【正文】 kW) 傳遞轉(zhuǎn)矩 T=(N 假設(shè)所選齒輪的參數(shù)如下：標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪 模數(shù)m = （m是決定齒輪尺寸的基本參數(shù)，已標(biāo)準(zhǔn)化） 齒數(shù)Z = 42 因為所選為標(biāo)準(zhǔn)齒輪，故壓力角 變位系數(shù) 齒頂高系數(shù) 齒頂隙系數(shù) 齒頂過渡圓角半徑0 有效齒輪42 有效齒起始角0。齒輪齒條傳動具有傳動比準(zhǔn)確，傳動效率高的優(yōu)點，而且它們的結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，使用壽命也很長。其外形及相關(guān)尺寸如圖42：圖42 齒輪齒條的選擇 如上所述，采用電機驅(qū)動，因為本次設(shè)計是直角坐標(biāo)機器人機構(gòu)設(shè)計，需要三軸直線運動?？梢约僭O(shè)電機與減速機是通過鍵連接來傳遞運動的，可以通過已經(jīng)選好的電機的型號、功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速選擇合適的減速機。（5）連續(xù)過載時間 連續(xù)過載時間 應(yīng)限制在電機規(guī)定過載時間 之內(nèi)。（4）切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩 在正常工作狀態(tài)下，切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tms 不超過電機額定轉(zhuǎn)矩TMs 的80%。一般應(yīng)限定在變頻驅(qū)動系統(tǒng)最大輸出轉(zhuǎn)矩的80% 以內(nèi)。 式中， Jj為各轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)動慣量，； wj為各轉(zhuǎn)動件角速度，rad/min； mj為各移動件的質(zhì)量，kg； vj為各移動件的速度，m/min； w為伺服電機的角速度，rad/min。 式中，為電機的額定轉(zhuǎn)速（rpm）；n為快速行程時電機的轉(zhuǎn)速（rpm）；為直線運行速度（m/min）；u為系統(tǒng)傳動比，u=n電機/n絲杠；絲杠導(dǎo)程（mm）。本次所采用的是110STM型號的交流伺服電機，其外形及相關(guān)尺寸如下圖 所選的110STM4010型號的交流伺服電機的有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)如表41表 41 一般伺服電機選擇考慮的問題（1）電機的最高轉(zhuǎn)速 　 電機選擇首先依據(jù)機械手快速行程速度。根據(jù)以上所述的伺服電機的特點及應(yīng)用場合，本次設(shè)計采用了交流伺服電機可以滿足設(shè)計要求。只要是要有動力源的，而且對精度有要求的一般都可能涉及到伺服電機。主要優(yōu)點有：精度：實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問題；轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000轉(zhuǎn)；適應(yīng)性：抗過載能力強，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對有瞬間負(fù)載波動和要求快速起動的場合特別適用；穩(wěn)定：低速運行平穩(wěn)，適用于有高速響應(yīng)要求的場合；及時性：電機加減速的動態(tài)相應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確。其中X軸和Y軸是使用電機來提供動力,電動機經(jīng)減速器帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪帶動齒條分配各軸直線移動；另外Z方向是通過直線氣缸直接驅(qū)動Z軸工作臺的運動。 電動驅(qū)動 隨著低慣量、直流伺服電機及配套的伺服驅(qū)動器的廣泛采用，這種驅(qū)動系統(tǒng)被大量選用 。 工業(yè)機器人運動控制 機器人的驅(qū)動方式機器人驅(qū)動分為液壓,氣動和電動三種形式.液壓驅(qū)動分類: 從運動形式來分分為直線驅(qū)動如直線運動液壓缸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動如液壓馬達(dá),擺動液壓缸. : 液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比,適合于大負(fù)載的情形. 液壓驅(qū)動的本質(zhì)優(yōu)點在于它的安全性.氣壓驅(qū)動:分類:直線氣缸,: 適合于節(jié)拍快,負(fù)載小且精度要求不高的場合(因為空氣具有可壓縮性). 電力驅(qū)動: 分類: 按照電機的工作原理不同分為步進電機,直流伺服電機,:適合于中等負(fù)載,特別適合于動作復(fù)雜,. 動作平滑,. 操作維修方便等. 