四自由度的工业机器人设计说明书

1 绪论1.1四自由度的工业机器人的概念 四自由度的工业机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而工业四自由度的工业机器人则是在工业生产上应用的四自由度的工业机器人。美国四自由度的工业机器人工业协会提出的工业四自由度的工业机器人定义为：“四自由度的工业机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机”。英国和日本四自由度的工业机器人协会也采用了类似的定义。我国的国家标准GB/T12643-90将工业四自由度的工业机器人定义为：“四自由度的工业机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业”。而将操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。四自由度的工业机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使四自由度的工业机器人进行作业而要求的外部设备组成。1.1.1操作机操作机是四自由度的工业机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由下列部分组成：a.末端执行器 又称手部，是四自由度的工业机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业四自由度的工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。b. 手腕 是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有23个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用四自由度的工业机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。c. 手臂 它由四自由度的工业机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。d. 机座 有时称为立柱，是工业四自由度的工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。可分固定式和移动式两类。 1.1.2驱动单元它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。1.1.3控制装置它是由人对四自由度的工业机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥四自由度的工业机器人按规定的要求动作。1.1.4人工智能系统它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分为决策规划智能系统。 1.2题目来源本题设计的是一台四自由度的工业四自由度的工业机器人的设计，主要是整体方案设计和手腕的结构设计及其零件设计。此课题来源于生产实际。对于目前手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练程度要求高，因此采用四自由度的工业机器人技术，实现焊接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产率、实现生产过程自动化、改善劳动条件。1.3技术要求根据设计要达到以下要求a. 工作可靠，结构简单；b. 装卸方便，便于维修、调整； c. 尽量使用通用件，以便降低制造成本。1.4本题要解决的主要问题及设计总体思路 本题要解决的问题有以下三个：a. 手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部件的结构紧凑，减少重量和体积；b. 提高手腕动作的精确性；c. 三个自由度的实现。 针对上述问题有了以下设计思路：a. 腕部机构的驱动装置采用分离传动，将3个驱动器安置在小臂的后端。b. 提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转误差，对于分离传动采用传动轴。c. 驱动电机1经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮带动手腕在小臂壳体上作偏摆运动。电机2经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动，实现手腕的上下摆动。电机3经传动轴和两对圆锥齿轮带动轴回转，实现手腕上机械接口的回转运动。 2 国内外研究现状及发展状况2.1研究现状 从四自由度的工业机器人诞生到本世纪80年代初，四自由度的工业机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，四自由度的工业机器人技术也得到了飞速发展。除了工业四自由度的工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进四自由度的工业机器人系统也有了长足的进展。下面将按工业四自由度的工业机器人和先进四自由度的工业机器人两条技术发展路线分述四自由度的工业机器人的最新进展情况。2.1.1工业四自由度的工业机器人工业四自由度的工业机器人技术是以机械、电机、电子计算机和自动控制等学科领域的技术为基础融合而成的一种系统技术。a. 四自由度的工业机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，四自由度的工业机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的四自由度的工业机器人公司，已将四自由度的工业机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了四自由度的工业机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了四自由度的工业机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使四自由度的工业机器人操作机几乎成为免维护系统。 