工业机器人毕业设计.docx

工业机器人毕业设计摘要机器人技术是综合了许多学科的知识，比如计算机、操纵论、机构学、信息与传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当今研究领域十分重视的课题，机器人在很多领域都得到广泛应用。本毕业设计概述了工业机器人的分类、历史与进展趋势。重在设计研制国产搬运机器人的主臂运动机构，该工业机器人由腰部与大小臂构成，腰部与肩部形成肩关节，大臂与小臂间形成肘关节，使大臂做回转运动与仰俯运动，小臂做回转运动与仰俯摆动。本文要紧阐述了如何设计机器人腰部、肩部与肘部这三个要紧关节，每一个关节选择合适的驱动方式、传动方式，通过合适的减速装置最终达到所要求的转速。设计具体包含机器人关节类型确定，谐波减速器的基本结构、工作原理、要紧特性介绍与选用与其减速比的确定，各关节伺服电机的选择计算与重要部件的具体设计及其校核，如齿轮的设计及校核，轴的设计及校核，轴承的选用及校核。关键i司：工业机器人；搬运；机器人关节；谐波减速器AbstractRobotictechnologyiscomprehensiveknowledgeofthemanysubjects,suchascomputer,cybernetics,organizationlearning,informationandsensingtechnology,artificialintelligence,bionicsscienceandtheformationofhightechnologyandnewtechnology,itiscurrentresearchfieldattachtothesubjectinmanyfields,robotusedwidely.Thegraduationdesignsummarizestheclassificationofindustrialrobot,historyanditsdevelopmenttrend.Designanddevelopdomestichandlingrobotsonthemainarmmovementmechanism,theindustrialrobotcomposedbythewaistandbigforearm,thewaistandshouldershoulder,armformedformedbetweenandforearm,armelbowturnmovementandYangpronetodoexercise,forearmrotationmovementandpronetodoupswinging.Thispapermainlyexpoundshowtodesigntherobotwaist,shoulderandelbowthethreemainjoints,everyjointchooseappropriatedrivemode,transmissionmode,throughappropriatedecelerationdevicefinallytoreachtherequiredspeed.Designspecificincluderobotjointstype,theharmonicgearreducertodeterminethebasicstructure,workingprinciple,maincharacteristicintroductionandselectionanddeterminationofslowing,eachjointthanservomotorselectionandcalculation,andthespecificdesignandanimportantpartofgearcheck,suchasdesignandcheckthedesignandcheck,shaft,bearingchooseandchecking.Keywords:industrialrobot；Handling；Robotjoints；Harmonicgearreducer目录摘要错误！未定义书签。Abstract错误!未定义书签。第1章绪论错误!未定义书签。1.1工业机器人概述错误!未定义书签。1. 2工业机器人驱动方式错误!未定义书签。2. 3工业机器人的分类错误!未定义书签。3. 4工业机器人的历史错误!未定义书签。4. 5工业机器人的进展趋势错误!未定义书签。第2章工业机器人机构设计错误!未定义书签。2.1工业机器人的设计内容及要求错误!未定义书签。2. 2工业机器人的总体设计错误!未定义书签。2. 3工业机器人的驱动方式选择错误!未定义书签。2. 4谐波减速器介绍错误!未定义书签。2. 4.1谐波减速器简介错误!未定义书签。2. 4.2谐波减速器基本结构错误!未定义书签。2. 4.3谐波减速器工作原理错误!未定义书签。2. 4.4谐波减速器的要紧特性错误!未定义书签。2. 4.5谐波减速器的减速比错误!未定义书签。5. 5机器人材料的选择错误!未定义书签。2.5.1材料选择的基本要求错误!未定义书签。2.5.2结构材料介绍错误!未定义书签。第3章机器人腰部关节的设计错误!未定义书签。3.1 机器人传动机构分析错误!未定义书签。3.2机器人腰部传动方案选择错误!