六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書[帶圖紙]

1、<p><b>　　目　錄</b></p><p>　　1 前言…………………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 題目來源及分析…………………………………………………………………1</p><p>　　1.2 研究目的…………………………………………………………………………2</p&g

2、t;<p>　　1.3國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀…………………………………………………………2</p><p>　　2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體設(shè)計(jì)……………………………………………………………4</p><p>　　2.1 確定基本技術(shù)參數(shù)………………………………………………………………4</p><p>　　2.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇…………………………………

3、………………………4</p><p>　　2.1.2 額定負(fù)載………………………………………………………………………5</p><p>　　2.1.3 工作范圍………………………………………………………………………5</p><p>　　2.1.4 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………………………………………………5</p><p>　　2.1.

4、5 控制系統(tǒng)的選擇………………………………………………………………6</p><p>　　2.1.6 確定關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂的配置形式…………………………………………6</p><p>　　2.2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………7</p><p>　　3 關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………… 10</

5、p><p>　　3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇…………………………………………………………………10</p><p>　　3.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比及分配各級(jí)傳動(dòng)比………………………………12</p><p>　　3.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………………………12</p><p>　　3.3.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率……

6、………………………………………12</p><p>　　3.3.2 確定三根軸的具體尺寸……………………………………………………13</p><p>　　3.4 確定齒輪的參數(shù)………………………………………………………………17</p><p>　　3.4.1 選擇材料……………………………………………………………………17</p><p>

7、　　3.4.2 壓力角的選擇………………………………………………………………17</p><p>　　3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇…………………………………………………………17</p><p>　　3.4.4 齒寬系數(shù)的確定……………………………………………………………17</p><p>　　3.4.5 確定齒輪傳動(dòng)的精度……………………………………………………

8、…18</p><p>　　3.4.6 齒輪的校核…………………………………………………………………19</p><p>　　3.5 殼體設(shè)計(jì)………………………………………………………………………22</p><p>　　4 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的位姿分析………………………………………………………23</p><p>　　4.1 機(jī)器人的位姿與運(yùn)動(dòng)的

9、描述…………………………………………………23</p><p>　　4.2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的廣義連桿變換矩陣…………………………………………23</p><p>　　4.3 關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程………………………………………………………26</p><p>　　4.3.1 關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析……………………………………………………26</p><

10、p>　　4.3.2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)反解……………………………………………………29</p><p>　　5 結(jié)論………………………………………………………………………………34</p><p>　　參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………35</p><p>　　附錄…………………………………………………………………………………36

11、</p><p>　　關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要: 為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的焊接質(zhì)量,滿足實(shí)際工作需要,本課題設(shè)計(jì)了用于焊接的關(guān)節(jié)型機(jī)器人。根據(jù)機(jī)器人的工作要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)，確定了機(jī)器人的外形尺寸和工作空間，擬定了機(jī)器人各關(guān)節(jié)的總體傳動(dòng)方案，對機(jī)器人腰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，合理布置了電機(jī)和齒輪，確定了各級(jí)傳動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行了齒輪、軸和軸承的設(shè)計(jì)計(jì)

12、算和校核。利用齊次變換矩陣法建立了六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，求出機(jī)器人末端相對于各自參考坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)值，建立了在直角坐標(biāo)空間內(nèi)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)與關(guān)節(jié)變量值的對應(yīng)關(guān)系?；趲缀瓮队霸硗茖?dǎo)出相應(yīng)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，求出了各個(gè)關(guān)節(jié)的角度值，建立了機(jī)器人關(guān)節(jié)空間與世界空間的映射關(guān)系。該機(jī)器人具有剛性好，位置精度高、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)型機(jī)器人；位姿分析；總體設(shè)計(jì)；腰部結(jié)

13、構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　The waist structural design of articulated robot </p><p>　　Abstract : In order to improve the efficiency of production and welding quality of products and meet real work's need

14、s, this subject has designed the articulated robot used for welding . According to the job requirements for the robot and structure characteristic , I have carried on the overall design of the robot, confirmed the extern

15、al dimension and workspace of the robot, drafted the overall transmission scheme of every joint of the robot. I have designed the waist structure of the robot</p><p>　　Key words: Articulated robot; Appe

16、arance analysis in the location; Design overallly; Waist articulated structural design of the robot</p><p><b>　　1前言</b></p><p>　　1.1 題目來源與分析</p><p>　　題目《關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》來源于

17、生產(chǎn)實(shí)踐中。要求設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有6個(gè)自由度：① 腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)；② 臂關(guān)節(jié)俯仰；③ 肘關(guān)節(jié)俯仰；④ 腕關(guān)節(jié)仰腕；⑤ 擺腕；⑥旋腕。其中要詳細(xì)地設(shè)計(jì)機(jī)器人基座和腰部的結(jié)構(gòu)。整體機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)腕部最大負(fù)荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑1500mm 。</p><p>　　機(jī)器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，

