汽車(chē)生產(chǎn)線焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Automobile production line welding robot structure design 摘要 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有將近一半的工業(yè)機(jī)器人用于 各種形式的焊接加工領(lǐng)域，焊接機(jī)器人應(yīng)用中最普遍的主要有兩種方式，即點(diǎn)焊和 電弧焊。我們所說(shuō)的焊接機(jī)器人其實(shí)就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的 工業(yè)機(jī)器人。這些焊接機(jī)器人中有的是為某種焊接方式專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，而大多數(shù)的焊 接機(jī)器人其實(shí)就是通用的工業(yè)機(jī)器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。在多任務(wù)環(huán)境中， 一臺(tái)機(jī)器人甚至可以完成包括焊接在內(nèi)的抓物、搬運(yùn)、安裝、焊接、卸料等多種任 務(wù)，因此，從某種意義上來(lái)說(shuō)，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史就是焊接機(jī)器人的發(fā)展歷史。 眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、 穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動(dòng)條件差、煙塵多、熱輻射大、危險(xiǎn) 性高的工作。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接， 減輕焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。 本次我所設(shè)計(jì)的機(jī)器人為五自由度弧焊機(jī)器人。本說(shuō)明書(shū)對(duì)本次設(shè)計(jì)的主要考 慮內(nèi)容進(jìn)行了敘述和講解，包括機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)以及傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計(jì)，電 動(dòng)機(jī)的選擇，圓錐齒輪的設(shè)計(jì)與校核，諧波減速器的原理以及選擇，腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸的 校核，齒形帶規(guī)格的選擇以及滾動(dòng)軸承的選擇與校核等。 由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足以及理論知識(shí)的匱乏，本次設(shè)計(jì)肯定存在許多不足之處，望 答辯老師諒解并不吝賜教。 關(guān)鍵詞 焊接機(jī)器人；齒形帶傳動(dòng)；諧波減速器； ABSTRCT According to incomplete statistics, nearly half of the worlds industrial robots in service are used for welding. The most common application of welding robot are in two main ways, spot welding and arc welding. The welding robot we are talking about is actually industrial robots which are doing the work in the welding tasks instead of welding production welder. Some of this welding robot is specially designed for welding while most of them are actually a common industrial robot fitted with a welding tool. In multi- task environment, a robot can even complete many kinds of work including the grasp of welding, handling, installation, welding, unloading and other tasks,. Therefore, in a sense, the history of the development of industrial robots is the history of the development of welding robot. It is well known that the welding processing on one hand requires on skilled operational skills, rich practical experience and stable level of welding; on the other hand, welding is a work with poor working conditions, dust, and heat radiation and high-risk. The emergence of industrial robots first makes people naturally think of using it to replace the manual welding to reduce labor intensity. But also it ensures the welding quality and enhances the efficiency of welding. The robot I designed is a DOF arc welding robot. The design statement mainly include design of robots drive system and the its composition, the choice of motor, design of bevel gear and verification, the principle of harmonic reducer and its choice, wrist Check the Department of rotational axis, the choice of rolling bearings and its checking and so on. KEY WORDS welding robot; profile belt transmission; harmonic reducer; 目 錄 一、 引言 ...............................................................1 1.1 焊接機(jī)器人的研究意義及目的 .........................................1 1.2 焊接機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究 .........................................2 1.2.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀分析 .................................................3 1.2.2 國(guó)外現(xiàn)狀分析 .................................................3 1.3 焊接機(jī)器人的發(fā)展前景 ...............................................4 1.4 焊接機(jī)器人的研究熱點(diǎn) ...............................................4 二、機(jī)器人基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..................................................4 2.1 針對(duì)用途分析手臂工作要求 ...........................................4 2.2 關(guān)節(jié)參數(shù)及坐標(biāo)選擇 .................................................5 2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu) ...........................................................6 2.4 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 ................................................10 2.5 電機(jī)及機(jī)械結(jié)構(gòu)布局 ................................................10 2.6 本章小結(jié) ..........................................................12 