【正文】 整機，幾類專用和能耐通用控制系統(tǒng)及幾類關(guān)鍵元部件的主要性能指標(biāo)達(dá)到 80 年代初國外同類產(chǎn)品的水平，并且形成小批量生產(chǎn)能力。 90 年代后半期是實現(xiàn)國產(chǎn)機器人的商品化，為產(chǎn)業(yè)化奠定打基礎(chǔ)的時期，目前我國（指大陸地區(qū)，不包括港、澳、臺）工業(yè)機器人 數(shù)量只有約 2500 臺，還沒達(dá)到 1997 年新加坡（ 3000 多臺）的我國臺灣?。?5000 多臺）的水平產(chǎn)。隨著工業(yè)機器人作業(yè)精度的 提 高 、 作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜化，應(yīng)開發(fā)新型微動機構(gòu)保證動作精度，開發(fā)多關(guān)節(jié)、多自由度的手臂和手指，研制新型的機構(gòu)等以適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)的需要。 ④研究機器人協(xié)作控制。而面向先進制造環(huán)境的機器人柔性裝配系統(tǒng)和機器人加工系統(tǒng)中，不僅有多機器人的集成，還有機器人與生產(chǎn)、線周邊設(shè)備、生產(chǎn)管理系統(tǒng)以及人的集成。只有根據(jù)工作環(huán)境條件進行合理設(shè)計，選用適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，工業(yè)機器人就可以在惡劣環(huán)境中工作。 ④機器人的通用性靈活性好，能滿足產(chǎn)品品種迅速變化的要求，更重要的是對產(chǎn)品品種多樣化，而且是層出不窮，不斷發(fā)展。適用 上下 裝卸工件和傳送物料，易于成行排列布置與傳送帶配合使用。再進行結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，了解機器人的基本組成形式，各機器人都有什么樣的特點，并且在工業(yè)生產(chǎn)中的具體工作形式。 （ 4） 融入我的設(shè)計思想使設(shè)計更具有特色 由于直角坐標(biāo)機器人相對其它各類的機器人應(yīng)用較為廣泛，并已是成型的產(chǎn)品，為了培養(yǎng)自己的創(chuàng)新能力，在設(shè)計時提出了自己的設(shè)計思想使結(jié)構(gòu)更 加的合理。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展工業(yè)機器人得到了更為廣泛的應(yīng)用，特別是直角坐標(biāo)機器人在數(shù)控加工中心中應(yīng)用十分廣泛，它已經(jīng)成 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 為自動化生產(chǎn)的重要組成總部分。由笛卡爾坐標(biāo)系的知識可知空間中的任意一點可以分別由X、 Y、 Z 方向三個點的集合來表示。工作介質(zhì)對周圍條件反映敏感，直接影 響定位精度 氣壓傳 動 瞬間產(chǎn)生很大軸向力，傳動速度快 對傳動時間要求不易過長，密封困難 通過以上的分析，在本次設(shè)計中采用選擇滾珠絲桿傳動與同步帶傳動方式。例如，當(dāng)確定手部大小、形狀，手指個數(shù)以及動作自由度時，必須考 慮被抓取物件的大小、形狀、重量、材質(zhì)、外力的物理條件以及旋轉(zhuǎn)環(huán)境等。如果施加一個較大的軸向外力，工件就可能從手指中滑落出去。例如，是否使用傳感器，有無力學(xué)反饋等。 手指式手部的工作原理 手指式手部是由手指傳動機構(gòu)的驅(qū)動 裝置 三部分組成，它對抓取工件的形狀具有較大的適用性，可以抓取軸盤套類零件，一般情況下多采用二指，少數(shù)為三指或多指。 在夾持 不同的圓棒工件時，不會引起中心位置的偏移。這種手指結(jié)構(gòu)簡單，形狀小巧，但夾持不同工 件 會產(chǎn)生定位誤差。 ③按指端形狀可分為： V 型指，主要夾持圓柱形工件；平面指，夾持方形、板狀和細(xì)小棒類工件；其它形狀如圓形、鉤型、尖型及其它與工件相適應(yīng)特型指。 ③應(yīng)無可否認(rèn)工件能準(zhǔn)確定心或定位。 通過以上的分析，同時考慮本設(shè)計的特點，本設(shè)計選擇回轉(zhuǎn)式手臂和直型 指 的結(jié)構(gòu)。為了使讀者更好的了解直角坐標(biāo)機器人的 結(jié)構(gòu)，依據(jù) 實際產(chǎn)品的設(shè)計過程為主線來安排本章的結(jié)構(gòu)。在這里需要指出的是，兩種結(jié)構(gòu)還存 在 一個共同的缺點就是一臺機器人只能對應(yīng)唯一的工作空間。