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湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）
湖 南 科 技 大 學
畢 業(yè) 設 計（ 論 文 ）
題目
三自由度工業(yè)機器人的結構設計
作者
學院
機電工程學院
專業(yè)
機械設計制造及其自動化
學號
指導教師
二〇一五 年 五 月 三十 日
摘要
本文簡單介紹了本課題的來源、意義和內(nèi)容，回顧了國內(nèi)外機械手的發(fā)展概況，介紹了目前機器人的幾種分類形式，列出了在生產(chǎn)、生活上和高科技領域中幾種常見的機器人。本機械手的主要工作是在控制器的作用下將工件從一條流水線搬運到另一條流水線這一簡單的動作，通過綜合考慮選擇了三自由度平面關節(jié)型機械手，采用兩個回轉(zhuǎn)關節(jié)和一個移動關節(jié)，兩個回轉(zhuǎn)關節(jié)控制前后左右運動，而移動關節(jié)則實現(xiàn)上下運動，結構簡單，成本低，而且針對不同類型的零件可配置不同的末端執(zhí)行器，減少了閑置率，提高了工作效率。本文對機械手的機械傳動部分進行了設計，對驅(qū)動、傳動系統(tǒng)進行了方案設計并進行了氣壓缸，步進電機等主要部件的選取和校核。最后用AutoCAD、SolidWorks等繪制相關工程圖。
關鍵詞: 三自由度；機械手；搬運;步進電機
Abstract
The article introduces the resource, content and practical application value of the thesis, and reviews the development of robots inside and abroad, and introduces the sort ofrobots, and enumerates several hackneyed robots in manufacture, life and high-tech. The main work of the manipulator is that put the work-piece from a line to another line the simple action under the function of the controller. Through the comprehensive consider choose three degrees of freedom Selective Compliance Assembly Robot Arm, Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints , two slew joints control the moving of the front and back left and right . the move joints control the moving of up and down ，simple structure, low cost and according to different types of part add a end effector, reducing the unemployment, improving the working efficiency. The article main design the mechanical transmission parts of the manipulator, the writer designs the project of driving system and transmission system, selects and checks air cylinder magnetic，stepping motor， and so on.The last draw the relevant drawings in AutoCAD, SolidWorks, etc.
Key words: Three degrees of freedom;Manipulator;handling；magnetic stepping motor
目 錄
第一章 緒論……………………………………………………………………………… 1
1.1 工業(yè)機器人運用情況 …………………………………………………………… 1
1.2 國內(nèi)外工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 ………………………………………………… 1
1.3 工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢 ………………………………………………………… 3
第二章 工業(yè)機器人的總體設計…………………………………………………………… 6
2.1 設計要求 ………………………………………………………………………… 6
2.2 總體方案設計 …………………………………………………………………… 6
2.3 運動原理簡圖及主要技術參數(shù) ………………………………………………… 7
第三章 工業(yè)機器人的結構設計…………………………………………………………… 9
3.1 小臂的機構設計及計算 ………………………………………………………… 9
3.1.1 驅(qū)動方式及計算 …………………………………………………………10
3.1.2 小臂的結構設計及計算 …………………………………………………13
3.1.3 軸和軸承的選擇和校核 …………………………………………………15
3.2 大臂的機構設計及計算 …………………………………………………………22
3.2.1 驅(qū)動方式及計算 …………………………………………………………22
3.2.2 大臂的結構設計及計算 …………………………………………………25