18、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個(gè)重要內(nèi)容。</p><p>　　自古以來,人們所設(shè)想的機(jī)器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類智能的機(jī)器。特別是在20世紀(jì)20年代前后,捷克和美國的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關(guān)于未來機(jī)器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學(xué)作品,更使機(jī)器人在人們的思想中成為一種無所不能的“超人”。在現(xiàn)實(shí)生活中,一些民間工匠根據(jù)這些文學(xué)描繪,也制造出一些仿人或仿生的機(jī)器人。然

19、而在當(dāng)時(shí)的科技條件下,要使機(jī)器人具有某種特殊的“智能”而成為“超人”,顯然是不可能的。美國的戴沃爾設(shè)想了一種可控制的機(jī)械手,他首先突破了對機(jī)器人的傳統(tǒng)觀點(diǎn),提出機(jī)器人并不一定必須像人,但是必須能做一些人的工作。1954年,他依據(jù)這一想法設(shè)計(jì)制作了世界上第一臺(tái)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置,發(fā)表了《適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機(jī)器人》一文,并獲得了美國專利。</p><p>　　戴沃爾將遙控操縱器的關(guān)節(jié)型連桿機(jī)構(gòu)與數(shù)控機(jī)床的伺服軸聯(lián)

20、結(jié)在一起,預(yù)定的機(jī)械手動(dòng)作一經(jīng)編程輸入后,機(jī)械等就可以離開人的輔助而獨(dú)立運(yùn)行。這種機(jī)器人也可以接受示教而完成各種簡單任務(wù)。示教過程中操作者用手帶動(dòng)機(jī)械手依次通過工作任務(wù)的各個(gè)位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲(chǔ)器中，任務(wù)的執(zhí)行過程中，機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動(dòng)下再現(xiàn)出那些位置序列。因此，這種機(jī)器人的主要技術(shù)就是“可編程”以及“示教再現(xiàn)”。</p><p><b>　　1.2 研究目的</b>&l

21、t;/p><p>　　焊接機(jī)器人是最大的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域,它占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的25%左右。由于對許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求,一般工人已難以勝任這一工作;此外,焊接時(shí)的火花及煙霧等,對人體造成危害,因而,此課題的提出就有十分重要的意義。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀</p><p>　　國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢∶&l

22、t;/p><p>　　a. 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。</p><p>　　b. 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)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。</p><p>　　c. 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開

23、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，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維護(hù)性。</p><p>　　d. 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、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(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。&l

24、t;/p><p>　　e. 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)境中的感覺來操縱機(jī)器人。</p><p>　　f. 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是治理于操作者于機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這

25、種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。</p><p>　　g. 機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。</p><p>　　國際機(jī)器人研究在經(jīng)過了80年代的低潮之后,呈現(xiàn)出復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展的形勢;我國的機(jī)器人研究在國家七五’八五及863計(jì)劃的推動(dòng)下也取得了很大的發(fā)展。在70年代的機(jī)器人浪潮相比,現(xiàn)在的機(jī)器人研究

26、有兩個(gè)特點(diǎn):一是對機(jī)器人智能的定位有了更加符合實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn),也就是不要求機(jī)器人具有像人類一樣的高智商,而只是要求機(jī)器人在某種程度上具有自主處理問題的能力。</p><p>　　我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制技術(shù)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，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊

27、、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)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)

28、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、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。</p><p>　　我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果，其中最為突出的是水下遙控機(jī)器人，6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先

29、水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、聲覺、觸覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。</

30、p><p>　　2關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 確定基本技術(shù)參數(shù)</p><p>　　2.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇</p><p>　　為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的6個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計(jì)成以下五種方案：</p><p>　　a.圓柱坐標(biāo)型 這種運(yùn)動(dòng)形式是通過一個(gè)

31、轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。</p><p>　　b.直角坐標(biāo)型 直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)體所占空間體積大、靈活性較差。</

32、p><p>　　c.球坐標(biāo)型 又稱極坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)所組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)組成，其工作空間圖形為一個(gè)球形，它可以作上下俯仰運(yùn)動(dòng)并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。</p><p>　　d.關(guān)節(jié)型 關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成

33、，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)使工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取靠進(jìn)機(jī)座的物體。 </p><p>　　e.平面關(guān)節(jié)型 采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)；兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動(dòng)關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面

34、的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。</p><p>　　對以上五種方案進(jìn)行比較：方案一不能夠完全實(shí)現(xiàn)本課題所要求的動(dòng)作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實(shí)現(xiàn)本課題的動(dòng)作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機(jī)器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，工藝操作精度高。</p>&

35、lt;p>　　2.1.2 額定負(fù)載</p><p>　　目前,國內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)器人中,其負(fù)載能力的范圍很大,最小的額定負(fù)載在5N以下,最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務(wù)要求是保證手腕部能承受的最大載荷是6kg。</p>&l

36、t;p>　　2.1.3 工作范圍</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過程中的操作范圍和運(yùn)動(dòng)的軌跡來確定的,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。</p><p>　　圖2-1 運(yùn)動(dòng)范圍圖</p><p>　　2.1.4 操作

37、機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動(dòng)臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種: </p><p>　　a.步進(jìn)電機(jī)：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進(jìn)行控制。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過大時(shí)會(huì)造成“

38、失步”現(xiàn)象。 </p><p>　　b.直流伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。</p><p>　　c.交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)

