用于车辆制造的装配机器人

1、用于车辆制造的装配机器人学 院：机械学院班 级：机电112-20学 号：1104050220姓 名：孟庆超指导教师：卜凡岭第 1 章 绪论1.1 机器人的概念机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中， 人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深， 机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点， 人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能

2、力的特种机器人和各种智能机器， 如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性， 也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状， 更加符合各种不同应用领域的特殊要求， 其功能和智能程度也大大增强， 从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。细分析以上定义，可以看出，针对同一对象所做的定义，其内涵有很大的区别。虽然现在还没有一个严格而准确的普遍被接受的机器人定义， 但我们还是希望能对机器人做某些本质性的把握：首先，机器人是机器而不是人，它是人类制造的替代人类从事

3、某种作业的工具，它只能是人的某些功能的延伸，在某些方面，机器人可具有超越人类的能力，但从本质上说机器人永远不可能全面超越人类。其次，机器结构上具有一定的仿生性。很多工业机器人模仿人的手臂或躯体结构， 以求动作的灵活。海洋机器人则在一定程度上模仿的鱼类结构， 以期得到最小的水流阻力。第三，现代机器人是一种机电一体化的自动装置，其典型特征之一是机器人受微机控制， 具有（ 重复） 编程控制的功能。1.2 装配机器人的结构机器人一般可理解为：一种可编程的通过自动控制去完成某些操作和移动作业的机器。机器人的一般结构框图如图：（ 图1-1）机器人整机，基本上由两部分组成，一是操作机，一是控制装置，操作机是

4、机器人的本体结构， 包括： 基座、驱动器或驱动单元、手臂、手腕、末端执行器、行走机构以及安装在操作机上的各种感受装置等。控制装置一般包括计算机控制系统、司服驱动系统、电源装置以及与操作者联系的装置等。驱动器或驱动单元是机器人的动力执行机构，根据动力源的类别不同， 可分为电机驱动， 液压驱动和气动驱动三类。电动驱动在多数情况下采用直流、交流司服电机， 也可采用力矩电机、步进电机等。手臂和手腕是机器人操作机中的基本部件，它由旋转运动和往复运动的机构组成。其结构形式是多种多样的， 但多数机器人的手臂和手腕是由关节和杆件构成的空间机构， 一般有3 10 个自由度组成，工业机器人一般有3 6 个自由度，

5、由于机器人具有多自由度手臂、手腕的机构， 使操作运动具有通用性和灵活性， 这也是区别于一般自动机的特点。末端执行器是机器人手腕末端机械接口所连接的直接参与作业的机构，如夹持器，焊钳，焊枪，喷枪或其他作业工具，传感器等。行走装置分轮式、履带式和步行式等几种，也可用采用螺旋桨式或其他形式的推进机构， 工业机器人多采用轮式机构。1.3 选题背景1.3.1 装配机器人的发展1.世界装配机器人的发展状况从装配机器人的推广应用角度来看，机器人的发展大致经历了技术发展和探索的“ 起步” 阶段， 在技术有所突破之后的“ 推广” 应用阶段和被产业界接受之后的“ 普及” 阶段， 只不过因为各个国家情况不同， 机器

6、人发展过程中这三个阶段的时间先后和各阶段时间的长短并不一样，下面两个图说明了一些国家的机器人的发展情况。可以看出， 中国的机器人技术和机器人应用水平总体上还处于很落后的状态。各国机器人的发展阶段表：表1-1 各国机器人的发展阶段表机器人数量如图：（ 图1-1）图1-1 各国机器人的数量2.装配机器人在中国的发展情况我国在上世纪七十年代就开是装配机器人的研究工作，由于种种原因， 机器人技术研究及应用推广十分缓慢。直到九十年代， 情况才有所好转。早期的“ 863”计划已经把机器人技术作为重要的攻关内容。到目前为止， 我国在机器人的技术研究方面已经相继取得了一些重要成果， 在某些技术领域已经接近国际

7、前沿水平。但从总体上看， 我国在智能机器人方面的研究可以说还是刚刚起步， 机器人传感技术和机器人专用控制系统等方面的研究还比较薄弱。另外在机器人的应用方面， 我国就显得更为落后。值得一提的是，最近几年，我国在汽车、电子行业相继引进了不少生产线，其中就有不少配套的机器人装置。 另外，国内的一些大专院校和科研单位也购买了一些国外的机器人， 这些“ 洋机器人”的引入， 也为我国在相关领域的研究工作提供了许多借鉴。1.3.2 装配机器人的发展方向机器人技术涉及很多科学领域， 是多学科综合交叉的边缘学科，机器人技术的发展依赖于很多相关技术的进步。首先，从技术角度而言，智能化无疑是一个重要的发展方向。智能

