工业机器人设计说明书总文

第一章 绪论1.1 引言工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。国际标准化组织(ISO)在对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备，以执行种种任务” 。随着科学和技术的不断发展，在过去的几个世纪里，人类在许多方面都取得了重大的进展。机器人技术作为人类最伟大的发明之一，自 20 世纪 60 年代初问世以来，经历了短短的 40 年，已取得长足的进步。工业机器人在经历了诞生、成长、成熟期后，已成为制造业中必不可少的核心装备，而且工业机器人不仅在工厂里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以惊人的速度向航空航天、军事、服务、娱乐等人类生活的各个领域渗透。据联合国经济委员会和国际机器人联合会去年关于世界机器人的报告，仅 2003 年新投入使用的机器人接近 10 万个，使世界目前使用的机器人总数超过75 万。世界使用机器人最多的国家是日本，约 38 .9 万；其次为德国(9.1 万)、美国(9 万)、意大利(3.9 万)、韩国(3.8 万)、法国(2.1 万)、西班牙(1.3 万)和英国(1.2万)，并且报告估计 2004 年，全世界使用的机器人总数将超过 100 万。我国的工业机器人发展的历史已经有 20 多年，从“七五”科技攻关开始，正式列入国家计划，在国家的组织和支持下，通过“七五” 、“八五”科技攻关，不仅在机器人的基础理论和关键技术方面取得重大突破，而且在工业机器人整机方面，己经陆续掌握了喷漆、弧焊、点焊、装配和搬运等不同用途、典型的工业机器人整机技术，并成功的应用于生产，掌握了相关的应用工程知识。但总的看来，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离。我国目前大约有 4000 台工业机器人，其中仅有 1/5 是国产的，其余的则是从 40 多个国外厂商进口的机器人。总之，各种各样机器人的出现和应用是人类走向文明和发展的一个巨大进步和标志，在未来社会中，机器人的广泛应用和发展是一个必然的发展趋势。相信在不远的将来，机器人技术将一定能够为人类带来更多的方便，为人类的文明和发展带来更大的机会。工业机器人是机器人学的一个分支，它代表了机电一体化的最高成就。自1962年美国推出世界上第一台Unimation型和Versatran型工业机器人以来，工业机器人技术迅猛发展，工业机器人技术综合了机械工程学、电气工程学、微电子工程学、计算机工程学、控制工程学、信息传感工程学、声学工程学、仿生学以及人工智能工程学等多门尖端学科，是感知、决策、行动和交互四大技术的综合的高新技术，具有广泛的研究和应用价值，工业机器人应用水平代表了国家工业自动化水平。工业机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。机器人的应用主要有两种方式:一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线(如图1一2所示)，并且后者在国内外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产图1-1 装配工业机器人图1-2 喷漆机器人1.1.1工业机器人的发展过程及其应用20 世纪 50 年代是工业机器人的萌芽时期，1954 年美国戴沃尔发表了“通用重复型机器人”的专利论文，第一次提出了“工业机器人”的概念。1958 年美国联合控制公司研制出第一台数控工业机器人原型。1959 年美国 UNIMATION 公司推出第一台工业机器人。美国是机器人的故乡。20 世纪 60 年代随着传感技术和工业自动化的发展，工业机器人进入发展期，机器人开始向适用化发展，并被用于电焊和喷涂作业。20 世纪 70 年代随着计算机和人工智能的发展，机器人进入适用化时代。日本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施。其机器人拥有量很快超过了美国，一举成为“机器人王国”。20 世纪 80 年代工业机器人进入普及时代，汽车、电子等行业开始大量使用工业机器人，推动了机器人产业的发展。工业机器人的应用满足了人们特性化的要求，产品的批量越来越大，品种越来越多，而且产品的一致性也大大提高，为商家占有了更多的市场份额，获得了更多的市场利润。20 世纪 90 年代初期，工业机器人的生产与需求达到了一个高峰期。1990 年世界上新装备工业机器人 80943 台，1991 年装备了 76443 台，到 1991 年底世界上己有 53万台工业机器人工作在各条战线上。目前工业机器人主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、金属加工以及金属制品业等。