i目 錄第一章 緒論 . 1 第二章 焊接機(jī)器人的總體方案 5 2.1 總體設(shè)計(jì)的思路 . 5 2.2 自由度和坐標(biāo)系的選擇 . 5 2.3 自由度和坐標(biāo)系的選擇 . 6 2.4 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 6 2.5 機(jī)械手的組成 7 第三章 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 11 3.1 液壓驅(qū)動(dòng) 11 3.2 氣壓驅(qū)動(dòng) 11 3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 12 第四章 傳動(dòng)方式的選擇 13 4.1 帶傳動(dòng) . 13 4.2 鏈傳動(dòng) . 13 4.3 齒輪傳動(dòng) . 14 4.4 蝸桿傳動(dòng) . 15 第五章 焊接機(jī)器人的組成 . 16 5.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) . 16 第六章 腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18 6.1 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 . 18 6.2 腕部結(jié)構(gòu)及選擇 . 18 第七章 臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算 26 7.1 臂部結(jié)構(gòu) . 26 7.2 臂部結(jié)構(gòu)的選擇及計(jì)算校核 . 27 第八章 機(jī)械手機(jī)座設(shè)計(jì) 29 8.1 機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 29 8.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 . 29 第九章 機(jī)械手材料選擇 31 9.1 材料選擇原則 . 31 ii8.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 . 32 第十章 焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算 . 34 9.1 位姿矩陣 . 34 9.2 焊接機(jī)器人位姿方程的正、逆解 . 38 總 結(jié) . 41 致 謝 . 42 參考文獻(xiàn) . 43 - 1 -第 1 章 緒論工業(yè)機(jī)器人（英語：industrial robot。簡稱 IR）是廣泛適用的能夠自主動(dòng)作，且多軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備。它們?cè)诒匾闆r下配備有傳感器，其動(dòng)作步驟包括靈活的，轉(zhuǎn)動(dòng)都是可編程控制的（即在工作過程中，無需任何外力的干預(yù)） 。它們通常配備有機(jī)械手、刀具或其他可裝配的的加工工具，以及能夠執(zhí)行搬運(yùn)操作與加工制造的任務(wù)。機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)，或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)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(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO ）工業(yè)機(jī)器人術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)的定義，工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)（Manipulator） ，具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機(jī)器人最后一個(gè)軸的機(jī)械接口，通常是一個(gè)連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。焊接機(jī)器人主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分。點(diǎn)焊機(jī)器人（spot welding robot）用于點(diǎn)焊自動(dòng)作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人。世界上第一臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)于 1965 年開始使用，是美國 Unimation 公司推出的 Unimate 機(jī)器人，中國在 1987 年自行研制成第一臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人──華宇-Ⅰ型點(diǎn)焊機(jī)器人。點(diǎn)焊機(jī)器人由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、示教盒和點(diǎn)焊焊接系統(tǒng)幾部分組成，由于為了適應(yīng)靈活動(dòng)作的工作要求，通常電焊機(jī)器人選用關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)，一般具有六個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)、小臂轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)、腕擺及腕捻。其驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)兩種。其中電氣驅(qū)動(dòng)具有保養(yǎng)維修簡便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用較為廣泛。從機(jī)器人誕生到本世紀(jì) 80 年代初，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長期緩慢的發(fā)展過程。到了 90 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機(jī)器人的制造成本和價(jià)格卻不斷下降。在西方社會(huì)，和機(jī)器人價(jià)格相反的是，人的勞動(dòng)力成本有不斷增長的趨勢(shì)。在西方國家，由于勞動(dòng)力成本的提高為企- 2 -業(yè)帶來了不小的壓力，而機(jī)器人價(jià)格指數(shù)的降低又恰巧為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用帶來了契機(jī)。減少員工與增加機(jī)器人的設(shè)備投資，在兩者費(fèi)用達(dá)到某一平衡點(diǎn)的時(shí)候，采用機(jī)器人的利顯然要比采用人工所帶來的利大，它一方面可大大提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。雖然機(jī)器人一次性投資比較大，但它的日常維護(hù)和消耗相對(duì)于它的產(chǎn)出遠(yuǎn)比完成同樣任務(wù)所消耗的人工費(fèi)用小。因此，從長遠(yuǎn)看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會(huì)大大降低。而機(jī)器人價(jià)格的降低使一些中小企業(yè)投資購買機(jī)器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。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)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。我國自上個(gè)世紀(jì) 70 年代末開始進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長足的發(fā)展，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，焊接機(jī)器人技術(shù)的研究十分活躍，焊接機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機(jī)器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個(gè)方面。應(yīng)用點(diǎn)焊機(jī)器人，有如下優(yōu)點(diǎn)：a.容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的完全自動(dòng)化；b.對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的適應(yīng)能力將大大加強(qiáng)；c.可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及質(zhì)量；d.可以明顯改善工作條件。我國的工業(yè)機(jī)器人從 80 年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)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，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；應(yīng)用規(guī)模小，沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。 