b. 并联四自由度的工业机器人：采用并联机构，利用四自由度的工业机器人技术，实现高精度测量及加工，这是四自由度的工业机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现四自由度的工业机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。c. 控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴四自由度的工业机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。d. 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在四自由度的工业机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了四自由度的工业机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。 e. 网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新四自由度的工业机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使四自由度的工业机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使四自由度的工业机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。f. 可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使四自由度的工业机器人系统的可靠性有了很大提高。过去四自由度的工业机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求。2.2.2先进四自由度的工业机器人近年来，人类的活动领域不断扩大，四自由度的工业机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和四自由度的工业机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对四自由度的工业机器人的要求更高，需要四自由度的工业机器人具有行走功能，对外 感知能力以及局部的自主规划能力等，是四自由度的工业机器人技术的一个重要发展方向。a. 水下四自由度的工业机器人：美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等水下四自由度的工业机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下四自由度的工业机器人（remote operated vehicle）和无缆水下四自由度的工业机器人（autonomous under water vehicle）两大类。b. 空间四自由度的工业机器人：空间四自由度的工业机器人一直是先进四自由度的工业机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间四自由度的工业机器人。如美国NASA的空间四自由度的工业机器人 Sojanor等。Sljanor是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸63048mm，有6个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关 注。c. 核工业用四自由度的工业机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动四自由度的工业机器人。已完成的典型系统，如美国ORML基于四自由度的工业机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7 灵巧手等d. 地下四自由度的工业机器人：地下四自由度的工业机器人主要包括采掘四自由度的工业机器人和地下管道检修四自由度的工业机器人两大类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的四自由度的工业机器人，各种采四自由度的工业机器人及自动化系统正在研制中。e. 医用四自由度的工业机器人： 医用四自由度的工业机器人的主要研究内容包括：医疗外科手术的规划与仿真、四自由度的工业机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场感外科（telepresence surgery）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（telematics）计划、袖珍四自由度的工业机器人（biomed）计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。 f. 建筑四自由度的工业机器人：日本已研制出20多种建筑四自由度的工业机器人。如高层建筑抹灰四自由度的工业机器人、预制件安装四自由度的工业机器人、室内装修四自由度的工业机器人、地面抛光四自由度的工业机器人、擦玻璃四自由度的工业机器人等，并已实际应用。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设四自由度的工业机器人、内墙安装四自由度的工业机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。