三軸機械手臂的設(shè)計定稿

1、上海交通大學(xué)本科畢業(yè)論文三軸機械手臂的設(shè)計學(xué) 生：王修法學(xué) 號：710940170007專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化導(dǎo) 師：胡曄學(xué)校代碼：10248上海交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院二零一三九月ihmmgkiae jmd tong unm fcmn三軸機械手臂的設(shè)計-5 -畢業(yè)論文聲明本人鄭重聲明：1、此畢業(yè)論文是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨立進行研究取得的成果。除了特別加以標注和致謝的地方外，本文不包含其他人或其它機構(gòu)已經(jīng)發(fā)表或撰寫過 的研究成果。對本文研究做出重要貢獻的個人與集體均已在文中作了明確標明。 本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。2、本人完全了解學(xué)校、學(xué)院有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同

2、意學(xué)校與 學(xué)院保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交此論文的復(fù)印件和電子版，允許此文被 查閱和借閱。本人授權(quán)上海交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院可以將此文的全部或部分內(nèi) 容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯 編本文。3、若在上海交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文審查小組復(fù)審中，發(fā)現(xiàn)本文有抄襲，一切后果均由本人承擔(dān)（包括接受畢業(yè)論文成績不及格、繳納畢業(yè)論文 重新學(xué)習(xí)費、不能按時獲得畢業(yè)證書等），與畢業(yè)論文指導(dǎo)老師無關(guān)。作者簽名：王修法日期：26.9 2013三軸機械手臂的設(shè)計摘要20世紀中葉之后，生產(chǎn)力已高度發(fā)展，已有了高度自動化的機械設(shè)備。但 由于市場的激烈競爭，只有產(chǎn)品多樣化和不斷更新

3、換代，才能適應(yīng)人們更高的 現(xiàn)代需要。1961年美國unimation公司推出第一部實用的工業(yè)機器人，由于它 適應(yīng)柔性自動化要求，因而得到了很快的發(fā)展。今天的機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于 工業(yè)生產(chǎn)上。機器人的廣泛應(yīng)用，對人類社會的影響決不亞于蒸汽機出現(xiàn)對人 類的影響，它極大提高了勞動生產(chǎn)率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了成本，還極大 的減輕了人的勞動強度，改善了勞動條件，所以世界上先進國家都在努力發(fā)展 機器人技術(shù)。1機器人是先進制造技術(shù)和自動化裝備的典型代表，是人造機器的“終極”形式。它涉及到機械、電子、自動控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng) 絡(luò)等多個學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成，因此它的

4、發(fā)展與 眾多學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。一方面，機器人在制造業(yè)應(yīng)用的范圍越來越廣闊，其 標準化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強，并向著 成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展；另一方面，機器人向著非制造業(yè)應(yīng)用發(fā)展以及微 小型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類活動的各個領(lǐng)域。2機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為廣泛：（1）建造旋轉(zhuǎn)體零件（軸類、盤類、 環(huán)類）自動線；（2）在實現(xiàn)單機自動化方面；（3）鑄、鍛、焊、熱處理等熱加 工方面。還有具有感知能力并能對感知的信息作出反應(yīng)的工業(yè)機械手稱為智能 機械手，它是現(xiàn)代機器人的發(fā)展方向。利用機械手或類似機械設(shè)備節(jié)省人力和 實現(xiàn)生產(chǎn)合理化的要求，機械手的應(yīng)用必將飛躍發(fā)展。3智

5、能機器人的開發(fā)是機器人應(yīng)用的全新領(lǐng)域。4工業(yè)機器人是一種提高制造業(yè)生產(chǎn)力的工具。 它可以承擔(dān)那些對人類可能有 危險的工作。最早的工業(yè)機器人就曾用來在核能發(fā)電廠中更換核燃料棒。工業(yè)機器人也能在裝配線上工作，如安裝印刷電路板上的電子元器件。這樣，人們就可以從這種單調(diào)的工作中解脫出來。機器人還能拆除炸彈，為傷殘人服務(wù)，為我們的社會做各種各樣的工作。5前言2第一章緒論31.1 引言31.2 工業(yè)機器人的含義及技術(shù)概述41.3 機器人的組成及分類 41.4 工業(yè)機器人的發(fā)展及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 6第二章工業(yè)機器人的設(shè)計102.1 機器手的設(shè)計方法 102.1.1 機械手的選擇與分析 102.1.2 直角坐標

6、機器人的設(shè)計方法 112.2 機器手的結(jié)構(gòu)設(shè)計152.2.1 機械手的選擇與分析 152.2.2 機械手的傳動部件設(shè)計162.2.3 機械手的臀部設(shè)計 172.3 三軸伺服驅(qū)動機器人機構(gòu)的特點18第三章工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)設(shè)計193.1 工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析 193.1.1 機器人的運動概述 193.2 三軸伺服驅(qū)動機器人機構(gòu)的運動控制 213.1.1機器人的驅(qū)動方式21第四章三軸伺服驅(qū)動機器人典型零件的設(shè)計 224.1 伺服電機的選擇224.2 減速機的選擇244.3 齒輪齒條的選擇254.4 導(dǎo)軌的選擇33第五章結(jié)論37致謝38參考文獻39三軸機械手臂的設(shè)計第一章緒論1.1 引言工業(yè)機

7、器人誕生于20世紀60年代，在20世紀90年代得到迅速發(fā)展，是最先產(chǎn) 業(yè)化的機器人技術(shù)。它是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人 工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣 泛的領(lǐng)域。它的出現(xiàn)是為了適應(yīng)制造業(yè)規(guī)?；a(chǎn) ，解決單調(diào)、重復(fù)的體力勞動 和提高生產(chǎn)質(zhì)量而代替人工作業(yè)。在我國，工業(yè)機器人的真正使用到現(xiàn)在已經(jīng)接 近20多年了，已經(jīng)基本實現(xiàn)了試驗、引進到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變 ，促進了我國制造業(yè)、 勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代 生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成 為高技

