1、用于車(chē)輛制造的裝配機(jī)器人學(xué) 院：機(jī)械學(xué)院班 級(jí)：機(jī)電112-20學(xué) 號(hào)：1104050220姓 名：孟慶超指導(dǎo)教師：卜凡嶺第 1 章 緒論1.1 機(jī)器人的概念機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。在研究和開(kāi)發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人的過(guò)程中， 人們逐步認(rèn)識(shí)到機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對(duì)機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識(shí)的加深， 機(jī)器人技術(shù)開(kāi)始源源不斷地向人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)， 人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動(dòng)和交互能

2、力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器， 如移動(dòng)機(jī)器人、微機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、空中空間機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等。對(duì)不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性， 也是機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。這些機(jī)器人從外觀上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初仿人型機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀， 更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求， 其功能和智能程度也大大增強(qiáng)， 從而為機(jī)器人技術(shù)開(kāi)辟出更加廣闊的發(fā)展空間。細(xì)分析以上定義，可以看出，針對(duì)同一對(duì)象所做的定義，其內(nèi)涵有很大的區(qū)別。雖然現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格而準(zhǔn)確的普遍被接受的機(jī)器人定義， 但我們還是希望能對(duì)機(jī)器人做某些本質(zhì)性的把握：首先，機(jī)器人是機(jī)器而不是人，它是人類(lèi)制造的替代人類(lèi)從事

3、某種作業(yè)的工具，它只能是人的某些功能的延伸，在某些方面，機(jī)器人可具有超越人類(lèi)的能力，但從本質(zhì)上說(shuō)機(jī)器人永遠(yuǎn)不可能全面超越人類(lèi)。其次，機(jī)器結(jié)構(gòu)上具有一定的仿生性。很多工業(yè)機(jī)器人模仿人的手臂或軀體結(jié)構(gòu)， 以求動(dòng)作的靈活。海洋機(jī)器人則在一定程度上模仿的魚(yú)類(lèi)結(jié)構(gòu)， 以期得到最小的水流阻力。第三，現(xiàn)代機(jī)器人是一種機(jī)電一體化的自動(dòng)裝置，其典型特征之一是機(jī)器人受微機(jī)控制， 具有（ 重復(fù)） 編程控制的功能。1.2 裝配機(jī)器人的結(jié)構(gòu)機(jī)器人一般可理解為：一種可編程的通過(guò)自動(dòng)控制去完成某些操作和移動(dòng)作業(yè)的機(jī)器。機(jī)器人的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖：（ 圖1-1）機(jī)器人整機(jī)，基本上由兩部分組成，一是操作機(jī)，一是控制裝置，操作機(jī)是

4、機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)， 包括： 基座、驅(qū)動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)單元、手臂、手腕、末端執(zhí)行器、行走機(jī)構(gòu)以及安裝在操作機(jī)上的各種感受裝置等。控制裝置一般包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、司服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電源裝置以及與操作者聯(lián)系的裝置等。驅(qū)動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)單元是機(jī)器人的動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)動(dòng)力源的類(lèi)別不同， 可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 液壓驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)三類(lèi)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)在多數(shù)情況下采用直流、交流司服電機(jī)， 也可采用力矩電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。手臂和手腕是機(jī)器人操作機(jī)中的基本部件，它由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的， 但多數(shù)機(jī)器人的手臂和手腕是由關(guān)節(jié)和桿件構(gòu)成的空間機(jī)構(gòu)， 一般有3 10 個(gè)自由度組成，工業(yè)機(jī)器人一般有3 6 個(gè)自由度，

5、由于機(jī)器人具有多自由度手臂、手腕的機(jī)構(gòu)， 使操作運(yùn)動(dòng)具有通用性和靈活性， 這也是區(qū)別于一般自動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。末端執(zhí)行器是機(jī)器人手腕末端機(jī)械接口所連接的直接參與作業(yè)的機(jī)構(gòu)，如夾持器，焊鉗，焊槍?zhuān)瑖姌尰蚱渌鳂I(yè)工具，傳感器等。行走裝置分輪式、履帶式和步行式等幾種，也可用采用螺旋槳式或其他形式的推進(jìn)機(jī)構(gòu)， 工業(yè)機(jī)器人多采用輪式機(jī)構(gòu)。1.3 選題背景1.3.1 裝配機(jī)器人的發(fā)展1.世界裝配機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r從裝配機(jī)器人的推廣應(yīng)用角度來(lái)看，機(jī)器人的發(fā)展大致經(jīng)歷了技術(shù)發(fā)展和探索的“ 起步” 階段， 在技術(shù)有所突破之后的“ 推廣” 應(yīng)用階段和被產(chǎn)業(yè)界接受之后的“ 普及” 階段， 只不過(guò)因?yàn)楦鱾€(gè)國(guó)家情況不同， 機(jī)器

6、人發(fā)展過(guò)程中這三個(gè)階段的時(shí)間先后和各階段時(shí)間的長(zhǎng)短并不一樣，下面兩個(gè)圖說(shuō)明了一些國(guó)家的機(jī)器人的發(fā)展情況。可以看出， 中國(guó)的機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器人應(yīng)用水平總體上還處于很落后的狀態(tài)。各國(guó)機(jī)器人的發(fā)展階段表：表1-1 各國(guó)機(jī)器人的發(fā)展階段表機(jī)器人數(shù)量如圖：（ 圖1-1）圖1-1 各國(guó)機(jī)器人的數(shù)量2.裝配機(jī)器人在中國(guó)的發(fā)展情況我國(guó)在上世紀(jì)七十年代就開(kāi)是裝配機(jī)器人的研究工作，由于種種原因， 機(jī)器人技術(shù)研究及應(yīng)用推廣十分緩慢。直到九十年代， 情況才有所好轉(zhuǎn)。早期的“ 863”計(jì)劃已經(jīng)把機(jī)器人技術(shù)作為重要的攻關(guān)內(nèi)容。到目前為止， 我國(guó)在機(jī)器人的技術(shù)研究方面已經(jīng)相繼取得了一些重要成果， 在某些技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)接近國(guó)際

