工业机器人毕业设计

1、摘要机器人技术是综合了许多学科的知识，例如计算机、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，是当今研究领域十分重视的课题，机 器人在很多领域都得到广泛应用。本毕业设计概述了工业机器人的分类、历史以及发展趋势。重在设计研制国产搬运机 器人的主臂运动机构，该工业机器人由腰部和大小臂组成，腰部和肩部形成肩关节，大臂 和小臂间形成肘关节，使大臂做回转运动和仰俯运动，小臂做回转运动和仰俯摆动。本文 主要阐述了如何设计机器人腰部、肩部以及肘部这三个主要关节，每一个关节选择合适的 驱动方式、传动方式，通过合适的减速装置最终达到所要求的转速。设计具体包括机器人 关节类型确定，

2、谐波减速器的基本结构、工作原理、主要特性介绍与选用以及其减速比的 确定，各关节伺服电机的选择计算以及重要部件的具体设计及其校核，如齿轮的设计及校 核，轴的设计及校核，轴承的选用及校核。关键词：工业机器人；搬运；机器人关节；谐波减速器IAbstractRobotic technology is comprehensive knowledge of the many subjects, such as computer, cybernetics, organization learning, information and sensing technology, artificial intell

3、igence, bionics science and the formation of high technology and new technology, it is current research field attach to the subject in many fields, robot used widely.The graduation design summarizes the classification of industrial robot, history and its development trend. Design and develop domesti

4、c handling robots on the main arm movement mechanism, the industrial robot composed by the waist and big forearm, the waist and shoulder shoulder, arm formed formed between and forearm, arm elbow turn movement and Yang prone to do exercise, forearm rotation movement and prone to do up swinging. This

5、 paper mainly expounds how to design the robot waist, shoulder and elbow the three main joints, every joint choose appropriate drive mode, transmission mode, through appropriate deceleration device finally to reach the required speed. Design specific include robot joints type, the harmonic gear redu

6、cer to determine the basic structure, working principle, main characteristic introduction and selection and determination of slowing, each joint than servo motor selection and calculation, and the specific design and an important part of gear check, such as design and check the design and check, sha

7、ft, bearing choose and checking.Keywords : industrial robot; Handling； Robot joints； Harmonic gear reducer目录摘要 错误!未定义书签Abstract 错误!未定义书签第1章 绪论 错误!未定义书签1.1工业机器人概述 错误！未定义书签1.2工业机器人驱动方式 错误！未定义书签1.3工业机器人的分类 错误！未定义书签1.4工业机器人的历史 错误！未定义书签1.5工业机器人的发展趋势 错误！未定义书签第2章 工业机器人机构设计 错误！未定义书签2.1工业机器人的设计内容及要求 错误！未定义书签

8、2.2工业机器人的总体设计 错误！未定义书签2.3工业机器人的驱动方式选择 错误！未定义书签2.4谐波减速器介绍 错误！未定义书签2.4.1谐波减速器简介 错误！未定义书签2.4.2谐波减速器基本结构 错误！未定义书签2.4.3谐波减速器工作原理 错误！未定义书签2.4.4谐波减速器的主要特性 错误！未定义书签2.4.5谐波减速器的减速比 错误！未定义书签2.5机器人材料的选择 错误！未定义书签2.5.1材料选择的基本要求 错误！未定义书签2.5.2结构材料介绍 错误！未定义书签第3章 机器人腰部关节的设计 错误！未定义书签3.1机器人传动机构分析 错误！未定义书签3.2机器人腰部传动方案选择

9、 错误！未定义书签3.3腰部交流伺服电机的选择 错误！未定义书签3.3.1机器人材料选用和质量估算 错误！未定义书签3.3.2工业机器人整体受力分析 错误！未定义书签3.3.3腰部交流伺服电机的选择计算 错误！未定义书签iii3.4腰部谐波减速器的选择 错误！未定义书签3.4.1德国Harmonic谐波减速器的特点 错误！未定义书签3.4.2腰部谐波减速器的选择计算 错误！未定义书签3.4.3选用谐波减速器具体尺寸的确定 错误！未定义书签3.4.4选用谐波减速器性能参数确定 错误！未定义书签3.4.5所选谐波减速器传递效率 错误！未定义书签3.5选用谐波减速器输出轴承的确定 错误！未定义书签3