未定义书签。3. 3腰部交流伺服电机的选择错误!未定义书签。3. 3.1机器人材料选用与质量估算错误!未定义书签。3. 3.2工业机器人整体受力分析错误!未定义书签。3. 3.3腰部交流伺服电机的选择计算错误!未定义书签。3. 4腰部谐波减速器的选择错误!未定义书签。3. 4.1德国Harmonic谐波减速器的特点错误!未定义书签。3. 4.2腰部谐波减速器的选择计算错误!未定义书签。3. 4.3选用谐波减速器具体尺寸的确定错误!未定义书签。3. 4.4选用谐波减速器性能参数确定错误!未定义书签。3. 4.5所选谐波减速器传递效率错误!未定义书签。3. 5选用谐波减速器输出轴承的确定错误!未定义书签。3. 5.1输出轴承参数错误!未定义书签。3. 5.2输出轴承公差选择错误!未定义书签。3. 5.3推荐装配公差错误!未定义书签。6. 6齿轮的设计与校核错误!未定义书签。3.7轴的设计与校核错误!未定义书签。3.7.1轴的设计分析错误!未定义书签。3.7.2初步计算轴的直径错误!未定义书签。3.7.3按弯扭合成强度计算错误!未定义书签。3. 8轴承的设计与校核错误!未定义书签。第4章机器人肩部关节的设计错误!未定义书签。4.1机器人肩部关节的设计分析错误!未定义书签。4. 2肩部传动机构的设计错误!未定义书签。4. 3肩部关节伺服电机的选择错误!未定义书签。4. 4肩部关节谐波减速器的选择错误!未定义书签。第5章机器人肘部关节的设计错误!未定义书签。5.1机器人肘部关节设计分析错误!未定义书签。5. 2肘部传动机构的设计错误!未定义书签。5. 3肘部关节伺服电机的选择错误!未定义书签。5. 4肘部关节谐波减速器的选择错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。结束语错误!未定义书签。致谢错误!未定义书签。附录错误!未定义书签。第1章绪论1.1 工业机器人概述机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，习惯性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称之专用机器人，而把工业机械人称之通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或者按照工作要求以操纵工件进行加工。工业机器人，通常指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或者零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。国际标准化组织（ISO）在对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手,这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各类材料、零件、工具与专用设备,以执行种种任务”。1.2 工业机器人驱动方式（1）气动式工业机器人这类工业机器人以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳固性较差，又因气源压力通常只有6kPa左右，因此这类工业机器人抓举力较小，通常只有几十牛顿，最大百余牛顿。（2）液压式工业机器人液压压力比气压压力高得多，通常为70kPa左右，故液压传动工业机器人具有较大的抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温或者低温环境下工作。（3）电动式工业机器人这是目前用得最多的一类工业机器人，不仅由于电动机品种众多，为工业机器人设计提供了多种选择，也由于它们能够运用多种灵活操纵的方法。早期多使用步进电机驱动，后来进展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速进展。这些驱动单元或者是直接驱动操作机，或者是通过诸如谐波减速器的装置来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。1.3 工业机器人的分类工业机器人按操作机坐标形式分下列几类（坐标形式是指操作机的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式）：（1）直角坐标型工业机器人其运动部分由三个相互垂直的直线移动（即PPP）构成，其工作空间图形为长方形。它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置与姿态的编程计算，定位精度高，操纵无耦合，结构简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，灵活性差，难与其他工业机器人协调工作。（2）圆柱坐标型工业机器人其运动形式是通过一个转动与两个移动构成的运动系统来实现的，其工作空间图形为圆柱，与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与其它工业机器人协调工作。