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。随着生产的发展，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扩大，其应用范围已不限于制造业，还用于农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和太空的开发事业中。在工业领域广泛应用着工业机器人。我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通讯接口等几部分组成。一般多自由度串联机器人具有 46 个自由度，其中 23个自由度决定了末端执行器在空间的位置，其余 23 个自由度决定了末端执行器在空间的姿态。本文设计的机器人具有三个自由度，也就是机器人的整个手臂部分，来决定了末端执行器在空间的位置。1.1.2 工业机器人研究的现状与意义机器人涉及到机械、电子、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。因此它的发展与上述学科发展密切相关。机器人在制造业的应用范围越来越广阔，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。机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术(RT)概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。”目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC 化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。现代科学技术的迅速发展，尤其是进入 20 世纪 80 年代以来，机器人技术的进步与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术的开发、研究列入国家高新技术发展计划。世界各国普遍在高等院校为大学本科生及研究生开设了介绍机器人技术的有关课程。为了培养机器人开发、设计、生产、维护方面的人才，我国很多高校也为本科生和研究生开设了机器人学课程。1.2 国内外工业机器人发展现状1.2.1 国外工业机器人发展现状国外目前机器人研究的重点主要有以下几个方面:(1) 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，机器人操作机己实现了优化设计。以德国 KUKA 公司为代表的机器人公司，将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。(2) 并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现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。(3) 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 轴机器人发展到现在能够控制 21 轴甚至 27 轴机器人，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。(4) 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在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。(5) 网络通信功能：日本 YASKAWA 和德国 KUKA 公司的最新机器人控制器已实现了与 Canbus、Profibus 总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备有了发展。(6) 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，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性一般为几千小时，而现在已达到5 万小时，几乎可以满足任何场合的需求。1.2.2 国内工业机器人发展现状随着科学技术和世界各国机器人技术的发展，我国在机器人科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。从 20 世纪 80 年代末到 20 世纪 90 年代，国家 863 计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。