毕业设计（论文）-关节机器人设计及运动学分析.docx

毕业设计论文题目：关节机器人设计及运动学分析院 系： 学生姓名： 指导教师： 专 业： 班 级： 2017年 03月目 录摘 要IIIAbstractIV第一章 前 言51.1课题意义及背景51.2 国内外发展现状及趋势61.3设计内容及进度安排8第二章 总体方案102.1 设计参数102.2 总体方案确定102.4 控制方案确定11第三章 腰关节设计133.1 电动机的选择133.2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比153.3 轴的设计计算153.3.1 计算各轴转速、转矩和输入功率153.3.2 确定三根轴的具体尺寸163.4 确定齿轮的参数213.4.1选择材料213.4.2 压力角的选择213.4.3 齿数和模数的选择213.4.4齿宽系数213.4.5 确定齿轮传动的精度213.4.6 齿轮的校核233.5 壳体设计26第三章 执行机构设计283.1手部机构概述283.2手部夹紧的设计303.3手腕结构设计313.3.1手腕的自由度313.3.2 手腕的驱动力矩的计算313.3.3手腕回转的尺寸分析33第四章 传动设计374.1步进电机选型374.1.1 步进电机概述374.1.1 步进电机选型384.2 步进电机驱动器选择394.2.1 驱动原理394.2.2驱动器选型394.3 减速器选型414.4 气缸选型41第五章 展望42致谢43参 考 文 献44关节机器人设计及运动学分析摘 要随着机器人技术的发展，机器人应用领域的不断扩大。工业关节机器人也是工业机器人的一个重要分支。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。本文简要介绍了关节型机器人机械手的概念，机械手硬件和软件的组成，机械手各个部件的整体尺寸设计，气动技术的特点。本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。设计了机械手的手臂结构。设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，最后完成了本课题设计机械手的三维和二维建模。 关键词：工业机器人 关节 PLC 全套图纸加扣 3012250582AbstractWith the development of robot technology, the field of robot application is expanding. Industrial articulated robots are also an important branch of industrial robots. Industrial robot is an important automation equipment of modern manufacturing, which integrates many advanced technologies, such as mechanical, electronic, control, computer, sensor and artificial intelligence. This paper briefly introduces the concept of joint robot manipulator, the composition of manipulator hardware and software, the overall size design of each part of manipulator, and the characteristics of pneumatic technology. In this paper, the overall design of the manipulator is carried out. The coordinate forms and degrees of freedom of the manipulator are determined, and the technical parameters of the manipulator are determined. At the same time, the gripper hand structure of manipulator is designed. The wrist structure of manipulator is designed, and the driving moment and the driving moment of rotary cylinder are calculated. The arm structure of manipulator is designed. The pneumatic system of manipulator is designed, and the working principle diagram of manipulator pneumatic system is drawn. Finally, the 3D and two-dimensional modeling of manipulator is completed.Keywords: industrial robot, joint, PLCIV第一章 前 言1.1课题意义及背景机器人设计这类课题是典型的机电一体化课题，这个课题设计的内容包括制定机器人的总体设计方案以及控制系统的设计。根据机器人的实际需要的动作要求我们设计了机器人的总体结构，通过设计使学生能够掌握如何去应用PLC控制一个装置。能够使学生在计算机绘图、机电系统设计、编制技术文件、正确查阅使用各种技术资料的能力得到综合训练，使学生能够解决本专业实际工程问题的能力得到了提高。本课题的难度适中，综合性强，已具备许多相关的技术资料，有关软、硬件应用的资料也比较多，学生在毕业设计规定的时间内查阅有关资料，经过努力能够完成任务。