焊接机械手的结构设计【4自由度】【6张图纸】【优秀】
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焊接机械手的结构设计【4自由度】
47页-17000字数+说明书+开题报告+中期报告+9张CAD图纸
40减速器.dwg
80减速器.dwg
中期报告.doc
台.DWG
大臂壳体整体.DWG
套轴.DWG
整体装配图.DWG
焊接机械手的结构设计开题报告.doc
焊接机械手的结构设计论文.doc
腰部上层机体.DWG
腰部壳体.DWG
长杆.DWG
摘 要
本设计为焊接机械手的结构设计，主要研究内容：腰部回转机构的设计；大、小臂和腕部回转的结构设计。
本设计由整体布局入手，参考现有关节型机械臂的相关设计，初步确定腰部的转动惯量，从而确定电机的选型，安装等相关设计。在机械臂的灵活和精度的前提下完成总体结构的设计，然后根据总体结构，从而确定本设计的机械臂各个主要零部件的设计。
在主要零部件的设计中，主要包括腰部壳体的设计、轴的结构设计、轴承的选择、电机的设计计算、大小臂的结构和固定等。
本设计整体在现有关节型机械臂的结构上做了修改，使得它能够更好的满足本设计的设计要求。本设计结构简单、重量轻、外形尺寸小、设备费用低、运转安全、操作方便、便于维修和管理。
关键词：机械手；谐波减速器；结构设计
目 录
1 绪论1
1.1 机器人简介1
1.1.1 机器人的发展及应用2
1.1.2 点焊机器人介绍及其研究意义4
1.1.3 机器人的组成6
1.2 机械手的组成8
1.3 本文主要研究工作11
2 机械手的总体结构12
2.1 机械手总体结构的类型12
2.2 设计具体采用方案13
3 机械手腰部机座15
3.1 机械手腰部机座结构的设计15
3.2 机械手腰部机座设计的具体采用方案15
3.3 电动机的选择16
3.4 减速器的选择17
3.5 键的选择18
4 机械手手臂的结构设计20
4.1 设计具体采用方案21
4.2 大臂电动机的选择21
4.3 大臂减速器的相关计算22
4.4 小臂电动机的选择23
4.5 小臂减速器的相关计算24
5 机械手腕部的结构方案设计27
5.1 腕部电动机的选择27
5.2 腕部减速器的选择27
6 轴承的选用与校核29
7 结论39
参考文献40
致谢41
. 控制系统
控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号[17]。
d. 位置检测装置
控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置[18]。
1.3 本文主要研究工作
本文首先确定了机械手的总体布局，然后提出了各个部分的具体设计方案，根据方案，主要的设计和研究内容有：
a. 腰部回转机构的结构设计；
b. 大臂摆动机构的结构设计；
c. 小臂摆动机构的结构设计；
d. 腕部摆动机构的结构设计。
关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人[19]。
本题目规格参数:
腰部回转最大角度280度；
摆动最大角度120度；
工作范围范围0-450mm；
本机械手的主要动作是：
首先腰部回转机械臂和焊点处于同一平面；接着大臂回转，调整焊枪和焊点的距离；然后小臂回转，使焊枪接触焊点；最后腕部回转，使焊枪和焊点垂直，达到焊接的目的。
2.2 设计具体采用方案
具体到本设计，因为焊枪质量约0.5KG，且考虑到焊接机械手的加工精度，应尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要四种运动,腰部回转；大臂回转；小臂回转；腕部回转。综合考虑，机械手自由度数目取为四。因此选择关节型机械臂。
- 内容简介：
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毕业设计（论文）中期报告 题目：焊接机械手的结构设计 系 别 机械信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013年3月17日撰写内容要求： 设计（论文）进展状况:本阶段的主要任务是完成了外文文献的翻译，对机械手结构设计进行了更深层次的分析和理解，包括机械结构的设计和结构受力的分析。通过以上分析，基本上完成了机械手的三维装配图，同时深刻体会到solidworks软件功能的强大；大概了解了机械结构在选用过程中所依据的原则。1. 在参考了大量文献资料的情况下，否定了开题报告中拟采用的谐波齿轮传动型机械手。原因是现有的谐波减速器尺寸过大（最小的刚轮直径为25cm），超过了设计要求的工作区间(0cm-45cm)。因此决定采用另一种结构形式。2. 由动力型旋转关节和前、下两臂组成。关节型机器人以臂部各相邻部件的相对角位移为运动坐标。动作灵活，所占空间小，工作范围大，能在狭窄空间内饶过各种障碍物。3. 整体效果如图1 图1设计整体为4个自由度。分别为：焊枪相对于小臂回转；小臂相对大臂回转；大臂相对机架回转；机架在水平有一个腰部回转。电机采用伺服电机。4. 设计的工作原理如下：5. 首先腰部回转使机械手和焊点处于同一平面；接着大臂回转，小臂回转，调节焊枪和焊点的距离，使焊枪能够接触到焊点。最后腕部回转，使焊枪能够垂直于焊点，以完成焊接作业。6. 设计出机械手腕部回转，小臂回转的机械结构如图2。 图2左侧为电机，带动轴转动，轴和腕部刚性连接，从而带动腕部回转。轴和小臂壳体之间加一个深沟球轴承，以抵消径向力，达到相对转动的目的；小臂壳体和腕部加一个角接触球轴承，以抵消径向力和轴向力，从而使他们可以产生相对转动。7. 腰部回转结构设计如图3 图3电机安装在底座上，带动一个小齿轮，小齿轮带动大齿轮，大齿轮和壳体刚性连接。壳体和底座间加一个角接触球轴承以实现相对转动。 存在问题及解决措施:1. 确定大体参数。机械臂为大臂小臂两节，要求工作区间0cm-45cm，为满足工作区间要求，所以需要扩大1/3倍。因为A2+B22ab。所以当c一定时，a=b机械臂为最短。602=2A2。即A42.43cm，取60cm。2.大臂相对于腰部回转应该采用什么方式传动？由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有:(l)结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻。(2)传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时。角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减小整机的低频振动;(3)回差要小，即由止转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度;(4)寿命长、价格低。为了减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴的运动。齿轮带的传动比计算公式为：i=N1/N2=Z1/Z23.不能熟练的运用三维软件，在做装配图过程中总是出现报警等命令，致使工作无法正常进行。