【文章內(nèi)容簡介】 )交流伺服電機：交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進電機相比價格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管 GTO，大功率晶閘管 GTR 和場效應(yīng)管 MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機在調(diào)速性能方面可以與直流電機媲美。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。三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率，提供很高的響應(yīng)速度。(4)液壓伺服馬達(dá)：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/ 體積比，運動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動方式。常用的驅(qū)動器有電機和液壓、氣動驅(qū)動裝置等。其中采用電機驅(qū)動是最常用的驅(qū)動方式。電極驅(qū)動具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機器人應(yīng)用要求等特點。所以在這次設(shè)計中我選擇了直流電機作為驅(qū)動器。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。本課題的機器人將采用直流伺服電動機。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 控制系統(tǒng)選擇對于焊接機器人這種精度要求不高的工業(yè)機器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教方式作為一種成熟的技術(shù)，易被熟悉工作任務(wù)的人員掌握。無論是手把手示教或示教盒示教，都是以在線編程，由示教操作人員操作移動末端執(zhí)行器和手臂到所需的位置。然后記錄（存儲）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過程完成后，即可應(yīng)用，機器人以再現(xiàn)方式重復(fù)進行示教時存于存儲器的點位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過程的速度可以與示教時速度不同。利用示教手柄由人工引導(dǎo)末端執(zhí)行器經(jīng)過所要求的軌跡，此時位置傳感器就檢測出機器人操作機上各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)（或轉(zhuǎn)角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲存）下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時，機器人控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。手把手示教也能實現(xiàn)點位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。軌跡運動速度則按各軌跡程序段對應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。 確定關(guān)節(jié)型機器人手臂的配置形式手臂的配置形式反映了機器人操作機的總體布局。根據(jù)任務(wù)要求,要實現(xiàn)機器人焊接功能,則機器人的工作范圍要廣,所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點是占地面積小,工作范圍大,機器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。根據(jù)分析,可將機器人的參數(shù)列在表 21 中：表 21 關(guān)節(jié)型機器人的主要參數(shù)項目 技術(shù)要求 關(guān)節(jié)型機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 22 是整個機器人本體機械傳動系統(tǒng)的簡圖。機械傳動系統(tǒng)共有 30 個齒輪，為了實現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向 90176。,有 10 個齒輪為圓錐齒輪,有利于簡化系統(tǒng)運動方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu),則必然以空間交叉方式變向,就不利于簡化系統(tǒng)運動方程式的結(jié)構(gòu)形式。機器人主要由立柱與基座組成的回轉(zhuǎn)基座以及大臂、小臂、手腕組成。基座是一個鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié) 1 的驅(qū)動電機，在基座內(nèi)安置了關(guān)節(jié) 1的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座等。大臂和小臂的結(jié)構(gòu)形式相似，都由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。內(nèi)部鑄件既作臂的承力骨架，又作內(nèi)部齒輪組的輪殼與軸的支承座。大臂上裝有關(guān)節(jié) 2，3 的驅(qū)動電機，內(nèi)部裝有對應(yīng)的傳動齒輪組。關(guān)節(jié) 2，3 都采用了結(jié)構(gòu)型式 關(guān)節(jié)型自由度數(shù) 61?23?45?6運動范圍308186。 