【文章內(nèi)容簡介】 構(gòu)自身要求：機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要簡潔，執(zhí)行簡單。以最簡單的機構(gòu)完 成最快速的運動。自由度數(shù)為 5； （ 4）承載能力要求：能夠抓取 25kg 的重物。 各種結(jié)構(gòu)形式的模塊 工業(yè)機器人組合模塊設(shè)計的重要步驟是研制標(biāo)準(zhǔn)化得結(jié)構(gòu)模塊（機械模塊、信息檢測模塊和控制模塊）和配套件（驅(qū)動裝置的、傳感器的、程序控制裝置的及其它附屬配件和夾具等）下面列出工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)模塊設(shè)定的符號表。 見表2 2 2 24所示。 工業(yè)機器人基本模塊由操作機的典型機械模塊組成。其中包括：承載系統(tǒng)， 13 完成排列、安裝和定向運動組件及夾持裝置。工業(yè)機器人輔助機械模塊有裝料臺、可換夾持器庫和壓緊裝置及其 它用于毛坯和被加工零件的中間存貯和定向，夾持器的更換以及其它輔助功能。由組合模塊構(gòu)成的工業(yè)機器人各種模塊的技術(shù)水平?jīng)Q定于所選擇的驅(qū)動裝置的類型（液壓的、電液的、電動的或氣動的）和程序控制裝置的類型（循環(huán)控制、數(shù)字控制、點位控制或輪廓控制）。 表 11 工業(yè)機器人操作機的結(jié)構(gòu)模塊 符號 結(jié)構(gòu)模塊形式 符號 結(jié)構(gòu)模塊形式 HO 固定基座 KM 單軌懸臂梁 HK 固定支柱 TC1 移動式小車（縱向行走） TN 單軌龍門架 TC 移動式小車（橫向行走） TM 單軌小車 PB3 鉸鏈杠桿式 手臂 TP 軌道式小車 KH 固定手腕（頭部） CK 轉(zhuǎn)臺 KH1 轉(zhuǎn)動手腕（一個自由度） CK1 擺動平臺（具有一個自由度） KH2 轉(zhuǎn)動手腕（兩個自由度） CK2 擺動平臺（具有兩個自由度） KH3 轉(zhuǎn)動手腕（三個自由度） KB 垂直行程（提升）小車 3Y1 單夾持器 PB 伸縮模塊（具有一個自由度） 3Y2 雙夾持器 PB1 伸縮回轉(zhuǎn)手臂（具有兩個自由度） 3YB 轉(zhuǎn)動式雙夾持器 PB2 鉸鏈杠桿式手臂（具有兩個連桿） 3YC 帶橫向偏移的夾持器 表 22 工業(yè)機器 人的驅(qū)動模塊 14 符號 結(jié)構(gòu)模塊形式 符號 結(jié)構(gòu)模塊形式 TQ 可調(diào)液壓驅(qū)動裝置 TG 直流隨動電驅(qū)動裝置 TW 可調(diào)氣壓驅(qū)動裝置 TJ 可調(diào)直流電驅(qū)動裝置 TH 電液步進驅(qū)動裝置 TA 可調(diào)交流異步電驅(qū)動裝置 TK 電液隨動驅(qū)動裝置 表 23 工業(yè)機器人的輔助模塊 符號 結(jié)構(gòu)模塊形式 符號 結(jié)構(gòu)模塊形式 TC 循環(huán)式工作臺 TH 可換夾持器 TR 可換夾持器庫 TE 手臂回轉(zhuǎn)補償機構(gòu) 表 24 工業(yè)機器人程序控制裝置 符號 結(jié)構(gòu)模塊形式 符號 結(jié)構(gòu)模塊形式 TX 循環(huán)程序控制 TB 標(biāo)準(zhǔn)化循環(huán)程序控制 TD 點位式數(shù)字程序控制 TBD 標(biāo)準(zhǔn)化點位式數(shù)字程序控 制 TS 輪廓式數(shù)字程序控制 TBL 標(biāo)準(zhǔn)化輪廓式數(shù)字程序控 制 TT 通用數(shù)字程序控制 工業(yè)機器人模塊的選擇 模塊選擇的原則 〔 1〕保證結(jié)構(gòu)上和功能上的獨立； （ 2）保證設(shè)計的靜態(tài)和動態(tài)特性； （ 3）具有在不同的位置和組合下與其它模塊構(gòu)成的可能性； （ 4）聯(lián)接元件、管線和配套件標(biāo)準(zhǔn)化； （ 5）單獨的或相近規(guī)格尺寸的組裝還有不同類型組件之間的組裝單元標(biāo)準(zhǔn) 15 化設(shè)計的可能性。 