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關節(jié)型機器人腕部結構及控制系統(tǒng)設計 摘 要 為了提高生產(chǎn)效率，滿足一些特定的工作要求，本題設計的關節(jié)型機器人的手腕用于焊接、噴漆等方面。通過合理的設計計算，擬定了手腕的傳動路徑，選用直流電動機，合理布置了電機、軸和齒輪，設計了齒輪和軸的結構，實現(xiàn)了擺腕、轉腕和提腕的三個自由度的要求。設計中大多采用了標準件和常用件，降低了設計和制造成本。 關鍵詞：自由度，關節(jié)型機器人，手腕 ABSRACT In order to improve production efficiency and meet some of the specific requirements, design of ontology of robot wrist joints used for welding, paint, etc. Through the reasonable design calculation, the transmission path, choose the wrist, reasonable decorate a dc motor, gear axle and gear axle, design and realization of the structure, the pendulum wrist, turn the wrist and wrist three degrees of freedom. In the design of the standard and common people, the design and manufacturing cost. Keywords: freedom, Joint robot, The wrist 目錄 1 緒論 1 1.1 選題背景及意義 1 1.2 文獻綜述（國內(nèi)外發(fā)展和研究現(xiàn)狀） 2 1.3 機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展 3 2手腕結構的確定 7 3.基本參數(shù)的確定 4電機的選擇 8 3.1提腕電機的選擇 8 3.2擺腕和轉腕電機的選擇 8 5總傳動比的確定及傳動比的分配 9 4.1各級傳動比的計算 9 4.2傳動比的分配 9 6齒輪設計 10 5.1偏轉部分齒輪設計 5.2擺腕部分齒輪設計 5.3轉腕部分齒輪設計 7軸的設計與校核 6.1軸的結構設計 6.2軸的校核計算 8控制系統(tǒng)設計 7.1控制方法的確定 7.3 PLC的IO圖繪制 7.4 PLC梯形圖設計 結論 參考文獻 致謝 1緒論 1.1 選題背景及其意義 本題設計的是關節(jié)型機器人腕部結構，主要是整體方案設計和手腕的結構設計及控制系統(tǒng)設計，此課題來源于實際生產(chǎn)，對于目前手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對操作員技術熟練成都要求高，因此采用機器人技術，實現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)力，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件。題目要求是：動作范圍：手腕回轉,擺動,旋轉。各軸最大速度要求：。額定載荷，最大速度。2、腕部最大負荷：5kg。機器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化的、獨立的自動化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應用工業(yè)機器人技術是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術革命的一個重要內(nèi)容。自古以來,人們所設想的機器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類智能的機器。特別是在20世紀20年代前后,捷克和美國的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關于未來機器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學作品,更使機器人在人們的思想中成為一種無所不能的“超人”。在現(xiàn)實生活中,一些民間工匠根據(jù)這些文學描繪,也制造出一些仿人或仿生的機器人。然而在當時的科技條件下,要使機器人具有某種特殊的“智能”而成為“超人”,顯然是不可能的。美國的戴沃爾設想了一種可控制的機械手,他首先突破了對機器人的傳統(tǒng)觀點,提出機器人并不一定必須像人,但是必須能做一些人的工作。1954年,他依據(jù)這一想法設計制作了世界上第一臺機器人實驗裝置,發(fā)表了《適用于重復作業(yè)的通用性工業(yè)機器人》一文,并獲得了美國專利。