六自由度工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ）題 目六自由度工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計作 者 學(xué) 院 機電工程學(xué)院專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化學(xué) 號 指導(dǎo)教師 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書機電工程學(xué)院 院 機械設(shè)計制造及其自動化 系（教研室）系（教研室）主任:（簽名） 年月日1 設(shè)計（論文）題目及專題： 六自由度工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 學(xué)生設(shè)計（論文）時間： 3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：工業(yè)機器人、機器人學(xué)、機器人運動學(xué)基礎(chǔ)、Solidworks2013 從入門到精通4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：（1）介紹工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及前景；（2）工業(yè)機器人工作空間計算和簡單的運動學(xué)分析；（3）工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵零部件計算；（4）對關(guān)鍵零部件進行強度校核。5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：（1）相關(guān)的計算、設(shè)計框圖及仿真圖；（2）論文不少于 35 頁；（3）說明書中必須有與設(shè)計（論文）內(nèi)容或?qū)I(yè)相關(guān)的不少于 1500 字的外文資料翻譯。6 發(fā)題時間： 年 3 月 1 日指導(dǎo)教師： 學(xué) 生： 畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)人評語主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻應(yīng)用，創(chuàng)新性，實用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價指導(dǎo)人： （簽名）年 月 日指導(dǎo)人評定成績：畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進行綜合評價評閱人： （簽名）年 月 日評閱人評定成績：畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄日期：學(xué)生：學(xué)號：班級：題目：提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料：1 設(shè)計（論文）說明書 共 頁2 設(shè)計（論文）圖 紙 共 頁3 指導(dǎo)人、評閱人評語 共 頁畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語：主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的研究思路，設(shè)計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價答辯委員會主任： （簽名）委員： （簽名）（簽名）（簽名）（簽名）答辯成績：總評成績：摘 要六自由度工業(yè)機器人是一種高精度的自動化機械，具有高度的靈活性以及平穩(wěn)性。所以在設(shè)計中我們應(yīng)當注意其結(jié)構(gòu)工藝的合理性，在材料選擇上應(yīng)當使其具有高強度和輕便的特性。本論文主要對搬運工業(yè)機器人的驅(qū)動方式及各軸的傳動方案進行了設(shè)計，并對驅(qū)動運動的電動機進行了選型；在對其工作空間分析的基礎(chǔ)上，對關(guān)鍵的零部件進行了受力分析及強度校核；根據(jù)其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Solidworks2013軟件進行了三維圖形的繪制，并用CAD繪制了裝配圖及部分關(guān)鍵零件圖。關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計；傳動方案設(shè)計；受力分析；強度校核AbstractSix degree of freedom industrial robot is a kind of automatic machine with high accuracy, with high degree of flexibility and stability So in the design we should pay attention to the rationality of the structure and technology, in the choice of materials should be so that it has high strength and lightweight, this paper mainly for the handling of industrial robot total drive way and the axis of the transmission scheme design, and the drive motor selection; in work space analysis based on the