【JX18-80】六自由度串联机器人（二维+三维+论文）
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JX18-80
【JX18-80】六自由度串联机器人二维+三维+论文
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摘 要六自由度工业机器人是一种高精度的自动化机械，具有高度的灵活性以及平稳性。所以在设计中我们应当注意其结构工艺的合理性，在材料选择上应当使其具有高强度和轻便的特性。本论文主要对焊接工业机器人的驱动方式及各轴的传动方案进行了设计，并对驱动运动的电动机进行了选型；设计了腰部、大小臂和腕部的传动方案，并总结出其总体设计方案；运用数学知识，作图计算其工作空间，根据D-H对其进行运动学分析，计算主要结构尺寸要素。根据其基本结构参数，并用AutoCAD绘制了装配图及部分关键零件图。 关键词： 工业机器人；结构设计；运动学分析；强度校核IIAbstractThe six degree of freedom industrial robot is a high-precision automatic machine with high flexibility and smoothness. Therefore，in design，we should pay attention to the rationality of its structure and technology，and make the material selection with high strength and portability. This paper mainly designs the driving mode of the welding industrial robot and the transmission scheme of each axis，and selects the motor driving motor，designs the transmission scheme of the waist，the size arm and the wrist，and sums up its overall design scheme，and uses the mathematical knowledge to calculate its working space and according to the D-H pair. It carries out kinematic analysis and calculates the main structural dimension elements. According to its basic structural parameters，the assembly drawing and some key parts drawings are plotted with AutoCAD.Key Words：Industrial robot；structural design；kinematic analysis；strength checking目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1 工业机器人概述11.2课题研究背景及其意义11.3 工业机器人相关技术31.4 本文主要内容42 总体方案与传动机构设计52.1 总体方案设计与分析52.1.1机构选型：52.1.2 驱动方式选择62.2 传动方案的初步设计72.2.1 腕关节的传动结构设计72.2.2 小臂传动机构82.2.3 大臂传动机构92.2.4 腰身传动机构102.3 机器人部分技术参数103 运动学分析113.1 工作空间113.2 工作空间与机器人结构尺寸的相关性113.2 分析134 结构设计154.1 传动方案的确定154.2 手腕传动154.2.1 腕部的设计要求164.2.2 腕部电机的选择164.3 腰部174.3.1 底座及腰部设计要求174.3.2 电机选择184.4 手臂184.4.1 手臂作用概述184.4.2 电机选择194.5 传动结构设计计算205 关键零部件的校核275.1 腕部中心轴的结构设计与校核275.1.1 确定腕部中心轴的材料以及各段直径和长度275.1.2 腕部中心轴的强度校核285.2 手腕齿轮连接轴的结构设计与校核305.2.1 手腕齿轮连接轴的结构设计315.2.2 手腕齿轮连接轴的强度校核315.3手腕齿轮连接轴2的结构设计与校核336 总结34参考文献36IV1 绪 论1.1 工业机器人概述工业机器人是一种高精度的自动化生产装备，它的设计涉及到了多门学科知识，包括了气动、液压、电路、PLC以及材料力学，理论力学等等。