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機(jī)器人自動(dòng)火焰切割H型鋼的設(shè)計(jì)
目 錄
目錄 ………………………………………………………………………………………………（1）
ABSTRACT ………………………………………………………………………………………（2）
第1章 工作臺(tái)的設(shè)計(jì)院 …………………………………………………………………………（3）
1．1 工作臺(tái)總體方案 …………………………………………………………………………（3）
1．2 工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ………………………………………………………………………（3）
1．3 滾珠絲杠螺母副的確定及驗(yàn)算 …………………………………………………………（4）
1．4 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 ………………………………………………………………………（6）
1．5 推動(dòng)工件的電機(jī)選擇 ……………………………………………………………………（7）
1．6 推動(dòng)工件的減速器確定 …………………………………………………………………（7）
1．7 聯(lián)軸器選擇 ………………………………………………………………………………（8）
1．8 離合器的選擇及計(jì)算 ……………………………………………………………………（8）
1．9 導(dǎo)軌的確定 ………………………………………………………………………………（9）
1．10 壓緊離合器的彈簧選擇 ………………………………………………………………（10）
第2章 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)中技術(shù)方案的制定 ……………………………………………………（10）
2．1 確定基本技術(shù)參數(shù) ………………………………………………………………………（11）
2．2 選擇機(jī)器人操作機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)類型 ……………………………………………………（11）
2．3 機(jī)器人控制方式的選擇和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ………………………………………………（12）
2．4 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的選擇 …………………………………………………………………（12）
第3章 腕擺設(shè)計(jì) …………………………………………………………………………………（12）
3．1 腕擺電機(jī)選擇 ……………………………………………………………………………（12）
3．2 電機(jī)轉(zhuǎn)速 …………………………………………………………………………………（13）
3．3 同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) …………………………………………………………………………（13）
3．4 同步帶輪設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………………（14）
3．5 諧波齒輪減速裝置設(shè)計(jì) …………………………………………………………………（14）
3．6 腕擺中其它零件的選擇及設(shè)計(jì) …………………………………………………………（16）
3．7 手腕的裝配 ………………………………………………………………………………（16）
結(jié)束語(yǔ) ………………………………………………………………………………………………（17）
鳴 謝 ………………………………………………………………………………………………（17）
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………………（18）
abstract
（此處為英文摘要， 字體：Time New Roman，）
（字號(hào)：12磅，）
（行距：固定值=22）
機(jī)器人自動(dòng)火焰切割H型鋼的設(shè)計(jì)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化，99121110， 李活文
指導(dǎo)教師：張 鍵 副教授
摘 要 ：利用機(jī)器人切割大型H型鋼，是目前減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、增加效益的有效途徑，尤其
是在環(huán)境比較惡劣的地方。機(jī)器人作為一種高新科技，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用還只是局限于很少的一些部門(mén)，為了使機(jī)器人的應(yīng)用在我國(guó)廣泛應(yīng)用到各方面各部門(mén)，本設(shè)計(jì)主要著重于機(jī)器人的設(shè)計(jì)，為機(jī)器人的廣泛應(yīng)用吶喊助威。
關(guān)鍵詞 ：機(jī)器人 ；切割機(jī)器人
第1章 工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
1．1．工作臺(tái)總體方案
考慮到機(jī)器人造價(jià)比較貴，采用兩個(gè)工作臺(tái)一字排列，如圖1所示
圖 1
