M40型工业机器人小车传动装置设计【说明书+CAD】
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摘 要工业机器人是集机械、电子、控制、传动、自动化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。本文以工业机器人产业化为背景，通过对国内外工业机器人的发展历史和现状的调查和分析，报告了当前国内外工业机器人产业的发展水平和方向以及存在的问题。本次设计主要完成了M40型工业机器人小车传动装置的结构设计，通过机器人的运动原理和相关技术要求的分析和计算，得出小车的相关技术要求和参数，完成了小车传动装置主要零部件：齿轮、传动轴、输出轴等的设计。并且完成了关键零件的强度校核，保证了小车传动装置工作的可靠性。关键词：工业机器人；传动装置；传动轴；齿轮ABSTRACT Industrial robot is set machinery, electronics, control, drive and automation multidisciplinary advanced technology in the integration of the modern manufacturing important automation equipment. The industrial robot industry development as the background, through the investigation and Analysis on the history and current status of the development of domestic and foreign industrial robot, report the current domestic and foreign industrial robot industry development level and direction and the existing problems. This design mainly completed the M40 type industrial robot car transmission device structure design, robot motion principle and related technical requirements through the analysis and calculation, draw the car related technical requirements and parameters, to complete the main parts of the car gear output shaft gear transmission shaft design: a. And check the strength of key parts, to ensure the reliability of the driving device for work.Key words: industrial； robot drive；shaft ；gear湖 南 科 技 大 学英文文献翻译学 生 姓 名： 秦 湘 斌 学 院： 机电工程学院 专业及班级： 11机设6班 学 号： 1103010618 指 导 教 师： 廖先禄 2015年3月20日Robots First, I explain the background robots, robot technology development. It should be said it is a common scientific and technological development of a comprehensive results, for the socio-economic development of a significant impact on a science and technology. It attributed the development of all countries in the Second World War to strengthen the economic input on strengthening the countrys economic development. But they also demand the development of the productive forces the inevitable result of human development itself is the inevitable result then with the development of humanity, people constantly discuss the natural process, in understanding and reconstructing the natural process, people need to be able to liberate a slave. So this is the slave people to be able to replace the complex and engaged in heavy manual labor, People do not realize right up to the worlds understanding and transformation of this technology as well as people in the development process of an objective need. Robots are three stages of development, in other words, we are accustomed to regarding robots are divided into three categories. is a first-generation robots, also known as teach-type robot, it is through a computer, to control over one of a mechanical degrees of freedom Through teaching and information stored procedures, working hours to read out information, and then issued a directive so the robot can repeat according to the people at that time said the results show this kind of movement again, For example, the car spot welding robots, only to put this spot welding process, after teaching, and it is always a repeat of a work It has the external environment is no perception that the force manipulation of the size of the work piece there does not exist, welding 0S It does not know, then this fact from the first generation robot, it will exist this shortcoming, it in the 20th century, the late 1970s, people started to study the second-generation robot, called Robot with the feeling that This feeling with the robot is similar in function of a