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11 绪论到目前为止，世界各国对“机器人机械手”还没有做出统一的明确定义。通常所说的“机器人机械手”是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照予定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运或操纵工具的自动化装置。而“机械手”一般具有固定的手部、固定的动作程序（或简单可变程序）、一般用于固定工位的自动化装置。因为国内外称作“机器人机械手”、“机械手”、“操作机”的这三种自动化和半自动化装置，在技术上有某些相通之处，所以有时不易明确区分，就它们的技术特征来看，其大致区别如下。“机器人机械手”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操纵工具的装置（国内称作机器人机械手或通用机械手）。“机械手”（Mechanical Hand）：多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手）。如自动线、自动线的上、下料，加工中心的自动换刀的自动化装置。“操作机”（Manipulator）：一般是指由工人操纵的半自动搬运、抓取、操作装置。如锻造操作机或处理放射性材料、火工品的装配等所使用的半自动化装置。机器人机械手（Industrial Robot ,简称 IR）是 1960 年由美国金属市场报首先使用的，但这个概念是由美国 GeorgeCPevol 在 1954 年申请的专利“程序控制物料传送装置“时提出来的。在这专利中所记述的机器人机械手，以现在的眼光来看，就是示教再现机器人。根据这一专利，Devo 与美国Consolide Control Corp 合作，于 1959 年研制成功采用数字控制程序自动化装置的原型机。随后，美国的 Unimation 公司和美国的机械铸造(AMF)公司于 1962 年分别制造了实用的一号机，并分别取名为 Unimate 和 Versatran。Unimate 机器人2外形类似坦克炮塔，采用极坐标结构，而 Versatran 机器人采用圆柱坐标结构。上述两种机器人成为机器人结构的主流，美国通用汽车公司和福特汽车公司在其金属冷热加工中，采用这类机器人进行压、铸、冲压等上、下料，收到了良好的效果。美国的机器人机械手技术的发展，大致经历了以下几个阶段：（1）19631967 年为实验定型阶段。19631967 年，万能自动公司制造的机器人机械手供用户做工艺实验。1967 年，该公司生产的机器人机械手定型为1900 台。（2）19681970 年为实验应用阶段。这一时期，机器人机械手在美国进入应用阶段。例如美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台机器人机械手；1969 年又自行研制出 SAM 型机器人机械手，并用 21 台组成了点焊小汽车车身的焊接自动线。（3）1970 年至今一直出于技术发展和推广应用阶段。19701972 年，机器人机械手处于技术发展阶段。1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国机器人机械手会议。据当时统计，美国已采用了大约 200 台机器人机械手，工作时间共达 60 万小时以上。与此同时，出现了所谓高级机器人，例如森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制 50 台机器人机械手的系统。在欧洲第一台机器人机械手是 1963 年瑞典 Kavieldt 公司发表的第一台操作机。日本在六十年代初期就开始研制固定程序控制的机器手，并从其他各国引进了用于不同生产过程的机器人，并获得迅速，很快研制出日本国产华的机器人机械手，技术水平很快赶上了美国并超过了其它国家，目前机器人机械手在日本已得到迅速发展并很快得到普及。我国虽然开始研制机器人机械手仅比日本晚 56 年，但由于种种原因，机器人机械手的技术发展比较慢。但目前已引起了有关方面的极大关注。除了引进、消化、仿制外，已经具备了一定的独立设计和研制能力。在 1958 年新疆维吾尔自治区成立 30 年大庆站展览馆展出了由新疆机械局研制的跳舞机器人阿依古丽。在 1986 年地十六届广交会上，成都电讯工程学院研制的第三代仿人3机器人成蓉小姐已经用汉语或英语向来宾问好，并能简要的介绍的展览产品及回答简单问话。西北电讯工程学院研制的微机控制示教再现式机器人西电 I 号，也于 1985 年 9 月在陕西省科技贸易大会上进行了表演。此外，清华大学自动化系研制的具有视觉手眼系统，北京钢铁学院研制的焊接机器人，均已达到了较高的水平。同时，在机器人学科中的视觉、听觉、语音合成、触觉、计算控制以及人工智能诸领域研究，也取得了一定的进展。近几年来的成就表明，我国机器人技术已经迈出了可喜的一步。相信在不久的将来，我们一定回赶上世界各国前进的步伐。1.1 工业机器人的主要用途工业机器人最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、装配、搬运和上下料。工业机器人延伸了人的手足和大脑功能，它可以代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中工作；代替了人完成繁重、简单重复的劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。