工作過(guò)程為：先在一個(gè)工作臺(tái)上安裝好工件，用機(jī)器人氣割，在氣割的同時(shí)，在另一個(gè)工作臺(tái)安裝工作；當(dāng)機(jī)器人氣割完第一個(gè)工件后，馬上到第二個(gè)工作臺(tái)去氣割工件，同時(shí)在第一個(gè)工作臺(tái)上裝卸工件。這樣有利于提高機(jī)器人的利用率。
在工作臺(tái)的兩側(cè)，一側(cè)裝卸工件，在另一側(cè)則是機(jī)器人運(yùn)行的軌道；而在工作臺(tái)下面則是用電機(jī)推動(dòng)工件定位的機(jī)構(gòu)。
1．2．工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于工作地點(diǎn)在室外，且精度要求不高，所以工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要安照經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)。
1． 2．1 慮工作的高度，取工作臺(tái)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=12000mm，寬度為B=1330mm，高度為H=1330mm。
1． 2．2 作臺(tái)采用方形，四條邊的寬高分別為50mm、100mm，而在其兩側(cè)每隔2米在工作臺(tái)下焊接一根330×100×50的鑄鐵作為工作臺(tái)的腳部，在工作臺(tái)面每隔500mm焊一塊角鋼，作為支持工件H鋼，其?角鋼號(hào)數(shù)為10；橫條邊部平均焊上三片高200mm，厚30mm的鐵片作為工件的定位裝置。
1．3 滾珠絲杠螺母副的確定及驗(yàn)算
滾珠絲杠副傳動(dòng)與滑動(dòng)絲杠相比其主要特點(diǎn)是：1）傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)95%以上，是滑動(dòng)熱杠傳動(dòng)的2~4倍；2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，摩擦力小，靈敏度高、低速無(wú)爬行；3）可以預(yù)緊、消除絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度；4）定位精度和重復(fù)定位精度高；5）使用壽命為普通滑動(dòng)絲杠的4~10倍甚至更高；6）同步性好，用幾套相同的滾珠絲杠副同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的部件或裝置時(shí)，可獲得較好的同步性；7）使用可靠、潤(rùn)滑簡(jiǎn)單、維修方便；8）不自鎖，可逆向傳動(dòng)，即螺母為主動(dòng)，絲杠為被動(dòng)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)；9）有專業(yè)廠生產(chǎn)，選區(qū)用配套方便。
1．3．1 工字鋼的摩擦力計(jì)算Ff=G×f ，工字鋼如圖2 。
1．3．1．1 G為工字鋼的重力，f為摩擦系數(shù)
G=mg=ρVg=ρSLg
S=t1(H-2t2)+2Bt2+0.85r2
=30×（800-2×30）+2×800×30+0.85×302
=70965mm2
V=SL=70965×12000=8.5×108mm3
=0.85m3
1．3．1．2摩擦系數(shù)
f=0.15 ρ=7.8×103kg.m3
Ff=7.8×103×0.85×9.8×0.15
=9746N
1．3．2工作臺(tái)主要受絲杠軸向力FL=Ff/2=9750/2 = 4875 N
FL=FZ= 4875 N
FC=FV
≈0 圖 2
1．3．3 最大工作載荷計(jì)算
選矩形導(dǎo)軌
Fm=KFL+f’（FV+FC+G）
其中K=1.1 f’=0.005
G為移動(dòng)部件的重力，約取G=200N
Fm=1.1×4875+0.005（0+0+200）
=5364 N
1．3．4 最大動(dòng)負(fù)載C
C=
L=60nt/106
取進(jìn)給速度V=1 m/min
絲杠基本導(dǎo)程選LO=10mm
∴ n=1000n/LO =1000×1/10=100 r/min
取t=8000h
因有沖擊，取fm=2 而Fm=5364 N
C=×2×5364
=48077 N
∴ 選用外循環(huán)滾動(dòng)螺旋副，其中絲杠選用dm=63mm Lo=10 mm
Ca= 51600 N
1．3．5 傳動(dòng)效率計(jì)算
滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率η為
η= tgλ/tg(λ+φ)
式中：λ為絲杠螺母旋升角，可由上得λ=2.9°，φ為摩擦角,滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f = 0.003～0.004 ,其摩擦角約等于10′。
∴η= tg2.9°/tg(2.9°+ 10′)
= 0.946
1．3．6 剛度驗(yàn)算
滾動(dòng)絲杠副的軸向變形將收起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形小，對(duì)縱向變形的影響更小，可忽略不計(jì)。螺母座只要設(shè)計(jì)合理，其變形量也可忽略不計(jì)。
1．3． 6．1絲杠的拉壓變形量δ1′
滾珠絲杠奕計(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量
δ1′= ±FmL/(EA)