39、算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。</p><p>　　d.液壓伺服馬達(dá)：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵

40、技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。</p><p>　　常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等。其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū)動(dòng)方式。電極驅(qū)動(dòng)具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機(jī)器人應(yīng)用要求等特點(diǎn)。所以在這次設(shè)計(jì)中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電

41、流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　2.1.5 控制系統(tǒng)選擇</p><p>　　對于焊接機(jī)器人這種精度要求不高的工業(yè)機(jī)器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教方式作為一

42、種成熟的技術(shù)，易被熟悉工作任務(wù)的人員掌握。無論是手把手示教或示教盒示教，都是以在線編程，由示教操作人員操作移動(dòng)末端執(zhí)行器和手臂到所需的位置。然后記錄（存儲(chǔ)）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過程完成后，即可應(yīng)用，機(jī)器人以再現(xiàn)方式重復(fù)進(jìn)行示教時(shí)存于存儲(chǔ)器的點(diǎn)位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過程的速度可以與示教時(shí)速度不同。</p><p>　　利用示教手柄由人工引導(dǎo)末端執(zhí)行器經(jīng)過所要求的軌跡，此時(shí)位置傳感器就檢測出機(jī)器人操作機(jī)上各關(guān)節(jié)

43、處的坐標(biāo)（或轉(zhuǎn)角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲(chǔ)存）下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。手把手示教也能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。軌跡運(yùn)動(dòng)速度則按各軌跡程序段對應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。</p><p>　　2.1.6 確定關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂的配置形式</p><p>　　手臂的配置形式反映了機(jī)器人操作機(jī)的總體布局。根據(jù)任務(wù)要求,

44、要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接功能,則機(jī)器人的工作范圍要廣,所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點(diǎn)是占地面積小,工作范圍大,機(jī)器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。</p><p>　　根據(jù)分析,可將機(jī)器人的參數(shù)列在表2-1中：</p><p>　　表2-1關(guān)節(jié)型機(jī)器人的主要參數(shù)</p><p><b>　　續(xù)表2-1</b></p><p>　　2.

45、2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　圖2-2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人傳動(dòng)原理圖</p><p>　　圖2-2是整個(gè)機(jī)器人本體機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡圖。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有30個(gè)齒輪，為了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向90°,有10個(gè)齒輪為圓錐齒輪,有利于簡化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu),則必然以空間交叉方式變向,就不利于簡化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。</p>

46、<p>　　機(jī)器人主要由立柱與基座組成的回轉(zhuǎn)基座以及大臂、小臂、手腕組成。</p><p>　　基座是一個(gè)鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié)1的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在基座內(nèi)安置了關(guān)節(jié)1的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座等。</p><p>　　大臂和小臂的結(jié)構(gòu)形式相似，都由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。內(nèi)部鑄件既作臂的承力骨架，又作內(nèi)部齒輪組的輪殼與軸的支承座。</p&

47、gt;<p>　　大臂上裝有關(guān)節(jié)2，3的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，內(nèi)部裝有對應(yīng)的傳動(dòng)齒輪組。關(guān)節(jié)2，3都采用了三級(jí)齒輪減速，其中第一級(jí)采用錐齒輪，以改變傳動(dòng)方向90°。第二、三級(jí)均采用圓柱直齒輪進(jìn)行減速。關(guān)節(jié)2傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在立柱上；關(guān)節(jié)3傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在小臂上。</p><p>　　小臂端部連接具有3R手腕，在臂的根部裝有關(guān)節(jié)4，5的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在小臂的中部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié)6的驅(qū)

48、動(dòng)電機(jī)。關(guān)節(jié)4，5均采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，不同的是關(guān)節(jié)4采用兩級(jí)圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié)5采用第一級(jí)圓柱直齒輪，第二級(jí)錐齒輪，使傳動(dòng)軸線改變方向90°。關(guān)節(jié)6采用三級(jí)齒輪傳動(dòng)，第一級(jí)與第二級(jí)為錐齒輪，第三級(jí)為圓柱直齒輪，關(guān)節(jié)4，5，6的齒輪組除關(guān)節(jié)4第一級(jí)齒輪裝在小臂內(nèi)以外，其余的均裝在手腕內(nèi)部。</p><p>　　所設(shè)計(jì)的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：</p><p>　　a.內(nèi)部鋁鑄件形狀

49、復(fù)雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡單，減輕了質(zhì)量。</p><p>　　b.軸承外形環(huán)定位簡單。一般在無軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。</p><p>　　c. 采用薄壁軸承與滑動(dòng)銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。</p><

50、;p>　　d. 有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。</p><p>　　e. 大、小臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機(jī)與臂的外壁僅有0.5mm間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動(dòng)安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。</p><p>　　f. 工作范圍大，適應(yīng)性廣。PUMA除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾乎是他的長臂所能達(dá)到的全球空間。再加之其手