工業(yè)機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用最早是從汽車裝配生產(chǎn)線上的電阻點(diǎn)焊開始的。原因在于電阻點(diǎn)焊的過程相對(duì)比較簡單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對(duì)機(jī)器人的精度和重復(fù)精度的控制要求比較低。國際工業(yè)機(jī)器人企業(yè)憑借與各大汽車企業(yè)的長期合作關(guān)系，向各大型汽車生產(chǎn)企業(yè)提供各類點(diǎn)焊機(jī)器人單元產(chǎn)品并以焊接機(jī)器人與整車生產(chǎn)線配套形式進(jìn)入中國，在該領(lǐng)域占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接生產(chǎn)線要求焊鉗一體化，重量越來越大，165公斤點(diǎn)焊機(jī)器人是目前汽車焊接中最常用的一種機(jī)器人。2008 年 9 月，機(jī)器人研究所研制完成國內(nèi)首臺(tái) 165 公斤級(jí)點(diǎn)焊機(jī)器人，并成功應(yīng)用于奇瑞汽車焊接車間。- 3 -2009 年 9 月，經(jīng)過優(yōu)化和性能提升的第二臺(tái)機(jī)器人完成并順利通過驗(yàn)收，該機(jī)器人整體技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國外同類機(jī)器人水平。 經(jīng)過 50 年的艱苦努力，中國焊接生產(chǎn)機(jī)械化自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，取得了很大的成就，焊接生產(chǎn)過程機(jī)械化與自動(dòng)化程度已達(dá)到 20%。在以焊接技術(shù)為主導(dǎo)制造工藝技術(shù)的大中型骨干企業(yè)，焊接生產(chǎn)過程綜合機(jī)械化與自動(dòng)化程度已達(dá)到40%～ 45%。在機(jī)床、鍋爐、汽車、化工機(jī)械、工程機(jī)械和重型機(jī)械等國家重點(diǎn)骨干企業(yè)，通過引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)及相應(yīng)配套的自動(dòng)化焊機(jī)、成套焊接設(shè)備、焊接生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)，使焊接生產(chǎn)機(jī)械化與自動(dòng)化技術(shù)達(dá)到了國際 90 年代初的先進(jìn)水平，進(jìn)入世界先進(jìn)之列。 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)：目前國際機(jī)變機(jī)界都在加大科研力度，進(jìn)變機(jī)變機(jī)共性技術(shù)的研究。從機(jī)變機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，焊安機(jī)變機(jī)和其它工畢機(jī)變機(jī)一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。夾體而言，表現(xiàn)在如定幾個(gè)方面： 機(jī)變機(jī)操動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)：與過有限元積析、電態(tài)積析及仿真畢畢等現(xiàn)代畢畢方法的變用，實(shí)現(xiàn)機(jī)變機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化畢畢。探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高總載/自重比。 機(jī)變機(jī)機(jī)機(jī)系統(tǒng)：重打研究開放式，電電化機(jī)機(jī)系統(tǒng)。向基于 PC 機(jī)的開放型機(jī)機(jī)變方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；變件集成度提高，機(jī)機(jī)機(jī)日見小巧，且采用電電化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操動(dòng)性和可維修性；機(jī)機(jī)系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)軟件伺服和安數(shù)字機(jī)機(jī)；機(jī)機(jī)界面更加友好。機(jī)變機(jī)傳感技術(shù)：機(jī)變機(jī)中的傳感變動(dòng)用日益重要，除采用傳統(tǒng)的變置、高度、加高度等傳感變機(jī)，裝配、焊安機(jī)變機(jī)還應(yīng)用了激光傳感變、視覺傳感變和力傳感變，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)機(jī)變物體的自動(dòng)定變以及精密裝配動(dòng)畢等，大大提高了機(jī)變機(jī)的動(dòng)畢性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。 網(wǎng)絡(luò)與光功能：日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機(jī)變機(jī)機(jī)機(jī)變已實(shí)現(xiàn)了與 Canbus、Profibus 總機(jī)及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)安，使機(jī)變機(jī)由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)變機(jī)由過去的專用畢備向標(biāo)準(zhǔn)化畢備發(fā)展。 虛擬機(jī)變機(jī)技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)變機(jī)中的動(dòng)用已從仿真、預(yù)演發(fā)展大用于過正機(jī)機(jī)，如使遙機(jī)機(jī)變機(jī)操動(dòng)者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)安動(dòng)畢環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)變機(jī)?；诙鄠鞲凶?、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)變機(jī)的虛擬遙機(jī)操動(dòng)和機(jī)機(jī)三互。 機(jī)變機(jī)性能價(jià)格比：機(jī)變機(jī)性能不斷提高(高高度、高精度、高可靠性、便于操動(dòng)和維修，而單機(jī)價(jià)格不斷定定。由于微畢子技術(shù)的快高發(fā)展和大規(guī)電集成畢畢的應(yīng)用，使機(jī)變機(jī)系統(tǒng)的可靠性有了很大提高 - 4 -多智能體調(diào)機(jī)技術(shù)：這是目前機(jī)變機(jī)研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、三互長的與光與磋商機(jī)理，感知與三三方法，建電和規(guī)劃、群體變?yōu)闄C(jī)機(jī)等方面進(jìn)變研究。本文首先確定了機(jī)械手的總體布局，然后提出了各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)方案，主要的設(shè)計(jì)和研究內(nèi)容有：a. 腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；b. 大臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；c. 小臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；d. 腕部擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。- 5 -第二章 焊接機(jī)器人的總體方案該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺(tái)焊接機(jī)器人，本章主要對(duì)焊接機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。2.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下:a. 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結(jié)構(gòu)。b. 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。c. 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。d. 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。2.2 總體設(shè)計(jì)的思路設(shè)計(jì)機(jī)器人大體上可分為兩個(gè)階段：(1) 系統(tǒng)分析階段①根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)；②分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境；③根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由度、- 6 -信息的存儲(chǔ)量、計(jì)算機(jī)功能、動(dòng)作精度的要求、容許的運(yùn)動(dòng)范圍、以及對(duì)溫度、震動(dòng)等環(huán)境的適應(yīng)性。