三、焊接機(jī)器人機(jī)腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...........................................12 3.1 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .......................................................12 3.1.1 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 ..............................................12 3.1.2 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...............................................12 3.1.3 手腕的材料選擇 ...............................................14 3.2 腕部傳動(dòng)方式的選擇 ................................................15 3.3 腕部電機(jī)的型號(hào)選擇 ................................................15 3.4 渦輪蝸桿選型與計(jì)算 .................................................13 3.5 齒輪副的強(qiáng)度校核 ...................................................26 3.6 本章小結(jié) ...........................................................28 四、 機(jī)械臂的臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...............................................29 4.1 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 ...................................................29 4.2 臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ....................................................29 4.2.1 臂部材料的選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ....................................29 4.2.2 小臂的渦輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì) ......................................31 4.3 肘部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ....................................................33 4.3.1 肘部設(shè)計(jì)的原理及作用 ........................................33 4.3.2 肘部材料的選擇 ..............................................34 4.3.3 肘部傳動(dòng)方式的選擇 ..........................................34 4.3.4 肘部電機(jī)的型號(hào)選擇 ..........................................34 4.4 本章小結(jié) ...........................................................36 五、機(jī)器人本體靜力學(xué)分析 ...............................................36 5.1 靜力學(xué)分析 ........................................................36 5.2 本章小結(jié) ..........................................................40 六、機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)模型 .................................................40 6.1 本體結(jié)構(gòu)三維模型 ..................................................40 6.2 底座部分建模及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................................41 6.3 腰部回轉(zhuǎn)件建模、結(jié)構(gòu)、及運(yùn)動(dòng)分析 ...................................43 6.4 大臂的建模、結(jié)構(gòu)、及運(yùn)動(dòng)分析 .......................................44 6.5 小臂的建模、結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)分析 .........................................45 6.6 腕部的建模、結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)分析 .........................................46 6.7 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .......................................................47 七、設(shè)計(jì)總結(jié) ...........................................................47 參考文獻(xiàn) ...............................................................49 謝 辭 ...............................................................50 1 一、引言 1.1 焊接機(jī)器人研究意義及目的 本文所要描述的是汽車(chē)生產(chǎn)線焊接機(jī)器人。本課題的主要觀點(diǎn)是采用機(jī)器人代替人來(lái)進(jìn)行 焊接作業(yè)，由于焊接環(huán)境中產(chǎn)生的空氣中有大量的化學(xué)物質(zhì)氣體和懸浮顆粒。對(duì)人的身體是非 常有害的。在看到焊接行業(yè)對(duì)人類(lèi)的身體健康產(chǎn)生這么大的傷害的情況下，我想憑借自己的努 力來(lái)設(shè)計(jì)一種能夠代替人類(lèi)完成一些需要在高危環(huán)境下完成的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性的或者是工作中會(huì) 產(chǎn)生對(duì)人體有很大傷害的工作。我這次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人主要想用焊接機(jī)器人來(lái)代替人完成一 些焊接的動(dòng)作，由此讓焊接機(jī)器人進(jìn)入工廠來(lái)代替人完成對(duì)人體有害的焊接工作。以減少在焊 接時(shí)產(chǎn)生的焊接殘?jiān)w濺和有毒氣體對(duì)人類(lèi)造成的損害。由于焊接工作是重復(fù)并且繁瑣的工作， 但是焊接的精確度要求還是比較高的，由人工來(lái)做會(huì)加重工人們的重復(fù)麻煩的勞動(dòng)，所以我希 望我設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人可以替代工人完成簡(jiǎn)單的重復(fù)勞動(dòng)，減輕工人的工作負(fù)擔(dān)，改善工人的 工作環(huán)境。并且提高焊接工廠的生產(chǎn)率和焊接的焊接精度。提高公司的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)率。 和經(jīng)典的軸數(shù)少的機(jī)器人相比，本課題設(shè)計(jì)的 6 軸機(jī)器人可以完成很多的動(dòng)作，代替人完成很 多高危的焊接工作，減少化學(xué)物質(zhì)對(duì)人體的傷害。我的焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng) 機(jī)，適用于中，小型焊接機(jī)器人，在材料選擇方面，我選擇的材料要滿(mǎn)足材料性能高，這樣電 動(dòng)機(jī)的性能也會(huì)隨著材料性能的提高而提高?，F(xiàn)在焊接機(jī)器人主要應(yīng)用在汽車(chē)生產(chǎn)焊接行業(yè)， 高危焊接的環(huán)境中。 