10、.5.1输出轴承参数 错误！未定义书签3.5.2输出轴承公差选择 错误！未定义书签3.5.3推荐装配公差 错误！未定义书签3.6齿轮的设计与校核 错误！未定义书签3.7轴的设计与校核 错误！未定义书签3.7.1轴的设计分析 错误！未定义书签3.7.2初步计算轴的直径 错误！未定义书签3.7.3按弯扭合成强度计算 错误！未定义书签3.8轴承的设计和校核 错误！未定义书签第4章 机器人肩部关节的设计 错误！未定义书签4.1机器人肩部关节的设计分析 错误！未定义书签4.2肩部传动机构的设计 错误！未定义书签4.3肩部关节伺服电机的选择 错误！未定义书签4.4肩部关节谐波减速器的选择 错误！未定义书签

11、第5章机器人肘部关节的设计 错误！未定义书签5.1机器人肘部关节设计分析 错误！未定义书签5.2肘部传动机构的设计 错误！未定义书签5.3肘部关节伺服电机的选择 错误！未定义书签5.4肘部关节谐波减速器的选择 错误！未定义书签参考文献 错误！未定义书签结束语 错误！未定义书签致谢 错误！未定义书签附录 错误！未定义书签V第1章绪论1.1工业机器人概述5机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结 构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述 特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是 用机器代替

12、人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进 行加工。工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。国际标准化组织(ISO)在对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手， 这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备， 以执行种种任务”。1.2工业机器人驱动方式2(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

13、定性较差，乂因气源 压力一般只有6kPa左右，所以这类工业机器人抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大白 余牛顿。(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 求较局，且不宜在周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，为工业机器人设计 提供了多种选择，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

14、动操作机，或是通过诸如谐波减速器的装置来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。1.3工业机器人的分类6工业机器人按操作机坐标形式分以下几类(坐标形式是指操作机的手臂在运动时所取 的参考坐标系的形式)：(1) 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(即PPP组成，其工作空间图形为长方形。它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编 程计算，定位精度高，控制无耦合，结构简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，灵 活性差，难与其他工业机器人协调工作。(2) 圆柱坐标型工业机器人其运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的，其工作空间图形为 圆柱

15、，与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运 动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与其它工业机器人协调工作。(3) 球坐标型工业机器人乂称极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一个直线移动 (即RRP厂个回 转，一个俯仰和一个伸缩运动)所组成，其工作空间为一球体，它可以作上下俯仰动作并 能抓取地面上或较低位置的协调工件，其位置精度高，位置误差与臂长成正比。(4) 多关节型工业机器人乂称回转坐标型工业机器人，这种工业机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节 是回转副(即RRR,该工业机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂形成肩关节，大 臂和小臂间形

16、成肘关节，可使大臂做回转运动和俯仰摆动，小臂做仰俯摆动。其结构最紧 凑，灵活性大，占地面积最小，能与其他工业机器人协调工作，但位置精度较低，有平衡 问题，控制耦合，这种工业机器人应用越来越广泛。(5) 平面关节型工业机器人它采用一个移动关节和两个回转关节(即 PRR,移动关节实现上下运动，而两个回转 关节则控制前后、左右运动。这种形式的工业机器人乂称SCARA(Selective ComplianceAssembly Robot Arm)装配机器人。在水平方向则具有柔顺性，而在垂直方向则有较大的 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，如 在电子工业的插接、

17、装配中应用广泛。1.4工业机器人的历史6工业机器人的发展通常可以划分为三代：第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手 部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示 教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操 作。第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段,不久即将普及应用。第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够 根据人给出的指令认识自身和周围的环境，

18、识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自 动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境 的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。1.5工业机器人的发展趋势6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：a）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；b）开发各种新型结

