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1緒論
機(jī)器人是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造中的一個重要組成部分。機(jī)器人顯著地提高了勞動生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。因而受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，投入大量人力物力加以研究和應(yīng)用。
機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它的特點(diǎn)是除了具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。它可以靈活運(yùn)用在工業(yè)上的各個方面，如噴漆、焊接、搬運(yùn)等。第二類是需要人工操作的，稱為機(jī)械機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)器人來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專用機(jī)器人，主要附屬于自動機(jī)床或自動線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國外稱為“Mechanical Hand "，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動;除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，采用機(jī)械編程。因此是專用的。
本課題通過對通用機(jī)器人smart6.50R 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，完成對其腕部的設(shè)計(jì)，并借助CAD/CAE軟件完成從建模到運(yùn)動學(xué)分析、應(yīng)力分析的全過程。最終期望腕部與小臂、手部、大臂能夠協(xié)調(diào)工作，能夠完成各種現(xiàn)代工業(yè)加工過程中所要求的動作。
本課題的設(shè)計(jì)思路是：借助已有的通用機(jī)器人的腕部設(shè)計(jì)思想和方法，綜合考慮腕部機(jī)構(gòu)在機(jī)器人運(yùn)動中所起的作用和機(jī)器人的整體技術(shù)參數(shù)以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后選擇合理的機(jī)構(gòu)，確定傳動線路，然后對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，計(jì)算主要參數(shù)，并對部分零件進(jìn)行設(shè)計(jì)、組裝，綜合評價腕部系統(tǒng)。
1.1機(jī)器人組成
機(jī)器人主要由驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成。
1.1.1驅(qū)動裝置
工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動裝置包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu)兩部分，它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連成一體。傳動機(jī)構(gòu)常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪輪系。驅(qū)動器通常有電機(jī)(直流伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，交流伺服電機(jī))，液動和氣動裝置，
目前使用最多的是交流伺服電機(jī)。
1.1.2控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)一般由控制計(jì)算機(jī)和驅(qū)動裝置伺服控制器組成。后者控制各關(guān)節(jié)的驅(qū)動器，使各桿按一定的速度，加速度和位置要求進(jìn)行運(yùn)動。前者則是要根據(jù)作業(yè)要求完成偏差，并發(fā)出指令控制各伺服驅(qū)動裝置使各桿件協(xié)調(diào)工作，同時還要完成環(huán)境狀況，周邊設(shè)備(如電焊機(jī)，工卡具等)之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。
1.1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)由腰部、基座、手部、腕部和臂部等運(yùn)動部件組成。
1) 腰部 腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動再加上臂部的平面運(yùn)動，就能使腕部作空間運(yùn)動。腰部是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差，運(yùn)動精度和平穩(wěn)性，對機(jī)器人的定位精度有決定性影響。
2) 基座 基座是整個機(jī)器人的支持部分，有固定式和移動式兩種。該部件必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。
3)手部 手部它具有人手某種單一動作的功能。由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等形式。
夾持式手部是由手指和傳力機(jī)構(gòu)所組成。
手指是直接與物件接觸的機(jī)構(gòu)。常用的手指運(yùn)動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。 吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁吸盤兩類。
對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
4)腕部 腕部與手部相連，通常有3個自由度，多為輪系結(jié)構(gòu)，主要功用是帶動手部完成預(yù)訂的姿態(tài)，是操作機(jī)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分。
5)臂部 臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個臂桿(小臂和大臂)組成，用以帶動腕部作平面運(yùn)動。
1.2機(jī)器人分類
1.2.1按用途分類
1.專用機(jī)器人
專用機(jī)器人是專為一定設(shè)備服務(wù)的，簡單、實(shí)用，目前在生產(chǎn)中運(yùn)用比較廣泛。它一般只能完成一、二種特定的作業(yè)，如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編制程序控制，以獲得多種工作程序，適應(yīng)多種作業(yè)的需要。
2.通用機(jī)器人
通用機(jī)器人是在專用機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它能對不同的物件完成多種動作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯浴Ｋ且环N能獨(dú)立工作的自動化裝置。它的動作程序可以按照工作需要來改變，大都是采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
1.2.2按控制形式分類
1.點(diǎn)位控制型機(jī)器人
點(diǎn)位控制型機(jī)器人的運(yùn)動軌跡是空間二個點(diǎn)之間的聯(lián)接?？刂泣c(diǎn)數(shù)愈多，性能愈好。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡單。絕大部分機(jī)器人是點(diǎn)位控制型。
2.連續(xù)軌跡控制型機(jī)器人
這種機(jī)器人的運(yùn)動軌跡是空間的任意連續(xù)曲線，它能在三維空間中作極其復(fù)雜的動作，工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜.