它最早出现于20世纪，人们通常广义的把机器人认为是能模仿人类动作的机器。相较于人具有大脑，手足，和眼睛等功能器官，随着机器人的发展，它也拥有了类似的能力，甚至在功能上远超人类。工业机器人顾名思义，是用于辅助生产的机器人。早在20世纪20年代就出现了一种能够在生产线上，代替人搬送装卸工件的机械手。而在40年代则直接出现了可以由工人操作的机器人。60年代则出现了可以自动的多操作的机械手。工业机器人发展迅速，功能越来越多，甚至出现了具有智能的机器人。目前，世界上把机械手、机器人等也一并称为工业机器人。我国将其定义为：一种能自动控制，可重复编程、多功能、多自由度的机器人，并能搬运材料工件或者其他工具，用以实现多种作业。1.2 课题研究背景及其意义随着社会发展和科技进步，机器人在社会各个领域的应用日益广泛，应用最广的要属工业机器人。在工业机器人应用中，大部分为焊接机器人，据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有超过一半应用于各种形式的焊接加工领域。焊接机器人是从事自动焊接领域中的焊接任务的工业机器人。绝大多数焊接机器人的结构是在一般工业机器人的基础上由某种焊接工具构成的，它可以根据不同的焊接方法专门设计用于各个焊接机。焊接机器人有着悠久的历史。自上个世纪工业机器人开始实践以来，焊接机器人就立即投入到点焊和弧焊领域，并得到了不断的应用。据统计，世界上使用的焊接机器人数量约占工业机器人总数的一半，焊接机器人的研究和应用领域与工业机器人几乎是一样的。焊接机器人的发展历史可以代表工业机器人的发展历史。焊接机器人是工业机器人的典型应用形式之一。主要用于焊接和电弧焊生产线。经过半个多世纪的应用和不断完善，国内外对焊接机器人的研究仍在不断发展，取得了许多成果。目前，学术界对机器人共性技术的研究不断完善，主要集中在机器人机械手结构、控制系统、传感技术、网络通信技术、远程监控技术、虚拟机器人技术等方面的研究。多智能体控制技术等。未来，焊接机器人正朝着智能化方向、多传感器信息融合方向、模糊控制方向、群体协调和综合控制的方向发展。焊接机器人在汽车及其零部件制造、工程机械、机车车辆等领域有着广泛的应用。近年来，随着焊接机器人技术的不断发展，其已逐步应用于石油石化、造船、冶金建设和压力容器制造等领域。其中，管道相交线全位置焊接机器人的研究是很强的。关键技术研究主要包括机械机构的研究、自动跟踪技术的研究和计算机程序控制技术的研究。焊接机器人主要应用于汽车、摩托车、工程机械三大行业，主要用于汽车工业及其零部件制造，在摩托车工业和工程机械行业中仅占少数。和其他一些行业，如电器、自行车、机车和航空航天。焊接机器人一开始就应用于汽车装配线的电阻点焊。随后，随着焊接跟踪技术、控制技术和机器视觉技术在工业上的普及和应用，还承担了汽车零部件和装配过程中的弧焊焊接任务。点焊机器人主要用于汽车及其零部件的生产，但在其他行业却很少使用。弧焊机器人的分布比点焊机器人的分布更为广泛，但主要集中在汽车及其零部件的生产线上，其余分布在摩托车和工程机械制造业中。随着机器人通用技术的研究不断深入，焊接机械专业人才已应用于造船、锅炉、重型机械等焊接领域。这些焊接任务中最常见的是与传统的常规平面焊接任务不同的管道插入的交叉线焊接，并对焊接机器人技术提出了新的要求。焊接机器人目前占目前使用的机器人总数的一半左右。机器人技术的国外垄断，严重制约了中国的技术发展。打破垄断，必须自主开发适合自身发展的机器人，提高其科技水平。机器人的本体结构是焊接机器人的基础，其加工精度和装配精度直接影响机器人的工作范围和稳定性。干式连接可以使焊接过程更加稳定，提高焊接质量，改善工作条件，适应恶劣环境，提高生产效率，清除产品周期，有效控制输出，缩短产品更换周期，实现设备投资等，以满足本代生产的需要。工业机器人是机电一体化设备，包含多种高新技术产品，产品附加值高。虽然机器人工业在现代社会中是一个相对较新的产业，但它对汽车和制造业的自动化有着不可磨灭的贡献。因此，国内外许多专业人士认为这将是一个大规模的高科技产业。现在人们的生活水平越来越高，对产品的需求越来越高，工业机器人也有了应用的空间。随着工业机器人在我国汽车制造业中的应用，对我国机器人市场的需求量很大，但机器人在实际应用中的进口却占绝大多数。目前，只有20%的工业机器人应用在中国，其余的都是从日本、德国进口，瑞典和其他国家。然而，由于国外机器人不完全适合中国企业的要求，大部分机器人不能正常使用。因此，国内机床的发展既有机遇，也有挑战。以焊接行业为例，由于焊接工作具有强度高、危险性大、时间长的特点，目前很少有人愿意从事这项工作，因此迫切需要大量的焊接机器人。目前，我国的焊接机器人近年来较少，远远不够，而且得到了国家政策支持的支持。国内机器人的发展，表明工业机器人具有良好的发展前景。