三轴机械手臂的设计定稿学号710940170007

/上海交通大学本科毕业论文三轴机械手臂的设计学生：王修法学号:710９４0170007专业：机械设计制造及其自动化导师：胡晔学校代码：10248ﻩ上海交通大学网络教育学院二零一三九月ﻬ毕业论文声明本人郑重声明：1、此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注和致谢的地方外，本文不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果.对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明.本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。2、本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学网络教育学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。3、若在上海交通大学网络教育学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担(包括接受毕业论文成绩不及格、缴纳毕业论文重新学习费、不能按时获得毕业证书等），与毕业论文指导老师无关。作者签名：王修法日期：2６。92０１3

三轴机械手臂的设计摘要20世纪中叶之后，生产力已高度发展，已有了高度自动化的机械设备。但由于市场的激烈竞争，只有产品多样化和不断更新换代,才能适应人们更高的现代需要。1９61年美国Ｕｎimａｔioｎ公司推出第一部实用的工业机器人,由于它适应柔性自动化要求，因而得到了很快的发展.今天的机器人已经广泛应用于工业生产上。机器人的广泛应用,对人类社会的影响决不亚于蒸汽机出现对人类的影响，它极大提高了劳动生产率,提高了产品质量，降低了成本，还极大的减轻了人的劳动强度，改善了劳动条件，所以世界上先进国家都在努力发展机器人技术。［１]机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成,因此它的发展与众多学科发展密切相关。一方面，机器人在制造业应用的范围越来越广阔,其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高,功能越来越强,并向着成套技术和装备的方向发展;另一方面，机器人向着非制造业应用发展以及微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。［2］

机械手在工业生产中的应用极为广泛：(1）建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线；(2）在实现单机自动化方面；（3）铸、锻、焊、热处理等热加工方面.还有具有感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手称为智能机械手,它是现代机器人的发展方向。利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求,机械手的应用必将飞跃发展。[3]智能机器人的开发是机器人应用的全新领域.［４]工业机器人是一种提高制造业生产力的工具.它可以承担那些对人类可能有危险的工作.最早的工业机器人就曾用来在核能发电厂中更换核燃料棒。工业机器人也能在装配线上工作，如安装印刷电路板上的电子元器件。这样，人们就可以从这种单调的工作中解脱出来。机器人还能拆除炸弹，为伤残人服务,为我们的社会做各种各样的工作。［５］目录前言 ２第一章绪论 31.1引言 31．２工业机器人的含义及技术概述ﻩ41.3机器人的组成及分类 41。4工业机器人的发展及国内外发展趋势ﻩ6第二章工业机器人的设计 102。1机器手的设计方法 １02．1.1机械手的选择与分析ﻩ１02.1.2直角坐标机器人的设计方法 1１2.２机器手的结构设计 15２。２.1机械手的选择与分析ﻩ152。２.２机械手的传动部件设计ﻩ１62。2.3机械手的臀部设计 17２.3三轴伺服驱动机器人机构的特点 １8第三章工业机器人的机械系统设计ﻩ１９3。１工业机器人的运动系统分析 1９3.1。1机器人的运动概述ﻩ193。2三轴伺服驱动机器人机构的运动控制 ２1３。1。１机器人的驱动方式ﻩ2１第四章三轴伺服驱动机器人典型零件的设计 22４.1伺服电机的选择 ２24.2减速机的选择ﻩ244.3齿轮齿条的选择 254。4导轨的选择 3３第五章结论 37致谢ﻩ38参考文献ﻩ３９绪论１.１引言工业机器人诞生于2０世纪60年代，在20世纪9０年代得到迅速发展，是最先产业化的机器人技术。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。它的出现是为了适应制造业规模化生产，解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。在我国,工业机器人的真正使用到现在已经接近２０多年了,已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中,机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术,它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活,但它具有能不断重复工作和劳动,不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此,机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。当代柔性自动化生产的建立和广泛应用,取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机器人技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。工业机器人是多品种的经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中，工业机器人既有效地用于柔性生产系统组成工艺装备的基本工序中，也有效地用于辅助操作中。工业机器人与传统自动化手段不同之处，首先在于它在各种生产功能上的通用性和重新调整的柔性。在柔性生产系统中,工业机器人广泛应用于数控机床、锻压机床、铸造机械和仓储设备上,以完成传送装备和其它操作。工业机器人和基本工艺装备、辅助手段以及控制装置一起形成各种不同形式的机器人技术综合体—柔性生产系统基本结构模块.ﻫ机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极"形式.它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成,因此它的发展与众多学科发展密切相关。一方面，机器人在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展;另一方面,机器人向着非制造业应用发展以及微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。［6］ﻫ在理论上，随着世界经济和技术发展，人类活动领域的不断扩大,机器人应有正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展,也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。［7]SA７0０单轴伺服机械手的设计，不但在技术上可以追踪机器人的发展趋势,而且还可以填补工业机器人的应用的空白，促进我国工业机器人的技术水平的提高和产业化水平的发展.［8］本次设计是根据对工业三自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨,进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴(臂)的传动系统的设计以及整体的结构设计。1.2工业机器人的含义及技术概述工业机器人的定义为：一种能够自动定位控制，可重复编程的,多功能的，多自由度的操作机。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1９62年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统(FMＳ)、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统(CIMS）的自动化工具。机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求,实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称做操作机械手。智能机器人是机器人的发展方向，它具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令"自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作.1。３工业机器人的组成工业机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成。如图１—1所示.目前，具有人工智能系统的工业机器人即智能机器人还处于研究实验阶段。而应用于生产实际的多数是那些具有执行系统、驱动系统和控制系统的工业机器人。图1—1机器人的一般组成要机器人像人一样拿取东西,最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。对于现代智能机器人而言，还具有智能系统,主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”,使它能识别物体和躲避障碍物,以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的,或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2所示。图1－2机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动-传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动—传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Mａnｉpuｌator)，相当于本文中的执行机构部分。１．4工业机器人的发展及国内外发展趋势一、工业机器人的发展历程早在1954年美国乔治·德沃尔首次设计出第一台电子程序可编的工业机器人，并于１961年发表了该项专利。1962年美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人诞生。从此机器人开始成为人类生活中的现实。之后日本使工业机器人得到迅速的发展。目前,日本已成为世界上工业机器人产量和拥有量最多的国家。

