[信息與通信]焊接機器人腰部結(jié)構(gòu)設計

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。信息與通信焊接機器人腰部結(jié)構(gòu)設計1 前言焊接機器人腰部結(jié)構(gòu)設計摘 要 工業(yè)機器人最大的應用領(lǐng)域是焊接機器人,它占工業(yè)機器人總數(shù)的25%左右。由于對許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求,一般工人已難以勝任這一工作;此外6自由度焊接機器人還可以減少焊接時的火花及煙霧等對人體造成危害,因而,本課題的提出就有十分重要的意義。為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的焊接質(zhì)量,滿足實際工作需要,本課題設計了用于焊接的關(guān)節(jié)型機器人。根據(jù)機器人的工作要求和結(jié)構(gòu)特點，進行了機器人的總體設計，確定了機器人的外形尺寸和工作空間，擬定

2、了機器人各關(guān)節(jié)的總體傳動方案，對機器人腰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進行了詳細設計，合理布置了電機和齒輪，確定了各級傳動參數(shù)，進行了齒輪、軸和軸承的設計計算和校核。利用齊次變換矩陣法建立了六自由度關(guān)節(jié)機器人的正運動學模型，求出機器人末端相對于各自參考坐標系的齊次坐標值，建立了在直角坐標空間內(nèi)機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)與關(guān)節(jié)變量值的對應關(guān)系?；趲缀瓮队霸硗茖С鱿鄳哪孢\動學模型，求出了各個關(guān)節(jié)的角度值，建立了機器人關(guān)節(jié)空間與世界空間的映射關(guān)系。該機器人具有剛性好，位置精度高、運行平穩(wěn)的特點。關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)型機器人；總體設計；腰部結(jié)構(gòu)設計；6自由度。The waist structural design of a

3、rticulated robotABSTRACTThe largest industrial robot application is welding robot, which accounted for the total number of industrial robots about 25 percent. Because of the many components of welding precision and speed to the growing demands, the general competence of workers has been difficult th

4、is work; Moreover, the welding robot can also reduce the welding sparks and smoke caused harm to the human body and so, therefore, the subject The proposal has very great significance.In order to improve the efficiency of production and welding quality of products and meet real work's needs, thi

5、s subject has designed the articulated robot used for welding . According to the job requirements for the robot and structure characteristic , I have carried on the overall design of the robot, confirmed the external dimension and workspace of the robot, drafted the overall transmission scheme of ev

6、ery joint of the robot. I have designed the waist structure of the robot in detail, assigned the electrical machinery and gear wheel rationally, confirmed at all level transmission parameters , carried on the design and calculating of gear wheels , shafts and bearings and checking them.The kinematic

7、 model of robot system has been built up by means of the homogenous transformation of matrix in this thesis and deduces the robot's homogenous coordinate which is relative to its reference coordinate. We also make up the position relationship between the robot's end effector and the variable

8、 friable of every joint. The inverse kinematic model is deduced which based on the projection principle of geometry and the value of angle is worked out. Whats more, the relationship is built up between the joint space of robot and the world space. This robot has the characteristics of fine rigidity

9、 , position precision high , that operate steadily.Key words: Articulated robot; Design overallly; Waist articulated structural design of the robot；6目 錄第一章 緒論01.1 題目來源與分析01.2 研究目的1第二章6自由度焊接機器人結(jié)構(gòu)設計32.1 確定基本技術(shù)參數(shù)32.1.1 機械結(jié)構(gòu)類型的選擇32.1.2 額定負載32.1.3 工作范圍42.1.4 操作機的驅(qū)動系統(tǒng)設計42.1.5 控制系統(tǒng)選擇52.1.6 確定關(guān)節(jié)型機器人手臂的配置形式5

10、2.2 關(guān)節(jié)型機器人本體結(jié)構(gòu)設計6第三章 6自由度焊接機器人腰部結(jié)構(gòu)設計83.1電動機的選擇93.2計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比93.3 軸的確定93.4 齒輪的參數(shù)103.5自由度焊接機器人立柱設計113.6 自由度焊接機器人基座設計12第四章 焊接機器人腕部結(jié)構(gòu)設計13動作范圍13手腕回轉(zhuǎn)131313手腕擺動131313手腕旋轉(zhuǎn)131313額定載荷1313最大速度13134.1 回轉(zhuǎn)部分134.1.1選擇電動機134.1.1選擇電動機的類型134.1.2 傳動裝置的總傳動比及各級傳動比分配144.1.3 傳動裝置的總傳動比144.1.4 分配各級傳動比144.1.5 計算傳動裝置

