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湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ）
題目
三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
作者
學(xué)院
機(jī)電工程學(xué)院
專(zhuān)業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)號(hào)
指導(dǎo)教師
二〇一五 年 五 月 三十 日
摘要
本文簡(jiǎn)單介紹了本課題的來(lái)源、意義和內(nèi)容，回顧了國(guó)內(nèi)外機(jī)械手的發(fā)展概況，介紹了目前機(jī)器人的幾種分類(lèi)形式，列出了在生產(chǎn)、生活上和高科技領(lǐng)域中幾種常見(jiàn)的機(jī)器人。本機(jī)械手的主要工作是在控制器的作用下將工件從一條流水線搬運(yùn)到另一條流水線這一簡(jiǎn)單的動(dòng)作，通過(guò)綜合考慮選擇了三自由度平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手，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)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，而且針對(duì)不同類(lèi)型的零件可配置不同的末端執(zhí)行器，減少了閑置率，提高了工作效率。本文對(duì)機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)并進(jìn)行了氣壓缸，步進(jìn)電機(jī)等主要部件的選取和校核。最后用AutoCAD、SolidWorks等繪制相關(guān)工程圖。
關(guān)鍵詞: 三自由度；機(jī)械手；搬運(yùn);步進(jìn)電機(jī)
Abstract
The article introduces the resource, content and practical application value of the thesis, and reviews the development of robots inside and abroad, and introduces the sort ofrobots, and enumerates several hackneyed robots in manufacture, life and high-tech. The main work of the manipulator is that put the work-piece from a line to another line the simple action under the function of the controller. Through the comprehensive consider choose three degrees of freedom Selective Compliance Assembly Robot Arm, Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints , two slew joints control the moving of the front and back left and right . the move joints control the moving of up and down ，simple structure, low cost and according to different types of part add a end effector, reducing the unemployment, improving the working efficiency. The article main design the mechanical transmission parts of the manipulator, the writer designs the project of driving system and transmission system, selects and checks air cylinder magnetic，stepping motor， and so on.The last draw the relevant drawings in AutoCAD, SolidWorks, etc.
Key words: Three degrees of freedom;Manipulator;handling；magnetic stepping motor
目 錄
第一章 緒論……………………………………………………………………………… 1
1.1 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用情況 …………………………………………………………… 1
1.2 國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 ………………………………………………… 1
1.3 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) ………………………………………………………… 3
第二章 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 6
2.1 設(shè)計(jì)要求 ………………………………………………………………………… 6
2.2 總體方案設(shè)計(jì) …………………………………………………………………… 6
2.3 運(yùn)動(dòng)原理簡(jiǎn)圖及主要技術(shù)參數(shù) ………………………………………………… 7
第三章 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 9
3.1 小臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 ………………………………………………………… 9
3.1.1 驅(qū)動(dòng)方式及計(jì)算 …………………………………………………………10
3.1.2 小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 …………………………………………………13
3.1.3 軸和軸承的選擇和校核 …………………………………………………15
3.2 大臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 …………………………………………………………22
3.2.1 驅(qū)動(dòng)方式及計(jì)算 …………………………………………………………22
3.2.2 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 …………………………………………………25
3.2.3 軸和軸承的選擇和校核 …………………………………………………27
3.3 立柱的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 …………………………………………………………34
3.3.1 驅(qū)動(dòng)方式的比較和選擇 …………………………………………………34
3.3.2 氣壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 …………………………………………………35
3.4 機(jī)座的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算 …………………………………………………………36
第四章 結(jié)論………………………………………………………………………………38
參 考 文 獻(xiàn)………………………………………………………………………………39
致 謝 ………………………………………………………………………………………40
附錄A………………………………………………………………………………………41
iii
第1章 緒論
工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。自從1962年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)(FMS)、自動(dòng)化工廠(FA)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動(dòng)化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)器人，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類(lèi)的生產(chǎn)和生活方式。
1.1工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用情況
經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用。如在毛坯制造、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測(cè)及倉(cāng)庫(kù)堆垛等作業(yè)中，機(jī)器人都已逐步取代了人工作業(yè)。隨著工業(yè)機(jī)器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機(jī)器人智能化水平的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范周還在不斷地?cái)U(kuò)大，已從汽車(chē)制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進(jìn)而推廣到機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。機(jī)器人正在為提高人類(lèi)的生活質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。