(2) 技術(shù)設(shè)計(jì)階段①根據(jù)系統(tǒng)的要求確定機(jī)器人的自由度和允許的空間工作范圍，選擇機(jī)器人的坐標(biāo)形式；②擬訂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路線和空間作業(yè)圖；③確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型；④選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計(jì)；⑤繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。2.3 自由度和坐標(biāo)系的選擇機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指各運(yùn)動(dòng)部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)，對(duì)于一個(gè)構(gòu)件來說，它有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)就稱其有幾個(gè)自由度。各運(yùn)動(dòng)部件自由度的總和為機(jī)器人的自由度數(shù)。自由度一般為 3-6 個(gè)（不包括手部）,本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人為 4 自由度。2.4 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，包括對(duì)機(jī)器整機(jī)的設(shè)計(jì)要求和對(duì)組成零件的設(shè)計(jì)要求兩個(gè)方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。(1) 對(duì)機(jī)器整機(jī)設(shè)計(jì)的要求對(duì)機(jī)器使用功能方面的要求：實(shí)現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機(jī)械設(shè)計(jì)的最基本要求，好的使用性能指標(biāo)使設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。另外，操作使用方便、工作安全可靠、體積小、重量輕、效率高、外形美觀、噪聲低等往往也是設(shè)計(jì)時(shí)所要求的。對(duì)機(jī)器經(jīng)濟(jì)性的要求：機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造和使用的全過程中，在設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)要全面綜合的進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)為合理的功能定位、實(shí)現(xiàn)使用功能要求的最簡單的技術(shù)途徑和最簡單合理的結(jié)構(gòu)。(2) 對(duì)零件設(shè)計(jì)的基本要求機(jī)械零件是組成機(jī)器的基本單元，對(duì)機(jī)器的設(shè)計(jì)要求最終都是通過零件的設(shè)計(jì)要求來實(shí)現(xiàn)的，所以設(shè)計(jì)零件時(shí)應(yīng)滿足的要求是從設(shè)計(jì)機(jī)器的要求中引申出來的，即也應(yīng)從保證滿足機(jī)器的使用功能要求和經(jīng)濟(jì)性要求兩個(gè)方面來考慮。要求在預(yù)定的工作期限內(nèi)正?？煽康墓ぷ?，從而保證機(jī)器的各種功能的正常實(shí)現(xiàn)。這就要求零件在預(yù)定的壽命期內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生各種可能的失效，即要求零件在強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)穩(wěn)定性、耐磨性和溫升等方面必須滿足必要的條件，這些條件就是判定零件工作能力的推測(cè)。要盡量降低零件的生產(chǎn)制造成本，這要求從零件的設(shè)計(jì)和制造等多方面加以考慮。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理地選擇材料和毛坯的形式、設(shè)計(jì)簡單合理的零件結(jié)構(gòu)、合理規(guī)定零件加工的公差等級(jí)以及認(rèn)真考慮零件的加工工藝性和裝配工藝性等。另外要盡量- 7 -采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的零部件。任何一種機(jī)器都有動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)裝置和工作機(jī)組成。動(dòng)力機(jī)是機(jī)器工作的能量來源，可以直接利用自然資源或二次資源轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，如水輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)、氣動(dòng)馬達(dá)等。工作機(jī)是機(jī)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)功能，如機(jī)器人的末端執(zhí)行器就是工作機(jī)。傳動(dòng)裝置則是一種實(shí)現(xiàn)能量傳遞和兼有其他作用的裝置。本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示:圖 2.1 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖2.5 機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖 2.2 所示。控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 工作對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置檢測(cè)裝置圖 2.2 機(jī)械手的組成方框圖a. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。- 8 -(1) 手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛；平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的 :手指有外夾式和內(nèi)撐式；指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式，式彈簧式和重力式等。附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。對(duì)于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式。(2) 手腕是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng).一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足要求，有些動(dòng)作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小，并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。(3) 手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)- 9 -動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動(dòng)。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)部件受力狀態(tài)簡單。導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和 V 形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。(4) 立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰 )運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。(5) 行走機(jī)構(gòu)當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。(6) 機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。b. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四種形式。c. 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息( 如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。d. 位置檢測(cè)裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。- 10 -本題目規(guī)格參數(shù):腰部回轉(zhuǎn)最大角度 280 度；擺動(dòng)最大角度 120 度；工作范圍范圍 0-450mm； 本機(jī)械手的主要?jiǎng)幼魇牵菏紫妊炕剞D(zhuǎn)機(jī)械臂和焊點(diǎn)處于同一平面；接著大臂回轉(zhuǎn)，調(diào)整焊槍和焊點(diǎn)的距離；然后小臂回轉(zhuǎn)，使焊槍接觸焊點(diǎn)；最后腕部回轉(zhuǎn)，使焊槍和焊點(diǎn)垂直，達(dá)到焊接的目的。