焊接機器人本體設(shè)計-六自由度弧焊機器人【三維SW模型】

PAGEi摘要全套圖紙加V信153893706或扣3346389411機器人是一種集機械、電子、傳感技術(shù)、控制技術(shù)等多種現(xiàn)代技術(shù)于一體的機電一體化產(chǎn)品。進入80年代，隨著自動化生產(chǎn)流水線以及柔性生產(chǎn)系統(tǒng)（FMS）和柔性自動化（FA）在工業(yè)生產(chǎn)中的大量應(yīng)用，機器人發(fā)揮著越來越重要的作用。機器人的特點是能在自動控制下通過編程完成目標操作或移動作業(yè)；機器人的構(gòu)造和性能體現(xiàn)了人和機器各自的優(yōu)點，特別是體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性以及機器的作業(yè)準確性和在各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。綜觀機器人發(fā)展的歷史和高新技術(shù)的發(fā)展趨勢，可以斷言，機器人必將成為現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展中不可缺少的必備工具。本文設(shè)計了一種關(guān)節(jié)式機器人，具有六個自由度，其中手腕關(guān)節(jié)具有三個自由度，其它的關(guān)節(jié)各具有一個自由度，各個關(guān)節(jié)采用電機驅(qū)動。本設(shè)計主要介紹關(guān)于機器人的一些基本常識和原理，包括機器人的組成、分類和主要技術(shù)性能參數(shù)并參考通用型機器人的結(jié)構(gòu)，進行六自由度弧焊機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和其計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計。本設(shè)計從實際情況出發(fā)，對機器人的機構(gòu)可行方案進行了充分論證，用Pro/Engineer和Auto-CAD等軟件設(shè)計出了機器人本體結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：六自由度；弧焊機器人；控制系統(tǒng)PAGEvABSTRACTTherobotisthemechanical-electricalproductionwhichiscomposedofthetechniqueofmechanical、electrical、sensor、control.Comingthe80age,withtheapplicationoftheautomaticmanufacturepipelining、flexiblemanufacturesystemandflexibleautomation,therobotwillexerttheprofoundinfluenceonthis.Acharacteristicoftherobotisitsabilitytocompleteobjectmanipulationormovingtaskthroughprogrammingundertheauto-control.Theconstitutionandperformanceoftherobotembodyeachqualityofthemanandrobot,especiallytheman’sintelligenceandapplicabilityaswellastheveracityoftherobot’staskandtheabilityofcompletingtaskundereachenvironment.Ajointtyperobotwasdesignedinthispaper．Ithadsixdegreesoffreedom．Thewristhadthreedegreesoffreedomandtheotherjointshadthreedegreesoffreedom．Thepaintingrobot’sjointsweredrivenbymotors．Thisschemeintroducedsomebasicinformationandtheoryoftherobots.Itisincludedthatthecompositionoftherobot,thegroupoftherobot,andthemaincapabilityoftechnology.Itconsultedthestructureofthecommonrobottodesignthestructureandcomputercontrolsystemofsixdegreesoffreedomrobot.Afterdemonstratingthefeasibilityofrobotmechanics,thearticlehavedesignedtherobot’sentitystructurewithPro/engineerandAuto-CADandotherwisesoftwarefromthematteroffact.KEYWORDS：Sixdegreesoffreedom；Arcweldingrobot；Controlsystem目錄TOC\o"1-3"\h\z29133摘要 i14146ABSTRACT ii26100目錄 iii153861緒論 1134742機器人的簡介及發(fā)展 2135812.1機器人的概念 294622.1.1操作機 2133592.1.2驅(qū)動單元 247002.1.3控制裝置 367152.2機器人的研究發(fā)展狀況 324602.3機器人的發(fā)展趨勢 571482.4機器人的基本組成及技術(shù)參數(shù) 690392.4.1機器人的基本組成 6294682.4.2機器人的技術(shù)參數(shù) 7120382.5機器人的分類及應(yīng)用 886502.5.1機器人的分類 873362.5.2機器人的應(yīng)用領(lǐng)域 1078062.6機器人的優(yōu)點 12158323六自由度弧焊機器人的總體設(shè)計 13155253.1腕部設(shè)計 1318843.1.1電機的選擇 13309293.2小臂的設(shè)計 15314463.2.1小臂設(shè)計的總體要求 15204883.2.2電機的選擇 16254383.2.3齒輪的設(shè)計與校核計算 19170333.3大臂的設(shè)計 2291383.3.1大臂設(shè)計的總體要求 22260273.3.2電機的選擇 2228373.3.3齒輪的設(shè)計與校核計算 24178603.4腰關(guān)節(jié)的設(shè)計 2736173.4.1腰關(guān)節(jié)設(shè)計的總體要求 2782503.4.2電機的選擇 27274053.5傳感器的選擇 29325573.6本章小結(jié) 29156684帶傳動的總體設(shè)計 30192884.1帶傳動的設(shè)計 3025069結(jié)論 3320000致謝 3424806參考文獻 35PAGEPAGE34緒論“機器人”(Robot)是1920年捷克作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表的科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》中塑造的形象。劇中，羅薩姆公司把機器人作為人類生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品推向市場，讓它去充當勞動力，以呆板的方式從事繁重的勞動。后來，羅薩姆公司使機器人具有了感情，在工廠和家務(wù)勞動中，機器人成了必不可少的成員。