kinematics calculation, of key parts were stress analysis and strength check; according to the basic structure parameters using software Solidworks2013 of 3D graphics rendering, and mapping with CAD assembly drawing and part of the key parts of the map.KeyWords：Industrial robots; Structural design; Transmission design; Force analysis；Intensity verification-i-目 錄第一章 緒論 11.1 工業(yè)機器人概述11.2 課題研究背景及意義11.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢21.3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀31.3.2 國外發(fā)展趨勢41.4 工業(yè)機器人相關(guān)技術(shù)51.5 本文主要內(nèi)容5第二章 總體方案與傳動機構(gòu)設(shè)計 62.1 總體方案設(shè)計與分析 62.1.1 方案要求 62.1.2 機構(gòu)選型 72.1.3 驅(qū)動方式選擇 82.2 傳動方案的初步設(shè)計 92.2.1 腕關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)設(shè)計 102.2.2 小臂傳動機構(gòu) 102.2.3 大臂傳動機構(gòu) 112.2.4 腰身傳動機構(gòu) 122.3 機器人部分技術(shù)參數(shù) 10第三章 工作空間分析及計算 123.1 工作空間123.2 工作空間與機器人結(jié)構(gòu)尺寸的相關(guān)性123.3 分析14-ii-第四章 結(jié)構(gòu)設(shè)計 154.1 傳動方案的設(shè)計 154.2 手腕傳動 154.3 腰部164.3.1 腕部的設(shè)計要求 164.3.2 腕部結(jié)構(gòu) 164.4 手臂 174.4.1 手臂作用概述 174.4.2 電機選擇 174.5 傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 204.5.1 腰部設(shè)計 204.5.2 大臂設(shè)計 214.5.3 小臂設(shè)計 22第五章 關(guān)鍵零部件的校核245.1 腕部中心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核245.1.1 腕部中心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 255.1.2 腕部中心軸的強度校核 25 5.2 連桿傳動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 285.2.1 連桿傳動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 285.2.2 連桿傳動軸的強度校核 295.3 手腕齒輪連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 285.4 手腕齒輪連接軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 295.5 回轉(zhuǎn)底盤與腰部主軸連接螺釘?shù)男：?295.6 部分三維圖形的繪制 30第六章 總結(jié) 35參考文獻 36致謝 37- 1 -第一章 緒論1.1 工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人是一種高精度的自動化生產(chǎn)裝備，它的設(shè)計涉及到了多門學(xué)科知識，包括了氣動、液壓、電路、PLC 以及材料力學(xué)，理論力學(xué)等等。它最早出現(xiàn)于 20 世紀，人們通常廣義的把機器人認為是能模仿人類動作的機器。相較于人具有大腦，手足，和眼睛等功能器官，隨著機器人的發(fā)展，它也擁有了類似的能力，甚至在功能上遠超人類。工業(yè)機器人顧名思義，是用于輔助生產(chǎn)的機器人。早在 20 世紀 20 年代就出現(xiàn)了一種能夠在生產(chǎn)線上，代替人搬送裝卸工件的機械手。而在 40 年代則直接出現(xiàn)了可以由工人操作的機器人。60 年代則出現(xiàn)了可以自動的多操作的機械手。工業(yè)機器人發(fā)展迅速，功能越來越多，甚至出現(xiàn)了具有智能的機器人。目前，世界上把機械手、機器人等也一并稱為工業(yè)機器人。我國將其定義為：一種能自動控制，可重復(fù)編程、多功能、多自由度的機器人，并能搬運材料工件或者其他工具，用以實現(xiàn)多種作業(yè)。1.2 課題研究背景及其意義工業(yè)機器人是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。它能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。機械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中一個重要組成部分。把機床設(shè)備和機械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強。當工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設(shè)計是非常有意義的。