314186。 292186。 578186。 244186。 534186。最大速度 2m∕s腕部最大負(fù)荷 6㎏驅(qū)動方式 直流電機重復(fù)定位精度 控制方式 PTP∕CP操作方式 示教再現(xiàn)存儲容量 19kw質(zhì)量 機械本體 ?？刂乒?輸入∕輸出 32∕32 位電源 110～130V 交流。50～60Hz。安裝環(huán)境 5～46℃。(20～90)%RH圖 22 關(guān)節(jié)型機器人傳動原理圖三級齒輪減速，其中第一級采用錐齒輪，以改變傳動方向 90176。第二、三級均采用圓柱直齒輪進行減速。關(guān)節(jié) 2 傳動的最末一個大齒輪固定在立柱上；關(guān)節(jié) 3 傳動的最末一個大齒輪固定在小臂上。小臂端部連接具有 3R 手腕，在臂的根部裝有關(guān)節(jié) 4，5 的驅(qū)動電機，在小臂的中部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié) 6 的驅(qū)動電機。關(guān)節(jié) 4，5 均采用兩級齒輪傳動，不同的是關(guān)節(jié) 4采用兩級圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié) 5 采用第一級圓柱直齒輪，第二級錐齒輪，使傳動軸線改變方向 90176。關(guān)節(jié) 6 采用三級齒輪傳動，第一級與第二級為錐齒輪，第三級為圓柱直齒輪，關(guān)節(jié) 4，5，6 的齒輪組除關(guān)節(jié) 4 第一級齒輪裝在小臂內(nèi)以外，其余的均裝在手腕內(nèi)部。關(guān)節(jié)型機器人總體結(jié)構(gòu)如圖 23 所示。圖 23 關(guān)節(jié)型機器人的總體結(jié)構(gòu)所設(shè)計的機器人本體結(jié)構(gòu)特點如下：(1)內(nèi)部鋁鑄件形狀復(fù)雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡單，減輕了質(zhì)量。(2)軸承外形環(huán)定位簡單。一般在無軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。(3)采用薄壁軸承與滑動銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。(4)有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。(5)大、小臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機與臂的外壁僅有 間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。(6)工作范圍大，適應(yīng)性廣。PUMA 除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾乎是他的長臂所能達(dá)到的全球空間。再加之其手腕軸的活動角度大，因此使它工作時位姿的適應(yīng)性強。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié) 4，6 配合，一次就能轉(zhuǎn) 1112176。(7)由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動，調(diào)整齒輪間隙機構(gòu)，彈性萬向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度高。(8)機器人手臂材料的選擇：機器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計要求，機器人手臂要完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動，這將大大降低它的運動精度。因此，在選擇材料時，需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。機器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強度。手臂材料應(yīng)選擇高強度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機器人手臂是運動的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料做手臂。第三章 6 自由度焊接機器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計通過總體分析后,確定了 6 自由度焊接機器人的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計的腰關(guān)節(jié)部分采用二級齒輪減速傳動。Z4Z321?圖 31 大齒輪結(jié)構(gòu)圖 電動機的選擇表31 QZD08串勵直流電動機技術(shù)數(shù)據(jù)功率（W）額定電壓（V ）額定電流（A）額定轉(zhuǎn)速（r/min）濾磁方式 絕緣等級800 24 1750 串勵 B 計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比根據(jù)經(jīng)驗取主軸的轉(zhuǎn)速≤4rad/s。傳動裝置總傳動比 取 48，分二級傳動，第一級是加總i工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合，傳動比 =4；第二級傳動比為1i = =12 （36）2i481?總 軸的確定表 32名稱 轉(zhuǎn)速 輸入功率/W 輸入扭矩/ mN?