在劇本中，卡佩克把捷克語“Robota”(農(nóng)奴)寫成了“Robot"(機器人)。這也是人類社會首次使用“機器人”這一概念。1987年國際標準化組織對機器人進行了定義:“機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。”我國科學家對機器人的定義是:“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。宋健教授1999年7月5日在國際自動控制聯(lián)合會第14屆大會報告中所指出的：“機器人學的進步和應(yīng)用是本世紀自動控制最有說服力的成就，是當代最高意義上的自動化。”機器人技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生根本性的變化，而且將對人類的社會生活產(chǎn)生深遠的影響?？茖W的進步與技術(shù)的創(chuàng)新，為機器人的研究與應(yīng)用開辟了廣闊的思路與空間。本次設(shè)計是對六自由度弧焊機器人的二維設(shè)計，該設(shè)計是機械設(shè)計研究所的一項科研項目。我所做的設(shè)計是在老師及其他同學的幫助下，同過運用CAD軟件來完成。結(jié)合所學的本專業(yè)的機械基礎(chǔ)知識，針對六自由度弧焊機器人的特點及功能要求進行研究，在指導老師的幫助下進行對該機械產(chǎn)品的設(shè)計，這對我們是一種很好的鍛煉機會，而且也是對我們專業(yè)知識的檢驗。我們可以找到自己的缺點和不足，并充實自己的知識。機器人的簡介及發(fā)展機器人的概念機器人是一個在三維空間中具有較多自由度，并能實現(xiàn)較多擬人動作和功能的機器，而機器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機器人。美國機器人工業(yè)協(xié)會提出的機器人定義為：“機器人是一種可重復(fù)編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機”。英國和日本機器人協(xié)會也采用了類似的定義。我國的國家標準GB/T12643-90將機器人定義為：“機器人是一種能自動定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機。能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。而將操作機定義為：“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置”。機器人系統(tǒng)一般由操作機、驅(qū)動單元、控制裝置和為使機器人進行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。操作機操作機是機器人完成作業(yè)的實體，它具有和人手臂相似的動作功能。通常由下列部分組成：（1）末端執(zhí)行器又稱手部是機器人直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是機器人直接與工作對象接觸以完成作業(yè)的機構(gòu)。（2）手腕是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴大手臂的動作范圍，一般有2～3個回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。（3）手臂它由機器人的動力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時包括肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)，即手臂與手臂間。手臂與機座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運動范圍。（4）機座有時稱為立柱，是機器人機構(gòu)中相對固定并承受相應(yīng)的力的基礎(chǔ)部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿邮絻深?。驅(qū)動單元它是由驅(qū)動器、檢測單元等組成的部件，是用來為操作機各部件提供動力和運動的裝置?？刂蒲b置它是由人對機器人的啟動、停機及示教進行操作的一種裝置，它指揮機器人按規(guī)定的要求動作。機器人的研究發(fā)展狀況機器人有50至60年的發(fā)展歷史。1959年美國的發(fā)明家英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺機器人，機器人第一次出現(xiàn)在人們的視野中。英格伯格在大學時攻讀的伺服電機理論，伺服電機理論是一種研究機構(gòu)如何能更好地跟蹤控制信號的理論。德沃爾于1946年發(fā)明了一種可以“重演”記錄的運動的機器。德沃爾又于1954年獲得可編程機械手專利，這種機械手臂能夠按程序進行工作，同時也可以根據(jù)不同的工作需要以及工作對象編制不同的控制程序，因此在實際工作中具有很好通用性和靈活性。英格伯格和德沃爾都是研究機器人的著名發(fā)明家，他們都認為汽車工業(yè)是最適于用機器人的行業(yè)，因為汽車制造行業(yè)是用重型機器進行工作的，而且生產(chǎn)過程比較固定。英格伯格和德沃爾又于1959年聯(lián)手制造出第一臺機器人。這種機器人外形類似于坦克炮塔，基座上安裝有一個大機械臂，大臂可繞軸在基座上轉(zhuǎn)動，大臂的末端又可以伸出一個小機械臂，它相對大臂可以做伸縮運動。小臂的末端裝有一個手腕，可繞小臂的軸線旋轉(zhuǎn)。手腕的末端裝有機械手。這臺機器人成為世界上第一臺真正可以用于實際工作的機器人。此后英格伯格和德沃爾成立了尤尼梅遜公司，進而創(chuàng)辦了世界上第一家機器人制造工廠。他們因此被稱為機器人之父。1962年美國機械與鑄造公司也制造出機器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思是“萬能搬動”。這兩家公司制造的機器人成為了世界上最早的而且至今仍在使用的機器人。近六十年來機器人的發(fā)展史，大致經(jīng)歷了三個重要的階段。第一階段為簡單個體類機器人，第二階段為群體勞動類機器人，第三階段為類似人類的智能機器人。機器人發(fā)展是向著有知覺、有思維、能與人對話的方向發(fā)展的。到了二十世紀九十年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，機器人技術(shù)也有了質(zhì)的飛躍。除了機器人的性能不斷提高之外，各種各樣的用于其他行業(yè)的機器人也有了巨大的進展。機器人的發(fā)展非常迅速，下面對幾個重要的研究的方向做簡單的介紹。機器人操作機：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。并聯(lián)機器人：主體采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機器人技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)?？刂葡到y(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設(shè)備向標準化設(shè)備發(fā)展。由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。先進機器人的發(fā)展也異常迅速。近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴大，機器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。