7、前沿水平。但從總體上看， 我國(guó)在智能機(jī)器人方面的研究可以說(shuō)還是剛剛起步， 機(jī)器人傳感技術(shù)和機(jī)器人專(zhuān)用控制系統(tǒng)等方面的研究還比較薄弱。另外在機(jī)器人的應(yīng)用方面， 我國(guó)就顯得更為落后。值得一提的是，最近幾年，我國(guó)在汽車(chē)、電子行業(yè)相繼引進(jìn)了不少生產(chǎn)線，其中就有不少配套的機(jī)器人裝置。 另外，國(guó)內(nèi)的一些大專(zhuān)院校和科研單位也購(gòu)買(mǎi)了一些國(guó)外的機(jī)器人， 這些“ 洋機(jī)器人”的引入， 也為我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的研究工作提供了許多借鑒。1.3.2 裝配機(jī)器人的發(fā)展方向機(jī)器人技術(shù)涉及很多科學(xué)領(lǐng)域， 是多學(xué)科綜合交叉的邊緣學(xué)科，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展依賴于很多相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步。首先，從技術(shù)角度而言，智能化無(wú)疑是一個(gè)重要的發(fā)展方向。智能

8、機(jī)器人的高境界應(yīng)該是使之具有與人類(lèi)類(lèi)似的邏輯推理和問(wèn)題求解能力， 面對(duì)非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜環(huán)境和任務(wù)， 能夠自主尋求解決方案并加以執(zhí)行。其次，從應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域更多地體現(xiàn)出多機(jī)協(xié)調(diào)作業(yè)的特征， 這是現(xiàn)代生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大所決定的。在大型生產(chǎn)線上，往往是很多機(jī)器人共同完成一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程， 因而每一個(gè)機(jī)器人的控制就不單純是自身的控制問(wèn)題， 還需要多機(jī)協(xié)調(diào)。再者，標(biāo)準(zhǔn)化工作是一項(xiàng)十分重要而艱巨的任務(wù)。不同廠家生產(chǎn)的機(jī)器人相互之間很難進(jìn)行部件互換， 這給機(jī)器人的使用、維護(hù)和更新?lián)Q代帶來(lái)了很大的麻煩。然而由于標(biāo)準(zhǔn)化工作會(huì)牽涉到各家公司的利益得失， 因而近期很難形成技術(shù)上或零件上的世界標(biāo)準(zhǔn)。最后，機(jī)器人的微

9、型化也是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，微電子技術(shù)的發(fā)展，使得成千上萬(wàn)的電子元件在很小的空間內(nèi)集成已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。受其啟發(fā)， 人們開(kāi)始設(shè)想將微型傳感器、微處理器、微執(zhí)行機(jī)構(gòu)等在極小的空間內(nèi)進(jìn)行集成， 組成微型機(jī)電系統(tǒng)或微型機(jī)器人。1.4 裝配機(jī)器人研究的意義機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)涉及到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、醫(yī)療、海洋探測(cè)、太空、娛樂(lè)等很多領(lǐng)域。一方面， 機(jī)器人作為一種特殊的自動(dòng)機(jī)器在工業(yè)領(lǐng)域幾乎已經(jīng)無(wú)所不在， 很多大公司甚至把機(jī)器人作為一個(gè)新產(chǎn)業(yè)在搶占制高點(diǎn)； 另一方面， 科學(xué)家們正在讓機(jī)器人更加人性化， 給機(jī)器人賦予更多的智慧和情感。機(jī)器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用，對(duì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件， 提高企業(yè)的競(jìng)

10、爭(zhēng)能力和應(yīng)變能力， 促進(jìn)新產(chǎn)業(yè)的建立和發(fā)展， 改變勞動(dòng)結(jié)構(gòu)， 以及促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的技術(shù)進(jìn)步， 均發(fā)揮了重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前，在汽車(chē)裝配行業(yè)中，人工已逐漸被自動(dòng)化的生產(chǎn)線所取代，在擋風(fēng)玻璃的裝配中， 由于汽車(chē)擋風(fēng)玻璃寬大， 人工不易安裝和操作的特點(diǎn)， 為適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展， 減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)量， 節(jié)約勞動(dòng)成本， 改善工作環(huán)境， 保證安全操作， 促進(jìn)文明生產(chǎn)。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，以及機(jī)器人成本的進(jìn)一步降低， 可以預(yù)料， 今后將開(kāi)拓更多的機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域， 尤其是在制造業(yè)以外的領(lǐng)域中， 機(jī)器人將會(huì)有很好的應(yīng)用前景。第 2 章 裝配機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案本章對(duì)汽車(chē)擋風(fēng)玻璃自動(dòng)安裝機(jī)

11、器人的工作模式、總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。結(jié)合具體的使用過(guò)程， 對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能和可靠性要求等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容本次設(shè)計(jì)的最終目的是在確保汽車(chē)擋風(fēng)玻璃安全搬運(yùn)的情況下，實(shí)現(xiàn)擋風(fēng)玻璃準(zhǔn)確安裝的機(jī)器人自動(dòng)化安裝， 實(shí)現(xiàn)汽車(chē)裝配行業(yè)生產(chǎn)的完全自動(dòng)化。在本次設(shè)計(jì)中， 需要完成機(jī)器人各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和部分之間的準(zhǔn)確連接； 選擇合適的傳動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)電機(jī)， 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的傳動(dòng)精度和運(yùn)行的平穩(wěn)性； 設(shè)計(jì)合理的末端執(zhí)行器用以完成對(duì)玻璃的安全操作；選擇合適的減速器在保證合適傳動(dòng)比的情況下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊。其所要解決的主要問(wèn)題是：三自由度腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，腕部的傳動(dòng)方法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；各部分的結(jié)構(gòu)

12、設(shè)計(jì)；在保證結(jié)構(gòu)緊湊的情況下，各部分相互連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；底座驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各件的安裝等。2.2 設(shè)計(jì)方案2.2.1 運(yùn)動(dòng)方案的確定根據(jù)主要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)選擇運(yùn)動(dòng)形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。常見(jiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式有五種： 直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)性、關(guān)節(jié)型和SCARA 型， 同一種運(yùn)動(dòng)形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要， 可采用不同的結(jié)構(gòu)。所選用的運(yùn)動(dòng)形式， 在滿足需要的情況下， 應(yīng)使自由度最少、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。在以上這些運(yùn)動(dòng)形式中，關(guān)節(jié)機(jī)器人由2 個(gè)肩關(guān)節(jié)和1 個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位， 由2 個(gè)或3 個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。其中， 一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸線旋轉(zhuǎn)， 另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)仰俯。這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩

