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摘 要
在中國(guó)制造2025的大時(shí)代背景下，制造業(yè)的高速發(fā)展在我國(guó)科技創(chuàng)新領(lǐng)域顯得至關(guān)重要，工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)制造中不僅可以解放勞動(dòng)力，而且在極大程度上提高生產(chǎn)效率，我國(guó)又一次掀起了工業(yè)機(jī)器人極速發(fā)展的浪潮。
本次設(shè)計(jì)選題為焊接用機(jī)械手設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)查閱多個(gè)焊接機(jī)械手的成圖及相關(guān)文獻(xiàn)資料，設(shè)計(jì)出滿足精度且在一定范圍內(nèi)工作的機(jī)械手。設(shè)計(jì)的焊接用機(jī)械手分為底座、大臂、小臂、腕部四個(gè)部分，共有5個(gè)自由度——分別是腕轉(zhuǎn)、腕擺、小臂轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)、腰轉(zhuǎn)。腕轉(zhuǎn)是通過(guò)液壓控制液壓缸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，腕擺是通過(guò)電機(jī)和減速器帶動(dòng)鏈輪進(jìn)行傳動(dòng)，小臂、大臂和底座的轉(zhuǎn)動(dòng)均由伺服電機(jī)和諧波齒輪減速器帶動(dòng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到伺服電機(jī)、減速器、液壓缸、軸承、鍵、銷軸、螺釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)件的選用，也涉及到軸、油路、外殼等部分的設(shè)計(jì)及校核。
設(shè)計(jì)完成后，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，分別得出機(jī)械手的正向和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的解，以便進(jìn)行下一步的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及編程。
關(guān)鍵詞：焊接；機(jī)械手；設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)學(xué)
Abstract
In the background of the great age of the made in China 2025, with the rapid development of manufacturing industry in our country, the field of science and technology innovation. Industrial robot in production not only can liberate the workforce, but also can greatly improve the production efficiency. China has raised the rapid development of industrial robot once again.
The graduation design title is welding manipulator design, focus on the structure design. Through access to many of the welding manipulator drawings and related literature, design a manipulator which can meet the precision and work within a certain range. The design of the welding manipulator is divided into four parts: the base, the large arm, the little arm and the wrist. It has five degrees of freedom——the rotating of the wrist, the swing of the wrist, the rotating of the large arm, the rotating of the little arm and the rotating of the base. The rotating of the wrist is controlled by hydraulic cylinders, the swing of the wrist is driven by motor and speed reducer drive sprocket. The rotating of the little arm、large arm and the base is both driven by motor and reducer. In this design process involves the selection of standard parts, such as servo motor, reducer, hydraulic cylinder, bearing, key, pin shaft, screws. There also involves the design and check of the shaft, oil pipe, casing and other parts of manipulator.
After the design has completed, the kinematics and dynamics analysis of the manipulator are carried out. The forward and inverse kinematics analysis of the manipulator is obtained, which is the basis for the design of the control system of the manipulator.
Key words: welding; manipulator; design; kinematics
目 錄
引 言 1
第一章 焊接機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 3
1.1 機(jī)械手的組成 3
1.2 機(jī)械手自由度和坐標(biāo)型式 3
1.3 機(jī)械手的主要參數(shù) 4
第二章 手部及腕部結(jié)構(gòu) 6
2.1 手部結(jié)構(gòu) 6
2.2 腕部結(jié)構(gòu) 7
2.2.1 液壓馬達(dá)的選用 8
2.2.2 鍵的選用 8
2.2.3 伺服電機(jī)與減速器的選用 8
2.2.4 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 9
2.2.5 管路的設(shè)計(jì) 11
2.2.6 軸的設(shè)計(jì)及校核 11
第三章 手臂結(jié)構(gòu) 13
3.1 小臂結(jié)構(gòu) 13
3.2 大臂與小臂連接部分 15
3.2.1 伺服電機(jī)與減速器的選用 15
3.2.2 軸的設(shè)計(jì)及校核 15
3.3 大臂結(jié)構(gòu) 16
3.3.1 伺服電機(jī)與減速器的選用 17
3.3.2 軸的設(shè)計(jì)及校核 18
第四章 底座結(jié)構(gòu) 20
4.1 底座結(jié)構(gòu) 20
4.2 伺服電機(jī)與減速器的選用 21
第五章 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué) 23
5.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué) 23
5.1.1 機(jī)器人的正向運(yùn)動(dòng)學(xué) 23
5.1.2 機(jī)器人的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué) 25
結(jié) 論 27
參考文獻(xiàn) 28
謝 辭 29
引 言
“機(jī)器人”一詞最早出現(xiàn)在1920年，著名捷克劇作家和科幻文學(xué)家 Karel Capek的劇本《 Rossum’s Universal Robots》,在該劇中作家塑造了具有人類外表及特征的機(jī)器人仆人“ Robota ”，它自愿像奴仆一樣為人類服務(wù)。隨著時(shí)代的發(fā)展，機(jī)器人不只是像劇本中描寫的那樣進(jìn)行勞動(dòng)，而是逐步發(fā)展成為了綜合人和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置。這種裝置結(jié)合了人的分析判斷能力和機(jī)器的精確度高、抵抗惡劣工作環(huán)境的能力。