一般情況下機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇是物料搬運用有限點位控制的程序控制機器人，重負(fù)載用液壓驅(qū)動，中等載荷可選用電動驅(qū)動系統(tǒng)，輕載荷可選用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。它是自動控制的，可以通過編程使各部分協(xié)調(diào)運動，這種機器人運動靈活，有高可靠性、高速度和高精度。 機器人的工作空間和機械結(jié)構(gòu)類型（1） 工作空間 工作空間是指機器人正常運行時，手部參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術(shù)參數(shù)。工業(yè)機器人的運動自由度 所謂機器人的運動自由度是指確定一個機器人操作位置時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，它是表示機器人動作靈活程度的參數(shù)。 三軸運動采用最先進的伺服馬達(dá)和最高等級低背隙的減速機（展現(xiàn)出完美的重現(xiàn)性與定位精度）三軸運動的傳動皆采用高剛性的齒輪加齒排的機構(gòu)。 具有高剛性，高精度，防塵防落物，經(jīng)濟耐用等特點，而且結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，運動響應(yīng)快，速度高。SC900三軸伺服驅(qū)動機器人機構(gòu)采用先進的高精度的主要機構(gòu)部件。 手臂回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)實現(xiàn)機器人手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸，齒輪傳動機構(gòu)，鏈輪傳動機構(gòu)，活塞缸和連桿機構(gòu)等。實現(xiàn)手臂往復(fù)直線運動的機構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸，齒輪齒條機構(gòu)，絲杠螺母機構(gòu)以及連桿機構(gòu)等。除了臂部設(shè)計上要求力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕外，同時要采用一定形式的緩沖措施。為提高機器人的運動速度，要盡量減小臂部運動部分的重量，以減小整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。為防止手臂在直線運動中，沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形，花鍵等形式的臂桿。工字形截面彎曲剛度一般比截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支撐板。2對臟物比較敏感.2）傳動件的定位及消隙傳動件的定位主要有：1． 電氣開關(guān)定位2． 機械擋塊定位3． 伺服定位系統(tǒng)定位傳動件的消隙主要有：1． 消隙齒輪2． 柔性齒輪消隙3． 對稱傳動消隙4． 偏心機構(gòu)消隙5． 齒廓彈性覆層消隙 機械手的臂部設(shè)計 工業(yè)機器人臂部設(shè)計的基本要求：剛度高。7易加預(yù)載，消除間隙，增加剛度等等。5潤滑簡單。3剛度高承載能力大。第五種滾動導(dǎo)軌在工業(yè)機器人導(dǎo)軌種用的是最廣泛，具有很多的優(yōu)點 :1摩擦小,特別是不隨速度變化。第三種靜壓滑動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生預(yù)載荷，能完全消除間隙，具有高剛度、低摩擦、高阻尼等優(yōu)點，但是它需要單獨的液壓系統(tǒng)和回收潤滑油的機構(gòu)。移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌主要分類：普通滑動導(dǎo)軌、液壓動壓滑動導(dǎo)軌、液壓靜壓滑動導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。 1）移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌 工業(yè)機器人對移動導(dǎo)軌的要求 移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌的目的是在運動過程中保證位置精度和導(dǎo)向,對移動導(dǎo)軌有如下要求:1． 間隙小或者能消除間隙；2． 再垂直于運動方向上的剛度高；3． 摩擦系數(shù)低并不隨速度變化。機器人的運動速度、加速度（減速度）特性、運動平穩(wěn)性、精度、承載能力很大程度上是取決于傳動部件設(shè)計的合理性和優(yōu)劣。材料選擇的基本要求是：強度高、彈性模量大、重量輕、阻尼大、材料價格低。模塊化工業(yè)機器人主要的特點是：經(jīng)濟性、靈活性。 （三）模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化機器人是有一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊件通過具有特殊功能的結(jié)合部用積木拼接的方式組成一個工業(yè)機器人系統(tǒng)。