各種工業(yè)機(jī)器人可以以單機(jī)形式使用，也可以作為生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)構(gòu)成部分使用。隨著社會(huì)需求發(fā)展的變化，工業(yè)生產(chǎn)向多品種小批量方向發(fā)展，對(duì)制造系統(tǒng)的柔性要求越來(lái)越高。工業(yè)機(jī)器人的靈活性好，因此在柔性自動(dòng)化制造系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越多。
1.2 國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀
1、 國(guó)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀
在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。從而，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)器人公司，它們包括：瑞典的ABB Robotics，日本的F A N U C 、Y a s k a w a ， 德國(guó)的K U K ARoboter，美國(guó)的Adept Technology、AmericanRobot、Emerson Industrial Automation、S-TRobotics，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。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[1]。
在發(fā)達(dá)國(guó)家中，工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動(dòng)化裝備的主流。國(guó)外汽車(chē)行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機(jī)械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)避免了大量的工傷事故。像國(guó)際上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線及物流與倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備的集成供應(yīng)商。目前，日本、意大利、德國(guó)、歐盟、美國(guó)等國(guó)家產(chǎn)業(yè)工人人均擁有工業(yè)機(jī)器人數(shù)量位于世界前列，全球諸多國(guó)家近半個(gè)世紀(jì)的工業(yè)機(jī)器人的使用實(shí)踐表明，工業(yè)機(jī)器人的普及是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高社會(huì)生產(chǎn)效率，推動(dòng)企業(yè)和社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。
2、 國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀
在降低制造成本，解決用工嚴(yán)重不足等口號(hào)的呼喊下，近年來(lái)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在全世界范圍內(nèi)興起。中國(guó)作為世界工廠，面臨的形式更是尤為的嚴(yán)重。有數(shù)據(jù)顯示中國(guó)每年工業(yè)機(jī)器人的裝機(jī)量約占全球的1/8，僅次于日本、韓國(guó)，預(yù)計(jì)2015年中國(guó)的裝機(jī)量會(huì)超過(guò)這兩個(gè)國(guó)家，成為世界上使用工業(yè)機(jī)器人最多的國(guó)家。
自2009年以來(lái)，中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)持續(xù)快速增長(zhǎng)，工業(yè)機(jī)器人年均增長(zhǎng)速度超過(guò)40%，到目前為止，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)份額約占全球市場(chǎng)的1/5；以教育、清掃等為代表的服務(wù)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)也在逐步進(jìn)入市場(chǎng)。隨著我國(guó)門(mén)戶(hù)的逐漸開(kāi)放，國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面對(duì)越來(lái)越大的競(jìng)爭(zhēng)與沖擊，因此，掌握國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的實(shí)際情況，把握我國(guó)工業(yè)機(jī)器人研究的相關(guān)進(jìn)展，顯得十分重要。
2012年，四種新型工業(yè)機(jī)器人在中國(guó)哈爾濱研制成功。專(zhuān)家們認(rèn)為這標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)掌握了第一代工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)技術(shù)，新的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在我國(guó)誕生。這四種工業(yè)機(jī)器人分別是哈爾濱工業(yè)大學(xué)和哈爾濱風(fēng)華機(jī)器廠等單位研制的華宇Ⅱ型弧焊機(jī)器人，華宇Ⅰ型點(diǎn)焊機(jī)器人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與航天部811廠等單位聯(lián)合研制的東方1號(hào)噴漆機(jī)器人和國(guó)營(yíng)星光機(jī)器廠研制的星光Ⅰ型直角坐標(biāo)點(diǎn)焊機(jī)器人。
近年來(lái)，中國(guó)河南洛陽(yáng)市越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人等智能設(shè)備，但目前國(guó)內(nèi)使用的機(jī)器80%是國(guó)外制造。位于洛陽(yáng)工業(yè)園區(qū)的沃德福集團(tuán)高端智能裝備制造基地項(xiàng)目，總投資1。5億元，將研發(fā)制造6軸工業(yè)機(jī)器人等高端智能設(shè)備，達(dá)到年產(chǎn)1萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)、裝配能力。該項(xiàng)目計(jì)劃2014年建成投產(chǎn)，預(yù)計(jì)年產(chǎn)值20億元，不久將在這里首次實(shí)現(xiàn)先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人大批量生產(chǎn)制造。隨著便宜勞動(dòng)力時(shí)代的結(jié)束，可以預(yù)計(jì)工業(yè)機(jī)器人將迎來(lái)一個(gè)偉大的時(shí)代，不僅在工業(yè)上，而且在服務(wù)、醫(yī)療等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，從而推動(dòng)一大批行業(yè)的發(fā)展，如高端制造業(yè)、制造業(yè)的個(gè)性化、醫(yī)療圖像處理以及航空航天等。
近十年以來(lái)，在“十五”、“十一五”攻關(guān)計(jì)劃和863計(jì)劃等科技計(jì)劃的支持下，我國(guó)有組織、有計(jì)劃地發(fā)展工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，通過(guò)研制、生產(chǎn)、應(yīng)用等多個(gè)層面的不斷探索，在技術(shù)攻關(guān)和設(shè)計(jì)水平上有了長(zhǎng)足的進(jìn)步?？偟膩?lái)看，已經(jīng)掌握了工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用過(guò)程中的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，能夠生產(chǎn)出部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出弧焊、點(diǎn)焊、碼垛、裝配、搬運(yùn)、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機(jī)器人[2]。一些相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)制造技術(shù)；工業(yè)機(jī)器人控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)；機(jī)器人軟件的設(shè)計(jì)和編程技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)；弧焊、點(diǎn)焊及大型機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線(工作站)與周邊配套設(shè)備的開(kāi)發(fā)和制備技術(shù)等，某些關(guān)鍵技術(shù)已達(dá)到或接近了國(guó)際先進(jìn)水平，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人在世界工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域已占有一席之地。