下面就幾個研究熱點做一簡單的介紹。水下機器人：目前主要用于海洋石油開采、海底勘查、落水人員救撈、管道鋪以及電纜的鋪設(shè)和維護。主要有有纜水下機器人和無纜水下機器人兩大類?？臻g機器人：空間機器人技術(shù)一直是機器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機器人。如美國NASA的空間機器人等。美國NASA的空間機器人是一輛自主移動車，重量為11.5kg，外型尺寸630~48mm，有6個車輪，它在火星探測上的成功應(yīng)用，引起了全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。核工業(yè)用機器人：國外的研究方向主要集中在機構(gòu)靈巧、動作準確可靠、響應(yīng)速度快、重量輕、剛度和強度良好、裝有便于裝卸與維修的高性能伺服機械手以及能半自主和自主移動到任意位置。地下機器人：地下機器人主要有挖掘機器人和地下管道檢修機器人兩大類。目前日、美、德等發(fā)達國家已研制出了用于石油、天然氣輸送管道檢修的地下機器人。各種挖掘機器人以及自動化系統(tǒng)也正在研制當中。醫(yī)用機器人：主要用于醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、機器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場感外科手術(shù)等。建筑機器人：如用于高層建筑的抹灰機器人、預(yù)制件安裝機器人、室內(nèi)裝修機器人、地面拋光機器人、用于擦玻璃的機器人等，并已經(jīng)應(yīng)用于實際生活中。軍用機器人：近年來，英、美、法、德等國已研究出的二代軍用智能機器人。其特點采用自主控制方式，能完成偵查、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場上具有、嗅和觸摸等能力，能夠自動跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動搜索、識別和消滅敵方目標的功能?？梢灶A(yù)見，在21世紀各種先進的機器人系統(tǒng)將會進入人類生活的各個領(lǐng)域。機器人的發(fā)展趨勢目前國際上各國都在加大機器人的研究力度，進行機器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。研究內(nèi)容主要有以下10個方面：1、機器人的操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步增強負載/自重比。向著模塊化、可重構(gòu)的方向發(fā)展。2、機器人控制技術(shù)：重點研究開放式和模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加清楚明朗，語言、圖形編程界面還正在研制當中。機器人控制器向著標準化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，基于PC機網(wǎng)絡(luò)式的控制器已成為當今世界研究的熱點。對于編程技術(shù)，除了進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。3、多傳感系統(tǒng)：為進一步提高機器人的智能性和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是這個問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點在于研制出有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一個問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。4、機器人的結(jié)構(gòu)越來越靈巧，控制系統(tǒng)也越來越小，二者正朝著一體化的方向發(fā)展。5、機器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機器人半自主和自主技術(shù)，多機器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進行遙控等。6、虛擬機器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙感操作和人機交互。7、多智能體調(diào)控制技術(shù)：這是目前機器人研究領(lǐng)域中的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。8、微型和微小機器人技術(shù)：這是機器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。過去該領(lǐng)域的研究幾乎是空白的，因此該領(lǐng)域研究的進展將會引起機器人技術(shù)的一場革命，并且對社會進步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機器人技術(shù)9、軟機器人技術(shù)：主要用于醫(yī)療、護理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機器人在設(shè)計是沒有考慮與人緊密共處，因此其所用材料多為金屬或硬性材料。軟機器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機器人意外地與環(huán)境或人碰撞時是安全的。10、仿人和仿生技術(shù)：這是機器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進行一些基礎(chǔ)研究。機器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)機器人的基本組成機器人系統(tǒng)由三大部分六個子系統(tǒng)組成。三大部分是：機械部分、傳感部分、控制部分。六個子系統(tǒng)是：驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。1．驅(qū)動系統(tǒng)要使機器人運行起來需給各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置，這就是驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動，或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；可以直接驅(qū)動或者通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構(gòu)進行間接驅(qū)動。2．機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機身、手臂、末端操作器三大件組成。每一大都有若干自由度，構(gòu)成一個多自由度的機械系統(tǒng)。若機身具備行走機構(gòu)便構(gòu)成行走機器人；若機身不具備行走及腰轉(zhuǎn)機構(gòu)，則構(gòu)成單機器人臂（SingleRobotArm）。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。3．感受系統(tǒng)它由內(nèi)部傳感器模塊組成，獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應(yīng)性和智能化的水準。人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是機器靈巧的。