戴沃爾將遙控操縱器的關節(jié)型連桿機構與數(shù)控機床的伺服軸聯(lián)結在一起,預定的機械手動作一經(jīng)編程輸入后,機械等就可以離開人的輔助而獨立運行。這種機器人也可以接受示教而完成各種簡單任務。示教過程中操作者用手帶動機械手依次通過工作任務的各個位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲器中，任務的執(zhí)行過程中，機器人的各個關節(jié)在伺服驅(qū)動下再現(xiàn)出那些位置序列。 1.2 文獻綜述（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢） 隨著全球能源短缺、環(huán)境污染以及溫室效應等問題的日益突顯。尋找可持續(xù)的能源近年來，工業(yè)機器人的應用越來越廣泛，種種跡象表明工業(yè)自動化時代已經(jīng)到來，工業(yè)機器人極有可能成為下一個迎來爆發(fā)式增長的新興產(chǎn)業(yè)。另一方面，中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)正處于前所未有的機遇期，政策紅利、工業(yè)轉型升級需求釋放等機遇疊加，但中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展卻不盡如人意，產(chǎn)業(yè)化進程發(fā)展緩慢。工業(yè)機器人是生產(chǎn)過程中的關鍵設備，可用于安裝、制造、檢測、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應用于汽車及汽車零部件、電氣電子、化工、工程機械、軌道交通、低壓電器、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應用領域廣泛。產(chǎn)業(yè)具備加速發(fā)展條件，中國工業(yè)機器人的規(guī)模、分布、技術、應用是產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展的基礎和條件?？傮w來看，中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)處于起步期，整體規(guī)模較小；受產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段影響，龍頭企業(yè)多分布在研發(fā)集中的東北地區(qū)；技術投入雖逐年增長，但核心技術尚未產(chǎn)業(yè)化；人力替代需求旺盛，市場應用前景廣闊。 　　國際工業(yè)機器人協(xié)會統(tǒng)計資料顯示，2008~2012年，我國工業(yè)機器人平均每年安裝量約15000臺，2012年新安裝量24800臺。工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)經(jīng)過20多年發(fā)展，基本實現(xiàn)了從試驗、引進到自主開發(fā)的轉變。中國目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人。但我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的差距，主要體現(xiàn)在：產(chǎn)品可靠性、精確度低于國外產(chǎn)品；機器人應用領域較窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比仍有差距；自主創(chuàng)新不足，諸多技術方面停留在仿制層面，關鍵零部件依賴進口，特別是在高性能交流伺服電機和高精密減速器方面的差距尤為明顯；在加工工藝方面，國內(nèi)廠商的熱處理技術較弱，直接影響工業(yè)機器人的控制精度。 　　當前，我國的機器人生產(chǎn)品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本高，而且質(zhì)量、可靠性都不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。目前，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于內(nèi)外部機遇疊加的重要發(fā)展期，工業(yè)轉型升級推動裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人口增長趨勢有利于釋放市場容量、商業(yè)模式創(chuàng)新活躍。同時，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)經(jīng)過初期的技術積累和產(chǎn)品市場規(guī)模的不斷擴大，正逐步接近產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展的臨界點。 