其次，对机械结构的理解还不是很到位等。通过与同学的探讨及老师的指点，使我对自己的毕业设计有了更深一步的认识。我深深明白了设计与实际要紧密结合，要多动脑，勤思考。平时要多练习软件。后期工作安排:1-2周：计算并核算选型。3-4周：绘制设计相关的零件图和装配图。5-6周：撰写毕业论文。7周：准备答辩。 指导教师签字： 年 月 日注：1）正文：宋体小四号字，行距20磅，单面打印；其他格式要求与毕业论文相同。2）中期报告由各系集中归档保存，不装订入册。毕业设计(论文)开题报告题目：焊接机械手的结构设计 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012 年 12 月 23 日毕业设计（论文）综述背景和研究意义:机器人的机械设计与一般的机械设计相比，既具有类似性，又有其独特性。从机构学的角度来看，机器人的机械结构可看作是一系列连杆通过旋转关节、移动关节连接起来的开式运动链。 与一般机构相比，机器人的开链结构型式具有灵巧性和空间可达性等，但由于开链式结构实际上是一系列悬臂杆件串联而成的，机械误差和弹性变形的累计，影响机器人的刚度和精度。因此，机器人的机械设计既要满足强度要求，又要考虑刚度和精度。另一方面，机器人的机械结构，特别是关节传动系统，是整个机器人伺服系统中的一个组成部分，无论是结构的紧凑性、灵巧性，还是在运动时的稳定性、快速性等伺服性能，都比一般机构有更高的要求。 对焊接机械手的结构设计进行研究，目的是寻找在不同要求下最优的机械结构，以最大效益的满足生产需要。国内外相关研究情况:点焊机器人虽然有多种结构形式，但大体上都可以分为3大组成部分，即机器人本体、点焊焊接系统及控制系统。目前应用较广的点焊机器人，其本体形式为直角坐标简易型及全关节型。前者可具有13个自由度，焊件及焊点位置受到限制；后者具有56个自由度，能在可到达的工作区间内任意调整焊钳姿态，以适应多种形式结构的焊接。焊接机器人基本上都属于电动机驱动的工业机器人、液压驱动的工业机器人这两类工业机器人，弧焊机器人大多采用电动机驱动机器人，因为焊枪重量一般都在10kg以内。点焊机器人由于焊钳重量都超过35kg。也有采用液压驱动方式的，因为液压驱动机器人抓重能力大，但大多数点焊机器人仍是采用大功率伺服电动机驱动，因它成本较低，系统紧凑。工业机器人是由机械手、控制器、驱动器和示教盒 4 个基本部分构成。对于电动机驱动机器人，控制器和驱动器一般装在一个控制箱内，而液压驱动机器人，液压驱动源单独成一个部件，现分别简述如下：机械手 机器人机械手又称操作机，是机器人的操作部分，由它直接带动末端操作器。实现各种运动和操作，它的结构形式多种多样，完全根据任务需要而定，其追求的目标是高精度、高速度、高灵活性、大工作空间和模块化。现在工业机器人机械手的主要结构形式有如下 3 种： 1、机床式 这种机械手结构类似机床。其达到空间位置的3个运动。是由直线运动构成，其末端操作器的姿态由旋转运动构成，这种形式的机械手优点是运动学模型简单，控制精度容易提高；缺点是机构较庞大，占地面积大、工作空间小。简易和专用焊接机器人常采用这种形式。 2、全关节式 这种机械手的结构类似人的腰部和手部，其位置和姿态全部由旋转运动实现。这是工业机器人机械手最普遍的结构形式。其特点是机构紧凑、灵活性好、占地面积小、工作空间大，缺点是精度高、控制难度大。偏置式与正置式的区别是手腕关节置于小臂的外侧或小臂活动范围，但其运动学模型要复杂一些。目前焊接机器人主要采用全关节式机械手。 3、平面关节式 这种机械手的机构特点是上下运动由直线运动构成，其他运动均由旋转运动构成。这种结构在垂直方向刚度大，水平方向又十分灵活，较适合以插装为主的装配作业，所以被装配机器人广泛采用。 机器人机械手的具体结构虽然多种多样，但都是由常用的机构组合而成。现以美国 PUMA 机械手为例来简述其内部机构，它是由机座、大臂、小臂、手腕 4 部分构成，机座与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有 3 个旋转关节，以保证达到工作空间的任意位置，手腕中又有 3 个旋转关节：腕转、腕曲、腕摆，以实现末端操作器的任意空间姿态。手腕的端部为一法兰，以连接末端操作器。 每个关节都由一台伺服电动机驱动，PUMA机械手是采用齿轮减速、杆传动，但不同厂家采用的机构不尽相同，减速机构常用的是4种方式：齿轮、谐波减速器、滚珠丝杠、蜗轮蜗杆。传动方式有杆传动、链条传动、齿轮传动等。其技术关键是要保证传动双向无间隙 ( 即正反传动均无间隙 ) ，这是机器人精度的机械保证，当然还要求效率高，机构紧凑。 主要内容及研究方案、研究方法或措施主要内容： 本设计研究汽车车身焊接的机械手，以完成汽车的车身、底盘等重要部位的焊接工作。 进行机械手的原理方案设计，比较并提出系统的总体方案。 根据技术要求进行系统的结构设计，同时对焊接机械手的驱动系统、机械手和焊接设备的机械接口等内容进行设计。技术要求： 腰部回转最大角度280度； 摆动最大角度120度； 直线位移范围0-450mm，研究方案、研究方法或措施： 先把本设计模块化处理，它包含选型（坐标型式），腰部回转，手臂俯仰，直线位移，焊枪与手臂结合5部分。细化每部分的设计思路如下表： 1 2 3 4坐标型式直角坐标式圆柱坐标式球坐标式关节式腰部回转齿轮传动蜗轮蜗杆带传动手臂俯仰齿轮传动蜗轮蜗杆带传动直线位移齿条传动液压传动气压传动滚珠丝杠副焊枪手臂结合夹持式吸附式如图可得：可能采用的方案共：4x3x3x4x2=288种 本设计研究汽车车身焊接的机械手，以完成汽车的车身、底盘等重要部位的焊接工作。方案一：直角坐标式机械手，蜗轮蜗杆传动，直线位移液压传动，焊枪手臂结合吸附式。方案二：关节式机械手，齿轮传动，直线位移滚珠丝杠副。焊枪手臂夹持式。方案三：直角坐标式机械手，齿轮传动，直线位移齿条传动，焊枪手臂结合夹持式。方案四：球坐标式机械手，齿轮传动，直线位移气压传动，焊枪手臂结合吸附式。本设计中要求腰部回转和手臂俯仰，加工范围较大；尽可能减少机体空间更优；并要求进行电焊，因此对位置精度要求较高；焊枪要长时间工作。因此选用方案二为最优方案。本课题研究的重点及难点，前期已开展工作重点： 1、原理方案的确定 2、主要参数的确定 3、机身的结构设计与校核难点： 各个部分的准确定位； 合理的机械结构以满足设计要求；前期已开展工作：在对焊接机械手有足够的了解之后，对设计提出构想，初步构想如图：在设计中，机械手的关节均采用转动关节的形式，每个关节由两个箱体所组成。两个箱体之间安装有能够承受径向和轴向载荷的深沟球轴承，通过轴承的传递实现一个相对转动，即能实现一个转动的自由度。由于电机转速过快，需要减速。因此箱体内部集成了一个谐波减速器，电机安装在与箱体1相连的连杆A内部，电机转子的转动通过谐波减速器减速传递到箱体2，箱体2带动与其相连的连杆B实现转动。关节传动原理如图所示：本设计采用模块化设计，故关节均采用上述的结构，分别为两种运动:俯仰和回转。需要实现回转动作的关节，把连杆安装在箱体的中轴线上;需要实现俯仰动作的关节，把连杆安装在箱体的侧壁。对于直线位移部分：导轨副的选用：需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。