中北大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1 緒論1.1 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介早在20世紀(jì)初，隨著機(jī)床、汽車等制造業(yè)的發(fā)展就出現(xiàn)了機(jī)械手。1913年美國福特汽車工業(yè)公司安裝了第一條汽車零件加工自動(dòng)線，為了解決自動(dòng)線、自動(dòng)機(jī)的上下料與工件的傳送，采用了專用機(jī)械手代替人工上下料及傳送工件?？梢妼Ｓ脵C(jī)械手就是作為自動(dòng)機(jī)、自動(dòng)線的附屬裝置出現(xiàn)的?！肮I(yè)機(jī)器人”這種自動(dòng)化裝置出現(xiàn)的比較晚。但是自從世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。本課題所指的工業(yè)機(jī)器人，或稱機(jī)器人操作臂、機(jī)器人臂、機(jī)械手等。從外形來看，它和人的手臂相似，是由一系列剛性連桿通過一系列柔性關(guān)節(jié)交替連接而成的開式鏈。這些連桿就像人的骨架，分別類似于胸，上臂和下臂，工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)相當(dāng)于人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。操作臂的前端裝有末端執(zhí)行器或相應(yīng)的工具，也常稱為手或手爪。手爪是由兩個(gè)或多個(gè)手指所組成，手指可以“開”與“合”，實(shí)現(xiàn)抓去動(dòng)作和細(xì)微操作。手臂的動(dòng)作幅度一般較大，通常實(shí)現(xiàn)宏觀操作。工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成。主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有 36個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其中腕部通常有13個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作；圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人示意圖控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)，并進(jìn)行控制。由于工業(yè)機(jī)器人具有一定的通用性和適應(yīng)性，能適應(yīng)多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機(jī)床結(jié)合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。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(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，或是危險(xiǎn)、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(jī)械加工和簡(jiǎn)單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對(duì)人體有害物料的搬運(yùn)或工藝操作。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已經(jīng)受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，例如：（1） 機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動(dòng)化車床、組合機(jī)床上使用較為普編。（2） 在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它用來裝配印制電路板， 在機(jī)械行業(yè)中它可以用來組裝零件。（3） 可在勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動(dòng)。（4） 可在危險(xiǎn)場(chǎng)合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品級(jí)有還、及有害物的搬運(yùn)等。（5） 宇宙及海洋的開發(fā)。（6） 軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。1.2 世界機(jī)器人的發(fā)展國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：1. 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的103萬美元降至97年的65萬美元。2機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。3工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)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，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。4機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。5虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。6當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。7機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。1.3 我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動(dòng)力，而我國勞動(dòng)力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會(huì)主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長(zhǎng)處。它不僅能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。1.4 設(shè)計(jì)任務(wù)通過計(jì)算機(jī)PLC編程控制電機(jī)，使機(jī)械手按照預(yù)定的工作條件，完成旋轉(zhuǎn)、俯仰動(dòng)作，完成理論方案的設(shè)計(jì)。運(yùn)用 AutoCAD軟件繪制裝配圖、部件圖、零件圖，編制PLC梯形圖。（1）機(jī)械手以機(jī)械臂計(jì)，總臂長(zhǎng)度小于500mm，大臂長(zhǎng)度小于350mm、小臂長(zhǎng)度小于250mm。（2）機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電機(jī)功率小于100w，其電源應(yīng)為安全電源。（3）使用三菱公司的PLC軟件進(jìn)行編程，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案與機(jī)電結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方案在制定機(jī)械手結(jié)構(gòu)的方案中，必須要設(shè)定機(jī)械手的主要技術(shù)指標(biāo)包括：（1）可搬重量；（2）最終合成速度的最大值；（3）工作空間，其球體半徑；（4）重復(fù)定位精度；（5）機(jī)械手本體重量。根據(jù)機(jī)械手的技術(shù)指標(biāo)和總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。