高精度焊接机器人的研发将有助于提高人们的生活质量，提高工业自动化程度，促进我国从制造大国向制造强国的转变。1.3 工业机器人相关技术工业机器人按坐标系统可分为以下五种：(1)圆柱坐标型 这种机器人只有一个转动关节，其余都是移动关节，它的空间定位较为直观，但其移动副不易防护，手臂伸缩的时候，可能与其他物体相碰撞。(2)直角坐标型 只具有移动关节，其运动部分看起来是由三个相互垂直的直线组成，其工作空间图形为矩形。控制算法简单，没有耦合；占地面积大，工作空间较小，结构刚度高，操作类似于数控机床。(3)球坐标型 这是有两个转动关节、其余为移动关节的机器人，有着占地面积大，工作空间大具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。(4)关节型 具有三个转动关节的机器人，其动作灵活，工作空间大，结构紧凑，占地面积也小，但是其运动学复杂，计算困难，计算量大(5)SCARA型 平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面垂直平面刚度好，水平面柔顺性好结构轻便，响应快，适用于平面定位，垂直装配作业图1-1 四种坐标类型1.4 本文主要内容（1）通过阅读学习工业机器人的相关书籍和论文，确定了工业机器人使用方式，完成工作方案的初步设计；（2）设计了腰部、大小臂和腕部的传动方案，并总结出其总体设计方案；（3）运用数学知识，作图计算其工作空间，根据D-H对其进行运动学分析，计算主要结构尺寸要素；（4）设计各轴结构样式，选择其驱动电机类型；（5）对关键的零部件进行校核。2 总体方案与传动机构设计2.1 总体方案设计与分析2.1.1机构选型：由第一章可知，工业机器人按坐标系统可分为直角坐标机器人，圆柱坐标机器人，球面坐标机器人，关节型机器人和SCARA机器人，其中关节型机器人使用范围广，用途多样，其优点如下：（1）工作空间范围大，占地面积小。（2）灵活性高，能够做到其他种类机器人所无法做到的动作，用途广泛。（3）没有移动关节，所以不需要设计导轨。转动关节容易密封，由于轴承件是大量生产的标准件，则摩擦小，惯量小，可靠性好。（4）驱动各轴运动时转矩较小，耗能少综上所述，我们决定采用关节型机器人。手臂由动力关节和连接杆件构成，用以调整手腕和末端执行器的位置。由于本设计要求能达到工作空间的任意位置，因此采用三自由度手臂。机座则采用回转机座。手腕是连接手臂和末端执行器的部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。手腕按自由度数目可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。由于本机器人对要求的动作多样，灵活性高，故选用三自由度手腕。三自由度手腕由B关节和R关节组成，可实现翻转、俯仰和旋转功能。B关节和R关节排列的次序不同，也会产生不同的效果，因此其结构形式也多种多样。 手腕可以确定焊枪空间的姿态，在参考人体手腕的基础上，确定机器人腕有三个自由度，俯仰形式关节为B，旋转形式关节为R，则现存的手腕结构有BBR、BRR、RBR、RRR。1 BBR型手腕减少了手腕纵向尺寸，减小了工作空间，不够灵活。一般来说，旋转 关节与平移关节相比，具有工作空间大、结构紧凑、重量轻以及灵活性好等特点，也更容易做密封防尘。2 RRR手腕构型的工作空间较大，但其结构较复杂，对焊接工作的精度有较大影响，且当其完全伸展时，三根关节轴处于同一平面内，同时有两根旋转轴重合，这样将导致机器人手腕丧失一个自由度，从而使手腕不能到达任意位置姿态，不满足本设计要求。3 RBR构型的手腕不仅很容易实现远距离的传 动和控制，而且其手腕三根关节轴相交于一点，运动学逆问题有封闭解，控制算法简单，其结构紧凑，在同样条件下其末端 运动件更加轻型化，并且RBR完全展开时更适合微调操作 。图2-1 三自由度手腕的几种形式B关节是一种俯仰、摆动关节，关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直，旋转角度小；R关节是一种回转关节，它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴形式，这种关节旋转角度大，可达到360以上。BBR结构由于采用了两个弯曲结构使结构尺寸增加了，BRR、RBR与前者相比结构紧凑。工业机器人的自由度越多，灵活性越好，但过多的自由度也会使得设计与结构复杂化。考虑到本机器人的实际用途，故采用六自由度，依次为腰部回转，大臂俯仰，小臂俯仰，手腕回转，手腕俯仰，手腕侧摆。2.1.2 驱动方式选择工业机器人的驱动方式可以分为气压驱动、液压驱动及电动机驱动等多种类型。它们各有优缺点，且适应的工作场合也不同。三种驱动方式的特点比较见表2-1。