51、腕軸的活動(dòng)角度大，因此使它工作時(shí)位姿的適應(yīng)性強(qiáng)。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié)4，6配合，一次就能轉(zhuǎn)1112°。</p><p>　　g. 由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動(dòng)，調(diào)整齒輪間隙機(jī)構(gòu)，彈性萬向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度高。</p><p>　　h. 機(jī)器人手臂材料的選擇：</p><p>　　機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況

52、來選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此，在選擇材料時(shí)，需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　機(jī)器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼、鑄

53、鐵、合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍6、聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。在我們的設(shè)計(jì)中為減輕機(jī)器人本體的重量選用鑄鋁材料。</p><p>　　關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu) </p>

54、;<p>　　3 關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　通過總體分析后,確定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的腰關(guān)節(jié)部分采用二級(jí)齒輪減速傳動(dòng)。</p><p>　　圖3-1 關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖</p><p>　　3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇</p><p>　　設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、J

55、G2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　、、分別為10kg、5kg、12kg。、、分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為300mm、700mm、1500mm，在式（3-1）中、、故、、可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：</p><p><b&

56、gt;　?。?-2）</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:</p><p><b>　　=</b></p><p><b&

57、gt;　　=</b></p><p>　　式中：——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。</p><p>　　—— 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。</p><p>　　設(shè)主軸速度為219°/s，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下</p><p><b>　?。?-3）</b></p>

58、<p>　　式中：——旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩 </p><p>　　——角加速度 </p><p>　　使機(jī)器人主軸從到/s所需時(shí)間為:則：</p><p>　　若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)</p><p>　　開始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為</p><p>　　電動(dòng)機(jī)的功率

59、可按下式估算</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中： ——電動(dòng)機(jī)功率 ；</p><p><b>　　——負(fù)載力矩 ；</b></p><p><b>　　——負(fù)載轉(zhuǎn)速 ；</b></p><p>　　——傳動(dòng)裝置

60、的效率，初步估算取0.9；</p><p>　　系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取1.5</p><p>　　估算后就可選取電機(jī)，使其額定功率滿足下式</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　選擇QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)</p><p>　　表3-1 QZD-08串勵(lì)直

61、流電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)</p><p>　　3.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比</p><p>　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取主軸的轉(zhuǎn)速≤4rad/s。傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比取48，分二級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)是加工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合，傳動(dòng)比=4；第二級(jí)傳動(dòng)比為</p><p>　　==12 (3-6)</p>

62、;<p>　　3.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　3.3.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率</p><p><b>　　a.各軸轉(zhuǎn)速</b></p><p>　?、褫S (3-7)</p><p>　?、蜉S

63、 (3-8)</p><p>　?、筝S nⅢ= (3-9)</p><p><b>　　b.各軸輸入功率</b></p><p>　?、褫S (3-

64、10)</p><p><b>　　—制動(dòng)器效率</b></p><p>　?、蜉S (3-11)</p><p>　　—齒輪嚙合的效率 — 角接觸球軸承的效率</p><p>　?、筝S PⅢ==748.9×0.98=733.9 W

65、 (3-12)</p><p><b>　　c.各軸輸入扭矩</b></p><p>　?、褫S (3-13)</p><p>　　Ⅱ軸 (3-14)</p><p>　?、筝S T3=9550

66、 (3-15)</p><p>　　3.3.2 確定三根軸的具體尺寸</p><p>　　兩實(shí)心軸的材料均選用45號(hào)鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力= 30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120.</p><p>　　A. 第一根軸設(shè)計(jì)及校核</p><p>　　a.此軸傳遞扭矩 </p>

67、<p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　因?yàn)檩S是齒輪軸,所以可以將軸的軸徑加工的大一點(diǎn),以滿足齒輪嚙合時(shí)強(qiáng)度的要求。</p><p>　　齒輪的分度圓直徑為50mm,齒輪兩端裝有軸承,加工一段軸肩來定位軸承.齒輪軸上裝型號(hào)為 滾動(dòng)軸承7206AC,內(nèi)徑為30mm。具體尺寸如圖3-2所示。</p><p>　　圖3

68、-2 第一級(jí)齒輪軸結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　b.軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，對于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算，兩者都具備的按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核等。</p><p>　　圖3－3軸的受力分析和

69、彎扭矩圖</p><p>　　求作用在齒輪上的力：</p><p><b>　　(3-17) </b></p><p>　　畫軸的受力簡圖 見圖3－3</p><p><b>　　計(jì)算軸的支承反力</b></p><p><b>　　在水平面上</b>

70、</p><p><b>　　(3-18)</b></p><p><b>　　(3-19)</b></p><p><b>　　在垂直面上</b></p><p><b>　　(3-20)</b></p><p>　　畫彎矩圖 見

71、圖3－3</p><p>　　在水平面上，剖面左側(cè)</p><p><b>　　(3-21)</b></p><p><b>　　剖面右側(cè)</b></p><p><b>　　(3-21)</b></p><p><b>　　在垂直面上 <

72、;/b></p><p><b>　　(3-22)</b></p><p><b>　　合成彎矩，剖面左側(cè)</b></p><p><b>　　(3-23)</b></p><p><b>　　剖面右側(cè)</b></p><p>