８0年代，世界上生产技术的高度自动化和集成化，使工业机器人得以进一步发展,并在这个时代起着十分重要的作用。

第一代机器人，一般指工业上大量使用的可编程机器人及遥控操作机.可编程机器人可根据操作人员所编程序完成一些简单重复性作业。遥控操作机制每一步动作都要靠操作人员发出。１98２年,美国通用汽车公司在装配线上为机器人装备了视觉系统,从而宣告了第二代机器人—感知机器人的问世。这代机器人，带有外部传感器，可进行离线编程。能在传感系统支持下，具有不同程度感知环境并自行修正程序的功能.第三代机器人为自治机器人，正在各国研制和发展。它不但具有感知功能，还具有一定决策和规划能力。能根据人的命令或按照所处环境自行做出决策规划动作即按任务编程.我国机器人研究工作起步较晚，从“七五”开始国家投入资金,对工业机器及其零部件进行攻关,完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发和研制。1986年国家高技术研究发展计划开始实施,智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。ﻫ我国工业机器人起步于7０年代初期，经过2０多年的发展，大致经历了3个阶段：７0年代的萌芽期，８0年代的开发期和90年代的适用化期。70年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球,实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1９７2年开始研制自己的工业机器人。进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持.“七五”期间，国家投入资金,对工业机器人及其零部件进行攻关,完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人.１9８6年国家高技术研究发展计划（8６3计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿,经过几年的研究,取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从9０年代初期起，中国的国民经济进入实现两个根本转变时期,掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程,形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。中国工业机器人经过“七五"攻关计划、“九五”攻关计划和８63计划的支持已经取得了较大进展，工业机器人市场也已经成熟,应用上已经遍及各行各业。虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显.从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术,目前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈.我国未来工业机器人技术发展的重点有：第一,危险、恶劣环境作业机器人:主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人；第二,医用机器人：主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨等；第三,仿生机器人：主要有移动机器人,网络遥控操作机器人等.其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。二、工业机器人在工业、生产中的应用

工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业,或是危险恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工、金属制品业和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。在日、美、西欧等一些工业发达的国家中，工业机器人得到越来越广泛的应用。三、工业机器人在其他领域中的应用ﻫ随着科技的发展,机器人功能和性能的不断改善和提高,机器人的应用领域日益在扩大,其应用范围已不限于工业，还用于农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和深空探测等事业中.四、工业机器人的发展趋势ﻫ机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极"形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成,因此它的发展与众多学科发展密切相关。当今工业机器人的发展趋势主要有：

（一）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修）,而单机价格不断下降.

（二)机械结构向模块化可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;有关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人。ﻫ(三)工业机器人控制系统向基于PＣ机的开放型控制器方向发展，便于标准化，网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性.