8、机器人的高境界应该是使之具有与人类类似的逻辑推理和问题求解能力， 面对非结构性的复杂环境和任务， 能够自主寻求解决方案并加以执行。其次，从应用的角度来说，产业领域更多地体现出多机协调作业的特征， 这是现代生产规模不断扩大所决定的。在大型生产线上，往往是很多机器人共同完成一个生产过程， 因而每一个机器人的控制就不单纯是自身的控制问题， 还需要多机协调。再者，标准化工作是一项十分重要而艰巨的任务。不同厂家生产的机器人相互之间很难进行部件互换， 这给机器人的使用、维护和更新换代带来了很大的麻烦。然而由于标准化工作会牵涉到各家公司的利益得失， 因而近期很难形成技术上或零件上的世界标准。最后，机器人的微

9、型化也是一个重要的研究领域，微电子技术的发展，使得成千上万的电子元件在很小的空间内集成已经成为现实。受其启发， 人们开始设想将微型传感器、微处理器、微执行机构等在极小的空间内进行集成， 组成微型机电系统或微型机器人。1.4 装配机器人研究的意义机器人的应用已经涉及到工业、农业、林业、医疗、海洋探测、太空、娱乐等很多领域。一方面， 机器人作为一种特殊的自动机器在工业领域几乎已经无所不在， 很多大公司甚至把机器人作为一个新产业在抢占制高点； 另一方面， 科学家们正在让机器人更加人性化， 给机器人赋予更多的智慧和情感。机器人在生产中的应用，对提高劳动生产率，提高产品质量，改善劳动条件， 提高企业的竞

10、争能力和应变能力， 促进新产业的建立和发展， 改变劳动结构， 以及促进相关学科的技术进步， 均发挥了重大的社会效益和经济效益。目前，在汽车装配行业中，人工已逐渐被自动化的生产线所取代，在挡风玻璃的装配中， 由于汽车挡风玻璃宽大， 人工不易安装和操作的特点， 为适应时代的发展， 减少工人的劳动强度和劳动量， 节约劳动成本， 改善工作环境， 保证安全操作， 促进文明生产。随着机器人技术的不断发展和完善，以及机器人成本的进一步降低， 可以预料， 今后将开拓更多的机器人应用领域， 尤其是在制造业以外的领域中， 机器人将会有很好的应用前景。第 2 章 装配机器人的总体设计方案本章对汽车挡风玻璃自动安装机

11、器人的工作模式、总体结构进行了分析与设计。结合具体的使用过程， 对系统实现的功能和可靠性要求等方面进行了简要介绍。2.1 设计目标和研究内容本次设计的最终目的是在确保汽车挡风玻璃安全搬运的情况下，实现挡风玻璃准确安装的机器人自动化安装， 实现汽车装配行业生产的完全自动化。在本次设计中， 需要完成机器人各部分的结构设计和部分之间的准确连接； 选择合适的传动方式和驱动电机， 实现准确的传动精度和运行的平稳性； 设计合理的末端执行器用以完成对玻璃的安全操作；选择合适的减速器在保证合适传动比的情况下，实现结构的紧凑。其所要解决的主要问题是：三自由度腕部的结构设计，腕部的传动方法的结构设计；各部分的结构

12、设计；在保证结构紧凑的情况下，各部分相互连接的结构设计；底座驱动的结构设计和各件的安装等。2.2 设计方案2.2.1 运动方案的确定根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见机器人的运动形式有五种： 直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标性、关节型和SCARA 型， 同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要， 可采用不同的结构。所选用的运动形式， 在满足需要的情况下， 应使自由度最少、结构最简单。在以上这些运动形式中，关节机器人由2 个肩关节和1 个肘关节进行定位， 由2 个或3 个腕关节进行定向。其中， 一个肩关节绕铅直轴线旋转， 另一个肩关节实现仰俯。这两个肩关节正交。肘关节平行于第二个肩

13、关节轴线。这种结构形式动作灵活， 工作空间大，在作业空间内手臂的干涉最小， 结构紧凑， 占地面积小， 关节上相对运动部位容易密封防尘。并考虑到汽车装配的工作环境和工作要求， 本次设计选定机器人的运动形式为关节式机器人。其结构简图如下：（ 图2-1） 图 2-1 关节型机器人的结构简图2.2.2 传动方式的选择传动机构用来把驱动器的运动传递到关节和动作部位。机器人中常用的传动机构有： 齿轮传动、螺旋传动、皮带及链传动、流体传动和连杆机构与凸轮传动。1. 齿轮传动机器人中常用的齿轮传动机构是行星齿轮传动机构和谐波传动机构。电动机是高转速、小力矩的驱动器， 而机器人通常却要求低转速、大力矩， 因此，

14、 常用行星齿轮机构和谐波传动机构减速器来完成速度和力矩的变换和调节。此外， 由于谐波传动的结构简单、体积小， 重量轻、传动精度高、承载能力大、传动比大， 且具有高阻尼特性。因此， 在本次的设计中选用谐波传动。2. 皮带传动与链传动皮带和链传动用于传递平行轴间的回转运动，或把回转运动转换成直线运动。机器人中的皮带和链传动分别通过皮带或链轮传递回转运动， 有时还用来驱动平行轴之间的小齿轮。由于齿形带具有在传动时无滑动，初始张力小，被动轴的轴承不易过载。因无滑动， 它除了用做动力传动外还适用于定位。齿形带属于低惯性传动， 适合于马达和高速比减速器之间使用。皮带上面安上滑座可完成与齿轮齿条机构同样的功