本課題要求采用五自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械，其總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它有旋轉(zhuǎn)臺(tái)、大臂、肘、小臂，手腕裝置組成，是一個(gè)具有五種動(dòng)作的關(guān)節(jié)型機(jī)械手，并能夠模擬接近于人手臂的動(dòng)作。機(jī)械手的坐標(biāo)可以采用簡(jiǎn)單的關(guān)節(jié)型坐標(biāo)，因此對(duì)它的五種動(dòng)作需要作一些規(guī)定：（1）機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)角度。由上向下看，相對(duì)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的基準(zhǔn)線，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)，可在360度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（2）大臂的旋轉(zhuǎn)是相對(duì)于水平線，由水平位置向下旋轉(zhuǎn)為正，向上為負(fù)，在正負(fù)90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（3）肘也是相對(duì)于水平線，由水平位置向下旋轉(zhuǎn)為正，向上為負(fù)，在正負(fù)90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（4）小臂相對(duì)于肘的軸線旋轉(zhuǎn)，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)，可在360度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（5）手腕相對(duì)于水平線，由水平位置向下旋轉(zhuǎn)為正，向上為負(fù)，在正負(fù)90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。對(duì)于所設(shè)計(jì)的機(jī)械手有五軸需要?jiǎng)幼?，其?dòng)作的方式可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以組合或同時(shí)進(jìn)行。單獨(dú)運(yùn)行即旋轉(zhuǎn)臺(tái)先旋轉(zhuǎn)，而后大臂、肘分別進(jìn)行俯仰，然后小臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，到位后，手腕進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；也可以采用確定空間位置的關(guān)節(jié)和確定手腕姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)軸，同時(shí)進(jìn)行控制?？梢愿鶕?jù)需要由控制裝置來選擇控制方法。機(jī)械手的執(zhí)行采用步進(jìn)電機(jī)，選擇開環(huán)控制。由于有五個(gè)自由度，所以共需要五臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由腰部傳動(dòng)、上臂傳動(dòng)、前臂傳動(dòng)、肘部傳動(dòng)和腕部傳動(dòng)這五部分組成。腰部通過諧波減速器直接傳動(dòng)。安裝在底座上的步進(jìn)電機(jī)的輸出，通過高速軸傳給波發(fā)生器，柔輪帶動(dòng)底板使腰部繞回轉(zhuǎn)360度。上臂定在腰部的底板上，安裝在腰部上的步進(jìn)電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)上臂進(jìn)行左右擺動(dòng)，運(yùn)動(dòng)，并且隨腰部一起轉(zhuǎn)動(dòng)。肘部固定在上臂末端軸上，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在大臂上通過錐齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)小臂轉(zhuǎn)動(dòng)。小臂固定在肘部的末端，通過一對(duì)錐齒輪實(shí)現(xiàn)其上下擺動(dòng)，其步進(jìn)電機(jī)固定在肘部。腕部傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在小臂的末端，通過同步齒形帶傳動(dòng)帶動(dòng)手上下擺動(dòng)。各個(gè)電機(jī)輸出軸上安裝有光電編碼器，進(jìn)行位置檢測(cè)，并將位置信號(hào)反饋到控制器輸入端，構(gòu)成伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路的閉環(huán)反饋控制。具體裝配圖，如圖2-2所示。圖2-2 機(jī)械手裝配圖2.2 機(jī)械手機(jī)電結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)2.2.1機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)為了能使機(jī)械手的臂轉(zhuǎn)動(dòng)，所需要的最大轉(zhuǎn)矩是當(dāng)臂呈水平狀態(tài)（圖2-3）。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的各部分尺寸，按機(jī)械手工作空間的要求為準(zhǔn)。各部分重量的分配，原則上是在機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和電機(jī)安放位置允許的條件下，離第一關(guān)節(jié)越遠(yuǎn)的部分。按其重量越輕越好、重心越靠近關(guān)節(jié)越好這兩個(gè)原則來分配各部分的重量。這些重量要求越小越好，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要考慮增加剛度。對(duì)于旋轉(zhuǎn)臺(tái)（即肩）的旋轉(zhuǎn)是使機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)，故電機(jī)要安裝在機(jī)械手的基座上。大、小臂都有一定的俯仰角度，這種機(jī)構(gòu)圖形的變化必然引起機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)中部分重心位置的改變，必須考慮其重力負(fù)荷的平衡。因此，驅(qū)動(dòng)大、小臂的電機(jī)均安裝在肩上，起著平衡臂的重量，也使電機(jī)的重心靠近第一關(guān)節(jié)。機(jī)械手所進(jìn)行的最終工作是反映在其手部末端即手腕的運(yùn)動(dòng)上，這種運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是通過傳動(dòng)鏈來獲得的。手部端點(diǎn)的重復(fù)定位精度是機(jī)械手設(shè)計(jì)中一個(gè)十分重要的指標(biāo)，它的實(shí)現(xiàn)主要依靠機(jī)械傳動(dòng)鏈的精度和伺服系統(tǒng)的精度這兩個(gè)方面的因素。對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)，傳動(dòng)鏈越短，越直接，精度自然越高，但實(shí)際上還必須有中間環(huán)節(jié)的傳動(dòng)諧波減速齒輪具有可以實(shí)現(xiàn)大的減速比、結(jié)構(gòu)緊湊、自身重量輕的特點(diǎn)，這對(duì)于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是十分重要的，因?yàn)闇p速裝置重量的增加將嚴(yán)重地影響機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性。因此，在機(jī)械手模型傳動(dòng)設(shè)計(jì)中均采用齒輪傳動(dòng)進(jìn)行速度的傳遞，即根據(jù)需要選擇合適的傳動(dòng)比。