同时可编程序控制器(PLC)作为一种新型的工业自动化装置，它已在工业控制各个领域内得到了广泛应用，具有体积小、功耗低、寿命长、可靠性高、灵活通用、易于编程、维修及使用方便等特点。将PLC技术应用于球面机器人控制，使机器人实现应有的动作，回原位，手动操作，自动操作。编程过程中用步进指令编写可以简化程序，而且还避免了过去由于大量使用继电器带来的种种缺点，改善并提高了控制性能，提高了生产效率，更进一步地降低了生产成本。PLC控制电路相对于过去传统的继电器控制电路有如下一些优点：(a)从控制方式而言：以往的继电器控制硬接线，逻辑关系一旦确定，要改变逻辑或增加功能是非常困难的；而PLC的软接线，只需改变控制程序就可非常方便地改变逻辑或者增加一些其他的功能。(b) 从工作方式而言：以往的继电器控制并行工作；而PLC采用串行工作的方式。(c) 从控制速度上而言：以往的继电器控制速度慢，更糟的是触点比较容易抖动；而PLC是通过半导体来控制，速度很快，无触点，所以不存在抖动这一说法。(d) 从定时、记数而言：以往的继电器控制定时精度低，容易受环境的温度变化的影响，而且没有记数的功能；PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽，可以实现记数这一功能。(e) 从可靠、维护而言：以往的继电器控制触点太多，会产生机械磨损，不仅接线多，可靠性、维护性能也非常差；PLC因为没有触点，所以它的寿命长，且有自我诊断功能，可以对这些程序执行监控功能，还可以现场调试和维护也比较方便。因此在工业控制领域方面，随着电力电子技术、PLC与变频技术的发展，以PLC控制为控制器的电力控制技术在各类机械设备中越来越受人们的青睐，它将逐渐取代传统的继电器控制系统。随着PLC的广泛应用和电力控制技术的不断发展，可以利用PLC实现对课题中球面机器人的自动控制。本课题设计一款球面型机器人总体及控制系统。1.2 国内外发展现状及趋势由于20世纪70年代机电一体化技术的不断发展和广泛应用，使传统意义上的关节机器人的概念已有很大的发展。工业关节机器人是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科关节机器人工程。关节机器人涉及到机械学、力学、自动控制技术、电器液压技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业关节机器人也是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。关节机器人作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。 关节机器人的快速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：一、它能部分的代替人工操作；二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、位置和时间来完成工件的传送与装卸；三、它能操作必要的工具进行装配和焊接，从而大大的改善了作业员的劳动条件，提高了劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、噪音、粉尘以及带有放射性和污染的场合，应用更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。关节机器人是一种能自动控制并可重新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。关节机器人的结构形式开始比较简单，专用性比较强。 但随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用关节机器人”，简称通用关节机器人。由于通用关节机器人能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的关节机器人，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用关节机器人的同时，相应的发展通用关节机器人，有条件的还要研制示教式关节机器人、计算机控制关节机器人和组合关节机器人等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥关节机器人的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的关节机器人，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。国外关节机器人在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外关节机器人的发展趋势是大力研制具有某种智能的关节机器人。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。目前世界高端工业关节机器人均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量新产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械 手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着关节机器人的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。（1） 工业机器人性能不断提高(很高的速度、较高的精度、可靠性稳定、易于操作和维修)，并且单机价格正不断保持下降的趋势。（2） 机械结构正向模块化、可重构化的方向去发展。 例如关节模块中的伺服电机、减速机检测系统的三位一体化，关节模块、连杆模块可以用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品生产出来。