噴涂機(jī)器人臂部與手部的設(shè)計(jì)
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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 35 頁(yè) 共 35 頁(yè)
1 前言
1.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況
機(jī)械手首先是美國(guó)開始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動(dòng)公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。
1962年美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院研究Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于噴涂、起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。
聯(lián)邦德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種噴涂機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
日本是機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。
前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展和應(yīng)用機(jī)械手，至1977年底，其中一半是國(guó)產(chǎn)，一半是進(jìn)口。
目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺機(jī)能。
第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。
1.1.1 研究現(xiàn)狀
自上世紀(jì)90年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。原本用于生產(chǎn)制造的工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。機(jī)器人的各種功能被相繼開發(fā)并得到不斷增強(qiáng)，機(jī)器人的種類不斷增多，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的工業(yè)控制拓展到各行各業(yè)，從軍事到民用，從天上到地下，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，從科研探索到醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，從生產(chǎn)領(lǐng)域到娛樂服務(wù)行業(yè)，甚至還進(jìn)入尋常百姓家。
工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直角坐標(biāo)式、柱面坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、伸縮式、爬行式等等，根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展之中。噴涂機(jī)器人根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合可采取不同的結(jié)構(gòu)形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多關(guān)節(jié)式的機(jī)器人，這是因?yàn)槎嚓P(guān)節(jié)式機(jī)器人的手臂靈活性最大，可以使噴槍的空間位置和姿態(tài)調(diào)至任意狀態(tài)，以滿足噴涂需要。理論上講，機(jī)器人的關(guān)節(jié)愈多，自由度也愈多，關(guān)節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好；但同時(shí)也給機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的坐標(biāo)變換和各關(guān)節(jié)位置的控制帶來復(fù)雜性。因?yàn)閲娡窟^程中往往需要把以空間直角坐標(biāo)表示的工件上的噴涂位置轉(zhuǎn)換為噴槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)換為對(duì)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)角度位置的控制，而這一變換過程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何選取最合適的解對(duì)機(jī)器人噴涂過程中運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性很重要。不同的機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)這一問題的處理方式不盡相同。
1.1.2 發(fā)展趨勢(shì)
工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用水乳交融。在第一代工業(yè)機(jī)器人普及的基礎(chǔ)上，第二代已經(jīng)推廣，成為主流安裝機(jī)型，第三代智能機(jī)器人已占有一定比重。以應(yīng)用為龍頭拉動(dòng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域與技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在下述方面：
（1） 機(jī)械結(jié)構(gòu)
（a） 以關(guān)節(jié)型為主流，80年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人約占總量的l／3(目前世界工業(yè)機(jī)器人總數(shù)約為750000臺(tái))，90年代初開發(fā)的適用于窄小空間、快節(jié)奏、360度全工作空間范圍的垂直關(guān)節(jié)型機(jī)器人大量用于噴涂、焊接和上下料。
（b） 應(yīng)3K(煉鋼、煉鐵、鑄鍛)行業(yè)和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)需求，噴涂機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。