在工业机器人选型方面，确定以开发点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运等机器人为主。这是中国机器人事业从研制到应用迈出的重要一步。一批从事机器人研究、开发、应用的人才和队伍在实践中成长、壮大，一批以机器人为主业的产业化基地已经破土而出。我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。但是，无论从工业机器人的数量上还是技术上，我们都是比较落后的。而我国作为一个工业大国，不能寄希望从其他国家得到真正的高技术，必须自主的发展我国的高技术，机器人作为高技术领域的一个重要分支，将成为 21 世纪各国争夺的经济技术制高点。如何在 21 世纪加速我国机器人的发展，使我国早日进入机器人大国行列，已成为当务之急。由于目前我国机器人的基础数量太低，以工业机器人为例，到了2010 年我国机器人拥有量只能达到世界拥有量 1.38%2%，这与我国作为 21 世纪前半叶世界主要制造国的要求差距太大，如果这种差距只能以进口机器人来弥补，其巨大损失不是可以用货币损失来计算的。可见，无论从资金方面考虑，还是从长远利益考虑，我们有必要自主地对机器人进行研究和开发。但是由于国内机器人的科研与开发与国外尚有较大差距，虽然计划开发的机器人基本上采用的是在国外基木成熟的技术，但国内各单位对这些技术的了解有相当部分还停留在文献上或局部技术上。所以我们应该从基本做起，有必要研制少数型号的机器人和开展一批基础技术研究作为机器人课题的主要研究与开发内容。1.2.3 我国未来工业机器人发展战略我国这一战略目标是：根据2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。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。工业机器人市场竞争越来越激烈，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径。因此我国工业机器人行业要认识到以下几点情况：第一，工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径，政府要对国产工业机器人有更多的政策与经济支持，参考国外先进经验，加大技术投入与改造；第二，在国家的科技发展计划中，应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持，形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面；第三，部分国产工业机器人已经与国外相当，企业采购工业机器人时不要盲目进口，应该立足国产，经综合评估，然后作出安排。第二章 机器人结构设计2.1 机器人结构的总体设计2.1.1所设计工业机器人的工作要求主要设计参数如下：自由度数目：5个机械机构形式：立式关节型作业半径：1090mm负荷能力：4kg驱动电机：步进电机最大重量:50kg详细技术参数如下表表2-1所设计工业机器人详细技术参数项目规格机械结构5自由度，立式关节式机器人 腰转部分工作范围（角度）： 大臂部分 小臂部分 手腕俯仰 手腕翻转360200180180360腰转高度500mm大臂长500mm小臂长410mm手腕长180mm承载能力最大4kg机器人总重约50kg驱动系统步进电机驱动2.1.2机器人机械设计的特点 2.1.2.1 机器人独特的结构特点 （1）关节型工业机器人操作机可以简化成各连杆首尾相接、末端开放的一个开式连杆系。为实现要求的坐标运动，在大多数工作时间内，连杆系末端是无法加以支撑的，因而操作机的结构刚度差，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。 (2) 在组成操作机的开式连杆系中，每根连杆都具有独立的驱动器，因而属于主动连杆系。这和普通的连杆系不同，在普通连杆系中，所有的连杆运动都出自同一驱动源，各连杆间的运动是互相制约的。由于操作机连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，故而操作机的运动更为灵活。 (3) 连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化是非常复杂的，且和执行件反馈信号有关。连杆的驱动属于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。本文所用的三个关节驱动是步进电机驱动，属于开环控制型。 (4) 连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的，因此，极容易发生振动或出现其它不稳定现象。 