1.3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。
1、 國(guó)外發(fā)展趨勢(shì)
日本將機(jī)器人列為戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，韓國(guó)將機(jī)器人作為“增長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)”，各發(fā)達(dá)國(guó)家政府早年通過(guò)制定政策，采取一系列措施鼓勵(lì)企業(yè)應(yīng)用機(jī)器人，設(shè)立科研基金鼓勵(lì)機(jī)器人的研發(fā)設(shè)計(jì)，從政策上、資金上給予大力支持，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用和研究走在世界的前列。世界工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)普遍看好，各國(guó)都在期待機(jī)器人的應(yīng)用研究有技術(shù)上的突破。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[3]。
國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：
(1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降。
(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)的可靠性、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，裝配、焊接機(jī)器人采用了位置、速度、加速度視覺(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。
(6)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)，而是致力于操作者與機(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(guó)發(fā)射到火星上的索杰納機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。
(7)機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出虛擬軸機(jī)床以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域[4]。
2、 國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)
中國(guó)工業(yè)機(jī)器人在“七五”、“九五”、“十五”期間研究取得了較大進(jìn)展，我國(guó)在關(guān)鍵技術(shù)上有所突破，但還缺乏整體核心技術(shù)的突破，應(yīng)用遍及各行各業(yè)，但進(jìn)口機(jī)器人占了絕大多數(shù)。科學(xué)院機(jī)器人“十二五”規(guī)劃研究目標(biāo)：開(kāi)展高速、高精、智能化工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究工作，建立并完善新型工業(yè)機(jī)器人智能化體系結(jié)構(gòu)；研究高速，高精度工業(yè)機(jī)器人控制方法并研制高性能工業(yè)機(jī)器人控制器，實(shí)現(xiàn)高速，高精度的作業(yè)；針對(duì)焊接，噴涂等作業(yè)任務(wù)，研究工業(yè)機(jī)器人的智能化作業(yè)技術(shù)，研制自動(dòng)焊接工業(yè)機(jī)器人，自動(dòng)噴涂工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)，并在汽車(chē)制造行業(yè)，焊接行業(yè)開(kāi)展應(yīng)用示范。
國(guó)家下一步的發(fā)展思路，將發(fā)展以工業(yè)機(jī)器人為代表的智能制造，以高端裝備制造業(yè)重大產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展工程為平臺(tái)和載體，系統(tǒng)推進(jìn)智能技術(shù)、智能裝備和數(shù)字制造的協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)我國(guó)高端裝備制造的重大跨越。具體分兩步進(jìn)行：第一步，2012~2020年，基本普及數(shù)控化，在若干領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)化，為我國(guó)制造模式轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)；第二步，2021~2030年，全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，在主要領(lǐng)域全面推行智能制造模式，基本形成高端制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌、參與國(guó)際分工的巨大挑戰(zhàn)，加快工業(yè)機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)是使我國(guó)從制造業(yè)大國(guó)走向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的重要手段和途徑。未來(lái)幾年，國(guó)內(nèi)機(jī)器人研究人員將重點(diǎn)研究工業(yè)機(jī)器人智能化體系結(jié)構(gòu)，高速高精度控制，智能化作業(yè)，形成新一代智能化工業(yè)機(jī)器人的核心關(guān)鍵技術(shù)體系，并在相關(guān)行業(yè)開(kāi)展應(yīng)用示范和推廣。
(1) 工業(yè)機(jī)器人智能化體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)
研究開(kāi)放式，模塊化的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法，形成切實(shí)可行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以便于系統(tǒng)的集成，應(yīng)用與改造。
(2) 工業(yè)機(jī)器人新型控制器技術(shù)
研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人控制器。研究具有高實(shí)時(shí)性的，多處理器并行工作的控制器硬件系統(tǒng)；針對(duì)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)基于高性能，低成本總線技術(shù)的控制和驅(qū)動(dòng)模式。深入研究先進(jìn)控制方法，策略在工業(yè)機(jī)器人中的工程實(shí)現(xiàn)，提高系統(tǒng)高速，重載，高追蹤精度等動(dòng)態(tài)性能，提高系統(tǒng)開(kāi)放性。通過(guò)人機(jī)交互方式建立模擬仿真環(huán)境，研究開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)/離線編程技術(shù)，增強(qiáng)人機(jī)交互和二次開(kāi)發(fā)能力。
(3) 工業(yè)機(jī)器人智能化作業(yè)技術(shù)
實(shí)現(xiàn)以傳感器融合，虛擬現(xiàn)實(shí)與人機(jī)交互為代表的智能化技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人上的可靠應(yīng)用，提升工業(yè)機(jī)器人操作能力。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)等傳感器來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)和決策控制，基于視覺(jué)的噴涂機(jī)器人姿態(tài)反饋控制；研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人機(jī)交互環(huán)境建模系統(tǒng)。
(4) 成線成套裝備技術(shù)
針對(duì)汽車(chē)制造業(yè)，焊接行業(yè)等具體行業(yè)工藝需求，結(jié)合新型控制器技術(shù)和智能化作業(yè)技術(shù)的研究，研究與行業(yè)密切相關(guān)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)，以工業(yè)機(jī)器人為核心的生產(chǎn)線上的相關(guān)成套裝備設(shè)計(jì)技術(shù)，開(kāi)發(fā)弧焊機(jī)器人用激光視覺(jué)焊縫跟蹤裝置，噴涂線的噴涂設(shè)備的研制以及相關(guān)功能部件并加以集成，形成我國(guó)以智能化工業(yè)機(jī)器人為核心的成線成套自動(dòng)化制造裝備。
(5) 系統(tǒng)可靠性技術(shù)