为实现生产的自动化，可以把工业机器人与数控加工中心、自动搬运小车以及自动检测系统组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成系统（CIMS）。目前，机器人由于其作业的高度柔性和可靠性、操作的简便性等特点，满足了工业自动化高速发展的需求，被广泛应用于汽车制造、工程机械、机车车辆、电子和电器，计算机和信息以及生物制药等领域。（1）焊接焊接作业是机器人的主要用途之一。现在，机器人能轻而易举且经济地完成两类性质的焊接作业，即点焊和弧焊。电焊作业要求机器人学会一系列点。由于要连在一起的金属不建造形状可能很不规则，常常要求有一只灵活的机械手腕，这只手腕使得焊接工具能准确对准所要求的焊接点，且焊枪不与部件的其他部分接触。一般这些机器人所夹持的焊接工具都大而重。通常还要求机械手具有大的活动范围。汽车工业是这类机器人的一个大用户。由于焊点预先示教过，所以判断是否给焊枪通电一般不考虑传感器信息。但在工具接触部件时，有可能利用驱动电机电流增大这一情况来判断焊接作业。弧焊也为汽车工业广泛利用，他经常用于焊接形状不规则或较宽的焊缝。在这种情况下，通常选用为这一特殊用途而专门设计的一种连续轨迹伺服控制4机器人。如果要焊的部件可以精确放置并固定，就可以预先将复杂的三维轨迹示教给机器人，不需要外接传感器。现在许多机器人在焊接工具前方装有一只位置传感器，它能提供焊接中有关轨迹不规则性的信息；有的还配备传感器反馈装置。在需处理较宽焊缝时，可以编程使机器人做编织状横摆运动。这样就能保证焊出的焊缝覆盖整个焊口。机器人焊机的主要优点是能严格控制发弧时间。（2）喷漆喷漆作业时易发生火灾，雾状漆还会致癌，因此喷漆作业是机器人的特有用途，使用喷漆机器人的另一个优点是其最终形成的涂层远比人所干出的更加均匀。它能生产出优质产品，返修率低，节省大量的漆。用于此目的机器人通常能完成直线和连续轨迹的运动。一般由最优秀的喷漆师给喷漆机器人编程，他的动作由一台或多台机器人模仿出来。喷漆机器人一般不需要外部传感器，但是待喷漆的零部件应准确的提供给机械手。（3）磨削两块金属经电弧焊后，在焊缝处会形成焊珠。为了零部件外观或满足功能的需要，要进行磨削作业。机器人可以很好地完成这项工作，因为机械手在使用电弧焊作业时使用过同样程序，只要卸下焊接工具换上旋转砂轮即可。另一重要的磨削工作是在金属铸件上进行的。为了获得铸件的正确外形尺寸，可以将连续轨迹编程的方法示教给机器人，使砂轮磨掉任何要求之外的突出部分，对过大的铸件表面加以修整。机器人磨削还可以用于打毛刺，将刚钻完的孔周围的无用材料磨掉。为了提高生产率，自动钻孔后也可以利用机器人完成清理工作。在这些磨削用途中，被加工的部件尺寸常有误差，需要传感器的信息是机器人能精确地“感知”到零部件真实的外形轮廓。这对电弧焊珠打磨平滑特别重要。目前已可买到能提供这种信息的比较简单的触觉传感器。（4）搬运将零部件或物体从某一位置移到工作区的另一个位置，是机器人的最常见用途之一。从一处拾取零部件，然后挪到另一个地点，这种操作称为“码放”5物件；与此相反，将一排排物件卸下，放在工作场地的另一个地点，称之为“卸货”。通常机器人所用的语言使完成这一任务的编程作业比较容易。一些重要的零部件加工过程中的装卸，常涉及拾取半成品或未完工的零部件，即将其送到某种机床进行加工。若该项作业对人类不安全，则可以交给机器人完成。在金属加工中经常包括热压加工，要求人在加热的窖炉、冲压床、车床或手摇钻床附近工作，工作环境恶劣且有危险。而机器人是能耐高温的。（5）组装作业人可以利用眼手的良好协调动作，再加上触觉，将一组不同的零件组装起来制成成品或组件，但组装工作令人感到乏味，故组装作业是机器人的一项最引人用途。例如，我们将剪刀、钳子和其他一些简单的手工工具放在一起，将所要加工的点和操作顺序示教给机器人，由机器人来完成制造小型电机，组装插头插座。通常使用的唯一外部传感器信息是零件或组件是否处在工作单元室内的特定位置。机器人腕部的柔顺性在这些组装作业中显得特别重要。机器人可利用力觉或触觉的反馈信号获得良好的外部感知能力，从而使其对夹持和放置的装置或机器人本身所引起的任何定位误差进行较好的补偿。但是这样的感知装置（传感器）大部分尚不完善，所以大部分组装工作目前不用外部传感器，而采用常在端部操纵装置和机器人的腕部法兰之间的一个远距定心柔性装置（RCC）来完成。如果要求精度高，机械手应配备有外部传感器（例如视觉系统）。虽然视觉外部设备会降低系统的产量，但如果视觉系统的硬件和软件价格下降，而且系统本身工作更快，可以预测，其应用将会更加普遍。（6）分选零部件机器人可以完成零部件的分级和分选工作，这种作业重复乏味，令人厌烦，因而操作人员容易出差错。而机器人完成这项任务快而准确且能长时间工作。例如将一组待分级或分选零件随机放在传送带上，将视觉系统置于机器人上方，用于确定通过摄像机视野内的零件类型和取向，并将信息送给机器人的控制器；控制器随后发出指令使机械手移到正确位置，并使取向符合要求；然后，机器人将拾取的零件放进料箱或另一条传送带上。6（7）检验零件机器人可以用于检验完工的零件或组件质量。汽车工业是以检验自动化来提高产品质量的典范。轿车车身各个部位的尺寸精度，可用含有许多可动传感器的特殊检测工具来检验。每个传感器移动的距离与预定值加以比较，从而确定是否正品。这个系统不仅可以剔除超差的部件，还可以及时指出潜在的问题。视觉系统以用于这种检验，但价格较高，使用尚不普遍。