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畢 業(yè) 設 計（論文）任 務 書
畢業(yè)設計（論文）題目：
焊接機器人機構設計
畢業(yè)設計（論文）要求及技術參數(shù)：
1.設計要求：
設計一種在焊接生產線上固定位置使用的，用來在較惡劣環(huán)境下使用的六自由度焊接（CO2保護焊）機器人。本次畢業(yè)設計“焊接機器人機構設計”進行六自由度焊接機器人裝置機械系統(tǒng)設計及控制原理設計。
系統(tǒng)選用AC220V為動力;
機器人基座采用固定機構;
機器人可以連續(xù)作業(yè)；
設計過程考慮避障要求；
2.技術參數(shù)：
1.自由度分別為：腰部回轉、大臂擺、小臂擺、小臂旋轉、腕部旋轉、腕擺
2.工作負載：質量為5kg（焊槍重量）
3.重復定位精度：±0.2 mm
4.操作空間：
各關節(jié)動作范圍：
腰：0°— 270° 肩：0°— 70°
肘：+17°— - 14° 腕旋轉：-45°— ＋45°
小臂旋轉：-45°— ＋45° 腕俯仰：-135°— +135°
各關節(jié)速度：
腰：30 (5 r/min)
肩：45 (7.5 r/min)
肘：45 (7.5 r/min)
腕旋轉：120 (20 r/min)
腕俯仰：180 (30 r/min)
腕扭矩：2 Nm
第1頁
3．畢業(yè)設計說明書格式（或參考學校規(guī)定的格式）
（1） 太原學院畢業(yè)設計統(tǒng)一封面
（2） 畢業(yè)設計任務書
（3） 畢業(yè)設計中英文摘要
中文摘要300字左右
英文摘要和中文摘要對應
（4） 說明書目錄
（5） 說明書正文
第一章 ··········
一． ··········
二． ··········
三． ··········
第二章 ··········
一． ··········
二． ··········
三． ··········
第三章 ··········
第四章
（6） 總結（對設計內容的評價）
（7） 致謝
（8） 參考文獻
（9） 附錄
4．查閱有關外文資料，并將其中的1-2篇翻譯成中文
第2頁
畢業(yè)設計（論文）主要內容：
（1）進行機械手本體結構方案的優(yōu)化分析設計。
（2）機械手機械結構設計計算（包括機械手各關節(jié)電機的選型計算，傳動系統(tǒng)設計計算，機械手諧波齒輪減速器的選型計算，同步帶的選型計算等）；
（3）機械手總裝配圖設計；
（4）機械手自動化控制系統(tǒng)原理設計；
（5）關鍵零件的零件圖；；
（6）關鍵零件尺寸的計算；
學生應交出的設計文件（論文）：
1．開題報告。
2．設計計算說明書（不少于2萬字）。
3．圖紙：折合數(shù)量不少于2張A0?？傃b圖、原理圖、零件圖。
4．外文文獻及譯文（不少于1萬英文字符）。
第3頁
主要參考文獻（資料）：
[1] 成大先 械設計手冊 化學工業(yè)出版社
[2] 工業(yè)機器人 北京理工大學出版社
[3] 傳感器與敏感元件大全 電子工業(yè)出版社
[4] 機電傳動控制 華中科技大學出版社
[5] 工業(yè)過程自動化 機械工業(yè)出版社
[6] 電氣工程師手冊 機械工業(yè)出版社
[7] 單板機的原理與應用
[8] 材料力學
[9] 機械制圖
[10] 互換性與技術測量
專業(yè)班級 機械工程 學生
要求設計（論文）工作起止日期
指導教師簽字 日期
教研室主任審查簽字 日期
系主任批準簽字 日期
第4頁
畢業(yè)設計（論文）
畢業(yè)設計題目： 焊接機器人結構設計
畢業(yè)生姓名
：
專業(yè)
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學號
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指導教師
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所屬系（部）
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二〇 年 月
前 言
機器人技術是融合了電子技術、機械技術等多種新興技術的一種高新技術。工業(yè)機器人先后經歷了從第一代示教再現(xiàn)機器人、第二代離線編程機器人，到現(xiàn)在的第三代智能機器人三個過程。焊接作為工業(yè)“裁縫”，是工業(yè)生產中非常重要的加工手段，焊接質量的好壞對產品質量起著決定性的影響，同時由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣。隨著先進制造技術的發(fā)展，實現(xiàn)焊接產品制造的自動化、柔性化與智能化已經成為必然趨勢，采用機器人焊接已經成為焊接技術自動化的主要標志。
摘 要
六自由度工業(yè)機器人是一種高精度的自動化機械，具有高度的靈活性以及平穩(wěn)性。所以在設計中我們應當注意其結構工藝的合理性，在材料選擇上應當使其具有高強度和輕便的特性。本論文主要對焊接工業(yè)機器人的驅動方式及各軸的傳動方案進行了設計，并對驅動運動的電動機進行了選型；在對其工作空間分析的基礎上，對關鍵的零部件進行了受力分析及強度校核；根據(jù)其基本結構參數(shù)，并用CAXA2013繪制了裝配圖及部分關鍵零件圖。
關鍵詞： 工業(yè)機器人；結構設計；傳動方案設計；受力分析；強度校核
III
Abstract
Six degree of freedom industrial robot is a kind of automatic machine with high accuracy, with high degree of flexibility and stability.. So in the design we should pay attention to the rationality of the structure and technology, in the choice of materials should be so that it has high strength and lightweight, this paper mainly for the handling of industrial robot total drive way and the axis of the transmission scheme design, and the drive motor selection; in work space analysis based on the kinematics calculation, of key parts were stress analysis and strength check; and mapping with CAXA2013 assembly drawing and part of the key parts of the map.