可靠性技術(shù)是與設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和應(yīng)用密切相關(guān)的。建立工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性保障體系是確保工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、制造環(huán)節(jié)和測(cè)試環(huán)節(jié)，研究系統(tǒng)可靠性保障技術(shù)，從而為工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用提供保證。我國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化必須由市場(chǎng)來(lái)拉動(dòng)。機(jī)器人作為高技術(shù)，它的發(fā)展與社會(huì)的生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)狀況密切相關(guān)。機(jī)器人的研制、開(kāi)發(fā)只有從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)可能性大為原則選擇機(jī)器人優(yōu)先應(yīng)用的領(lǐng)域，并以此為突破口，向其他領(lǐng)域滲透、擴(kuò)散至為重要。綜合國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，工業(yè)機(jī)器人的研究正在超智能化、模塊化、系統(tǒng)化、微型化、多功能化及高性能、自診斷、自修復(fù)趨勢(shì)發(fā)展，以適應(yīng)多樣化、個(gè)性化的需求向更大更寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。
第二章 工業(yè)機(jī)器人整體設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)要求
1.設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料：
（1） 三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，立柱升降400mm，大臂小臂長(zhǎng)度分別為400mm、300mm，轉(zhuǎn)角120o，搬運(yùn)重物2kg；
（2）機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)及相關(guān)資料。
2.設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
運(yùn)動(dòng)原理簡(jiǎn)圖，大臂小臂采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，總體裝配圖的設(shè)計(jì)；
3.提交設(shè)計(jì)（論文）形式及要求：
裝配圖、主要零件的零件圖、運(yùn)動(dòng)原理簡(jiǎn)圖等；設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（不少于40頁(yè)）；一篇不少于1500字的外文文獻(xiàn)翻譯；
2.2 總體方案設(shè)計(jì)
平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人又稱(chēng)SCARA型裝配機(jī)器人，是Selective Compliance Assembly Robot Arm的縮寫(xiě)，意思是具有選擇柔順性的裝配機(jī)器人手臂。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(jiǎn)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，如在電子工業(yè)零件的插接、裝配中應(yīng)用廣泛。
總體設(shè)計(jì)的任務(wù)：包括進(jìn)行機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，確定主要工作參數(shù)，選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后繪出方案草圖。
查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料
根據(jù)參數(shù)擬定設(shè)計(jì)方案
各主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
主要零件的零件圖繪制及整體的裝配圖繪制
資料文件的整理及編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
2.3傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖及主要參數(shù)設(shè)計(jì)
傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖：
圖2-1
主要技術(shù)參數(shù)：
機(jī)械手類(lèi)型
平面關(guān)節(jié)型
抓取重量
2Kg
自由度
3個(gè)（2個(gè)回轉(zhuǎn)1個(gè)移動(dòng)）
大臂
長(zhǎng)400mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制
小臂
長(zhǎng)300mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制
移動(dòng)關(guān)節(jié)
氣缸驅(qū)動(dòng) 行程開(kāi)關(guān)控制
整體效果圖：
圖2-2
第3章 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和移動(dòng)裝置組成。移動(dòng)裝置只在要求的空間很大時(shí)才有用。手臂、手腕由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端執(zhí)行器在空間中所要求的位置和姿態(tài)。
由于目前工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)基本成熟，可以根據(jù)自身需要去配置不同的腕部及末端執(zhí)行器等部件，降低閑置率，實(shí)現(xiàn)功能的最大化，所以此課題主要針對(duì)臂部、立柱等主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.1 小臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算
工業(yè)機(jī)器人的手臂由動(dòng)力關(guān)節(jié)和連接桿件構(gòu)成，用以支撐和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器的位置。手臂部件一般具有2~3個(gè)自由度（回轉(zhuǎn)、俯仰、升降或伸縮），包括驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、定位導(dǎo)向裝置、支承連接件和檢測(cè)元件等，手臂部件自身質(zhì)量大，還要承受手腕、末端執(zhí)行器和工件的重力，以及在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的動(dòng)載荷，故其受力狀況也比較復(fù)雜。手臂結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)其自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)形式、承受的載荷和運(yùn)動(dòng)精度要求的因素來(lái)確定。機(jī)器人手臂通常支承在機(jī)座上，機(jī)座主要有回轉(zhuǎn)機(jī)座和升降機(jī)座兩種，用以實(shí)現(xiàn)手臂的整體回轉(zhuǎn)或升降，機(jī)座也可視為一種特殊的手臂。
臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來(lái)改變工件的位置。手部在空間的活動(dòng)范圍主要取決于臂部的運(yùn)動(dòng)形式。手臂結(jié)構(gòu)一般的設(shè)計(jì)要求有:
（1）手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求。工作空間的形狀和大小與手臂的長(zhǎng)度手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍密切相關(guān)。
(2) 剛度要好，根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸，空心桿比實(shí)心桿剛度大的多，常用鋼管做臂部和導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼左支撐板，以保證有足夠的剛度。
(3) 偏重力矩要小，偏重力矩時(shí)指臂部的總重量對(duì)其支撐或回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。
(4) 重量要輕，慣量要小，為了減輕運(yùn)動(dòng)時(shí)的沖擊，除采取緩沖外，力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以減少慣性力。
(5) 導(dǎo)向性要好。
（6）盡量減小手臂質(zhì)量和相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏心力矩，以減小驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷，減小運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)載荷和沖擊，提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度。
（7）要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。
3.1.1 驅(qū)動(dòng)方式及計(jì)算
工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是帶動(dòng)操作機(jī)各運(yùn)動(dòng)副的動(dòng)力源，常用的驅(qū)動(dòng)方式包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓、氣動(dòng)三種。
