【正文】 統(tǒng)。 五、我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與前景 自從20世紀(jì)60年代人類制造了第一臺工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人就顯示出了極強(qiáng)的生命力。 盡管如此，我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化卻存在著巨大的問題。 首先，我國基礎(chǔ)零部件制造能力差。特別是在高性能交流伺服電機(jī)和精密減速器方面的差距尤其明顯，因此造成關(guān)鍵零部件的進(jìn)口，影響了我國機(jī)器人的價格競爭力。雖然已經(jīng)擁有一批企業(yè)從事機(jī)器人的開發(fā)，但是都沒有形成較大的規(guī)模，缺乏市場的品牌認(rèn)知度，在機(jī)器人市場方面一直面臨國外機(jī)器人品牌的打壓。第三，國家認(rèn)識不到位，在鼓勵工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品方面的政策少。第二章 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計 機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括建筑、醫(yī)療、采礦、核能、農(nóng)牧漁業(yè)、航空航天、水下作業(yè)、救火、環(huán)境衛(wèi)生、教育、娛樂、辦公、家用、軍用等方面，工業(yè)機(jī)器人在國內(nèi)主要應(yīng)用于危險、有毒、有害的工作環(huán)境以及產(chǎn)品質(zhì)量要求高（超潔、同一性）的重復(fù)性作業(yè)場合，如焊接、噴涂上下料、插件、防爆等。在我國由于大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人所執(zhí)行的工作為模擬人的手臂而工作，因而通常把工業(yè)機(jī)器人稱做操作機(jī)械手。在長時間工作對人體有害的場所，機(jī)械手不受影響，只要根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行合理的設(shè)計，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機(jī)械手就可以在異常高溫或低溫，異常壓力和有害氣體，粉塵，放射線作用下，以及沖壓，滅等危險環(huán)境中勝任工作。 （3） 由于機(jī)械手的動作準(zhǔn)確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時又可以避免人為的操作錯誤。 機(jī)械手的選擇與分析為實現(xiàn)機(jī)器人的末端執(zhí)行器在空間的位置而提供的3個自由度，可以有不同的運(yùn)動組合，通常可以將其設(shè)計成圓柱坐標(biāo)型、直角坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型 、平面關(guān)節(jié)型五種形式。 根據(jù)本次設(shè)計的要求，三軸同時可以模擬操作員取出動作，并可以沿著規(guī)定路徑連續(xù)運(yùn)動，因此選擇直角坐標(biāo)型。他能夠搬運(yùn)物體、操作工具，以完成各種作業(yè)。 圖22 典型直角坐標(biāo)機(jī)器人 （二） 直角坐標(biāo)機(jī)器人的特點：自由度運(yùn)動，每個運(yùn)動自由度之間的空間夾角為直角；自動控制的，可重復(fù)編程，所有的運(yùn)動均按程序運(yùn)行；一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、操作工具等組成。高可靠性、高速度、高精度。 （三）直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用：因末端操作工具的不同，直角坐標(biāo)機(jī)器人可以非常方便的用作各種自動化設(shè)備，完成如焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂、目標(biāo)跟隨、排爆等一系列工作。圖23直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用 隨著直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計工作日益顯得重要。 （四）機(jī)器人設(shè)計特點： 機(jī)器人的設(shè)計是一個復(fù)雜的工作，工作量很大，涉及的知識面很多，往往需要多人完成。設(shè)計者需要經(jīng)常和用戶在一起，不停分析用戶要求，尋求解決方案?！　C(jī)器人設(shè)計是一個不斷完善的過程。