六自由度焊接机器人结构设计[6自由度工业机器人][含6张CAD图纸+文档资料]

毕业设计（论文） 毕业设计题目： 焊接机器人结构设计 毕业生姓名：专业：学号：指导教师：所属系（部）：二 年 月前 言机器人技术是融合了电子技术、机械技术等多种新兴技术的一种高新技术。工业机器人先后经历了从第一代示教再现机器人、第二代离线编程机器人，到现在的第三代智能机器人三个过程。焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，焊接质量的好坏对产品质量起着决定性的影响，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已经成为必然趋势，采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标志。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；在对其工作空间分析的基础上，对关键的零部件进行了受力分析及强度校核；根据其基本结构参数，并用CAXA2013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；传动方案设计；受力分析；强度校核IIIAbstractSix degree of freedom industrial robot is a kind of automatic machine with high accuracy, with high degree of flexibility and stability. So in the design we should pay attention to the rationality of the structure and technology, in the choice of materials should be so that it has high strength and lightweight, this paper mainly for the handling of industrial robot total drive way and the axis of the transmission scheme design, and the drive motor selection; in work space analysis based on the kinematics calculation, of key parts were stress analysis and strength check; and mapping with CAXA2013 assembly drawing and part of the key parts of the map.Key Words：Industrial robots; Structuraldesign; Transmissiondesign; Force analysis；Intensity verification.IV目 录摘 要V1 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 国内外研究现状及发展趋势31.3.1 国外发展现状与趋势：31.3.2 国内发展现状与趋势：41.4 工业机器人相关技术51.5 本文主要内容62 总体方案与传动机构设计82.1 总体方案设计与分析82.1.1 驱动方式选择92.2 传动方案的初步设计102.2.1 腕关节的传动结构设计102.2.2 小臂传动机构112.2.3 大臂传动机构112.2.4 腰身传动机构122.3 机器人部分技术参数123.1 工作空间143.2 工作空间与机器人结构尺寸的相关性143.2 分析164 结构设计174.1 传动方案的确定174.2 手腕传动174.2.1 腕部的设计要求174.2.2 腕部电机的选择174.3 腰部184.3.1 底座及腰部设计要求184.3.2 电机选择184.4 手臂194.4.1 手臂作用概述194.4.2 电机选择194.5 传动结构设计计算205 关键零部件的校核255.1 腕部中心轴的结构设计与校核255.1.1 确定腕部中心轴的材料以及各段直径和长度255.1.2 腕部中心轴的强度校核255.2 腕部中心轴2的结构设计与校核275.2.1 腕部中心轴2的结构设计275.2.2 腕部中心轴2的强度校核285.3 手腕齿轮连接轴的结构设计与校核285.3.1 手腕齿轮连接轴的结构设计285.3.2 手腕齿轮连接轴的强度校核295.4手腕齿轮连接轴2的结构设计与校核315.5驱动臂座与腰部主轴连接螺钉的校核315.6 部分三维图316 总结34附录35参考文献46VII买文档就送CAD图纸 414951605 加1 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。焊接机器人就是在自动焊接生产领域从事焊接任务的工业机器人,绝大多数的焊接机器人的结构是在通用的工业机器人的基础上装上某种焊接工具而构成的,视具体焊接方式不同可对个别焊接机器人进行专门设计。焊接机器人发展历史悠久,从上世纪年代工业机器人开始实用化以来,焊接机器人就立刻被投入到点焊和电弧焊领域中并得到了持续的应用。据统计,全世界使用中的焊接机器人数量大约占工业机器人总数量的一半,焊接机器人的研究历程和应用领域几乎等同于工业机器人。焊接机器人的发展历史可以说是代表着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,主要应用于电焊和电弧焊生产线上。