8、術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā) 展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前 還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險,抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并 越來越廣泛地得到了應(yīng)用。當(dāng)代柔性自動化生產(chǎn)的建立和廣泛應(yīng)用， 取決于作為科技進步的催化劑的機 床制造、機器人技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、儀器制造等技術(shù)的加速發(fā)展。 工業(yè)機器人是多品種的經(jīng)常更換產(chǎn)品的生產(chǎn)過程自動化的通用手段。在機械制造中，工業(yè)機器人既有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)組成工藝裝備的基本工序中，也有效地用于輔助操作中。工

9、業(yè)機器人與傳統(tǒng)自動化手段不同之處， 首先在于它在各種 生產(chǎn)功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性。在柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中，工業(yè)機器人廣泛應(yīng) 用于數(shù)控機床、鍛壓機床、鑄造機械和倉儲設(shè)備上，以完成傳送裝備和其它操作。 工業(yè)機器人和基本工藝裝備、輔助手段以及控制裝置一起形成各種不同形式的機 器人技術(shù)綜合體一柔性生產(chǎn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)模塊。機器人是先進制造技術(shù)和自動化裝備的典型代表， 是人造機器的“終極”形 式。它涉及到機械、電子、自動控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò) 等多個學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成， 因此它的發(fā)展與眾多 學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。一方面，機器人在制造業(yè)應(yīng)用的范圍越來越廣闊，其標準化

10、、 模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來越高， 功能越來越強，并向著成套技術(shù)和 裝備的方向發(fā)展；另一方面，機器人向著非制造業(yè)應(yīng)用發(fā)展以及微小型方向發(fā)展， 并將服務(wù)于人類活動的各個領(lǐng)域。6在理論上，隨著世界經(jīng)濟和技術(shù)發(fā)展，人類活動領(lǐng)域的不斷擴大，機器人應(yīng) 有正迅速向社會生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域擴展，也從制造領(lǐng)域轉(zhuǎn)向非制造領(lǐng)域，各 種各樣的機器人產(chǎn)品隨之出現(xiàn)。7 sa70曲軸伺服機械手的設(shè)計，不但在技術(shù)上 可以追蹤機器人的發(fā)展趨勢，而且還可以填補工業(yè)機器人的應(yīng)用的空白，促進我 國工業(yè)機器人的技術(shù)水平的提高和產(chǎn)業(yè)化水平的發(fā)展。8本次設(shè)計是根據(jù)對工業(yè)三自由度機器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的分析和探 討，進行三自

11、由度工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設(shè) 計以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。#三軸機械手臂的設(shè)計1.2 工業(yè)機器人的含義及技術(shù)概述工業(yè)機器人的定義為：一種能夠自動定位控制，可重復(fù)編程的， 多功能的， 多自由度的操作機。工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人 工智能等多學(xué)科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機器人以來，機器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已 成為柔性制造系統(tǒng)（fms）、自動化工廠（fa）、計算機集成制造系統(tǒng)（cims）的自動 化工具。機械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預(yù)定的程序軌跡極其它要 求，實現(xiàn)抓取，搬運工件或

12、操做工具的自動化裝置。在我國由于大多數(shù)工業(yè)機 器人所執(zhí)行的工作為模擬人的手臂而工作，因而通常把工業(yè)機器人稱做操作機 械手。智能機器人是機器人的發(fā)展方向，它具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視 覺裝置和語言識別裝置等。具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業(yè)機器人，能在 較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；如具有識別功能或更進一步增加自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，即成為智能型工業(yè)機器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應(yīng) 環(huán)境，并自動完成更為復(fù)雜的工作。1.3 工業(yè)機器人的組成工業(yè)機器人一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成。 如圖1-1所示。目前，具有人工智能系統(tǒng)的工業(yè)機器人即智能機器人還處于研 究實驗階

13、段。而應(yīng)用于生產(chǎn)實際的多數(shù)是那些具有執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制 系統(tǒng)的工業(yè)機器人。圖1-1機器人的一般組成-7要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、 腕、臂、 關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機構(gòu)一一執(zhí)行機構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運動的驅(qū) 動-傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了 機器人的性能。對于現(xiàn)代智能機器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置 和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛”，使它能識別物體 和躲避障礙物，以及機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨 立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個機器人的

14、。要實現(xiàn)機器 人所期望實現(xiàn)的功能，機器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響 和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖 1-2所示。怕液混合驅(qū)動圖1-2機器人各組成部分之間的關(guān)系機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動-傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)是機 器人賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動-傳動系統(tǒng)提 供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動-傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機構(gòu) 和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機構(gòu)提供機器人各關(guān)節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力 轉(zhuǎn)換為滿足機器人各關(guān)節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻則把機 器人分為機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機械系統(tǒng)又叫操作 機(m

15、anipulator),相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機構(gòu)部分。ihmmgkiae jmd tong unm fcmn三軸機械手臂的設(shè)計1.4 工業(yè)機器人的發(fā)展及國內(nèi)外發(fā)展趨勢一、工業(yè)機器人的發(fā)展歷程早在1954年美國喬治德沃爾首次設(shè)計出第一臺電子程序可編的工業(yè)機 器人,并于1961年發(fā)表了該項專利。1962年美國通用汽車公司投入使用，標 志著第一代機器人誕生。從此機器人開始成為人類生活中的現(xiàn)實。之后日本使工業(yè)機器人得到迅速的發(fā)展。目前，日本已成為世界上工業(yè)機器人產(chǎn)量和擁 有量最多的國家。80 年代，世界上生產(chǎn)技術(shù)的高度自動化和集成化， 使工業(yè)機器人得以進一 步發(fā)展，并在這個時代起著十分重要的作用。第一代

