·m/s)pv=0.24×0.17=0.0408MPa·m/sv——軸徑圓周速度，即滑動速度，m/s[pv]——軸承材料的 pv 許用值，MPa·m/s3.驗算滑動速度 v(單位為 m/s)v=0.17m/s[v]為許用滑動速度，單位為 m/s根據(jù)這些數(shù)據(jù)查機械設(shè)計第七版表 12-2 選擇軸承為耐磨鑄鐵 HT300?；瑒虞S承和軸承座的配合為過渡配合，定為 ，IT6=13 ,IT7=216/734mH??m?基準(zhǔn)孔 H7 的下偏差 EI=0,上偏差為- 23 -ES=EI+IT7=+0.021 m?軸瓦 m 的下偏差 ei=0.008 ,es=ei+IT6=0.021 m?由此得 ， 。021.347??H021.8346??滑動軸承和軸的配合為間隙配合，定為 ，IT6=13 ,IT7=2157/6H?m?基準(zhǔn)軸 h6 的上偏差 es=0,下偏差為ei=es－IT6=(0－13)=－13 m?孔 H7 的下偏差 EI=0孔 H7 的上偏差 ES=EI+IT7=21由此得 。0.21657H??6.2.6 齒輪的設(shè)計與校核齒輪參數(shù)計算及其校核：①材料：高速級小齒輪選用 鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為 250HBS。高速級大齒輪選45?用 鋼正火，齒面硬度為 220HBS。45?②齒輪計算，查課本表得:。 lim10HMpa??lim20Hpa??材料彈性系數(shù) Z Z =189.8(N/mm )（表 15-17） E2重合度系數(shù) Z =（（4- ）/3） =0.9（表 15-18） ??/1節(jié)點區(qū)域系數(shù) Z Z =2.5(圖 15-22) H螺旋角系數(shù) Z Z =1 (式 15-34) ?計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N：N =60njL=60×500×1×8×11×250=6.6×1081N = N /i =6.6×10/4.2=1.571×108 212表 10-4 得：。.HS?.3F故 ??lim1150.HMpa??。li2249.HS查課本表 10-21 圖得：。lim10Fpa??lim2150Fpa??故 ??lim14.3F MS。li22.F- 24 -由設(shè)計計算公式（10-9a）進行試算即 ??32121 )(. HEdtt ZiTKd??????轉(zhuǎn)矩 3195080PNmn???載荷系數(shù) K:K= K K K K AV??7 級精度制造，查課本表 10-3 得：載荷系數(shù) ，取齒寬系數(shù) 計算中心距：1.2?0.4a????????11 2533551.690.9718.97HaTauu???? ???????????????考慮計算原因取 60?4m則 取 12Z1Z21?傳動比：i= 7/3.9齒寬： 取046ab???264b1大齒輪： ,小齒輪： 221?136Z大端分度圓直徑 d =m =4×36=144㎜，d =m =4×71=284㎜z2z齒頂圓直徑 d = d +2mcosδ =144+6cos13.3924=236.87㎜，1a2d = d +2mcosδ =284+6cos76.6076=295.900㎜a22齒根圓直徑 d = d -2.4mcosδ =63-2.4cos13.3924=55.966㎜f11d = d -2.4mcosδ2=276-2.4×cos76.6076=86.532㎜f2齒輪錐距 R=1/2 =135.998 2+大端圓周速度 v=πd n /60000=3.14×63×500/60000=1.649m/s，1齒寬 b= 0.4×135.998=64.14選齒輪精度為 7 級Δ =（0.1～0.2）R1=（0.1 ～0.2） 305.500=30.05～60.1㎜取 Δ =10㎜，Δ =14㎜,c=10 ㎜12輪寬 L =（0.1～0.2）d =（0.1～0.2）93=12.4㎜21L =（0.1～0.2）d =（0.1～0.2）×291=39㎜2③按齒面接觸強度設(shè)計：- 25 -1 11270[]tHHEHKFuZbd???????2 218]FYMpa?所以安全。④驗算輪齒彎曲強度：查課本表 10-5 得： 1.6FY?2.F最小齒寬 計算：264b所以安全。??21 253.8F FYMpa?????查課本第 162 頁表 11-2 知選用 7 級的的精度是合適的。以上課本為《 機械設(shè)計》 （第八版） 。本章主要內(nèi)容為腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計包括：腕部結(jié)構(gòu)的選取和腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算。首先，根據(jù)腕部設(shè)計的基本要求選擇與本次設(shè)計相符合的腕部結(jié)構(gòu)；然后，按照給定的技術(shù)參數(shù)進行設(shè)計計算；最后，確定了腕部回轉(zhuǎn)所需的回轉(zhuǎn)力矩、選用回轉(zhuǎn)缸以及選取各關(guān)鍵部位螺栓的計算。- 26 -第七章 臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計及計算7.1 臂部結(jié)構(gòu)手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具） ，并帶動它們作空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位） ，則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備 3 個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。