13、關(guān)節(jié)軸線。這種結(jié)構(gòu)形式動(dòng)作靈活， 工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小， 結(jié)構(gòu)緊湊， 占地面積小， 關(guān)節(jié)上相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵。并考慮到汽車(chē)裝配的工作環(huán)境和工作要求， 本次設(shè)計(jì)選定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式為關(guān)節(jié)式機(jī)器人。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：（ 圖2-1） 圖 2-1 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.2.2 傳動(dòng)方式的選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用來(lái)把驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)傳遞到關(guān)節(jié)和動(dòng)作部位。機(jī)器人中常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有： 齒輪傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)、皮帶及鏈傳動(dòng)、流體傳動(dòng)和連桿機(jī)構(gòu)與凸輪傳動(dòng)。1. 齒輪傳動(dòng)機(jī)器人中常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)是高轉(zhuǎn)速、小力矩的驅(qū)動(dòng)器， 而機(jī)器人通常卻要求低轉(zhuǎn)速、大力矩， 因此，

14、 常用行星齒輪機(jī)構(gòu)和諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速器來(lái)完成速度和力矩的變換和調(diào)節(jié)。此外， 由于諧波傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小， 重量輕、傳動(dòng)精度高、承載能力大、傳動(dòng)比大， 且具有高阻尼特性。因此， 在本次的設(shè)計(jì)中選用諧波傳動(dòng)。2. 皮帶傳動(dòng)與鏈傳動(dòng)皮帶和鏈傳動(dòng)用于傳遞平行軸間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，或把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人中的皮帶和鏈傳動(dòng)分別通過(guò)皮帶或鏈輪傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 有時(shí)還用來(lái)驅(qū)動(dòng)平行軸之間的小齒輪。由于齒形帶具有在傳動(dòng)時(shí)無(wú)滑動(dòng)，初始張力小，被動(dòng)軸的軸承不易過(guò)載。因無(wú)滑動(dòng)， 它除了用做動(dòng)力傳動(dòng)外還適用于定位。齒形帶屬于低慣性傳動(dòng)， 適合于馬達(dá)和高速比減速器之間使用。皮帶上面安上滑座可完成與齒輪齒條機(jī)構(gòu)同樣的功

15、能。并且慣性小， 且有一定的剛度等優(yōu)點(diǎn)， 所以適合于機(jī)器人的機(jī)械傳動(dòng)。因此， 在本次的設(shè)計(jì)中采用齒形帶傳動(dòng)。2.2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇直流電機(jī)便于調(diào)速，且具有較好的機(jī)械特性，所以很早就用于機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)， 以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。但一般的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大， 而且輸出轉(zhuǎn)矩相對(duì)過(guò)小， 動(dòng)態(tài)特性較差， 尤其在低速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下更為突出， 因此不是很理想的伺服電機(jī)。70 年代研制成的大慣量調(diào)速伺服電動(dòng)機(jī)， 它在結(jié)構(gòu)上采取了一些措施， 盡量提高轉(zhuǎn)矩， 改善了動(dòng)態(tài)特性， 它既具有一般直流電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)， 又具有小慣量直流電動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)性能， 易與較大的負(fù)載慣量匹配， 能較好地滿足伺服驅(qū)動(dòng)的要求， 因此在數(shù)控

16、機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：1、電動(dòng)機(jī)輸出力矩大2、電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力大3、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好4、低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)5、易于調(diào)試由于直流伺服電機(jī)具有以上優(yōu)點(diǎn)，因此在本次的設(shè)計(jì)中采用直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。第 3 章 裝配機(jī)器人各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)1、結(jié)構(gòu)形式： 關(guān)節(jié)式2、自由度數(shù)： 63、驅(qū)動(dòng)方式： 直流伺服電機(jī)4、各軸運(yùn)動(dòng)范圍、 速度、 功率、 轉(zhuǎn)矩（ 圖2-1）1 軸： ±135 ° 70/ s 0.604KW 125.82Nm2 軸： ±60 ° 80/ s 0.647KW 134.86

17、Nm3 軸： ±110 ° 102/ s 1.2KW 249.76Nm4 軸： ±180 ° 110/ s 0.65KW 142.77Nm5 軸： ±100 ° 100/ s 6.4KW 1534.22Nm6 軸： ±180 ° 100/ s 5.53KW 1200.25Nm5、最大持重： 100Kg6、環(huán)境溫度： 0 50C7、電源： 3 相； 380V/50Hz3.2 載荷的初步確定根據(jù)機(jī)器人的工作條件和工作對(duì)象，經(jīng)對(duì)多種車(chē)輛前擋風(fēng)玻璃的實(shí)際測(cè)量，和設(shè)計(jì)的通用性原則，取玻璃為矩形結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)a=1500mm，寬b

18、=1000mm，厚度h=70mm，密度 r=2.64g/cm3。由質(zhì)量的計(jì)算公式：M=abh（3-1）= =100x150x0.7x´2.64 x30kg因此， 確定機(jī)器人的工作載荷為30kg3.3 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.3.1 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用于進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類(lèi)很多， 以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求。在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)該注意事項(xiàng)：1、 機(jī)器人的末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)要求來(lái)設(shè)計(jì)的。根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機(jī)器人末端執(zhí)行器， 將不斷擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。2.、機(jī)器人末端執(zhí)行器的重

19、量，被抓取物體的重量及操作力的總合不應(yīng)超過(guò)機(jī)器人允許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)器人末端器重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。3、 機(jī)器人末端執(zhí)行器的萬(wàn)能性與專(zhuān)用性是矛盾的。從工業(yè)實(shí)際出發(fā)， 應(yīng)著重開(kāi)發(fā)各種各樣專(zhuān)用的、高效的末端執(zhí)行器， 加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置， 以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的多種多樣的作業(yè)功能。4、 通用性和完能性是兩個(gè)概念， 萬(wàn)能性是指一機(jī)多能的概念，而通用性是指功能有限的末端執(zhí)行器， 可適用于不同的機(jī)器人， 這就要求末端執(zhí)行器有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口。3.3.2 吸盤(pán)吸力的計(jì)算在本次設(shè)計(jì)中，末端執(zhí)行器采用吸盤(pán)式手爪，吸盤(pán)采用噴氣式吸盤(pán)， 吸盤(pán)的吸力是由吸盤(pán)皮碗的內(nèi)、外壓力差造成的吸盤(pán)的吸力F可根據(jù)下式求得： 式

