六自由度搬運機器人設(shè)計(畢業(yè)論文)

1、編號 南京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計題 目六自由度搬運機器人設(shè)計學(xué)生姓名學(xué) 號系 部機電工程系專 業(yè)機械工程及自動化班 級指導(dǎo)教師二八年六月南京航空航天大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）誠信承諾書本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）（題目： 六自由度搬運機器人設(shè)計 ）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的成果。盡本人所知，除了畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。作者簽名： 2012 年 月 日（學(xué)號）：畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙六自由度搬運機器人設(shè)計摘 要搬運工業(yè)機器人是一多自由度組成的高精度空間運動機械，所以必須具有運動的靈活性和準(zhǔn)

2、確性，以及動態(tài)性能的平穩(wěn)性。因此，操作機與普通機械設(shè)備相比，除滿足高強度、剛度、可靠性之外，還必須具有靈巧的構(gòu)形和良好的動態(tài)性能。本文的研究內(nèi)容為確定搬運工業(yè)機器人的動力源、驅(qū)動器容量;設(shè)計傳動方式、關(guān)節(jié)及桿件的結(jié)構(gòu)，利用pro/Engineer軟件進行三維建模；繪制裝配圖及部分關(guān)鍵零件圖，對關(guān)鍵零部件進行受力分析及強度校核。關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人，結(jié)構(gòu)設(shè)計，傳動方案設(shè)計,三維建模Handling robot structural design of three degrees of freedomAbstractThe handling of industrial robots is more

3、than one degree of freedom of the high-precision machinery space motion, and so must have the flexibility and accuracy of movement, smooth and dynamic performance. Therefore, the operating machine compared with the general machinery and equipment, in addition to meet the high strength, stiffness, re

4、liability, but also must have a smart configuration and good dynamic performance. The contents of this paper is to determine the source of power handling in industrial robots, drive capacity; design transmission mode, the joints and the structure of the rod, to pro/Engineer Software for three-dimens

5、ional modeling; assembly drawing and some of the key parts diagram, the key components stress analysis and strength check.KeyWords：Industrial robots; Structural design; Transmission design; Three-dimensional modeling. 目 錄摘 要iAbstractii第一章 引 言- 1 -1.1 工業(yè)機器人的定義- 1 -1.2工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)- 1 -1.2.1負載能力（機器人臂力）-

6、1 -1.2.2定位精度- 2 -1.2.3運動速度- 2 -1.2.4自由度- 2 -1.2.5工作范圍- 2 -1.3工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍與研究現(xiàn)狀- 3 -1.3.1工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍- 3 -1.3.2國內(nèi)工業(yè)機器人研究現(xiàn)狀- 3 -1.3.3工業(yè)機器人的優(yōu)點- 4 -第二章 工業(yè)機器人設(shè)計任務(wù)- 6 -2.1 六自由度搬運工業(yè)機器人的設(shè)計要求- 6 -2.2主要技術(shù)指標(biāo)- 6 -2.3 功能分析- 6 -第三章 機械傳動方案設(shè)計及驅(qū)動原件選型- 7 -3.1 傳動方案設(shè)計- 7 -3.2 電動機及減速器的選型計算- 8 -3.2.1腰部電機及減速器的選型計算- 8 -3.2.3大臂

7、擺動電動機及減速器的選型計算- 9 -第四章 搬運機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計- 10 -4.1 腰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計- 10 -4.2肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計- 12 -4.3 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計- 14 -4.4 大臂的設(shè)計- 15 -第五章 關(guān)鍵零部件的校核- 16 -5.1 螺釘連接的強度校核- 16 -5.1.1確定螺柱組連接所受的工作載荷- 16 -5.1.2計算傾覆力矩的工作拉力- 16 -5.1.3求每個螺釘所需的預(yù)緊力- 17 -5.1.4 計算螺柱直徑- 17 -5.2 校驗螺柱組連接接合面的工作能力- 18 -第六章 搬運機器人的裝配過程- 19 -6.1 電機與諧波減速器的裝配- 19 -6.2 回