ISO采納美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)RIA的建議，給機(jī)器人定義如下：機(jī)器人是一種可反復(fù)編程和多功能的用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作工具，為了執(zhí)行不同任務(wù)而具有可改變和可編程的動(dòng)作的專門系統(tǒng)[3]。機(jī)器人高級(jí)整合了機(jī)械電子、控制論、計(jì)算機(jī)、機(jī)構(gòu)學(xué)、材料學(xué)、仿生學(xué)、人工智能，在當(dāng)代應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。
在20世紀(jì)70年代初，工業(yè)機(jī)器人在全世界掀起了高潮，尤其是在日本，工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)極大彌補(bǔ)了逐漸減少的勞動(dòng)力，在這種大時(shí)代背景下，我國(guó)開始研發(fā)工業(yè)機(jī)器人。20世紀(jì)80年代后，改革開放帶來(lái)的高新技術(shù)使工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)得到了國(guó)家的支持，“七五”期間，研發(fā)了點(diǎn)焊、弧焊、搬運(yùn)機(jī)器人，863計(jì)劃研制了一大批特種機(jī)器人。20世紀(jì)90年代起，我國(guó)掀起了經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步的潮流，先后研發(fā)了裝配、切割、碼垛等多種工業(yè)機(jī)器人。
伴隨我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)模式的飛速發(fā)展，車間自動(dòng)化程度的顯著提高，工件的焊接、裝配、搬運(yùn)、裝卸等操作均由工業(yè)機(jī)械手完成，故而機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的作用已經(jīng)變得愈發(fā)重要。機(jī)械手是模仿人手的部分動(dòng)作，按照既定軌跡及程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)搬運(yùn)、抓取及進(jìn)行一系列操作的自動(dòng)機(jī)械裝置[4]。
從制造出第一臺(tái)焊接機(jī)器人以來(lái)，焊接機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展了三代，第一代機(jī)器人是示教再現(xiàn)式的，發(fā)展到第二代機(jī)器人是攜帶傳感器并且可以自行離線編程的，再到第三代焊接機(jī)器人是帶有多傳感器自動(dòng)編程的高度自動(dòng)化機(jī)器人，焊接機(jī)器人發(fā)展的迅速程度已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)焊接自動(dòng)化的標(biāo)志之一。焊接機(jī)器人可以極大的減少對(duì)工人的傷害，改善勞動(dòng)環(huán)境，解放一部分勞動(dòng)力，極大程度上保證焊接產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。
我國(guó)工業(yè)機(jī)器人數(shù)量較大且逐年上升，焊接機(jī)械手在其中所占比例也逐漸增大，但本國(guó)自主研發(fā)的機(jī)器人較少。2013年，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的安裝量為36560臺(tái)，中國(guó)供應(yīng)商9000臺(tái)，雖然比2012年增加59%但僅占安裝量的0.024%。工業(yè)機(jī)器人中焊接機(jī)械手占36%，搬運(yùn)機(jī)器人占40%，汽車行業(yè)占39%，電氣/電子行業(yè)占18%[5]。國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)用較多的焊接機(jī)械手分別從日本和歐洲引進(jìn)。隨著國(guó)家科技的進(jìn)步，在2015年國(guó)產(chǎn)焊接機(jī)械手的銷量約為3784臺(tái)，大幅度增長(zhǎng)為占中國(guó)焊接機(jī)械手市場(chǎng)的百分之三十，但另外百分之七十以上的焊接機(jī)械手市場(chǎng)仍被外國(guó)品牌占據(jù)。
本次設(shè)計(jì)所采用的方法主要是搜集已量產(chǎn)的焊接機(jī)械手中較好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)，主要參考了1980年的工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用、PUMA機(jī)器人及一臺(tái)中國(guó)已制造出來(lái)的焊接機(jī)械手等，通過(guò)分析其構(gòu)成及運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行的五自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)的焊接用機(jī)械手進(jìn)行了正向和逆向的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。
本次設(shè)計(jì)中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題如下：由于缺乏實(shí)物的拆裝及實(shí)體認(rèn)知，可能對(duì)某些空間結(jié)構(gòu)理解并不透徹，導(dǎo)致設(shè)計(jì)進(jìn)入瓶頸及繪圖出現(xiàn)較大問(wèn)題；設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的不足則會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的布局上出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不緊密及互換性較差的問(wèn)題；沒有進(jìn)行軟件的模擬與仿真，不能確定裝配后是否會(huì)發(fā)生干涉，在真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況下是否滿足使用要求及精度要求，某些結(jié)構(gòu)是否可以繼續(xù)簡(jiǎn)化。
本次設(shè)計(jì)未解決的問(wèn)題如下：設(shè)計(jì)的焊接用機(jī)械手未進(jìn)行模擬仿真；對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，未按照分析的結(jié)果繼續(xù)進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；機(jī)械手的底座和回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)過(guò)于龐大不緊湊，容易產(chǎn)生靜載荷；大臂的外殼沒有采用特定的樣條曲線，在加工上可能會(huì)出現(xiàn)一定的困難；設(shè)計(jì)采用的諧波齒輪減速器和伺服電機(jī)型號(hào)尺寸較大，整體擴(kuò)大了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)。
第一章 焊接機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)
1.1 機(jī)械手的組成
機(jī)械手的4個(gè)組成部分分別是：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及位置檢測(cè)裝置。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的機(jī)械手還設(shè)有行走機(jī)構(gòu)，如輪式機(jī)械手和履帶式機(jī)械手。對(duì)于本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)械手來(lái)說(shuō)，其手部結(jié)構(gòu)記為焊槍，手腕是連接手部和手臂的部件，手臂是支承手腕和手部的部件，機(jī)座起支承和聯(lián)接機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種驅(qū)動(dòng)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置，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)4種。本次設(shè)計(jì)手腕采用液壓傳動(dòng)，手臂及機(jī)座均采用電力傳動(dòng)，采用直流伺服電機(jī)。
控制系統(tǒng)的任務(wù)是按照機(jī)器人的作業(yè)指令及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，當(dāng)動(dòng)作發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，控制系統(tǒng)分為電氣控制和射流控制兩種，本次設(shè)計(jì)采用電氣控制。