焊接機(jī)器人英文名又叫做 welding robot,我所設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人是可以對(duì)汽車(chē)配件進(jìn)行焊 接工作或者在汽車(chē)配件上焊接其他工業(yè)焊接殘?jiān)墓I(yè)機(jī)器人。焊接機(jī)器人主要由機(jī)器人機(jī)械 結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，現(xiàn)在市面上的焊接機(jī)器人大多數(shù)都采用 5 軸或者 6 軸的 關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂的運(yùn)動(dòng)空間由多自由度保證。手臂的能夠焊接的空間較大。并且可以通過(guò)人 工示教做一些復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，腕部一般有 2 個(gè)到 3 個(gè)自由度，這樣的設(shè)計(jì)可以使機(jī)械臂關(guān)節(jié) 處非常的靈活。目前市面上最受歡迎的焊接機(jī)器人的腕部都是采用柔性，既可以完成各個(gè)方向 的彎曲動(dòng)作，也可以同時(shí)完成轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)作。其動(dòng)作通過(guò)計(jì)算機(jī)程序來(lái)控制，仿造人類(lèi)的手進(jìn)行 編程控制，所以又叫仿生機(jī)械手臂。這樣設(shè)計(jì)的機(jī)械臂能很順利的通過(guò)一些人手難以進(jìn)入或者 有危險(xiǎn)性的孔伸入焊接工件的內(nèi)部，焊接一些人手或無(wú)法觸及到的一些細(xì)微的表面。我本次設(shè) 計(jì)的焊接機(jī)器人一般采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有動(dòng)作執(zhí)行速度快，精度高，防爆性能好的優(yōu)點(diǎn)。 我們可以憑借手把手示教來(lái)使機(jī)器完成一些復(fù)雜的軌跡焊接。焊接機(jī)器人在汽車(chē)制造，儀表行 2 業(yè)，電器和搪瓷等工藝部門(mén)有著非常好的表現(xiàn)和相當(dāng)大的發(fā)展前景，值得我們?nèi)ヅW(xué)習(xí)，慢 慢改進(jìn)。 我設(shè)計(jì)的機(jī)器人有著以下 4 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）大臂小臂的腕部柔性大，手臂的旋轉(zhuǎn)范圍大。 （2）由焊接機(jī)器人完成的焊接工件的質(zhì)量很穩(wěn)定，不會(huì)由狀態(tài)影響焊接質(zhì)量。效率和材料使用 率也會(huì)顯著提高。（3）易于操作和維護(hù)。可離線編程，可以極大的縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。（4） 設(shè)備利用率非常高。焊接工業(yè)機(jī)器人的利用率可達(dá) 90%-95%。 1.2 焊接機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究 1.2.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀分析 我國(guó)開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人晚于美國(guó)和日本，起于 20 世紀(jì) 70 年代，早期是大學(xué)和科研院所的自發(fā)性 的研究。到 80 年代中期，全國(guó)沒(méi)有一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世。而在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)是個(gè)非常 成熟的工業(yè)產(chǎn)品，在汽車(chē)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于當(dāng)時(shí)的國(guó)內(nèi)外形勢(shì)，國(guó)家“七五”攻關(guān) 計(jì)劃將工業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)列入了計(jì)劃，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了攻關(guān)，特別是把應(yīng)用作為考核的重 要內(nèi)容，這樣就把機(jī)器人技術(shù)和用戶(hù)緊密結(jié)合起來(lái)，使中國(guó)機(jī)器人在起步階段就瞄準(zhǔn)了實(shí)用化 的方向。與此同時(shí)于 1986 年將發(fā)展機(jī)器人列入國(guó)家“863”高科技計(jì)劃。在國(guó)家“863”計(jì)劃實(shí) 施五周年之際，鄧小平同志提出了“發(fā)展高科技，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化”的目標(biāo)。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)發(fā)展的推 動(dòng)下，以及對(duì)機(jī)器人技術(shù)研究的技術(shù)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，863 主題專(zhuān)家組及時(shí)對(duì)主攻方向進(jìn)行了調(diào)整 和延伸，將工業(yè)機(jī)器人及應(yīng)用工程作為研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)之一，提出了以應(yīng)用帶動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ) 研究的發(fā)展方針，以后又列入國(guó)家“八五”和“九五”中。經(jīng)過(guò)十幾年的持續(xù)努力，在國(guó)家的 組織和支持下，我國(guó)焊接機(jī)器人的研究在基礎(chǔ)技術(shù)、控制技術(shù)、關(guān)鍵元器件等方面取得了重大 進(jìn)展，并已進(jìn)入使用化階段，形成了點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。 我國(guó)焊接機(jī)器人的應(yīng)用主要集中在汽車(chē)、摩托車(chē)、工程機(jī)械、鐵路機(jī)車(chē)等幾個(gè)主要行業(yè)。 汽車(chē)是焊接機(jī)器人的最大用戶(hù)，也是最早用戶(hù)。早在 70 年代末，上海電焊機(jī)廠與上海電動(dòng)工具 研究所，合作研制的直角坐標(biāo)機(jī)械手，成功地應(yīng)用于上海牌轎車(chē)底盤(pán)的焊接?！耙黄笔俏覈?guó) 最早引進(jìn)焊接機(jī)器人的企業(yè)，1984 起先后從 KUKA 公司引進(jìn)了 3 臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人，用于當(dāng)時(shí)“紅旗 牌”轎車(chē)的車(chē)身焊接和“解放牌”車(chē)身頂蓋的焊接。1986 年成功將焊接機(jī)器人應(yīng)用于前圍總成 的焊接，并于 1988 年開(kāi)發(fā)了機(jī)器人車(chē)身總焊線 。 80 年代末和 90 年代初，德國(guó)大眾公司分別與上海和一汽成立合資汽車(chē)廠生產(chǎn)轎車(chē)，雖然是 國(guó)外的二手設(shè)備，但其焊接自動(dòng)化程度與裝備水平，讓我們認(rèn)識(shí)到了與國(guó)外的巨大差距。隨后 二汽在貨車(chē)及輕型車(chē)項(xiàng)目中都引進(jìn)了焊接機(jī)器人?？梢哉f(shuō) 90 年代以來(lái)的技術(shù)引進(jìn)和生產(chǎn)設(shè)備、 工藝裝備的引進(jìn)使我國(guó)的汽車(chē)制造水平由原來(lái)的作坊式生產(chǎn)提高到規(guī)模化生產(chǎn)，同時(shí)使國(guó)外焊 3 接機(jī)器人大量進(jìn)入中國(guó)。由于我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展帶動(dòng)了工程機(jī)械行業(yè)的繁榮，工程 機(jī)械行業(yè)也成為較早引用焊接機(jī)器人的行業(yè)之一。近年來(lái)由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源的大 量需求，與能源相關(guān)的制造行業(yè)也都開(kāi)始尋求自動(dòng)化焊接技術(shù)，焊接機(jī)器人逐漸嶄露頭角。鐵 路機(jī)車(chē)行業(yè)由于我國(guó)貨運(yùn)、客運(yùn)、城市地鐵等需求量的不斷增加，以及列車(chē)提速的需求，機(jī)器 人的需求一直處于穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。據(jù) 2001 年統(tǒng)計(jì)，全國(guó)共有各類(lèi)焊接機(jī)器人 1040 臺(tái)，汽車(chē)制 造和汽車(chē)零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機(jī)器人占全部焊接機(jī)器人的 76%。在汽車(chē)行業(yè)中點(diǎn)焊機(jī)器人與 弧焊機(jī)器人的比例為 3：2，其他行業(yè)大都是以弧焊機(jī)器人為主，主要分布在工程機(jī)械（10%）、 摩托車(chē)（6%）、鐵路車(chē)輛（4%）、鍋爐（1%）等行業(yè)。 