丝杆螺母副的选用：伺服电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足定位精度，滑动滑动丝杆副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到。滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）1-3周：接受设计任务，查阅相关资料，了解课题的背景和发展状况。4-5周：了解学习常用机械手设计的基础知识，初步原理方案的提出。6周：设计方案的优化比较，论证并选择最优方案。7-8周：机械手腰部回转结构的设计。9-10周：机械手摇臂结构的设计。11-12周：机械手与焊接设备的机械接口设计。13：设计机械手与焊接设备的接口。14-15周：绘制相关设计的零件图和装配图。16-17周：撰写毕业论文。19周：准备答辩。5 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 6 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日参考文献1李雷阵，胡小建，王求.全国机械装备先进制造技术广州)高峰论坛.文集：机械工业出 版社，20052李坤，杨家军.5自由度焊接机械手的运动学研究：机器人技术，机械工程师2007 年第4期3张建民.机电一体化系统设计第三版.高等教育出版社4尹志强.系统设计课程设计指导书.机械工业出版社5张利萍.液压传动系统及设计M.北京：化学工业出版社，2005:1-402.6杨东邦.机械CAD制图与标准应用M.北京：中国标准出版社，19987Hoostetter GH.Design of Feed Control System.CBS College Publishing.19828王政.焊接工装夹具及变位机械fMl.北京:机械工业出版社，2003.9张建民.机电一体化系统设计网.北京:北京理工大学出版社，2006.10何家金.机械电气自动控制网.重庆:重庆大学出版社，2002.11周骥平，林岗.机械制造自动化技术网.北京:机械工业出版社，2007.12吴宗泽.机械零件设计手册K1.北京:机械工业出版社，2003.13孙树栋.工业机器人技术基础.西北工业大学出版社2006.4,75-76.14孙杏初.关节型机器人主连杆参数的优化设计北京航空航天大学学报.1996.510一 512 15Craig JJ.Introduction to RoboricsJ.New York:Addison Wesky PublishingCo.,198916Yu. M. Gelfgat. Rotating fields as means to control the hydrodynamics and heat transfer in the processes of bulksingle crystal growth J. Crystal Growth, 1999,8(198/199).本科毕业设计(论文)题目：焊接机械手的结构设计系 别： 机电信息系 专 业：机械设计制造及其自动化班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2013年5月焊接机械手的结构设计摘要本设计为焊接机械手的结构设计，主要研究内容：腰部回转机构的设计；大、小臂和腕部回转的结构设计。本设计由整体布局入手，参考现有关节型机械臂的相关设计，初步确定腰部的转动惯量，从而确定电机的选型，安装等相关设计。在机械臂的灵活和精度的前提下完成总体结构的设计，然后根据总体结构，从而确定本设计的机械臂各个主要零部件的设计。在主要零部件的设计中，主要包括腰部壳体的设计、轴的结构设计、轴承的选择、电机的设计计算、大小臂的结构和固定等。本设计整体在现有关节型机械臂的结构上做了修改，使得它能够更好的满足本设计的设计要求。本设计结构简单、重量轻、外形尺寸小、设备费用低、运转安全、操作方便、便于维修和管理。关键词：机械手；谐波减速器；结构设计IStructure design of robot armAbstractThe design for the design of welding structure of the manipulator, the main research contents: the design of the waist turning mechanism； structure design of large, small arm and wrist rotation.This design by the overall layout with reference to the relevant design, the existing joint type manipulator, preliminary determine the moment of inertia of the waist, so as to determine the motor selection, installation and other related design. Complete the design of the overall structure of the flexible manipulator based on precision and the next, and then based on the overall structure, design of mechanical arm to determine the design of all the major components of the.The design of the main components, including the housing design, structural design of shaft, bearing selection, design and calculation of the size of motor, arm structure and fixed.The design of the whole made changes in the existing joint type manipulator structure, so that it can better meet the design requirement of this design. The design has simple structure, light weight, small size, low cost of equipment, operation safety, convenient operation, easy to repair and management.KeyWords：robot arm；harmonic drive；structure design目 录1 绪论11.1 机器人简介11.1.1 机器人的发展及应用21.1.2 点焊机器人介绍及其研究意义41.1.3 机器人的组成61.2 机械手的组成81.3 本文主要研究工作112 机械手的总体结构122.1 机械手总体结构的类型122.2 设计具体采用方案133 机械手腰部机座153.1 机械手腰部机座结构的设计153.2 机械手腰部机座设计的具体采用方案153.3 电动机的选择163.4 减速器的选择173.5 键的选择184 机械手手臂的结构设计204.1 设计具体采用方案214.2 大臂电动机的选择214.3 大臂减速器的相关计算224.4 小臂电动机的选择234.5 小臂减速器的相关计算245 机械手腕部的结构方案设计275.1 腕部电动机的选择275.2 腕部减速器的选择276 轴承的选用与校核297 结论39参考文献40致谢41I1 绪论1 绪论1.1 机器人简介工业机器人（英语：industrial robot。