M10型工業(yè)機(jī)器人手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

資源目錄里展示的全都有，所見(jiàn)即所得。下載后全都有,請(qǐng)放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問(wèn)可加】 摘 要 機(jī)器人技術(shù)是一門(mén)綜合學(xué)科，包含有機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、電子設(shè)計(jì)、軟件工程、材料科學(xué)、以及仿生學(xué)等一系列基礎(chǔ)學(xué)科。作為現(xiàn)代化高新技術(shù)，其應(yīng)用于各式各樣的場(chǎng)合，尤其突出的是在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用。機(jī)械制造業(yè)的基本發(fā)展方向是既要增加產(chǎn)品數(shù)量，又要提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)還要降低成本。機(jī)器人技術(shù)恰恰能夠較好的處理好制造業(yè)中這幾個(gè)方面的問(wèn)題，它把人類(lèi)從完成機(jī)械重復(fù)的枯燥勞動(dòng)中解放出來(lái)，補(bǔ)充了對(duì)簡(jiǎn)單勞動(dòng)各種增長(zhǎng)的需要。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)概述了工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi)、歷史、以及發(fā)展趨勢(shì)。探討了用于金屬切削機(jī)床的M10型工業(yè)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)和手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。重點(diǎn)在對(duì)于手腕轉(zhuǎn)動(dòng)組件的分析與設(shè)計(jì)，首先是原理分析，其次是其各個(gè)部件作用，最后對(duì)于其主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括計(jì)算、結(jié)構(gòu)等方面的問(wèn)題。例如軸承選用、軸的設(shè)計(jì)、蝸桿傳動(dòng)的選擇。關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械制造；機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)；手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)-i-Abstract Robot technology is a comprehensive discipline，it includes mechanical design, mechanical principle, electronics design, software engineering, materials science, and bionics and so on a series of basic subjects.As a modern technology, its application in a wide variety of situations, especially the application in the field of manufacturing.the basic direction of machinery manufacturing industry is to increase the product quantity, and to improve the quality of products, but also reduce the cost.The robot technology can well handle the problems in the manufacturing industry.It freed mankind from the dull work of the mechanical repetition and added the needs of the various growth in simple labor.This graduation design outlines the classification, history, and development trend of industrial robots.The overall structure and wrist institutions of the type M10 industrial robots which used for metal cutting machine tools is discussed.Focuses on the analysis and design for the wrist rotation components, first is the principle analysis, the second is its role in components, finally is the design of the main components, including calculation, structure and other aspects. Such as bearing selection, shaft design, selection of worm drive shaft.Keywords：Industry robot；Machinery manufacturing；General structure of robot；Wrist institutions.湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄第一章 前言1 1.1 工業(yè)機(jī)器人概述1 1.2 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式1 1.2.1 氣動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人1 1.2.2 液壓式工業(yè)機(jī)器人1 1.2.3 電動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人2 1.3 工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi)2 1.3.1 按承載能力分2 1.3.2 按生產(chǎn)形式分2 1.4 工業(yè)機(jī)器人的歷史3 1.5 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)5 1.5.1 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)現(xiàn)狀5 1.5.2 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)5第二章 工業(yè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7 2.1 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求7 2.1.1 工業(yè)機(jī)器人在制造領(lǐng)域主要作用7 2.1.2 工業(yè)機(jī)器人主要設(shè)計(jì)內(nèi)容7 2.2 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)7 2.2.1 M10型工業(yè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖8 2.2.2 M10型工業(yè)機(jī)器人主要設(shè)計(jì)參數(shù)8 2.3 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式選擇9 2.4 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析12 2.4.1 M10型工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)圖12 2.4.2 M10型工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析13 2.4.3 結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)圖和總體結(jié)構(gòu)圖的綜合分析13 2.5 工業(yè)機(jī)器人的材料選擇13 2.5.1 材料選擇的基本要求13 2.5.2 結(jié)構(gòu)材料介紹14第三章 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)16 3.1 工業(yè)機(jī)器人手腕介紹16 3.1.1 設(shè)計(jì)要求16 3.1.2 手腕的結(jié)構(gòu)17 3.2 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和電動(dòng)機(jī)的選擇19 3.2.1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖19 3.2.2 運(yùn)動(dòng)分析19 3.3 電動(dòng)機(jī)的選擇19 3.3.1 選擇電動(dòng)機(jī)類(lèi)型19 3.3.2 選擇電動(dòng)機(jī)的容量20 3.3.3 確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速20 3.4 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)氣動(dòng)原理和運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析21 3.4.1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)氣動(dòng)原理圖21 3.4.2 氣動(dòng)原理圖分析21 3.4.3 結(jié)構(gòu)圖22 3.4.4 運(yùn)動(dòng)分析22 3.5 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)軸承和鍵的選擇22 3.5.1 常用軸承類(lèi)型及選擇22 3.5.2常用軸承類(lèi)型及選擇23 3.5.3 鍵的選擇28第四章 典型零件設(shè)計(jì)29 4.1 軸的設(shè)計(jì)與校核29 4.1.1 軸用途及分類(lèi)29 4.1.2 軸設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容29 4.1.