制造業(yè)屬于勞動密集型的行業(yè)，除了繁重的體力工作外，幾乎每個工序都存在著對人體有害的污染源和潛在的工傷事故:熱加工工序燙灼傷的危險，大量易燃易爆燃料- 2 -及消耗材料時時刻刻威脅著操作手的安全;鋁液除氣除渣產(chǎn)生的有毒煙塵，機加工冷卻液的有害蒸汽，以及涂裝工序液體漆、粉漆、前處理藥液等等都會嚴重影響工人的健康;無處不在的轟鳴及刺耳的噪音會使你情緒壞到極點。 針對原有生產(chǎn)線存在的勞動強度高，生產(chǎn)效率低，粗加工加工尺寸不穩(wěn)定等問題，通過工業(yè)機器人及新的數(shù)控加工設(shè)備，不僅有效降低了工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率將近一倍，取得了良好的經(jīng)濟效益。工業(yè)機器人由機器人(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。 在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著工業(yè)機器人。工業(yè)機器人一般指在工廠車間環(huán)境中，配合自動化生產(chǎn)的需要，代替人來完成材料或零件的搬運、加工、裝配等操作的一種機器人。工業(yè)機器人的定義為：“一種自動定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的機器人。能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)?！睓C器人定義為：“具有和人的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?！币粋€典型的機器人系統(tǒng)由本體、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等幾部分組成。 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。 生產(chǎn)線改造設(shè)計是一個實際應(yīng)用課題。通過本設(shè)計可以使學(xué)生在實際課題設(shè)計中對生產(chǎn)加工，機械系統(tǒng)設(shè)計，機械手及其控制等知識得到切實的鍛煉。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)1、發(fā)展現(xiàn)狀（1）市場需求快速增長，但嚴重依賴國外進口- 3 -我國工業(yè)機器人市場已呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。從 2010 年開始我國工業(yè)機器人需求量激增，但目前我國新增工業(yè)機器人中超過 70%依賴國外進口。（2）產(chǎn)業(yè)化初步取得進展，但程度較低近年來，在需求快速擴張及國家自主創(chuàng)新政策作用下，國內(nèi)一大批企業(yè)或自主研制或與科研院所合作，進入工業(yè)機器人研制和生產(chǎn)行列，我國工業(yè)機器人進入了初步產(chǎn)業(yè)化階段。一些產(chǎn)品已開始產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用，但由于在精度、速度等方面不如進口的同類產(chǎn)品，因此這些產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用程度較低，缺乏品牌認知度，市場份額小（3）掌握了一些先進技術(shù)，但整體技術(shù)水平仍然較低我國目前已基本掌握了機器人機器人的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、電焊、裝配、搬運等機器人。一些產(chǎn)品的技術(shù)水平已達到國際先進水平，但在總體技術(shù)上還有很大差距，僅相當于國外 90 年代中期的水平。2、面臨挑戰(zhàn)（1）外資品牌占國內(nèi)市場絕對份額瑞典的 ABB、日本的 FANUC（發(fā)那科）、日本的 YASKAWA（安川電機）、德國的KUKA（庫卡）等知名企業(yè)產(chǎn)品在中國市場的占有率達到近 90%，僅 FANUC 一家，就在我國占有 23%的市場份額。（2）關(guān)鍵核心部件受制于人（3）產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有待規(guī)范伴隨我國工業(yè)機器人需求的迅猛增長，實力良莠不齊的企業(yè)紛紛進入工業(yè)機器人生產(chǎn)市場，勢必造成質(zhì)低價廉的惡性競爭；雖然我國有近百家從事工業(yè)機器人研究生產(chǎn)的高校院所和企業(yè)，但現(xiàn)行的體制造成研究形式上過于獨立封閉、內(nèi)容上較為分散，難以形成合力，造成重復(fù)研究與時間、經(jīng)費的浪費；多數(shù)企業(yè)熱衷于大而全，一些關(guān)鍵部件研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)紛紛轉(zhuǎn)入整機的生產(chǎn)，難以形成研發(fā)、生產(chǎn)、制造、銷售、集成、服務(wù)等有序、細化的產(chǎn)業(yè)鏈。因此，工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有待規(guī)范。（4）研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面的激勵政策尚需完善盡管“十一五”及“十二五”期間，國家有多個項目涉及機器人領(lǐng)域，但行業(yè)仍未建立起有效的公共技術(shù)平臺以加強關(guān)鍵共性技術(shù)和核心功能部件的研究與突破，產(chǎn)業(yè)化進程也難以推進，研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化方面的激勵政策尚需細化完善。