2.2.2電機(jī)的選擇和設(shè)計(jì)機(jī)器人電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，要求有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。特別是像機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪）應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動(dòng)機(jī)，尤其是要求快速響應(yīng)時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時(shí)過載能力。這是伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的先決條件。目前，由于高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的交、直流伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用，一般負(fù)載1000N（相當(dāng)100kgf）以下的工業(yè)機(jī)器人大多采用電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要是AC伺服電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和DC伺服電動(dòng)機(jī)。其中，交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)均采用位置閉環(huán)控制，一般應(yīng)用于高精度、高速度的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多適用于對(duì)精度、速度要求不高的小型簡(jiǎn)易機(jī)器人開環(huán)系統(tǒng)中。交流伺服電動(dòng)機(jī)由于采用電子換向，無換向火花，在易燃易爆環(huán)境中得到了廣泛的使用。機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率范圍一般為0.110kW。工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所采用的電動(dòng)機(jī)，大致可細(xì)分為以下幾種：（1）交流伺服電動(dòng)機(jī) 包括同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)及反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。 （2）直流伺服電動(dòng)機(jī) 包括小慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)、大慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。 （3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 包括永磁感應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。速度傳感器多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器；位置傳感器多用光電碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器。近年來，國外機(jī)器人制造廠家已經(jīng)在使用一種集光電碼盤及旋轉(zhuǎn)變壓器功能為一體的混合式光電位置傳感器，伺服電動(dòng)機(jī)可與位置及速度檢測(cè)器、制動(dòng)器、減速機(jī)構(gòu)組成伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求傳動(dòng)系統(tǒng)間隙小、剛度大、輸出扭矩高以及減速比大，常用的減速機(jī)構(gòu)有： 1）RV減速機(jī)構(gòu)； 2）諧波減速機(jī)械； 3）擺線針輪減速機(jī)構(gòu)； 4）行星齒輪減速機(jī)械； 5）無側(cè)隙減速機(jī)構(gòu)； 6）蝸輪減速機(jī)構(gòu)； 7）滾珠絲杠機(jī)構(gòu)； 8）金屬帶齒形減速機(jī)構(gòu)； 9）球減速機(jī)構(gòu)。工業(yè)機(jī)器人電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理如圖2-4所示。工業(yè)機(jī)器人電動(dòng)伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三個(gè)閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。目前國外許多電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家均開發(fā)出與交流伺服電動(dòng)機(jī)相適配的產(chǎn)品用戶根據(jù)自己所需功能側(cè)重不同而選擇不同的伺服控制方式，一般情況下，交流伺服驅(qū)動(dòng)器，可通過對(duì)其內(nèi)部功能參數(shù)進(jìn)行人工設(shè)定而實(shí)現(xiàn)以下功能：1） 位置控制方式； 2） 速度控制方式；3） 轉(zhuǎn)矩控制方式；4） 位置、速度混合方式；5） 位置、轉(zhuǎn)矩混合方式；6） 速度、轉(zhuǎn)矩混合方式；7） 轉(zhuǎn)矩限制；8）位置偏差過大報(bào)警；9）速度PID參數(shù)設(shè)置；10）速度及加速度前饋參數(shù)設(shè)置；11）零漂補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置；12）加減速時(shí)間設(shè)置等。幾種電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器多采用脈寬調(diào)制（PWM）伺服驅(qū)動(dòng)器，通過改變脈沖寬度來改變加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 PWM伺服驅(qū)動(dòng)器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好、響應(yīng)快、效率高、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中常作為直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。2同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 同直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比高、無電刷及換向火花等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常采用電流型脈寬調(diào)制（PWM）相逆變器和具有電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的電流控制。根據(jù)其工作原理、驅(qū)動(dòng)電流波形和控制方式的不同，它又可分為兩種伺服系統(tǒng)： 1）矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)。 2）正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)。 采用矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)稱為無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)，采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)稱為無刷交流伺服電動(dòng)機(jī)。