進(jìn)入 21 世紀(jì)由于國(guó)外汽車(chē)巨頭的不斷涌入，汽車(chē)行業(yè)迅猛發(fā)展，我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的機(jī)器人 安裝臺(tái)數(shù)迅速增加，2002、2003、2004 年每年都有近千臺(tái)的數(shù)量增長(zhǎng)。估計(jì)我國(guó)目前焊接機(jī)器 人的安裝臺(tái)數(shù)在 4000 臺(tái)左右。汽車(chē)行業(yè)焊接機(jī)器人所占的比例會(huì)進(jìn)一步提高。 目前在我國(guó)應(yīng)用的機(jī)器人主要分日系、歐系和國(guó)產(chǎn)三種。日系中主要有安川、OTC、松下、 FANUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國(guó)的 KUKA、CLOOS、瑞典的 ABB、意大利 的 COMAU 及奧地利的 IGM 公司。國(guó)產(chǎn)機(jī)器人主要是沈陽(yáng)新松機(jī)器人公司產(chǎn)品。 目前在我國(guó)雖然已經(jīng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的焊接機(jī)器人系列產(chǎn)品，但卻不能批量生產(chǎn)，形成 規(guī)模，有以下幾個(gè)主要原因： 國(guó)內(nèi)機(jī)器人價(jià)格沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。近 10 年來(lái)，進(jìn)口機(jī)器人的價(jià)格大幅度降低，從每臺(tái) 7-8 萬(wàn)美元 降低到 2-3 萬(wàn)美元，使我國(guó)自行制造的普通工業(yè)機(jī)器人在價(jià)格上很難與之競(jìng)爭(zhēng)。特別是我國(guó)在 研制機(jī)器人的初期，沒(méi)有同步發(fā)展相應(yīng)的零部件產(chǎn)業(yè)，如伺服電機(jī)、減速機(jī)等需要進(jìn)口，使價(jià) 格難以降低，所以機(jī)器人生產(chǎn)成本降不下來(lái)；我國(guó)焊接裝備水平與國(guó)外還存在很大差距，這一 點(diǎn)也間接影響了國(guó)內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展。對(duì)于機(jī)器人的最大用戶(hù)-汽車(chē)白車(chē)身生產(chǎn)廠來(lái)說(shuō)，目前幾 乎所有的裝備都來(lái)從國(guó)外引進(jìn)，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人幾乎找不到表演的舞臺(tái)。 我們應(yīng)該承認(rèn)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人無(wú)論從控制水平還是可靠性等方面與國(guó)外公司還存在一定的差距。 國(guó)外工業(yè)機(jī)器人是個(gè)非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，經(jīng)歷了 30 多年的發(fā)展歷程，而且在實(shí)際生產(chǎn)中不斷 地完善和提高，而我國(guó)則處于一種單件小批量的生產(chǎn)狀態(tài)。 國(guó)內(nèi)機(jī)器人生產(chǎn)廠家處于幼兒期，還需要政府政策和資金的支持。焊接機(jī)器人是個(gè)機(jī)電一 體化的高技術(shù)產(chǎn)品，單靠企業(yè)的自身能力是不夠的，需要政府對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)及使用國(guó)產(chǎn)機(jī) 器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國(guó)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的發(fā)展。 4 在“十五”期間，我國(guó)曾把包括焊接機(jī)器人在內(nèi)的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù) 作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一，其中包括焊接機(jī)器人。把弧焊與點(diǎn)焊機(jī)器人作為負(fù)載不同的一個(gè)系列 機(jī)器人，可兼作弧焊、點(diǎn)焊、搬運(yùn)、裝配、切割作業(yè)，產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、列化 設(shè)計(jì)。弧焊機(jī)器人用激光視覺(jué)焊縫跟蹤裝置的開(kāi)發(fā)、激光發(fā)射器的選用、成像系統(tǒng)、視覺(jué)圖像 處理技術(shù)、視覺(jué)跟蹤與機(jī)器人協(xié)調(diào)控制、焊接機(jī)器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真等。 在新的歷史時(shí)期，面對(duì)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，只有一方面緊跟世界科技發(fā)展的潮流，研究與開(kāi)發(fā)具 有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)制造裝備。另一方面，仍然通過(guò)引進(jìn)和消化，吸收一些現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)! 盡快縮短和別人的差距，并通過(guò)應(yīng)用研究和二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，提 高我國(guó)制造業(yè)在國(guó)際舞臺(tái)上的地位。 1.2.2 國(guó)外現(xiàn)狀分析 由于工業(yè)機(jī)器人在國(guó)外有著 30 年以上的研究發(fā)展歷史，所以國(guó)外的焊接機(jī)器人的制造研發(fā) 技術(shù)是十分優(yōu)秀的。工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和制造技術(shù)對(duì)印刷業(yè)和機(jī)器人的發(fā)展產(chǎn)生過(guò)深遠(yuǎn)的影響。 當(dāng)時(shí)使用的是 MK 的 H16 機(jī)器人，采用的是液壓和氣壓相結(jié)合的流量控制系統(tǒng)。80 年代初期 Hatel 公司在 H16 機(jī)器人上首次采用氣壓控制的流量控制系統(tǒng)，同時(shí)裝備了帶有抽吸裝置的內(nèi)置 閥，可避免一次污染。Hatel 公司九十年代初首次在該公司自己研發(fā)的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)焊接設(shè)備 上安裝了工業(yè)焊接殘?jiān)髁靠刂蒲b置，使焊接質(zhì)量有了巨大的飛躍。隨著國(guó)外工程師們勇于創(chuàng) 新實(shí)踐并且不斷地改進(jìn)已有的焊接機(jī)器人現(xiàn)有的技術(shù)，使得焊接機(jī)器人的焊接精度得到了有史 以來(lái)的一次巨大突破，使得焊接機(jī)器人在世界發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用。 焊接機(jī)器人是七十年代發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)化機(jī)械，它可以模仿人手的動(dòng)作去完成焊接作業(yè)， 程序可按實(shí)際需要和要求進(jìn)行變動(dòng)，所以適合多品種小批量生產(chǎn)。機(jī)器人能夠突破人體生理?xiàng)l 件極限，代替人們?nèi)氖赂邷亍⒎派湫?、噴霧、沙塵等危險(xiǎn)、繁重而又單調(diào)的工作。1 越來(lái)越多的工業(yè)工作站使用機(jī)械臂做為工作主體，其能完成的工作也越來(lái)越多，不僅如此， 隨著工業(yè)控制的發(fā)展，單工作站也可以完成多種復(fù)雜的零件加工或其他工序。焊接機(jī)器人在國(guó) 外已經(jīng)廣泛應(yīng)用，而我國(guó)主要采用進(jìn)口的機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、焊接、搬運(yùn)以 及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采用示教再現(xiàn)的方式。3 1.3 焊接機(jī)器人的發(fā)展前景 焊接機(jī)器人在未來(lái)的幾十年中技術(shù)會(huì)逐漸成熟，他可以通過(guò)示教，編程的方式來(lái)模仿人手 的動(dòng)作去完成復(fù)雜的焊接作業(yè)，程序可以按照實(shí)際需要和要求進(jìn)行變動(dòng)，所以適合多品種小批 5 量生產(chǎn)。在技術(shù)發(fā)達(dá)后，機(jī)器人可以完全取代人工焊接，當(dāng)機(jī)器人的數(shù)量上去后，在特定的焊 接車(chē)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人焊接的工作環(huán)境。同時(shí)，機(jī)器人能夠突破人體的生理?xiàng)l件極限，代替人 們?nèi)氖赂邷?，放射性，噴霧，沙塵等危險(xiǎn)而又單調(diào)的工作。