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摘 要
在中國制造2025的大時代背景下，制造業(yè)的高速發(fā)展在我國科技創(chuàng)新領域顯得至關重要，工業(yè)機器人在生產制造中不僅可以解放勞動力，而且在極大程度上提高生產效率，我國又一次掀起了工業(yè)機器人極速發(fā)展的浪潮。
本次設計選題為焊接用機械手設計，重點在其結構設計，經過查閱多個焊接機械手的成圖及相關文獻資料，設計出滿足精度且在一定范圍內工作的機械手。設計的焊接用機械手分為底座、大臂、小臂、腕部四個部分，共有5個自由度——分別是腕轉、腕擺、小臂轉、大臂轉、腰轉。腕轉是通過液壓控制液壓缸進行轉動，腕擺是通過電機和減速器帶動鏈輪進行傳動，小臂、大臂和底座的轉動均由伺服電機和諧波齒輪減速器帶動。在設計過程中涉及到伺服電機、減速器、液壓缸、軸承、鍵、銷軸、螺釘?shù)葮藴始倪x用，也涉及到軸、油路、外殼等部分的設計及校核。
設計完成后，對機械手進行了運動學和動力學分析，分別得出機械手的正向和逆向運動學分析的解，以便進行下一步的控制系統(tǒng)的設計及編程。
關鍵詞：焊接；機械手；設計；運動學
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 焊接機械手的總體設計 3
1.1 機械手的組成 3
1.2 機械手自由度和坐標型式 3
1.3 機械手的主要參數(shù) 4
第二章 手部及腕部結構 6
2.1 手部結構 6
2.2 腕部結構 7
2.2.1 液壓馬達的選用 8
2.2.2 鍵的選用 8
2.2.3 伺服電機與減速器的選用 8
2.2.4 鏈傳動的設計 9
2.2.5 管路的設計 11
2.2.6 軸的設計及校核 11
第三章 手臂結構 13
3.1 小臂結構 13
3.2 大臂與小臂連接部分 15
3.2.1 伺服電機與減速器的選用 15
3.2.2 軸的設計及校核 15
3.3 大臂結構 16
3.3.1 伺服電機與減速器的選用 17
3.3.2 軸的設計及校核 18
第四章 底座結構 20
4.1 底座結構 20
4.2 伺服電機與減速器的選用 21
第五章 機器人的運動學 23
5.1 機器人的運動學 23
5.1.1 機器人的正向運動學 23
5.1.2 機器人的逆向運動學 25
結 論 27
參考文獻 28
謝 辭 29
引 言
“機器人”一詞最早出現(xiàn)在1920年，著名捷克劇作家和科幻文學家 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器人仆人“ Robota ”，它自愿像奴仆一樣為人類服務。隨著時代的發(fā)展，機器人不只是像劇本中描寫的那樣進行勞動，而是逐步發(fā)展成為了綜合人和機器特長的一種擬人的電子機械裝置。這種裝置結合了人的分析判斷能力和機器的精確度高、抵抗惡劣工作環(huán)境的能力。
ISO采納美國機器人協(xié)會RIA的建議，給機器人定義如下：機器人是一種可反復編程和多功能的用來搬運材料、零件、工具的操作工具，為了執(zhí)行不同任務而具有可改變和可編程的動作的專門系統(tǒng)[3]。機器人高級整合了機械電子、控制論、計算機、機構學、材料學、仿生學、人工智能，在當代應用領域日益擴大。
在20世紀70年代初，工業(yè)機器人在全世界掀起了高潮，尤其是在日本，工業(yè)機器人的出現(xiàn)極大彌補了逐漸減少的勞動力，在這種大時代背景下，我國開始研發(fā)工業(yè)機器人。20世紀80年代后，改革開放帶來的高新技術使工業(yè)機器人技術的研發(fā)得到了國家的支持，“七五”期間，研發(fā)了點焊、弧焊、搬運機器人，863計劃研制了一大批特種機器人。20世紀90年代起，我國掀起了經濟體制改革和技術進步的潮流，先后研發(fā)了裝配、切割、碼垛等多種工業(yè)機器人。
伴隨我國工業(yè)生產模式的飛速發(fā)展，車間自動化程度的顯著提高，工件的焊接、裝配、搬運、裝卸等操作均由工業(yè)機械手完成，故而機械手在工業(yè)生產中的作用已經變得愈發(fā)重要。機械手是模仿人手的部分動作，按照既定軌跡及程序實現(xiàn)自動搬運、抓取及進行一系列操作的自動機械裝置[4]。