式中：δ1′為在工作載荷Fm作用下絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量（mm）；Fm為絲杠的工作載荷Fm = 5364N；L為滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度L = 330mm ；E為材料彈性模量，對(duì)鋼E = 20.6 ×104Mpa ；A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積A=πdm2/4 = 3.14×632/4 =3115.7 mm2 ，“+”號(hào)用于拉伸，“－”用于壓縮。
δ1′=±5364×330/（20.6 ×104×3115.7）
=±0.0028mm
1．3．6．2滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2
有預(yù)緊δ2 = 0.0013 ×
式中：Dw為滾珠直徑Dw = 5.953mm；Z= Z×圓數(shù)×列數(shù)；Z為一圈的滾珠數(shù)，Z=πdm/Dw = 3.14×63/5.953 = 33.2
Z= 33.2×3.5×1 = 116.2
Fm = 5364 N
因當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3 時(shí)，δ2 值可減小一半左右，所以FYJ取C/3 。
FYJ = C/3 =48077/3 = 16026 N
δ2 = = 0.0064mm
1．3．6．3珠絲杠副剛度的驗(yàn)算
絲杠的總變形量δ = δ1′+ δ2 應(yīng)小于允許的變形量。一般δ不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度的一半。
δ = 0.0028 + 0.0064 = 0.0092 mm
機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度取0.1mm ,其一半為0.05mm
∴δ = 0.0092 mm ＜ 0.05 mm
∴ 剛度符合要求
1．3．7壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
臨界載荷FK=fZπ2EI/L2
其中E=20.6×104MP （因材料為鋼）
I=πd14/64 d=D0+2e+2R
R=0.52d0 e=0.07(R-d0/2) (d0為滾珠直徑，由上可知d0=9.525)
R=0.52×9.525
=4.944
e=0.07×(4.944-9.525/2)
=0.01337
d1=63+2×0.01337-2×4.944
=53.14
I=3.14×53.144/64
=391233mm4
絲杠最大工作長(zhǎng)度L取L=300mm
絲杠支承方式系數(shù)fz=0.25
因選用一端軸向固定，一端自由
FK=0.25×3.142×20.6×104×391223/3002
=2.207×106N
nk=FK/Fm
=2.207×106/5364
=411.3
nk=411.3﹥[nk]=10
穩(wěn)定性安全系數(shù)滿足要求
1．4導(dǎo)軌的選型及計(jì)算
按標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)軌副選用GGB—AA型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，規(guī)格為T(mén)25
如圖3所示：
圖 3
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的特點(diǎn)陣字是：
1） 承載能力大，剛度高。在直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副中，滾珠與圓弧溝槽相接觸，因而許用載荷和剛度與點(diǎn)接觸相比有較大幅度的提高。
2） 采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、制造和裝配工作。導(dǎo)軌副的安裝基面精度和質(zhì)量要求不高，只要求精銑或精刨。
1．5推動(dòng)工件的電機(jī)選擇
T=FmD0/2tg（λ+ρ）=9550P2/n
∵ 摩擦系數(shù)f=0.15
∴ tgρ=0.15 即得ρ=8.53°
由上選的絲杠可得D0=63mm
λ=2°54′= 2.9°
（5364×63×10-3/2tg(2.9° + 8.53° ) ）=9550P2/n
P2/n=0.0036
取n=750 r/min
P2=0.0036×750=2.7Kw 圖 4
∴取標(biāo)準(zhǔn)P2=3 Kw
電機(jī)型號(hào)選Y132M-8
P=3Kw n=750 r/min
電機(jī)的安裝及外形，如圖4所示
1．6推動(dòng)工件的減速器確定
減速器選ZLY型硬齒面臥式圓柱齒輪減速器（ZBJ19004—1988），其齒輪為漸開(kāi)線斜齒齒輪，系采用優(yōu)質(zhì)材料（如齒輪用20CrMnMo滲碳淬火、鍛造毛坯，齒面硬度為55~62HRC），經(jīng)磨齒修緣、精度6級(jí)，箱體經(jīng)精密鏜孔等制成。
承載能力高，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低。其代號(hào)為ZLY160—10—I 。如圖5
圖 5
該減速器的適用條件是高速軸轉(zhuǎn)速不高于1500 r/min ，齒輪圓周速度不高于20 m/s ；環(huán)境溫度—40~45°C，低于0°C時(shí)，起動(dòng)前應(yīng)將潤(rùn)滑油先熱到8°C以上，高于45°C時(shí)應(yīng)采取隔熱措施。
1．7聯(lián)軸器選擇
1．7．1 連接電機(jī)與減速器的聯(lián)軸器選擇
聯(lián)軸器選用彈性柱梢齒式聯(lián)軸器，其型號(hào)為ZL3 ，如圖6
該種聯(lián)軸器與齒式聯(lián)軸器比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕、維護(hù)方便，無(wú)需潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)。