8、轉(zhuǎn)腰身與四點接觸式軸承的裝配- 19 -6.3 腰關(guān)節(jié)總裝配圖- 20 -6.4 肩關(guān)節(jié)的裝配- 20 -6.5 大臂及平行四邊形結(jié)構(gòu)的裝配- 21 -6.6 總裝配- 21 -第七章 總結(jié)和展望- 22 -7.1 總結(jié)- 22 -7.2 展望- 22 -參考文獻- 24 -致 謝- 25 - 23 - 第一章 引 言1.1 工業(yè)機器人的定義世界機器人之父恩格爾伯格先生認為，機器人目前尚沒有準(zhǔn)確的定義，但有一點可以確定，機器人不一定像人，但能替代人工作。美國不僅將工業(yè)機器人和服務(wù)機器人看成是機器人，還將無人機、水下潛器、月球車甚至巡航導(dǎo)彈等都看成是機器人。機器人技術(shù)是綜合了計算器、控制論、機構(gòu)

9、學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)。它一般由機械本體、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種綜合了人和機器特長、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化裝置。它既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，特別適合于多品種、小批量的柔性生產(chǎn)。 機器人從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)可分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人，就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人，通常是指一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照預(yù)訂的程序、軌跡及其他要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置。而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用

10、于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進機器人，包括：服務(wù)機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、機器人化機器等。在國家標(biāo)準(zhǔn)中，工業(yè)機器人被定義為：“一種能自動定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的，多自由度的操作機。它能搬運材料、零件或操持工具，用已完成各種作業(yè)?！睓C器人賴以完成各種作業(yè)的機械實體被定義為：“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其他操作的機械裝置?！笨梢?，工業(yè)機器人是一機電系統(tǒng)，操作機是它的執(zhí)行機構(gòu)，該機構(gòu)與電子器件密切相關(guān)，它的靈活程度和動態(tài)性能，直接影響著機器人的工作質(zhì)量。1.2工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù) 工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)是說明機器人規(guī)格與性能的具體指標(biāo)，包

11、括以下幾個方面。1.2.1負載能力（機器人臂力）這項參數(shù)一般指機器人在正常運行速度下所能握取的工件重量，它與機器人才的運行速度高低有關(guān)。當(dāng)機器人運行速度可調(diào)時，低速運行時所能握取工件最大重量比高速時大，為安全起見，也有將高速時所能提取的工件重量作為指標(biāo)的，此時則常指明運行速度。1.2.2定位精度定位精度的高低取決于位置控制方式以及工業(yè)機器人的運動部件本身的精度和剛度，與提取重量。運行速度等也有密切關(guān)系。一般的專業(yè)機械手采用固定擋塊控制，可達到較高的定位精度（±0.02mm）；采用行程開關(guān)、點位計等電控元件進行控制，位置精度相應(yīng)較低（±1mm）；工業(yè)機器人的伺服系統(tǒng)是一種位置

12、跟蹤系統(tǒng)，即使在高速重載情況下，也可防止機器人發(fā)生劇烈的沖擊和振動，因此可以獲得較高的位置精度，目前最高可達到0.01mm.1.2.3運動速度 機器人運動部件的每個自由度，起運行全過程一般包括啟動速度、等速運行和減速制動等階段。一般所說的運動速度，是指機器人在運動過程中最大的運動速度。目前，工業(yè)機器人的最大直線速度大部分在1500mm/s以下，最大回轉(zhuǎn)運行速度一般不超過120度 每秒。國內(nèi)一般應(yīng)用的直線速度在300800mm/s，回轉(zhuǎn)速度為50度每秒左右。1.2.4自由度自由度是指確定機器人手部中心位置和手部方位的獨立變化參數(shù)。工業(yè)機器人的每一個自由度，都要相應(yīng)地配對一個原動件（如伺服電機、油

13、缸、氣缸、步進電機等驅(qū)動裝置），當(dāng)原動件按一定的規(guī)律運動時，機器人各運動部件就隨之作確定的運動，自由度數(shù)與原動件數(shù)必須相等，只有這樣才能使工業(yè)機器人具有確定運動。工業(yè)機器人自由度越多，其動作越靈活，適應(yīng)性越強，但結(jié)構(gòu)相應(yīng)越復(fù)雜。一般來說，工業(yè)機器人具有35個自由度即滿足使用要求（其中臂部23個自由度，腕部12個自由度）。1.2.5工作范圍工作范圍是指機器人手臂末端或手腕中心所能到達的所有點的集合，也叫做工作區(qū)域。因為末端操作器的形狀和尺寸是多種多樣的，為了真實反映機器人的特征參數(shù)，所以是指不安裝末端操作器時的工作區(qū)域。工作范圍的形狀和大小是十分重要的，機器人在執(zhí)行某作業(yè)時可能會因為存在手部不能