位置檢測(cè)裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位姿，并將其實(shí)時(shí)位姿反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將其實(shí)時(shí)位姿與既定任務(wù)中的位姿進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)調(diào)整后使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)在一定精度內(nèi)達(dá)到指定位置。
1.2 機(jī)械手自由度和坐標(biāo)型式
每一個(gè)構(gòu)件相對(duì)于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)稱為自由度，自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)，衡量機(jī)械手技術(shù)水平的指標(biāo)是自由度的多少，自由度數(shù)目越多，機(jī)械手可以完成的動(dòng)作越復(fù)雜，應(yīng)用范圍就越廣，但其控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)將會(huì)變得更加地復(fù)雜，制造及維修成本較高；自由度較少雖然在制造技術(shù)容易達(dá)到，使用成本較低，維修方便，但其通用性較差。
本次設(shè)計(jì)采用的自由度數(shù)目是5個(gè)，分別是腕轉(zhuǎn)、腕擺、小臂轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)、腰轉(zhuǎn)。
按照機(jī)械臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及組合，機(jī)械手的坐標(biāo)型式可分為：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)式。本次設(shè)計(jì)采用關(guān)節(jié)式，其工作范圍較大，通用性強(qiáng)，空間運(yùn)動(dòng)范圍較廣，對(duì)于大型的汽車及航天機(jī)械也可進(jìn)行焊接，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示。
圖1.1關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1.3 機(jī)械手的主要參數(shù)
表1.1 機(jī)械手的主要參數(shù)
自由度
5個(gè)
持重
4kg
最大速度
腕轉(zhuǎn)
120°/s
腕擺
110°/s
腰前部回轉(zhuǎn)
180°/s
臂上下
100°/s
腰回轉(zhuǎn)
重復(fù)定位精度
±0.25mm
驅(qū)動(dòng)裝置
直流伺服電機(jī)
位置檢測(cè)
絕對(duì)編碼器
行程范圍
手臂回轉(zhuǎn)行程大于180°
表1.2 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)
驅(qū)動(dòng)
直流伺服電機(jī)
焊槍控制
液壓傳動(dòng)
控制器
絕對(duì)編碼器
承載能力
200kg
手腕中心距離
1747mm
直線最大速度
0.8m/s
功率要求
1.8kW
重量
200kg
第二章 手部及腕部結(jié)構(gòu)
2.1 手部結(jié)構(gòu)
手部結(jié)構(gòu)是機(jī)械手用來(lái)操作、安裝、移動(dòng)被夾持物件或夾持專用工具，如焊槍、噴槍等進(jìn)行操作以完成既定工作任務(wù)的結(jié)構(gòu)。它一般安裝在機(jī)械手的最前端，模仿人手部的動(dòng)作。
焊槍連接部分如圖2.1所示：焊接用機(jī)械手的腕部頂部聯(lián)接盤類零件6，用螺栓連接一把焊槍1，方便焊槍1的隨時(shí)替換，且可以替換成其他夾持裝置或?qū)Ｓ霉ぞ?，通用性較強(qiáng)，擴(kuò)大了機(jī)械手的使用范圍。焊槍連接部分的盤類零件6和軸7采用螺栓連接，盤類零件6與套類零件5、套類零件5與螺紋套2均通過(guò)螺栓連接，外殼4與靜止的殼體相連接，內(nèi)部設(shè)有深溝球軸承，焊槍1尾部通過(guò)螺栓連接伸入連接部分的內(nèi)部，焊槍1為已制造出的成品，通過(guò)電線聯(lián)接電源。
圖2.1 聯(lián)接焊槍結(jié)構(gòu)
1.焊槍；2.螺紋套；3.透蓋；4.殼體；5.套類零件；6.盤類零件；7.軸
2.2 腕部結(jié)構(gòu)
手腕裝在整個(gè)機(jī)械手的最前端，它的精度直接受到手臂的定位精度的影響，是整個(gè)機(jī)械臂綜合定位精度的反映。設(shè)計(jì)手腕時(shí)，需要注意手腕的結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)的緊湊和簡(jiǎn)單，在滿足精度的情況下盡量減輕手腕的重量，以達(dá)到機(jī)械手的使用要求和定位精度。手腕的自由度有兩個(gè)，分別是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和上下擺動(dòng)，手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是液壓傳動(dòng)控制，由液壓缸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)手腕的回轉(zhuǎn)，以達(dá)到腕轉(zhuǎn)的目的。擺動(dòng)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸還可以通過(guò)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)用來(lái)連接焊槍，這種結(jié)構(gòu)布置會(huì)使結(jié)構(gòu)變得緊湊，整個(gè)手腕重量減輕。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，液壓油在手臂內(nèi)部進(jìn)入手腕，控制手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣在手腕進(jìn)行擺動(dòng)時(shí)，油管不會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，提高其使用壽命，手腕的上下擺動(dòng)通過(guò)伺服電機(jī)和諧波減速器減速后經(jīng)鏈輪傳動(dòng)帶動(dòng)手腕的上下擺動(dòng)，以達(dá)到腕擺的目的。這樣設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化手腕的結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械手的靈活性，一般關(guān)節(jié)式機(jī)械手的手腕均具有旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)兩個(gè)自由度。
手腕兩個(gè)自由度的詳細(xì)分析如下：液壓油經(jīng)進(jìn)油口進(jìn)入手腕后，通過(guò)油管進(jìn)入到回轉(zhuǎn)式液壓缸6內(nèi)，推動(dòng)兩個(gè)葉片進(jìn)行回轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)中間的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，軸進(jìn)而通過(guò)焊槍連接部件8進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂內(nèi)部的伺服電機(jī)經(jīng)諧波減速器降速后，主動(dòng)鏈輪帶動(dòng)從動(dòng)鏈輪3進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪3經(jīng)過(guò)鍵連接帶動(dòng)軸2進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，軸2與套類零件5通過(guò)螺栓連接，帶動(dòng)整個(gè)手腕進(jìn)行既定的擺動(dòng)。
圖2.2 手腕結(jié)構(gòu)
1.小臂外殼；2.軸；3.鏈輪；4.手腕；
5.套類零件；6.腕轉(zhuǎn)缸體；7.動(dòng)片；8.焊槍連接部分
2.2.1 液壓馬達(dá)的選用
本次設(shè)計(jì)選用的是擺動(dòng)液壓馬達(dá)，也稱回轉(zhuǎn)式液壓缸，當(dāng)輸入壓力油時(shí)，兩個(gè)葉片進(jìn)行擺動(dòng)，回轉(zhuǎn)式液壓缸具有輸出轉(zhuǎn)矩大、擺動(dòng)角速度小的特點(diǎn)。
液壓系統(tǒng)選用開式回路，選用普通液壓油，初定系統(tǒng)壓強(qiáng)為p=100～160×105Pa，選為130×105Pa，容積效率和機(jī)械效率均取0.9。TLMAX為最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，nMmax為最高轉(zhuǎn)速，VM為液壓馬達(dá)的排量，qM為輸入液壓馬達(dá)的最大流量.