小臂部分因?yàn)樗栩?qū)動(dòng)力小，精度要求不是很高，所以選擇控制方便，輸出轉(zhuǎn)角無(wú)長(zhǎng)期積累誤差的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是專(zhuān)門(mén)工廠批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)部件，設(shè)計(jì)時(shí)要選出具體型號(hào)以購(gòu)置。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)包括確定型號(hào)、結(jié)構(gòu)、步距角、功率和轉(zhuǎn)速，并在產(chǎn)品目錄中查出其尺寸和型號(hào)。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)脈沖電動(dòng)機(jī)或?yàn)殡A躍電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電機(jī)有三大部分組成：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。如圖3-1所示。
選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿(mǎn)足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過(guò)程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到工作臺(tái)所需的脈沖當(dāng)量。
圖3-1 步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)的選擇：步距角要小，要滿(mǎn)足最大靜轉(zhuǎn)矩，因?yàn)檗D(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性
（1）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩計(jì)算
步進(jìn)電機(jī)選用三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，初選步進(jìn)電機(jī)步距角θb=3°。
設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為T(mén)，負(fù)載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)做的功與負(fù)載力做的功有如式（3.1）關(guān)系：
式（3.1）
式中 φ — 電機(jī)轉(zhuǎn)角；
S — 轉(zhuǎn)動(dòng)部件的相應(yīng)位移；
η — 機(jī)械傳動(dòng)效率。
若取φ=θb，則S=δb，且P= Pz +μ（G+ W2），所以
式（3.2）
式中 G——轉(zhuǎn)動(dòng)部件負(fù)載，N；
W——轉(zhuǎn)動(dòng)部件重量，N；
Pz——與中立方向一致的作用在轉(zhuǎn)動(dòng)部件上的負(fù)載力，N；
μ——摩擦系數(shù)；
θb——步進(jìn)電機(jī)步距角，rad；
T——電機(jī)軸負(fù)載力矩，N·cm。
取μ=0.03，η=0.96，Pz=100N。
可求得
不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件的慣性影響，啟動(dòng)力矩為
Tm=T/（0.3~0.5）=2N·m（取安全系數(shù)0.5）
步進(jìn)電機(jī)為三相六拍的電機(jī)
（2） 步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速
為了提高精度，采用一級(jí)齒輪傳動(dòng).5
的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。
按標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（GB1357-87）取m=1.25，取
則
齒輪寬度計(jì)算：
按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)
兩支承相對(duì)小齒輪作對(duì)稱(chēng)布置取0.9—1.4,此處取1
則
根據(jù)臂部最大轉(zhuǎn)速與傳動(dòng)比i=3.5，可得
所以，步進(jìn)電機(jī)的選擇的最大轉(zhuǎn)速
（3）步進(jìn)電機(jī)最大頻率
根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的步距角，可得
所以步進(jìn)電機(jī)選擇最高的頻率
（4） 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)
由于步進(jìn)電機(jī)步距角，步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機(jī)最高頻率，步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，選擇的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)參數(shù)如表3-1所示。
表3-1步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
型號(hào)
主要技術(shù)參數(shù)
外形尺寸/mm
重量/(N)
步距角/(°)
保持轉(zhuǎn)矩/ N·m
相數(shù)
電壓/V
電流/A
外徑
長(zhǎng)度
軸徑
28BYGH501
3
10
3
12
0.67
30
51
8
1.8
3.1.2 小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
小臂選取4040工業(yè)鋁型材，這樣抗彎系數(shù)大，截面面積小，質(zhì)量輕，經(jīng)濟(jì)輕巧。
理論重1.252Kg/m，,小臂長(zhǎng)為300mm
較核：
取6N
其受力如下圖:
圖3-2
其中 F1=G手腕+G末端執(zhí)行器+G物=145+20=165N
FA=6+165=171（N）
作剪力圖彎矩圖如下：
圖3-3
圖3-4
由圖可得 危險(xiǎn)截面在A截面，按彎曲正應(yīng)力的強(qiáng)度條件校核如下，
按《材料力學(xué)》彎曲切應(yīng)力公式5.9 гmax=3Fs/2bh
所以
3.1.3 軸和軸承的選擇和校核
軸是組成機(jī)器的主要零件之一，一切回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)零件（例如齒輪、蝸輪等），都必須安裝在軸上才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞。因此軸的主要功用是支承回轉(zhuǎn)零件及傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。
軸的設(shè)計(jì)也和其他零件的設(shè)計(jì)相似，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力計(jì)算兩方面的內(nèi)容。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理的確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)影響到州的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會(huì)增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。因此，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是軸設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。具體設(shè)計(jì)如下：
1. 求輸出軸上的功率P1，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩
P=Pη=8.04W =78.92r/min
=9550
2. 求作用在齒輪上的力
已知低速級(jí)大齒輪的分度圓直徑為=90
而
F=
F= F
F= Ftan=21.6×0.246734=5.33N
軸的載荷分析圖如下：
圖3-5
3. 初步確定軸的最小直徑
先按式15-2初步估算軸的最小直徑,選取軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理,根據(jù)課本 取
輸出軸的最小直徑顯然是安裝螺母處的直徑,為了使所選的軸與螺母吻合,故需同時(shí)選取螺母的型號(hào)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》
選取型號(hào)為GB_HEXAGON_TYPE2 M12X1.25-C的螺母，故直徑取12mm。
4.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
(1)軸上零件的裝配方案如下,
圖3-6
根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
初步選擇滾動(dòng)軸承.因軸承同時(shí)受有徑向力和軸向力的作用,故選用單列深溝球軸承.參照工作要求并根據(jù),由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組 標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的單列深溝球軸承Rolling bearings 16004 GB 276-94.
