【正文】 的突出特點(diǎn)是具備較強(qiáng)機(jī)動(dòng)性、靈活性，機(jī)構(gòu)承載能力強(qiáng)，具有較好的通用性，重復(fù)定位精度高，動(dòng)作速度快，能夠成功的應(yīng)用于包裝、上下料以及工業(yè)生產(chǎn)等廣泛領(lǐng)域，設(shè)計(jì)將主要圍繞球坐標(biāo)型機(jī)械臂各部件結(jié)構(gòu)，將采用模塊化思想，進(jìn)行機(jī)械臂包括機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，此課題為自擬實(shí)際開發(fā)的科研課題。1991年世界上4萬(wàn)余臺(tái)在生產(chǎn)上應(yīng)用的裝配機(jī)器人中，球坐標(biāo)型機(jī)器人占了很大的比重。隨著國(guó)內(nèi)教育和科技的發(fā)展，哈工大等高校出現(xiàn)了專門的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，研究水平在某些方面己達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在滿足所要求功能的前提下，盡可能降低成本，而對(duì)實(shí)踐的功能要求不高，速度等參數(shù)可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，定位精度要求也不高，故機(jī)構(gòu)盡可能采用規(guī)則件、標(biāo)準(zhǔn)件，驅(qū)動(dòng)元件采用便宜的直流伺服電機(jī)，而光電碼盤等測(cè)試校驗(yàn)元件則可不用，其功能由軟件部分實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。圖9 傳動(dòng)圖 如圖所示:大臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用行星齒輪減速器，小臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用二級(jí)同步帶減速，伸縮軸采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)。1200，300/s； 小臂長(zhǎng)度及回轉(zhuǎn)角度：300mm，177。7. 對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要小。：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。而除了步進(jìn)電機(jī)，其他類型的電動(dòng)機(jī)都可以作為伺服電機(jī)使用?？諝馐呛芎玫慕^緣體，因此，直流電機(jī)的總熱傳導(dǎo)系數(shù)相當(dāng)?shù)?。與普通的低俗電動(dòng)機(jī)不同的是適應(yīng)直接驅(qū)動(dòng)的低速電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)必須具備以下幾點(diǎn)要求： 力矩慣量比大滿足這一要求是為了減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)慣量的影響，提高系統(tǒng)的快速性。圖11 直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線球坐標(biāo)型機(jī)械臂負(fù)載并不大，決定了機(jī)械臂必須重量輕(2040Kg)，另外其作業(yè)范圍也不大，所以機(jī)械臂必須體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。因?yàn)閷⑿”凵炜s軸伸開至最大并與機(jī)座呈90度時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時(shí)可產(chǎn)生直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。則:Z2=i1Z1=5Z1=65根據(jù)[12]，取Z2=60同理可得:Z3=17, Z4=40重新計(jì)算傳動(dòng)比:i1=Z2/Z1=i2=Z4/Z3=i=i1i2= , II, III, N各帶輪的直徑:d1 =, d2=d3 =, d4=由[12]式(15)可得帶長(zhǎng)計(jì)算公式: Lp=2Lcos +π（d2+d1）/2+π（d2d1）/180 （42）式中:L一中心距mm Lp一 帶長(zhǎng)mm =arcsin((d2d1)/2L)代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得:Lp1=2L1cos 1+π1（d2+d1）/2+π1（d2d1）/180 =2x90xcos[arcsin()/2L1)]+πx（+）/2+π1 x（）/180=382mm同理可得：Lp2=402mm按[12]，選擇最接近算值的標(biāo)準(zhǔn)帶長(zhǎng):Lp1 = ，齒數(shù)80， 代號(hào)160Lp2 =，齒數(shù)80，代號(hào)160近似計(jì)算中心距: L≈M+ （43）式中:M=Pbx（2ZbZ1Z2）/8 L一中心距 mmPb一節(jié)距， mmZb一帶齒數(shù)，這里Zbl=80. Zb2=125Z2,ZI為配合帶輪齒數(shù)則: M1=Pb1x（2Zb1Z1Z2）/8=（2x801360）= L1=M1+=取整，則L1=100mm 同理可得：M2= L2=取整，則L2=115mm進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)帶寬的選擇:小帶輪I齒數(shù)ZI=13，轉(zhuǎn)速為n=25r/min由[12]= W 嚙合齒數(shù):Zm=Z1/2PbZ1(Z2Z1)/2π2b1 （44） =13/（6013）/2π2x103 =6則嚙合齒數(shù)系數(shù)為: KZ = I一 (6一Zm)= 由文獻(xiàn)[13]表420可以查Pb==,同步帶寬為: bs=(Pd/P0KZ)1/=()1/=查文獻(xiàn)【13】表425得帶寬的標(biāo)準(zhǔn)值，為安全可靠， 帶寬bs=， 帶寬系數(shù):KW=（bs/bso）=， [2]得：Ta=, [l]得:m= kg/m 帶的圓周速度:v=PbZ1n1/60000= 帶的工作能力:P=(K2KwTabsmv2/bso)vx10 （45） =() ==Pd 額定功率大于設(shè)計(jì)功率，故帶的傳動(dòng)能力足夠。