经历了半个多世纪的应用和不断完善,国内外学者对焊接机器人的研究仍然在向前发展,并取得了许多成果。目前学术界正在不断完善机器人共性技术的研究,主要是针对机器人操作机结构、控制系统、传感技术、网络通信技术、遥控和监视技术、虚拟机器人技术、多智能体调控技术等等的研究。未来焊接机器人正在向智能化方向、多传感器信息融合方向、模糊控制方向、群体协调和集成控制的方向发展。焊接机器人广泛应用于汽车及其零部件制造、工程机械和机车车辆等领域,近些年随着焊接机器人技术的不断发展,开始逐渐应用于石油石化、船舶制造、冶金建设和压力容器制造等领域。其中对管道相贯线全位置焊接机器人研究的力度比较大,其关键技术研究主要包括机械机构研究、自动跟踪技术研究和计算机程控技术研究。最初焊接机器人主要应用于汽车、摩托车及工程机械三个主要行业里,而且多数主要应用于汽车及其零部件制造行业中,在摩托车行业和工程机械行业中只占少数,其他像电器、自行车、机车、航空航天等行业也有一些。焊接机器人一开始应用于汽车装配生产线上的电阻点焊,后来随着焊缝轨迹跟踪技术、控制技术和机器视觉技术在工业上的推广应用,又承担起了汽车零部件和装配过程中电弧焊的焊接任务。点焊机器人主要用于汽车及其零部件生产,但是在其他行业中用得却极少。弧焊机器人的分布比点焊机器人要广泛,但主要仍集中于汽车及其零部件生产线中,其余则分布于摩托车及工程机械制造行业中。随着机器人共性技术研究的不断深化,焊接机器人才开始应用于造船、锅炉、重型机械等焊接领域中。这些焊接任务中最常见的就是管道插接空间相贯线焊接,与传统的常规平面焊接任务不同,对焊接机器人技术提出了新的要求。目前使用的机器人中，焊接机器人约占总量的一半。国外对机器人技术的垄断，严重制约着我国技术的发展，要打破垄断，必须自主研制出适合自身发展的机器人，提升自身的科技水平。机器人的本体结构作为焊接机器人的基础，其加工制造精度，装配精度等对机器人工作范围、工作稳定性等方面有直接影响。机器人燥接可以使焊接过程更加稳定，提高焊缝成型质量，改善劳动条件，适应恶劣环境，提高生产效率，明确产品周期，有效控制产量，缩短产品更新换代周期，减小设备投资等，从而满足现代化生产的需要。工业机器人是机电一体化的设备，是包含了多种高新技术的产品，其产品的附加值高。机器人行业虽然是现代社会一个比较新的行业，但是在提高汽车、制造等行业的自动化程度上有不可磨灭的功劳，因此，许多国内外的专业人士都认为它将是一个大规模的高新技术行业。现在人民的生活水平日益提高，对产品的要求也越来越高，这样工业机器人就有了应用的空间，随着我国汽车、制造等行业大量使用工业机器人，我国机器人市场的需求量很大，但在实际应用的机器人中进口占了绝大多数，在目前所使用的工业机器人中，国产仅占20%，其余都是从日本、德国、瑞典等国家引进的，然而由于国外的机器人并不完全适合中国企业的要求，有很大一部分都不能正常使用，因此现在国产机器人的发展既有机遇又有挑战。 以焊接行业为例，因为焊接工作具有工作强度高、危险性大、时间长等特点，现在已经很少有人愿意从事这一行了，这样就迫切需要大量的焊接机器人，目前我国焊接机器人较少，远没有达到饱和，再加上近年来国家政策支持发展国产机器人，这一切都说明工业机器人有很好的发展前景，研发高精度的焊接机器人有助于提高人民的生活质量，提高工业自动化程度，促进我国从制造大国转变为制造强国。1.3 国内外研究现状及发展趋势1.3.1 国外发展现状与趋势：在 1946 年，美国发明家就申请了示教再现控制技术的专利，这种控制技术目前仍然应用在大多数的示教工业机器人中，它其实就是人工把机器人从起始位置到工作目标点的运动路径运行一遍，机器人自身就记录下各个关节的转角等资料，以实现以后工作的再现。到 1959 年，第一台正式用于工业的机器人样机，在美国被设计生产出来了。而且仅仅过了三年，可以用于实际工作的机器人“VERSTRAN”就在美国的AMF公司诞生了，从此就引发了全世界对机器人的研究热潮。许多国家开始积极出台相关政策，首先作为机器人技术发源地的美国，继续加大投入，鼓励机器人的研究和应用；而德国政府则采用强硬手段支持其国内机器人的发展，一些工作岗位被强制规定：必须使用机器人，这样一来就加快了其机器人的研发和实用进程；英国为了弥补一开始的失误，采取加大对其自身机器人的财政补贴、扩大对机器人的宣传等政策，使英国机器人的发展稳步提高；日本对机器人的研发虽然起步较晚，但其凭借与美国的良好关系，从美国引进机器人的成熟、先进技术，再加上政府的大力支持和自身研发者的刻苦钻研，使得日本机器人，在世界机器人行业中有着举足轻重的地位。根据近期的相关统计，目前在各种领域工作的机器人，大概有50%是由日本研发、制造的。因为工业机器人拥有工作时间长、柔性好及适用性强等特点，所以它在汽车制造业、机械工程、医疗器械、食品加工等行业中应用较多，而在这些行业中，汽车行业是应用工业机器人最早，也是最多的，其数量大概占有37%左右。工业机器人的技术在国外的一些国家已经比较成熟，其应用范围也是遍布各行各业。以日本为例来说，当初其微电子行业的发展，使日本的劳动力明显不足，这样工业机器人在公司受到了“救世主”般的欢迎，使日本的工业机器人得到政府和企业的高度重视，从而促使其快速发展，现在日本的各个行业都有机器人的身影。目前不管是从机器人的数量还是机器人的密度来看，日本都位居世界第一。而其它欧美工业发达国家机器人的发展，则更是可见一斑。下面用具体的数字来直观地描述国内外工业机器人的应用情况，从工业机器人的密度(即每万名生产工人占有的机器人数量)来分析，日本和意大利分别达到 1700 台和 1600 台，联邦德国为 1190 台，法兰西共和国有 1130 台，葡萄牙有 980 台，美国为 780 台，瑞典有 650 台，加拿大 620台，我国最多拥有 90 台(汽车行业)。