從制造出第一臺焊接機器人以來，焊接機器人已經發(fā)展了三代，第一代機器人是示教再現(xiàn)式的，發(fā)展到第二代機器人是攜帶傳感器并且可以自行離線編程的，再到第三代焊接機器人是帶有多傳感器自動編程的高度自動化機器人，焊接機器人發(fā)展的迅速程度已經成為衡量一個國家工業(yè)焊接自動化的標志之一。焊接機器人可以極大的減少對工人的傷害，改善勞動環(huán)境，解放一部分勞動力，極大程度上保證焊接產品的質量，提高生產效率。
我國工業(yè)機器人數(shù)量較大且逐年上升，焊接機械手在其中所占比例也逐漸增大，但本國自主研發(fā)的機器人較少。2013年，中國工業(yè)機器人的安裝量為36560臺，中國供應商9000臺，雖然比2012年增加59%但僅占安裝量的0.024%。工業(yè)機器人中焊接機械手占36%，搬運機器人占40%，汽車行業(yè)占39%，電氣/電子行業(yè)占18%[5]。國內企業(yè)應用較多的焊接機械手分別從日本和歐洲引進。隨著國家科技的進步，在2015年國產焊接機械手的銷量約為3784臺，大幅度增長為占中國焊接機械手市場的百分之三十，但另外百分之七十以上的焊接機械手市場仍被外國品牌占據(jù)。
本次設計所采用的方法主要是搜集已量產的焊接機械手中較好的結構進行學習，主要參考了1980年的工業(yè)機械手設計基礎、機器人技術基礎及應用、PUMA機器人及一臺中國已制造出來的焊接機械手等，通過分析其構成及運動原理進行的五自由度機械手設計，對設計的焊接用機械手進行了正向和逆向的運動學分析。
本次設計中可能會出現(xiàn)的問題如下：由于缺乏實物的拆裝及實體認知，可能對某些空間結構理解并不透徹，導致設計進入瓶頸及繪圖出現(xiàn)較大問題；設計經驗的不足則會導致設計的布局上出現(xiàn)結構不緊密及互換性較差的問題；沒有進行軟件的模擬與仿真，不能確定裝配后是否會發(fā)生干涉，在真實運動情況下是否滿足使用要求及精度要求，某些結構是否可以繼續(xù)簡化。
本次設計未解決的問題如下：設計的焊接用機械手未進行模擬仿真；對機械手進行了運動學分析，未按照分析的結果繼續(xù)進行控制系統(tǒng)的設計；機械手的底座和回轉體結構過于龐大不緊湊，容易產生靜載荷；大臂的外殼沒有采用特定的樣條曲線，在加工上可能會出現(xiàn)一定的困難；設計采用的諧波齒輪減速器和伺服電機型號尺寸較大，整體擴大了機械手的結構。
第一章 焊接機械手的總體設計
1.1 機械手的組成
機械手的4個組成部分分別是：執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及位置檢測裝置。
執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的機械手還設有行走機構，如輪式機械手和履帶式機械手。對于本次設計的焊接機械手來說，其手部結構記為焊槍，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，機座起支承和聯(lián)接機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)的作用。
驅動系統(tǒng)是一種驅動機械手執(zhí)行機構運動的傳動裝置，常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動4種。本次設計手腕采用液壓傳動，手臂及機座均采用電力傳動，采用直流伺服電機。
控制系統(tǒng)的任務是按照機器人的作業(yè)指令及從傳感器反饋回來的信號對執(zhí)行機構發(fā)出指令，當動作發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號，控制系統(tǒng)分為電氣控制和射流控制兩種，本次設計采用電氣控制。
位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構的位姿，并將其實時位姿反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將其實時位姿與既定任務中的位姿進行比較，經過調整后使得執(zhí)行機構在一定精度內達到指定位置。
1.2 機械手自由度和坐標型式