3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移的元件，它的角位移和線位移量與脈沖數(shù)成正比。轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖頻率成正比。在負(fù)載能力的范圍內(nèi)，這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化，誤差不長(zhǎng)期積累，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在較寬的范圍內(nèi)，通過改變脈沖頻率來調(diào)速，實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)制動(dòng)。作為一種開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，在小型機(jī)器人中得到較廣泛的應(yīng)用。但由于其存在過載能力差、調(diào)速范圍相對(duì)較小、低速運(yùn)動(dòng)有脈動(dòng)、不平衡等缺點(diǎn)，一般只應(yīng)用于小型或簡(jiǎn)易型機(jī)器人中。4直接驅(qū)動(dòng) 所謂直接驅(qū)動(dòng)（DD）系統(tǒng)，就是電動(dòng)機(jī)與其所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載直接耦合在一起，中間不存在任何減速機(jī)構(gòu)。 同傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)相比， DD驅(qū)動(dòng)減少了減速機(jī)構(gòu)，從而減少了系統(tǒng)傳動(dòng)過程中減速機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的間隙和松動(dòng)，極大地提高了機(jī)器人的精度，同時(shí)也減少了由于減速機(jī)構(gòu)的摩擦及傳送轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)所造成的機(jī)器人控制精度降低。而DD驅(qū)動(dòng)由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以機(jī)械剛性好，可以高速高精度動(dòng)作，且具有部件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易維修、可靠性高等特點(diǎn)，在高精度、高速工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中越來越引起人們的重視。 作為DD驅(qū)動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是DD電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。它應(yīng)具有以下特性： 1）輸出轉(zhuǎn)矩大：為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式中伺服電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的50100倍。 2）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)?。?DD電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可抑制在輸出轉(zhuǎn)矩的510以內(nèi)。 3）效率：與采用合理阻抗匹配的電動(dòng)機(jī)（傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式下）相比， DD電動(dòng)機(jī)是在功率轉(zhuǎn)換較差的使用條件下工作的。因此，負(fù)載越大，越傾向于選用較大的電動(dòng)機(jī)。 目前，DD電動(dòng)機(jī)主要分為變磁阻型和變磁阻混合型，有以下兩種結(jié)構(gòu)型式： l）雙定子結(jié)構(gòu)變磁阻型DD電動(dòng)機(jī)； 2）中央定子型結(jié)構(gòu)的變磁阻混合型DD電動(dòng)機(jī)。5特種驅(qū)動(dòng)器 1）壓電驅(qū)動(dòng)器。眾所周知，利用壓電元件的電或電致伸縮現(xiàn)象已制造出應(yīng)變式加速度傳感器和超聲波傳感器，壓電驅(qū)動(dòng)器利用電場(chǎng)能把幾微米到幾百微米的位移控制在高于微米級(jí)大的力，所以壓電驅(qū)動(dòng)器一般用于特殊用途的微型機(jī)器人系統(tǒng)中。 2）超聲波電動(dòng)機(jī)。6. 電機(jī)的選擇本課題中需要五臺(tái)電動(dòng)機(jī)，根據(jù)上述電動(dòng)機(jī)因考慮其指標(biāo)、模型的重量、尺寸等因素，選擇了一臺(tái)Kinco86系列步進(jìn)電機(jī)、四臺(tái)Kinco57系列三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（其中兩臺(tái)技術(shù)參數(shù)為3S57Q-04042,另兩臺(tái)技術(shù)參數(shù)為3S57Q-04056），分別驅(qū)動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)以及大、小臂俯仰、旋轉(zhuǎn)和手腕的俯仰活動(dòng)它們的主要參數(shù)如下表:型 號(hào)技術(shù)參數(shù)電機(jī)慣量(kg.cm )保持扭距(Nm)電機(jī)長(zhǎng)度（mm）最大負(fù)載（N）Kinco86系 列2S86Q-051801.44.580220Kinco57系 列3S57Q-040420.10.54275Kinco57系 列3S57Q-040560.31.056563 有關(guān)機(jī)械手的計(jì)算3.1設(shè)計(jì)分析手臂運(yùn)動(dòng)由提升重物的豎直運(yùn)動(dòng)與帶動(dòng)重物旋轉(zhuǎn)的水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。手臂自重相對(duì)于重物來說. 對(duì)手臂強(qiáng)度計(jì)算的影響較小，可不作考慮，因此，設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮重物的作用。手臂受力如圖3-1 所示。3.1.1抗拉強(qiáng)度條件如圖3-1所示，手臂N點(diǎn)處受到最大拉應(yīng)力是，由彎矩M產(chǎn)生的拉應(yīng)力與向心力F產(chǎn)生的應(yīng)力組成。其中=，式中，W為抗彎截面系數(shù)，僅與截面形狀、尺寸有關(guān)。對(duì)于外徑D內(nèi)徑為 d的圓環(huán)截面有：W=1-() （1）M=GL （2） =A為手臂橫截面積（m）,A=()-()=(2DT-T) （3）F=mL （4） 根據(jù)抗拉強(qiáng)度條件有：=+ （5）將式(1)、(2)、(3)、(4)及已知數(shù)據(jù)代入(5),取g=10m/s（下同），計(jì)算整理得：120D-970D+34D-6.4LD03.1.2抗剪強(qiáng)度條件手臂N點(diǎn)處所受的剪應(yīng)力最大。因圓環(huán)截面壁厚T遠(yuǎn)小于外徑d，故最大剪應(yīng)力為:=2據(jù)抗剪強(qiáng)度條件有：=2 （6）將已知數(shù)據(jù)代入式（6），計(jì)算整理得：D0.2(cm)3.1.3 剛度條件如圖3-1所示，受力分析得,M點(diǎn)處撓度最大。據(jù)剛度條件:= （7）式中， E為材料的彈性模量（GPa）；I為截面慣性矩（cm）,I= （8）將式（8 ）及已知數(shù)據(jù)代入式（7），計(jì)算整理得： 30D +18D-0.64L03.1.4結(jié)構(gòu)尺寸限制D2TL10(cm)3.2機(jī)械手的位置控制3.2.1 機(jī)械手幾何模型設(shè)計(jì)了一種五自由度機(jī)械手用于小型工業(yè)。