- 11 -第三章 驅(qū)動(dòng)方式的選擇目前焊接機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等多種方式，各種驅(qū)動(dòng)方式都有其自身的特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)用很廣泛，有些機(jī)器人則同時(shí)采用多種驅(qū)動(dòng)方式，這都視不同機(jī)器人的特點(diǎn)和要求所定。比較這些驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)，從而選擇適合焊接機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式。3.1 液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：（1）驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩較大，臂力可達(dá) 100 公斤；（2）速度反應(yīng)性好，因?yàn)楸或?qū)動(dòng)件的速度快慢取決于油液的容積變化，所以當(dāng)不考慮油液的溫度變化時(shí)，被驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的滯后也幾乎沒有，而且液壓機(jī)構(gòu)的重量輕、慣性小，因此他的速度反應(yīng)性較好；（3）調(diào)速范圍大，而且可以無級(jí)調(diào)速，易于適應(yīng)不同的工作要求；（4）傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實(shí)現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向；（5）在產(chǎn)生相同驅(qū)動(dòng)力的條件下，液壓驅(qū)動(dòng)比其他驅(qū)動(dòng)方式體積小、重量輕、慣性?。唬?）定位精度比氣動(dòng)高，但比電機(jī)低；（7）液壓系統(tǒng)的泄漏對(duì)機(jī)構(gòu)的工作穩(wěn)定性有一定的影響；（8）油液中如果混入氣體，將降低傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛性，影響定位精度（產(chǎn)生爬行）；（9）油液的溫度和粘度變化影響傳動(dòng)性能。液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人多用于要求臂力較大而且運(yùn)動(dòng)速度較低的工作場(chǎng)合。3.2 氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：（1）通過調(diào)節(jié)氣流，就可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速；（2）由于壓縮空氣粘性小，流速大，因此氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人動(dòng)作速度快；（3）壓縮空氣可以從大氣中吸取，故動(dòng)力源獲得方便、價(jià)格低廉，而且廢氣處理方便；（4）由于壓縮空氣粘度小，因此在管路中的壓力損失也很小，一般其阻力損失不到油液在油路中損失的千分之一，故壓縮空氣可以集中供應(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送；（5）壓縮空氣的壓縮性較大，因此使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較差，定位精度較低，而且壓縮空氣排到大氣中時(shí)噪聲較大，另外還須考慮潤滑和防銹等；- 12 -（5）壓縮空氣的工作壓力較低，致使機(jī)器人結(jié)構(gòu)較大。因此，氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，常用于臂力小于 30 公斤、運(yùn)動(dòng)速度較快以及高溫、低溫、高粉塵等工作條件惡劣的場(chǎng)合。3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按電機(jī)的功能可分為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和多態(tài)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理有很大的區(qū)別，性能上也存在著較大的差異。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸出力較大；（2）控制精度高，功率較大，能夠精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜；（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)速度很快；（4）伺服電動(dòng)機(jī)易標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需要配置減速裝置，出 DD 電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題；（5）電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境防爆性能較差；（6）對(duì)環(huán)境沒有很明顯的影響；（7）適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人；（8）維修和使用都較復(fù)雜。電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人可避免電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，效率比液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)的都高；電機(jī)系統(tǒng)將電動(dòng)機(jī)、測(cè)速即、編碼器及制動(dòng)器組裝在一次加工的殼體中，使得整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)體積小，可靠性和通用性也得到很大的提高；另外，電動(dòng)機(jī)根據(jù)運(yùn)行距離及電機(jī)的脈沖當(dāng)量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，可達(dá)到非常高的位姿準(zhǔn)確度，這些都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)的，液壓與氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成機(jī)構(gòu)繁瑣，維護(hù)不方便。綜上所述，選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為焊接機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式。- 13 -第四章 傳動(dòng)方式的選擇傳動(dòng)裝置是一種實(shí)現(xiàn)能量傳遞和兼有其他作用的裝置，它的主要作用有：能量的分配與傳遞；運(yùn)動(dòng)形式的改變；運(yùn)動(dòng)速度的改變。傳動(dòng)通常分為兩類：第一類是機(jī)械能不發(fā)生改變的傳動(dòng)——機(jī)械傳動(dòng)；第二類是機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑螂娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的傳動(dòng)——電傳動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)又可以分為嚙合傳動(dòng)、摩擦傳動(dòng)和流體傳動(dòng)三大類。考慮焊接機(jī)器人的實(shí)際情況，帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)是其可能的傳動(dòng)方式，所以下面對(duì)以上四種傳動(dòng)方式進(jìn)行比較。4.1 帶傳動(dòng)帶傳動(dòng)通常是由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和張緊在兩輪上的傳動(dòng)帶所組成的。當(dāng)主動(dòng)輪回轉(zhuǎn)時(shí)，依靠帶與帶輪接觸面見的摩擦力拖動(dòng)從動(dòng)輪一起回轉(zhuǎn)，從而傳遞一定的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。帶傳動(dòng)具有的優(yōu)點(diǎn)：（1）有良好的饒性和彈性，有吸振和緩沖作用，因而使帶傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲??；（2）有過載保護(hù)作用，當(dāng)過載時(shí)引起帶在帶輪上發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，可防止其他零件的損壞；（3）制造和安裝精度與齒輪傳動(dòng)相比較低，機(jī)構(gòu)簡單，制造、安裝、維護(hù)均較方便；（4）適合于中心距離較大的兩軸間的傳動(dòng)（中心距最大可達(dá) 15 米） 。