1.2.3按驅(qū)動方式分類
1.液壓機(jī)器人:輸出力大，傳動平穩(wěn)。
2.氣壓機(jī)器人:氣源方便，輸出力小，氣壓傳動速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。
但工作不太平穩(wěn)，沖擊大。
3.電動式機(jī)器人:電力驅(qū)動是目前機(jī)器人使用的最多的一種驅(qū)動方式，其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，信號檢測，傳遞，處理方便，可以采用多種靈活的控制方案。
4.機(jī)械式機(jī)器人:工作可靠，動作頻率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但動作固定不可變。
1.3腕部結(jié)構(gòu)選型
手腕是操作機(jī)的小臂(上臂)和末端執(zhí)行器(手爪)之間的連接部件。其功用
是利用自身的活動度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。對一般商用機(jī)器人，末桿(即與末端執(zhí)行器相聯(lián)結(jié)的桿)都有獨(dú)立的自轉(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)行器就可在空間去任意姿態(tài)，即達(dá)到完全靈活的境地。對于任一桿件的姿態(tài)(即方向)，可用兩個方位確定。如圖1.1所示
圖1.1 末桿姿態(tài)示意圖
1．大臂 2.小臂 3.末桿(L)
在圖1.1中，末桿L的圖示姿態(tài)可以看作是由處于x1方向的原始位置先繞z1在x1 o1 y1平面內(nèi)轉(zhuǎn)α、β角，然后在a o1與z1組成的垂直平面內(nèi)再向上轉(zhuǎn)β角得到的。可見是由α、β兩角決定了末桿（L）的方向(姿態(tài))。從理論上講，如果0°≤α≤360°，0°≤β≤360°，則L在空間可取任意方向。如果L的自轉(zhuǎn)角γ也滿足0°≤γ≤360°，我們就說該操作機(jī)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)。為了定量的說明操作機(jī)抓取和擺放物體的靈活度，我們定義組合靈活度(dex)為:
dex=α/360°+β/360°+γ/360°=xx%+xx%+xx%
上式取“加”的形式，但一般不進(jìn)行加法運(yùn)算，因?yàn)榉珠_更能表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。
腕結(jié)構(gòu)最重要的評價指標(biāo)就是dex值。若為3個百分之百，該手腕就是最靈活的手腕。一般說來，α、β的最大值取360°，而γ值可取的更大一些，如果擰螺釘，最好γ無上限。
腕結(jié)構(gòu)是操作機(jī)中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因轉(zhuǎn)動系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。腕部的設(shè)計(jì)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%，轉(zhuǎn)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單并有利于小臂對整機(jī)的靜力平衡。
1.3.1單自由度手腕
SCARA水平關(guān)節(jié)裝配機(jī)器人多采用單自由度手腕，該類機(jī)器人操作機(jī)的手腕只有繞垂直軸的一個旋轉(zhuǎn)自由度。為了減輕操作機(jī)的懸臂的重量，手腕的驅(qū)動電機(jī)固結(jié)在機(jī)架上。手腕轉(zhuǎn)動的目的在于調(diào)整裝配件的方位。由于轉(zhuǎn)動為兩級等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉(zhuǎn)動不影響末端執(zhí)行器的水平方位，而該方位的調(diào)整完全取決于腕傳動的驅(qū)動電機(jī)。這時確定末端執(zhí)行器方位的角度(以機(jī)座坐標(biāo)系為基準(zhǔn))將是大小臂轉(zhuǎn)角以及腕轉(zhuǎn)角之和。
1.3.2兩自由度手腕
兩自由度手腕有兩種結(jié)構(gòu):
1）匯交式兩自由度 手腕兩自由度手腕的末桿與小臂中線重合，兩個鏈輪對稱分配在兩邊。β≤200° ,γ≥360°, dex= 0+80%+100%，如圖1.3，