15、能。并且惯性小， 且有一定的刚度等优点， 所以适合于机器人的机械传动。因此， 在本次的设计中采用齿形带传动。2.2.3 驱动电机的选择直流电机便于调速，且具有较好的机械特性，所以很早就用于机床主传动系统， 以实现无级调速。但一般的直流电动机转动惯量过大， 而且输出转矩相对过小， 动态特性较差， 尤其在低速运转条件下更为突出， 因此不是很理想的伺服电机。70 年代研制成的大惯量调速伺服电动机， 它在结构上采取了一些措施， 尽量提高转矩， 改善了动态特性， 它既具有一般直流电动机的各项优点， 又具有小惯量直流电动机的快速响应性能， 易与较大的负载惯量匹配， 能较好地满足伺服驱动的要求， 因此在数控

16、机床、工业机器人等机电一体化产品中得到了广泛的应用。大惯量宽调速直流伺服电动机的特点：1、电动机输出力矩大2、电动机过载能力大3、动态响应性能好4、低速运转平稳5、易于调试由于直流伺服电机具有以上优点，因此在本次的设计中采用直流伺服电机作为驱动电机。第 3 章 装配机器人各部分的结构设计3.1 基本设计参数1、结构形式： 关节式2、自由度数： 63、驱动方式： 直流伺服电机4、各轴运动范围、 速度、 功率、 转矩（ 图2-1）1 轴： ±135 ° 70/ s 0.604KW 125.82Nm2 轴： ±60 ° 80/ s 0.647KW 134.86

17、Nm3 轴： ±110 ° 102/ s 1.2KW 249.76Nm4 轴： ±180 ° 110/ s 0.65KW 142.77Nm5 轴： ±100 ° 100/ s 6.4KW 1534.22Nm6 轴： ±180 ° 100/ s 5.53KW 1200.25Nm5、最大持重： 100Kg6、环境温度： 0 50C7、电源： 3 相； 380V/50Hz3.2 载荷的初步确定根据机器人的工作条件和工作对象，经对多种车辆前挡风玻璃的实际测量，和设计的通用性原则，取玻璃为矩形结构，其长a=1500mm，宽b

18、=1000mm，厚度h=70mm，密度 r=2.64g/cm3。由质量的计算公式：M=abh（3-1）= =100x150x0.7x´2.64 x30kg因此， 确定机器人的工作载荷为30kg3.3 手部结构的设计3.3.1 末端执行器的设计要求机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用于进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多， 以适应机器人的不同作业及操作要求。在设计机器人末端执行器时，应该注意事项：1、 机器人的末端执行器是根据机器人的作业要求来设计的。根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器， 将不断扩大机器人的应用领域。2.、机器人末端执行器的重

19、量，被抓取物体的重量及操作力的总合不应超过机器人允许的负荷力。因此，要求机器人末端器重量轻、结构紧凑。3、 机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。从工业实际出发， 应着重开发各种各样专用的、高效的末端执行器， 加之以末端执行器的快速更换装置， 以实现机器人的多种多样的作业功能。4、 通用性和完能性是两个概念， 万能性是指一机多能的概念，而通用性是指功能有限的末端执行器， 可适用于不同的机器人， 这就要求末端执行器有标准的机械接口。3.3.2 吸盘吸力的计算在本次设计中，末端执行器采用吸盘式手爪，吸盘采用喷气式吸盘， 吸盘的吸力是由吸盘皮碗的内、外压力差造成的吸盘的吸力F可根据下式求得： 式

20、中： Po大气压力 N / cm2P 内腔压力 N / cm2S 吸盘负压腔在工件表面上的吸附面积 cm K 安全系数， 一般取K =1.2-2 K 工作情况系数， 一般取 K =1 3 K 姿态系数：当吸盘表面处于水平位置时， 取1当吸附表面处于垂直位置时， 取1/ff 为吸盘与被吸取物体的摩擦系数， 玻璃和橡胶的摩擦系数f=0.53。已知载荷的重量G=300N，大气的压力为Po =1.01x10Pa，内腔压力在0.15 1Mpa 之间，取P=0.2MPa。由以上条件计算吸盘的吸附面积S。由公式（ 3-2） 得 即： 初步选定由四个吸盘完成玻璃的吊装，因此，所需每个吸盘的面积为S=100.1

21、 cm，考虑到工作环境的变化，取每个吸盘的面积S=120cm。因此吸盘的直径D=12.36cm。取D=13.00cm， 即D=130mm。 3.3.3 吸盘式手爪结构的确定 吸盘式手爪与机器人的连接采用标准法兰盘结构，支撑架与法兰盘的连接采用焊接结构。末端执行器的结构： 图（ 3-1）3.3.4 手部及载荷总体质量的确定考虑到在计算中的误差和工作中的不确定因素，机器人手爪和载荷的总体质量载荷的设定在100Kg。3.4 腕部的结构设计3.4.1 腕部结构的确定在本次设计中， 腕摆和腕转均采用齿形带传动和谐波减速器传动。腕部驱动电机与腕部分别安置在小臂关节轴的两端， 使小臂达到质量平衡。小臂和腕关