同時(shí)通過(guò)焊接機(jī)器人的發(fā)展，產(chǎn) 品的加工精度，效率都會(huì)顯著提高，這大大緩解了焊接行業(yè)的人才需求。 8 1.4 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的研究熱點(diǎn) 綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)情況，當(dāng)代工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂的研究主要包含以下幾 個(gè)方面： 1、機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。如何選擇和設(shè)計(jì)機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，需要根據(jù)實(shí)際要求。為使機(jī)械臂 在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。每個(gè)工種的機(jī)械臂的選擇必須嚴(yán)格考察，最后制定出機(jī)械臂的選擇方 案。 2、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人的控制技術(shù)是運(yùn)用動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法，建立一定的控制 規(guī)律，使機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)不同工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。 3、路徑規(guī)劃技術(shù)。該技術(shù)主要包括施工路徑規(guī)劃技術(shù)它們分別基于地理信息和基于傳感信 息。工業(yè)機(jī)器人在工作中需要避開(kāi)一些難以逾越的障礙，人工示教可很好的解決這一問(wèn)題。 4、實(shí)時(shí)視覺(jué)技術(shù)。實(shí)時(shí)視覺(jué)技術(shù)使機(jī)械臂可以接收視覺(jué)信號(hào)。對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別處理。 并且，智能工業(yè)機(jī)器人整體性能的好壞也取決于機(jī)器人的視覺(jué)信息的處理能力。 5、導(dǎo)航和定位技術(shù)。定位于導(dǎo)航技術(shù)對(duì)于機(jī)械臂來(lái)說(shuō)相當(dāng)重要。目前采用程計(jì)、磁羅盤(pán)以 及全球定位系統(tǒng)等技術(shù)進(jìn)行定位與導(dǎo)航。 6、多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)。移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械臂通過(guò)距離的測(cè)定技術(shù)，GPS 定位技術(shù) 和小型陀螺儀技術(shù)等技術(shù)來(lái)進(jìn)行各種信息的采集，從而根據(jù)所接收的信號(hào)進(jìn)行反應(yīng)。 7、高性能圖像信息處理技術(shù)。在早期的工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂研究工作中，由于市場(chǎng)上的通用 硬件無(wú)法滿(mǎn)足諸如實(shí)時(shí)圖像處理所需的計(jì)算能力，因此，多數(shù)研究者所采用是專(zhuān)用硬件結(jié)構(gòu)。 近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)不斷地迅速發(fā)展，要構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)可采用通用處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 8、因特網(wǎng)與無(wú)線通信技術(shù)。這兩個(gè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)人焊接，純機(jī)械化焊接生產(chǎn)線的關(guān) 鍵，人們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行程序編程，為焊接機(jī)器人規(guī)定好焊接的路徑和每一步的功能。讓人們 可以不用處在危險(xiǎn)的加工環(huán)境內(nèi)部來(lái)進(jìn)行監(jiān)督?？梢员Ｕ先祟?lèi)的身體健康和對(duì)人的生命有一定 的保障。。 二、機(jī)器人基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 2.1 針對(duì)用途分析手臂工作要求 因本次設(shè)計(jì)是使用機(jī)器人完成焊接作業(yè)，機(jī)器人需要在前端小臂處抓取噴槍進(jìn)行焊接，調(diào) 查市面上的噴槍后發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)式無(wú)氣噴槍及前端旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的總重約 10Kg，機(jī)械臂末端最終的運(yùn) 行負(fù)載應(yīng)大于 10Kg，并且為節(jié)省成本應(yīng)選擇較為接近且安全的數(shù)值，在此選用 16Kg 負(fù)載進(jìn)行 設(shè)計(jì). 上圖為汽車(chē)遮光板，遮光板最長(zhǎng)尺寸為 375mm，機(jī)械臂在伸展過(guò)程中需要的自由尺寸為 550，故，下底面焊接需噴槍上揚(yáng) 45，噴槍長(zhǎng)約為 100mm，噴槍距離工件需自由距離 200mm 綜上，機(jī)械臂有效伸展距離應(yīng)大于 375mm+550mm+200mm=1125mm 圖 2.1 2.2 關(guān)節(jié)參數(shù) 自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，但是一般不包括手部（末端操作器） 的開(kāi)合自由度。自由度的數(shù)量體現(xiàn)了機(jī)器人的靈活的程度，在三維空間中描述一個(gè)物體的位置 和姿態(tài)需要六個(gè)自由度。焊接機(jī)器人的自由度數(shù)量越多，焊接機(jī)器人的機(jī)械臂能夠完成的動(dòng)作 就越復(fù)雜，能夠控制的程度就越高，適用性也就越好。但是當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人的自由度 越高，焊接機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)也就越來(lái)越復(fù)雜，體積和整體的質(zhì)量也就越來(lái)越大。由此我們發(fā) 現(xiàn)了一個(gè)矛盾點(diǎn)，現(xiàn)在的焊接機(jī)器人既要求要輕型化但是還要能夠完成很多的復(fù)雜焊接工作， 所以也就導(dǎo)致了自由度數(shù)量很多，隨之重量也會(huì)大大增加，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的剛性降低，所以在 這對(duì)矛盾點(diǎn)里我們必須選擇一點(diǎn)。工業(yè)焊接機(jī)器人由于對(duì)定位精度和重復(fù)定位精度和剛性的要 求比較高，所以機(jī)器人的體積會(huì)很大，承載負(fù)荷的能力與龐大的重量相比會(huì)非常小。一般的焊 接機(jī)器人大概 56 個(gè)自由度即可實(shí)現(xiàn)焊接要求。其中大臂小臂有 3 個(gè)自由度，腕部和行走裝置 有 23 個(gè)自由度。特殊小型焊接機(jī)器人有 12 個(gè)自由度即可滿(mǎn)足使用要求。 本次設(shè)計(jì)機(jī)器人自由度為 6，現(xiàn)需對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行靜力學(xué)受力分析，為簡(jiǎn)化及精確計(jì)算，應(yīng)先 確定機(jī)器人組成，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分由如下幾個(gè)部分組成，自最下端起分別為，固定基座， 7 旋轉(zhuǎn)主體，大臂，小臂，頂端旋轉(zhuǎn)安裝座（手腕）組成，應(yīng)由固定基座開(kāi)始逐級(jí)進(jìn)行分析，首 先確定 6 軸的轉(zhuǎn)速參數(shù)，如下表： 每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù) 運(yùn)動(dòng)范圍 運(yùn)動(dòng)速度 軸 1 185 156/s 軸 2 +35至-155 156/s 軸 3 +154至-130 156/s 軸 4 350 330/s 軸 5 130 330/s 軸 6 350 615/s 機(jī)械手坐標(biāo)形式的正確擬定，需根據(jù)工作現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況、加工精度、安裝控件要求并結(jié)合各種 坐標(biāo)形式特點(diǎn)分析比較確定，工業(yè)機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)形式和坐標(biāo)形式可以分為四類(lèi)： （1）直角坐標(biāo)式：其手臂的運(yùn)動(dòng)系由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，即機(jī)器人沿著坐標(biāo)系的 X 軸伸縮， 沿 Z 軸升降，沿 Y 軸橫移。