19、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；c）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。-3 -第2章工业机器人机构设计2.1工业机器人的设计内容及要求工业机器人在机械制造领域广泛应用，机器人运动机构和机器人控制是机器人的核心 技术。本毕业设计旨在设计研制搬运机器人的主臂运动机构。腕部最大负荷为 60M主要研究内容有：(1

20、) 各关节轴以交流伺服电机驱动，要求机械传动机构简单、体积小、结构紧凑，减 速比大(100: 1)。(2) 机器人主要运动关节的运动学计算和功率、扭矩计算。(3) 完成机械传动方案设计和机械结构设计，要求绘制机器人整体布局外观图和两个关节(腰关节和肩关节)的结构装配图。要求绘图量达到A0三张。2.2工业机器人的总体设计机器人主臂机构设计主要包括机械本体、伺服电机、减速器等机构的设计，为了实现 机械传动机构简单、体积小、结构紧凑，减速比大(100:1 )等要求，整个机器人的结构 大致分成腰部关节、肩部关节、肘部关节、大臂与小臂。各关节之间均采用转动关节，采 用伺服电机驱动，以实现精密控制。为实现

21、大传动比，采用谐波减速器传动，不仅实现大 的传动比，而且是结构更紧凑。查找13fanuc robot M-6iB机器人相关资料，获得以下设计资料和参数:(1) 机器人结构图见图2.1(2)机器人工作范围见图2.2图2.2机器人工作范围示意图(3)机器人主要设计参数轴数：6负载：60N工作半径：1373 mm可重复定位精度：0.08 mm机器人质量：138Kg各轴转动范围：J1340°J 2250°J3315°J4 380°J 5280°J 6720°各轴转动速率：J1 150°/s ( 2.62rad / s)J2 160&

22、#176;/s ( 2.79rad /s)J3 170°/s(2.97rad /s)J4 400°/s (6.98rad / s)J5 400° /s(6.98rad / s)J6 500° / s (8.73rad /s)驱动方式：AC交流伺服电机驱动 安装方式：地装、吊顶(挂壁、斜角)动作类型：垂直多关节型驱动电机：伺服电机2.3工业机器人的驱动方式选择5现代工业机器人只有三种驱动方式：气动驱动、液压驱动和电机驱动。它们的不同特 点及适用范围如表2.1所示。表2.1各种驱动系统的特点及适用范围驱动类型浅玉W动传动性能适合小功率传动，可 达较高谏度叵高

23、谏 时有冲击气怵具有 可压缩性，阻尼蚊 果差，故平稳性较差。适合中、大功率传动 传动平稳、无冲击， 可达校高速度，楝体 用叫玉编，故响应性 能良好.适合中、小功率传胡，传动平稳、灵活、速 度快口控制性能控制调节环节较简 单，嵩谏时要设缓冲 或制动装置，低速不 易控制，谏度位置控 制雎以达到精确值， 一殷不B阚于甸服控制控制调节环节较简 单，在高、典下都 可将位置.，速度控制 到精确值,常用于伺 眼控翱直流伺服电机控制 较简单，交流伺服电 机控制较复杂，速 度、位置都可控制到 精确值，常用于伺服 控制Q快囿向应性能较高很高很高效率1503（节流调速至0.6（朝调逮）安全性能防爆性能奸防爆性能好，

24、液压油 濯漏后有发生火灾 危险交流电机舫爆性能 好，宜流电机电刷产 生火花，不防爆结构性能执行机构直线气缸、 气压马达）可俄成独 立的标淮件，易实现 直接驱动；压力小（一 段小于输出力 小=密封回题不突出， 泄漏对环境无污染， 需要气压供给系统"执行机构（直线窥、 摆动却）可做成独立 的标准部阡易实现 直电瓯th相同输出 条件下，阵积小、K 重轻、惯童小：密封 间隙很重要，泄漏盘 响工作性能和污染环 境：需要油源，单独 的油源占地面积大.电机是标准件，结构 陶缗，除特珠电机（直接驱动电机、大 力矩电机）外；电机 都要加诚速器，不能 直接马区幼，加遥速器 后体描惯重变大.安装维护安装凳