帶傳動(dòng)具有的缺點(diǎn)：（1）由于彈性滑動(dòng)的存在，使得傳動(dòng)效率降低，不能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比；（2）由于帶傳動(dòng)需要初始緊張，因此，當(dāng)傳遞同樣大的圓周力時(shí)，與嚙合傳動(dòng)相比軸上的壓力較大；（3）結(jié)構(gòu)尺寸較大，不緊湊；（4）傳動(dòng)帶壽命短；（5）傳動(dòng)帶與帶輪之間會(huì)產(chǎn)生摩擦放電現(xiàn)象；（6）不宜用于有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)合?，F(xiàn)在一些新型帶傳動(dòng)形式，如高速帶傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、多楔帶傳動(dòng)已經(jīng)克服了以上大部分缺點(diǎn)。4.2 鏈傳動(dòng)鏈傳動(dòng)是由鏈條和主、從動(dòng)鏈輪所組成的。鏈輪上制造有特殊齒型的齒，依靠鏈輪齒與鏈節(jié)的嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。- 14 -鏈傳動(dòng)是屬于帶有中間饒性件的嚙合傳動(dòng)。與屬于摩擦傳動(dòng)的帶傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）鏈傳動(dòng)沒有彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率較高；（2）鏈條不需要像帶那樣張得很緊，所以作用于軸上的壓力較?。唬?）在同樣的使用條件下，鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較為緊湊。與齒輪傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：（1）鏈傳動(dòng)的制造安裝精度要求較低，成本低廉；（2）在遠(yuǎn)距離傳動(dòng)時(shí)，其結(jié)構(gòu)比齒輪傳動(dòng)輕便得多。鏈傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)：（1）在兩根平行軸間只能用于同向回轉(zhuǎn)傳動(dòng)；（2）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能保持恒定的瞬時(shí)傳動(dòng)比；（3）磨損后易發(fā)生跳齒；（4）工作時(shí)有噪聲；（5）不宜在速度變化很大和急速方向的運(yùn)動(dòng)中應(yīng)用。鏈傳動(dòng)主要用在要求工作可靠，且兩軸相距較遠(yuǎn)，以及其他不宜采用齒輪傳動(dòng)的場(chǎng)合。4.3 齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最為廣泛的一類傳動(dòng)，常用的漸開線齒輪傳動(dòng)具有以下特點(diǎn)：（1）傳動(dòng)效率高，在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪傳動(dòng)的效率是最高的；（2）一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)在正常潤滑條件下效率可達(dá) 99%以上，在大功率傳動(dòng)中，高純度效率是十分重要的；（3）傳動(dòng)比恒定，齒輪傳動(dòng)具有不變的瞬時(shí)傳動(dòng)比，因此成了齒輪傳動(dòng)可用于200m/s 以上的高速傳動(dòng)；（4）結(jié)構(gòu)緊湊，在同樣使用條件下，齒輪傳動(dòng)所需要的空間尺寸比帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)小得多；（5）工作可靠、壽命長，齒輪傳動(dòng)在正確安裝，良好潤滑和正常維護(hù)條件下，具有其他機(jī)械傳動(dòng)無法比擬的高可靠性和壽命。齒輪傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)有：（1）對(duì)齒輪制造、安裝要求高；（2）齒輪制造常用插齒機(jī)和滾齒機(jī)等專用機(jī)床和專業(yè)工具；（3）通常的齒輪傳動(dòng)為閉式傳動(dòng)，需要良好的維護(hù)保養(yǎng)，因此齒輪傳動(dòng)成本和費(fèi)用高；- 15 -（4）齒輪傳動(dòng)不適合中心矩較大的兩軸間的動(dòng)力傳動(dòng)。4.4 蝸桿傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)是一種空間齒輪傳動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)角為 90°的兩軸間動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞。蝸桿傳動(dòng)與圓柱齒輪傳動(dòng)和圓錐齒輪傳動(dòng)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)平穩(wěn)和可以自鎖等顯著特點(diǎn)。蝸桿傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是：（1）齒面摩擦力大，發(fā)熱量高，傳動(dòng)效率低；（2）通常用于中、小功率非長時(shí)間連續(xù)工作的應(yīng)用場(chǎng)合。表 4.1 主要傳動(dòng)形式的效率傳動(dòng)方式 傳動(dòng)效率帶傳動(dòng) 0.9-0.98鏈傳動(dòng) 0.93-0.97圓柱齒輪傳動(dòng) 0.9-0.99圓錐齒輪傳動(dòng) 0.88-0.98蝸桿傳動(dòng) 0.4-0.95表 4.1 中傳動(dòng)效率的范圍是由傳動(dòng)的潤滑條件、加工精度和類型不同而產(chǎn)生的。綜上所述，這里采用齒輪傳動(dòng)。- 16 -第五章 焊接機(jī)器人的組成焊接機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。5.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）手部手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單） 。手部多為兩指（也有多指） ；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。本設(shè)計(jì)為焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)，因此手部并無其他結(jié)構(gòu)，僅僅是一個(gè)焊槍，通過螺栓固定于腕部之上。（2）腕部腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)焊槍的方位，以擴(kuò)大焊槍的工作范圍，并使手部變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?270°）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人的腕部是利用液壓缸實(shí)現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。腕部的驅(qū)動(dòng)方式采用直接驅(qū)動(dòng)的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)計(jì)的十分緊湊可以把驅(qū)動(dòng)源裝在手腕上。機(jī)器人手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由電機(jī)和行星輪系實(shí)現(xiàn)的。（3）臂部手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具） ，并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到直線運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位） ，則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有一個(gè)自由度就能滿足基本要求，即臂部的伸縮運(yùn)動(dòng)。臂部的運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（電機(jī)）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部的靜、動(dòng)載荷。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。機(jī)器人臂部的伸縮使- 17 -其手臂的工作長度發(fā)生變化，在直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。（4）機(jī)身機(jī)身部分運(yùn)動(dòng)的目的：把臂部送到直線運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變臂部的姿態(tài)（方位） ，則用機(jī)身的自由度加以實(shí)現(xiàn)。機(jī)身的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（電機(jī)）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從機(jī)身的受力情況分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基座的機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)身的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍： 。