然而，對于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。4．機器人－環(huán)境交互系統(tǒng)機器人環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。機器人與外部設(shè)備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當然，也可以是多臺機器人，多臺機床或設(shè)備，多個零件存儲裝置等集成一個執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。5．人機交互系統(tǒng)人機交互系統(tǒng)是使操作人員參與機器人控制與機器人進行聯(lián)系的裝置。例如，計算機的標準終端，指令控制臺，信息顯示板，危險信號報警器等。歸納起來為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。6．控制裝置控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能。假如機器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)，適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運動的形式可分為點為控制和軌跡控制。機器人的技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)是個機器人制造商在產(chǎn)品供貨時所提供的技術(shù)數(shù)據(jù)。盡管各廠商所提供的技術(shù)參數(shù)項目是不完全一樣的，機器人的結(jié)構(gòu)、用途等有所不同，且用戶的要求也不同，但是，機器人的主要參數(shù)一般都應(yīng)有：自由度、重復(fù)定位精度、工作范圍、最大工作速度、承載能力等。1．自由度自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，不應(yīng)包括手爪(末端操作器)的開合自由度。在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)(簡稱位姿)需要六個自由度。但是，機器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計的，可能小于六個自由度，也可能大于六個自由度。從運動學的觀點看，在完成某一特定作業(yè)時具有多于自由度的機器人，就叫作冗余自由度機器人，亦可簡稱冗余度機器人。2．重復(fù)定位精度機器人精度是指定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度是指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異。重復(fù)定位精度是指機器人重復(fù)定位其手部與同一目標位置的能力，可以用標準偏差這個統(tǒng)計量來表示，它是衡量一列誤差值的密集度，即重復(fù)定。3．工作范圍工作范圍是指機器人手臂末端或手腕中心能到達的所有點的集合，也叫做工作區(qū)域。因為末端操作器的形狀和尺寸是多種多樣的，為了真實反映機器人的特征參數(shù)，所以是指不安裝末端操作器是的工作區(qū)域。4．最大工作速度最大工作速度，有的廠家指機器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度，有的廠家指手臂末端最大的合成速度，通常都在技術(shù)參數(shù)中加以說明。很明顯，工作速度愈高，工作效率愈高。但是，工作速度愈高就要花費更多的時間去升速或降速，或者對機器人的最大加速度率或最大減速度率的要求更高。5．承載能力承載能力是指機器人在工作范圍內(nèi)的任何姿勢上所能承受的最大質(zhì)量。承載能力不僅決定于負載的質(zhì)量，而且還與機器人運行的速度和加速度的大小和方向有關(guān)。為了安全起見，承載能力這一技術(shù)指標是指高速運行時的承載能力。通常，承載能力不僅指負載，而且還包括了機器人末端操作器的質(zhì)量。機器人的分類及應(yīng)用機器人的分類較好的分類原則是據(jù)構(gòu)成機器人的三大部分來分，如圖1-1所示：圖1-1機器人的分類根據(jù)機器人三部分的具體選擇可給出某個機器人的全稱，如：計算機控制具有視覺功能全電動關(guān)節(jié)型機器人。但是，一般很少使用全稱，通常就以機械部分的基本結(jié)構(gòu)來命名，也可直接使用廠家給出的機器人名稱。(一)按機器人的結(jié)構(gòu)分類1．五種基本坐標式機器人機器人的機械結(jié)構(gòu)部分可看作是由一些連桿通過關(guān)節(jié)組裝起來的。通常有兩種關(guān)節(jié)，即轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)。連桿和關(guān)節(jié)按不同坐標形式組裝，機器人可分為五種：直角坐標形式，圓柱坐標形式，球坐標形式，關(guān)節(jié)坐標形式及平面關(guān)節(jié)坐標形式。其坐標軸是指機械臂的三個自由度軸，并未包括手腕上的自由度。2．兩種冗余自由度結(jié)構(gòu)機器人(1)整體控制的柔軟臂機器人，它也叫象鼻子機器人。柔軟臂使用若干驅(qū)動源整體控制的，控制凸面圓盤的相對滾動，手臂可產(chǎn)生向任何方向柔軟的彎曲。由于凸面圓盤相對滾動的自由度很大，所以把這種柔軟臂機器人歸在冗余自由度結(jié)構(gòu)機器人中。哈爾濱工業(yè)大學機器人研究室設(shè)計了一種具有柔軟手腕的六自由度弧焊機器人，用于向任意空間曲面噴漆作業(yè)。(2)每一關(guān)節(jié)獨立控制的冗余自由度機器人直角坐標式機器人安放在一個可轉(zhuǎn)動的平臺上，增加了一個轉(zhuǎn)動自由度，成為冗余自由度機器人，這種機器人很適合機床上下料等應(yīng)用場合。3．模塊化結(jié)構(gòu)機器人機器人模塊化的主要含義是機器人由一些可供選擇的標準化模塊拼裝而成的，標準化模塊式具有標準化接口的機械結(jié)構(gòu)模塊.驅(qū)動模塊.控制模塊.傳感器模塊，并已系列化。(二)按機器人研究.開發(fā)和實用化的進程分類1．第一代機器人第一代機器人具有示教再現(xiàn)功能，或具有可編程的NC裝置，但對外部信息不具備反饋能力。2．第二代機器人第二代機器人不僅具有內(nèi)部傳感器而且具有外部傳感器，能獲取外部環(huán)境信息。雖然沒有應(yīng)用人工智能技術(shù)，但是能進行機器人-環(huán)境交互，具有在線自適應(yīng)能力。例如，機器人從運動著的傳送帶上送來的零件中抓取零件并送到加工設(shè)備上。因為送來的每一個零件具體位置和姿態(tài)是隨意的、不同的，要完成上述作業(yè)必須獲取被抓取零件狀態(tài)的在線信息。3．第三代機器人第三代機器人具有多種智能傳感器，能感知和領(lǐng)會外部環(huán)境信息，包括具有理解像人下達的語言指令這樣的能力。能進行學習，具有決策上的自治能力。機器人的應(yīng)用領(lǐng)域機器人的應(yīng)用領(lǐng)域自從20世紀60年代初人類創(chuàng)造了第一臺機器人以后，機器人就顯示出它極大的生命力，在短短40多年的時間中，機器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，機器人已在工業(yè)發(fā)達國家的生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，機器人已廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(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)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機器人、點焊機器人、分配機器人、裝配機器人、六自由度弧焊機器人及搬運機器人等機器人已被大量采用。