从以上特点可见，一个好的机器人设计应当使其机械系统的抓重自重比尽量大，结构的静动态刚度尽可能好，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。人类的手臂是最优秀的操作机，它的性能是机器人设计追求的目标。 2.1.2.2 与机器人设计有关的概念 以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念。 1、机器人的结构(1)机器人的体系结构从体系结构来看，机器人分为三大部分六个系统，分别是：三大部分：机械部分（用于实现各种动作）、传感部分（用于感知内部和外部的信息）、控制部分（控制机器人完成各种动作）。六个系统： A 驱动系统：提供机器人各部位、各关节动作的 原动力。B机械结构系统：完成各种动作。C感受系统：由内部传感器和外部传感器组成。D机器人-环境交互系统：实现机器人与外部设备的联系和协调并构成功能单元。E人机交互系统：是人与机器人联系和协调的单元。F控制系统：是根据程序和反馈信息控制机器人动作的中心。分为开环系统和闭环系统。(2)机器人的机械结构： 工业机器人一般有以下几部分构成（如图1-1）：机身部分：如同机床的床身结构一样，机器人机身构成机器人的基础支撑。有的机身底部安装有机器人行走机构；有的机身可以绕轴线回转，构成机器人的腰。臂部分：分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。末端操作器：可以是拟人的手掌和手指，也可以是各种作业工具，如焊枪、喷漆枪等。关节：分为滑动关节和转动关节。实现机身、手臂各部分、末端操作器之间的相对运动。图2-12、机器人的几何模型： a 转动关节 b 移动关节图2-2利用关节图形符号，可以把复杂的真实机器人抽象成简单的几何模型，以便研究其运动和进行受力分析。一个形状和大小不同的工业机器人，可能有着相同的几何模型（仅几何参数不同），并有着相同的运动学分析结果。 a 5R型工业机器人 b 机器人几何模型图2-32.1.2.3机器人主要技术参数（1）自由度： 指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。（2）工作精度：包括定位精度和重复定位精度。可以用精密度、正确度、和准确度三个参数来衡量。（3）定位精度：指机器人实际到达的位置和设计的理想位置之间的差异。（4）重复定位精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。（5）工作范围：指机器人末端操作器所能到达的区域。（6）工作速度：指机器人各个方向的移动速度或转动速度。这些速度可以相同，可以不同。（7）承载能力：指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。2.1.3 工业机器人的分类方法机器人分类方法有多种。 （1）按机器人控制方法的不同，可分为点位控制型(PTP)，连续轨迹控制型(CP)： (a) 点位控制型(Point to Point Control)：机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如机器人在进行点焊时的轨迹控制。本文的机器人就属于PTP型。 (b) 连续轨迹控制型(Continuous Path Control)：机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。 （2） 按机器人的结构分类，可分为四类： (a) 直角坐标型：该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。 (b) 圆柱坐标型：该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以, r, z为坐标，位置函数为P=f (, r, z)，其中，r是手臂径向长度，z是垂直方向的位移，是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。 (c) 球坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节。以,y 为坐标，位置函数为P =f (,y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。 (d)关节坐标型：有垂直关节型和水平关节型(SCARA 型)机器人。前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活、工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。本文设计的机器人为关节坐标型。 直角坐标型 圆柱坐标型 球坐标型 关节型图2-4（3），按驱动方式分类可分为：(a) 气压驱动；(b) 液压驱动；(c) 电气驱动。 