機(jī)器人機(jī)身的伸縮使其工作長度發(fā)生變化，在直角坐標(biāo)式09~??結(jié)構(gòu)中，機(jī)身的最大工作長度決定其末端所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。機(jī)身部分的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)源來自電機(jī)。本章從焊接機(jī)器人的實(shí)用方面入手，提出了一套總體設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)機(jī)器人自由度的要求選取直角坐標(biāo)系為本次設(shè)計(jì)坐標(biāo)系。同時(shí)，就焊接機(jī)器人的組成（執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）以及現(xiàn)實(shí)作業(yè)，給出了具體的手部、腕部、臂部和基座的結(jié)構(gòu)形式；并選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為本次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。最后，給出了設(shè)計(jì)中所需的技術(shù)參數(shù)。- 18 -第六章 腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)6.1 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求(1) 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。(2) 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局腕部作為焊接機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐焊槍的作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。(3) 必須考慮工作條件對(duì)于本次設(shè)計(jì)，焊接機(jī)器人的工作條件是在工作場(chǎng)合中焊接工件，最大載荷為8KG，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)焊接機(jī)器人的腕部沒有太多不利因素。6.2 腕部結(jié)構(gòu)及選擇6.2.1 腕部結(jié)構(gòu)手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的位置，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變得靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕的運(yùn)動(dòng)形式可以有：繞 Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為上下擺動(dòng)；繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為左右擺動(dòng)；有的甚至是沿著 Y 軸或 Z 軸的橫向移動(dòng)。一般手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)或再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求。6.2.2 電動(dòng)機(jī)選擇由查表得，以及考慮到安全系數(shù) S,一般取 S=1.5，大致確定 P 至少大于 1KW。綜合以上數(shù)據(jù) 130SYX-01 型號(hào)伺服電機(jī)，其參數(shù)如下：額定功率=1.2KW額定轉(zhuǎn)矩=4N/M額定轉(zhuǎn)速=3000r/min額定電壓=160V額定電流=9.4A峰值轉(zhuǎn)矩=32N/M- 19 -電樞電阻=0.2 ?電框電感=3.2MH6.2.3 諧波齒輪減速器的選擇諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動(dòng)原理發(fā)展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動(dòng)（簡稱諧波傳動(dòng)） ，它是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機(jī)械波來傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的一種行星齒輪傳動(dòng)。 諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動(dòng)原理發(fā)展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動(dòng)（簡稱諧波傳動(dòng)） ，它是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機(jī)械波來傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的一種行星齒輪傳動(dòng)。 （1）傳動(dòng)原理 它主要由三個(gè)基本構(gòu)件組成：（1）帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪）2，它相當(dāng)于行星系中的中心輪； （2）帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）1，它相當(dāng)于行星齒輪；（3）諧波發(fā)生器 H，它相當(dāng)于行星架。當(dāng)諧波發(fā)生器為主動(dòng)時(shí)，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，就近使柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形（可控的彈性變形） ，這時(shí)柔輪的齒就在變形的過程中進(jìn)入（嚙合）或退出（嚙離）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處在完全的脫開。 諧波發(fā)生器通常成橢圓形的凸輪，將凸輪裝入薄壁軸承內(nèi)，再將它們裝入柔輪內(nèi)。此時(shí)柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的內(nèi)齒沿齒高嚙合。這是嚙合區(qū)，一般有 30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態(tài)，簡稱脫開；在波發(fā)生器長軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區(qū)段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態(tài)，稱之為嚙出。 諧波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時(shí)波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，就使柔輪齒的嚙入—嚙合—嚙出—脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，正是這一錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，作為減速器就可將輸入的高速轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動(dòng)。 對(duì)于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動(dòng)，當(dāng)波發(fā)生器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)1/8 周時(shí)，柔輪齒與剛輪齒就由原來的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來脫開狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。同樣道理，嚙出變?yōu)槊撻_，嚙合變?yōu)閲С觯@樣柔輪相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)動(dòng)（角位移）了1/4 齒；同理，波發(fā)生器再轉(zhuǎn)動(dòng)1/8周時(shí)，重復(fù)上述過程，這時(shí)柔輪位移一個(gè)齒距。依此類推，波發(fā)生器相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，柔輪相對(duì)剛輪的位移為兩個(gè)齒距。 柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個(gè)純滾動(dòng)（無滑動(dòng)）的圓環(huán)一樣，- 20 -兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過的弧長必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長上少了兩個(gè)齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)過兩個(gè)齒距的角位移，這個(gè)角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了減速的目的。 