11、的運動參數(shù)和動力參數(shù)154.1.6 軸的計算154.1.7確定齒輪傳動的精度204.1.8 確定齒輪的參數(shù)214.1.9 選擇材料214.1.10壓力角的選擇214.1.11齒數(shù)和模數(shù)的選擇214.4.12確定齒寬系數(shù)21符號22公式2222224.3 擺腕部分254.3.1 傳動裝置的總傳動比及各級傳動比分配254.3.1確定三根軸的具體尺寸254.3.2 確定齒輪的參數(shù)264.3.3 確定齒輪傳動的精度274.4 轉(zhuǎn)腕284.4.1 傳動裝置的總傳動比及各級傳動比分配284.4.2 齒輪參數(shù)29第五章 結(jié)論33參考文獻34致 謝35附錄A INTRODUCTION TO ROBOTICS

12、MECHANICS AND CONTROL36附錄B 機器人學導論39VV第一章 緒論1.1 題目來源與分析題目6自由度焊接機器人來源于生產(chǎn)實踐中。要求設計的機器人具有6個自由度： 腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)； 臂關(guān)節(jié)俯仰； 肘關(guān)節(jié)俯仰； 腕關(guān)節(jié)仰腕； 擺腕；旋腕。其中要詳細地設計機器人腕部回轉(zhuǎn)部分的結(jié)構(gòu)。整體機器人要實現(xiàn)腕部最大負荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑1500mm 。機器人一詞不僅可以在科幻小說、動畫片中看到和聽到，在電視中我們也可以看到在工廠進行作業(yè)的機器人，在實際生活中同樣有機會看到機器人的展示。在現(xiàn)實生活中，機器人并不是在簡單意義上代替人工勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種

13、擬人的電子機械裝置。這種裝置既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反映和分析判斷能力，又有機器可個時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。從某種意義上說，機器人是機器進化的產(chǎn)物，是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設備。機器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化的、獨立的自動化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應用工業(yè)機器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個重要內(nèi)容。自古以來,人們所設想的機器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類智能的機器。特別是在20世紀20年代前后,捷克和美國的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關(guān)

14、于未來機器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學作品,更使機器人在人們的思想中成為一種無所不能的“超人”。在現(xiàn)實生活中,一些民間工匠根據(jù)這些文學描繪,也制造出一些仿人或仿生的機器人。然而在當時的科技條件下,要使機器人具有某種特殊的“智能”而成為“超人”,顯然是不可能的。美國的戴沃爾設想了一種可控制的機械手,他首先突破了對機器人的傳統(tǒng)觀點,提出機器人并不一定必須像人,但是必須能做一些人的工作。1954年,他依據(jù)這一想法設計制作了世界上第一臺機器人實驗裝置,發(fā)表了適用于重復作業(yè)的通用性工業(yè)機器人一文,并獲得了美國專利。戴沃爾將遙控操縱器的關(guān)節(jié)型連桿機構(gòu)與數(shù)控機床的伺服軸聯(lián)結(jié)在一起,預定的機械手動作

15、一經(jīng)編程輸入后,機械等就可以離開人的輔助而獨立運行。這種機器人也可以接受示教而完成各種簡單任務。示教過程中操作者用手帶動機械手依次通過工作任務的各個位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲器中，任務的執(zhí)行過程中，機器人的各個關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動下再現(xiàn)出那些位置序列。因此，這種機器人的主要技術(shù)就是“可編程”以及“示教再現(xiàn)”。機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多種學科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍、應用日益廣泛的領(lǐng)域。所以，機器人應用情況是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，機器人正在經(jīng)歷著一個從初級到高級的飛躍，它正沿著達爾文的“進化論”逐