简称IR）是广泛适用的能够自主动作，且多轴联动的机械设备。它们在必要情况下配备有传感器，其动作步骤包括灵活的，转动都是可编程控制的（即在工作过程中，无需任何外力的干预）。它们通常配备有机械手、刀具或其他可装配的的加工工具，以及能够执行搬运操作与加工制造的任务。机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统1。”工业机器人在经历了长期发展后，已经成为制造业中不可缺少的核心设备。同时随着社会的发展和人们生活水平的提高，各种各样的机器人也被开发出来去适应制造领域意外的各个行业。这些机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。38毕业设计（论文）1.1.1 机器人的发展及应用1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔恰佩克在他的科幻小说罗萨姆的机器人万能公司中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。1939年 美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。1942年 美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。1954年 美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。1956年 在达特茅斯会议上，马文明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。1959年 德沃尔与美国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。1962年1963年 传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。1965年 约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。1968年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。1973年 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。1978年 美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。1984年 英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。1999年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。2002年 丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。2006年 6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。机器人的未来发展将很快，应用范围更大，如设计工业、农业、运输、医药、科学研究等各个方面。总的趋势是提高工作精度和运动速度，增加机构的自由度以提高通用性和灵活性。降低结构自重，逐步采用标准化的模块式组合结构，开发传感器技术和机器人语言，同时根据内部信息和环境信息来控制机器人，采用计算机仿真技术以及实现机器人的智能化。工业机器人的发展正从各个方面显露出它的强大势头。从近几年来国际工业机器人会议上综合的情况来看，工业机器人发展的重点是具有智能的高级机器人以及低成本、稳定可靠的用于自动化生产的机器人。空间探索、能源问题和人工智能是当代科学技术三大课题。人工智能主要内容之一就是关于智能机器人的研究。感受外界信息，理解和记忆信息，规划行动，人机对话，是智能机器人发展的四个主要问题。在空间探索领域中，机器人技术具有美好的发展前景和广泛的应用价值，空间自动加工工厂；开发宇宙空间的高级自治系统；在空间装配的自重复系统等。本世纪以来，人类开始有计划地开发海洋，开发食物、能源和物质来源。机器人是现代科学技术发展成果之一。人们常常把新出现的技术用来制造机器人，再将机器人应用到新技术领域中去。为适应时代发展的需要，人们把大部分智能技术结合起来，使之向更高级的机器人智能机器人发展，这已成为机器人的一个发展方向。相对于人来说，工业机器人的工作准确性高，工作速度高，负载能力大，耐久力强，重复性好，所以工业机器人获得了广泛应用，显示了很好的效能。从目前情况看，工业机器人的研究、制造和使用者都希望能更加扩大其应用范围，例如：由计算机控制的具有适应性控制的装配用机器人、焊接机器人、实现连续轨迹控制的机器人、清理铸件的机器人，建筑用机器人，地下工作机器人，消防用机器人，城市垃圾处理机器人，看护病人的机器入，协助料理残废人生活的机器人，海洋开发机器人，空间开发机器人等。目前，智能机器人已从基础研究发展为应用研究，今后逐渐推广应用。具有感觉和识别功能（特别是视觉）的机器人已经用于自动检修和装配作业。能在极限作业环境中工作的极限作业机器人等等都在加紧研究开发之中。 a. 手部机构的多功能化：日前的工业机器人的手大部分只有两个手指，相当于一种夹持器的功能。机器人的手将逐渐发展为多关节、多手指并具有人工触觉的人造手。 b. 采用并行处理的复合控制：由于微电子技术的发展，微型计算机的性能大幅提高，从而可以利用多个微处理器对各种感觉(如视觉、触觉等)信息进行并行处理，并控制机器人多功能的手快速地完成更复杂的工作。 c. 步行机的研究，它能使机器人的车辆方式发展为多关节的步行方式。随着生物工程的迅速发展，人类步行控制和动物步行机理的研究更为深入，引用这些机理将使步行机性能显著提高。 d. 识别功能的提高：从识别物体(或零件)的位置和形状发展为识别物体的姿态和颜色，并达到实用，使机器人能够快速地识别更复杂的物体。1.1.2 点焊机器人介绍及其研究意义点焊机器人（spot welding robot）用于点焊自动作业的工业机器人。世界上第一台点焊机于1965年开始使用，是美国Unimation公司推出的Unimate机器人，中国在1987年自行研制成第一台点焊机器人华宇-型点焊机器人。