圖 6
1．7．2 連接減速器與錐式摩擦離合器的聯(lián)軸器選擇
在錐式摩擦離合器的一端用軸套加厚至與減速器的輸出軸一端同樣大小，取即為φ75 ，然后再用軸套聯(lián)軸器連接起來(lái)。軸套聯(lián)軸器選用A型 d = 75，其標(biāo)號(hào)為 75 。
1．8離合器的選擇及計(jì)算
離合器選錐式摩擦離合器
由電機(jī)的d=42mm，確定錐式摩擦離合器的大小
D=（4~6）d=（4~6）×42=168~252 取D=230
d1= 2.3d = 2.3×42 = 96.6
l1 = 2d = 2×42 = 84
l2 = 1.5d =1.5×42 = 63
l3 = 0.5d = 0.5×42 = 21
t = 0.4d = 0.4×42 = 16.8
s = 0.3d = 0.3×42 =12.6
c = 0.25d = 0.25×42=10.5
a≥8°~10° 取a=9°
靜摩擦系數(shù)f=0.12 （許用比壓[P]=1.2Mpa）
錐式摩擦離合器如圖7
摩擦面平均直徑Dm
Dm=D-（0.5+1.6tgα）d
=230-(0.5+1.6tg9°)× 42
=198.4
摩擦面寬度b
b = ( 0.18 ~ 0.25 )Dm
= ( 0.18 ~ 0.25 ) × 198.4
=35.7 ~ 49.6
取 b = 45
計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tp=KT/(k1k2) 圖 7
其中T為傳遞的轉(zhuǎn)矩
K為工作貯備系數(shù)K = 1.3 ~ 1.5 ，現(xiàn)取K=1.4
k1為平均圓周速度修正系數(shù)，取k1 = 1.3
k2 為結(jié)合次數(shù)修正系數(shù)，取k2 = 1
由上可得T =FmD0/2tg( λ+ρ )
∴ T = 5364 × 63×10-3/2tg(2.9° + 8.53°)
=34.1 N．m
Tp=34.1 × 1.4/1.3
=36.7 N．m
摩擦錐行程 x = δ/sinα
其中δ離合脫開(kāi)所需間隙，一般取δ= 0.5 ~ 1 現(xiàn)取δ= 0.8
x = 0.8/sin9° = 5.13 mm
脫開(kāi)力與結(jié)合力Q = 2Tp(fcosα±sinα )/ ( Dmf ))
接合時(shí)用“+” ， 脫開(kāi)時(shí)用“-”
Q合= 2 × 36.7 ×103 × ( 0.12cos9° ＋sin9° )/ ( 293.5×0.12 )
=572 N
Q開(kāi)=2 × 36.7 ×103 × ( 0.12cos9°－sin9° )/ ( 293.5×0.12 )
=－78.1 N
摩擦面比壓P=2Tp /πD2bf < [ P ]
P=2×36.7 ×103/ (3.14×198.42×45×0.12 )
=0.11 Mpa
∴ P= 0.11 Mpa < [ P ] = 1.2Mpa
1．9導(dǎo)軌的確定
1．9．1
∵導(dǎo)軌主要受機(jī)器人的自身重力，其受力不大
∴選用中小型起重機(jī)的小車常用輕型，其型號(hào)選為15 。
其外形如圖8
圖 8 圖 9
1．9．2 用熱軋槽鋼把導(dǎo)軌焊接在一起，熱軋槽鋼型號(hào)選用40c
1．9．3 小車輪子的設(shè)計(jì)
按經(jīng)驗(yàn)及主要考慮安全因數(shù)設(shè)計(jì)輪子，現(xiàn)設(shè)計(jì)為兩輪子的直徑為92 mm ，厚度為30 mm;
中間軸直徑為50mm , 長(zhǎng)度為43 mm ，兩端軸直徑為25 mm 。如圖9
1．9． 4小車的設(shè)計(jì)
小車板面設(shè)計(jì)成為800×500×30的工作板塊。
1． 9．5小車板塊上樹(shù)立外徑為300 mm 的空心圓柱，內(nèi)徑為200 mm ；樹(shù)立的圓柱頂部再焊一條同樣規(guī)格的空心圓柱，不過(guò)是水平方向放置。
1.10 壓緊離合器的彈簧選擇
彈簧的性能和使用壽命很大程度上取決于材料的選擇。要求材料具有較高的疲勞極限、屈服點(diǎn)和足夠的沖擊韌度?，F(xiàn)選取的彈簧材料用熱軋彈簧鋼經(jīng)熱卷成型后，再淬火回火處理制。
由Fm/f = cos9°
∴ f = Fm/cos9°
= 5264/cos9°
= 5430 N
∵ 一個(gè)離合器接二個(gè)彈簧
∴ 試驗(yàn)載荷取f的一半，即為2715 N
據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選取圓柱螺旋壓縮彈簧,其材料直徑d = 8 mm，彈簧直徑D = 32 mm,
許用應(yīng)力τp = 585 Mpa，試驗(yàn)載荷Fs = 3676 N ,一圈彈簧的試驗(yàn)變形量fsd = 2.98 mm 。
其端部結(jié)構(gòu)形式為：兩端圈并緊并磨平。
第二章 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)中技術(shù)方案的制定
機(jī)器人系統(tǒng)的引用，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：
1． 析和確定機(jī)器人系統(tǒng)的方案。
（1） 機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和可行性調(diào)查?？尚行哉{(diào)查主要是技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面。