16、機器人，一股指工業(yè)上大量使用的可編程機器人及遙控操作機。可 編程機器人可根據(jù)操作人員所編程序完成一些簡單重復(fù)性作業(yè)。遙控操作機制 每一步動作都要靠操作人員發(fā)出。1982年，美國通用汽車公司在裝配線上為機 器人裝備了視覺系統(tǒng)，從而宣告了第二代機器人一感知機器人的問世。這代機 器人，帶有外部傳感器，可進行離線編程。能在傳感系統(tǒng)支持下，具有不同程 度感知環(huán)境并自行修正程序的功能。第三代機器人為自治機器人，正在各國研 制和發(fā)展。它不但具有感知功能，還具有一定決策和規(guī)劃能力。能根據(jù)人的命 令或按照所處環(huán)境自行做出決策規(guī)劃動作即按任務(wù)編程。我國機器人研究工作起步較晚，從“七五”開始國家投入資金，對工業(yè)機

17、器及其零部件進行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術(shù)的開發(fā)和研制。 1986年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃開始實施，智能機器人主題跟蹤世界機器人技 術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特 種機器人。我國工業(yè)機器人起步于70年代初期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了 3個階 段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。70年代是世界科技發(fā)展的一個里程碑：人類登上了月球，實現(xiàn)了金星、火 星的軟著陸。我國也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界上工業(yè)機器人應(yīng)用掀起一個高潮， 尤其在日本發(fā)展更為迅猛，它補充了日益短缺的勞動力。在這種背景下，我國 于1972年開始研制自己的工業(yè)機

18、器人。進入80年代后，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，隨著改革開放的不斷深入，我國 機器人技術(shù)的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國家投入 資金，對工業(yè)機器人及其零部件進行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套 技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。1986年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）開始實施，智能機器人主題跟蹤世界機器人技術(shù)的前沿， 經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機器人。從90年代初期起，中國的國民經(jīng)濟進入實現(xiàn)兩個根本轉(zhuǎn)變時期，掀起了新 一輪的經(jīng)濟體制改革和技術(shù)進步熱潮，我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進一大 步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配

19、、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用 途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應(yīng)用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基 地，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。中國工業(yè)機器人經(jīng)過“七五”攻關(guān)計劃、“九五”攻關(guān)計劃和863計劃的支持已經(jīng)取得了較大進展，工業(yè)機器人市場也已經(jīng)成熟，應(yīng)用上已經(jīng)遍及各行各 業(yè)。雖然中國的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)在不斷的進步中，但和國際同行相比，差距依-9 -舊明顯。從市場占有率來說，更無法相提并論。工業(yè)機器人很多核心技術(shù)，目 前我們尚未掌握，這是影響我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要瓶頸。我國未來工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展的重點有：第一，危險、惡劣環(huán)境作業(yè)機器人： 主要有防暴、高壓帶電清掃、星球檢測、油汽管

20、道等機器人；第二，醫(yī)用機器人： 主要有腦外科手術(shù)輔助機器人，遙控操作輔助正骨等；第三，仿生機器人：主要有 移動機器人，網(wǎng)絡(luò)遙控操作機器人等。其發(fā)展趨勢是智能化、低成本、高可靠性 和易于集成。二、工業(yè)機器人在工業(yè)、生產(chǎn)中的應(yīng)用工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、 頻繁和重復(fù)的長時間作業(yè)， 或是危險惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、 塑料制品成形、機械加工、金屬制品業(yè)和簡單裝配等工序上，以及在原子能工 業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。在日、美、西歐等一些 工業(yè)發(fā)達的國家中，工業(yè)機器人得到越來越廣泛的應(yīng)用。三、 工業(yè)機器人在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用隨著科技的發(fā)

21、展，機器人功能和性能的不斷改善和提高，機器人的應(yīng)用領(lǐng) 域日益在擴大，其應(yīng)用范圍已不限于工業(yè)，還用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運輸業(yè)、 原子能工業(yè)、醫(yī)療、福利事業(yè)、海洋和深空探測等事業(yè)中。四、工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢機器人是先進制造技術(shù)和自動化裝備的典型代表，是人造機器的“終極” 形式。它涉及到機械、電子、自動控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與 網(wǎng)絡(luò)等多個學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成，因此它的發(fā)展 與眾多學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。當(dāng)今工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢主要有：（一）工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作 和維修），而單機價格不斷下降。（二）機械結(jié)構(gòu)向模塊化可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)

22、節(jié)模塊中的伺服電機、減速 機、檢測系統(tǒng)三位一體化；有關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人。（三）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 pc機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標 準化，網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，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。（四） 機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，視覺、力覺、聲覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng) 中已有成熟應(yīng)用。（五）機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來這種 新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域?？傮w趨勢是，從狹義的機器人概念向廣義的機器

23、人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè) 機器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務(wù)的機器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機器人技術(shù)的內(nèi)涵已變?yōu)?靈活應(yīng)用機器人技術(shù)的、具有實際動作功能的智能化系統(tǒng)。機器人結(jié)構(gòu)越來越 靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。五、我國工業(yè)機器人發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與前景自從20世紀60年代人類制造了第一臺工業(yè)機器人以來，機器人就顯示出了 極強的生命力。經(jīng)過40年的飛速發(fā)展，在工業(yè)發(fā)達國家，機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用-# -ihajmghai jmj g業(yè)三軸機械手臂的設(shè)計于汽車工業(yè)、機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、物 流、制造業(yè)等諸多領(lǐng)域中。盡管如此，我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化卻存在著巨