电气驱动是20世纪90年代后机器人系统应用最多的驱动方式。它有结构简 单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。本文 设计的机器人三个关节均使用电气驱动。 （4），按用途分类可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削加工机器人和特种用途机器人等。 本文的机器人为实验演示用途的机器人，五自由度通用型工业机器人，末端有法兰，用来连接末端执行器。 2.1.4 机器人手臂结构方案设计 手臂的总体设计是工业机器人设计的首要问题，主要有包括总体方案设计和基本技术参数设计。 2.1.4.1 方案功能设计与分析 1、机器人手臂自由度的分配和构形 手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构形如图21所示。 图 2-5 几种多自由度机器人手臂构形 本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要结构简单，容易控制。综合考虑后确定该机器人具有五个自由度，其中手臂三个自由度，手腕部分二个自由度，由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间(手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比)和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关节型机器人的结构。 旋转关节相对平移关节来讲，操作空间大，结构紧凑，重量轻，关节易于密封防尘。这里机器人手臂使用了三个旋转关节，综合各种手臂构形，最后确定其结构形式 为图11中的第一种形式，此手臂决定了末端执行器在空间的位置。 关节型机器人手臂有三个转动关节，通常腰关节的转轴是铅垂的，手臂在水平面内可绕腰关节轴转动，肩关节和肘关节的转轴平行，且都平行于水平面，故手臂可在垂直面内转动。由三个转动关节构成的关节组联接在小臂杆的端部，模拟人的手腕，决定末端件的姿态。在运动学结构上，这类机器人最像人的手臂，因而结构最紧凑，柔性最好，可达空间最大，它甚至可以绕过障碍物到达目标点，因而是机器人中最有前途的一种。但由于三个关节都是转动的，故臂端的分辨率完全取决于它在工作空间中的位置。另外，位置精度也较差。 2、机器人手臂结构方案的对比分析及选择 参考国内外工业机器人的典型结构，初步对各个回转关节的结构单独分析。 (1) 腰部回转关节 图 2-6 腰部回转示意图 1 图 2-7 腰部回转示意图 2 方案一：如图26所示，电机安装在底座下面，其输出轴经谐波减速器减速后，直接带动第一关节输出轴，使整个腰部在基座上回转。 方案二：如图27所示，电机安装在底座上面，其输出轴先经谐波减速器减速，再经一对齿轮减速后，由第一关节输出轴带动整个腰部在基座上回转。 两种方案在传动实现上，都是可行的。均采用了减速比大、体积小、重量轻、精度高、回差小、承载力大、噪音小、效率高、定位安装方便的谐波减速器。虽然方案二在安装和维修方面优于方案一，但是方案一的传动结构简单一点，而且少了一对普通直齿轮，其整体结构并不复杂，电机经谐波减速器减速后，速度己经较低，噪音问题不突出。故综合考虑，腰部回转关节选择方案一。 (2) 大臂和小臂回转关节 图2-8 大臂小臂手腕和末端执行器回转示意图大臂和小臂回转都是通过谐波减速器减速器减速后直接带动来实现的，且结构简单，通用性强，成本低，安装方便。由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间(手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比)和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活,结合本课题的实际条件，因此,大臂、小臂手腕和末端执行器回转关节选择方案是合理的。2.2 工业机器人机械结构设计2.2.1 主要结构参数的确定首先确定所设计工业机器人结构尺寸，大致的结构尺寸如2-9图所示其次确定各主要部件的质量，并且把各部件质量等效在各关节处（在误差范围内），有利于分析与计算。大致确定各大部件的质量及其等效位置如图2-9所示末端操作器处4kg手腕处8kg小臂电机处12kg大臂电机处及腰转部分25kg总重量约为49kg 图2-9 所设计的工业机器人主要尺寸（mm）2.2.2电机与减速器的的选择(1)电机的选择由于本工业机器人有5个自由度，为使其右确定的运动规律，必须有5个电机来驱动。首先，在机器人驱动电机的选用方面，目前机器人电机主要有四种:1.