Key Words：Industrial robots; Structural?design; Transmission?design; Force analysis；Intensity verification.
IV
目 錄
摘 要 V
1 緒 論 1
1.1 工業(yè)機器人概述 1
1.2 課題研究背景及其意義 1
1.3 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3
1.3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢： 3
1.3.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢： 4
1.4 工業(yè)機器人相關技術 5
1.5 本文主要內容 6
2 總體方案與傳動機構設計 8
2.1 總體方案設計與分析 8
2.1.1 驅動方式選擇 9
2.2 傳動方案的初步設計 10
2.2.1 腕關節(jié)的傳動結構設計 10
2.2.2 小臂傳動機構 11
2.2.3 大臂傳動機構 11
2.2.4 腰身傳動機構 12
2.3 機器人部分技術參數(shù) 12
3.1 工作空間 14
3.2 工作空間與機器人結構尺寸的相關性 14
3.2 分析 16
4 結構設計 17
4.1 傳動方案的確定 17
4.2 手腕傳動 17
4.2.1 腕部的設計要求 17
4.2.2 腕部電機的選擇 17
4.3 腰部 18
4.3.1 底座及腰部設計要求 18
4.3.2 電機選擇 18
4.4 手臂 19
4.4.1 手臂作用概述 19
4.4.2 電機選擇 19
4.5 傳動結構設計計算 20
5 關鍵零部件的校核 25
5.1 腕部中心軸的結構設計與校核 25
5.1.1 確定腕部中心軸的材料以及各段直徑和長度? 25
5.1.2 腕部中心軸的強度校核? 25
5.2? 腕部中心軸2的結構設計與校核? 27
5.2.1? 腕部中心軸2的結構設計 27
5.2.2? 腕部中心軸2的強度校核? 28
5.3 手腕齒輪連接軸的結構設計與校核 28
5.3.1 手腕齒輪連接軸的結構設計 28
5.3.2 手腕齒輪連接軸的強度校核 29
5.4 手腕齒輪連接軸2的結構設計與校核 31
5.5?驅動臂座與腰部主軸連接螺釘?shù)男：? 31
5.6 部分三維圖 31
6 總結 34
附錄 35
參考文獻 46
VI
1 緒 論
1.1 工業(yè)機器人概述
工業(yè)機器人是一種高精度的自動化生產裝備，它的設計涉及到了多門學科知識，包括了氣動、液壓、電路、PLC以及材料力學，理論力學等等。
它最早出現(xiàn)于20世紀，人們通常廣義的把機器人認為是能模仿人類動作的機器。相較于人具有大腦，手足，和眼睛等功能器官，隨著機器人的發(fā)展，它也擁有了類似的能力，甚至在功能上遠超人類。
工業(yè)機器人顧名思義，是用于輔助生產的機器人。早在20世紀20年代就出現(xiàn)了一種能夠在生產線上，代替人搬送裝卸工件的機械手。而在40年代則直接出現(xiàn)了可以由工人操作的機器人。60年代則出現(xiàn)了可以自動的多操作的機械手。
工業(yè)機器人發(fā)展迅速，功能越來越多，甚至出現(xiàn)了具有智能的機器人。目前，世界上把機械手、機器人等也一并稱為工業(yè)機器人。我國將其定義為：一種能自動控制，可重復編程、多功能、多自由度的機器人，并能搬運材料工件或者其他工具，用以實現(xiàn)多種作業(yè)。
1.2 課題研究背景及其意義
隨著社會發(fā)展和科技進步，機器人在社會各個領域的應用日益廣泛，應用最廣的要屬工業(yè)機器人。在工業(yè)機器人應用中，大部分為焊接機器人，據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有超過一半應用于各種形式的焊接加工領域。