該機(jī)械手的主要任務(wù)是，在給定點(diǎn)抓取柱狀物，從一個(gè)位置送至另一位置。該機(jī)械手幾何模型如圖3-2所示。其中，l為肩關(guān)節(jié)偏航自由度， 2為肩關(guān)節(jié)俯仰自由度，3為肘關(guān)節(jié)偏航自由度為， 4為腕關(guān)節(jié)偏航自由度，5為腕關(guān)節(jié)俯仰自由度。l、l分別為機(jī)械手上、下臂的長(zhǎng)度，l為腕關(guān)節(jié)中心到抓手中心的距離。3.2.2機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型1 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程假定機(jī)械手伸直狀態(tài)下所處位置為停止位置，根據(jù)D-H方法建立各坐標(biāo)系，如圖3-1所示；相應(yīng)的各連桿及關(guān)節(jié)的參數(shù)如表（一）。表（一）連 桿/（）adcossin136000102180l0-103180l0-10436000105180l0-10將參數(shù)代入D-H齊次變換矩陣得：T= （1）T= （2）T= （3）T= （4）T= （5）式中，T( i=1，2，5)為機(jī)械手兩相鄰連桿間第i個(gè)桿坐標(biāo)系相對(duì)于第i一1個(gè)桿坐標(biāo)系的齊次變換矩陣。將式(1)(5)相乘可得末端抓手坐標(biāo)系Oxyz相對(duì)于參考坐標(biāo)系Oxyz的齊次變換矩陣為:T= TTTTT= （6） 式中： （7） （8） （9） （10） （11）式(6)即機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。R=為旋轉(zhuǎn)變換矩陣,p=(p p p) 為平移變換矩陣。當(dāng)已知各關(guān)節(jié)變量的值時(shí)，可根據(jù)式(6)求出當(dāng)前的末端抓手的位置和姿態(tài)。2 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題在實(shí)際控制中，規(guī)定末端抓手的運(yùn)動(dòng)軌跡，并從中得到每一時(shí)刻末端抓手在基座坐標(biāo)系中的位置表達(dá)式，即已知的是式(6)，要反求出相應(yīng)時(shí)刻各關(guān)節(jié)變量的表達(dá)式。根據(jù)式(1)(5)求出相應(yīng)的逆矩陣T(i=1，2，5)，依次左乘末端抓手的位置矩陣T ，得到方程組(12)： （12）聯(lián)立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程(1)(6)和方程組(12)可以求出各關(guān)節(jié)變量 (i=1，2，5)的解析解，這一組解具有不唯一性，根據(jù)關(guān)節(jié)的作業(yè)要求、防止碰撞障礙物、防止受到機(jī)械約束等實(shí)際情況，可以得到各關(guān)節(jié)變量(i=1，2，5)的一組范圍: （13）在約束(13)的限制下可以得到逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的一組唯一解。3 微分關(guān)系 在機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制中，速度控制是必不可少的，所以有必要求出機(jī)械手各關(guān)節(jié)速度與末端抓手速度的關(guān)系。通常的方法是先求出機(jī)械手的雅可比矩陣J,再求出逆雅可比矩陣J，即可解出機(jī)械手各關(guān)節(jié)速度的解析式。設(shè)機(jī)械手關(guān)節(jié)速度向量為： （14）式中 (i：1，2，5)為關(guān)節(jié)變量的角速度，同時(shí)設(shè)末端抓手在基座坐標(biāo)系中的廣義速度向量為：= （15） 式中, ，分別為線速度和角速度分向量，用雅可比矩陣將式(14)，(15)聯(lián)系起來即為機(jī)械手各關(guān)節(jié)角速度的解析式： （16）因所討論的機(jī)械手只有5個(gè)自由度，對(duì)應(yīng)的雅可比矩陣不是方陣，所以相應(yīng)的逆雅可比矩陣是一個(gè)廣義逆矩陣：J （17）式(17)的求取比較繁瑣，而且在工作空間的某些位置上，JJ變?yōu)槠娈愱?，無法求逆。所以，采用對(duì)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解直接進(jìn)行微分的方法來得到關(guān)于的解析式。對(duì)于三角函數(shù)表達(dá)式，可以導(dǎo)出：(1) sin和cos的表達(dá)式時(shí)，有：d=cosd(sin)-sind(cos) (18) (2) 當(dāng)已知tan= 時(shí)，有:d= (19) 在求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程解的過程中，不難得到各關(guān)節(jié)變量的三角函數(shù)表達(dá)式，再利用式(18)、(19)可以迅速求得關(guān)于的解析式。3.3機(jī)械手的部分零件的設(shè)計(jì)及校核對(duì)機(jī)械手的主要零件進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核，由于本課題中涉及的零件較多，計(jì)算時(shí)就以諧波減速器和大臂中的零件為例。其它部分的零件計(jì)算類似方法可以算出。3.3.1 諧波減速器的設(shè)計(jì)【25】1、結(jié)構(gòu)型式的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求：傳動(dòng)比大、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大和傳動(dòng)效率高。按照表23-1選?。簞傒哹固定、波發(fā)生器H輸入和柔輪g輸出的單級(jí)雙波傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)型式，其傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如表23-1中的圖1所示。2、確定柔輪和剛輪的齒數(shù) 按照傳動(dòng)比公式（23-9） 即可得柔輪的齒數(shù)zg為 剛輪齒數(shù)zb為 3、選取柔輪和剛輪的材料 根據(jù)對(duì)柔輪的強(qiáng)度和抗疲勞性的要求，由表26-3中選取柔輪的材料為30CrMnSiA合金鋼（），剛輪的材料為45號(hào)剛（）。4、初步確定嚙合模數(shù)m按照設(shè)計(jì)公式（26-3）計(jì)算嚙合模數(shù)m，即 已知zg=200和T2=800Nm;根據(jù)諧波傳動(dòng)的工作情況、載荷性質(zhì)和傳動(dòng)要求，以及所選用的材料，現(xiàn)選?。狠d荷系數(shù)K=1.35，許用比壓pp=60N/mm2, 和ch=1.5代入上式可得其嚙合模數(shù)m為0.644mm現(xiàn)取模數(shù)m=0.8mm,符合表25-2中的標(biāo)準(zhǔn)值。5、選取柔輪和剛輪的結(jié)構(gòu)型式和計(jì)算其幾何參數(shù) 按照該諧波齒輪減速起的使用要求：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、運(yùn)動(dòng)精度高和效率高等。選取分體式筒形柔輪（見圖29-2）、環(huán)形內(nèi)齒剛輪（圖24-12（a）和凸輪式波發(fā)生器（圖24-20），且選取該凸輪輪廓線形狀為標(biāo)準(zhǔn)橢圓（圖24-21）。柔輪的幾何參數(shù)：柔輪分度圓直徑 dg=mzg=0.8x200=160mm柔輪齒圈厚度 現(xiàn)取柔輪壁厚=2mm。柔輪殼體厚度 柔輪齒寬度 柔輪輪轂凸緣長(zhǎng)度 柔輪長(zhǎng)度 柔輪筒底凸緣直徑 柔輪輪齒過度圓角半徑 剛輪幾何參數(shù)： 剛輪分度圓直徑 剛輪齒圈壁厚 取剛輪外圓直徑 6、計(jì)算諧波傳動(dòng)的嚙合參數(shù)和幾何尺寸 采用 25-3中所介紹的方法和公式（25-13）(25-23),計(jì)算其嚙合參數(shù)和幾何尺寸如下：徑向變形系數(shù) 式中 jmax最大間隙，jmax=jT+j0 因?yàn)?