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1前言
1.1機器人的概念
機器人是一個在三維空間中具有較多自由度，并能實現(xiàn)較多擬人動作和功能的機器，而工業(yè)機器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機器人。美國機器人工業(yè)協(xié)會提出的工業(yè)機器人定義為：“機器人是一種可重復(fù)編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機”。英國和日本機器人協(xié)會也采用了類似的定義。我國的國家標準GB/T12643-90將工業(yè)機器人定義為：“機器人是一種能自動定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機。能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。而將操作機定義為：“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置”。
機器人系統(tǒng)一般由操作機、驅(qū)動單元、控制裝置和為使機器人進行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。
1.1.1操作機
操作機是機器人完成作業(yè)的實體，它具有和人手臂相似的動作功能。通常由下列部分組成：
a.末端執(zhí)行器 又稱手部，是機器人直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機器人直接與工作對象接觸以完成作業(yè)的機構(gòu)。
b. 手腕 是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴大手臂的動作范圍，一般有2～3個回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。
c. 手臂 它由機器人的動力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時包括肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)，即手臂與手臂間。手臂與機座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運動范圍。
d. 機座 有時稱為立柱，是工業(yè)機器人機構(gòu)中相對固定并承受相應(yīng)的力的基礎(chǔ)部件。可分固定式和移動式兩類。
1.1.2驅(qū)動單元
它是由驅(qū)動器、檢測單元等組成的部件，是用來為操作機各部件提供動力和運動的裝置。
1.1.3控制裝置
它是由人對機器人的啟動、停機及示教進行操作的一種裝置，它指揮機器人按規(guī)定的要求動作。
1.1.4人工智能系統(tǒng)
它由兩部分組成，一部分是感覺系統(tǒng)，另一部分為決策－規(guī)劃智能系統(tǒng)。
1.2題目來源
本題設(shè)計的是關(guān)節(jié)型機器人腕部結(jié)構(gòu)，主要是整體方案設(shè)計和手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其零件設(shè)計。此課題來源于生產(chǎn)實際。對于目前手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對操作員技術(shù)熟練程度要求高，因此采用機器人技術(shù)，實現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)率、實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件。
1.3技術(shù)要求
根據(jù)設(shè)計要達到以下要求
a. 工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單；
b. 裝卸方便，便于維修、調(diào)整；
c. 盡量使用通用件，以便降低制造成本。
1.4本題要解決的主要問題及設(shè)計總體思路
本題要解決的問題有以下三個：
a. 手腕處于手臂末端，需減輕手臂的載荷，力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減少重量和體積；
b. 提高手腕動作的精確性；
c. 三個自由度的實現(xiàn)。
針對上述問題有了以下設(shè)計思路：
a. 腕部機構(gòu)的驅(qū)動裝置采用分離傳動，將3個驅(qū)動器安置在小臂的后端。
b. 提高傳動的剛度，盡量減少機械傳動系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)誤差，對于分離傳動采用傳動軸。
c. 驅(qū)動電機1經(jīng)傳動軸驅(qū)動一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪帶動手腕在小臂殼體上作偏擺運動。電機2經(jīng)傳動軸驅(qū)動一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪傳動，實現(xiàn)手腕的上下擺動。電機3經(jīng)傳動軸和兩對圓錐齒輪帶動軸回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)手腕上機械接口的回轉(zhuǎn)運動。
2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展狀況
2.1研究現(xiàn)狀
從機器人誕生到本世紀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。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。下面將按工業(yè)機器人和先進機器人兩條技術(shù)發(fā)展路線分述機器人的最新進展情況。
2.1.1工業(yè)機器人
工業(yè)機器人技術(shù)是以機械、電機、電子計算機和自動控制等學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)為基礎(chǔ)融合而成的一種系統(tǒng)技術(shù)。
a. 機器人操作機：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。
b. 并聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機器人技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。
c. 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離線編程已實現(xiàn)實用化。