（3）工业机器人控制系统正在向基于计算机的开放型控制器发展，以便标准化、网络化；提高了器件的集成度，控制柜越来越小，采用模块化结构后大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4）传感器在机器人控制中的作用日渐重要起来，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉传感器等，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模以及决策；在产品中采用多传感器融合技术已经相当成熟了。（5） 虚拟制造技术在机器人中的作用已从原来单纯的仿真预演发展为用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生仿佛自己置身于虚拟作业环境中的感觉来操纵机器人。（6）当代遥控机器人系统的发展特点不再是仅仅追求过去的单纯的自治系统，而是致力于操作者与机器人之间的人机交换控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控、遥控操作系统，使机器人走出实验室进入使用化这一阶段。（7） 机器人化的机械作业时代开始兴起，一批批工程师正在纷纷探索开拓其实际应用的领域。 1.3设计内容及进度安排本课题是对球面机器人总体及控制系统设计，设计分为机器人的总体部分的设计和控制系统部分的设计。根据系统设计总体要求，设计一台三自由度教学型机器人，用于实践教学，机器人能进行三个自由度方向的运动，本课题主要设计该机器人的总体结构和控制系统，具体内容如下： 1总体设计1）确定机器人总体结构，绘制总装图； 2）设计机器人的传动方案，绘制传动原理图。2横向部件和手部件设计1）选择动力源； 2) 零部件的设计计算和校核； 3）零部件的结构设计，绘制部装图、零件图。3. 运动学分析通过对机械手各关节的运动分析，确定机械手的运动轨迹。根据以上设计研究内容，进度安排如下：1月3日1月4日布置任务1月1日1月14日调查研究，毕业实习1月1日2月24日方案论证，总体设计2月25日4月12日技术设计（部件设计）4月12日4月21日工作设计（零件设计）4月21日中期检查4月22日5月17日撰写毕业设计说明书5月18日5月19日毕业设计预答辩5月20日5月29日修改资料5月30日5月31日评阅材料6月1日6月2日毕业答辩6月3日6月15日材料整理装袋第二章 总体方案2.1 设计参数根据任务书，设计参数如下：1关节机器人的行程范围上下为20mm300mm之间，旋转范围为 ；2关节机器人对零件抓力5kg；2关节机器人对零件宽度控制范围为为20mm60mm之间；3定位精度 ；2.2 总体方案确定一般平面关节机器人的自出度布置如图所示，1轴线和2轴线平行，顶针不仅要转动还要移动，它的自由度是四个，和如图所示，和相比它的顶针不能到达一个球的轨迹。如图所示大臂和小臂的1轴线和2轴线垂直相交，这样装在r自由度轴上的顶针可以在球上任一点进行作业。图2.1 平面关节机器人驱动方式有液压驱动、气动、电力驱动，而目前用得最多的一类是电力驱动。在该机器人设计中由于驱动力矩不大，运动速度较高，定位精度要求较高的要求，采用步进电机驱动大小臂和顶针。第一轴自由度1和第二轴2均采用步进电机驱动。步进电机驱动比较简单，还能实现比较精确的定位精度。第三自由度r是工件向球面半径方向的往复移动，采用电机驱动。根据任务书，本课题总体方案如下。图2.2 总体结构方案2.4 控制方案确定随着微电子行业发展，控制方式包括：（1） 基于电子电路的控制此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的控制任务。而且有时候需要配合手动实现，自动化程度相对较低。（2）基于PLC的控制PLC是一种用于工业的计算机，被大家称为可编程控制器。PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。（3） 基于单片机的控制随着大规模集成电路的出现，电气传动已经到了以微处理器为核心的领域，当然这归功于微电子以及计算机技术的快速发展。为了达到实时控制的目的，微机控制需要在初始阶段在外围配置大量接口。这样迫使一些公司在一块芯片上直接集成了很多外围接口，使之满足这种需要，这样就成为所谓的单片机了。（4）基于DSP控制虽然从问世以来得到了广泛的运用，但是对于控制一些比较复杂的系统，还是不能游刃有余，只能去让16单片机控制。1980年左右出现了一种比较不同的微处理器，也就是所谓的数字信号处理器（DSP）。DSP与其他处理器有很大不同，其内部采用并行结构，这种哈弗结构就是将程序和数据区别处理，同时其硬件乘法专一。其通过其自身的数字信号控制指令能够同步且迅速的处理信号，因而其在工业上使用很多。因为电动机的驱动IC具有简单实用以及开发时间断的优势，已经被较多的使用在低成本低功耗电动机，得到市场认可度高。但是还会受到控制可变度、性能低等的制约。而DSP很好的解决这一类问题，故而市场欢迎度高。综上所述，本课题为大功率自动化控制，选择PLC作为控制核心很明显更加满足我们的控制需求。第三章 腰关节设计通过总体分析后,确定了机器人的结构。所设计的腰关节部分采用二级齿轮减速传动。图3-1 机器人腰关节驱动器和齿轮传动机构简图3.1 电动机的选择设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为: （3-1） 、分别为10kg、5kg、12kg。、分别为重心到第一关节轴的距离，其值分别为300mm、700mm、1500mm，在式（3-1）中、故、可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动惯量为： （3-2） = =同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量: = =式中：小臂重心距第二关节轴的水平距离 。 