24、大的問題。除了眾多歷史原 因造成制造業(yè)水平低下的原因外，更多的是對工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的認識和定位上 存在著不同觀點。首先，我國基礎(chǔ)零部件制造能力差。雖然我國在相關(guān)零部件方面有了一定 的基礎(chǔ)，但是無論從質(zhì)量、產(chǎn)品系列全面，還是批量化供給方面都與國外存在 較大的差距。特別是在高性能交流伺服電機和精密減速器方面的差距尤其明顯, 因此造成關(guān)鍵零部件的進口，影響了我國機器人的價格競爭力。第二，中國的機器人還沒有形成自己的品牌。雖然已經(jīng)擁有一批企業(yè)從事 機器人的開發(fā)，但是都沒有形成較大的規(guī)模，缺乏市場的品牌認知度，在機器 人市場方面一直面臨國外機器人品牌的打壓。國外機器人作為成熟的產(chǎn)業(yè)采用 整機降價，吸引國內(nèi)

25、企業(yè)購買，而在后續(xù)的維護備件費用很高的策略，逐步占 領(lǐng)中國市場。第三，國家認識不到位，在鼓勵工業(yè)機器人產(chǎn)品方面的政策少。工業(yè)機器 人的制造及應(yīng)用水平，代表了一個國家的制造業(yè)水平，我們必須從國家高度認 識發(fā)展中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的重要性，這是我國從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的 重要手段和途徑。目前比較流行的直線馬達-11三軸機械手臂的設(shè)計j1ad t»4g ulnmjlmn第二章工業(yè)機器人的設(shè)計機器人應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括建筑、醫(yī)療、采礦、核能、農(nóng)牧漁業(yè)、航空航天、 水下作業(yè)、救火、環(huán)境衛(wèi)生、教育、娛樂、辦公、家用、軍用等方面，工業(yè)機器 人在國內(nèi)主要應(yīng)用于危險、有毒、有害的工作環(huán)境以及產(chǎn)品質(zhì)量要

26、求高(超潔、 同一性)的重復(fù)性作業(yè)場合，如焊接、噴涂上下料、插件、防爆等。2.1 機械手的設(shè)計方法機械手是一種能模擬人的手臂的部分動作， 按預(yù)定的程序軌跡極其它要求，實現(xiàn) 抓取，搬運工件或操做工具的自動化裝置。 在我國由于大多數(shù)工業(yè)機器人所執(zhí)行 的工作為模擬人的手臂而工作，因而通常把工業(yè)機器人稱做操作機械手。機械手的特點：(1)對環(huán)境的適應(yīng)性強 能代替人從事危險，有害的工作。在長時間工作 對人體有害的場所，機械手不受影響， 只要根據(jù)工作環(huán)境進行合理的設(shè)計， 選擇 適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機械手就可以在異常高溫或低溫，異常壓力和有害氣體，粉塵，放射線作用下，以及沖壓，滅等危險環(huán)境中勝任工作。(2)機械

27、手能持久，耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動中解放出來，并能 擴大和延伸人的功能。(3)由于機械手的動作準確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時又可 以避免人為的操作錯誤。(4)機械手特點是通過用工業(yè)機械手的通用性，靈活性好，能很好的適應(yīng) 產(chǎn)品的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。2.1.1機械手的選擇與分析為實現(xiàn)機器人的末端執(zhí)行器在空間的位置而提供的 3個自由度，可以有不同的運 動組合，通?？梢詫⑵湓O(shè)計成圓柱坐標型、直角坐標型、球坐標型、關(guān)節(jié)型 、 平面關(guān)節(jié)型五種形式。直角坐標型 直角坐標型機器人，其運動部分的三個相互垂直的直線組成， 其工作空間為長方體，它在各個軸向的移動距離可在坐標軸上直接讀出，

28、直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間大， 靈活性較差。根據(jù)本次設(shè)計的要求，三軸同時可以模擬操作員取出動作， 并可以沿著規(guī)定 路徑連續(xù)運動，因此選擇直角坐標型。2.1.2直角坐標機器人的設(shè)計方法(一)直角坐標機器人概念：工業(yè)應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、 運動自由度建成空間直角關(guān)系、多用途的操作機。他能夠搬運物體、操作工具， 以完成各種作業(yè)。關(guān)于機器人的定義隨著科技的不斷發(fā)展，在不斷的完善，直角 坐標機器人作為機器人的一種，其含義也在不斷的完善中。-13圖2-2典型直角坐標機器人（二）直角坐標機器人的特點：1、自由度運動，每個

29、運動自由度之間的空間夾角為直角；2、自動控制的，可重復(fù)編程，所有的運動均按程序運行；3、一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、操作工具等組成。4、靈活，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、可用于惡劣的環(huán)境，可長期工作，便于操作維修。（三）直角坐標機器人的應(yīng)用：因末端操作工具的不同，直角坐標機器人可以非常方便的用作各種自動化設(shè)備， 完成如焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼 標、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂、目標跟隨、排爆等一系列工作。特別適用于 多品種、便批量的柔性化作業(yè)，對于穩(wěn)定提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，改善 勞動條件和產(chǎn)品的快速