后續(xù)的設(shè)計必須是基于一個確定的結(jié)構(gòu)。需要分析的項目如下：圖25力學(xué)分析圖水平推力Fx 　　正壓力Fz　　側(cè)壓力Fy　　Mx、My、Mz　　機(jī)械強(qiáng)度校核：　　每個定位單元，每個梁都要進(jìn)行校核，尤其雙端支撐梁和懸臂梁?！　∫陨瞎接嬎愕氖庆o態(tài)形變，實際應(yīng)用中，因為機(jī)器人一直處于運(yùn)動狀態(tài)，必須計算加速力產(chǎn)生的形變，形變直接影響機(jī)器人的運(yùn)行精度。實際應(yīng)用中產(chǎn)生該形變的原因一般是負(fù)載偏心或有繞軸加速旋轉(zhuǎn)的物體存在?！　∶恳粋€驅(qū)動系統(tǒng)都由電機(jī)和驅(qū)動器兩部分組成。電機(jī)則是將電信號轉(zhuǎn)化成精確的速度及角位移。機(jī)器人的運(yùn)動軌跡具有不確定性，靈活多變，往往在一個位置不存在位置干涉，但到下一個位置就干涉了?！　C(jī)器人的運(yùn)行壽命與運(yùn)行速度、負(fù)載大小、結(jié)構(gòu)形式、工作環(huán)境、工作制等有關(guān)?！　∫陨蠟橐粋€機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計方法，至于控制系統(tǒng)部分這里不加說明。本次設(shè)計的三軸伺服驅(qū)動機(jī)器人的坐標(biāo)形式是直角坐標(biāo)式機(jī)器人，主要完成3軸可以同時模擬操作員取出動作，能連續(xù)運(yùn)動并有C軸水平旋轉(zhuǎn)功能。（2）遠(yuǎn)距離連接傳動：驅(qū)動源通過遠(yuǎn)距離機(jī)械傳動后與關(guān)節(jié)相連。（4）直接傳動：驅(qū)動源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個速比等于1的機(jī)械傳動這樣的中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相連。模塊化設(shè)計是指基本模塊設(shè)計和結(jié)合部設(shè)計。 （四）材料的選擇與一般機(jī)械設(shè)備相比，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動力特性是十分重要的，這是材料選擇的出發(fā)點。 機(jī)械手的傳動部件設(shè)計 傳動部件是驅(qū)動源和機(jī)器人各個關(guān)節(jié)連接的橋梁，是工業(yè)機(jī)器人的重要部件。因此，關(guān)節(jié)傳動部件的設(shè)計是工業(yè)機(jī)器人設(shè)計的關(guān)鍵之一。4． 高阻尼；5． 移動導(dǎo)軌和其輔助元件尺寸小、慣量低。上面介紹的導(dǎo)軌中，前兩種具有結(jié)果結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點，但是必須有間隙以便潤滑，但是間隙的存在又將會引起坐標(biāo)的變化和有效負(fù)載的變化，在低速時候容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。第四種氣浮導(dǎo)軌不需要回收潤滑油的機(jī)構(gòu)，但是剛度和阻尼較低。2尺寸小。4精度和精度保持度高。6容易制造成標(biāo)準(zhǔn)件。但是,滾動導(dǎo)軌用在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)也存在著缺點:1阻尼低。為了防止臂部在運(yùn)動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。導(dǎo)向性好。重量輕。運(yùn)動平穩(wěn)定位精度高。常用的臂部結(jié)構(gòu)有： 手部直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)；機(jī)器人手臂的伸縮，橫向移動均屬于直線運(yùn)動。由于活塞（氣）缸的體積小，重量輕，因而在機(jī)器人結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的比較多。 　　 SC900三軸伺服驅(qū)動機(jī)器人機(jī)構(gòu)的特點 完美的重現(xiàn)性和定位精度。三軸采用最先進(jìn)的伺服馬達(dá)和最高等級低背隙減速機(jī)?？梢蕴峁┒喾N組合方式，裝配和維護(hù)簡單，操作容易。 第三章 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)分析 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)分析 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動，可從工業(yè)機(jī)器人的自由度，工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型等三方面來討論。 