焊接機器人就是在自動焊接生產領域從事焊接任務的工業(yè)機器人,絕大多數(shù)的焊接機器人的結構是在通用的工業(yè)機器人的基礎上裝上某種焊接工具而構成的,視具體焊接方式不同可對個別焊接機器人進行專門設計。焊接機器人發(fā)展歷史悠久,從上世紀年代工業(yè)機器人開始實用化以來,焊接機器人就立刻被投入到點焊和電弧焊領域中并得到了持續(xù)的應用。據(jù)統(tǒng)計,全世界使用中的焊接機器人數(shù)量大約占工業(yè)機器人總數(shù)量的一半,焊接機器人的研究歷程和應用領域幾乎等同于工業(yè)機器人。焊接機器人的發(fā)展歷史可以說是代表著工業(yè)機器人的發(fā)展歷史。焊接機器人是工業(yè)機器人的典型應用形式之一,主要應用于電焊和電弧焊生產線上。經歷了半個多世紀的應用和不斷完善,國內外學者對焊接機器人的研究仍然在向前發(fā)展,并取得了許多成果。目前學術界正在不斷完善機器人共性技術的研究,主要是針對機器人操作機結構、控制系統(tǒng)、傳感技術、網絡通信技術、遙控和監(jiān)視技術、虛擬機器人技術、多智能體調控技術等等的研究。未來焊接機器人正在向智能化方向、多傳感器信息融合方向、模糊控制方向、群體協(xié)調和集成控制的方向發(fā)展。焊接機器人廣泛應用于汽車及其零部件制造、工程機械和機車車輛等領域,近些年隨著焊接機器人技術的不斷發(fā)展,開始逐漸應用于石油石化、船舶制造、冶金建設和壓力容器制造等領域。其中對管道相貫線全位置焊接機器人研究的力度比較大,其關鍵技術研究主要包括機械機構研究、自動跟蹤技術研究和計算機程控技術研究。最初焊接機器人主要應用于汽車、摩托車及工程機械三個主要行業(yè)里,而且多數(shù)主要應用于汽車及其零部件制造行業(yè)中,在摩托車行業(yè)和工程機械行業(yè)中只占少數(shù),其他像電器、自行車、機車、航空航天等行業(yè)也有一些。焊接機器人一開始應用于汽車裝配生產線上的電阻點焊,后來隨著焊縫軌跡跟蹤技術、控制技術和機器視覺技術在工業(yè)上的推廣應用,又承擔起了汽車零部件和裝配過程中電弧焊的焊接任務。點焊機器人主要用于汽車及其零部件生產,但是在其他行業(yè)中用得卻極少?；『笝C器人的分布比點焊機器人要廣泛,但主要仍集中于汽車及其零部件生產線中,其余則分布于摩托車及工程機械制造行業(yè)中。隨著機器人共性技術研究的不斷深化,焊接機器人才開始應用于造船、鍋爐、重型機械等焊接領域中。這些焊接任務中最常見的就是管道插接空間相貫線焊接,與傳統(tǒng)的常規(guī)平面焊接任務不同,對焊接機器人技術提出了新的要求。
目前使用的機器人中，焊接機器人約占總量的一半Ｗ。國外對機器人技術的壟斷，嚴重制約著我國技術的發(fā)展，要打破壟斷，必須自主研制出適合自身發(fā)展的機器人，提升自身的科技水平。機器人的本體結構作為焊接機器人的基礎，其加工制造精度，裝配精度等對機器人工作范圍、工作穩(wěn)定性等方面有直接影響。
機器人燥接可以使焊接過程更加穩(wěn)定，提高焊縫成型質量，改善勞動條件，適應惡劣環(huán)境，提高生產效率，明確產品周期，有效控制產量，縮短產品更新?lián)Q代周期，減小設備投資等，從而滿足現(xiàn)代化生產的需要。
工業(yè)機器人是機電一體化的設備，是包含了多種高新技術的產品，其產品的附加值高。機器人行業(yè)雖然是現(xiàn)代社會一個比較新的行業(yè)，但是在提高汽車、制造等行業(yè)的自動化程度上有不可磨滅的功勞，因此，許多國內外的專業(yè)人士都認為它將是一個大規(guī)模的高新技術行業(yè)?，F(xiàn)在人民的生活水平日益提高，對產品的要求也越來越高，這樣工業(yè)機器人就有了應用的空間，隨著我國汽車、制造等行業(yè)大量使用工業(yè)機器人，我國機器人市場的需求量很大，但在實際應用的機器人中進口占了絕大多數(shù)，在目前所使用的工業(yè)機器人中，國產僅占20%，其余都是從日本、德國、瑞典等國家引進的，然而由于國外的機器人并不完全適合中國企業(yè)的要求，有很大一部分都不能正常使用，因此現(xiàn)在國產機器人的發(fā)展既有機遇又有挑戰(zhàn)。
以焊接行業(yè)為例，因為焊接工作具有工作強度高、危險性大、時間長等特點，現(xiàn)在已經很少有人愿意從事這一行了，這樣就迫切需要大量的焊接機器人，目前我國焊接機器人較少，遠沒有達到飽和，再加上近年來國家政策支持發(fā)展國產機器人，這一切都說明工業(yè)機器人有很好的發(fā)展前景，研發(fā)高精度的焊接機器人有助于提高人民的生活質量，提高工業(yè)自動化程度，促進我國從制造大國轉變?yōu)橹圃鞆妵?