對(duì)于選取的單向深溝球軸承其尺寸為的,故;而 .
右端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位.由手冊(cè)上查得7010C型軸承定位軸肩高度mm,
取安裝齒輪處的軸段;齒輪的左端采用螺母定位.已知齒輪的寬度為24mm,為了使螺母端面可靠地壓緊齒輪,此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度,故取.
右軸承端蓋的總寬度為9mm(由機(jī)架及軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而定) .根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對(duì)軸承添加潤(rùn)滑脂的要求,取端蓋的外端面與軸承右端面間的距離 ,故取.
小臂連接處取,
至此,已初步確定了軸的各端直徑和長(zhǎng)度.
5. 求軸上的載荷
首先根據(jù)結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖, 確定頂軸承的支點(diǎn)位置時(shí),
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》20-149表20.6-7.
對(duì)于Rolling bearings 16004 GB 276-94型的深溝球軸承,a=16.7mm,因此,做為簡(jiǎn)支梁的軸的支承跨距.取F負(fù)載=300N,列平衡方程求得如下：
從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面C是軸的危險(xiǎn)截面。計(jì)算截面C處的MH、MV及M的值，
6. 按彎曲扭轉(zhuǎn)合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（及危險(xiǎn)截面C）的強(qiáng)度。根據(jù)式（15-5）及以上數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取α=0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力
==
前已選軸材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
查表得[]=60MP ，〈 [] 此軸合理安全
7. 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度.
⑴. 判斷危險(xiǎn)截面
截面A,Ⅱ,Ⅲ,B只受扭矩作用，雖然鍵、軸肩及過(guò)渡配合所引起的應(yīng)力集中均將消弱軸的疲勞強(qiáng)度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕確定的，所以A Ⅱ Ⅲ B無(wú)需校核.
從應(yīng)力集中對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度的影響來(lái)看,截面Ⅵ和Ⅶ處過(guò)盈配合引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重,從受載來(lái)看,截面C上的應(yīng)力最大.截面IV的應(yīng)力集中的影響和截面V的相近,但是截面V不受扭矩作用,同時(shí)軸徑也較大,故不必做強(qiáng)度校核.截面C上雖然應(yīng)力最大,但是應(yīng)力集中不大,而且這里的直徑最大,故C截面也不必做強(qiáng)度校核,截面VI和VII顯然更加不必要做強(qiáng)度校核.由第3章的附錄可知,鍵槽的應(yīng)力集中較系數(shù)比過(guò)盈配合的小，因而,該軸只需膠合截面IV左右兩側(cè)需驗(yàn)證即可.
⑵. 截面IV左側(cè)
抗彎系數(shù)
W=0.1=0.1=800
抗扭系數(shù)
=0.2=0.2=1600
截面IV的右側(cè)的彎矩M為
截面Ⅳ上的扭矩為 =9800
截面上的彎曲應(yīng)力
截面上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
==
軸的材料為45鋼。調(diào)質(zhì)處理。
查得：
因
經(jīng)插入后得
2.0 =1.31
軸性系數(shù)為
=0.85
K=1+=1.82
K=1+（-1）=1.26
所以
綜合系數(shù)為： K=2.8
K=1.62
碳鋼的特性系數(shù) 取0.1
取0.05
安全系數(shù)
S=25.13
S13.71
≥S=1.5 所以它是安全的
截面Ⅳ右側(cè)
抗彎系數(shù)
W=0.1=0.1=1757.6
抗扭系數(shù)
=0.2=0.2=3515.2
截面Ⅳ右側(cè)的彎矩M為 M=133560
截面Ⅳ上的扭矩為 =294930
截面上的彎曲應(yīng)力
截面上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
==
K=
K=
所以
綜合系數(shù)為：
K=2.8 K=1.62
碳鋼的特性系數(shù)
取0.1 取0.05
安全系數(shù)
S=25.13
S13.71
≥S=1.5 所以它是安全的
傳動(dòng)部分效果圖：
圖3-7
3.2 大臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
大臂同樣是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐小臂、手部和腕部，主要用來(lái)改變工件的位置。臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來(lái)改變工件的位置。手部在空間的活動(dòng)范圍主要取決于臂部的運(yùn)動(dòng)形式。手部在空間的活動(dòng)范圍主要取決于臂部的運(yùn)動(dòng)形式。手臂結(jié)構(gòu)一般的設(shè)計(jì)要求有:
(1) 剛度要好，要合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸，空心桿比實(shí)心桿剛度大的多，常用鋼管做臂部和導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼左支撐板，以保證有足夠的剛度。
(2) 偏重力矩要小，偏重力矩時(shí)指臂部的總重量對(duì)其支撐或回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。
(3) 重量要輕，慣量要小，為了減輕運(yùn)動(dòng)時(shí)的沖擊，除采取緩沖外，力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以減少慣性力。
（4）盡量減小手臂質(zhì)量和相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏心力矩，以減小驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷，減小運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)載荷和沖擊，提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度。
（5）要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。
3.2.1 驅(qū)動(dòng)方式及計(jì)算
因?yàn)樗栩?qū)動(dòng)力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉(zhuǎn)角無(wú)長(zhǎng)期積累誤差的步進(jìn)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)的選擇：步距角要小，要滿(mǎn)足最大靜轉(zhuǎn)矩，因?yàn)檗D(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性
