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附 錄
Present situation and development of cleaning robot
Cleaning robot has been around for two or three years, research, development and production of Japan and South Korea the United States and European countries are committed to cleaning robot, they believe that the cleaning robot will be the home robot into ordinary family first successful precedent. Recently Chinese some enterprises have begun the related research, and successfully developed a cleaning robot own. But throughout the world, the cleaning robot prices are high, technology also has not been understood by most people, so I hope that through this article to let everyone have a preliminary understanding of the cleaning robot.
Research background:
US South Korea and Europe and the recent Chinese have pulled out of the cleaning robot respectively, this technology is increasingly mature, understanding but not for most people, many related technologies to outsiders or distant, in the network and the publication of articles related to less and less, it is necessary to this a new technology for some explanation.
Classification of cleaning robot
The robot cleaner technology is not fully mature now, classification of cleaning robot is not too clear, but according to the function can be divided into four types:
1, domestic floor cleaning robot;
2, building floor cleaning robot;
3, glass wall cleaning robot;
4, other uses of the cleaning robot.
In this category, household floor cleaning robot and building floor cleaning robot appears to be the same, but they are not the same in practical use..
According to the travel navigation mode can also be divided into five categories:
1 Infrared markers, cleaning robot;
2 markers, ultrasonic cleaning robot;
3, laser marking cleaning robot;
4, scent marking cleaning robot;
5 other markers, way of cleaning robot.
The working mechanism of cleaning robot
Cleaning robot most is to rely on sensors to detect, motor driving wheel forward, with differential way round the corner. Sensor cleaning robot is introduced in detail below under:
1, work environment:
Some cleaning robot can be measured on the working environment, such as trilobites cleaning robot Electrolux can use ultrasonic to measure the size of the room, and set up the room cleaning map in the work process, develop the best cleaning path. The cleanliness of cleaning robot most can use the sensor to detect the ground, so as to choose the cleaning rate to adjust the cleaning degree.
2, the obstacle reaction:
Most of the cleaning robot can respond to the obstacles, there is the use of touch in touch of obstacles (walls or furniture), back and adjust the angle to try again to steer clear of obstacles to work. Some use infrared or ultrasonic sensor, measuring machine and obstacle distance, and maintain a safe distance without collision sweeping along the barrier. Below the cleaning robot is provided with a infrared or ultrasonic sensors, can prevent the cleaning robot falls from the high place, when the machine is in front of the bottom sensor measurement to the robot and the ground height exceeds the set value, the robot will be back to adjust the angle to try again, until you find the safe path. The market there are examples of Sanmei technology steward's series of cleaning robot.
Position 3, positioning robot:
Most of the cleaning robot will be equipped with or for the purchase of "virtual wall", to make a wall cleaning robot virtual wall using two infrared transmitters or magnetic sensor, thus limiting the work area to protect the robot or to protect privacy. When the robot is insufficient power, it will send out infrared or scent marking work stop location and clean the ground, ultrasonic environment the location and the use of ultrasound in the record, will automatically find the mark to continue to work with the sensor to find and return berth after charging. In addition, the building with floor cleaning robot will be finished in a clean a floor, using infrared find an elevator to the next floor, this is the building with a floor cleaning robots and household floor cleaning robot difference.
Also use a special cleaning robot -- glass wall cleaning robot is used for tracks, the bulge bracket in the glass walls of the fixed and mobile, sensor detection or programmed to mobile cleaning.
General cleaning cleaning robot is divided into two kinds, one is to clean the dust, two. Cleaning is to assist the dust, household floor cleaning robot cleaning brush will dust and small rubbish to suction mouth, and building floor cleaning robot can clean the large garbage. Vacuum depends mainly on the motor to produce vacuum garbage, the garbage box garbage into the machine, and finally return to the berth to dump.
The advantages of cleaning robot:
1, time saving, labor saving: full automatic control of the cleaning process, reduce the operating burden,.
2, low noise: a loud noise from other household cleaner production,.
3, air purification: built-in special filter, dust purification rate is high, high cleaning efficiency.
4, portable: flat design, can clean to the ordinary vacuum cleaners cleaning not dead.
Future development of cleaning robot:
Cleaning robot because of strong practicability and development prospect is very good, but reduce the cost and improve the function of the development of the road is needed to solve the problem, specifically for the following and point:
1, clean the path is completely covered and cleaning clean degree;
2, walk the way of improvement and travel speed;
3, structure optimization and size;
4, increase efficiency, improve the working time and reduce the charging time.
5, program optimization;
6, functional diversification and Realization of wet scavenging;
7, to achieve the best sensing system.
清潔機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展
