【正文】 空間位置和姿態(tài)，再通過(guò)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)換為對(duì)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)角度位置的控制，而這一變換過(guò)程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。不同的機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)這一問(wèn)題的處理方式不 盡相同。因此，目前的焊接機(jī)器人多數(shù)為 6 關(guān)節(jié)式的。 我國(guó)是一個(gè)制造業(yè)大國(guó)，尚處于工業(yè)化進(jìn)程之中，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期里，制造業(yè)仍將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占主導(dǎo)地位。 然而目前我國(guó)裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚有較大的差距，尤其是在戰(zhàn)略必爭(zhēng)裝備技術(shù)與競(jìng)爭(zhēng)前核心技術(shù)、基礎(chǔ)制造裝備與成套關(guān)鍵裝備制造技術(shù)等方面差距更大，這種差距又主要體現(xiàn)在先進(jìn)裝備的自主設(shè)計(jì)與獨(dú)立制造能力差，成套與系統(tǒng)集成、優(yōu)化能力差，技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力差。 發(fā)展趨勢(shì) ??2 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用水乳交融。以應(yīng)用為龍頭拉動(dòng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其 重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域與 技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在下述方面： A． 機(jī)械結(jié)構(gòu) a. 以關(guān)節(jié)型為主流， 80 年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人約占總量的 l／ 3(目前世界工業(yè)機(jī)器人總數(shù)約為 750000 臺(tái) )， 90 年代初開(kāi)發(fā)的適用于窄小空間、快節(jié)奏、 360 度全工作空間范圍的垂直關(guān)節(jié)型機(jī)器人大量用于焊接和上、下料。如 焊接數(shù)十米長(zhǎng)、 l0 噸 以上大構(gòu)件的弧焊機(jī)器人群；采取螞蟻啃骨鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2020 3 頭的協(xié)作機(jī)構(gòu)。 B. 控制技術(shù) a. 大多數(shù)采用 32 位 CPU，控制軸多達(dá) 27 軸， NC 技術(shù)和離線編程技術(shù)大量采用。 c. 基于 PC 的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于成本低并具有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)功能，己成為一股潮流。日本 23 家機(jī)器人公司于 1998 年生產(chǎn)的 167 種型號(hào)機(jī)器人產(chǎn)品，其中采用 AC伺服驅(qū)動(dòng)的有 156 種，占 ％。新一代的伺服電機(jī)與基于微處理器的智能伺服控制器相結(jié)合，已由日本 FANUC 公司開(kāi)發(fā)并用于工業(yè)機(jī)器人中；在遠(yuǎn)程控制中已采用了分布式智能驅(qū)動(dòng)新技術(shù)。 E. 高速、高精度、多功能化 目前所知最快的裝配機(jī)器人最大合成速 度為 。而另一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的 NC 機(jī)器人，其位置重復(fù)性達(dá) l um。最近瑞典 Neos 公司開(kāi)發(fā)出一種高精度、高可靠性的可切割、鉆孔、銑削、磨削、裝配、搬運(yùn)的多功能機(jī)器人，用于多家著名汽車(chē)廠和飛機(jī)公司。FANUC 公司 2020 年 9 月宣稱(chēng)它的控制器為世界最小。多達(dá)百臺(tái)以上的機(jī)器人群與微機(jī)及周邊智能設(shè)備和操作人員形成一個(gè)大群體 (多智能體 )。 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 4 2 總體方案設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的確定 為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間位置提供的 6 個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題的要求現(xiàn)可以將其設(shè)計(jì)成關(guān)節(jié)型機(jī)器人。其特點(diǎn)是工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取 近距離 的物體，工藝操作精度高。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有 4 個(gè)齒輪，為了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向 90176。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu) ,則必然以空 間交叉方式變向 ,就不利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。小臂的結(jié)構(gòu)形式是由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。 圖 21小臂腕部傳動(dòng)原理圖 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2020 5 工作空間的確定 工 作空間是機(jī)器人學(xué)中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。