g. 军用四自由度的工业机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能四自由度的工业机器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅和触摸能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。如美国的Navplab自主导航车、SSV半自主地面战车，法国的自主式快速运动 侦察车（DARDS），德国MV4爆炸物处理四自由度的工业机器人等。目前美国ORNL正在研制和开发Abrams坦克、爱国者导弹装电池用四自由度的工业机器人等各种用途的军用四自由度的工业机器人。可以预见，在21世纪各种先进的四自由度的工业机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。 2.2发展趋势目前国际四自由度的工业机器人界都在加大科研力度，进行四自由度的工业机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下10个方面： a. 工业四自由度的工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载.自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。 b. 四自由度的工业机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。四自由度的工业机器人控制器的标准化和网络化，以及基于 PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。 c. 多传感系统：为进一步提高四自由度的工业机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。 d. 四自由度的工业机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。 e. 四自由度的工业机器人遥控及监控技术，四自由度的工业机器人半自主和自主技术，多四自由度的工业机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的四自由度的工业机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。 f. 虚拟四自由度的工业机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现四自由度的工业机器人的虚拟遥操作和人机交互。 g. 多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前四自由度的工业机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。 h. 微型和微小四自由度的工业机器人技术（micro/miniature robotics）:这是四自由度的工业机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起四自由度的工业机器人技术的一场革命， 并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型四自由度的工业机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。 我国对此进行了深入的研究。徐卫平和张玉茹发表的六自由度微动机构的运动分析对六自由度微动机构进行了位移分析并为其结构设计提供了计算依据。还有刘辛军、高峰和汪劲松发表的并联六自由度微动四自由度的工业机器人机构的设计方法研究了微动四自由度的工业机器人机构的设计方法，建立了并联六自由度微动四自由度的工业机器人的空间模型，并分析了该微动四自由度的工业机器人的空间模型，并分析了该微动四自由度的工业机器人的机构尺寸与各向同性、刚度等性能指标的关系得到了一系列性能图谱，从各图谱中可以看出各项性能指标在空间模型设计参数空间中的分布规律，这有助于设计者根据性能指标来设计该微动四自由度的工业机器人的机构尺寸，是探讨微动四自由度的工业机器人机构设计的有效分析工具。3 总体方案设计3.1机械结构类型的要求和确定机械结构设计的要求，包括对机器整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者相互联系、相互影响。 (1).对机器整机设计的基本要求 对机器使用功能方面的要求：实现预定的使用功能是机械设计的最基本的要求，好的使用性能指标是设计的主要目标。另外操作使用方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的。对机器经济性的要求：机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构。 (2).对零件设计的基本要求 机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的设计来实现，所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的，即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑。 要求在预定的工作期限内正常可靠的工作，从而保证机器的各种功能的正设计简单合理的零件结构、合理规定零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等。另外要尽量采用标准化、系列化和通用化的零部件。