certain feeling, for instance, force and touch, slipping, visual, hearing and who is analogous to that with all kinds of feelings, say in a robot grasping objects, In fact, it can be the size of feeling out, it can through visual, to be able to feel and identify its shape, size, color Grasping an egg, it adopted a acumen, aware of its power and the size of the slide. Third-generation robots, we were a robotics ideal pursued by the most advanced stage, called intelligent robots, So long as tell it what to do, not how to tell it to do, it will be able to complete the campaign, thinking and perception of this man-machine communication function and function Well, this current development or relative is in a smart part of the concept and meaning But the real significance of the integrity of this intelligent robot did not actually exist, but as we continued the development of science and technology, the concept of intelligent increasingly rich, it grows ever wider connotations. Now, I would like to briefly outline some of the industrial robot situation. So far, the industrial robot is the most mature and widely used category of a robot, now the worlds total sales of 1.1 million Taiwan, which is the 1999 statistics, however, 1.1 million in Taiwan have been using the equipment is 75 million, this volume is not small. Overall, the Japanese industrial robots in this one, is the first of the robots to become the Kingdom, the United States have developed rapidly. Newly installed in several areas of Taiwan, which already exceeds Japan, China has only just begun to enter the stage of industrialization, has developed a variety of industrial robot prototype and small batch has been used in production. Spot welding robot is the auto production line, improve production efficiency and raise the quality of welding car, reduce the labor intensity of a robot. It is characterized by two pairs of robots for spot welding of steel plate, bearing a great need for the welding tongs, general in dozens of kilograms or more, then its speed in meters per second a 5-2 meter of such high-speed movement. So it is generally five to six degrees of freedom, load 30 to 120 kilograms, the great space, probably expected that the work of a spherical space, a high velocity, the concept of freedom, that is to say, Movement is relatively independent of the number of components, the equivalent of our body, waist is a rotary degree of freedom We have to be able to hold his arm, Arm can be bent, then this three degrees of freedom, Meanwhile there is a wrist posture adjustment to the use of the three autonomy, the general robot has six degrees of freedom. We will be able to space the three locations, three postures, the robot fully achieved, and of course we have less than six degrees of freedom. Have more than six degrees of freedom robot, in different occasions the need to configure. The second category of service robots, with the development of industrialization, especially in the past decade, Robot development in the areas of application are continuously expanding, and now a very important characteristic, as we all know, Robot has gradually shifted from manufacturing to non-manufacturing and service industries, we are talking about the car manufacturer belonging to the manufacturing industry, However, the services sector including cleaning, refueling, rescue, rescue, relief, etc. These belong to the non-manufacturing industries and service industries, so here is compared with the industrial robot, it is a very important difference. It is primarily