【正文】 式中。n個關(guān)節(jié)機器人從手部到基系的總齊次變換矩陣T為 (74) 　　圖71 機器人的桿件坐標(biāo)系根據(jù)機器人的各桿坐標(biāo)系確定機器人的桿件坐標(biāo)參數(shù)如表71。同理,若表示第三個連桿相對于第二個連桿的位置和姿態(tài),則有= (72) 稱這些A矩陣的乘積為T矩陣,其前置上標(biāo)若為0 (既以基坐標(biāo)系｛0｝為參照),則可略去不寫。A矩陣描述連桿坐標(biāo)系間相對平移和旋轉(zhuǎn)的齊次變換。由于我在設(shè)計中只用了轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),所以只討論轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的情況。 從機構(gòu)學(xué)的角度來看,關(guān)節(jié)型機器人的機械本體實際上是一個由轉(zhuǎn)動和移動關(guān)節(jié)連接起來的開鏈?zhǔn)竭B桿系統(tǒng),每個獨立驅(qū)動的關(guān)節(jié)決定著機器人的一個自由度。例如以示教再現(xiàn)方式工作的機器人的關(guān)節(jié)在每個位置的轉(zhuǎn)角值是預(yù)先記錄好的。柔性聯(lián)軸器的特點是圓周方向剛度大而軸向彎曲方向柔度較大，既能起到可靠的傳動又適合調(diào)整和補償軸之間的偏差。所以我所設(shè)計的機器人手臂的材料選擇為鑄造鋁合金中的鋁銅合金。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。手臂材料應(yīng)選擇高強度材料，如鋼，鑄鐵，合金鋼等。手臂承受載荷時，不應(yīng)有變形和斷裂。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。因此對材料的一個要求是作為運動部件，它應(yīng)是輕型材料。 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。手腕的外框結(jié)構(gòu)厚度為3mm,機器人手爪為鑄造鋁合金。經(jīng)以上設(shè)計可知此段軸徑d＝20mm，即B=()d ==36mmL=B(510)=368=28mm經(jīng)查表可知b=6 mm。鍵的主要尺寸為截面尺寸b、h和長度L。鍵連接的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面。由于平鍵的兩側(cè)面是工作面，工作時靠鍵與鍵槽側(cè)面間的擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩。 (52) （53）取計算軸承壽命 　　 （54） =根據(jù)以上計算可知，其余幾跟軸上的軸承也完全滿足工作要求。派生軸向力 （51） 計算并確定e值，查表可得e=。圓柱齒輪軸的軸承壽命計算：經(jīng)查表可知：載荷系數(shù)= ，溫度系數(shù)徑，基本額定動載荷，基本額定靜載荷。從受載荷方面來考慮，我所設(shè)計的機器人承受載荷力不大，且適用在振動與沖擊不大的場合；而且球軸承比滾子軸承有較高的極限轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)精度；再從經(jīng)濟性方面考慮球軸承比滾子軸承便宜。沖壓保持架一般用低碳鋼板沖壓制成,它與滾動體間有較大間隙,工作時噪聲大；實體保持架常用銅合金，鋁合金或酚醛樹脂等高分子材料制成，有較好的隔離和定心作用,又因為實體保持架比沖壓保持架允許更高的轉(zhuǎn)速。軸承的內(nèi)外圈和滾動體，一般是用軸承鉻鋼（如GCr GCr15SiMn）制造，熱處理后硬度應(yīng)達到60～65HRC。滾動軸承依靠元件間的滾動接觸來承受載荷，相對于滑動軸承，滾動軸承具有摩擦阻力小，效率高，起動容易，潤滑簡便等優(yōu)點。圖45大臂小臂連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖5 軸承的設(shè)計 軸承的選擇　　　軸承是支承軸或軸上回轉(zhuǎn)體的部件。軸段3處的選取長度為。軸段1處要安裝壓板和齒輪用來固定此軸，因此此段軸的長度應(yīng)取長些，故取。各軸段長度主要根據(jù)軸上零件的轂長或軸上零件配合部分的長度確定。軸段2處與4處安裝7208類型軸承,其軸徑大小應(yīng)與軸承內(nèi)徑大小一致,故取,?！　　　D44手腕連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖 大臂小臂連接軸的設(shè)計由于此軸傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求，故選常用材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。軸段4處利用軸肩作軸向固定，取。軸段2處裝鍵槽，用于傳遞扭矩，其鍵槽尺寸為，其長度取。軸段5處用來安裝7205軸承,軸承內(nèi)徑與軸徑的大小取同一尺寸，故取。軸段3處安裝軸承，根據(jù)要求選用7205型號的軸承，并在軸的另一段安裝大錐齒輪，也在此處開設(shè)鍵槽用來傳遞扭矩其尺寸為，根據(jù)軸承型號與軸徑的大小同時選擇故取。a. 初估軸徑，C=106~117,取C=106根據(jù)電動機的轉(zhuǎn)速和額定功率可知與手腕箱體連接軸的轉(zhuǎn)速為則根據(jù)公式41可得： ?。?106=b. 各段軸徑的確定初估軸徑后，就可按軸上零件的安裝順序，從dmin處開始逐段確定直徑。為方便加工，其它軸肩圓角半徑均取1mm。