工業(yè)機器人是我國制造業(yè)轉型升級必不可少的高端裝備，是我國“十二五”規(guī)劃中重點發(fā)展的七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，也是其他新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎。隨著我國產(chǎn)業(yè)轉型升級的逐步推進，對以工業(yè)機器人為代表的智能裝備的需求，將呈爆發(fā)式增長。 工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展與商業(yè)模式的創(chuàng)新密不可分。工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具備了基礎技術條件，足以支撐產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展。商業(yè)模式的建立有利于加快形成工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)體系，改變原有的產(chǎn)業(yè)形態(tài)。在信息技術、互聯(lián)網(wǎng)技術基礎上積累的商業(yè)模式創(chuàng)新經(jīng)驗，為工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了可資借鑒的良好經(jīng)驗。機器人的應用，是從特種作業(yè)領域，逐漸向工業(yè)裝備領域進行大規(guī)模市場拓展的，目前在眾多領域已呈爆發(fā)式增長。 　　同時，中國工業(yè)機器人面臨巨大挑戰(zhàn)。產(chǎn)業(yè)發(fā)展缺乏戰(zhàn)略層面規(guī)劃，難以適應現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)化加速發(fā)展的要求；技術創(chuàng)新能力薄弱，關鍵零部件仍難以走出實驗室實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，缺乏核心競爭力；在國外企業(yè)壟斷全球市場的格局下，傳統(tǒng)模仿跟隨的發(fā)展路徑與加速做大總量的現(xiàn)實需求不匹配。產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策與產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段不協(xié)調(diào)。眾多國家級重大項目涉及機器人領域，各地方政府也在大力投資機器人產(chǎn)業(yè)。但目前工業(yè)機器人還沒有建立起產(chǎn)業(yè)體系，管理缺失，導致產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、政策研究、標準體系建設等行業(yè)重點工作存在缺位。 2手腕結構的確定 手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件，處于機器人操作機的最末端，其功能是在手臂和腰部實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個坐標位置的基礎上，再由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個姿態(tài)坐標，即實現(xiàn)三個自由度。 如下圖所示，三個電機成三角形分布。 圖2－1 傳動原理圖 基本參數(shù)的確定 空間結構和手腕結構的確定，那么手腕回轉、手腕擺動、和手腕旋轉三個姿態(tài)的自由度也得到了實現(xiàn)。 表3-2 機器人的主要規(guī)格參數(shù) 動作范圍 手腕回轉 手腕擺動 手腕旋轉 額定載荷 最大速度 4手腕詳細設計說明 本課題的機器人將采用直流伺服電動機。因為它具有體積小、轉矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 4.1手腕電機的選擇 4.1.1提腕電機的選擇 手腕的最大負荷重量，初估腕部的重量，最大運動速度V=3m/s 功率 取安全系數(shù)為1.2， 考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率。 執(zhí)行機構的最大轉速為 n=r/min 經(jīng)查表按推薦的傳動比合理范圍i=,電動機轉速范圍是n=1988到11440r/min 選擇Z型并勵直流電動機，技術參數(shù)如下 表4-1 Z型并勵直流電動機技術參數(shù) 型 號 額定電壓 （V） 額定轉矩(N/m) 額定轉速 (r/m) 參考功率 (W) 重量 (kg) Z200/20-400 200 2.86 2000 600 5.5 4.1.2擺腕和轉腕電機的選擇 根據(jù)設計要求取相同型號的電機，選擇Z型并勵直流電動機，型號為Z200/20-400。 