25、求不太高，能 在高湛、多粉尘条件 下工作；无发想、爆 炸、火灾等ra血谁 护简单.蔓求过滴水 分及注意系统润滑、 防锈问题，安装维护要求高，温 度升高时，油被粘度 降氐费响工作性能， 需要怜却馥蜀油淹 要定期过滤、更换； 密封件要定期更换； 油液的泄露影响工作 性能，易发生火天.安悬求随传动方式 而昇.无管路系统.维护方便；对直流电 机要求定时调整、更 换电刷及注意防爆间 题.成本低高应用适用于小负荷（200W 左右）的有限点位控 制的上下料（搬运） 机器人,如冲床上的 快道上下制；手爪上 应用尤其J泛°适期于重负荷（1000N 以上）的搬运、点焊 等机器人，以及连纹 轨迹信1服控制

26、喷漆机 器人（耳有防爆性1自） 等.适用于中小负荷（几 十牛顿到几千牛顿） 的搬运，焊接、啧准（限获流电机L装 配、徐肢等各种伺服 型机器人.机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：（1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；（2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起动、 制动，正、反转切换;-7 -(3) 驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；(4) 安全可靠；(5) 操作和维护方便；(6) 对环境无污染，噪声要小；(7) 经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。根据毕业设计任务书要求：设计关节机器人主臂运动机构，腕部

27、最大负荷为60N,机械传动机构简单、体积小、结构紧凑，减速比大(100: 1)等，基丁上述驱动系统的特点 和机器人驱动系统的毕业设计要求，本文选用交流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱 动。选用电机驱动，则需设计减速器。整个机器人的结构大致分成腰部关节、肩部关节、肘部关节、大臂与小臂。各关节之 间均采用转动关节，采用伺服电机驱动，以实现精密控制。为实现大传动比，采用谐波减 速器传动，不仅实现大的传动比，而且是结构更紧凑。2.4谐波减速器介绍92.4.1谐波减速器简介谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。谐波齿轮传动 (简称谐波传动)，它是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动

28、力和运动的一种行星齿轮 传动。主要包括刚轮、柔轮、和波发生器组成。由丁波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的 任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的和谐波， 故称之为：“谐 波”。谐波减速器实体图见图2.32.4.2谐波减速器基本结构谐波减速器主要由三个基本构件组成：（1） 带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮），带有齿轮的刚性齿环，通常与柔轮相差 2齿，它 相当丁行星系中的中心轮；（2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮），他是一个孔径略小丁波发生器长轴的薄壁柔性齿 轮，在波发生器的作用下，可以产生弹性变形，它相当丁行星齿轮；（3）波发生器H,具有长短轴通常

29、它的转动迫使柔轮按一定的变形规律产生弹性变形， 它相当丁行星架。作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。谐波减速器内部结构示意图见图2.4图2.4谐波减速器内部结构图2.4.3谐波减速器工作原理当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就使柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹 性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮离）冈【J轮的齿问，在 波发生器的长轴处处丁完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开。波发生器通常成椭 圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。此时柔轮由原来的圆形而变 成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处丁完全啮合状态，

30、即柔轮的外齿与 刚轮的内齿沿齿高啮合。这是啮合区，一般有 30哧右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端 的柔轮齿与刚轮齿处丁完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿， 沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿问，处在半脱开状态，称之为啮出。波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动, 就使柔轮齿的啮入一啮合一啮出一脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合 状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变 为输出的低速转动。对丁双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动1/8周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态

31、而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。同样道理，啮出变 为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了 1/4齿；同理，波发生器再 转动1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转 动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在 任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。由丁柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距， 所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器 输出轴的转动，从而实现了减速的目的。谐波传动的工作原理图见图 2.5 ;谐波减速器工作过程示例图