任何一种机器都有动力机、传动装置和工作机组成。动力机是机器工作的能量来源，可以直接利用自然资源（也称为一次能源）或二次能源转换为机械能，如内燃机、气轮机、电动机、电动马达、水轮机等。工作机是机器的执行机构，用来实现机器的动力和运动能力，如机器人的末端执行器就是工作机。传动装置则是一种实现能量传递和兼有其它作用的装置。 为实现总体机构在空间的位置提供的6个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题可以将其设计成以下五种方案：3.1.1圆柱坐标型 这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。3.1.2直角坐标型 直角坐标型工业四自由度的工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，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，但机体所占空间体积大、灵活性较差。3.1.3球坐标型 又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。3.1.4四自由度 四自由度又称回转坐标型，这种四自由度的工业机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种四自由度的工业机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取靠进机座的物体。 3.1.5平面四自由度 采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形的同转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形状。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配。对以上五种方案进行比较：方案一不能够完全实现本课题所要求的动作；方案二体积大，灵活性差；方案三结构复杂；方案五无法实现本课题的动作。结合本课题综合考虑决定采用方案四：四自由度的工业四自由度的工业机器人。此方案所占空间少，工作空间范围大，动作灵活，工艺操作精度高。3.2工作空间的确定 根据四自由度的工业四自由度的工业机器人的结构确定工作空间。工作空间是指四自由度的工业机器人正常工作运行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围，是四自由度的工业机器人的主要技术参数。此四自由度的工业机器人的工作空间为1500mm。图31 四自由度的工业机器人的机座坐标系3.3手腕结构的确定手腕是联接手臂和末端执行器的部件，处于四自由度的工业机器人操作机的最末端，其功能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个坐标位置的基础上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，即实现三个自由度。图32 传动原理图考虑到结构，电机将成三角形布置，具体结构见图。3.3.1手腕基本参数的确定空间结构和手腕结构的确定，那么手腕回转、手腕摆动、和手腕旋转三个姿态的自由度也得到了实现。表3-1 四自由度的工业机器人的主要规格参数动作范围手腕回转手腕摆动手腕旋转额定载荷最大速度3.4大臂结构的确定手臂部分是机械手的主要部件。它的作用是支承腕部和手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的是把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。臂部设计的基本要求：(1)承载能力大、刚度好、自重轻 臂部通常即受弯曲（而且不是一个方向的弯曲），也受扭转，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。所以臂部做成空心的，这可以减轻自重，也提高了刚性，其内部可以布置各种机构，这样就是结构紧凑、外型整齐。(2)臂部运动速度要高，惯性要小 在一般情况下，手臂的移动要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和震动。(3)臂动作应灵活。(4)位置精度要高。关节2电机联轴器锥齿轮Z5/Z6直齿轮Z7/Z8直齿轮Z9/Z10直齿轮Z10与立柱固连直齿轮Z不能旋转小齿轮Z自转又公转带动大臂绕立柱水平轴旋转实现肩转。关节3电机锥齿轮Z11/Z12直齿轮Z13/Z14直齿轮Z15/Z16齿轮Z16与小臂骨架固连带动小臂旋转。3.5驱动方案的确定通常工业机器人驱动方式有以下三种:气动驱动，液压驱动，电动驱动3.5.1 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。如喷漆时要求工作区域所带电压不超过9V。驱动装置：主要构成： 主要由活塞、活塞杆、缸体、缸盖、密封圈、进出油口等构成。 工作原理：液压马达是将液压能转换为机械能的装置。从构成来看，液压马达分为齿轮式、叶片式以及轴向柱塞式。 3.5.2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）。 3.5.3电动驱动分类： 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。（1） 步进电机 结构： 定子：定子铁芯由硅钢片叠加而成。每个定子磁极上均有控制绕组，且有均匀分布的小齿。 转子：由转子铁芯和转轴组成。转子铁芯同样由硅钢片叠加而成。转子上没有绕组，其上也有均匀分布的小齿。通常定子磁极上的小齿和转子上的小齿其齿宽和槽宽都是一样的。但它们之间的相对位置按一定的规律排列。如当A相定子小齿和小齿对准时，B、C相的定子小齿就会和转子的小齿错开。错齿是步进电动机能够步进的根本原因 。