，最大扭矩i=100和m=0.8mm。則得所以，即有其徑向變形系數(shù)為 則得柔輪的最大徑向變形量w0為 柔輪的變位系數(shù) 剛輪的變位系數(shù) 0 柔輪的嚙入深度系數(shù) 即得柔輪的嚙入深度hn為 因嚙入深度系數(shù)，則可滿足傳遞動(dòng)力的要求。柔輪齒根圓直徑dfg=dg-2m(ha*+c*-xg)選?。汉停ㄒ蚰?shù)m1mm）,則得 柔輪內(nèi)圓直徑 柔輪中性圓直徑 柔輪齒頂圓直徑 由圖25-2查得：，代入上式得且應(yīng)驗(yàn)算下列條件 即 剛輪齒頂圓直徑 剛輪齒根圓直徑 按25-3中的公式（25-22a）和（25-22b）可得 制造中心距 插齒刀齒頂圓直徑則得 mm 再按公式（25-23）檢驗(yàn)徑向間隙 即 上述驗(yàn)算結(jié)果表明：柔輪與剛輪不會(huì)產(chǎn)生齒頂干涉。7、選取波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)型式和計(jì)算其幾何尺寸 根據(jù)該諧波機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能要求：傳動(dòng)精度高、承載能力大、傳動(dòng)效率高和輸入轉(zhuǎn)速較高以及制造精確等，現(xiàn)選用凸輪式波發(fā)生器。該波發(fā)生器的凸輪輪廓系選取標(biāo)準(zhǔn)橢圓的。其凸輪輪廓線方程為公式（24-31） 式中 從長(zhǎng)軸開始的轉(zhuǎn)角； a凸輪橢圓的長(zhǎng)半軸 柔性軸承的最大總徑向間隙，=0.066mm；柔性軸承內(nèi)徑d=120mm; b凸輪橢圓的短半軸 8、計(jì)算柔性軸承的幾何參數(shù)和壽命根據(jù)柔輪內(nèi)徑dr=159.65mm,按表24-1可得其柔性軸承的幾何參數(shù)為軸承外徑 D=160mm軸承內(nèi)徑 d=120mm徑向間隙 =0.0200.046mm鋼球直徑 d=14.228mm鋼球數(shù)目 z=21軸承寬度 B=24mm按照24-3中的有關(guān)公式，可得軸承外圈滾道直徑 軸承內(nèi)圈滾道直徑 軸承內(nèi)、外圈厚度 9、柔輪的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 按公式（26-21）驗(yàn)算柔輪的疲勞強(qiáng)度，即 式中 現(xiàn)選?。赫龖?yīng)力幅按公式（26-26）計(jì)算，即 選取系數(shù)和柔輪材料的彈性模量,則得 平均應(yīng)力 剪切應(yīng)力幅和平均剪切應(yīng)力幅為 式中，剪切應(yīng)力按公式（26-27）計(jì)算，即 選取Cr=0.478,且有柔輪的計(jì)算長(zhǎng)度為 則得 由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力按公式（26-28）計(jì)算 選取系數(shù)Kpr=1.6,且知：Tg=800Nm，則得 所以 已知：柔輪材料的玩去疲勞極限為和剪切疲勞極限為，則可得 和 所以 可見，柔輪滿足疲勞強(qiáng)度條件。再按公式（26-29）計(jì)算柔輪的承載能力，即式中 TgTg=800Nm柔輪的額定扭矩。10、諧波齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率計(jì)算按表27-1中的公式（3）計(jì)算其傳動(dòng)效率，即 先計(jì)算損失系數(shù) 按公式（27-25）計(jì)算系數(shù) 取 。已知：，即得 則得損失系數(shù)為 所以，該諧波機(jī)構(gòu)的效率為 可見，該諧波齒輪減速器的傳動(dòng)效率較高，滿足設(shè)計(jì)要求。諧波減速器的裝配圖如圖3-3. 圖3-3 諧波減速器裝配圖3.3.2 軸上的鍵校核1、與聯(lián)軸器配合的的鍵：與聯(lián)軸器配合的軸的尺寸為10mm，材料為45號(hào)鋼，其上有開有2 6的普通平鍵A 型的鍵槽。工作時(shí)由此鍵傳遞轉(zhuǎn)矩，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核：=式中， 鍵連接時(shí)工作表面的擠壓應(yīng)力，MPa；T轉(zhuǎn)矩，N m m；d 軸的直徑，mm；l鍵的接觸長(zhǎng)度，mm;K鍵與輪轂的接觸高度，mm；許用擠壓應(yīng)力，MPa。帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得：=33.333MPa200MPa，故滿足設(shè)計(jì)要求。2、與齒輪1 配合的鍵：與齒輪配合的普通平鍵鍵的尺寸為39。對(duì)其校核=8.23MPa200MPa，故滿足設(shè)計(jì)要求。3.3.3大臂中齒輪的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)中的齒輪是開式齒輪，設(shè)計(jì)過程如下：（1）選擇材料和熱處理方式：為了使機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)緊湊，齒輪的傳動(dòng)比為1：1.26，小齒輪的材料選用40Cr，大齒輪選用45，表面調(diào)質(zhì)處理，硬度HBS217-255。 得 630MPa。（2）許用應(yīng)力計(jì)算：=式中， 許用彎曲應(yīng)力； 齒輪材料的彎曲疲勞強(qiáng)度基本值； Y 抗彎強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)；Y相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)；Y相對(duì)表面狀況系數(shù)；Y 抗彎強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)；S F min 彎曲強(qiáng)度最小安全系查圖表計(jì)算各參數(shù)值： 630MPa，Y 2.5， Y 1，Y 0.9，Y X 1.0， S F min 1.25。計(jì)算得：=1134MPa（3）計(jì)算齒輪上的作用力：分度圓上的圓周力為：F=F= Ftan=111.11tan20=40.44N（4）按彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算：m12.6式中，m齒輪模數(shù)；K載荷系數(shù)；T1 齒輪傳遞的額定轉(zhuǎn)矩；Y 復(fù)合齒形系數(shù)；齒寬系數(shù)；z齒數(shù)；許用彎曲應(yīng)力。查圖表計(jì)算各參數(shù)值，K=1.4，T180N m g ,Y FS 3.73，10， z 19，1134MPa，計(jì)算得：m12.6=12.6考慮傳動(dòng)形式為開式，應(yīng)增大齒輪得模數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化后選擇齒輪的模數(shù)為m=2 精度為6級(jí)。（5）計(jì)算彎曲應(yīng)力：=式中， 計(jì)算彎曲應(yīng)力；F t 分度圓上圓周力；b齒寬；m模數(shù)；K使用系數(shù)；K 動(dòng)載荷系數(shù)；K齒向載荷分布系數(shù)；K齒間載荷分布系數(shù)；Y 復(fù)合齒形系數(shù)；Y 抗彎強(qiáng)度計(jì)算的重合度與螺旋角系數(shù)。查圖表計(jì)算各參數(shù)值： F t 111.11N，b=11，m=2, K=1, K 1.05， K1.394，K1.1， Y 3.73，Y0.75。帶入公式計(jì)算得：= =22.75MPa,符合設(shè)計(jì)的要求。（6）計(jì)算齒輪的主要幾何尺寸： d=mz=219=38.00mmd= d+2m=38+22=42.00mmd=d-2.5m=38-2.52=33.00mma=1/2( d+d)=1/2(38+48)=43小齒輪的零件圖如3-4所示 圖3-4 小齒輪零件圖大齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算與上同，符合設(shè)計(jì)要求。