腕部重心距第二关节轴的水平距离 。设主轴速度为219/s，则旋转开始时的转矩可表示如下 （3-3）式中：旋转开始的转矩 角加速度 使机器人主轴从到/s所需时间为:则： 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为 电动机的功率可按下式估算 （3-4）式中： 电动机功率 ； 负载力矩 ； 负载转速 ； 传动装置的效率，初步估算取0.9； 系数1.52.5为经验数据，取1.5估算后就可选取电机，使其额定功率满足下式 （3-5）选择QZD-08串励直流电动机表3-1 QZD-08串励直流电动机技术数据功率（W）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）滤磁方式绝缘等级工作制（min）8002446.21750串励B603.2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比根据经验取主轴的转速4rad/s。传动装置总传动比取48，分二级传动，第一级是加工在轴上的齿轮与小齿轮啮合，传动比=4；第二级传动比为=12 (3-6)3.3 轴的设计计算3.3.1 计算各轴转速、转矩和输入功率a.各轴转速轴 (3-7)轴 (3-8)轴 n= (3-9)b.各轴输入功率轴 (3-10) 制动器效率轴 (3-11) 齿轮啮合的效率 角接触球轴承的效率轴 P=748.90.98=733.9 W (3-12)c.各轴输入扭矩轴 (3-13)轴 (3-14)轴 T3=9550 (3-15)3.3.2 确定三根轴的具体尺寸两实心轴的材料均选用45号钢，查表知轴的许用扭剪应力= 30MPa，由许用应力确定的系数为C=120.A. 第一根轴设计及校核a.此轴传递扭矩 （3-16）因为轴是齿轮轴,所以可以将轴的轴径加工的大一点,以满足齿轮啮合时强度的要求。齿轮的分度圆直径为50mm,齿轮两端装有轴承,加工一段轴肩来定位轴承.齿轮轴上装型号为 滚动轴承7206AC,内径为30mm。具体尺寸如图3-2所示。图3-2 第一级齿轮轴结构图b.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33轴的受力分析和弯扭矩图求作用在齿轮上的力： (3-17) 画轴的受力简图 见图33计算轴的支承反力在水平面上 (3-18) (3-19)在垂直面上 (3-20)画弯矩图 见图33在水平面上，剖面左侧 (3-21)剖面右侧 (3-21)在垂直面上 (3-22)合成弯矩，剖面左侧 (3-23)剖面右侧 (3-24)画转矩图 见图33 (3-25)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。轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力， 截面左侧 (3-26) (3-27)c.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 (3-28)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 ， (3-29) 应力幅 平均应力 切应力 (3-30) 安全系数 (3-31) (3-32) (3-33)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。B.中间轴设计此轴传递扭矩,转速,传递功率为,则 （3-34）安装轴承部分轴径最小,由于整个轴上零件较复杂,在两轴承之间有车在轴上的齿轮,还有安装在轴上的小齿轮,以及轴套和轴承,所以可取大一点,这里取,轴承部分,轴承选为单列角接触球轴承,轴承型号为 滚动轴承7206AC,其余根据结构确定.由于载荷不大,轴承选的较大,强度足够,这里不再详算。中间轴大体结构及尺寸如图3-4所示。图3-4中间轴结构图C. 主轴的设计主轴是连接腰关节与大臂的结构，因结构体积比较大,为节省材料减轻重量,故需设计成空心轴,主要承受轴向拉力,取内径,外径,用圆锥滚子轴承支承,轴承型号为 滚动轴承30205。主轴材料选用型号为ZAlCu5Mn的铸铝合金。3.4 确定齿轮的参数3.4.1选择材料根据表7-1,选择齿轮的材料为45钢,经调质硬度HBS可达229286。3.4.2 压力角的选择由机械原理知识可知,增大压力角,能使轮齿的齿厚和节点处的齿廓曲率半径增大,可提高齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。此处，压力角可取20。3.4.3 齿数和模数的选择 对软齿面的闭式齿轮传动,其承载能力主要取决于齿面接触疲劳强度。而齿面接触应力的大小与小齿轮的分度圆直径有关,即与齿数和模数的积有关。因此在满足弯曲疲劳强度的前提下,宜选择较小的模数和较多的齿数。这样除能增大重合度,改善传动的平稳性外,还因模数的减小而降低齿高,从而减小金属的切削量,减少滑动速度,减少磨损,提高抗胶合能力。轴上齿轮齿数取25,小齿轮齿数取100,轴上轴齿轮齿数取25,大齿轮齿数取300,模数m取2。3.4.4齿宽系数 由强度公式可知,当载荷一定时,增大齿宽可以减小齿轮直径,降低齿轮圆周速度。但增大齿宽,齿面上的载荷分布不均匀性也将增大。查表7-7,中间轴上的齿轮与大齿轮啮合时取齿宽系数为1.0;悬臂上的齿轮与小齿轮啮合时取为0.5。根据公式 ,计算结果圆整为5的整数倍,作为大齿轮的齿宽,小齿轮齿宽取,以补偿加工装配误差。所以轴上齿轮 与之啮合的小齿轮齿宽 轴上的齿轮齿宽 ,与之啮合的大齿轮齿宽3.4.5 确定齿轮传动的精度 根据GB10095-1988规定,齿轮精度等级分为12级,1级最高,12级最低,常用69级。根据表7-8 选用7级精度的齿轮。