清潔機(jī)器人面世已有兩三年了，美日韓及歐洲各國(guó)都致力于清潔機(jī)器人的研究、開發(fā)和生產(chǎn)，他們都相信清潔機(jī)器人將會(huì)是家用機(jī)器人走入普通家庭第一次成功先例。最近中國(guó)一些企業(yè)也開始了相關(guān)的研究，并成功的研制出了自己的清潔機(jī)器人。但縱觀全世界，清潔機(jī)器人價(jià)格都居高不下，相關(guān)技術(shù)也并未被大多數(shù)人所了解，所以我希望借這篇文章讓大家對(duì)清潔機(jī)器人有初步的了解。
研究背景：
美日韓及歐洲各國(guó)還有最近的中國(guó)都相繼退出了各自的清潔機(jī)器人，這項(xiàng)技術(shù)也在日益走向成熟，但卻并未為大多數(shù)人了解，許多相關(guān)的技術(shù)在外人看來還是遙不可及的，在網(wǎng)絡(luò)及出版物中相關(guān)的文章少之又少，這就需要對(duì)這一新型的技術(shù)進(jìn)行一些說明。
清潔機(jī)器人的分類
在清潔機(jī)器人技術(shù)還未完全成熟的現(xiàn)在，清潔機(jī)器人的分類還不太明確，但就依功能大致可以分為四種：
1、 家庭用地面清潔機(jī)器人；
2、 大樓用地面清潔機(jī)器人；
3、 玻璃外墻用清潔機(jī)器人；
4、 其它用途清潔機(jī)器人。
在這分類中，家庭用地面清潔機(jī)器人和大樓用地面清潔機(jī)器人看來似乎是一樣的，但是在實(shí)際使用中它們是不一樣的。
根據(jù)行進(jìn)導(dǎo)航的方式還可以分為五類：
1、紅外標(biāo)記清潔機(jī)器人；
2、超聲波標(biāo)記清潔機(jī)器人；
3、激光標(biāo)記清潔機(jī)器人；
4、氣味標(biāo)記清潔機(jī)器人；
5、其它標(biāo)記途徑清潔機(jī)器人。
清潔機(jī)器人的工作機(jī)理
大多數(shù)的清潔機(jī)器人是依靠傳感器進(jìn)行偵測(cè)，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪前進(jìn)，用差速的方式拐彎。下面詳細(xì)介紹下清潔機(jī)器人的傳感器的作用：
1、 測(cè)算工作環(huán)境：
有的清潔機(jī)器人可以對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行測(cè)算，如伊萊克斯的三葉蟲清潔機(jī)器人可以使用超聲波對(duì)房間的尺寸進(jìn)行測(cè)量，并在工作過程中建立房間的清掃地圖，制定最佳清掃路徑。大多數(shù)的清潔機(jī)器人都可以使用傳感器偵測(cè)地面的清潔程度，從而選擇清掃速率來調(diào)節(jié)清掃清潔程度。
2、對(duì)障礙物反應(yīng)：
大部分的清潔機(jī)器人都可以對(duì)障礙物做出反應(yīng)，有的是使用觸感在碰觸到障礙物（墻體或家具）后，后退并調(diào)整行進(jìn)角度再次嘗試?yán)@開障礙物繼續(xù)工作。有的是使用紅外或超聲波傳感，測(cè)量機(jī)器與障礙物間的距離，再保持不碰撞的安全距離進(jìn)行沿障礙物清掃。在少數(shù)的清潔機(jī)器人下方也安有紅外或超聲波傳感器，可以防止清潔機(jī)器人從高處掉落，當(dāng)機(jī)器前方的底部傳感器測(cè)量到機(jī)器人與地面的高度超過設(shè)定值時(shí)，機(jī)器人就會(huì)后退調(diào)整角度再次嘗試，直至找到安全路徑為止。市場(chǎng)上的例子有三美科技的管家姆系列保潔機(jī)器人。
3、定位機(jī)器人位置：
大多數(shù)清潔機(jī)器人都會(huì)配備或供選購(gòu)“虛擬墻”，使用兩個(gè)紅外發(fā)射器或磁感應(yīng)器來給清潔機(jī)器人制造一堵虛擬的墻，從而限定其工作區(qū)域來保護(hù)機(jī)器人或保護(hù)主人隱私。當(dāng)機(jī)器人電力不足是，其會(huì)發(fā)出紅外或氣味標(biāo)記工作停止地點(diǎn)和已清潔地面，還有的用超聲波記錄下該地點(diǎn)的超聲波環(huán)境，在用傳感器找到并返回泊位器充電后就會(huì)自動(dòng)找到標(biāo)記地繼續(xù)工作。此外大樓用地面清潔機(jī)器人還會(huì)在清潔完一個(gè)樓層后，用紅外找到電梯去往下一個(gè)樓層工作，這就是大樓用地面清潔機(jī)器人和家庭用地面清潔機(jī)器人之間的一個(gè)區(qū)別了。
還用一種特殊的清潔機(jī)器人——玻璃外墻用清潔機(jī)器人是使用軌道進(jìn)行移動(dòng)，其會(huì)在玻璃外墻上的凸起支架上固定和移動(dòng)，用傳感器偵測(cè)或?qū)崿F(xiàn)編好的程序移動(dòng)清掃。
一般的清潔機(jī)器人清掃方式分為兩種，一是清掃，二是吸塵。清掃是用來輔助吸塵的，家庭用地面清潔機(jī)器人的清掃刷會(huì)將灰塵及一些小垃圾掃到吸塵口下，而大樓用地面清潔機(jī)器人則可清掃大型的垃圾。吸塵主要靠電機(jī)產(chǎn)生真空吸取垃圾，將垃圾裝進(jìn)機(jī)器的垃圾盒內(nèi)，最后返回泊位進(jìn)行傾倒。
清潔機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)：
1、省時(shí)、省力：整個(gè)清潔過程全部自動(dòng)控制，減輕操作負(fù)擔(dān)，。
2、低噪音：有別于其他家用吸塵器產(chǎn)生的震耳噪聲，。
3、凈化空氣：內(nèi)置特制過濾器，粉塵凈化率高,清掃效率高。
4、輕便小巧：扁平設(shè)計(jì)，能打掃到普通吸塵器清理不到的死角。
清潔機(jī)器人的發(fā)展前景：
清潔機(jī)器人因?yàn)槠鋵?shí)用性強(qiáng)而發(fā)展前景十分好，但是成本的降低和功能上的完善是其發(fā)展路上急需解決的問題，具體為以下及點(diǎn)：
1、清掃路徑的完全覆蓋和清掃的潔凈程度；
2、行走方式改進(jìn)和行走速度提高；
3、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和體積縮小；
4、提高效率、提高工作時(shí)間和降低充電時(shí)間。
5、程序優(yōu)化；
6、功能多樣化和實(shí)現(xiàn)濕掃；
7、實(shí)現(xiàn)最佳的傳感系統(tǒng)。
7
南京工程學(xué)院先進(jìn)制造技術(shù)工程中心畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
目錄
前 言 2
第一章 緒 論 3
1.1 引言 3
1.2 工業(yè)機(jī)器人的含義 4
1.3 選題背景與意義 5
1.4 工業(yè)機(jī)器人的組成 6
1.5 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) 7
第二章 SC750三軸伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 12
2.1 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方法 12
2.1.1 機(jī)械手的選擇與分析 12
2.1.2 直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法 13
2.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
2.2.1 機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 19
2.2.2 機(jī)械手的傳動(dòng)部件設(shè)計(jì) 20
2.2.3 機(jī)械手的臂部設(shè)計(jì) 21
2.3 SC750三軸伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的特點(diǎn) 21
第三章 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析 22
3.1 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析 22
3.1.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)概述 22
3.1.2 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式 25
第四章SC750三軸伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)器人零件的設(shè)計(jì) 26
4.1 伺服電機(jī)的選擇 26
4.2 減速機(jī)的選擇 28
4.3 齒輪齒條的選擇 30
4.4 導(dǎo)軌的選擇 38
第五章 結(jié)論 40
致 謝 41
參 考 文 獻(xiàn) 42
前 言
進(jìn)入21世紀(jì)后,FANUC公司開發(fā)成功了配備有視覺傳感器和力覺傳感器的智能機(jī)器人。到現(xiàn)在已擁有可搬運(yùn)質(zhì)量從2 公斤到1.2 噸的種類豐富的商品系列。隨后，F(xiàn)ANUC公司又開發(fā)了運(yùn)用這一智能機(jī)器人的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)機(jī)械加工系統(tǒng)機(jī)器人單元 。在整個(gè)加 工工序中加工作業(yè)本身使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)化加工已經(jīng)非常普遍了。但是，附帶作業(yè)，毛比如在加工中心的夾具上進(jìn)行加工材料裝卸的作業(yè)，以及去毛刺邊，清洗等作業(yè)中的很多部分， 現(xiàn)在還是依靠人工來完成。機(jī)器人單元使用智能機(jī)器人，不但實(shí)現(xiàn)了這些作業(yè)的自動(dòng)化，而且在世界上最早實(shí)現(xiàn)了。小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)加工 ，現(xiàn)在在FANUC公司的工廠共運(yùn)轉(zhuǎn)著13 套這樣的機(jī)器人單元。機(jī)器人單元使用了兩種控制裝置 也就是CNC和機(jī)器人控制器我們現(xiàn)在正在開發(fā)使這兩種控制裝置都可以單獨(dú)地顯示雙方狀態(tài)的功能， 以進(jìn)一步推進(jìn)機(jī)床和機(jī)器人的融合。[1]
隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高 ，在機(jī)械加工與制造領(lǐng)域，以及各種裝配與包裝自動(dòng)化生產(chǎn)線上機(jī)械手的應(yīng)用已相當(dāng)普遍機(jī)械手通常擔(dān)負(fù)著上料下料等加工任務(wù)。由于PLC順序控制具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，控制靈活方便等特點(diǎn) ，而且從 PLC誕生之日起其最基本最普遍的應(yīng)用領(lǐng)域就是在工業(yè)環(huán)境下的順序控 制，因此，基于PLC順序控制的機(jī)械手在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。
機(jī)器人是一種很特別的生產(chǎn)工具，因此，機(jī)器人應(yīng)用的范圍十分廣泛。這些應(yīng)用可以被劃分為3類：材料處理、材料搬運(yùn)和裝配。在材料處理中，機(jī)器人用工具來加工和處理原材料。例如，機(jī)器人工具可包括鉆頭，從而可以在原始材料上執(zhí)行鉆孔操作。材料搬運(yùn)包括裝載零件。這些操作可以由機(jī)器人可靠地重復(fù)執(zhí)行，因此提高了質(zhì)量，減少了廢料損失。裝配是機(jī)器人技術(shù)的另一個(gè)廣泛應(yīng)用。自動(dòng)裝配系統(tǒng)能合并自動(dòng)測(cè)試、機(jī)器人自動(dòng)控制和機(jī)械處理，以減少勞動(dòng)成本，提高產(chǎn)量，消除人工操作的危險(xiǎn)性。
第一章 緒 論
1.1 引言