4.2傳動比的確定 4.2.1總傳動比的確定 轉腕傳動比的確定 由上面算的n=286。47r/min 最后求得總傳動比 i總＝＝8 取整i總=8 同理：提腕腕傳動比的確定 i總＝＝16 擺腕腕的傳動比： i總＝＝14 4.3傳動比的分配 a轉腕傳動比的分配 b提腕傳動比的分配 C擺腕傳動比的分配 5.齒輪的設計 5.1提腕部分齒輪設計 A. 第一極圓柱齒輪傳動 齒輪采用45號鋼，鍛造毛坯，正火處理后齒面硬度170~190HBS，齒輪精度等級為7極。取 。 a. 設計準則 按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 b.按齒面接觸疲勞強度設計 齒面接觸疲勞強度條件的設計表達式 （4－1） 其中， ，， ，，， 選擇材料的接觸疲勞極根應力為： 選擇材料的接觸疲勞極根應力為： 應力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計算可得 （4-2） 則 接觸疲勞壽命系數(shù), 彎曲疲勞壽命系數(shù) 接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。 求許用接觸應力和許用彎曲應力： 將有關值代入（4－1）得： 則 動載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則 修正 取標準模數(shù)。 c.計算基本尺寸 d. 校核齒根彎曲疲勞強度 復合齒形系數(shù)， 取 校核兩齒輪的彎曲強度 （4－3） 所以齒輪完全達到要求。 表5－1 齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 中心距 頂隙 由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結構，小齒輪將做成齒輪軸。 B. 第二極圓柱齒輪傳動 齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取. 在上面已經(jīng)算出模數(shù)m=2,所以第二級齒輪的參數(shù)如下： 表5－2 齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 中心距 頂隙 a. 設計準則 按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 b. 按齒面接觸疲勞強度設計 齒面接觸疲勞強度的設計表達式 （4－4） 其中， ，， ，， 選擇材料的接觸疲勞極根應力為： 選擇材料的接觸疲勞極根應力為： 應力循環(huán)次數(shù)N由下式計算可得 （4-5） 則 接觸疲勞壽命系數(shù), 彎曲疲勞壽命系數(shù) 接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。 求許用接觸應力和許用彎曲應力： 將有關值代入（4－4）得： 則 動載荷系數(shù)；使用系數(shù)；齒向載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)取，則 修正 取標準模數(shù)。 c.計算基本尺寸 d. 校核齒根彎曲疲勞強度 復合齒形系數(shù)， 取 校核兩齒輪的彎曲強度 （4-6） 所以齒輪完全達到要求。 表5－3齒輪的幾何尺寸 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒頂角 齒根角 分度圓錐角 頂錐角 根錐角 錐距 齒寬 由于小齒輪的分度圓直徑較小，所以作成齒輪軸。 5.2提腕腕部分齒輪設計 第一極圓柱齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。 a. 設計準則 按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 b.按齒面接觸疲勞強度設計 齒面接觸疲勞強度條件的設計表達式 （4－1） 其中， ，， ，，， P=mgV=10*10*3=300w/s n=150r/s 選擇材料的接觸疲勞極根應力為： 選擇材料的接觸疲勞極根應力為： 應力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計算可得 （4-2） 則 接觸疲勞壽命系數(shù), 彎曲疲勞壽命系數(shù) 接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。 求許用接觸應力和許用彎曲應力： 將有關值代入（4－1）得： 則 動載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則 修正 取標準模數(shù)。 c.計算基本尺寸 d. 校核齒根彎曲疲勞強度 復合齒形系數(shù)， 取 校核兩齒輪的彎曲強度 （4－3） 所以齒輪完全達到要求。 