20、中： Po大氣壓力 N / cm2P 內(nèi)腔壓力 N / cm2S 吸盤(pán)負(fù)壓腔在工件表面上的吸附面積 cm K 安全系數(shù)， 一般取K =1.2-2 K 工作情況系數(shù)， 一般取 K =1 3 K 姿態(tài)系數(shù)：當(dāng)吸盤(pán)表面處于水平位置時(shí)， 取1當(dāng)吸附表面處于垂直位置時(shí)， 取1/ff 為吸盤(pán)與被吸取物體的摩擦系數(shù)， 玻璃和橡膠的摩擦系數(shù)f=0.53。已知載荷的重量G=300N，大氣的壓力為Po =1.01x10Pa，內(nèi)腔壓力在0.15 1Mpa 之間，取P=0.2MPa。由以上條件計(jì)算吸盤(pán)的吸附面積S。由公式（ 3-2） 得 即： 初步選定由四個(gè)吸盤(pán)完成玻璃的吊裝，因此，所需每個(gè)吸盤(pán)的面積為S=100.1

21、 cm，考慮到工作環(huán)境的變化，取每個(gè)吸盤(pán)的面積S=120cm。因此吸盤(pán)的直徑D=12.36cm。取D=13.00cm， 即D=130mm。 3.3.3 吸盤(pán)式手爪結(jié)構(gòu)的確定 吸盤(pán)式手爪與機(jī)器人的連接采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭盤(pán)結(jié)構(gòu)，支撐架與法蘭盤(pán)的連接采用焊接結(jié)構(gòu)。末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)： 圖（ 3-1）3.3.4 手部及載荷總體質(zhì)量的確定考慮到在計(jì)算中的誤差和工作中的不確定因素，機(jī)器人手爪和載荷的總體質(zhì)量載荷的設(shè)定在100Kg。3.4 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.4.1 腕部結(jié)構(gòu)的確定在本次設(shè)計(jì)中， 腕擺和腕轉(zhuǎn)均采用齒形帶傳動(dòng)和諧波減速器傳動(dòng)。腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)與腕部分別安置在小臂關(guān)節(jié)軸的兩端， 使小臂達(dá)到質(zhì)量平衡。小臂和腕關(guān)

22、節(jié)為4R 機(jī)構(gòu)， 具有4 個(gè)自由度， 三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)均集中布置在小臂的后端， 在其三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)過(guò)程中， 均采用了諧波減速器， 其動(dòng)力輪與傳動(dòng)軸和回轉(zhuǎn)套聯(lián)在一起， 帶動(dòng)腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)。這種傳動(dòng)方案的優(yōu)點(diǎn)是： 1、腕部尺寸較小， 重量較輕； 2、由于腕部屬于3R 球腕機(jī)構(gòu)， 故便于調(diào)整姿態(tài)， 進(jìn)行編程； 3、因腕關(guān)節(jié)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)均放在小臂后端，有利于小臂自身的重力平衡；4、有利于迅速制動(dòng)，保證安全。腕關(guān)節(jié)二個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為司服電機(jī)， 為保證制動(dòng)迅速， 在電機(jī)輸出軸上均裝有電磁制動(dòng)器； 當(dāng)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 可保證關(guān)節(jié)軸牢固不動(dòng)， 以避免控制系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)。腕部結(jié)構(gòu)圖如下： 圖（ 3-2）3

23、.4.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇腕部輸出軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇（1） 載荷繞腕部各軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 載荷繞Z 軸如圖（ 3-2） 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：設(shè)定腕部Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為：w=100 /s=1.92rad/s=18.34r/min載荷的整體尺寸為矩形。矩形繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算如下式： 載荷繞Y 軸如圖（ 3-20） 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：設(shè)定腕部繞Y 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為：w=100/s=1.92rad/s=18.34r/min由平移軸定理得： 載荷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為因此， 載荷繞Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為：（ 假定重心無(wú)偏移）總力矩： MqKf (Mm + Mp +Mg ) （3-6）摩擦力矩： M = （3-7）慣性力矩： （ 3-

24、8）其中， K 為載荷系數(shù)， f 為摩擦系數(shù)， 取： 1.2 = ，f=0.02，選擇此處的軸承為圓錐滾子軸承， 軸承直徑D1 =D2=0.035m，已知此軸的轉(zhuǎn)速為：w=115.2rad/min=1.92rad/s，假設(shè)軸的加速過(guò)程為勻加速， 取勻加速啟動(dòng)時(shí)間： t=0.5s（2） 對(duì)軸進(jìn)行受力分析此軸受重力和兩個(gè)軸承的支撐力的作用，其受力圖如下：圖（ 3-3）（3） 電機(jī)的選擇選擇直流伺服電機(jī) 式中： M 負(fù)載峰值力矩單位是Nm w 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速單位是rad/s 傳動(dòng)效率 取 =0.8所以： 電機(jī)的所需功率是： 選取電機(jī)的型號(hào)為： 130SYX 其額定功率為Pm=1.2Kw， 額定轉(zhuǎn)速n=

25、3000r/min， 約為n=314rad/s， 額定轉(zhuǎn)矩W=4Nm。由輸出軸的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)速比為u=160 ， 選取諧波減速器XB3100，其傳動(dòng)比u=160，輸出轉(zhuǎn)矩T=150Nm，輸入功率P=0.524KW，最高輸入轉(zhuǎn)速n=3000r/min（ 半流體潤(rùn)滑脂）。3.4.4 錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算1.腕部輸出軸錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算（1） 錐齒輪各尺寸的計(jì)算在錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算當(dāng)中，以錐齒輪大端為標(biāo)準(zhǔn)值，以中徑尺寸為計(jì)量。設(shè)錐齒輪的傳動(dòng)比：分度圓直徑d=74mm， 模數(shù)m=2，齒數(shù)：z= = 37錐距： （ 3-15）平均分度圓直徑： （ 3-16）傳動(dòng)齒寬系數(shù)： （ 3-17）其中=0.25 0.3

26、5 取 =1/3齒寬取b=17mm由公式（ 3-16） 得：因此， 錐齒輪的平均分度圓直徑 d =dx0.833=61.64mm， 錐齒輪的當(dāng)量直齒圓柱齒輪的分度圓半徑與平均分度圓直徑：因此， 當(dāng)量齒輪模數(shù)： = 2x (1 -0.5 x1/ 3) =1.67 當(dāng)量齒數(shù)：取當(dāng)量齒輪的齒數(shù)比：（2） 錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算圓周力： （ 3-19）垂直分度圓錐母線的力： Ftga徑向分力：軸向力：法向載荷：選取齒輪的齒合角a20° ， 已知作用在齒輪上的力矩T=125.8Nm因此， 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算： 所以， K=1.0x1.12x1x2.25=2.52查表得： 齒形系數(shù) Y =2.24（