TLMAX=G×L=4×10×3=120N·m (2-1)
VM=2πTLMAX(p-pb)ηMm=2×π×12013-1×106×0.9=69.8132×10-6m3/r (2-2)
nMmax=120°1s=120360r160min=20r/min (2-3)
qM=nMmaxVMηMV=69.8132×10-6×103×200.9=1.5514L/min (2-4)
根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大速度和已選定的液壓泵最大流量計(jì)算液壓缸內(nèi)徑D
D=8.74qvv=8.74×1.5514×10-312=0.0994m (2-5)
根據(jù)缸筒內(nèi)徑尺寸系列圓整成D=100mm，根據(jù)工程機(jī)械用標(biāo)準(zhǔn)液壓缸的缸體外徑系列，系統(tǒng)壓力p=130×105Pa，選用液壓缸外徑為121mm。
銷軸一般是雙面受剪，銷軸直徑計(jì)算如下，（對(duì)于45鋼，銷軸的許用切應(yīng)力為70MPa）：
d=0.64F[τ]=0.64×380070×106=0.0059m (2-6)
根據(jù)銷軸的標(biāo)準(zhǔn)直徑，選用銷軸直徑d=6mm，長(zhǎng)度l=23mm。
2.2.2 鍵的選用
液壓馬達(dá)與軸采用平鍵連接，軸徑d=70mm，選取平鍵截面b×h×L=20mm×12mm×39mm，配合采用H7/k6。
假定工作載荷在鍵的受力面上均勻分布,則普通平鍵應(yīng)滿足的強(qiáng)度條件為:
σp=2000Tkld＜[σp], [σp]=100～120MPa
σp=2000Tkld=2000×1206×39×70=14.6520MPa＜[σp] (2-7)
2.2.3 伺服電機(jī)與減速器的選用
伺服電機(jī)選用EDSMF-2T110-04C，額定功率0.8kW,額定轉(zhuǎn)速2000r/min，額定力矩4N·m，其安裝尺寸如下圖所示：
圖2.3 電機(jī)安裝尺寸
圖2.4 腕轉(zhuǎn)伺服電機(jī)具體安裝尺寸
工業(yè)機(jī)器人的減速器一般采用諧波減速器，本次設(shè)計(jì)采用杯型（B型）諧波齒輪減速器。
n=110°s=110360r160min=18.33r/min (2-8)
i=200018.33=109.1107 (2-9)
根據(jù)減速比的大小及綜合考慮減速器的安裝尺寸，選用XB-120-100B，減速比為100，模數(shù)0.15，額定輸出力矩為6N·m。
2.2.4 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
P=0.8×0.83=0.664kW (2-10)
n1=2000100=20r/min (2-11)
查得諧波齒輪減速器效率約為83%，鏈傳動(dòng)的功率P=0.664kW，轉(zhuǎn)速n1=20r/min，傳動(dòng)比i=1，工作載荷較為平穩(wěn)，中心線呈水平布置，無(wú)張緊裝置。
選取鏈輪齒數(shù)，去小鏈輪齒數(shù)為21，則大鏈輪齒數(shù)也為21。
查得工況系數(shù)KA=1.0，查得主動(dòng)鏈輪齒數(shù)系數(shù)KZ=1.22，單排鏈，則計(jì)算功率為：
Pca=KA·KZ·P=1.0×1.22×0.664=0.8100kW (2-12)
根據(jù)Pca=0.8100kW，n1=20r/min，和Pca≤Pc，查A系列、單排滾子鏈額定功率曲線可得選用8A，根據(jù)滾子鏈規(guī)格和主要參數(shù)可得節(jié)距p=12.7mm。
初選中心距a0=（30～50）×P=（30～50）×12.7=381～635mm，取a0=400mm，則相應(yīng)的鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)為：
LP0=2·a0p+z1+z22+(z2-z12×π)2·pa0=83.99 (2-13)
取鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)為L(zhǎng)p=84。
v=n1·z1·p60×1000=20×21×12.760×1000=0.0831m/s (2-14)
由v=0.083m/s和鏈號(hào)8A，查潤(rùn)滑范圍選擇圖可知，鏈傳動(dòng)采用定期人工潤(rùn)滑。
有效圓周力:Fe=1000Pv=1000×0.86640.0831=7990.3730N (2-15)
查表可知，水平布置的鏈輪時(shí)壓軸力系數(shù)KFp=1.15，則壓軸力為：
FP=KFp·Fe=1.15×7990.3730=9188.9290N (2-16)
主要設(shè)計(jì)結(jié)論：鏈條型號(hào)為8A-1，鏈輪齒數(shù)z1=z2=21，鏈節(jié)數(shù)LP=84,中心距a=400mm。
鏈輪的主要尺寸如下所示：
分度圓直徑 d=psin180°z=12.7sin180°21=85.21mm (2-17)
齒頂圓直徑 da=p0.54+cot180°21=91.1169mm (2-18)
齒根圓直徑 df=d-dr=85.21-7.92=77.29mm (2-19)
最大齒根距離 Lx=d·cos90°z-dr=85.21×cos90°21-7.92=77.05mm(2-20)
尺側(cè)凸緣 dg＜p·cot180°z-1.04h-0.76 =12.7×cot90°21-1.04×12-0.76=71.0189mm (2-21)
表2.1 鏈輪的主要尺寸
參 數(shù)
尺寸
分度圓直徑
85.21mm
齒頂圓直徑
91.12mm
齒根圓直徑
77.29mm
最大齒根距離
77.05mm
尺側(cè)凸緣
71mm
2.2.5 管路的設(shè)計(jì)
液壓傳動(dòng)中的一般用的管子是鋼管、膠管、塑料管和銅管。本次設(shè)計(jì)采用普通精度的鋼管和焊接式的管接頭，鋼管可承受較大的壓力，用于裝配位置方便的地方，價(jià)格低廉，但安裝時(shí)需注意彎曲半徑不能過(guò)小，彎曲半徑過(guò)小的話，會(huì)造成管子的破損，破裂，造成液壓油的泄露，甚至使液壓系統(tǒng)的工作過(guò)程發(fā)生危險(xiǎn)，如在本次設(shè)計(jì)中就容易造成焊槍工作精度降低，甚至破壞到非焊接表面。
選用鋼管的公稱通徑為6mm，鋼管外徑10mm，管接頭連接螺紋為M8×1，根據(jù)公稱壓力p=130×105Pa，管子壁厚為1mm，鋼管彎管的最小曲率半徑為50mm，支架最大距離為400mm。
2.2.6 軸的設(shè)計(jì)及校核
軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，A0=126～103，選取A0=11,0，初步估算軸的最小直徑：
P=0.8×0.83=0.664kW (2-22)
n1=2000100=20r/min (2-23)
