【正文】 直徑大小變化時(shí)，需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。 a．有適當(dāng)?shù)膴A緊力 手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。 利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。 各部分的功能如下： 1) 底座，是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都安裝在基座上。環(huán)形超聲波電動(dòng)機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，使用在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空結(jié)構(gòu)傳遞信息。其功能是將輸入的受控電壓 /電流能量轉(zhuǎn)換為電樞軸上的角位移或角速度輸出。但是這類桁架機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)的反解比較困難；確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算量比較大。同一種運(yùn)動(dòng)形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。下面介紹幾種機(jī)器人手臂常用的材料 [7]： (l)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等高強(qiáng)度鋼：這類材料強(qiáng)度好，尤其是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增加了很多倍、彈性模量大、抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料 。從設(shè)計(jì)的理論出發(fā)，機(jī)器人手臂要進(jìn) 行各種運(yùn)動(dòng)。它反映了機(jī)器人的使用效率和生產(chǎn)水平，桁架機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度越高，則其使用效率越高，生產(chǎn)水平越高。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由前、后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成，其結(jié) 構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但是位置精度較低，存在平衡以及控制耦合的問題，故比較復(fù)雜。但結(jié)構(gòu)較龐大，動(dòng)作范圍小，靈活性差，且移動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，而且需架空線路。 自由度 自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，但是一般不包括手部（末端操作器）的開合自由度。（ 2）提高噴涂質(zhì)量和材料使用率。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。但缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。 機(jī)器人的組成 工業(yè)機(jī)器人是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī) 構(gòu)三部分組成。對(duì)于某些高精度產(chǎn)品，人工送取會(huì)產(chǎn)生人工污染。例如：日本的跳舞機(jī)器人、犬型機(jī)器人愛寶 (AIBO)；英國研制的履帶式 “ 手推車 ”及 “ 超級(jí)手推車 ” 排爆機(jī)器人；美國 iRobot 公司推出了能避開障礙，自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線吸塵器機(jī)器人 Roomba；上海世博會(huì)使用過的福娃機(jī)器人等等。 The main content of this paper is the use of robots to paint, robots can take the place of a lot of repetitive manual work, thereby reducing the labor intensity of workers, improve the production efficiency. Combined with the design of the various aspects of knowledge, in the design process to learn how to find problems. To solve the problem of problem. And in the design into their thoughts and ideas, enhance own innovation ability. Try to make the robot has the advantages of convenient use, simple structure. Keywords ： Robot； Structure design； Stepper motor； Rotary 1 1 緒 論 隨著人類科技的進(jìn)步，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)器人學(xué)成為近幾十年來迅速發(fā)展的一門綜合學(xué)科。機(jī)器人可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長期、頻繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)器人是有效的；此外，它能在高溫、低溫、 深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。它體現(xiàn)了光機(jī)電 一體化技術(shù)的最新成就，機(jī)器人作為其中的佼佼者更是發(fā)揮了不可磨滅的作用。 由于機(jī)器人的迅猛發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入學(xué)校教學(xué)是必然的。 3機(jī)器人能改善勞動(dòng)條件，避免各種工傷。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 一般機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、緩沖與定位，還有行走機(jī)構(gòu)組成。 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無污染，一般采用的壓力 ，最高可達(dá) 1MPa。 桁架機(jī)器人 3 桁架機(jī)器人又叫噴 涂 機(jī)器人（ spray painting robot）， 是可進(jìn)行自動(dòng)抓取或噴涂其他涂料的 工業(yè)機(jī)器人 ， 1969 年由挪威 Trallfa 公司（后并入 ABB 集 團(tuán)）發(fā)明。（ 3）易于操作和維護(hù) ， 可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。自由度表示了機(jī)器人靈活的尺度，在三維空間中描述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)需要六個(gè)自由度。 2 圓柱坐標(biāo)型桁架機(jī)器人：這種桁架機(jī)器人如圖 21（ b）的回轉(zhuǎn)型桁架機(jī)器人，通過兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手部空間位置的改變，手臂的運(yùn)動(dòng)系由垂直立柱平面內(nèi)的伸縮和沿立柱的升降兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)及手臂繞立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合而成。 