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 中心距 頂隙 表5－4齒輪的幾何尺寸 第二級傳動使用圓柱齒輪傳動，齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。經(jīng)計算齒輪滿足要求。 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 中心距 頂隙 表5－5齒輪的幾何尺寸 5.3擺腕腕部分齒輪設計 第一極圓柱齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。經(jīng)計算齒輪滿足要求。小齒輪作成齒輪軸。 a. 設計準則 按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 b.按齒面接觸疲勞強度設計 齒面接觸疲勞強度條件的設計表達式 （4－1） 其中， ，， ，，， P=mgV=10*10*3=300w/s n=150r/s 選擇材料的接觸疲勞極根應力為： 選擇材料的接觸疲勞極根應力為： 應力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計算可得 （4-2） 則 接觸疲勞壽命系數(shù), 彎曲疲勞壽命系數(shù) 接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。 求許用接觸應力和許用彎曲應力： 將有關值代入（4－1）得： 則 動載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則 修正 取標準模數(shù)。 c.計算基本尺寸 d. 校核齒根彎曲疲勞強度 復合齒形系數(shù)， 取 校核兩齒輪的彎曲強度 （4－3） 所以齒輪完全達到要求。 表5－6齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 中心距 頂隙 第二極圓錐齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。經(jīng)計算齒輪滿足要求。小齒輪作成齒輪軸。 a. 設計準則 按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 b. 按齒面接觸疲勞強度設計 齒面接觸疲勞強度的設計表達式 （4－4） 其中， ，， ，， P=w/s n=143r/min 選擇材料的接觸疲勞極根應力為： 選擇材料的接觸疲勞極根應力為： 應力循環(huán)次數(shù)N由下式計算可得 （4-5） 則 接觸疲勞壽命系數(shù), 彎曲疲勞壽命系數(shù) 接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。 求許用接觸應力和許用彎曲應力： 將有關值代入（4－4）得： 則 動載荷系數(shù)；使用系數(shù)；齒向載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)取，則 修正 取標準模數(shù)。 c.計算基本尺寸 d. 校核齒根彎曲疲勞強度 復合齒形系數(shù)， 取 校核兩齒輪的彎曲強度 （4-6） 所以齒輪完全達到要求。 表5－7齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒頂角 齒根角 分度圓錐角 頂錐角 根錐角 錐距 齒寬 6軸的設計和校核 軸的結構決定于受力情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類型和尺寸、軸的毛坯，制造和裝配工藝、以及運輸、安裝等條件。軸的結構，應使軸受力合理，避免或減輕應力集中，有良好的工藝性，并使軸上零件定位可靠、裝配方便。對于要求剛度大的軸，還應該從結構上考慮減少軸的變形。 6.1擺腕輸入軸的設計 a:軸的材料為45號剛，調(diào)制處理。 （1）求輸入功率，轉速和轉矩。 根據(jù)電機的基本參數(shù)可以知道p1=0.6kw n1=2000r/min T1=95500002860N/mm 2初步確定軸的最小直徑。 取A0=112，于是得dmin=A0=112=10mm 根據(jù)聯(lián)軸器的型號選軸的最小直徑是12mm b: 各段軸徑和長度的確定 初估軸徑后，就可按照軸上零件的安裝順序從處開始逐段確定軸徑，上面計算的是軸段1的直徑d1=12mm，L1=10mm。 軸段2要起到過度作用，所以取d2=22mm,L2=33mm。 軸段3的d3=30mm,L3=5mm。 軸段4要做成齒輪軸所以取d4=44mm,L4=42mm。 軸段5，d5=d3=30mm,L5=20mm。 軸段6考慮要安裝軸承，內(nèi)徑要符合軸承安裝條件，所以取d6=25mm,L6=16mm。 （2）軸的強度校核 軸在初步完成結構設計后，進行校核計算。