16、漸發(fā)展自己，壯大自己，完善自己。研制具有人類外觀特征，可以模擬人類行走與基本操作功能的類人型機器人，一直是人類機器人研究的夢想之一。類人型機器人研究是一門綜合性很強的學科，代表著一個國家的高科技發(fā)展水平。1997年，日本本田公司率先研制出第一臺類人型步行機器人樣機。目前，機器人正在進入“類人機器人”的高級發(fā)展階段，即無論從相貌到功能還是從思維能力和創(chuàng)造能力方面，都向人類“進化”甚至在某些方面大大超過人類，如計算能力和特異功能等。類人型機器人技術(shù)，集自動控制、體系結(jié)構(gòu)、人工智能、視覺計算、程序設計、組合導航、信息融合等眾多技術(shù)于一體。專家指出，未來的機器人在外形方面將大有改觀，如目前的機器人大都

17、為方腦袋、四方身體以及不成比例的粗大四肢，行進時要靠輪子或只作上下、前后左右的機械運動，而未來的機器人從相貌上來看與人無區(qū)別，它們將靠雙腿行走，其上下坡和上下樓梯的平衡能力也與人無異，有視覺、有嗅覺、有觸覺、有思維，能與人對話，能在核反應堆工作，能滅火，能在所有危險場合工作，甚至能為人治病，還可克隆自己和自我修復自己?？傊鼈兡茉诟鞣N非常艱難危險的工作中，代替人甚至超過人類去從事各種工作。1.2 研究目的6自由度焊接機器人是最大的工業(yè)機器人應用領(lǐng)域,它占工業(yè)機器人總數(shù)的25%左右。由于對許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求,一般工人已難以勝任這一工作;此外,焊接時的火花及煙霧等,對人

18、體造成危害,因而,此課題的提出就有十分重要的意義。1.3 國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀隨著計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動機器人和機器人的視覺和觸覺等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動了機器人概念的延伸。20世紀80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機器人，這是一個概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導了機器人技術(shù)的研究和應用，而且又賦予了機器人技術(shù)向深廣發(fā)展的巨大空間。水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途的機器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。將機器人的技術(shù)擴散和滲透到各個領(lǐng)域，便形成了各

19、式各樣的新機器機器人化機器。當前，與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機器人”、“網(wǎng)絡機器人”的名稱，這也說明了機器人所具有的創(chuàng)新活力。美國的機器人技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平。在19671974年的幾年時間里，因為政府對機器人發(fā)展不夠，且機器人處于發(fā)展初期，價格昂貴，適用性不強，所以發(fā)展緩慢。此后，由于美國機器人協(xié)會、制造工程師協(xié)會積極主動地進行機器人技術(shù)推廣工作，切美國為了高效生產(chǎn)，適應時常多變的需要，以機器人為核心的柔性自動化生產(chǎn)線恰好具有這些優(yōu)點，所以機器人技術(shù)得以迅猛發(fā)展。國內(nèi)外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢(1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而

20、單機價格不斷下降。(2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維護性。(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制； (5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人

21、中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。(6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是治理于操作者于機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領(lǐng)域。國際機器人研究在經(jīng)過了80年代的低潮之后,呈現(xiàn)出復蘇和繼續(xù)發(fā)展的形勢;我國的機器人研究在國家七五八五及863計劃

22、的推動下也取得了很大的發(fā)展。在70年代的機器人浪潮相比,現(xiàn)在的機器人研究有兩個特點:一是對機器人智能的定位有了更加符合實際的標準,也就是不要求機器人具有像人類一樣的高智商,而只是要求機器人在某種程度上具有自主處理問題的能力。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術(shù)、控制技術(shù)硬件和軟件設計技術(shù)、運動學和軌跡規(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、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制

23、造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應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；機器人應用工程起步晚，應用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。從20世紀90年代初期起，我國的國民經(jīng)濟進入

24、實現(xiàn)兩個根本轉(zhuǎn)變時期，掀起了新一輪的經(jīng)濟體制改革和技術(shù)進步熱潮。我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進了一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果，其中最為突出的是水下遙控機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、聲覺、觸覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息

25、融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。第二章6自由度焊接機器人結(jié)構(gòu)設計2.1 確定基本技術(shù)參數(shù)2.1.1 機械結(jié)構(gòu)類型的選擇為實現(xiàn)總體機構(gòu)在空間的位置提供的6個自由度，可以有不同的運動組合，根據(jù)本課題可以將其設計成以下五種方案：(1)圓柱坐標型 這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標型比較，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，