工業(yè)機(jī)器人是一種提高制造業(yè)生產(chǎn)力的工具。他誕生于20世紀(jì)60年代,在20世紀(jì)90年代得到迅速發(fā)展,是最先產(chǎn)業(yè)化的機(jī)器人技術(shù)它可以承擔(dān)那些對(duì)人類可能有危險(xiǎn)的工作。它是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)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),是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。它的出現(xiàn)是為了適應(yīng)制造業(yè)規(guī)?；a(chǎn),解決單調(diào)、重復(fù)的體力勞動(dòng)和提高生產(chǎn)質(zhì)量而代替人工作業(yè)。最早的工業(yè)機(jī)器人就曾用來在核能發(fā)電廠中更換核燃料棒。工業(yè)機(jī)器人也能在裝配線上工作，如安裝印刷電路板上的電子元器件。這樣人們就可以從這種單調(diào)的工作中解脫出來。機(jī)器人還能拆除炸彈，為傷殘人服務(wù)，為我們的社會(huì)做各種各樣的工作。[7]在我國(guó),工業(yè)機(jī)器人的真正使用到現(xiàn)在已經(jīng)接近20多年了,已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)、引進(jìn)到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)了我國(guó)制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。
機(jī)械手作為自動(dòng)生產(chǎn)線中的重要設(shè)備,已成為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的三大支柱之一, 可傳統(tǒng)的機(jī)械手,采用繼電器- 控制器控制氣壓系統(tǒng),其控制系統(tǒng)復(fù)雜,大量的接線使系統(tǒng)的可靠性降低,設(shè)備的工作效率下降, 自動(dòng)化程度不高,安全系數(shù)低.因此,利用PID 算法與PLC 控制技術(shù)改造傳統(tǒng)的機(jī)械手,研制一種智能機(jī)械手已成為當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化研究的主流.根據(jù)外國(guó)資料統(tǒng)計(jì), [8] 在工業(yè)控制中 80% 都采用PLC.目前國(guó)外應(yīng)用于自動(dòng)控制這一領(lǐng)域占60%,應(yīng)用于數(shù)據(jù)管理占 20%,用于生產(chǎn)管理占18%,用于人機(jī)接占 22%.可見, PLC 在工業(yè)領(lǐng)域已占主導(dǎo)地位.因此,研究機(jī)械手的智能控制對(duì)工業(yè)自動(dòng)控制有重要意義. [9]
在理論上，隨著世界經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展，人類活動(dòng)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)有正迅速向社會(huì)生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域擴(kuò)展，也從制造領(lǐng)域轉(zhuǎn)向非制造領(lǐng)域，各種各樣的機(jī)器人產(chǎn)品隨之出現(xiàn)。SC750三軸伺服機(jī)械手的設(shè)計(jì)，不但在技術(shù)上可以追蹤機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)，而且還可以填補(bǔ)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用的空白，促進(jìn)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平的提高和產(chǎn)業(yè)化水平的發(fā)展。[10]
本次設(shè)計(jì)是根據(jù)對(duì)工業(yè)三自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
1.2 工業(yè)機(jī)器人的含義
工業(yè)機(jī)器人的定義為：一種能夠自動(dòng)定位控制，可重復(fù)編程的，多功能的，多自由度的操作機(jī)。工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。自從1962年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)(FMS)、自動(dòng)化工廠(FA)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動(dòng)化工具。
機(jī)械手是一種能模擬人的手臂的部分動(dòng)作，按預(yù)定的程序軌跡極其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取，搬運(yùn)工件或操做工具的自動(dòng)化裝置。在我國(guó)由于大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人所執(zhí)行的工作為模擬人的手臂而工作，因而通常把工業(yè)機(jī)器人稱做操作機(jī)械手。
智能機(jī)器人是機(jī)器人的發(fā)展方向，它具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識(shí)別裝置等。具有觸覺、力覺或簡(jiǎn)單的視覺的工業(yè)機(jī)器人，能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；如具有識(shí)別功能或更進(jìn)一步增加自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，即成為智能型工業(yè)機(jī)器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應(yīng)環(huán)境，并自動(dòng)完成更為復(fù)雜的工作。
1.3 選題背景與意義
由于工業(yè)自動(dòng)化的全面發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對(duì)工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作已滿足不了工業(yè)自動(dòng)化的要求，因此，必須利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動(dòng)化機(jī)械以取代人的勞動(dòng)，滿足工業(yè)自動(dòng)化的需求。其中機(jī)械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動(dòng)生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強(qiáng)度、危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，可以說是一舉兩得。在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的一個(gè)重要組成部分。
本次設(shè)計(jì)研究的意義有：
1、 可提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度，應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。
2、 可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
3、 可以減少人力，并便于有節(jié)奏地生產(chǎn)。
4、 本課題研究的機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要采用一個(gè)伺服電機(jī)和兩個(gè)氣缸控制機(jī)械手在三個(gè)方向進(jìn)行移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)上料動(dòng)作，成本相對(duì)其它機(jī)械手比較低且控制容易。
畢業(yè)設(shè)計(jì)作為大學(xué)四年的一個(gè)總結(jié)。通過對(duì)SC750三軸伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)過的基本理論、基本知識(shí)和基本方法和解決問題的能力。同時(shí)讓我們對(duì)軟件的使用有了更深的認(rèn)識(shí)，是我們踏上工作崗位之后手中多了一份籌碼，而且，通過自身對(duì)課題的研究和小組的討論，增強(qiáng)了我們的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，提高了我們的實(shí)踐能力。
1.4 工業(yè)機(jī)器人的組成
工業(yè)機(jī)器人一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成。如圖1-1所示。目前，具有人工智能系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人還處于研究實(shí)驗(yàn)階段。而應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的多數(shù)是那些具有執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人。
圖1-1 機(jī)器人的一般組成
要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。
對(duì)于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2 所示。
圖1-2 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系
機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)則將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。
1.5 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)
一、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷程
早在1954 年美國(guó)喬治·德沃爾首次設(shè)計(jì)出第一臺(tái)電子程序可編的工業(yè)機(jī)器人，并于 1961 年發(fā)表了該項(xiàng)專利。1962年美國(guó)通用汽車公司投入使用，標(biāo)志著第一代機(jī)器人誕生。 從此機(jī)器人開始成為人類生活中的現(xiàn)實(shí)。 之后日本使工業(yè)機(jī)器人得到迅速的發(fā)展。目前，日本已成為世界上工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量和擁有量最多的國(guó)家。
80 年代，世界上生產(chǎn)技術(shù)的高度自動(dòng)化和集成化，使工業(yè)機(jī)器人得以進(jìn)一步發(fā)展，并在這個(gè)時(shí)代起著十分重要的作用。
第一代機(jī)器人，一般指工業(yè)上大量使用的可編程機(jī)器人及遙控操作機(jī)。可編程機(jī)器人可根據(jù)操作人員所編程序完成一些簡(jiǎn)單重復(fù)性作業(yè)。遙控操作機(jī)制每一步動(dòng)作都要靠操作人員發(fā)出。1982年，美國(guó)通用汽車公司在裝配線上為機(jī)器人裝備了視覺系統(tǒng)，從而宣告了第二代機(jī)器人—感知機(jī)器人的問世。這代機(jī)器人，帶有外部傳感器，可進(jìn)行離線編程。能在傳感系統(tǒng)支持下，具有不同程度感知環(huán)境并自行修正程序的功能。第三代機(jī)器人為自治機(jī)器人，正在各國(guó)研制和發(fā)展。它不但具有感知功能，還具有一定決策和規(guī)劃能力。能根據(jù)人的命令或按照所處環(huán)境自行做出決策規(guī)劃動(dòng)作即按任務(wù)編程。
我國(guó)機(jī)器人研究工作起步較晚，從“七五”開始國(guó)家投入資金，對(duì)工業(yè)機(jī)器及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)和研制。1986 年國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃開始實(shí)施，智能機(jī)器人主題跟蹤世界機(jī)器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于70年代初期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。
70年代是世界科技發(fā)展的一個(gè)里程碑：人類登上了月球，實(shí)現(xiàn)了金星、火星的軟著陸。我國(guó)也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界上工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用掀起一個(gè)高潮，尤其在日本發(fā)展更為迅猛，它補(bǔ)充了日益短缺的勞動(dòng)力。在這種背景下，我國(guó)于1972年開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。