圖 2. 1機(jī)器人的坐標(biāo)形式 [22] 6 圖 桁架機(jī)器人基本形式示意圖 [9] 規(guī)格參數(shù) 用途：抓取 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)自由度為 5 個(gè)。但速度越快產(chǎn)生的沖擊和震動(dòng)也越大，因此提高機(jī)器人的加減速速能力，保證機(jī)器人加速過程的平穩(wěn)性是非常重要的。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料并要求有一定剛度。 (2)鋁、鋁合金及其它輕合金材料：其共同特點(diǎn)是重量輕、彈性模量不大，但是材料密度小，但仍可與鋼材相比 。具體選用哪種形式，必須根據(jù)作業(yè)要求、工作現(xiàn)場(chǎng)、位置以及搬運(yùn)前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較并擇優(yōu)選取。 桁架機(jī)器 人的驅(qū)動(dòng)元件 在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，來獲得動(dòng)力。直流伺服電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與普通動(dòng)力用直流電機(jī)相同。 HD電動(dòng)機(jī)是一種小型大轉(zhuǎn)矩 (大推力 )的電動(dòng)機(jī)，電 動(dòng)機(jī)可直接與負(fù)載連接，可應(yīng)用在系統(tǒng)定位精度要求高的機(jī)器人產(chǎn)品中。 2) 立柱是手臂的支撐部分，通過安裝在底座上的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，立柱可以在機(jī)座上轉(zhuǎn)動(dòng)。 這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。對(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。 液壓缸右腔停止進(jìn)油時(shí)，液壓缸右腔進(jìn)油時(shí)松開工件。平動(dòng)型的特點(diǎn)是手指由平行四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，當(dāng)手爪夾緊和松開物體時(shí)，手指姿態(tài)不變，作平動(dòng)。 7 . 3 7 1 . 4 5 1 0 . 6 9Q Q S N? ? ? ? ?安 全 值 最 大 值 14 夾緊力 Q 與壓強(qiáng)的關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，如圖 25 所示。 m2）； ? — 偏轉(zhuǎn)角速度（ rad/s）； m — 質(zhì)量（ kg）； m負(fù) — 負(fù)載質(zhì)量（ kg）； 啟t — 啟動(dòng)時(shí)間（ s）； ? — 部分材料密度（ kg/m3）； v — 末端的線速度（ m/s）。 電機(jī)在工作中實(shí)際要求轉(zhuǎn)矩 ?? aiMM ?總電 N b. 按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算 (1) 計(jì)算齒輪的分度圓直徑 dt≧ ? ?3 22 11dkTHZE??? ?? (433) =34221*1 11 ? = （ 2） .計(jì)算圓周速度 v= 1000*60dtn? (434) = 1000*60 26**? =（ 3） .齒寬 b=d? *dt=*= (435) (4).計(jì)算齒寬與齒高之比 hb 模數(shù) mt=zdt =(436) 齒高 h==*= (437) hb =（ 5） .計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù) v=,7 級(jí)精度，由圖可查得動(dòng)載系數(shù) Kv= 直齒輪， KH? =KF? =1 由表查得使用系數(shù) KA= 19 由表查得 7級(jí)精度，齒輪懸臂布置時(shí)， KH? = 由hb=， KH? =，查得 KF? =；故載荷系數(shù) K=KAKvKH? KH? =*1**1*= (438) （ 6） .按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由公式得： d=dt3KtK== (439) (7).計(jì)算模數(shù) m m=d/z=(4310) 彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 m≧ ? ?3 22 zdKTFYFaYSa ?? ???????? (4311) a. 確定公式內(nèi)各參數(shù)的值 （ 1） .查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 MPaFE 5001?? ；齒條的彎曲疲勞強(qiáng)度極限MPaFE 3802 ?? （ 2） .查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1=；齒條的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN2=； （ 3） .計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=，由公式得： 齒輪的許用應(yīng)力 ? ?F? = S FEKFN 11? = 500* = (4312) 齒條的許用應(yīng)力 ? ?F? = S FEKFN 22? = 380* = (4313) (4).計(jì)算載荷系數(shù) K K=KAKvKF? KF? =**1*= (4314) (5).查取齒形系數(shù) 查得齒輪的齒形系數(shù) YFa= (6).查取應(yīng)力校正系數(shù) 查得 YSa= (7).計(jì)算 ? ?FYFaYSa?= * = (4315) 20 b. 設(shè)計(jì)計(jì)算 m≧ ? ?3 22 zdKTFYFaYSa ?? ???????? (4316) =3 2420 10* **4 2 *2*0 1 4 6 = 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于 由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù) 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m=2mm,按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 d=，算出齒輪齒數(shù) z=d/m=這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。 m)； l —— 臂的長度（ mm）， 2021l? mm； ? —— 臂材料的密度（ kg/m3）， ??? kg/m3； B —— 臂的外寬（ mm）， 180?B mm； H —— 臂的外長（ mm）， 180?H mm； b —— 臂的內(nèi)寬（ mm）， 150?b mm； h —— 臂的內(nèi)高（ mm）， 150?h mm； d —— 旋轉(zhuǎn)中心的偏移量（ mm）， 40?d mm； ? —— 臂擺動(dòng)的角速度 （ rad/s）； v —— 工作速度（ m/s）， ?v m/s； 啟t —— 啟動(dòng)時(shí)間（ s）， 啟 t =； 22 /l —— 電機(jī)安裝位置， 200/ ?l mm。 圖 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線，如圖 所示。 d=mz=2*20=40mm (4317) b．計(jì)算齒輪齒條寬度 b= d? *d=*40=18mm, (4318) 取齒輪寬度 B=17mm,齒條寬度為 B=16mm. da=d+2ha*m=40+2*2=44mm (4319) df=d2(ha+c)m=402**2=35mm (4320) P=? m=2?