a mobile platform, it can move to sports, there are some arms operate, also installed some as a force sensor and visual sensors, ultrasonic ranging sensors, etc. Its surrounding environment for the conduct of identification, to determine its campaign to complete some work, this is service robots one of the basic characteristics. For example, domestic robot is mainly embodied in the example of some of the carpets and flooring it to the regular cleaning and vacuuming. The robot it is very meaningful, it has sensors, it can furniture and people can identify, It automatically according to a law put to the ground under the road all cleaned up. This is also the home of some robot performance. Robot is mankinds right-hand man; friendly coexistence can be a reliable friend. In future, we will see and there will be a robot space inside, as a mutual aide and friend. Robots will create the jobs issue. We believe that there would not be a robot appointment of workers being laid off situation, because people with the development of society, In fact the people from the heavy physical and dangerous environment liberated, so that people have a better position to work, to create a better spiritual wealth and cultural wealth.机器人首先我介绍一下机器人产生的背景，机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么随着人类的发展，人们在不断探讨自然过程中，在认识和改造自然过程中，需要能够解放人的一种奴隶。那么这种奴隶就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。机器人有三个发展阶段，那么也就是说，我们习惯于把机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。下边我简单介绍一下工业机器人的一些情况。到目前为止，工业机器人是最成熟，应用最广泛的一类机器人，世界总量目前已经销售110万台，这是1999年的统计，但这110万台在已经进行装备使用的是75万台，这个量也是不小的。总体情况看，日本在工业机器人这一块，是首位的，成为机器人的王国，美国发展也很迅速，目前在新安装的台数方面，已经超过了日本，中国刚开始进入产业化的阶段，已经研制出多种工业机器人样机，已有小批量在生产中使用。点焊机器人主要是针对汽车生产线，提高生产效率，提高汽车焊接的质量，降低工人的劳动强度的一种机器人。它的特点是通过机器人对两个钢板进行点焊的时候，需要承载一个很大的焊钳，一般在几十公斤以上，那么它的速度要求在每秒钟一米五到两米这样的高速运动，所以它一般来说有五到六个自由度，负载三十到一百二十公斤，工作的空间很大，大概有两米，这样一个球形的工作空间，运动速度也很高，那么自由度的概念，就是说，是相对独立运动的部件的个数，就相当于我们人体，腰是一个回转的自由度，我们大臂可以抬起来，小臂可以弯曲，那么这就三个自由度，同时腕部还有一个调整姿态来使用的三个自由度，所以一般的机器人有六个自由度，就能把空间的三个位置，三个姿态，机器人完全实现，当然也有小于六个自由度的，也有多于六个自由度的机器人，只是在不同的需要场合来配置。第二类是服务机器人，随着工业化的发展，尤其近十年以来，机器人的发展的应用领域在不断拓宽，目前一个很重要的特征，大家都知道，机器人已经从制造业逐渐转向了非制造业和服务行业，刚才谈的汽车制造属于是制造业，但服务行业包括清洁、加油、救护、抢险、救灾这些等等，都属于非制造行业和服务行业，那么这里边跟工业机器人相比，它有一个很重要的不同，它主要是一个移动平台，它能够移动、去运动，上面有一些手臂进行操作，同时还装有一些像力觉传感器和视觉传感器、超声测距传感器等等。它对周边的环境进行识别，来判断它的运动，完成某种工作，这是服务机器人的基本的一个特点。例如，家务机器人主要体现在像一些对地毯和地板定期的它能够进行清扫和吸尘，它这个机器人很有意思，它有传感器，它能够把家具和人能识别出来，它自动的按照一种规律，能根据路径把地面全部的清扫干净，这也是家务中一些机器人的表现。机器人是人类的得力助手，能友好相处的可靠朋友，将来我们会看到人和机器人会存在一个空间里边，成为一个互相的助手和朋友。机器人会不会产生饭碗的问题。我们相信不会出现“机器人上岗，工人下岗”的局面，因为人们随着社会的发展，实际上把人们从繁重的体力和危险的环境中解放出来，使人们有更好的岗位去工作，去创造更好的精神财富和文化财富。湖 南 科 技 大 学开题报告学 生 姓 名： 秦 湘 斌 学 院： 机电工程学院 专业及班级： 11机设6班 学 号： 1103010618 指 导 教 师： 廖先禄 2015年3月20日湖南科技大学2015届毕业设计（论文）开题报告题 目M40型工业机器人小车传动装置设计作者姓名秦湘斌学号1103010618所学专业机械设计制造及其自动化1、 研究的意义，同类研究工作国内外现状、存在问题（列出主要参考文献）研究的意义： 首先，工业机器人是指面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行完成工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。目前来说，工业机器人已经普遍运用于工业生产，工业机器人的运用显著的提高了产品的生产效率和生产质量。工业机器人应用领域分为很多种类，从常用的机器人系列和市场占有率来看，焊接、切割、装配、搬运、上料、卸料、铸造、冲压和喷漆是主要的工业机器人品种。随着工业机器人的产生和迅速发展以及工业机器人普遍运用于工业生产，国家的工业机器人的发展水平已经成为了衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。提高工业机器人的设计和生产水平是重塑我国制造业竞争优势的重要工具和手段，也是加快我国工业转型升级的务实之选。就本题目来说，小车传动装置是将原动机的运动和动力传给工作机构的中间装置，其设计过程要综合考虑机器人整体结构和执行机构(机械手腕)的要求，是一次综合性比较高的设计。通过对M40型工业机器人总体结构和运动机构的分析,完成M40型工业机器人小车传动装置总体以及重要的传动零件设计,能够加深设计者对机械设计制造及其自动化的专业知识的理解以及提高其专业基础知识的实际综合应用的能力。同类研究工作国内外现状、存在问题:国外机器人研究现状:美国1959年研究出了第一台工业机器人，目前美国仍然是世界上实力最强机器人大国，尤其是在航空航天以及生物仿生机器人方面代表着世界最先进水平。此外，日本在工业机器人，仿人型机器人的研究走在世界的前端。而欧盟等西方发达国家则在工业机器人和医疗机器人等领域有较强的竞争力。