22、节为4R 机构， 具有4 个自由度， 三个驱动电机均集中布置在小臂的后端， 在其三个自由度的运动传动过程中， 均采用了谐波减速器， 其动力轮与传动轴和回转套联在一起， 带动腕部的转动。这种传动方案的优点是： 1、腕部尺寸较小， 重量较轻； 2、由于腕部属于3R 球腕机构， 故便于调整姿态， 进行编程； 3、因腕关节的两个驱动电机均放在小臂后端，有利于小臂自身的重力平衡；4、有利于迅速制动，保证安全。腕关节二个自由度的驱动电机为司服电机， 为保证制动迅速， 在电机输出轴上均装有电磁制动器； 当电机不转动时， 可保证关节轴牢固不动， 以避免控制系统出错时发生危险。腕部结构图如下： 图（ 3-2）3

23、.4.3 驱动电机的选择腕部输出轴驱动电机的选择（1） 载荷绕腕部各轴的转动惯量 载荷绕Z 轴如图（ 3-2） 的转动惯量：设定腕部Z 轴的转动角速度为：w=100 /s=1.92rad/s=18.34r/min载荷的整体尺寸为矩形。矩形绕中心轴的转动惯量计算如下式： 载荷绕Y 轴如图（ 3-20） 的转动惯量：设定腕部绕Y 轴的转动角速度为：w=100/s=1.92rad/s=18.34r/min由平移轴定理得： 载荷的转动惯量为因此， 载荷绕Z 轴的转动力矩为：（ 假定重心无偏移）总力矩： MqKf (Mm + Mp +Mg ) （3-6）摩擦力矩： M = （3-7）惯性力矩： （ 3-

24、8）其中， K 为载荷系数， f 为摩擦系数， 取： 1.2 = ，f=0.02，选择此处的轴承为圆锥滚子轴承， 轴承直径D1 =D2=0.035m，已知此轴的转速为：w=115.2rad/min=1.92rad/s，假设轴的加速过程为匀加速， 取匀加速启动时间： t=0.5s（2） 对轴进行受力分析此轴受重力和两个轴承的支撑力的作用，其受力图如下：图（ 3-3）（3） 电机的选择选择直流伺服电机 式中： M 负载峰值力矩单位是Nm w 负载峰值转速单位是rad/s 传动效率 取 =0.8所以： 电机的所需功率是： 选取电机的型号为： 130SYX 其额定功率为Pm=1.2Kw， 额定转速n=

25、3000r/min， 约为n=314rad/s， 额定转矩W=4Nm。由输出轴的转速和电机的转速比为u=160 ， 选取谐波减速器XB3100，其传动比u=160，输出转矩T=150Nm，输入功率P=0.524KW，最高输入转速n=3000r/min（ 半流体润滑脂）。3.4.4 锥齿轮的设计计算1.腕部输出轴锥齿轮的设计计算（1） 锥齿轮各尺寸的计算在锥齿轮的设计计算当中，以锥齿轮大端为标准值，以中径尺寸为计量。设锥齿轮的传动比：分度圆直径d=74mm， 模数m=2，齿数：z= = 37锥距： （ 3-15）平均分度圆直径： （ 3-16）传动齿宽系数： （ 3-17）其中=0.25 0.3

26、5 取 =1/3齿宽取b=17mm由公式（ 3-16） 得：因此， 锥齿轮的平均分度圆直径 d =dx0.833=61.64mm， 锥齿轮的当量直齿圆柱齿轮的分度圆半径与平均分度圆直径：因此， 当量齿轮模数： = 2x (1 -0.5 x1/ 3) =1.67 当量齿数：取当量齿轮的齿数比：（2） 锥齿轮的设计计算圆周力： （ 3-19）垂直分度圆锥母线的力： Ftga径向分力：轴向力：法向载荷：选取齿轮的齿合角a20° ， 已知作用在齿轮上的力矩T=125.8Nm因此， 齿根弯曲疲劳强度计算： 所以， K=1.0x1.12x1x2.25=2.52查表得： 齿形系数 Y =2.24（

27、 机械设计第197 页）应力校正系数 Y =1.75由公式（ 3-20） 得：故齿轮的弯曲疲劳强度是安全的。 齿面接触疲劳强度计算：设在正常工作情况下， 工作齿宽为锥齿轮齿宽b=17mm。 式中： 弹性影响系数： E =189.8材料的许用应力： =1100 HMp齿轮的应力循环次数： N=60njLh=60x18.34x1（ 2x8x300x10）=5.28x10接触疲劳寿命系数： K=1.03 =齿轮的安全系数： S=1因此， 由公式（ 3-21） 得： 锥齿轮的基本尺寸：齿数: 分度圆直径： d=Zm=50 ´ 2=100mm锥距： 齿宽：2.腕部摆动传动锥齿轮的设计计算（1）