27、 機(jī)械設(shè)計(jì)第197 頁(yè)）應(yīng)力校正系數(shù) Y =1.75由公式（ 3-20） 得：故齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度是安全的。 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算：設(shè)在正常工作情況下， 工作齒寬為錐齒輪齒寬b=17mm。 式中： 彈性影響系數(shù)： E =189.8材料的許用應(yīng)力： =1100 HMp齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： N=60njLh=60x18.34x1（ 2x8x300x10）=5.28x10接觸疲勞壽命系數(shù)： K=1.03 =齒輪的安全系數(shù)： S=1因此， 由公式（ 3-21） 得： 錐齒輪的基本尺寸：齒數(shù): 分度圓直徑： d=Zm=50 ´ 2=100mm錐距： 齒寬：2.腕部擺動(dòng)傳動(dòng)錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算（1）

28、 錐齒輪各尺寸的計(jì)算初設(shè)原始條件：傳動(dòng)比u=1，椎角45，齒型角20 ，模數(shù)m=2， 分度圓直徑d=55mm齒數(shù)：分度圓直徑取： d=56mm錐距：+= 平均分度圓直徑：（ 3-22）取齒寬系數(shù)： （ 3-23）所以， d =0.833d=46.648mm當(dāng)量直齒輪分度圓半徑rn：當(dāng)量齒輪模數(shù)（ 平均模數(shù)） m ， 當(dāng)量齒數(shù)z ：當(dāng)量齒輪的齒數(shù)比：（2） 錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算齒輪傳遞的扭矩為： T=1.65Nm圓周力：垂直于分度圓錐母線的力： 徑向分力： 軸向力： 發(fā)向載荷： 齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)：（3-24）齒輪的彈性影響系數(shù)： Z =189.8材料的許用應(yīng)力： 1100 HMp齒輪應(yīng)力循環(huán)次

29、數(shù)： N=60njLh=60x18.34x1x（2x8x300x10）=5.28x10接觸疲勞壽命系數(shù)： K=0.9 =齒輪傳動(dòng)安全系數(shù)： S=1 載荷系數(shù)： K=2.772由公式（ 3-24） 得 d=26.3mm取d=5626.3， 故齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度是安全的 輪齒彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算：（ 3-25）載荷系數(shù)： a b =查表得： =動(dòng)載荷系數(shù)： =齒向載荷分布系數(shù)： =1.5X1.5=2.25b b = = ´ =齒間載荷分配系數(shù)： K= 1.1 a =載荷系數(shù)： K=1x1.27x2.25x1.1=2.772齒形系數(shù)： =應(yīng)力校正系數(shù)： =彎曲疲勞強(qiáng)度極限： 由公式（ 3-25

30、）得：m=0.765 +因齒輪模數(shù)m=2 0.765， 故齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度是安全的。3.4.5 軸的強(qiáng)度校核1.腕部輸出軸的強(qiáng)度校核材料取45 鋼調(diào)質(zhì)， 直徑取d=35mm， 其受力圖如下： 圖（ 3-5）圖3-5 腕部輸出軸的受力簡(jiǎn)圖（1） 在徑向力作用下的受力分析： 圖（ 3-6）圖3-6 腕部輸出軸在徑向力作用下的受力分析根據(jù)軸的手力平衡得：（2） 在圓周力作用下的受力分析： 圖（ 3-7）圖3-7 腕部輸出軸在圓周力作用下的受力分析由軸的受力平衡得：（3） 力矩圖如下:圖（ 3-8） 圖3-8 腕部輸出軸的力矩圖在軸承2 處的和力矩為：按照第三強(qiáng)度理論對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核：由上知，軸的最

31、大作用應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力值，所以軸的強(qiáng)度是安全的。3.4.6 傳動(dòng)同步帶的選擇選擇同步帶的型號(hào)為L(zhǎng) 型， 采用標(biāo)準(zhǔn)的帶輪和標(biāo)準(zhǔn)1.腕部擺動(dòng)同步帶的選擇初選標(biāo)準(zhǔn)帶輪直徑： d=84.89mm傳動(dòng)比為： u=1所以帶速：初定軸間距： =221mm帶長(zhǎng)：因 d1 = d2 ， 所以，L=708.55mm標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)： =723.9mm實(shí)際軸間距：（ 當(dāng)軸間距可以調(diào)整時(shí)）作用在軸上的力：帶寬： 其中， K2=1 基本帶寬： b =25.4，基本帶寬功率：由公式（ 3-36） 得：所以帶寬：取標(biāo)準(zhǔn)帶寬： b=14mm2.腕部輸出軸同步帶選擇同步帶輪選用與上一傳動(dòng)相同， 傳動(dòng)比u=1，故其帶速： v=1

32、3.32m/s軸間距初定為： a=184mm由公式（ 3-34） 得：標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)； =635mm所以實(shí)際軸間距（ 軸間距可調(diào)的情況下）； 由公式（ 3-35）考慮他們傳動(dòng)力矩相差不大，且都取同樣的帶輪所以其帶寬同上作用在軸上力的計(jì)算：3.5 手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.5.1 手臂的設(shè)計(jì)要求1.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。2.機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)與尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。3.為保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度與剛度的條件下， 盡可能從結(jié)構(gòu)與材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選

33、用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料， 通常采用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。4.機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙應(yīng)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)。5.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)減小電機(jī)負(fù)荷和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是有益的。6.機(jī)器人手臂在機(jī)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)及內(nèi)部電纜等的安裝。3.5.2 小臂的結(jié)構(gòu)確定機(jī)器人是手臂結(jié)構(gòu)采用電機(jī)和執(zhí)行器的分端布置，這樣使小臂達(dá)到重量的平衡。如圖（ 3-17） 圖3-17 小臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3.5.3 電機(jī)的選擇1.小臂繞Z 軸旋轉(zhuǎn)

34、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇（1） 當(dāng)載荷的軸線和小臂的軸線同軸時(shí)：載荷對(duì)Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =27.08Kgm，（2） 當(dāng)載荷的軸線和小臂的軸線垂直時(shí)：載荷對(duì)Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =27.75Kgm（3） 小臂自身對(duì)Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為初設(shè)小臂的參量： 長(zhǎng)度為： L=1000mm直徑：D=280mm，質(zhì)量：小臂繞Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：選擇較大的載荷計(jì)算值對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算：所以總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是:已知參量：平均加速時(shí)間： Vt =0.5s旋轉(zhuǎn)角速度： w =110/ s= 1.92rad / s所以作用在小臂上的慣性力矩： 由公式（ 3-8） 得：（4） 軸的力矩計(jì)算對(duì)軸進(jìn)行受力分析得： 選擇軸承為深溝球軸承， 軸承直