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)29 4.1.4 軸的強(qiáng)度校核計(jì)算30 4.2 蝸桿傳動(dòng)的選擇35 4.2.1 蝸桿傳動(dòng)的介紹35 4.2.2 蝸桿傳動(dòng)的類(lèi)型35 4.2.3 蝸桿傳動(dòng)主要參數(shù)介紹36 4.2.4 渦輪蝸桿參數(shù)選擇38第五章 結(jié)論42參考文獻(xiàn)43致謝44第1章 前言1.1 工業(yè)機(jī)器人概述 工業(yè)機(jī)器人是一種模擬人手臂、手腕和手功能的機(jī)電一體化裝置，其應(yīng)用領(lǐng)域分為很多種類(lèi)，從常用的機(jī)器人系列和市場(chǎng)占有率來(lái)看，焊接、裝配、搬運(yùn)、上料/卸料、鑄造、沖壓和噴漆是主要的工業(yè)機(jī)器人品種。工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈由零部件企業(yè)、本體企業(yè)、系統(tǒng)集成商、代理商、終端客戶構(gòu)成。當(dāng)前，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域正不斷拓寬，種類(lèi)更加繁多，功能越來(lái)越強(qiáng)，自動(dòng)化和智能化水平顯著提高。據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，來(lái)自汽車(chē)整車(chē)及零部件工業(yè)的需求，合計(jì)占工業(yè)機(jī)器人下游總需求的60%左右。在亞洲，電子電氣工業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求僅次于汽車(chē)工業(yè)排名第二。在加速科技進(jìn)步中機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵作用，其任務(wù)是在工業(yè)生產(chǎn)中迅速將工藝裝備的獨(dú)立單元轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化生產(chǎn)綜合體（自動(dòng)化工段、生產(chǎn)線和自動(dòng)化車(chē)間），將來(lái)甚至實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工廠。這種自動(dòng)化生產(chǎn)最重要的特點(diǎn)是具有柔性，它能預(yù)料到，在節(jié)省勞力（或無(wú)人）情況下，根據(jù)工藝條件調(diào)整設(shè)備，以適應(yīng)多種產(chǎn)品生產(chǎn)。 當(dāng)代柔性自動(dòng)化生產(chǎn)的建立和廣泛應(yīng)用，取決于作為科技進(jìn)步的催化劑的機(jī)床制造、機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、儀器制造等技術(shù)的加速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人是多品種經(jīng)常更換產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的通用手段。在機(jī)械制造中，工業(yè)機(jī)器人既有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)組成工藝裝備的基本工序中，也有效地用于輔助操作中。工業(yè)機(jī)器人與傳統(tǒng)自動(dòng)化手段不同之處，首先在于它在各種生產(chǎn)功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性。在柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中，工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、鍛壓機(jī)床、鑄造機(jī)械和倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備上，以完成傳送、裝配和其它操作。工業(yè)機(jī)器人和基本工藝裝備、輔助手段以及控制裝置一起形成各種不同形式的機(jī)器人技術(shù)綜合體-柔性生產(chǎn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)模塊。1.2 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式1.2.1氣動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人 這類(lèi)工業(yè)機(jī)器人以壓縮空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)操作機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是空氣來(lái)源方便，動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低，無(wú)污染，缺點(diǎn)是空氣具有可壓縮性，導(dǎo)致工作速度穩(wěn)定性較差，有因氣源壓力一般只有6kPa左右，所以這類(lèi)工業(yè)機(jī)器人抓舉力較小，一般只有幾十牛頓，最大百余牛頓。1.2.2液壓式工業(yè)機(jī)器人 液壓壓力比氣壓壓力高很多，一般為70kPa左右，故液壓傳動(dòng)工業(yè)機(jī)器人具有較大的抓舉能力，可以達(dá)到上千牛頓。這類(lèi)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環(huán)境下工作。1.2.3電動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人 這是目前用的最多的一類(lèi)工業(yè)機(jī)器人，不僅因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)品種多，為工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了多種選擇，也因?yàn)樗麄兛梢赃\(yùn)用多種靈活控制方法。早起多采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，后來(lái)發(fā)展了直流伺服驅(qū)動(dòng)單元，目前交流伺服驅(qū)動(dòng)單元也在迅速發(fā)展。這些驅(qū)動(dòng)單元或是直接驅(qū)動(dòng)操作機(jī)，或是通過(guò)諸如諧波減速器的裝置來(lái)減速后驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)十分緊湊、簡(jiǎn)單。1.3 工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi)1.3.1按承載能力分 （1）超輕型（1.0kg以下）0.08；0.16；0.32；0.63 （2）輕型（1.0kg以上10kg）1.25；2.5；5.0；10.0 （3）中型（10kg以上100kg）20；40；80 （4）重型（100kg以上1000kg）160；250；500；1000； （5）超重型（1000kg以上）1250；1500；2000；2500；3000；5000；7500；10000；1.3.2按生產(chǎn)形式分（1） 鑄造生產(chǎn)中的工業(yè)機(jī)器人 工業(yè)機(jī)器人在鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域是在壓鑄機(jī)上、噴砂處理和噴丸處理情理上和鑄件運(yùn)輸上。 工業(yè)機(jī)器人所完成的基本功能是：從機(jī)器工作區(qū)域取出鑄件，依次將鑄件移送到檢測(cè)位置，進(jìn)入冷卻裝置，放入切邊機(jī)的壓膜中，從壓膜中拿走，分放在包裝箱中，將泥芯放到鑄造砂型中并澆注金屬。 用于鑄造生產(chǎn)中的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)具有特殊結(jié)構(gòu)形式，以防止周?chē)橘|(zhì)的作用；如控制柜、控制臺(tái)、導(dǎo)軌以及摩擦表面的密封，將控制系統(tǒng)布置在獨(dú)立單元中等等。完善用于壓鑄機(jī)和熱塑自動(dòng)機(jī)的機(jī)器人應(yīng)朝著增加運(yùn)行的快速性和可靠性方向發(fā)展。可以預(yù)料，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的專(zhuān)用工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)會(huì)增加，同時(shí)建造組合模塊原則的工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)也會(huì)得到發(fā)展。