(四）机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化系统中已有成熟应用。ﻫ（五）机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。ﻫ总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展.机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。五、我国工业机器人发展面临的挑战与前景自从２0世纪6０年代人类制造了第一台工业机器人以来，机器人就显示出了极强的生命力.经过40年的飞速发展，在工业发达国家,机器人已经广泛应用于汽车工业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、物流、制造业等诸多领域中。尽管如此，我国工业机器人产业化却存在着巨大的问题。除了众多历史原因造成制造业水平低下的原因外，更多的是对工业机器人产业的认识和定位上存在着不同观点。首先,我国基础零部件制造能力差.虽然我国在相关零部件方面有了一定的基础,但是无论从质量、产品系列全面，还是批量化供给方面都与国外存在较大的差距.特别是在高性能交流伺服电机和精密减速器方面的差距尤其明显，因此造成关键零部件的进口,影响了我国机器人的价格竞争力。第二,中国的机器人还没有形成自己的品牌。虽然已经拥有一批企业从事机器人的开发，但是都没有形成较大的规模，缺乏市场的品牌认知度，在机器人市场方面一直面临国外机器人品牌的打压。国外机器人作为成熟的产业采用整机降价，吸引国内企业购买，而在后续的维护备件费用很高的策略，逐步占领中国市场。第三，国家认识不到位，在鼓励工业机器人产品方面的政策少。工业机器人的制造及应用水平，代表了一个国家的制造业水平，我们必须从国家高度认识发展中国工业机器人产业的重要性，这是我国从制造大国向制造强国转变的重要手段和途径。目前比较流行的直线马达第二章工业机器人的设计机器人应用领域广泛,包括建筑、医疗、采矿、核能、农牧渔业、航空航天、水下作业、救火、环境卫生、教育、娱乐、办公、家用、军用等方面,工业机器人在国内主要应用于危险、有毒、有害的工作环境以及产品质量要求高（超洁、同一性）的重复性作业场合,如焊接、喷涂上下料、插件、防爆等。2.1机械手的设计方法机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作,按预定的程序轨迹极其它要求,实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置.在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作,因而通常把工业机器人称做操作机械手。机械手的特点：

（１）对环境的适应性强能代替人从事危险，有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响,只要根据工作环境进行合理的设计,选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，放射线作用下，以及冲压,灭等危险环境中胜任工作。ﻫ（２）机械手能持久,耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。ﻫ（3)由于机械手的动作准确,因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。

(４）机械手特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品的不断变化，以满足柔性生产的需要。2.1.1机械手的选择与分析为实现机器人的末端执行器在空间的位置而提供的3个自由度,可以有不同的运动组合,通常可以将其设计成圆柱坐标型、直角坐标型、球坐标型、关节型、平面关节型五种形式。

直角坐标型直角坐标型机器人，其运动部分的三个相互垂直的直线组成,其工作空间为长方体,它在各个轴向的移动距离可在坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算,定位精度高,结构简单,但机体所占空间大，灵活性较差。

根据本次设计的要求，三轴同时可以模拟操作员取出动作，并可以沿着规定路径连续运动，因此选择直角坐标型。2。１.2直角坐标机器人的设计方法（一)直角坐标机器人概念：工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系、多用途的操作机.他能够搬运物体、操作工具,以完成各种作业。关于机器人的定义随着科技的不断发展,在不断的完善,直角坐标机器人作为机器人的一种，其含义也在不断的完善中。图2—2典型直角坐标机器人(二）直角坐标机器人的特点：１、自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角;2、自动控制的,可重复编程，所有的运动均按程序运行;３、一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。4、灵活,多功能,因操作工具的不同功能也不同。５、高可靠性、高速度、高精度.6、可用于恶劣的环境，可长期工作,便于操作维修.(三)直角坐标机器人的应用：因末端操作工具的不同，直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化设备，完成如焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、(软仿型）喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。特别适用于多品种、便批量的柔性化作业,对于稳定提高产品质量，提高劳动生产率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。图2-3直角坐标机器人的应用随着直角坐标机器人的应用越来越广泛,直角坐标机器人的设计工作日益显得重要。成功的设计一台直角坐标机器人涉及到很多方面的工作，包括机械结构、动力驱动、伺服控制等等。（四）机器人设计特点：ﻫ1、机器人的设计是一个复杂的工作，工作量很大，涉及的知识面很多，往往需要多人完成。ﻫ2、机器人设计是面向客户的设计,不是闭门造车。设计者需要经常和用户在一起,不停分析用户要求，寻求解决方案。

3、机器人设计是面向加工的设计,再好的设计,如果工厂不能加工出产品,设计也是失败的，设计者需要掌握大量的加工工艺及加工手段。

4、机器人设计是一个不断完善的过程.（五)机器人设计流程：

１、使用要求的分析：每一个机器人都是根据特定的要求的产生而设计的,设计的第一步就是要将使用要求分析清楚,确定设计时需要考虑的参数，包括：机器人的定位精度，重复定位精度；

机器人的负载大小,负载特性;ﻫ机器人运动的自由度数量，每自由度的运动行程；

机器人的工作周期或运动速度,加减速特性；ﻫ机器人的运动轨迹，动作的关联；ﻫ机器人的工作环境、安装方式；ﻫ机器人的运行工作制、运行寿命；ﻫ其他特殊要求;ﻫ２、机械模型初建:机器人从机械结构分大体可分为龙门结构、壁挂结构，垂挂结构,根据安装空间的要求选择不同的结构，每种结构的力学特性、运动特性都是不一样的。后续的设计必须是基于一个确定的结构.图2—4机器人的基本结构图运动性能计算：有关该性能的参数有:ﻫ平均速度:Ｖ=Ｓ/t最大速度:Vmax＝aｔ

加速度／减速度:a=Ｆ／m

其中:S为运动行程

t为定位运动时间

F加速时的驱动力ﻫＭ运动物体质量和

4、力学特性分析ﻫ一个机器人是由许多定位单元组成的，每根定位系统都要分析。需要分析的项目如下：图２-5力学分析图水平推力Fｘ

正压力Fz

侧压力Fy

Mｘ、My、Mｚ

５、机械强度校核：

每个定位单元，每个梁都要进行校核，尤其双端支撑梁和悬臂梁。

1)挠度变形计算图2-6挠度变形图F：负载（N）；

L:定位单元长度（ｍm）；

Ｅ:材料弹性模量;