点焊机器人由机器人本体、计算机控制系统、示教盒和点焊焊接系统几部分组成，由于为了适应灵活动作的工作要求，通常电焊机器人选用关节式工业机器人的基本设计，一般具有六个自由度：腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻。其驱动方式有液压驱动和电气驱动两种。其中电气驱动具有保养维修简便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等优点，因此应用较为广泛。点焊机器人按照示教程序规定的动作、顺序和参数进行点焊作业，其过程是完全自动化的，并且具有与外部设备通信的接口，可以通过这一接口接受上一级主控与管理计算机的控制命令进行工作。 焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。点焊机器人在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量，同时又具有柔性焊接的特点，即只要改变程序，就可在同一条生产线上对不同的车型进行装配焊接2。应用点焊机器人，有如下优点：a.容易实现生产过程的完全自动化；b.对生产设备的适应能力将大大加强；c.可以提高产品的生产效率及质量；d.可以明显改善工作条件。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；应用规模小，没有形成机器人产业。 工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的。原因在于电阻点焊的过程相对比较简单，控制方便，且不需要焊缝轨迹跟踪，对机器人的精度和重复精度的控制要求比较低。国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系，向各大型汽车生产企业提供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国，在该领域占据市场主导地位。随着汽车工业的发展，焊接生产线要求焊钳一体化，重量越来越大，165公斤点焊机器人是目前汽车焊接中最常用的一种机器人。2008年9月，机器人研究所研制完成国内首台165公斤级点焊机器人，并成功应用于奇瑞汽车焊接车间。2009年9月，经过优化和性能提升的第二台机器人完成并顺利通过验收，该机器人整体技术指标已经达到国外同类机器人水平。 工业机器人发展趋势 目前国际机变机界都在加大科研力度，进变机变机共性技术的研究。从机变机技术发展趋势看，焊安机变机和其它工毕机变机一样，不断向智能化和多样化方向发展。夹体而言，表现在如定几个方面： 机变机操动机结构：与过有限元积析、电态积析及仿真毕毕等现代毕毕方法的变用，实现机变机操动机构的优化毕毕。探索新的高强度轻质材料，进一步提高总载/自重比。 机变机机机系统：重打研究开放式，电电化机机系统。向基于PC机的开放型机机变方向发展，便于标准化、网络化；变件集成度提高，机机机日见小巧，且采用电电化结构；大大提高了系统的可靠性、易操动性和可维修性；机机系统的性能进一步提高，实现软件伺服和安数字机机；机机界面更加友好。机变机传感技术：机变机中的传感变动用日益重要，除采用传统的变置、高度、加高度等传感变机，装配、焊安机变机还应用了激光传感变、视觉传感变和力传感变，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产机变物体的自动定变以及精密装配动毕等，大大提高了机变机的动毕性能和对环境的适应性。 网络与光功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机变机机机变已实现了与Canbus、Profibus总机及一些网络的联安，使机变机由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机变机由过去的专用毕备向标准化毕备发展。 虚拟机变机技术：虚拟现实技术在机变机中的动用已从仿真、预演发展大用于过正机机，如使遥机机变机操动者产生置身于远安动毕环境中的感觉来操纵机变机。基于多传感变、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机变机的虚拟遥机操动和机机三互。 机变机性能价格比：机变机性能不断提高(高高度、高精度、高可靠性、便于操动和维修，而单机价格不断定定。由于微毕子技术的快高发展和大规电集成毕毕的应用，使机变机系统的可靠性有了很大提高 多智能体调机技术：这是目前机变机研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、三互长的与光与磋商机理，感知与三三方法，建电和规划、群体变为机机等方面进变研究3。1.1.3 机器人的组成机器人是典型的机电一体化产品，一般由机械本体、控制系统、传感器、和驱动器等四部分组成。机械本体是机器人实施作业的执行机构。为对本体进行精确控制，传感器应提供机器人本体或其所处环境的信息，控制系统依据控制程序产生指令信号，通过控制各关节运动坐标的驱动器，使各臂杆端点按照要求的轨迹、速度和加速度，以一定的姿态达到空间指定的位置。驱动器将控制系统输出的信号变换成大功率的信号，以驱动执行器工作4。 a. 机械本体机械本体，是机器人赖以完成作业任务的执行机构，一般是一台机械手，也称操作器、或操作手，可以在确定的环境中执行控制系统指定的操作。典型工业机器人的机械本体一般由手部（末端执行器）、腕部、臂部、腰部和基座构成。机械手多采用关节式机械结构，一般具有6个自由度，其中3个用来确定末端执行器的位置，另外3个则用来确定末端执行装置的方向（姿势）。机械臂上的末端执行装置可以根据操作需要换成焊枪、吸盘、扳手等作业工具。 b. 控制系统控制系统是机器人的指挥中枢，相当于人的大脑功能，负责对作业指令信息、内外环境信息进行处理，并依据预定的本体模型、环境模型和控制程序做出决策，产生相应的控制信号，通过驱动器驱动执行机构的各个关节按所需的顺序、沿确定的位置或轨迹运动，完成特定的作业。从控制系统的构成看，有开环控制系统和闭环控制系统之分；从控制方式看有程序控制系统、适应性控制系统和智能控制系统之分。 c. 驱动器驱动器是机器人的动力系统，相当于人的心血管系统，一般由驱动装置和传动机构两部分组成。因驱动方式的不同，驱动装置可以分成电动、液动和气动三种类型。驱动装置中的电动机、液压缸、气缸可以与操作机直接相连，也可以通过传动机构与执行机构相连。传动机构通常有齿轮传动、链传动、谐波齿轮传动、螺旋传动、带传动等几种类型。 d. 传感器传感器是机器人的感测系统，相当于人的感觉器官，是机器人系统的重要组成部分，包括内部传感器和外部传感器两大类。内部传感器主要用来检测机器人本身的状态，为机器人的运动控制提供必要的本体状态信息，如位置传感器、速度传感器等。外部传感器则用来感知机器人所处的工作环境或工作状况信息，又可分成环境传感器和末端执行器传感器两种类型；前者用于识别物体和检测物体与机器人的距离等信息，后者安装在末端执行器上，检测处理精巧作业的感觉信息。常见的外部传感器有力觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、视觉传感器等5。