73、;<b>　　(3-24)</b></p><p>　　畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖3－3</p><p><b>　　(3-25)</b></p><p><b>　　判斷危險(xiǎn)截面</b></p><p>　　截面左右的合成彎矩左側(cè)相對右側(cè)大些，扭矩為T，則判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿足

74、強(qiáng)度校核就行了。</p><p>　　軸的彎扭合成強(qiáng)度校核</p><p><b>　　許用彎曲應(yīng)力，， </b></p><p><b>　　截面左側(cè)</b></p><p><b>　　(3-26)</b></p><p><b>　　(3

75、-27)</b></p><p>　　c.軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核</p><p>　　查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， </p><p><b>　　截面左側(cè)</b></p><p><b>　　(3-28)</b></p><p>　

76、　查得，；查得絕對尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則</p><p>　　彎曲應(yīng)力 ， (3-29) </p><p>　　應(yīng)力幅 </p><p>　　平均應(yīng)力 </p><p>　　切應(yīng)力

77、 (3-30)</p><p>　　安全系數(shù) (3-31)</p><p><b>　　(3-32)</b></p><p><b>　　(3-33)</b></p><p>　　查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。其它軸用相同方法計(jì)算，結(jié)果都滿足要求。</p><

78、p><b>　　B.中間軸設(shè)計(jì)</b></p><p>　　此軸傳遞扭矩,轉(zhuǎn)速,傳遞功率為,則</p><p><b>　?。?-34）</b></p><p>　　安裝軸承部分軸徑最小,由于整個(gè)軸上零件較復(fù)雜,在兩軸承之間有車在軸上的齒輪,還有安裝在軸上的小齒輪,以及軸套和軸承,所以可取大一點(diǎn),這里取,軸承部分,

79、軸承選為單列角接觸球軸承,軸承型號(hào)為 滾動(dòng)軸承7206AC,其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定.由于載荷不大,軸承選的較大,強(qiáng)度足夠,這里不再詳算。中間軸大體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4中間軸結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　C. 主軸的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　主軸是連接腰關(guān)節(jié)與大臂的結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)體積比較大,為節(jié)省材料減輕

80、重量,故需設(shè)計(jì)成空心軸,主要承受軸向拉力,取內(nèi)徑,外徑,用圓錐滾子軸承支承,軸承型號(hào)為 滾動(dòng)軸承30205。主軸材料選用型號(hào)為ZAlCu5Mn的鑄鋁合金。</p><p>　　3.4 確定齒輪的參數(shù)</p><p><b>　　3.4.1選擇材料</b></p><p>　　根據(jù)表7-1,選擇齒輪的材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)硬度HBS可達(dá)229～28

81、6。</p><p>　　3.4.2 壓力角的選擇</p><p>　　由機(jī)械原理知識(shí)可知,增大壓力角,能使輪齒的齒厚和節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑增大,可提高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度。此處，壓力角可取20°。</p><p>　　3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇</p><p>　　對軟齒面的閉式齒輪傳動(dòng),其承載能力主要取決于齒面接觸

82、疲勞強(qiáng)度。而齒面接觸應(yīng)力的大小與小齒輪的分度圓直徑有關(guān),即與齒數(shù)和模數(shù)的積有關(guān)。因此在滿足彎曲疲勞強(qiáng)度的前提下,宜選擇較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)。這樣除能增大重合度,改善傳動(dòng)的平穩(wěn)性外,還因模數(shù)的減小而降低齒高,從而減小金屬的切削量,減少滑動(dòng)速度,減少磨損,提高抗膠合能力。軸上齒輪齒數(shù)取25,小齒輪齒數(shù)取100,軸上軸齒輪齒數(shù)取25,大齒輪齒數(shù)取300,模數(shù)m取2。</p><p><b>　　3.4.4齒

83、寬系數(shù)</b></p><p>　　由強(qiáng)度公式可知,當(dāng)載荷一定時(shí),增大齒寬可以減小齒輪直徑,降低齒輪圓周速度。但增大齒寬,齒面上的載荷分布不均勻性也將增大。查表7-7,中間軸上的齒輪與大齒輪嚙合時(shí)取齒寬系數(shù)為1.0;懸臂上的齒輪與小齒輪嚙合時(shí)取為0.5。根據(jù)公式 ,計(jì)算結(jié)果圓整為5的整數(shù)倍,作為大齒輪的齒寬,小齒輪齒寬取,以補(bǔ)償加工裝配誤差。</p><p><b>

84、　　所以</b></p><p>　　軸上齒輪 與之嚙合的小齒輪齒寬</p><p>　　軸上的齒輪齒寬 ,與之嚙合的大齒輪齒寬</p><p>　　3.4.5 確定齒輪傳動(dòng)的精度</p><p>　　根據(jù)GB10095-1988規(guī)定,齒輪精度等級(jí)分為12級(jí),1級(jí)最高,12級(jí)最低,常用6～9級(jí)。根據(jù)表7-8 選用7級(jí)精度的齒輪。