每一個構件相對于固定坐標系所具有的獨立運動稱為自由度，自由度是機械手設計中的主要參數(shù)，衡量機械手技術水平的指標是自由度的多少，自由度數(shù)目越多，機械手可以完成的動作越復雜，應用范圍就越廣，但其控制系統(tǒng)和機械結構將會變得更加地復雜，制造及維修成本較高；自由度較少雖然在制造技術容易達到，使用成本較低，維修方便，但其通用性較差。
本次設計采用的自由度數(shù)目是5個，分別是腕轉、腕擺、小臂轉、大臂轉、腰轉。
按照機械臂的不同運動形式及組合，機械手的坐標型式可分為：直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式、關節(jié)式。本次設計采用關節(jié)式，其工作范圍較大，通用性強，空間運動范圍較廣，對于大型的汽車及航天機械也可進行焊接，其結構簡圖如下圖所示。
圖1.1關節(jié)式結構簡圖
1.3 機械手的主要參數(shù)
表1.1 機械手的主要參數(shù)
自由度
5個
持重
4kg
最大速度
腕轉
120°/s
腕擺
110°/s
腰前部回轉
180°/s
臂上下
100°/s
腰回轉
重復定位精度
±0.25mm
驅動裝置
直流伺服電機
位置檢測
絕對編碼器
行程范圍
手臂回轉行程大于180°
表1.2 機械手的技術參數(shù)
驅動
直流伺服電機
焊槍控制
液壓傳動
控制器
絕對編碼器
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 手部及腕部結構
2.1 手部結構
手部結構是機械手用來操作、安裝、移動被夾持物件或夾持專用工具，如焊槍、噴槍等進行操作以完成既定工作任務的結構。它一般安裝在機械手的最前端，模仿人手部的動作。
焊槍連接部分如圖2.1所示：焊接用機械手的腕部頂部聯(lián)接盤類零件6，用螺栓連接一把焊槍1，方便焊槍1的隨時替換，且可以替換成其他夾持裝置或專用工具，通用性較強，擴大了機械手的使用范圍。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均通過螺栓連接，外殼4與靜止的殼體相連接，內部設有深溝球軸承，焊槍1尾部通過螺栓連接伸入連接部分的內部，焊槍1為已制造出的成品，通過電線聯(lián)接電源。
圖2.1 聯(lián)接焊槍結構
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 腕部結構
手腕裝在整個機械手的最前端，它的精度直接受到手臂的定位精度的影響，是整個機械臂綜合定位精度的反映。設計手腕時，需要注意手腕的結構要設計的緊湊和簡單，在滿足精度的情況下盡量減輕手腕的重量，以達到機械手的使用要求和定位精度。手腕的自由度有兩個，分別是回轉運動和上下擺動，手腕的回轉運動是液壓傳動控制，由液壓缸的回轉運動帶動手腕的回轉，以達到腕轉的目的。擺動液壓馬達的轉軸還可以通過設計的結構用來連接焊槍，這種結構布置會使結構變得緊湊，整個手腕重量減輕。在設計過程中，液壓油在手臂內部進入手腕，控制手腕的回轉運動，這樣在手腕進行擺動時，油管不會產生扭轉，提高其使用壽命，手腕的上下擺動通過伺服電機和諧波減速器減速后經鏈輪傳動帶動手腕的上下擺動，以達到腕擺的目的。這樣設計可以簡化手腕的結構，提高機械手的靈活性，一般關節(jié)式機械手的手腕均具有旋轉和擺動兩個自由度。
手腕兩個自由度的詳細分析如下：液壓油經進油口進入手腕后，通過油管進入到回轉式液壓缸6內，推動兩個葉片進行回轉，進而帶動中間的軸進行旋轉，軸進而通過焊槍連接部件8進行旋轉，從而達到手腕的回轉運動。手臂內部的伺服電機經諧波減速器降速后，主動鏈輪帶動從動鏈輪3進行同步轉動，鏈輪3經過鍵連接帶動軸2進行旋轉，軸2與套類零件5通過螺栓連接，帶動整個手腕進行既定的擺動。
圖2.2 手腕結構
1.小臂外殼；2.軸；3.鏈輪；4.手腕；
5.套類零件；6.腕轉缸體；7.動片；8.焊槍連接部分
2.2.1 液壓馬達的選用
本次設計選用的是擺動液壓馬達，也稱回轉式液壓缸，當輸入壓力油時，兩個葉片進行擺動，回轉式液壓缸具有輸出轉矩大、擺動角速度小的特點。
液壓系統(tǒng)選用開式回路，選用普通液壓油，初定系統(tǒng)壓強為p=100～160×105Pa，選為130×105Pa，容積效率和機械效率均取0.9。TLMAX為最大負載轉矩，nMmax為最高轉速，VM為液壓馬達的排量，qM為輸入液壓馬達的最大流量.