工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备6。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用7。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。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“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手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引用8。60吨冲床自动上料装置是在一般冲床上改装冲床曲轴，添加上料机械手,升料台和滑道等装置，是冲床自动连续工作。该装置的特点是由上料机械手来控制冲床动作，能保证冲床有节奏的，安全的生产9。1.2 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。控制系统驱动系统被抓取工件执行机构位置检测装置图1.1 机械手的组成方框图 a. 执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。 (1) 手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪) 和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛；平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。 而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式，式弹簧式和重力式等。附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电吸磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式10。 (2) 手腕是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动.一般腕部设有回转运动在增加一个上下摆动即可满足要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小，并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况，采用齿条传动或链轮以及轮系结构11。 (3) 手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式12。 (4) 立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱13。 (5) 行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置14。 (6) 机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用15。 b. 驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式16。 c. 控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号17。 d. 位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置18。1.3 本文主要研究工作本文首先确定了机械手的总体布局，然后提出了各个部分的具体设计方案，根据方案，主要的设计和研究内容有： a. 腰部回转机构的结构设计； b. 大臂摆动机构的结构设计； c. 小臂摆动机构的结构设计； d. 腕部摆动机构的结构设计。2 机械手的总体设计2 机械手的总体结构2.1 机械手总体结构的类型工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下: a. 直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的。为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。 b. 圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。 c. 球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。 d. 关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人19。本题目规格参数:腰部回转最大角度280度；摆动最大角度120度；工作范围范围0-450mm； 毕业设计（论文）本机械手的主要动作是：首先腰部回转机械臂和焊点处于同一平面；接着大臂回转，调整焊枪和焊点的距离；然后小臂回转，使焊枪接触焊点；最后腕部回转，使焊枪和焊点垂直，达到焊接的目的。2.2 设计具体采用方案具体到本设计，因为焊枪质量约0.5KG，且考虑到焊接机械手的加工精度，应尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要四种运动,腰部回转；大臂回转；小臂回转；腕部回转。综合考虑，机械手自由度数目取为四。因此选择关节型机械臂。具体到本设计，要求工作区间0-450mm，扩大到0-60mm，为扩大1/3倍。因为A2+b22ab。所以当c一定时，a=b机械臂为最短。6002=2a2。A424.3，又因为小臂比大臂更灵活，活动更频繁，所以初始取a（大臂）=500mm；b（小臂）=400mm；c（腕部）=100mm。整体布局如图：图2.1 整体尺寸设计图 本设计的三维建模基于solidworks。首先进行腰部回转机构的结构设计，再进行大臂摆动机构的设计，然后进行小臂摆动机构的设计，最后进行腕部的设计。在所有设计完成之后，整体的效果如下图所示：图2.2 设计完成整体图3 机械手腰部机座3 机械手腰部机座3.1 机械手腰部机座结构的设计进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、大臂、小臂、腕部等各个部分进行详细设计。机械手腰座结构的设计要求：工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则： a. 腰座要有足够大的安装基面，以保证在工作时整体安装的稳定性。 b. 腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。 c. 机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。 d. 腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。 