14、到達的作業(yè)死區(qū)而不能完成任務(wù)。1.3工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍與研究現(xiàn)狀1.3.1工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍最早將工業(yè)機器人技術(shù)用于物體的搬運和碼垛的國家是日本和瑞典。20世紀70年代末日本第一次將工業(yè)機器人用于碼垛作業(yè)。1974年，瑞典ABB公司研發(fā)了全球第一臺全電控式工業(yè)機器人IRB6，主要應(yīng)用于工件的取放和物料的搬運。隨著計算機技術(shù)、伺服技術(shù)以及多軸運動控制技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，日本、美國、意大利、瑞典、德國、韓國等國家工業(yè)機器人的研發(fā)取得了很好的成績，相應(yīng)的推出了自己的搬運機器人，如日本的FANU和OKURA以及FUJI系列，德國的KUKA系列，瑞典的ABB系列等。 德國、瑞典以及日本等國家的搬運

15、機器人一般為四軸空間關(guān)節(jié)式機器人，主要有機器人本體、控制柜和末端執(zhí)行器組成，機器人本體由基座、臂部以及腕部組成。 搬運機器人的主體多采用優(yōu)質(zhì)輕巧的鑄鋁或鑄鐵材料制造，連桿式關(guān)節(jié)型的機構(gòu)形式，均利用CAD和FEM有限元技術(shù)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，具有較高的機械性能和抗震能力；驅(qū)動系統(tǒng)采用模塊數(shù)字化AC伺服電動機和RV減速器，取消了腕部關(guān)節(jié)電動機和平衡塊，大大優(yōu)化了整體結(jié)構(gòu)；這些先進的搬運機器人最顯著的技術(shù)點就是采用了基于PC的開放式控制系統(tǒng)，令機器人能夠高速、精準(zhǔn)、穩(wěn)定可靠的運行。 1.3.2國內(nèi)工業(yè)機器人研究現(xiàn)狀目前，我國自主研發(fā)的搬運機器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型。直角坐標(biāo)機器人具有定位

16、精度高、空間軌跡易于求解、計算機控制簡單等優(yōu)點，但所占空間范圍大、相工作范圍小、操作靈活性差、運動速率較低。 與直角坐標(biāo)機器人相比，關(guān)節(jié)型機器人機身小而且工作空間大，動作靈活，可滿足更多的生產(chǎn)要求，應(yīng)用范圍更廣。為了提高國產(chǎn)關(guān)節(jié)型機器人的市場競爭力，促進產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，在近十年里，我國涌現(xiàn)出了一批具有較強實力的專家企業(yè)、產(chǎn)業(yè)基地和科研院校。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2004年推出1600型基于FFS的高速高精度稱重包裝碼垛生產(chǎn)線，采用全新結(jié)構(gòu)形式與原理的新型全自動稱重、包裝、機器人碼垛生產(chǎn)線，生產(chǎn)可達1600包/小時以上。 清華大學(xué)精儀系自動化實驗室陳懇、向東和北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院李金泉以及北京理工大學(xué)

17、機械與車輛工程學(xué)院付鐵共同開發(fā)了TH50型碼垛機器人，負載50kg，旋轉(zhuǎn)70、度的情況下可搬運1000袋/小時。 上海交通大學(xué)機器人研究所攜手沃迪包裝科技有限公司開發(fā)出了新一代TPR系列碼垛機器人，具有獨特的線性四連桿機構(gòu)，采用高強度鋁合金制造的節(jié)能環(huán)保手臂，生產(chǎn)能力可達160/包。工業(yè)機器人是部分或完全代替人工操作的自動化裝置，目前隨著機器人研究的不斷深入和發(fā)展，機器人的使用范圍越來越廣泛。比如農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等方向。目前，工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要在以下3個方面：惡劣工作環(huán)境；危險工作場合、特殊作業(yè)場合；自動化生產(chǎn)領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中應(yīng)用的機器人主要包括以下幾種。 （1）焊接機器人。焊接機器人需要6