（2）鍛壓設(shè)備中的工業(yè)機(jī)器人在鍛壓生產(chǎn)中應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人，其功能包括：從規(guī)定位置夾持毛坯，移送到工作位置，從一個(gè)位置轉(zhuǎn)放到另一個(gè)位置（其中包括轉(zhuǎn)動(dòng)），取下成品件并將其放到包裝箱中，抓放廢料，發(fā)出控制機(jī)器人技術(shù)綜合裝置的指令。鍛壓機(jī)用的工業(yè)機(jī)器人有：1）用于曲柄壓力機(jī)，模壓曲柄彎管機(jī)，螺旋壓力機(jī)；2）用于熱模壓力機(jī)。（3）金屬切削機(jī)床用的工業(yè)機(jī)器人 在柔性生產(chǎn)單元、工段和生產(chǎn)線和制造中等批量和單件毛坯生產(chǎn)的自動(dòng)化相結(jié)合時(shí)，采用工業(yè)機(jī)器人是最有成效的。 工業(yè)機(jī)器人所完成的基本功能是：在機(jī)床工作空間內(nèi)安裝事先已定向的毛坯，從機(jī)床上取下零件并放入包裝箱中，翻轉(zhuǎn)零件清洗零件和夾具的基準(zhǔn)面，發(fā)出工藝指令，檢測(cè)零件。由于采用輔助裝置和機(jī)構(gòu)，可以擴(kuò)大工業(yè)機(jī)器人的功能。新研制的工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)在于其基本組合模塊結(jié)構(gòu)，這樣就能拿得到基本型號(hào)的變型機(jī)構(gòu)。 （4）裝配用工業(yè)機(jī)器人在裝配生產(chǎn)中工業(yè)機(jī)器人即可為自動(dòng)裝配機(jī)服務(wù)，又可直接用來(lái)完成裝配作業(yè)。為實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人操作必須保證：1） 在垂直方向上手臂應(yīng)能做直線運(yùn)動(dòng);2） 結(jié)構(gòu)沿垂直軸方向上要有足夠高的剛度，承受在裝配圖方向上產(chǎn)生相當(dāng)大的作用力；3） 有補(bǔ)償定位誤差的可能性；4） 工作機(jī)構(gòu)能做高速運(yùn)動(dòng)?？紤]到上述要求，裝配機(jī)器人合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是帶有在水平面上鉸接的工作手臂和具有垂直行程的工作機(jī)構(gòu)。工業(yè)機(jī)器人的承載能力不超過(guò)40kg，此外，裝配工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)是具有很靈活的操作機(jī)和較大的工作空間以及相當(dāng)緊湊的結(jié)構(gòu)。（5）金屬電鍍車(chē)間設(shè)備用的工業(yè)機(jī)器人 在電鍍槽上服務(wù)或完成涂漆作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人可用于工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)如電鍍法、化學(xué)法、和陽(yáng)極機(jī)械法在零件上涂層。 這類(lèi)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向是依靠提高操作機(jī)移動(dòng)速度并研制電傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)來(lái)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)還要減少金屬消耗量和所占工作面積。1.4 工業(yè)機(jī)器人的歷史 已知最早的工業(yè)機(jī)器人，符合ISO定義是由“條例”格里菲斯P泰勒于1937年完成并出版的Meccano雜志，1938年3月。幾乎完全是用吊車(chē)狀裝置建成的Meccano件和動(dòng)力由單個(gè)電動(dòng)機(jī)。運(yùn)動(dòng)五軸是可能的，包括搶而搶旋轉(zhuǎn)。自動(dòng)化是用穿孔紙帶通電螺線管，這將有利于起重機(jī)的控制桿的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該機(jī)器人可以在預(yù)先設(shè)定的圖案疊積木。需要為每個(gè)所需的運(yùn)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)數(shù)，第一次繪制在坐標(biāo)紙上。然后這個(gè)信息被轉(zhuǎn)移到紙帶上，從而也推動(dòng)了機(jī)器人的單個(gè)馬達(dá)。1997，克里斯舒特建造的機(jī)器人的完整副本。 喬治迪沃申請(qǐng)了第一個(gè)機(jī)器人的專(zhuān)利在1954年（1961年授予）。制作機(jī)器人的第一家公司是Unimation，由迪沃并成立約瑟夫F. Engelberger于1956年，并且是基于迪沃的原始專(zhuān)利。Unimation機(jī)器人也被稱為可編程移機(jī)，因?yàn)橐婚_(kāi)始他們的主要用途是從一個(gè)點(diǎn)傳遞對(duì)象到另一個(gè)，不到十英尺左右分開(kāi)。他們用液壓 執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并編入關(guān)節(jié) 坐標(biāo)，即在一個(gè)教學(xué)階段進(jìn)行存儲(chǔ)和回放操作中的各關(guān)節(jié)的角度。他們是精確到一英寸的1 / 10,000。Unimation后授權(quán)其技術(shù)，川崎重工和GKN，制造Unimates分別在日本和英國(guó)。一段時(shí)間以來(lái)Unimation唯一的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是美國(guó)辛辛那提米拉克龍公司 的俄亥俄州。這從根本上改變了20世紀(jì)70年代后期，幾個(gè)大財(cái)團(tuán)的日本開(kāi)始生產(chǎn)類(lèi)似的工業(yè)機(jī)器人。 1969年，維克多沙因曼在斯坦福大學(xué)發(fā)明了斯坦福大學(xué)的手臂，全電動(dòng)，6軸多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的設(shè)計(jì)允許一個(gè)手臂的解決方案。這使得它精確地跟蹤在太空中任意路徑拓寬了潛在用途的機(jī)器人更復(fù)雜的應(yīng) 用，如裝配和焊接。沙因曼則設(shè)計(jì)了第二臂的MIT 人工智能實(shí)驗(yàn)室，被稱為“麻省理工學(xué)院的手臂?！?沙因曼，接收獎(jiǎng)學(xué)金從Unimation發(fā)展他的設(shè)計(jì)后，賣(mài)給那些設(shè)計(jì)以Unimation誰(shuí)進(jìn)一步發(fā)展他們的支持，通用汽車(chē)公司，后來(lái)它上市的可編程的通用機(jī)裝配（PUMA）。 工業(yè)機(jī)器人在歐洲起飛相當(dāng)快，既ABB機(jī)器人和庫(kù)卡機(jī)器人帶來(lái)機(jī)器人市場(chǎng)在1973年ABB機(jī)器人（原ASEA）推出IRB 6，世界上首位市售全電動(dòng)微型處理器控制的機(jī)器人。前兩個(gè)IRB 6機(jī)器人被出售給馬格努森在瑞典進(jìn)行研磨和拋光管彎曲并在1974年1月被安裝在生產(chǎn)同樣是在1973年，庫(kù)卡機(jī)器人建立了自己的第一個(gè)機(jī)器人，被稱為FAMULUS，也1第一關(guān)節(jié)機(jī)器人具有6機(jī)電驅(qū)動(dòng)軸。 在機(jī)器人技術(shù)在20世紀(jì)70年代后期，許多美國(guó)公司的興趣增加進(jìn)入該領(lǐng)域，包括大公司，如通用電氣和通用汽車(chē)公司（這就形成合資 FANUC機(jī)器人與FANUC日本LTD）。美國(guó)創(chuàng)業(yè)公司包括Automatix和嫻熟技術(shù)，公司在機(jī)器人熱潮在1984年的高度，Unimation收購(gòu)了西屋電氣公司107萬(wàn)美元。西屋出售Unimation以史陶比爾法韋日SCA的法國(guó)于1988年，還在進(jìn)行關(guān)節(jié)型機(jī)器人用于一般工業(yè)和潔凈室應(yīng)用，甚至買(mǎi)的機(jī)器人事業(yè)部，博世于2004年底。只有少數(shù)的非日本公司管理，最終在這個(gè)市場(chǎng)中生存，其中主要的有：嫻熟技術(shù)，史陶比爾，Unimation，在瑞典 - 瑞士公司ABB阿西亞布朗Boveri公司，在德國(guó)公司的KUKA機(jī)器人與意大利公司柯馬。1.5 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.5.1工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)現(xiàn)狀 工業(yè)機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè)，將對(duì)未來(lái)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起 著越來(lái)越重要的作用。國(guó)外專(zhuān)家預(yù)測(cè)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車(chē)、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UNECE)和國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)的統(tǒng)計(jì)，世界機(jī)器人市場(chǎng)前景看好，從20世紀(jì)下半葉起，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長(zhǎng)的良好勢(shì)頭。