諧波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使柔輪上的一點(diǎn)不斷的改變位置，這時(shí)在柔輪的節(jié)圓的任一點(diǎn)，隨著波發(fā)生器角位移的過程，形成一個(gè)上下左右相對(duì)稱的和諧波，故稱之為：“諧波 ”。（二）特點(diǎn) 1．承載能力高 諧波傳動(dòng)中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時(shí)嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動(dòng)形式高。 2．傳動(dòng)比大 單級(jí)諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比，可達(dá) i=70～500。 3．體積小、重量輕。 4．傳動(dòng)效率高、壽命長。 5．傳動(dòng)平穩(wěn)、無沖擊，無噪音，運(yùn)動(dòng)精度高。6．由于柔輪承受較大的交變載荷，因而對(duì)柔輪材料的抗疲勞強(qiáng)度、加工和熱處理要求較高，工藝復(fù)雜。諧波減速器在國內(nèi)于六七十年代才開始研制，到目前已有不少廠家專門生產(chǎn)，并形成系列化。廣泛應(yīng)用于電子、航天航空、機(jī)器人等行業(yè)，由于它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在化工行業(yè)的應(yīng)用也逐漸增多。（三）減速器的選擇根據(jù)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 15-2-129 查表選出諧波減速器型號(hào)為：XB1-120-150。XB1 為產(chǎn)品代號(hào)，120 機(jī)型，150 表示減速比。其參數(shù)為：輸入功率=1.25KW輸入轉(zhuǎn)速=3000r/min輸出轉(zhuǎn)矩=450N/M輸出轉(zhuǎn)速=20r/min6.2.4 軸的計(jì)算（一）軸材料選擇軸的材料選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理， 。??pa360M??（二）軸的校核軸因?yàn)槭秦Q直的，本身自重可以忽略不計(jì)，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用。- 21 -故只對(duì)軸扭矩進(jìn)行校核。對(duì)軸進(jìn)行簡化計(jì)算：從齒輪計(jì)算中得到轉(zhuǎn)矩 ，m.38201NT?得到的扭矩圖：由圖可知，危險(xiǎn)截面在 C 面。在 C 面：扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：39-33t m10271654.??DW?pa.980t MT?在 C 無須進(jìn)行彎轉(zhuǎn)應(yīng)力校核，也無須根據(jù)第三強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核。軸的材料選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理， ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力，??pa360M??故合適。6.2.5 軸承選擇并校核為了保證機(jī)械臂的正常運(yùn)行，不僅軸承的制造質(zhì)量良好，而且機(jī)械臂的設(shè)計(jì)必須合理，軸承的裝配和使用必須規(guī)范。軸承的選擇對(duì)于機(jī)械臂的正常運(yùn)轉(zhuǎn)十分重要。a. 軸承類型的選擇機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的軸承選擇：推力球軸承，它承載能力較低，額定動(dòng)載荷比為 1，不能承受徑向載荷，只能承受一個(gè)方向的軸向載荷，限制軸和殼在軸向位移。極限轉(zhuǎn)速低。機(jī)座相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)處的軸承選擇：一對(duì)圓錐滾子軸承。額定動(dòng)載荷比 1.5~2.5。能承受單向軸向載荷，在徑向載荷作用下會(huì)產(chǎn)生附加軸向力，一般成對(duì)使用。能限制軸和外殼在一個(gè)方向的軸向位移。313 系列具有較大的接觸角，可以承受更大的軸向載荷。大臂、小臂、腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的選擇：深溝球軸承，承載能力較小，額定動(dòng)載荷比為 1。主要承受徑向載荷，也可同- 22 -時(shí)承受一定的軸向載荷。當(dāng)軸承的徑向游隙加大時(shí)，具有角接觸軸承的功能，可承受較大的軸向載荷。允許一定的軸向位移，但軸向位移限制在軸向游隙范圍內(nèi)。摩擦系數(shù)小，極限轉(zhuǎn)速高。結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。工作期間不需要保養(yǎng)。適于高速，應(yīng)用極為廣泛。b. 軸承代號(hào)的選擇推力球軸承：根據(jù)安裝軸承段的軸徑為 35mm，以及軸承長度及安裝考慮，最終選擇推力球軸承代號(hào)為 51107 GB 301-1995。其基本尺寸如下：圓錐滾子軸承：根據(jù)安裝軸承段的軸徑為 70mm，以及軸承長度及安裝考慮，最終選則圓錐滾子軸承代號(hào)為 30214 GB 297-94。大臂轉(zhuǎn)動(dòng)軸承：根據(jù)安裝軸承段的軸徑為 35mm，以及軸承長度及安裝考慮，最終選則深溝球軸承代號(hào)為 61807 GB 276-94。小臂轉(zhuǎn)動(dòng)軸承：根據(jù)安裝軸承段的軸徑為 15mm，以及軸承長度及安裝考慮，最終選則深溝球軸承代號(hào)為 61802 GB 276-94。腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸承：根據(jù)安裝軸承段的軸徑為 15mm，以及軸承長度及安裝考慮，最終選則深溝球軸承代號(hào)為 61802 GB 276-94?，F(xiàn)在選取一深溝球軸承校核。(1) 驗(yàn)算軸承平均壓力 p(單位為 MPa)??pd??BF Nlr 274108.45.01.389. 622 ??????pa407M?式中：B ——軸承寬度，mm(根據(jù)寬徑比 B/d 確定 )[p]——軸瓦材料的許用壓力，單位為 MPa(2) 驗(yàn)算軸承的 [pv]值(單位為 MPa·m/s)pv=0.24×0.17=0.0408MPa·m/sv——軸徑圓周速度，即滑動(dòng)速度，m/s[pv]——軸承材料的 pv 許用值，MPa·m/s3.驗(yàn)算滑動(dòng)速度 v(單位為 m/s)v=0.17m/s[v]為許用滑動(dòng)速度，單位為 m/s根據(jù)這些數(shù)據(jù)查機(jī)械設(shè)計(jì)第七版表 12-2 選擇軸承為耐磨鑄鐵 HT300?；瑒?dòng)軸承和軸承座的配合為過渡配合，定為 ，IT6=13 ,IT7=216/734mH??m?基準(zhǔn)孔 H7 的下偏差 EI=0,上偏差為- 23 -ES=EI+IT7=+0.021 m?軸瓦 m 的下偏差 ei=0.008 ,es=ei+IT6=0.021 m?由此得 ， 。021.347??H021.8346??滑動(dòng)軸承和軸的配合為間隙配合，定為 ，IT6=13 ,IT7=2157/6H?m?基準(zhǔn)軸 h6 的上偏差 es=0,下偏差為ei=es－IT6=(0－13)=－13 m?孔 H7 的下偏差 EI=0孔 H7 的上偏差 ES=EI+IT7=21由此得 。0.21657H??6.2.6 齒輪的設(shè)計(jì)與校核齒輪參數(shù)計(jì)算及其校核：①材料：高速級(jí)小齒輪選用 鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為 250HBS。高速級(jí)大齒輪選45?用 鋼正火，齒面硬度為 220HBS。45?②齒輪計(jì)算，查課本表得:。 lim10HMpa??lim20Hpa??材料彈性系數(shù) Z Z =189.8(N/mm )（表 15-17） E2重合度系數(shù) Z =（（4- ）/3） =0.9（表 15-18） ??/1節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) Z Z =2.5(圖 15-22) H螺旋角系數(shù) Z Z =1 (式 15-34) ?計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N：N =60njL=60×500×1×8×11×250=6.6×1081N = N /i =6.6×10/4.2=1.571×108 212表 10-4 得：。.HS?.3F故 ??lim1150.HMpa??。li2249.HS查課本表 10-21 圖得：。lim10Fpa??lim2150Fpa??故 ??lim14.3F MS。li22.F- 24 -由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）進(jìn)行試算即 ??32121 )(. HEdtt ZiTKd??????轉(zhuǎn)矩 3195080PNmn???載荷系數(shù) K:K= K K K K AV??7 級(jí)精度制造，查課本表 10-3 得：載荷系數(shù) ，取齒寬系數(shù) 計(jì)算中心距：1.2?0.4a????????11 2533551.690.9718.97HaTauu???? ???????????????考慮計(jì)算原因取 60?4m則 取 12Z1Z21?