根據(jù)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間，工作空間是指機(jī)器人正常工作運(yùn)行時(shí)，手腕參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍，是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)。其功用是利用自身的活動(dòng)度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說(shuō)是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。對(duì)一般商用機(jī)器人，末桿（即與末端執(zhí)行器相聯(lián)接的桿）都有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的自轉(zhuǎn)功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間取任意姿態(tài)，即達(dá)到完全靈活的境地。 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 6 圖 23末桿姿態(tài)示意圖 １ 大臂 ２ 小臂 ３ 末桿 在圖 23中末桿 Ln的圖示姿態(tài)可以看作是由處于 oX 方向的原始位置先繞 oZ 在ooo YOX 平面內(nèi)轉(zhuǎn) ? 角，然后再向上轉(zhuǎn) ? 角得到的。從理論上講，如果 00 3600 ??? ， 00 3600 ?? ? 則 末桿 在空間取任意方向。為了定量的說(shuō)明操作機(jī)抓取和擺放物體的靈活程度， 定義組合靈度（ dex)為： 000 %%%3 6 0 3 6 0 3 6 0d e x X X X X X X? ? ?? ? ? ? ? ? (21) 上式取加的形式但一般不進(jìn)行加法運(yùn)算，因?yàn)榉珠_(kāi) 更能表示機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。若為三個(gè)百分之百，該手腕就是最靈活的手腕。 腕結(jié)構(gòu)是操作機(jī)中最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因傳動(dòng)系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇 ??4 通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下三種 ： a. 電動(dòng)驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器是目前使用最廣泛的驅(qū)動(dòng)器 。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2020 7 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器又分為直流（ DC） 、 交流（ AC）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 。 直流伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的電刷易磨損，且易形成火花 。 b. 液壓驅(qū)動(dòng)器 液壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是功率大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可省去減速裝置，能直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度，但需要增設(shè)液壓源，而且易產(chǎn)生液體泄露，故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。 通過(guò)比較以上三種驅(qū)動(dòng)方式，因此本課題的機(jī)器人將采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器中的直流伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其安裝維修方便，成本低。 手腕電機(jī)的選擇 ??5 a. 擺腕電機(jī)的選擇 手腕的最大負(fù)荷重量1 5m kg?初估腕部的重 量 kgm 32 ? ， 最大運(yùn)動(dòng)速度V=2m/s，則 功率 8 10 2 160 。 160 192 。pW額 ＝ 又因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)周期 T=， 即 m in/ rn ??? ； 則所需電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速為 m i n/100010100100 rin ????? ； 所以選取寬調(diào)速永磁直流 伺服電動(dòng)機(jī)其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 21。 b. 轉(zhuǎn)腕及腕部?jī)?nèi) 電機(jī)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)腕部分的電機(jī)后緊跟輸出軸和聯(lián)軸器，直接帶動(dòng)手腕旋轉(zhuǎn)，故在此應(yīng)選擇轉(zhuǎn)速較低的型號(hào)電機(jī)，又由于要求手腕的重量較輕，便于靈活的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此要求腕部?jī)?nèi)電機(jī)較小，故選 SH 直流伺服電動(dòng)機(jī) 型，其安裝尺寸為 42mm，垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 8 電機(jī)重量?jī)H為 ， 可容許速度范圍為 0 — 250r/min， 詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表 22。 取 P=15W, T=9550P/n。 傳動(dòng)比的確定 及分配 a. 