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;位置误差不会积累;步进电机具有自锁能力和保持转矩的能力，这对于控制系统的定位是有利的，适合于传动功率不大的关节或小型机器人。 2.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。但其结构复杂，成本较高，而且需要外围转换电路与微机配合实现数字控制。同时，使用直流伺服电机，还要考虑电刷放电对实际工作的影响。3.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，价格较昂贵。随着相关技术的发展，其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。4.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。但是，其费用较高，其液压系统经常出现漏油现象。结合机器人驱动装置的一般要求，考虑此工业机器人负载不大，要求整机重量轻，且作业范围不大，要求机器人体积小的特点，本设计中机器人五个电机选用步进电机驱动，具体型号为雷赛科技公司圣餐的两相式步进电机，五个电机分别为腰转电机01、大臂电机02、小臂电机03、手腕俯仰电机04、手腕回转电机05，在后面的书写中便简称电机01-05。 图2-10 两相式步进电机（86式）外形图步进电机的主要参数，以86式两相式步进电机为例进行详细介绍五个步进电机在机器人中所处的位置如下图所示： 图2-10 五个步进电机电机的位置(2) 减速器的选择正如前面所提到。在机器人的设计中一般需要高传动比和体积小的减速器，谐波减速器便是比较理想的选择。所以在本机器人的设计中采用谐波减速器作为减速装备，具体型号为北京谐波传动研究所的XB1谐波减速器 图2-11谐波减速器图2-12 XB1谐波减速器标准组件外形尺寸图下面介绍有关谐波减速器的一些基本概念。谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(几十几百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等优点，故在工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到广泛的应用。谐波齿轮构成：谐波齿轮传动是谐波齿轮行星传动的简称。是一种少齿差行星传动。通常由刚性圆柱齿轮G、柔性圆柱齿轮R、波发生器H和柔性轴承等零部件构成。 柔轮和刚轮的齿形有直线三角齿形和渐开线齿形两种，以后者应用较多 。谐波齿轮特点：谐波齿轮传动既可用做减速器，也可用做增速器。柔轮、刚轮、波发生器三者任何一个均可固定，其余二个一为主动，另一个为从动。传动比大，且外形轮廓小，零件数目少，传动效率高。效率高达9296，单级传动比可达504000。 承载能力较高：柔轮和刚轮之间为面接触多齿啮合，且滑动速度小，齿面摩损均匀。柔轮和刚轮的齿侧间隙是可调：当柔轮的扭转刚度较高时，可实现无侧隙的高精度啮合。谐波齿轮传动可用来由密封空间向外部或由外部向密封空间传递运动。谐波齿轮传动的工作原理 谐波传动由三个主要构件所组成，即具有内齿的刚轮l、具有外齿的柔轮2和波发生器3。通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。当波发生器装入柔轮内孔时，由于前者的总长度略大于后者的内孔直径，故柔轮变为椭圆形，于是在椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区；同时在椭圆短轴两端，两轮轮齿则完全脱开。至于其余各处，则视柔轮回转方向的不同，或处于啮合状态，或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处和脱开处也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移，从而传递运动。 在波发生器转动一周期间，柔轮上一点变形的循环次数与波发生器上的凸起部位数是一致的，称为波数。常用的有两波和三波两种。为了有利于柔轮的力平衡和防止轮齿干涉，刚轮和柔轮的齿数差应等于波发生器波数(即波发生器上的滚轮数)的整倍数，通常取为等于波数。A、齿差：谐波齿轮传动中，刚轮的齿数zG略大于柔轮的齿数zR，其齿数差要根据波发生器转一周柔轮变形时与刚轮同时啮合区域数目来决定。即zG-zR=u。目前多用双波和三波传动。错齿是运动产生的原因B、变形： 波发生器的长度比未变形的柔轮内圆直径大：当波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮轮齿插入刚轮的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态。由啮合到脱开的过程之间则处于啮出或啮入状态。