（3）球坐标型工业机器人又称极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动与一个直线移动（即RRP,一个回转，一个俯仰与一个伸缩运动）所构成，其工作空间为一球体，它能够作上下俯仰动作并能抓取地面上或者较低位置的协调工件，其位置精度高，位置误差与臂长成正比。（4）多关节型工业机器人又称回转坐标型工业机器人，这种工业机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节是回转副（即RRR）,该工业机器人通常由立柱与大小臂构成，立柱与大臂形成肩关节，大臂与小臂间形成肘关节，可使大臂做回转运动与俯仰摆动，小臂做仰俯摆动。其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，能与其他工业机器人协调工作，但位置精度较低，有平衡问题，操纵耦合，这种工业机器人应用越来越广泛。（5）平面关节型工业机器人它使用一个移动关节与两个回转关节BPPRR）,移动关节实现上下运动，而两个回转关节则操纵前后、左右运动。这种形式的工业机器人又称SCARA（SelectiveComplianceAssemblyRobotAnn）装配机器人。在水平方向则具有柔顺性，而在垂直方向则有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业的插接、装配中应用广泛。14工业机器人的历史工业机器人的进展通常能够划分为三代：第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它要紧由手部、臂部、驱动系统与操纵系统构成。它的操纵方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机器人是带感受的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其操纵方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了有用阶段，不久马上普及应用。第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身与周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。同时能跟踪工作对象的变化，具有习惯工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。1.5工业机器人的进展趋势网随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，特别当机器人的生产与柔性化制造系统与柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，总的来说现代工业机器人有下列几个进展趋势：a）提高运动速度与运动精度，减少重量与占用空间，加速机器人功能部件的标准化与模块化，将机器人的各个机械模块、操纵模块、检测模块构成结构不一致的机器人；b）开发各类新型结构用于不一致类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂与手指；开发各类行走机器人，以习惯不一致的场合；C）研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、与测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并使用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统使用微机进行操纵。第2章工业机器人机构设计2.1工业机器人的设计内容及要求工业机器人在机械制造领域广泛应用，机器人运动机构与机器人操纵是机器人的核心技术。本毕业设计旨在设计研制搬运机器人的主臂运动机构。腕部最大负荷为60N。要紧研究内容有：（1）各关节轴以交流伺服电机驱动，要求机械传动机构简单、体积小、结构紧凑，减速比大（100：Do（2）机器人要紧运动关节的运动学计算与功率、扭矩计算。（3）完成机械传动方案设计与机械结构设计，要求绘制机器人整体布局外观图与两个关节（腰关节与肩关节）的结构装配图。要求绘图量达到AO三张。2.2工业机器人的总体设计机器人主臂机构设计要紧包含机械本体、伺服电机、减速器等机构的设计，为了实现机械传动机构简单、体积小、结构紧凑，减速比大（100:1）等要求，整个机器人的结构大致分成腰部关节、肩部关节、肘部关节、大臂与小臂。各关节之间均使用转动关节，使用伺服电机驱动，以实现精密操纵。为实现大传动比，使用谐波减速器传动，不仅实现大的传动比，而且是结构更紧凑。查找13fanucrobotM-6iB机器人有关资料，获得下列设计资料与参数：（1）机器人结构图见图2.1图2.1工业机器人结构图（2）机器人工作范围见图2.2图2.2机器人工作范围示意图（3）机器人要紧设计参数轴数：6负载：60N工作半径：1373可重复定位精度：±0.08加机器人质量：138Kg各轴转动范围：Jl±340J2±250J3±315J4±380J5±280J6±720各轴转动速率：Jl150Is(2.62radIS)J2160Is(2119rad/s)J3170Is(29IradIS)74400Is(6.98z/s)J5400!s(6.98zds)J6500/s(8.73ds)驱动方式：AC交流伺服电机驱动安装方式：地装、吊顶（挂壁、斜角）动作类型：垂直多关节型驱动电机：伺服电机2.3工业机器人的驱动方式选择现代工业机器人只有三种驱动方式：气动驱动、液压驱动与电机驱动。