e. 腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。 f. 为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成20。3.2 机械手腰部机座设计的具体采用方案腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或气压缸来实现，目前的趋势是用前者。考虑到腰座是机器人的第一个回毕业设计（论文）转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机通过减速机构驱动来实现腰部的回转运动。3.3 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，JG4根据平行轴定理可得绕轴0的转动惯量为： （3.1）（3.2）m3=0.5kg；m2=5kg；m1=7kg；m0=7kg；设输出轴速度为所需时间； 机座 （3.3）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15N.m。电机功率可按下式估算 （3.4）其中：Pm为电动机功率W；MLP为负载力矩；为负载转速；为传动装置效率，初定0.9；系数为经验数据，取2.5； （3.5）博美德PL80-100/SM80-013-30LFB； 参数如下：表3-1 电机参数额定功率额定转矩额定转速转子惯量400w1.3N.m3000rpm0.89X10-4kg.m2电机结构外形如图： 图3.1 电机结构外形图3.4 减速器的选择 因为整体最高转速要求30r/min。伺服电机在额定转速之下可以调节需要转速并正常工作。所以以最高转速计算传动比。 （3.6）减速器选用配套的 博美德PL80-100型，减速比100。减速器如图所示：图3.2 减速机安装图参数如下：额定输出扭矩：52110Nm 转动惯量：0.390.77Kgcm2/故障停止扭矩：104220Nm 满载效率：90%额定输入速度：4000min-1/ 工作温度：-25+90最大输入速度：6000min-1/ 润滑方式：合成脂润滑（长效润滑）安装方式：任意 防护等级：IP65 平均寿命：20000h 法兰精度:DIN 42955-R输出轴键标准:圆头普通平键（A型）GB1096-79。3.5 键的选择键已标准化，设计时需要先根据工作要求和轴径上键的类型以及尺寸来选择键，然后再进行强度校核，键的材料按标准规定采用抗拉强度的钢，常用45钢。本设计中的键均为减速器自带的键，即普通圆头A型。验证电机轴上的转动惯量 （3.7）电机的转子惯量为 所以选取合适 （3.8）在确定了转动惯量之后，就要进行轴的具体尺寸确定：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。 此轴传递扭矩T1=15N.m n1=30r/min P1=400w （3.9）因此与电机相连的轴直径必须大于28.5mm。4 机械手手臂的结构设计4 机械手手臂的结构设计机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则： a. 应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。 b. 机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。 c. 为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。 d. 机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。 e. 机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小气缸负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。 f. 机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。毕业设计（论文）4.1 设计具体采用方案机械手的大臂和小臂均为回转运动。考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，两手臂的调节采用电机和谐波减速器配合。4.2 大臂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轴0的转动惯量为： （4.1） （4.2） m3=0.5kg；m2=5kg；m1=7kg；设输出轴速度为所需时间； 大臂 （4.3）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13N.m。电机功率可按下式估算： （4.4）其中：Pm为电动机功率W；MLP为负载力矩；为负载转速；为传动装置效率，初定0.9；系数为经验数据，取2.5； （4.5）博美德PL80-80/SM80-013-30LFB； 参数如下：表4.1 电机参数额定功率额定转矩额定转速转子惯量400w1.3N.m3000rpm0.89X10-4kg.m2电机结构外形如图： 图4.1 电机结构外形图4.3 大臂减速器的相关计算 因为整体最高转速要求30r/min。伺服电机在额定转速之下可以调节需要转速并正常工作。所以以最高转速计算传动比。 （4.6）减速器选用配套的 博美德PL80-80型，减速比80。电机轴上的转动惯量： （4.7）电机的转子惯量为； （4.8）所以选取合适。此轴传递扭矩T1=13N.m n1=30r/min；P1=400w； （4.9）因此与电机相连的轴直径必须大于28.5mm。4.4 小臂电动机的选择 （4.10） （4.11）m3=0.5kg；m2=5kg；设输出轴速度为所需时间； 小臂 （4.12）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2N.m。电机功率可按下式估算： （4.13）其中：Pm为电动机功率W；MLP为负载力矩；为负载转速；为传动装置效率，初定0.9；系数为经验数据，取2.5； （4.14）博美德PL40-200/SM42-001-40DCB；参数如下：表4.2 电机参数额定功率额定转矩额定转速转子惯量30w0.0625N.m4000rpm0.024X10-4kg.m2图4.2 电机安装图4.5 小臂减速器的相关计算 因为整体最高转速要求20r/min。伺服电机在额定转速之下可以调节需要转速并正常工作。所以以最高转速计算传动比。 （4.15）减速器如图所示：图4.3 减速器外形结构图减速器选用配套的 博美德PL40-200型，减速比200。详细参数如下：额定输出扭矩：7.515.5Nm 转动惯量：0.0160.029Kgcm2/故障停止扭矩：1531Nm 满载效率：90%额定输入转速: 4500min-1/ 工作温度：-25C+90C最大输入速度：10000min-1/ 润滑方式：合成脂润滑（长效润滑）安装方式：任意 防护等级：IP65平均寿命：20000h 法兰精度:DIN 42955-R重量： 0.6Kg 减速机符合JB1799-76标准输出轴键标准:圆头普通平键（A型）GB1096-79。