32、见图2.6图2.5 谐波传动的工作原理功C）黑格功一用时.盘般血瓶反”尚蜘小山曲*厦2.4.4谐波减速器的主要特性(1) 传动比大：单级传动比可达 50-320。(2) 侧隙小：由丁其传动原理不同丁一般齿轮传动，侧隙很小，甚至可以实现无侧隙 传动。(3) 精度高：同时啮合齿数可达总齿数的 20哧右，并在相差180度的两个对称方向上 同时啮合，因此误差被均匀化，达到高运动精度。(4) 零件数少、安装方便：仅有三个基本部件，且输入与输出轴为同轴线，因此结构 简单、安装方便。(5) 体积小、重量轻：与一般减速器比较，输出力矩相同时，通常体积可以减小 2/3, 重量可减小1/2。(6) 承载能力大：因

33、为同时啮合齿数多，柔轮乂采用特殊材料钢材，从而获得了高的 承载能力。(7) 效率高：在齿的啮合部分滑移量极小，摩擦损失少。即使在高速比情况下，仍能 维持高效率。(8) 运动平稳：周向速度低，有实现了李德平衡，故噪声低、振动小。(9) 可向密闭空间传递运动：利用其柔性的特点、可向密闭空间传递运动。这一点是 其他任何机械无法实现的。2.4.5谐波减速器的减速比当波发生器回转时，它迫使柔轮的齿顺序的与刚轮的齿啮合，当波发生器顺转一周时，柔轮倒转(Zi Z2)个齿，亦即反转了( Zi Z2)/Z2周，因此波发生器和柔轮的传动比为：Ih 2Z2nH 1Z2d2n2(Z1 Z2)/Z2(Z1 Z2)(d1

34、 d2)(2.1)-11 -式中：Z2、d2和乙、d分别为柔轮和刚轮的齿数和分度圆直径有时柔轮固定不转而刚轮为从动件。在这种情形下，当波发生器顺转一周时，刚轮相对柔轮顺转(Z1 Z2)个齿，亦即顺转了 (Z1 Z2)/Z 1周，因此波发生器和柔轮的传动比为nH!h 1n(2.2)1Z1d1(Z1 Z2)/Z1(Z1 Z2)(d1 d2) 式中：Z2、d2和乙、di分别为柔轮和刚轮的齿数和分度圆直径。因为在一个波的区间内，刚轮与柔轮应当相差一个或几个齿，所以谐波齿轮传动的齿 数差应等丁波数或波数的整数倍。因此，波数相同且刚轮齿数也相同的谐波传动，其传动 比可以相差若干整数倍。但实际上大部分谐波齿

35、轮传动的齿数差等丁波数。 在这种情况下, 谐波齿轮传动的传动比等丁活动轮的齿数除以波数。2.5机器人材料的选择13结构件材料选择是工业机器人材料系统设计中的重要问题之一，正确选择结构材料不 仅可以降低工业机器人的结构成本，更重要的是可适应工业机器人的高速化、高载荷化及 高精度化，满足其静力及动力特性要求。2.5.1材料选择的基本要求与一般的机械设备相比，机器人结构的动力特性是十分重要的，这是选择材料的出发 点。材料选择的基本要求如下：（1）强度高。机器人的臂是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人臂的强度 条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。（2） 弹性模量大。从材料力学的公式可知

36、，构件刚度（或变形量）与材料的弹性E、G 有关，弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料的弹性模量的差异比较大，而同 一种材料却没有多大差别。（3）重量轻。在机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由丁惯性力引起的，与构件的质量有关。也就是说，为了提高构件刚度选用弹性模量E大而密度p也大的材料是不合理的，因此提出了选用高弹性模量、低密度的材料要求，可用E/p来衡量，表2.2列出几种材料的E、p和E/p值，供参考。表2.2材料的弹性模量/密度（E/ p）值材利E/xlO?-IPaP/105（Ks/n.3）（E/p）/xl07 3*）钢一台金钢2.107. g2.7Q. 722. 82.6钺铝合