工作原理：A、B、C相电流通常来自于机器人控制系统 （2） 直流伺服电机构成：由定子、转子和换向器构成。 定子：由极心、极掌和励磁绕组构成。 转子：由转子铁芯和电枢绕组构成。 换向器：改变电枢绕组中电流的流动方向； 并使磁极下的电流方向保持不变。 （3） 工作原理：1、通电导体在磁场中一定会受到力的作用。2、判断受力方向用左手法则：磁力线穿过手心，四指指向电流方向，大拇指则指向受力方向。3、电枢绕组在旋转一周的过程中，每根导体中的电流方向发生了改变，但由于换向器的作用，保证了每个磁极下的导体的通电方向不变，从而使得电枢的受力方向不变。直流电机的分类：直流电动机根据励磁绕组与电枢绕组的连接方式不同可分为他励、并励、串励与复励。直流伺服电机：转子电枢绕组的电源来自于控制系统的他励直流电机。直流伺服电机的调速与换向：通过改变控制系统提供电源电压的大小和极性改变电机的速度和方向。他励 并励 串励 复励3.5.4对驱动装置的要求a.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。 b.反应速度要快。要求力质量比和力矩转动惯量比要大。 c.动作平滑，不产生冲击。 d.控制灵活，位移偏差和速度偏差小。 e.安全可靠。 f.操作维修方便等。步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。但是由于采用开环控制，没有误差校正能力，运动精度较差，负载和冲击震动过大时会造成“失步”现象。 b. 直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。其安装维修方便，成本低。c. 交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管GTO，大功率晶闸管GTR和场效应管MOSFET等电力电子器件、脉冲调宽技术(PWM)和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用16位CPU+32位DSP三环(位置、速度、电流)全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。d. 液压伺服马达：液压伺服马达具有较大的功率/体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，其液压系统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，本系统将尽量避免使用该种驱动方式。因此本课题的四自由度的工业机器人将采用直流伺服电动机。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。3.6基本参数的设定空间结构和手腕结构的确定，那么手腕回转、手腕摆动、和手腕旋转三个姿态的自由度也得到了实现。表3-1 四自由度的工业机器人的主要规格参数动作范围手腕回转手腕摆动手腕旋转额定载荷最大速度4 手腕详细设计说明4.1手腕电机的选择4.1.1提腕电机的选择手腕的最大负荷重量，初估腕部的重量，最大运动速度V=2m/s 功率取安全系数为1.2， 考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率。选择Z型并励直流电动机，技术参数如下表4-1 Z型并励直流电动机技术参数型 号额定电压 （V）额定转矩(N/m)额定转速 (r/m)参考功率 (W)重量 (kg)Z200/20-400 200 1 2000 400 5.54.1.2摆腕和转腕电机的选择根据设计要求取相同型号的电机，选择Z型并励直流电动机，型号为200/20-400。 4.2传动比的确定4.2.1提腕总传动比的确定先根据下式求角速度 = 20 r/s 为角速度(r/s)，V为运动速度（m/s）， R为机械接口到转动轴的距离(m)。再求实际转速 n 为转速(r/min)。最后求得总传动比i总10.4 取整i总1=104.2.2转腕和摆腕传动比的确定用同样的方法，可求得转腕总传动比i总220摆腕总传动比i总3104.3传动比的分配 传动比分配时要充分考虑到各级传动的合理性，以及齿轮的结构尺寸，要做到结构合理。a. 提腕传动比分配 提腕总的传动比i总1=10，该传动为两级传动，第一极传动为圆柱齿轮传动，传动比i11=2，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比i125。b. 转腕传动比分配 转腕总的传动比i总220，该传动为两级传动，第一极传动为圆锥齿轮传动，传动比i215，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比i214。 c. 摆腕传动比分配 摆腕总的传动比i总310，该传动为两级传动，第一极传动为圆柱齿轮传动，传动比i312，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比i325。4.4齿轮的设计 按照上述传动比配对各齿轮进行设计。4.4.1齿轮材料的选择 齿轮的主要失效形式有轮齿折断、齿面疲劳点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑性变形。因此设计齿轮时要使齿面具有较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力，齿根则要有较高的抗折断能力。为此，对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬，齿心要韧。钢材韧性好，耐冲击，容易通过热处理来改善其机械性能和提高硬度，是制造齿轮最常用的材料。 对于强度、速度和精度要求不高的齿轮传动，可以采用软齿面齿轮。软齿面齿轮的齿面硬度低于350HBS，热处理方法为调制或正火，常用材料有45号钢和40Cr等。