計算準則是滿足軸的強度或剛度要求。進行軸的強度校核計算時，應根據(jù)軸的具體受載及應力情況，采取相應的方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力，對于用于傳遞轉矩的軸應按扭轉強度條件計算，對于只受彎矩的軸（心軸）應按彎曲強度條件計算，兩者都具備的按疲勞強度條件進行精確校核等。 圖4－2軸的受力分析和彎扭矩圖 a． 軸上的轉矩T： 主軸上的傳遞的功率：P軸kw （4-8） 求作用在齒輪上的力： N b． 畫軸的受力簡圖 見圖4－2 c． 計算軸的支撐反力 在水平面上 FNH2 在垂直面上 d． 畫彎矩圖 見圖4－2 在水平面上，剖面左側 剖面右側 在垂直面上 合成彎矩，剖面左側 剖面右側 e． 畫轉矩圖 見圖4－2 f. 判斷危險截面 截面左右的合成彎矩左側相對右側大些，扭矩為T，則判斷左側為危險截面，只要左側滿足強度校核就行了。 g.．軸的彎扭合成強度校核 許用彎曲應力，， 截面左側 h. 軸的疲勞強度安全系數(shù)校核 查得抗拉強度 ，彎曲疲勞強度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 截面左側 查得，；查得絕對尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則 彎曲應力 ， 應力幅 平均應力 切應力 安全系數(shù) 查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。 6.2提腕的輸入軸的設計與校核。 a:軸的材料為45號剛，調(diào)制處理。 1 求輸入功率，轉速和轉矩。 根據(jù)電機的基本參數(shù)可以知道p1=0.6kw n1=2000r/min T1=95500002860N/mm 2初步確定軸的最小直徑。 取A0=112，于是得dmin=A0=112=10mm 根據(jù)聯(lián)軸器的型號選軸的最小直徑是12mm。 所以軸段1d1=12mm,L1=39mm. 軸段2是齒輪軸，根據(jù)齒輪的尺寸確定d2=40mm,L2=33mm。 2.2軸的強度校核 a． 軸上的轉矩T： 主軸上的傳遞的功率：P軸kw （4-8） 求作用在齒輪上的力： N N b． 畫軸的受力簡圖 見圖4－2 c． 計算軸的支撐反力 在水平面上 FNH1 在垂直面上 d． 畫彎矩圖 見圖4－2 在水平面上，剖面左側 剖面右側 在垂直面上 合成彎矩，剖面左側 剖面右側 e． 畫轉矩圖 見圖4－2 f. 判斷危險截面 截面左右的合成彎矩左側相對右側大些，扭矩為T，則判斷左側為危險截面，只要左側滿足強度校核就行了。 g.．軸的彎扭合成強度校核 許用彎曲應力，， 截面左側 h. 軸的疲勞強度安全系數(shù)校核 查得抗拉強度 ，彎曲疲勞強度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 截面左側 查得，；查得絕對尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則 彎曲應力 ， 應力幅 平均應力 切應力 安全系數(shù) 查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。 6.3提腕的輸出軸的設計。 a:軸的材料為45號剛，調(diào)制處理。 （1）. 求輸出軸上的功率P3，轉速n3和轉矩T3 取每級齒輪傳動的效率（包括軸承效率在內(nèi)），則 KW r/min （2）初步確定軸的最小直徑 取A0=112，于是得dmin=A0=112=18mm 輸出軸的最小直徑顯然是安裝軸承的直徑d1=20mm,L1=16mm。 軸段2的直徑d2根據(jù)齒輪的尺寸選擇d2=39mm,L2=36mm。 軸段3由于軸段3要固定在箱體上而且要起到連接轉腕部分的箱體，所以考慮下來選擇d3=20mm,L3=65mm。 （3）軸的強度校核 a． 軸上的轉矩T： 主軸上的傳遞的功率： KW r/min 求作用在齒輪上的力： N N b． 畫軸的受力簡圖 見圖4－2 c． 計算軸的支撐反力 在水平面上 FNH2 在垂直面上 d． 畫彎矩圖 見圖4－2 在水平面上，剖面左側 剖面右側 在垂直面上 合成彎矩，剖面左側 剖面右側 e． 畫轉矩圖 見圖4－2 f. 判斷危險截面 截面左右的合成彎矩左側相對右側大些，扭矩為T，則判斷左側為危險截面，只要左側滿足強度校核就行了。 g.．軸的彎扭合成強度校核 許用彎曲應力，， 截面左側 h. 軸的疲勞強度安全系數(shù)校核 查得抗拉強度 ，彎曲疲勞強度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 截面左側 查得，；查得絕對尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則 彎曲應力 ， 應力幅 平均應力 切應力 安全系數(shù) 查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。 