d. 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德國KUKA、REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。
e. 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設(shè)備向標準化設(shè)備發(fā)展。
f. 可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達到5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求。
2.2.2先進機器人
近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴大，機器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外 感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機器人技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。
a. 水下機器人：美國的AUSS、俄羅斯的MT-88、法國的EPAVLARD等水下機器人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機器人（remote operated vehicle）和無纜水下機器人（autonomous under water vehicle）兩大類。
b. 空間機器人：空間機器人一直是先進機器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機器人。如美國NASA的空間機器人 Sojanor等。Sljanor是一輛自主移動車，重量為11.5kg，尺寸630~48mm，有6個車輪，它在火星上的成功應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān) 注。
c. 核工業(yè)用機器人：國外的研究主要集中在機構(gòu)靈巧，動作準確可靠、反應(yīng)快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動機器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國ORML基于機器人的放射性儲罐清理系統(tǒng)、反應(yīng)堆用雙臂操作器，加拿來大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，德國的C7 靈巧手等
d. 地下機器人：地下機器人主要包括采掘機器人和地下管道檢修機器人兩大類。主要研究內(nèi)容為：機械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機器人，各種采機器人及自動化系統(tǒng)正在研制中。
e. 醫(yī)用機器人： 醫(yī)用機器人的主要研究內(nèi)容包括：醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、機器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場感外科手術(shù)等。美國已開展臨場感外科（telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場模擬、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。法、英、意、德等國家聯(lián)合開展了圖像引導(dǎo)型矯形外科（telematics）計劃、袖珍機器人（biomed）計劃以及用于外科手術(shù)的機電手術(shù)工具等項目的研究，并已取得一些卓有成效的結(jié)果。
f. 建筑機器人：日本已研制出20多種建筑機器人。如高層建筑抹灰機器人、預(yù)制件安裝機器人、室內(nèi)裝修機器人、地面拋光機器人、擦玻璃機器人等，并已實際應(yīng)用。美國卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進行管道挖掘和埋設(shè)機器人、內(nèi)墻安裝機器人等型號的研制、并開展了傳感器、移動技術(shù)和系統(tǒng)自動化施工方法等基礎(chǔ)研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。
g. 軍用機器人：近年來，美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機器人。其特點是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場上具有看、嗅和觸摸能力，能夠自動跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動搜索、識別和消滅敵方目標的功能。如美國的Navplab自主導(dǎo)航車、SSV半自主地面戰(zhàn)車，法國的自主式快速運動 偵察車（DARDS），德國MV4爆炸物處理機器人等。目前美國ORNL正在研制和開發(fā)Abrams坦克、愛國者導(dǎo)彈裝電池用機器人等各種用途的軍用機器人。
可以預(yù)見，在21世紀各種先進的機器人系統(tǒng)將會進入人類生活的各個領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。
2.2發(fā)展趨勢
目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下10個方面：
a. 工業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負載.自重比，同時機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。
b. 機器人控制技術(shù)：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于 PC機網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點。編程技術(shù)除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。
c. 多傳感系統(tǒng)：為進一步提高機器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。
d. 機器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。
e. 機器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機器人半自主和自主技術(shù)，多機器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進行遙控等。
f. 虛擬機器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙操作和人機交互。