85、</p><p>　　表3-2 第一級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸</p><p>　　表3-3 第二級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸</p><p>　　3.4.6 齒輪的校核</p><p>　　已選定齒輪采用45鋼，鍛造毛坯，軟齒面，齒輪滲碳淬火HRC56～62，齒輪精度用7級(jí)，軟齒表面粗糙度為，對于需校核的一對的齒輪，齒數(shù)分別為，，模數(shù)為2，傳動(dòng)比，扭矩T

86、=16.76N·m。</p><p><b>　　a.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則</b></p><p>　　按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。</p><p>　　b.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算</p><p>　　。 （3-35）</p><p>　

87、　式中：—節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，用來考慮節(jié)點(diǎn)齒廓形狀對接觸應(yīng)力的影響，取=2.5；</p><p>　　—材料系數(shù)，單位為，查表7-5，取189.8；</p><p>　　—重合度系數(shù)，取=0.90；</p><p>　　—齒寬系數(shù)，取=1；</p><p>　　u—齒數(shù)比，其值為大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比，u=12。</p><

88、p>　　選擇材料的接觸疲勞極限應(yīng)力為：</p><p>　　選擇齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力為：</p><p>　　應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N計(jì)算可得</p><p>　　×437.5×16×300×8=10.08× （3-36）</p><p>　　則

89、 （3-37）</p><p>　　查得接觸疲勞壽命系數(shù)為</p><p>　　查得彎曲疲勞壽命系數(shù)為</p><p>　　查得接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù)，又為試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，按國家標(biāo)準(zhǔn)取2.0，試選1.3，</p><p>　　求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：</p><p>

90、<b>　?。?-38）</b></p><p><b>　　（3-39）</b></p><p><b>　?。?-40）</b></p><p><b>　?。?-41）</b></p><p>　　將有關(guān)值帶入公式（3-35）得：</p>

91、<p><b>　　=</b></p><p><b>　　=29.78mm</b></p><p><b>　　則</b></p><p><b>　?。?-42）</b></p><p><b>　　（3-43）</b&g

92、t;</p><p><b>　　查圖得；查得，</b></p><p>　　查得，取，則 （3-44）</p><p><b>　　修正，mm</b></p><p>　　取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=2mm，與前面選定的模數(shù)相同，所以m=2mm符合要求。</p>&l

93、t;p><b>　　c.計(jì)算幾何尺寸</b></p><p>　　， （3-45）</p><p>　　， （3-46）</p><p>　　d.校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度</p><p><b>　　查得，取</b></p&

94、gt;<p>　　校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度</p><p><b>　　（3-47）</b></p><p><b>　?。?-48）</b></p><p>　　所以齒輪完全達(dá)到要求。</p><p>　　圖3-5 大齒輪結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3-6 小

95、齒輪結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　3.5 殼體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　基座部分采用球墨鑄鐵材料,方形結(jié)構(gòu),壁厚在15mm左右。立柱采用鑄鋁,空心圓柱形狀,起固定軸承外圈的作用。其他部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)確定,這里不一一敘述,詳見圖紙。 </p><p>　　4關(guān)節(jié)型機(jī)器人的位姿分析</p>&l

96、t;p>　　關(guān)節(jié)型機(jī)器人實(shí)質(zhì)上是依靠各關(guān)節(jié)坐標(biāo)值的改變來運(yùn)行的。例如以示教再現(xiàn)方式工作的機(jī)器人的關(guān)節(jié)在每個(gè)位置的轉(zhuǎn)角值是預(yù)先記錄好的。當(dāng)機(jī)器人末端手部執(zhí)行工作任務(wù)時(shí),控制器依次給出記錄好的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),使機(jī)器人末端手部按照預(yù)定的位置有序運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)給定位姿來完成工作。 </p><p>　　4.1 機(jī)器人的位姿與運(yùn)動(dòng)的描述</p><p>　　從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來看,關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)械本

97、體實(shí)際上是一個(gè)由轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)關(guān)節(jié)連接起來的開鏈?zhǔn)竭B桿系統(tǒng),每個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)決定著機(jī)器人的一個(gè)自由度。為了便于描述這些連桿的相互關(guān)系,在每一連桿關(guān)節(jié)上設(shè)立一個(gè)坐標(biāo)系,利用齊次變換就可以方便地描述這些坐標(biāo)系間的相對位置和姿態(tài)。由于在我的設(shè)計(jì)中只用了轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),所以只討論轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的情況。</p><p>　　描述一個(gè)連桿與下一個(gè)連桿間相對關(guān)系的齊次矩陣通常記為A 。A矩陣描述連桿坐標(biāo)系間相對平移和旋轉(zhuǎn)的齊次變換。如果表示

98、第一個(gè)連桿對于基系{0}的位置和姿態(tài)，表示第二個(gè)連桿相對于第一個(gè)連桿的位置和姿態(tài),那么第二個(gè)連桿在基系{0}的位置和姿態(tài)可由下列矩陣的乘積給出</p><p><b>　　= </b></p><p>　　一般T加相應(yīng)前置或后置上下標(biāo)的公式來表示兩個(gè)或兩個(gè)以上A矩陣的乘積。</p><p>　　同理,若表示第三個(gè)連桿相對于第二個(gè)連桿的位置和姿態(tài)