18、個自由度，3個自由度用來控制焊具跟隨焊縫的空間軌跡，另3個自由度保持焊具與工件表面有正確的姿態(tài)關(guān)系，這樣才能保證良好的焊縫質(zhì)量。（2）材料搬運機器人。材料搬運機器人可用來上下料、碼垛、卸貨以及抓取零件重新定位。（3）檢測機器人。零件制造過程中的檢測以及成品檢測都是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵問題。它主要有兩個工作內(nèi)容：確認零件尺寸是否在允許的公差內(nèi)；零件質(zhì)量控制上的分類。（4）裝配機器人。裝配機器人是一個比較復(fù)雜的作業(yè)過程，不僅要檢測裝配作業(yè)過程中的誤差，而且要試圖糾正這種誤差。因此，裝配機器人應(yīng)用了許多傳感器，其中聽覺傳感器用來判斷壓入件或滑入件是否到位。（5）噴漆和噴涂。一般在三維表面作業(yè)至少要5個

19、自由度。由于可燃環(huán)境的存在，驅(qū)動裝置必須防燃防爆。在大件上作業(yè)時，往往把機器人裝在一個導(dǎo)軌上，以便行走。（6）其他諸如密封和黏貼、清砂和拋光、熔模鑄造和壓鑄、鍛造等等也有廣泛的應(yīng)用。1.3.3工業(yè)機器人的優(yōu)點綜上所述，工業(yè)機器人的應(yīng)用給人類帶來了許多好處，如：（1）、減少勞動力費用；（2）、提高生產(chǎn)率；（3）、改進產(chǎn)品質(zhì)量；（4）、增加制造過程的柔性；（5）、減少材料浪費；（6）、控制和加快庫存的周轉(zhuǎn)；（7）、降低生產(chǎn)成本；（8）、消除了危險和惡劣的勞動崗位。我國工業(yè)機器人的應(yīng)用前景是十分寬廣的。但是，由于我國工業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱，勞動力比較豐富、低廉，給工業(yè)機器人的發(fā)展和應(yīng)用帶來一定的困難。只有

20、符合我國的國情，才能推動和加快我國工業(yè)機器人的發(fā)展和應(yīng)用。因此，要注意以下3個問題。（1）、發(fā)展經(jīng)濟型機器人，企業(yè)可望盡早取得投資效益。（2）、發(fā)展特種機器人，在一些人力無法工作的領(lǐng)域里用機器人去干，市場潛力大。（3）、走企業(yè)技術(shù)改造道路，用機器人技術(shù)和其他高新技術(shù)去改造舊企業(yè)，促進了機器 人技術(shù)自身的發(fā)展和應(yīng)用。隨著科技的進步，市場的發(fā)展，工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用已漸趨可能，在未來的制造業(yè)中，越來越多的工業(yè)機器人將被應(yīng)用，越來越好的機械手將被創(chuàng)造，毫不夸張地說，工業(yè)機器人是人類是走向先進制造的一個標(biāo)志，是人類走向現(xiàn)代化、高科技進步的一個象征。 因此如何設(shè)計出一個功能強大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的工業(yè)機器人變成

21、了迫在眉睫的問題。第二章 工業(yè)機器人設(shè)計任務(wù)2.1 六自由度搬運工業(yè)機器人的設(shè)計要求 1.熟練使用三維軟件對工業(yè)機器人的前三個關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)進行三維建模； 2.根據(jù)技術(shù)指標(biāo)確立前三關(guān)節(jié)傳動方案，動力源件； 3.熟練使用AutoCAD生成工程圖紙，主要為總裝配圖和部件圖及關(guān)鍵零件圖； 4.對機器人的關(guān)鍵零部件進行受力分析及強度校核。2.2主要技術(shù)指標(biāo)1. 工業(yè)機器人第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍:±160°,第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍：120°,-30°，第三關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍：+60°,-120°； 2. 工業(yè)機器人可達工作空間：第一關(guān)節(jié)：1.5m;第二關(guān)節(jié)：1.4

22、m;第三關(guān)節(jié)0.6m ；3. 工業(yè)機器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動最大速度，第一關(guān)節(jié)：150°/s；第二關(guān)節(jié)：200°/s；第三關(guān)節(jié)：195°/s ；4. 工業(yè)機器人可承載載荷范圍:015Kg。2.3 功能分析系統(tǒng)共有6個自由度，分別是夾緊、旋轉(zhuǎn)、俯仰、小臂擺動、大臂的擺動及腰部的回轉(zhuǎn)。搬運機器人用途很廣，一般只需點位控制，即被搬運零件無嚴格的運動軌跡要求，只需要起始點和終了點位姿準(zhǔn)確，如機床用的上下料機器人，工件碼垛機器人等。它的前三關(guān)節(jié)是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。它利用順序的三次圓弧運動來改變“手”的空間位置，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對的工作空間大，還能繞過基座周圍一些障礙物。第