35、徑初選D=180mm其受力圖如下： 圖（ 3-18）圖3-18 小臂繞Z 軸旋轉(zhuǎn)軸的受力分析根據(jù)軸的受力平衡的原則得：所以小臂的摩擦力矩是： 由公式（ 3-7） 得：總的驅(qū)動(dòng)力矩為： 由公式（ 3-6） 得：（5） 電機(jī)的選擇：選取電機(jī)的型號(hào)為： 130SYX， 額定功率為Pm=1.5Kw， 額定轉(zhuǎn)速n=3000r/min約為n=314rad/s， 額定轉(zhuǎn)矩W=4Nm。由于在減速器的前一級(jí)經(jīng)過(guò)同步帶的減速， 且同步帶的傳動(dòng)比為： u=2， 故輸入減速器的轉(zhuǎn)速為n=1500r/min。由輸出軸的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)速比為u=80，選取諧波減速器XB3160，其傳動(dòng)比u=80，輸出轉(zhuǎn)矩T=480Nm，

36、輸入功率P=1.420KW， 最高輸入轉(zhuǎn)速n=1750r/min（ 半流體潤(rùn)滑脂）。2.小臂擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇對(duì)小臂采用重力平衡機(jī)構(gòu)， 初步估算小臂加載荷的重量為1000Kg， 小臂的平均直徑D=250mm，取小臂的長(zhǎng)度： L=2000mm。小臂的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算: (3-39)摩擦力矩： 因?yàn)椴捎昧酥亓ζ胶鈾C(jī)構(gòu)， 軸只有一個(gè)，所以， 所以摩擦力矩為：手臂擺動(dòng)的速度： w =102/ s= 1.78rad / s初選電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：n=1500r/min，取標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)比u=100，因此，實(shí)際小臂的擺動(dòng)速度w=1.5rad/s= 90/ s。小臂的慣性力矩為： 其中： J 為慣性矩， 其計(jì)算公式如下：因

37、此， 此軸的慣性力矩為：所以小臂需要的總的驅(qū)動(dòng)力矩為： 由公式（ 3-39） 得：選取電機(jī)的型號(hào)為： 176SYX， 額定功率為Pm=2.4Kw， 額定轉(zhuǎn)速n=1500r/min， 額定轉(zhuǎn)矩W=16Nm。由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和工作傳遞力矩的需要，選擇減速器的類(lèi)型為杯型減速器， 其型號(hào)為XB-160-100B， 傳動(dòng)比為： u=100， 額定輸出轉(zhuǎn)矩W=1000Nm， 額定輸入轉(zhuǎn)速n=1500r/min。3.5.4 聯(lián)軸器的選擇由電機(jī)選擇可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000r/min，轉(zhuǎn)速很高，在各種型號(hào)的聯(lián)軸器中， 膜片聯(lián)軸器易平衡， 且易保持平衡精度， 不需潤(rùn)滑， 對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)， 且具有較好的補(bǔ)償兩

38、軸相對(duì)位移的性能，徑向載荷能力大， 可在很高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)， 但扭轉(zhuǎn)剛度大， 緩沖減振效果差， 通常使用于高速傳動(dòng)及伺服傳動(dòng)中。膜片聯(lián)軸器采用一種厚度很薄的彈簧片，制成各種形狀，用螺栓分別與主從動(dòng)軸上兩半聯(lián)軸器聯(lián)接， 其中彈性元件為若干多邊形的膜片， 在膜片的圓周上有若干螺栓孔。為防止膜片在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)發(fā)生的微動(dòng)磨損， 導(dǎo)致膜片螺栓孔出現(xiàn)微裂紋而損壞， 可在膜片之間涂上二硫化鉬等固體潤(rùn)滑劑， 或?qū)δて砻孢M(jìn)行減磨涂層處理。3.5.5 傳動(dòng)同步帶的選擇1.同步帶1 的選擇同步帶的型號(hào)選擇L 型， 初選小帶輪節(jié)線圓直徑： d=66.7mm因?yàn)橥綆У膫鲃?dòng)比u=2，且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)帶輪直徑的尺寸系列，所以大

39、同步帶輪的尺寸d= 133.4mm 因此，實(shí)際傳動(dòng)比：u=2.18軸間距初步定位： a=180mm帶長(zhǎng)： 由公式（ 3-34） 得：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)： 685.8 mm因此， 實(shí)際軸間距為： 由公式（ 3-35） 得：作用在軸上的力：帶速： L 型同步帶的基本額定功率： 245 = 所以同步帶的帶寬是： 其中 K=12.同步帶2 的選擇由于第二同步帶的驅(qū)動(dòng)電機(jī)相對(duì)中心軸的位置和第一同步帶的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置象同， 即兩軸對(duì)中心軸的距離相同。又因他所傳遞的力矩略小于第一同步帶， 此第二同步帶采用第一同步帶的寬度，其強(qiáng)度是可以保證的。3.5.6 軸的校核1.小臂1 軸的強(qiáng)度校核軸原始尺寸的確定：軸徑初選

40、d=20mm，長(zhǎng)度為L(zhǎng)=1350mm ，材料選擇45 鋼（1） 對(duì)軸進(jìn)行受力分析作用在軸上的力：錐齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生的作用在軸上的軸向力F ，由安裝在錐齒輪一端的滾動(dòng)軸承所承受， 因此， 軸的受力僅為扭矩和在重力。如圖： 圖（ 3-19）圖3-19 小臂第一傳動(dòng)軸的受力簡(jiǎn)圖由受力分析得： 對(duì)軸主要進(jìn)行扭曲應(yīng)力和彎曲變形的校和。已知： 軸所傳遞的扭矩T=1.54Nm軸的最大切應(yīng)力： (3-42)實(shí)心軸的抗扭截面系數(shù)： 所以軸的最大切應(yīng)力為：45 鋼材料的許用應(yīng)力： =40MPa 計(jì)算應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值， 所以軸的抗扭強(qiáng)度是可靠的。（2） 小臂1 軸（ 圖3-17） 的扭曲變形計(jì)算已知初始條件： 45