2）偏置式兩自由度手腕 手腕的末桿偏置在在小臂中線的一邊。
β≥360°,γ≥360，dex=0+100%+100%優(yōu)點(diǎn)是腕部結(jié)構(gòu)緊湊，小臂橫向尺寸較小(薄)。
兩自由度的另兩種結(jié)構(gòu)。一種是將諧波減速器這置于碗部，驅(qū)動器通過齒形帶帶動諧波，或經(jīng)錐齒輪再帶動諧波使末桿L獲得α. γ兩自由度運(yùn)動。另一種則是將驅(qū)動電機(jī)1和諧波減速器連成一體，放于偏置的殼中直接帶動L完成角轉(zhuǎn)動，β角則是由鏈傳動完成。
如圖1.3匯交式兩自由度
1- 法蘭 2-錐齒輪組 3-錐齒輪 4-彈簧
5、8-鏈輪 6-軸承 7-殼體
1.3.3三自由度手腕
三自由度的手腕形式繁多。三自由度手腕是在兩自由度的基礎(chǔ)上加一個整個手腕相對于小臂的轉(zhuǎn)動自由度(用角度參數(shù)α表示)而形成的。當(dāng)不考慮結(jié)構(gòu)限制，即α、β、γ都能在0°～360°范圍取值，末端執(zhí)行器的靈活度dex=100%+100%+100%，也就是說具有百分之百的靈活度。這就是說手爪可自任意方向接進(jìn)物體，也可將物體轉(zhuǎn)到任意姿勢。所以三自由度是“萬向”型手腕，可以完成兩自由度手腕很多無法完成的作業(yè)。近年來，大多數(shù)關(guān)節(jié)型機(jī)器人都采用了三自由度手腕。主要有兩類:
1)匯交手腕(或稱正交手腕)它是α、β、γ的旋轉(zhuǎn)軸線匯交于一點(diǎn)。
2)偏置式手腕它是α、β、γ的旋轉(zhuǎn)軸線互相垂直，但不匯交于一點(diǎn)。
這兩類手腕都是把β、γ運(yùn)動的減速器安裝在手腕上，可簡化小臂結(jié)構(gòu)，但卻增加了手腕本身的重量和復(fù)雜程度。
1.3.4 通用機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)選型
如圖1.4所示，是匯交式手腕(或正交手腕)，即α、β、γ的旋轉(zhuǎn)軸線匯交于一點(diǎn)?？梢钥闯?，電機(jī)(1)經(jīng)錐齒輪副((3, 4)和齒型帶傳動(9, 10, 13),
再經(jīng)錐齒輪副(5, 6)和諧波減速器(16)帶動法蘭(17、機(jī)械接口)轉(zhuǎn)動，完成末桿(法蘭)γ的運(yùn)動。電機(jī)2經(jīng)錐齒輪副(7, 8)和齒型帶傳動(11, 12, 14), 通過諧波減速器帶動腕殼擺動，完成末桿p的運(yùn)動。整個手腕又由置于小臂后部的電機(jī)(上圖未畫)，經(jīng)過諧波傳動，帶動小臂作繞自身軸線的轉(zhuǎn)動，即α運(yùn)
動。
圖1.4 正交式手腕
減速器的配置可以分為前置式和后置式。后置式有利于小臂的平衡。前置式加大了腕部的復(fù)雜程度和重量，對小臂乃至整機(jī)的平衡不利，但可簡化整個小臂的結(jié)構(gòu)，而且當(dāng)腕部使用同步齒形帶時，只能采用這種布置，因?yàn)辇X形帶只能用于高速級。這種布置還可簡化后面三個驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。對于平行軸轉(zhuǎn)動，減速器前置可以匹配小臂與手腕的幾何尺寸。如圖1.4所示，我選用:減速器的配置為前置式是把α、γ兩自由度的減速器裝在手腕內(nèi)。
電機(jī)配置也可以分為前置式和后置式。前置式有一個電機(jī)配置在手腕中，其最大優(yōu)點(diǎn)是大大簡化了小臂的結(jié)構(gòu)和傳動過程的軸線干擾，但加重了腕部。這種結(jié)構(gòu)較適合于小負(fù)荷操作機(jī)。必須指出，這種結(jié)構(gòu)的手腕也屬于非匯(正)交式，由它構(gòu)成的六自由度操作機(jī)無解析解。電機(jī)后置式的驅(qū)動電機(jī)都布置在腕的后面。對于中小負(fù)載的操作機(jī)，電機(jī)可布置在臂的空腔中，而對于大負(fù)載操作機(jī)，由于電機(jī)重而且大，電機(jī)多布置在臂的后端，以減少臂的尺寸和前部重量，并與減速器一起對小臂起平衡作用。如圖1.4所示。
1.4機(jī)器人設(shè)計(jì)
機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，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。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，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(jī)器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。:
在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過程中，通常要制造樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有時這些實(shí)驗(yàn)甚至是破壞性的。當(dāng)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷時，就要回頭修改設(shè)計(jì)并再用樣機(jī)驗(yàn)證。這一過程是冗長的，尤其對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)周期更加漫長，更不用談對市場的靈活反應(yīng)了。于是運(yùn)動分析—虛擬樣機(jī)技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生了。它可以使產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬機(jī)器人的運(yùn)動及受力情況，快速分析多種設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行對物理樣機(jī)而言難以進(jìn)行或根本無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，直到獲得最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。這種方法不但可以縮短開發(fā)周期，而且設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率也得到了很大的提高。
2末端執(zhí)行器
末端執(zhí)行器是裝在機(jī)器人操作機(jī)的機(jī)械接口上，用于使機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)而專門設(shè)計(jì)的裝置。末端執(zhí)行器種類繁多，與機(jī)器人的用途密切相關(guān)，最常見的有用于抓拿物件的夾持器;用于加工工件的銑刀，砂輪和激光切割器:用于焊接，噴涂用的焊槍，噴具;由于質(zhì)量檢測的測量頭，傳感器。一般說來，一種新的作業(yè)需要一種新的末端執(zhí)行器，而一種新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)又往往為機(jī)器人開辟一種新的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，末端執(zhí)行器的分析和設(shè)計(jì)已形成了一個專門領(lǐng)域。這里只簡要介紹幾種常用的抓拿物件的末端執(zhí)行器。
2.1夾持器
夾持器通常有兩個夾爪。根據(jù)不同的運(yùn)動形式，夾爪又可分為回轉(zhuǎn)式和平移式兩種類型。
1)斜楔杠桿式夾持器。當(dāng)施以力P時，楔角為α的斜楔前進(jìn)，使夾爪閉合，
夾緊物件，且當(dāng)α小于自鎖角時，即使β消失，被夾物件也不會滑脫。當(dāng)施以相反方向的力時，斜楔后退，夾爪在彈簧的作用下打開。由于夾爪做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，而回轉(zhuǎn)軸又是固定的，故當(dāng)夾持不同直徑的物件時，物件的中心線將沿對稱軸線移動，形成定位誤差。故使用這種夾持器時，機(jī)器人的應(yīng)用程序必須有補(bǔ)償功能。
2)有定位補(bǔ)償?shù)母軛U式夾持器。這種夾持器的夾爪回轉(zhuǎn)銷軸可借助左右螺旋副平移其相對位置，所以通過調(diào)整螺旋可對不同直徑的物體保持中心位置不變。
3)平行移動式夾爪。當(dāng)施以壓力P時，齒輪在下條上滾動，并以兩倍的移動
速度帶動上齒條移動，兩個齒條分別與兩個夾爪聯(lián)接。帶動夾爪平行地移動，起到夾持物件的作用。
2.2擬手指型執(zhí)行器
人手是最靈巧的夾持器，如果模擬人手結(jié)構(gòu)，就能制造出結(jié)構(gòu)最優(yōu)的夾持器。但由于人手自由度較多，驅(qū)動和控制都十分復(fù)雜，所以到目前為止，只制造出了一些原理樣機(jī)，離工業(yè)應(yīng)用還有一定差距。下面介紹幾種教有特色的擬手指型手抓。