（2） 確定產(chǎn)品工藝過(guò)程和機(jī)器人作業(yè)動(dòng)作要求。對(duì)工藝過(guò)程中每一個(gè)工作單元的任務(wù)應(yīng)有明確規(guī)定，即每一個(gè)工作單元將要做的工作數(shù)量。
（3） 確定機(jī)器人系統(tǒng)的能力和適用的作業(yè)范圍和外圍裝置。機(jī)器人系統(tǒng)的外圍裝置指的是為完成機(jī)器人操作，而應(yīng)配的輔助裝置。
（4） 進(jìn)行不同方案的對(duì)比研究。
（5） 確定機(jī)器人系統(tǒng)方案。
2． 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段
詳細(xì)設(shè)計(jì)的內(nèi)容有：
（1） 機(jī)器人機(jī)座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器及與機(jī)器人作業(yè)對(duì)象有關(guān)的設(shè)計(jì)。
（2） 外圍設(shè)備的設(shè)計(jì)。
（3） 安全裝置的設(shè)計(jì)。
（4） 布局設(shè)計(jì)。 包括人—機(jī)系統(tǒng)的詳細(xì)內(nèi)容，作業(yè)對(duì)象的流動(dòng)系統(tǒng)，維護(hù)和服務(wù)區(qū)等的布局設(shè)計(jì)。
（5） 安全保護(hù)設(shè)施的設(shè)計(jì)。
3． 制造、安裝、試運(yùn)轉(zhuǎn)階段
其工作內(nèi)容有：
（1） 自制設(shè)備的制造、外購(gòu)設(shè)備的檢查驗(yàn)收。
（2） 系統(tǒng)的總體布置和設(shè)備安裝。
（3） 調(diào)試、試運(yùn)轉(zhuǎn)。
（4） 邊續(xù)工作運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)整。
2．1確定基本技術(shù)參數(shù)
2．1．1額定負(fù)載
目前，國(guó)內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)器人中，其負(fù)載能力的范圍很大，最小的額定負(fù)載在5N以下，最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對(duì)象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力（矩）等。
2．1．2工作范圍
工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中的操作范圍和運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái)確定，用工作空間來(lái)表示的。工作空間的形狀尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。
2．1．3運(yùn)動(dòng)速度
機(jī)器人操作機(jī)手臂的各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定后，按照循環(huán)時(shí)間安排確定每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，就能進(jìn)一步確定各動(dòng)作速度，用m/s或（°）/s表示，各動(dòng)作的時(shí)間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時(shí)間的長(zhǎng)短，各動(dòng)作之間順序是依序進(jìn)行還是同時(shí)進(jìn)行等。應(yīng)試作各動(dòng)作時(shí)間的分配方案表，進(jìn)行比較，分配動(dòng)作時(shí)間除考慮工藝動(dòng)作的要求外，還應(yīng)考慮慣性和行程的大小，驅(qū)動(dòng)和控制方式、定位方式和精度要求。
2．1．4 分辨率、位姿準(zhǔn)確度和重復(fù)性、軌跡準(zhǔn)確度和重復(fù)性以及最小定位時(shí)間
工業(yè)機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動(dòng)距離或最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度稱分辨率。次執(zhí)行同一位姿指令，實(shí)到位姿與指令位姿之間不一致程度自然保護(hù)區(qū)位姿準(zhǔn)確定。機(jī)械接口中心跟隨指令運(yùn)動(dòng)軌跡的不一致程度，稱為軌跡誰(shuí)確度。在相同條件下，用同一方法操作，重復(fù)多次所測(cè)得的同一位姿散布的不一致程度，稱為位姿重復(fù)性。機(jī)械接口中心沿同一軌跡運(yùn)動(dòng)，重復(fù)多次所測(cè)得的軌跡的不一致程度，稱為軌跡重復(fù)性。
工業(yè)機(jī)器人中分辨率、準(zhǔn)確度、重復(fù)性精度要求是根據(jù)其使用要求確定的，而工業(yè)機(jī)器人本身所能達(dá)到的精度則取決于操作機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度，運(yùn)動(dòng)速度控制和驅(qū)動(dòng)方式、定位和緩沖方法等因素，應(yīng)用在不同操作和工藝過(guò)程的工業(yè)機(jī)器人重復(fù)性精度要求也不同。
2．2 選擇機(jī)器人操作機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)類型