加工方法一般为热处理后切齿，切制后即为成品，精度一般为8级。本文设计的齿轮副速度要求不高，所以设计选用40Cr为材料，软齿面即可满足传动要求。4.4.2提腕部分齿轮设计 A. 第一极圆柱齿轮传动齿轮采用45号钢，锻造毛坯，正火处理后齿面硬度170190HBS，齿轮精度等级为7极。取。a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b.按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 （41）其中， ， 选择材料的接触疲劳极根应力为： 选择材料的接触疲劳极根应力为： 应力循环次数N由下列公式计算可得 （4-2） 则 接触疲劳寿命系数,弯曲疲劳寿命系数接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数,又，试选。求许用接触应力和许用弯曲应力：将有关值代入（41）得：则 动载荷系数；使用系数；动载荷分布不均匀系数；齿间载荷分配系数，则修正 取标准模数。 c.计算基本尺寸取 d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数， 取 校核两齿轮的弯曲强度 （43） 所以齿轮完全达到要求。表42 齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙由于小齿轮分度圆直径较小，考虑到结构，小齿轮将做成齿轮轴。B. 第二极圆锥齿轮传动齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为7极。取a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b. 按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度的设计表达式 （44）其中， ，选择材料的接触疲劳极根应力为： 选择材料的接触疲劳极根应力为： 应力循环次数N由下式计算可得 （4-5） 则 接触疲劳寿命系数,弯曲疲劳寿命系数接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数,又，试选。求许用接触应力和许用弯曲应力：将有关值代入（44）得：则 动载荷系数；使用系数；齿向载荷分布不均匀系数；齿间载荷分配系数取，则修正 取标准模数。 c.计算基本尺寸d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数， 取 校核两齿轮的弯曲强度 （4-6） 所以齿轮完全达到要求。表43齿轮的几何尺寸符号公式分度圆直径 齿顶高齿根高齿顶圆直径 齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽由于小齿轮的分度圆直径较小，所以作成齿轮轴。4.4.3转腕部分齿轮设计第一极圆锥齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为7极。取。经计算齿轮满足要求表44齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径 齿顶高齿根高齿顶圆直径 齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽第二极圆锥齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为7极。取。经计算齿轮满足要求。表45齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径 齿顶高齿根高齿顶圆直径 齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽4.4.4摆腕部分齿轮设计第一极圆柱齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为7极。取。经计算齿轮满足要求。小齿轮作成齿轮轴。表46齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙第二极圆锥齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为7极。取。经计算齿轮满足要求。小齿轮作成齿轮轴。表46齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径 齿顶高齿根高齿顶圆直径 齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽4.5轴的设计和校核轴的结构决定于受力情况、轴上零件的布置和固定方式、轴承的类型和尺寸、轴的毛坯，制造和装配工艺、以及运输、安装等条件。轴的结构，应使轴受力合理，避免或减轻应力集中，有良好的工艺性，并使轴上零件定位可靠、装配方便。对于要求刚度大的轴，还应该从结构上考虑减少轴的变形。4.5.1输出轴的设计摆腕的传动轴根据连轴器选：轴径d=18mm ，根据结构取轴长l=135mm。由于要实现摆腕，工作时要求彼此有相对运动的空间传动所以提腕和转腕的传动轴采用软轴。软轴通常由钢丝软轴、软管、软轴接头和软管接头等几部分组成。a. 钢丝软轴由几层弹簧钢丝紧绕在一起构成的。每层又由若干根钢丝组成。相邻钢丝层的缠绕方向相反。b. 软管用来保护钢丝软轴，以免与外界的机件接触，并保存润滑剂和防止尘垢侵入；工作时软管还起支撑作用。c. 软轴接头用以连接动力输出轴及工作部件d. 软管接口用以连接传动装置及工作部件的机体，有时也是软轴接头的轴承座。在使用软轴的时候要注意钢丝软轴必须定时涂润滑脂，不得使软轴的弯曲半径小于允许最小半径。4.5.2传动轴的设计轴的材料为45号钢，调制处理a. 初估轴径， c=106117,取c=106则 （4-7） b. 