dmin≥A0·3Pn=100×30.66420=29.1401mm (2-24)
軸上零件的布置如圖2.5所示：
第一段軸是螺紋軸，軸上有圓螺母，規(guī)格為M30×1.5，直徑圓整為d1=30mm，l1=20mm；第二段軸上有鏈輪，d2=30mm，l2=13mm，鏈輪的軸向定位一側(cè)采用圓螺母，一側(cè)采用軸肩定位，其周向定位采用平鍵定位；第三段軸d3=40mm，l3=50mm；第四段軸上有深溝球軸承，d4=45mm，l4=20mm；第五段軸是不規(guī)則形狀的軸，d5=107mm，l5=125mm，其內(nèi)部有一直徑為18mm長(zhǎng)度為30mm的孔及直徑11mm的通孔，用作放置M10的內(nèi)六角螺栓，內(nèi)部還會(huì)通過(guò)孔6，以放置旋轉(zhuǎn)軸；第七段軸上有深溝球軸承、密封圈及油管，d7=45mm，l7=117.5mm，軸內(nèi)部有孔以布置油路。
圖2.5 手腕軸上的零件布置
第三章 手臂結(jié)構(gòu)
手臂的結(jié)構(gòu)形式與機(jī)械手的自由度數(shù)目、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方式、定位精度及工作范圍相關(guān)，設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)除了考慮這些以外，還需要考慮其他的因素：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將手臂盡量設(shè)計(jì)成剛度高且重量輕的樣式，因此要合理選擇手臂的截面形狀，防止產(chǎn)生過(guò)大的變形，減小手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的額轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；運(yùn)動(dòng)速度平穩(wěn)但慣性小，手臂運(yùn)動(dòng)速度較高，引起的沖擊力較大，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)且精度不高，故手臂應(yīng)該設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)緊湊且具有一定的緩沖裝置；手臂的傳動(dòng)準(zhǔn)確、動(dòng)作靈活；高溫環(huán)境作業(yè)的機(jī)械手，還應(yīng)對(duì)手臂進(jìn)行必要的冷卻，防止溫度過(guò)高影響使用性能。手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，影響到手腕的定位精度，將極大關(guān)系到機(jī)械手的整體工作性能。
3.1 小臂結(jié)構(gòu)
小臂結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：小臂外側(cè)用壁厚為20mm的外殼1和7包裹，外殼1與手腕部分9用螺栓連接，伺服電機(jī)6經(jīng)諧波齒輪減速器5減速后，帶動(dòng)盤類零件4進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，盤類零件4帶動(dòng)軸2進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，經(jīng)鍵連接帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪3進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)鏈輪3帶動(dòng)從動(dòng)鏈輪8進(jìn)而帶動(dòng)手腕部分9進(jìn)行搖擺。小臂外殼1用多個(gè)M8的螺栓連接而成，保護(hù)小臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)不被腐蝕，以提高焊接機(jī)械手的壽命。由于小臂左側(cè)的放置控制手腕上下擺動(dòng)的電機(jī)，故小臂外殼7結(jié)構(gòu)突出一部分。
小臂與大臂連接部分結(jié)構(gòu)如圖3.2所示：伺服電機(jī)與盤類零件1、盤類零件2與盤類零件1經(jīng)螺栓連接固定于大臂外殼上，伺服電機(jī)通過(guò)鍵連接將轉(zhuǎn)矩傳遞到盤類零件1和2上，盤類零件2與套杯3之間放置深溝球軸承，套杯3與諧波減速器4的剛輪和小臂根部7連接，從而帶動(dòng)小臂轉(zhuǎn)動(dòng)，諧波減速器4的柔輪經(jīng)套類零件5和軸端擋板6固定在大臂外殼上，保證諧波減速器4柔輪的靜止。小臂根部7與小臂外殼8通過(guò)螺栓連接后帶動(dòng)小臂進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)。
圖3.1 小臂結(jié)構(gòu)
1.小臂外殼；2.軸；3.主動(dòng)鏈輪；4.盤類零件；
5.諧波齒輪減速器；6.伺服電機(jī)；7.小臂外殼；8.從動(dòng)鏈輪；9.手腕部分
圖3. 2 大臂與小臂連接部分
1.盤類零件；2.盤類零件；3.套杯；4.諧波減速器；
5.套類零件；6.軸端擋板；7.小臂根部；8.小臂外殼
3.2 大臂與小臂連接部分
3.2.1 伺服電機(jī)與減速器的選用
伺服電機(jī)選用EDSMF-2T130-100D，額定功率1.5kW,額定轉(zhuǎn)速1500r/min，額定力矩10N·m，其安裝尺寸如下圖所示：
圖3.3 大臂與小臂連接部分的伺服電機(jī)
大臂與小臂連接部分地減速器采用杯型（B型）諧波齒輪減速器。
n=100°s=100360r160min=16.67r/min (3-1)
i=150016.67=89.98 (3-2)
根據(jù)減速比的大小及綜合考慮減速器的安裝尺寸，選用XB-160-100B，減速比為100，模數(shù)0.8，額定輸出力矩為1000N·m。
3.2.2 軸的設(shè)計(jì)及校核
軸的材料選用45鋼，因?yàn)檩S只受伺服電機(jī)帶來(lái)的扭矩，按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度確定軸的最小直徑。
dmin≥39550×1000×P0.2[τT]n=A0·3Pn=14.1283mm (3-3)
圓整為d1=15mm，l1=15mm；d2=15mm，l2=20mm，軸上裝有滾針軸承K 15×17×20及軸端擋圈，滾針軸承的軸向定位一側(cè)采用軸肩定位，一側(cè)采用套筒及軸端擋圈定位；d3=19mm，l3=40mm；d4=28mm，l4=8mm；d5=28mm，l5=100mm，其上有套杯及軸端擋圈，套杯上有深溝球軸承6021支承柔輪，深溝球軸承內(nèi)圈一側(cè)由軸端擋圈定位，一側(cè)由套杯定位；d6=36mm，l6=10mm；d7=30mm，l7=50mm，兩段軸內(nèi)均有φ22mm的孔，孔內(nèi)有鍵槽，以供電機(jī)軸裝入后帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，最后一段軸徑上裝有軸承6006，軸承內(nèi)外圈分別用擋圈定位。