表 2-1 驱动方式比较特性气压驱动液压驱动电动机驱动输出功率和使用范围气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，结构尺寸将过大。油压高，可获得较大的输出功率，适于重型，低速驱动适用于运动控制严格的中、小型机器人，输出功率较大控制性能和安全性压缩性大，对速度位置的精确控制困难，阻尼效果差，低速不易控制，排气有噪声，泄漏对环境无影响液体不可压缩，压力、流量易控制，反应灵敏，可无极调速，能实现速度、位置的精确控制，传动平稳，泄漏污染环境控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，伺服特性好，控制系统复杂，对环境无影响结构性能结构体积较大，结构易于标准化，易实现直接驱动，密封问题不突出结构尺寸较气动要小，易于标准化，易实现直接驱动，密封问题显得重要结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题效率和制造成本效率低（为0.150.2）气源方便，结构简单，成本低效率中等（为0.30.6），管理结构较复杂，成本高成本较高，效率为0.5左右根据上述驱动系统特点，本文最终选择电机驱动的方式。2.2 传动方案的初步设计2.2.1 腕关节的传动结构设计图2-2 手腕传动机构如图所示，我们采用的是三自由度手腕，也被叫做万向型手腕，它一部分与小臂相连，随小臂转动而转动，中间锥齿轮Z4，Z5带动手腕做俯仰运动，轴1则带动手爪转动。为了使手腕能实现三个自由度并减轻手腕重量，必须用远距离传动，故将电动机装在小手臂的关节处。2.2.2 小臂传动机构图 2-3 小臂结构小臂关节的传动机构简图如图2-3所示。小臂做+130至-90范围内的俯仰运动，从而调节整个腕部的空间位置。其驱动电机装在驱动臂座上，即大手臂的关节处，通过大臂底部的通孔，使用两根连杆与小手臂座相连。通过连杆的动作，实现小手臂座的俯仰动作。底部使用平键连接，大臂与底杆则使用涨紧套连接。2.2.3 大臂传动机构 图2-4 大臂结构如图2-4所示，大臂和小臂的俯仰动作将共同决定手腕在平面中的位置，其底部有通孔，大臂与减速器通过通孔相连，电动机在减速器旁边并列安装。2.2.4 腰身传动机构腰部旋转和大臂小臂的俯仰动作共同决定手腕在空间中的位置。腰部采用力矩电机来传递转矩，腰部主轴是空心轴，通过键与力矩电机相连。因此，力矩电机带动腰部主轴旋转，从而使腰部回转盘旋转。2.3 机器人部分技术参数 表 2-2 方案信息工艺描述六轴动作顺序动作范围最大速度驱动功率1轴（回转）360160/s2轴（大臂俯仰）130160/s3轴（小臂俯仰）220220/s4轴（手腕回转）360500/s5轴（手腕俯仰）220330/s6轴（手腕偏转）220330/s本设计中该焊接机器人本体由底座、腰部、大臂小臂、手腕和末端执行器组成。共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。机器人采用电动机驱动。这种驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最广泛的驱动方式。383 运动学分析3.1 工作空间机器人的结构参数应根据某一工作空间的要求来确定。工作空间是在机器人手臂的末端或手腕的中心可以到达的所有点的集合，也称为工作区域。描述工作空间的手腕的参考点可以在手的中心、手腕的中心或手指的指尖中选择。参考点是不同的，工作空间的大小和形状是不同的。工作空间是机器人的一个重要性能指标。它是机器人机构设计中需要研究的基本问题之一。当给定机器人的尺寸时，有必要研究如何确定其工作空间，并且当给定工作空间时，有必要研究机器人应该具有什么样的结构。本文所讨论的车辆喷洒机器人主要用于装配线末端产品的搬运。本文将利用一种简单的方法根据工件尺寸确定机器人的位置机构参数，确定车辆喷涂机器人的主要结构参数，包括臂臂的长度大小和极限摆角。3.2 工作空间与机器人结构尺寸的相关性工作空间的形状取决于机器人的结构，直角坐标机器人的工作空间为矩形体，圆柱坐标机器人的工作空间为空心圆柱体，球面坐标机器人的工作空间为球体的一部分；关节型机器人的工作空间比较复杂，通常很多。旋转体在空间表面拼合在一起的一部分。笛卡尔机器人的工作空间的大小取决于机器人沿X、Y和Z三个方向的大小。圆柱坐标机器人的工作空间的大小取决于柱的尺寸和水平臂沿柱的上下运动。这也取决于水平臂的水平和水平膨胀冲程。球面坐标机器人的工作空间的大小取决于臂的尺寸、臂绕垂直轴的旋转角和水平轴上的俯仰角。关节机器人的工作空间的大小取决于臂的大小和大小、臂关节旋转的角度和手臂绕垂直轴的旋转角度。