（c） 己普遍采用CAD、CAM等技術(shù)用于設(shè)計(jì)、仿真與制造中。
（2） 控制技術(shù)
（a） 大多數(shù)采用32位CPU，控制軸多達(dá)27軸，NC技術(shù)和離線編程技術(shù)大量采用。
（b） 協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實(shí)現(xiàn)了多手與變位機(jī)、多機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制，正逐步實(shí)現(xiàn)多智能體的協(xié)調(diào)控制。
（c） 基于PC的開放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于成本低并具有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)功能，己成為一股潮流。
（3） 驅(qū)動(dòng)技術(shù)
上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的AC伺服驅(qū)動(dòng)已成為主流驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于工業(yè)機(jī)器人中。日本23家機(jī)器人公司于1998年生產(chǎn)的168種型號(hào)機(jī)器人產(chǎn)品，其中采用AC伺服驅(qū)動(dòng)的有156種，占93.4％。直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)則廣泛用于裝配機(jī)器人中。新一代的伺服電機(jī)與基于微處理器的智能伺服控制器相結(jié)合，已由日本FANUC 公司開發(fā)并用于工業(yè)機(jī)器人中；在遠(yuǎn)程控制中已采用了分布式智能驅(qū)動(dòng)新技術(shù)。
（4） 智能化的傳感器多有應(yīng)用
在上述167種機(jī)型中，裝有視覺傳感器的有94種，占56.3％，不少機(jī)器人裝有兩種傳感器，有些機(jī)器人留下了多種傳感器接口。
（5） 高速、高精度、多功能化
目前所知最快的裝配機(jī)器人最大合成速度為16.5m/s;高精度機(jī)器人的位置重復(fù)性為正負(fù)0.01mm.有一種大直角坐標(biāo)噴涂機(jī)器人，其最大合成速度達(dá)80m/s;而另一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的NC機(jī)器人，其位置重復(fù)性達(dá)l um。90年代末的機(jī)器人一般都具有兩、三種功能。最近瑞典Neos公司開發(fā)出一種高精度、高可靠性的可噴涂、切割、鉆孔、銑削、磨削、裝配、搬運(yùn)的多功能機(jī)器人，用于多家著名汽車廠和飛機(jī)公司。
（6） 集成化與系統(tǒng)化
1998年ABB公司推出IRbl400系列小機(jī)器人，其循環(huán)時(shí)間只有0.4s，控制器包括軟件、高壓電、驅(qū)動(dòng)器、用戶接口等皆集成于一柜，只有洗衣機(jī)變換器那樣大小。FANUC公司2000年9月宣稱它的控制器為世界最小。
工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用從單機(jī)、單元向系統(tǒng)發(fā)展。多達(dá)百臺(tái)以上的機(jī)器人群與微機(jī)及周邊智能設(shè)備和操作人員形成一個(gè)大群體(多智能體)?？鐕?guó)大集團(tuán)的壟斷和全球化的生產(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化的“虛擬制造”，為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。
在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展噴涂、鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，有便于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。
此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。
在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。
此外，國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，并作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。
視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀（即距離傳感器）以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。
更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。
1.2 課題來源
本設(shè)計(jì)的課題是噴涂機(jī)器人臂部與手部的設(shè)計(jì)，主要是臂部和腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其零件設(shè)計(jì)。此課題來源于生產(chǎn)實(shí)際，是針對(duì)目前手工噴涂效率低，操作環(huán)境差，而且對(duì)操作員技術(shù)熟練程度要求高，因此采用機(jī)器人技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)噴涂工作的柔性自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件。
1.3 技術(shù)要求及預(yù)期效果
根據(jù)設(shè)計(jì)要達(dá)到以下要求：
對(duì)噴涂機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)及小臂自重平衡系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
噴涂工件外形尺寸800mm x500mm x500mm(長(zhǎng)x寬x髙)；
機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)尺寸為：大臂長(zhǎng)約700mm左右，小臂長(zhǎng)約800mm左右，臂桿橫截面尺寸 ≤ 100mm x100mm；手部尺寸約150mm左右；小臂擺角80°（上擺30°，下擺50°）。
對(duì)影響自重平衡的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算，示教時(shí)的不平衡力≤2kg。