1) UTACH/MIT手抓。它有4個手指，可實(shí)現(xiàn)對握，每個手指有3個曲伸關(guān)節(jié)和一個擺動關(guān)節(jié)，共16個自由度。各關(guān)節(jié)采用繩輪驅(qū)動，驅(qū)動器后置。由于拇指對置，所以4個手指不能實(shí)現(xiàn)并掌操作，即4個手指不能放在一側(cè)實(shí)現(xiàn)全握式的抓拿物體。
2) 3指手爪。第一指相當(dāng)于拇指，只有一個曲伸關(guān)節(jié)，一個擺動關(guān)節(jié)和一個開合關(guān)節(jié)，其他兩指都有兩個曲伸關(guān)節(jié)，故共有11個自由度，也是驅(qū)動器后置。
3)雙拇指手爪。每個手指都有3個曲伸關(guān)節(jié)。其中，外面兩指有擺動和轉(zhuǎn)動
自由度，通過轉(zhuǎn)動，可以和中間指對置，也可與中指處于同側(cè)(并掌);中指無轉(zhuǎn)
動自由度，故該手共有14個自由度。該手可以抓取或握取物件，由于使用了超小型電機(jī)和減速器，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動器前置配置(即驅(qū)動器、減速器與手指配在一起)，
結(jié)構(gòu)緊湊，可作為一個部件安裝于機(jī)器人的機(jī)械接口上。
2.3吸式執(zhí)行器
吸式執(zhí)行器是目前應(yīng)用較多的一種執(zhí)行器，特別是用于搬運(yùn)機(jī)器人。該類執(zhí)行器可分磁吸和氣吸兩類。
1)磁吸式手爪。它利用電磁場力和袋裝可變形式磁粉，可以吸住具有任意表
面形狀的磁性物件。
2)氣吸式手爪。它下端有一個橡膠吸盤，上面有彈簧緩沖壓下裝置，靠吸盤
內(nèi)腔的真空度吸住物件。形成真空的方法通常有兩種。一種靠真空泵，一種靠氣流形成負(fù)壓。前者工作可靠，吸盤結(jié)構(gòu)簡單，但成本較高;后者只需壓力為0. 4MPa
的普通工業(yè)氣源，利用伯努利原理(文多利管)，在氣流高速噴射時即可形成所要
求的負(fù)壓，時吸盤吸住物體，因不需專用真空泵，故成本較低，目前應(yīng)用較廣泛。
本課題所選擇的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為可以回轉(zhuǎn)的夾持器。通過法蘭盤與夾持器固聯(lián)，利用腕部和小臂的旋轉(zhuǎn)，以及外部的擺動帶動末端夾持器在空間做任意的運(yùn)功。
3腕部設(shè)計(jì)
3.1手腕結(jié)構(gòu)的選擇
Smart 6.50腕部的主要技術(shù)參數(shù)為：
自由度
3
最大持重
10Kg
Ⅰ 軸
±180°
144(°)/s
200N?m
Ⅱ 軸
±115°
136(°)/s
150N?m
Ⅲ 軸
±180°
138(°)/s
100N?m
本課題仿制Smart 6.50R 機(jī)器人的腕部進(jìn)行設(shè)計(jì)，通用機(jī)器人的手腕是三自由度的，圖3.1是其傳動原理圖，關(guān)節(jié)配置形式為臂轉(zhuǎn)、腕擺、腕轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。其傳動鏈分成二部分，一部分在機(jī)器人小臂殼內(nèi)，三個電機(jī)的輸出通過齒形帶傳動分別傳遞到同軸傳動的心軸、中間套、外套筒上。另一部分傳動鏈安排在手腕部。
（1）臂轉(zhuǎn)運(yùn)動 臂部外套筒與手腕殼體通過端面法蘭聯(lián)結(jié)，外套筒直接帶動整個手腕旋轉(zhuǎn)完成臂轉(zhuǎn)運(yùn)動。
（2）腕擺運(yùn)動 臂部輸出的空心軸通過一組錐齒輪組（14）和一組同步齒形帶（12、13）以及諧波減速器（11）帶動固定在套筒上的端蓋一起擺動。
（3）手轉(zhuǎn)運(yùn)動 如圖3.1,臂部心軸通過鍵聯(lián)結(jié)帶動錐齒輪組（3）轉(zhuǎn)動，然后通過同步齒形帶（4、6）帶動套筒的內(nèi)部中心軸，中心軸的另一端通過一對錐齒輪組（9）傳動，帶動固定套筒（10）內(nèi)部的中心軸端面的法蘭盤（8）轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)法蘭盤的手轉(zhuǎn)運(yùn)動。
圖3.1腕部系統(tǒng)傳動簡圖
3.2傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)計(jì)算
3.2.1.選擇電機(jī)
假設(shè)手部的末端的持重是10Kg,腕心距機(jī)械輸出借口長度為200mm，腕轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑為100mm.