当波发生器连续转动时：迫使柔轮不断产生变形，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运动传递。2.2.3电机与减速器的选型计算电机01及谐波减速器01的选择腰部回转关节由步进电机通过减速器来驱动。当腰部回转体与大臂，小臂，末端执行器处于水平状态时，各部分对回转中心产生的转动惯量最大，其代数和为(简化后计算) 初步规定机器人腰部回转角速度从加速到所需要的时间为，则腰部回转角加速度： （2-1）则腰部回转启动惯性矩： （2-2）谐波减速器型号为XB1-100，减速比为100，额定输出力矩为240Nm，传动效率为90%取安全系数为，所以步进电机输出力矩MTi=150.561000.9=1.67Nm同时考虑到86HS22的机身长度过长，所以就选择86HS35比较合适再结合步进电机型号，选择电机01型号为86HS35具体参数如下：相数：4，步距角：1.8，额定转矩：3.5Nm，质量2.0kg，机身长：65mm。电机02与谐波减速器02的选择电机02为大臂电机，和腰转电机的选择不同，大臂电机还要克服小臂手腕处得静力矩，当大臂与小臂，末端执行器均处于水平状态时，各部分对回转中心产生的静转矩最大，其静力矩代数和M静为M静=401.09+800.91+1200.5 =43.6+72.8+60 =176.4Nm假设在只有大臂电机带动手臂做转动时，此时的所需力矩最大，据上文计算所得手臂对大臂回转轴的转动惯量为J=14.38Nm，假设此情况下大臂启动时转动角速度从加速到所需要的时间为此时的角加速度= =303.141800.2=2.62 （2-3）此时大臂所需惯性力矩为M惯=J=37.68Nm （2-4）谐波减速器的效率为90%，传动比为100，所以步进电机的输出力矩MTi=37.68+176.41000.9=2.38Nm所以步进电机选择86HS35。具体参数问为：相数：4，步距角：1.8，额定转矩：3.5Nm，质量2.0kg，机身长：65mm。谐波减速器选择为XB1-100.额定输出力矩为240Nm。小臂电机03与谐波减速器03的选型计算和大臂一样，小臂在受到惯性力矩的同时还受到静力矩，所以在选型计算上仿照大臂电机02的选择。当小臂，末端执行器均处于水平状态时，各部分对小臂回转中心产生的静转矩最大，其静力矩代数和M静为M静=400.59+800.41 =23.6+32.8 =56.4Nm假设在只有小臂电机带动小臂及手腕做转动时，此时的所需力矩最大，据上文计算所得手臂对大臂回转轴的转动惯量为J=40.592+80.412 =1.39+1.34 =2.73kgm2假设此情况下大臂启动时转动角速度从 0/s加速到30/s 所需要的时间为 此时的角加速度=303.141800.2=2.62此时大臂所需惯性力矩为M惯=J=7.15Nm谐波减速器的效率为90%，传动比为100，所以步进电机的输出力矩MTi=7.15+56.41000.9=0.71Nm所以步进电机选择57HS09。具体参数问为：相数：2，步距角：1.8，额定转矩：0.9Nm，质量0.6kg，机身长：54mm。谐波减速器选择为XB1-80.额定输出力矩为120Nm。手腕俯仰电机04与手腕回转电机05以及与其配套的谐波减速器的选择计算与上面的选型计算类似，这里边便不再一一介绍。下面通过列表的形式把所选的步进电机与谐波减速器进行总结。表2-1 所选的5个步进电机的具体型号与参数型号性能参数电机01电机02电机03电机04 电机05电机型号86HS3586HS3557HS0939HS0239HS01步距角（）1.81.81.81.81.8额定输出力距（Nm）3.53.50.90.20.1质量（kg）220.60.20.2机身长度(mm)6565543420表2-2所选的谐波减速器的型号与性能参数型 号性能参数谐波减速器01谐波减速器02谐波减速器03谐波减速器04谐波减速器05型号XB1-100XB1-100XB1-80XB1-40XB1-25额定输出力距（Nm）240240120152额定输入转速（r/min）300030003000300030002.2.4 腰转部分的设计与计算在工业机器人总体设计以及电机的选型计算已完成的基础上，现在进行结构的详细设计，首先进行腰转部分的详细设计。正如上文所说，腰转部分的传动方案是步进电机连接谐波减速器，然后通过谐波减速器带动轴01的转动，腰转部分与轴固联在一起，带动腰部的转动。由于整个工业机器人结构的轴承、键、以及轴比较多，为了防止混淆，对这些零件进行编号处理，例如键01、键03，以及轴01、轴02.在这里箱体内部的结构比较复杂，所以把箱体分成三个零件进行设计，这样才能达到设计的要求以及结构的简化，这个三个部件分别称为箱体上部、箱体中部、箱体下部。