它们的不一致特点及适用范围如表2.1所示。表2.1各类驱动系统的特点及适用范围驱动类型气动液压电动传动性能适合小功率传动，可达较高速度，但高速时有冲击，气体具有可压缩性，阻尼效果差,故平稳性较差。适合中、大功率传动传动平稳、无冲击，可达较高速度，液体不可压缩，故响应性能良好.适合中、小功率传动，传动平稳、灵活、速度快。控制性能控制调节环节较简单，高速时要设缓冲或制动装置，低速不易控制，速度位置控制难以达到精确值，一般不能用于伺服控控制调节环节较蔺单，在高、低速下都可将位置、速度控制到精确值，常用于伺服控制.直流伺服电机控制较简单，交流伺服电机控制较复杂，速度、位置都可控制到精确值，常用于伺服控制。快速响应性能较高很高很高效率0.150.3（节流调速）至0.6（容积调速）0.5安全性能防爆性能好防爆性能好，液压油泄漏后有发生火灾危险交流电机防爆性能好，直流电机电刷产生火花，不防爆结构性能执行机构（直线气缸、气压马达）可做成独立的标准件，易实现直接驱动;压力小（一般小于IMPa）,输出力小;密封问题不突出，泄漏时环境无污染，需要气压供给系统。执行机构（直线缸、摆动缸）可做成独立的标准部件，易实现直接驱动；相同输出条件下，体积小、重量轻、惯量小；密封间隙很重要，泄漏影响工作性能和污染环境；需要油源，单独的油源占地面积大.电机是标准件，结构性能好，除特殊电机（直接驱动电机、大力矩电机）外；电机都要加减速器，不能直接驱动，加减速器后体积、惯量变大。安装维护安装要求不太高，能在高温、多粉尘条件下工作；无发热、爆炸、火灾等问题；维护蔺单；要求过港水分及注意系统润滑、防锈问题。安装维护要求高，温度升高时，油液粘度降低,影响工作性能，需要冷却装置；油液要定期过滤、更换；密封件要定期更换；油液的泄露影响工作性能，易发生火灾.安装要求随传动方式而异，无管路系统，维护方便；对直流电机要求定时调整、更换电刷及注意防爆问题。擀低¾应用适用于小负荷（200N左右）的有限点位控制的上下料（搬运）机器人，如冲床上的快道上下料；手爪上应用尤其广泛.适用于重负荷（100oM以上）的搬运、点焊等机器人，以及连续轨迹伺服控制喷漆机器人（具有防爆性能）等.适用于中小负荷（几十牛顿到几千牛顿）的搬运、焊接、喷漆（限交流电机）、装配、涂胶等各种伺服型机器人。机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：（1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；（2）反应速度要快，即要求力矩质量比与力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起动、制动，正、反转切换;（3）驱动尽可能灵活，位移偏差与速度偏差要小；（4）安全可靠；（5）操作与保护方便；（6）对环境无污染，噪声要小；（7）经济上合理，特别要尽量减少占地面积。根据毕业设计任务书要求：设计关节机器人主臂运动机构，腕部最大负荷为60N,机械传动机构简单、体积小、结构紧凑，减速比大（100：1）等，基于上述驱动系统的特点与机器人驱动系统的毕业设计要求，本文选用交流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。选用电机驱动，则需设计减速器。整个机器人的结构大致分成腰部关节、肩部关节、肘部关节、大臂与小臂。各关节之间均使用转动关节，使用伺服电机驱动，以实现精密操纵。为实现大传动比，使用谐波减速器传动，不仅实现大的传动比，而且是结构更紧凑。2. 4谐波减速器介绍3. 4.1谐波减速器简介谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理进展起来的一种新型减速器。谐波齿轮传动（简称谐波传动），它是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力与运动的一种行星齿轮传动。要紧包含刚轮、柔轮、与波发生器构成。由于波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的与谐波，故称之为：“谐波”。谐波减速器实体图见图2.3图2.3谐波减速器实体图2.4.2谐波减速器基本结构谐波减速器要紧由三个基本构件构成：（I）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮），带有齿轮的刚性齿环，通常与柔轮相差2齿，它相当于行星系中的中心轮；（2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮），他是一个孔径略小于波发生器长轴的薄壁柔性齿轮，在波发生器的作用下，能够产生弹性变形，它相当于行星齿轮；（3）波发生器H,具有长短轴通常它的转动迫使柔轮按一定的变形规律产生弹性变形，它相当于行星架。