各段轴径的确定 初估轴径后，就可按照轴上零件的安装顺序从处开始逐段确定轴径，上面计算的是轴段1的直径，由于轴段1上安装连轴器，因此轴段1直径的确定和连轴器型号同时进行。这次选用的是波纹管连轴器。故轴段1直径20mm。右端用轴肩固定，考虑到在轴段2上装套筒，故取轴径22mm。在轴段3上要安装轴承，其直径应该便于轴承安装，又应该符合轴承内径系列，即轴段3的直径应与轴承型号的选择同时进行。现取角接触球轴承型号为7205，其内径25mm。通常一根轴上的两个轴承取相同型号，故取轴段7的直径25mm。轴段4上用轴肩固定轴承，故取30mm。轴段5上作成齿轮轴，尺寸与齿轮相同。根据结构确定轴段6的直径30mm。c. 各轴段长度的确定各轴段长度主要根据轴上零件的毂长或轴长零件配合部分的长度确定。另一些轴段长度，除与轴上零件有关外，还与箱体及轴承盖等零件有关。根据联轴器取 。考虑到套筒长度取 。根据轴承宽度取 。根据结构 。图41轴的结构设计草图4.5.3轴的强度校核 传动轴的常用材料有碳素钢和合金钢。碳素钢对应力集中的敏感性较低，还可通过热处理改变其综合性能，价格也比合金钢低廉，因此应用较为广泛，常用45号钢。合金钢则具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。在一般工作温度下碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同。因此，用合金钢代替碳素钢并不能提高周的刚度。鉴于此，全方位移动结构中的车轮，转轴；机械手传动机构，螺纹轴采用45号钢，就完全能够满足设计要求的需要。轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准则是满足轴的强度或刚度要求。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的方法，并恰当地选取其许用应力，对于用于传递转矩的轴应按扭转强度条件计算，对于只受弯矩的轴（心轴）应按弯曲强度条件计算，两者都具备的按疲劳强度条件进行精确校核等。图42轴的受力分析和弯扭矩图a 轴上的转矩T：主轴上的传递的功率： （4-8）求作用在齿轮上的力：b 画轴的受力简图 见图42c 计算轴的支撑反力在水平面上在垂直面上d 画弯矩图 见图42在水平面上，剖面左侧剖面右侧在垂直面上 合成弯矩，剖面左侧剖面右侧 e 画转矩图 见图42 f. 判断危险截面 截面左右的合成弯矩左侧相对右侧大些，扭矩为T，则判断左侧为危险截面，只要左侧满足强度校核就行了。g.轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力， 截面左侧 h. 轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度 ，弯曲疲劳强度，剪切疲劳极限，等效系数， 截面左侧查得，；查得绝对尺寸系数，；轴经磨削加工，表面质量系数。则弯曲应力 ，应力幅 平均应力 切应力 安全系数 查许用安全系数，显然，则剖面安全。其它轴用相同方法计算，结果都满足要求。4.6轴承的选择滚动轴承的类型、尺寸和公差等级均已制定有国家标准，在机械设计中只需根据工作条件选择合适的轴承类型，尺寸和公差等级等，并进行轴承的组合结构设计。 按滚动轴承承受载荷的作用方向，常用轴承可分为三类，即径向接触轴承、向心角接触球轴承和轴向接触轴承。 在机械手的设计中，通常使用角接触球轴承、圆锥滚子轴承或深沟球轴承和推力球轴承的组合件。选择轴承要根据它所支承的轴的粗度（一般轴径的设计要先由计算的强度来确定基本尺寸，再根据GB/T2822-81来选取标准尺寸，也可以根据标准件如轴承等决定）来决定的，选定轴承后，还要进行轴承的寿命计算，可以根据下面的经验公式来计算。轴承的寿命： (43)式中 -基本额定寿命(r) -寿命指数，球轴承的=3，滚子轴承的=10/3 C-=1时，轴承所承受的动载荷，也称之为基本额定动载荷。 ，查标准件手册的轴承部分即可以得到 n-轴承转速当量动载荷 (44)式中 -轴承承受的径向荷 -轴承承受的轴向载荷 -径向载荷系数，查表 -轴向载荷系数，查表在实际计算中，考虑机械工作中的冲击、振动对机械受载的影响，应引入载荷性质的系数（表4.2），因此轴承的当量动载荷计算公式为 (45)载荷性质机械举例载荷性质系数平稳运转或轻微冲击电动机、空调机、水泵等1.0-1.2轻度冲击的运转机床、起重机、传动装置、风机、造纸机等1.2-1.5剧烈冲击、振动的运转破碎机、轧钢机、振动筛、工程机械等1.5-3.0表4.2 载荷性质系数4.7夹持器的设计根据焊枪的轴径和机械接口的结构设计了夹持器。本次设计使用的焊枪直径为50mm。用螺栓固定焊枪。通过螺栓与机械接口联接。4.8壳体的设计机座部分采用铸铝材料，方形结构，臂厚812mm。机身部分采用铸铝材料，圆筒形结构，臂厚78。大臂外壳和大臂箱体采用铸铝材料，方形结构，厚度均为68。小臂箱体和小臂外壳采用铸铝材料，结构为方形，侧面为铸件其它三面为铸铝板材。手腕外壳和手腕箱体采用铸铝材料，结构为方形，两侧面、背面、底面为铸件，端面和正面为铸铝板材，臂厚58mm。 其它部分具体尺寸由结构决定，详见图纸。5 控制系统的选择5.1控制系统的选择工业机器人关节是由直流伺服电机驱动，通过环流可逆调速系统控制电机的正反转来达到对工业机器人关节的伺服控制的目的。5.2控制系统的结构系统采用SIEMEN S7-200型PLC，外加DA数模转换模块，将PLC数字信号变成模拟信号，通过BTI变流调速系统(主要由转速调节器ASR、电流调节器ACR、环流调节器ARR，正组触发器GTD、反组触发器GTS、电流反馈器TCV组成)驱动直流电机运转，驱动机器人关节按控制要求进行动作。系统结构如图1所示。图1 机器人关节直流伺服系统结构示意图5.3系统工作原理系统原理如图2所示，可控环流可逆调速系统的主电路采用交叉联接方式，整流变压器的一个副边绕组接成Y型，另一个接成型，2个交