機(jī)械結(jié)構(gòu)類型是以其坐標(biāo)形式來(lái)表明其類型，并說(shuō)明其自由度數(shù)。根據(jù)對(duì)機(jī)器人基本技術(shù)參數(shù)的要求來(lái)選擇機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的坐標(biāo)形式及其自由度數(shù)是機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。選擇何種類型須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)位置，工藝操作要求等情況，經(jīng)分析、比較后進(jìn)行選擇。自由度數(shù)愈多，機(jī)器人的靈活性和通用性愈大。工業(yè)機(jī)器人一般須有4~6個(gè)自由度才能滿足靈活性和通用性的要求。在滿足需要的條件下，應(yīng)使用自由度最少，以簡(jiǎn)化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制。
在確定所加工產(chǎn)品（工字鋼，即機(jī)器人作業(yè)對(duì)象）工藝過(guò)程和機(jī)器人作業(yè)動(dòng)作要求時(shí)，應(yīng)在滿足工藝要求的前提下，縮短動(dòng)作行程，簡(jiǎn)化動(dòng)作運(yùn)動(dòng)軌跡，減少機(jī)器人操作機(jī)的自由度數(shù)。動(dòng)作行程短，在相同的循環(huán)時(shí)間條件下，降低了機(jī)器人手臂動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度，能提高運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確度和重復(fù)精度，便于設(shè)計(jì)和制造。
2．3 機(jī)器人控制方式的選擇和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)近期內(nèi)外設(shè)計(jì)制造的工業(yè)機(jī)器人來(lái)看，都采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，所以本設(shè)計(jì)也采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
2．4 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的選擇
驅(qū)動(dòng)裝置是帶動(dòng)操作機(jī)各運(yùn)動(dòng)臂的動(dòng)力源，本設(shè)計(jì)中采用電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。
第3章 腕擺設(shè)計(jì)
腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要滿足傳動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，避免干涉。多數(shù)將腕部結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分按在小臂上。首先設(shè)法使幾個(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞到同軸旋轉(zhuǎn)的心軸和多層套筒上去。運(yùn)動(dòng)傳入腕部后再分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)動(dòng)作。
從腕部結(jié)構(gòu)圖和傳動(dòng)原理圖圖10，可以看出，這是一個(gè)腕擺一個(gè)手轉(zhuǎn)二自由度的手腕結(jié)構(gòu)，其傳動(dòng)路線為，腕擺電機(jī)通過(guò)同步齒形帶傳動(dòng)帶動(dòng)腕擺諧波減速器，減速器的輸出軸帶動(dòng)腕擺框?qū)崿F(xiàn)腕擺運(yùn)動(dòng)；手轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)減速器和和齒形帶，以及一對(duì)錐齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。注意，當(dāng)腕擺框擺動(dòng)而手轉(zhuǎn)電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，聯(lián)接手部的錐齒輪在別一錐齒輪上滾動(dòng)，產(chǎn)生附加的手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在控制上要進(jìn)行修正。
圖 10
3．1 腕擺電機(jī)選擇
驅(qū)動(dòng)形式選用電動(dòng)機(jī)形式驅(qū)動(dòng)，且為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，性能特點(diǎn)有如以下：
（1） 使用范圍，適用于運(yùn)動(dòng)控制要求嚴(yán)格的中、小型號(hào)機(jī)器人。
（2） 控制性能和安全性，控制性能好，控制靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)速度、位置的精確控制，對(duì)環(huán)境無(wú)影響。
（3） 結(jié)構(gòu)性能，體積小，需減速裝置。
（4） 安裝和維護(hù)要求，維修使用較復(fù)雜。
（5） 效率與制造成本，成本較高，效率為0.5左右。
由能量守恒量可得：p t η = m g h
其中η= 0.8, 取t = 2 s m = m1 + m2 =10 + 20 = 30 Kg h = 30 cm
∴ p×2×0.8 =30×9.8×0.3
p = 55 W
由于其效率為0.5左右
∴ P = 55/0.5 = 110 W