1.3 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢：
在 1946 年，美國發(fā)明家就申請了示教再現(xiàn)控制技術的專利，這種控制技術目前仍然應用在大多數(shù)的示教工業(yè)機器人中，它其實就是人工把機器人從起始位置到工作目標點的運動路徑運行一遍，機器人自身就記錄下各個關節(jié)的轉角等資料，以實現(xiàn)以后工作的再現(xiàn)。到 1959 年，第一臺正式用于工業(yè)的機器人樣機，在美國被設計生產出來了。而且僅僅過了三年，可以用于實際工作的機器人“VERSTRAN”就在美國的AMF公司誕生了，從此就引發(fā)了全世界對機器人的研究熱潮。許多國家開始積極出臺相關政策，首先作為機器人技術發(fā)源地的美國，繼續(xù)加大投入，鼓勵機器人的研究和應用；而德國政府則采用強硬手段支持其國內機器人的發(fā)展，一些工作崗位被強制規(guī)定：必須使用機器人，這樣一來就加快了其機器人的研發(fā)和實用進程；英國為了彌補一開始的失誤，采取加大對其自身機器人的財政補貼、擴大對機器人的宣傳等政策，使英國機器人的發(fā)展穩(wěn)步提高；日本對機器人的研發(fā)雖然起步較晚，但其憑借與美國的良好關系，從美國引進機器人的成熟、先進技術，再加上政府的大力支持和自身研發(fā)者的刻苦鉆研，使得日本機器人，在世界機器人行業(yè)中有著舉足輕重的地位。根據(jù)近期的相關統(tǒng)計，目前在各種領域工作的機器人，大概有50%是由日本研發(fā)、制造的。
因為工業(yè)機器人擁有工作時間長、柔性好及適用性強等特點，所以它在汽車制造業(yè)、機械工程、醫(yī)療器械、食品加工等行業(yè)中應用較多，而在這些行業(yè)中，汽車行業(yè)是應用工業(yè)機器人最早，也是最多的，其數(shù)量大概占有37%左右。
工業(yè)機器人的技術在國外的一些國家已經比較成熟，其應用范圍也是遍布各行各業(yè)。以日本為例來說，當初其微電子行業(yè)的發(fā)展，使日本的勞動力明顯不足，這樣工業(yè)機器人在公司受到了“救世主”般的歡迎，使日本的工業(yè)機器人得到政府和企業(yè)的高度重視，從而促使其快速發(fā)展，現(xiàn)在日本的各個行業(yè)都有機器人的身影。目前不管是從機器人的數(shù)量還是機器人的密度來看，日本都位居世界第一。而其它歐美工業(yè)發(fā)達國家機器人的發(fā)展，則更是可見一斑。下面用具體的數(shù)字來直觀地描述國內外工業(yè)機器人的應用情況，從工業(yè)機器人的密度(即每萬名生產工人占有的機器人數(shù)量)來分析，日本和意大利分別達到 1700 臺和 1600 臺，聯(lián)邦德國為 1190 臺，法蘭西共和國有 1130 臺，葡萄牙有 980 臺，美國為 780 臺，瑞典有 650 臺，加拿大 620臺，我國最多擁有 90 臺(汽車行業(yè))。
到目前為止，許多工業(yè)發(fā)達的國家都有自己知名的代表性機器人制造商，這些機器人企業(yè)一般被分為兩種：歐系和日系。在這些工業(yè)機器人的生產廠家中，如發(fā)那科、安川、OTC、三菱、那馳不二越等稱為日系；而另外一些常見的像史陶比爾、杜爾、ADEPT、意大利的 COMAU 公司以及奧地利的重工 GM 等稱為歐系。這些跨國公司，不僅對其各自的國家來說是支柱性企業(yè)，而且在國際上也都比較有影響力，幾乎壟斷了機器人行業(yè)。
1.3.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢：
我國由于工業(yè)基礎薄弱，對機器人的研究是從上世紀 70 年代才逐漸開始的，而且還僅僅是研究分析機器人的基礎理論，直到 1986 年，國家出臺政策，將機器人作為高新技術來研究，并且陸陸續(xù)續(xù)成立了一些專業(yè)的科研院所和公司，這樣我國機器人事業(yè)才得到了較快的發(fā)展。比如說首鋼莫托曼，雖然說是目前國內最大、最先進的機器人生產制造公司，但因為是中日合資企業(yè)，技術方面主要依靠從日本引進，雖然現(xiàn)在已經開發(fā)、生產了多個系列的多種機器人，占有一定的市場份額，但對工業(yè)機器人國產化幫助有限。而 2000 年成立的沈陽新松機器人公司，是完全擁有自主知識產權的，同時它也是我國工業(yè)機器人的產業(yè)基地，隸屬于中國科學院，它成功研制了我國第一臺工業(yè)機器人，從而揭開了國產機器人應用的序幕，并且填補了我國在這一行業(yè)的空白?，F(xiàn)如今，新松機器人公司生產的機器人種類多樣，相關技術已達到國際先進標準，其產品應用在我國的很多自動化行業(yè)中，打破了國外的壟斷，為促進我國工業(yè)自動化做出了較大貢獻。
隨著從 2008 年開始的勞工成本大幅上升，工業(yè)機器人就逐漸在我國的制造行業(yè)嶄露頭角，當年我國新增的各種機器人達 7500 臺之多，其數(shù)量是前 24 年銷售總量的三分之一。在不久的未來，機器人將作為一種標準設備而得到廣泛應用，并將成為我國工業(yè)自動化技術與應用的“生力軍”。