進(jìn)入80年代后，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，隨著改革開放的不斷深入，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國(guó)家投入資金，對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1986年國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）開始實(shí)施，智能機(jī)器人主題跟蹤世界機(jī)器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人。
從90年代初期起，中國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入實(shí)現(xiàn)兩個(gè)根本轉(zhuǎn)變時(shí)期，掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人又在實(shí)踐中邁進(jìn)一大步，先后研制出了點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn)、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。
中國(guó)工業(yè)機(jī)器人經(jīng)過“七五”攻關(guān)計(jì)劃、“九五”攻關(guān)計(jì)劃和863計(jì)劃的支持已經(jīng)取得了較大進(jìn)展,工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)也已經(jīng)成熟,應(yīng)用上已經(jīng)遍及各行各業(yè)。
雖然中國(guó)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在不斷的進(jìn)步中，但和國(guó)際同行相比，差距依舊明顯。從市場(chǎng)占有率來說，更無法相提并論。工業(yè)機(jī)器人很多核心技術(shù)，目前我們尚未掌握，這是影響我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要瓶頸。
我國(guó)未來工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)有:第一,危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境作業(yè)機(jī)器人:主要有防暴、高壓帶電清掃、星球檢測(cè)、油汽管道等機(jī)器人;第二,醫(yī)用機(jī)器人:主要有腦外科手術(shù)輔助機(jī)器人,遙控操作輔助正骨等;第三,仿生機(jī)器人:主要有移動(dòng)機(jī)器人,網(wǎng)絡(luò)遙控操作機(jī)器人等。其發(fā)展趨勢(shì)是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。
二、工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)、生產(chǎn)中的應(yīng)用
工業(yè)機(jī)器人在工業(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、金屬制品業(yè)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。在日、美、西歐等一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家中，工業(yè)機(jī)器人得到越來越廣泛的應(yīng)用。
三、 工業(yè)機(jī)器人在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用
隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域日益在擴(kuò)大，其應(yīng)用范圍已不限于工業(yè)，還用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、原子能工業(yè)、醫(yī)療、福利事業(yè)、海洋和深空探測(cè)等事業(yè)中。
四、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)
機(jī)器人是先進(jìn)制造技術(shù)和自動(dòng)化裝備的典型代表，是人造機(jī)器的“終極”形式。它涉及到機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成，因此它的發(fā)展與眾多學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)主要有：
（一） 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。
（二）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；有關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人。
（三）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，控制柜日漸小巧，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。
（四） 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，視覺、力覺、聲覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
（五）機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來這種新型裝置已成為國(guó)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。
總體趨勢(shì)是，從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)的內(nèi)涵已變?yōu)?靈活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)際動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)。機(jī)器人結(jié)構(gòu)越來越靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。
五、我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與前景
自從20世紀(jì)60年代人類制造了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人就顯示出了極強(qiáng)的生命力。經(jīng)過40年的飛速發(fā)展，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、物流、制造業(yè)等諸多領(lǐng)域中。
盡管如此，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化卻存在著巨大的問題。除了眾多歷史原因造成制造業(yè)水平低下的原因外，更多的是對(duì)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的認(rèn)識(shí)和定位上存在著不同觀點(diǎn)。
首先，我國(guó)基礎(chǔ)零部件制造能力差。雖然我國(guó)在相關(guān)零部件方面有了一定的基礎(chǔ)，但是無論從質(zhì)量、產(chǎn)品系列全面，還是批量化供給方面都與國(guó)外存在較大的差距。特別是在高性能交流伺服電機(jī)和精密減速器方面的差距尤其明顯，因此造成關(guān)鍵零部件的進(jìn)口，影響了我國(guó)機(jī)器人的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。
第二，中國(guó)的機(jī)器人還沒有形成自己的品牌。雖然已經(jīng)擁有一批企業(yè)從事機(jī)器人的開發(fā)，但是都沒有形成較大的規(guī)模，缺乏市場(chǎng)的品牌認(rèn)知度，在機(jī)器人市場(chǎng)方面一直面臨國(guó)外機(jī)器人品牌的打壓。國(guó)外機(jī)器人作為成熟的產(chǎn)業(yè)采用整機(jī)降價(jià)，吸引國(guó)內(nèi)企業(yè)購(gòu)買，而在后續(xù)的維護(hù)備件費(fèi)用很高的策略，逐步占領(lǐng)中國(guó)市場(chǎng)。
第三，國(guó)家認(rèn)識(shí)不到位，在鼓勵(lì)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品方面的政策少。工業(yè)機(jī)器人的制造及應(yīng)用水平，代表了一個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平，我們必須從國(guó)家高度認(rèn)識(shí)發(fā)展中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的重要性，這是我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的重要手段和途徑。
第二章 SC750三軸伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
2.1 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方法
機(jī)械手是一種能模擬人的手臂的部分動(dòng)作，按預(yù)定的程序軌跡極其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取，搬運(yùn)工件或操做工具的自動(dòng)化裝置。在我國(guó)由于大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人所執(zhí)行的工作為模擬人的手臂而工作，因而通常把工業(yè)機(jī)器人稱做操作機(jī)械手。
機(jī)械手的特點(diǎn)：
（1） 對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng) 能代替人從事危險(xiǎn)，有害的工作。在長(zhǎng)時(shí)間工作對(duì)人體有害的場(chǎng)所，機(jī)械手不受影響，只要根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機(jī)械手就可以在異常高溫或低溫，異常壓力和有害氣體，粉塵，放射線作用下，以及沖壓，滅等危險(xiǎn)環(huán)境中勝任工作。
（2） 機(jī)械手能持久，耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動(dòng)中解放出來，并能擴(kuò)大和延伸人的功能。
（3） 由于機(jī)械手的動(dòng)作準(zhǔn)確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)又可以避免人為的操作錯(cuò)誤。
（4） 機(jī)械手特點(diǎn)是通過用工業(yè)機(jī)械手的通用性，靈活性好，能很好的適應(yīng)產(chǎn)品的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。
2.1.1 機(jī)械手的選擇與分析
為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的末端執(zhí)行器在空間的位置而提供的3個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，通?？梢詫⑵湓O(shè)計(jì)成圓柱坐標(biāo)型、直角坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型 、平面關(guān)節(jié)型五種形式。
直角坐標(biāo)型 直角坐標(biāo)型機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)部分的三個(gè)相互垂直的直線組成，其工作空間為長(zhǎng)方體，它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離可在坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體所占空間大，靈活性較差。