电子装置的检验也可以由机器人完成。例如，印刷电路板在插装元件之前，必须检验是否有漏钻孔或孔位不当。这项工作可以用两种技术来完成。一是机器人拾捡印刷电路板并放在专用夹具上，传感器通过钻眼正确的孔，与板的另一侧电极接触，若全部接触点都接通，表示引述电路板质量合格，机器人就将板放在适当的料箱中；否则，即使有一点没接触上，机器人的程序就转移，将这个不合格的印刷电路板放在废品箱中。二是利用视觉系统，包括一台或多台视频摄像机。机器人将印刷电路板放在一个有灯光的平台上，光线通过钻孔形成图案，由视觉系统感受并与预存的图案比较，以找出合适的板；视觉系统随后指挥机器人将部件放在正品箱中。随着工业机器人技术的发展，其应用已经扩展到宇宙探索、深海开发、核科学研究和医疗福利等领域。 31.2 现有工业机器人的种类及功能工业机器人（通用及专用）一般指用于机械制造业中，代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制造、某些家电产品（电视机、电冰箱、洗衣机）、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。一般的分类方式见表 1.13表 1-1 工业机器人的分类功能 分类名称简要解释71.3 工业机器人的现状及发展趋势我国工业机器人起步于 70 年代初期，经过 20 多年的发展，大致经历了 3个阶段：70 年代的萌芽期，80 年代的开发期和 90 年代的适用化期。70 年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于 1972 年开始研制自己的工业机器人。进入 80 年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986 年国家高技术研究发展计划（863 计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从 90 年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用操作性型机器人能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动用于相关自动化系统中程控型机器人 按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作示教再现型机器人通过引导或其他方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业数控型机器人通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业感觉控制型机器人 利用传感器获取的信息控制机器人的动作适应控制型机器人 机器人能适应环境的变化控制其自身的行动学习控制型机器人机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中智能机器人 以人工智能决定其行动的机器人8途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，当前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。前瞻产业研究院发布的2014-2018 年中国工业机器人行业产销需求预测与转型升级分析报告数据显示，2013 年中国市场共销售工业机器人近 3.7 万台，约占全球销量的 1/5，总销量超过日本，位居全球第一。而且我国市场销售机器人的数量，年化增长率高达 34%。成为全球增长速度最快的工业机器人市场。预计到 2018 年工业机器人年供应量超过 91000 台。 1.4 主要设计内容确定机器人的运动方案和结构形式，用机械运动学和动力学理论分析机器人的运动和动力学行为，分别采用 PRO/E 设计机器人结构和模拟机器人运动，完成具体结构和装配图，并进行样品研制和实验，研制出适应性强、运动准确、控制直观快捷、工作效率高的机器人。本设计的机器人由手臂、手腕、电机、驱动机构、传动机构及控制器等组成，重点是运用机械原理和机械制造装备设计方法设计焊接机械人，进行理论联系实际。这是在了解搬运机械人国内外现状的基础上，进而掌握搬运机械人的内部结构和工作原理，并对手臂和腕部进行结构设计，合理布置驱动力的电动机，同时了解机械人的机械远动学及运动控制学，为搬运机械人的设计提供参考。设计的工业按要求的运动轨迹运转，完成相应的动作。本设计的搬运机械人具有刚性高、位置精度可靠、运动平稳的优点。1.5 设计参数（1）最大搬运重量：5kg；（2）最大工作范围：850mm；（3）标准周期：0.59sec；（4）定位方式：闭环伺服定位；（5）重复定位精度：0.05mm；（6）驱动方式：电气（伺服电机）；9（7）控制方式：采用 MGS-51 单片微机。此次设计的垂直多关节机器人可以实现大臂和小臂的旋转，手腕的升降。此装置应用在搬运生产线上将大大提高生产效率和加工质量，降低了工人的劳动强度，能够带来可观的经济效益。1.6 本课题要解决的主要问题及设计总体思路本课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。102 关节机器人的总体设计2.1 机械结构类型的选择为实现总体机构在空间的位置提供的 5 个自由度，可以有不同的 0 运动组合，根据本课题可以将其设计成以下五种方案： a.