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)行機構的最大速度和已選定的液壓泵最大流量計算液壓缸內徑D
D=8.74qvv=8.74×1.5514×10-312=0.0994m (2-5)
根據(jù)缸筒內徑尺寸系列圓整成D=100mm，根據(jù)工程機械用標準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，銷軸直徑計算如下，（對于45鋼，銷軸的許用切應力為70MPa）：
d=0.64F[τ]=0.64×380070×106=0.0059m (2-6)
根據(jù)銷軸的標準直徑，選用銷軸直徑d=6mm，長度l=23mm。
2.2.2 鍵的選用
液壓馬達與軸采用平鍵連接，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,則普通平鍵應滿足的強度條件為:
σp=2000Tkld＜[σp], [σp]=100～120MPa
σp=2000Tkld=2000×1206×39×70=14.6520MPa＜[σp] (2-7)
2.2.3 伺服電機與減速器的選用
伺服電機選用EDSMF-2T110-04C，額定功率0.8kW,額定轉速2000r/min，額定力矩4N·m，其安裝尺寸如下圖所示：
圖2.3 電機安裝尺寸
圖2.4 腕轉伺服電機具體安裝尺寸
工業(yè)機器人的減速器一般采用諧波減速器，本次設計采用杯型（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 鏈傳動的設計
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%，鏈傳動的功率P=0.664kW，轉速n1=20r/min，傳動比i=1，工作載荷較為平穩(wěn)，中心線呈水平布置，無張緊裝置。
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，查得主動鏈輪齒數(shù)系數(shù)KZ=1.22，單排鏈，則計算功率為：
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，則相應的鏈長節(jié)數(shù)為：
LP0=2·a0p+z1+z22+(z2-z12×π)2·pa0=83.99 (2-13)
取鏈長節(jié)數(shù)為Lp=84。
v=n1·z1·p60×1000=20×21×12.760×1000=0.0831m/s (2-14)
由v=0.083m/s和鏈號8A，查潤滑范圍選擇圖可知，鏈傳動采用定期人工潤滑。
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)
主要設計結論：鏈條型號為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
尺側凸緣
71mm
2.2.5 管路的設計
液壓傳動中的一般用的管子是鋼管、膠管、塑料管和銅管。本次設計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，價格低廉，但安裝時需注意彎曲半徑不能過小，彎曲半徑過小的話，會造成管子的破損，破裂，造成液壓油的泄露，甚至使液壓系統(tǒng)的工作過程發(fā)生危險，如在本次設計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 軸的設計及校核
軸的材料選用45鋼，調質處理，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采用圓螺母，一側采用軸肩定位，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，其內部有一直徑為18mm長度為30mm的孔及直徑11mm的通孔，用作放置M10的內六角螺栓，內部還會通過孔6，以放置旋轉軸；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 手臂結構
手臂的結構形式與機械手的自由度數(shù)目、運動速度、運動方式、定位精度及工作范圍相關，設計手臂結構除了考慮這些以外，還需要考慮其他的因素：設計時應將手臂盡量設計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，防止產生過大的變形，減小手臂對回轉軸的額轉動慣量；運動速度平穩(wěn)但慣性小，手臂運動速度較高，引起的沖擊力較大，導致運動不平穩(wěn)且精度不高，故手臂應該設計的結構緊湊且具有一定的緩沖裝置；手臂的傳動準確、動作靈活；高溫環(huán)境作業(yè)的機械手，還應對手臂進行必要的冷卻，防止溫度過高影響使用性能。手臂結構設計的合理性，影響到手腕的定位精度，將極大關系到機械手的整體工作性能。
3.1 小臂結構
小臂結構如圖3.1所示：小臂外側用壁厚為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6經諧波齒輪減速器5減速后，帶動盤類零件4進行旋轉，盤類零件4帶動軸2進行旋轉，經鍵連接帶動主動鏈輪3進行旋轉，主動鏈輪3帶動從動鏈輪8進而帶動手腕部分9進行搖擺。小臂外殼1用多個M8的螺栓連接而成，保護小臂內部結構不被腐蝕，以提高焊接機械手的壽命。由于小臂左側的放置控制手腕上下擺動的電機，故小臂外殼7結構突出一部分。