37、金（62如巳）1.92.19.1锂铝台金（3.0瞥Li）0. 822. 7153.02娜奸维增强铝材2.92. 5311_4(4) 阻尼大。工业机器人在选材时不仅要求刚度大、重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人的臂经过运动后，要求能平稳地停下来。可是由于在构件终止运动的瞬时， 构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身乂具有弹性，因而会产生“残余振动”。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收 能量。(5) 材料价格低。材料价格是工业机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如硼 纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，用来作为机器人臂的材料是很理想的，但

38、价格昂 贵。2.5.2结构材料介绍(1) 碳素结构钢、合金结构钢：强度好，特别是合金结构钢强度增大了4-5倍，弹性 模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。(2) 铝、铝合金及其他轻合金材料：这类材料的共同特点是重量轻，弹性模量 E并不 大，但是材料密度小，故E/p值仍可和钢材相比。有些稀贵铝金届的品质得到了更明显的 改善，例如添加了 3.2%重量的锂的铝合金，弹性模量增加了 14% E/p值增加了 16%(3) 纤维增强合金：如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，其E/p值分别达到11.4 107m2/s 2和8.9 107m2/s2。这种纤维增强金届材料具有非常高的 E/p值，而且

39、没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。(4) 陶瓷：陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，与 金届零件连接的结合部需特殊设计。然而，日本已经试制了在小型工业机器人上使用的陶 瓷人臂的样品。(5) 纤维增强复合材料：这类材料具有极好的E/p值，但存在老化、蠕变、高温热膨 胀、与金届件连接困难等问题。这种材料不但重量轻、刚度大，而且还具有十分突出的阻 尼大优点，传统金届材料不可能具有这么大的阻尼。所以，在高速机器人上应用复合材料 的实例越来越多。层叠复合材料的制造工艺还允许用户进行优化，改进叠层厚度、纤维倾 斜角、最佳横断面尺寸等，使其具有最大阻尼比。(6) 粘弹性大阻尼材料

40、：增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。 目前有许多方法来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人结构采用的一种方法是用粘 弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。吉林工大和西安交大进行了粘弹性大阻尼 材料在柔性机械臂振动控制中实验，结果表明：机械臂的重复定位精度在处理前为0.30mm处理后为 0.16mm残余振动时间在阻尼处理前、后分别为0.9s和0.5s杆件的约束层处理示意图见图 2.7"从 in 11 m uUiifl b J图2.7杆件的约束层处理示意图-23 -第3章机器人腰部关节的设计3.1机器人传动机构分析4由丁一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过

41、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：(1) 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量最小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；(3) 回差要小，即由正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。3.2机器人腰部传动方案选择机器人腰部关节即J1轴是机器人关节中最大，承载最多，内部机构最为复杂的关节。J1轴的转动范围为340o( 5.93rad )，转速拟定为150° / sec( 2.62rad / sec)

42、即25r / min，伺服电机额定转速暂选为3000r/min，额定功率为1.0 kW，减速比即为100。J1轴的转动范围示意图见图3.1方案一：J1轴通过采用一对外啮合齿轮（减速比为2）,后接谐波减速器（减速比为50）来减速，则可以实现总传动比为100。腰关节传动方案一见图3.2方案二：J1轴通过采用一对内啮合齿轮（减速比为2）,后接谐波减速器（减速比为50）来减速，则可实现传动比为100。腰关节传动方案二见图3.3图3.3腰关节传动方案二方案三：电机安装在底座下面，J1轴直接接谐波减速器(减速比100),则可实现传动 比为100的减速。腰关节传动方案三见图3.4图3.4腰关节传动方案三传动

43、方案比较：这三种方案在传动实现上都是可行的，均采用了减速比大、体积小、 重量轻、精度高、回差小、承载力大、噪音小、效率高、定位安装方便的谐波减速器。方 案二采用内啮合齿轮传动，结构上是比方案一更加紧凑，但安装时会使腰部电机与肩部电 机发生干涉，影响机器人的运动范围。方案三的传动结构最为简单，但电机轴和腰部回转 轴无法错开。则最终机器人腰关节传动方案选择方案一。对丁方案一：由丁 J1轴的输出转速为：n3 25r / min , 乂有'''i谐波=n皮发生器 / 皿轮=n2 / n3 Zi / (Zi Z2) 50(3.1)式中：z'为刚轮齿数，z2为柔轮齿数则 n