由于直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別適合主機(jī)位置成行排列或者主機(jī)與 傳動(dòng)帶配合使用的場(chǎng)合，可用于開(kāi)、閉環(huán)數(shù)控的機(jī)械，但占地面積大，工作空間小，使用范圍 受限。 （2）球坐標(biāo)式：其手臂運(yùn)動(dòng)系由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)及一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)組成，機(jī)械臂的俯仰運(yùn)動(dòng)可以完 成抓取來(lái)自地面上物件，為達(dá)到手部能適應(yīng)被抓取物件方位的要求，使手部保持水平位置或其 他狀態(tài)，常設(shè)有手腕上下擺動(dòng)。該類(lèi)型機(jī)械手動(dòng)作靈活，占地面積較小、工作范圍大，但由于 本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，手臂擺角誤差會(huì)引起手部中心處的誤差放大。 （3）圓柱坐標(biāo)式：手臂運(yùn)動(dòng)系由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成，及沿著坐標(biāo)系的 X 軸伸縮、沿 Z 軸升降及沿 Z 軸回轉(zhuǎn)，其中沿 Z 軸方向移動(dòng)的最低位置受結(jié)構(gòu)限制不能夠直接抓 取地面物件。圓柱坐標(biāo)式比直角坐標(biāo)式占地面積小但是活動(dòng)范圍卻比直角坐標(biāo)系大，這種坐標(biāo) 式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并能達(dá)到較高的位置精度要求，被廣大機(jī)械廠家認(rèn)可并應(yīng)用。 （4）關(guān)節(jié)式：關(guān)節(jié)式的結(jié)構(gòu)可以完成類(lèi)似于人的手臂一樣作幾個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。這種關(guān)節(jié)式 由大臂和小臂還有一個(gè)立柱組成，特點(diǎn)是動(dòng)作非常的靈活，工作范圍也很大，適用性和也很強(qiáng)。 可抓取靠近機(jī)座的物件。每一個(gè)關(guān)節(jié)都由機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，工業(yè)機(jī)器人的手臂 的運(yùn)動(dòng)常由大臂和小臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。由于采用關(guān)節(jié)式的機(jī)器人自由度高，所以關(guān)節(jié)的靈活 8 度很高，可以繞過(guò)主機(jī)及工作環(huán)境中的障礙物來(lái)抓取所需要工件。但由于機(jī)械手的位置定位依 靠各關(guān)節(jié)的相互轉(zhuǎn)角決定，所以定位精度不是很好。并且由于自由度高，所以控制裝置和機(jī)械 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相對(duì)于其他幾種運(yùn)動(dòng)形式會(huì)更難更復(fù)雜。 本設(shè)計(jì)采用的是關(guān)節(jié)式。 2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 現(xiàn)在大部分的工業(yè)機(jī)器人都是模塊化的設(shè)計(jì)思想，都是采用伺服電機(jī)加諧波減速器的控制 方式。每個(gè)關(guān)節(jié)的控制方式和機(jī)械結(jié)構(gòu)都差不多一樣。有區(qū)別的只是尺寸，例如 iiwa 的機(jī)械臂 每個(gè)軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下： 圖 2.2 每一個(gè)關(guān)節(jié)中都包含了電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、電機(jī)端編碼器、諧波減速器、關(guān)節(jié)端位置傳感器 和力矩傳感器，減速器和電機(jī)連接方式采用直連。 整個(gè)關(guān)節(jié)在工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部的布局如下： 9 圖 2.3 傳統(tǒng)機(jī)器人 對(duì)于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，布局的原則都滿(mǎn)足“三軸軸線交于一點(diǎn) ”的基本準(zhǔn)則。主要區(qū)別 在于三個(gè)電機(jī)的布置和傳動(dòng)方式。 一般的傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人都把第四軸，第五軸，第六軸的電機(jī)布置在小臂的后面，通過(guò)同心 軸和傘齒輪或者同步帶組合的傳動(dòng)方式將力傳動(dòng)到手腕。以下圖 KUKA 焊接機(jī)器人為例： 10 圖 2.4 三個(gè)電機(jī)的動(dòng)力通過(guò)同心軸傳到機(jī)器人手腕，腕部結(jié)構(gòu)如下： 圖 2.5 11 放大圖： 圖 2.6 近幾年 KUKA 最新研發(fā)出的焊接機(jī)器人為了追求輕量化，外表精致，體積小，采用將第四 軸，第五軸，第六軸的電機(jī)放在小臂內(nèi)部，以縮小機(jī)器人尺寸。 對(duì)于傳統(tǒng)焊接機(jī)器人來(lái)說(shuō)，每一家知名機(jī)器人公司的主要差別就在于第五軸和第六軸的布 置位置。國(guó)外的機(jī)器人品牌借助資深的設(shè)計(jì)功底和強(qiáng)大的私人定制能力，大部分采用齒輪和同 步帶的傳動(dòng)方式作為動(dòng)力傳輸?shù)姆绞健榱藢C(jī)器人體積做的小一些，電機(jī)的位置都安置的很 靠后。 但是國(guó)內(nèi)的機(jī)器人廠商由于電機(jī)的研發(fā)與制造技術(shù)不如國(guó)外，導(dǎo)致電機(jī)尺寸，齒輪的精度， 噪音的控制還有裝配的經(jīng)驗(yàn)不足，第五軸和第六軸都采取直連和同步帶相連的傳動(dòng)方式，導(dǎo)致 腕部尺寸普遍偏大。 2.3 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 在設(shè)計(jì)初期確定機(jī)械手的自由度分配以形成運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，從途中可以看出，旋轉(zhuǎn)基座需 要帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，為此設(shè)計(jì)中承受扭力最大的部件， 12 圖 2.7 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.4 電機(jī)及機(jī)械結(jié)構(gòu)布局 對(duì)稱(chēng)式布局中，機(jī)械臂傳動(dòng)鉸鏈短，但其底部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且大臂尺寸較大，而為了保持整 體的重心平衡，使用側(cè)置的傳動(dòng)系統(tǒng)將電機(jī)與大臂布置在相反的方向，以使機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)基座在 旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中保持穩(wěn)定，增加機(jī)械臂整體穩(wěn)定性能及動(dòng)作精度。并且底部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約，適合負(fù)載 較輕的機(jī)械臂設(shè)計(jì)。 13 圖 2.8 對(duì)稱(chēng)式布局 圖 2.9 側(cè)置式布局 14 本次設(shè)計(jì)機(jī)器人側(cè)置結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖 2.10 機(jī)械結(jié)構(gòu)布局圖 圖中紅色標(biāo)注部分為電機(jī)放置位置，側(cè)置的兩只轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電機(jī)用來(lái)平衡大臂比重。 2.5 本章小結(jié) 本章主要確定了機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括工作要求，按照工作要求設(shè)定各轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)參數(shù)， 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)械結(jié)構(gòu)布局。在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了機(jī)器人工作時(shí)所需結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終得 出機(jī)器人初步構(gòu)型簡(jiǎn)圖。 