根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，三軸同時(shí)可以模擬操作員取出動(dòng)作，并可以沿著規(guī)定路徑連續(xù)運(yùn)動(dòng)，因此選擇直角坐標(biāo)型。
2.1.2 直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法
(一) 直角坐標(biāo)機(jī)器人概念：
工業(yè)應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、運(yùn)動(dòng)自由度建成空間直角關(guān)系、多用途的操作機(jī)。他能夠搬運(yùn)物體、操作工具，以完成各種作業(yè)。關(guān)于機(jī)器人的定義隨著科技的不斷發(fā)展，在不斷的完善，直角坐標(biāo)機(jī)器人作為機(jī)器人的一種，其含義也在不斷的完善中。
圖2-2 典型直角坐標(biāo)機(jī)器人
（二） 直角坐標(biāo)機(jī)器人的特點(diǎn)：
1、自由度運(yùn)動(dòng)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度之間的空間夾角為直角；
2、自動(dòng)控制的，可重復(fù)編程，所有的運(yùn)動(dòng)均按程序運(yùn)行；
3、一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、操作工具等組成。
4、靈活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。
5、高可靠性、高速度、高精度。
6、可用于惡劣的環(huán)境，可長(zhǎng)期工作，便于操作維修。
（三）直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用：
因末端操作工具的不同，直角坐標(biāo)機(jī)器人可以非常方便的用作各種自動(dòng)化設(shè)備，完成如焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測(cè)、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂、目標(biāo)跟隨、排爆等一系列工作。特別適用于多品種、便批量的柔性化作業(yè)，對(duì)于穩(wěn)定提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
圖2-3直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用
隨著直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作日益顯得重要。成功的設(shè)計(jì)一臺(tái)直角坐標(biāo)機(jī)器人涉及到很多方面的工作，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、伺服控制等等。
（四）機(jī)器人設(shè)計(jì)特點(diǎn)：
1、機(jī)器人的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工作，工作量很大，涉及的知識(shí)面很多，往往需要多人完成。
2、機(jī)器人設(shè)計(jì)是面向客戶的設(shè)計(jì)，不是閉門造車。設(shè)計(jì)者需要經(jīng)常和用戶在一起，不停分析用戶要求，尋求解決方案。
3、機(jī)器人設(shè)計(jì)是面向加工的設(shè)計(jì)，再好的設(shè)計(jì)，如果工廠不能加工出產(chǎn)品，設(shè)計(jì)也是失敗的，設(shè)計(jì)者需要掌握大量的加工工藝及加工手段。
4、機(jī)器人設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷完善的過程。
（五）機(jī)器人設(shè)計(jì)流程：
1、使用要求的分析：每一個(gè)機(jī)器人都是根據(jù)特定的要求的產(chǎn)生而設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)的第一步就是要將使用要求分析清楚，確定設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的參數(shù)，包括：
1).機(jī)器人的定位精度，重復(fù)定位精度；
2).機(jī)器人的負(fù)載大小，負(fù)載特性；
3).機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的自由度數(shù)量，每自由度的運(yùn)動(dòng)行程；
4).機(jī)器人的工作周期或運(yùn)動(dòng)速度，加減速特性；
5).機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，動(dòng)作的關(guān)聯(lián)；
6).機(jī)器人的工作環(huán)境、安裝方式；
7).機(jī)器人的運(yùn)行工作制、運(yùn)行壽命；
其他特殊要求；
2、 機(jī)械模型初建：機(jī)器人從機(jī)械結(jié)構(gòu)分大體可分為龍門結(jié)構(gòu)、壁掛結(jié)構(gòu)，垂掛結(jié)構(gòu)，根據(jù)安裝空間的要求選擇不同的結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、運(yùn)動(dòng)特性都是不一樣的。后續(xù)的設(shè)計(jì)必須是基于一個(gè)確定的結(jié)構(gòu)。
圖2-4機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)圖
3、 速度：V=S/t 最大速度：Vmax=at
加速度/減速度：a=F/m
其中：S為運(yùn)動(dòng)行程
t為定位運(yùn)動(dòng)時(shí)間
F加速時(shí)的驅(qū)動(dòng)力
M運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)量和
4、力學(xué)特性分析
一個(gè)機(jī)器人是由許多定位單元組成的，每根定位系統(tǒng)都要分析。需要分析的項(xiàng)目如下：
圖2-5力學(xué)分析圖
水平推力Fx
正壓力Fz
側(cè)壓力Fy
Mx、My、Mz
5、機(jī)械強(qiáng)度校核：
每個(gè)定位單元，每個(gè)梁都要進(jìn)行校核，尤其雙端支撐梁和懸臂梁。
1） 撓度變形計(jì)算
圖2-6撓度變形圖
F：負(fù)載（N）；
L：定位單元長(zhǎng)度（mm）；
E：材料彈性模量；
I：材料截面慣性矩(mm4)；
f：撓度形變（mm）
注意：在計(jì)算撓度形變時(shí)，梁的自重產(chǎn)生的變形不能忽視，梁的自重按均布載荷計(jì)算。
以上公式計(jì)算的是靜態(tài)形變，實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)闄C(jī)器人一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須計(jì)算加速力產(chǎn)生的形變，形變直接影響機(jī)器人的運(yùn)行精度。
2）扭轉(zhuǎn)形變計(jì)算：
當(dāng)一根梁的一端固定，另一端施加一個(gè)繞軸扭矩后，將產(chǎn)生扭曲變形。實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生該形變的原因一般是負(fù)載偏心或有繞軸加速旋轉(zhuǎn)的物體存在。
6、 驅(qū)動(dòng)元件選擇
常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有：交流/直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直線伺服電機(jī)/直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
每一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都由電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。驅(qū)動(dòng)器的作用是將弱電信號(hào)放大，將其加載在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的強(qiáng)電上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)則是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成精確的速度及角位移。
需要計(jì)算的項(xiàng)目如下：
電機(jī)功率：
電機(jī)扭矩：
電機(jī)轉(zhuǎn)速：
減速機(jī)減速比
電機(jī)慣量/負(fù)載慣量的匹配關(guān)系
圖2-7 扭轉(zhuǎn)力矩分析圖
7、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在完成了前面六項(xiàng)工作后，一個(gè)直角坐標(biāo)機(jī)器人定位系統(tǒng)的雛形就已經(jīng)在設(shè)計(jì)者的頭腦中形成了，接下來的工作就是將雛形畫成工程圖，以便生產(chǎn)。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡具有不確定性，靈活多變，往往在一個(gè)位置不存在位置干涉，但到下一個(gè)位置就干涉了。
8、設(shè)備壽命校核
機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，要對(duì)整臺(tái)設(shè)備進(jìn)行壽命計(jì)算，核心元件的壽命到要計(jì)算，如機(jī)器人軌道的壽命，減速機(jī)的壽命，伺服電機(jī)的壽命等。
機(jī)器人的運(yùn)行壽命與運(yùn)行速度、負(fù)載大小、結(jié)構(gòu)形式、工作環(huán)境、工作制等有關(guān)。
如果發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)行壽命太短，需要重新調(diào)整設(shè)計(jì)。
以上為一個(gè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)方法，至于控制系統(tǒng)部分這里不加說明。
2.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置是帶動(dòng)操作機(jī)個(gè)運(yùn)動(dòng)臂的動(dòng)力源。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分，工業(yè)機(jī)械手的性價(jià)比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等。
2.2.1 機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)
(一) 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
工業(yè)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問題是選擇由連桿件和運(yùn)動(dòng)副組成的坐標(biāo)形式。本次設(shè)計(jì)的三軸伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的坐標(biāo)形式是直角坐標(biāo)式機(jī)器人，主要完成3軸可以同時(shí)模擬操作員取出動(dòng)作，能連續(xù)運(yùn)動(dòng)并有C軸水平旋轉(zhuǎn)功能。
（二）傳動(dòng)方式
傳動(dòng)方式選擇是指選擇驅(qū)動(dòng)源及傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動(dòng)形式，主要包括：（1）直接連接傳動(dòng)：驅(qū)動(dòng)源或帶有機(jī)械傳動(dòng)裝置直接與關(guān)節(jié)相連。（2）遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)：驅(qū)動(dòng)源通過遠(yuǎn)距離機(jī)械傳動(dòng)后與關(guān)節(jié)相連。（3）間接驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)源經(jīng)一個(gè)速比遠(yuǎn)大于1的機(jī)械裝置與關(guān)節(jié)相連。（4）直接傳動(dòng)：驅(qū)動(dòng)源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個(gè)速比等于1的機(jī)械傳動(dòng)這樣的中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相連。