23、三章 機械傳動方案設(shè)計及驅(qū)動原件選型3.1 傳動方案設(shè)計 圖 3-1 搬運機器人機構(gòu)示意圖圖1-1為搬運機器人機構(gòu)示意圖 ，1為腰部電機，2為諧波減速器，3為肩部電機，4為RV減速器，5平行四邊形桿件。采用電氣控制，機械傳動，其優(yōu)點：1）精度高，伺服電機作為動力源，腰部采用諧波減速器傳動，傳動平穩(wěn)承載能力高。肩部采用RV減速器傳動，不僅傳動比高、噪聲小而且剛性好。2）控制精度高，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)實現(xiàn)精確控制，在高精度傳感器、計量裝置、計算機技術(shù)的支持下，能夠大大超過其他控制方式達到的控制精度。3）改善環(huán)保水平，由于使用能源品種的減少及其優(yōu)化的性能，污染減少了，噪音降低了，能夠提供良好的工作環(huán)境。

24、4）與齒輪傳動相比，傳動更加精確，消除了齒輪間隙。3.2 電動機及減速器的選型計算工業(yè)機器人除去加持裝置總共有六個自由度，總共需用六個伺服電機，由于本文只研究前三個關(guān)節(jié)，在此只做前三個關(guān)節(jié)的電機選型計算。3.2.1腰部電機及減速器的選型計算 主電機傳動比選擇：腰部電機的驅(qū)動力矩等于其負載的轉(zhuǎn)動慣量與角加速度的乘積，令腰部為J1軸，因此J1軸電動機的負載的轉(zhuǎn)動慣量就是整個機器人旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)減速器和伺服電機的選用方法，我們只需求出J1軸電機的最大負載轉(zhuǎn)動慣量即可，由于轉(zhuǎn)動慣量是由機器人的pr/e三維模型測量的得到的，因此我們只需將機器人各部件裝配為J1軸轉(zhuǎn)動慣量最大的姿態(tài)，然后測量這個最大

25、慣量，將測量圓整為IJ1MAX =1588kgm2，J1軸的啟動轉(zhuǎn)矩為T1= IJ1max1=15882=9977.7Nm。電動機與減速器初步選型:電動機選用CFM112S型，帶制動器，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩31Nm，最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩為108.5Nm，額定轉(zhuǎn)矩為4500r/min,重量為36kg，轉(zhuǎn)動慣量8810-4kgm2。減速器采用諧波減速器，減速比154:1，減速器額定轉(zhuǎn)矩為6000Nm，允許的加減速轉(zhuǎn)矩為10000Nm，回程誤差為3arcmin，最大軸向力49033N，輸出軸傾覆力矩：8800Nm,輸入端轉(zhuǎn)動慣量26.210-4kgm2，額定使用壽命不小于20000h。負載慣量折算到電動機輸出端的慣量為

26、I=0.6696 kgm2，負載慣量和電動機自身輸出慣量比為7.9。3.2.2小臂擺動電動機及減速器的選型計算 令曲柄為J2軸，由受力分析可知J2受軸向拉壓力F，且F是以電動機的行程為自變量的函數(shù)，根據(jù)pro/e計算出其轉(zhuǎn)動慣量，假設(shè)角加速度為4rad/s2 ，得T=19.39Nm。電動機選用sew的CFM71M，帶制動器，其堵轉(zhuǎn)扭矩為5.5Nm，最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩為21.5Nm額定轉(zhuǎn)速為4500r/m，質(zhì)量13kg，轉(zhuǎn)動慣量8.0310-4 kgm2 ，額定功率按照4500r/min計算為3.06kw，按照4000r/min計算為2.7kw。減速器選用RV減速器，額定轉(zhuǎn)矩110Nm，最大減速轉(zhuǎn)矩為

27、169Nm，減速器速比為7:1，額定輸入轉(zhuǎn)速為1500r/min,最大輸入轉(zhuǎn)速為6000r/min,輸入轉(zhuǎn)動慣量2.710-4kgm2，額定壽命15000h。3.2.3大臂擺動電動機及減速器的選型計算由pro/e三維模型測量得到負載的轉(zhuǎn)動慣量為I=204kgm2，由T=I，得T=28.08Nm，伺服電動機初步選擇sew的CFM71S，帶制動器，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為5Nm，最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩為16.5Nm,額定轉(zhuǎn)速為4500r/min,質(zhì)量為11.8kg，轉(zhuǎn)動慣量6.65X10-4 kgm2,其額定功率按照4500r/min計算為3kW,按照4000r/min計算為2.09kW。減速器選用RV減速器，額定轉(zhuǎn)矩1