小臂與大臂連接部分結構如圖3.2所示：伺服電機與盤類零件1、盤類零件2與盤類零件1經螺栓連接固定于大臂外殼上，伺服電機通過鍵連接將轉矩傳遞到盤類零件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，從而帶動小臂轉動，諧波減速器4的柔輪經套類零件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通過螺栓連接后帶動小臂進行俯仰運動。
圖3.1 小臂結構
1.小臂外殼；2.軸；3.主動鏈輪；4.盤類零件；
5.諧波齒輪減速器；6.伺服電機；7.小臂外殼；8.從動鏈輪；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 伺服電機與減速器的選用
伺服電機選用EDSMF-2T130-100D，額定功率1.5kW,額定轉速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
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 軸的設計及校核
軸的材料選用45鋼，因為軸只受伺服電機帶來的扭矩，按照扭轉強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采用軸肩定位，一側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，深溝球軸承內圈一側由軸端擋圈定位，一側由套杯定位；d6=36mm，l6=10mm；d7=30mm，l7=50mm，兩段軸內均有φ22mm的孔，孔內有鍵槽，以供電機軸裝入后帶動軸旋轉，最后一段軸徑上裝有軸承6006，軸承內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
校核軸上的扭轉應力，應滿足τT＜[τ]，軸材料為45鋼，調質處理，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 大臂結構
設計大臂時，在保證大臂剛度的條件下，為節(jié)省材料，為大臂設計出Y型的形狀，且在大臂內部設有放置電線的板和使電線通過的孔。大臂與小臂的連接部分放置與大臂末端處的U型接口處，電機通過法蘭連接在大臂上，諧波齒輪減速器的柔輪被固定，經減速后剛輪帶動小臂進行俯仰運動。
圖3.6 大臂外形
3.3.1 伺服電機與減速器的選用
伺服電機選用EDSMF-2T130-077B，額定功率2.0kW,額定轉速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
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 軸的設計及校核
軸的材料選用45鋼，因軸只受伺服電機帶來的扭矩，按照扭轉強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采用軸肩定位，一側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，深溝球軸承內圈一側由軸端擋圈定位，一側由套杯定位；d6=36mm，l6=8mm；d7=30mm，l7=52mm，兩段軸內均有φ22mm的孔，孔內有鍵槽，以供電機軸裝入后帶動軸旋轉，最后一段軸徑上裝有軸承6206，軸承內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
校核軸上的扭轉應力，應滿足τT＜[τ]，軸材料為45鋼，調質處理，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 底座結構
4.1 底座結構
底座是支承整個機械手的裝置，將其固定于地面，它僅具有一個自由度——旋轉，通過360°全方位的旋轉極大地擴充了機械手的運動范圍。
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體1上，用不規(guī)則形狀的殼體2通過螺栓連接與回轉體1相連，伺服電機6置于殼體2外側，通過盤類零件4和透蓋3經螺栓連接固定于殼體2上，殼體2內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通過螺栓連接靜止，剛輪與大臂相連，帶動大臂進行所要求的俯仰運動。
圖4.1 大臂與底座連接部分
1.回轉體；2.不規(guī)則課題；3.透蓋；4.盤類零件；5.套杯；
6.伺服電機；7.諧波齒輪減速器；8.大臂根部；9.盤類零件；10.軸端擋蓋
底座結構如圖4.2所示：底座1與地面用地腳螺栓固定，底座1與地面接觸的凸臺設計為φ760mm，高為40mm，底部為減小加工面積設有凸緣，底1座總高396mm，為連接伺服電機4和諧波齒輪減速6器，底座1內部設有兩孔，直徑分別為420mm和284mm，底座1與透蓋5通過螺栓連接，透蓋5、底座1與套筒7通過螺栓連接，套筒7與諧波齒輪減速器6的剛輪固定，諧波減速器6的柔輪與回轉體2連接，帶動回轉體2進行旋轉，回轉體2與不規(guī)則殼體3通過螺栓連接帶動不規(guī)則殼體3進行旋轉，完成既定的回轉運動。底座1外部與回轉體2之間存在相對轉動，其間有深溝球軸承。
圖4. 2 底座結構
1.底座；2，回轉體；3.不規(guī)則殼體；
4.伺服電機；5.盤類零件；6.諧波齒輪減速器；7.套筒.