30、更新?lián)Q代起著十分重要的作用。圖2-3直角坐標機器人的應(yīng)用ihm) l omi un m fcmti二軸機械手臂的設(shè)計隨著直角坐標機器人的應(yīng)用越來越廣泛， 直角坐標機器人的設(shè)計工作日益顯 得重要。成功的設(shè)計一臺直角坐標機器人涉及到很多方面的工作，包括機械結(jié)構(gòu)、 動力驅(qū)動、伺服控制等等。（四）機器人設(shè)計特點：1、機器人的設(shè)計是一個復(fù)雜的工作，工作量很大，涉及的知識面很多，往往需要多人完成。2、機器人設(shè)計是面向客戶的設(shè)計，不是閉門造車。設(shè)計者需要經(jīng)常和用戶 在一起，不停分析用戶要求，尋求解決方案。3、機器人設(shè)計是面向加工的設(shè)計，再好的設(shè)計，如果工廠不能加工出產(chǎn)品， 設(shè)計也是失敗的，設(shè)計者需要掌握大量

31、的加工工藝及加工手段。4、機器人設(shè)計是一個不斷完善的過程。（五）機器人設(shè)計流程：1 、使用要求的分析：每一個機器人都是根據(jù)特定的要求的產(chǎn)生而設(shè)計的， 設(shè)計的第一步就是要將使用要求分析清楚，確定設(shè)計時需要考慮的參數(shù)，包括： 機器人的定位精度，重復(fù)定位精度；機器人的負載大小，負載特性；機器人運動的自由度數(shù)量，每自由度的運動行程；機器人的工作周期或運動速度，加減速特性；機器人的運動軌跡，動作的關(guān)聯(lián)；機器人的工作環(huán)境、安裝方式；機器人的運行工作制、運行壽命；其他特殊要求；2、機械模型初建：機器人從機械結(jié)構(gòu)分大體可分為龍門結(jié)構(gòu)、壁掛結(jié)構(gòu)， 垂掛結(jié)構(gòu)，根據(jù)安裝空間的要求選擇不同的結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、

32、運動特性都是不一樣的。后續(xù)的設(shè)計必須是基于一個確定的結(jié)構(gòu)。圖2-4機器人的基本結(jié)構(gòu)圖運動性能計算：有關(guān)該性能的參數(shù)有:平均速度：v=s/t加速度/減速度：a=f/m其中：s為運動行程t為定位運動時間最大速度：vmax=atf加速時的驅(qū)動力mt1動物體質(zhì)量和4、力學(xué)特性分析一個機器人是由許多定位單元組成的， 每根定位系統(tǒng)都要分析。需要分析的 項目如下：-17圖2-5力學(xué)分析圖水平推力fx正壓力fz側(cè)壓力fymx my mz5、機械強度校核：每個定位單元，每個梁都要進行校核，尤其雙端支撐梁和懸臂梁圖2-6 撓 度 變 形 圖1） 撓度變形計算l4-4- f叩-et192f：負載（n）;l:定位單元

33、長度（mm ;e:材料彈性模量；i :材料截面慣性矩（mm4）;f :撓度形變（mm注意：在計算撓度形變時，梁的自重產(chǎn)生的變形不能忽視，梁的自重按均布 載荷計算。以上公式計算的是靜態(tài)形變，實際應(yīng)用中，因為機器人一直處于運動狀態(tài)，必須計算加速力產(chǎn)生的形變，形變直接影響機器人的運行精度。2）扭轉(zhuǎn)形變計算：當(dāng)一根梁的一端固定，另一端施加一個繞軸扭矩后，將產(chǎn)生扭曲變形。實際 應(yīng)用中產(chǎn)生該形變的原因一般是負載偏心或有繞軸加速旋轉(zhuǎn)的物體存在。三軸機械手臂的設(shè)計驅(qū)動元件選擇常用的驅(qū)動系統(tǒng)有：交流/直流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)、步進電機驅(qū)動系統(tǒng)、直 線伺服電機/直線步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。每一個驅(qū)動系統(tǒng)都由電機和驅(qū)動器兩部

34、分組成。驅(qū)動器的作用是將弱電信號 放大，將其加載在驅(qū)動電機的強電上， 驅(qū)動電機。電機則是將電信號轉(zhuǎn)化成精確 的速度及角位移。需要計算的項目如下：電機功率：電機扭矩：電機轉(zhuǎn)速：減速機減速比電機慣量/負載慣量的匹配關(guān)系人心泡ij度?i=卓聰朱；必.阜大用壓川府，優(yōu)f!蚪京奉同至施兆錦班動計算公司f*p*s風(fēng)=- zu&'ip + m_ m/n=9550f =驅(qū)動推力附p二同舜匏動輪尺寸(mmsi=安全系數(shù)h =空囁扭矩(mm)忖二同步輪轉(zhuǎn)速(mn，m產(chǎn)鴕動扭矩（rn）po=電機功率(hw)圖2-7扭轉(zhuǎn)力矩分析圖7、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計在完成了前面六項工作后，一個直角坐標機器人定位系統(tǒng)的雛形

35、就已經(jīng)在設(shè)計者的頭腦中形成了，接下來的工作就是將雛形畫成工程圖，以便生產(chǎn)。 機器人 的運動軌跡具有不確定性，靈活多變， 往往在一個位置不存在位置干涉， 但到下 一個位置就干涉了。8、設(shè)備壽命校核機械結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，要對整臺設(shè)備進行壽命計算，核心元件的壽命到要計 算，如機器人軌道的壽命，減速機的壽命，伺服電機的壽命等。機器人的運行壽命與運行速度、負載大小、結(jié)構(gòu)形式、工作環(huán)境、工作制等 有關(guān)。如果發(fā)現(xiàn)機器人的運行壽命太短，需要重新調(diào)整設(shè)計。以上為一個機器人機械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計方法，至于控制系統(tǒng)部分這里不加說-212.2機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.2.1 機器人的總體設(shè)計（一）主體結(jié)構(gòu)設(shè)計工業(yè)機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)