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，機(jī)器人產(chǎn)品發(fā) 展速度加快，年增長(zhǎng)率平均在10%左右。2004年增長(zhǎng)率達(dá)到創(chuàng)記錄的20%。其中，亞洲機(jī)器人增長(zhǎng)幅度最為突出，高達(dá)43%。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，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(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆 機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)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(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。1.5.2工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 工業(yè)機(jī)器人在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實(shí)踐證明，它在提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動(dòng)條件等方面，有著令世人矚目的作用，引起了世界各國(guó)和社會(huì)各層人士的廣泛關(guān)注。在新的世紀(jì)，機(jī)器人工業(yè)必將得到更加快速的發(fā)展和更加廣泛的應(yīng)用。 （1）工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 從近幾年世界機(jī)器人推出的產(chǎn)品來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開(kāi)放 化、PC化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化；工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。 （2）工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)據(jù)UNECE/IFR預(yù)測(cè)，至2007年，全球新安裝裝機(jī)器人的數(shù)量將從2003年的81800套增至2007年的106000套，年平均增長(zhǎng)7%。其 中，日本2003-2007年工業(yè)機(jī)器人的銷(xiāo)售將從2003年的31600增長(zhǎng)至2007年的41000套；歐洲2003-2007年工業(yè)機(jī)器人將從 2003年的27100套增長(zhǎng)至2007年的34000套；北美2003-2007年工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)每年平均增長(zhǎng)5.8%，至2007年將增長(zhǎng)到 16000套。 （3）國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì) 1）工業(yè)機(jī)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），而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的6.5萬(wàn)美元。 2）機(jī)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(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)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(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的易操作性和可維修性。 4）機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 5）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。第2章 工業(yè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求2.1.1工業(yè)機(jī)器人在制造領(lǐng)域主要作用工業(yè)機(jī)器人在制造領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，其主要作用如下 ：（1） 減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，其最終目的是把工人從簡(jiǎn)單、重復(fù)而繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)； （2） 依靠工藝過(guò)程的集約化并保證兩班、三班時(shí)設(shè)備正常工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量；（3） 生產(chǎn)組織中達(dá)到進(jìn)一步質(zhì)的飛躍并向全自動(dòng)化柔性生產(chǎn)過(guò)渡創(chuàng)造條件。2.1.2工業(yè)機(jī)器人主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)器人控制是機(jī)器人的核心技術(shù)。M10型專(zhuān)用工業(yè)機(jī)器人是用來(lái)在金屬切削機(jī)床上工作的。例如，車(chē)床工段的帶數(shù)控裝置機(jī)床的裝料與卸料。這種形式的工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)是保證操作機(jī)工作機(jī)構(gòu)（夾持器）在球坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)，以及在結(jié)構(gòu)上能直接放置在所工作的工藝裝備中。工業(yè)機(jī)器人程序控制裝置使操作機(jī)工作機(jī)構(gòu)能夠沿六個(gè)坐標(biāo)軸定位，其中兩個(gè)是四個(gè)自由度機(jī)構(gòu)所共有的。本畢業(yè)設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)M10型工業(yè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以及工業(yè)機(jī)器人中典型零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算等。主要研究?jī)?nèi)容有：（1） 工業(yè)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)部分有的選用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，有的采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，要求機(jī)械傳動(dòng)協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)緊湊、體積?。唬?） 完成機(jī)械傳動(dòng)方案選擇設(shè)計(jì)和機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求繪制機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖和手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配圖，以及典型零件圖，要求圖紙不少于2.5長(zhǎng)A0圖紙；（3） 理清機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)部分；（4） 保證工藝的柔性，要適應(yīng)生產(chǎn)條件的變化；（5） 在經(jīng)常變換運(yùn)輸、裝料和其他輔助裝置的情況下能使不同用途的裝備進(jìn)行對(duì)接；（6） 運(yùn)行中工作效率和可靠性要高；（7） 預(yù)先考慮到進(jìn)一步發(fā)展和完善的可能性。2.2 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械本體、驅(qū)動(dòng)裝置、行程開(kāi)關(guān)等。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等要求，整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)大致分為機(jī)座（包括垂直平面的手臂轉(zhuǎn)動(dòng)部件）、手臂部件（包括水平或垂直直線移動(dòng)機(jī)構(gòu)和在垂直平面或者水平面的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)）、手臂、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、過(guò)渡套筒。