到目前为止，许多工业发达的国家都有自己知名的代表性机器人制造商，这些机器人企业一般被分为两种：欧系和日系。在这些工业机器人的生产厂家中，如发那科、安川、OTC、三菱、那驰不二越等称为日系；而另外一些常见的像史陶比尔、杜尔、ADEPT、意大利的 COMAU 公司以及奥地利的重工 GM 等称为欧系。这些跨国公司，不仅对其各自的国家来说是支柱性企业，而且在国际上也都比较有影响力，几乎垄断了机器人行业。1.3.2 国内发展现状与趋势：我国由于工业基础薄弱，对机器人的研究是从上世纪 70 年代才逐渐开始的，而且还仅仅是研究分析机器人的基础理论，直到 1986 年，国家出台政策，将机器人作为高新技术来研究，并且陆陆续续成立了一些专业的科研院所和公司，这样我国机器人事业才得到了较快的发展。比如说首钢莫托曼，虽然说是目前国内最大、最先进的机器人生产制造公司，但因为是中日合资企业，技术方面主要依靠从日本引进，虽然现在已经开发、生产了多个系列的多种机器人，占有一定的市场份额，但对工业机器人国产化帮助有限。而 2000 年成立的沈阳新松机器人公司，是完全拥有自主知识产权的，同时它也是我国工业机器人的产业基地，隶属于中国科学院，它成功研制了我国第一台工业机器人，从而揭开了国产机器人应用的序幕，并且填补了我国在这一行业的空白。现如今，新松机器人公司生产的机器人种类多样，相关技术已达到国际先进标准，其产品应用在我国的很多自动化行业中，打破了国外的垄断，为促进我国工业自动化做出了较大贡献。随着从 2008 年开始的劳工成本大幅上升，工业机器人就逐渐在我国的制造行业崭露头角，当年我国新增的各种机器人达 7500 台之多，其数量是前 24 年销售总量的三分之一。在不久的未来，机器人将作为一种标准设备而得到广泛应用，并将成为我国工业自动化技术与应用的“生力军”。沈阳新松公司（）在国内率先开展机器人的研巧。其研发的焊接机器人在许多厂商中得到应用，如点焊机器人成功应用于一汽轿车的小红旗、世纪星两种车型的车身姐焊；为大连华克吉莱特汽车公司组建弧焊机器人工作站等。奇瑞汽车有限股份公司主要产品有弧焊、点焊等多种机器人产品系列，但仅用于奇瑞汽车生产线上，适应范围较窄，并且未能完全实现自主研制，其核必部件依然受国外的限制，如奇瑞中的电阻焊接控制器采用日本的电阻焊接控制器，焊巧采用曰本小原的一体化气动焊領。虽然我国在机器人技术方面取得一定的进步，但是受国外技术垄断，国内工业水平较落后等因素的影响，国产机器人占用比还是较低。另外我国研制的焊接机器人在可靠性、定位精度、使用寿命等方面与国外产品相比依然有较大差阻町因此市场竞争力较弱，产品难以打入国际市场。随着现代加工技术要求的提升，为了适应发展要求，焊接机器人技术的研究也在不断的深入，智能化、模块化、物联网化的概念将成为发展的主流，焊接机器人发展方向主要分为智能传感技术、多机器人协作焊接、嵌入式控制技术及开放式机器人控制系统。智能传感技术。焊接机器人的控制是一个多变量的控制过程，控制量的控制结果则是通过传感器反馈回来，传统的传感器采集的是位置、速度、加速度等这些直接控制量，而新型传感器则具备自动识别和调节功能，再结合相关算法能让焊接机器人的控制更具智能化，比如说焊缝的自动识别与跟踪、焊接质量的自动检测、加工工件自动定位等。多机器人协作焊接。单机器人焊接作业虽然能够完成部分的任务，但是在实际生产中随着被加工对象的复杂性和柔性生产线的自动化要求的不断提升，单机器人的焊接系统已经无法满足要求，只有借助多机器人协同焊接才能从根本上解决问题，而多机器人焊接的协调控制也带来了许多全新的难点，但并不阻碍它成为一个研究热点。嵌入式控制技术。物联网技术近几年一直不断的受到热捧，而物联网的核心技术要靠嵌入式系统来得以体现，将嵌入式控制技术应用在焊接机器人控制中是一个全新的突破点，嵌入式控制系统相比基于微处理器的控制具有很高的实时性和网络通讯能力，可以有效保证焊接过程中的实时监测性能和远程监控能力。开放式焊接机器人控制系统。随着机器人技术研究的专业化程度不断深入，焊接机器人控制系统的开放性以及模块化已经不可阻挡，控制系统的标准化和通用性已成为发展趋势，各研究机构与大型组织已经进行一些探索，如今基于PC的开放式控制系统俨然成为了热捧的研究方向。1.4 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1.5 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。2.1.1 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 2.4 小臂结构图2-3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该机器人固定于两条自动装配线末端中间，同时负责两条装配线的工件搬运，因此，该机器人必须具有动作灵活的特点。本设计中该搬运机器人本体由底座、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。 3 工作空间分析及计算3.1 工作空间该机器人的结构参数应该根据一定的工作空间要求来确定，工作空间是指机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有点的集合，也叫做工作区域。描述工作空间的手腕参考点可以选在手部中心、手腕中心或手指指尖，参考点不同，工作空间的大小、形状也不同。工作空间是机器人的一个重要性能指标，是机器人机构设计要研究的基本问题之一。