材料n（ ）mi/rⅠ軸 1750 768 45鋼Ⅱ軸 45鋼Ⅲ軸 37SiMn2MoV 齒輪的參數(shù)表 34 第二級嚙合齒輪的幾何尺寸通過齒輪傳動的強度計算，只能確定出齒輪的主要尺寸，如齒數(shù)、模數(shù)、齒寬、螺旋角、分度圓直徑等，而齒圈、輪輻等的結(jié)構(gòu)形式及尺寸大小，通常都有結(jié)構(gòu)設(shè)計而定。齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計與齒輪的幾何尺寸、毛坯、材料、加工方法、使用要求及經(jīng)濟性等因素有關(guān)。進行齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須綜合地考慮上述各方面的因素。通常是先按齒輪的直徑大小，選定合適的結(jié)構(gòu)形式，然后再根據(jù)薦用的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。對于直徑很小的鋼制齒輪，當(dāng)為圓柱齒輪時，若齒根圓到鍵槽底部的距離 e2mt 當(dāng)為錐齒輪時，按齒輪小端尺寸計算而得的 e 時，均應(yīng)將齒輪和軸做成一體，叫做齒輪軸（如圖 3圖 34） 。若 e 值超過上述尺寸時，齒輪與軸以分開制造為合理。當(dāng)齒頂圓直徑 da≤160mm 時，可以做成實心結(jié)構(gòu)的齒輪，當(dāng)齒頂圓直徑 da 500mm事，可以做成腹板式結(jié)構(gòu)，腹板上開孔的數(shù)目按結(jié)構(gòu)尺寸大小及需要而定。當(dāng)齒頂圓直徑 400da1000mm 時，可做成輪輻式截面為“十”字形的輪輻式結(jié)構(gòu)的齒輪。大齒輪的大體結(jié)構(gòu)尺寸如圖 35 所示。具體尺寸祥見圖紙。名稱 符號 公式分度圓直徑 dmz5021??? mzd60322??齒頂高 ahha1?齒根高 f chaf 5.).()(??齒全高 fa4齒頂圓直徑 1ad da5421?hdaa6022?齒根圓直徑 f mff?mff 9?基圓直徑 1b ??齒距 ????齒厚 ss/齒槽寬 e 中心距 ada5/)(1?頂隙 .???? 圖 32 大齒輪結(jié)構(gòu)圖 自由度焊接機器人立柱設(shè)計查機械設(shè)計手冊，選擇立柱的材料為37SiMn2MoV合金結(jié)構(gòu)鋼 ，經(jīng)調(diào)質(zhì)硬度HBS可達(dá)269～302。柱的外形分為實腹柱和格構(gòu)柱，實腹柱又分為型鋼實腹柱和鋼板實腹柱兩種，格構(gòu)柱分為綴板式和綴條式兩種。本課題立柱的主要作用是用來固定軸承外圈，以免其發(fā)生相對滑動。根據(jù)軸承的已知參數(shù)（如表37） ，所以采用空心圓柱形狀。由（表37）可知，軸承的外徑為215mm，所以立柱的內(nèi)徑基本尺寸為d=215mm，取壁厚15mm，則外徑D 1=245mm。立柱的下端與基座相接觸，為使立柱固定不動，同時方便拆卸和組裝，基座與立柱之間用壓環(huán)和螺釘固定。選用的螺釘、墊圈和壓環(huán)的具體參數(shù)如表39所示。立柱底端取外徑D 2=257mm，長度l=278mm，總長L=897mm。詳見圖紙。表39 螺釘、墊圈、壓環(huán)的具體參數(shù)名稱 代號 材料 數(shù)量內(nèi)六角圓柱頭螺釘 GB/ M1050 45鋼 4墊圈 GB/ 45鋼 4壓環(huán) 45鋼 1 圖 33 立柱及固定螺釘、軸承 自由度焊接機器人基座設(shè)計6 自由度焊接機器人機座可分成固定式和行走式兩種，一般的工業(yè)機器人大多為固定式的。但隨著海洋科學(xué)，原子能工業(yè)及宇宙空間事業(yè)的發(fā)展，移動機器人、自動行走機器人的應(yīng)用也越來越多。本課題采用固定式機座。固定式機器人的機座直接聯(lián)結(jié)在地面基礎(chǔ)上，也可固定在機身上。主要包括立柱回轉(zhuǎn)（第一關(guān)節(jié)）的二級齒輪減速傳動，減速箱體即為基座。具體尺寸詳見圖紙。 圖 37 焊接機器人機座第四章 焊接機器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 41 腕部傳動原理圖表 41 主要規(guī)格參數(shù)手腕回轉(zhuǎn) ?120s/30?手腕擺動 ?9?動作范圍手腕旋轉(zhuǎn) ?36s/?額定載荷 kg4最大速度 sm/2 回轉(zhuǎn)部分 選擇電動機 選擇電動機的類型 由已知可知：手腕的最大負(fù)荷重量 m1=4kg，初估腕部的重量 m2=4kg，最大運動速度=2m/s 。 功率 w6028gVFP???取安全系數(shù)為 ，p== 160=192w考慮到傳動損失和摩擦，最終的電動機功率 P 額=200w。因此我選擇 Z 型并勵直流電動機，技術(shù)參數(shù)如下： 表 42 Z 型并勵直流電動機技術(shù)參數(shù) 傳動裝置的總傳動比及各級傳動比分配 傳動裝置的總傳動比先根據(jù)下式求角速度 = ＝ ＝20 r/s （41） ?為角速度(r/s) ，V 為運動速度（ m/s） ， R 為機械接口到轉(zhuǎn)動軸的距離(m)。?再求實際轉(zhuǎn)速 n’＝ （42）39。 ????n為轉(zhuǎn)速(r/min) 。39。n最后求得總傳動比i 總＝ ＝ 取整 i 總 1=1039。?型號 額定電壓（V）額定轉(zhuǎn)矩（N/m）額定轉(zhuǎn)速（ r/min）參考功率（W ）重量（kg）Z200/20400 200 1 2022 400 分配各級傳動比總的傳動比 i 總 1=10，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比i11=2，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比 i12＝5。 計算傳動裝置的運動參數(shù)和動力參數(shù) 軸的計算1 軸———電動機軸： kw ? （43）r/min2=nNpT??? 2 軸———高速軸： kw .38=.6 4η P0=2 ? N2= = = 1000 r/