26、而運動范圍大。(2)直角坐標型 直角坐標型工業(yè)機器人，其運動部分由三個相互垂直的直線移動組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離，可在各坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大、靈活性較差。(3)球坐標型 又稱極坐標型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，即一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點，但結(jié)構(gòu)復雜。(4)關(guān)節(jié)型 關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由

27、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)運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取靠進機座的物體。(5)平面關(guān)節(jié)型 采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運動，而移動關(guān)節(jié)則實現(xiàn)上下運動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。對以上五種方案進行比較：方案一不能夠完全實現(xiàn)本課題所要求的動作；方

28、案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復雜；方案五無法實現(xiàn)本課題的動作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動作靈活，工藝操作精度高。2.1.2 額定負載目前,國內(nèi)外使用的工業(yè)機器人中,其負載能力的范圍很大,最小的額定負載在5N以下,最大可達9000N。負載大小的確定主要是考慮沿機器人各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應包括機器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務要求是保證手腕部能承受的最大載荷是6kg。2.1.3 工作范圍工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中的操作范圍和運

29、動的軌跡來確定的,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機器人的機械結(jié)構(gòu)坐標型式、自由度數(shù)和操作機各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍的選擇。如圖2-12.1.4 操作機的驅(qū)動系統(tǒng)設計關(guān)節(jié)型機器人本體驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)，它們常和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動臂桿和載荷完成指定的運動。通常的機器人驅(qū)動方式有以下四種: 圖2-1 運動范圍圖圖2-1工作運動范圍(1)步進電機：可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運動精度較差，負載和沖擊震動過大時會造成“失步”現(xiàn)象。 (2

30、)直流伺服電機：直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應等特點，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。(3)交流伺服電機：交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進電機相比價格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場效應管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機在調(diào)速性能方面可以與直流電機媲美。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率，提供很高的響應速度。(4)液壓伺服馬達：液壓伺服馬達具有較

31、大的功率/體積比，運動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負載能力也比較大，能夠抓住重負載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動方式。常用的驅(qū)動器有電機和液壓、氣動驅(qū)動裝置等。其中采用電機驅(qū)動是最常用的驅(qū)動方式。電極驅(qū)動具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機器人應用要求等特點。所以在這次設計中我選擇了直流電機作為驅(qū)動器。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。本課題的機器人

32、將采用直流伺服電動機。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。2.1.5 控制系統(tǒng)選擇對于焊接機器人這種精度要求不高的工業(yè)機器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教方式作為一種成熟的技術(shù)，易被熟悉工作任務的人員掌握。無論是手把手示教或示教盒示教，都是以在線編程，由示教操作人員操作移動末端執(zhí)行器和手臂到所需的位置。然后記錄（存儲）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過程完成后，即可應用，機器人以再現(xiàn)方式重復進行示教時存于存儲器的點位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過程的速度可以與示教時速度不同。利用示教手柄由人工引導末端執(zhí)行器經(jīng)過所要求的軌跡，此時位置傳感器就檢測出機

33、器人操作機上各關(guān)節(jié)處的坐標（或轉(zhuǎn)角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲存）下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時，機器人控制系統(tǒng)重復再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。手把手示教也能實現(xiàn)點位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。軌跡運動速度則按各軌跡程序段對應的功能數(shù)據(jù)輸入。2.1.6 確定關(guān)節(jié)型機器人手臂的配置形式手臂的配置形式反映了機器人操作機的總體布局。根據(jù)任務要求,要實現(xiàn)機器人焊接功能,則機器人的工作范圍要廣,所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點是占地面積小,工作范圍大,機器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。根據(jù)分析,可將機器人的參數(shù)列在表2-1中：表2-1 關(guān)節(jié)型機器人的主要參數(shù)項目技術(shù)要求結(jié)構(gòu)型式關(guān)節(jié)型自

34、由度數(shù)6運動范圍308º314º 292º 578º 244º 534º最大速度2ms腕部最大負荷6驅(qū)動方式直流電機重復定位精度0.05mm控制方式PTPCP操作方式示教再現(xiàn)存儲容量19kw質(zhì)量機械本體13.2kg;控制柜36.33kw輸入輸出3232位電源110130V交流;5060Hz;1.2kW安裝環(huán)境546;(2090)%RH2.2 關(guān)節(jié)型機器人本體結(jié)構(gòu)設計圖2-2是整個機器人本體機械傳動系統(tǒng)的簡圖。機械傳動系統(tǒng)共有30個齒輪，為了實現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向90°,有10個齒輪為圓錐齒輪,有利于簡化系統(tǒng)運動方程式的結(jié)