（三）模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
模塊化機(jī)器人是有一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊件通過具有特殊功能的結(jié)合部用積木拼接的方式組成一個(gè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。模塊化設(shè)計(jì)是指基本模塊設(shè)計(jì)和結(jié)合部設(shè)計(jì)。模塊化工業(yè)機(jī)器人主要的特點(diǎn)是：經(jīng)濟(jì)性、靈活性。
（四）材料的選擇
與一般機(jī)械設(shè)備相比，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是十分重要的，這是材料選擇的出發(fā)點(diǎn)。材料選擇的基本要求是：強(qiáng)度高、彈性模量大、重量輕、阻尼大、材料價(jià)格低。
2.2.2 機(jī)械手的傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)
傳動(dòng)部件是驅(qū)動(dòng)源和機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)連接的橋梁，是工業(yè)機(jī)器人的重要部件。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度、加速度（減速度）特性、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、精度、承載能力很大程度上是取決于傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)的合理性和優(yōu)劣。因此，關(guān)節(jié)傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)是工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。
1）移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌
工業(yè)機(jī)器人對(duì)移動(dòng)導(dǎo)軌的要求
移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌的目的是在運(yùn)動(dòng)過程中保證位置精度和導(dǎo)向,對(duì)移動(dòng)導(dǎo)軌有如下要求:
1． 間隙小或者能消除間隙；
2． 再垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的剛度高；
3． 摩擦系數(shù)低并不隨速度變化;
4． 高阻尼；
5． 移動(dòng)導(dǎo)軌和其輔助元件尺寸小、慣量低。
移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌主要分類：普通滑動(dòng)導(dǎo)軌、液壓動(dòng)壓滑動(dòng)導(dǎo)軌、液壓靜壓滑動(dòng)導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。
上面介紹的導(dǎo)軌中，前兩種具有結(jié)果結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，但是必須有間隙以便潤(rùn)滑，但是間隙的存在又將會(huì)引起坐標(biāo)的變化和有效負(fù)載的變化，在低速時(shí)候容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。第三種靜壓滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生預(yù)載荷，能完全消除間隙，具有高剛度、低摩擦、高阻尼等優(yōu)點(diǎn)，但是它需要單獨(dú)的液壓系統(tǒng)和回收潤(rùn)滑油的機(jī)構(gòu)。第四種氣浮導(dǎo)軌不需要回收潤(rùn)滑油的機(jī)構(gòu)，但是剛度和阻尼較低。第五種滾動(dòng)導(dǎo)軌在工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)軌種用的是最廣泛，具有很多的優(yōu)點(diǎn) :1摩擦小,特別是不隨速度變化;2尺寸小;3剛度高承載能力大;4精度和精度保持度高;5潤(rùn)滑簡(jiǎn)單;6容易制造成標(biāo)準(zhǔn)件;7易加預(yù)載，消除間隙，增加剛度等等。但是,滾動(dòng)導(dǎo)軌用在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)也存在著缺點(diǎn):1阻尼低;2對(duì)臟物比較敏感.
2）傳動(dòng)件的定位及消隙傳動(dòng)件的定位主要有：
1． 電氣開關(guān)定位
2． 機(jī)械擋塊定位
3． 伺服定位系統(tǒng)定位
傳動(dòng)件的消隙主要有：
1． 消隙齒輪
2． 柔性齒輪消隙
3． 對(duì)稱傳動(dòng)消隙
4． 偏心機(jī)構(gòu)消隙
5． 齒廓彈性覆層消隙
2.2.3 機(jī)械手的臂部設(shè)計(jì)
工業(yè)機(jī)器人臂部設(shè)計(jì)的基本要求：
1、剛度高。為了防止臂部在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面彎曲剛度一般比截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實(shí)心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支撐板。
2、導(dǎo)向性好。為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形，花鍵等形式的臂桿。
3、重量輕。為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減小整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
4、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)定位精度高。
除了臂部設(shè)計(jì)上要求力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕外，同時(shí)要采用一定形式的緩沖措施。
常用的臂部結(jié)構(gòu)有：
1、手部直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；
機(jī)器人手臂的伸縮，橫向移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸，齒輪齒條機(jī)構(gòu)，絲杠螺母機(jī)構(gòu)以及連桿機(jī)構(gòu)等。由于活塞（氣）缸的體積小，重量輕，因而在機(jī)器人結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的比較多。
2.3 SC750三軸伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)
1、完美的重現(xiàn)性和定位精度。SC750三軸伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用先進(jìn)的高精度的主要機(jī)構(gòu)部件。三軸采用最先進(jìn)的伺服馬達(dá)和最高等級(jí)低背隙減速機(jī)。
2、具有高剛性，高精度，防塵防落物，經(jīng)濟(jì)耐用等特點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)快，速度高。可以提供多種組合方式，裝配和維護(hù)簡(jiǎn)單，操作容易。
3、三軸運(yùn)動(dòng)采用最先進(jìn)的伺服馬達(dá)和最高等級(jí)低背隙的減速機(jī)（展現(xiàn)出完美的重現(xiàn)性與定位精度）三軸運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)皆采用高剛性的齒輪加齒排的機(jī)構(gòu)。
圖2.8 SC750三軸伺服機(jī)構(gòu)整體效果圖
第3章 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析
3.1 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析
3.1.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)概述
工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，可從工業(yè)機(jī)器人的自由度，工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型等三方面來討論。
1、工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度
所謂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指確定一個(gè)機(jī)器人操作位置時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，它是表示機(jī)器人動(dòng)作靈活程度的參數(shù)。
本設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人具有轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副兩種運(yùn)動(dòng)副，具有Y軸手臂垂直伸降運(yùn)動(dòng)，C軸水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，X軸和Z軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)三自由度。
2、機(jī)器人的工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型
（1） 工作空間 工作空間是指機(jī)器人正常運(yùn)行時(shí)，手部參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍，是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)。本次設(shè)計(jì)所用的Apexrobot 技術(shù)參數(shù)及Apexrobot 機(jī)構(gòu)圖如下：
參數(shù)及Apexrobot 機(jī)構(gòu)圖如下：
（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)類型
直角坐標(biāo)型機(jī)器人為本設(shè)計(jì)所采用方案，這種運(yùn)動(dòng)形式是自由度運(yùn)動(dòng)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)之間都是直角關(guān)系，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間是垂直的。它是自動(dòng)控制的，可以通過編程使各部分協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活，有高可靠性、高速度和高精度。同時(shí)它們還可以在惡劣環(huán)境下工作，可長(zhǎng)期工作，便于操作與維修。
3.1.2 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式
1、液壓驅(qū)動(dòng)
分類: 從運(yùn)動(dòng)形式來分分為直線驅(qū)動(dòng)如直線運(yùn)動(dòng)液壓缸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)如液壓馬達(dá),擺動(dòng)液壓缸. 從控制水平的高低來分分為開環(huán)控制液壓系統(tǒng)和閉環(huán)控制液壓系統(tǒng).適用范圍: 液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比,適合于大負(fù)載的情形. 液壓驅(qū)動(dòng)的本質(zhì)優(yōu)點(diǎn)在于它的安全性.
