【正文】 的，對(duì)象外部的代碼就沒(méi)有機(jī)會(huì)通過(guò)直接修改對(duì)象的內(nèi)存區(qū)域而妨礙對(duì)象發(fā)揮其功能。在軟件實(shí)際編制過(guò)程中，我們將不同的輸入輸出操作封裝在不同的類中，控制功能是通過(guò)調(diào)用類的一個(gè)實(shí)例即對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。 本章小結(jié) 本章首先講述了串聯(lián)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，提出串聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，然后介紹了與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的概念，如自由度、工作空間、機(jī)器人分類，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人是 7 自由度關(guān)節(jié)型弧焊機(jī)器人。 其次，根據(jù)課題對(duì)機(jī)器人提出的技術(shù)要求，對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，具體包括機(jī)器人的 7 個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自由度分配、機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)型式；以及機(jī)器人的外形，模仿 MOTOMANVA1400。 最后比較分析幾種機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式，選擇采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，介紹了機(jī)器人的控制系統(tǒng)的硬件和軟件部分。 217 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第三章 7 自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 引言 根據(jù) MOTOMANVA1400 提出的設(shè)計(jì)技術(shù)要求和機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖，如下圖 31，對(duì)其結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)行每一個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)、減速器理論計(jì)算和選擇，利用《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，對(duì) B、T 關(guān)節(jié)同步帶進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇。根據(jù)調(diào)研和計(jì)算初定 B、T、R三個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)選都選擇 3000 轉(zhuǎn)，200V 的電機(jī)，其他關(guān)節(jié)選 1500 轉(zhuǎn)，200V 的電機(jī)。 圖 31 機(jī)器人 MOTOMANVA1400 機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖 227 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 減速器類型選擇 減速器是指原動(dòng)機(jī)與獨(dú)立封閉式傳動(dòng)裝置，用來(lái)降低轉(zhuǎn)速并相應(yīng)的增大轉(zhuǎn)矩，扭矩輸出比例按電機(jī)輸出乘減速比，但要注意不能超出減速機(jī)額定扭矩，減速同時(shí)降低了負(fù)載的慣量，慣量的減少為減速比的平方。減速器的種類很多，這里僅討論由齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)以及由它們組成的減速器。若按傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)劃分，這類減速器有以下五種： （1）齒輪減速器 主要有圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速和圓錐圓柱減速器。 （2）蝸桿減速器 主要有圓柱蝸桿減速器、環(huán)面蝸桿減速器、蝸桿齒輪減速器。 （3）行星齒輪減速器 （4）擺線針輪減速器 （5）諧波齒輪減速器 為了匹配 MOTOMANVA1400 外形和設(shè)計(jì)技術(shù)要求，選擇日本安川公司生產(chǎn)的機(jī)械手專用減速器，如下圖 333。 圖 32 機(jī)械手專用減速器上端面237 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 33機(jī)械手專用減速器下端面 同步帶類型選擇 同 步 帶 傳 動(dòng) 是 由 一 根 內(nèi) 周 表 面 設(shè) 有 等 間 距 齒 形 的 環(huán) 行 帶 及 具 有 相 應(yīng) 吻合 的 輪 所組 成 。 