圖 1.1 為沈陽自動化研究所研制的雪豹10 排爆機器人。1.3.2 國外發(fā)展趨勢（1）市場需求呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢- 4 -受技術(shù)快速發(fā)展、勞動力資源不斷稀缺、生產(chǎn)效率要求近一步提高等因素影響，全球工業(yè)機器人將迎來更為廣闊的發(fā)展空間和更高的發(fā)展速度。在區(qū)域分布上，隨著亞洲地區(qū)制造業(yè)的發(fā)展，各項產(chǎn)業(yè)對于工業(yè)機器人的需求量增加，使得工業(yè)機器人市場需求逐漸由歐美地區(qū)轉(zhuǎn)移到亞洲地區(qū)。（2）技術(shù)日益智能化、模塊化和系統(tǒng)化從近幾年世界推出的機器人產(chǎn)品來看，新一代工業(yè)機器人正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化方向發(fā)展。（3）西方工業(yè)化發(fā)達國家紛紛進行戰(zhàn)略部署美國：推行“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，大力發(fā)展工業(yè)機器人，希望重振制造業(yè)。日本：日本可以稱得上是“機器人大國”。2004 年 5 月發(fā)布的“新產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”明確了機器人產(chǎn)業(yè)等 7 個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域為重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)。近兩年又開始重新審視機器人產(chǎn)業(yè)政策。韓國：2009 年公布智能機器人基本計劃，2012 年 10 月發(fā)布了“機器人未來戰(zhàn)略展望 2022”，將政策焦點放在了擴大韓國機器人產(chǎn)業(yè)并支持國內(nèi)機器人企業(yè)進軍海外市場方面。歐盟：歐盟 2011 年 8 月通過了一份發(fā)展制造業(yè)計劃，提出新工業(yè)革命概念，以機器人和信息技術(shù)為支撐，實現(xiàn)制造模式的變革。圖 1.2 為德國 KUKA 防爆機器人。圖 1.1 雪豹10 排爆機器人圖 1.2 德國 KUKA 防爆機器人1.4 工業(yè)機器人相關(guān)技術(shù)工業(yè)機器人按坐標系統(tǒng)可分為以下五種：(1)圓柱坐標型這 種 機 器 人 只 有 一 個 轉(zhuǎn) 動 關(guān) 節(jié) ， 其 余 都 是 移 動 關(guān) 節(jié) ， 它 的 空 間 定 位 較 為直 觀 ， 但 其 移 動 副 不 易 防 護 ， 手 臂 伸 縮 的 時 候 ， 可 能 與 其 他 物 體 相 碰 撞 。- 5 -(2)直角坐標型 只 具 有 移 動 關(guān) 節(jié) ， 其 運 動 部 分 看 起 來 是 由 三 個 相 互垂 直 的 直 線 組 成 ， 其 工 作 空 間 圖 形 為 矩 形 。 控 制 算 法 簡 單 ， 沒 有 耦 合 ； 占 地 面 積 大 ，工 作 空 間 較 小 ， 結(jié) 構(gòu) 剛 度 高 ， 操 作 類 似 于 數(shù) 控 機 床 。(3)球坐標型 這是有 兩 個 轉(zhuǎn) 動 關(guān) 節(jié) 、 其 余 為 移 動 關(guān) 節(jié) 的 機 器 人 ， 有 著 占 地 面 積 大 ，工 作 空 間 大 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。(4)關(guān)節(jié)型 具 有 三 個 轉(zhuǎn) 動 關(guān) 節(jié) 的 機 器 人 ， 其 動 作 靈 活 ， 工 作 空 間 大 ， 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 ， 占地 面 積 也 小 ， 但 是 其 運 動 學(xué) 復(fù) 雜 ， 計 算 困 難 ， 計 算 量 大(5)SCARA 型 平 行 的 肩 關(guān) 節(jié) 和 肘 關(guān) 節(jié) ， 關(guān) 節(jié) 軸 線 共 面 垂 直 平 面 剛 度 好 ， 水 平 面 柔 順 性好 結(jié) 構(gòu) 輕 便 ， 響 應(yīng) 快 ， 適 用 于 平 面 定 位 ， 垂 直 裝 配 作 業(yè)1.5 本文主要內(nèi)容（1）通過閱讀學(xué)習(xí)工業(yè)機器人的相關(guān)書籍和論文，確定了工業(yè)機器人使用方式，完成工作方案的初步設(shè)計；（2）設(shè)計了腰部、大小臂和腕部的傳動方案，并總結(jié)出其總體設(shè)計方案；（3）運用數(shù)學(xué)知識，作圖計算其工作空間，根據(jù) D-H 對其進行運動學(xué)分析，計算主要結(jié)構(gòu)尺寸要素； （4）設(shè)計各軸結(jié)構(gòu)樣式，進行三維建模，并利用 Solidworks 軟件，選擇其驅(qū)動電機類型；（5）對關(guān)鍵的零部件進行校核。第二章 總體方案與傳動機構(gòu)設(shè)計- 6 -第三章 工作空間分析及計算3.1 工作空間- 7 -該機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)該根據(jù)一定的工作空間要求來確定，工作空間是指機器人手臂末端或手腕中心所能達到的所有點的集合，也叫做工作區(qū)域。描述工作空間的手腕參考點可以選在手部中心、手腕中心或手指指尖，參考點不同，工作空間的大小、形狀也不同。工作空間是機器人的一個重要性能指標，是機器人機構(gòu)設(shè)計要研究的基本問題之一。