在設計底座結構時，要注意底座要承受一定的彎矩和扭矩，在設計時要注意合理選擇截面尺寸；由于底座支承整個機械臂，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的能力。底座應該安裝在平穩(wěn)開闊且能提供有效支撐的地方，還應該綜合考慮手臂運轉的軌跡不會碰到周圍的設施。
4.2 伺服電機與減速器的選用
伺服電機選用EDSMT-2T110-060A，功率2.8kW，額定轉速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 機器人的運動學
5.1 機器人的運動學
為了控制焊接機械手的運動，要在焊接機械手中建立相應的坐標系，關節(jié)坐標系是描述關節(jié)運動的坐標系，笛卡爾坐標系是描述機器人末端位置和姿態(tài)的坐標系。機器人運動學研究的是各個運動副坐標系之間的運動關系，為機器人下一步的控制提供理論支持。
在機器人運動學的研究中，含有兩類問題——一類是正向問題，是研究機器人各個關節(jié)坐標系的實際坐標到機器人末端的位置坐標與姿態(tài)的映射，其解具有唯一性，較為簡單；一類是反向問題，與正向問題恰相反，是研究由機器人末端的末端與姿態(tài)到機器人關節(jié)坐標系的坐標之間的映射，其解較為復雜且有多個解。
5.1.1 機器人的正向運動學
D-H方法是描述相鄰桿件之間的平移及轉動問題，具體方法是在每個關節(jié)處的桿件坐標系建立一個4×4的齊次變換矩陣方程，以表示關節(jié)處的桿件與前一桿件坐標系之間的關系。通過這種思路，逐次疊加轉換，即可用手部關節(jié)處的坐標系表示的焊槍可被變換并用基坐標系來表示。
機器人每個桿件均由4個運動參數(shù)：決定桿件結構的桿件參數(shù)——連桿長度ai、連桿扭角αi，決定相鄰桿件相對位置的關節(jié)參數(shù)——兩連桿距離di、兩連桿夾角θi，確定這4個參數(shù)的正負號規(guī)則，它們就可以準確描述機械臂每一個桿件的位置和姿態(tài)。
連桿長度ai——zi-1軸和zi軸兩軸之間的最短距離，即從zi-1軸和xi軸交點到第i個坐標原點方向上沿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軸轉向zi軸之間的偏角。
兩連桿距離di——從第i-1個坐標系的原點到zi-1軸和xi軸的交點方向上沿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轉向xi軸的關節(jié)角
建立每個坐標系應遵循以下原則：①x、y、z軸按照右手坐標系的要求建立；②zi-1軸的方向是沿著第i關節(jié)的運動軸；③xi軸需垂直于zi-1軸并指向背離zi-1軸的方向。
根據(jù)設計的焊接機械手的結構模型繪制由5個簡化轉動關節(jié)構成的5自由度結構簡圖，將機械手簡化后的轉動關節(jié)分別按照以上的規(guī)則建立坐標系，由于在設計結構時，各個部分的中心線在同一直線上，故標y軸無意義，將大臂、小臂及手腕的中心線方向標x軸，指向手腕的方向為x軸的正半軸方向，隨后一次標明各個關節(jié)的z軸方向。
垂直于底座的方向設為z0軸，方向為背離底座方向，z1軸沿第1關節(jié)的運動軸，則a1=0,z2、z3與z1方向一致， z4沿著第5關節(jié)的運動軸，即回轉軸，經測量a4=115mm，a5=472.5mm。
每個轉動關節(jié)的齊次矩陣參數(shù)如下表所示：
表5.1 焊接機械手的連桿參數(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 機器人的逆向運動學
機器人的逆向運動學問題是運用已知焊槍的位姿，求焊接機械手對于這個位姿的全部關節(jié)角。由于逆向運動學問題存在多個解，具有一定的復雜程度，但是實際生產出的機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，運用所學理論知識剔除其他的解。一般來說，根據(jù)關節(jié)的運動空間來選擇合理的解及根據(jù)障礙物位置來選擇合理的解。求解方法運用了解析法和歐拉變換法和部分線性代數(shù)的知識。