傳動(dòng)比：i= 7/3.9齒寬： 取046ab???264b1大齒輪： ,小齒輪： 221?136Z大端分度圓直徑 d =m =4×36=144㎜，d =m =4×71=284㎜z2z齒頂圓直徑 d = d +2mcosδ =144+6cos13.3924=236.87㎜，1a2d = d +2mcosδ =284+6cos76.6076=295.900㎜a22齒根圓直徑 d = d -2.4mcosδ =63-2.4cos13.3924=55.966㎜f11d = d -2.4mcosδ2=276-2.4×cos76.6076=86.532㎜f2齒輪錐距 R=1/2 =135.998 2+大端圓周速度 v=πd n /60000=3.14×63×500/60000=1.649m/s，1齒寬 b= 0.4×135.998=64.14選齒輪精度為 7 級(jí)Δ =（0.1～0.2）R1=（0.1 ～0.2） 305.500=30.05～60.1㎜取 Δ =10㎜，Δ =14㎜,c=10 ㎜12輪寬 L =（0.1～0.2）d =（0.1～0.2）93=12.4㎜21L =（0.1～0.2）d =（0.1～0.2）×291=39㎜2③按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)：- 25 -1 11270[]tHHEHKFuZbd???????2 218]FYMpa?所以安全。④驗(yàn)算輪齒彎曲強(qiáng)度：查課本表 10-5 得： 1.6FY?2.F最小齒寬 計(jì)算：264b所以安全。??21 253.8F FYMpa?????查課本第 162 頁表 11-2 知選用 7 級(jí)的的精度是合適的。以上課本為《 機(jī)械設(shè)計(jì)》 （第八版） 。本章主要內(nèi)容為腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括：腕部結(jié)構(gòu)的選取和腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。首先，根據(jù)腕部設(shè)計(jì)的基本要求選擇與本次設(shè)計(jì)相符合的腕部結(jié)構(gòu)；然后，按照給定的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；最后，確定了腕部回轉(zhuǎn)所需的回轉(zhuǎn)力矩、選用回轉(zhuǎn)缸以及選取各關(guān)鍵部位螺栓的計(jì)算。- 26 -第七章 臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算7.1 臂部結(jié)構(gòu)手臂部件是機(jī)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(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位） ，則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備 3 個(gè)自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)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(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。臂部設(shè)計(jì)首先要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)，為此，需要滿足下列各項(xiàng)基本要求：一、臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕對(duì)于機(jī)械手臂部或機(jī)身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結(jié)構(gòu)上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸） 。顯然伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能、位置精度和負(fù)荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應(yīng)注意以下幾方面：(1) 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸；(2) 提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離；(3) 合理布置作用力的位置和方向；(4) 注意簡化結(jié)構(gòu)；(5) 提高配合精度。臂部通常既受彎曲（而且不僅是一個(gè)方向的彎曲） ，也受扭矩，應(yīng)選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，機(jī)械手常采用無縫鋼管作為導(dǎo)向桿，用工字鋼或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置，從而使得結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。二、臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。在一般情況下，手臂的移動(dòng)和回轉(zhuǎn)、俯仰均要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前的減速度不能太大，否則會(huì)引起沖擊和振動(dòng)。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有 4 個(gè)途徑：- 27 -(1) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料；(2) 減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸；(3) 減少回轉(zhuǎn)半徑 ρ，再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作；(4) 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)緩沖裝置。三、手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。四、位置精度要求高一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度要求較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)結(jié)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測(cè)裝置最好裝在最后的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)以減少或消除傳動(dòng)、嚙合件間的間隙?？偨Y(jié)：除此之外，要求機(jī)械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手還要設(shè)置防塵裝置等。以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計(jì)出完美的、性能良好的機(jī)械手。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂殼體采用鑄鋁加工而成。機(jī)械手手臂剛性好、抗扭能力強(qiáng)、重量輕，所有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置都置于機(jī)械手臂內(nèi)部，外形簡潔；機(jī)械手表面還裝有緩沖墊，當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置出現(xiàn)故障或供電電池耗盡時(shí)，可以起到緩沖作用，避免手臂沖擊造成損壞。7.2 臂部結(jié)構(gòu)的選擇及計(jì)算校核7.2.1 電動(dòng)機(jī)選擇電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算：得出電機(jī)需帶動(dòng)的扭矩。T=cosΘ*F*S=cosΘ*12*10* /1000=78N/M2650?T=9550*P/nN=60r/min所以輸出功率 P=T*n/9550=78*60*9550=0.49KW=490W。因?yàn)楣β式?jīng)過整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)后不變，所以電機(jī)至少需要也為 490W,即 0.49KW?？紤]到安全系數(shù) S,一般取 S=1.5，所以 P 至少大于 1.5*0.49=0.735kw7.2.2 軸的計(jì)算一、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 28 -根據(jù)軸承的要求和機(jī)構(gòu)本身的性能要求，得到軸的尺寸軸的材料選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理， 。??pa360M??二、軸的校核軸本身自重可以忽略不計(jì)，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用,故只對(duì)軸扭矩進(jìn)行校核。A,B 處為相同兩個(gè)槽，受扭矩相同， C 處也是受扭矩影響大之處。故腰對(duì) B,C 兩處進(jìn)行校核。對(duì)軸進(jìn)行簡化計(jì)算：從電動(dòng)機(jī)計(jì)算中得到轉(zhuǎn)矩 ，計(jì)算 A,B 處扭矩為 3119N.mmm.523871NT?得到的扭矩圖：圖7.1 扭矩圖有圖可知，其受理