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 直角坐標(biāo)機器人驅(qū)動方式的選擇 直角坐標(biāo)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)是直接驅(qū)動使各運動部件動作的機構(gòu)，對于機器人的性能的功能影響很大。最高1m/s 控制性能 可實現(xiàn)無級調(diào)速，達(dá)到較高定位精度 低速時不易控制，定位精度 步進、伺服電機的定位也較高 使用維護性能 溫度對介質(zhì)影響大，間接影響工 作性能，會有不同程度漏油 適合在惡劣條件下工作，排氣噪聲大 使用維護方便 體積重量 在同樣輸出力的條件下體積小 壓力小，體積大，輸出力小 電機本身體積小減速裝置體積大 壽命 潤滑性能好，壽命長 空氣無潤滑性，壽命短 壽命較長 應(yīng)用 適于抓取重量較大的機械手，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 抓取質(zhì)量不易太大，但要求速度快 可適用于程序復(fù)雜運動要求嚴(yán)格的機器人 通過以上的比較可以看出，液壓驅(qū)動方式具有輸出力大 、 速度快 、 易控制 、 定位精度高的優(yōu)點，但是液壓系統(tǒng)較為復(fù)雜，同時對環(huán)境要求高。 直角坐標(biāo)機器人外形尺寸的確定 在設(shè)計之初，設(shè)計的參數(shù)為 。 圖 31 結(jié)構(gòu)尺寸 傳動部件、驅(qū)動部件類型及主要參數(shù)的選擇 傳動部件參數(shù)的選擇 由于選擇了選擇了滾珠絲杠和同步帶傳動方式，應(yīng)設(shè)計滾珠絲杠和同步帶的主要參數(shù)。 9）實際軸間距 a mmmmLaa p 1283]2 262827941200[2 L 00 ??? －＋－＋ 10）小帶輪嚙合 齒數(shù) mz 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 9]218[)](22[ 212 11 ?????? e ntzzazpze ntz bm π 11）基本額定功率 0P 1000 )( 20 vmvTP a ?? 由表 [4， ]查得 NTa ? ， mkgm /? KWP 00 ) 00( 20 ????? 12）計算帶寬 sb 00 PKPbbzdss ? 由表 [4， ]查得 H 型帶 ??? zms zb ， mmmmb s ??? 由表 [4， ]查得，應(yīng)選帶寬代號為 300 的 H 型帶，其 mmbs 2..76? 13）帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸 傳動選用的同步帶為 1100H300； 1821 ??zz mmdd ?? mmdd aa ?? （ 2）第二自由度傳動部件的設(shè)計 為了簡化設(shè)計的步驟，第二自由度的負(fù)載小于第一自由度的負(fù)載，在這里估算所受力為 60N，要求帶傳動的最高速度為 ，傳送 的功率 為 400W，帶輪轉(zhuǎn)速 100r/min。 1） 計算動負(fù)載 [5] 由公式mn haj FfKKC ?? 其中： hK 壽命系數(shù)， 31)500( hh LK ? nK 轉(zhuǎn)速系數(shù)， 31)( nKn ? hL 要求壽命， hL =300 16 10＝ 48000h 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 ?f 綜合系數(shù)，wkaht f fffff ?? 其中：查表 33 得 1?tf ；查表 34 得 1?hf ；查表 35 得 ?af ；查表 36 得 ?wf ；查表 37 得 1?kf 表 33 溫度系數(shù) tf 工作溫度 小于 100 125 150 175 200 225 250 1?tf 1 表 34 硬度系數(shù) hf 硬 度 》 58 55 50 45 40 hf 表 35 精度系數(shù) af 表 36 負(fù)載性質(zhì)系數(shù) wf 表 37 可靠性系數(shù) kf 經(jīng)計算，得 ??f 因此得到 NCaj 2100? 選用 RNBS 標(biāo)準(zhǔn)型螺帽精度轉(zhuǎn)造滾珠絲杠副，其型號為 RNBS2510A，其額定動載荷為 ，符合要求 精度等級 3 5 7 10 af 負(fù)荷性質(zhì) 無沖擊平穩(wěn)運轉(zhuǎn) 一般運動 有沖擊和振動運轉(zhuǎn) wf 可靠度 90 95 96 97 98 99 kf 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 根據(jù)豎直方向的工作行程為 300mm，選用標(biāo)準(zhǔn)螺桿長度 500mm 的滾珠絲杠副。 