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。b.直角坐标型 直角坐标型工业机器人，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、灵活性差。c.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。d.关节型 关节型又称回转坐标型，这种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，大笔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、能抓取靠近基座的物体。e.平面关节型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11面均的大小、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，灵活方性差；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：关节型机器人。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。2.2 传动方案的确定图 2-1 是机器人小臂与腕部机械传动系统的简图。机械传动系统共有四个齿轮，四个齿轮为直齿圆柱齿轮，有利于简化系统运动方程式的结构形式，并起到减速的作用。小臂的结构形式是由内部的铝制的整体铸件骨架与外表面很薄的铝板壳相互胶结而成。大臂关节和小臂关节分别装有一个电机来带动臂部的旋转，手腕上方装有一个气动传动装置来带动手腕的上下移动。图 2-1 关节机器人传动原理2.3 工作空间的确定12工作空间是机器人学中一个重要的研究领域。但在实际应用中，可以简化这一问题，把工作空间看作是机器人操作机正常运行时，手腕参考点（如定位机构的轴线正交，取交点为参考点）在空间的活动范围，或者说该点可达位置在空间所占有的体积。根据关节型机器人的结构确定工作空间，工作空间是指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，是机器人的主要技术参数。图 2-2 机器人的工作空间位置示意2.4 驱动装置的选择2.4.1 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三种：a. 电动驱动电动驱动是目前使用最广泛的驱动器。他的能源简单，速度变化范围大，效率高，但它多与减速装置相连，直接驱动比较困难。电动驱动又分为直流（DC）、交流（AC）、伺服电机驱动。后者多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。直流伺服电机有很多优点，但他的电刷易磨损，且易形成火花。随着技术的进步，近些年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。13b.液压驱动器液压驱动的主要优点是功率大，结构简单，可省去减速装置，能直接与被驱动的杆件相连，响应快，伺服驱动具有较高的精度，但需要增设液压源，而且易产生液体泄露，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。c.气动驱动器气动驱动器的能源，结构都比较简单，但与液压驱动器相比，同体积条件下功率小（因为压力低），而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制系统。通过比较上述三种驱动方式，因此本课题的机器人常采用电动驱动器中的伺服电动机与步进电动机。因为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。而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。2.4.2 传动比的确定及分配a.传动比的确定及分配由电动机的转速可知所需的总传动比为 i=10b.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。因此摆腕传动比分配为：摆腕总传动比 i=10，该传动为两级传动，第一级传动为圆柱齿轮传动，传动比为 i1=2，第二级传动为圆柱齿轮传动，传动比为 i2=5。143 齿轮强度的设计与校核齿轮材料采用 45 号钢，锻造毛坯，小齿轮调质处理，表面硬度为210HBS；大齿轮正火处理后齿面硬度为 180HBS，因载荷平稳，齿轮速度不高，初选齿轮精度等级为 7 级。取 z1=20，则 z2=220=40。a. 设计准则先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条件的设计表达式3121.2uKTHZddEt 式中， -载荷系数，取 ；1 3.1-齿宽系数，取 ， ；d8.02-材料系数，取 。EZaEMPZ9小齿轮传递扭矩 mNnPT 12405/.015.105.9661大小齿轮的接触疲劳强度极限应力为：; aHM81limaHMP2lim选择材料的接触疲劳强度极限应力为：; aFP2301liaF102li应力循环次数 N 由下列计算公式可得 91 45.368356lhj则 992 107.24.3u接触疲劳寿命系数 , ;.1HNK2.HN弯曲疲劳寿命系数 ;2Y15接触疲劳安全系数 ，弯曲疲劳安全系数 。