它 綜合 了 帶 傳 動(dòng)、 鏈 傳 動(dòng) 和齒 輪 傳 動(dòng) 各自 的 優(yōu) 點(diǎn) 。轉(zhuǎn) 動(dòng) 時(shí) ，通 過(guò) 帶 齒與 輪 的 齒 槽相 嚙 合 來(lái) 傳遞 動(dòng) 力 。同 步 帶 傳 動(dòng)具 有 準(zhǔn) 確 的傳 動(dòng) 比 ，無(wú)滑 差 ，可 獲 得 恒定 的 速 比 ，傳 動(dòng) 平穩(wěn) ， 能吸 振 ，噪 音 小 ，傳 動(dòng) 比 范圍 大 ，一般可達(dá) 1:10 。 同 步帶 的 特 點(diǎn) ： （ 1） 傳 動(dòng)準(zhǔn) 確 ， 工 作時(shí) 無(wú) 滑 動(dòng) ，具有恒定的傳動(dòng)比； （ 2） 傳 動(dòng)平 穩(wěn) ， 具 有緩 沖 、 減 振能 力 ， 噪 聲低 ； （ 3） 傳 動(dòng)效 率 高 ， 可達(dá) ， 節(jié) 能效 果 明 顯 ； （ 4） 維 護(hù)保 養(yǎng) 方 便 ，不 需 潤(rùn) 滑 ，維 護(hù) 費(fèi) 用 低； （ 5） 速 比范 圍 大 ， 一般 可 達(dá) 1 0， 線 速度 可 達(dá) 50 m s ，具有較大的功率傳 遞 范 圍， 可 達(dá) 幾 瓦到 幾 百 千 瓦； （ 6） 可 用于 長(zhǎng) 距 離 傳動(dòng) ， 中 心 距可 達(dá)10m 以上。 同步帶分為梯形齒型同步帶和弧齒型同步帶。 梯形齒形同步帶，又分單面有齒和雙面有齒兩種，簡(jiǎn)稱為單面帶和雙面帶。雙面帶又按齒的排列方式分為對(duì)稱齒型（代號(hào) DA) 和交錯(cuò)齒型(代號(hào) DB〕。梯形齒形同步帶有兩種尺寸制：節(jié)距制和模數(shù)制。我國(guó)采用節(jié)距制，并根據(jù) ISO 5296 制247 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 訂了同步帶傳動(dòng)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 11361～113621989 和 GB/T 116161989。 弧齒同步帶除了齒形為曲線形外，其結(jié)構(gòu)與梯形齒形同步帶基本相同，帶的節(jié)距相當(dāng)，其齒高、齒根厚和齒根圓角半徑等均比梯形齒大。帶齒受載后，應(yīng)力分布狀態(tài)較好，平緩了齒根的應(yīng)力集中，提高了齒的承載能力。故弧齒同步帶比梯形齒形同步帶傳遞功率大，且能防止嚙合過(guò)程中齒的干涉?；↓X同步帶耐磨性能好，工作時(shí)噪聲小，不需潤(rùn)滑，可用于有粉塵的惡劣環(huán)境。已在食品、汽車、紡織、制藥、印刷、造紙等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 本文設(shè)計(jì)時(shí)，采用雙面梯形齒型同步帶。 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1J = mR1= 3 （31） 2w240。a =610240。= (32)rad2 T 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)交流伺服電機(jī)和減速器、同步帶的選擇 腕部旋轉(zhuǎn)由電機(jī)通過(guò)同步帶和減速器機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。設(shè) T 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑 R = 200mm ，焊具的總重量 m = 3kg ，則其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 22= ? m設(shè)機(jī)器人手部角速度ω從 0 加速到 610176。 s 所需時(shí)間 t = ，則其角加速度 180t180 s負(fù)載啟動(dòng)慣性矩（靜摩擦力矩忽略不計(jì)） T1 = = (33) = N ? m考慮到機(jī)器人的各部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，選擇減速器工況系數(shù) k = ，則減速器所需要的輸出額定轉(zhuǎn)矩 257 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）減速器的選擇 T = k. J1= = N ? m(34) ni = 36016n=ii =30= （36） TT == (37) 由于同步帶、減速器與交流伺服電機(jī)相連，其輸入轉(zhuǎn)速可調(diào)，工作條件為“恒扭矩”，則按最高轉(zhuǎn)速選擇機(jī)型。 設(shè)同步帶傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比為 i0 = 3 ，T 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角速度 w = 610o s ，由于該關(guān)節(jié)選擇 n = 3000r min ，該關(guān)節(jié)總傳動(dòng)比 i160ww= 6 3000 247。 610 (35) = ≈ 30所以，減速器減速比 i 為 33= 10綜 合 考 慮， 選 擇 如 下減 速 器 ， 安川 機(jī) 械 手 專用 減 速 器 ，額 定 輸 出 轉(zhuǎn)矩 ： ；減速比： i = 10 。 （2）電機(jī)的選擇 取同 步帶、減速器 傳動(dòng)的傳動(dòng) 效率均取 231。 = ，交 流伺服電機(jī)應(yīng) 輸出的力矩： 30 = 26電機(jī)轉(zhuǎn)速 w =2240。 n607 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 電機(jī)額定功率 p p = Tout.w==2240。 60 3000 （38） radr3）小帶輪齒數(shù) z綜合考慮，選擇如下電機(jī)：型號(hào) SGMPH01AYR；額定輸出轉(zhuǎn)矩： ；額定功率 100w ；額定轉(zhuǎn)速： 3000rpm。 200V 。 （3）同步齒形帶（梯型齒形帶）傳動(dòng)設(shè)計(jì)的選擇 從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速： n2 = r min ，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速： n1 = i0 .n2 = min ，同步s步帶傳遞的名義功率 p 可表示為： P = T .w= (39) = 1）求設(shè)計(jì)功率 pd由文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[13]中表 中，查得載荷修正系數(shù) KA = ， 因?yàn)槲词褂脧埦o輪，又是減速傳動(dòng)，故附加修正系數(shù)均為零。則， Pd = = (310) = 2）選擇帶型和節(jié)距 pb 1 minXL 型，對(duì)應(yīng)節(jié)距為 Pb = 。 1根據(jù)帶型 XL 和小帶輪轉(zhuǎn)速 n1 ，由表 查得小帶輪的最小齒數(shù) Z min = 10 ，在此處取 Z 1 = 12 。 277 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4）小帶輪的節(jié)圓直徑 d1d 1 ==Z1Pb240。12 240。(311) 由表 查得其外徑 5）大帶輪齒數(shù) z26）大帶輪節(jié)圓直徑 d2da1z2= = d1 ? 2228。= ? (312) = = i ? z1= 312 (313) = 36d2==Z 2Pb240。36 240。(314) 由表 表查得其外徑 7）帶速 vda2= = d2 ? 2228。= ? (315) = v ==240。 d n1 1601000240。 601000m(316) = s287 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8）初設(shè)軸距：因?yàn)?初設(shè)軸距 a0 = 100mm 。 9）帶長(zhǎng)及其齒數(shù) (d1+ d2)≤ a0≤ 2(d + d122)且 ≤ a0≤ ，所以L0= 2 a0+240。 (d1+ d2)+( d2? d1 )24a02= 2 100 +240。 ( + )2+( ?)4 100(317) 由 表= 查 得應(yīng) 選 用 帶 長(zhǎng) 代號(hào) 為130的XL型同 步 帶 ， 其 節(jié)線 長(zhǎng)LP= ，節(jié)線上的齒數(shù) z = 65 。 10）實(shí)際軸間距 a此結(jié)構(gòu)的軸間距可調(diào)整 a ≈ a0+Lp? L02= 100 + ? 2(318) 11）小帶輪嚙合齒數(shù) zz p z= m1 b 1?zm= ent??2?2240。2a( z2? z1)??= ent???122?2 122240。  (36 ?12)???= ent= 6[6](319) 12）基本額定功率 p 0p0=(Ta? mv2)v(320) 由表 查得 Ta1000= , m = kgm 2913）所需帶寬 b 由公式(320)得 s2 ? p =Ps s 0K P7 自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1000= kw0) (321) (322) 由表 查得 H 型帶 bs0= ， zm= 6 ；因?yàn)?zm≥ 6 時(shí)， kz= 1 。 bs= (323) = 由表 查得，應(yīng)選帶寬代號(hào)為 025 的 XL 型帶，其 bs14）帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸 = 。 選用同步帶的130XL025；小帶輪齒數(shù) z1= 12，小帶輪的節(jié)圓直徑 d1= ，其 外 徑 da1= ； 大 帶輪 z2= 36 ， 大 帶 輪節(jié) 圓 直 徑 d2= 其外徑da2= 1 1J = m l + m R1 1= 3 + (324) 2m ——手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體總質(zhì)量，約為 3kg ； B 腕部擺動(dòng)關(guān)節(jié)交流伺服電機(jī)和減速器、同步帶的選擇 腕部擺動(dòng)由交流伺服電機(jī)通過(guò)同步帶和減速器機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體的重心到回轉(zhuǎn)中心的距離 l = 100mm ，腕部當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑 R =