28、 锥齿轮各尺寸的计算初设原始条件：传动比u=1，椎角45，齿型角20 ，模数m=2， 分度圆直径d=55mm齿数：分度圆直径取： d=56mm锥距：+= 平均分度圆直径：（ 3-22）取齿宽系数： （ 3-23）所以， d =0.833d=46.648mm当量直齿轮分度圆半径rn：当量齿轮模数（ 平均模数） m ， 当量齿数z ：当量齿轮的齿数比：（2） 锥齿轮的设计计算齿轮传递的扭矩为： T=1.65Nm圆周力：垂直于分度圆锥母线的力： 径向分力： 轴向力： 发向载荷： 齿面接触疲劳强度的设计：（3-24）齿轮的弹性影响系数： Z =189.8材料的许用应力： 1100 HMp齿轮应力循环次

29、数： N=60njLh=60x18.34x1x（2x8x300x10）=5.28x10接触疲劳寿命系数： K=0.9 =齿轮传动安全系数： S=1 载荷系数： K=2.772由公式（ 3-24） 得 d=26.3mm取d=5626.3， 故齿轮的接触疲劳强度是安全的 轮齿弯曲强度设计计算：（ 3-25）载荷系数： a b =查表得： =动载荷系数： =齿向载荷分布系数： =1.5X1.5=2.25b b = = ´ =齿间载荷分配系数： K= 1.1 a =载荷系数： K=1x1.27x2.25x1.1=2.772齿形系数： =应力校正系数： =弯曲疲劳强度极限： 由公式（ 3-25

30、）得：m=0.765 +因齿轮模数m=2 0.765， 故齿轮的弯曲疲劳强度是安全的。3.4.5 轴的强度校核1.腕部输出轴的强度校核材料取45 钢调质， 直径取d=35mm， 其受力图如下： 图（ 3-5）图3-5 腕部输出轴的受力简图（1） 在径向力作用下的受力分析： 图（ 3-6）图3-6 腕部输出轴在径向力作用下的受力分析根据轴的手力平衡得：（2） 在圆周力作用下的受力分析： 图（ 3-7）图3-7 腕部输出轴在圆周力作用下的受力分析由轴的受力平衡得：（3） 力矩图如下:图（ 3-8） 图3-8 腕部输出轴的力矩图在轴承2 处的和力矩为：按照第三强度理论对轴进行强度校核：由上知，轴的最

31、大作用应力小于材料的许用应力值，所以轴的强度是安全的。3.4.6 传动同步带的选择选择同步带的型号为L 型， 采用标准的带轮和标准1.腕部摆动同步带的选择初选标准带轮直径： d=84.89mm传动比为： u=1所以带速：初定轴间距： =221mm带长：因 d1 = d2 ， 所以，L=708.55mm标准节线长： =723.9mm实际轴间距：（ 当轴间距可以调整时）作用在轴上的力：带宽： 其中， K2=1 基本带宽： b =25.4，基本带宽功率：由公式（ 3-36） 得：所以带宽：取标准带宽： b=14mm2.腕部输出轴同步带选择同步带轮选用与上一传动相同， 传动比u=1，故其带速： v=1

32、3.32m/s轴间距初定为： a=184mm由公式（ 3-34） 得：标准节线长； =635mm所以实际轴间距（ 轴间距可调的情况下）； 由公式（ 3-35）考虑他们传动力矩相差不大，且都取同样的带轮所以其带宽同上作用在轴上力的计算：3.5 手臂的结构设计3.5.1 手臂的设计要求1.应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点， 这样可以使机器人运动学正逆运算简化， 有利于机器人的控制。2.机器人手臂的结构与尺寸应满足机器人工作空间的要求。3.为保证机器人的运动速度和控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度与刚度的条件下， 尽可能从结构与材料上设法减轻手臂的重量。力求选

33、用高强度的轻质材料， 通常采用高强度铝合金制造机器人手臂。4.机器人各关节的轴承间隙应尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此， 各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。5.机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负荷和提高机器人手臂运动的响应速度是有益的。6.机器人手臂在机构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块， 以及驱动装置、传动机构及内部电缆等的安装。3.5.2 小臂的结构确定机器人是手臂结构采用电机和执行器的分端布置，这样使小臂达到重量的平衡。如图（ 3-17） 图3-17 小臂的结构简图3.5.3 电机的选择1.小臂绕Z 轴旋转

34、驱动电机的选择（1） 当载荷的轴线和小臂的轴线同轴时：载荷对Z 轴的转动惯量 =27.08Kgm，（2） 当载荷的轴线和小臂的轴线垂直时：载荷对Z 轴的转动惯量 =27.75Kgm（3） 小臂自身对Z 轴的转动惯量为初设小臂的参量： 长度为： L=1000mm直径：D=280mm，质量：小臂绕Z 轴的转动惯量：选择较大的载荷计算值对轴进行强度校核计算：所以总的转动惯量是:已知参量：平均加速时间： Vt =0.5s旋转角速度： w =110/ s= 1.92rad / s所以作用在小臂上的惯性力矩： 由公式（ 3-8） 得：（4） 轴的力矩计算对轴进行受力分析得： 选择轴承为深沟球轴承， 轴承直