作为减速器使用，通常使用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。谐波减速器内部结构示意图见图2.4图2.4谐波减速器内部结构图2.4.3谐波减速器工作原理当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就使柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或者退出（啮离）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开。波发生器通常成椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。如今柔轮由原先的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。这是啮合区，通常有30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴与短轴之间的柔轮齿,沿柔轮周长的不一致区段内，有的逐步退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出。波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，如今波发生器的连续转动,就使柔轮齿的啮入一啮合一啮出一脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原先的啮合状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。关于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动1/8周时，柔轮齿与刚轮齿就由原先的啮入状态而成啮合状态，而原先脱开状态就成为啮入状态。同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4齿；同理，波发生器再转动1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。柔轮齿与刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长务必相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，因此柔轮在啮合过程中，就务必相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。谐波传动的工作原理图见图2.5；谐波减速器工作过程示例图见图2.6图2.6谐波减速器工作过程示例2.4.4谐波减速器的要紧特性（1）传动比大：单级传动比可达50320。（2）侧隙小：由于其传动原理不一致于通常齿轮传动，侧隙很小，甚至能够实现无侧隙传动。（3）精度高：同时啮合齿数可达总齿数的20S右，并在相差180度的两个对称方向上同时啮合，因此误差被均匀化，达到高运动精度。（4）零件数少、安装方便：仅有三个基本部件，且输入与输出轴为同轴线，因此结构简单、安装方便。（5）体积小、重量轻：与通常减速器比较，输出力矩相同时，通常体积能够减小2/3,重量可减小l20（6）承载能力大：由于同时啮合齿数多，柔轮又使用特殊材料钢材，从而获得了高的承载能力。（7）效率高：在齿的啮合部分滑移量极小，摩擦缺失少。即使在高速比情况下，仍能维持高效率。（8）运动平稳：周向速度低，有实现了李德平衡，故噪声低、振动小。（9）可向密闭空间传递运动：利用其柔性的特点、可向密闭空间传递运动。这一点是其他任何机械无法实现的。2.4.5谐波减速器的减速比当波发生器回转时，它迫使柔轮的齿顺序的与刚轮的齿啮合，当波发生器顺转一周时;柔轮倒转（Z-Zz）个齿，亦即反转了（4-Z2）/Z2周，因此波发生器与柔轮的传动比为：a=.=-J（2.1）%（Z1-Z2）ZZ2（Z1-Z2）（J1-J2）式中：Z2、4与4分别为柔轮与刚轮的齿数与分度圆直径。有的时候柔轮固定不转而刚轮为从动件。在这种情形下，当波发生器顺转一周时，刚轮相对柔轮顺转（4-Z2）个齿，亦即顺转了（4-22）/4周，因此波发生器与柔轮的传动比为：G="=!=4（2.2）%（Z1-Z2）ZZ1（Z1-Z2）（dl-d2）式中：Z2、4与4分别为柔轮与刚轮的齿数与分度圆直径。由于在一个波的区间内，刚轮与柔轮应当相差一个或者几个齿，因此谐波齿轮传动的齿数差应等于波数或者波数的整数倍。因此，波数相同且刚轮齿数也相同的谐波传动，其传动比能够相差若干整数倍。但实际上大部分谐波齿轮传动的齿数差等于波数。在这种情况下，谐波齿轮传动的传动比等于活动轮的齿数除以波数。2.5机器人材料的选择网结构件材料选择是工业机器人材料系统设计中的重要问题之一，正确选择结构材料不仅能够降低工业机器人的结构成本，更重要的是可习惯工业机器人的高速化、高载荷化及高精度化，满足其静力及动力特性要求。2.5.1材料选择的基本要求与通常的机械设备相比，机器人结构的动力特性是十分重要的，这是选择材料的出发点。材料选择的基本要求如下：（1）强度高。