在眾多制造業(yè)領(lǐng)域中，應(yīng)用機器人最廣泛的領(lǐng)域是汽車及汽車零部件制造業(yè)。2005年美洲地區(qū)汽車及汽車零部件制造業(yè)對機器人的需求占該地區(qū)所有行業(yè)對機器人需求的比例高達61%；同樣，亞洲地區(qū)的該比例也達到33%，位于各行業(yè)之首；雖然2005年由于德國、意大利和西班牙三國對汽車工業(yè)投資的趨緩直接導致歐洲地區(qū)汽車工業(yè)對機器人需求占所有行業(yè)對機器人需求的比例下降到了46%，但汽車工業(yè)仍然是歐洲地區(qū)使用機器人最普及的行業(yè)。目前，汽車制造業(yè)是制造業(yè)所有行業(yè)中人均擁有機器人密度最高的行業(yè)，如，2004年德國制造業(yè)中每1萬名工人中擁有機器人的數(shù)量為162臺，而在汽車制造業(yè)中每1萬名工人中擁有機器人的數(shù)量則為1140臺；意大利的這一數(shù)值更能說明問題，2004年意大利制造業(yè)中每1萬名工人中擁有機器人的數(shù)量為123臺，而在汽車制造業(yè)中每1萬名工人中擁有機器人的數(shù)量則高達1600臺。機器人還廣泛應(yīng)用于電子電氣行業(yè)、金屬制品業(yè)(包括機械)、橡膠及塑料工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。2005年，亞洲地區(qū)電子電氣行業(yè)對機器人的需求僅次于汽車及汽車零部件制造業(yè)，其占所有行業(yè)總需求的比例為31%；而在歐洲地區(qū)橡膠及塑料工業(yè)對機器人的需求則遠遠超過電子電氣行業(yè)而排名第二位；美洲地區(qū)由于汽車及汽車零部件制造業(yè)對機器人的需求遙遙領(lǐng)先，所以金屬制品業(yè)(包括機械)、橡膠及塑料工業(yè)以及電子電氣行業(yè)對機器人的需求比例相當，均在7%左右。隨著科學與技術(shù)的發(fā)展，機器人的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。目前，機器人不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)如采礦、冶金、石油、化學、船舶等領(lǐng)域，同時也已開始擴大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中。如，水下機器人、拋光機器人、打毛刺機器人、擦玻璃機器人、高壓線作業(yè)機器人、服裝裁剪機器人、制衣機器人、管道機器人等特種機器人以及掃雷機器人、作戰(zhàn)機器人、偵察機器人、哨兵機器人、排雷機器人、布雷機器人等軍用機器人都廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。而且，隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩，未來各種專業(yè)服務(wù)機器人和家庭用消費機器人將不斷貼近人類生活，其市場將繁榮興旺。機器人的優(yōu)點綜上所述，機器人的應(yīng)用給人類帶來了許多好處，如：(1)減少勞動力費用；（應(yīng)用機器人代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都設(shè)有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。）(2)提高生產(chǎn)率；(3)改進產(chǎn)品質(zhì)量；(4)增加制造過程的柔性；(5)減少材料浪費；(6)控制和加快庫存的周轉(zhuǎn)；(7)降低生產(chǎn)成本；(8)消除了危險和惡劣的勞動崗位。（在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。）我國機器人的應(yīng)用前景是十分廣泛的。但是，由于我國工業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱，勞動力比較豐富低廉，給機器人的發(fā)展和應(yīng)用帶來了一定的困難。只有符合我國的國情，才能推動和加快我國機器人的發(fā)展和應(yīng)用。因此，要注意三個問題：(1)發(fā)展經(jīng)濟型機器人。企業(yè)可望盡早取得投資效益；(2)發(fā)展特種機器人。在一些人力無法工作的領(lǐng)域里使用機器人，市場潛力大；(3)走企業(yè)技術(shù)改造道路。用機器人技術(shù)和其它高新技術(shù)去改造舊企業(yè)，促進機器人技術(shù)自身的發(fā)展和應(yīng)用。六自由度弧焊機器人的總體設(shè)計機器人總體設(shè)計的主要內(nèi)容有：確定基本參數(shù)、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計、手臂配置形式、位置檢測、驅(qū)動和控制方式等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時對其各部件的強度、剛度作必要驗算，根據(jù)具體情況設(shè)計程序。腕部設(shè)計電機的選擇手腕部分的電機的安裝：帶動噴槍旋轉(zhuǎn)的減速電機1安裝在回轉(zhuǎn)套內(nèi)帶動噴槍夾做旋轉(zhuǎn)運動，從而使噴槍時刻正對被加工。在回轉(zhuǎn)套外，帶動回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)的減速電機2安裝在回轉(zhuǎn)套支架的外側(cè)，帶動整個回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運動。這兩處的電機的安裝如圖2.2所示。帶動整個腕部旋轉(zhuǎn)的減速電機3與安裝在回轉(zhuǎn)套外側(cè)的帶有法蘭盤的空心軸通過脹緊套連接在也一起，這個安裝面與電機2的安裝面垂直，減速電機3帶動整個腕部做回轉(zhuǎn)運動。電機1帶動噴頭做旋轉(zhuǎn)運動，故此電機應(yīng)小巧靈便以減輕電機2的負擔，因此電機1應(yīng)該質(zhì)量輕、體積小且能滿足功率滿要求。同時電機軸要與噴槍夾末端的空心軸通過脹緊套連接在一起，因此電機輸出端的軸要進行適當?shù)募哟旨娱L?；剞D(zhuǎn)套的質(zhì)量也要盡量的小，所以材料為鋁合金類材料。假設(shè)噴頭的尺寸為φ50×200的圓柱體，由已知條件知質(zhì)量為3kg。圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量為：J=m(3R2+L2)=×3×(3×+)=0.01kgm2取噴槍的轉(zhuǎn)動角速度為ω=2rad/s，n=60r/min取啟動時間為0.1s由此轉(zhuǎn)動角加速度=20rad/s2計算力矩T為：T=J=0.628NmP=Tω=0.628×2=3.94故訂做的減速電機1的額定電壓為220V，輸出功率至少為4w，輸出轉(zhuǎn)矩至少為1Nm，轉(zhuǎn)速為1400r/min，減速箱的減速比為23。電機輸出軸端進行適當?shù)募哟旨娱L。電機2帶動回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運動。設(shè)回轉(zhuǎn)套為200×200×200的立方體。