當給定機器人結(jié)構(gòu)尺寸時，要研究如何確定其工作空間，而當給定工作空間時，則要研究機器人應(yīng)具有什么樣結(jié)構(gòu)。本文所討論的搬運機器人主要用于裝配線末端產(chǎn)品的搬運，本文將用一種根據(jù)工件尺寸確定機器人位置機構(gòu)參數(shù)的簡便方法確定該搬運機器人的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括大小臂的長度尺寸及其極限擺角。3.2 工作空間與機器人結(jié)構(gòu)尺寸的相關(guān)性工作空間的形狀取決于機器人的結(jié)構(gòu)型式，直角坐標型機器人的工作空間為長方體；圓柱坐標型機器人的工作空間為中空的圓柱體；球坐標型機器人的工作空間為球體的一部分；關(guān)節(jié)型機器人的工作空間比較復(fù)雜，一般為多個空間曲面拼合的回轉(zhuǎn)體的一部分。直角坐標型機器人工作空間的大小取決于沿 X、Y、Z 三個方向機器人行程的大小。圓柱坐標型機器人工作空間的大小取決于立柱的尺寸和水平臂沿立柱的上下行程，還取決于水平臂尺寸及水平伸縮行程。球坐標型機器人工作空間的大小取決于工作臂的尺寸、工作臂繞垂直軸轉(zhuǎn)動的角度及繞水平軸俯仰的角度。關(guān)節(jié)型機器人工作空間的大小取決于大小臂的尺寸、大小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的角度以及大臂繞垂直軸轉(zhuǎn)動的角度。圖 3.1 位置簡化模型L1：大臂的長度，根據(jù)總體方案設(shè)定條件確定為 665mm L2：小臂的長度，根據(jù)總體方案設(shè)定條件確定為 630mm 1：大臂旋轉(zhuǎn)偏離立柱 0 位的角度，順時針為正，本文定為-90º130º - 8 -2：小臂旋轉(zhuǎn)偏離 0 位的角度，順時針為正，本文定為-65º65º 如圖 3.1 所示，手端部的運動軌跡簡易描述：以 AD、BC、CD、DA 四弧段在 XOZ 面組成機器人工作空間截面。AB 弧段和 CD 弧段的圓心為大臂的起始點，即坐標原點。E點為 AD 弧段的圓心，F(xiàn) 點為 BC 弧段的圓心。各個點的坐標分別為： A 點：大臂負極限值 1min、小臂達到負極限值 2min XA=L1sin1min+L2cos（ 1min+2min）=665×sin（-65）+630×cos（-155）=-1173.67ZA=L1cos1min-L2sin（ 1min+2min）=665×cos （-65）+630×sin（-155）=-547.29B 點：大臂到達正極限值 1max，小臂達到負極限值 2min XB=L1sin1max+L2cos（ 1min+2min）=665×sin65°+630×cos-155°=-31.72ZB=L1cos1max-L2sin（ 1min+2min）=665×cos65 °-630×sin-155°=-547.29C 點：大臂到達正極限值 1max，小臂達到正極限值 2max XC=L1sin1max+L2cos（ 1max+2max）=665×sin65 °+630×cos（-155°）=-5.84ZC=L1cos1max+L2sin（ 1max+2max）=665×cos65°+630×sin195°=-117.98D 點：大臂負極限指 1min，小臂達到正極限值 2max XD=L1sin1min+L2cos（ 1min+2max）=665×sin（-65°）+630×cos65°=-336.45 ZD=L1cos1min-L2sin（ 1min+2max）=665×cos（-65°）-630×sin65°=-852.02E 點： XE=L1sin1min=665×sin（ -65°）=-602.29ZE=L1cos1min=665×cos（ -65°）=-281.04F 點： XF=L1sin1max=665×sin65°=602.69ZF=L1cos1max=665×cos65°=281.04可得坐標 A=(-1173.67,547.29),B=(31.72,547.29),C=(-5.84,117.98),D=(-336.45,852.02)，E(-602.69,281.04),F(602.69,281.04)，由此可以作出機器人大臂小臂組成的截面（XZ 面）工作空間，同機器人的安裝機座（X ,Y,Z 坐標）的高度疊加后，可以繪制出機器人的截面（XZ 面）工作空間，如圖 3.2。- 9 -圖 3.2 機器人工作空間3.3 分析經(jīng)過上面的計算和分析可證明小臂的末端可達的覆蓋范圍大于作圖空間。由于論證時的前提條件是把搬運機器人的最大覆蓋范圍一分為二。所以滿足一半覆蓋范圍時，必然能夠達到搬運機器人搬運工件的范圍。所以搬運機器人足可滿足要求的最大覆蓋范圍，證明方案正確，小臂和大臂的長度和俯仰角度確定的合適。第四章 結(jié)構(gòu)設(shè)計- 10 -4.1 傳動方案的確定根據(jù)第二章的總體分析可知，搬運機器人前三個軸的傳動機構(gòu)并不復(fù)雜，第一個用的是蝸輪蝸桿傳動，第二軸和第三軸則是用擺線針輪行星齒輪傳動。四五六軸皆為手腕部分，都是采用遠距離傳動，將電機裝在小臂關(guān)節(jié)處，通過同軸套筒接到手腕關(guān)節(jié)處，減輕手腕重量。蝸輪蝸桿的優(yōu)點在于傳動比較大，結(jié)構(gòu)也緊湊。蝸輪蝸桿傳動比 5i70，常用15i50；擺線針輪行星齒輪傳動，11i87，圓錐齒輪傳動效率高，一般可達98%，兩齒輪軸線組成直角的錐齒輪副應(yīng)用最廣泛。由機械設(shè)計手冊可得，其傳動比范圍為 2-3，4.2 手腕傳動手腕是機器人小臂與末端執(zhí)行器之間的聯(lián)接部件，其功能是利用自身的活動使末端執(zhí)行器能夠達到確定的工作空間姿態(tài)，因此手腕可以稱為機器人的姿態(tài)機構(gòu)，是機器人中極為重要也是結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部件。