Ｉ：材料截面惯性矩(mm4）；ﻫｆ：挠度形变（mm）ﻫ注意：在计算挠度形变时，梁的自重产生的变形不能忽视，梁的自重按均布载荷计算。

以上公式计算的是静态形变，实际应用中，因为机器人一直处于运动状态，必须计算加速力产生的形变，形变直接影响机器人的运行精度。

2)扭转形变计算:ﻫ当一根梁的一端固定,另一端施加一个绕轴扭矩后，将产生扭曲变形.实际应用中产生该形变的原因一般是负载偏心或有绕轴加速旋转的物体存在。驱动元件选择ﻫ常用的驱动系统有：交流／直流伺服电机驱动系统、步进电机驱动系统、直线伺服电机/直线步进电机驱动系统。

每一个驱动系统都由电机和驱动器两部分组成。驱动器的作用是将弱电信号放大，将其加载在驱动电机的强电上,驱动电机。电机则是将电信号转化成精确的速度及角位移。需要计算的项目如下：ﻫ电机功率：

电机扭矩:ﻫ电机转速:ﻫ减速机减速比

电机惯量/负载惯量的匹配关系

ﻫ图2—7扭转力矩分析图ﻫ7、机械结构设计ﻫ在完成了前面六项工作后，一个直角坐标机器人定位系统的雏形就已经在设计者的头脑中形成了，接下来的工作就是将雏形画成工程图，以便生产。机器人的运动轨迹具有不确定性，灵活多变,往往在一个位置不存在位置干涉,但到下一个位置就干涉了.