35、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,就不利于簡化系統(tǒng)運動方程式的結(jié)構(gòu)形式。機器人主要由立柱與基座組成的回轉(zhuǎn)基座以及大臂、小臂、手腕組成?；且粋€鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié)1的驅(qū)動電機，在基座內(nèi)安置了關(guān)節(jié)1的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座等。大臂和小臂的結(jié)構(gòu)形式相似，都由內(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。內(nèi)部鑄件既作臂的承力骨架，又作內(nèi)部齒輪組的輪殼與軸的支承座。大臂上裝有關(guān)節(jié)2，3的驅(qū)動電機，內(nèi)部裝有對應的傳動齒輪組。關(guān)節(jié)2，3都采用了圖2-2 關(guān)節(jié)型機器人傳動原理圖三級齒輪減速，其中第一級采用錐齒輪，以改變傳動方向90°。第二、三級均采用圓柱直

36、齒輪進行減速。關(guān)節(jié)2傳動的最末一個大齒輪固定在立柱上；關(guān)節(jié)3傳動的最末一個大齒輪固定在小臂上。小臂端部連接具有3R手腕，在臂的根部裝有關(guān)節(jié)4，5的驅(qū)動電機，在小臂的中部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié)6的驅(qū)動電機。關(guān)節(jié)4，5均采用兩級齒輪傳動，不同的是關(guān)節(jié)4采用兩級圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié)5采用第一級圓柱直齒輪，第二級錐齒輪，使傳動軸線改變方向90°。關(guān)節(jié)6采用三級齒輪傳動，第一級與第二級為錐齒輪，第三級為圓柱直齒輪，關(guān)節(jié)4，5，6的齒輪組除關(guān)節(jié)4第一級齒輪裝在小臂內(nèi)以外，其余的均裝在手腕內(nèi)部。關(guān)節(jié)型機器人總體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3 關(guān)節(jié)型機器人的總體結(jié)構(gòu)所設計的機器人本體結(jié)構(gòu)特點如下：(1)

37、內(nèi)部鋁鑄件形狀復雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡單，減輕了質(zhì)量。(2)軸承外形環(huán)定位簡單。一般在無軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。(3)采用薄壁軸承與滑動銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。(4)有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。(5)大、小臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機與臂的外壁僅有0.5mm間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。(6)工作范圍大，適應性廣。PUMA除了自身立柱所占

38、空間以外，它的工作空間幾乎是他的長臂所能達到的全球空間。再加之其手腕軸的活動角度大，因此使它工作時位姿的適應性強。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié)4，6配合，一次就能轉(zhuǎn)1112°。(7)由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動，調(diào)整齒輪間隙機構(gòu)，彈性萬向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復定位精度高。(8)機器人手臂材料的選擇：機器人手臂的材料應根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設計要求，機器人手臂要完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應是輕型材料。而另一方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動，這將大大降低它的運動精度。因此，在選擇材料時，需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以

39、便有效地提高手臂的動態(tài)性能。機器人手臂材料首先應是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時，不應有變形和斷裂。從力學角度看，即要具有一定的強度。手臂材料應選擇高強度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機器人手臂是運動的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應該優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料做手臂。第三章 6自由度焊接機器人腰部結(jié)構(gòu)設計通過總體分析后,確定了6自由度焊接機器人的結(jié)構(gòu)。所設計的腰關(guān)節(jié)部分采用二級齒輪減速傳動。圖3-1 大齒輪結(jié)構(gòu)圖3.1電動機的選擇表3-1 QZD-08串勵直流電動機技術(shù)數(shù)據(jù)功率（W）額定電壓（V）額定電流（A）額定轉(zhuǎn)速（r/min）濾磁方式絕緣等級8002446.2175