各個(gè)關(guān)節(jié)之間均采用轉(zhuǎn)動(dòng)或者移動(dòng)關(guān)節(jié)，有的采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)有的采用電氣驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精密控制。2.2.1M10型工業(yè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖圖2.1 M10型工業(yè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖2.2.2M10型工業(yè)機(jī)器人主要設(shè)計(jì)參數(shù) 1.裝有夾持器時(shí)的額定承載能力，kg 單夾持器的 10 雙夾持器的 25 2.自由度數(shù)（被控運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)數(shù)） 5 3.X或Z最大線位移，mm 150 4.最大角位移,（） A 90 B 120 C 180 （轉(zhuǎn)動(dòng)組件-結(jié)構(gòu)形式1） 90或180（轉(zhuǎn)動(dòng)組件-結(jié)構(gòu)形式2） 2705.角位移速度范圍,（）/s A，B及C 1.36120 906.X或Z線位移速度范圍,m/s 0.0080.5 7.最大絕對(duì)定位誤差，mm 0.5 8.手臂最大伸距，mm 6309.夾緊力，N 36050010.負(fù)載零件尺寸范圍，mm 按外徑 20150 按內(nèi)徑 38168 11.重量，kg 110 驅(qū)動(dòng)方式：電機(jī)或者氣動(dòng) 安裝方式：掛壁 動(dòng)作類(lèi)型：垂直多關(guān)節(jié)型2.3 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式選擇現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人只有三種驅(qū)動(dòng)方式：氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。他們的不同特點(diǎn)及使用范圍如表所示：表2.1 驅(qū)動(dòng)方式的分類(lèi)表驅(qū)動(dòng)類(lèi)型氣動(dòng)液壓電動(dòng)傳動(dòng)性能 適合小功率傳動(dòng)，可達(dá)較高速度，但高速時(shí)有沖擊，氣體具有可壓縮性，阻尼效果差，故平穩(wěn)性較差。 適合中、大功率傳動(dòng)傳動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)沖擊，可達(dá)較高速度，液體不可壓縮，故響應(yīng)性能良好。 適合中、小功率傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)、靈活、速度快?？刂菩阅?控制調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)較簡(jiǎn)單，高速時(shí)要設(shè)置緩沖或者制動(dòng)裝置，低速不易控制，速度位置控制難以達(dá)到精確值，一般不能用于伺服控制。 控制調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)較簡(jiǎn)單，在高、低速下都可將位置、速度控制到精確值，常用伺服控制。 直流伺服電機(jī)控制較簡(jiǎn)單，交流伺服電機(jī)控制較復(fù)雜，速度、位置都可控制到精確值，常用于伺服控制?？焖夙憫?yīng)性能較高很高很高效率0.150.3（節(jié)流調(diào)速）至0.6（容積調(diào)速）0.5安全性能防爆型能好 防爆性能好，液壓油泄漏后有發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn) 交流電機(jī)防爆性能好，直流電機(jī)電刷產(chǎn)生火花，不防爆結(jié)構(gòu)性能 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（直線氣缸、氣壓馬達(dá)）可做成獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)件，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)；壓力?。ㄒ话阈∮?Mpa），輸出力小；密封問(wèn)題不突出，泄漏對(duì)環(huán)境無(wú)污染，需要?dú)鈮汗┙o系統(tǒng)。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（直線缸、擺動(dòng)缸）可做成獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)部件，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)；相同輸出條件下，體積小、重量輕、慣性?。幻芊忾g隙很重要，泄漏影響工作性能和污染環(huán)境；需要油源占地面積大。 電機(jī)是標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)構(gòu)性能好，除特殊電機(jī)（直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)、大力矩電機(jī)）外；電機(jī)都要減速器，不能直接驅(qū)動(dòng)，加減速器后體積、慣量變大。安裝維護(hù) 安裝要求不太高，能在高溫、多粉塵條件下工作；無(wú)發(fā)熱、爆炸、火災(zāi)等問(wèn)題；維護(hù)簡(jiǎn)單；要求過(guò)濾水分及注意系統(tǒng)潤(rùn)滑、防銹等問(wèn)題。 安裝維護(hù)要求高，溫度升高時(shí)，油液粘度降低，影響工作性能，需要冷卻裝置；油液要定期過(guò)濾、更換；密封件要定期更換；油液的泄漏影響工作性能，易發(fā)生火災(zāi)。 安裝要求隨傳動(dòng)方式而異無(wú)管路系統(tǒng)，維護(hù)方面；對(duì)直流電機(jī)要求定時(shí)調(diào)整、更換電刷及注意防爆問(wèn)題。成本低高高應(yīng)用 適用于小載荷（200N左右）的有限點(diǎn)位控制的上下料（搬運(yùn)）機(jī)器人，如沖床上的快道上下料；手爪上應(yīng)用尤其廣泛。 適用于重負(fù)荷（1000N）的搬運(yùn)、點(diǎn)焊等機(jī)器人，以及連續(xù)軌跡伺服控制噴漆機(jī)器人（具有防爆性能）等。 適用于中小符合（幾十牛頓到幾千牛頓）的搬運(yùn)、焊接、噴漆（限交流電機(jī)）、裝配、涂膠等各種伺服型機(jī)器人。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有：（1） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；（2） 反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁的氣動(dòng)、止動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換；（3） 驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；（4） 安全可靠；（5） 操作和維護(hù)方便； 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所選用的電機(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)連桿的運(yùn)動(dòng)。為了減小機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的沖擊和振動(dòng)，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動(dòng)。 齒形帶傳動(dòng)是同步帶的一種，用來(lái)傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)或者將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，主要用于手臂、手腕、腰關(guān)節(jié)的傳動(dòng)。齒形帶傳動(dòng)與原理如圖所示：圖2.2 齒形帶傳動(dòng)原理圖齒形帶傳動(dòng)運(yùn)算公式為：（2.1）齒輪帶的平均速度為：（2.2） 根據(jù)任務(wù)書(shū)要求：設(shè)計(jì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。通過(guò)查上表分析易知在手臂轉(zhuǎn)動(dòng)，直線移動(dòng)等機(jī)構(gòu)中采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，這樣比較經(jīng)濟(jì)合理，降低了成本，并且達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2.4 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析2.4.1M10型工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)圖：圖2.3 M10型工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)圖 2.4.2M10型工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析 由上述運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)圖可知，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（運(yùn)動(dòng)B）包括電動(dòng)機(jī)M2，它通過(guò)齒形帶驅(qū)動(dòng)單頭蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，與渦輪（=62）嚙合傳動(dòng)。