6.4轉腕的輸入軸的設計與校核。 a:軸的材料為45號剛，調(diào)制處理。 1 求輸入功率，轉速和轉矩。 根據(jù)電機的基本參數(shù)可以知道p1=0.6kw n1=2000r/min T1=95500002860N/mm 2初步確定軸的最小直徑。 取A0=112，于是得dmin=A0=112=10mm 根據(jù)聯(lián)軸器的型號選軸的最小直徑是10mm。 所以軸段1d1=10mm,L1=21mm. 軸段2是齒輪軸，根據(jù)齒輪的尺寸確定d2=56mm,L2=32mm。 a． 軸上的轉矩T： 主軸上的傳遞的功率：P軸kw （4-8） 求作用在齒輪上的力： N N b． 畫軸的受力簡圖 見圖4－2 c． 計算軸的支撐反力 在水平面上 FNH139.6N 在垂直面上 d． 畫彎矩圖 見圖4－2 在水平面上，剖面左側 剖面右側 在垂直面上 合成彎矩，剖面左側 剖面右側 e． 畫轉矩圖 見圖4－2 f. 判斷危險截面 截面左右的合成彎矩右側相對右側大些，扭矩為T，則判斷右側為危險截面，只要右側滿足強度校核就行了。 g.．軸的彎扭合成強度校核 許用彎曲應力，， 截面右側 h. 軸的疲勞強度安全系數(shù)校核 查得抗拉強度 ，彎曲疲勞強度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 截面右側 查得，；查得絕對尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則 彎曲應力 ， 應力幅 平均應力 切應力 安全系數(shù) 查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全 6.5轉腕的輸出軸的設計與校核。 a:軸的材料為45號剛，調(diào)制處理。 （ 1）. 求輸出軸上的功率P3，轉速n3和轉矩T3 取每級齒輪傳動的效率（包括軸承效率在內(nèi)），則 KW r/min （2）初步確定軸的最小直徑 取A0=112，于是得dmin=A0=112=14.68mm 輸出軸的最小直徑顯然是安裝軸承的直徑d1=20mm,L1=16mm。 軸段2的直徑d2根據(jù)齒輪和鍵的的尺寸選擇d2=40mm,L2=33mm。 軸段3由于軸段3要固定在箱體上而且要起到連接外部，也需要連接軸承，所以考慮下來選擇d3=20mm,L3=78mm。 （3）軸的校核 a． 軸上的轉矩T： 主軸上的傳遞的功率： KW r/min 求作用在齒輪上的力： N N b． 畫軸的受力簡圖 見圖4－2 c． 計算軸的支撐反力 在水平面上 FNH2 在垂直面上 d． 畫彎矩圖 見圖4－2 在水平面上，剖面左側 剖面右側 在垂直面上 合成彎矩，剖面左側 剖面右側 e． 畫轉矩圖 見圖4－2 f. 判斷危險截面 截面左右的合成彎矩左側相對右側大些，扭矩為T，則判斷左側為危險截面，只要左側滿足強度校核就行了。 g.．軸的彎扭合成強度校核 許用彎曲應力，， 截面左側 h. 軸的疲勞強度安全系數(shù)校核 查得抗拉強度 ，彎曲疲勞強度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 截面左側 查得，；查得絕對尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則 彎曲應力 ， 應力幅 平均應力 切應力 安全系數(shù) 查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。 7.電氣控制 7.1控制方法的選擇。 系統(tǒng)在本課題中，選擇PLC進行系統(tǒng)的控制，由于本課題設計的只是關節(jié)型機器人的手腕部分，并不是整個手臂的設計，所以無法通過運動仿真來建立數(shù)學模型。相對于單片機來說，PLC有編程方便，控制原理方便等優(yōu)勢，所以在本課題中采用PLC來控制。 7.2系統(tǒng)結構設計 由于本課題采用的是直流電機，所以在控制方面采用的是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)結構圖如下 圖7-1系統(tǒng)結構圖 從圖7-1中可見PLC要從外部輸入電流反饋和轉速信號，輸出觸發(fā)脈沖信號，其工作均在PLC內(nèi)部完成，數(shù)字給定也是用軟件方法在PLC內(nèi)設定。 （1）轉速給定環(huán)節(jié) 速度給定信號是調(diào)速系統(tǒng)的主令控制信號，模擬系統(tǒng)中常用電位器調(diào)節(jié)給出：在PLC構成的DDC系統(tǒng)中，則可以用FX2的功能指令——傾斜指令來完成。 （2）轉速檢測環(huán)節(jié) 本系統(tǒng)速度檢測采用主軸脈沖發(fā)生器作為速度反饋檢測元件，它可將轉速換成頻率信號，以脈沖的方式輸入PLC，通過計數(shù)器定時計數(shù)即可測出電機主軸轉速。