此次設(shè)計(jì)的垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)大臂小臂的旋轉(zhuǎn),手腕的旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)。此裝置應(yīng)用在噴涂生產(chǎn)線上將大大提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
1.4 本課題要解決的主要問題及設(shè)計(jì)總體思路
本課題要解決的問題有以下二個(gè)：
（1） 手腕處于手臂末端，需減輕手臂的載荷，力求手腕部的結(jié)構(gòu)緊湊，減少重量和體積。
（2） 設(shè)計(jì)小臂的平衡系統(tǒng)，使小臂在撤除驅(qū)動(dòng)力的情況不會(huì)發(fā)生突發(fā)性轉(zhuǎn)動(dòng)。
針對(duì)上述問題有了以下設(shè)計(jì)思路：
（1） 手腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置采用分離傳動(dòng)，采用傳動(dòng)軸，將驅(qū)動(dòng)器安置在小臂的后端。
（2） 驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)一對(duì)圓柱齒輪和一對(duì)圓錐齒輪傳動(dòng)來帶動(dòng)手腕作偏擺運(yùn)動(dòng)。
（3） 手部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在小臂內(nèi)部，以此來減輕手部的重量，讓手部能夠作靈活的運(yùn)動(dòng)。
（4） 對(duì)于小臂平衡是采用重力平衡的方式，及在小臂末端放置鐵塊。
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的確定
為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間位置提供的4個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題的要求現(xiàn)可以將其設(shè)計(jì)成關(guān)節(jié)型機(jī)器人。關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)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(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)是工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，工藝操作精度高。
圖2.1 整體原理圖
2.2 傳動(dòng)方案的確定
圖2.1是機(jī)器人小臂與腕部機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有4個(gè)齒輪，為了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向90°,有2個(gè)齒輪為圓錐齒輪,有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu),則必然以空間交叉方式變向,就不利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。其中有2個(gè)齒輪為直齒圓柱齒輪，用于減速。小臂的結(jié)構(gòu)形式是由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。關(guān)節(jié)電機(jī)安裝在小臂后面用于帶動(dòng)傳動(dòng)軸與齒輪的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)手腕的擺動(dòng)。
圖2.2小臂腕部傳動(dòng)原理圖
2.3 工作空間的確定
工作空間是機(jī)器人學(xué)中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。但在實(shí)際應(yīng)用中，可以簡(jiǎn)化這一問題，把工作空間看作是機(jī)器人操作機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，手腕參考點(diǎn)（如定位機(jī)構(gòu)的軸線正交，取交點(diǎn)為參考點(diǎn)）在空間的活動(dòng)范圍，或者說該點(diǎn)可達(dá)位置在空間所占有的體積。根據(jù)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間，工作空間是指機(jī)器人正常工作運(yùn)行時(shí)，手腕參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍，是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)。
圖2.3 機(jī)器人的工作空間位置圖
2.4 手腕結(jié)構(gòu)的確定
手腕是操作機(jī)的小臂和末端執(zhí)行器之間的聯(lián)接部件。其功用是利用自身的活動(dòng)度確定被噴涂物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。對(duì)一般商用機(jī)器人，末桿（即與末端執(zhí)行器相聯(lián)接的桿）都有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的自轉(zhuǎn)功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間取任意姿態(tài)，即達(dá)到完全靈活的境地。對(duì)于任一桿件的姿態(tài)（即方向），可用兩個(gè)方位角確定，如圖2.4所示。
圖2.4 末桿姿態(tài)示意圖
１-大臂 ?。?小臂 ?。?末桿
在圖2.4中末桿Ln的圖示姿態(tài)可以看作是由處于方向的原始位置先繞在平面內(nèi)轉(zhuǎn)角，然后再向上轉(zhuǎn)角得到的?？梢娛怯蓛山菦Q定了末桿的方向（姿態(tài)）。從理論上講，如果，則末桿在空間取任意方向。如果末桿的自轉(zhuǎn)角（即）也滿足，就說該操作機(jī)具有最大的靈活度，即可自任意方向抓取物體并可把抓取的物體在空間擺成任意姿態(tài)。為了定量的說明操作機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活程度，定義組合靈度（dex)為：
(2-1)
上式取加的形式但一般不進(jìn)行加法運(yùn)算，因?yàn)榉珠_更能表示機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)?！ ?