机器人的臂是直同意力的构件，高强度材料不仅能满足机器人臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。（2）弹性模量大。从材料力学的公式可知，构件刚度（或者变形量）与材料的弹性E、G有关，弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不一致材料的弹性模量的差异比较大，而同一种材料却没有多大差别。（3）重量轻。在机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由于惯性力引起的，与构件的质量有关。也就是说，为了提高构件刚度选用弹性模量E大而密度P也大的材料是不合理的，因此提出了选用高弹性模量、低密度的材料要求，可用E/P来衡量，表2.2列出几种材料的E、P与E/P值，供参考。表2.2材料的弹性模量/密度（E/p）值材料EZxlO5MPaP103(Kgm3)(EP)×1O7(m2s2)钢、合金钢2.107.82.7铝、铝合金0.722.82.6镀铝合金（62%Be）1.92.19.1锂铝合金（3.OHLi）0.822.7153.02硼纤维增强铝材2.92.5311.4（4）阻尼大。工业机器人在选材时不仅要求刚度大、重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人的臂通过运动后，要求能平稳地停下来。但是由于在构件终止运动的瞬时，构件会产生惯性力与惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生“残余振动”。从提高定位精度与传动平稳性来考虑，希望能使用大阻尼材料或者采取增加构件阻尼的措施来汲取能量。（5）材料价格低。材料价格是工业机器人成本价格的重要构成部分。有些新材料如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，用来作为机器人臂的材料是很理想的，但价格昂贵。2.5.2结构材料介绍（1）碳素结构钢、合金结构钢：强度好，特别是合金结构钢强度增大了4-5倍，弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。（2）铝、铝合金及其他轻合金材料：这类材料的共同特点是重量轻，弹性模量E并不大，但是材料密度小，故E/P值仍可与钢材相比。有些稀贵铝金属的品质得到了更明显的改善，比如添加了3.2%重量的锂的铝合金，弹性模量增加了14%,E/P值增加了16%。（3）纤维增强合金：如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，其E/P值分别达到lL4l07m2s2与这种纤维增强金属材料具有非常高的E/P值,而且没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。（4）陶瓷：陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，与金属零件连接的结合部需特殊设计。然而，日本已经试制了在小型工业机器人上使用的陶瓷人臂的样品。（5）纤维增强复合材料：这类材料具有极好的E/P值，但存在老化、蠕变、高温热膨胀、与金属件连接困难等问题。这种材料不但重量轻、刚度大，而且还具有十分突出的阻尼大优点，传统金属材料不可能具有这么大的阻尼。因此，在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。层叠复合材料的制造工艺还同意用户进行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角、最佳横断面尺寸等，使其具有最大阻尼比。（6）粘弹性大阻尼材料：增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人结构使用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。吉林工大与西安交大进行了粘弹性大阻尼材料在柔性机械臂振动操纵中实验，结果说明：机械臂的重复定位精度在处理前为+0.30mm,处理后为±0.16mm；残余振动时间在阻尼处理前、后分别为0.9s与0.5s。杆件的约束层处理示意图见图2.7/U/Hftt"上底IFlIIIIIIUIIlIll11吒一供NCMKoN/ZTMH3ciffi(1»)图2.7杆件的约束层处理示意图第3章机器人腰部关节的设计3.1机器人传动机构分析由于通常的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的通常要求有：(1)结构紧凑，即具有相同的传动功率与传动比时体积最小，重量最轻；(2)传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变量最小，这样能够提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；(3)回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样能够得到较高的位置操纵精度；(4)寿命长，价格低。