g. 多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。
h. 微型和微小機器人技術(shù)（micro/miniature robotics）:這是機器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進展將會引起機器人技術(shù)的一場革命， 并且對社會進步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。
我國對此進行了深入的研究。徐衛(wèi)平和張玉茹發(fā)表的《六自由度微動機構(gòu)的運動分析》對六自由度微動機構(gòu)進行了位移分析并為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了計算依據(jù)。還有劉辛軍、高峰和汪勁松發(fā)表的《并聯(lián)六自由度微動機器人機構(gòu)的設(shè)計方法》研究了微動機器人機構(gòu)的設(shè)計方法，建立了并聯(lián)六自由度微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的機構(gòu)尺寸與各向同性、剛度等性能指標的關(guān)系得到了一系列性能圖譜，從各圖譜中可以看出各項性能指標在空間模型設(shè)計參數(shù)空間中的分布規(guī)律，這有助于設(shè)計者根據(jù)性能指標來設(shè)計該微動機器人的機構(gòu)尺寸，是探討微動機器人機構(gòu)設(shè)計的有效分析工具。
3總體方案設(shè)計
3.1機械結(jié)構(gòu)類型的確定
為實現(xiàn)總體機構(gòu)在空間的位置提供的6個自由度，可以有不同的運動組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計成以下五種方案：
3.1.1圓柱坐標型
這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標型比較，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。
3.1.2直角坐標型
直角坐標型工業(yè)機器人，其運動部分由三個相互垂直的直線移動組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離，可在各坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大、靈活性較差。
3.1.3球坐標型
又稱極坐標型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，即一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
3.1.4關(guān)節(jié)型
關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取靠進機座的物體。
3.1.5平面關(guān)節(jié)型
采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運動，而移動關(guān)節(jié)則實現(xiàn)上下運動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。
對以上五種方案進行比較：方案一不能夠完全實現(xiàn)本課題所要求的動作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實現(xiàn)本課題的動作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動作靈活，工藝操作精度高。
3.2工作空間的確定
根據(jù)關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間。工作空間是指機器人正常工作運行時，手腕參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術(shù)參數(shù)。此機器人的工作空間為1500mm。
圖3－1 機器人的機座坐標系
3.3手腕結(jié)構(gòu)的確定
手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件，處于機器人操作機的最末端，其功能是在手臂和腰部實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個坐標位置的基礎(chǔ)上，再由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個姿態(tài)坐標，即實現(xiàn)三個自由度。
圖3－2 傳動原理圖
考慮到結(jié)構(gòu)，電機將成三角形布置，具體結(jié)構(gòu)見圖。
3.4基本參數(shù)的確定
空間結(jié)構(gòu)和手腕結(jié)構(gòu)的確定，那么手腕回轉(zhuǎn)、手腕擺動、和手腕旋轉(zhuǎn)三個姿態(tài)的自由度也得到了實現(xiàn)。
表3-1 機器人的主要規(guī)格參數(shù)
動作范圍
手腕回轉(zhuǎn)
手腕擺動
手腕旋轉(zhuǎn)
額定載荷
最大速度
4手腕詳細設(shè)計說明
4.1機器人驅(qū)動方案的分析和選擇
通常的機器人驅(qū)動方式有以下四種:
a. 步進電機：可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運動精度較差，負載和沖擊震動過大時會造成“失步”現(xiàn)象。
b. 直流伺服電機：直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。
c. 交流伺服電機：交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進電機相比價格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機在調(diào)速性能方面可以與直流電機媲美。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率，提供很高的響應(yīng)速度。
d. 液壓伺服馬達：液壓伺服馬達具有較大的功率/體積比，運動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負載能力也比較大，能夠抓住重負載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動方式。
本課題的機器人將采用直流伺服電動機。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
4.2手腕電機的選擇
4.2.1提腕電機的選擇
手腕的最大負荷重量，初估腕部的重量，最大運動速度V=2m/s
功率
取安全系數(shù)為1.2，
考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率。選擇Z型并勵直流電動機，技術(shù)參數(shù)如下