1minHS 5.1minFS许用接触应力和许用弯曲应力： aNHMPZS638.150lim1a592.2li2 aNFST PY3071.1minl1aFSTM285.2inl2 将有关值代入（3-1）得： muKHZddEt 4218.02316.5932.132.21 计算圆周速度： smnvt /3.1064106计算载荷系数：动载荷系数 ；使用系数 ;动载荷分布不均.VK1AK匀系数 ；齿间载荷分配系数 ，则 02.1Ka。03.12.avAH修正 ；mdtHt 8.3.431mz9.2081取标准模数 。b.计算基本尺寸 zd4021m8216mzma602841db3.01取 3212d.校核齿根弯曲疲劳强度齿形系数 取 ，校核两齿轮弯曲强度1.4STY8.32STY7.0132321 .1408.591 FaaFF MPmdzK 所以齿轮完全达到要求。由于小齿轮分度圆直径较小，考虑到结构，将小齿轮做成齿轮轴。174. 圆柱齿轮轴的设计与校核由于主轴传递的功率不大，对其重量和尺寸也无特殊要求，故常选用 45 钢，调质处理。a.初估轴径，C=106117，取 C=106 则 mnPCd4.5102.633mi b.各段轴径的确定初估轴径后，就可按照轴上的安装顺序从 处开始逐渐确定轴径，上mind面计算的 是轴段 1 的直径，由于轴段 1 上安装联轴器，因此轴端 1 处直径mind的确定和联轴器型号同时进行。这次选用的是套筒联轴器。故取轴径。21在轴段 2 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 2 处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 。通常一根轴上的两个轴承取相同型号，故取轴段 6md52的直径 。轴段 3 上用轴肩固定轴承，故取 。轴段 4 上作为6 md30齿轮轴，尺寸与齿轮相同。根据结构确定轴段 5 的直径 。5c.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上零件配合部分的长度确定。另一些轴段的长度，除与轴上零件有关，还与箱体及轴承盖等零件有关。根据联轴器选取轴段 1 的长度，此时又要考虑此段轴长不应与大臂和小臂连接处的轴在工作时相互干涉，因此选取此段轴长 。根据轴承宽度ml102。根据结构 ， 。6215lmlml63l4518图 4-14.1.2 轴的强度校核轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算的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，并恰当的选取其用应力，对于用于传递转矩的轴应按扭转强度条件计算，对于只享受弯矩的轴（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准确校核等。195. 轴承的设计5.1 轴承的选择轴承是支撑轴或轴上回转体部件。根据工作时接触面间的摩擦性质，分为滚动轴承和滑动轴承两大类。滚动轴承依靠元件间的滚动接触来承受载荷，相对于滑动轴承，滚动轴承具有摩擦阻力小，效率高，起动容易，润滑简便等优点。因此我们在做本课题设计时所选用的轴承全部为滚动轴承。轴承的内圈和滚动体，一般是用轴承铬钢（如 ）制造，热处理后硬度应达GCrSiMn15到 6065HRC。保持架有冲压的和实体的两种结构。冲压保持架一般用低碳钢板冲压制成，它与滚动体间有较大间隙，工作时噪声大；实体保持架通常用铜合金，铝合金或酚酞树脂等高分子材料制成，有较好的隔离和定心作用，又因为实体保持架比冲压保持架允许更高的转速。所以本课题选用的保持架为实体的。从受载荷方面考虑，我所设计的机器人承受载荷力不大，且适用在振动与冲击不大的场合；而且球轴承比滚子轴承有较高的极限转速和旋转精度；在从经济方面考虑球轴承比滚子轴承便宜。综合以上因素，所以选取 7205C 系列的角接触球轴承。5.2 轴承的寿命计算圆柱齿轮轴的轴承寿命计算经查表可知：载荷系数 ，温度系数径 ，基本额定动载荷2.1pf 1tf,基本额定静载荷 。KNCr5.16NCor05由以上计算可知：径向力 ,Fr38.91r7.92派生轴向力 Ners 3.8141ers .5.02NFsa3.81s4220NFFaaa 3.912.43.822121 计算 并确定 e 值，oraCF05.3.9orC根据 ，查表可得 。05.ora 4.计算当量负动荷 eFra429.038.1ra.57.2查表可得：径向载荷系数 ,轴向载荷系数40X4.1YNYFpr 267839.1.11 r .55.922取 N.641计算轴承寿命 hPfCnLpth 8.3412.6105773 根据以上计算可知，其余几根轴上的轴承也完全满足工作要求。216. 其它零部件的选用6.1 键连接的选用键连接分为平键连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。由于平键的两侧面试工作面，工作时靠键与键槽侧面间的挤压来传递转矩。键的上表面与轮毂间留有间隙，因此，平键连接定心好，结构简单装拆方便，所以本次设计选用的是平键连接中的圆头平键。键连接的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键连接的类型可根据连接的结构特点使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来取定。