现如今，世界各国都推行出结合本国情况的机器人战略部署，美国推行“再工业化”战略，大力发展工业机器人，希望重振制造业。日本2004年5月发布的“新产业发展战略”明确了机器人产业等7个产业领域为重点发展产业。近两年又开始重新审视机器人产业政策。韩国：2009年公布智能机器人基本计划，2012年10月发布了“机器人未来战略展望2022”，将政策焦点放在了扩大韩国机器人产业并支持国内机器人企业进军海外市场方面。欧盟2011年8月通过了一份发展制造业计划，提出新工业革命概念，以机器人和信息技术为支撑，实现制造模式的变革。国内机器人研究现状:国内在机器人的研究方面起步比发达国家要晚很多，但是发展迅速，经过30多年的发展，我国机器人数量也达到了一定的规模，目前已基本掌握了机器人的基本技术，机器人的研究在一些方面也已经达到了世界先进水平，但在整体水平上与发达国家相比仍然有很大差距。仔细观察，不难发现的事实是：我国在机器人的研究方面采取的方法主要是借鉴外国的先进技术，然后再进行二次开发，自主创新开发的技术少，这就造成了我国自身创新技术较少，制约了机器人产业化的发展。总体上来说，我国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、铸造、弧焊、电焊、装配、搬运等机器人。也有一些产品的技术水平已达到国际先进水平，但在总体技术上还有很大差距，仅相当于国外90年代中期的水平。伴随我国工业机器人需求的迅猛增长，实力良莠不齐的企业纷纷进入工业机器人生产市场，势必造成质低价廉的恶性竞争；虽然我国有近百家从事工业机器人研究生产的高校院所和企业，但现行的体制造成研究形式上过于独立封闭、内容上较为分散，难以形成合力，造成重复研究与时间、经费的浪费；多数企业热衷于大而全，一些关键部件研发生产的企业纷纷转入整机的生产，难以形成研发、生产、制造、销售、集成、服务等有序、细化的产业链。因此，工业机器人的产业化发展有待规范。国内机器人研究存在问题:1.市场需求量激增，但大部分(尤其是高精尖设备)仍只能靠进口。2.拥有自主创新技术的产品少，普遍沿用国外落后和淘汰的技术。3.整体技术水平低，缺乏核心技术，没有拥有核心竞争力的技术和产品。4.机器人行业缺乏规范，没有合适的技术交流和共享平台，抄袭现象严重。主要参考文献:1 熊有伦，丁 汉，刘恩沧. 机械人学. 北京：机械工业出版社，20102 杨文玉，尹周平，孙容磊. 数字制造基础. 北京：北京理工大学出版社，20123 罗 璟，赵克定，陶湘厅. 机器人的控制策略探讨J. 机床与液压，2008(10)4 单金凤. 石材立体工艺制品雕刻机器人的设计与研究D. 山东大学，2011(17)5 肖 斌，贾剑平. 探讨未来机器人的发展方向和应用J. 科技致富向导，2011(20) 2、 研究目标、内容和拟解决的关键问题（根据任务要求进一步具体化）研究目标：小车传动装置是工业机器人的动力传动装置，是将原动机的运动和动力传给工作机构的中间装置，是机器人运动部件工作的动力传动和控制中心。小车传动装置的设计，要综合机器人的总体结构以及机器人的运动情况来综合考虑分析。研究内容:通过对机器人的总体结构分析和机器人运动部件的运动的分析，得到机器人的小车传动装置的运动参数和技术要求参数等，然后根据得来的数据和参数对小车传动装置总体结构及重要零件进行设计。另外，小车传动装置的设计还包括对小车传动装置中重要零件的设计，其中最重要的是传动齿轮和传动轴的设计，如何选取合适的零件的技术参数达到正常传动的技术要求也是小车传动装置设计的一部分。关键问题:设计的关键在于如何合理的结合机器人总体结构和机器人运动部件的提供的技术参数要求，如何正确合理的综合两者的技术要求选取小车传动装置的技术参数是设计好小车传动装置的难点和关键部分。3、 特色与创新之处M40型工业机器人主要用于数控金属切削机床，工业机器人装备有定位式数控装置，使之能够实现沿三个坐标轴的给定程序的位移，并且完成大量控制工业机器人本身以及看过的工艺装备的工作循环指令。完成M40型工业机器人的整体设计，以及工业机器人中小车传动装置的详细设计和小车传动装置重要零件的设计是一次跨越多科目的知识的大型设计,整个设计主要涉及到的知识内容有了机械设计、机械原理、机械工程材料、机械精度设计与检测等机械设计制造及其自动化这个专业的主要必修课程。在设计的过程中，我们会用到大学所学专业课程中的机械设计、机械原理、机械工程材料、机械精度设计与检测等主修课程中的专业知识，并且这次设计会将相关的知识综合起来运用。这对我们之前所学的专业课程知识不仅是一个全面的复习，加深我们对专业课程知识的理解程度，并且会很大程度的提高我们对专业课程知识综合运用的能力。另外，这次设计的任务还包括对机器人整体结构图、小车传动装置的装配图、以及传动装置零件图的绘制。图纸的工作量在2.5张零号图以上，这对我们的绘图能力和读图能力也会是一个很大的挑战和提升机会。4、 拟采取的研究方法、步骤、技术路线（1）收集资料，调查相关研究工作现状，科技文献翻译。（2）M40型工业机器人总体设计:机器人运动学简图绘制 （3）M40型工业机器人总体设计:机器人总体结构图绘制。（4）机器人小车传动装置的设计:小车传动装置总体设计。（5）机器人小车传动装置的设计:小车传动装置装配图的绘制。（6）小车传动装置零件的设计:小车传动装置零件的设计。（7）小车传动装置零件的设计:小车传动装置零件零件图的绘制。（8）撰写机器人的设计计算说明书以及整理、检查、修改图纸。5、 拟使用的主要仪器设备、试剂和药品计算机: 使用WPS office软件进行机器人设计说明书的编写修改。使用AutoCAD计算机绘图软件完成装配图和零件图的绘制。6、参考文献1 濮良贵，纪名刚，陈国定. 机械设计(第八版). 北京：高等教育出版社，2012 2 潘存云，尹喜云，林国湘. 机械原理(第二版). 长沙：中南大学出版社，20133 肖银铃，朱 静，陆瑞红. 机械制图(第六版). 北京：高等教育出版社，20074 关慧贞，冯辛安，黄玉美. 机械制造装备设计. 北京：机械工业出版社，20095 王积伟，章宏甲，黄 谊. 液压传动(第二版). 北京：机械工业出版社，20106 索罗门采夫，干东英，安永辰. 工业机器人图册. 北京: 机械工业出版社，19937 李必文，胡华荣. 机械精度设计与检测(第二版). 长沙：中南大学出版社，20128 高为国，钟利萍，夏卿坤. 机械工程材料(第二版). 长沙：中南大学出版社，20129 高 志，黄纯颖，卢 广. 机械创新设计(第二版). 北京：高等教育出版社，201010 刘小年，唐开明，龚伶俐. AutoCAD计算机绘图基础. 长沙：湖南大学出版社，2010注：1、开题报告是本科生毕业设计（论文）的一个重要组成部分。学生应根据毕业设计（论文）任务书的要求和文献调研结果，在开始撰写论文之前写出开题报告。2、参考文献按下列格式（A为期刊，B为专著）A：序号、作者（外文姓前名后，名缩写，不加缩写点，3人以上作者只写前3人，后用“等”代替。）、题名、期刊名（外文可缩写，不加缩写点）年份、卷号（期号）：起止页码。B：序号、作者、书名、版次、（初版不写）、出版地、出版单位、出版时间、页码。3、表中各项可加附页。4湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题目M40型工业机器人小车传动装置设计作者秦湘斌学院机电工程学院专业机械设计制造及其自动化学号1103010618指导教师廖先禄二一五年五月二十六日湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人： （签名）年 月 日 指导人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人： （签名）年 月 日 评阅人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图 纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名） 答辩成绩： 总评成绩： 湖南科技大学本科生毕业设计（论文）目录第一章 绪论11.1工业机器人及其发展历史、现状分析11.1.1 工业机器人11.1.2 国外机器人发展情况21.1.3 我国的工业机器人31.1.4 工业机器人发展趋势41.2工业机器人的组成和设计方案51.2.1 工业机器人的组成51.2.1 自由度和坐标系的选择71.2.3 机器人驱动装置和传动装置91.2.4 机器人的控制系统9第二章 M40型工业机器人总体设计102.1机器人的总体结构102.1.1 M40型工业机器人的总体结构102.1.2 M40型工业机器人运动分析122.1.3 机器人驱动方式的选择132.2机器人的操作机构162.2.1 操作机的整体结构162.2.2 操作机的各部分的运动17第三章 小车传动装置的设计203.1总体方案的确定203.1.1 传动方式的确定203.2传动方案的确定213.2.1 传动比的确定213.2.2减速器相关数据的计算223.3减速器齿轮传动的设计计算233.3.1 高速轴齿轮的设计计算233.3.2 低速轴齿轮的设计计算273.4传动轴的设计计算313.4.1 传动轴的设计31ii3.4.2 传动轴的设计35第四章 总结39参 考 文 献40致 谢41iiii第一章 绪论 1.1工业机器人及其发展历史、现状分析1.1.1 工业机器人工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。工业机器人最显著的特点有以下几个：（1）可编程。生产自动化的进一步发展是柔性启动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。（2）拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、手臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。（3）通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。（4）工业机器技术涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的结合-机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都是微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其他技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展水平。当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方向发展。目前，工业机器人的研究和改进方案主要体现在下面四个方面: ：（1）技术先进工业机器人集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，实现增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是工业自动化水平的最高体现。（2）技术升级工业机器人与自动化成套装备具备精细制造、精细加工以及柔性生产等技术特点，是继动力机械、计算机之后，出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化以及智能化的重要手段。（3）应用领域广泛工业机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版等众多行业，应用领域非常广泛。（4）技术综合性强工业机器人与自动化成套技术，集中并融合了多项学科，涉及多项技术领域，包括工业机器人控制技术、机器人动力学及仿真、机器人构建有限元分析、激光加工技术、模块化程序设计、智能测量、建模加工一体化、工厂自动化以及精细物流等先进制造技术，技术综合性强。1.1.2 国外机器人发展情况机器人首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。当前，对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位，而欧盟等西方发达国家则在工业机器人和医疗机器人等领域有较强的竞争力。现如今，世界各国都推行出结合本国情况的机器人战略部署，美国推行“再工业化”战略，大力发展工业机器人，希望重振制造业。日本2004年5月发布的“新产业发展战略”明确了机器人产业等7个产业领域为重点发展产业。近两年又开始重新审视机器人产业政策。韩国：2009年公布智能机器人基本计划，2012年10月发布了“机器人未来战略展望2022”，将政策焦点放在了扩大韩国机器人产业并支持国内机器人企业进军海外市场方面。欧盟2011年8月通过了一份发展制造业计划，提出新工业革命概念，以机器人和信息技术为支撑，实现制造模式的变革。目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机器人已经投入使用，它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。第三代机器人则能独立地完成工作过程中的任务，更加智能化和复杂化，能够实现加工和生产的自动化，它与电子计算机和电视设备保持联系，能够自动检查工作情况并做出反馈和调整，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一环。1.1.3 我国的工业机器人我国工业机器人是从二十世纪八十年代开始起步，经过二十多年的努力，已经形成了一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。先后研发出弧焊、电焊、装配、工业、注塑、冲压及喷漆等工业机器人。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关的产品的年销售额已突破10亿元。目前国内市场年需求量在3000台左右，年销售额在20亿元以上。统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量近万台，占全球总量的0.56%，其中完全国产工业机器人(行业规模比较大的前三家工业机器人企业)行业集中度占30%左右，其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进的。国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主，年出口量为100台左右，年出口额为0.2亿元以上。 国内在机器人的研究方面起步比发达国家要晚很多，但是发展迅速，经过30多年的发展，我国机器人数量也达到了一定的规模，目前已基本掌握了机器人的基本技术，机器人的研究在一些方面也已经达到了世界先进水平，但在整体水平上与发达国家相比仍然有很大差距。仔细观察，不难发现的事实是：我国在机器人的研究方面采取的方法主要是借鉴外国的先进技术，然后再进行二次开发，自主创新开发的技术少，这就造成了我国自身创新技术较少，制约了机器人产业化的发展。总体上来说，我国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、铸造、弧焊、电焊、装配、搬运等机器人。也有一些产品的技术水平已达到国际先进水平，但在总体技术上还有很大差距，仅相当于国外90年代中期的水平。伴随我国工业机器人需求的迅猛增长，实力良莠不齐的企业纷纷进入工业机器人生产市场，势必造成质低价廉的恶性竞争；虽然我国有近百家从事工业机器人研究生产的高校院所和企业，但现行的体制造成研究形式上过于独立封闭、内容上较为分散，难以形成合力，造成重复研究与时间、经费的浪费；多数企业热衷于大而全，一些关键部件研发生产的企业纷纷转入整机的生产，难以形成研发、生产、制造、销售、集成、服务等有序、细化的产业链。因此，工业机器人的产业化发展有待规范。在我国，工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。目前，由于机器人技术及研发的落后，工业机器人还主要应用在制造业，非制造业使用的较少。据不完全统计，近几年国内厂家所生产工业机器人有超过一半是提供给汽车行业。由此可见，汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。