手腕的靈活度直接決定了機器人能夠完成任務(wù)的種類和復(fù)雜程度，對機器人手腕結(jié)構(gòu)的研究有著重要意義。4.2.1 腕部的設(shè)計要求由前文可知，本課題所設(shè)計的是一個三自由度的機器人手腕，由法蘭固定在機器人小臂上，分別用三個直流伺服電機對其進行驅(qū)動。手腕主要分三部分：一部分是通過法蘭和小臂固結(jié)在一起，可實現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運動；一部分是圍繞軸的擺動；另外一部分就是手爪的回轉(zhuǎn)運動。4.2.2 腕部電機的選擇由于腕部具有三個自由度，故對應(yīng)每個自由度都有一個電機。電機 1 帶動手爪轉(zhuǎn)動，電機 2 則帶動手腕左右擺動，電機 3 帶動整個手腕繞小手臂中心軸線轉(zhuǎn)動。由前文的總體方案設(shè)計可知，工件為 30X30X30cm 的立方體，重為 5kg。工件的轉(zhuǎn)動慣量為 J=0.00075kg.m2已知它的轉(zhuǎn)動速度為 w=330°/s取啟動時間為 0.1s，轉(zhuǎn)動角加速度 =3300°/s2 由此計算力矩得：T=J=0.043N.m功率 P=Tw=2.48 - 11 -.所以定做的電機額定電壓 220V，輸出功率至少 3W，輸出轉(zhuǎn)矩至少為 1N.m，轉(zhuǎn)速為 1400r/min，減速箱的減速比為 23。電機輸出軸端進行適當?shù)募哟旨娱L。4.3 腰部4.3.1 底座及腰部設(shè)計要求工業(yè)機器人底座的設(shè)計主要考慮機器人的承重、散熱、節(jié)省材料及合理裝配等。由于底座基本上承擔了工業(yè)機器人的所有重量，因此在材料的選取上要選取強度高，抗震性強，耐疲勞的材料。本文中選用 ZG200 作為底座材料。又考慮到底座為鑄件，為避免鑄造過程中出現(xiàn)縮松、縮孔等鑄造缺陷，因此可將底座設(shè)計成內(nèi)部中空的結(jié)構(gòu)。這樣既節(jié)省了材料，又降低了制造成本。腰部承受了較大的轉(zhuǎn)矩，在進行校核的時候，要特別注意其抗彎抗扭的能力。因為回轉(zhuǎn)臺同樣為鑄件，因此其材料選用 ZG200-400，外形設(shè)計為薄壁結(jié)構(gòu)，以減少其自身的重量。4.3.2 電機選擇小手臂轉(zhuǎn)動慣量：J3=J0+mp2=0.80+9.5X(15Xcos15°)2 =23.43kg.m2大手臂轉(zhuǎn)動慣量：J2=（a 2+b2+c2+d2）+mp 2 = （0.2 2+0.12+0.122+0.062）+44.8X0.35 2 =5.742 kg.m2兩電動機的轉(zhuǎn)動慣量：J 電 = J 電 1 +J 電 2=340.22+8.50.42=2.72 kg.m2減速箱的轉(zhuǎn)動慣量：J 減 =150X0.452=30.375 kg.m2腰部本身的轉(zhuǎn)動慣量：J1=mp2=2500.252=40 kg.m2所以，總的轉(zhuǎn)動慣量為J 總 =23.4+5.742+20+2.72+28.125+40+30.375=150.392 kg.m2而轉(zhuǎn)動角加速度為=7.854 °/s2輸出軸的轉(zhuǎn)矩為- 12 -M=J 總 =150.392×7.854=1181.179N·m轉(zhuǎn)換到電機上的轉(zhuǎn)矩為M 電 =17.71N·m根據(jù)要求 M 電 M 額 ，選 P=3KW，n=1000r/min 的 MGMA 型伺服電機，額定轉(zhuǎn)矩為 28.4 N·m4.4 手臂4.4.1 手臂作用概述手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。4.4.2 電機選擇由上可知，自大手臂往后的各軸，其重量都算在大手臂的負荷上。所以，大手臂的轉(zhuǎn)動慣量也不小。必須仔細計算往后的零部件的轉(zhuǎn)動慣量再來選擇電動機。大手臂的轉(zhuǎn)動慣量;J2=（a 2+b2+c2+d2）+mp 2 = （0.2 2+0.12+0.122+0.062）+44.8×0.35 2 =5.742 kg.m2電動機轉(zhuǎn)動慣量J 電 2=8.5×0.42=1.366 kg.m2擺線減速器轉(zhuǎn)動慣量：J 減 =150×0.452=30.375kg.m2大手臂總慣量：J 總 =5.742+1.366+30.375=40.602 kg.m2所以電動機的轉(zhuǎn)矩為M 電 =14.17N.m根據(jù)要求 M 電 M 額 ，選 P=2.5kw，n=1000r/min 的 GY2.5 型電機小手臂的轉(zhuǎn)動慣量- 13 -J3=34×0.22=1.36 kg.m2電動機轉(zhuǎn)動慣量J 電 3=100×0.52=25 kg.m2擺線減速器轉(zhuǎn)動慣量J 減 3=150×0.452=30.375 kg.m2所以小手臂總的轉(zhuǎn)動慣量為J 總 =23.43+1.36+25+30.375=80.165 kg.m2對應(yīng)在電動機上M 電 =9.45 N.m根據(jù)要求 M 電 M 額 ，選 P=2.2KW，Y-H 系列電機，轉(zhuǎn)速 n=800r/min4.5 傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計計算機器人傳動方案已經(jīng)確定為直流力矩電機傳動，電動機功率為 P=3KW，轉(zhuǎn)速為1000r/min4.5.1 大臂設(shè)計因為伺服電機是經(jīng)過了調(diào)速的，所以輸出端的速度很低，因此低速級選用直齒圓柱齒輪傳動。 小齒輪材料選用了 40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度 241-286HBS。大齒輪材料ZG35CrMo，調(diào)制處理，硬度 190-240HBS，精度 8 級。 取小齒輪齒數(shù) Z1=20，則 Z2=i，Z 1=5×20=100，大齒輪齒數(shù) Z2100。 