41、 鋼材的G 值取80Gpa， 軸的安全扭轉(zhuǎn)變形為20mm。單位長(zhǎng)度上的扭轉(zhuǎn)角： /m由公式： 9.3mm20mm， 所以軸的扭曲變形在允許的范圍內(nèi)是合格的。（3） 小臂1 軸（ 圖3-17） 在重力作用下的撓度計(jì)算估算軸的重力：重力在軸上的平均作用力為：平均作用力下的軸的最大撓度: （3-46）鋼材的彈性模量： E =210MPa所以， 軸的最大撓度為： 由公式（3-36） 得：計(jì)算得，小臂軸1 的撓度非常小，以至可以忽略不考慮，因此重力作用下的彎曲變形在允許的情況下是安全。2. 小臂2 軸的強(qiáng)度校核設(shè)定初始條件： 材料選擇為45 鋼， 軸承直徑初選： D=30mm，長(zhǎng)度設(shè)定為L(zhǎng)=1200mm

42、， 其受力和上一軸相似。對(duì)其進(jìn)行受力分析： 如圖： 圖（ 3-20）圖3-20 小臂2 軸的受力分析其所傳遞的力矩為： T=1.65Nm（1） 最大切應(yīng)力計(jì)算最大切應(yīng)力： 空心軸的抗扭截面系數(shù)：由公式（ 3-47）： 軸的最大切應(yīng)力為： 因45 鋼調(diào)質(zhì)許用切應(yīng)力為: = 40MPa， 所以軸的切應(yīng)力強(qiáng)度是安全的。（2） 軸的扭曲變形的計(jì)算 抗扭剛度為： GI ， 其中空心軸： (3-48)軸在單位長(zhǎng)度上的扭轉(zhuǎn)角為：é最大扭轉(zhuǎn)角為:軸的初始直徑D 大于計(jì)算直徑9.7mm，所以軸的變形在允許的范圍內(nèi)是安全的。（3） 軸的撓度計(jì)算：空心軸所承受的重力： 軸上的平均作用力為：在重力作用下的軸

43、的最大撓度為：45 鋼的彈性模量： E=210Gpa最大撓度是：軸在重力作用下的撓度很小，一致可以忽略不記，因此軸在重力作用下的彎曲變形是不影響其工作的。3. 小臂3 軸的強(qiáng)度校核此軸不僅承受傳遞扭矩的作用， 同時(shí)也對(duì)其它兩個(gè)軸提供支撐，因此對(duì)它的校核需要從強(qiáng)度方面進(jìn)行計(jì)算：初設(shè)軸的內(nèi)外徑分別為： d=160mm， D=180mm其所傳遞的扭矩為： T=249.76Nm對(duì)其進(jìn)行受力分析得： 如圖（3-21）圖3-21 小臂3 軸（圖3-17） 的受力分析其力矩和彎矩圖如下： 圖（3-22）圖3-22 小臂3 軸的彎矩圖按照第三強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算得：因，材料的最大應(yīng)力值為60Mpa，其值大于計(jì)算值

44、，所以軸的強(qiáng)度在交變應(yīng)力的作用下是安全的。3.5.7 小臂的強(qiáng)度校核1. 彎曲變形計(jì)算小臂幾何尺寸的規(guī)范話：取小臂較長(zhǎng)的一端進(jìn)行校核，初始取其長(zhǎng)度為： L=1500mm， 含載荷的總重量為： m= 500Kg， 假設(shè)質(zhì)心的位置在距回轉(zhuǎn)軸1000mm 處。小臂可簡(jiǎn)化為一懸臂梁切載荷分布均勻。其平均載荷為： 在重力作用下的最大撓度為：設(shè)小臂在支點(diǎn)處的截面為空心矩形， 壁厚取H=15mm， 截面的高b=250mm， 寬為a=240mm所以在重力作用下的懸臂梁的最大撓度為：由于撓度在零點(diǎn)幾毫米級(jí)的范圍內(nèi)，其變形不影響小臂的工作精度， 所以在重力作用下的小臂是精確的。2.小臂切應(yīng)力的計(jì)算小臂的截面積為：

45、A=（0.25x0.24-0.235x0.225）=0.00713m2所以在重力作用下的最大切應(yīng)力為：材料的許用切應(yīng)力為：t =600MPa最大切應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用切應(yīng)力， 所以軸的剪切強(qiáng)度是安全的。3.小臂彎曲應(yīng)力的計(jì)算由最大彎曲應(yīng)力公式得： (3-50)所以： 由公式（ 3-50） =25MP材料的許用彎曲應(yīng)力為：s =60MPa計(jì)算彎曲應(yīng)力小于許用應(yīng)力值，所以小臂在滿載荷的情況下是安全的3.6 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.6.1 大臂的結(jié)構(gòu)確定考慮到裝配的需要和重量的要求， 大臂加工成兩個(gè)分割的部分，中間用隔板連接，大臂的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)定為： 如圖： 圖（3-23） 大臂的材料選擇高強(qiáng)度鋁合金圖3-23

46、大臂的結(jié)構(gòu)3.6.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇初始條件設(shè)定，大臂的長(zhǎng)度定為： L=1000mm，與基座連接軸承D=360mm經(jīng)計(jì)算大臂的質(zhì)量為： m=70.8Kg總的驅(qū)動(dòng)力矩： 作用在軸承上的總的作用力N: 所以摩擦力矩為：由平移軸定理得： 小臂對(duì)大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：大臂自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：所以機(jī)器人手臂對(duì)機(jī)座總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：初定大臂的擺動(dòng)速度為： w =80/ s= 1.4rad / s平均啟動(dòng)時(shí)間： Dt =1s所以大臂的慣性力矩為：大臂總的驅(qū)動(dòng)力矩為：電機(jī)的選擇：選取電機(jī)的型號(hào)為：176SYX，額定功率為Pm=7.5Kw，額定轉(zhuǎn)速n=1500/min， 額定轉(zhuǎn)矩W=48.8Nm由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和工作傳

47、遞力矩的需要，選擇減速器的類(lèi)型為杯型減速器，其型號(hào)為XB-200-200B， 傳動(dòng)比為： u=200， 額定輸出轉(zhuǎn)矩W=2000Nm， 額定輸入轉(zhuǎn)速n=1500r/min。3.6.3 平衡汽缸的選擇大臂上裝有氣缸平衡機(jī)構(gòu)，使驅(qū)動(dòng)力矩減小，氣缸平衡裝置產(chǎn)生與大臂轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的平衡力矩， 從而使大臂關(guān)節(jié)得以平衡。大臂平衡氣缸的選擇計(jì)算：其原理如圖： 圖（ 3-24）圖3-24 大臂平衡汽缸的工作原理圖圖中， F 為活塞推力， F 為恒定值。平衡力矩按下式計(jì)算：不平衡力矩 ： C =C1 + C2其中： C1 臂的靜不平衡力矩C2 臂的慣性力矩靜 力 平 衡 條 件 ： C=C1 ，由公式（3-51