表4-1 Z型并勵直流電動機技術(shù)參數(shù)
型 號
額定電壓 （V）
額定轉(zhuǎn)矩(N/m)
額定轉(zhuǎn)速 (r/m)
參考功率 (W)
重量 (kg)
Z200/20-400
200
1
2000
400
5.5
4.2.2擺腕和轉(zhuǎn)腕電機的選擇
根據(jù)設(shè)計要求取相同型號的電機，選擇Z型并勵直流電動機，型號為200/20-400。
4.3傳動比的確定
4.3.1提腕總傳動比的確定
先根據(jù)下式求角速度 = ＝＝20 r/s
為角速度(r/s)，V為運動速度（m/s）， R為機械接口到轉(zhuǎn)動軸的距離(m)。
再求實際轉(zhuǎn)速 n’＝
為轉(zhuǎn)速(r/min)。
最后求得總傳動比
i總＝＝10.4 取整i總1=10
4.3.2轉(zhuǎn)腕和擺腕傳動比的確定
用同樣的方法，可求得
轉(zhuǎn)腕總傳動比i總2＝20
擺腕總傳動比i總3＝10
4.4傳動比的分配
傳動比分配時要充分考慮到各級傳動的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。
a. 提腕傳動比分配 提腕總的傳動比i總1=10，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比i11=2，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i12＝5。
b. 轉(zhuǎn)腕傳動比分配 轉(zhuǎn)腕總的傳動比i總2＝20，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i21＝5，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i21＝4。
c. 擺腕傳動比分配 擺腕總的傳動比i總3＝10，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比i31＝2，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i32＝5。
4.5齒輪的設(shè)計
按照上述傳動比配對各齒輪進行設(shè)計。
4.5.1提腕部分齒輪設(shè)計
A. 第一極圓柱齒輪傳動
齒輪采用45號鋼，鍛造毛坯，正火處理后齒面硬度170~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。
a. 設(shè)計準則
按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。
b.按齒面接觸疲勞強度設(shè)計
齒面接觸疲勞強度條件的設(shè)計表達式
（4－1）
其中， ，，
，，，
選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：
選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計算可得
（4-2）
則
接觸疲勞壽命系數(shù),
彎曲疲勞壽命系數(shù)
接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。
求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：
將有關(guān)值代入（4－1）得：
則
動載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則
修正
取標準模數(shù)。
c.計算基本尺寸
取
d. 校核齒根彎曲疲勞強度
復(fù)合齒形系數(shù)，
取
校核兩齒輪的彎曲強度
（4－3）
所以齒輪完全達到要求。
表4－2 齒輪的幾何尺寸
名稱
符號
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，小齒輪將做成齒輪軸。
B. 第二極圓錐齒輪傳動
齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取
a. 設(shè)計準則
按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。
b. 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計
齒面接觸疲勞強度的設(shè)計表達式
（4－4）
其中， ，，
，，
選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：
選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下式計算可得
（4-5）
則
接觸疲勞壽命系數(shù),
彎曲疲勞壽命系數(shù)
接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。
求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：
將有關(guān)值代入（4－4）得：
則
動載荷系數(shù)；使用系數(shù)；齒向載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)取，則
修正
取標準模數(shù)。
c.計算基本尺寸
d. 校核齒根彎曲疲勞強度
復(fù)合齒形系數(shù)，
取
校核兩齒輪的彎曲強度
（4-6）
所以齒輪完全達到要求。
表4－3齒輪的幾何尺寸
·
符號
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
由于小齒輪的分度圓直徑較小，所以作成齒輪軸。
4.5.2轉(zhuǎn)腕部分齒輪設(shè)計
第一極圓錐齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。經(jīng)計算齒輪滿足要求
表4－4齒輪的幾何尺寸
名稱
符號
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
第二極圓錐齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。經(jīng)計算齒輪滿足要求。
表4－5齒輪的幾何尺寸
名稱
符號
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
4.5.3擺腕部分齒輪設(shè)計
第一極圓柱齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。經(jīng)計算齒輪滿足要求。小齒輪作成齒輪軸。
表4－6齒輪的幾何尺寸
名稱
符號
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
第二極圓錐齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。經(jīng)計算齒輪滿足要求。小齒輪作成齒輪軸。
表4－6齒輪的幾何尺寸
名稱
符號