渦輪裝在輸出軸上。它與操作機(jī)手臂機(jī)構(gòu)剛性連接。此軸的另一端固定著擋塊的盤(pán)，擋鐵作用在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)B控制簡(jiǎn)圖中的行程開(kāi)關(guān)上。 X或者Z向的移動(dòng)是借助于裝在手臂部件中的電動(dòng)機(jī)M1，通過(guò)傳動(dòng)比為2/3的（=16，=24）的傳動(dòng)齒形帶、錐齒輪副（=15，=30）和導(dǎo)程t=60mm的多頭滾珠絲桿傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在其上裝有轉(zhuǎn)動(dòng)組件的支架和傳動(dòng)螺母一起沿滾珠導(dǎo)軌移動(dòng)。為防止在斷電時(shí)支架隨意下降，錐齒輪的軸與電磁制動(dòng)器相連。位移控制由裝在支架上的擋塊作用于轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)上來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在垂直（運(yùn)動(dòng)A）或水平（運(yùn)動(dòng)C）平面中操作機(jī)手臂轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)M3驅(qū)動(dòng)，它通過(guò)傳動(dòng)比為2/3（=16，=24）的傳動(dòng)齒形帶轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿的軸渦輪（=62）與其嚙合。后者固裝在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)體中的軸上。由于蝸桿沿固定的渦輪滾動(dòng)而產(chǎn)生相對(duì)于此輪軸的手臂的機(jī)體運(yùn)動(dòng)A或C。2.4.3結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)圖和總體結(jié)構(gòu)圖的綜合分析 總體結(jié)構(gòu)部件1和部件3之間的運(yùn)動(dòng)形式是:在機(jī)座1內(nèi)有一直流電動(dòng)機(jī)，通過(guò)齒形帶傳動(dòng)將運(yùn)動(dòng)傳至蝸桿，蝸桿與渦輪嚙合，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)B；在主視圖的右側(cè)有一電動(dòng)機(jī)，同樣通過(guò)齒形帶將轉(zhuǎn)動(dòng)傳至錐齒輪，通過(guò)錐齒輪的嚙合將運(yùn)動(dòng)傳至絲桿通過(guò)絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)手臂直線移動(dòng)，產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)X或者Z；同樣通過(guò)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，在通過(guò)渦輪蝸桿嚙合，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)A或者C；手腕轉(zhuǎn)動(dòng)部分是通過(guò)氣動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)輸出軸的鍵連接與套筒連接，套筒與法蘭連接，將轉(zhuǎn)動(dòng)傳達(dá)至可換夾持器。2.5工業(yè)機(jī)器人的材料選擇 結(jié)構(gòu)件材料選擇是工業(yè)機(jī)器人材料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題之一，正確選擇結(jié)構(gòu)材料不僅可以降低工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)成本，更重要的是可適應(yīng)工業(yè)機(jī)器人的高速化、高載荷化及高精度化滿足其靜力及動(dòng)力特性要求。2.5.1材料選擇的基本要求 與一般機(jī)械相比，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是十分重要的這是選擇材料的出發(fā)點(diǎn)。材料選擇的基本要求如下：（1） 強(qiáng)度高，機(jī)器人的手臂是直接受力的構(gòu)建，高強(qiáng)度材料不僅能滿足機(jī)器人手臂的強(qiáng)度條件，而且可望減少臂桿的截面尺寸，減輕重量。（2） 彈性模量大，從材料力學(xué)的公式可知，構(gòu)建剛度（或變形量）與材料的彈性E、G有關(guān)，彈性模量越大，變形量越小，剛度越大。不同材料的彈性模量的差異比較大，而同一種材料的確沒(méi)有多大差別。（3） 重量輕，在機(jī)器人手臂構(gòu)建中產(chǎn)生的變形很大程度上是由于慣性力引起的，與構(gòu)建質(zhì)量有關(guān)。也就是說(shuō)，為了提高構(gòu)建剛度選用彈性模量E大二密度也大的材料是不合理的，因此提出了選用高彈性模量、低密度的材料要求，可用E/p來(lái)衡量下表列出了幾種材料的E、和E/p值?？晒﹨⒖?。表2.2 典型材料E、和E/p值材料鋼、合金鋼2.107.82.7鋁、鋁合金0.722.82.6鈹鋁合金（62%Be）1.92.19.1鋰鋁合金（3.0%Li）0.822.7153.02硼纖維增強(qiáng)鋁材2.92.5311.4（4） 阻尼大，工業(yè)機(jī)器人在選材時(shí)不僅要求剛度大、重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能大。機(jī)器人的手臂經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)后，要求能平穩(wěn)的停下來(lái)?？墒怯捎跇?gòu)建終止運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)，構(gòu)建會(huì)產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，構(gòu)建自身有具有彈性因而會(huì)產(chǎn)生“殘余振動(dòng)”。從提高定位精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性來(lái)考慮，希望能采用較大阻尼材料或采取增加構(gòu)建阻尼的措施來(lái)吸收能量。（5） 材料價(jià)格低。材料價(jià)格是工業(yè)機(jī)器人成本價(jià)格的重要組成部分。有些新材料如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金，用來(lái)作為機(jī)器人手臂的材料是很理想的，但價(jià)格昂貴。2.5.2結(jié)構(gòu)材料介紹（1） 碳素合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼：強(qiáng)度好特別是合金結(jié)構(gòu)鋼增加了4到5倍，彈性模量E大，抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料。（2） 鋁、鋁合金機(jī)及其它輕合金材料：這類(lèi)材料的共同特點(diǎn)是重量輕彈性模量E并不大，但是材料密度小，故E/p值仍然可和鋼材相比。有些稀有貴重的鋁金屬品質(zhì)得到了更加明顯的改善和提高，例如增加了3.2%重量的鋰的鋁合金，彈性模量增加14%，E/p值增加了16%。（3） 纖維增強(qiáng)合金：如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金其E/p值分別達(dá)到11.4x10和8.9x10。這種纖維增強(qiáng)金屬材料具有非常高的E/p值，而且沒(méi)有無(wú)機(jī)符合材料的缺點(diǎn)，但價(jià)格昂貴。（4） 陶瓷：陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大不易加工成具有長(zhǎng)孔的連桿，與金屬零件連接的結(jié)合部分需要特殊設(shè)計(jì)。然而，日本已經(jīng)測(cè)試了在小型工業(yè)機(jī)器人上使用的陶瓷人手臂的樣品。（5） 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：這類(lèi)材料具有良好的E/p值，但存在老化、蠕變、高溫膨脹、與金屬件連接困難等問(wèn)題。這種材料不但重量輕、剛度大，而且還具有十分突出的阻尼大優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)金屬材料不可能有這么大的阻尼。所以，在高速機(jī)器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實(shí)例越來(lái)越多。層疊符合材料的制造工藝還允許用戶進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)疊層厚度、纖維傾斜角、最佳橫斷面尺寸等，使其具有最大阻尼比。（6） 粘彈性大阻尼材料：增大機(jī)器人連桿件的阻尼是改善機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法來(lái)增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用的一種方法是用粘彈性大的阻尼材料來(lái)對(duì)原構(gòu)建進(jìn)行約束阻尼處理。