（3）間接驅(qū)動：驅(qū)動源經(jīng)一個速比遠(yuǎn)大于1的機械裝置與關(guān)節(jié)相連。 （二）傳動方式 傳動方式選擇是指選擇驅(qū)動源及傳動裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動形式，主要包括：（1）直接連接傳動：驅(qū)動源或帶有機械傳動裝置直接與關(guān)節(jié)相連。 機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機器人的總體設(shè)計 (一) 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 工業(yè)機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要問題是選擇由連桿件和運動副組成的坐標(biāo)形式?！　∪绻l(fā)現(xiàn)機器人的運行壽命太短，需要重新調(diào)整設(shè)計?！　≡O(shè)備壽命校核　　機械結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，要對整臺設(shè)備進行壽命計算，核心元件的壽命到要計算，如機器人軌道的壽命，減速機的壽命，伺服電機的壽命等。 需要計算的項目如下：　　電機功率：　　電機扭矩：　　電機轉(zhuǎn)速：　　減速機減速比　　電機慣量/負(fù)載慣量的匹配關(guān)系 圖27 扭轉(zhuǎn)力矩分析圖　　 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計　　在完成了前面六項工作后，一個直角坐標(biāo)機器人定位系統(tǒng)的雛形就已經(jīng)在設(shè)計者的頭腦中形成了，接下來的工作就是將雛形畫成工程圖，以便生產(chǎn)。驅(qū)動器的作用是將弱電信號放大，將其加載在驅(qū)動電機的強電上，驅(qū)動電機。 驅(qū)動元件選擇 　　常用的驅(qū)動系統(tǒng)有：交流/直流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)、步進電機驅(qū)動系統(tǒng)、直線伺服電機/直線步進電機驅(qū)動系統(tǒng)?！　?）扭轉(zhuǎn)形變計算：　　當(dāng)一根梁的一端固定，另一端施加一個繞軸扭矩后，將產(chǎn)生扭曲變形?！　?） 撓度變形計算 圖26撓度變形圖F：負(fù)載（N）；　　L：定位單元長度（mm）；　　E：材料彈性模量；　　I：材料截面慣性矩(mm4)；　　f：撓度形變（mm）　　注意：在計算撓度形變時，梁的自重產(chǎn)生的變形不能忽視，梁的自重按均布載荷計算。圖24機器人的基本結(jié)構(gòu)圖 運動性能計算：有關(guān)該性能的參數(shù)有：　　平均速度：V=S/t 最大速度：Vmax=at　　加速度/減速度：a=F/m　　其中：S為運動行程　　t為定位運動時間　　F加速時的驅(qū)動力　　M運動物體質(zhì)量和　　力學(xué)特性分析　　一個機器人是由許多定位單元組成的，每根定位系統(tǒng)都要分析。 （五）機器人設(shè)計流程： 使用要求的分析：每一個機器人都是根據(jù)特定的要求的產(chǎn)生而設(shè)計的，設(shè)計的第一步就是要將使用要求分析清楚，確定設(shè)計時需要考慮的參數(shù)，包括： 機器人的定位精度，重復(fù)定位精度； 　　機器人的負(fù)載大小，負(fù)載特性；　　機器人運動的自由度數(shù)量，每自由度的運動行程；　　機器人的工作周期或運動速度，加減速特性；　　機器人的運動軌跡，動作的關(guān)聯(lián)；　　機器人的工作環(huán)境、安裝方式；　　機器人的運行工作制、運行壽命；　　其他特殊要求；　　 機械模型初建：機器人從機械結(jié)構(gòu)分大體可分為龍門結(jié)構(gòu)、壁掛結(jié)構(gòu)，垂掛結(jié)構(gòu)，根據(jù)安裝空間的要求選擇不同的結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、運動特性都是不一樣的?！　C器人設(shè)計是面向加工的設(shè)計，再好的設(shè)計，如果工廠不能加工出產(chǎn)品，設(shè)計也是失敗的，設(shè)計者需要掌握大量的加工工藝及加工手段?！　C器人設(shè)計是面向客戶的設(shè)計，不是閉門造車。成功的設(shè)計一臺直角坐標(biāo)機器人涉及到很多方面的工作，包括機械結(jié)構(gòu)、動力驅(qū)動、伺服控制等等。特別適用于多品種、便批量的柔性化作業(yè)，對于穩(wěn)定提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用?？捎糜趷毫拥沫h(huán)境，可長期工作，便于操作維修。靈活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。