99、,則有</p><p><b>　　= </b></p><p>　　稱這些A矩陣的乘積為T矩陣,其前置上標(biāo)若為0 (既以基坐標(biāo)系｛0｝為參照),則可略去不寫。于是,一個(gè)6關(guān)節(jié)(6自由度)機(jī)器人從手部到基系｛0｝的總齊次變換矩陣T為</p><p>　　= (4-1)</p&

100、gt;<p>　　可以將上述6關(guān)節(jié)系統(tǒng)擴(kuò)展為具有n個(gè)關(guān)節(jié)自由度的系統(tǒng),其桿件0,1,…,i,…,n(共n+1個(gè))通過關(guān)節(jié)1,2,…,i,…,n(共n個(gè))相連接。</p><p>　　n個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)器人從手部到基系的總齊次變換矩陣T為</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　4.2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的廣義連桿變換

101、齊次矩陣</p><p>　　從最一般的情況來考慮,可以設(shè)想關(guān)節(jié)型機(jī)器人是由一系列具有空間彎曲軸線的桿件(即廣義連桿)連接在一起構(gòu)成的,而直線軸線的桿件只是廣義桿件的特例,廣義連桿的齊次矩陣只要經(jīng)適當(dāng)簡化就可以直接用于各種特例情況。</p><p>　　對于一個(gè)n關(guān)節(jié)廣義連桿系統(tǒng),為了研究其任意兩個(gè)相鄰廣義連桿之間的齊次變換矩陣,可以取出任意桿件i-1與相鄰桿件i,以及與這兩個(gè)桿件相連的關(guān)

102、節(jié)i-1,和i來研究其幾何關(guān)系。</p><p>　　首先建立連桿i-1和i的參考坐標(biāo)系,然后再確定兩個(gè)坐標(biāo)系之間的位置和姿態(tài)關(guān)系。</p><p>　　圖4-1 廣義連桿變換的4個(gè)特征參數(shù)</p><p>　　如圖4-1所示,連桿i的參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于關(guān)節(jié)i-1和關(guān)節(jié)i兩軸的公共法線與關(guān)節(jié)i的交點(diǎn)上,參考坐標(biāo)系的軸就是關(guān)節(jié)i的軸線, 軸沿關(guān)節(jié)i和關(guān)節(jié)i+1兩軸

103、線的公共法線,方向由關(guān)節(jié)i指向關(guān)節(jié)i+1。</p><p>　　類似地，也可以定義出參考坐標(biāo)系和。</p><p>　　接下來，定義廣義連桿i-1的4個(gè)特征參數(shù)：①廣義連桿i-1兩端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸之間的公共法線距離為連桿的（法線）長度；②在垂直于的平面內(nèi)兩端關(guān)節(jié)軸線投影的夾角為連桿i-1的扭角；③ i和i-1兩桿公共法線之間在軸上的相對位置差為連桿距離;④兩連桿法線長度與的夾角(由方向繞軸逆時(shí)針

104、轉(zhuǎn)向方向)為連桿夾角。</p><p>　　類似地，也可以定義連桿出廣義連桿i的四個(gè)特征參數(shù)。</p><p>　　使用坐標(biāo)變換的方法可以從其中一個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換出另一個(gè)坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。為此，按照下列順序由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)和兩個(gè)平移來將連桿i-1的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到連桿i的坐標(biāo)系上。</p><p>　　a. 繞軸旋轉(zhuǎn)角,使軸轉(zhuǎn)到與軸同一直線上;</p><p

105、>　　b. 沿軸平移一距離把移到與同一高度上;</p><p>　　c. 沿軸平移距離，把連桿的坐標(biāo)系原點(diǎn)移到上；</p><p>　　d. 繞軸旋轉(zhuǎn)角,使轉(zhuǎn)到與同一平面內(nèi)。</p><p>　　這種關(guān)系可由四個(gè)齊次變換矩陣來描述，此關(guān)系為</p><p><b>　　=</b></p><p&

106、gt;　　= （4-3）</p><p>　　式(4-3)即關(guān)節(jié)型機(jī)器人的廣義連桿變換齊次矩陣,利用適當(dāng)數(shù)量的該矩陣乘積,就可以描述具有任意復(fù)雜程度的連桿坐標(biāo)系統(tǒng)之間的變換。</p><p>　　例如，6連桿（基座為連桿0）關(guān)節(jié)型機(jī)器人的末端即為連桿6的坐標(biāo)系（手坐標(biāo)系）{6}，它與連桿i-1坐標(biāo)系{i-1}的變換關(guān)系可由表示為</p>

107、<p><b>　　=</b></p><p>　　而手部坐標(biāo)系{6}對基座坐標(biāo)系{0}的總變換關(guān)系（即）可以表示為</p><p><b>　　=</b></p><p>　　對于一個(gè)較復(fù)雜的連桿系統(tǒng)，采用所謂“有向變換圖”方法有助于列出正確的齊次變換方程表達(dá)式。例如，設(shè)6關(guān)節(jié)機(jī)器人基坐標(biāo)系{0}與絕對固定參