實(shí)驗(yàn)表明：機(jī)械臂的重復(fù)定位精度在處理前為0.30mm，處理后為0.16mm；參與振動(dòng)時(shí)間在阻尼處理前后分別為0.9s和0.5s。第3章 工業(yè)機(jī)器人手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 工業(yè)機(jī)器人手腕介紹 手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，其功能是通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)連接并支撐末端執(zhí)行器，在手臂和機(jī)座實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)坐標(biāo)（自由度）的基礎(chǔ)上，再由手腕來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)姿態(tài)（方位）坐標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。如圖所示，手腕能實(shí)現(xiàn)繞空間三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，即回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（）、左右偏擺運(yùn)動(dòng)（）和俯仰運(yùn)動(dòng)（）。當(dāng)有特殊需要時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)小距離的橫向移動(dòng)。手腕的自由度越多，結(jié)構(gòu)和控制越復(fù)雜。因此，應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)要求來(lái)解決其應(yīng)具有的自由度數(shù)目。在多數(shù)情況下，手腕具有一兩個(gè)自由度即可滿足作業(yè)要求。圖3.1 簡(jiǎn)單手腕機(jī)構(gòu)示例3.1.1設(shè)計(jì)要求 對(duì)工業(yè)機(jī)器人手腕設(shè)計(jì)的要求有：（1） 由于手腕處于手臂末端，為減輕手臂的載荷，應(yīng)力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減小其質(zhì)量和體積。為此腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置多采用分離傳動(dòng)，將驅(qū)動(dòng)器安置在手臂的后端。（2） 手腕部件的自由度愈多，個(gè)關(guān)節(jié)的角度范圍雨大，其動(dòng)作靈活性愈來(lái)愈高，機(jī)器人對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力也越來(lái)越強(qiáng)。但增加手腕自由度會(huì)使手腕結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)控制難度大。因此，設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)盲目增加手腕的自由度數(shù)。通用目的機(jī)器手手腕最多配置三個(gè)自由度，某些動(dòng)作簡(jiǎn)單的專(zhuān)用工業(yè)機(jī)器人的手腕，根據(jù)作業(yè)實(shí)際需要，可以減少其自由度數(shù)甚至可以不要設(shè)置手腕，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。（3） 為提高手腕動(dòng)作的精確性，應(yīng)該提高傳動(dòng)的剛度，應(yīng)盡量減少機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)回差。如齒輪傳動(dòng)中的齒側(cè)間隙、絲桿螺母中的傳動(dòng)間隙、聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)間隙等。對(duì)分離傳動(dòng)采用鏈、同步齒帶傳動(dòng)或傳動(dòng)軸。（4） 對(duì)手腕回轉(zhuǎn)各關(guān)節(jié)軸上要設(shè)計(jì)限位開(kāi)關(guān)和機(jī)械擋塊，以防止關(guān)節(jié)超限造成事故。3.1.2手腕的結(jié)構(gòu) 由于作業(yè)要求的不同手腕的自由度數(shù)及其配置也會(huì)有不同，在擬定手腕驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)方面也會(huì)有差異，因此手腕的結(jié)構(gòu)形式繁多，下面介紹其中幾種典型結(jié)構(gòu)。 （1）用擺動(dòng)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的手腕結(jié)構(gòu)圖3.2 用擺動(dòng)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的手腕結(jié)構(gòu) 如圖所示的手腕結(jié)構(gòu)，壓力有從手腕的右下部經(jīng)過(guò)管道分別由進(jìn)油孔3和7進(jìn)入液壓馬達(dá)，進(jìn)入的壓力油驅(qū)動(dòng)動(dòng)片6做正、反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)定片5與動(dòng)片6側(cè)面接觸時(shí)，即停止回轉(zhuǎn)。動(dòng)片的最大回轉(zhuǎn)角度由其接觸位置決定。夾持器的加持動(dòng)作，則由經(jīng)油路2進(jìn)入的壓力有驅(qū)動(dòng)單作用液壓缸的活塞1來(lái)完成。腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的位置控制可采用機(jī)械擋塊定位，用位置檢測(cè)器檢測(cè)。這種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但最大回轉(zhuǎn)角度小于360，這種腕部結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)腕部自由度。（2） 具有兩個(gè)自由度的機(jī)械傳動(dòng)手腕結(jié)構(gòu) 手腕的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)安裝在大臂關(guān)節(jié)上，經(jīng)諧波減速器用兩級(jí)鏈傳動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)通過(guò)小臂關(guān)節(jié)傳遞到手腕軸上的鏈輪，鏈條將運(yùn)動(dòng)經(jīng)鏈輪、軸和錐齒輪帶動(dòng)軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，鏈條將運(yùn)動(dòng)經(jīng)鏈輪直接帶動(dòng)手腕殼體實(shí)現(xiàn)上下俯仰擺動(dòng)。當(dāng)鏈條與鏈輪不動(dòng)時(shí)，由于軸不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的殼體將迫使錐齒輪作行星運(yùn)動(dòng)，即齒輪隨殼體做公轉(zhuǎn)，同時(shí)還繞軸做一附加的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（3） 具有三個(gè)自由度的機(jī)械傳動(dòng)手腕機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)手腕運(yùn)動(dòng)的三個(gè)電動(dòng)機(jī)安裝在手臂后端，經(jīng)減速器后傳動(dòng)軸將運(yùn)動(dòng)和力矩傳給三根軸，產(chǎn)生手爪回轉(zhuǎn)、手腕偏轉(zhuǎn)和手腕俯仰三個(gè)運(yùn)動(dòng)。（4） 偏置三自由度機(jī)械傳動(dòng)手腕結(jié)構(gòu) 由錐齒輪構(gòu)成的三自由度手腕機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。當(dāng)主動(dòng)軸1單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)經(jīng)錐齒輪及驅(qū)動(dòng)機(jī)械接口法蘭盤(pán)繞軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)主動(dòng)軸2單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)經(jīng)錐齒輪帶動(dòng)殼體轉(zhuǎn)動(dòng)，是末端執(zhí)行器繞軸作俯仰運(yùn)動(dòng)。由于此時(shí)錐齒輪不動(dòng)，則錐齒輪被迫做行星運(yùn)動(dòng)。其自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)即為末端執(zhí)行器繞軸回轉(zhuǎn)的誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)主動(dòng)軸3單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則帶動(dòng)整個(gè)手腕架繞軸做偏擺運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生兩個(gè)誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)三根主動(dòng)軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這三個(gè)誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)將分別對(duì)手腕的俯仰運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。