3.2机器人腰部传动方案选择机器人腰部关节即JI轴是机器人关节中最大，承载最多，内部机构最为复杂的关节。/1轴的转动范围为340(5.93rad),转速拟定为150/sec(2.62md/SeC)即25rmin,伺服电机额定转速暂选为300(kmin,额定功率为L(UW,减速比即为100oJl轴的转动范围示意图见图3.1图3.1 Jl轴的转动范围示意图方案一：Jl轴通过使用一对外啮合齿轮（减速比为2）,后接谐波减速器（减速比为50）来减速，则能够实现总传动比为100。腰关节传动方案一见图3.2后接谐波减速器（减速比为方案二：Jl轴通过使用一对内啮合齿轮（减速比为2）,50）来减速，则可实现传动比为100o腰关节传动方案二见图3.3方案三：电机安装在底座下面，JI轴直接接谐波减速器（减速比IO0）,则可实现传动比为100的减速。腰关节传动方案三见图3.4图3.4腰关节传动方案三传动方案比较：这三种方案在传动实现上都是可行的，均使用了减速比大、体积小、重量轻、精度高、回差小、承载力大、噪音小、效率高、定位安装方便的谐波减速器。方案二使用内啮合齿轮传动，结构上是比方案一更加紧凑，但安装时会使腰部电机与肩部电机发生干涉，影响机器人的运动范围。方案三的传动结构最为简单，但电机轴与腰部回转轴无法错开。则最终机器人腰关节传动方案选择方案一。关于方案一：由于JI轴的输出转速为：%=25"min,又有(3.1)=%发生器/=%/%=z；/(z；-Z2)=50式中：Z；为刚轮齿数，N2为柔轮齿数贝?I%=1250”min,又有(3.2)i轮=""%=Z2z=2式中：Zl为小齿轮齿数，Z2为大齿轮齿数则电机输出转矩：T1=955(%/4=9550X0.77/2500=2.94Nm取齿轮的精度等级为8级，查7%7表16-4得："齿轮二0.98%由承二0.99贝IJP1=P,×"齿轮X嘘承=0.77X0.98×0.993=0.73左WT2=955()£/2=955()X0.73/1250=5.58NmFt=P1×"齿轮×成承=0.73×0.98×0.993=0.69攵WTi=955()£/n3=9550X0.69/25=263.58Nm3.3腰部交流伺服电机的选择3.3.1机器人材料选用与质量估算机器人材料选用45号钢，则查表2.2可得密度夕=7.8x10-3依/相3,根据机器人各部分体积，估算机器人质量如下：腕部：8kg小臂：36kg肘部：Ilkg大臂：52kg肩部：13kg腰部：18kg3.3.2工业机器人整体受力分析国机器人整体受力示意图见图3.5IOO6156001506Ig 8Ig 36Kg IlIg 52IgBKg18Ig图3.5机器人整体受力示意图3.3.3腰部交流伺服电机的选择计算当大臂、小臂与末端执行器均处于水平状态时，如上图所示，各部分对回转中心产生的转动惯量最大。其代数与为：，腰部="X广=,物+J腕部+'小臂+J肘部+,大臂+J肩部代入数据得：J腰部=6×1.4652+8X1.3652+36×l.O5752+11×0.752+52×0.452+13×0.152=85.052Nm则工作时的最大扭矩：MmaX=J腰部Xa(33)式中：为机器人的角加速度。设机器人各关节运动的加速度为4=O5g，贝!ja=alIr=O.5g/1.465=3.34rad/s2则MmaX=85.052×3.34=284.()7Nm由于4轴的转动速率为150°s,即助=2.62Mds,则%=(150/360)×60=25rmin查8理式5-2得7J=9550n1则耳=7；7/9550=MImXnI/9550=284.07X25/9550=0.742W由电机到底座传动总效率%=/小（34）式中：名为外啮合齿轮的传动效率，小为谐波减速器的传动效率取7=0.98（齿轮的精度等级为8级）%=0.98则总=0.98X0.98=0.9604则腰部伺服电机所需功率为：P腰=R/总=0740.9604=（）.772W查10德国博美特BONMET伺服电机资料：如表3.1所示表3.1德国博美特BONMET伺服电机参数表何服电机主要参数BONMET伺服驱动器型号电机系列电机型号额定转矩额定转速额定功率SFC配置SFC+配置高压配置42系列JSF42-3-30-AS-I(XX)OlNm3OOOipnx32wSA3L04CSA3LO4CJSF系列57系列JSF57-15-30-BF-I(X)O0.5Nm300OrPm015KwSA3L04CSA3LO4C60系列JSF6O-15-3O-CF-1O0.5Nm3OOQrpm015KwSA3L04CSA3L04CJSF60-40-30-DF-I(XX)1.3Nm300OrPm0.4KwSA3L04CSA3L04CSM80-013-30LFB1.3Nm300OrPm0.4KwSA3L04CSA3L04C80系列SM80-024-30LFB2.4Nm3OOCkpm0.75KwSA3LO4C：SA3L06BSM80-033-30LFB3.3Nm300OrPmIOKwSA3L04CSA3L06BSM110-020-30LFB2Nm3000rpm0.6KwSA3L04CSA3L06BSA3H10CSM110-040-30LFB4Nm3000rpm1.2KwSA3L04CSA3L10BS