軸承部分45mm，軸承選為單列向心推力球軸承，軸承型號(hào)為66000，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。 殼體設(shè)計(jì)機(jī)身部分采用鑄鐵材料，方形結(jié)構(gòu)。大臂采用鑄造成型再經(jīng)過一些加工，如圖19所示。本文主要完成了工業(yè)機(jī)器人球坐標(biāo)型機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。此次設(shè)計(jì)經(jīng)過將近三個(gè)月的努力，但還沒有盡善盡美，還要根據(jù)社會(huì)的需求不斷改進(jìn)完善。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，本文的選題、論證、課題研究以及論文的撰寫工作均是在導(dǎo)師耿軍曉的直接關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。我還要感謝父母這些年來(lái)對(duì)我無(wú)怨無(wú)悔的支持和幫助，是他們供養(yǎng)我完成了整個(gè)大學(xué)課程的學(xué)習(xí)，愿他們身體健康，生活幸福。在論文完成之際，謹(jǐn)向耿老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。時(shí)光飛逝，轉(zhuǎn)眼間我已是一個(gè)即將畢業(yè)的大學(xué)生，大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中得到了充分的應(yīng)用和發(fā)展。其中第三個(gè)自由度為移動(dòng)關(guān)節(jié)。側(cè)面用塑料，厚度3mm左右。機(jī)械臂的整個(gè)機(jī)身的重量都?jí)涸诹说装嫔?，因此，以保證足夠的強(qiáng)度。 大臂輸出軸設(shè)計(jì)圖15 大臂輸出軸 由式33知，此軸的設(shè)計(jì)功率為Pd=0 .382W，轉(zhuǎn)速w=150/s,n=15x60/360=： d≧C=最小軸徑在兩臂連接處，有鍵槽，且承受一定彎矩，故取d=10mm，軸承部分軸徑選用 10，其余按結(jié)構(gòu)確定。 絲杠剛度計(jì)算 一個(gè)導(dǎo)程的變形量的最大值: =4ps/πEd12+16Ms2/π2Gd14 （47） 式中:p一軸向載荷200 N s一 導(dǎo)程 2mm E一 D1一 絲杠小徑 9mm M一絲杠傳遞扭矩,，M=T= G一 切變模量 將數(shù)據(jù)代入得: =一米變形量為: 1000=200mm變形量為： 200=200s/2=\由變形量可知，絲杠變形較小，剛度足夠。如圖9所示，設(shè)兩臂繞重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JG1根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: J1=JG1+ml12 （31） 其中，m=20kg l1為重心到第一關(guān)節(jié)處的距離，其值為600mm 在式31中，JG1《m1l12可忽略不計(jì) 所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: J1 = ml12 （32） =20 = 2 第一自由度無(wú)刷直流伺服電機(jī)的選擇設(shè)大臂旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為w0=300/s，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下(靜摩擦力矩忽略不計(jì)):T=Jw （33）式中:J一轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2W0一角加速度 rad/s2使機(jī)器人大臂從w0=0到w1=300/s所需的時(shí)間為: △t= :T1=J1xW1=J1x(ww0)/t=（）=. 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為:T01= = =選擇行星齒輪減速器其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖12 行星齒輪箱 型號(hào):GP 62 技術(shù)參數(shù)表1 行星齒輪箱的數(shù)據(jù)參數(shù)行星齒輪箱直齒輸出軸輸出軸輸出端軸承輸出端軸承徑向間隙（離法蘭7mm處）徑向間隙（離法蘭7mm處）向間隙軸向間隙最大允許軸向載荷最大允許軸向載荷最大允許安裝力最大允許安裝力輸入輸出旋轉(zhuǎn)方向輸入輸出旋轉(zhuǎn)方向推薦允許輸入速度推薦允許輸入速度推薦運(yùn)行溫度范圍推薦運(yùn)行溫度范圍最大連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩:減 速 比 : i1 =100:1重 量 : 設(shè)行星齒輪減速器的傳遞效率: =70%,步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為: Tow1=TO1/(i1. )=60/()= (34)選擇直流無(wú)刷伺服電機(jī)：EC 45表2 第一自由度無(wú)刷伺服電機(jī)參數(shù)額定電壓36V空載轉(zhuǎn)速6300rpm空載電流397mA額定轉(zhuǎn)速5590rpm額定轉(zhuǎn)矩318mNm額定電流堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩3160mNm堵轉(zhuǎn)電流最大效率85%相間電阻相間電感轉(zhuǎn)矩常數(shù)速度/轉(zhuǎn)矩常數(shù)機(jī)械時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)子慣量209gcm2機(jī)殼環(huán)境熱阻繞組機(jī)殼熱阻繞組熱時(shí)間常數(shù)電機(jī)熱時(shí)間常數(shù)1570s環(huán)境溫度范圍20—+100度繞組最高允許溫度+125度最高允許轉(zhuǎn)速12000rpm軸向間隙徑向間隙預(yù)載最大軸向載荷20N最大允許安裝力170N最大徑向載荷180N電機(jī)磁極對(duì)數(shù)1相數(shù)3電機(jī)質(zhì)量1150g速度常數(shù)176rpm/v 第二自由度無(wú)刷伺服電機(jī)的選擇第二自由度是小臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即俯仰運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電機(jī)主要承受的主要是小臂軸回轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，則小臂產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為: T2=GL=200=設(shè)安全系數(shù)為2，同步帶減速比i=10，同步帶傳動(dòng)效率為: =85% (單級(jí)傳動(dòng))。