2、氣壓驅(qū)動(dòng):
分類:直線氣缸,擺動(dòng)汽缸及旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)馬達(dá).適用范圍: 適合于節(jié)拍快,負(fù)載小且精度要求不高的場(chǎng)合(因?yàn)榭諝饩哂锌蓧嚎s性).
3、電力驅(qū)動(dòng):
分類: 按照電機(jī)的工作原理不同分為伺服電機(jī),直流伺服電機(jī),無刷電機(jī)等.按照控制水平的高低來分分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng).適用范圍:適合于中等負(fù)載,特別適合于動(dòng)作復(fù)雜,運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格的各類機(jī)器人.對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的要求驅(qū)動(dòng)裝置的質(zhì)量盡可能要輕.單位質(zhì)量的輸出功率要高,效率高.反應(yīng)速度要快.要求力質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大. 動(dòng)作平滑,不產(chǎn)生沖擊.控制靈活,位移偏差和速度偏差小.安全可靠. 操作維修方便等.
一般情況下機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇是物料搬運(yùn)用有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)器人，重負(fù)載用液壓驅(qū)動(dòng)，中等載荷可選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輕載荷可選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。沖壓機(jī)器人多用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
電動(dòng)驅(qū)動(dòng) 隨著低慣量、直流伺服電機(jī)及配套的伺服驅(qū)動(dòng)器的廣泛采用，這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被大量選用 。
本次設(shè)計(jì)所采用的驅(qū)動(dòng)方式有兩種。其中X軸和Y軸是使用電機(jī)來提供動(dòng)力,電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)齒條分配各軸直線移動(dòng)；另外Z方向是通過直線氣缸直接驅(qū)動(dòng)Z軸工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。
??
進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
機(jī)械平臺(tái)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，選擇伺服電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。
2.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量
脈沖當(dāng)量δp是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度，由于定位精度為±0.01mm因此選擇脈沖當(dāng)量為0.01mm。
2.2重量初步估算
根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺(tái)簡(jiǎn)圖，估算水平向和豎直向工作臺(tái)承載重量W水平和W豎直。
水平向拖板(上拖板)尺寸為:
長(zhǎng)*寬*高=420*410*50
重量:按重量=體積*材料比重估算為:
=
豎直向拖板(下拖板)尺寸為:
重量=
上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量為
夾具及工件重量:約155N
水平-豎直工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為:
2.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇
根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的W水平和W豎直計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：
因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取
根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:
選擇漢機(jī)江機(jī)床廠HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其型號(hào)為:HJG-D25
基本參數(shù)如下:
額定載荷/N
靜態(tài)力矩/N*M
滑座重量
導(dǎo)軌重量
導(dǎo)軌長(zhǎng)度
動(dòng)載荷
靜載荷
L
(mm)
17500
26000
198
198
288
0.60
3.1
760
滑座個(gè)數(shù)
單向行程長(zhǎng)度
每分鐘往復(fù)次數(shù)
M
4
0.6
4
導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷N
依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 (kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：
額定行程長(zhǎng)度壽命:
導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命:
導(dǎo)軌的工作壽命足夠.
2.4 滾珠絲杠計(jì)算、選擇
初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=5mm
強(qiáng)度計(jì)算
絲杠軸向力：(N)
其中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時(shí)：F水平=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)豎直=(0.15~0.7)Fz，可取F水平=0.5Fz，F(xiàn)豎直=0.6Fz計(jì)算。
取f=0.004,則:
壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)
最大動(dòng)載荷：
式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時(shí)為1.0。
查表得中等沖擊時(shí)則:
根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號(hào)為: CM系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：CM2005-5。
其基本參數(shù)如下:
其額定動(dòng)載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式.
滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表
名稱
計(jì)算公式
結(jié)果
公稱直徑
――
20mm
螺距
――
５mm
接觸角
――
鋼球直徑
――
3.175mm
螺紋滾道法向半徑
1.651mm
偏心距
0.04489mm
螺紋升角
螺桿外徑
19.365mm
螺桿內(nèi)徑
16.788mm
螺桿接觸直徑
17.755mm
螺母螺紋外徑
23.212mm
螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）
20.7mm
（1） 傳動(dòng)效率計(jì)算
絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：
式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。
（2） 穩(wěn)定性驗(yàn)算
絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。
（3） 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm)
豎直向所受牽引力大,故用豎直向參數(shù)計(jì)算
絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差Δ為
E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。
2.5 伺服電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算
根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，有：
（1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
折算到伺服電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為伺服電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪１的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
為齒輪２的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ｍ為移動(dòng)部件的質(zhì)量。
對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：
式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長(zhǎng)度。
所以有：
電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有：
2.6 伺服電機(jī)的選用
(１）伺服電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算
設(shè)伺服電機(jī)的等效負(fù)載力矩為Ｔ，負(fù)載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系：
式中為電機(jī)轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移，為機(jī)械傳動(dòng)的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以：
式中：為移動(dòng)部件負(fù)載（N），G為移動(dòng)部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N），為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，為伺服電機(jī)的步距角（rad）,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm）。
取=0.3（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），＝０.8，==279.23Ｎ?？紤]到重力影響，Ｙ向電機(jī)負(fù)載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：
考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：
取系數(shù)為０.３，則：
對(duì)于工作方式為三相６拍的伺服電機(jī)：
(２） 伺服電機(jī)的最高工作頻率
為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率,同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個(gè)90BF001型三相反應(yīng)式伺服電機(jī).