腕結(jié)構(gòu)最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是dex值。若為三個(gè)百分之百，該手腕就是最靈活的手腕。一般說來、的最大值取，而值可取的更大一些，如果擰螺釘，最好無上限。
腕結(jié)構(gòu)是操作機(jī)中最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因傳動(dòng)系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求是：重量輕，dex的組合值必須滿足工作要求并留有一定的裕量（約5%-10%），傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并有利于小臂對(duì)整機(jī)的靜力平衡。
2.5 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇
2.5.1 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇
通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下三種：
（1） 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)
電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器是目前使用最廣泛的驅(qū)動(dòng)器。它的能源簡(jiǎn)單，速度變化范圍大，效率高，但它們多與減速裝置相連，直接驅(qū)動(dòng)比較困難。
電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器又分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。后者多為開環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。直流伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來交流伺服電機(jī)正逐漸取代直流伺服電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)器。
（2） 液壓驅(qū)動(dòng)器
液壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是功率大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可省去減速裝置，能直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度，但需要增設(shè)液壓源，而且易產(chǎn)生液體泄露，故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。
（3） 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源，結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，但與液壓驅(qū)動(dòng)器相比，同體積條件下功率較?。ㄒ驂毫Φ停?，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制系統(tǒng) 。
通過比較以上三種驅(qū)動(dòng)方式，因此本課題的機(jī)器人將采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器中的直流伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。因?yàn)橹绷魉欧姍C(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。而交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。
2.5.2 手腕電機(jī)的選擇
（1） 轉(zhuǎn)腕及腕部?jī)?nèi)電機(jī)的選擇
手腕的最大負(fù)荷重量初估腕部的重量，最大運(yùn)動(dòng)速度V=1m/s，則：
功率；
取安全系數(shù)為1.2，
考慮到傳動(dòng)損失和摩擦，最終的電機(jī)功率
又因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)周期T=0.3sec，即；
則所需電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速為；
根據(jù)設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)腕部分的電機(jī)后緊跟輸出軸和聯(lián)軸器，直接帶動(dòng)手腕旋轉(zhuǎn)，故在此選擇轉(zhuǎn)速較低的型號(hào)電機(jī)，又由于要求手腕的重量較輕，便于靈活的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此要求腕部?jī)?nèi)電機(jī)較小，故選SZYX81寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)，其安裝尺寸為42mm，電機(jī)重量?jī)H為0.35Kg，詳細(xì)參數(shù)見表2-1。
表2-1 SZYX81寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù)
規(guī)格型號(hào)
額定功率
額定轉(zhuǎn)矩
額定電壓
SZYX81
0.1KW
0.35N.M
24V
最高電流
最高轉(zhuǎn)速
允許轉(zhuǎn)速差10%
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
2.7A
800r/min
50
100kg.cm.s
該電機(jī)具有精度高，響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，加速度大，力矩波動(dòng)小，線性度好，過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
2.6 傳動(dòng)比的確定及分配
2.6.1. 傳動(dòng)比的確定
由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可知所需的總傳動(dòng)比為i=10。
2.6.2 傳動(dòng)比的分配