沈陽新松公司（ＳＩＡＳＵＮ）在國內率先開展機器人的研巧。其研發(fā)的焊接機器人在許多廠商中得到應用，如點焊機器人成功應用于一汽轎車的小紅旗、世紀星兩種車型的車身姐焊；為大連華克－吉萊特汽車公司組建弧焊機器人工作站等。奇瑞汽車有限股份公司主要產品有弧焊、點焊等多種機器人產品系列，但僅用于奇瑞汽車生產線上，適應范圍較窄，并且未能完全實現(xiàn)自主研制，其核必部件依然受國外的限制，如奇瑞ＵＵＱＨ－１６５中的電阻焊接控制器采用日本ＮＡＤＥＸ的ＰＨ５－７００３電阻焊接控制器，焊巧采用曰本小原的一體化氣動焊領。雖然我國在機器人技術方面取得一定的進步，但是受國外技術壟斷，國內工業(yè)水平較落后等因素的影響，國產機器人占用比還是較低。另外我國研制的焊接機器人在可靠性、定位精度、使用壽命等方面與國外產品相比依然有較大差阻町因此市場競爭力較弱，產品難以打入國際市場。
隨著現(xiàn)代加工技術要求的提升，為了適應發(fā)展要求，焊接機器人技術的研究也在不斷的深入，智能化、模塊化、物聯(lián)網化的概念將成為發(fā)展的主流，焊接機器人發(fā)展方向主要分為智能傳感技術、多機器人協(xié)作焊接、嵌入式控制技術及開放式機器人控制系統(tǒng)。
智能傳感技術。焊接機器人的控制是一個多變量的控制過程，控制量的控制結果則是通過傳感器反饋回來，傳統(tǒng)的傳感器采集的是位置、速度、加速度等這些直接控制量，而新型傳感器則具備自動識別和調節(jié)功能，再結合相關算法能讓焊接機器人的控制更具智能化，比如說焊縫的自動識別與跟蹤、焊接質量的自動檢測、加工工件自動定位等。
多機器人協(xié)作焊接。單機器人焊接作業(yè)雖然能夠完成部分的任務，但是在實際生產中隨著被加工對象的復雜性和柔性生產線的自動化要求的不斷提升，單機器人的焊接系統(tǒng)已經無法滿足要求，只有借助多機器人協(xié)同焊接才能從根本上解決問題，而多機器人焊接的協(xié)調控制也帶來了許多全新的難點，但并不阻礙它成為一個研究熱點。
嵌入式控制技術。物聯(lián)網技術近幾年一直不斷的受到熱捧，而物聯(lián)網的核心技術要靠嵌入式系統(tǒng)來得以體現(xiàn)，將嵌入式控制技術應用在焊接機器人控制中是一個全新的突破點，嵌入式控制系統(tǒng)相比基于微處理器的控制具有很高的實時性和網絡通訊能力，可以有效保證焊接過程中的實時監(jiān)測性能和遠程監(jiān)控能力。
開放式焊接機器人控制系統(tǒng)。隨著機器人技術研究的專業(yè)化程度不斷深入，焊接機器人控制系統(tǒng)的開放性以及模塊化已經不可阻擋，控制系統(tǒng)的標準化和通用性已成為發(fā)展趨勢，各研究機構與大型組織已經進行一些探索，如今基于PC的開放式控制系統(tǒng)儼然成為了熱捧的研究方向。
1.4 工業(yè)機器人相關技術
工業(yè)機器人按坐標系統(tǒng)可分為以下五種：
(1)圓柱坐標型 這種機器人只有一個轉動關節(jié)，其余都是移動關節(jié)，它的空間定位較為直觀，但其移動副不易防護，手臂伸縮的時候，可能與其他物體相碰撞。
(2)直角坐標型 只具有移動關節(jié)，其運動部分看起來是由三個相互垂直的直線組成，其工作空間圖形為矩形?？刂扑惴ê唵?，沒有耦合；占地面積大，工作空間較小，結構剛度高，操作類似于數(shù)控機床。
(3)球坐標型 這是有兩個轉動關節(jié)、其余為移動關節(jié)的機器人，有著占地面積大，工作空間大具有結構緊湊、工作空間范圍大的特點，但結構復雜。
(4)關節(jié)型 具有三個轉動關節(jié)的機器人，其動作靈活，工作空間大，結構緊湊，占地面積也小，但是其運動學復雜，計算困難，計算量大
(5)SCARA型 平行的肩關節(jié)和肘關節(jié)，關節(jié)軸線共面垂直平面剛度好，水平面柔順性好結構輕便，響應快，適用于平面定位，垂直裝配作業(yè)
圖1-1 四種坐標類型
1.5 本文主要內容
（1）通過閱讀學習工業(yè)機器人的相關書籍和論文，確定了工業(yè)機器人使用方式，完成工作方案的初步設計；
（2）設計了腰部、大小臂和腕部的傳動方案，并總結出其總體設計方案；
（3）運用數(shù)學知識，作圖計算其工作空間，根據(jù)D-H對其進行運動學分析，計算主要結構尺寸要素；?
（4）設計各軸結構樣式，選擇其驅動電機類型；
（5）對關鍵的零部件進行校核。
2 總體方案與傳動機構設計
2.1 總體方案設計與分析
2.1.1機構選型：
由第一章可知，工業(yè)機器人按坐標系統(tǒng)可分為直角坐標機器人，圓柱坐標機器人，球面坐標機器人，關節(jié)型機器人和SCARA機器人，其中關節(jié)型機器人使用范圍廣，用途多樣，其優(yōu)點如下：
（1）工作空間范圍大，占地面積小。???
（2）靈活性高，能夠做到其他種類機器人所無法做到的動作，用途廣泛。
（3）沒有移動關節(jié)，所以不需要設計導軌。轉動關節(jié)容易密封，由于軸承件是大量生產的標準件，則摩擦小，慣量小，可靠性好。??