根據(jù)齒面接觸疲勞強度（1） T =9.55×10 =9.55×10 ×(3/75) ×0.99=378180N mm161/Pn6 ×（2）初選載荷系數(shù)為 =1.4tK（3）查表取齒寬系數(shù)為 =1d（4）查表取彈性系數(shù)為 ZE=188.912aMP（5）查表取節(jié)點區(qū)域系數(shù)為 =2.5H（6）根據(jù)齒輪的硬度查表取小齒輪的接觸疲勞強度極限為 =1150 MPa，大齒lim1H輪的接觸疲勞強度極限為 =1120MPa。lim2（7）取工作壽命為 15 年，每年工作 250 天，2 班制小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7× 810- 14 -大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N2=N1/5=5.7× 70確定傳動尺寸 （1） 初算小齒輪分度圓直徑 d1t，代入【 H】中較小值d1t=29.04mm（2）按 K 值對 進行修正1t由圓周速度 v= 4.46m/s查表取動載荷系數(shù)為 =1.20v查表取齒間載荷分布系數(shù)為 =1.2K查表取齒向載荷分布系數(shù)為 =1.07查表取使用系數(shù)為 =1.00A所以載荷系數(shù) K= =1.54v按 K 值對 進行修正1td= =58.68mm31.546.8（4）確定模數(shù) m 以及主要尺寸m= =2.93mm，取整 m=3mm。1/dZ中心距 a=m( )/2= =180mm12301/2分度圓直徑 = =60mm， = =300mmdZ齒寬 b= =60mm，取小齒輪齒寬 =70mm，大齒輪齒寬 =65mm1.d1b2b齒頂高 = = =3mm，齒根高 = = =3.75mmah2afh2f.acm確定各個參數(shù)數(shù)值（1）查表取彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.95， =0.981NY2N（2）查表取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)（3）查表取齒寬系數(shù)為 =1d（4）查表取彈性系數(shù)為 ZE=188.9 12aMP（5）查表取節(jié)點區(qū)域系數(shù)為 =2.5H（6）根據(jù)齒輪的硬度查表取小齒輪的接觸疲勞強度極限為 =1150 MPa，大lim1H齒輪的接觸疲勞強度極限為 =1120MPa。lim256.81060n31tt- 15 -（7）取工作壽命為 15 年，每年工作 250 天，2 班制小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7× 810大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N2=N1/5=5.7× 704.5.2 小臂設(shè)計（1）四桿機構(gòu)設(shè)計計算搬運機器人的小臂的俯仰動作是通過鉸鏈四桿機構(gòu)來完成的，安裝在驅(qū)動力臂上的直流伺服電機通過鉸鏈四桿機構(gòu)驅(qū)動小臂實現(xiàn)俯仰運動。采用鉸鏈四桿機構(gòu)的目的是把直流伺服電機放到驅(qū)動力臂上，減輕小臂的重量，也降低了大臂驅(qū)動裝置的負載，減少運動過程中產(chǎn)生的動載荷與沖擊，提高整個搬運機器人的響應(yīng)速度。這個鉸鏈四桿機構(gòu)共有三種設(shè)計方案，分別是雙曲柄機構(gòu)、雙搖桿機構(gòu)、曲柄搖對于雙曲柄機構(gòu)來說機架為最短邊，又因為大臂為機架而且長度為 665mm，如果采用雙曲柄機構(gòu)，其它桿的桿長太長，而且上一章確定小臂的長度為 630mm，因此雙曲柄機構(gòu)不符合要求。對于雙搖桿機構(gòu)來說機架為最短邊的對邊，既大臂與最短桿相對。如果采用雙搖桿機構(gòu)，會導(dǎo)致其他兩桿的長度過長，在一定方向上占有的空間太大，而且小臂的俯仰角度不好確定，勢必會增加設(shè)計難度。綜合以上分析，在這里采用曲柄搖桿機構(gòu)具體如圖 4.1 所示。ab 邊代表大臂，長度為 1000mm，ad 邊代表底桿,長度為 400mm，dc 邊代表后桿，長度為 1000mm，bc 邊代表小臂長兩個連接點間的部分，長度為 200mm。ab 邊為機架，ad 邊為搖桿，bc 邊為曲柄。這種結(jié)構(gòu)首先滿足了 bc 邊長度小于小臂長度這一條件，而且所占的空間小，底桿和后桿的質(zhì)量比其他兩種方案要小.圖 4.1 四桿機構(gòu)示意圖(2)齒輪的設(shè)計與校核計算電磁式直流伺服電機經(jīng)調(diào)速后要通過一個齒輪組來傳遞動力，再通過齒輪帶動鉸鏈四桿機構(gòu)運動，從而實現(xiàn)小臂的俯仰運動。- 16 -選定材料、熱處理方式、精度等級及齒數(shù)因為電磁式直流伺服電機是經(jīng)過調(diào)速的，所以輸出端的速度較低，因此低速級選用直齒圓柱齒輪傳動。選擇小齒輪材料 40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度 241-286HBS。大齒輪材料 ZG35CrMo，調(diào)制處理，硬度 190-240HBS，精度 8 級。取小齒輪齒數(shù) =24，則 =5×24=120，大齒輪齒數(shù) Z2120。1Z21iZ按齒面接觸疲勞強度設(shè)計確定各個參數(shù)數(shù)值（1） T =9.55×10 × =9.55×10 ×(0.4/0.75) 161/Pn6×0.99=5.04×10 N mm4（2）初選載荷系數(shù)為 =1.4tK（3）查表取齒寬系數(shù)為 =1d（4）查表取彈性系數(shù)為 ZE=188.9（5）查表取節(jié)點區(qū)域系數(shù)為 =2.5H（6）根據(jù)齒輪的硬度查表取小齒輪的接觸疲勞強度極限為 =1150 MPa，大lim1H齒輪的接觸疲勞強度極限為 =1120MPa。