3.3.4 軸的設(shè)計(jì)此軸是大臂中重要的零件，其上布置有主動(dòng)齒輪和支撐的軸承。其結(jié)構(gòu)尺寸要滿足彎曲和扭轉(zhuǎn)的要求。a)軸的材料選45鋼，調(diào)質(zhì)處理硬度HBS217-255。其機(jī)械性能查表，得，=650MPa，360 MPa，270 MPa， 155 MPa，許用疲勞應(yīng)力 190MPa。b)、軸上力的計(jì)算：齒輪上的徑向力、圓周力為：F=F= Ftan=111.11tan20=40.44NN1 = N 2=36.75N ，阻力矩2 M 1 =M2 = 0.5N m，重力N 3 =20 N m，主動(dòng)力矩M 0 =1N m。計(jì)算作用于軸水平=面上的力，由力學(xué)知識(shí)可得：R=53.90NR=57.21N計(jì)算作用于軸的豎直面上的力，由力學(xué)知識(shí)可得：R=6.98NR=N計(jì)算彎矩， M=36.7526.8-2013.4-40.4413=0.187NmM=2013.4+40.4413.8-36.7526.8=0.160Nm齒輪處：M=36.7513.8-36.7513-200.4=0.021Nm計(jì)算扭矩：T=T=T=0.5Nm計(jì)算當(dāng)量彎矩，M=A 點(diǎn)處：M(A)=0.354Nm齒輪作用集中處： M(F)=0.301NmB 點(diǎn)處：M(B)= =0.340Nmc)、軸的尺寸計(jì)算：按許用彎曲應(yīng)力計(jì)算軸頸：d=10=2.650mm考慮軸的結(jié)構(gòu)及軸上零件的定位，取軸頸為 dmin =10mmd)、校核軸的強(qiáng)度：齒輪作用處的當(dāng)量彎矩最大，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核：=4.328MPa S ，故該軸截面是安全得的。軸的零圖如3-4所示：圖3-4 軸的零件圖3.3.5 軸上的軸承的選取及校核由設(shè)計(jì)計(jì)算可得兩處支撐力不大，有一定的軸向力，因此選擇深溝球軸承，型號(hào)為6002，采用ZL-1 通用鋰基潤滑脂潤滑。其基本額定動(dòng)載荷 C r 5.58KN，基本額定靜載荷C0r2.85KN。預(yù)期使用壽命L h 10000h。對(duì)軸承受力分析計(jì)算：F=F=因B軸承的徑向力較大，故只需對(duì)B軸承進(jìn)行校合因其所受的軸向力相對(duì)徑向力很小，故只需考慮徑向力對(duì)軸承的影響。軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷：P=XF+XF=157.52=57.52N壽命計(jì)算：L=式中， L 10h基本額定壽命；C基本額定動(dòng)載荷；P當(dāng)量動(dòng)載荷；f t 溫度系數(shù)；n轉(zhuǎn)速；壽命指數(shù)。帶入數(shù)據(jù)計(jì)算，得：L=15976h大于10000h，滿足設(shè)計(jì)要求。額定靜載荷校核計(jì)算：C式中， C 額定靜載荷；S 安全系數(shù)； P 當(dāng)量動(dòng)載荷。C=2.85kN, 滿足設(shè)計(jì)要求。其它軸承照此計(jì)算符合要求。4 機(jī)械手的plc控制4.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則與步驟 4.1.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則： n 最大限度地滿足控制要求 充分發(fā)揮PLC功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求，是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。設(shè)計(jì)人員要深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，收集資料。同時(shí)要注意和現(xiàn)場(chǎng)工程管理和技術(shù)人員及操作人員緊密配合，共同解決重點(diǎn)問題和疑難問題。n 保證系統(tǒng)的安全可靠 保證PLC控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。n 力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用與維修方便 在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地?cái)U(kuò)大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。不宜盲目追求自動(dòng)化和高指標(biāo)。n 適應(yīng)發(fā)展的需要 適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。4.1.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟 1）分析被控對(duì)象并提出控制要求 詳細(xì)分析被控對(duì)象的工藝過程及工作特點(diǎn)，了解被控對(duì)象機(jī)、電、液之間的配合，提出被控對(duì)象對(duì)PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計(jì)任務(wù)書。2）確定輸入輸出設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與PLC有關(guān)的輸入/輸出設(shè)備，以確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。3）選擇PLC PLC選擇包括對(duì)PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇4）分配I/O點(diǎn)并設(shè)計(jì)PLC外圍硬件線路分配I/O點(diǎn)：畫出PLC的I/O點(diǎn)與輸入/輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表。PLC外圍硬件線路：畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進(jìn)入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。5）程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)：1.控制程序；2.初始化程序；3.檢測(cè)、故障診斷和顯示等程序；4.保護(hù)和連鎖程序。模擬調(diào)試：根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。6）硬件實(shí)施設(shè)計(jì)控制柜和操作臺(tái)等部分的電器布置圖及安裝接線圖；設(shè)計(jì)系統(tǒng)各部分之。間的電氣互連圖；根據(jù)施工圖紙進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接線，并進(jìn)行詳細(xì)檢查；由于程序設(shè)計(jì)與硬件實(shí)施可同時(shí)進(jìn)行，因此PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期可大大縮短7）聯(lián)機(jī)調(diào)試聯(lián)機(jī)調(diào)試是將通過模擬調(diào)試的程序進(jìn)一步進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。聯(lián)機(jī)調(diào)試過程應(yīng)循序漸進(jìn)，從PLC只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實(shí)際負(fù)載等逐步進(jìn)行調(diào)試。如不符合要求，則對(duì)硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部份程序即可。全部調(diào)試完畢后，交付試運(yùn)行。