傳動(dòng)比分配時(shí)要充分考慮到各級(jí)傳動(dòng)的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。因此擺腕傳動(dòng)比分配為：擺腕總的傳動(dòng)比＝10，該傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)傳動(dòng)為圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比＝2，第二級(jí)傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比。
3 齒輪的設(shè)計(jì)
3.1 齒輪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)與校核
3.1.1 第一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
齒輪材料采用45號(hào)鋼，鍛造毛坯，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，表面硬度為210HBS；大齒輪正火處理后齒面硬度為180HBS，因載荷平穩(wěn)，齒輪速度不高，初選齒輪精度等級(jí)為7級(jí)。取。
（1） 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。
（2） 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件的設(shè)計(jì)表達(dá)式
(3-1)
式中，-載荷系數(shù),?。?
-齒寬系數(shù)，取，；
-材料系數(shù)，取。
小齒輪傳遞扭矩
(3-2)
大小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極根應(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(jì)算可得
（3-3）
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)。
許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：
將有關(guān)值代入（3-1）得：
計(jì)算圓周速度:
計(jì)算載荷系數(shù):動(dòng)載荷系數(shù)Kv=1.0；使用系數(shù)；動(dòng)載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則。
修正 ；
；
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。
（3） 計(jì)算基本尺寸
取
（4） 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
齒形系數(shù)，，取，校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度
（3-4）
=3.7MPa<[]
所以齒輪完全達(dá)到要求。由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，將小齒輪做成齒輪軸。圓柱齒輪的幾何參數(shù)見表3-1。
表3-1 圓柱齒輪的幾何尺寸
名稱
符號(hào)
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
3.1.2 第二級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
齒輪材料采用45號(hào)鋼，小齒輪調(diào)質(zhì)處理表面硬度為210HBS；大齒輪正火處理后齒面硬度為180HBS，齒輪精度等級(jí)為7級(jí)。取
（1） 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。
（2） 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)表達(dá)式
(3-5)
其中， 取，；
，；
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(jì)算可得
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。
許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：
將有關(guān)值代入（3-5）得：
則
動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。
（3）計(jì)算基本尺寸
（4） 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
復(fù)合齒形系數(shù)，，取。
校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度
（3-6）
所以齒輪完全達(dá)到要求。
由于小齒輪的分度圓直徑較小，所以作成齒輪軸。
表3-2 圓錐齒輪的幾何參數(shù)
名稱
符號(hào)
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 軸的設(shè)計(jì)
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(yùn)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(duì)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。
4.1 擺腕傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)
4.1.1 圓柱齒輪軸的設(shè)計(jì)
由于主軸傳遞的功率不大，對(duì)其重量和尺寸也無特殊要求，故選常用材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
（1） 初估軸徑， C=106~117,取C=106則
（4-1）
=5.4mm
（2） 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(jì)算的是軸段1的直徑，由于軸段1上安裝聯(lián)軸器，因此軸段1處直徑的確定和聯(lián)軸器型號(hào)同時(shí)進(jìn)行。故取軸徑＝10mm。