36、計的主要問題是選擇由連桿件和運動副組成的坐標 形式。本次設(shè)計的三軸伺服驅(qū)動機器人的坐標形式是直角坐標式機器人，主要完成3軸可以同時模擬操作員取出動作,能連續(xù)運動并有 儀由水平旋轉(zhuǎn)功能。（二）傳動方式傳動方式選擇是指選擇驅(qū)動源及傳動裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動形 式，主要包括：（1）直接連接傳動：驅(qū)動源或帶有機械傳動裝置直接與關(guān)節(jié)相 連。（2）遠距離連接傳動：驅(qū)動源通過遠距離機械傳動后與關(guān)節(jié)相連。（3）問 接驅(qū)動：驅(qū)動源經(jīng)一個速比遠大于1的機械裝置與關(guān)節(jié)相連。（4）直接傳動：驅(qū) 動源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個速比等于1的機械傳動這樣的中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相 連。（三）模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化機器人是有一些

37、標準化、系列化的模塊件通過具有特殊功能的結(jié)合部用積 木拼接的方式組成一個工業(yè)機器人系統(tǒng)。模塊化設(shè)計是指基本模塊設(shè)計和結(jié)合部 設(shè)計。模塊化工業(yè)機器人主要的特點是：經(jīng)濟性、靈活性。（四）材料的選擇與一般機械設(shè)備相比，機器人結(jié)構(gòu)的動力特性是十分重要的， 這是材料選擇的出 發(fā)點。材料選擇的基本要求是：強度高、彈性模量大、重量輕、阻尼大、材料價 格低。2.2.2 機械手的傳動部件設(shè)計傳動部件是驅(qū)動源和機器人各個關(guān)節(jié)連接的橋梁，是工業(yè)機器人的重要部件。 機器人的運動速度、加速度（減速度）特性、運動平穩(wěn)性、精度、承載能力很大 程度上是取決于傳動部件設(shè)計的合理性和優(yōu)劣。因此，關(guān)節(jié)傳動部件的設(shè)計是工 業(yè)機器人設(shè)

38、計的關(guān)鍵之一。1 ）移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌工業(yè)機器人對移動導(dǎo)軌的要求移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌的目的是在運動過程中保證位置精度和導(dǎo)向，對移動導(dǎo)軌有如下要求：間隙小或者能消除間隙；再垂直于運動方向上的剛度高；摩擦系數(shù)低并不隨速度變化；高阻尼；移動導(dǎo)軌和其輔助元件尺寸小、慣量低。移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌主要分類：普通滑動導(dǎo)軌、液壓動壓滑動導(dǎo)軌、液壓靜壓滑動導(dǎo)軌、 氣浮導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。上面介紹的導(dǎo)軌中，前兩種具有結(jié)果結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點，但是必須有間隙以便潤滑，但是間隙的存在又將會引起坐標的變化和有效負載的變化，在低速時候容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。第三種靜壓滑動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生預(yù)載荷，能完全消除間隙， 具有高剛度、低摩擦、高阻尼等優(yōu)點，但是它

39、需要單獨的液壓系統(tǒng)和回收潤滑油 的機構(gòu)。第四種氣浮導(dǎo)軌不需要回收潤滑油的機構(gòu)，但是剛度和阻尼較低。第五種滾動導(dǎo)軌在工業(yè)機器人導(dǎo)軌種用的是最廣泛， 具有很多的優(yōu)點：1摩擦小，特別 是不隨速度變化；2尺寸小;3剛度高承載能力大；4精度和精度保持度高；5潤滑簡 單;6容易制造成標準件；7易加預(yù)載，消除間隙，增加剛度等等。但是，滾動導(dǎo)軌 用在機器人機械系統(tǒng)也存在著缺點:1阻尼低;2對臟物比較敏感.2）傳動件的定位及消隙傳動件的定位主要有：電氣開關(guān)定位機械擋塊定位伺服定位系統(tǒng)定位傳動件的消隙主要有：消隙齒輪柔性齒輪消隙對稱傳動消隙偏心機構(gòu)消隙齒廓彈性覆層消隙2.2.3機械手的臂部設(shè)計工業(yè)機器人臂部設(shè)計的

40、基本要求：1、剛度高。為了防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面彎曲剛度一般比截面大； 空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支撐板。2、導(dǎo)向性好。為防止手臂在直線運動中，沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形，花鍵等形式的臂桿。3、重量輕。為提高機器人的運動速度，要盡量減小臂部運動部分的重量，以減 小整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。4、運動平穩(wěn)定位精度局。除了臂部設(shè)計上要求力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕外，同時要采用一定形式的緩沖措施。常用的臂部結(jié)構(gòu)有：1 、手部直線運動機構(gòu)；機器人手臂的伸縮，橫向移動均屬于直

41、線運動。實現(xiàn)手臂往復(fù)直線運動的機構(gòu)形 式比較多，常用的有活塞油（氣）缸，齒輪齒條機構(gòu)，絲杠螺母機構(gòu)以及連桿機 構(gòu)等。由于活塞（氣）缸的體積小，重量輕，因而在機器人結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的比較多。2 、手臂回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)實現(xiàn)機器人手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸, 齒輪傳動機構(gòu)，鏈輪傳動機構(gòu)，活塞缸和連桿機構(gòu)等。2.3 三軸伺服驅(qū)動機器人機構(gòu)的特點1、完美的重現(xiàn)性和定位精度。三軸伺服驅(qū)動機器人機構(gòu)采用先進的高精 度的主要機構(gòu)部件。三軸采用最先進的伺服馬達和最高等級低背隙減速機。2 、具有高剛性，高精度，防塵防落物，經(jīng)濟耐用等特點，而且結(jié)構(gòu)緊湊輕 巧，運動響應(yīng)快，速度高?？梢蕴峁┒喾N組合方式