Ⅰ 軸為腕轉(zhuǎn)運(yùn)動
W1=144°180°x3.14 = 2.512rad/s
R=100mm
F = 10x10 =100N
T=F·R
P = F·R·W1=100x2.512x100=25.12W
η總=η錐2η聯(lián)η離η帶η諧
=0.952x0.8x0.95x0.99x0.98
=0.665
η離=0.98 η諧=0.80
η帶=0.95 η聯(lián)=0.99
η錐=0.95
所需電機(jī)功率
P電=P/η總
=25.12 /0.665
= 37.77W
Ⅱ 軸為腕擺運(yùn)動
L=200mm F=100N
T=F·L
=20.0N·m
W2=136°180°x3.14
=2.372rad/s
P=T·W2
=47.44W
η總=η帶2η聯(lián)η離η錐η諧
=0.952x0.99x0.98x0.95x0.80
=0.665
所需電機(jī)功率為
P電=P/η總
=47.44/0.665
=671.33W
考慮到系統(tǒng)傳動過程中，同步齒形帶傳動所需的功率，以及要求腕部的結(jié)構(gòu)要求緊湊，所以Ⅰ軸傳動所需電機(jī)5和Ⅱ軸傳動所需電機(jī)6如下：
型 號
功 率 (KW)
轉(zhuǎn) 速（r/min）
轉(zhuǎn) 矩
（N·m）
額定電流
（A）
額定電壓
（V）
ＴＹＳＺ－７５－６３ｓ
0.75
3000
2.4
3.08
220
ＴＹＳＺ－５５－６３ｓ
0.55
2000
2.3
2.2
220
3.2.2分配系統(tǒng)傳動比和動力參數(shù)的計(jì)算
Ⅰ 軸為腕轉(zhuǎn)運(yùn)動
腕轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)的傳動比
末端法蘭盤的轉(zhuǎn)速ｎ法＝１44°ｘ６０３６０°＝22.67r/min
系統(tǒng)總的傳動臂為ｉ總＝200022.67＝88.22
?。橹C＝88.22
ｉ帶１＝1 ｉ錐１＝１ ｉ錐２＝１
電機(jī)6的輸出功率Ｐ１＝0.50Kw
帶輪5轉(zhuǎn)速ｎ5＝2000r/min
W5＝200060ｘ3.14＝104.67rad／s
Ｐ5＝Ｐ１η聯(lián)η離η錐
＝0.50ｘ0.95ｘ0.98ｘ0.99
＝0.460Kw
T5=9.55x1062000x0.460=2.20N·m
帶輪6轉(zhuǎn)速n6=n5=2000r/min
W6=W5=104.67rad/s
P6=P5η帶
=0.460x0.95
=0.437 Kw
T6=9.55x1062000x0.437=2.09N·m
腕轉(zhuǎn)軸Ⅰ軸
PⅠ=P6η諧η錐
=0.437x0.80x0.95
=0.332Kw
ｎⅠ=22.67r/min
WⅠ=1.186rad/s
TⅠ=9.55x10622.67x0.332
=139.85N·m
腕擺傳動系統(tǒng)的傳動比
末端套筒的轉(zhuǎn)速ｎ套＝１36°ｘ６０３６０°＝24r/min
系統(tǒng)總的傳動比為ｉ總＝300024＝125
?。橹C＝50 ｉ帶１＝2.5
ｉ錐１＝１ ｉ帶２＝１
電機(jī)５的輸出功率Ｐ１＝0.75Kw
帶輪３轉(zhuǎn)速ｎ3＝30002.5＝1200r/min
W３＝120060ｘ3.14＝62.8rad／s
Ｐ３＝Ｐ１η聯(lián)η離η錐η帶
＝0.75ｘ0.95ｘ0.98ｘ0.99ｘ0.95
＝0.656Kw
T3=9.55x1061200x0.656=5.22N·M
帶輪4轉(zhuǎn)速n4=n3=1200r/min
W4=ｗ３=62.8rad/s
P4=P3η帶
=0.656x0.95
=0.623Kw
T4=9.55x1061200x0.623=4.96N·m
腕擺軸Ⅱ軸
PⅠ=P4η諧
=0.623x0.80
=0.498Kw
ｎⅡ=24r/min
WⅡ=2.512rad/s
TⅡ=9.55x10624x0.498
=198N·m
Ⅰ軸腕轉(zhuǎn)運(yùn)動
ｉ總＝200022.67＝88.22