在軸段2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2處的直徑應(yīng)與軸承型號(hào)的選擇同時(shí)進(jìn)行?，F(xiàn)取角接觸球軸承型號(hào)為7000C，其內(nèi)徑＝10mm。通常一根軸上的兩個(gè)軸承取相同型號(hào)，故取軸段6的直徑＝10mm。軸段3上用軸肩固定軸承，故?。?4mm。軸段4上作成齒輪軸，尺寸與齒輪相同。根據(jù)結(jié)構(gòu)確定軸段5的直徑＝22mm。
（3） 各軸段長(zhǎng)度的確定
各軸段長(zhǎng)度主要根據(jù)軸上零件的轂長(zhǎng)或軸上零件配合部分的長(zhǎng)度確定。另一些軸段長(zhǎng)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)軸器選取軸段一的長(zhǎng)度，此時(shí)又要考慮此段軸長(zhǎng)不應(yīng)與大臂和小臂連接處的軸在工作時(shí)相互干涉，因此選取此段軸長(zhǎng)。根據(jù)軸承寬度取 。 根據(jù)結(jié)構(gòu) ， 。
圖4.1 圓柱齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖
4.2.2 軸的強(qiáng)度校核
軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，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(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對(duì)于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，對(duì)于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算，兩者都具備的按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核等。
圖4.2 軸的受力分析和彎扭矩圖
(1) 軸上的轉(zhuǎn)矩T
主軸上的傳遞的功率：
（4-2）
求作用在齒輪上的力：
（2） 畫軸的受力簡(jiǎn)圖
軸的受力如圖4.2所示。
（3） 計(jì)算軸的支撐反力
在水平面上
在垂直面上
（4） 畫彎矩圖
彎矩圖如圖4.2所示。
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)
（5） 畫轉(zhuǎn)矩圖,見圖4.2
（6） 判斷危險(xiǎn)截面
截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為T，則判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。
（7）軸的彎扭合成強(qiáng)度校核
，，則 。
截面左側(cè)
（8） 軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核
查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 。
截面左側(cè)
查得，；查得絕對(duì)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(jì)算，結(jié)果都滿足要求。
4.2.3 圓錐齒輪軸的設(shè)計(jì)
由于此軸傳遞的功率不大，對(duì)其重量和尺寸也無特殊要求，故選常用材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
（1） 初估軸徑， C=106~117,取C=106
根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和額定功率可知與圓柱齒輪軸相嚙合的大齒輪的轉(zhuǎn)速為
則根據(jù)公式4-1可得：
=6.8mm
（2） 各段軸徑的確定
初估軸徑后，就可按軸上零件的安裝順序，從dmin處開始逐段確定直徑。軸段1為外螺紋部分此段螺紋用于安裝擋板與螺栓，以便于對(duì)齒輪作軸向固定故取，軸段2安裝齒輪，根據(jù)齒輪的幾何尺寸故取并在此段軸上開設(shè)鍵槽以便于對(duì)軸上齒輪作周向固定。軸段3作為軸肩，對(duì)軸段2處安裝的齒輪作軸向固定，故取軸段4,6處安裝軸承，根據(jù)要求選用7000C型號(hào)的軸承，根據(jù)軸承型號(hào)與軸徑的大小同時(shí)選擇故確定軸段4和軸段6的直徑為。軸段5處用于安裝套筒以便對(duì)軸上安裝的軸承進(jìn)行軸向固定故取。軸段7用作軸肩以此來用于對(duì)軸承作軸向固定故取。軸段8處為錐齒輪部分，根據(jù)以上的設(shè)計(jì)計(jì)算可知此處軸徑。
（3） 各軸段長(zhǎng)度的確定
軸段1上裝M6的螺栓和擋板，故取。軸段2處裝齒輪，其長(zhǎng)度與齒輪的寬度相同，故取。軸段3處利用軸肩作軸向固定，取。軸段4與軸段6處裝軸承，取，。軸段5處裝套筒，其長(zhǎng)度為套筒的長(zhǎng)度，故取。軸段7處作軸肩，取。軸段8處為錐齒輪部分，其長(zhǎng)度。為保證軸承7000C內(nèi)圈端面緊靠定位軸肩的端面，根據(jù)軸承手冊(cè)推薦，取軸肩圓角半徑為0.3mm。為方便加工，其它軸肩圓角半徑均取1mm。
圖4.3 圓錐齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖
4.2.4 手腕連接軸的設(shè)計(jì)
由于此軸傳遞的功率不大，對(duì)其重量和尺寸也無特殊要求，故選常用材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
（1） 初估軸徑，C=106~117,取C=106
根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和額定功率可知與手腕箱體連接軸的轉(zhuǎn)速為
則根據(jù)公式4-1可得：
?。?106
=11.6mm
（2） 各段軸徑的確定
初估軸徑后，就可按軸上零件的安裝順序，從dmin處開始逐段確定直徑。軸段1為外螺紋部分此段螺紋用于安裝擋板與螺栓，以便于作軸向固定故取，取軸段2處，并在此處開設(shè)鍵槽用來傳遞扭矩其尺寸為。軸段3處安裝軸承，根據(jù)要求選用7001C型號(hào)的軸承，并在軸的另一段安裝大錐齒輪，也在此處開設(shè)鍵槽用來傳遞扭矩其尺寸為，根據(jù)軸承型號(hào)與軸徑的大小同時(shí)選擇故取。軸段4用作軸肩以此來用于對(duì)大錐齒輪作軸向固定故取。軸段5處用來安裝7001C軸承,軸承內(nèi)徑與軸徑的大小取同一尺寸，故取。
（3） 各軸段長(zhǎng)度的確定