48、）這時(shí)平衡條件為 Fe =mgl由公式（ 3-52）動(dòng) 平 衡 條 件 ：C=C1 +C23.7 工業(yè)機(jī)器人底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.7.1 底座的結(jié)構(gòu)確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分全部安裝在腰部上，它承受了機(jī)器人的全部重量。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的腰部結(jié)構(gòu)時(shí)， 要注意以下原則：1、腰座要有足夠的安裝基面，以保證機(jī)器人在作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。2、腰座要承受機(jī)器人的全部重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。3、機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一回轉(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，因此，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。4、為保證機(jī)器人的外部電纜不隨機(jī)器

49、人的運(yùn)動(dòng)而擺動(dòng) ，所以，機(jī)器人的外部電纜都是安裝在不運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人基座上， 并通過(guò)機(jī)器人腰部傳到機(jī)器人的各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)。因此，機(jī)器人的基座與腰部結(jié)構(gòu)要便于電纜的通過(guò)，并要解決固定端與運(yùn)動(dòng)端的連接問(wèn)題。5、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)器及減速器。驅(qū)動(dòng)器一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動(dòng)閘。6、腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的連接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。7、為了減輕機(jī)器人的運(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)部分的殼體是由比較小的鋁合金材料制成的， 而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄

50、鐵或鑄鋼材料制成的。腰部的支撐結(jié)構(gòu)：腰部回轉(zhuǎn)由一級(jí)齒輪傳動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)組成。在結(jié)構(gòu)布置上，電機(jī)、諧波減速器和小齒輪均固定在腰部座上，隨腰座一起回轉(zhuǎn)；而大齒輪固定在機(jī)座上。這樣的布局對(duì)裝修、潤(rùn)滑方便，但增加了腰部回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。采用了環(huán)形軸承，該軸承精度高、剛度大、負(fù)荷力大、裝配方便，可以承受徑向力，軸向力及傾覆力矩，許多機(jī)器人都采用了這種支撐方式，但環(huán)形軸承的價(jià)格較高。腰部電纜的安裝方式：電纜由機(jī)器人的腰部回轉(zhuǎn)軸中心穿過(guò)，在這種安裝方式下， 在腰部回轉(zhuǎn)時(shí)， 在軸中心穿過(guò)的電纜則被擰成麻花， 因此， 腰部的回轉(zhuǎn)角度不能太大， 中心通孔的直徑要足夠大，電纜要柔軟易彎曲。3.7.2 電機(jī)的選擇機(jī)身

51、的總重量為m=1070.8Kg，展開(kāi)時(shí)手臂的長(zhǎng)度L=2.5m，大臂的擺動(dòng)角度為±45 度。1.當(dāng)手臂伸到最遠(yuǎn)處時(shí)的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量此時(shí)把臂等效為一個(gè)竿件。由疊加原理得： 所以總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為；由于小臂的重心在大臂的豎直線上，所以md=0。小臂繞豎子軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：大臂繞豎子軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：所以總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 由公式（3-56） 得：因，在第一種情況下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，所以以第一種情況作為計(jì)算依據(jù)。3.作用在底座上的力矩計(jì)算（1） 手臂的慣性力矩為：設(shè)底座的旋轉(zhuǎn)角速度為： w=70/ s =1.22rad/s平均啟動(dòng)時(shí)間： Dt =1s由公式（ 3-8） 得：（2） 摩擦力矩的計(jì)算：重力對(duì)底座所

52、產(chǎn)生的彎矩：所以底座所需總的驅(qū)動(dòng)力矩為：所需電機(jī)的功率為：選取電機(jī)的型號(hào)為： 176SYX，額定功率為Pm=7.5Kw，額定轉(zhuǎn)速n=1500/min， 額定轉(zhuǎn)矩W=48.8Nm由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和工作傳遞力矩的需要，選擇減速器的類(lèi)型為杯型減速器，其型號(hào)為XB-200-200B，傳動(dòng)比為：u=200，額定輸出轉(zhuǎn)矩W=2000Nm， 額定輸入轉(zhuǎn)速n=1500r/min。3.7.3 傳動(dòng)直齒輪的設(shè)計(jì)初始條件選：傳動(dòng)比： u=1.6，小齒輪分度圓直徑： d=316mm，齒輪模數(shù)： m=2， 小齒輪的轉(zhuǎn)速： n=18r/min。齒輪材料： 小齒輪40Cr 調(diào)質(zhì)， 硬度為280HBS， 大齒輪為45 鋼調(diào)

53、質(zhì)， 硬度240HBS， 齒輪精度為7 級(jí)精度。1.由齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算其中： 載荷系數(shù)： K =1.3小齒輪傳遞的扭矩：齒寬系數(shù)： 材料的彈性模量：小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限：=600 HMPa大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限： =550 HMPa應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：假設(shè)機(jī)器人的工作壽命為10年N1=60 h njL= =60X18.75X1X(2X8X300X10)=5.4X10大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù): 接觸疲勞壽命系數(shù)：=計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：取齒輪傳動(dòng)的失效概率為： 0.01， 安全系數(shù)： S=1故取分度圓直徑d=316mm 是安全的。計(jì)算齒輪的圓周速度：u計(jì)算齒輪的寬度：取齒寬b=100mm2.按齒

54、根彎曲強(qiáng)度計(jì)算得查小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限： =1500MPa大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限： =2380MPa彎曲疲勞壽命系數(shù)： = 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力：取彎曲疲勞安全系數(shù)： S=1.4計(jì)算載荷系數(shù):= 查表得： 所以載荷系數(shù)： b = = ´ ´ 查取齒形系數(shù)：應(yīng)力校正系數(shù)：計(jì)算大、小齒輪的并加以比較齒輪的模數(shù)校核： 代入的最小值齒輪的初始模數(shù)m=2 大于0.15，所以齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度是安全的。第 4 章 工業(yè)機(jī)器人的使用和維護(hù)4.1 使用規(guī)程1、使用設(shè)備實(shí)行定人定機(jī)制， 憑操作證操作設(shè)備。當(dāng)有多人操作時(shí)， 必須有專(zhuān)人進(jìn)行指揮。2、操作者要熟悉所使用設(shè)備的主要技術(shù)性能、結(jié)構(gòu)、保養(yǎng)內(nèi)容和完