8、设备寿命校核

机械结构设计完成后，要对整台设备进行寿命计算，核心元件的寿命到要计算，如机器人轨道的寿命，减速机的寿命,伺服电机的寿命等。

机器人的运行寿命与运行速度、负载大小、结构形式、工作环境、工作制等有关。ﻫ如果发现机器人的运行寿命太短，需要重新调整设计.ﻫ以上为一个机器人机械结构部分的设计方法,至于控制系统部分这里不加说明。2．2机械手的结构设计2．2.1机器人的总体设计（一）主体结构设计工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。本次设计的三轴伺服驱动机器人的坐标形式是直角坐标式机器人，主要完成3轴可以同时模拟操作员取出动作，能连续运动并有Ｃ轴水平旋转功能。（二)传动方式传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动形式，主要包括：(1)直接连接传动:驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。（2）远距离连接传动：驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。（３）间接驱动：驱动源经一个速比远大于１的机械装置与关节相连。（4）直接传动:驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于1的机械传动这样的中间环节与关节相连。（三)模块化结构设计模块化机器人是有一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼接的方式组成一个工业机器人系统.模块化设计是指基本模块设计和结合部设计。模块化工业机器人主要的特点是:经济性、灵活性。(四）材料的选择与一般机械设备相比,机器人结构的动力特性是十分重要的，这是材料选择的出发点。材料选择的基本要求是：强度高、弹性模量大、重量轻、阻尼大、材料价格低.２.2。2机械手的传动部件设计传动部件是驱动源和机器人各个关节连接的桥梁,是工业机器人的重要部件。机器人的运动速度、加速度（减速度）特性、运动平稳性、精度、承载能力很大程度上是取决于传动部件设计的合理性和优劣。因此,关节传动部件的设计是工业机器人设计的关键之一。１）移动关节导轨工业机器人对移动导轨的要求移动关节导轨的目的是在运动过程中保证位置精度和导向,对移动导轨有如下要求：间隙小或者能消除间隙；再垂直于运动方向上的刚度高；摩擦系数低并不随速度变化;高阻尼；移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低.移动关节导轨主要分类：普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨和滚动导轨.上面介绍的导轨中,前两种具有结果结构简单、成本低的特点，但是必须有间隙以便润滑，但是间隙的存在又将会引起坐标的变化和有效负载的变化，在低速时候容易产生爬行现象。第三种静压滑动导轨结构能产生预载荷,能完全消除间隙，具有高刚度、低摩擦、高阻尼等优点，但是它需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。第四种气浮导轨不需要回收润滑油的机构,但是刚度和阻尼较低。第五种滚动导轨在工业机器人导轨种用的是最广泛，具有很多的优点：1摩擦小，特别是不随速度变化；2尺寸小;3刚度高承载能力大；4精度和精度保持度高;5润滑简单；6容易制造成标准件；7易加预载,消除间隙,增加刚度等等。但是，滚动导轨用在机器人机械系统也存在着缺点：１阻尼低;2对脏物比较敏感.2)传动件的定位及消隙传动件的定位主要有：电气开关定位机械挡块定位伺服定位系统定位传动件的消隙主要有：消隙齿轮柔性齿轮消隙对称传动消隙偏心机构消隙齿廓弹性覆层消隙2。2.3机械手的臂部设计工业机器人臂部设计的基本要求:1、刚度高。为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。工字形截面弯曲刚度一般比截面大;空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多,所以常用钢管作臂杆及导向杆,用工字钢和槽钢作支撑板。2、导向性好。为防止手臂在直线运动中,沿运动轴线发生相对转动，或设置导向装置,或设计方形,花键等形式的臂杆。3、重量轻。为提高机器人的运动速度，要尽量减小臂部运动部分的重量,以减小整个手臂对回转轴的转动惯量。4、运动平稳定位精度高。除了臂部设计上要求力求结构紧凑，重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。常用的臂部结构有：1、手部直线运动机构;机器人手臂的伸缩,横向移动均属于直线运动。实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油(气）缸，齿轮齿条机构，丝杠螺母机构以及连杆机构等。由于活塞(气）缸的体积小，重量轻，因而在机器人结构中应用的比较多。2、手臂回转运动机构实现机器人手臂回转运动的机构形式是多样的，常用的有叶片式回转缸,齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞缸和连杆机构等。2．3三轴伺服驱动机器人机构的特点1、完美的重现性和定位精度。三轴伺服驱动机器人机构采用先进的高精度的主要机构部件。三轴采用最先进的伺服马达和最高等级低背隙减速机。２、具有高刚性，高精度,防尘防落物,经济耐用等特点，而且结构紧凑轻巧,运动响应快,速度高。可以提供多种组合方式，装配和维护简单，操作容易。３、三轴运动采用最先进的伺服马达和最高等级低背隙的减速机（展现出完美的重现性与定位精度）三轴运动的传动皆采用高刚性的齿轮加齿排的机构.第三章工业机器人的运动系统分析3。1工业机器人的运动系统分析3。1.1机器人的运动概述工业机器人的运动，可从工业机器人的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。1、工业机器人的运动自由度所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目,它是表示机器人动作灵活程度的参数.本设计的工业机器人具有转动副和移动副两种运动副，具有Y轴手臂垂直伸降运动,C轴水平旋转运动，X轴和Z轴往复运动三自由度。2、机器人的工作空间和机械结构类型工作空间工作空间是指机器人正常运行时,手部参考点能在空间活动的最大范围,是机器人的主要技术参数。本次设计所用的Apexrobｏt技术参数及Aｐexｒoｂot机构图如下:(2）机械结构类型直角坐标型机器人为本设计所采用方案,这种运动形式是自由度运动,每个运动之间都是直角关系,共三个自由度组成的运动系统,工作空间是垂直的。它是自动控制的,可以通过编程使各部分协调运动,这种机器人运动灵活，有高可靠性、高速度和高精度.同时它们还可以在恶劣环境下工作,可长期工作，便于操作与维修.３。２工业机器人运动控制３。1.2机器人的驱动方式机器人驱动分为液压，气动和电动三种形式．１、液压驱动分类:从运动形式来分分为直线驱动如直线运动液压缸和旋转驱动如液压马达,摆动液压缸。从控制水平的高低来分分为开环控制液压系统和闭环控制液压系统.适用范围:液压系统具有较大的功率体积比，适合于大负载的情形。液压驱动的本质优点在于它的安全性.２、气压驱动：分类:直线气缸,摆动汽缸及旋转气动马达。适用范围：适合于节拍快,负载小且精度要求不高的场合(因为空气具有可压缩性）．3、电力驱动：分类：按照电机的工作原理不同分为步进电机，直流伺服电机，无刷电机等。按照控制水平的高低来分分为开环控制系统和闭环控制系统。适用范围：适合于中等负载,特别适合于动作复杂,运动轨迹严格的各类机器人.对驱动装置的要求驱动装置的质量尽可能要轻.单位质量的输出功率要高,效率高。反应速度要快．要求力质量比和力矩转动惯量比要大．动作平滑，不产生冲击.控制灵活，位移偏差和速度偏差小.安全可靠。操作维修方便等.一般情况下机器人驱动系统的选择是物料搬运用有限点位控制的程序控制机器人，重负载用液压驱动,中等载荷可选用电动驱动系统,轻载荷可选用气动驱动系统。冲压机器人多用气动驱动系统。ﻫ电动驱动随着低惯量、直流伺服电机及配套的伺服驱动器的广泛采用，这种驱动系统被大量选用。本次设计所采用的驱动方式有两种。其中X轴和Y轴是使用电机来提供动力,电动机经减速器带动齿轮转动，齿轮带动齿条分配各轴直线移动;另外Z方向是通过直线气缸直接驱动Z轴工作台的运动。