键的主要尺寸为截面尺寸 b、h 和长度 L。b、h 可根据轴径 d 由标准中查取；长度 L 可参照轮毂长度 B 从标准中选取，一般取 ，mB)105(。经以上设计可知此段轴径 ，即dB25.1 md20d368.125.mBL8)0(经查表可知 b66.2 机器人手臂材料的选择机器人手臂的材料应根据手臂的工作情况来选择，根据设计要求，机器人手臂要完成各种运动，因此对材料的一个要求是作为运动部件，它应是轻型材料。而另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这将大大降低它的运动精度。因此在选择材料时，需要对质量，刚度，阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。机器人手臂材料应先是结构材料。手臂承受载荷时，不应有变形和断裂。从力学角度看，即要有一定的强度。手臂材料应选择高强度材料，如钢，铸铁，合金钢等。机器人手臂是运动的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比较轻。综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料左手臂。其中，非金属22材料有尼龙 6，聚乙烯（PEH）和碳素纤维等；金属材料以轻合金（特别是铝合金）为主。本次设计的机器人手臂材料选择为铸造铝合金中的铝铜合金。6.3 机器人臂部连接件的选用本次设计中采用两种不同型号的波纹管联轴器：小臂部分采用 DIN6885 型号，手腕部分选用 BL-12-02.5 型号。柔性联轴器的特点是圆周方向刚度大而轴向弯曲方向柔度大，既能起到可靠的传动又适合调整和补偿轴之间的偏差。23总 结这次毕业设计是我在学校的最后一次综合训练,将平时所学知识有机结合起来，为将来进入工作场所做准备。它让我了解了更多的新知识和技能。在毕业设计中主要完成了如下设计内容:1）根据查阅的相关资料，确定总体的设计方案，明确设计参数和设计要求；2）确定了材料、电动机、以及减速器；3）进行了关节和臂的结构设计、标准件的选取、强度计算与校核；4）齿轮、轴、轴承及键的选择、设计计算、强度计算与校核。感谢老师、系领导和学校的关心和指导，在设计过程中，结合工作体会和经历，为我完成设计给予了极大的帮助，为我上了最后一次重要的课程。24参考文献1闻邦椿机械设计手册（第五版）M 北京：机械工业出版社， 20122叶晖工业机器人典型应用案例精析（第三版）M 北京：机械工业出版社， 20133刘文波，陈白宁，段智敏工业机器人M 沈阳：东北大学出版社 20074 胡建，张艳朋，王菲，车景国，林武一种搬运机器人运动学仿真分析和实际应用J.机床与液压，2016(11) 5赵晓飞，郭丽峰工业机器人在机械加工中的应用J 机械研究与应用， 2015（3）：113-1176王国磊，吴丹，陈恳航空制造机器人现状与发展趋势J 航空制造技术，2015（10）：26-307 高佳男，周广亮，周明波，蒋野，徐建东自动搬运机器人J 电子制作，2011(03)8 Josef Kraus成套而灵活的搬运机器人 J现代制造，2005(29)9 户硕搬运机器人的设计与制作J 煤矿机械，2015(08)10新型移动工业机器人J工业设计， 2013(02)11 毛志伟，邓凡灵，罗香彬，李志增，石志新三自由度搬运机器人运动学分析及仿真J南昌大学学报( 工科版)，2014(01)12 李伟光，许阳钊一种搬运机器人控制系统的软件开发与研究J 制造技术与机床，2010(04)13 孙英飞，罗爱华我国工业机器人发展研究J 科学技术与工程， 2012(12)14 耶晓东，曹永涛夹钳式五自由度机械手的设计J 建设机械技术与管理，2012(05)15王海叶轻型气动平动搬运机械手设计J 机械制造与自动化 2010(04)16Vibration Control of Semiconductor Wafer Transfer Robot by Building an Integrated Tool of Parameter Identification and Input ShapingJ.Wisnu Aribowo,Takahito Yamashita,Kazuhiko Terashima,Yoji Masaui,Toru Saeki,Toshio Kamigaki,Hirotoshi Kawamura.IFAC Proceedings Volumes.2011.(1).17Skill Transfer from Human to Robot by Direct Teaching and Task Sharing -A Case Study with Origami Folding Task-J.Yasuyuki Kihara,Yasuyoshi Yokokohji.IFAC Proceedings 25Volumes.2010(13).18Research,design and experiment of end effector for wafer transfer robotJ.Yanjie Liu,Meng Xu,Yumei Cao.Industrial Robot: An International Journal. 