?。橹C＝88.22 ｉ帶１＝1 ｉ錐１＝１ ｉ錐２＝１
腕擺傳動系統(tǒng)的傳動比
末端套筒的轉(zhuǎn)速ｎ套＝１36°ｘ６０３６０°＝24r/min
系統(tǒng)總的傳動比為ｉ總＝300024＝125
?。橹C＝50 ｉ帶１＝2.5
ｉ錐１＝１ ｉ帶２＝１
4錐齒輪設(shè)計(jì)
4.1確定錐齒輪的主要技術(shù)參數(shù)
錐齒輪組3的材料選用40Cr鋼，齒面硬度250～280HBS。
取m=2.5 Z1=Z2=40 δ1=δ2=45°
i=Z2Z1=1
d=m·z=90 mm d1=d2
錐距 R=12d12+d22 =63.64mm
ha=2.5 hf=3
da=d+2hacosδ=93.5mm
df=d-2hfcosδ=85.8mm
b=10mm
dm=d(1-0.5b/R)=83
cotθa=haR θa=2.7°
cotθf=hfR θf=3.2°
4.2輪齒的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算
忽略齒面間摩擦力，把輪齒上的分布作用力合成為集中法向力Fn,在把分解為三個互相垂直的力Fn，即圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa。錐齒輪5的轉(zhuǎn)矩為T1，中點(diǎn)分度圓直徑為dm，可得：
Ft=2T1dm=328.7N
Fr=Fttanαcosδ=86.7N
Fa=Fttanαsinδ=86.7N
(T1=14.73N·m)
一般的直齒錐齒輪制造精度低，因而可以認(rèn)為在嚙合過程中載荷僅由一對相嚙合的齒來承擔(dān)，故可以不考慮齒間載荷分配問題，即可以忽略重合度的影響，故載荷系數(shù)
K=KAKvKβ=1.88
KA=1.6 Kβ=1.15 Kv=1.02
直齒錐齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件為
δH=ZHZE2KT1u2+1ubdm2(1-0.5?R)2=460 MPa
δF=2KT1bd1m(1-0.5?R)2)YFaYsa=367.9 MPa
δH=666.5MPa δH≤δH
δF=414 MPa δF≤δF
所以可知此齒輪組能夠滿足運(yùn)動的要求。
錐齒輪組2的主要技術(shù)參數(shù)為
m=3 Z1=Z2=15 δ1=δ2=45°
i=Z2Z1=1
d=m·z=45mm d1=d2=d
錐距 R=12d12+d22 =31.8mm
ha=3.5 hf=4.2
da=d+2hacosδ=50mm
df=d-2hfcosδ=40mm
b=10mm
cotθa=haR θa=5.38°
cotθf=hfR θf=6.5°
5選擇帶輪和齒形帶
5.1帶輪的選擇
根據(jù)所搜集的資料，考慮到整個系統(tǒng)傳動的結(jié)構(gòu)和傳動特性，依據(jù)圖3.2，
圖3.2
帶輪6的轉(zhuǎn)速 n6=2000r/min P6=0.437Kw
T6=0.209N·m
選擇梯形齒帶輪，帶輪型為L型，帶輪的結(jié)構(gòu)為：
圖3.3
選擇帶選擇奇龍傳功公司生產(chǎn)輪型號為；
32L 050 AF 節(jié)距=9.525mm
Z=32 節(jié)徑 d= 97.02mm
外徑 do= 96.26mm 檔邊內(nèi)徑 db=90mm
檔邊厚度 h=1.5mm 檔邊直徑 df=102mm
5.2齒形帶的設(shè)計(jì)
L型同步齒形帶的機(jī)構(gòu)尺寸如圖 ，節(jié)距=9.525mm
帶輪5、6傳動的功率為：P=0.460Kw
主動軸轉(zhuǎn)速n5=2000r/min
從動軸轉(zhuǎn)速n6=2000r/min
傳動比i=1
設(shè)計(jì)功率Pd=KAP KA=1.5
Pd=1.5x0.46
=0.69Kw
節(jié)距Pb=9.525mm
帶輪齒數(shù) Z5=30 Z6=30
帶輪節(jié)圓直徑d1=Z5Pb3.14=91.0
d2=d1