工业机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快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、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。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。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。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。国内机器人研究存在问题:1.市场需求量激增，但大部分(尤其是高精尖设备)仍只能靠进口。2.拥有自主创新技术的产品少，普遍沿用国外落后和淘汰的技术。3.整体技术水平低，缺乏核心技术，没有拥有核心竞争力的技术和产品。4.机器人行业缺乏规范，没有合适的技术交流和共享平台，抄袭现象严重。1.1.4 工业机器人发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：（1) 提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；（2) 开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；（3) 研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。1.2工业机器人的组成和设计方案1.2.1 工业机器人的组成工业机器人通常由执行机构、驱动一传动装置和控制系统三部分组成(如图1.1所示)。这些部分之间的相互作用可用图1.2所示的方框图表示 图1.1 机器人的组成图1.2 机器人各组成部分之间的关系执行机构(也称操作机)是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。从功能的角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部和基座等部分，如图1.3所示。（1）手部手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择夹持类回转型结构手部。本次设计的工业机器人手部执行部件如图1.3。图1.3工业机器人手部执行部件示意图如图1.3的机构简图，手部执行依靠杆的伸缩运动来实现其张合运动，杆的动力源来自后续驱动源的液压缸，该液压缸采用的是伸缩式液压缸，该液压缸能够节省横向的工作空间。（2）腕部腕部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，并使机械手变的更灵巧，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再增加一个上下摆动即可满足工作要求，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工业工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于270），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下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。设计的工业机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动，运动参数是实现手部回转的角度控制在0-180范围内。腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。机器人手部的张合是由双作用单柱塞液压缸驱动的；而手腕的回转运动则由回转液压缸实现。将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起；当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。（3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。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。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。（4）机座机座是机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在地面上，对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身的结构和受力越复杂。1.2.1 自由度和坐标系的选择机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较困难的，因为人的手指、掌、腕、臂由19个关节组成，共有27个自由度。而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为3-6个。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：（1）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，如图1.4所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（m级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，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2。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工业作业，直角坐标机器人有悬臂式、龙门式、天车式三种结构。（2）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，如图1.4（b）。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于工业作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。（3）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，如图1.4（c）。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于工业作业。其工作空间是一个类球形的空间。（4）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，如图1.4（d）。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、工业、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。根据要求及在实际生产中的用途，本次设计的工业机器人采用圆柱坐标。图1.4四种机器人坐标形式1.2.3 机器人驱动装置和传动装置工业机器人的驱动一传动装置包括驱动器和传动机构两个部分，它们通常与执行机构连成一体。传动机构常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮轮系。驱动器通常有电机(直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机)、液动或气动装置，目前使用最多的是交流伺服电机。1.机器人驱动类型（1）气动式工业机器人这类工业机器人以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因气源压力一般只有6kPa左右，所以这类工业机器人抓举力较小。（2）液压式工业机器人液压压力比气压压力高得多，一般为70kPa左右，故液压传动工业机器人具有较大的抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温或低温环境下工作。