（4）驅動各軸運動時轉矩較小，耗能少
綜上所述，我們決定采用關節(jié)型機器人。
手臂由動力關節(jié)和連接桿件構成，用以調整手腕和末端執(zhí)行器的位置。由于本設計要求能達到工作空間的任意位置，因此采用三自由度手臂。機座則采用回轉機座。
手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，起支承手部和改變手部姿態(tài)的作用。手腕按自由度數(shù)目可分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。由于本機器人對要求的動作多樣，靈活性高，故選用三自由度手腕。
三自由度手腕由B關節(jié)和R關節(jié)組成，可實現(xiàn)翻轉、俯仰和旋轉功能。B關節(jié)和R關節(jié)排列的次序不同，也會產生不同的效果，因此其結構形式也多種多樣。
手腕可以確定焊槍空間的姿態(tài)，在參考人體手腕的基礎上，確定機器人腕有三個自由度，俯仰形式關節(jié)為B，旋轉形式關節(jié)為R，則現(xiàn)存的手腕結構有BBR、BRR、RBR、RRR。
1 BBR型手腕減少了手腕縱向尺寸，減小了工作空間，不夠靈活。一般來說，旋轉 關節(jié)與平移關節(jié)相比，具有工作空間大、結構緊湊、重量輕以及靈活性好等特點，也更容易做密封防塵。
2 RRR手腕構型的工作空間較大，但其結構較復雜，對焊接工作的精度有較大影響，且當其完全伸展時，三根關節(jié)軸處于同一平面內，同時有兩根旋轉軸重合，這樣將導致機器人手腕喪失一個自由度，從而使手腕不能到達任意位置姿態(tài)，不滿足本設計要求。
3 RBR構型的手腕不僅很容易實現(xiàn)遠距離的傳 動和控制，而且其手腕三根關節(jié)軸相交于一點，運動學逆問題有封閉解，控制算法簡單，其結構緊湊，在同樣條件下其末端 運動件更加輕型化，并且RBR完全展開時更適合微調操作 。
圖2-1 三自由度手腕的幾種形式
B關節(jié)是一種俯仰、擺動關節(jié)，關節(jié)軸線與前后兩個連接件的軸線相垂直，旋轉角度??；R關節(jié)是一種回轉關節(jié)，它把手臂縱軸線和手腕關節(jié)軸線構成共軸形式，這種關節(jié)旋轉角度大，可達到360°以上。BBR結構由于采用了兩個彎曲結構使結構尺寸增加了，BRR、RBR與前者相比結構緊湊。工業(yè)機器人的自由度越多，靈活性越好，但過多的自由度也會使得設計與結構復雜化。
考慮到本機器人的實際用途，故采用六自由度，依次為腰部回轉，大臂俯仰，小臂俯仰，手腕回轉，手腕俯仰，手腕側擺。
2.1.1 驅動方式選擇
工業(yè)機器人的驅動方式可以分為氣壓驅動、液壓驅動及電動機驅動等多種類型。它們各有優(yōu)缺點，且適應的工作場合也不同。三種驅動方式的特點比較見表2-1。
表 2-1 驅動方式比較
特性
氣壓驅動
液壓驅動
電動機驅動
輸出功率和使用范圍
氣壓較低，輸出功率小，當輸出功率增大時，結構尺寸將過大。
油壓高，可獲得較大的輸出功率，適于重型，低速驅動
適用于運動控制嚴格的中、小型機器人，輸出功率較大
控制性能和安全性
壓縮性大，對速度位置的精確控制困難，阻尼效果差，低速不易控制，排氣有噪聲，泄漏對環(huán)境無影響
液體不可壓縮，壓力、流量易控制，反應靈敏，可無極調速，能實現(xiàn)速度、位置的精確控制，傳動平穩(wěn)，泄漏污染環(huán)境
控制性能好，控制靈活性強，可實現(xiàn)速度、位置的精確控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜，對環(huán)境無影響
結構性能
結構體積較大，結構易于標準化，易實現(xiàn)直接驅動，密封問題不突出
結構尺寸較氣動要小，易于標準化，易實現(xiàn)直接驅動，密封問題顯得重要
結構性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅動，結構緊湊，無密封問題
效率和制造成本
效率低（為0.15～0.2）氣源方便，結構簡單，成本低
效率中等（為0.3～0.6），管理結構較復雜，成本高
成本較高，效率為0.5左右
根據(jù)上述驅動系統(tǒng)特點，本文最終選擇電機驅動的方式。
2.2 傳動方案的初步設計
2.2.1 腕關節(jié)的傳動結構設計
圖2-2 手腕傳動機構
如圖所示，我們采用的是三自由度手腕，也被叫做萬向型手腕，它一部分與小臂相連，隨小臂轉動而轉動，中間錐齒輪Z4，Z5帶動手腕做俯仰運動，軸1則帶動手爪轉動。為了使手腕能實現(xiàn)三個自由度并減輕手腕重量，必須用遠距離傳動，故將電動機裝在小手臂的關節(jié)處。
2.2.2 小臂傳動機構
圖 2.4 小臂結構
圖2-3
小臂關節(jié)的傳動機構簡圖如圖2-3所示。小臂做+130o至-90o范圍內的俯仰運動，從而調節(jié)整個腕部的空間位置。其驅動電機裝在驅動臂座上，即大手臂的關節(jié)處，通過大臂底部的通孔，使用兩根連桿與小手臂座相連。通過連桿的動作，實現(xiàn)小手臂座的俯仰動作。底部使用平鍵連接，大臂與底桿則使用漲緊套連接。
2.2.3 大臂傳動機構
圖2-4 大臂結構
如圖2-4所示，大臂和小臂的俯仰動作將共同決定手腕在平面中的位置，其底部有通孔，大臂與減速器通過通孔相連，電動機在減速器旁邊并列安裝。
2.2.4 腰身傳動機構
腰部旋轉和大臂小臂的俯仰動作共同決定手腕在空間中的位置。腰部采用力矩電機來傳遞轉矩，腰部主軸是空心軸，通過鍵與力矩電機相連。因此，力矩電機帶動腰部主軸旋轉，從而使腰部回轉盤旋轉。
2.3 機器人部分技術參數(shù)
表 2-2 方案信息
工藝描述
六軸動作順序
動作范圍
最大速度
驅動功率
1軸（回轉）
—
360°
160°/s
—
2軸（大臂俯仰）
—
130°
160°/s
—
3軸（小臂俯仰）
—
220°
220°/s
—
4軸（手腕回轉）
—
360°
500°/s
—
5軸（手腕俯仰）
—
220°
330°/s
—
6軸（手腕偏轉）
—
220°
330°/s
—
該機器人固定于兩條自動裝配線末端中間，同時負責兩條裝配線的工件搬運，因此，該機器人必須具有動作靈活的特點。?