42、，裝配和維護簡單，操作容 易。3 、三軸運動采用最先進的伺服馬達和最高等級低背隙的減速機（展現(xiàn)出完美的重現(xiàn)性與定位精度）三軸運動的傳動皆采用高剛性的齒輪加齒排的機構(gòu)。二軸機械手臂的設(shè)計第三章工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析3.1 工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析3.1.1 機器人的運動概述工業(yè)機器人的運動，可從工業(yè)機器人的自由度，工作空間和機械結(jié)構(gòu)類型 等三方面來討論。1、工業(yè)機器人的運動自由度所謂機器人的運動自由度是指確定一個機器人操作位置時所需要的獨立運 動參數(shù)的數(shù)目，它是表示機器人動作靈活程度的參數(shù)。本設(shè)計的工業(yè)機器人具有轉(zhuǎn)動副和移動副兩種運動副，具有 y軸手臂垂直 伸降運動，c軸水平旋轉(zhuǎn)運動，x軸和z

43、軸往復(fù)運動三自由度。2 、機器人的工作空間和機械結(jié)構(gòu)類型(1)工作空間工作空間是指機器人正常運行時，手部參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術(shù)參數(shù)。本次設(shè)計所用的apexrobot技術(shù)參數(shù)及apexrobot機構(gòu)圖如下：model no. c sc900 fuu sci wo tioosc1300boo1232 17101352 19501472 t1302746 17392986 19393166 2139n360480600機型軸行程m)最大取重 (kg)本機凈重 (kg)僮庠空寫壓力引拔(n)上下©wfr(i)sc900|單截式.fioo90017l012520sch

44、oo單載式78011001q5012s30sc1300單截式3001300213012540sc900d雙限60090017l01253。sc1100d雙限7801100ld502540sc130od川13002130125505kk/cm23c1500d取做3501boo219030t10£匚1700口雙teth90170023 l030730sc2000c雙號；4302000249030750sc250od雙版1550250030lo50980sc3000d雙時197030003010501000-23extension traverse available : 2600mm &

45、amp; 3000mm|w) lokci unmmty三軸機械手臂的設(shè)計-25 -452=-三軸機械手臂的設(shè)計-#(2)機械結(jié)構(gòu)類型直角坐標型機器人為本設(shè)計所采用方案，這種運動形式是自由度運動，每 個運動之間都是直角關(guān)系，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間是垂直的。 它是自動控制的，可以通過編程使各部分協(xié)調(diào)運動，這種機器人運動靈活，有 高可靠性、高速度和高精度。同時它們還可以在惡劣環(huán)境下工作，可長期工作, 便于操作與維修。下文w 乂本ihajmghai j1a0 tong uln m usin三軸機械手臂的設(shè)計3.2工業(yè)機器人運動控制3.1.2機器人的驅(qū)動方式機器人驅(qū)動分為液壓，氣動和電動三

46、種形式.1、液壓驅(qū)動分類：從運動形式來分分為直線驅(qū)動如直線運動液壓缸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動如液壓 馬達，擺動液壓缸.從控制水平的高低來分分為開環(huán)控制液壓系統(tǒng)和閉環(huán)控制 液壓系統(tǒng).適用范圍：液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比，適合于大負載的情形. 液壓驅(qū)動的本質(zhì)優(yōu)點在于它的安全性.2、氣壓驅(qū)動：分類：直線氣缸，擺動汽缸及旋轉(zhuǎn)氣動馬達.適用范圍：適合于節(jié)拍快，負載 小且精度要求不高的場合（因為空氣具有可壓縮性）.3、電力驅(qū)動：分類：按照電機的工作原理不同分為步進電機，直流伺服電機，無刷電機等. 按照控制水平的高低來分分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng).適用范圍：適合于中等負載，特別適合于動作復(fù)雜，運動軌跡嚴格的各類機器

47、人.對驅(qū)動裝置的要 求驅(qū)動裝置的質(zhì)量盡可能要輕.單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率高.反應(yīng)速度要 快.要求力質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大.動作平滑，不產(chǎn)生沖擊.控制靈活，位 移偏差和速度偏差小.安全可靠.操作維修方便等.一般情況下機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇是物料搬運用有限點位控制的程序控制 機器人，重負載用液壓驅(qū)動，中等載荷可選用電動驅(qū)動系統(tǒng)，輕載荷可選用氣 動驅(qū)動系統(tǒng)。沖壓機器人多用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。電動驅(qū)動隨著低慣量、直流伺服電機及配套的伺服驅(qū)動器的廣泛采用， 這種驅(qū)動系統(tǒng)被大量選用 。本次設(shè)計所采用的驅(qū)動方式有兩種。其中x軸和y軸是使用電機來提供動力，電動機經(jīng)減速器帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪帶動齒條分配各軸直線移

48、動；另外z方 向是通過直線氣缸直接驅(qū)動 z軸工作臺的運動。-29第四章三軸伺服驅(qū)動機器人典型零件的設(shè)計4.1伺服電機的選擇伺服電機是在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的 電-機械轉(zhuǎn)換器。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確。交流伺服電機是無刷電機，分為同步和異步電機，伺服電機可使控制速度， 位置精度非常準確。主要優(yōu)點有：1、精度：實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問題； 2、轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達到 20003000w;3、適應(yīng)性：抗過載能力強，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負載，對有瞬間負載波動 和要求快速起動的場合特別適用；4、穩(wěn)定：低速運行平穩(wěn)