腰转结构如下图图2-13 腰转部分的详细结构图 1、箱体下部 2、腰转电机01 3、键01 4、电机箱体联接部 5、深沟球轴承01 6、箱体中部 7、谐波减速器01波发生器 8、谐波减速器01刚轮 9、谐波减速器输入轴 10、谐波减速器柔轮 11、箱体上部 12、键02 13、圆螺母 14、腰转输出轴，即轴03 15、谐波减速器01输出轴，轴02 16、推力球轴承 17、深沟球轴承01 18深沟球轴承02 19、轴承端盖 电机01联接部得设计由于电机01的输出轴的轴径为12.7mm，而谐波减速器01的输入轴的轴径为24mm，所以在电机与谐波减速器之间必须有连接部，连接的部得详细设计图如下：图214 电机轴与谐波减速器输入轴之间的连接键的选型为普通平键，静连接，公称尺寸bh为55，键的长度为20mm。下面进行键的校核。取许用挤压应力p=110（N/mm2） p=4Tdhl=43.512.7520=11.02p （2-5） 所以从挤压强度角度来看该键是合格根据轴的结构，深沟球轴承01的选择为 深沟球轴承60000型18系GB/T276-1994d=30mm,D=62mm,B=16mm 轴02与轴03的设计校核轴02最小轴径的确定由于轴02主要承受扭转力矩，所以应按扭转强度条件计算和轴的直径轴的材料采用40Cr,取许用扭转应力T的系数A =100 根据公式 dA3Pn （2-6）便可求得最小轴径 其中P为轴所传递的功率 n为轴的转速,轴02的转速n02=30r/min轴02所传递的功率为P02=T0202 （2-7）轴的扭矩T02=150.56Nm，轴的转速02=2N60i=233.14 （2-8）则功率为P02=T0202=0.473Kw由此可得理论最小轴径dmin10030.47330=25.1mm取最小轴径为30mm轴02的设计轴02的详细设计如下 图2- 15 轴02的详细结构与三维视图轴02粗处键的选型：普通平键，静连接，公称尺寸bh为87，键的长度为18mm。下面进行键的校核。取许用挤压应力p=110（N/mm2） p=4Tdhl=4150.56321018=104.6p 所以该键是合格。轴03以及轴上零件的设计计算轴03是腰转的输出轴，带动手臂做回转运动，轴03与轴03之间采用键连接，且轴03和腰转回转盘是固联在一起的。键的选型已在轴02的设计中介绍过，校核合格，现在不在赘述。轴03的详细设计如下图所示 图2-16 轴03的设计图2-17 轴03的三维造型 推力球轴承的选型为推力球轴承51000型12系列 GB/T3011995d=50mm，D=78mm，T=22mm。 圆锥滚子轴承01、02为同一型号，均为圆锥滚子轴承30000型02系列GB/T297-1994d=60mm，D=110mm，T=23.75mm，B=22mm 轴03的校核。 由于轴03所受的轴力由推力球轴承来承受，而且在机器运动时产生的向上的轴向力很小，可以忽略不计，因此在校核轴承时只考虑轴承所受的径向力。 A、确定轴承作用力与外力的作用位置 确定了轴承对轴的作用位置后，再对轴的受力进行简化可得到下面的轴的受力示意图。2-15 轴承在轴03上的作用力位置以及轴受力图在上图中F1为手臂的重力简化在离轴中心500mm处，且F1=400NF2为机器所受的最大惯性力，F3=250N。 F2=m1r1+m2r2+m3r3 =185N B、绘制轴的弯矩图和扭矩图图2-16轴03受力简图 F1=400N，F2=185N，F3=250N，M1=M2=150.56Nm，Fz1H，Fz2H，为轴承的支反力。求轴承支反力由于垂直方向的力由推力球轴承承担，轴承反力只存在于一个竖直平面内，假设为H平面，通过计算可得 FZ1H-FZ2H=185 F1L1+F2L2=FZ2HL3计算可得 FZ1H=3606N FZ2H=3791N 可以计算得轴的弯矩图如图2-17（a）： 图中Mw1=246415Nmm Mw2=258791Nmm2-17 轴03的弯矩、扭矩以及当量弯矩图（a）为弯矩图，（b）为扭矩图（c）为当量弯矩图轴的扭矩图如2-17（b）：图中TN=150560Nmm C、按弯扭合成强度条件校核轴强度 当量弯矩 Mca=M2+(T)2 （2-9）取折合系数=0.6，则可算得当量弯矩图如图2-17（c）： Mca1=(0.6150560)2=90336Nmm Mca2=2464152+(0.6150560)2=262452Nmm Mca3=2587912+(0.6150560)2=274105Nmm轴的材料为铸钢，根据机械设计书（东南大学出版社）表8.2可查得b=500N/mm2,可查的材料许用应力为-1b=40 N/mm2根据公式 ca=Mcaw （2-10）ca1=Mca1w1=9033610403=8.68 N/mm2ca3=Mca3w3=2741050.1603=12,7N/mm2由此可见该轴是合格的 深沟球轴承的校核深沟球轴承01、02为同一型号，均为深沟球轴承6014，GB/T276-1994。d=70mm，D=110