图3-1 位置简化模型L1：大臂的长度，根据总体方案设定条件确定为665mmL2：小臂的长度，根据总体方案设定条件确定为630mm1：大臂旋转偏离立柱0位的角度，顺时针为正，本文定为-901302：小臂旋转偏离0位的角度，顺时针为正，本文定为-6565如图3-1所示，手端部的运动轨迹简易描述：以AD、BC、CD、DA四弧段在XOZ面组成机器人工作空间截面。AB弧段和CD弧段的圆心为大臂的起始点，即坐标原点。E点为AD弧段的圆心，F点为BC弧段的圆心。各个点的坐标分别为：A点：大臂负极限值1min、小臂达到负极限值2minXA=L1sin1min+L2cos（1min+2min）=665sin（-65）+630cos（-155）=-1173.67ZA=L1cos1min-L2sin（1min+2min）=665cos（-65）+630sin（-155）=-547.29B点：大臂到达正极限值1max，小臂达到负极限值2minXB=L1sin1max+L2cos（1min+2min）=665sin65+630cos-155=-31.72ZB=L1cos1max-L2sin（1min+2min）=665cos65-630sin-155=-547.29C点：大臂到达正极限值1max，小臂达到正极限值2maxXC=L1sin1max+L2cos（1max+2max）=665sin65+630cos（-155）=-5.84ZC=L1cos1max+L2sin（1max+2max）=665cos65+630sin195=-117.98D点：大臂负极限指1min，小臂达到正极限值2maxXD=L1sin1min+L2cos（1min+2max）=665sin（-65）+630cos65=-336.45qqZD=L1cos1min-L2sin（1min+2max）=665cos（-65）-630sin65=-852.02E点：=XE=L1sin1min=665sin（-65）=-602.29ZE=L1cos1min=665cos（-65）=-281.04F点：XF=L1sin1max=665sin65=602.69ZF=L1cos1max=665cos65=281.04可得坐标A=(-1173.67，547.29)，B=(31.72，547.29)，C=(-5.84，117.98)，D=(-336.45，852.02)，E(-602.69，281.04)，F(602.69，281.04)，由此可以作出机器人大臂小臂组成的截面（XZ面）工作空间，同机器人的安装机座（X，Y，Z坐标）的高度叠加后，可以绘制出机器人的截面（XZ面）工作空间，如图。图 3.2 机器人工作空间3.2 分析经过上面的计算和分析可证明小臂的末端可达的覆盖范围大于作图空间。由于论证时的前提条件是把机器人的最大覆盖范围一分为二。所以满足一半覆盖范围时，必然能够达到机器人运动的范围。所以机器人足可满足要求的最大覆盖范围，证明方案正确，小臂和大臂的长度和俯仰角度确定的合适。4 结构设计4.1 传动方案的确定根据第二章的总体分析可知，焊接机器人前三个轴的传动机构并不复杂，第一个用的是蜗轮蜗杆传动，第二轴和第三轴则是用摆线针轮行星齿轮传动。四五六轴皆为手腕部分，都是采用远距离传动，将电机装在小臂关节处，通过同轴套筒接到手腕关节处，减轻手腕重量。蜗轮蜗杆的优点在于传动比较大，结构也紧凑。蜗轮蜗杆传动比5i70，常用15i50；摆线针轮行星齿轮传动，11i87，圆锥齿轮传动效率高，一般可达98%，两齿轮轴线组成直角的锥齿轮副应用最广泛。由机械设计手册可得，其传动比范围为2-3，总体结构如图4-1。图4-1 机械手总体结构图4.2 手腕传动手腕是机器人小臂与末端执行器之间的联接部件，其功能是利用自身的活动使末端执行器能够达到确定的工作空间姿态，因此手腕可以称为机器人的姿态机构，是机器人中极为重要也是结构最为复杂的部件。手腕的灵活度直接决定了机器人能够完成任务的种类和复杂程度，对机器人手腕结构的研究有着重要意义。手腕的结构如图4-2所示。图4-2 手腕结构图4.2.1 腕部的设计要求由前文可知，本课题所设计的是一个三自由度的机器人手腕，由法兰固定在机器人小臂上，分别用三个直流伺服电机对其进行驱动。手腕主要分三部分：一部分是通过法兰和小臂固结在一起，可实现腕部的回转运动；一部分是围绕轴的摆动；另外一部分就是手爪的回转运动。4.2.2 腕部电机的选择由于腕部具有三个自由度，故对应每个自由度都有一个电机。电机1带动手爪转动，电机2则带动手腕左右摆动，电机3带动整个手腕绕小手臂中心轴线转动。由前文的总体方案设计可知，腕部前端为焊头，估算重为5kg。焊头加焊丝的转动惯量为 已知它的转动速度为w=330/s取启动时间为0.1s，转动角加速度=3300/s2 由此计算力矩得：根据计算力矩，选择行星齿轮减速箱速比20，所以定做的电机额定电压220V，输出功率至少3KW，输出转矩至少为1.5N.m，转速为1500r/min。电机输出轴端进行适当的加粗加长。