35、径初选D=180mm其受力图如下： 图（ 3-18）图3-18 小臂绕Z 轴旋转轴的受力分析根据轴的受力平衡的原则得：所以小臂的摩擦力矩是： 由公式（ 3-7） 得：总的驱动力矩为： 由公式（ 3-6） 得：（5） 电机的选择：选取电机的型号为： 130SYX， 额定功率为Pm=1.5Kw， 额定转速n=3000r/min约为n=314rad/s， 额定转矩W=4Nm。由于在减速器的前一级经过同步带的减速， 且同步带的传动比为： u=2， 故输入减速器的转速为n=1500r/min。由输出轴的转速和电机的转速比为u=80，选取谐波减速器XB3160，其传动比u=80，输出转矩T=480Nm，

36、输入功率P=1.420KW， 最高输入转速n=1750r/min（ 半流体润滑脂）。2.小臂摆动驱动电机的选择对小臂采用重力平衡机构， 初步估算小臂加载荷的重量为1000Kg， 小臂的平均直径D=250mm，取小臂的长度： L=2000mm。小臂的驱动力矩计算: (3-39)摩擦力矩： 因为采用了重力平衡机构， 轴只有一个，所以， 所以摩擦力矩为：手臂摆动的速度： w =102/ s= 1.78rad / s初选电机的转速为：n=1500r/min，取标准传动比u=100，因此，实际小臂的摆动速度w=1.5rad/s= 90/ s。小臂的惯性力矩为： 其中： J 为惯性矩， 其计算公式如下：因

37、此， 此轴的惯性力矩为：所以小臂需要的总的驱动力矩为： 由公式（ 3-39） 得：选取电机的型号为： 176SYX， 额定功率为Pm=2.4Kw， 额定转速n=1500r/min， 额定转矩W=16Nm。由于结构的设计要求和工作传递力矩的需要，选择减速器的类型为杯型减速器， 其型号为XB-160-100B， 传动比为： u=100， 额定输出转矩W=1000Nm， 额定输入转速n=1500r/min。3.5.4 联轴器的选择由电机选择可知，电机的转速为3000r/min，转速很高，在各种型号的联轴器中， 膜片联轴器易平衡， 且易保持平衡精度， 不需润滑， 对环境的适应性强， 且具有较好的补偿两

38、轴相对位移的性能，径向载荷能力大， 可在很高的转速下运转， 但扭转刚度大， 缓冲减振效果差， 通常使用于高速传动及伺服传动中。膜片联轴器采用一种厚度很薄的弹簧片，制成各种形状，用螺栓分别与主从动轴上两半联轴器联接， 其中弹性元件为若干多边形的膜片， 在膜片的圆周上有若干螺栓孔。为防止膜片在高速运转的时发生的微动磨损， 导致膜片螺栓孔出现微裂纹而损坏， 可在膜片之间涂上二硫化钼等固体润滑剂， 或对膜片表面进行减磨涂层处理。3.5.5 传动同步带的选择1.同步带1 的选择同步带的型号选择L 型， 初选小带轮节线圆直径： d=66.7mm因为同步带的传动比u=2，且根据标准带轮直径的尺寸系列，所以大

39、同步带轮的尺寸d= 133.4mm 因此，实际传动比：u=2.18轴间距初步定位： a=180mm带长： 由公式（ 3-34） 得：根据标准节线长： 685.8 mm因此， 实际轴间距为： 由公式（ 3-35） 得：作用在轴上的力：带速： L 型同步带的基本额定功率： 245 = 所以同步带的带宽是： 其中 K=12.同步带2 的选择由于第二同步带的驱动电机相对中心轴的位置和第一同步带的驱动电机的位置象同， 即两轴对中心轴的距离相同。又因他所传递的力矩略小于第一同步带， 此第二同步带采用第一同步带的宽度，其强度是可以保证的。3.5.6 轴的校核1.小臂1 轴的强度校核轴原始尺寸的确定：轴径初选

40、d=20mm，长度为L=1350mm ，材料选择45 钢（1） 对轴进行受力分析作用在轴上的力：锥齿轮传动产生的作用在轴上的轴向力F ，由安装在锥齿轮一端的滚动轴承所承受， 因此， 轴的受力仅为扭矩和在重力。如图： 图（ 3-19）图3-19 小臂第一传动轴的受力简图由受力分析得： 对轴主要进行扭曲应力和弯曲变形的校和。已知： 轴所传递的扭矩T=1.54Nm轴的最大切应力： (3-42)实心轴的抗扭截面系数： 所以轴的最大切应力为：45 钢材料的许用应力： =40MPa 计算应力值小于许用应力值， 所以轴的抗扭强度是可靠的。（2） 小臂1 轴（ 图3-17） 的扭曲变形计算已知初始条件： 45

41、 钢材的G 值取80Gpa， 轴的安全扭转变形为20mm。单位长度上的扭转角： /m由公式： 9.3mm20mm， 所以轴的扭曲变形在允许的范围内是合格的。（3） 小臂1 轴（ 图3-17） 在重力作用下的挠度计算估算轴的重力：重力在轴上的平均作用力为：平均作用力下的轴的最大挠度: （3-46）钢材的弹性模量： E =210MPa所以， 轴的最大挠度为： 由公式（3-36） 得：计算得，小臂轴1 的挠度非常小，以至可以忽略不考虑，因此重力作用下的弯曲变形在允许的情况下是安全。2. 小臂2 轴的强度校核设定初始条件： 材料选择为45 钢， 轴承直径初选： D=30mm，长度设定为L=1200mm