機械模塊的選擇 （ 1）小車模塊 選用單軌小車，能夠?qū)崿F(xiàn)水平方向的運動，實現(xiàn)一個自由度； （ 2）承載模塊 選用單軌龍門架，沒有帶來自由度； （ 3）轉(zhuǎn)動模塊 選用轉(zhuǎn)臺，能夠在垂直面內(nèi)帶動機器人手臂的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)一個自由度； （ 4）手臂模塊 選用伸縮回 轉(zhuǎn)手臂，能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的伸縮和手臂軸向的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)兩個自由度； （ 5）手腕模塊 選用固定手腕，沒有帶來自由度； （ 6）夾持模塊 選用單夾持器，能夠?qū)崿F(xiàn)一個自由度。 綜上所述，本設(shè)計采用的工業(yè)機器人組合形式為 TNTMCNPB2KHP。 配置簡圖和模塊的規(guī) 定符號等如表 2 26 所示： 表 25 工業(yè)機器人操作機機構(gòu)模塊 工業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu)模塊 承載系統(tǒng) 可移動車架 （小車） 轉(zhuǎn)動裝置 手腕模塊 機械手臂 執(zhí)行機構(gòu) （夾持器） TN TM CN KH PB2 P 表 26 工業(yè)機器人驅(qū)動與控制裝置模塊 工業(yè)機器人驅(qū)動裝置模塊 工業(yè)機器人程序控制裝置 TP 可調(diào)液壓驅(qū)動裝置 TY 標(biāo)準(zhǔn)化循環(huán)程序控制 TF 可調(diào)氣壓驅(qū)動裝置 16 TC 直流隨動電驅(qū)動裝置 模塊式工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)工業(yè)機器人 的任務(wù)和功能要求，制定工業(yè)機器人 的總體結(jié)構(gòu)圖如圖 21所示，技術(shù)特性如表 27所示。 表 27 模塊化工業(yè)機器人技術(shù)特性 承載能力， kg 25 結(jié)構(gòu)形式 TNTMCNPB2P 自由度數(shù) 5 ,xmm 600 ,ymm 1000 ()A 300 ()B 180 ()C 360 ()xms ()yms ()As 150 ()Bs 135 ()Cs 90 17 圖 21 工業(yè)機器人 示意圖 工業(yè)機器人的機械模塊主要由 六 部分組成： 承載模塊， 轉(zhuǎn)動模塊機構(gòu)、手臂模塊機構(gòu)和小車模塊機構(gòu)。以上機構(gòu)原理簡單、控制簡 便、重量合理，符合功能的要求。 3 手臂模塊的具體設(shè)計 本設(shè)計只針對工業(yè)機器人手臂模塊進行設(shè)計。而根據(jù)手臂要實現(xiàn)的自由度和完成的動作要求將設(shè)計內(nèi)容分為三部分：伸縮模塊、回轉(zhuǎn)模塊、定位模塊。本章還將這伸縮和回轉(zhuǎn)模塊的組成和工作方式進行詳細講解。 手臂模塊的整體設(shè)計 根據(jù)手臂要實現(xiàn)的自由度數(shù)要求，手臂的整體設(shè)計如圖 31所示，伸縮模塊機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的軸向移動，回轉(zhuǎn)模塊機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的軸向旋轉(zhuǎn)，通過定位法蘭盤與機器人轉(zhuǎn)動模塊聯(lián)接，實現(xiàn)整個手臂 跟 著轉(zhuǎn)動模塊 一起旋轉(zhuǎn) 。