40、0串勵B3.2計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比根據(jù)經(jīng)驗取主軸的轉(zhuǎn)速4rad/s。傳動裝置總傳動比取48，分二級傳動，第一級是加工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合，傳動比=4；第二級傳動比為 =12 （3-6）3.3 軸的確定表3-2名稱轉(zhuǎn)速n（）輸入功率/W輸入扭矩/材料軸17507684.445鋼軸437.5748.916.7645鋼軸36.46733.9192.2337SiMn2MoV3.4 齒輪的參數(shù)表 3-4第二級嚙合齒輪的幾何尺寸名稱符號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通過齒輪傳動的強度計算，只能確定出齒輪的主要尺寸，如齒數(shù)、

41、模數(shù)、齒寬、螺旋角、分度圓直徑等，而齒圈、輪輻等的結(jié)構(gòu)形式及尺寸大小，通常都有結(jié)構(gòu)設計而定。齒輪的結(jié)構(gòu)設計與齒輪的幾何尺寸、毛坯、材料、加工方法、使用要求及經(jīng)濟性等因素有關(guān)。進行齒輪的結(jié)構(gòu)設計時，必須綜合地考慮上述各方面的因素。通常是先按齒輪的直徑大小，選定合適的結(jié)構(gòu)形式，然后再根據(jù)薦用的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)設計。對于直徑很小的鋼制齒輪，當為圓柱齒輪時，若齒根圓到鍵槽底部的距離e<2mt當為錐齒輪時，按齒輪小端尺寸計算而得的e<1.6m時，均應將齒輪和軸做成一體，叫做齒輪軸（如圖3-2、圖3-4）。若e值超過上述尺寸時，齒輪與軸以分開制造為合理。當齒頂圓直徑da160mm時，可以做成實

42、心結(jié)構(gòu)的齒輪，當齒頂圓直徑da <500mm事，可以做成腹板式結(jié)構(gòu)，腹板上開孔的數(shù)目按結(jié)構(gòu)尺寸大小及需要而定。當齒頂圓直徑400<da<1000mm時，可做成輪輻式截面為“十”字形的輪輻式結(jié)構(gòu)的齒輪。大齒輪的大體結(jié)構(gòu)尺寸如圖3-5所示。具體尺寸祥見圖紙。 圖3-2 大齒輪結(jié)構(gòu)圖3.5自由度焊接機器人立柱設計查機械設計手冊，選擇立柱的材料為37SiMn2MoV合金結(jié)構(gòu)鋼 ，經(jīng)調(diào)質(zhì)硬度HBS可達269302。柱的外形分為實腹柱和格構(gòu)柱，實腹柱又分為型鋼實腹柱和鋼板實腹柱兩種，格構(gòu)柱分為綴板式和綴條式兩種。本課題立柱的主要作用是用來固定軸承外圈，以免其發(fā)生相對滑動。根據(jù)軸

43、承的已知參數(shù)（如表3-7），所以采用空心圓柱形狀。由（表3-7）可知，軸承的外徑為215mm，所以立柱的內(nèi)徑基本尺寸為d=215mm，取壁厚15mm，則外徑D1=245mm。立柱的下端與基座相接觸，為使立柱固定不動，同時方便拆卸和組裝，基座與立柱之間用壓環(huán)和螺釘固定。選用的螺釘、墊圈和壓環(huán)的具體參數(shù)如表3-9所示。立柱底端取外徑D2=257mm，長度l=278mm，總長L=897mm。詳見圖紙。表3-9 螺釘、墊圈、壓環(huán)的具體參數(shù)名稱代號材料數(shù)量內(nèi)六角圓柱頭螺釘GB/T70.1-2000 M10×5045鋼4墊圈GB/T97.1-1985-10-14HV45鋼4壓環(huán)45鋼1 圖3-3

44、 立柱及固定螺釘、軸承3.6 自由度焊接機器人基座設計6自由度焊接機器人機座可分成固定式和行走式兩種，一般的工業(yè)機器人大多為固定式的。但隨著海洋科學，原子能工業(yè)及宇宙空間事業(yè)的發(fā)展，移動機器人、自動行走機器人的應用也越來越多。本課題采用固定式機座。固定式機器人的機座直接聯(lián)結(jié)在地面基礎(chǔ)上，也可固定在機身上。主要包括立柱回轉(zhuǎn)（第一關(guān)節(jié)）的二級齒輪減速傳動，減速箱體即為基座。具體尺寸詳見圖紙。 圖3-7 焊接機器人機座第四章 焊接機器人腕部結(jié)構(gòu)設計圖4-1 腕部傳動原理圖表4-1 主要規(guī)格參數(shù)動作范圍手腕回轉(zhuǎn)手腕擺動手腕旋轉(zhuǎn)額定載荷最大速度4.1 回轉(zhuǎn)部分4.1.1選擇電動機4.1.1選擇電動機的類