設(shè)回轉(zhuǎn)套、電機、減速器、短軸、鍵、噴槍及噴槍夾的質(zhì)量共5kg。長方體的轉(zhuǎn)動慣量公式為：J=m()由于回轉(zhuǎn)套為正方體，故b=h=0.2m所以繞回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量為：J=×5×()=0.03kgm2取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動角速度為:ω=2rad/s,n=60r/min取啟動時間為0.1s由此轉(zhuǎn)動角加速度=20rad/s2計算力矩T為：T=J=1.884NmP=Tω=1.884×2=11.83w故訂做的減速電機2的額定電壓為220V，輸出功率至少為12w，輸出轉(zhuǎn)矩至少為2Nm，轉(zhuǎn)速為1400r/min，減速箱的減速比為23。電機輸出軸端進行適當?shù)募哟旨娱L，并且在末端開鍵槽。電機3帶動整個腕部做回轉(zhuǎn)運動。電機通過脹緊套連接空心軸，所以電機輸出軸也要進行適當?shù)募哟旨娱L。設(shè)回轉(zhuǎn)套為232×100×350的立方體。設(shè)整個腕部、回轉(zhuǎn)套支架、聯(lián)軸器、短軸、電機、減速器等部件的質(zhì)量估算為12kg。長方體的轉(zhuǎn)動慣量公式為：J=m()由于回轉(zhuǎn)套為正方體，故:b=0.232m,h=0.1m所以繞回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量為：J=×5×()=0.064kgm2取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動角速度為ω=rad/s，轉(zhuǎn)速為n=30r/min取啟動時間為0.1s由此轉(zhuǎn)動角加速度=10rad/s2計算力矩T為：T=J=2.01NmP=Tω=2.01×2=6.23w故訂做的減速電機3的額定電壓為220V，輸出功率至少為7w，輸出轉(zhuǎn)矩至少為3Nm，轉(zhuǎn)速為1400r/min，減速箱的減速比為46。電機輸出軸端進行適當?shù)募哟旨娱L小臂的設(shè)計小臂設(shè)計的總體要求手臂桿的質(zhì)量應(yīng)該盡可能的小，從而減輕支撐它的大臂桿及它的驅(qū)動電機的負擔。同時小臂桿還要承受整個手腕的重量以及在運動中產(chǎn)生的動載荷。六自由度弧焊機器人的最大覆蓋范圍與各個手臂的長度、手臂間的關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍密切相關(guān)。因此設(shè)計手臂時，該充分考慮根據(jù)機器人所要完成任務(wù)而提出設(shè)計要求，從而確定手臂桿的大體結(jié)構(gòu)和長度。根據(jù)盡量減小手臂質(zhì)量同時保持一定強度的原則，從而合理的選擇手臂的截面形狀和所用的材料，既滿足強度要求又最大限度的降低自身重量。盡量減少對其關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量以及偏重力矩，以減少驅(qū)動裝置的負載，同時注意減少運動的動載荷與沖擊。設(shè)法減小機械間隙引起的運動誤差提高運動的精確性和運動剛度，可采用緩沖和定位裝置，從而提高定位精度。六自由度弧焊機器人的小臂俯仰機構(gòu)通過鉸鏈四桿機構(gòu)來完成，安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤上的直流伺服電機通過鉸鏈四桿機構(gòu)驅(qū)動小臂實現(xiàn)俯仰運動。采用鉸鏈四桿機構(gòu)的目的是把直流伺服電機放到腰部回轉(zhuǎn)盤上面，避免直接放到小臂與大臂的連接處，減輕小臂的重量，降低大臂驅(qū)動裝置的負載，減少運動過程中產(chǎn)生的動載荷與沖擊，提高整個六自由度弧焊機器人的響應(yīng)速度。電機的選擇首先計算動態(tài)轉(zhuǎn)矩，計算動態(tài)轉(zhuǎn)矩需計算轉(zhuǎn)動慣量。由于電機安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤上所以計算轉(zhuǎn)動慣量需要折算到大臂軸i軸上，我們只需要計算出轉(zhuǎn)動慣量最大時的情況，既當小臂與大臂共線時，小臂可視為繞i軸旋轉(zhuǎn)，此時整個小臂體對i軸的轉(zhuǎn)矩最大。1、小臂總體質(zhì)量的計算小臂的大體結(jié)構(gòu)為分段空心圓柱，材料為鋁合金體積V=l×A=0.4××/4＋0.4××0.22/4－0.8××0.162/4=0.007m3質(zhì)量m=V=2.7××0.007=18.9kg2、腕部結(jié)構(gòu)對i軸的轉(zhuǎn)動慣量腕部繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為=×m×(b2+h2)=0.03kgm2平移到i軸上=+m=0.03+5×(0.16+0.18＋0.8)2=6.53kgm23、回轉(zhuǎn)套支架對i軸的轉(zhuǎn)動慣量回轉(zhuǎn)套支架繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為=×m×(b2+h2)=0.064kgm2平移到i軸上=+m=0.064+7×(0.18＋0.8)2=6.79kgm24、小臂結(jié)構(gòu)對i軸的轉(zhuǎn)動慣量由于小臂是階梯狀前一段體積=0.002m3質(zhì)量==5.4kg，此外還要加上電機減速器軸聯(lián)軸器短軸的質(zhì)量共8kg。小臂前段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為=(3R2+L2)=0.22kgm2平移到i軸上=+m=0.22+8×(0.18＋0.8)2=20.7kgm2后一段體積=0.005m3質(zhì)量：==13.5kg小臂后段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為=(3R2+L2)=0.64kgm2平移到i軸上=+m=0.67+13.5×0.82=27.14kgm25、帶動小臂轉(zhuǎn)動的后桿和底桿對i軸的轉(zhuǎn)動慣量兩圓桿為鋁合金材料，圓形實心直桿。后桿的尺寸為100×1000，底桿的尺寸為100×400。當兩桿共線時，兩桿對i軸的轉(zhuǎn)動慣量最大。兩桿的體積之和=×/4×14=0.01m3==2.7××0.01=27kg兩段同一直線時繞兩段質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為：=(3R2+L2)=4.48kgm2平移到i軸上=+m=4.48+27×=17.71kgm26、對i軸總的轉(zhuǎn)動慣量以上計算的、、、、均是在轉(zhuǎn)動慣量最大的情況下計算得到的，所以用這些轉(zhuǎn)動慣量計算出的總力矩和功率，從而選擇的電機必然滿足六自由度弧焊機器人在其他工作狀態(tài)下的工作要求。對i軸總的轉(zhuǎn)動慣量為：=++++=78.87kgm27、總力矩和功率的計算取小臂的轉(zhuǎn)動角速度=/2rad/s，轉(zhuǎn)速為n=15r/min取啟動時間為1s由此轉(zhuǎn)動角加速度為=/2rad/s2慣性力矩T==78.87×/2=123.88Nm靜態(tài)力矩T：由于小臂的俯仰機構(gòu)采用的鉸鏈四桿機構(gòu)，小臂自身基本可以平衡，所以靜態(tài)力矩可以忽略不計。