本設(shè)計的工業(yè)機(jī)器人具有轉(zhuǎn)動副和移動副兩種運(yùn)動副，具有Y軸手臂垂直伸降運(yùn)動，C軸水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，X軸和Z軸往復(fù)運(yùn)動三自由度。本次設(shè)計所用的Apexrobot 技術(shù)參數(shù)及Apexrobot 機(jī)構(gòu)圖如下： （2）機(jī)械結(jié)構(gòu)類型直角坐標(biāo)型機(jī)器人為本設(shè)計所采用方案，這種運(yùn)動形式是自由度運(yùn)動，每個運(yùn)動之間都是直角關(guān)系，共三個自由度組成的運(yùn)動系統(tǒng)，工作空間是垂直的。同時它們還可以在惡劣環(huán)境下工作，可長期工作，便于操作與維修。沖壓機(jī)器人多用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。 本次設(shè)計所采用的驅(qū)動方式有兩種。 第4章 SC900三軸伺服驅(qū)動機(jī)器人典型零件的設(shè)計 伺服電機(jī)的選擇 伺服電機(jī)是在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，是可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器。交流伺服電機(jī)是無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確。 伺服電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域很多。如機(jī)床、印刷設(shè)備、包裝設(shè)備、紡織設(shè)備、激光加工設(shè)備、機(jī)器人、自動化生產(chǎn)線等對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求相對較高的設(shè)備。這種電機(jī)受工藝限制，很難做到很大的功率，十幾Kw以上的同步伺服電機(jī)價格很貴，故多采用交流異步伺服電機(jī)。快速行程的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴(yán)格控制在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。（2）慣量匹配問題及計算負(fù)載慣量 為了保證足夠的角加速度使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏和滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求, ，即。（3）空載加速轉(zhuǎn)矩　　空載加速轉(zhuǎn)矩發(fā)生在執(zhí)行部件從靜止以階躍指令加速到快速時。 式中, 為與電機(jī)匹配的變頻驅(qū)動系統(tǒng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩（）； 為空載時加速轉(zhuǎn)矩（）； 為快速行程時轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的載荷轉(zhuǎn)矩（）； 為快速行程時加減速時間常數(shù)（ms）。 式中， 為最大切削轉(zhuǎn)矩（）；D為最大負(fù)載比。 減速機(jī)的選擇在選好電機(jī)后，為了增大扭矩和速比，一般在電機(jī)后接上減速機(jī)，這樣也能提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。選擇Apexrobot中的AB系列的減速機(jī)，其中的AB142P0403500401系列減速機(jī)適合與之前所選的電機(jī)相匹配。故采用齒輪齒條傳動將電機(jī)的選擇運(yùn)動轉(zhuǎn)變成齒條的直線運(yùn)動。齒輪齒條傳動時使用最普遍的一種傳動方式。以下是齒輪的設(shè)計報告。m) 齒輪1轉(zhuǎn)速 n1=1460(r/min) 齒輪2轉(zhuǎn)速 n2=500(r/min) 傳動比 i=　　原動機(jī)載荷特性 SF=輕微振動　　工作機(jī)載荷特性 WF=均勻平穩(wěn)　　預(yù)定壽命 H=10000(小時)三、布置與結(jié)構(gòu)　　結(jié)構(gòu)形式 ConS=開式　　齒輪1布置形式 ConS1=對稱布置　　齒輪2布置形式 ConS2=對稱布置四、材料及熱處理　　齒面嚙合類型 GFace=軟齒面　　熱處理質(zhì)量級別 Q=ML齒輪1材料及熱處理 Met1=34CrNi3Mo調(diào)質(zhì)齒輪1硬度取值范圍 HBSP1=269～341齒輪1硬度 HBS1=305　　