45、型 由已知可知：手腕的最大負荷重量m1=4kg，初估腕部的重量m2=4kg，最大運動速度=2m/s。 功率取安全系數(shù)為1.2，p=1.2p=1.2160=192w考慮到傳動損失和摩擦，最終的電動機功率P額=200w。因此我選擇Z型并勵直流電動機，技術(shù)參數(shù)如下： 表4-2 Z型并勵直流電動機技術(shù)參數(shù) 型號額定電壓（V）額定轉(zhuǎn)矩（N/m）額定轉(zhuǎn)速（r/min）參考功率（W）重量（kg）Z200/20-400200120004005.5 4.1.2 傳動裝置的總傳動比及各級傳動比分配4.1.3 傳動裝置的總傳動比先根據(jù)下式求角速度 = 20 r/s （4-1） 為角速度(r/s)，V為運動速度（m/

46、s）， R為機械接口到轉(zhuǎn)動軸的距離(m)。再求實際轉(zhuǎn)速 n （4-2）為轉(zhuǎn)速(r/min)。最后求得總傳動比i總10.4 取整i總1=104.1.4 分配各級傳動比總的傳動比i總1=10，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比i11=2，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i125。4.1.5 計算傳動裝置的運動參數(shù)和動力參數(shù)4.1.6 軸的計算1軸電動機軸： （4-3）2軸高速軸： N2= = = 1000 r/min （4-4） 3軸低速軸 N3= = =200 r/min （4-5）T3=9550 表 4-3 將計算的運動參數(shù)和動力參數(shù)列表：名稱轉(zhuǎn)速n（）輸入功率/KW輸入扭矩/

47、材料傳動比i效率0軸20000.41.945鋼250.960.990.971軸10000.383.6345鋼2軸2000.3717.6745鋼 確定軸的具體尺寸兩實心軸的材料均選用45號鋼，查表知軸的許用扭剪應力= 30MPa，由許用應力確定的系數(shù)為C=120.（1）第一根軸 此軸傳遞扭矩 安裝軸承部分軸徑最小,由于整個軸上零件較復雜,在兩軸承之間有車在軸上的齒輪,還有安裝在軸上的小齒輪,以及軸套和軸承,所以可取大一點,這里取。因此該軸的尺寸具體如下： 圖 4-2 第一根軸的尺寸(2) 第二根軸設計及校核此軸傳遞扭矩 （4-6）因為軸是齒輪軸,所以可以將軸的軸徑加工的大一點,以滿足齒輪嚙合時強

48、度的要求。表4-4 單列角接觸球軸承主要參數(shù)軸承代號基本尺寸/mm基本額定載荷/KN重量/Kg安裝尺寸/mm數(shù)量dDBCrC0rdaminDamaxramax角接觸球軸 承7205AC25521516.510.50.19314614表4-5 普通平鍵的主要尺寸軸徑/mm型號鍵寬/mm鍵高/mm鍵長/mm材料20B662845鋼軸在初步完成結(jié)構(gòu)設計后，進行校核計算。計算準則是滿足軸的強度或剛度要求。進行軸的強度校核計算時，應根據(jù)軸的具體受載及應力情況，采取相應的方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力，對于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應按扭轉(zhuǎn)強度條件計算，對于只受彎矩的軸（心軸）應按彎曲強度條件計算，兩者都具備的按疲勞強度條件進行精確校核等。求作用在齒輪上的力： （4-7） （4-8） 圖 4-2 軸畫軸的受力簡圖 見圖43 計算過程如下：在水平面上 （4-9） （4-10）在垂直面上 （4-11）畫彎矩圖 見圖33在水平面上，剖面左側(cè) （4-12） 剖面右側(cè) （4-13） 在垂直面上 圖4-3 軸的受力分析和彎扭矩圖合成彎矩，剖面左側(cè)