傳動(dòng)比的確定 由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可知所需的總傳動(dòng)比為 i=10。因此 擺腕傳動(dòng)比分配為：擺腕總的傳動(dòng)比 i總 ＝ 10，該傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)傳動(dòng)為圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比 1i ＝ 2，第二級(jí)傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比 2 5i? 。取 40202,20 21 ???? zz 則 。 b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件的設(shè)計(jì)表達(dá)式 3 1][ 121 uuKTZddHEt ??????????? ?? (31) 式 中， tK 載荷系數(shù) ,取 ?tK ； d? 齒寬系數(shù) ，取 ?d? ， 2?u ； EZ材 料系數(shù) ，取 aE MPZ ? 。 許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力： ? ?? ?? ?? ?1 l im11m in2 l im22m in1 l im 111m in2 l im 222m in580 6381560 5921230 21 307210 21 280HHNHHHNHF STFNFF STFNFZ M PaSZ M PaSYY M Pa M PaSYY M Pa M PaS????????? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ??? ? ? ? 將有關(guān)值代入（ 31）得： ? ?2131223 1240 2 242tEtHdKTZ udummmm??? ??? ?????????? ? ?????? 計(jì)算圓周速度 : smndv t / 150042100060 111 ?? ????? ?? 計(jì)算載荷系數(shù) :動(dòng)載荷系數(shù) Kv=；使用系數(shù) 1?AK ；動(dòng)載荷分布不均勻系數(shù)??K ；齒間載荷分配系數(shù) 1?Ka ， 則 ?????? KaK v KKK AH ? 。 c. 計(jì)算基本尺寸 ? ?mmdbmmzzmammmzdmmmzdd 602 8040280402402021212211?????????????????? 取 1 32b mm? mmb 222 ? 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2020 11 d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 齒形系數(shù) ?FSY ， ?FSY ， 取 ??Y ， 校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度 ??? YYmzKT FSdF 1321 11 2? （ 34） MP 32 ???? ??? =[ 1F? ] ? ?21212 FFSFSFF MP aMP aYY ??? ?????? 所以齒輪完全達(dá)到要求。圓柱齒輪的幾何參數(shù)見(jiàn)表 31。取 1 0 0205,20 21 ???? zz 則 。 a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。 許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力： 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2020 13 ? ?? ?? ?? ? M P aM P aYSYM P aM P aYSYM P aZSM P aZSNFSTFFNFSTFFNHHHNHHH280122102230158015802m i nlim221m i nlim112m i nlim21m i nlim11?????????????????????????? 將有關(guān)值代入（ 35）得： 2131 22324[ ] ( 1 ) 4 9550 ( 1 ) 2HEtH R RZ Z K Tdumm? ? ???? ?????? ? ?????? ? ? ? ???? 則 smndv t / 111 ?? ????? ?? smsmvz /??? 動(dòng)載荷系數(shù) ?Kv ；使用系 數(shù) 1?AK ；齒向載荷分布不均勻系數(shù) ??K ；齒間載荷分配系數(shù)取 1?Ka ，則 ?????? KaK v KKK AH ? 。 本尺寸 ? ? mmzzmammmzdmmmzd1202 202002202000240202212211????????????? d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 復(fù)合齒形系數(shù) ?FSY ， ?FSY ， 取 ??Y 。 由于小齒輪的分度圓直徑較小，所以作成齒輪軸。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。 轉(zhuǎn)腕 傳動(dòng)軸的選擇 轉(zhuǎn)腕的傳動(dòng)軸根據(jù)聯(lián)軸器選：軸徑 d=20 mm ，根據(jù)結(jié)構(gòu)取軸長(zhǎng) l=255mm。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。每層又由若干根鋼絲組成。 b. 軟管用來(lái)保護(hù)鋼絲軟軸，以免與外界的機(jī)件接觸，并保存潤(rùn)滑劑和防止塵垢侵入；工作時(shí)軟管還起支撐作用。 在使用軟軸的時(shí) 候要注意鋼絲軟軸必須定時(shí)涂潤(rùn)滑脂，不得使軟軸的彎曲半徑小于允許最小半徑。 a. 初估軸徑， C=106~117,取 C=106 則 3min PdCn? （ 41） 3?? = 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 mind 處開(kāi)始逐段確定軸徑，上面計(jì)算的 mind 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(hào)同時(shí)進(jìn)行。故取軸徑 1d ＝ 22mm?，F(xiàn)取角接觸球軸承型號(hào)為 7205，其內(nèi)徑 2d ＝ 25mm。軸段 3 上用軸肩固定軸承，故取 3d ＝ 30mm。根據(jù)結(jié)構(gòu)確定軸段 5 的