又通過以上比較，由于步進(jìn)電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，初選上述方案中的步進(jìn)電機(jī)方案進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和選擇，并在此基礎(chǔ)上參考同類機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方案，最后確定一種適合我國(guó)國(guó)情的實(shí)施方案。 位置速度控制精度高用直接驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)往往其運(yùn)行特性要求具有很高的位置、速度控制精度。在定子中產(chǎn)生的熱量通過電動(dòng)機(jī)機(jī)體傳導(dǎo)再散失到空氣中。在所有電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行中的一個(gè)重要問題是散熱，和其他設(shè)備發(fā)熱一樣，電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的熱量最終使其尺寸和功率的決定性因素。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達(dá)到很高的精度。通常的機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)方式有以下四種:：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低廉。3 工業(yè)機(jī)器人球坐標(biāo)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)方案的對(duì)比分析及選擇對(duì)機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)裝置的一般要求如下: ，單位重量的輸出功率(即功率/重量比)要高，效率也要高。方案一具有以下特點(diǎn):，適合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，減速比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載能力大、噪音小、效率高、定位安裝方便，由于使用標(biāo)準(zhǔn)件，價(jià)格也不高。，重量輕工業(yè)機(jī)器人要求抓取重量不大，動(dòng)作范圍也很小，故體積很小，展開一般不超過一米左右。但總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)機(jī)器人發(fā)展還是趨于落后，特別是在應(yīng)用方面發(fā)展緩慢。從事印刷電路板上電子元器件的插入作業(yè)。為了滿足靈活性強(qiáng)、工作空間大、重量輕及結(jié)構(gòu)緊湊等工作要求，將其設(shè)計(jì)為具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人球坐標(biāo)型機(jī)械臂。工業(yè)機(jī)器人的組合式模塊化設(shè)計(jì)過程見圖8所示。（4） 低價(jià)格。目前機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的研究工作從智能化程度來(lái)區(qū)分，主要分2個(gè)方向：一是全功能通用機(jī)器人的研究，追求高智能化，即在計(jì)算機(jī)控制下的視、觸、聽、嗅覺與肢體動(dòng)作協(xié)調(diào)一致、高度擬人化的機(jī)器人；二是不過于強(qiáng)調(diào)機(jī)器人的智能化，提供價(jià)格和性能都能令人滿意的簡(jiǎn)易型機(jī)器人。它經(jīng)歷了第一代工業(yè)機(jī)器人的研究、實(shí)用化、普及，第二代感知功能機(jī)器人的研究、實(shí)用化，以及第三代智能機(jī)器人的研究等各個(gè)階段。與第一代示教再現(xiàn)型機(jī)器人不同，第二代機(jī)器人是具有感覺功能的適應(yīng)控制機(jī)器人。因此，用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式難以滿足人們的需求，當(dāng)前柔性制造系統(tǒng)的飛速發(fā)展正是適應(yīng)了這種發(fā)展趨勢(shì)，而機(jī)器人是柔性系統(tǒng)中不可缺少的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的關(guān)鍵設(shè)各。在放射性環(huán)境中，如在核電站里，機(jī)器人可用來(lái)檢查、修復(fù)管道、閥門等，如日本東芝公司研制的一種蛇形機(jī)器人，具有八個(gè)關(guān)節(jié)，可以在狹小的空間里操作，臂頂端裝有電視攝像機(jī)。搬運(yùn)物料的作業(yè)包括為機(jī)床上下料，為自動(dòng)生產(chǎn)線轉(zhuǎn)運(yùn)工件，搬運(yùn)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床一起組成柔性加工系統(tǒng)，一條柔性生產(chǎn)線可配置幾臺(tái)至十幾臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人，典型的搬運(yùn)機(jī)器人是T3和Funac機(jī)器人。它們?cè)谲娛鹿I(yè)和生產(chǎn)領(lǐng)域中大有作為。弧焊作業(yè)由于其焊縫多為空間復(fù)雜曲線，故多由人工完成，連續(xù)軌跡控制的機(jī)器人可以勝任此任務(wù)，故廣泛用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和容器的焊接。 (3)第三代機(jī)器人即智能機(jī)器人。 4.