49、，適用于有高速響應(yīng)要求的場合；5、及時性：電機加減速的動態(tài)相應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；6、舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。伺服電機的應(yīng)用領(lǐng)域很多。只要是要有動力源的，而且對精度有要求的一 般都可能涉及到伺服電機。如機床、印刷設(shè)備、包裝設(shè)備、紡織設(shè)備、激光加 工設(shè)備、機器人、自動化生產(chǎn)線等對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求 相對較高的設(shè)備。根據(jù)以上所述的伺服電機的特點及應(yīng)用場合，本次設(shè)計采用了交流伺服電機可以滿足設(shè)計要求。這種電機受工藝限制，很難做到很大的功率，十幾kw以上的同步伺服電機價格很貴，故多采用交流異步伺服電機。本次所采用的是110st-m型號的交流伺服電機，其外形及相關(guān)尺寸如下外

50、形圖figure外網(wǎng)尺寸二所選的110st-m401q®號的交流伺服電機的有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)如表 4-11、一般伺服電機選擇考慮的問題（1）電機的最高轉(zhuǎn)速電機選擇首先依據(jù)機械手快速行程速度?？焖傩谐痰碾姍C轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴格控制 在電機的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。v max u “3 n 10 nnomph式中，nnom為電機的額定轉(zhuǎn)速（rpm）; n為快速行程時電機的轉(zhuǎn)速（rpm）; v max 為直線運行速度（m/min） ； u為系統(tǒng)傳動比，u=n電機/n絲杠；ph絲杠導(dǎo)程（mm。 （2）慣量匹配問題及計算負載慣量為了保證足夠的角加速度使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏和滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，負載慣量jl應(yīng)限制在2.5倍電機

51、慣量jm之內(nèi)，即ji<2.5jm。m. 2 n2jvjjljj 一mj 一j 1j 1式中，jj為各轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2； wj為各轉(zhuǎn)動件角速度，rad/min ； mj為各移動件的質(zhì)量，kg; vj為各移動件的速度，m/min； w為伺服電機的 角速度，rad/min。（3）空載加速轉(zhuǎn)矩空載加速轉(zhuǎn)矩發(fā)生在執(zhí)行部件從靜止以階躍指令加速到快速時。一般應(yīng) 限定在變頻驅(qū)動系統(tǒng)最大輸出轉(zhuǎn)矩的80%以內(nèi)。2 n（ jl jm）t max tf ta max 80%60tac式中，ta max為與電機匹配的變頻驅(qū)動系統(tǒng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩（ n.m）； tmax為空 載時加速轉(zhuǎn)矩（n.m）;tf為

52、快速行程時轉(zhuǎn)換到電機軸上的載荷轉(zhuǎn)矩 （n.m）;為 快速行程時加減速時間常數(shù)（ms）。（4）切削負載轉(zhuǎn)矩在正常工作狀態(tài)下，切削負載轉(zhuǎn)矩 tms不超過電機額定轉(zhuǎn)矩tms的80% 1 2 一t ms t cd t ms式中，tc為最大切削轉(zhuǎn)矩（n.m）; d為最大負載比。（5）連續(xù)過載時間連續(xù)過載時間 應(yīng)限制在電機規(guī)定過載時間 之內(nèi)。上裔文m 乂學(xué)j1ad tong ulnmjfcmn三軸機械手臂的設(shè)計4.2 減速機的選擇在選好電機后，為了增大扭矩和速比，一般在電機后接上減速機，這樣也 能提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？梢约僭O(shè)電機與減速機是通過鍵連接來傳遞運動的，可以通過已經(jīng)選好的 電機的型號、功率、轉(zhuǎn)矩

53、和轉(zhuǎn)速選擇合適的減速機。選擇 apexrobot中的ab系 列的減速機，其中的ab142p040350040系列減速機適合與之前所選的電機相匹配。其外形及相關(guān)尺寸如圖4-2:圖4-24.3 齒輪齒條的選擇如上所述，采用電機驅(qū)動，因為本次設(shè)計是直角坐標機器人機構(gòu)設(shè)計，需 要三軸直線運動。故采用齒輪齒條傳動將電機的選擇運動轉(zhuǎn)變成齒條的直線運 動。齒輪齒條傳動具有傳動比準確， 傳動效率高的優(yōu)點，而且它們的結(jié)構(gòu)緊湊， 工作可靠，使用壽命也很長。齒輪齒條傳動時使用最普遍的一種傳動方式。假設(shè)所選齒輪的參數(shù)如下：標準直齒圓柱齒輪 模數(shù)m = 3.5 （m是決定齒輪尺寸的基本參數(shù)，已標準化）齒數(shù)z = 42因

54、為所選為標準齒輪，故壓力角20 變位系數(shù)x 0齒頂高系數(shù)h 1齒頂隙系數(shù)c 0.25齒頂過渡圓角半徑0齒根過渡圓角半徑1.14有效齒輪42-#三軸機械手臂的設(shè)計精度0.01有效齒起始角00以下是齒輪的設(shè)計報告漸開線圓柱齒輪傳動設(shè)計報告一、設(shè)計信息設(shè)計者 name=wang xiufa二、設(shè)計參數(shù)傳遞功率p=7.50(kw)傳遞轉(zhuǎn)矩t=49.05(n - m)齒輪 1 轉(zhuǎn)速 n1=1460(r/min)齒輪 2 轉(zhuǎn)速 n2=500(r/min)傳動比i=2.92原動機載荷特性sf1至微振動工作機載荷特性wf羽勻平穩(wěn)預(yù)定壽命h=10000(小時)三、布置與結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式cons=#s；齒輪1布置形式cons1=xt稱布置齒輪2布置形式cons2=m稱布置四、材料及熱處理齒面嚙合類型gface=c齒面熱處理質(zhì)量級別q=ml齒輪1材料及熱處理 met1=34crni3mo<h質(zhì)>齒輪1硬度取值范圍hbsp1=269- 341齒輪1硬度hbs1=30