速度V=d1n160x100x3.14=9.52m/s
初定軸間距 0.7(d2+d1)≤ a0≤2(d2+d1)
127.4≤ a0≤364
a0=200mm
確定帶長及齒數(shù)
Lp=2a0+π2(d2+d1)+d2+d1()24a0
=727mm
取標(biāo)準(zhǔn)值L0=723.9mm
節(jié)線長上齒數(shù)Z=80
實(shí)際軸間距a=a0+Lp-L02=201.55mm
小齒輪嚙合齒數(shù)Zm=Z52-Pb 20aZ5(Z6-Z5)=15
基本額定功率P0=(Ta-mv2)1000=0.2Kw
帶寬bs=bs01.14PbKsP0=24.5mm
基準(zhǔn)寬度bs0=12.7mm
寬度帶上的需用拉力Ta=244.46N·m
嚙合齒數(shù)系數(shù)Ks=1
作用在軸上的力為Fr=1000Pdv=69N
同理得到同步帶輪 38L 050 AF
Z3=38 Z4=38
Z=38 節(jié)徑 d= 115.21mm
外徑 do= 114.45mm 檔邊內(nèi)徑 db=103mm
檔邊厚度 h=1.5mm 檔邊直徑 df=123mm
同步齒形帶為a0=258mm Zm=19
V=7m/s
L0=876mm
節(jié)線上的齒數(shù)Z=104
p0=0.3kW
bs=25.4mm Fr=44.4N
6總結(jié)
經(jīng)過幾周的綜合設(shè)計(jì)，我不僅充實(shí)利用以前所學(xué)的知識并得以鞏固，并得到更深層次的理解，而且使我將書本上的理論知識與實(shí)際設(shè)計(jì)研究過程有了一定的貫通，理解了實(shí)際設(shè)計(jì)研究和理論知識的差別。我通過自己的努力還學(xué)習(xí)很多以前沒有接觸過的知識，極大地?cái)U(kuò)展了知識面，同時也經(jīng)歷了許多從點(diǎn)到面，從粗略到精準(zhǔn)的過程。這些曲折對我的設(shè)計(jì)帶來了許多麻煩，尤其是查各種資料的煩瑣，但從中也體會到了做機(jī)械設(shè)計(jì)中嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的重要性，使我積累了不少經(jīng)驗(yàn)，這對我以后的工作和學(xué)習(xí)會有很大的幫助。
本次課設(shè)我從通用機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)對機(jī)器人腕部進(jìn)行了分析，綜合考慮了腕部的整體結(jié)構(gòu)。首先確定機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)，查找資料，以Smart 6.50R通用機(jī)器人為參考，在已有的技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，通過分析，確定腕部的傳動系統(tǒng)，然后假設(shè)腕部末端的結(jié)構(gòu)，確定腕部的輸出功率，然后計(jì)算出腕部所需的電機(jī)。在確定電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我對錐齒輪和傳動中所需的帶輪以及同步齒形帶進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并且對它們進(jìn)行了校核，確定所設(shè)計(jì)的腕部結(jié)構(gòu)能夠配合機(jī)器人的其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行噴漆動作。
最終通過認(rèn)真計(jì)算分析后我認(rèn)為我所設(shè)計(jì)的腕部是比較理想的，基本滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。
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