2012(1).19Accurate and steady control on trajectory tracking for the wafer transfer robotJ.Yanjie Liu,Yumei Cao,Lining Sun,Xiaofei Zheng. Industrial Robot: An International Journal. 2010(6)20Possible Use of Industrial Robots for Handling Operations in Transport and LogisticsJ. Jan Lizbetin,Zdenek Caha,Petr Vejs. Applied Mechanics and Materials. 2015(803).26附录：开题报告搬运机器人开题报告1 选题目的和意义搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人，涉及到了力学，机械学，电器液压气压技术，自动控制技术，传感器技术，单片机技术和计算机技术等学科领域，已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。搬运机器人凭借着效率高，可有效降低生产成本；可从事危险和危害性工作，达到常人难以企及的境地；实现人工难以达到的精细化技艺和标准化操作等优点，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。实际上，机器人是整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作。我国是制造业大国，搬运机器人将迎来更为广阔的发展空间和更高的发展速度，提高机器人行业的自主创新能力，应用新材料、新技术开发新机器人，满足不同用户的需求，实现企业经济效益和社会效益的整体优化，对于振兴我国制造和物流业具有重要战略意义。2 国内外研究概况及发展趋势（1）国内现状及发展趋势工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。机器人的分类方法有多种, 按其应用可分为：工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人。搬运机械人的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性，机械27手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 搬运机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，搬运机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了搬运机械手的发展，使得搬运机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。搬运机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，搬运机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，国内搬运机械手的发展趋势主要可以概括为以下几点： 运机械手性能不断提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化由关节模块、连杆模块用重组方式构造搬运机械手整机国外已有模块化装配搬运机械手产品问市。 搬运机械手的控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。搬运机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，搬运机械手还应用了视觉、力觉等传感器，虚拟现实技术在搬运机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵搬运机械手。（2）国外现状及发展趋势现代国际工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。因此其各种生产流水线以及物流管理中更是多元化的使用着气动机械手，如图3。其中化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，搬运28机器人就是为实现这些工序的自动化而产生的。搬运机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国外机械手工业、铁路工业中不仅在单机、专机上采用机械手上下料如图 4，减轻工人的劳动强度。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用搬运机械手在流水线进行生产更是目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到准确搬运的目的。国外搬运机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的搬运机械手。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。视觉功能即在搬运机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。
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