軸段1上裝M6的螺栓和擋板，故取。軸段2處裝鍵槽，用于傳遞扭矩，其鍵槽尺寸為，其長(zhǎng)度取。軸段3處裝軸承與大錐齒輪，中間用套筒對(duì)其軸向固定，對(duì)大錐齒輪進(jìn)行周向固定的鍵取尺寸為，故取。軸段4處利用軸肩作軸向固定，取。由于軸承應(yīng)成對(duì)使用，所以軸段5處裝軸承，其類型代號(hào)與軸段3處一樣，取。
圖4.4 手腕連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖
4.2.5 大臂小臂連接軸的設(shè)計(jì)
由于此軸傳遞的功率不大，對(duì)其重量和尺寸也無特殊要求，故選常用材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
（1） 初估軸徑， c=106~117,取c=106則根據(jù)公式4-1得
=14.03mm
（2） 各段軸徑的確定
初估軸徑后，就可按軸上零件的安裝順序，從dmin處開始逐段確定直徑。軸段1處要安裝壓板和齒輪用來固定此軸.故。軸段2處與4處安裝7004C類型軸承,其軸徑大小應(yīng)與軸承內(nèi)徑大小一致,故取,。軸段3處取。
（3）各軸段長(zhǎng)度的確定
各軸段長(zhǎng)度主要根據(jù)軸上零件的轂長(zhǎng)或軸上零件配合部分的長(zhǎng)度確定。另一些軸段長(zhǎng)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)。軸段1處要安裝壓板和齒輪用來固定此軸，因此此段軸的長(zhǎng)度應(yīng)取長(zhǎng)些，故取。軸段2的長(zhǎng)度與軸承有關(guān),取。軸段3處的選取長(zhǎng)度為。軸段4 的長(zhǎng)度與軸段2 處一樣,取。
圖4.5 大臂小臂連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖
5 軸承的設(shè)計(jì)
5.1 軸承的選擇
軸承是支承軸或軸上回轉(zhuǎn)體的部件。根據(jù)工作時(shí)接觸面間的摩擦性質(zhì)，分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類。滾動(dòng)軸承依靠元件間的滾動(dòng)接觸來承受載荷，相對(duì)于滑動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承具有摩擦阻力小，效率高，起動(dòng)容易，潤(rùn)滑簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。因此我在做本課題設(shè)計(jì)時(shí)所選用的軸承全為滾動(dòng)軸承。軸承的內(nèi)外圈和滾動(dòng)體，一般是用軸承鉻鋼（如GCr GCr15SiMn）制造，熱處理后硬度應(yīng)達(dá)到60～65HRC。保持架有沖壓的和實(shí)體的兩種結(jié)構(gòu)。沖壓保持架一般用低碳鋼板沖壓制成,它與滾動(dòng)體間有較大間隙,工作時(shí)噪聲大；實(shí)體保持架常用銅合金，鋁合金或酚醛樹脂等高分子材料制成，有較好的隔離和定心作用,又因?yàn)閷?shí)體保持架比沖壓保持架允許更高的轉(zhuǎn)速。所以本課題選用的保持架為實(shí)體的。從受載荷方面來考慮，我所設(shè)計(jì)的機(jī)器人承受載荷力不大，且適用在振動(dòng)與沖擊不大的場(chǎng)合；而且球軸承比滾子軸承有較高的極限轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)精度；再?gòu)慕?jīng)濟(jì)性方面考慮球軸承比滾子軸承便宜。綜合以上因素，所以選取7000c系列的角接觸球軸承。
5.2 軸承的壽命計(jì)算
圓柱齒輪軸的軸承壽命計(jì)算：
經(jīng)查表可知：載荷系數(shù)=1.2 ，溫度系數(shù)徑，基本額定動(dòng)載荷，基本額定靜載荷。
由以上計(jì)算可知：徑向力，。
派生軸向力 （5-1）
計(jì)算并確定e值，
根據(jù)0.05，查表可得e=0.4。
計(jì)算當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷
查表可得：徑向載荷系數(shù)X=0.44,軸向載荷系數(shù)Y=1.4。
(5-2)
（5-3）
取
計(jì)算軸承壽命 （5-4）
=3413.8h
根據(jù)以上計(jì)算可知，其余幾跟軸上的軸承也完全滿足工作要求。
6 其它零部件的選用
6.1 鍵連接的選用
鍵連接分為平鍵連接、半圓鍵連接、楔鍵連接和切向鍵連接。由于平鍵的兩側(cè)面是工作面，工作時(shí)靠鍵與鍵槽側(cè)面間的擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩。鍵的上表面與輪轂間留有間隙，因此，平鍵連接定心性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單裝拆方便，所以本次設(shè)計(jì)我選用的是平鍵連接中的圓頭平鍵。
鍵連接的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個(gè)方面。鍵連接的類型可根據(jù)連接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使用要求和工作條件來選擇；鍵的尺寸則按符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和強(qiáng)度要求來取定。鍵的主要尺寸為截面尺寸b、h和長(zhǎng)度L。b、h可根據(jù)軸徑d由標(biāo)準(zhǔn)中查?。婚L(zhǎng)度L可參照輪轂長(zhǎng)度Ｂ從標(biāo)準(zhǔn)中選取。
6.2 殼體的設(shè)計(jì)
小臂和手腕的外殼是支承整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的框架，采用鑄鋁材料，質(zhì)量輕，剛度大，小臂的外框結(jié)構(gòu)的厚度為6mm、蓋子厚度為6 mm、電機(jī)后蓋厚度為6mm。手腕的外框結(jié)構(gòu)厚度為3mm,機(jī)器人手部為鑄造鋁合金。其他部分的具體尺寸由結(jié)構(gòu)定，詳見裝配圖。
6.3 機(jī)器人手臂材料的選擇
機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂只要轉(zhuǎn)動(dòng)工作。因此對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量，剛度，阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。