（3）电动式工业机器人这是目前用得最多的一类工业机器人，不仅因为电动机品种众多，也因为它们可以运用多种灵活控制的方法。早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。这些驱动单元或是直接驱动操作机，或是通过谐波减速器等装置来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。2.传动方式的选择：机械设备中常用的传动方式主要有带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动四种传动方式。带传动：挠性传动，结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，传动中有弹性滑动，传动比不能保持恒定，传动中心距较大。链传动：挠性传动，与摩擦型带传动相比，链传动无弹性打滑和整体打滑现象，但其瞬时速度不均匀，有冲击，动载和噪声。齿轮传动：适用功率和速度范围广，效率高、结构紧凑、传动比稳定、工作可靠、寿命长。但其对制造和安装精度要求较高，成本较高。蜗杆传动：传动比大、结构紧凑、传动平稳，噪声小。但其传动效率低，不适用于低速大功率传动。且其制造和安装精度要求也高，成本较高。1.2.4 机器人的控制系统控统一般由控制计算机和伺服控制器组成。前者发出指令协调各关节驱动器之间的运动，同时还要完成编程、示教/再现以及和其他环境状况(传感器信息)、工艺要求、外部相关设备(如电焊机)之间的信息传递和协调工作。后者控制各关节驱动器，使各杆按一定的速度、加速度和位置要求进行运动。第二章 M40型工业机器人总体设计2.1机器人的总体结构2.1.1 M40型工业机器人的总体结构M40型专用工业机器人是一款拥有5个自由度搬运机器人，它用于各种工艺设备上，其中包括组成柔性自动化系统的数控金属切削机床。工业机器人装备有定位式数控装置和电气自动控制装置，使之能够实现沿三个坐标轴的给定程序的位移，并且完成大量控制机器人本身及其看管的工艺装备的工作循环指令。工业机器人装备有自动可换夹持器的装置，其中双夹持器的装置用来保证同时操作毛坯和在机床上的加工。工业机器人操作机结构还可以在其上安装附加机构和装置。例如：为毛坯定基准面的检验、测量在机床上加工零件的直径、清洗机床和工艺装备的基准表面。图2.1 M40型机器人的总体结构正视图 门架1，小车2，滑板3，手臂4，手腕5，夹持器6，单轨7，电气控制机8，数控装置柜9。图2.2 M40型机器人的总体结构左视图工业机器人的技术参数：1. 承载能力40kg2. 自由度数5个3. 最大位移:小车沿单轨10800mm，手臂在垂直方向的位移420mm，手臂转动100，手腕转动90，手腕相对纵轴转动90，180。4. 小车位移最大速度0.8m/s。手臂在垂直方向最大速度0.8m/s手腕及手转动90/s。5. 定位精度1mm6. 重量(数控装置除外)3000kg。2.1.2 M40型工业机器人运动分析图2.3 M40型机器人的运动学简图小车1，单轨2，滑板6，手臂7，手腕8，夹持器9，滑板机体13，连杆14，线性电液步进式驱动装置，15，齿轮条16如图机器人运动学简图2.3示，M40型机器人主要的运动元件有：带动操作机（机械手）横向移动的小车1，以及由滑板6，手臂7，手腕8，和夹持器9组成的操作机，以及小车运动的轨道单轨2，以及负责驱动和控制机器人各部分运动的液压元件和电气控制机和数控装置柜。M40型工业机器人一共有五个自由度：小车1带动操作机的X轴方向上横向左右移动，滑板6带动操作机在Z轴方向的上下移动，手臂7相对其纵轴在的摆动，手腕8相对其纵轴的摆动，以及手腕8相对纵轴的转动。为了方便实现自动化控制和提高操作精度，操作机各杆件的驱动方式是液压式的，机器人设有液压站，然后由多个液压马达或者液压缸驱动和控制各个部分（手臂6、手腕7、夹持器8等）的运动，小车装置中的传动装置也是用液压马达驱动。M40型工业机器人的操作机是可以移动的，并为其在X轴方向上的运动设计有门架结构，使之能够在一组带有水平主轴的金属切削机床上工作。在门架上装有可以移动的小车1，它支撑着手臂垂直缩进机构滑板6，小车沿国定在门架上的单轨2移动。M40型工业机器人的工作方式是小车1带动操作机在安装在门架上的导轨2沿X轴移动，当操作机在X轴方向上移动到指定的位置时，操作机通过滑板6在Z轴方向上垂直上下移动、以及在手臂7和手腕8在YZ平面内完成手臂7的摆动7、手腕8的摆动，以及手腕相对纵轴转动等运动的组合从而完成工件的抓取或者摆放等工作。小车1在X轴方向上的移动距离是10800mm，小车1在X方向轴上移动的最大速度为0.8m/s；操作机在Z轴方向上下移动由滑板6带动，Z轴方向上下移动的行程是420mm，滑板6在Z轴上下移动的最大移动是0.8m/s；此外手臂4和手腕8可以在YZ平面内摆动，手臂4摆动的角度为100，手腕8摆动的角度为90，这两个摆动角的中心线都是同一条与Z轴平行的线；手腕8相对纵轴传动的角度90和180，所有手臂7和手腕8转动和摆动运动的角速度都是90/s。2.1.3 机器人驱动方式的选择目前所采用的的方式有电动机、液压和气压驱动三种类型，三种方式的特点比较见表2.1表2.1 工业机器人主要驱动方式性能特点比较驱动方式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，结构尺寸将过大只适于中小型，快速驱动油压高，可获得较大的输出功率，传动平稳，无冲击，适用于重型，低速驱动适合中小功率传动，传动平稳，灵活，速度快控制性能压缩性大，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以压缩，压力、流量易控制，反应灵敏，可无级调速，能实现速度、位置的精确控制，传动平稳，泄漏会污染环境交、直流普通电动机控制比较简单，控制效果较差，步进、伺服电动机控制比较复杂，速度和位置都可以控制到精确值快速响应性能较高很高很高效率效率低(0.15-0.2)效率中等(0.5-0.6)效率中等0.5左右安全性能防爆性能好防爆性能好，液压油泄漏后有发生火灾的危险交流电机防爆性能好，直流电动机电刷产生火花，不防爆结构结构性能执行机构(直线气缸、气压马达)可做成独立的标准件，易于实现直接驱动；压力小，输出力小；密封问题不突出，泄漏对环境无污染，需要气压供给系统执行机构(直线缸、摆动缸)可单独做成标注案件，易于实现直接驱动；相同输出条件下，重量轻、惯量小；密封间隙比较重要，泄漏会影响工作性能和污染环境；需要油源，单独油源占面积大电机是标准件，结构性能好，除特殊电机(直接驱动电机、大力矩电机)外；电机都要加减速器，不能直接驱动，加减速器后体积、惯量变大安装维护安装要求不高，能在高温、多粉尘条件下工作；无发热、爆炸、火灾等问题；维护简单；要求过滤水分及注意系统润滑，防锈问题。安装维护要求高，温度升高时，油液粘度降低，影响工作性能，需要冷却装置；油液需要定期过滤，更换；油液的泄漏会影响工作性能，易发生火灾安装要求随传动方式而不同，无管路系统，维护方便；对直流电机要求定时调整、更换电刷及注意防爆问题。成本低高高应用适用于小负荷(200N左右)的有限点位控制的上下料(搬运)机器人，如冲床上的快道上下料；手爪上的应用尤其广泛。适用于重负荷(1000N以上)的搬运，点焊等机器人，以及连续轨迹伺服控制喷漆机器人(需要防爆性能)等。适用于中小负荷(几十牛顿到几千牛顿)的搬运、焊接、喷漆(限交流电动机)、装配、涂胶等各种伺服型机器人。机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人驱动系统的要求有:(1) 驱动系统的质量要尽可能轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高。(2) 反应速度要快，能够进行频繁的启动、制动，正、反转。(3) 驱动尽可能要灵活，位移偏量和速度偏差要小。(4) 安全可靠，操作和维护方便。(5) 对环境无污染，噪声要小。(6) 经济上要合理，尤其要减少占地面积。根据M40型工业机器人的设计参数和工作条件: 最大承载能力40kg,并且能组成柔性自动化系统的数控金属切削机床，完成大量控制工业机器人本身以及其看管的工艺装备的循环指令。