關(guān)于機器人的定義隨著科技的不斷發(fā)展，在不斷的完善，直角坐標(biāo)機器人作為機器人的一種，其含義也在不斷的完善中。 直角坐標(biāo)機器人的設(shè)計方法 (一) 直角坐標(biāo)機器人概念： 工業(yè)應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、運動自由度建成空間直角關(guān)系、多用途的操作機。 直角坐標(biāo)型 直角坐標(biāo)型機器人，其運動部分的三個相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它在各個軸向的移動距離可在坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間大，靈活性較差。 （4） 機械手特點是通過用工業(yè)機械手的通用性，靈活性好，能很好的適應(yīng)產(chǎn)品的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。 （2） 機械手能持久，耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。機械手的特點： （1） 對環(huán)境的適應(yīng)性強 能代替人從事危險，有害的工作。 機械手的設(shè)計方法機械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預(yù)定的程序軌跡極其它要求，實現(xiàn)抓取，搬運工件或操做工具的自動化裝置。工業(yè)機器人的制造及應(yīng)用水平，代表了一個國家的制造業(yè)水平，我們必須從國家高度認(rèn)識發(fā)展中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的重要性，這是我國從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的重要手段和途徑。國外機器人作為成熟的產(chǎn)業(yè)采用整機降價，吸引國內(nèi)企業(yè)購買，而在后續(xù)的維護備件費用很高的策略，逐步占領(lǐng)中國市場。第二，中國的機器人還沒有形成自己的品牌。雖然我國在相關(guān)零部件方面有了一定的基礎(chǔ)，但是無論從質(zhì)量、產(chǎn)品系列全面，還是批量化供給方面都與國外存在較大的差距。除了眾多歷史原因造成制造業(yè)水平低下的原因外，更多的是對工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的認(rèn)識和定位上存在著不同觀點。經(jīng)過40年的飛速發(fā)展，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、物流、制造業(yè)等諸多領(lǐng)域中。機器人結(jié)構(gòu)越來越靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。 總體趨勢是，從狹義的機器人概念向廣義的機器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務(wù)的機器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 （五）機器人化機械開始興起。 （三）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化，網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，采用模塊化結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （二）機械結(jié)構(gòu)向模塊化可重構(gòu)化發(fā)展。它涉及到機械、電子、自動控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成，因此它的發(fā)展與眾多學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。 三、 工業(yè)機器人在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用 隨著科技的發(fā)展，機器人功能和性能的不斷改善和提高，機器人的應(yīng)用領(lǐng)域日益在擴大，其應(yīng)用范圍已不限于工業(yè)，還用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運輸業(yè)、原子能工業(yè)、醫(yī)療、福利事業(yè)、海洋和深空探測等事業(yè)中。 二、工業(yè)機器人在工業(yè)、生產(chǎn)中的應(yīng)用 工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時間作業(yè)，或是危險惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工、金屬制品業(yè)和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等