三轴伺服驱动机器人典型零件的设计4.１伺服电机的选择伺服电机是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是可以连续旋转的电－机械转换器。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确。交流伺服电机是无刷电机,分为同步和异步电机,伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确。主要优点有：1、精度:实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；2、转速：高速性能好，一般额定转速能达到200０~300０转；３、适应性：抗过载能力强,能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用;4、稳定:低速运行平稳,适用于有高速响应要求的场合;5、及时性:电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；6、舒适性:发热和噪音明显降低。伺服电机的应用领域很多。只要是要有动力源的，而且对精度有要求的一般都可能涉及到伺服电机。如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备。根据以上所述的伺服电机的特点及应用场合，本次设计采用了交流伺服电机可以满足设计要求.这种电机受工艺限制,很难做到很大的功率,十几Kw以上的同步伺服电机价格很贵,故多采用交流异步伺服电机。本次所采用的是１10ＳT—M型号的交流伺服电机，其外形及相关尺寸如下所选的11０ＳＴ-Ｍ4０１0型号的交流伺服电机的有关技术数据如表4—11、一般伺服电机选择考虑的问题

（1）电机的最高转速ﻫ电机选择首先依据机械手快速行程速度。快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内。

式中,为电机的额定转速（rpm)；n为快速行程时电机的转速(rｐｍ）；为直线运行速度（m／min）；u为系统传动比，u＝n电机／n丝杠;丝杠导程（mm)。（2)惯量匹配问题及计算负载惯量

为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统的稳定性要求，负载惯量应限制在2.５倍电机惯量之内，即＜2．5jm。

式中，Ｊj为各转动件的转动惯量，kg.m2；wj为各转动件角速度,rａｄ／min;ｍj为各移动件的质量,ｋg；ｖj为各移动件的速度,m／min；w为伺服电机的角速度,rａｄ/miｎ。ﻫ（３）空载加速转矩

空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到快速时。一般应限定在变频驱动系统最大输出转矩的80%以内。

ﻫ式中,为与电机匹配的变频驱动系统的最大输出转矩(Ｎ。m）;为空载时加速转矩（Ｎ。m)；为快速行程时转换到电机轴上的载荷转矩(Ｎ．m）；为快速行程时加减速时间常数（ms）。ﻫ(4)切削负载转矩ﻫ在正常工作状态下，切削负载转矩Tms不超过电机额定转矩TMs的80%.ﻫ式中，为最大切削转矩(Ｎ．m）；D为最大负载比.

