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垂直多关节机器人臂部和手部设计.doc
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垂直多关节机器人臂部和手部设计.doc
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目 录
1 前言...................................................................................................................................1
1.1 课题来源........................................................................................................................1
1.2 技术要求及预期效果 ...................................................................................................1
1.3 本课题要解决的主要问题及设计总体思路 ...............................................................1
1.4 国内外研究现状及发展状况 .......................................................................................1
1.4.1 研究现状.....................................................................................................................1
1.4.2 发展趋势.....................................................................................................................2
2 总体方案设计...................................................................................................................4
2.1 机械结构类型的确定 ...................................................................................................4
2.2 传动方案的确定 ...........................................................................................................4
2.3 工作空间的确定 ...........................................................................................................5
2.4 手腕结构的确定 ...........................................................................................................5
2.5 驱动装置的选择 ...........................................................................................................6
2.5.1 机器人驱动方案的分析和选择.................................................................................6
2.5.2 手腕电机的选择.........................................................................................................7
2.5.3 传动比的确定及分配.................................................................................................8
3 齿轮的设计.......................................................................................................................9
3.1 齿轮强度的设计与校核................................................................................................9
3.1.1 第一级圆柱齿轮传动设计..........................................................................................9
3.1.2 第二级圆锥齿轮传动设计.......................................................................................12
4 轴的设计.........................................................................................................................15
4.1 转腕传动轴的选择 .....................................................................................................15
4.2 摆腕传动轴的设计 .....................................................................................................15
4.2.1 圆柱齿轮轴的设计...................................................................................................15
4.2.2 轴的强度校核...........................................................................................................16
4.2.3 圆锥齿轮轴的设计...................................................................................................20
4.2.4 手腕连接轴的设计...................................................................................................21
4.2.5 大臂小臂连接轴的设计...........................................................................................22
5 轴承的设计.....................................................................................................................23
5.1 轴承的选择 .................................................................................................................23
5.2 轴承的寿命计算..........................................................................................................23
6 其它零部件的选用.........................................................................................................25
6.1 键连接的选用 .............................................................................................................25
6.2 壳体的设计 .................................................................................................................25
6.3 机器人手臂材料的选择 .............................................................................................25
6.4 机器人臂部连接件的选用 .........................................................................................25
7 关节型机器人的位姿分析.............................................................................................27
8 结论..................................................................................................................................31
参 考 文 献.......................................................................................................................32
致 谢.............................................................................................................................33
附 录.............................................................................................................................34
1 前言
1.1 课题来源
本课题设计的是垂直多关节型机器人臂部与手部的设计,主要是臂部和腕部的
结构设计及其零件设计。此课题来源于生产实际,是针对目前手工电弧焊接效率低,
操作环境差,而且对操作员技术熟练程度要求高,因此采用机器人技术,可以实现
焊接生产操作的柔性自动化,提高产品质量与劳动生产率,实现生产过程的自动化
和改善劳动条件。
1.2 技术要求及预期效果
根据设计要达到以下要求:
a. 最大搬运重量:5kg;
b. 最大工作范围:850mm;
c. 标准周期:0.59sec;
d. 重复定位精度:
1.0�
mm;
e. 生产纲领:大批大量。
此次设计的垂直多关节机器人可以实现大臂小臂的旋转,手腕的旋转与摆动以及
手爪的自动抓取与放松工件运动。此装置应用在焊接生产线上将大大提高生产效率
和加工质量,降低了工人的劳动强度,能够带来可观的经济效益。
1.3 本课题要解决的主要问题及设计总体思路
本课题要解决的问题有以下三个:
a. 手腕处于手臂末端,需减轻手臂的载荷,力求手腕部的结构紧凑,减少重量和
体积;
b. 提高手腕动作的精确性;
c. 三个自由度的实现。
针对上述问题有了以下设计思路:
a.对于分离传动采用传动轴。
b. 腕部机构的驱动装置采用分离传动,将 2 个驱动器安置在小臂的后端。
c. 驱动电机 1 经联轴器与传动轴来驱动小臂壳体的回转运动。驱动电机 2 经传动
轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动来带动手腕作偏摆运动。
d.手部的驱动电机安装在手腕内部,以此来减轻手部的重量,让手爪能够作灵活
的运动,此传动装置采用螺旋传动来带动手爪的抓取与放松工件运动。
1.4 国内外研究现状及发展状况
1.4.1 研究现状
[ ]
1
自上世纪 90 年代以来,随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛发展,
机器人技术也得到了飞速发展。原本用于生产制造的工业机器人水平不断提高,各
种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人的各种功能被相继开
发并得到不断增强,机器人的种类不断增多,机器人的应用领域也从最初的工业控
制拓展到各行各业,从军事到民用,从天上到地下,从工业到农业、林、牧、渔,
从科研探索到医疗卫生行业,从生产领域到娱乐服务行业,甚至还进入寻常百姓家。
工业机器人的结构形式很多,常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、
多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等,根据不同的用途还在不断发展之中。焊接机
器人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式,但目前用得最多的是模仿人的手
臂功能的多关节式的机器人,这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大,可以使
焊枪的空间位置和姿态调至任意状态,以满足焊接需要。理论上讲,机器人的关节
愈多,自由度也愈多,关节冗余度愈大,灵活性愈好;但同时也给机器人逆运动学
的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。因为焊接过程中往往需要把以空间直
角坐标表示的工件上的焊缝位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态,再通过机器人
逆运动学计算转换为对机器人每个关节角度位置的控制,而这一变换过程的解往往
不是唯一的,冗余度愈大,解愈多。如何选取最合适的解对机器人焊接过程中运动
的平稳性很重要。不同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽相同。
一般来讲,具有 6 个关节的机器人基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制
要求,其中 3 个自由度(XYZ)用于控制焊枪端部的空间位置,另外 3 个自由度(ABC)
用于控制焊枪的空间姿态。因此,目前的焊接机器人多数为 6 关节式的。
进入 21 世纪,世界经济结构正在发生重大而深刻的变革,但制造业依然是世界
各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。 我国是一个
制造业大国,尚处于工业化进程之中,在未来相当长的时期里,制造业仍将在国民
经济中占主导地位。在新一轮国际产业结构调整中,我国正逐步成为世界最重要的
制造业基地之一。
然而目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距,尤其是
在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等
方面差距更大,这种差距又主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差,成
套与系统集成、优化能力差,技术创新和集成创新能力差。这些差距已经成为制约
我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。
1.4.2 发展趋势
[ ]
2
工业机器人技术发展与应用水乳交融。在第一代工业机器人普及的基础上,第
二代已经推广,成为主流安装机型,第三代智能机器人已占有一定比重。以应用为
龙头拉动工业机器人技术的发展,其重点发展领域与技术特点体现在下述方面:
A.机械结构
a. 以关节型为主流,80 年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总
量的 l/3(目前世界工业机器人总数约为 750000 台),90 年代初开发的适用于窄小空
间、快节奏、360 度全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上、下料。
b. 应 3K(炼钢、炼铁、铸锻)行业和汽车、建筑、桥梁等行业需求,超大型机器
人应运而生。如焊接数十米长、l0 吨以上大构件的弧焊机器人群;采取蚂蚁啃骨头
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