三、焊接機(jī)器人機(jī)腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1.1 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 機(jī)械臂腕部結(jié)構(gòu)形式多樣，其基本要求如下: 1、腕部應(yīng)擁有相當(dāng)強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，以保證安裝的安全可靠 2、腕部應(yīng)能達(dá)成第二章要求的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活度 3、腕部應(yīng)具有與焊接設(shè)備所連接的安裝支架。 4、腕部應(yīng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，為減少成本，降低其后機(jī)械臂負(fù)載， 應(yīng)盡量選用較為精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)。 3.1.2 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 因腕部需安裝傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以完成其運(yùn)動(dòng)要求，所以其可設(shè)計(jì)成側(cè)式或頂置式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如 下所示。 側(cè)式 頂置式 由上圖可以看出，頂置式的結(jié)構(gòu)容易造成頂部應(yīng)力加大，尤其是在焊接機(jī)器人這樣手部重 量較輕的機(jī)械臂中，其頂置式的設(shè)計(jì)容易導(dǎo)致其設(shè)計(jì)精度降低，故在這里使用側(cè)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè) 計(jì)，以下是手腕外部結(jié)構(gòu)圖 手腕結(jié)構(gòu) 手腕小臂 圖 3.1 腕部結(jié)構(gòu)圖 16 3.1.3 手腕的材料選擇 根據(jù)要求手腕處應(yīng)選擇強(qiáng)度大、重量輕、價(jià)格經(jīng)濟(jì)的材料，由于手腕在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，平行 轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向所受的力較小，所以其主體結(jié)構(gòu)可以使用常用碳素鋼 45 號(hào)鋼進(jìn)行鑄造，鑄造成本低， 鑄造后使用機(jī)床進(jìn)行加工并熱處理后可滿(mǎn)足其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。 圖 3.2 手腕 上圖所示綠色部分為分體零件，其無(wú)需要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐磨性能，故使用常見(jiàn)的高耐老化 性工程塑料。下表 3.1 為幾種常見(jiàn)的工程塑料的性能： 表 3.1 工程塑料性能表 熱變形溫度/ 塑料名稱(chēng) 疲勞強(qiáng)度 / 次710 彎曲強(qiáng)度 aMP 1.86a0.46aMP 彎曲彈性模 量/ a103P 低壓（高 密度）聚乙烯 11 2540 48 6082 1.11.4 MC 尼龍 約 20 152171 94 205 4.2 共聚 2527 9192 110 168 2.6 甲醛 均聚 3035 98 124 170 2.9 17 聚碳酸酯 710 98106 132138 - 23 由上表可以看出，聚碳酸酯雖然疲勞強(qiáng)度不高，結(jié)構(gòu)性能不優(yōu)越，但是其受熱后仍然能保 持較好的結(jié)構(gòu)性能，且其抗疲勞能力高，綜合性能達(dá)標(biāo)且容易成型，成本低廉?？梢詽M(mǎn)足要求。 3.2 腕部傳動(dòng)方式的選擇 機(jī)器人腕部的傳動(dòng)方式采用機(jī)械傳動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)種類(lèi)主要有摩擦傳動(dòng)，帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)， 齒輪傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)，螺旋傳動(dòng)等等。 由于齒輪傳動(dòng)有很多的優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比大并且傳動(dòng)精確，傳動(dòng)扭矩也大，傳動(dòng)效 率高，使用壽命長(zhǎng)，能夠達(dá)到的功率，速度和運(yùn)動(dòng)范圍也比其他傳動(dòng)方式大。且完全符合手部 機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特點(diǎn)。故，本設(shè)計(jì)腕部結(jié)構(gòu)采用齒輪傳動(dòng)。 本設(shè)計(jì)采用渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在電機(jī)的帶動(dòng)下，為減少腕部負(fù)擔(dān)將電機(jī)至于小臂后 側(cè)并使用渦輪蝸桿進(jìn)行傳動(dòng)。采用這種形式的設(shè)計(jì)可以使腕部受力大大減小。 3.3 腕部電機(jī)的型號(hào)選擇 腕部選用的伺服電機(jī)是安川電機(jī)，型號(hào)系列為 SGMPH 系列 四 電壓 200V 100V 伺服電機(jī)型號(hào) SGMPH- 01A 02A 04A 08A 15A 01B 02B 額定輸出 KW 0.1 0.2 0.4 0.75 1.5 0.1 0.2 額定扭矩 Nm 0.318 0.637 1.27 2.39 4.77 0.318 0.637 瞬時(shí)最大扭矩 Nm 0.955 1.91 3.82 7.16 14.3 0.955 1.91 額定電流 A(rms) 0.89 2.0 2.6 4.1 7.5 2.2 2.7 瞬時(shí)最大電流 A(rms) 2.8 6.0 8.0 13.9 23,0 7.1 8.4 額定轉(zhuǎn)速 r/min 3000 最高轉(zhuǎn)速 r/min 5000 扭矩常數(shù) Nm/A(rms) 0.392 0.349 0.535 0.641 0.687 0.160 0.258 旋轉(zhuǎn)慣性動(dòng)量 J 10 Kgm-420.0491 0.193 0.331 2.10 4.02 0.0491 0.193 額定功率 kW/s 20.6 21.0 49.0 27.1 56.7 20.6 21.0 額定角加速度 rad/s 264800 33000 38500 11400 11900 64800 33000 18 SGMPH 系列伺服電機(jī)參數(shù) 因涉及到變壓?jiǎn)栴}，統(tǒng)一使用 200V 電機(jī)，使用 SGMPH-04A 3.4 渦輪蝸桿選型與計(jì)算 此設(shè)計(jì)蝸輪蝸桿選用的是深圳日電產(chǎn)三協(xié)電子機(jī)械有限公司出售的 NMRV025 渦輪蝸桿。 機(jī)械性時(shí)間常數(shù) ms 0.53 0.54 0.36 0.66 0.46 0.56 0.64 電氣性時(shí)間常數(shù) ms 3.7 7.4 8.6 18 22 3.6 6.3 19 減速機(jī)結(jié)構(gòu)圖 IEC 接口 鍵槽 傳動(dòng)比（i）NMRV PAM-IEC N M p b t 5 7.5 10 15 20 25 30 40 50 60 80 100 025 56B14 50 65 80 3 10.4 孔徑（D） 56B14 50 65 80 9 9 9 9 9 / 9 9 9 9 / / 56B5 80 100 120 3 10.4 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 /030 63B14 60 75 90 4 12.8 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 20 63B5 95 115 140 56B5 80 100 120 3 10.4 / / / / / / / / 9 9 9 9 63B14 60 75 90 63B5 95 115 140 4 12.8 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 71B14 70 85 105 040 71B5 110 130 160 5 16.3 14 14 14 14 14 14 14 14 / / / / 63B5 95 115 140 4 12.8 / / / / / / / 11 11 11 11 11 71B14 70 85 105 71B5 110 130 160 5 16.3 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 / 80B14 80 100 120 050 80B5 130 165 200 6 21.8 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 71B14 70 85 105 71B5 110 130 160 5 16.3 / / / / / / / / 14 14 14 14 80B14 80 100 120 80B5 130 165 200 6 21.8 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 