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
4.6軸的設(shè)計和校核
軸的結(jié)構(gòu)決定于受力情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類型和尺寸、軸的毛坯，制造和裝配工藝、以及運輸、安裝等條件。軸的結(jié)構(gòu)，應(yīng)使軸受力合理，避免或減輕應(yīng)力集中，有良好的工藝性，并使軸上零件定位可靠、裝配方便。對于要求剛度大的軸，還應(yīng)該從結(jié)構(gòu)上考慮減少軸的變形。
4.5.1輸出軸的設(shè)計
擺腕的傳動軸根據(jù)連軸器選：軸徑d=18mm ，根據(jù)結(jié)構(gòu)取軸長l=135mm。
由于要實現(xiàn)擺腕，工作時要求彼此有相對運動的空間傳動所以提腕和轉(zhuǎn)腕的傳動軸采用軟軸。軟軸通常由鋼絲軟軸、軟管、軟軸接頭和軟管接頭等幾部分組成。
a. 鋼絲軟軸由幾層彈簧鋼絲緊繞在一起構(gòu)成的。每層又由若干根鋼絲組成。相鄰鋼絲層的纏繞方向相反。
b. 軟管用來保護鋼絲軟軸，以免與外界的機件接觸，并保存潤滑劑和防止塵垢侵入；工作時軟管還起支撐作用。
c. 軟軸接頭用以連接動力輸出軸及工作部件
d. 軟管接口用以連接傳動裝置及工作部件的機體，有時也是軟軸接頭的軸承座。
在使用軟軸的時候要注意鋼絲軟軸必須定時涂潤滑脂，不得使軟軸的彎曲半徑小于允許最小半徑。
4.5.2傳動軸的設(shè)計
軸的材料為45號鋼，調(diào)制處理
a. 初估軸徑， c=106~117,取c=106則
（4-7）
b. 各段軸徑的確定
初估軸徑后，就可按照軸上零件的安裝順序從處開始逐段確定軸徑，上面計算的是軸段1的直徑，由于軸段1上安裝連軸器，因此軸段1直徑的確定和連軸器型號同時進行。這次選用的是波紋管連軸器。故軸段1直徑＝20mm。
右端用軸肩固定，考慮到在軸段2上裝套筒，故取軸徑＝22mm。
在軸段3上要安裝軸承，其直徑應(yīng)該便于軸承安裝，又應(yīng)該符合軸承內(nèi)徑系列，
即軸段3的直徑應(yīng)與軸承型號的選擇同時進行。現(xiàn)取角接觸球軸承型號為7205，其內(nèi)徑＝25mm。通常一根軸上的兩個軸承取相同型號，故取軸段7的直徑＝25mm。
軸段4上用軸肩固定軸承，故?。?0mm。
軸段5上作成齒輪軸，尺寸與齒輪相同。
根據(jù)結(jié)構(gòu)確定軸段6的直徑＝30mm。
c. 各軸段長度的確定
各軸段長度主要根據(jù)軸上零件的轂長或軸長零件配合部分的長度確定。另一些軸段長度，除與軸上零件有關(guān)外，還與箱體及軸承蓋等零件有關(guān)。
根據(jù)聯(lián)軸器取 。
考慮到套筒長度取 。
根據(jù)軸承寬度取 。
根據(jù)結(jié)構(gòu) 。
圖4－1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖
4.5.3軸的強度校核
軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，進行校核計算。計算準則是滿足軸的強度或剛度要求。進行軸的強度校核計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強度條件計算，對于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強度條件計算，兩者都具備的按疲勞強度條件進行精確校核等。
圖4－2軸的受力分析和彎扭矩圖
a． 軸上的轉(zhuǎn)矩T：
主軸上的傳遞的功率：
（4-8）
求作用在齒輪上的力：
b． 畫軸的受力簡圖 見圖4－2
c． 計算軸的支撐反力
在水平面上
在垂直面上
d． 畫彎矩圖 見圖4－2
在水平面上，剖面左側(cè)
剖面右側(cè)
在垂直面上
合成彎矩，剖面左側(cè)
剖面右側(cè)
e． 畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖4－2
f. 判斷危險截面
截面左右的合成彎矩左側(cè)相對右側(cè)大些，扭矩為T，則判斷左側(cè)為危險截面，只要左側(cè)滿足強度校核就行了。
g.．軸的彎扭合成強度校核
許用彎曲應(yīng)力，，
截面左側(cè)
h. 軸的疲勞強度安全系數(shù)校核
查得抗拉強度 ，彎曲疲勞強度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)，
截面左側(cè)
查得，；查得絕對尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則
彎曲應(yīng)力 ，
應(yīng)力幅
平均應(yīng)力
切應(yīng)力
安全系數(shù)
查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。
其它軸用相同方法計算，結(jié)果都滿足要求。
4.7夾持器的設(shè)計
根據(jù)焊槍的軸徑和機械接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計了夾持器。本次設(shè)計使用的焊槍直徑為50mm。用螺栓固定焊槍。通過螺栓與機械接口聯(lián)接。
4.8殼體的設(shè)計
機座部分采用鑄鋁材料，方形結(jié)構(gòu)，臂厚8～12mm。機身部分采用鑄鋁材料，圓筒形結(jié)構(gòu)，臂厚7～8。大臂外殼和大臂箱體采用鑄鋁材料，方形結(jié)構(gòu)，厚度均為6～8。小臂箱體和小臂外殼采用鑄鋁材料，結(jié)構(gòu)為方形，側(cè)面為鑄件其它三面為鑄鋁板材。手腕外殼和手腕箱體采用鑄鋁材料，結(jié)構(gòu)為方形，兩側(cè)面、背面、底面為鑄件，端面和正面為鑄鋁板材，臂厚5～8mm。
其它部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)決定，詳見圖紙。
5結(jié)論
本次設(shè)計的焊接機器人采用了直流電機驅(qū)動，通過一系列的軸和齒輪傳動順利實現(xiàn)了三個自由度：擺腕、提腕、轉(zhuǎn)腕。應(yīng)用于焊接生產(chǎn)線上將大大提高生產(chǎn)效率，和加工質(zhì)量，降低工人勞動強度，能夠帶來可觀的經(jīng)濟效益。
本機器人設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，通用性強。除了應(yīng)用于焊接外，還可以應(yīng)用于噴漆等工作中。設(shè)備制造成本合理，拆裝方便，便于維護。
參 考 文 獻
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附 錄
1 機器人總裝圖 HJJQR00 A0
2 手腕裝配圖 HJJQR-23 A0
3 夾持器裝配圖 HJJQR01 A2
4 軸 HJJQR-23-11 A3
5 大錐齒輪 HJJQR-14 A2
6 小錐齒輪 HJJQR-23-13 A3
7 圓柱齒輪 HJJQR-10 A3
8 圓柱齒輪軸 HJJQR-12 A3
9 圓錐齒輪軸 HJJQR-13 A3
27