本設計中該搬運機器人本體由底座、腰部、大臂小臂、手腕和末端執(zhí)行器組成。共有六個自由度，依次為腰部回轉、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回轉、手腕俯仰、手腕側擺。?
機器人采用電動機驅動。這種驅動方式具有結構簡單、易于控制、使用維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點，這也是現(xiàn)代機器人應用最廣泛的驅動方式。
3 工作空間分析及計算
3.1 工作空間
該機器人的結構參數(shù)應該根據(jù)一定的工作空間要求來確定，工作空間是指機器人手臂末端或手腕中心所能達到的所有點的集合，也叫做工作區(qū)域。描述工作空間的手腕參考點可以選在手部中心、手腕中心或手指指尖，參考點不同，工作空間的大小、形狀也不同。工作空間是機器人的一個重要性能指標，是機器人機構設計要研究的基本問題之一。當給定機器人結構尺寸時，要研究如何確定其工作空間，而當給定工作空間時，則要研究機器人應具有什么樣結構。本文所討論的搬運機器人主要用于裝配線末端產品的搬運，本文將用一種根據(jù)工件尺寸確定機器人位置機構參數(shù)的簡便方法確定該搬運機器人的主要結構參數(shù)，包括大小臂的長度尺寸及其極限擺角。
3.2 工作空間與機器人結構尺寸的相關性
工作空間的形狀取決于機器人的結構型式，直角坐標型機器人的工作空間為長方體；圓柱坐標型機器人的工作空間為中空的圓柱體；球坐標型機器人的工作空間為球體的一部分；關節(jié)型機器人的工作空間比較復雜，一般為多個空間曲面拼合的回轉體的一部分。
直角坐標型機器人工作空間的大小取決于沿X、Y、Z三個方向機器人行程的大小。圓柱坐標型機器人工作空間的大小取決于立柱的尺寸和水平臂沿立柱的上下行程，還取決于水平臂尺寸及水平伸縮行程。球坐標型機器人工作空間的大小取決于工作臂的尺寸、工作臂繞垂直軸轉動的角度及繞水平軸俯仰的角度。關節(jié)型機器人工作空間的大小取決于大小臂的尺寸、大小臂關節(jié)轉角的角度以及大臂繞垂直軸轉動的角度。
圖3-1 位置簡化模型
L1：大臂的長度，根據(jù)總體方案設定條件確定為665mm?
L2：小臂的長度，根據(jù)總體方案設定條件確定為630mm?
θ1：大臂旋轉偏離立柱0位的角度，順時針為正，本文定為-90o~130o?
θ2：小臂旋轉偏離0位的角度，順時針為正，本文定為-65o~65o?
如圖3-1所示，手端部的運動軌跡簡易描述：以AD、BC、CD、DA四弧段在XOZ面組成機器人工作空間截面。AB弧段和CD弧段的圓心為大臂的起始點，即坐標原點。E點為AD弧段的圓心，F(xiàn)點為BC弧段的圓心。
各個點的坐標分別為：?
A點：大臂負極限值θ1min、小臂達到負極限值θ2min?
XA=L1sinθ1min+L2cos（θ1min+θ2min）=665×sin（-65）+630×cos（-155）=-1173.67
ZA=L1cosθ1min-L2sin（θ1min+θ2min）=665×cos（-65）+630×sin（-155）=-547.29
B點：大臂到達正極限值θ1max，小臂達到負極限值θ2min?
XB=L1sinθ1max+L2cos（θ1min+θ2min）=665×sin65°+630×cos-155°=-31.72
ZB=L1cosθ1max-L2sin（θ1min+θ2min）=665×cos65°-630×sin-155°=-547.29
C點：大臂到達正極限值θ1max，小臂達到正極限值θ2max?
XC=L1sinθ1max+L2cos（θ1max+θ2max）=665×sin65°+630×cos（-155°）=--5.84
ZC=L1cosθ1max+L2sin（θ1max+θ2max）=665×cos65°+630×sin195°=-117.98
D點：大臂負極限指θ1min，小臂達到正極限值θ2max?
XD=L1sinθ1min+L2cos（θ1min+θ2max）=665×sin（-65°）+630×cos65°=-336.45qqZD=L1cosθ1min-L2sin（θ1min+θ2max）=665×cos（-65°）-630×sin65°=-852.02
E點：?=?
XE=L1sinθ1min=665×sin（-65°）=-602.29
ZE=L1cosθ1min=665×cos（-65°）=-281.04
F點：?