選電機(jī)型號(hào)為75BF003 ，相數(shù)為3。
其功率p = 120 W
3．2 電機(jī)轉(zhuǎn)速
nmax =Vmaxθb / (360 ×δp )
其中θb = 1.5°/步 δp =0.1mm/脈沖 Vmax = 1m/s = 60000 mm/min
∴ nmax =60000×1.5/(360×0.1) = 2500 r/min
即 n1 = 2500 r/min
3．3 同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
3．3．1 功率計(jì)算
PC = KAP
其中KA = 1.1
∴ PC = 1.1 ×120=132 W = 0.132 Kw
3．3．2 選擇帶型Pb為XL
3．3．3 小帶輪齒數(shù)Z1 ≥ Zmin = 12
考慮有利于提高帶的經(jīng)曲疲勞壽命，現(xiàn)取Z1 = 15
3．3．4 小帶輪節(jié)圓直徑d1 = Z1Pn/π
由上可得節(jié)距大小Pn = 5.080
∴ d1 = 15 ×5.080/3.14 = 24.27 mm
3．3．5 大帶輪齒數(shù)Z2 = iZ1 = n1Z1/n2
現(xiàn)取i= 3.2 則Z2 = 3.2 × 15 = 48
n2 = n1/i = 2500/3.2 = 781.3 r/min
3．3．6 大帶輪節(jié)圓直徑d2 = Z2Pb/π
∴d2 = 48×5.080/3.14 = 77.7
3．3．7 帶速V =πd1n1/( 60×1000 )≤Vmax = 50 m/s
V = 3.14×24.27×2500/( 60×1000 )
= 31.75 m/s ＜ Vmax = 50 m/s
∴ 合符要求
3．3．8 初定中心距a0≥ 0.7( d1+ d2 )
a0≥ 0.7 × ( 24.27 + 77.7 ) = 71.38 mm
現(xiàn)取 a0 = 180 mm
3．3．9 帶節(jié)線長(zhǎng)及其齒數(shù)（ Lp , Z ）
L0 = 2a0 + π(d1+ d2)/2 + (d2 - d1)2/(4a0)
= 2×180 + 3.14×(24.27 + 77.7 )/2 +(77.7 – 24.27)2/ (4×180 )
= 524 mm
選帶長(zhǎng)代號(hào)：210
∴節(jié)線周長(zhǎng)Lp = 533.40 ± 0.61
節(jié)線長(zhǎng)上的齒數(shù)Z=105
3．3．10實(shí)際中心距a = a0 ± (Lp－L0)/2
現(xiàn)取“+” 號(hào)
∴ a = 180 + （533.4－524）/2
= 184.3 mm
3．3．11小帶輪嚙合齒數(shù)Zm ≈( 1/2－(d2－d1)/(6a))Z1≥Zmmin = 6
Zm ≈ {1/2－(77.7－24.27)/(6×184.3)} ×15 = 6.8
∴ Zm＞Zmmin = 6
3．3．12基本額定功率P0 = （Ta－mv2）× v ×10－3
基本額定功率是基準(zhǔn)寬度bs0的額定功率，其中 bs0 =9.5 mm
許用工作拉力Ta = 31 N ，m = 0.01 Kg/m
P0 = (31－0.01 × 31.752) × 31.75 ×10－3
= 0.66 Kw
3．3．13帶寬 bs
按標(biāo)準(zhǔn)選取 bs = 7.9 mm
3．4同步帶輪設(shè)計(jì)
3．4．1直徑按標(biāo)準(zhǔn)選取
3．4．1．1 小帶輪：節(jié)徑d1= 24.26 mm ， 外徑D1= 23.75 mm
3．4．1．2 大帶輪：節(jié)徑d2=77.62 mm , 外徑D2=77.11 mm
3．4． 2 寬度
3．4．2．1 小帶輪：帶輪采用無(wú)邊擋圈，由于同步帶寬度為7.9 mm，帶輪最小寬
度為10.4 mm ，現(xiàn)取為11 mm。
3．4．2．2大帶輪：跟小帶輪的寬度一樣，同為11 mm 。
3．5諧波齒輪減速裝置設(shè)計(jì)
3．5．1作原理
諧波齒輪傳動(dòng)裝置是由三個(gè)基本構(gòu)件組成，即具有內(nèi)齒的剛輪G、具有外齒的容易變形的，薄壁圓筒狀柔輪R和波發(fā)生器H。剛輪子和柔輪上輪齒的齒形和周節(jié)相同（齒形多用漸開(kāi)線或三角形），但柔輪比剛輪少2 個(gè)或幾個(gè)齒。波發(fā)生器由一橢圓盤(pán)和一柔性滾珠軸承組成，也可以由一個(gè)轉(zhuǎn)臂和幾個(gè)滾子組成。通常波發(fā)生器為主動(dòng)件，柔輪和剛體之一為從動(dòng)件，另一為固定件。
諧波齒輪傳動(dòng)的工作原理如圖10所示，若剛輪G為固定件，波發(fā)生器H為主動(dòng)件，柔輪R為從動(dòng)件。當(dāng)將波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時(shí)，由于波發(fā)生器兩滾子外側(cè)之間的距離略大于柔輪內(nèi)孔直徑，使原為圓形的柔輪產(chǎn)生彈性變形成為橢圓，使其長(zhǎng)軸兩端的齒與剛輪齒完全嚙合。同時(shí)，變形后柔輪短軸兩端的齒則與剛輪齒完全脫開(kāi)，其余各處的齒，則視回轉(zhuǎn)方向不同分別處于“嚙入”或“嚙出”狀態(tài)，當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)，嚙入?yún)^(qū)和嚙出區(qū)將隨著橢圓長(zhǎng)短軸相位的變化而依次變化。于是柔輪就相對(duì)于不動(dòng)的的剛輪沿與波發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反的主向作低速回轉(zhuǎn)，柔輪長(zhǎng)軸和短軸相位的連續(xù)變化，使柔輪的變形在其圓周上連續(xù)的簡(jiǎn)諧波開(kāi)。因此，這種傳動(dòng)稱為諧波傳動(dòng)。若柔輪固定，剛輪從動(dòng)，其工作過(guò)程完全相同，只是剛輪的轉(zhuǎn)向與波發(fā)生器轉(zhuǎn)向相同。