28、10Nm，最大減速轉(zhuǎn)矩為169Nm，減速器速比為7:1，額定輸入轉(zhuǎn)速為1500r/min,最大輸入轉(zhuǎn)速為6000r/min,輸入轉(zhuǎn)動慣量2.710-4kgm2，額定壽命15000h。第四章 搬運機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1 腰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 4-1 腰關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖 如圖4-1為用pro/Engineer設(shè)計的腰關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)。腰關(guān)節(jié)采用電機在下，使用杯式諧波傳動和四點接觸式薄壁軸的關(guān)節(jié)機構(gòu)。由于使用特制軸承的緣故，使其結(jié)構(gòu)緊湊，腰關(guān)節(jié)高度尺寸小。電機與諧波減速器的箱體連接之后又將電動機的邊緣嵌入支架的凹臺之上，再將諧波減速器的殼體與支架進行連接從而將整個腰身的重力傳遞到支架上。諧波傳動比大，單級傳

29、動可為50-300，傳動平穩(wěn)，承載能力高，齒面磨損小而均勻，傳動效率高。在制造精度相同的條件下，諧波齒輪的傳動精度要比普通傳動齒輪高一級。精密諧波傳動的回差一般在1分-3分之間，甚至可以實現(xiàn)無回差運動。通常來說，深溝球軸承內(nèi)外圈的溝槽曲率比滾珠的曲率稍微大一些，因此滾珠與內(nèi)外圈在溝槽的底部進行接觸。與之不同，四點接觸球軸承減小了溝槽的曲率，結(jié)果使?jié)L珠與溝槽的兩側(cè)接觸，即意味著每一個滾珠與內(nèi)外圈共計有四個點接觸。由于軸承事先進行了預(yù)緊，即使受到傾斜于轉(zhuǎn)軸方向的作用力，也不會發(fā)生晃動，甚至單個軸承也能承受一定程度的力矩載荷。圖4-2 腰關(guān)節(jié)二維剖視圖電機軸與諧波減速器的波發(fā)生器相聯(lián)，柔輪與回轉(zhuǎn)臺聯(lián)

30、接，回轉(zhuǎn)臺與四點接觸式球軸承過盈配合，與上檔圈間隙配合，在回轉(zhuǎn)臺與上擋圈之間，因其相對轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速較低，采用毛氈式密封圈。下?lián)跞εc回轉(zhuǎn)臺之間用螺釘聯(lián)接，下?lián)跞εc底座不接觸，并隨著回轉(zhuǎn)臺一起運動。這樣整個腰關(guān)節(jié)及其以上部分的重力大部分都傳遞到支架上。四點接觸式球軸承只承受較小的軸向力。如圖4-3為腰關(guān)節(jié)的爆炸分解圖 圖 4-3 腰關(guān)節(jié)爆炸分解圖4.2肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖4-4 肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖肩關(guān)節(jié)采用同軸減速傳動，驅(qū)動大臂轉(zhuǎn)動和小臂四邊形傳動件的曲柄轉(zhuǎn)動的兩減速器為同一軸線，左電機通過RV減速器帶動曲柄，曲柄再通過四邊形結(jié)構(gòu)帶動小臂擺動。右電機通過RV減速器帶動大臂右側(cè)的法蘭，使大臂轉(zhuǎn)動。為了使大臂

31、支承可靠，其左側(cè)又通過軸承支撐在曲柄上，形成雙支點結(jié)構(gòu)。相較于諧波傳動，RV傳動獨特的大圓盤輸出機構(gòu)解決了諧波傳動剛性不足的問題，同時兩級傳動擴大了傳動比范圍，特別適合于載荷大，過載能力高，剛度高的場合。在現(xiàn)有的機械手系統(tǒng)中，所采用的傳動機構(gòu)主要有蝸輪蝸桿傳動、行星輪系傳動、鏈傳動、帶傳動等。帶傳動的主要優(yōu)點是：1）適用于中心距較大的傳動；2）帶具有良好的饒性，可緩和沖擊、吸收振動；3）過載時帶與帶輪間出現(xiàn)打滑，打滑雖使傳動失效，但可防止損壞其他零件；4）結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。在本次設(shè)計中，鑒于手臂傳動中心距較大，傳動要求相對高的精度，故相比較后選擇行星齒輪傳動。由于RV減速器具有傳動比范圍大、