摩擦力矩T：摩擦力矩近似等于0.05倍的慣性力矩綜上所述總力矩T=1.05×T=124.49Nm取電機的轉(zhuǎn)速為=1500r/min，即角速度為=50rad/s則總的傳動比為:=/n=157/1.57=100故電機輸出端的負載力矩為T=T/=124.49/100=1.24Nm電機輸出端的功率為P=T×=1.24×50=194.77w8、選擇電機的型號一般對驅(qū)動元件有以下幾方面要求：（1）慣量小，動力大。驅(qū)動元件在六自由度弧焊機器人中主要用于回轉(zhuǎn)運動，所以轉(zhuǎn)動慣量要小，同時比功率要大一些。（2）體積小，重量輕。主要評價的性能指標是功率密度，由于驅(qū)動元件是安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤上的，如果驅(qū)動元件過大，就會導致腰部回轉(zhuǎn)盤過大，所以這里要求驅(qū)動元件的功率密度應(yīng)該盡可能的大些。（3）位置控制精度高，快速響應(yīng)性好，調(diào)速范圍大，低速平穩(wěn)。（4）振動小，噪聲小，安全可靠，運行平穩(wěn)。（5）效率高，消耗的能源要盡可能的小。直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性、調(diào)速平滑、方便、調(diào)速范圍大、轉(zhuǎn)速比可以達到1:200、過載能力大、軋鋼用直流電動機短時過轉(zhuǎn)矩可以達到額定轉(zhuǎn)矩的2.5倍以上，特殊要求時可以達到10。綜合考慮各種電機，這里選用遼寧本溪山城電機廠生產(chǎn)電磁式直流伺服電動機，型號為Z2-11，額定電壓110/220V，功率0.4kw，轉(zhuǎn)速1500r/min，重量32kg。電機需要調(diào)速，調(diào)速后轉(zhuǎn)速為75r/min，減速比為20。齒輪的設(shè)計與校核計算電磁式直流伺服電機經(jīng)調(diào)速后要通過一個齒輪組來傳遞動力，再通過齒輪帶動鉸鏈四桿機構(gòu)運動，從而實現(xiàn)小臂的俯仰運動。1、選定材料、熱處理方式、精度等級及齒數(shù)（1）因為電磁式直流伺服電機是經(jīng)過調(diào)速的，所以輸出端的速度較低，因此低速級選用直齒圓柱齒輪傳動。（2）選擇小齒輪材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241-286HBS。大齒輪材料ZG35CrMo，調(diào)制處理，硬度190-240HBS，精度8級。（3）取小齒輪齒數(shù)=24，則=5×24=120，大齒輪齒數(shù)Z2＝120。2、按齒面接觸疲勞強度設(shè)計mm確定各個參數(shù)數(shù)值（1）T=9.55×10×=9.55×10×(0.4/0.75)×0.99=5.04×10Nmm（2）初選載荷系數(shù)為=1.4（3）查表取齒寬系數(shù)為=1（4）查表取彈性系數(shù)為ZE=188.9（5）查表取節(jié)點區(qū)域系數(shù)為=2.5（6）根據(jù)齒輪的硬度查表取小齒輪的接觸疲勞強度極限為=1150MPa，大齒輪的接觸疲勞強度極限為=1120MPa。（7）取工作壽命為15年，每年工作250天，2班制小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7×大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N2=N1/5=5.7×（8）查表取接觸疲勞壽命系數(shù)為=1.08，=1.19（9）取安全系數(shù)為=1==1242MPa==1332.8MPa確定傳動尺寸（1）初算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值=29.04mm（2）按K值對進行修正由圓周速度=2.28m/s查表取動載荷系數(shù)為=1.075查表取齒間載荷分布系數(shù)為=1.2查表取齒向載荷分布系數(shù)為=1.07查表取使用系數(shù)為=1.00所以載荷系數(shù)K==1.38按K值對進行修正==29.04=28.9mm（4）確定模數(shù)m以及主要尺寸m==1.2mm為了防止輪齒太小引起的意外折斷，m一般不小于1.5-2mm，故m=3mm。中心距：a=m()/2==216mm分度圓直徑：==72mm，==360mm齒寬b==72mm，取小齒輪齒寬=80mm，大齒輪齒寬=75mm齒頂高：===3mm齒根高：===3.75mm3、按齒根彎曲疲勞強度校核確定各個參數(shù)數(shù)值（1）查表取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.95，=0.98（2）查表取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)=2.65，=1.58=2.16，=1.81（3）查表取彎曲疲勞極限=710MPa，=710MPa（4）取彎曲疲勞系數(shù)=1.25，可得==539.6MPa==556.64MPa（5）驗算齒根彎曲疲勞強度===58.48MPa==54.61MPa彎曲疲勞強度足夠大臂的設(shè)計大臂設(shè)計的總體要求六自由度弧焊機器人大臂的主要作用是用來承受小臂的重量和固定鉸鏈四桿機構(gòu)的底桿，因此六自由度弧焊機器人的大臂對整個機器人能否保持穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。大臂的傳動形式與小臂相同，都是由直流伺服電機驅(qū)動齒輪組實現(xiàn)大臂的俯仰運動。大臂的整體結(jié)構(gòu)為長方體實心結(jié)構(gòu)，這樣做的目的是為了提高其力學性能包括大臂的剛度、強度以及抗彎能力。鋁合金的密度低、強度高、具有良好的抗腐蝕能力而且力學性能上接近或超過合金鋼。因此選用鋁合金作為大臂的材料，這樣可以減輕大臂的重量，從而減小驅(qū)動元件的負載，而且可以進一步也減輕用于驅(qū)動腰部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動元件的負載。電機的選擇1、大臂總體質(zhì)量的計算大臂的大體結(jié)構(gòu)為長方體并且兩端中空，鉆有小孔。所以實際體積要小一些，在這里計算體積時帶入一折減系數(shù)，假設(shè)折減系數(shù)為0.85。材料為鋁合金。體積：V=h×A=0.2×0.12×1=0.024m3質(zhì)量：m=0.85V=0.85×2.7××0.024=55.08kg2、大臂對i軸的轉(zhuǎn)動慣量大臂繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為：=×m×(b2+a2)=4.77kgm2平移到i軸上：=+m=4.77+55.08×0.52=18.54kgm23、小臂對i軸的轉(zhuǎn)動慣量小臂對i軸的轉(zhuǎn)動慣量=78.87kgm24、大臂和小臂對i軸的轉(zhuǎn)動慣量的總和=+=18.54+78.87=97.41kgm25、總力矩的計算取大臂的轉(zhuǎn)動角速度=/2rad/s，轉(zhuǎn)速為n=15r/min取啟動時間為1s由此轉(zhuǎn)動角加速度為=/2rad/s2慣性力矩：T==97.41×/2=153.01Nm靜態(tài)力矩T：當大臂和小臂在一條直線時靜態(tài)力矩最大，此時T=mgr=(55.08×0.5+13.5×1.6+29.7×0.9)×9.8=743.53Nm摩擦力矩T：摩擦力矩近似等于0.05倍的靜態(tài)力矩綜上所述總力矩：T=1.05×T+T=933.71Nm取電機的轉(zhuǎn)速為=1500r/min，即角速度為=50rad/s則總的傳動比為:=/n=157/1.57=100故電機輸出端的負載力矩為：T=T/=933.71/100=9.33Nm電機輸出端的功率為：P=T×=9.33×50=1464.81w6、選擇電機的型號一般對驅(qū)動元件有以下幾方面要求：（1）慣量小，動力大。