圖 11
3．5．2 計(jì)算
如圖11所示，波發(fā)生器有兩個(gè)觸頭，產(chǎn)生兩個(gè)嚙個(gè)區(qū)，故稱雙波發(fā)生器。其傳動(dòng)比計(jì)算：
現(xiàn)選為：波發(fā)生器主動(dòng)、柔輪固定、剛輪從動(dòng)，當(dāng)波發(fā)生器回轉(zhuǎn)時(shí)，迫使剛輪順序地和剛輪嚙合，波發(fā)生器回轉(zhuǎn)一周i時(shí)，剛輪相對(duì)柔輪與波發(fā)生器同方向轉(zhuǎn)過(guò)（ZG－ZR）個(gè)齒,即順轉(zhuǎn)了（ZG－ZR）/ ZG周。因此波發(fā)生器和剛輪的減速傳動(dòng)比為： iHGR = nH/nG = ZG/（ZG－ZR）
式中ZG、ZR分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)，nH 、nG 分別為波發(fā)生器和剛輪的轉(zhuǎn)速。
現(xiàn)取ZG =200 ZR =198
iHGR =200/（200－198） = 100
取模數(shù)m = 0.3
∴dRf = (ZR－2h*－2C*)m
=(198－2×1－2×0.25)×0.3
=58.65 mm
dRa=(ZR＋2h*)m
=(198＋2×1) ×0.3
=60 mm
dR=mZR
=0.3×198 =59.4 mm
dGf = (ZG－2h*－2C*)m
=(200－2×1－2×0.25) ×0.3
=59.25 mm
dGa=(ZG＋2h*)m
=(200＋2×1) ×0.3
=60.6 mm
dG=mZG
=0.3 × 200
=60 mm
3．6 腕擺中其它零件的選擇及設(shè)計(jì)
3．6．1 實(shí)現(xiàn)腕部動(dòng)作，把腕部支連起的來(lái)一條階梯軸，如零件圖中所示。
3．6．2 軸的左端，由軸為φ20，而選用角接觸球軸承36204連接；右端軸為φ15，而選為角接觸球軸承36205。
3．7 手腕的裝配
由于機(jī)器人存在定位誤差，或者講分辯率有限，會(huì)造成裝配失敗的情況。一般來(lái)說(shuō)在機(jī)器人進(jìn)的精密裝配作業(yè)中，當(dāng)被裝配零件之間的配合精度相當(dāng)高，由于被裝配零件的不一致性、工件的定位夾具、機(jī)器人手爪的定位精度無(wú)法滿足裝配要求時(shí)，會(huì)導(dǎo)致裝配困難。這就需要裝配動(dòng)作的柔順性要求。
柔順裝配要求技術(shù)有兩種，一種是從檢測(cè)、控制的角度，采取各種不同的搜索方法，實(shí)現(xiàn)邊校正邊裝配。有的手爪上還配有檢測(cè)元件如視覺(jué)傳感器、力傳感器等，這就是所謂主動(dòng)柔順裝配。另一種是從結(jié)構(gòu)的角度在手腕部配置一個(gè)柔順環(huán)節(jié)，以滿足柔順裝配的需要。這種柔順裝配技術(shù)稱為“被動(dòng)柔順裝配”。
結(jié)束語(yǔ)
本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，是對(duì)大學(xué)四年來(lái)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)復(fù)習(xí)，總體溫習(xí)，鞏固了大學(xué)階段所學(xué)的知識(shí)，尤其是對(duì)某項(xiàng)課題作專門(mén)的了解，收集資料，分析資料，并獨(dú)立思考和解決問(wèn)題，這是對(duì)以后在科學(xué)研究和解決實(shí)際工作問(wèn)題的一個(gè)很好的訓(xùn)練。
通過(guò)對(duì)使用機(jī)器人切割H型鋼的設(shè)計(jì)，使我了解到目前國(guó)內(nèi)、外機(jī)器人的總體使用情況，尤其我國(guó)目前的實(shí)際情況。這次設(shè)計(jì)是南油西部石油公司合眾近海建設(shè)公司的課題，通過(guò)對(duì)他們提出的要求進(jìn)行系統(tǒng)的分析，加上對(duì)實(shí)際情況了解，完成了本次設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，雖然沒(méi)有使用到CAXA的軟件，但是通過(guò)對(duì)它的學(xué)習(xí)，使自己的創(chuàng)造思維快速向三維方向靠攏，可使自己的思維觀念可以客觀、實(shí)在的再現(xiàn)出來(lái)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，得到張鍵老師的指導(dǎo)，對(duì)我完成這次的設(shè)計(jì)提供了不可磨滅的作用，才能使我按時(shí)按質(zhì)完成設(shè)計(jì)任務(wù)。
設(shè)計(jì)任務(wù)的完成，使我對(duì)自己的能力有進(jìn)一步的了解，并對(duì)自己充心信心。只要自己肯努力付出，并充分發(fā)揮自己所學(xué)知識(shí)和技巧，任何事情都可以完美完成。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，深深體會(huì)到了：獨(dú)立自主解決定很重要，但相互合作也是不可忽視的，因?yàn)樵谝院笤诠ぷ髦?，是需要彼此之間相互合作的，一個(gè)人的力量是有限的，只有通過(guò)大家的合作，才能快速、有效地完成任務(wù)。
鳴 謝
鳴謝：張鍵副教授和林菁老師的熱心指導(dǎo)。
參考文獻(xiàn)
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