圖3.4 大臂與小臂連接部分軸
根據(jù)上述分析可知軸只受扭矩的作用而沒有彎矩，作扭矩圖如下圖所示：
圖3.5 大臂與小臂連接部分軸的扭矩圖
校核軸上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，應(yīng)滿足τT＜[τ]，軸材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，可查得[τ]=740MPa，校核如下：
τT=TWT=20000.2d3=10000.2×(28×10-3)3=227.7697MPa＜[τ] (3-4)
校核此軸安全。
3.3 大臂結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)大臂時(shí)，在保證大臂剛度的條件下，為節(jié)省材料，為大臂設(shè)計(jì)出Y型的形狀，且在大臂內(nèi)部設(shè)有放置電線的板和使電線通過(guò)的孔。大臂與小臂的連接部分放置與大臂末端處的U型接口處，電機(jī)通過(guò)法蘭連接在大臂上，諧波齒輪減速器的柔輪被固定，經(jīng)減速后剛輪帶動(dòng)小臂進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)。
圖3.6 大臂外形
3.3.1 伺服電機(jī)與減速器的選用
伺服電機(jī)選用EDSMF-2T130-077B，額定功率2.0kW,額定轉(zhuǎn)速2500r/min，額定力矩7.7N·m，其安裝尺寸如下圖所示：
圖3.7 大臂與底座連接部分伺服電機(jī)
大臂與小臂連接部分的減速器采用杯型（B型）諧波齒輪減速器。
n=100°s=100360r160min=16.67r/min (3-7)
i=250016.67=149.97 (3-8)
根據(jù)減速比的大小及綜合考慮減速器的安裝尺寸，選用XB-200-150B，減速比為150，模數(shù)0.8，額定輸出力矩為2000N·m。
3.3.2 軸的設(shè)計(jì)及校核
軸的材料選用45鋼，因軸只受伺服電機(jī)帶來(lái)的扭矩，按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度確定軸的最小直徑。
dmin≥39550×1000×P0.2[τT]n=A0·3Pn=14.1283mm (3-9)
圓整為d1=15mm，l1=17mm；d2=15mm，l2=20mm，軸上裝有滾針軸承K 15×17×20及軸端擋圈，滾針軸承的軸向定位一側(cè)采用軸肩定位，一側(cè)采用套筒及軸端擋圈定位；d3=19mm，l3=60mm；d4=30mm，l4=8mm；d5=28mm，l5=125mm，其上有套杯及軸端擋圈，套杯上有深溝球軸承6026支承柔輪，深溝球軸承內(nèi)圈一側(cè)由軸端擋圈定位，一側(cè)由套杯定位；d6=36mm，l6=8mm；d7=30mm，l7=52mm，兩段軸內(nèi)均有φ22mm的孔，孔內(nèi)有鍵槽，以供電機(jī)軸裝入后帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，最后一段軸徑上裝有軸承6206，軸承內(nèi)外圈分別用擋圈定位。
圖3.8 大臂與底座連接部分軸
根據(jù)上述分析可知軸只受扭矩的作用而沒有彎矩，作扭矩圖如下圖所示：
圖3.9 大臂與底座連接部分軸的扭矩圖
校核軸上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，應(yīng)滿足τT＜[τ]，軸材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，可查得[τ]=740MPa，校核如下：
τT=TWT=20000.2d3=20000.2×(28×10-3)3=455.5394MPa＜[τ] (3-10)
校核此軸安全。
第四章 底座結(jié)構(gòu)
4.1 底座結(jié)構(gòu)
底座是支承整個(gè)機(jī)械手的裝置，將其固定于地面，它僅具有一個(gè)自由度——旋轉(zhuǎn)，通過(guò)360°全方位的旋轉(zhuǎn)極大地?cái)U(kuò)充了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)范圍。
大臂與底座的連接部分如圖4.1所示：大臂與底座的連接部分放在底座的回轉(zhuǎn)體1上，用不規(guī)則形狀的殼體2通過(guò)螺栓連接與回轉(zhuǎn)體1相連，伺服電機(jī)6置于殼體2外側(cè)，通過(guò)盤類零件4和透蓋3經(jīng)螺栓連接固定于殼體2上，殼體2內(nèi)部配置有諧波減速器7，諧波減速器7的剛輪與套杯5連接，諧波減速器7的柔輪、盤類零件9與殼體2通過(guò)螺栓連接靜止，剛輪與大臂相連，帶動(dòng)大臂進(jìn)行所要求的俯仰運(yùn)動(dòng)。
圖4.1 大臂與底座連接部分
1.回轉(zhuǎn)體；2.不規(guī)則課題；3.透蓋；4.盤類零件；5.套杯；
6.伺服電機(jī)；7.諧波齒輪減速器；8.大臂根部；9.盤類零件；10.軸端擋蓋
底座結(jié)構(gòu)如圖4.2所示：底座1與地面用地腳螺栓固定，底座1與地面接觸的凸臺(tái)設(shè)計(jì)為φ760mm，高為40mm，底部為減小加工面積設(shè)有凸緣，底1座總高396mm，為連接伺服電機(jī)4和諧波齒輪減速6器，底座1內(nèi)部設(shè)有兩孔，直徑分別為420mm和284mm，底座1與透蓋5通過(guò)螺栓連接，透蓋5、底座1與套筒7通過(guò)螺栓連接，套筒7與諧波齒輪減速器6的剛輪固定，諧波減速器6的柔輪與回轉(zhuǎn)體2連接，帶動(dòng)回轉(zhuǎn)體2進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)體2與不規(guī)則殼體3通過(guò)螺栓連接帶動(dòng)不規(guī)則殼體3進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，完成既定的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。底座1外部與回轉(zhuǎn)體2之間存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，其間有深溝球軸承。
圖4. 2 底座結(jié)構(gòu)
1.底座；2，回轉(zhuǎn)體；3.不規(guī)則殼體；
4.伺服電機(jī)；5.盤類零件；6.諧波齒輪減速器；7.套筒.