驅(qū)動元件在六自由度弧焊機器人中主要用于回轉(zhuǎn)運動，所以轉(zhuǎn)動慣量要小，同時比功率要大一些。（2）體積小，重量輕。主要評價的性能指標是功率密度，由于驅(qū)動元件是安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤上的，如果驅(qū)動元件過大，就會導致腰部回轉(zhuǎn)盤過大，所以這里要求驅(qū)動元件的功率密度應(yīng)該盡可能的大些。（3）位置控制精度高，快速響應(yīng)性好，調(diào)速范圍大，低速平穩(wěn)。（4）振動小，噪聲小，安全可靠，運行平穩(wěn)。（5）效率高，消耗的能源要盡可能的小。直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性、調(diào)速平滑、方便、調(diào)速范圍大、轉(zhuǎn)速比可以達到1:200、過載能力大、軋鋼用直流電動機短時過轉(zhuǎn)矩可以達到額定轉(zhuǎn)矩的2.5倍以上，特殊要求時可以達到10。綜合考慮各種電機，這里選用遼寧本溪山城電機廠生產(chǎn)電磁式直流伺服電動機，型號為Z2-41，額定電壓110/220V，功率3kw，轉(zhuǎn)速1500r/min，重量88kg。電機需要調(diào)速，調(diào)速后轉(zhuǎn)速為75r/min，減速比為20。齒輪的設(shè)計與校核計算1、選定材料、熱處理方式、精度等級及齒數(shù)（1）因為電磁式直流伺服電機是經(jīng)過調(diào)速的，所以輸出端的速度較低，因此低速級選用直齒圓柱齒輪傳動。（2）選擇小齒輪材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241-286HBS。大齒輪材料ZG35CrMo，調(diào)制處理，硬度190-240HBS，精度8級。（3）取小齒輪齒數(shù)=20，則=5×20=100，大齒輪齒數(shù)Z2＝100。2、按齒面接觸疲勞強度設(shè)計mm確定各個參數(shù)數(shù)值（1）T=9.55×10=9.55×10×(3/75)×0.99=378180Nmm（2）初選載荷系數(shù)為=1.4（3）查表取齒寬系數(shù)為=1（4）查表取彈性系數(shù)為ZE=188.9（5）查表取節(jié)點區(qū)域系數(shù)為=2.5（6）根據(jù)齒輪的硬度查表取小齒輪的接觸疲勞強度極限為=1150MPa，大齒輪的接觸疲勞強度極限為=1120MPa。（7）取工作壽命為15年，每年工作250天，2班制小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7×大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N2=N1/5=5.7×（8）查表取接觸疲勞壽命系數(shù)為=1.08，=1.19（9）取安全系數(shù)為=1==1242MPa==1332.8MPa確定傳動尺寸（1）初算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值=29.04mm按K值對進行修正由圓周速度v=4.46m/s查表取動載荷系數(shù)為=1.20查表取齒間載荷分布系數(shù)為=1.2查表取齒向載荷分布系數(shù)為=1.07查表取使用系數(shù)為=1.00所以載荷系數(shù)K==1.54按K值對進行修正==58.68mm（4）確定模數(shù)m以及主要尺寸m==2.93mm取整m=3mm。中心距：a=m()/2==180mm分度圓直徑：==60mm==300mm齒寬b==60mm，取小齒輪齒寬=70mm，大齒輪齒寬=65mm齒頂高：===3mm齒根高：===3.75mm3、按齒根彎曲疲勞強度校核確定各個參數(shù)數(shù)值（1）查表取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.95，=0.98（2）查表取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)=2.80，=1.55=2.18，=1.79（3）查表取彎曲疲勞極限=710MPa，=710MPa（4）取彎曲疲勞系數(shù)=1.25可得==539.6MPa==556.64MPa（5）驗算齒根彎曲疲勞強度===432MPa==388MPa彎曲疲勞強度足夠腰關(guān)節(jié)的設(shè)計腰關(guān)節(jié)設(shè)計的總體要求六自由度弧焊機器人的腰部關(guān)節(jié)的主要作用是承受大臂、小臂、腕部以及驅(qū)動元件和傳動系統(tǒng)的重量。腰部主軸與腰部回轉(zhuǎn)盤的通過螺釘連接在一起，電機帶動腰部主軸旋轉(zhuǎn)，從而使腰部回轉(zhuǎn)盤繞其中心旋轉(zhuǎn)完成所要求的動作。因為六自由度弧焊機器人的主體部分都安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤，所以要求整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定以及手臂運行過程中的平衡。此外還要求腰部回轉(zhuǎn)盤的運動精度較高，要在驅(qū)動元件上安裝傳感器，檢測電機的旋轉(zhuǎn)精度。由于測量的是旋轉(zhuǎn)運動的精度，故在這里采用增量編碼器。電機的選擇1、力矩的計算：3.4中計算的總轉(zhuǎn)動慣量，故==97.41kgm2：腰部回轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動慣量。腰部回轉(zhuǎn)盤的直徑為1.5m，預(yù)計轉(zhuǎn)盤上所承載的結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心離腰部回轉(zhuǎn)盤的中心大概為0.4m，所以==2300.4=36.8kgm2故=+=134.21kgm2取大臂的轉(zhuǎn)動角速度=/2rad/s，轉(zhuǎn)速為n=15r/min取啟動時間為0.5s由此轉(zhuǎn)動角加速度為=rad/s2慣性力矩：T==134.21=421.63Nm摩擦力矩T：摩擦力矩近似等于0.05倍的慣性力矩綜上所述總力矩：T=1.05×T=442.71Nm取電機的轉(zhuǎn)速為=150r/min，即角速度為=5rad/s則總的傳動比為:=/n=157/1.57=10故電機輸出端的負載力矩為T=T/=442.71/10=44.27Nm電機輸出端的功率為P=T×=44.27×5=695.39w2、電機型號的選擇力矩電機是一種具有軟機械特性和寬調(diào)速范圍的特種電機。其中永磁式力矩電機的定子是永久磁鐵，轉(zhuǎn)子是線圈繞組，通過電樞為轉(zhuǎn)子線圈供電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。可以不經(jīng)過齒輪等減速機構(gòu)而直接驅(qū)動負載，并由輸入的控制電壓信號直接調(diào)節(jié)負載的轉(zhuǎn)速。具有低轉(zhuǎn)速、大力矩、過載能力強、響應(yīng)快、特性線性度好、力矩波動小等特點。因此腰部回轉(zhuǎn)部分的驅(qū)動元件選用永磁式力矩電機，這樣做既可以省去用于減速的齒輪組，降低整個六自由度弧焊機器人的質(zhì)量，節(jié)省空間，而且可以提高腰部的響應(yīng)速度。綜合考慮，這里選用成都電機長生產(chǎn)的永磁式直流力矩電動機，型號為J200LYX17，峰值堵轉(zhuǎn)電壓為60V，轉(zhuǎn)矩為100Nm，