表3-2 第一级啮合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表3-3 第二级啮合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3.4.6 齿轮的校核已选定齿轮采用45钢，锻造毛坯，软齿面，齿轮渗碳淬火HRC5662，齿轮精度用7级，软齿表面粗糙度为，对于需校核的一对的齿轮，齿数分别为，模数为2，传动比，扭矩T=16.76Nm。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计算 。 （3-35）式中：节点区域系数，用来考虑节点齿廓形状对接触应力的影响，取=2.5； 材料系数，单位为，查表7-5，取189.8； 重合度系数，取=0.90； 齿宽系数，取=1； u齿数比，其值为大齿轮齿数与小齿轮齿数之比，u=12。选择材料的接触疲劳极限应力为： 选择齿根弯曲疲劳极限应力为： 应力循环次数N计算可得 437.5163008=10.08 （3-36）则 （3-37）查得接触疲劳寿命系数为查得弯曲疲劳寿命系数为查得接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数，又为试验齿轮的应力修正系数，按国家标准取2.0，试选1.3，求许用接触应力和许用弯曲应力： （3-38） （3-39） （3-40） （3-41）将有关值带入公式（3-35）得：= =29.78mm则 （3-42） （3-43）查图得；查得，查得，取，则 （3-44）修正，mm取标准模数m=2mm，与前面选定的模数相同，所以m=2mm符合要求。c.计算几何尺寸 ， （3-45） ， （3-46）d.校核齿根弯曲疲劳强度 查得，取校核两齿轮的弯曲强度 （3-47） （3-48） 所以齿轮完全达到要求。图3-5 大齿轮结构图图3-6 小齿轮结构图3.5 壳体设计基座部分采用球墨铸铁材料,方形结构,壁厚在15mm左右。立柱采用铸铝,空心圆柱形状,起固定轴承外圈的作用。其他部分具体尺寸由结构确定,这里不一一叙述,详见图纸。 第四章 手腕设计4.1机器人驱动方案的分析和选择通常的机器人驱动方式有以下四种: a. 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。 本课题的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。4.2手腕电机的选择4.2.1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 5.54.2.2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。 4.3手部设计计算一、对手部设计的要求1、适当的夹紧力手部的夹紧力大小应适当，既能夹稳工件又不损坏工件表面。应该可以调节夹紧力的大小，笨重的工件应考虑使用自锁安全装置。2、打开和关闭范围足够夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，手指打开和关闭位置称为最大变化范围的开启和关闭。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求有诸多因素，例如工件的形状和尺寸，手指的形状和大小，一般来说，在工作环境允许的情况，开闭范围越大越好，如图所示。图3.1 机械手开闭示例简图3、结构应尽量简单，小巧轻便手部位于腕部的最前端，工作状态变化大，所以手部的重量和体积会影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须使结构简单，小巧轻便。4、手指要有一定的强度和刚度二、拉紧装置原理如图所示：当油缸右腔停止进油时弹簧力促使手部把工件加紧，反之松开。图4.2油缸示意图1、右腔推力为FP=（4）DP =（4）0.52510=4908.7N2、根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：F1=（2ba）（cos）N 其中 N=598N=490N，带入公式2.2得：F1=（2ba）（cos）N =(2150/50)（cos30）490 =2205N实际加紧力为 F1实际=PK1K2/ =22051.51.1/0.85=4280N经圆整F1=4300N3、计算手部活塞杆行程长L,即L=（D/2）tg =25tg30 =23.1mm经圆整取l=25mm4、确定“V”型钳爪的L、。取L/Rcp=3 式中： Rcp=P/4=200/4=50 由公式（2.5）（2.6）得：L=3Rcp=150取“V”型钳口的夹角2=120，则偏转角按最佳偏转角来确定，查表得：=22395、机械运动范围（速度）【1】（1）伸缩运动 Vmax=500mm/sVmin=50mm/s（2）上升运动 Vmax=500mm/sVmin=40mm/s（3）下降Vmax=800mm/sVmin=80mm/s（4）回转Wmax=90/sWmin=30/s所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s 6、手部右腔流量Q=sv =60r=603.1425=1177.5mm/s7、手部工作压强P= F1/S =4300/1962.5=2.19Mpa4.4传动比的确定4.4.1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=104.4.2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3104.5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。4.6齿轮的设计 按照上述传动比配对各齿轮进行设计。4.6.1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齿轮的几何尺寸参数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。4.6.2转腕部分齿轮设计第一极圆锥齿轮