臂部設(shè)計首先要實現(xiàn)所要求的運動，為此，需要滿足下列各項基本要求：一、臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕對于機械手臂部或機身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結(jié)構(gòu)上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸） 。顯然伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對機械手的運動性能、位置精度和負(fù)荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應(yīng)注意以下幾方面：(1) 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸；(2) 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離；(3) 合理布置作用力的位置和方向；(4) 注意簡化結(jié)構(gòu)；(5) 提高配合精度。臂部通常既受彎曲（而且不僅是一個方向的彎曲） ，也受扭矩，應(yīng)選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，機械手常采用無縫鋼管作為導(dǎo)向桿，用工字鋼或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動裝置、傳動裝置，從而使得結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。二、臂部運動速度要高，慣性要小機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。在一般情況下，手臂的移動和回轉(zhuǎn)、俯仰均要求勻速運動，但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前的減速度不能太大，否則會引起沖擊和振動。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有 4 個途徑：- 27 -(1) 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強度材料；(2) 減少臂部運動件的輪廓尺寸；(3) 減少回轉(zhuǎn)半徑 ρ，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作；(4) 在驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)緩沖裝置。三、手臂動作應(yīng)該靈活為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。四、位置精度要求高一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)式機械手位置精度要求較高；關(guān)節(jié)式機械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測結(jié)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動、嚙合件間的間隙?？偨Y(jié)：除此之外，要求機械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手還要設(shè)置防塵裝置等。以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計出完美的、性能良好的機械手。本文設(shè)計的機械手臂殼體采用鑄鋁加工而成。機械手手臂剛性好、抗扭能力強、重量輕，所有傳動機構(gòu)和驅(qū)動裝置都置于機械手臂內(nèi)部，外形簡潔；機械手表面還裝有緩沖墊，當(dāng)驅(qū)動裝置出現(xiàn)故障或供電電池耗盡時，可以起到緩沖作用，避免手臂沖擊造成損壞。7.2 臂部結(jié)構(gòu)的選擇及計算校核7.2.1 電動機選擇電動機功率計算：得出電機需帶動的扭矩。T=cosΘ*F*S=cosΘ*12*10* /1000=78N/M2650?T=9550*P/nN=60r/min所以輸出功率 P=T*n/9550=78*60*9550=0.49KW=490W。因為功率經(jīng)過整個傳動系統(tǒng)后不變，所以電機至少需要也為 490W,即 0.49KW?？紤]到安全系數(shù) S,一般取 S=1.5，所以 P 至少大于 1.5*0.49=0.735kw7.2.2 軸的計算一、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計- 28 -根據(jù)軸承的要求和機構(gòu)本身的性能要求，得到軸的尺寸軸的材料選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理， 。??pa360M??二、軸的校核軸本身自重可以忽略不計，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用,故只對軸扭矩進行校核。A,B 處為相同兩個槽，受扭矩相同， C 處也是受扭矩影響大之處。故腰對 B,C 兩處進行校核。對軸進行簡化計算：從電動機計算中得到轉(zhuǎn)矩 ，計算 A,B 處扭矩為 3119N.mmm.523871NT?得到的扭矩圖：圖7.1 扭矩圖有圖可知，其受理