32、結(jié)構(gòu)緊湊體積小、運動精度高、剛度大、回差小，傳動效率高等一系列優(yōu)點，因此是目前高精度傳動的最佳選擇。圖4-5 RV減速器實物圖 圖 4-6 肩關(guān)節(jié)二維剖視圖4.3 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖4-7 肘關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖 肘關(guān)節(jié)是利用四連桿結(jié)構(gòu)，通過肩部電動機帶動曲柄運動，再通過傳動桿使小臂擺動。由連桿組成的傳動機構(gòu)可以把連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為間歇往復(fù)運動，實現(xiàn)不等速運動，即減速比連續(xù)變化的運動傳遞功能，再進一步甚至能實現(xiàn)空間直線或曲線運動軌跡。為了達到設(shè)計指標(biāo)要求，針對小臂所能到達的空間范圍進行了機構(gòu)運動分析。 圖 4-8 肘關(guān)節(jié)運動分析圖4.4 大臂的設(shè)計 有限元計算結(jié)果表明，一般情況下，各個臂的強度基本

33、不容易出現(xiàn)問題，基本上是60MPa以下，很多情況下在40MPa以下，所以機器人手臂的材料一般是彈性模量大，密度小、阻尼大的材料，可以選擇鋁合金、鑄鐵，當(dāng)然也可以采用Q235鋼材焊接。設(shè)計過程中，空間關(guān)節(jié)式機器人的結(jié)構(gòu)從末端執(zhí)行器到基座整個流程不能有明顯的薄弱環(huán)節(jié)，因機器人為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中有一薄弱環(huán)節(jié)，那么整個機器人都會有問題。機器人的大臂、小臂和底座盡可能不開口或減少開口。若必須開口，那么添加蓋板不僅妖氣防塵作用，還要起連接作用，蓋板螺釘需要選擇較大型號，且布置也應(yīng)較密。圖 4-9 大臂三維結(jié)構(gòu)圖大臂是采用的方形截面且為等壁厚。因為在相同的周長下，圓內(nèi)包含的面積最大，其次是方形。根據(jù)切應(yīng)力公式

34、，則扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力就最小，抗扭性能會強。當(dāng)大臂為變臂厚時，計算切應(yīng)力時采用的是最小壁厚，那么切應(yīng)力就相對較大，抗扭性能會差，故采用等壁厚較好。第五章 關(guān)鍵零部件的校核5.1 螺釘連接的強度校核圖 5-1 螺釘連接分布圖采用內(nèi)六角螺釘連接，布局如圖5.1.1確定螺柱組連接所受的工作載荷只受橫向載荷（作用于接合面，垂直向下）根據(jù)proe質(zhì)量分析，得到前5個自由度的總質(zhì)量傾覆力矩（順時針方向） 5.1.2計算傾覆力矩的工作拉力在傾覆力矩作用下，左面的螺釘受到加載作用而右面的螺釘受到減載作用，故左面的螺受力較大，得知為5.1.3求每個螺釘所需的預(yù)緊力橫向工作載荷將使連接件下滑，采用普通螺柱連時是靠摩擦力來

35、承受，M對摩擦力影響，雖在M的作用下，左邊的壓力減小，但右面的拉力增大，所以保證不下滑的條件，由式（11-27）可知;=1.2 =0.25.1.4 計算螺柱直徑螺柱所受的總拉力由式（11-19）求得由表11-5取=0.3查表選擇螺柱材料為Q235，性能等級5.6，屈服強，安全系數(shù)，則需用應(yīng)力為根據(jù)式（11-21）求得螺柱危險剖面的直徑（螺紋小徑）為：初取直徑=16 mm5.2 校驗螺柱組連接接合面的工作能力1） 連接接合面右端不超過許用值，以防止接合面壓潰，由式（11-39）有：式中，接合面面積；接合面抗彎剖面模量：由表11-9查得2） 連接接合面左端應(yīng)保持一定的預(yù)緊力，以防止接合面產(chǎn)生間隙，