44、2 1250r/min, 乂有i齿轮=n / n2 Z2/Z1 2。2)式中：Z1为小齿轮齿数，Z2为大齿轮齿数则电机输出转矩：T1 9550 P / n 9550 0.77 / 2500 2.94N m取齿轮的精度等级为8级，查7巳17表16 4得:齿轮=0.98 轴承=0.99 则 P2=P1齿轮M承=0.77 0.98 0.993 =0.73kWT2 9550F2 / n29550 0.73/ 1250 5.58N m33F3F>齿轮3承=0.73 0.98 0.993=0.69kWT3 9550F3 / n3 9550 0.69/25 263.58N m3.3腰部交流伺服电机的选

45、择3.3.1机器人材料选用和质量估算 机器人材料选用45号钢，则查表2.2可得密度7.8 10 3 kg / m3,根据机器人各部分体积，估算机器人质量如下： 腕部：8kg小臂：36kg肘部：11kg大臂:52kg肩部：13kg腰部：18kg3.3.2工业机器人整体受力分析4 机器人整体受力示意图见图3.56i5】卯图3.5机器人整体受力示意图3.3.3腰部交流伺服电机的选择计算4当大臂、小臂与末端执行器均处于水平状态时，如上图所示，各部分对回转中心产生 的转动惯量最大。其代数和为：.2.J腰部 m r J物+J腕部+J小臂+J肘部+J大臂+J肩部代入数据得：J., 一 2.2 22 一 ._

46、2 一 . ，_2腰部=6 1.465 +8 1.365 +36 1.057511 0.7552 0.4513 0.15 =85.052 N m则工作时的最大扭矩：Mmax J 腰部(3.3)式中：为机器人的角加速度。设机器人各关节运动的加速度为 a 0.5g ,2贝U =at/r 0.5g /1.465 3.34rad / s则 M max 85.052 3.34 284.07 N m由于J1轴的转动速率为150 /s,即1 2.62 rad / s,则 n1(150/360) 60 25r / min查8 P07式5-2得T =9550R / n则 =T1n1 /9550 M maxn1

47、/ 9550 284.07 25 / 9550 0.74kW由电机到底座传动总效率总=1 2(3.4)式中：1为外啮合齿轮的传动效率，2为谐波减速器的传动效率取1=0.98 (齿轮的精度等级为8级) 2=0.98贝U 总=0.98 0.98=0.9604则腰部伺服电机所需功率为：P腰二R /总=0.74 / 0.9604 0.77kW查10德国博美特BONMET服电机资料：如表3.1所示表3.1 德国博美特BONMET服电机参数表主契导罢也脸盈列Ek机型岭神沱时坦灿定峙速物建功冰SFC配萱gHESt禽压配置JSF42-AS-1000C- INm7<X)0rpHTiWT。4厂SA3LCHC

48、JSF金列5-中JSF 57-15-30-BF-1000O.yNiu3000iptti0 15KSA3L04CSA3LO4C40慕列J SI «J-1>-3CM_ F1O0IQ.StSmJOCiOipiuU 15KtvSAJL04CSAJLO4CJSiF 6O4(K ' (-.-J>F-t(W1 INm(i 4KwSAHO4CSM SO-a 13-30 LFHL3Nm3O00ipni0 4KwSA3L04CSA3L.O4C80*系列SN1B0 024 gLFB一 NmIGOOtpni0 75Kw零心LDKS/X3L0tiBSMS0 033 30 LFB3 3Nmj

49、3000ipiu1 .OK 卅S/UL01C如壮攻阳SM 11O-O20-JSC LTB> Xm3000 rpuiCl# klwSA3L04CSA3L66BSA3H10CKM IS诚小 LiB30001pml.J KwSAJL04CSA3L1UBSAJillGC110系列SKf 0-OS<1-1GI FR5141(1300fl fpnil弓KwSAALOfiRSAll 1DBSA3H10CSM 110-0&020LFB2CWC rpni1 2 KivSALlOBSAriHWCSM HO 060 30 LFB&Nin3 加 ipul侦KwS.UL10BSA3L10CS