機(jī)器人手臂材料應(yīng)先是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼，鑄鐵，合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍6，聚乙烯（PEH）和碳素纖維等；金屬材料以輕合金（特別是鋁合金）為主。所以我所設(shè)計(jì)的機(jī)器人手臂的材料選擇為鑄造鋁合金中的鋁銅合金。
6.4 機(jī)器人臂部連接件的選用
本設(shè)計(jì)中采用常規(guī)聯(lián)軸器：小臂部分采用DIN6885型號(hào)。該聯(lián)軸器的特點(diǎn)是圓周方向剛度大而軸向彎曲方向柔度較大，既能起到可靠的傳動(dòng)又適合調(diào)整和補(bǔ)償軸之間的偏差。
圖6-1 聯(lián)軸器
8 總結(jié)
8.1 所完成的工作
（1） 對(duì)機(jī)器人手臂傳動(dòng)所需要的力計(jì)算
本文通過收集實(shí)際運(yùn)用中噴涂機(jī)器人手臂噴涂所需要的力從而進(jìn)行一系列計(jì)算并選取合適的電機(jī)、軸、齒輪、軸承。
（2） 對(duì)小臂平衡系統(tǒng)的完善
由于機(jī)器人手臂在實(shí)際運(yùn)行后需要關(guān)閉手臂的驅(qū)動(dòng)裝置，為防止小臂在沒有驅(qū)動(dòng)力之后不會(huì)放生突然小臂下擺，需要對(duì)小臂的自身平衡系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)此本文采用的是重力平衡系統(tǒng)。
8.2 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)
（1） 軸承架和小臂不采用連體
小臂內(nèi)部的軸承架如果和小臂連接采用連體的方式，這樣不僅造成小臂的加工麻煩降低生產(chǎn)效率，而且不利于小臂組件的運(yùn)輸。
（2） 最好安裝機(jī)械制動(dòng)裝置
僅依靠程序來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)并不可靠，例如突然掉電，將無法制動(dòng)。
8.3 誤差分析
本文中每個(gè)關(guān)節(jié)的角度誤差在±2°左右，由于是開環(huán)機(jī)構(gòu)，所以綜合疊加起來，末端誤差可能會(huì)較大，并且重復(fù)精度不夠。
下面簡(jiǎn)要分析一下誤差的來源：
工作臺(tái)、基座的上下表面平行度誤差，腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的垂直度誤差，以及其它關(guān)節(jié)之間的平行度誤差，齒輪、軸承的間隙，齒形帶的變形不均勻裝配誤差
（1） 各關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)誤差，各連桿的受力變形誤差；
（2） 運(yùn)行時(shí)，機(jī)械部分的振動(dòng)。
結(jié)束語(yǔ)
此次設(shè)計(jì)的機(jī)器人為垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人，采用了直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過一系列的軸和齒輪傳動(dòng)順利實(shí)現(xiàn)了小臂和手部的旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)。為了使小臂空間內(nèi)結(jié)構(gòu)緊湊，故在小臂內(nèi)安裝電機(jī)來實(shí)現(xiàn)手腕的旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)，并且腕部材料選擇鑄造鋁合金中的鋁銅合金，選取了SZYX81寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)，其重量?jī)H為0.35KG。此裝置應(yīng)用于噴涂生產(chǎn)線上將大大提高生產(chǎn)效率和噴涂質(zhì)量，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)節(jié)型機(jī)器人是在輕型、操作較簡(jiǎn)便且要求機(jī)器人價(jià)格較低并能夠降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的條件下提出的一種新型機(jī)械裝置。本課題正是在這種背景下提出來的，這是一項(xiàng)具有重要意義的課題。本機(jī)器人設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，通用性強(qiáng)。此設(shè)備制造成本合理，拆裝方便，便于維護(hù)。
此次我們?cè)O(shè)計(jì)的噴涂機(jī)器人手臂是中小型機(jī)器人手臂，實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)比不大，今后在技術(shù)允許的條件下可以在手臂內(nèi)增加減速器，以便實(shí)現(xiàn)更大的傳動(dòng)比。
致 謝
本畢業(yè)設(shè)計(jì)論文是在周建平老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。半年來，周老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向周老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。
另外，感謝學(xué)校給我們提供設(shè)計(jì)場(chǎng)地，和系領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心和指導(dǎo)，在設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合工作體會(huì)和經(jīng)歷，提出了許多建設(shè)性的觀點(diǎn)，為我完成設(shè)計(jì)給予了極大的幫助。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意!同時(shí)感謝培養(yǎng)我長(zhǎng)大含辛茹苦的父母，謝謝你們！
最后感謝我的母校南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院四年來對(duì)我的栽培。
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