（1）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩計(jì)算
步進(jìn)電機(jī)選用三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，初選步進(jìn)電機(jī)步距角θb=3°。
設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為T(mén)，負(fù)載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)做的功與負(fù)載力做的功有如式（3.1）關(guān)系：
式（3.1）
式中 φ — 電機(jī)轉(zhuǎn)角；
S — 轉(zhuǎn)動(dòng)部件的相應(yīng)位移；
η — 機(jī)械傳動(dòng)效率。
若取φ=θb，則S=δb，且P= Pz +μ（G+ W2），所以
式（3.2）
式中 G——轉(zhuǎn)動(dòng)部件負(fù)載，N；
W——轉(zhuǎn)動(dòng)部件重量，N；
Pz——與中立方向一致的作用在轉(zhuǎn)動(dòng)部件上的負(fù)載力，N；
μ——摩擦系數(shù)；
θb——步進(jìn)電機(jī)步距角，rad；
T——電機(jī)軸負(fù)載力矩，N·cm。
取μ=0.03，η=0.96，Pz=500N。
可求得
不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件的慣性影響，啟動(dòng)力矩為
Tm=T/（0.3~0.5）=4.68N·m（取安全系數(shù)0.5）
步進(jìn)電機(jī)為三相六拍的電機(jī)
（3） 步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速
為了提高精度，采用一級(jí)齒輪傳動(dòng).5
的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。
按標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（GB1357-87）取m=1.25，取
則
齒輪寬度計(jì)算：
按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)
兩支承相對(duì)小齒輪作對(duì)稱(chēng)布置取0.9—1.4,此處取1
則
根據(jù)臂部最大轉(zhuǎn)速與傳動(dòng)比i=3.5，可得
所以，步進(jìn)電機(jī)的選擇的最大轉(zhuǎn)速
（3）步進(jìn)電機(jī)最大頻率
根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的步距角，可得
所以步進(jìn)電機(jī)選擇最高的頻率
（4） 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)
由于步進(jìn)電機(jī)步距角，步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機(jī)最高頻率，步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，選擇的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)參數(shù)如表3-2所示。
表3-2步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
型號(hào)
主要技術(shù)參數(shù)
外形尺寸/mm
重量/(N)
步距角/(°)
保持轉(zhuǎn)矩/ N·m
相數(shù)
電壓/V
電流/A
外徑
長(zhǎng)度
軸徑
28BYGH501
3
10
3
12
0.67
30
51
8
1.8
3.2.2 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
大臂選取4080工業(yè)鋁型材，這樣抗彎系數(shù)大，截面面積小，質(zhì)量輕，經(jīng)濟(jì)、輕巧。
理論重1.252Kg/m，,大臂長(zhǎng)為400mm
較核：
取7N
其受力如下圖:
圖3-8
其中 F1=G手腕+G末端執(zhí)行器+G物+G小臂+G電機(jī)=145+20+5.4+1.8=172.2N 取175N
FA=7+175=182（N）
作剪力圖彎矩圖如下：
圖3-9
圖3-10
由圖可得 危險(xiǎn)截面在A截面，按彎曲正應(yīng)力的強(qiáng)度條件校核如下，
按《材料力學(xué)》彎曲切應(yīng)力公式5.9 гmax=3Fs/2bh
所以
3.2.3 軸和軸承的選擇和校核
軸的設(shè)計(jì)包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸，軸的結(jié)構(gòu)主要取決于以下因素：軸在機(jī)器中的安裝位置及形式;軸上安裝的零件的類(lèi)型尺寸數(shù)量以及連接的方法；載荷的性質(zhì)大小方向及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結(jié)構(gòu)的因素較多，且其結(jié)構(gòu)形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)時(shí)必須針對(duì)不同情況進(jìn)行具體的分析。但是不論任何具體條件，軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足：軸和安裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置；軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整；軸要有良好的制造工藝等。此處軸的設(shè)計(jì)如下：
1. 求輸出軸上的功率P1，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩
P=Pη=8.04W =78.92r/min
=9550
2. 求作用在齒輪上的力
已知低速級(jí)大齒輪的分度圓直徑為 =90
而
F=
F= F
F= Ftan=21.6×0.246734=5.33N
軸的載荷分析圖如下：
圖3-11
3. 初步確定軸的最小直徑
先按式15-2初步估算軸的最小直徑,選取軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理,根據(jù)課本取
輸出軸的最小直徑顯然是安裝螺母處的直徑,為了使所選的軸與螺母吻合,故需同時(shí)選取螺母的型號(hào)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》
選取型號(hào)為GB_HEXAGON_TYPE2 M12X1.25-C的螺母，故直徑取12mm。
4. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸上零件的裝配方案如下,
圖3-12
根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
初步選擇滾動(dòng)軸承.因軸承同時(shí)受有徑向力和軸向力的作用,故選用單列深溝球軸承.參照工作要求并根據(jù),由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組 標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的單列深溝球軸承Rolling bearings 16004 GB 276-94.