50、LUH10CSNf 13Q <MC 25 LTD* Ru250G ipui1 0 KwSiUL0(CSjULOGBS.VHKC5M I3O-O5C-25 LJ-H5 Kin2500 rpni1.3 KwrS.A3LD4CSA3LJ DHSA3H10CSA 列SM I OtfC 2* LFB8 Em?50C tpn15 KivSALD(5ESA?LI 阳SA5HI0CSM t 的叩 M LFB7,7Nm200C rpni1 (3 KwS;UL!0B5A5L1DCSAJHKCSM 130-0730 LTB?.7Nu23iX>C split2.4皿SA3L10BSAJL15CSA3H10

51、CSM 1G-1QC4 5 LfU10 Nm150G jptu1.5 KwSA3L0&EJSAJL1DBSA3111CCSM 130-10(1-25 LJFB10 Nm2S0G fpniKwSAIL! 0BSA1I.1 5CSAHIOC:bM 1LE-7C-止 lJB15 Nm150C fpni2 3 KwSA3LEHStA3L15CSA3H10CSM 1130 I5C 寞 LFBl5Nm?50C tpn3 Z KivSALI5<SA3L25CSMI50 我 25 LTBlUin25GC 】pui3 .E Kxx5A3L15CISO #.>LSMI 50-1 ®0

52、-20UB182000 iptiLJd KwSA3L1SCSA3L25CSM 150-2J U-2C LJU23Nui200(1 】puLE KwSAJL15CSA?L25CSM 150-? 7Q-2O I JFB27 "Nm2OOG qmi5 5 KwSA3L25C经比较电机型号选用 BONMET SM列80系列SM 80-033-30 LFB表3.2 德国博美特BONMET 8昧列电机厄机型ySMSW-3U LtBSM80 0Z4-J0Lf HSMEt)-033-50 Ur B南 本(Kt)0 40 75前定转宙(Nw)1 i2.4*定铸1 Krr :400。3000KXM额定电

53、流(A)? &4 24 2阳弓0 61X 顽日8 X商1 37X HF*机械:时司常耕we1 wft 950防煽巧舞战敷C/TJ25OOC T rvr凯 TO港杭饶组捕座晓俎引线UVW插座编号341编。马活沛空佑 S5VOVA*AB-BZ*Z©插座参234758691史.凯缝理部缎B使用环境环境温'一知055C 漫小 90%(尤结礴IP65电FL重示.(Kg)2A3.73.2查表3.2得伺服电机SM 80-033-30 LFB主要参数如下：额定功率：1.0 Kw额定转矩：3.3 N m额定转速：3000Rpm额定电流：4.2 A转子惯量：1.37 10 4 Kgm2机

54、械时间常数:0.85 Ms电机重量：3.2 Kg伺服电机SM 80-033-30 LFB外形尺寸图见图3.6一 ssi- IT额定轴妁(烦)1. 3Z 43, 3A (inin)128150165R( im)aOO500500图3.6 伺服电机 SM 80-033-30 LFB外形尺寸图3.4腰部谐波减速器的选择谐波减速器选用德国的Harmonic Drive AG (和谐驱动)公司的CGS-2UH Units系歹U 产品。3.4.1德国Harmonic谐波减速器的特点12(1) Harmonic减速器结构简单，体积小，重量轻。HD®速器谐波齿轮传动的主要构件只有三个：波发生器、柔轮、冈惟。它与传动比相当的普通减速器比较，其零件减少50%体积和重量均减少1/3左右或更多。(2) Harmonic减速器传动比范围大。单级 HD皆波减速器传动比可在50-300之间，优 选在75-250之间；双级谐波减速器传动比可在 3000-60000之间；复波谐波减速器传动 比可在200140000之间。(3) Harmonic减速机啮合的齿数多。双波谐波减