XF=L1sinθ1max=665×sin65°=602.69
ZF=L1cosθ1max=665×cos65°=281.04
可得坐標A=(-1173.67,547.29),B=(31.72,547.29),C=(-5.84,117.98),D=(-336.45,852.02)，E(-602.69,281.04),F(602.69,281.04)，由此可以作出機器人大臂小臂組成的截面（XZ面）工作空間，同機器人的安裝機座（X,Y,Z坐標）的高度疊加后，可以繪制出機器人的截面（XZ面）工作空間，如圖。
圖 3.2 機器人工作空間
3.2 分析
經過上面的計算和分析可證明小臂的末端可達的覆蓋范圍大于作圖空間。由于論證時的前提條件是把搬運機器人的最大覆蓋范圍一分為二。所以滿足一半覆蓋范圍時，必然能夠達到搬運機器人搬運工件的范圍。所以搬運機器人足可滿足要求的最大覆蓋范圍，證明方案正確，小臂和大臂的長度和俯仰角度確定的合適。
4 結構設計
4.1 傳動方案的確定
根據(jù)第二章的總體分析可知，搬運機器人前三個軸的傳動機構并不復雜，第一個用的是蝸輪蝸桿傳動，第二軸和第三軸則是用擺線針輪行星齒輪傳動。四五六軸皆為手腕部分，都是采用遠距離傳動，將電機裝在小臂關節(jié)處，通過同軸套筒接到手腕關節(jié)處，減輕手腕重量。
蝸輪蝸桿的優(yōu)點在于傳動比較大，結構也緊湊。蝸輪蝸桿傳動比5≤i≤70，常用15≤i≤50；擺線針輪行星齒輪傳動，11≤i≤87，圓錐齒輪傳動效率高，一般可達98%，兩齒輪軸線組成直角的錐齒輪副應用最廣泛。由機械設計手冊可得，其傳動比范圍為2-3，
4.2 手腕傳動
手腕是機器人小臂與末端執(zhí)行器之間的聯(lián)接部件，其功能是利用自身的活動使末端執(zhí)行器能夠達到確定的工作空間姿態(tài)，因此手腕可以稱為機器人的姿態(tài)機構，是機器人中極為重要也是結構最為復雜的部件。手腕的靈活度直接決定了機器人能夠完成任務的種類和復雜程度，對機器人手腕結構的研究有著重要意義。
4.2.1 腕部的設計要求
由前文可知，本課題所設計的是一個三自由度的機器人手腕，由法蘭固定在機器人小臂上，分別用三個直流伺服電機對其進行驅動。手腕主要分三部分：一部分是通過法蘭和小臂固結在一起，可實現(xiàn)腕部的回轉運動；一部分是圍繞軸的擺動；另外一部分就是手爪的回轉運動。
4.2.2 腕部電機的選擇
由于腕部具有三個自由度，故對應每個自由度都有一個電機。電機1帶動手爪轉動，電機2則帶動手腕左右擺動，電機3帶動整個手腕繞小手臂中心軸線轉動。
由前文的總體方案設計可知，腕部前端為焊頭，重為5kg。
工件的轉動慣量為 J=ms26=0.00075kg.m2
已知它的轉動速度為w=330°/s
取啟動時間為0.1s，
轉動角加速度β=3300°/s2
由此計算力矩得：T=Jβ=0.043N.m
功率P=Tw=2.48
所以定做的電機額定電壓220V，輸出功率至少3W，輸出轉矩至少為1N.m，轉速為1400r/min，減速箱的減速比為23。電機輸出軸端進行適當?shù)募哟旨娱L。
4.3 腰部
4.3.1 底座及腰部設計要求
工業(yè)機器人底座的設計主要考慮機器人的承重、散熱、節(jié)省材料及合理裝配等。由于底座基本上承擔了工業(yè)機器人的所有重量，因此在材料的選取上要選取強度高，抗震性強，耐疲勞的材料。本文中選用ZG200作為底座材料。又考慮到底座為鑄件，為避免鑄造過程中出現(xiàn)縮松、縮孔等鑄造缺陷，因此可將底座設計成內部中空的結構。這樣既節(jié)省了材料，又降低了制造成本。
腰部承受了較大的轉矩，在進行校核的時候，要特別注意其抗彎抗扭的能力。因為回轉臺同樣為鑄件，因此其材料選用ZG200-400，外形設計為薄壁結構，以減少其自身的重量。
4.3.2 電機選擇
小手臂轉動慣量：
J3=J0+mp2=0.80+9.5×(15Xcos15°)2 =23.43kg.m2
大手臂轉動慣量：
J2=m12（a2+b2+c2+d2）+mp2 =44.812 （0.22+0.12+0.122+0.062）+44.8×0.352 =5.742 kg.m2
兩電動機的轉動慣量：
J電= J電1 +J電2=34×0.22+8.5×0.42=2.72 kg.m2
減速箱的轉動慣量：
J減=150×0.452=30.375 kg.m2
腰部本身的轉動慣量：
J1=mp2=250×0.252=40 kg.m2
所以，總的轉動慣量為
J總=23.4+5.742+20+2.72+28.125+40+30.375=150.392 kg.m2
而轉動角加速度為
ε=△V△t=π2×0.2=7.854 °/s2
輸出軸的轉矩為
M=J總ε=150.392×7.854=1181.179N·m
轉換到電機上的轉矩為
M電=1.3Mu=0.3×1181.17966.67=17.71N·m
根據(jù)要求M電
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