42、， 其受力和上一轴相似。对其进行受力分析： 如图： 图（ 3-20）图3-20 小臂2 轴的受力分析其所传递的力矩为： T=1.65Nm（1） 最大切应力计算最大切应力： 空心轴的抗扭截面系数：由公式（ 3-47）： 轴的最大切应力为： 因45 钢调质许用切应力为: = 40MPa， 所以轴的切应力强度是安全的。（2） 轴的扭曲变形的计算 抗扭刚度为： GI ， 其中空心轴： (3-48)轴在单位长度上的扭转角为：é最大扭转角为:轴的初始直径D 大于计算直径9.7mm，所以轴的变形在允许的范围内是安全的。（3） 轴的挠度计算：空心轴所承受的重力： 轴上的平均作用力为：在重力作用下的轴

43、的最大挠度为：45 钢的弹性模量： E=210Gpa最大挠度是：轴在重力作用下的挠度很小，一致可以忽略不记，因此轴在重力作用下的弯曲变形是不影响其工作的。3. 小臂3 轴的强度校核此轴不仅承受传递扭矩的作用， 同时也对其它两个轴提供支撑，因此对它的校核需要从强度方面进行计算：初设轴的内外径分别为： d=160mm， D=180mm其所传递的扭矩为： T=249.76Nm对其进行受力分析得： 如图（3-21）图3-21 小臂3 轴（图3-17） 的受力分析其力矩和弯矩图如下： 图（3-22）图3-22 小臂3 轴的弯矩图按照第三强度理论进行计算得：因，材料的最大应力值为60Mpa，其值大于计算值

44、，所以轴的强度在交变应力的作用下是安全的。3.5.7 小臂的强度校核1. 弯曲变形计算小臂几何尺寸的规范话：取小臂较长的一端进行校核，初始取其长度为： L=1500mm， 含载荷的总重量为： m= 500Kg， 假设质心的位置在距回转轴1000mm 处。小臂可简化为一悬臂梁切载荷分布均匀。其平均载荷为： 在重力作用下的最大挠度为：设小臂在支点处的截面为空心矩形， 壁厚取H=15mm， 截面的高b=250mm， 宽为a=240mm所以在重力作用下的悬臂梁的最大挠度为：由于挠度在零点几毫米级的范围内，其变形不影响小臂的工作精度， 所以在重力作用下的小臂是精确的。2.小臂切应力的计算小臂的截面积为：

45、A=（0.25x0.24-0.235x0.225）=0.00713m2所以在重力作用下的最大切应力为：材料的许用切应力为：t =600MPa最大切应力远小于许用切应力， 所以轴的剪切强度是安全的。3.小臂弯曲应力的计算由最大弯曲应力公式得： (3-50)所以： 由公式（ 3-50） =25MP材料的许用弯曲应力为：s =60MPa计算弯曲应力小于许用应力值，所以小臂在满载荷的情况下是安全的3.6 大臂的结构设计3.6.1 大臂的结构确定考虑到装配的需要和重量的要求， 大臂加工成两个分割的部分，中间用隔板连接，大臂的结构尺寸设定为： 如图： 图（3-23） 大臂的材料选择高强度铝合金图3-23

46、大臂的结构3.6.2 驱动电机的选择初始条件设定，大臂的长度定为： L=1000mm，与基座连接轴承D=360mm经计算大臂的质量为： m=70.8Kg总的驱动力矩： 作用在轴承上的总的作用力N: 所以摩擦力矩为：由平移轴定理得： 小臂对大臂的转动惯量为：大臂自身的转动惯量：所以机器人手臂对机座总的转动惯量为：初定大臂的摆动速度为： w =80/ s= 1.4rad / s平均启动时间： Dt =1s所以大臂的惯性力矩为：大臂总的驱动力矩为：电机的选择：选取电机的型号为：176SYX，额定功率为Pm=7.5Kw，额定转速n=1500/min， 额定转矩W=48.8Nm由于结构的设计要求和工作传

47、递力矩的需要，选择减速器的类型为杯型减速器，其型号为XB-200-200B， 传动比为： u=200， 额定输出转矩W=2000Nm， 额定输入转速n=1500r/min。3.6.3 平衡汽缸的选择大臂上装有气缸平衡机构，使驱动力矩减小，气缸平衡装置产生与大臂转动方向相反的平衡力矩， 从而使大臂关节得以平衡。大臂平衡气缸的选择计算：其原理如图： 图（ 3-24）图3-24 大臂平衡汽缸的工作原理图图中， F 为活塞推力， F 为恒定值。平衡力矩按下式计算：不平衡力矩 ： C =C1 + C2其中： C1 臂的静不平衡力矩C2 臂的惯性力矩静 力 平 衡 条 件 ： C=C1 ，由公式（3-51