考虑到零件通用性及装配便利性，腕部的三个电机采用同一型号。4.3 腰部4.3.1 底座及腰部设计要求工业机器人底座的设计主要考虑机器人的承重、散热、节省材料及合理装配等。由于底座基本上承担了工业机器人的所有重量，因此在材料的选取上要选取强度高，抗震性强，耐疲劳的材料。本文中选用ZG200作为底座材料。又考虑到底座为铸件，为避免铸造过程中出现缩松、缩孔等铸造缺陷，因此可将底座设计成内部中空的结构。这样既节省了材料，又降低了制造成本。腰部承受了较大的转矩，在进行校核的时候，要特别注意其抗弯抗扭的能力。因为回转台同样为铸件，因此其材料选用ZG200-400，外形设计为薄壁结构，以减少其自身的重量。腰部及底座的结构如图4-3所示。图4-3 腰部及底座4.3.2 电机选择小手臂转动惯量： 大手臂转动惯量：两电动机的转动惯量：减速箱的转动惯量：腰部本身的转动惯量：所以，总的转动惯量为=23.4+5.742+20+2.72+28.125+40+30.375=150.392 kg.m2而转动角加速度为输出轴的转矩为转换到电机上的转矩为根据要求M电M额，选P=3KW，n=1500r/min的MGMA型伺服电机，搭配行星减速机后，额定输出扭矩为30 Nm4.4 手臂4.4.1 手臂作用概述手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。手臂结构如图4-4所示。图4-4 手臂结构图4.4.2 电机选择由上可知，自大手臂往后的各轴，其重量都算在大手臂的负荷上。所以，大手臂的转动惯量也不小。必须仔细计算往后的零部件的转动惯量再来选择电动机。大手臂的转动惯量；电动机转动惯量J电2=8.50.42=1.366 kg.m2摆线减速器转动惯量：J减=1500.452=30.375kg.m2大手臂总惯量：J总=5.742+1.366+30.375=40.602 kg.m2所以电动机的转矩为M电=14.17N.m根据要求M电M额，选P=2.5kw，n=1000r/min 的GY2.5型电机小手臂的转动惯量J3=2kg.m2电动机转动惯量J电3=1000.52=25 kg.m2摆线减速器转动惯量J减3=1500.452=30.375 kg.m2所以小手臂总的转动惯量为J总=23.43+2+25+30.375=80.805kg.m2对应在电动机上M电=9.45 N.m根据要求M电M额，选P=2.2KW，Y-H系列电机，转速n=800r/min4.5 传动结构设计计算4.5.1 大臂设计因为伺服电机是连接行星减速机的，由前面知减速机的速比为20，伺服电机转速为1500r/min，则输出轴转速n=1500/20=75r/min。是经过了调速的，所以输出端的速度很低，因此低速级选用直齿圆柱齿轮传动。小齿轮材料选用了40Cr，调质处理，硬度241-286HBS。大齿轮材料ZG35CrMo，调制处理，硬度190-240HBS，精度8级。取小齿轮齿数Z1=20，则Z2=i，Z1=520=100，大齿轮齿数Z2100。根据齿面接触疲劳强度（1）T=9.5510=9.5510(3/75) 0.99=378180N.mm（2）初选载荷系数为=1.4（3）查表取齿宽系数为=1（4）查表取弹性系数为ZE=188.9（5）查表取节点区域系数为=2.5（6）根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为=1150 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限为=1120MPa。（7）取工作寿命为15年，每年工作250天，2班制小齿轮的应力循环次数N1=60n1jLh=60751525016=2.7大齿轮的应力循环次数N2=N1/5=5.7确定传动尺寸（1） 初算小齿轮分度圆直径，代入【H】中较小值（2）按K值对进行修正由圆周速度 查表取动载荷系数为=1.20 查表取齿间载荷分布系数为=1.2 查表取齿向载荷分布系数为=1.07 查表取使用系数为=1.00 所以载荷系数K=1.54 按K值对进行修正 =59.7mm（4）确定模数m以及主要尺寸m=2.98mm ，取整m=3mm。中心距a=m()/2=180mm 分度圆直径=60mm，=300mm齿宽b=60mm，取小齿轮齿宽=70mm，大齿轮齿宽=65mm齿顶高=3mm，齿根高=3.75mm确定各个参数数值（1）查表取弯曲疲劳寿命系数=0.95，=0.98 （2）查表取齿形系数和应力校正系数 （3）查表取齿宽系数为=1 （4）查表取弹性系数为ZE=188.9（5）查表取节点区域系数为=2.5（6）根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为=1150 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限为=1120MPa。