3.2.3 軸和軸承的選擇和校核 …………………………………………………27
3.3 立柱的機構設計及計算 …………………………………………………………34
3.3.1 驅(qū)動方式的比較和選擇 …………………………………………………34
3.3.2 氣壓系統(tǒng)的設計和計算 …………………………………………………35
3.4 機座的機構設計和計算 …………………………………………………………36
第四章 結論………………………………………………………………………………38
參 考 文 獻………………………………………………………………………………39
致 謝 ………………………………………………………………………………………40
附錄A………………………………………………………………………………………41
iii
第1章 緒論
工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機器人以來，機器人技術及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)(FMS)、自動化工廠(FA)、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動化工具。廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計算機、網(wǎng)絡技術一樣，工業(yè)機器人的廣泛應用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。
1.1工業(yè)機器人的應用情況
經(jīng)過五十多年的發(fā)展，工業(yè)機器人已在越來越多的領域得到了應用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機器人得到了廣泛的應用。如在毛坯制造、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機器人都已逐步取代了人工作業(yè)。隨著工業(yè)機器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機器人智能化水平的提高，機器人的應用范周還在不斷地擴大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進而推廣到機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機器人、點焊機器人、分配機器人、裝配機器人、噴漆機器人及搬運機器人等工業(yè)機器人都已被大量采用。機器人正在為提高人類的生活質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。
各種工業(yè)機器人可以以單機形式使用，也可以作為生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個構成部分使用。隨著社會需求發(fā)展的變化，工業(yè)生產(chǎn)向多品種小批量方向發(fā)展，對制造系統(tǒng)的柔性要求越來越高。工業(yè)機器人的靈活性好，因此在柔性自動化制造系統(tǒng)中應用越來越多。
1.2 國內(nèi)外工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀
1、 國外工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀
在國外，工業(yè)機器人技術日趨成熟，已經(jīng)成為一種標準設備被工業(yè)界廣泛應用。從而，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機器人公司，它們包括：瑞典的ABB Robotics，日本的F A N U C 、Y a s k a w a ， 德國的K U K ARoboter，美國的Adept Technology、AmericanRobot、Emerson Industrial Automation、S-TRobotics，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。國外專家預測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(UNECE)和國際機器人聯(lián)合會(IFR)的統(tǒng)計，世界機器人市場前景看好，從20世紀下半葉起，世界機器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭[1]。
在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線成套設備已成為自動化裝備的主流。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時避免了大量的工傷事故。像國際上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是機器人自動化生產(chǎn)線及物流與倉儲自動化設備的集成供應商。目前，日本、意大利、德國、歐盟、美國等國家產(chǎn)業(yè)工人人均擁有工業(yè)機器人數(shù)量位于世界前列，全球諸多國家近半個世紀的工業(yè)機器人的使用實踐表明，工業(yè)機器人的普及是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高社會生產(chǎn)效率，推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。
2、 國內(nèi)工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀
在降低制造成本，解決用工嚴重不足等口號的呼喊下，近年來機器人產(chǎn)業(yè)在全世界范圍內(nèi)興起。中國作為世界工廠，面臨的形式更是尤為的嚴重。有數(shù)據(jù)顯示中國每年工業(yè)機器人的裝機量約占全球的1/8，僅次于日本、韓國，預計2015年中國的裝機量會超過這兩個國家，成為世界上使用工業(yè)機器人最多的國家。
自2009年以來，中國機器人市場持續(xù)快速增長，工業(yè)機器人年均增長速度超過40%，到目前為止，中國工業(yè)機器人市場份額約占全球市場的1/5；以教育、清掃等為代表的服務機器人在國內(nèi)也在逐步進入市場。隨著我國門戶的逐漸開放，國內(nèi)的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)將面對越來越大的競爭與沖擊，因此，掌握國內(nèi)工業(yè)機器人市場的實際情況，把握我國工業(yè)機器人研究的相關進展，顯得十分重要。
2012年，四種新型工業(yè)機器人在中國哈爾濱研制成功。專家們認為這標志著我國已經(jīng)掌握了第一代工業(yè)機器人的生產(chǎn)技術，新的機器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在我國誕生。這四種工業(yè)機器人分別是哈爾濱工業(yè)大學和哈爾濱風華機器廠等單位研制的華宇Ⅱ型弧焊機器人，華宇Ⅰ型點焊機器人，哈爾濱工業(yè)大學與航天部811廠等單位聯(lián)合研制的東方1號噴漆機器人和國營星光機器廠研制的星光Ⅰ型直角坐標點焊機器人。
近年來，中國河南洛陽市越來越多的企業(yè)開始引進工業(yè)機器人等智能設備，但目前國內(nèi)使用的機器80%是國外制造。位于洛陽工業(yè)園區(qū)的沃德福集團高端智能裝備制造基地項目，總投資1。5億元，將研發(fā)制造6軸工業(yè)機器人等高端智能設備，達到年產(chǎn)1萬臺工業(yè)機器人的生產(chǎn)、裝配能力。該項目計劃2014年建成投產(chǎn)，預計年產(chǎn)值20億元，不久將在這里首次實現(xiàn)先進工業(yè)機器人大批量生產(chǎn)制造。隨著便宜勞動力時代的結束，可以預計工業(yè)機器人將迎來一個偉大的時代，不僅在工業(yè)上，而且在服務、醫(yī)療等領域都有廣泛的應用，從而推動一大批行業(yè)的發(fā)展，如高端制造業(yè)、制造業(yè)的個性化、醫(yī)療圖像處理以及航空航天等。
近十年以來，在“十五”、“十一五”攻關計劃和863計劃等科技計劃的支持下，我國有組織、有計劃地發(fā)展工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)，通過研制、生產(chǎn)、應用等多個層面的不斷探索，在技術攻關和設計水平上有了長足的進步?？偟膩砜矗呀?jīng)掌握了工業(yè)機器人的設計、制造、應用過程中的多項關鍵技術，能夠生產(chǎn)出部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機器人[2]。一些相關科研機構和企業(yè)已掌握了工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化設計制造技術；工業(yè)機器人控制、驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設計技術；機器人軟件的設計和編程技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術；弧焊、點焊及大型機器人自動生產(chǎn)線(工作站)與周邊配套設備的開發(fā)和制備技術等，某些關鍵技術已達到或接近了國際先進水平，中國工業(yè)機器人在世界工業(yè)機器人領域已占有一席之地。
1.3工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢
工業(yè)機器人在許多生產(chǎn)領域的使用實踐證明，它在提高生產(chǎn)自動化水平，提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟效益，改善工人勞動條件等方面，有著令世人矚目的作用，引起了世界各國和社會各層人士的廣泛關注。
1、 國外發(fā)展趨勢
日本將機器人列為戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，韓國將機器人作為“增長發(fā)動機產(chǎn)業(yè)”，各發(fā)達國家政府早年通過制定政策，采取一系列措施鼓勵企業(yè)應用機器人，設立科研基金鼓勵機器人的研發(fā)設計，從政策上、資金上給予大力支持，工業(yè)機器人的應用和研究走在世界的前列。世界工業(yè)機器人市場普遍看好，各國都在期待機器人的應用研究有技術上的突破。從近幾年世界機器人推出的產(chǎn)品來看，工業(yè)機器人技術正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結構的模塊化和可重構化；控制技術的開放化、PC化和網(wǎng)絡化；伺服驅(qū)動技術的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術的實用化；工作環(huán)境設計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡化和智能化等方面[3]。
國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：
(1)工業(yè)機器人性能不斷提高，而單機價格不斷下降。
(2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。
(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
（4）機器人中的傳感器作用日益重要，裝配、焊接機器人采用了位置、速度、加速度視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。