軸段8處為錐齒輪部分，其長度。軸段5處裝套筒，其長度為套筒的長度，故取。軸段3處利用軸肩作軸向固定，取。c. 各軸段長度的確定軸段1上裝M12的螺栓和擋板，故取。軸段7用作軸肩以此來用于對軸承作軸向固定故取。軸段3作為軸肩，對軸段2處安裝的齒輪作軸向固定，故取軸段4,6處安裝軸承，根據(jù)要求選用7205型號的軸承，根據(jù)軸承型號與軸徑的大小同時選擇故確定軸段4和軸段6的直徑為。a. 初估軸徑， C=106~117,取C=106根據(jù)電動機的轉(zhuǎn)速和額定功率可知與圓柱齒輪軸相嚙合的大齒輪的轉(zhuǎn)速為則根據(jù)公式41可得： 　 =b. 各段軸徑的確定初估軸徑后，就可按軸上零件的安裝順序，從dmin處開始逐段確定直徑。其它軸用相同方法計算，結(jié)果都滿足要求。 截面左側(cè)查得，；查得絕對尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù) 。g.．軸的彎扭合成強度校核 ，則 。c． 計算軸的支撐反力在水平面上 在垂直面上 d． 畫彎矩圖 彎矩圖如圖42所示。進行軸的強度校核計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強度條件計算，對于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強度條件計算，兩者都具備的按疲勞強度條件進行精確校核等。圖41圓柱齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖 軸的強度校核軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，進行校核計算。根據(jù)軸承寬度取 。另一些軸段長度，除與軸上零件有關(guān)外，還與箱體及軸承蓋等零件有關(guān)。根據(jù)結(jié)構(gòu)確定軸段5的直徑＝30mm。軸段3上用軸肩固定軸承，故取＝30mm?，F(xiàn)取角接觸球軸承型號為7205，其內(nèi)徑＝25mm。故取軸徑＝22mm。a. 初估軸徑， C=106~117,取C=106則 （41） =b. 各段軸徑的確定 初估軸徑后，就可按照軸上零件的安裝順序從處開始逐段確定軸徑，上面計算的是軸段1的直徑，由于軸段1上安裝聯(lián)軸器，因此軸段1處直徑的確定和聯(lián)軸器型號同時進行。在使用軟軸的時候要注意鋼絲軟軸必須定時涂潤滑脂，不得使軟軸的彎曲半徑小于允許最小半徑。b. 軟管用來保護鋼絲軟軸，以免與外界的機件接觸，并保存潤滑劑和防止塵垢侵入；工作時軟管還起支撐作用。每層又由若干根鋼絲組成。軟軸通常由鋼絲軟軸、軟管、軟軸接頭和軟管接頭等幾部分組成。 轉(zhuǎn)腕傳動軸的選擇 轉(zhuǎn)腕的傳動軸根據(jù)聯(lián)軸器選：軸徑d=20 mm ，根據(jù)結(jié)構(gòu)取軸長l=255mm。軸的結(jié)構(gòu)，應(yīng)使軸受力合理，避免或減輕應(yīng)力集中，有良好的工藝性，并使軸上零件定位可靠、裝配方便。由于小齒輪的分度圓直徑較小，所以作成齒輪軸。 d. 校核齒根彎曲疲勞強度復(fù)合齒形系數(shù)，取。許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：將有關(guān)值代入（35）得：則 動載荷系數(shù)；使用系數(shù)；齒向載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)取，則。a. 設(shè)計準(zhǔn)則按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。表31圓柱齒輪的幾何尺寸名稱符號公式分度圓直徑齒頂高齒根高齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距齒厚齒槽寬中心距頂隙 第二級圓錐齒輪傳動設(shè)計齒輪材料采用45號鋼，小齒輪調(diào)質(zhì)處理表面硬度為210HBS；大齒輪正火處理后齒面硬度為180HBS，齒輪精度等級為7級。由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，將小齒輪做成齒輪軸。修正 ； ；取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。小齒輪傳遞扭矩 (32)大小齒輪的接觸疲勞強度極根應(yīng)力為： ；選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： ；應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計算可得 （33） 則 接觸疲勞壽命系數(shù),；彎曲疲勞壽命系數(shù)；接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù)。a. 設(shè)計準(zhǔn)則先按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。3 齒輪的設(shè)計齒輪材料采用45號鋼，鍛造毛坯，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，表面硬度為210HBS；大齒輪正火處理后齒面硬度為180HBS，因載荷平穩(wěn)，齒輪速度不高，初選齒輪精度等級為7級。b. 傳動比的分配傳動比分配時要充分考慮到各級傳動的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。