lim2（7）取工作壽命為 15 年，每年工作 250 天，2 班制小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7× 810大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N2=N1/5=5.7× 710（8）查表取接觸疲勞壽命系數(shù)為 =1.08， =1.19NZ2N（9）取安全系數(shù)為 =1HS= =1242MPa1Hlim1.NZ= =1332.8MPa2li2S確定傳動尺寸（1）初算小齒輪分度圓直徑 ，代入 中較小的值1tdH=29.04mm24312.508.95154td（2）按 K 值對 進行修正1td- 17 -由圓周速度 =2.28m/s查表取動載荷系數(shù)為 =1.075vK查表取齒間載荷分布系數(shù)為 =1.2查表取齒向載荷分布系數(shù)為 =1.07查表取使用系數(shù)為 =1.00A所以載荷系數(shù) K= =1.38vK按 K 值對 進行修正1td= =29.04 =28.9mm13ttk3.84（4）確定模數(shù) m 以及主要尺寸m= =1.2mm 為了防止輪齒太小引起的意外折斷，m 一般不小于 1.5-2mm，故1/dZm=3mm。中心距 a=m( )/2= =216mm1234120/分度圓直徑 = =72mm， = =360mmddZ齒寬 b= =72mm，取小齒輪齒寬 =80mm，大齒輪齒寬 =75mm1.1b2b齒頂高 = = =3mm，齒根高 = = =3.75mmah2afh2f.acm3、按齒根彎曲疲勞強度校核 .tFFSKYbm確定各個參數(shù)數(shù)值（1）查表取彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.95， =0.981NY2N（2）查表取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)=2.65， =1.581FY1S=2.16， =1.8122（3）查表取彎曲疲勞極限 =710MPa， =710MPalim1Flim2F（4）取彎曲疲勞系數(shù) =1.25S可得 = =539.6MPa1Flim1(.)/NFY= =556.64MPa2li229.04156016dn- 18 -（5）驗算齒根彎曲疲勞強度= = =58.48MPa1F1/tFSKYbm 112/FSKTYbmd 1F= =54.61MPa221S2F彎曲疲勞強度足夠了。第五章 關(guān)鍵零部件的校核- 19 -5.1 腕部中心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核圖 5.1 腕部中心軸5.1.1 確定腕部中心軸的材料以及各段直徑和長度 腕部中心軸的材料為 40Cr，調(diào)制處理。 由于密封箱的壁厚為 45mm，孔徑為 150mm，因為外部還要裝端蓋，這段軸頸上還要裝配軸承，所以 ab 段的長度為 20mm，直徑為 85mm,裝配的軸承為角接觸球軸承，型號是 7217C。固定軸承的軸肩高度為 3.5mm。 bc 段為過渡段，長度為 35mm，直徑 92mm，固定齒輪的軸肩高度為 6.5mm。 由于大齒輪的齒寬為 65mm，軸頭的長度應(yīng)該小于輪轂的長度，所以 de 段的長度為300mm，直徑為 90mm。ef 段要安裝用于齒輪的軸向固定和軸承的軸向固定的軸套，考慮到另一半的密封箱的壁厚和孔徑以及大齒輪輪轂比軸頭多出的長度，這段軸頸的長度為 60mm，直徑為85mm。裝配的軸承為角接觸球軸承，型號是 7217C。 fg 段為過渡段，長度為 45mm，直徑為 80mm。 gh 段與手腕相連，大臂在此處的厚度為 39mm，孔徑為 90mm。因此這段軸的長度為 60mm，直徑為 60mm。脹緊套選用 Z2 型脹緊套。5.1.2 腕部中心軸的強度校核 （1）計算齒輪的受力 大齒輪和小齒輪的受力大小相等，方向相反。故在這里只計算小齒輪的受力。 轉(zhuǎn)矩 T1=9.55×10611/Pn=9.55×106×(3/75) ×0.99=378180N×mm圓周力 tF=112/Td=12606N 徑向力 rF=tantF=4588.2N （2）計算支撐反力 水平面受力圖如圖 5.2(a)所示。1HF+rF=2HF rF×138.52=2HF×(68.52+138.52)故 1HF=1518.46N，2HF=3069.73N 垂直面受力圖如圖 5.2(b)所示。 1VF+2VF+F=tF 1VF×(138.52+68.52)-tF×68.51-F×97.72=0 故 1VF=4312.14N，2VF=7893.04N （3）畫軸彎矩圖 - 20 -水平面彎矩圖見圖 5.2(c)HM 圖。垂直面彎矩圖見圖 5.2(d)VM 圖。合成彎矩圖見圖 5.2(e)圖，合成彎矩 M=22VHMM。 （4）畫轉(zhuǎn)矩圖 軸受轉(zhuǎn)矩 T= T1，轉(zhuǎn)矩圖見圖 5.2(f)1T 圖。- 21 -圖 5.2 轉(zhuǎn)矩圖（5）按彎扭合成應(yīng)力進行強度校核 de 段的中間截面為危險截面。取 a=0.6。 當量轉(zhuǎn)矩 T=0.6×378180=226908N×mm22/eMTW=10.37MPa，查表知 1b=70MPa，所以 e1b。因此大軸 1 的強度滿足要求，故安全。5.2 腕部中心軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 5.2.1 腕部中心軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計腕部中心軸 2 的材料為 40Cr，調(diào)制處理。 由于密封箱的壁厚為 45mm，孔徑為 150mm，因為外部還要裝端蓋，這段軸頸上還要裝配軸承，所以 gh 段的長度為 41mm，直徑為 85mm,裝配的軸承為角接觸球軸承，