键已标准化，设计时需要先根据工作要求和轴径上键的类型以及尺寸来选择键，然后再进行强度校核，键的材料按标准规定采用抗拉强度的钢，常用45钢。本设计中的键均为减速器自带的键，即普通圆头A型。电机轴上的转动惯量： （4.16）电机的转子惯量为； 所以选取合适 （4.17）在确定了转动惯量之后，就要对轴进行设计： 此轴传递扭矩T1=2N.m n1=20r/min P1=30w （4.18）因此与电机相连的轴直径必须大于13.7mm。5 机械手腕部的结构方案设计5 机械手腕部的结构方案设计5.1 腕部电动机的选择 （5.1） （5.2）m3=0.5kg；设输出轴速度为所需时间； 腕部 （5.3）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1N.m。电机功率可按下式估算： （5.4）其中：Pm为电动机功率W；MLP为负载力矩；为负载转速；为传动装置效率，初定0.9；系数为经验数据，取2.5； （5.5）博美德 PL40-200/SM42-001-40DCB；参数同上。5.2 腕部减速器的选择 因为整体最高转速要求20r/min。伺服电机在额定转速之下可以调节需要毕业设计（论文）转速并正常工作。所以以最高转速计算传动比。 （5.6）减速器选用配套的 博美德PL40-200型，减速比200。电机轴上的转动惯量计算如下： （5.7）电机的转子惯量为； 所以选取合适 （5.8）确定了转动惯量之后就要对轴进行设计： 此轴传递扭矩T1=1N.m n1=20r/min P1=30w （5.9）因此与电机相连的轴直径必须大于13.7mm。6 轴承的选用与校核6 轴承的选用与校核为了保证机械臂的正常运行，不仅轴承的制造质量良好，而且机械臂的设计必须合理，轴承的装配和使用必须规范。轴承的选择对于机械臂的正常运转十分重要。 a. 轴承类型的选择机座转动轴上的轴承选择：推力球轴承，它承载能力较低，额定动载荷比为1，不能承受径向载荷，只能承受一个方向的轴向载荷，限制轴和壳在轴向位移。极限转速低。机座相对转动处的轴承选择：一对圆锥滚子轴承。额定动载荷比1.52.5。能承受单向轴向载荷，在径向载荷作用下会产生附加轴向力，一般成对使用。能限制轴和外壳在一个方向的轴向位移。313系列具有较大的接触角，可以承受更大的轴向载荷。大臂、小臂、腕部转动轴承的选择：深沟球轴承，承载能力较小，额定动载荷比为1。主要承受径向载荷，也可同时承受一定的轴向载荷。当轴承的径向游隙加大时，具有角接触轴承的功能，可承受较大的轴向载荷。允许一定的轴向位移，但轴向位移限制在轴向游隙范围内。摩擦系数小，极限转速高。结构简单，使用方便。工作期间不需要保养。适于高速，应用极为广泛。 b. 轴承代号的选择推力球轴承：根据安装轴承段的轴径为35mm，以及轴承长度及安装考虑，最终选择推力球轴承代号为51107 GB 301-1995。其基本尺寸如下：圆锥滚子轴承：根据安装轴承段的轴径为70mm，以及轴承长度及安装考虑，最终选则圆锥滚子轴承代号为30214 GB 297-94。大臂转动轴承：根据安装轴承段的轴径为35mm，以及轴承长度及安装考虑，最终选则深沟球轴承代号为61807 GB 276-94。小臂转动轴承：根据安装轴承段的轴径为15mm，以及轴承长度及安装考虑，最终选则深沟球轴承代号为61802 GB 276-94。腕部转动轴承：根据安装轴承段的轴径为15mm，以及轴承长度及安装考虑，最终选则深沟球轴承代号为61802 GB 276-94。 c. 轴承的校核毕业设计（论文）深沟球轴承61807 GB 276-94的校核：深沟球轴承 61807 详细参数如下：d = 35(mm)D = 47(mm)B = 7(mm)Cr = 4900(N)Cor = 4000(N)nlimz = 11000(r/min)nlimy = 15000(r/min) 使用机械设计手册（新编软件版）2008进行校核：图6.1 软件界面图选择滚动轴承设计与查询功能。图6.2 轴承校核图选择深沟球轴承。参数设定如图：图6.3 参数录入图其中径向力Fr=（7+5+0.5）X9.8=122.5N取更大的数150图6.4 计算结果生成图计算过程输入参数：轴承类型：深沟球轴承径向载荷 Fr = 150(N)轴向载荷 Fa = 0(N)额定静载荷Co =4000(N)工况系数 fp = 1.2轴承列数：单列接触角 a =0()中间参数：判断系数 e = 0.16径向载荷系数 X = 1轴向载荷系数 Y = 0计算结果：当量动载荷 P = 180(N)轴承所需基本额定动载荷 C = 374.415(N)图6.5 参数修正图寿命校核输入参数：额定动载荷 C = 4900(N)当量动载荷 P = 180(N)轴承转速 n = 30(r/min)工作温度 T = =120()（温度系数 ft = 1）要求寿命 Lh = 5000(h)计算结果：计算寿命 Lh = 11207228(h)计算寿命 L10 = 20173(106 转)校核结果：合格-额定寿命修正：可靠度系数 a1 = 1材料系数 a2 = 1运转条件系数 a3 = 1修正后寿命 Lna = 20173(106 转)修正后结果：合格 图6.6 软件操作流程图最终输出报告如下： 滚动轴承设计报告 设计信息设计者 Name=张芮华设计单位 Comp=西安工业大学北方信息工程学院设计日期 Date=2013-4-12设计时间 Time=下午 02:06:56设计参数径向力 Fr=150 (N)轴向力 Fa=0 (N)轴颈直径 d1=55 (mm)转速 n=30 (r/min)要求寿命 Lh=5000 (h)温度系数 ft=1润滑方式 Grease=油润滑被选轴承信息轴承类型 BType=深沟球轴承轴承型号 BCode=61807轴承内径 d=35 (mm)轴承外径 D=47 (mm)轴承宽度 B=7 (mm)基本额定动载荷 C=4900 (N)基本额定静载荷 Co=4000 (N)极限转速(油) nlimy=15000 (r/min)当量动载荷接触角 a=0 (度)负荷系数 fp=1.2判断系数 e=0.16径向载荷系数 X=1轴向载荷系数 Y=0当量动载荷 P=180 (N)轴承所需基本额定动载荷 C=374.415 (N)校核轴承寿命 轴承寿命 Lh=11207228 (h)验算结果 Test=合格 深沟球轴承61802 GB 276-94的校核：深沟球轴承 61802 详细参数如下：d = 15(mm)D = 24(mm)B = 5(mm)Cr = 2100(N)Cor = 1300(N)nlimz = 22000(r/min)nlimy = 30000(r/min) 使用机械设计手册（新编软件版）2008进行校核：选择滚动轴承设计与查询功能。选择深沟球轴承。参数设定中：径向力Fr=（5+0.5）X9.8=53.9N取更大的数70 - 计算过程 - 输入参数：轴承类型：深沟球轴
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