由此可知机器人要求方便实现自动化，机器人的控制要灵敏且要能适应不同的机床和最大承载能力内的不同载荷的工作，并且操作机位移精度要求比较高(1mm)，液压驱动传动平稳载荷也能达到最大载荷需要的驱动力，且能够实现无级调速，能够实现位置和速度的精确控制，本次设计液压驱动的方式对机器人进行驱动。机器人可以搭配不同的机床和搬用不同载荷的物体，所以操作机移动需要不同的运动速度，所以小车机构不能使用液压马达直接驱动，小车传动装置里面应该有减速器。2.2机器人的操作机构2.2.1 操作机的整体结构工业机器人的操作机（机械手）主要由手臂、手腕、夹持器以及驱动这些部件运动的驱动机构组成。其机械简图如图2.4所示图2.4操作机的整体结构图小车1，单轨2，滑板6，手臂7，手腕8，夹持机构9，连杆14，滑板机体13，齿轮条162.2.2 操作机的各部分的运动（1）滑板(手臂)的上下运动如图2.4所示，在小车1上固定着滑板的机体13，滑板6固定在滑板机体13上，它与线性电液步进式驱动装置的连杆14相连，连杆14滑板控制滑板6的上下运动。滑板6上下运动的最大行程是420mm，滑板6上下移动时速度最大值为0.8m/s。（2）手臂的摆动在滑板6的下端轴上连接安装有手臂7，它可以完成相对此轴的摆动运动，此运动由线性电液步进式驱动装置15来实现，它铰接在滑板6的支架上，驱动装置15中液压缸的活塞杆与手臂7的肩部相铰接。手臂摆动的最大角度为100，最大摆角的角平分线与地平面垂直，手臂转动的角速度为90/s。图2.5平移机构为保证手臂7摆动时手腕8在空间位置的固定性，采用一种专用平移机构，它由手臂的上铰链中齿轮副Z17/Z18齿轮条16以及手臂下铰链中同样的齿轮副Z19/Z20所组成，并且上齿轮Z17，装在手臂的摆动轴上，而下齿轮Z20装在手腕8的转动轴上。若上齿轮Z17保持不动，则在手臂摆动时，手腕8的轴将保持在空间的固定位置。（3）手腕的摆动(相对纵轴的转动)如图2.5，手腕相对其纵轴的转动的液压驱动装置包括液压马达10和传动比为17/3015/3015/54的三级减速器。手腕摆动的最大角度为90，其轴线是其最大摆角的角平分线，手臂转动的角速度为90/s。图2.5手腕和夹持器控制原理图（4）手腕的转动 手腕的转动由随动阀控制，其压杆17的滚轮沿装在手腕转动部分法兰上的靠模滚动，按所需的转角(90或者180)来选择杠杆17轴的位置。（5）夹持器的控制 如图2.5所示，夹持器9钳口的驱动装置为液压缸12，其活塞杆与夹持器的夹紧机构拉杆相连。第三章 小车传动装置的设计 3.1总体方案的确定3.1.1 传动方式的确定目前机械设备减速器中常见的传动方式主要有四种：带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动。（1）带传动：挠性传动，结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，传动中有弹性滑动，传动比不能保持恒定，传动中心距较大，有些类型的带传动，传动中不产生震动，但传递功率较小。（2）链传动：挠性传动，与摩擦型带传动相比，链传动无弹性打滑和整体打滑现象，但其瞬时速度不均匀，传动比不能保持恒定，传动速度较低，有冲击，动载和噪声。（3）齿轮传动：适用功率和速度范围广，效率高、结构紧凑、适用于近距离的传动，瞬时传动比稳定、工作可靠、寿命长。但其对制造和安装精度要求较高，成本较高，无过载保护作用。（4）蜗杆传动：传动比大、结构紧凑、传动平稳，噪声小。但其摩擦损失较大，传动效率低，不适用于低速大功率传动。且其制造和安装精度要求也高，成本较高。与齿轮传动相比，带传动和链传动都没有确定的瞬时传动比，而蜗杆差传动效率低，摩擦损失传递功率且为传动带来危害。结合机器人的设计参数要求，机器人定位精度要求高，故应该选择传动比准确可靠的传动；综上所述，本次减速器设计传动方式选择最稳定可靠齿轮传动为小车传动装置的减速器的传动方式。而对于齿轮传动，常用于减速器的常见齿轮类型有直齿圆柱齿轮，斜齿圆柱齿轮，圆锥齿轮。因为不需要力矩传递方向的改变，所以不需要使用使用圆锥齿轮，而斜齿圆柱齿轮与直齿圆柱齿轮相比，斜齿圆柱齿轮传动时有轴向分力，传递效率不如直齿圆柱齿轮。所以，选择直齿圆柱齿轮。 3.2传动方案的确定3.2.1 传动比的确定图3.1减速器的运动简图减速器的运动简图如图3.1所示，液压马达经减速器后，在减速器输出轴通过模数m=2.5，齿数z=24的齿轮5与齿轮齿条6连接。已知小车驱动力F=2000N，小车由型号为JM21-D0.02的液压马达驱动，传动的最大位移速度V=0.8m/s。表3.1 液压马达参数由表3.1可知，液压马达的输出转速为，又已知小车传动最大的位移速度。由此可知与齿轮条4啮合的齿轮5的线速度。已知齿轮5的模数m=2.5,齿数z=24,所以可知齿轮5的半径齿轮5的转速所以减速器的总传动比为了不超过液压马达的额定转速，取减速器总传动比拟定初级传动比=3.3，二级传动比为1.183.2.2减速器相关数据的计算（1）各传动轴的转速轴: 轴: （2）各轴的功率液压马达输出功率，分别为轴承，齿轮传动，齿条传动的效率，分别取=0.99，=0.98，=0.97。轴:轴:（3）各轴的转矩 液压马达的输出转矩轴:轴:表3.2 减速器各数据项目 液压马达轴轴转速(r/min)1000303.03 256.80 功率(kw)1.77转矩(Nm) 16.90Nm 54.12Nm 61.96Nm 传动比 3.3 1.18效率 0.97 0.97 3.3减速器齿轮传动的设计计算3.3.1 高速轴齿轮的设计计算1.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1）根据之前传动方式的选择，选用直齿圆柱齿轮。（2）机器人要求传动平稳，速度不高，选用7级精度(GB 1009588)。（3）材料选择。由机械设计表10-1，选择小齿轮材料为40Gr(调质)，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢(调质)，硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。（4）初选小齿轮齿数=20，大齿轮齿数。2.按齿面接触强度设计（1）由设计计算公式3.1进行试算 (式3.1)（2）选定载荷系数=1.3（3）小齿轮传递的转矩（4）由机械设计表10-7,选取齿宽系数=0.5（5）由机械设计表10-6表查得材料的弹性影响系数=189.8M（6）由机械设计图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。（7）由机械设计10-13计算应力循环次数（8）由机械设计图10-19取接触疲劳系数；。（9）计算接触疲劳许应力。取失效概率为1，安全系数S=1，3.计算（1）试计算小齿轮分度圆直径,代入中较小的值。 计算圆周速度计算齿宽（2）计算齿宽与齿高之比模数 （3）计算载荷系数，根据v=1.8m/s,7级精度，由机械设计图10-8查得动载荷系数，直齿轮=1 由机械设计表10-2查得使用系数由机械设计表10-4查得7级精度，小齿轮相对支撑做悬臂布置时。由，查机械设计图10-13得;故载荷系数（4）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径（5）计算模数4按齿根弯曲强度设计由式10-5，（1）由图10-20c查得，小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限。（2）由图10-18查得弯曲疲劳强度寿命系数，（3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S1.4，由式10-12得（4）计算大小齿轮的大齿轮的数据大设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，取2.0mm，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，须按接触疲劳强度算得的分度圆直径来计算应有的齿数。为了避免因齿轮齿数过小而发生根切，所以小齿轮齿数应取20-40，所以取小齿轮齿数=20。这样设计出来的齿轮传动
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