在設(shè)計(jì)底座結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意底座要承受一定的彎矩和扭矩，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意合理選擇截面尺寸；由于底座支承整個(gè)機(jī)械臂，要具有一定的剛度和穩(wěn)定性，底座要有抵抗變形的能力和抵抗沖擊振動(dòng)的能力。底座應(yīng)該安裝在平穩(wěn)開闊且能提供有效支撐的地方，還應(yīng)該綜合考慮手臂運(yùn)轉(zhuǎn)的軌跡不會(huì)碰到周圍的設(shè)施。
4.2 伺服電機(jī)與減速器的選用
伺服電機(jī)選用EDSMT-2T110-060A，功率2.8kW，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定力矩6N·m，其安裝尺寸如下圖所示：
圖4.3 底座電機(jī)安裝尺寸
底座的減速器采用杯型（B型）諧波齒輪減速器。
n=100°s=100360r160min=16.67r/min (4-1)
i=300016.67=179.9640 (4-2)
根據(jù)減速比的大小及綜合考慮減速器的安裝尺寸，選用XB-200-180B，減速比為180，模數(shù)0.6，額定輸出力矩為2000N·m。
第五章 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)
5.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)
為了控制焊接機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，要在焊接機(jī)械手中建立相應(yīng)的坐標(biāo)系，關(guān)節(jié)坐標(biāo)系是描述關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系，笛卡爾坐標(biāo)系是描述機(jī)器人末端位置和姿態(tài)的坐標(biāo)系。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的是各個(gè)運(yùn)動(dòng)副坐標(biāo)系之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，為機(jī)器人下一步的控制提供理論支持。
在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究中，含有兩類問(wèn)題——一類是正向問(wèn)題，是研究機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的實(shí)際坐標(biāo)到機(jī)器人末端的位置坐標(biāo)與姿態(tài)的映射，其解具有唯一性，較為簡(jiǎn)單；一類是反向問(wèn)題，與正向問(wèn)題恰相反，是研究由機(jī)器人末端的末端與姿態(tài)到機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的坐標(biāo)之間的映射，其解較為復(fù)雜且有多個(gè)解。
5.1.1 機(jī)器人的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)
D-H方法是描述相鄰桿件之間的平移及轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題，具體方法是在每個(gè)關(guān)節(jié)處的桿件坐標(biāo)系建立一個(gè)4×4的齊次變換矩陣方程，以表示關(guān)節(jié)處的桿件與前一桿件坐標(biāo)系之間的關(guān)系。通過(guò)這種思路，逐次疊加轉(zhuǎn)換，即可用手部關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)系表示的焊槍可被變換并用基坐標(biāo)系來(lái)表示。
機(jī)器人每個(gè)桿件均由4個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)：決定桿件結(jié)構(gòu)的桿件參數(shù)——連桿長(zhǎng)度ai、連桿扭角αi，決定相鄰桿件相對(duì)位置的關(guān)節(jié)參數(shù)——兩連桿距離di、兩連桿夾角θi，確定這4個(gè)參數(shù)的正負(fù)號(hào)規(guī)則，它們就可以準(zhǔn)確描述機(jī)械臂每一個(gè)桿件的位置和姿態(tài)。
連桿長(zhǎng)度ai——zi-1軸和zi軸兩軸之間的最短距離，即從zi-1軸和xi軸交點(diǎn)到第i個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)方向上沿xi軸的偏置距離。
連桿扭角αi——用右手螺旋定則確定，繞xi軸從zi-1軸轉(zhuǎn)向zi軸之間的偏角。
兩連桿距離di——從第i-1個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)到zi-1軸和xi軸的交點(diǎn)方向上沿zi-1軸的之間的偏置距離
兩連桿夾角θi——用右手螺旋定則確定，繞zi-1軸從xi-1轉(zhuǎn)向xi軸的關(guān)節(jié)角
建立每個(gè)坐標(biāo)系應(yīng)遵循以下原則：①x、y、z軸按照右手坐標(biāo)系的要求建立；②zi-1軸的方向是沿著第i關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軸；③xi軸需垂直于zi-1軸并指向背離zi-1軸的方向。
根據(jù)設(shè)計(jì)的焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)模型繪制由5個(gè)簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的5自由度結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，將機(jī)械手簡(jiǎn)化后的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)分別按照以上的規(guī)則建立坐標(biāo)系，由于在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，各個(gè)部分的中心線在同一直線上，故標(biāo)y軸無(wú)意義，將大臂、小臂及手腕的中心線方向標(biāo)x軸，指向手腕的方向?yàn)閤軸的正半軸方向，隨后一次標(biāo)明各個(gè)關(guān)節(jié)的z軸方向。
垂直于底座的方向設(shè)為z0軸，方向?yàn)楸畴x底座方向，z1軸沿第1關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軸，則a1=0,z2、z3與z1方向一致， z4沿著第5關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軸，即回轉(zhuǎn)軸，經(jīng)測(cè)量a4=115mm，a5=472.5mm。
每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的齊次矩陣參數(shù)如下表所示：
表5.1 焊接機(jī)械手的連桿參數(shù)
參數(shù)
1
2
3
4
5
αi
90°
0°
0°
-90°
90°
ai
0
896
816.5
115
427.5
θi
360°
294°
-180°
155°
360°
di
0
0
0
0
0
各連桿的變換矩陣分別為：
A1=cos360°0sin360°0sin360°0-cos360°0 0 1 0 0 0 0 0 1 A2=cos294°-sin294°sin294°cos294° 0896×cos294°0896×sin294°0 00 01 0 0 1
A3=cos?(-180°)-sin?(-180°)sin?(-180°)cos?(-180°) 0816.5×cos?(-180°)0816.5×sin?(-180°)0 00 01 0 0 1
A4=cos155°0sin?155°0-sin155°115×cos155°cos155°115×sin155° 0 -1 0 0 0 0 0 1
A5=cos360°0sin360°0sin360°0-cos360°0 0 1 0 0 0 0 0 1
最后可得總的齊次矩陣為：
T=A1A2A3A4A5=-0.01750.999800030.3568-10-0.9998-0.0175000-187.639901
5.1.2 機(jī)器人的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)
機(jī)器人的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題是運(yùn)用已知焊槍的位姿，求焊接機(jī)械手對(duì)于這個(gè)位姿的全部關(guān)節(jié)角。由于逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題存在多個(gè)解，具有一定的復(fù)雜程度，但是實(shí)際生產(chǎn)出的機(jī)器人僅有一組解是完全正確的，所以我們要用合理的方法選擇合適的解，運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)剔除其他的解。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)空間來(lái)選擇合理的解及根據(jù)障礙物位置來(lái)選擇合理的解。求解方法運(yùn)用了解析法和歐拉變換法和部分線性代數(shù)的知識(shí)。