電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下:
型號(hào)
主要技術(shù)參數(shù)
相數(shù)
步距角
電壓
(V)
相電流
(A)
最大靜轉(zhuǎn)矩
(n.m)
空載啟動(dòng)頻率
空載運(yùn)行頻率
分配方式
90BF001
4
0.9
80
7
3.92
2000
8000
4相8拍
外形尺寸(mm)
重量
kg
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
Kg.m
外直徑
長(zhǎng)度
軸直徑
90
145
9
5
1764
第四章SC750三軸伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)器人零件的設(shè)計(jì)
4.1 伺服電機(jī)的選擇
伺服電機(jī)是在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確。
交流伺服電機(jī)是無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確。主要優(yōu)點(diǎn)有：
1、精度：實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了伺服電機(jī)失步的問題；
2、轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000轉(zhuǎn)；
3、適應(yīng)性：抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合特別適用；
4、穩(wěn)定：低速運(yùn)行平穩(wěn)，適用于有高速響應(yīng)要求的場(chǎng)合；
5、及時(shí)性：電機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；
6、舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。
1、一般伺服電機(jī)選擇考慮的問題
（1）電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速
電機(jī)選擇首先依據(jù)機(jī)械手快速行程速度?？焖傩谐痰碾姍C(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴(yán)格控制在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。
式中，為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（rpm）；n為快速行程時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（rpm）；為直線運(yùn)行速度（m/min）；u為系統(tǒng)傳動(dòng)比，u=n電機(jī)/n絲杠；絲杠導(dǎo)程（mm）。（2）慣量匹配問題及計(jì)算負(fù)載慣量
為了保證足夠的角加速度使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏和滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求, 負(fù)載慣量應(yīng)限制在2.5倍電機(jī)慣量之
慣量應(yīng)限制在2.5倍電機(jī)慣量之內(nèi)，即<2.5jm。
式中， Jj為各轉(zhuǎn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2； wj為各轉(zhuǎn)動(dòng)件角速度，rad/min； mj為各移動(dòng)件的質(zhì)量，kg； vj為各移動(dòng)件的速度，m/min； w為伺服電機(jī)的角速度，rad/min。
（3）空載加速轉(zhuǎn)矩
空載加速轉(zhuǎn)矩發(fā)生在執(zhí)行部件從靜止以階躍指令加速到快速時(shí)。一般應(yīng)限定在變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大輸出轉(zhuǎn)矩的80% 以內(nèi)。
式中, 為與電機(jī)匹配的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩（N.m）； 為空載時(shí)加速轉(zhuǎn)矩（N.m）； 為快速行程時(shí)轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的載荷轉(zhuǎn)矩（N.m）； 為快速行程時(shí)加減速時(shí)間常數(shù)（ms）。
（4）切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩
在正常工作狀態(tài)下，切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tms 不超過電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩TMs 的80%。
（5）連續(xù)過載時(shí)間
連續(xù)過載時(shí)間 應(yīng)限制在電機(jī)規(guī)定過載時(shí)間 之內(nèi)。
4.3 齒輪齒條的選擇
如上所述，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)是直角坐標(biāo)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要三軸直線運(yùn)動(dòng)。故采用齒輪齒條傳動(dòng)將電機(jī)的選擇運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成齒條的直線運(yùn)動(dòng)。齒輪齒條傳動(dòng)具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，而且它們的結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，使用壽命也很長(zhǎng)。齒輪齒條傳動(dòng)時(shí)使用最普遍的一種傳動(dòng)方式。
假設(shè)所選齒輪的參數(shù)如下：
標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪 模數(shù)m = 3.5 （m是決定齒輪尺寸的基本參數(shù)，已標(biāo)準(zhǔn)化）
齒數(shù)Z = 42
因?yàn)樗x為標(biāo)準(zhǔn)齒輪，故壓力角 變位系數(shù) 齒頂高系數(shù) 齒頂隙系數(shù) 齒頂過渡圓角半徑0 齒根過渡圓角半徑1.14 有效齒輪42 精度0.01 有效齒起始角0。以下是齒輪的設(shè)計(jì)報(bào)告。
漸開線圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)報(bào)告
1、 設(shè)計(jì)信息
設(shè)計(jì)者
設(shè)計(jì)單位
設(shè)計(jì)日期
設(shè)計(jì)時(shí)間
二、設(shè)計(jì)參數(shù)
傳遞功率 P=7.50(kW)
傳遞轉(zhuǎn)矩 T=49.05(N·m)
齒輪1轉(zhuǎn)速 n1=1460(r/min)
齒輪2轉(zhuǎn)速 n2=500(r/min)
傳動(dòng)比 i=2.92
原動(dòng)機(jī)載荷特性 SF=輕微振動(dòng)
工作機(jī)載荷特性 WF=均勻平穩(wěn)
預(yù)定壽命 H=10000(小時(shí))
三、布置與結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)形式 ConS=開式
齒輪1布置形式 ConS1=對(duì)稱布置
齒輪2布置形式 ConS2=對(duì)稱布置
四、材料及熱處理
齒面嚙合類型 GFace=軟齒面
熱處理質(zhì)量級(jí)別 Q=ML
齒輪1材料及熱處理 Met1=34CrNi3Mo<調(diào)質(zhì)>
齒輪1硬度取值范圍 HBSP1=269～341
齒輪1硬度 HBS1=305
齒輪1材料類別 MetN1=0
齒輪1極限應(yīng)力類別 MetType1=5
齒輪2材料及熱處理 Met2=45<正火>
齒輪2硬度取值范圍 HBSP2=162～217
齒輪2硬度 HBS2=190
齒輪2材料類別 MetN2=0
齒輪2極限應(yīng)力類別 MetType2=7
五、齒輪精度
齒輪1第Ⅰ組精度 JD11=7
齒輪1第Ⅱ組精度 JD12=7
齒輪1第Ⅲ組精度 JD13=7
齒輪1齒厚上偏差 JDU1=F
齒輪1齒厚下偏差 JDD1=L
齒輪2第Ⅰ組精度 JD21=7
齒輪2第Ⅱ組精度 JD22=7
齒輪2第Ⅲ組精度 JD23=7
齒輪2齒厚上偏差 JDU2=F
齒輪2齒厚下偏差 JDD2=L
六、齒輪基本參數(shù)
模數(shù)(法面模數(shù)) Mn=3.5(2)(mm)
端面模數(shù) Mt=3.50000(mm)
螺旋角 β=0.000000(度)
基圓柱螺旋角 βb=0.0000000(度)
齒輪1齒數(shù) Z1=42
齒輪1變位系數(shù) X1=0.00
齒輪1齒寬 B1=40(mm)
齒輪1齒寬系數(shù) Φd1=0.272
齒輪2齒數(shù) Z2=123
齒輪2變位系數(shù) X2=0.00
齒輪2齒寬 B2=40(mm)
齒輪2齒寬系數(shù) Φd2=0.093
總變位系數(shù) Xsum=0.000
標(biāo)準(zhǔn)中心距 A0=288.75000(mm)
實(shí)際中心距 A=288.75000(mm)
中心距變動(dòng)系數(shù) yt=0.00000
齒高變動(dòng)系數(shù) △yt=0.00000
齒數(shù)比 U=2.92857
端面重合度 εα=1.79833
縱向重合度 εβ=0.00000
總重合度 ε=1.79833
齒輪1分度圓直徑 d1=147.00000(mm)
齒輪1齒頂圓直徑 da1=154.00000(mm)
齒輪1齒根圓直徑 df1=138.25000(mm)
齒輪1基圓直徑 db1=138.13482(mm)
齒輪1齒頂高 ha1=3.50000(mm)
齒輪1齒根高 hf1=4.37500(mm)
齒輪1全齒高 h1=7.87500(mm)
齒輪1齒頂壓力角 αat1=26.236191(度)
齒輪2分度圓直徑 d2=430.50000(mm)
齒輪2齒頂圓直徑 da2=437.50000(mm)
齒輪2齒根圓直徑 df2=421.75000(mm)
齒輪2基圓直徑 db2=404.53767(mm)
齒輪2齒頂高 ha2=3.50000(mm)
齒輪2齒根高 hf2=4.37500(mm)
齒輪2全齒高 h2=7.87500(mm)
齒輪2齒頂壓力角 αat2=22.383229(度)
齒輪1分度圓弦齒厚 sh1=5.49651(mm)
齒輪1分度圓弦齒高 hh1=3.55140(mm)
齒輪1固定弦齒厚 sch1=4.85467(mm)
齒輪1固定弦齒高 hch1=