（7）取工作寿命为15年，每年工作250天，2班制小齿轮的应力循环次数N1=60n1jLh=60751525016=2.7大齿轮的应力循环次数N2=N1/5= 小臂设计（1）四杆机构设计计算 焊接机器人的小臂的俯仰动作是通过铰链四杆机构来完成的，安装在驱动力臂上的直流伺服电机通过铰链四杆机构驱动小臂实现俯仰运动。采用铰链四杆机构的目的是把直流伺服电机放到驱动力臂上，减轻小臂的重量，也降低了大臂驱动装置的负载，减少运动过程中产生的动载荷与冲击，提高整个焊接机器人的响应速度。这个铰链四杆机构共有三种设计方案，分别是双曲柄机构、双摇杆机构、曲柄摇对于双曲柄机构来说机架为最短边，又因为大臂为机架而且长度为665mm，如果采用双曲柄机构，其它杆的杆长太长，而且上一章确定小臂的长度为630mm，因此双曲柄机构不符合要求。对于双摇杆机构来说机架为最短边的对边，既大臂与最短杆相对。如果采用双摇杆机构，会导致其他两杆的长度过长，在一定方向上占有的空间太大，而且小臂的俯仰角度不好确定，势必会增加设计难度。综合以上分析，在这里采用曲柄摇杆机构具体如图4-1所示。ab边代表大臂，长度为1000mm，ad边代表底杆，长度为400mm，dc边代表后杆，长度为1000mm，bc边代表小臂长两个连接点间的部分，长度为200mm。ab边为机架，ad边为摇杆，bc边为曲柄。这种结构首先满足了bc边长度小于小臂长度这一条件，而且所占的空间小，底杆和后杆的质量比其他两种方案要小.图 4-1 四杆机构示意图(2)齿轮的设计与校核计算电磁式直流伺服电机经调速后要通过一个齿轮组来传递动力，再通过齿轮带动铰链四杆机构运动，从而实现小臂的俯仰运动。选定材料、热处理方式、精度等级及齿数因为电磁式直流伺服电机是经过调速的，所以输出端的速度较低，因此低速级选用直齿圆柱齿轮传动。选择小齿轮材料40Cr，调质处理，硬度241-286HBS。大齿轮材料ZG35CrMo，调制处理，硬度190-240HBS，精度8级。取小齿轮齿数=24，则=524=120，大齿轮齿数Z2120。按齿面接触疲劳强度设计确定各个参数数值（1）T=9.5510=9.5510(0.4/0.75) 0.99=5.0410Nmm（2）初选载荷系数为=1.4（3）查表取齿宽系数为=1（4）查表取弹性系数为ZE=188.9（5）查表取节点区域系数为=2.5（6）根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为=1150 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限为=1120MPa。（7）取工作寿命为15年，每年工作250天，2班制小齿轮的应力循环次数N1=60n1jLh=60751525016=2.7大齿轮的应力循环次数N2=N1/5=5.7（8）查表取接触疲劳寿命系数为=1.08，=1.19（9）取安全系数为=1=1242MPa=1332.8MPa确定传动尺寸（1）初算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 =29.04mm（2）按K值对进行修正由圆周速度 查表取动载荷系数为=1.075 查表取齿间载荷分布系数为=1.2 查表取齿向载荷分布系数为=1.07 查表取使用系数为=1.00 所以载荷系数K=1.38 按K值对进行修正 =29.04=28.9mm（4）确定模数m以及主要尺寸m=1.2mm 为了防止轮齿太小引起的意外折断，m一般不小于1.5-2mm，故m=3mm。中心距a=m()/2=216mm 分度圆直径=72mm，=360mm齿宽b=72mm，取小齿轮齿宽=80mm，大齿轮齿宽=75mm齿顶高=3mm，齿根高=3.75mm3、按齿根弯曲疲劳强度校核确定各个参数数值（1）查表取弯曲疲劳寿命系数=0.95，=0.98（2）查表取齿形系数和应力校正系数=2.65，=1.58=2.16，=1.81（3）查表取弯曲疲劳极限=710MPa，=710MPa（4）取弯曲疲劳系数 =1.25可得=539.6MPa =556.64MPa（5）验算齿根弯曲疲劳强度=58.48MPa=54.61MPa弯曲疲劳强度足够了。5 关键零部件的校核5.1 腕部中心轴的结构设计与校核图 5-1 腕部中心轴5.1.1 确定腕部中心轴的材料以及各段直径和长度腕部中心轴的材料为40Cr，调制处理。估算密封箱的壁厚为45mm，孔径为150mm，因为外部还要装端盖，这段轴颈上还要装配轴承，所以ab段的长度为20mm，直径为85mm，装配的轴承为角接触球轴承，型号是7217C。固定轴承的轴肩高度为3.5mm。bc段为过渡段，长度为35mm，直径92mm，固定齿轮的轴肩高度为6.5mm。