108、考坐標(biāo)系的相對關(guān)系由變換Z表示，機(jī)器人基坐標(biāo)系{0}與其端部的工具端坐標(biāo)系的關(guān)系由變換E表示，工具端坐標(biāo)系對絕對固定參考坐標(biāo)系的位姿可由總變換X表示，則相應(yīng)于該例的有向變換圖如圖4-2所示，總變換與其他局部變換采取相反箭頭形式。</p><p>　　利用有向變換圖4-2可以直接寫出一個(gè)變換與其他變換之間的表達(dá)式關(guān)系。如欲求總變換X，就將X置于等號(hào)左邊，在等號(hào)右邊的其他變換為倒序連乘形式，即沿X箭頭反向環(huán)行，最先遇

109、到的變換則最后相乘，反之亦然，而且凡與X箭頭方向相同者，均采取逆變換形式。因此總變換X的齊次變換方程表達(dá)式為</p><p>　　用同樣的規(guī)則，不難給出變換齊次變換方程表達(dá)式為</p><p>　　圖4-2 廣義有向變換圖</p><p>　　4.3 關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程</p><p>　　關(guān)節(jié)型機(jī)器人由6個(gè)連桿和6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成,手

110、爪與連桿6固接,基座固定不動(dòng),每個(gè)關(guān)節(jié)有一個(gè)自由度, 因此, 關(guān)節(jié)型機(jī)器人是6自由度的操作臂。</p><p>　　基座稱為連桿0，不包含在這6個(gè)連桿之內(nèi)。連桿1與基座0由關(guān)節(jié)1相連接；連桿2與連桿1通過關(guān)節(jié)2相連接…</p><p>　　為了導(dǎo)出形式較簡單的6關(guān)節(jié)型機(jī)器人末端手部位姿矩陣(即運(yùn)動(dòng)方程),各坐標(biāo)系方位的設(shè)置顯然是很重要的。為此，在設(shè)置坐標(biāo)系時(shí)應(yīng)注意以下各點(diǎn):</p&g

111、t;<p>　　a. 使關(guān)節(jié)型機(jī)器人處于初始位姿(即操作零位),由基座開始先設(shè)立固定的基坐標(biāo)系{0},其軸的正向最好與重力加速度反向,原點(diǎn)在第1關(guān)節(jié)軸線上, 位于操作機(jī)工作空間的對稱平面內(nèi)；</p><p>　　b. 盡量使與同向，與在方向同“高” ，否則關(guān)節(jié)變量要加初始值；</p><p>　　c. 末端手部坐標(biāo)系的原點(diǎn)O最好選在“手” 心點(diǎn)上，其z軸的正向要指向（或背離）

112、操作對象。</p><p>　　4.3.1 關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析</p><p>　　A. 連桿坐標(biāo)系和連桿參數(shù)</p><p>　　為了確定機(jī)器人各連桿之間相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系,在各連桿上分別固接一個(gè)坐標(biāo)系。與基座固接的坐標(biāo)系記為{0}，與連桿i固接的坐標(biāo)系記為{i}，其軸即第i關(guān)節(jié)軸線。關(guān)節(jié)型機(jī)器人和大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人一樣，后3 個(gè)關(guān)節(jié)軸線交于一點(diǎn)。該點(diǎn)作為連桿坐標(biāo)系{4

113、}{5}{6}的原點(diǎn)。各連桿4個(gè)特征參數(shù)定義如下：</p><p>　　a.為從到沿測量的距離；</p><p>　　b.為從到繞旋轉(zhuǎn)的角度；</p><p>　　c.為從到沿測量的距離；</p><p>　　d.為從到繞旋轉(zhuǎn)的角度。</p><p>　　其中，代表連桿i-1的長度，因此規(guī)定≥0，其他參數(shù)、和的值可正、

114、可負(fù)。關(guān)節(jié)型機(jī)器人關(guān)節(jié)1的軸線為鉛直方向，關(guān)節(jié)2和3的軸線水平且平行，距離為，關(guān)節(jié)1和2的軸線垂直相交，關(guān)節(jié)3和4的軸線垂直交錯(cuò)，距離為。</p><p>　　B.連桿變換矩陣的齊次矩陣式和表所示連桿參數(shù)，可求得各連桿變換矩陣如下。</p><p><b>　　(4-4)</b></p><p>　　在中，的位置應(yīng)該是{1}系位置矢量元素的位置

115、；同理，中的位置也是。</p><p>　　各連桿變換矩陣相乘，得機(jī)器人的總變換矩陣為</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式（4-5）表明，總變換矩陣顯然是關(guān)節(jié)變量，，…的函數(shù)。要解出這些關(guān)節(jié)變量，還需運(yùn)用變換矩陣連乘方法，先計(jì)算下面一些中間變換矩陣及其元素的具體結(jié)果。</p><p>

116、<b>　　（4-6）</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中， ，，，，，分別表示，，，，，。</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　　式中—cos（）=</b></p&

117、gt;<p><b>　　—s i n（）=</b></p><p>　　再將式（2-40）與式（2-41）相乘，可得</p><p>　　(4-9) </p><p>　　其中，表示，其余類推。 </p><p>　　于是，可求得機(jī)器人的總變換矩陣為</p><p