求得n== r/min 。單轉(zhuǎn)軸保持轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量額定電流電壓線圈電阻35x10kgm12V5基本步距角減速比容許轉(zhuǎn)矩容許速度范圍電機重量1:0250r/min電樞電阻：Rs=(Un/InPn/In) ，求得：Pn=。表21 SZYX82寬調(diào)速永磁直流伺服電機技術(shù)參數(shù)規(guī)格型號額定功率額定轉(zhuǎn)矩額定電壓SZYX8248V最高電流最高轉(zhuǎn)速允許轉(zhuǎn)速差10%轉(zhuǎn)動慣量1500r/min150該電機具有精度高，響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，加速度大，力矩波動小，線性度好，過載能力強等特點。而交流伺服電機結(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。因為直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點，并且控制技術(shù)成熟。c. 氣動驅(qū)動器氣動驅(qū)動器的能源，結(jié)構(gòu)都比較簡單，但與液壓驅(qū)動器相比，同體積條件下功率較?。ㄒ驂毫Φ停宜俣炔灰卓刂?，所以多用于精度不高的點位控制系統(tǒng) 。隨著技術(shù)的進步，近年來交流伺服電機正逐漸取代直流伺服電機而成為機器人的主要驅(qū)動器。后者多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。它的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，但它們多與減速裝置相連，直接驅(qū)動比較困難。腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求是：重量輕，dex的組合值必須滿足工作要求并留有一定的裕量（約5%10%），傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單并有利于小臂對整機的靜力平衡。一般說來、的最大值取，而值可取的更大一些，如果擰螺釘，最好無上限。　　　　　　　　　　　　　腕結(jié)構(gòu)最重要的評價指標(biāo)就是dex值。如果末桿的自轉(zhuǎn)角（即）也滿足，就說該操作機具有最大的靈活度，即可自任意方向抓取物體并可把抓取的物體在空間擺成任意姿態(tài)?？梢娛怯蓛山菦Q定了末桿的方向（姿態(tài)）。對于任一桿件的姿態(tài)（即方向），可用兩個方位角確定，如圖23所示。故手腕也稱作機器人的姿態(tài)機構(gòu)。圖22 機器人的工作空間位置圖 手腕結(jié)構(gòu)的確定手腕是操作機的小臂（上臂）和末端執(zhí)行器（手爪）之間的聯(lián)接部件。但在實際應(yīng)用中，可以簡化這一問題，把工作空間看作是機器人操作機正常運行時，手腕參考點（如定位機構(gòu)的軸線正交，取交點為參考點）在空間的活動范圍，或者說該點可達位置在空間所占有的體積。關(guān)節(jié)4電機安裝在小臂后面用于帶動傳動軸與齒輪的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)手腕的擺動；關(guān)節(jié)5電機也安裝在小臂后面，其后緊跟傳動軸用于實現(xiàn)手腕的旋轉(zhuǎn)；關(guān)節(jié)6電機安裝在手腕里，用螺旋傳動來實現(xiàn)手爪的夾緊與放松運動，當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時給杠桿施加一個向上的力來實現(xiàn)放松工件運動，相反，電機反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)夾緊工件運動。其中有2個齒輪為直齒圓柱齒輪，用于減速。,有2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。 傳動方案的確定 圖21是機器人小臂與腕部機械傳動系統(tǒng)的簡圖。關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。跨國大集團的壟斷和全球化的生產(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品聯(lián)接在一起，實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化的“虛擬制造”，為工業(yè)機器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。工業(yè)機器人的應(yīng)用從單機、單元向系統(tǒng)發(fā)展。F. 集成化與系統(tǒng)化1998年ABB公司推出IRbl400系列小機器人，控制器包括軟件、高壓電、驅(qū)動器、用戶接口等皆集成于一柜，只有洗衣機變換器那樣大小。90年代末的機器人一般都具有兩、三種功能。其最大合成速度達80m/s。D. 智能化的傳感器多有應(yīng)用在上述167種機型中，裝有視覺傳感器的有94種，％，不少機器人裝有兩種傳感器，有些機器人留下了多種傳感器接口。直接驅(qū)動技術(shù)則廣泛用于裝配機器人中。C. 驅(qū)動技術(shù)。B. 控制技術(shù)a. 大多數(shù)采用32位CPU，控制軸多達27軸，NC技術(shù)和離線編程技術(shù)大量采用。如焊接數(shù)十米長、l0噸以上大構(gòu)件的弧焊機器人群；采取螞蟻啃骨