齒輪1材料類別 MetN1=0　　齒輪1極限應(yīng)力類別 MetType1=5 齒輪2材料及熱處理 Met2=45正火　　齒輪2硬度取值范圍 HBSP2=162～217　　齒輪2硬度 HBS2=190　　齒輪2材料類別 MetN2=0　　齒輪2極限應(yīng)力類別 MetType2=7五、齒輪精度　　齒輪1第Ⅰ組精度 JD11=7　　齒輪1第Ⅱ組精度 JD12=7　　齒輪1第Ⅲ組精度 JD13=7　　齒輪1齒厚上偏差 JDU1=F　　齒輪1齒厚下偏差 JDD1=L 齒輪2第Ⅰ組精度 JD21=7　　齒輪2第Ⅱ組精度 JD22=7　　齒輪2第Ⅲ組精度 JD23=7　　齒輪2齒厚上偏差 JDU2=F　　齒輪2齒厚下偏差 JDD2=L六、齒輪基本參數(shù)　　模數(shù)(法面模數(shù)) Mn=(2)(mm)　　端面模數(shù) Mt=(mm)　　螺旋角 β=(度)　　基圓柱螺旋角 βb=(度) 齒輪1齒數(shù) Z1=42　　齒輪1變位系數(shù) X1=　　齒輪1齒寬 B1=40(mm)　　齒輪1齒寬系數(shù) Φd1= 齒輪2齒數(shù) Z2=123　　齒輪2變位系數(shù) X2=　　齒輪2齒寬 B2=40(mm)　　齒輪2齒寬系數(shù) Φd2= 總變位系數(shù) Xsum=　　標(biāo)準(zhǔn)中心距 A0=(mm)　　實際中心距 A=(mm)　　中心距變動系數(shù) yt=　　齒高變動系數(shù) △yt=　　齒數(shù)比 U=　　端面重合度 εα=　　縱向重合度 εβ=總重合度 ε=齒輪1分度圓直徑 d1=(mm)　　齒輪1齒頂圓直徑 da1=(mm)　　齒輪1齒根圓直徑 df1=(mm)　　齒輪1基圓直徑 db1=(mm)　　齒輪1齒頂高 ha1=(mm)　　齒輪1齒根高 hf1=(mm)　　齒輪1全齒高 h1=(mm)　　齒輪1齒頂壓力角 αat1=(度) 齒輪2分度圓直徑 d2=(mm)　　齒輪2齒頂圓直徑 da2=(mm)　　齒輪2齒根圓直徑 df2=(mm)　　齒輪2基圓直徑 db2=(mm)　　齒輪2齒頂高 ha2=(mm)　　齒輪2齒根高 hf2=(mm)　　齒輪2全齒高 h2=(mm)　　齒輪2齒頂壓力角 αat2=(度) 齒輪1分度圓弦齒厚 sh1=(mm)　　齒輪1分度圓弦齒高 hh1=(mm)　　齒輪1固定弦齒厚 sch1=(mm)　　齒輪1固定弦齒高 hch1=(mm)　　齒輪1公法線跨齒數(shù) K1=5　　齒輪1公法線長度 Wk1=(mm) 齒輪2分度圓弦齒厚 sh2=(mm)　　齒輪2分度圓弦齒高 hh2=(mm)　　齒輪2固定弦齒厚 sch2=(mm)　　齒輪2固定弦齒高 hch2=(mm)　　齒輪2公法線跨齒數(shù) K2=14　　齒輪2公法線長度 Wk2=(mm) 齒頂高系數(shù) ha*=　　頂隙系數(shù) c*=　　壓力角 α*=20(度)　　端面齒頂高系數(shù) ha*t=　　端面頂隙系數(shù) c*t=　　端面壓力角 α*t=(度)　　端面嚙合角 αt39。)1=　　齒輪1齒形公差 ff1=　　齒輪1一齒切向綜合公差 fi39。39。1=　　齒輪1徑向綜合公差 Fi39。1=　　齒輪1基節(jié)極限偏差 fpb(177。)1=　　齒輪1齒向公差 Fb1=　　齒輪1x方向軸向平行度公差 fx1=　　齒輪1y方向軸向平行度公差 fy1=　　齒輪1齒厚上偏差 Eup1=　　齒輪1齒厚下偏差 Edn1= 齒輪2齒距累積公差 Fp2=　　齒輪2齒圈徑向跳動公差 Fr2=　　齒輪2公法線長度變動公差 Fw2=　　齒輪2齒距極限偏差 fpt(177。2=　　齒輪2一齒徑向綜合公差 fi39。2=　　齒輪2齒向公差 Fβ2=　　齒輪2切向綜合公差 Fi39。39。)2=　　齒輪2螺旋線波度公差 ffβ2=　　齒輪2軸向齒距極限偏差 Fpx(177。)=八、強(qiáng)度校核數(shù)據(jù)　　齒輪1接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力 σHlim1=(MPa)　　齒輪1抗彎疲勞基本值 σFE1=(MPa)　　齒輪1接觸疲勞強(qiáng)度許用值 [σH]1=(MPa)　　齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度許用值 [σF]1=(MPa)　　齒輪2接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力 σHlim2=(MPa)　　齒輪2抗彎疲勞基本值 σFE2=(MPa)　　齒輪2接觸疲勞強(qiáng)度許用值 [σH]2=(MPa)　　齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度許用值 [σF]2=(MPa)　　接觸強(qiáng)度用安全系數(shù) SHmin=　　彎曲強(qiáng)度用安全系數(shù) SFmin=　　接觸強(qiáng)度計算應(yīng)力 σH=(MPa)　　接觸疲勞強(qiáng)度校核