48、）这时平衡条件为 Fe =mgl由公式（ 3-52）动 平 衡 条 件 ：C=C1 +C23.7 工业机器人底座的结构设计3.7.1 底座的结构确定机器人的运动部分全部安装在腰部上，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人的腰部结构时， 要注意以下原则：1、腰座要有足够的安装基面，以保证机器人在作时整体安装的稳定性。2、腰座要承受机器人的全部重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够的强度和刚度，以保证其承载能力。3、机器人的腰座是机器人的第一回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。4、为保证机器人的外部电缆不随机器

49、人的运动而摆动 ，所以，机器人的外部电缆都是安装在不运动的机器人基座上， 并通过机器人腰部传到机器人的各运动关节。因此，机器人的基座与腰部结构要便于电缆的通过，并要解决固定端与运动端的连接问题。5、腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器。驱动器一般都带有速度与位置传感器，以及制动闸。6、腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的连接要有可靠的定位基准面， 以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构， 用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。7、为了减轻机器人的运动部分的惯量，提高机器人的控制精度， 一般腰部回转运动部分的壳体是由比较小的铝合金材料制成的， 而不运动的基座是用铸

50、铁或铸钢材料制成的。腰部的支撑结构：腰部回转由一级齿轮传动和谐波齿轮传动组成。在结构布置上，电机、谐波减速器和小齿轮均固定在腰部座上，随腰座一起回转；而大齿轮固定在机座上。这样的布局对装修、润滑方便，但增加了腰部回转的转动惯量。采用了环形轴承，该轴承精度高、刚度大、负荷力大、装配方便，可以承受径向力，轴向力及倾覆力矩，许多机器人都采用了这种支撑方式，但环形轴承的价格较高。腰部电缆的安装方式：电缆由机器人的腰部回转轴中心穿过，在这种安装方式下， 在腰部回转时， 在轴中心穿过的电缆则被拧成麻花， 因此， 腰部的回转角度不能太大， 中心通孔的直径要足够大，电缆要柔软易弯曲。3.7.2 电机的选择机身

51、的总重量为m=1070.8Kg，展开时手臂的长度L=2.5m，大臂的摆动角度为±45 度。1.当手臂伸到最远处时的总的转动惯量此时把臂等效为一个竿件。由叠加原理得： 所以总的转动惯量为；由于小臂的重心在大臂的竖直线上，所以md=0。小臂绕竖子轴的转动惯量：大臂绕竖子轴的转动惯量：所以总的转动惯量为： 由公式（3-56） 得：因，在第一种情况下的转动惯量最大，所以以第一种情况作为计算依据。3.作用在底座上的力矩计算（1） 手臂的惯性力矩为：设底座的旋转角速度为： w=70/ s =1.22rad/s平均启动时间： Dt =1s由公式（ 3-8） 得：（2） 摩擦力矩的计算：重力对底座所

52、产生的弯矩：所以底座所需总的驱动力矩为：所需电机的功率为：选取电机的型号为： 176SYX，额定功率为Pm=7.5Kw，额定转速n=1500/min， 额定转矩W=48.8Nm由于结构的设计要求和工作传递力矩的需要，选择减速器的类型为杯型减速器，其型号为XB-200-200B，传动比为：u=200，额定输出转矩W=2000Nm， 额定输入转速n=1500r/min。3.7.3 传动直齿轮的设计初始条件选：传动比： u=1.6，小齿轮分度圆直径： d=316mm，齿轮模数： m=2， 小齿轮的转速： n=18r/min。齿轮材料： 小齿轮40Cr 调质， 硬度为280HBS， 大齿轮为45 钢调

53、质， 硬度240HBS， 齿轮精度为7 级精度。1.由齿面接触强度设计计算其中： 载荷系数： K =1.3小齿轮传递的扭矩：齿宽系数： 材料的弹性模量：小齿轮的接触疲劳强度极限：=600 HMPa大齿轮的接触疲劳强度极限： =550 HMPa应力循环次数：假设机器人的工作寿命为10年N1=60 h njL= =60X18.75X1X(2X8X300X10)=5.4X10大齿轮的应力循环次数: 接触疲劳寿命系数：=计算接触疲劳许用应力：取齿轮传动的失效概率为： 0.01， 安全系数： S=1故取分度圆直径d=316mm 是安全的。计算齿轮的圆周速度：u计算齿轮的宽度：取齿宽b=100mm2.按齿

54、根弯曲强度计算得查小齿轮的弯曲疲劳强度极限： =1500MPa大齿轮的弯曲疲劳强度极限： =2380MPa弯曲疲劳寿命系数： = 计算弯曲疲劳许用应力：取弯曲疲劳安全系数： S=1.4计算载荷系数:= 查表得： 所以载荷系数： b = = ´ ´ 查取齿形系数：应力校正系数：计算大、小齿轮的并加以比较齿轮的模数校核： 代入的最小值齿轮的初始模数m=2 大于0.15，所以齿轮的弯曲疲劳强度是安全的。第 4 章 工业机器人的使用和维护4.1 使用规程1、使用设备实行定人定机制， 凭操作证操作设备。当有多人操作时， 必须有专人进行指挥。2、操作者要熟悉所使用设备的主要技术性能、结构、保养内容和完