求解逆向運動方程，是確定機械手各個關節(jié)的坐標，對于機械手的控制非常重要，我們要明確機械手將會運動到什么位置，要獲取各個關節(jié)的坐標值，才能通過控制系統(tǒng)進行精準控制，使得機械手達到一定的精度和使用要求。
用歐拉變換法求解設計的焊接用機械手的解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)對應元素相等的法則，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)計算法則，可得出θ1的另一個解：
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轉向x1軸的關節(jié)角，選取θ1=-80.8101°作為兩連桿夾角。根據(jù)設計的機械手所建立的坐標系，其x軸均在一條直線上，θ2、θ3、θ4的軸是平行的，則計算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)對應元素相等的法則，使第三行第三列對應相等可求得：
-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)計算法則，可得出θ2+θ3+θ4的另一個解：
(θ2+θ3+θ4)'=180°+θ2+θ3+θ4=270° (5-8)
根據(jù)之前在各個關節(jié)處建立坐標系的分析及畫出機械臂的工作范圍可知，θ2+θ3+θ4=270°。
根據(jù)對應元素相等的法則，使第一行第四列和第二行第四列對應相等可求得：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b2兩個參數(shù)計算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之所以有兩個解是因為關節(jié)具有向上運動和向下運動兩種位姿。
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)對應元素相等的法則，使第一行第三列和第二行第三列對應相等可求得：
sinθ5=0 (5-17)
cosθ5=0.9998 (5-18)
θ1=arctan0=0 (5-19)
結 論
本次設計出的焊接機器人肩高1908mm，臂展1984mm，占地面積455151.4mm。焊槍長度為315mm，可以實現(xiàn)簡單的焊縫形狀的焊接。
本次設計的焊接用機械手，主要參照了典型的六關節(jié)操作機和KAKU型機器人，具有5個自由度，分別是腕轉、腕擺、小臂轉、大臂轉、腰轉，可以達到規(guī)定的運動要求及精度。本次設計使小臂和手腕的結構較為緊湊，運動精度較高，手腕的兩個自由度腕轉和腕擺分別通過液壓和伺服電機控制，形式上較為新穎。大臂采用合理且美觀的外形，將電機放置在大臂外部也極大減輕了焊接機械手的重量，底座和回轉體采用較簡單但穩(wěn)定可靠的承重設計，整個焊接機械手的結構的互換性和通用性較強。機器人底座部分材料為鑄鐵，其余結構外殼均為鑄鋁合金，機械性能好，重量輕。
設計的焊接用機械手與成品比較存在如下缺陷：整體設計在結構上不夠緊湊，底座和回轉體結構過于龐大；許多結構的加工工藝不能很好的考慮到；未考慮到在實際安裝和使用時可能會發(fā)生的問題；在某些結構可能沒有考慮到零件失效或損壞之后的解決方案。
本次設計未解決的問題：
① .未進行仿真和模擬，不能確定裝配后運動是否會發(fā)生干涉；
② 對機械手進行了運動學分析，未做控制系統(tǒng)的設計；
③ 對液壓部分未進行詳細的考慮。
④ 由于機器人內部結構的多樣性，在國內和國際上尚未指定有權威的標準，所以很多結構的設計均為自行設計，輔助參考了少量的類似機械結構的結構標準，因此具體的零件與結構在制造過程中的通用性與合理性未知。
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