（5)连续过载时间

连续过载时间应限制在电机规定过载时间之内。４。２减速机的选择在选好电机后，为了增大扭矩和速比，一般在电机后接上减速机，这样也能提高整个系统的稳定性。可以假设电机与减速机是通过键连接来传递运动的,可以通过已经选好的电机的型号、功率、转矩和转速选择合适的减速机.选择Ａpexｒｏｂoｔ中的AB系列的减速机,其中的AB142Ｐ04０3500401系列减速机适合与之前所选的电机相匹配。其外形及相关尺寸如图4—２:图４-24.3齿轮齿条的选择如上所述,采用电机驱动，因为本次设计是直角坐标机器人机构设计，需要三轴直线运动。故采用齿轮齿条传动将电机的选择运动转变成齿条的直线运动。齿轮齿条传动具有传动比准确,传动效率高的优点，而且它们的结构紧凑,工作可靠，使用寿命也很长.齿轮齿条传动时使用最普遍的一种传动方式.假设所选齿轮的参数如下：标准直齿圆柱齿轮模数ｍ＝3.5（m是决定齿轮尺寸的基本参数，已标准化)齿数Ｚ=4２因为所选为标准齿轮，故压力角变位系数齿顶高系数齿顶隙系数齿顶过渡圆角半径0齿根过渡圆角半径1。14有效齿轮42精度０。０1有效齿起始角0。以下是齿轮的设计报告。渐开线圆柱齿轮传动设计报告设计信息设计者Name=ｗangxiufa二、设计参数传递功率P=7。50(kW)传递转矩T=４9.0５（Ｎ·m）齿轮1转速ｎ1=14６0（r/miｎ)齿轮2转速n２=500（r/ｍiｎ）传动比i＝２.92原动机载荷特性SF=轻微振动工作机载荷特性ＷF=均匀平稳预定寿命Ｈ＝1０0００(小时）三、布置与结构结构形式ConS＝开式齿轮1布置形式ConＳ1=对称布置齿轮2布置形式CｏnS2=对称布置四、材料及热处理齿面啮合类型GFace=软齿面热处理质量级别Q＝ML齿轮１材料及热处理Meｔ１=34CｒＮｉ３Mo<调质>齿轮1硬度取值范围HBSＰ1=269～3４1齿轮1硬度HＢS1＝305齿轮１材料类别MetＮ1=0齿轮1极限应力类别MetTｙpe1=5齿轮2材料及热处理Met2＝4５〈正火>齿轮２硬度取值范围HBSP2=１62～2１７齿轮2硬度ＨBS２＝１9０齿轮２材料类别MetN２=0齿轮2极限应力类别MｅtTｙpe２＝7五、齿轮精度齿轮1第Ⅰ组精度JD11=7齿轮１第Ⅱ组精度JＤ12=7齿轮1第Ⅲ组精度JD13=7齿轮1齿厚上偏差JDU１=Ｆ齿轮1齿厚下偏差JDD1＝L齿轮2第Ⅰ组精度JD21＝7齿轮2第Ⅱ组精度JD２2＝７齿轮2第Ⅲ组精度JＤ23=7齿轮2齿厚上偏差ＪDU2=F齿轮2齿厚下偏差JDD2=L六、齿轮基本参数模数(法面模数)Ｍｎ=3．5（２）(mm)端面模数Mt=3。5000０（mｍ)螺旋角β=0.000000(度）基圆柱螺旋角βb=０。000０000（度）齿轮１齿数Ｚ1=42齿轮1变位系数X1=0。00齿轮１齿宽B１=40(mm)齿轮1齿宽系数Φｄ1=0.272齿轮２齿数Z2＝1２3齿轮2变位系数X２=０.00齿轮2齿宽B2＝４0（ｍm)齿轮2齿宽系数Φd2=０．０93总变位系数Xsum＝０.００0标准中心距Ａ0=28８.7５000(ｍm)实际中心距A=28８．75０00（mm）中心距变动系数yｔ＝0．０0０00齿高变动系数△ｙｔ=0。00000齿数比U=2。９２857端面重合度εα＝１.79８33纵向重合度εβ＝0。０0000总重合度ε=1.79833齿轮１分度圆直径d1＝１47.0０００0（mｍ）齿轮１齿顶圆直径ｄa1＝154.0００00(mm)齿轮1齿根圆直径df1=13８．25000（ｍm)齿轮１基圆直径db1=1３8．１348２（mm）齿轮1齿顶高ha1＝3。500０0（ｍm）齿轮1齿根高hf1＝4.37500(mｍ）齿轮1全齿高h1=7.8７5０0(mm)齿轮1齿顶压力角αat1=26．2３6191（度)齿轮2分度圆直径d2=４30。5０000(mm）齿轮2齿顶圆直径ｄa2=437.５００0０（mm)齿轮2齿根圆直径df2=421．750０0（mm）齿轮2基圆直径db2=４０4。5３767（mm）齿轮2齿顶高ha２＝3.50000（mm)齿轮2齿根高ｈｆ2=4．３7500（ｍｍ）齿轮2全齿高h２＝７。875０0(mｍ)齿轮２齿顶压力角αat2=２2．383229(度）齿轮１分度圆弦齿厚sh１=５．49651（mm）齿轮1分度圆弦齿高hh1=３.551４0(mｍ）齿轮1固定弦齿厚sｃｈ1=4。85467（mm)齿轮1固定弦齿高ｈch1＝2.６1645（mm)齿轮１公法线跨齿数K１=５齿轮１公法线长度Ｗｋ1=48。55488（mm）齿轮2分度圆弦齿厚ｓh2=5．４９7６4(mm)齿轮2分度圆弦齿高hｈ2=3．5１7５5（mm）齿轮2固定弦齿厚ｓch２=4．85467(mm)齿轮2固定弦齿高hcｈ２=2。６1645（mm）齿轮2公法线跨齿数K2＝14齿轮２公法线长度Wk2＝1４5。51７59（ｍm)齿顶高系数hａ*=1。00顶隙系数c＊=0．25压力角α＊=20（度）端面齿顶高系数ha＊t=1。00０００端面顶隙系数c＊t=0.2５000端面压力角α＊t=２0.000０000(度）端面啮合角αt’=２0。00０0001（度)七、检查项目参数齿轮１齿距累积公差Fp1＝0.06294齿轮１齿圈径向跳动公差Fr1=０．04566齿轮1公法线长度变动公差Fｗ1=0.0３419齿轮1齿距极限偏差fpt(±)１＝0。０１７08齿轮1齿形公差ff１=０。０13３４齿轮１一齿切向综合公差fi’1=0。01８25齿轮１一齿径向综合公差fi''1＝0。0241６齿轮1齿向公差Ｆβ1＝0．014２１齿轮1切向综合公差Fｉ’１=０.076２8齿轮1径向综合公差Fi＇’１=0.06393齿轮1基节极限偏差fｐｂ（±)1＝0．0160５齿轮１螺旋线波度公差ffβ1＝0．018２5齿轮１轴向齿距极限偏差Ｆpx（±）１=0．01421齿轮1齿向公差Fb１=0．01421齿轮１x方向轴向平行度公差fx1=0．0１421齿轮1y方向轴向平行度公差fy1=0.007１0齿轮1齿厚上偏差Eup１＝－０．06831齿轮1齿厚下偏差Edn１=－0．２7325齿轮2齿距累积公差Fp2＝0。10１32齿轮2齿圈径向跳动公差Fr２=0.０6２57齿轮2公法线长度变动公差Fｗ2＝0。０４471齿轮2齿距极限偏差fｐt（±）2=0。0190２齿轮２齿形公差ff2=０.0１688齿轮2一齿切向综合公差ｆi’２=0。0２154齿轮2一齿径向综合公差fi’'2=0。０26８6齿轮2齿向公差Fβ2＝0．00630齿轮２切向综合公差Fi＇2=0.11８20齿轮2径向综合公差Fi'’2＝0．08７59齿轮２基节极限偏差fpｂ（±）２=0.0１７8７齿轮２螺旋线波度公差ｆfβ２=０。0215４齿轮２轴向齿距极限偏差Fｐｘ(±）2=０.00630齿轮2齿向公差Fb2=０．0０６30齿轮2x方向轴向平行度公差fx2=0。0０630齿轮２y方向轴向平行度公差fｙ2=0.00315齿轮2齿厚上偏差Eup2=－0。0760７齿轮2齿厚下偏差Edn2=－0.3０42９中心距极限偏差fa（±）=0。038６8八、强度校核数据齿轮1接触强度极限应力σＨlim1=５9４.４(ＭＰa)齿轮1抗弯疲劳基本值σFE1＝４6５.6（ＭPａ）齿轮1接触疲劳强度许用值［σH］1＝0。0（MPa)齿轮１弯曲疲劳强度许用值［σF］1＝0．0（MPa)齿轮2接触强度极限应力σHlim2＝42７。1(MPa）齿轮2抗弯疲劳基本值σFＥ2=3１１.1（MPa）齿轮2接触疲劳强度许用值[σH］2=0．0(MPa)齿轮２弯曲疲劳强度许用值［σＦ］2=０.0(MPa）接触强度用安全系数SＨmin=１。00弯曲强度用安全系数SＦｍin=1。４0接触强度计算应力σＨ=0。0(MPａ）接触疲劳强度校核σＨ≤［σH］=满足齿轮１弯曲疲劳强度计算应力σF1＝０.０（MＰa）齿轮２弯曲疲劳强度计算应力σＦ2=0。０（MＰa）齿轮１弯曲疲劳强度校核σF１≤[σF］1=满足齿轮2弯曲疲劳强度校核σF２≤［σF］2＝满足九、强度校核相关系数齿形做特殊处理Zps=特殊处理齿面经表面硬化Zaｓ=不硬化齿形Zp=一般润滑油粘度V50=120(mm＾2/s)有一定量点馈Ｕs=不允许小齿轮齿面粗糙度Ｚ1Ｒ=Rz≤６μm(Ra≤１μm)载荷类型Wtype=静载荷齿根表面粗糙度ZFR＝Ｒｚ≤１6μm(Ra≤2。6μm）刀具基本轮廓尺寸圆周力Fｔ=0(Ｎ）齿轮线速度V＝(m/s）使用系数Ｋａ=１.100动载系数Ｋv＝0齿向载荷分布系数KＨβ=0综合变形对载荷分布的影响Kβs＝安装精度对载荷分布的影响Ｋβｍ=齿间载荷分布系数KHα=0节点区域系数Zh＝0材料的弹性系数ZE=0接触强度重合度系数Zε=接触强度螺旋角系数Zβ=重合、螺旋角系数Zεβ=0接触疲劳寿命系数Zｎ=0润滑油膜影响系数Zｌvr=0工作硬化系数Zw=０接触强度尺寸系数Zx=０齿向载荷分布系数ＫFβ=0齿间载荷分布系数KFα＝0抗弯强度重合度系数Yε=０抗弯强度螺旋角系数Yβ＝０抗弯强度重合、螺旋角系数Yεβ＝0寿命系数Yｎ=0齿根圆角敏感系数Ydｒ=0齿根表面状况系数Yrr＝0尺寸系数Yｘ＝0齿轮１复合齿形系数Yfs１=０齿轮１应力校正系数Ｙsa1=0齿轮2复合齿形系数Yｆs２=0齿轮2应力校正系数Yｓa2=０4。3导轨的选择本次设计的三轴伺服驱动机器人机构是要求定位精度高,重现性好，故可以选择直线导轨。1)直线的定位精度高,重现性好；