求解逆向運(yùn)動(dòng)方程，是確定機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)，對(duì)于機(jī)械手的控制非常重要，我們要明確機(jī)械手將會(huì)運(yùn)動(dòng)到什么位置，要獲取各個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)值，才能通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，使得機(jī)械手達(dá)到一定的精度和使用要求。
用歐拉變換法求解設(shè)計(jì)的焊接用機(jī)械手的解θ1：
為了得到θ1的正確解。用A1的逆矩陣左乘T5的兩端
A1-1T5=1T6 (5-1)
1T6=100000100-1000001-0.01750.999800030.3568-10-0.9998-0.0175000-187.639901 =-0.01750.9998-0.0998-0.0175030.35680-187.63990 00 01 00 1
根據(jù)對(duì)應(yīng)元素相等的法則，可求得θ1：
sinθ1·30.3568-cosθ1·(-187.6399)=0 (5-2)
θ1=arctan(-187.6399)30.3568=-80.8101° (5-3)
根據(jù)反三角函數(shù)計(jì)算法則，可得出θ1的另一個(gè)解：
θ1'=180°+θ1=99.1899° (5-4)
兩連桿夾角θ1適用用右手螺旋定則確定，繞z0軸從x0轉(zhuǎn)向x1軸的關(guān)節(jié)角，選取θ1=-80.8101°作為兩連桿夾角。根據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)械手所建立的坐標(biāo)系，其x軸均在一條直線上，θ2、θ3、θ4的軸是平行的，則計(jì)算3T5:
A4-1A3-1A2-1A1-1T5=4T5 (5-5)
-0.90630.4226000-115.0017-10-0.4226-0.90630000.001501-100-10-816.5000 00 0-1 00 1 0.4067-0.91350.9130.40670-895.94940-0.013400000.9998000.9998100000100-1000001-0.01750.999800030.3568-10-0.9998-0.0175000-187.639901
=0.99980.0047000-0.05790.99980-0.00470.9998000-0.030100.9998
根據(jù)對(duì)應(yīng)元素相等的法則，使第三行第三列對(duì)應(yīng)相等可求得：
-sin(θ2+θ3+θ4)·cosθ1·0+sinθ1·0+cosθ2+θ3+θ4·896=0 (5-6)
θ2+θ3+θ4=arctan896cosθ1·0+sinθ1·0=90° (5-7)
根據(jù)反三角函數(shù)計(jì)算法則，可得出θ2+θ3+θ4的另一個(gè)解：
(θ2+θ3+θ4)'=180°+θ2+θ3+θ4=270° (5-8)
根據(jù)之前在各個(gè)關(guān)節(jié)處建立坐標(biāo)系的分析及畫出機(jī)械臂的工作范圍可知，θ2+θ3+θ4=270°。
根據(jù)對(duì)應(yīng)元素相等的法則，使第一行第四列和第二行第四列對(duì)應(yīng)相等可求得：115×cosθ2+θ3+θ4+816.5×cos(θ2+θ3)+896×cosθ2=30.3568cosθ1+0×sinθ1
115×sinθ2+θ3+θ4+816.5×sin(θ2+θ3)+896×sinθ2=-187.6399
引入b1和b2兩個(gè)參數(shù)計(jì)算θ2和θ3
b1=816.5×cos(θ2+θ3)+896×cosθ2=30.3568cosθ1=4.8482 (5-9)
b2=816.5×sin(θ2+θ3)+896×sinθ2=-187.6399+115=-72.6399(5-10)
cosθ3=b12+b22-8962-816.522×896×816.5=-1 (5-11)
θ3=arccos-1=±180° (5-12)
θ3之所以有兩個(gè)解是因?yàn)殛P(guān)節(jié)具有向上運(yùn)動(dòng)和向下運(yùn)動(dòng)兩種位姿。
sinθ2=(816.5×cosθ3+896)×-72.6399-4.8482×816.5×sinθ3((816.5×cosθ3+896)2+sin2θ3+816.52 (5-13)
cosθ2=(816.5×cosθ3+896)×4.8482--72.6399×816.5×sinθ3((816.5×cosθ3+896)2+sin2θ3+816.52 (5-14)
θ2=arctan(816.5×cosθ3+896)×-72.6399-4.8482×816.5×sinθ3(816.5×cosθ3+896)×4.8482--72.6399×816.5×sinθ3 =-86.1816° (5-15)
θ4=270°-180°--86.1816°=176.1816° (5-16)
根據(jù)對(duì)應(yīng)元素相等的法則，使第一行第三列和第二行第三列對(duì)應(yīng)相等可求得：
sinθ5=0 (5-17)
cosθ5=0.9998 (5-18)
θ1=arctan0=0 (5-19)
結(jié) 論
本次設(shè)計(jì)出的焊接機(jī)器人肩高1908mm，臂展1984mm，占地面積455151.4mm。焊槍長(zhǎng)度為315mm，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的焊縫形狀的焊接。
本次設(shè)計(jì)的焊接用機(jī)械手，主要參照了典型的六關(guān)節(jié)操作機(jī)和KAKU型機(jī)器人，具有5個(gè)自由度，分別是腕轉(zhuǎn)、腕擺、小臂轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)、腰轉(zhuǎn)，可以達(dá)到規(guī)定的運(yùn)動(dòng)要求及精度。本次設(shè)計(jì)使小臂和手腕的結(jié)構(gòu)較為緊湊，運(yùn)動(dòng)精度較高，手腕的兩個(gè)自由度腕轉(zhuǎn)和腕擺分別通過(guò)液壓和伺服電機(jī)控制，形式上較為新穎。大臂采用合理且美觀的外形，將電機(jī)放置在大臂外部也極大減輕了焊接機(jī)械手的重量，底座和回轉(zhuǎn)體采用較簡(jiǎn)單但穩(wěn)定可靠的承重設(shè)計(jì)，整個(gè)焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)的互換性和通用性較強(qiáng)。機(jī)器人底座部分材料為鑄鐵，其余結(jié)構(gòu)外殼均為鑄鋁合金，機(jī)械性能好，重量輕。
設(shè)計(jì)的焊接用機(jī)械手與成品比較存在如下缺陷：整體設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上不夠緊湊，底座和回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)過(guò)于龐大；許多結(jié)構(gòu)的加工工藝不能很好的考慮到；未考慮到在實(shí)際安裝和使用時(shí)可能會(huì)發(fā)生的問(wèn)題；在某些結(jié)構(gòu)可能沒有考慮到零件失效或損壞之后的解決方案。
本次設(shè)計(jì)未解決的問(wèn)題：
① .未進(jìn)行仿真和模擬，不能確定裝配后運(yùn)動(dòng)是否會(huì)發(fā)生干涉；
② 對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，未做控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；
③ 對(duì)液壓部分未進(jìn)行詳細(xì)的考慮。
④ 由于機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多樣性，在國(guó)內(nèi)和國(guó)際上尚未指定有權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)，所以很多結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)均為自行設(shè)計(jì)，輔助參考了少量的類似機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，因此具體的零件與結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程中的通用性與合理性未知。
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