当给定机器人结构尺寸时，要研究如何确定其工作空间，而当给定工作空间时，则要研究机器人应具有什么样结构。本文所讨论的搬运机器人主要用于装配线末端产品的搬运，本文将用一种根据工件尺寸确定机器人位置机构参数的简便方法确定该搬运机器人的主要结构参数，包括大小臂的长度尺寸及其极限摆角。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型式，直角坐标型机器人的工作空间为长方体；圆柱坐标型机器人的工作空间为中空的圆柱体；球坐标型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，一般为多个空间曲面拼合的回转体的一部分。 直角坐标型机器人工作空间的大小取决于沿X、Y、Z三个方向机器人行程的大小。圆柱坐标型机器人工作空间的大小取决于立柱的尺寸和水平臂沿立柱的上下行程，还取决于水平臂尺寸及水平伸缩行程。球坐标型机器人工作空间的大小取决于工作臂的尺寸、工作臂绕垂直轴转动的角度及绕水平轴俯仰的角度。关节型机器人工作空间的大小取决于大小臂的尺寸、大小臂关节转角的角度以及大臂绕垂直轴转动的角度。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搬运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，必然能够达到搬运机器人搬运工件的范围。所以搬运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，搬运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2-3，4.2 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。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，重为5kg。工件的转动惯量为 J=0.00075kg.m2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：T=J=0.043N.m功率P=Tw=2.48 所以定做的电机额定电压220V，输出功率至少3W，输出转矩至少为1N.m，转速为1400r/min，减速箱的减速比为23。电机输出轴端进行适当的加粗加长。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。4.3.2 电机选择小手臂转动惯量：J3=J0+mp2=0.80+9.5(15Xcos15)2 =23.43kg.m2大手臂转动惯量：J2=（a2+b2+c2+d2）+mp2 = （0.22+0.12+0.122+0.062）+44.80.352 =5.742 kg.m2两电动机的转动惯量：J电= J电1 +J电2=340.22+8.50.42=2.72 kg.m2减速箱的转动惯量：J减=1500.452=30.375 kg.m2腰部本身的转动惯量：J1=mp2=2500.252=40 kg.m2所以，总的转动惯量为J总=23.4+5.742+20+2.72+28.125+40+30.375=150.392 kg.m2而转动角加速度为=7.854 /s2输出轴的转矩为M=J总=150.3927.854=1181.179Nm转换到电机上的转矩为M电=17.71Nm根据要求M电M额，选P=3KW，n=1000r/min的MGMA型伺服电机，额定转矩为28.4 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。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;J2=（a2+b2+c2+d2）+mp2 = （0.22+0.12+0.122+0.062）+44.80.352 =5.742 kg.m2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=340.22=1.36 kg.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+1.36+25+30.375=80.165 kg.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 传动结构设计计算机器人传动方案已经确定为直流力矩电机传动，电动机功率为P=3KW，转速为1000r/min4.5.1 大臂设计因为伺服电机是经过了调速的，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=378180Nmm（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d1t，代入【H】中较小值d1t=29.04mm（2）按K值对进行修正由圆周速度v=4.46m/s 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 =58.68mm（4）确定模数m以及主要尺寸m=2.93mm ，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=5.74.5.2 小臂设计（1）四杆机构设计计算 搬运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，提高整个搬运机器人的响应速度。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=1242MP