對(duì)于選取的單向深溝球軸承其尺寸為的,故;而 .
右端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位.由手冊(cè)上查得7010C型軸承定位軸肩高度mm,
取安裝齒輪處的軸段;齒輪的左端采用螺母定位.已知齒輪的寬度為24mm,為了使螺母端面可靠地壓緊齒輪,此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度,故取.
右軸承端蓋的總寬度為9mm(由機(jī)架及軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而定) .根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對(duì)軸承添加潤(rùn)滑脂的要求,取端蓋的外端面與軸承右端面間的距離 ,故取.
小臂連接處取,
至此,已初步確定了軸的各端直徑和長(zhǎng)度.
5. 求軸上的載荷
首先根據(jù)結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖, 確定頂軸承的支點(diǎn)位置時(shí),
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》20-149表20.6-7.
對(duì)于Rolling bearings 16004 GB 276-94型的深溝球軸承,a=16.7mm,因此,做為簡(jiǎn)支梁的軸的支承跨距.取F負(fù)載=400N,列平衡方程求得如下：
從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面C是軸的危險(xiǎn)截面。計(jì)算截面C處的MH、MV及M的值，
6. 按彎曲扭轉(zhuǎn)合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（及危險(xiǎn)截面C）的強(qiáng)度。根據(jù)式（15-5）及以上數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取α=0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力
==
前已選軸材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
查表得[]=60MP
〈 [] 此軸合理安全
7. 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度.
⑴. 判斷危險(xiǎn)截面
截面A,Ⅱ,Ⅲ,B只受扭矩作用，雖然鍵、軸肩及過(guò)渡配合所引起的應(yīng)力集中均將消弱軸的疲勞強(qiáng)度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕確定的，所以A Ⅱ Ⅲ B無(wú)需校核.
從應(yīng)力集中對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度的影響來(lái)看,截面Ⅵ和Ⅶ處過(guò)盈配合引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重,從受載來(lái)看,截面C上的應(yīng)力最大.截面IV的應(yīng)力集中的影響和截面V的相近,但是截面V不受扭矩作用,同時(shí)軸徑也較大,故不必做強(qiáng)度校核.截面C上雖然應(yīng)力最大,但是應(yīng)力集中不大,而且這里的直徑最大,故C截面也不必做強(qiáng)度校核,截面VI和VII顯然更加不必要做強(qiáng)度校核.由第3章的附錄可知,鍵槽的應(yīng)力集中較系數(shù)比過(guò)盈配合的小，因而,該軸只需膠合截面IV左右兩側(cè)需驗(yàn)證即可.
⑵. 截面IV左側(cè)。
抗彎系數(shù)
W=0.1=0.1=800
抗扭系數(shù)
=0.2=0.2=1600
截面IV的右側(cè)的彎矩M為
截面Ⅳ上的扭矩為 =9800
截面上的彎曲應(yīng)力
截面上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
==
軸的材料為45鋼。調(diào)質(zhì)處理。
查得：
因
經(jīng)插入后得
2.0 =1.31
軸性系數(shù)為
=0.85
K=1+=1.82
K=1+（-1）=1.26
所以
綜合系數(shù)為： K=2.8
K=1.62
碳鋼的特性系數(shù) 取0.1
取0.05
安全系數(shù)
S=25.13
S13.71
≥S=1.5 所以它是安全的
截面Ⅳ右側(cè)
抗彎系數(shù)
W=0.1=0.1=1757.6
抗扭系數(shù)
=0.2=0.2=3515.2
截面Ⅳ右側(cè)的彎矩M為
M=133560
截面Ⅳ上的扭矩為
=294930
截面上的彎曲應(yīng)力
截面上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
==
K=
K=
所以
綜合系數(shù)為：
K=2.8 K=1.62
碳鋼的特性系數(shù)
取0.1 取0.05
安全系數(shù)
S=25.13
S13.71
≥S=1.5 ， 所以它是安全的
傳動(dòng)部分效果圖：
圖3-13
3.3 移動(dòng)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算
3.3.1 驅(qū)動(dòng)方式的比較及選擇
機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，和機(jī)械傳動(dòng)四種。一臺(tái)機(jī)械手可以只用一種驅(qū)動(dòng)，也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)見(jiàn)表3-3。
表3-3
比較內(nèi) 容
驅(qū)動(dòng)方式
機(jī)械傳動(dòng)
電機(jī) 驅(qū)動(dòng)
氣壓傳動(dòng)
液壓傳動(dòng)
異步電機(jī)，直流電機(jī)
步進(jìn)或伺服電機(jī)
輸出力矩
輸出力矩較大
輸出力可較大
輸出力矩較小
氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大
液體壓力高，可以獲得較大的輸出力
控制性能
速度可高，速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步
控制性能較差，慣性大，步易精確定位
控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜
可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速步易控制
油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制
體積