由于大齿轮的齿宽为65mm，轴头的长度应该小于轮毂的长度，所以de段的长度为300mm，直径为80mm。ef段要安装用于齿轮的轴向固定和轴承的轴向固定的轴套，考虑到另一半的密封箱的壁厚和孔径以及大齿轮轮毂比轴头多出的长度，这段轴颈的长度为60mm，直径为85mm。装配的轴承为角接触球轴承，型号是7217C。fg段为过渡段，长度为45mm，直径为80mm。gh段与手腕相连，大臂在此处的厚度为39mm，孔径为90mm。因此这段轴的长度为60mm，直径为60mm。胀紧套选用Z2型胀紧套。5.1.2 腕部中心轴的强度校核（1）计算齿轮的受力大齿轮和小齿轮的受力大小相等，方向相反。故在这里只计算小齿轮的受力。转矩T1=9.55106P/n=9.55106(3/75)0.99=378180Nmm圆周力tF=112/Td=12606N径向力rF=tantF=4588.2N（2）计算支撑反力水平面受力图如图5.2(a)所示。1HF+rF=2HFrF138.52=2HF(68.52+138.52)故1HF=1518.46N，2HF=3069.73N垂直面受力图如图5.2(b)所示。1VF+2VF+F=tF1VF(138.52+68.52)-tF68.51-F97.72=0故1VF=4312.14N，2VF=7893.04N（3）画轴弯矩图水平面弯矩图见图5.2(c)HM图。垂直面弯矩图见图5.2(d)VM图。合成弯矩图见图5.2(e)图，合成弯矩M=22VHMM。（4）画转矩图轴受转矩T=T1，转矩图见图5-2(f)1T图。图 5-2 转矩图（5）按弯扭合成应力进行强度校核de段的中间截面为危险截面。取a=0.6。当量转矩T=0.6378180=226908Nmm22/eMTW=10.37MPa，查表知1b=70MPa，所以e1b。因此大轴1的强度满足要求，故安全。5.2 手腕齿轮连接轴的结构设计与校核图 5-3 手腕齿轮连接轴5.2.1 手腕齿轮连接轴的结构设计（1）确定手腕齿轮连接轴的材料以及各段直径和长度该轴的材料为40Cr，调制处理。ab段的主要用处是固定轴承，根据手腕结构及各锥齿轮尺寸估算，此处轴承选择深沟球轴承6204，故ab段轴径为20mm。 bc段是锥齿轮固定段，轴径大于ab段，取直径为35mm，长度为85mm。 cd段用于固定手腕旋转齿轮，根据箱体结构布局，及齿轮参数估算，由于小齿轮的齿宽为15mm，轴头的长度应该小于轮毂的长度，为了齿轮的周向定位，这段轴上还要开有键槽，来安装平键。根据这段轴的直径和长度，长度为15mm，直径为40mm。5.2.2 手腕齿轮连接轴的强度校核（1）计算齿轮的受力转矩T=9.5510=9.5510(3/75) 0.99=378180N.mm圆周力=12606N径向力=4588.2N（2）计算支撑反力水平面受力图如图5.5(a)所示。+=153=(67+153)故=-1397.32N，=3190.88N垂直面受力图如图4.5(b)所示。+=(67+153)=67故=3839.10N，=8766.90N（3）画轴弯矩图水平面弯矩图见图5.2(c)图。垂直面弯矩图见图5.2(d)图。合成弯矩图见图4.5(e)图，合成弯矩M=。（4）画轴转矩图轴受转矩T= T，转矩图见图5-2(f)图。（a）（b）（c）（d）（e）（f）图5-4手腕齿轮连接轴的受力分析（5）按弯扭合成应力进行强度校核fg段的中间截面为危险截面。取=0.6。当量转矩=0.6378180=226908 Nmm=60.28MPa，查表知=70MPa，所以 。因此小轴1的强度满足要求，故安全。5.3手腕齿轮连接轴2的结构设计与校核手腕齿轮连接轴2的结构与手腕齿轮连接轴一样，但驱动元件的输出转矩较小。上面校核的手腕齿轮连接轴的强度满足要求，故手腕齿轮连接轴2的强度必然满足要求。6 总结本设计对自动焊接线末端工件的焊接问题，设计了一个六自由度焊接工业机器人，在设计过程中，搜集资料、向导师请教、与同学讨论，为完成设计奠定了基础。所完成的任务有：（1）根据设计要求完成了六自由度工业机器人的总体设计和结构设计。首先，确定了总体的设计方案，选择了合适的传动方式、驱动方式，设计了机器人的腰部、大臂、小臂和腕部的具体结构，并且对机器人的传动结构进行设计。机器人为六自由度关节型机器人，有回转关节，也有摆动关节，在关节处安装减速器和电动机。使用了齿轮传动机构和直流力矩电机来实现各个自由度，从而实现空间任意位置的运动。（2）用AutoCAD绘制出机器人的部分零件，更为直观的了解机器人结构，方便了设计计算。由于本人能力和时间有限，没有做更深入的研究，可以从以下几方面进一步开展工作：（1）进一步优化结构设计，将电动机与减速器合二为一，采用减速电机，简化结构，减轻机器人重量。 致 谢两个多月的设计已经接近尾声，在这过程中，
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