從而滿足手臂三個自由度數(shù)的要求。 18 圖 31 手臂示意 圖 伸縮模塊的設(shè)計 圖 32給出了伸縮 模塊 機構(gòu) 圖 ，它是采用雙作用氣缸驅(qū)動，保證操作機手臂實現(xiàn)行程 600mm 的往復(fù)運動。氣缸 6 裝在 1 中，空氣活塞桿 5 與活塞 4 螺紋聯(lián)接。在活塞桿前端通過導(dǎo)套 8 固定帶軸承 11 的 法蘭盤 9。在軸承上安裝帶法蘭的軸 7，在其上用螺母 10固定夾持裝置?；ㄦI 軸 7 與固定在套筒 16上的襯套 15活動聯(lián)接，而套筒 16裝在活塞 4內(nèi)孔和氣缸 6后蓋 3的導(dǎo)套 18 和 19 中，并與回轉(zhuǎn)機構(gòu)帶花鍵的輸出軸相聯(lián)接。為防止帶活塞 4的活塞桿 5相對 1發(fā)生轉(zhuǎn)動采用拉桿 20 和 21。在拉桿上裝彈簧緩沖 器 19和 21，以減小活塞桿 5在行程終點的沖擊。為拉出手臂，受壓空氣通過節(jié)流閥進入氣缸的活塞腔，而其活塞桿腔與大氣相通。這時活塞 4 移動，同時活塞桿 5 與軸 7一起拉出。為了得到反向運動，壓縮空氣通過反節(jié)流閥進入氣缸的活塞桿腔中，而其活塞腔與大氣相通。 （ a） 19 (b) 圖 32伸縮模塊 3后蓋； 4活塞； 5活塞桿； 6氣缸； 7花鍵軸； 8導(dǎo)套； 9法蘭； 10螺母； 11雙頭螺柱；12法蘭； 13軸承； 14螺釘； 15襯套； 16套筒； 17導(dǎo)套； 18導(dǎo)套； 19彈簧緩沖器； 20拉桿； 21拉 桿； 22彈簧緩沖器 20 回轉(zhuǎn)模塊 在工業(yè)機器人操作機手臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)。 見裝備圖第 2張， 回轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在機體 4 中，在滾動軸承 14 上安裝與齒條 3相嚙合的出輪 17 的軸。在齒輪— 軸 17 內(nèi)部裝有 花鍵 軸 15，它和 伸縮機構(gòu) 的套筒相聯(lián)接。在齒條 3相應(yīng)地安裝著液壓缸 10和氣缸 13 的活塞 11 和 12，活塞與活塞桿及缸套的連接由 U形密封圈 2 沿帶液壓緩沖器 11 的活塞 6工作表面的方向加以密封。在缸體端蓋 8 上安裝 扳 手用方柄小軸 7，其花鍵部分嵌入襯套 6中，當(dāng)小軸旋轉(zhuǎn)時，襯套就沿螺紋移動。襯套 6 上開有緩沖器 5用的槽。 旋轉(zhuǎn)小軸 7可以改變套筒 6的位置，亦即改變活塞 11 和 12 的位移，同時亦即改變操作機手臂轉(zhuǎn)動角。此外，在蓋上 8上裝有節(jié)流閥 9，在制動時用它在改變速度。在單向閥 18是用來向液壓缸 10工作腔中供油的，回轉(zhuǎn)機構(gòu)是由氣液轉(zhuǎn)換器驅(qū)動的。向液壓缸 10 的工作腔中注入油，此時，若向液壓缸一個工作腔注入油，則液壓缸相應(yīng)的另一個腔與排油端相連。在活塞 11 之一產(chǎn)生壓力時，活塞由一端極限位置移到另一端，同時實現(xiàn)軸15的轉(zhuǎn)動。此時，另一缸的活塞 6被強制推到擋塊上進入襯套 14 中。當(dāng)緩沖器5進入襯套 6 的孔中時，就逐步遮住縫隙，從而實現(xiàn)整個機 構(gòu)的制動。在另一個工作腔注入油時，軸 15 則換向轉(zhuǎn)動。在活塞 12中產(chǎn)生作用力時，氣缸 13 是用來在齒輪齒條傳動中自動選擇間隙。為此，氣缸 13 的工作腔彼此之間與從管路來的空氣內(nèi)存始終相連（見圖 33所示的 驅(qū)動 原理圖） 。 圖 33驅(qū)動原理圖 21 計算與校核 計算與校核軸輪傳動，傳動功率 P=,轉(zhuǎn)速 n=25r/min ，齒輪 45，調(diào)制處理硬度 B?? 240MPa, S?? 360MPa,軸上齒輪的齒數(shù) Z=37，模數(shù) m=2,計算步驟如表 31: 計算項目 計算內(nèi)容 計算結(jié)果 齒輪直徑 2 37d mz? ? ? 