２）低摩擦阻力,可长时间维持精度；ﻫ直线导轨的滚动摩擦力可减小至滑动导轨摩擦阻力的1/2０～1／40，尤其润滑结构简单,润滑容易,润滑效果优良,摩擦接触面的磨耗最底,，因此可以长时间维持行走精度。ﻫ3）可承受四方向的高负荷能力ﻫ几何力学结构的最佳设计,可同时承受径向、反径向与横方向的负荷，并保持行走精度，同时可轻易藉由施于预压与滑块数量，就可以提高起性能与负荷能力。

4）适合高速化之应用ﻫ5）组装容易并具互换之特性ﻫ直线导轨的合理选用

1、常用结构

按照滚珠在导轨和滑块之间的接触牙型对直线导轨副进行分类，主要有歌德式(GothiｃType）牙型和圆弧式牙型(如图4-３所示）。ﻫ

图4—3歌德式也称作两列式,圆弧式也称作四列式。由于圆弧式牙型其接触角（垂直于回转轴线的直线与滚珠中心和沟槽接触点连线的夹角）在传动中易变动，产生间隙与侧向力变动,安装容易。而歌德式牙型其接触角能保持不变，刚性也比较稳定。一般而言直线导轨的常用结构以这两种类型为主.两者主要区别如下表４—2所示。表4-22、主要性能指标

通常，直线导轨副的选用必须根据使用条件、负载能力和预