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，如果工作正常、程序不需要修改，應(yīng)將程序固化到EPROM中，以防程序丟失。8）整理和編寫技術(shù)文件技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、PLC程序以及使用說明書等。本課題選用FX系列。FX系列是日本三菱公司后期的產(chǎn)品。三菱公司的可編程控制器分為F、F1、F2、FX2、FX0、FX0N、FX2C、FX1N和FX q2N幾個(gè)系列。其系統(tǒng)配置靈活多便，它具有各種點(diǎn)數(shù)及各種輸出類型（繼電器、晶體管、晶閘管）的擴(kuò)展單元及擴(kuò)展模塊，要與基本單元自由混合配置，使系統(tǒng)有極高的靈活程度。FX的應(yīng)用領(lǐng)域包括：通用機(jī)械、汽車制造、立體倉庫、機(jī)床與工具、過程控制、控制與裝置儀表、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、控制設(shè)備制造、專用機(jī)械 。 多種級(jí)別(功能逐步升級(jí))的CPU，種類齊全的通用功能的模板，使用戶能根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大或變得更加復(fù)雜時(shí)，不必投入很多費(fèi)用。FX可編程控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，性能范圍寬廣的不同模板可靈活組合，擴(kuò)展十分方便。任何時(shí)候只要適當(dāng)?shù)脑黾右恍┠０澹隳苁瓜到y(tǒng)升級(jí)和充分滿足本課題的需要。 4.2 機(jī)械手的基本參數(shù)機(jī)器人是一種最先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng), 是實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化中最典型的機(jī)電一體化裝置。機(jī)器人主要由控制箱和機(jī)械手兩大部分組成, 通過對(duì)控制器進(jìn)行編程控制, 由光電閉環(huán)伺服回路引導(dǎo)機(jī)械手末端手爪, 可以實(shí)現(xiàn)手爪對(duì)體的抓取和釋放。該機(jī)器人是關(guān)節(jié)型的機(jī)器人, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 且全部采用開放式結(jié)構(gòu)。機(jī)械手具有5個(gè)自由度, 皆由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。我們采用新的控制器( PLC) , 同時(shí)編制控制程序, 從而實(shí)現(xiàn)起功能。由5個(gè)電機(jī)控制的機(jī)械手,如圖4-1所示，可使手爪在其工作范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)到達(dá)任意位置。手爪位置矢量r0 可由機(jī)械手的各臂的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)的角度計(jì)算出來。被抓取的物體的位置矢量r2 可以表示為:r2 = r0 (1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6) + r1 (x ,y ,z , l)其中;n ( n = 1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6) 為第n 個(gè)關(guān)節(jié)的角;x ,y ,z 為手爪的方位坐標(biāo); l 為手爪到目標(biāo)位置的距離。原始數(shù)據(jù)：S軸360度回轉(zhuǎn)，L軸左右擺動(dòng)，U軸上下擺動(dòng)，R軸回轉(zhuǎn)，B軸上下擺動(dòng)。技術(shù)要求：1）總臂長(zhǎng)度小于500mm 2）電機(jī)功率小于100w 3）L軸小于350mm 4）R軸小于250mm系統(tǒng)工作時(shí), 各光電編碼器輸出一系列與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號(hào)相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào), 經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將序列脈沖電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC可以接收的開關(guān)信號(hào), 在PLC 內(nèi)部經(jīng)過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后得到每一個(gè)電機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)角信號(hào), 運(yùn)行PLC控制程序, 獲得所需輸出, 再通過外電路由PLC 的輸出信號(hào)來控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的啟動(dòng)及停止, 以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的機(jī)械手的動(dòng)作。4.3 機(jī)械手的控制器根據(jù)機(jī)器人機(jī)械手控制的特點(diǎn), 我們采用了日本三菱公司生產(chǎn)的可編程序控制器作為機(jī)器人的控制器, 這種控制器具有40個(gè)輸入點(diǎn)、40個(gè)輸出點(diǎn)。滿足機(jī)械手5個(gè)步進(jìn)電機(jī)位置測(cè)量及控制的要求。系統(tǒng)控制的電路如圖4-2 所示。包括4 部分: 光電編碼器、輸入接口電路、PLC、輸出接口電路。位置檢測(cè)與輸入接口電路位置反饋信號(hào)是通過光電編碼器而得到, 每個(gè)步進(jìn)電機(jī)輸出軸上都裝有光電編碼器, 通過它實(shí)現(xiàn)光電脈沖轉(zhuǎn)換及對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè), 光電編碼器主要是由控制電路板、紅外光電耦合器及遮光盤組成, 紅外光電耦合器為塑封雙列直插式結(jié)構(gòu), 固定于槽形框內(nèi), 遮光盤固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上, 遮光盤為5孔均勻圓周分布的金屬盤。光電編碼器原理電路圖如圖4-2 所示。其中, R3 用于調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的工作電流,以保證發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光具有足夠的強(qiáng)度。R1、R2 用于調(diào)節(jié)A、B 相的光敏接收管的工作電流,以確保光耦合器件正常工作。當(dāng)總線通電時(shí), 光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)出不可見紅外線光, 通過旋轉(zhuǎn)的遮光盤的通孔而被光敏器件接收, 光敏器件兩端由截止變?yōu)閷?dǎo)通, 兩端電壓發(fā)生相應(yīng)變化, 從A、B 輸出脈沖信號(hào)。光電碼盤旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生6 個(gè)相位差為30。的A、B 兩相6 個(gè)脈沖。正、反向測(cè)速A、B 兩相脈沖波形如圖4-3 所示。從A、B 輸出的脈沖信號(hào)為電平信號(hào), 不能直接連接到PLC 的輸入端。還要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào), 再送入PLC 輸入端。圖2 中IC、R4、T1 就是為此而設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)接口電路。IC 是一個(gè)異或門, 將兩路脈沖