90B14 95 115 140 063 90B5 130 165 200 8 27.3 / 24 24 24 24 24 24 / / / / / 71B5 110 130 160 5 16.3 / / / / / / / / 14 14 14 14 80B14 80 100 120 80B5 130 165 200 6 21.8 / / / / 19 19 19 19 19 19 19 19 90B14 95 115 140 90B5 130 165 200 8 27.3 / 24 24 24 24 24 24 24 / / / / 100/112B 14 110 130 160 075 100/112B 5 180 215 250 8 31.3 / 28 28 28 28 28 28 / / / / / 80B14 80 100 120 80B5 130 165 200 6 21.8 / / / / / 19 19 19 19 19 19 19 21 90B14 95 115 140 90B5 130 165 200 8 27.3 / / / / / 24 24 24 24 24 24 24 100/112B 14 110 130 160 090 100/112B 5 180 215 250 8 31.3 / 28 28 28 28 28 28 / / / / / 80B5 130 165 200 8 21.8 / / / / / / / / / / 19 19 90B5 130 165 200 8 27.3 / / / / / / 24 24 24 24 24 24 100/112B 5 180 215 250 8 31.3 / 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 / 110 132B5 230 265 300 10 41.3 / 38 38 38 38 / / / / / / / 90B5 130 165 200 8 27.3 / / / / / / / / / / 24 24 100/112B 5 180 215 250 8 31.3 / / / / / 28 28 28 28 28 28 28130 132B5 230 265 300 10 41.3 / 38 38 38 38 38 38 38 / / / / 100/112B 5 180 215 250 8 31.3 / / / / / / / / 28 28 28 28 132B5 230 265 300 10 41.3 / / / / 38 38 38 38 38 38 / / 150 160B5 250 300 350 12 45.3 / 42 42 42 42 42 / / / / / / 蝸輪蝸桿選擇表 在此我選用了傳動(dòng)比為 1:7.5 的渦輪蝸桿傳動(dòng)，由于齒輪傳動(dòng)摩擦較小可忽略不計(jì)，我們選用的 SGMPH-04A 型電機(jī)的額定扭矩為 1.27Nmm。由蝸輪蝸桿放大后其輸出扭矩為 1.27N.M7.5=9.525N.M 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，下面列舉幾種負(fù)載慣量計(jì)算方法 1.1 常見(jiàn)物體慣量計(jì)算 22 模型 1： 長(zhǎng)為 L 的細(xì)棒，旋轉(zhuǎn)中心通過(guò)細(xì)棒的中心并與細(xì)棒垂直，如下圖所示。 圖 3.3 在棒上離軸 x 處，取一長(zhǎng)度元 dx，假設(shè)棒的質(zhì)量密度為 ，則長(zhǎng)度元的質(zhì)量為 dm=dx,根據(jù)轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量計(jì)算公式: 得到 3/22 2/J 12ll lrdmxd 將 l=m 代入上式，得 21Jl 模型 2： 長(zhǎng)為 L 的細(xì)棒，旋轉(zhuǎn)中心通過(guò)細(xì)棒的一端 A 并與細(xì)棒垂直，如下圖所示。 23 圖 3.4 同理可得出 3220Jl lrdmxd 將 l=m 代入上式，得 模型 3： 半徑為 R 的質(zhì)量均勻的細(xì)圓環(huán)，質(zhì)量為 m，旋轉(zhuǎn)中心通過(guò)圓心并與環(huán)面垂直 圖 3.5 24 取一長(zhǎng)度元 dx，假設(shè)棒的質(zhì)量密度為 ，則長(zhǎng)度元的質(zhì)量為 dm=dl,根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式:2Jrdm 得到22 30J 2RrdmdlR 將 =m/2R 代入上式，得 2JR 模型 4： 質(zhì)量為 m、半徑為 R、厚度為 h 的圓盤(pán)或?qū)嵭膱A柱體，繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng) 圖 3.6 取任意半徑為 r，寬度為 dr 的薄圓環(huán)，設(shè) 為圓盤(pán)的密度，dm 為薄圓環(huán)的質(zhì)量，則此圓環(huán)轉(zhuǎn)到的慣 量為： 25 2Jrdm 將 2dmVhrd 代入得2 3401J22Rrdhrdrh 由 2mrh 可得 21JR 按照此公式，直徑為 D 的圓柱體繞中心軸旋轉(zhuǎn)的慣量為： 41J32DL 其中 L 為圓柱長(zhǎng)度， 為密度 模型 5： 絲桿帶動(dòng)的負(fù)載慣量 2JbPm 注：式中 Pb 為絲杠導(dǎo)程（螺距） 在此使用模型 2 計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 輸出扭矩為 9.525N.M 下圖姿勢(shì)為最大扭力 26 圖 3.7 腕部最大扭力姿態(tài) 在此狀態(tài)下進(jìn)行扭矩校核 腕部質(zhì)量為 2.62KG 腕部軸的質(zhì)量為 10.38KG 驅(qū)動(dòng)腕部所需扭力為： 2.62KG X 9.8N/KG =25.676N 27 圖 3.8 圖 3.9 腕部長(zhǎng)度為 60.83mm 輸出扭矩為 9.525N.M 在側(cè)向力 FN=25.676N 的作用下，顯然扭矩滿(mǎn)足要求。 3.5 齒輪副的強(qiáng)度校核 28 圖 3.10 齒輪副示意圖 為便于計(jì)算，設(shè)所有載荷均由齒頂承受。 此設(shè)計(jì)采用的是直齒圓柱齒輪，齒數(shù) Z=36，模數(shù) m=1 mm，齒寬 b=4mm,分度圓直徑 d=32mm，齒頂圓 da=34mm，齒根圓 df=30mm，齒形角度 =20，齒輪副的傳動(dòng)比 u=1:1。電機(jī) 傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩 T100Nmm。故齒輪所受的圓周力為： NdTFt5.36102 可按齒面接觸疲勞強(qiáng)度、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行齒輪強(qiáng)度的校核： 1、按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核 齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核公式為： （3-7） HEHubdKFZ1t 式中： 為區(qū)域系數(shù)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)直齒輪 =2.5；HZH 為載荷系數(shù)，此處取 =1.8；KK 為彈性影響系數(shù)，查得 ；E =18aEZMP 為接觸疲勞許用應(yīng)力H （3-8） SKHNHlim 其中： 為接觸疲勞壽命系數(shù)，取 =0.95；HNKHN 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限，查得 ；limMPa50lim 為安全系數(shù)，取 ；S1S 29 從而求得： MPaH5.2 （3-9）MPaH1.97 從齒面接觸疲勞強(qiáng)度上來(lái)說(shuō)，齒輪是合格的。 2、按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核 本文設(shè)計(jì)中的齒輪裝配方式為一懸臂梁。 齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件式為： （3-10） FSaFtFbmYK0 式中： 為齒根危險(xiǎn)截面處的理論彎曲應(yīng)力；0F 為載荷作用于齒頂時(shí)的應(yīng)力校正系數(shù)，應(yīng)取 ；SaY 625.1SaY 為載荷作用于齒頂時(shí)的齒形系數(shù)，應(yīng)取 ；F F 為彎曲疲勞許用應(yīng)力為： （3-11） SKFENF 式中： 為彎曲疲勞壽命系數(shù)，查得 =0.88；FNKFN 為彎曲疲勞強(qiáng)度極限，取 ；EMPaE380 取彎曲疲勞安全系數(shù) ;4.1S 從而求得： aF52PaF86.3 將所有已知量帶入(3-7)式，求得： （3-12）MPaFF.21.52 以上計(jì)算可知，設(shè)計(jì)的齒輪副是合格的。 3.6 本章小結(jié) 30 本章主要介紹了腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括了腕部設(shè)計(jì)的思路、腕部方案的設(shè)計(jì)、腕部電機(jī)的 計(jì)算與選型、腕部組成部分材料的選擇以及齒輪等構(gòu)件的強(qiáng)度校核。設(shè)計(jì)出的機(jī)械結(jié)構(gòu)達(dá)到工 作要求。 四、機(jī)械臂的臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 手臂