（5） 三轉(zhuǎn)軸手腕結(jié)構(gòu) 該手腕采用互相疊加套在一起的三個(gè)空心傳動(dòng)軸，分別傳遞由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)齒輪傳動(dòng)減速的三個(gè)運(yùn)動(dòng)和力矩?？招膫鲃?dòng)軸直接帶動(dòng)手腕外殼實(shí)現(xiàn)繞手腕軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；空心傳動(dòng)軸經(jīng)錐齒輪，驅(qū)動(dòng)殼體實(shí)現(xiàn)繞軸的選準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)；空心傳動(dòng)軸經(jīng)兩對(duì)錐齒輪驅(qū)動(dòng)手腕的機(jī)械接口法蘭盤(pán)，實(shí)現(xiàn)繞軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手腕的三個(gè)自由度。三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸線相交于一點(diǎn)，因而其運(yùn)動(dòng)可看成是一個(gè)三自由度的空間球面運(yùn)動(dòng)副，具有結(jié)構(gòu)緊湊、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和便于控制等特點(diǎn)。（6） PUMA機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)手腕運(yùn)動(dòng)的三個(gè)電動(dòng)機(jī)安裝在小臂后端。這種配置方式可以利用電動(dòng)機(jī)作為配重起平衡作用。三個(gè)電動(dòng)機(jī)經(jīng)柔性聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸將運(yùn)動(dòng)傳遞到各軸齒輪。電動(dòng)機(jī)經(jīng)傳動(dòng)軸和兩對(duì)圓柱齒輪帶動(dòng)手腕在殼體上做偏擺運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)經(jīng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)圓柱齒輪和錐齒輪，實(shí)現(xiàn)手腕的上下擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)經(jīng)傳動(dòng)軸和兩個(gè)錐齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)軸回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手腕機(jī)械接口法蘭盤(pán)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。3.2手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析3.2.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖圖3.3 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖3.2.2運(yùn)動(dòng)分析 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)該機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)M3驅(qū)動(dòng)，它通過(guò)傳動(dòng)比為2/3（=16,=24）的傳動(dòng)齒形帶轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿的軸，渦輪與其嚙合。后者固裝在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)體中的軸上。由于蝸桿沿固定的渦輪滾動(dòng)，而產(chǎn)生相對(duì)輪軸的手腕運(yùn)動(dòng)A或C。3.3電動(dòng)機(jī)的選擇3.3.1選擇電動(dòng)機(jī)類(lèi)型 按已知的工作要求和條件，選用三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，封閉式結(jié)構(gòu)，電壓380V，Y型。3.3.2選擇電動(dòng)機(jī)的容量電動(dòng)機(jī)所需的工作功率： （3.1）（3.2）因此：（3.3）由電動(dòng)機(jī)至輸送鏈的傳動(dòng)總效率為 （3.4） 式中：分別為軸承、渦輪蝸桿、聯(lián)軸器、齒形同步帶的傳動(dòng)效率。式中，由公式（3.4）： 由公式（3.3）：KW3.3.3確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 工作轉(zhuǎn)速：n=14r/min 查相關(guān)資料，總傳動(dòng)比為100.75，故電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可選為：查下表，在這附近的轉(zhuǎn)速取1430r/min，電動(dòng)機(jī)選Y100L1-43.4手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)氣動(dòng)原理和運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析3.4.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)氣動(dòng)原理圖圖3.4 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)氣動(dòng)原理圖3.4.2氣動(dòng)原理圖分析 非整周轉(zhuǎn)動(dòng)的氣動(dòng)馬達(dá)使手腕繞縱軸（運(yùn)動(dòng)）的轉(zhuǎn)動(dòng)組件旋轉(zhuǎn)。工業(yè)機(jī)器人的氣動(dòng)裝備（見(jiàn)氣動(dòng)原理圖）包括：（1） 空氣儲(chǔ)存站，它固定在電氣柜的后墻上；（2） 轉(zhuǎn)動(dòng)組件（結(jié)構(gòu)形式）的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝備單元和各種形式可換夾持裝置。壓縮空氣有工廠網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入儲(chǔ)存站，它包括分水濾氣器，以凈化空氣和分離冷凝水，以及用油飽和空氣的油霧器。 凈化的油飽和空氣進(jìn)入控制轉(zhuǎn)動(dòng)單元的氣動(dòng)裝置。在轉(zhuǎn)動(dòng)單元（結(jié)構(gòu)形式）中，當(dāng)斷開(kāi)電磁鐵YA1和YA2時(shí)，空氣沿管道1、2和3進(jìn)入氣動(dòng)馬達(dá)的兩腔。在接通氣體分配器P1的電磁鐵YA1時(shí)，組件按逆時(shí)針?lè)较蛳鄬?duì)其縱軸（運(yùn)動(dòng)）轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，空氣有氣動(dòng)馬達(dá)M腔輸出，沿著管道2通過(guò)氣體分配器P1到空氣中。在接通氣體分配器P2的電磁鐵YA2，組件以類(lèi)似情況按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。3.4.3結(jié)構(gòu)圖圖3.5 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖3.4.4運(yùn)動(dòng)分析 操作機(jī)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)組件結(jié)構(gòu)如上圖所示。在非整周轉(zhuǎn)動(dòng)的氣動(dòng)馬達(dá)1前端固定有過(guò)渡套筒2，其內(nèi)軸承上裝著套筒3，它用鍵與氣動(dòng)馬達(dá)輸出軸相連?？蓳Q夾持器（圖中未顯示）固定在套筒3的前法蘭上。在氣動(dòng)馬達(dá)的另一端，安裝著雙定位控制裝置4，以保證氣體分配器的接通與切斷。手腕在轉(zhuǎn)動(dòng)90和180角時(shí)的兩個(gè)位置（0和90或者0和180）由止動(dòng)爪5來(lái)實(shí)現(xiàn)。其形式依所需角來(lái)選定。在機(jī)體內(nèi)具有緩沖器，以減小當(dāng)止動(dòng)爪5接近擋塊7時(shí)的沖擊。該處還裝有終端開(kāi)關(guān)8，用來(lái)控制停止位置。3.5手腕轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)軸承和鍵的選擇3.5.1滾動(dòng)軸承的介紹 滾動(dòng)軸承時(shí)現(xiàn)代機(jī)器中廣泛應(yīng)用的部件之一，它是依靠主要元件間的滾動(dòng)接觸來(lái)支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件的。滾動(dòng)軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并由專(zhuān)業(yè)工廠大量制造及供應(yīng)各種常用規(guī)