在轉速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，根據(jù)工程實際情況一般轉速環(huán)的采樣周期取10ms，為此使用10ms定時計數(shù)方法來測量速度。在FX2系列PLC中，設有“速度檢測”功能指令，它可測出10ms內(nèi)的脈沖數(shù)，并將其送給PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)寄存器用于速度檢測。 調(diào)速系統(tǒng)中檢測碼盤裝在電機主軸上，以速度N (r／min)轉動，接近開頭將轉速換成脈沖信號送至FX2的高速計數(shù)輸入端X0號端子。 （3）電流檢測環(huán)節(jié) 本系統(tǒng)電流檢測采用VFC電壓頻率轉換器將電流反饋電壓轉換成相應頻率的脈沖信號，通過測量單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)，可計算出反饋電壓Ui大小。此處選用NS公司的31系列VFC典型器件。工程上電流環(huán)采樣周期為1～3 ms，此處選采樣周期為2 ms，由于電流反饋電壓已轉換成脈沖頻率信號，可采用類似于轉速檢測的方法實現(xiàn)電流反饋檢測，將電流脈沖送入PLC的X1高速計數(shù)端 7.3 PLC的IO圖繪制 做具體的IO接線圖如下圖7-2，此處選擇的可編程控制器為三菱公司的FX系列，此種可編程控制器具有性價比高，應用廣泛等特點。具體型號為FX2N-64MR. 圖7-2 7.4 PLC梯形圖設計 按照設計要求，PLC梯形圖如下 圖7-3梯形圖 PLC語句表如下圖7-4 圖7-4 72 8夾持器的設計 根據(jù)焊槍的軸徑和機械接口的結構設計了夾持器。本次設計使用的焊槍直徑為50mm。用螺栓固定焊槍。通過螺栓與機械接口聯(lián)接。 9.殼體的設計 機座部分采用鑄鋁材料，方形結構，臂厚8～12mm。機身部分采用鑄鋁材料，圓筒形結構，臂厚7～8。大臂外殼和大臂箱體采用鑄鋁材料，方形結構，厚度均為6～8。小臂箱體和小臂外殼采用鑄鋁材料，結構為方形，側面為鑄件其它三面為鑄鋁板材。手腕外殼和手腕箱體采用鑄鋁材料，結構為方形，兩側面、背面、底面為鑄件，端面和正面為鑄鋁板材，臂厚5～8mm。 其它部分具體尺寸由結構決定，詳見圖紙。 10結論 本次設計的焊接機器人采用了直流電機驅(qū)動，通過一系列的軸和齒輪傳動順利實現(xiàn)了三個自由度：擺腕、提腕、轉腕。應用于焊接生產(chǎn)線上將大大提高生產(chǎn)效率，和加工質(zhì)量，降低工人勞動強度，能夠帶來可觀的經(jīng)濟效益。 本機器人設計結構合理，通用性強。除了應用于焊接外，還可以應用于噴漆等工作中。設備制造成本合理，拆裝方便，便于維護。 參 考 文 獻 [1] 劉辛軍,汪勁松,高峰.并聯(lián)六自由度微動機器人機構的設計方法[J].清華大學學報(自然科學版), 2001,41.(8):16-20. [2] 徐衛(wèi)平,張玉茹,六自由度微動機構的運動分析[J].機器人ROBOT,1995,17.(5):298-302. [3] 李明利,楊利華. 磁性輪式球罐焊接機器人機械結構設計與分析[J].機械, 2001,28:83-84. [4] 潘沛霖,楊宏,高波,吳微光.四自由度折疊式機械手的結構設計與分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,1994,26.(4):90-95. [5] 殷際英,何廣平.關節(jié)型機器人[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2003. [6] 馬香峰.工業(yè)機器人的操作設計和分析[M] .北京：冶金工業(yè)出版社, 1996. [7] 費仁元,張慧慧.機器人機械設計和分析[M] .北京：北京工業(yè)大學出版社,1998． [8] 周伯英.工業(yè)機器人設計[M] .北京：機械工業(yè)出版社, 1995． [9] 蔡自興.機器人學[M]．北京：清華大學出版社，2000． [10] 宗光華,劉海波譯.機器人技術手冊[M]. 北京：科學出版社, 1996． [11] 徐衛(wèi)良,錢瑞名譯.機器人操作的數(shù)學導論[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1998． [12] 孫迪生,王炎.機器人控制技術[M] .北京：機械工業(yè)出版社，1998． [13] 徐錦康.機械設計[M] .第二版.北京：機械工業(yè)出版社，2001. [14] 徐灝．機械設計手冊[M] .第二版.北京：機械工業(yè)出版社，2000. [15] 成大先．機械設計手冊[M]．第四版.北京：化學工業(yè)出版社，2002． [16] 陳秀寧，施高義.機械設計課程設計[M]．第一版.浙江：浙江大學出版社，1995 . 附 錄 1 手腕裝配圖 HJJQR-23 A0 2 圓柱齒輪 HJJQR-10 A3 3 圓柱齒輪軸 HJJQR-12 A3 4 IO控制接線圖 A1