74d? mm 轉(zhuǎn)矩 T 661 0 .59 .5 5 1 0 9 .5 5 1 0 25PT n? ? ? ? ? ? 1 191000T N m m? 圓周力 2 2 1 9 1 0 0 0t TF d? ? ? 5162tFN? 徑向力 ta n 5162 ta n 20rtFF ? ?? ? ? 1879rFN? 畫齒輪受力圖 見圖 34 水平面反力 39。1 1879 260RF ?? 39。 1 63RFN? 垂直面反力 見圖 35 水平面受力圖 見圖 36 水平面彎矩圖 見圖 37 垂直面彎矩圖 見圖 38 合成彎矩圖 見圖 39，合成彎矩 22xy xzM M M?? 22 表 31 軸的計算 與 校核 續(xù)表 計算項目 計算內(nèi)容 計算結(jié)果 軸受轉(zhuǎn)矩 1TT? T=191000N 轉(zhuǎn)矩圖 見圖 310 5．許用應(yīng)力 許用應(yīng)力值 由文獻 [9]表 ： ? ?0b? =230MPa,? ?1b?? =135MPa 應(yīng)力校正系數(shù) ? ?10135230bb?? ???? ? = 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 0. 59 19 10 00T? ?? ,見圖 311 1 1 2 6 9 0 m mTN? ? 當(dāng)量彎矩 在左邊鍵中間截面上 ? ? 239。 2 2 21 2 8 8 6 1 1 2 6 9 0TMM ?? ? ? ? 39。 171203M N mm? 當(dāng)量彎矩圖 見圖 312 齒根圓直徑 1 2( ) 74 2 (1 0. 25 )fad d h c m? ? ? ? ? ? ? mm? 軸徑 ? ?39。39。 331 1b 1712030 .1 0 .1 1 3 5Md ? ??? ? 39。1d? 26 初步判斷 ? 截面有較大的應(yīng)力和應(yīng)力集中，下面以截面 ? 進行安全系數(shù)的校核。 23 續(xù)表 計算項目 計算內(nèi)容 計算內(nèi)容 對稱循環(huán)疲勞極限 軸 的 材料選用 45 鋼調(diào)質(zhì)， 由文獻 [11]可求得疲勞極限： 1 650bB??? ? ? ? ? 1 286b MPa?? ? 1 650B??? ? ? ? 1 195 aMP?? ? 脈動循環(huán)疲勞極限 011 .7 1 .7 2 8 6bb???? ? ? 0 486b MPa? ? 195???? ? ? 0 312MPa? ? 等效系數(shù) 1002 2 2 8 6 4 8 6486bbb???? ?? ? ???? ?? ? 1002 2 1 9 5 3 1 2312? ??? ?? ? ???? ?? ? ? 上的應(yīng)力 彎矩 6 0 0 1 8 7 8 2 8 0 0 .M N m m? ? ? ? 82800M N m m? ? 彎曲應(yīng)力幅 382800 420 .1 2 7a M M P aW?? ?? ? ? ?? 42a MPa? ? 彎曲平均應(yīng)力 0m? ? 0m? ? 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 27TTW? ?? ? ? ? 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅和平均切應(yīng)力 ???? ? ? ? ? 24 續(xù)表 計算項目 計算內(nèi)容 計算結(jié)果 有效應(yīng)力集中系數(shù) 應(yīng)在此截面處，有軸直徑變化，過渡倒角 c=2mm,由 D/d=32/27=,c/d=2/27= 和650B MPa? ? ， 由 文獻 [9] 附錄 表 1 查