控制電機的輸出功率一般較小，通常從數(shù)百毫瓦到數(shù)百瓦，系列產(chǎn)品的機殼外徑一般由 到 130mm，重量從數(shù)十克到數(shù)千克，這類電機也稱微電機或微控電機。 控制電機的用途與分類如下表表示 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 表 39 電機的分類與用途 由上述可知，第一、二自由度的電機選用步進電機，第三自由度選用伺服電機。驅(qū)動力就主要由三部分組成，即個載荷產(chǎn)生的摩擦力矩 FT 、絲杠副預(yù)緊力摩擦力矩 0T 、慣性力矩 GT 。角位移與接受的電脈沖數(shù)楊正比，轉(zhuǎn)速與每秒電脈沖數(shù)成正比。其轉(zhuǎn)動慣量小，起動、停止快。 [6] 圖 32 軌跡規(guī)劃圖 如上圖可知加速度是不變的，則加加速時間為最快速度與加速度之比。如矩形導(dǎo)軌的直線性與側(cè)面導(dǎo)軌的直線性在制造進互不影射；又如平 — V 導(dǎo)軌的組合，上導(dǎo)軌（工作臺）的橫向尺寸的變化不影射導(dǎo)軌的工作精度。 ④移動導(dǎo)軌（例如工作臺）在移動過程中，始終全部接觸的原則：也就是固定的導(dǎo)軌長，移動的導(dǎo)軌短。V 形導(dǎo)軌的尺寸為 B=20， b=2，α =90176。 ①軸承的載荷 根據(jù)載荷的大小選擇軸承類型時，由于滾子軸承中主要元件間是線接觸，宜用于承受較大的載荷，承載后變形也較小。當(dāng)承受徑向載荷的同時，還有不大的軸向載荷時，可行用深溝球軸承或接觸角不大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承；當(dāng)軸向載荷較大時可選用接觸角較大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，或者選用向心軸承和推行為軸承組合在一起的結(jié)構(gòu)，分別承擔(dān)徑向載荷和軸向載 荷。 ④軸承的安裝和拆卸 便于裝拆，也是在選擇軸承類型時應(yīng)考慮的一個因素，在軸承座沒有部分面而必須沿軸向安裝和拆卸軸承部件時，應(yīng)優(yōu)先選擇內(nèi)外圈可分離的軸承（如 N0000、 NA0000、30000 等）。其主要參數(shù)如下：內(nèi)腔尺寸： 15 30 外腔尺寸 20 30彎曲半徑 28。 （ 2）該 機構(gòu)為省力機構(gòu)。設(shè)工件為鋼質(zhì)，根據(jù)密度可計算出夾取工件的體積為 m－? 。 （ 1）材料的選擇 螺桿 45 號鋼， MPas 355?σ ；選擇梯形螺紋 15?β 176。55` 這里λ 8176。所以選擇兩個角接觸軸承背對背安裝。 計算得當(dāng)量動載荷為 P= （ 2）驗算壽命 36 )(6010 PCnL rh ? 其中： n— 帶輪轉(zhuǎn)速，這里取最大轉(zhuǎn)速為 500r/min rC ， P— 基本額定動載荷，當(dāng)量載荷。通過對兩個表的對比可以看出，按假設(shè)選定的各個部件都可以滿足使用的要求。 部件 質(zhì)量 機械手及負(fù)載 20kg 第二自由度及負(fù)載 70kg 第三自由度及負(fù)載 100kg 部件 質(zhì)量 機械手及負(fù)載 18kg 第二自由度及負(fù)載 56kg 第三自由度及負(fù)載 71kg 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 29 頁 對于第三自由度和機械手連接螺栓 mmd ? ，取 M8 可。各個自由度的連接都采用受橫向載荷的螺栓組連接，可按下式進行校核 fzmRKQ fp? 其中： f— 結(jié)合面間摩擦系數(shù)，取 f= m— 為結(jié)合面對數(shù) fK — 可靠性系數(shù)，取 fK = pQ — 每個螺栓的軸向載荷 R— 外載荷 z— 螺栓個數(shù) 所選取的螺栓的直徑為][ σπ pQd ?? 其中： Ssσσ?][ ； S 為安全系數(shù)， 經(jīng)過計算： 對于一、二自由度連接螺栓 mmd ? ，這里取 M8 可滿足要求。 各主要功能部件的可靠性分 析 直角坐標(biāo)機器人各個主要功能部件的選擇 與計算在 上一章已經(jīng)做了詳細(xì)的介紹，其間為了確定零部件的型號曾經(jīng)做了下面的假設(shè)，匯總在表 41 中。至于其它的附件的設(shè)計在圖紙中已經(jīng)給出，詳 見圖紙。 （ 4）螺桿強度計算 231221 )(3)4( dTdF ?? πσ 其中： T— 傳遞轉(zhuǎn)矩（ Nm）， `)ta n (2 2 ρλ ?? FdT = ? — 當(dāng)量應(yīng)力（ MPa）， 將各參數(shù)代入上式可得? =，查表 [10， ]得 53][ ?? sσσ 計算得 [? ]=11871（ MPa） ,? [? ]滿足 要求， 經(jīng)過上述的計算可知，選用的絲 桿 可滿足要求，絲