36、即由式（11-38）由于會產(chǎn)生間隙，應(yīng)提高預(yù)緊力，由，求得不產(chǎn)生間隙的最小預(yù)緊力=28570由式（11-19）重新求得螺柱所受到的總拉力由式（11-21）重新求得螺柱危險截面的剖面直徑d1> 20 取=20mm的螺釘，誤差小于5%，在工程允許范圍內(nèi)，查GB/T901-1988，B級等長螺釘M201.5 第六章 搬運機器人的裝配過程6.1 電機與諧波減速器的裝配 圖6-1 電機與諧波減速器的裝配圖6.2 回轉(zhuǎn)腰身與四點接觸式軸承的裝配 圖 6-2 四點接觸式軸承的裝配圖6.3 腰關(guān)節(jié)總裝配圖 圖 6-3 腰關(guān)節(jié)的總裝圖6.4 肩關(guān)節(jié)的裝配 圖6-4 肩關(guān)節(jié)的裝配6.5 大臂及平行四邊形結(jié)構(gòu)

37、的裝配圖6-5 大臂及平行四邊形結(jié)構(gòu)的裝配6.6 總裝配圖6-6 總裝圖第七章 總結(jié)和展望7.1 總結(jié)歷經(jīng)一個學(xué)期的努力，六自由度機搬運機器人的前三關(guān)節(jié)設(shè)計任務(wù)終于完成了。在這段時間內(nèi)，使我溫習(xí)和鞏固了大學(xué)四年所學(xué)的專業(yè)知識，綜合運用了所學(xué)的機械和電子方面的知識，極大的提高了我分析問題，解決問題的能力?；仡欉^去的兩個多月，感覺收獲頗豐：通過對機械手的整體傳動方案設(shè)計，典型結(jié)構(gòu)設(shè)計，使我對大學(xué)四年所學(xué)的機械方面的知識以及專業(yè)方面的知識有了更深一步的了解和認識，而不像以前一樣僅僅停留在書本的概念上。掌握了機械結(jié)構(gòu)整體方案設(shè)計的原則和要求，在設(shè)計過程中熟練的查取了相關(guān)的設(shè)計手冊，為以后工作上的需要打

38、下了堅實的基礎(chǔ)。 通過對各個典型機構(gòu)的設(shè)計，充分的理解和掌握了機械設(shè)計方面的知識，并且把材料力學(xué)和理論力學(xué)的知識進行了實際的應(yīng)用。通過這一學(xué)期應(yīng)用pro/e和AutoCAD軟件設(shè)計工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)，極大地提高了我的繪圖能力，并對proe的模擬仿真和有限元分析應(yīng)用方面有了進一步的學(xué)習(xí)和收獲，為以后走向工作崗位更好的工作打下了堅實的基礎(chǔ)。由于論文的研究時間、本人的能力和知識范圍有限，本論文的研究工作還存在著一些不足之處，存在一些需要完善和改進的地方：1）因為六自由度搬運機器人，要想得到最優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須每設(shè)計一個關(guān)節(jié)就要進行有限元分析，不斷地修改，不斷地改善，而本人在有限元分析軟件方面的應(yīng)用能力不

39、足，不能對每一結(jié)構(gòu)進行有限元分析，且因時間也比較緊迫，在關(guān)鍵零部件的校核方面，計算比較繁瑣，沒有對過多零部件進行校核計算。2）在零件的結(jié)構(gòu)加工工藝性方面的認識不足，有些零件的加工性能可能會欠考慮。7.2 展望 在工資水平較低的中國，制造業(yè)盡管仍屬于勞動力密集型，但工業(yè)機器人的使用已經(jīng)越來越普及。那些電子和汽車業(yè)的歐美跨國公司很早就在它們設(shè)在中國的工廠中引進了自動化生產(chǎn)。但現(xiàn)在的變化是那些分布在工業(yè)密集的華南、華東沿海地區(qū)的中國本土制造廠也開始對機械手表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣，因為他們要面對工人流失率高，以及交貨周期縮短帶來的挑戰(zhàn)。工業(yè)機器人可以確保運轉(zhuǎn)周期的一貫性，提高品質(zhì)。另外，讓工業(yè)機器人取代普通工人從模具中取出零件不僅穩(wěn)定，而且也更加安全。同時，不斷發(fā)展的模具技術(shù)也為工業(yè)機器人提供了更多的市場機會。隨著科技的進步，市場的發(fā)展，工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用已漸趨可能，在未來的制造業(yè)中，越來越多的工業(yè)機器人將被應(yīng)用，越來越好的工業(yè)機器人將被創(chuàng)造，毫不夸張地說，工業(yè)機器人是人類是走向先進制造的一個標(biāo)志，是人類走向現(xiàn)代化、高科技進步的一個象征。 參考文獻 1 工業(yè)機械手編寫組.