(5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
(6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的索杰納機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。
(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出虛擬軸機床以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域[4]。
2、 國內(nèi)發(fā)展趨勢
中國工業(yè)機器人在“七五”、“九五”、“十五”期間研究取得了較大進展，我國在關鍵技術上有所突破，但還缺乏整體核心技術的突破，應用遍及各行各業(yè)，但進口機器人占了絕大多數(shù)?？茖W院機器人“十二五”規(guī)劃研究目標：開展高速、高精、智能化工業(yè)機器人技術的研究工作，建立并完善新型工業(yè)機器人智能化體系結構；研究高速，高精度工業(yè)機器人控制方法并研制高性能工業(yè)機器人控制器，實現(xiàn)高速，高精度的作業(yè)；針對焊接，噴涂等作業(yè)任務，研究工業(yè)機器人的智能化作業(yè)技術，研制自動焊接工業(yè)機器人，自動噴涂工業(yè)機器人樣機，并在汽車制造行業(yè)，焊接行業(yè)開展應用示范。
國家下一步的發(fā)展思路，將發(fā)展以工業(yè)機器人為代表的智能制造，以高端裝備制造業(yè)重大產(chǎn)業(yè)長期發(fā)展工程為平臺和載體，系統(tǒng)推進智能技術、智能裝備和數(shù)字制造的協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)我國高端裝備制造的重大跨越。具體分兩步進行：第一步，2012~2020年，基本普及數(shù)控化，在若干領域?qū)崿F(xiàn)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)化，為我國制造模式轉(zhuǎn)變奠定基礎；第二步，2021~2030年，全面實現(xiàn)數(shù)字化，在主要領域全面推行智能制造模式，基本形成高端制造業(yè)的國際競爭優(yōu)勢。
工業(yè)機器人市場競爭越來越激烈，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，加快工業(yè)機器人的研究開發(fā)與生產(chǎn)是使我國從制造業(yè)大國走向制造業(yè)強國的重要手段和途徑。未來幾年，國內(nèi)機器人研究人員將重點研究工業(yè)機器人智能化體系結構，高速高精度控制，智能化作業(yè)，形成新一代智能化工業(yè)機器人的核心關鍵技術體系，并在相關行業(yè)開展應用示范和推廣。
(1) 工業(yè)機器人智能化體系結構標準
研究開放式，模塊化的工業(yè)機器人系統(tǒng)結構，工業(yè)機器人系統(tǒng)的軟硬件設計方法，形成切實可行的系統(tǒng)設計行業(yè)標準、國家標準和國際標準，以便于系統(tǒng)的集成，應用與改造。
(2) 工業(yè)機器人新型控制器技術
研制具有自主知識產(chǎn)權的先進工業(yè)機器人控制器。研究具有高實時性的，多處理器并行工作的控制器硬件系統(tǒng)；針對應用需求，設計基于高性能，低成本總線技術的控制和驅(qū)動模式。深入研究先進控制方法，策略在工業(yè)機器人中的工程實現(xiàn)，提高系統(tǒng)高速，重載，高追蹤精度等動態(tài)性能，提高系統(tǒng)開放性。通過人機交互方式建立模擬仿真環(huán)境，研究開發(fā)工業(yè)機器人自動/離線編程技術，增強人機交互和二次開發(fā)能力。
(3) 工業(yè)機器人智能化作業(yè)技術
實現(xiàn)以傳感器融合，虛擬現(xiàn)實與人機交互為代表的智能化技術在工業(yè)機器人上的可靠應用，提升工業(yè)機器人操作能力。除采用傳統(tǒng)的位置，速度，加速度等傳感器外，裝配，焊接機器人還應用了視覺，力覺等傳感器來進行實現(xiàn)協(xié)調(diào)和決策控制，基于視覺的噴涂機器人姿態(tài)反饋控制；研究虛擬現(xiàn)實技術與人機交互環(huán)境建模系統(tǒng)。
(4) 成線成套裝備技術
針對汽車制造業(yè)，焊接行業(yè)等具體行業(yè)工藝需求，結合新型控制器技術和智能化作業(yè)技術的研究，研究與行業(yè)密切相關的工業(yè)機器人應用技術，以工業(yè)機器人為核心的生產(chǎn)線上的相關成套裝備設計技術，開發(fā)弧焊機器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置，噴涂線的噴涂設備的研制以及相關功能部件并加以集成，形成我國以智能化工業(yè)機器人為核心的成線成套自動化制造裝備。
(5) 系統(tǒng)可靠性技術
可靠性技術是與設計、制造、測試和應用密切相關的。建立工業(yè)機器人系統(tǒng)的可靠性保障體系是確保工業(yè)機器人實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關鍵。在產(chǎn)品的設計環(huán)節(jié)、制造環(huán)節(jié)和測試環(huán)節(jié)，研究系統(tǒng)可靠性保障技術，從而為工業(yè)機器人廣泛應用提供保證。我國的機器人產(chǎn)業(yè)化必須由市場來拉動。機器人作為高技術，它的發(fā)展與社會的生產(chǎn)、經(jīng)濟狀況密切相關。機器人的研制、開發(fā)只有從技術上實現(xiàn)可能性大為原則選擇機器人優(yōu)先應用的領域，并以此為突破口，向其他領域滲透、擴散至為重要。綜合國內(nèi)外工業(yè)機器人研究和應用現(xiàn)狀，工業(yè)機器人的研究正在超智能化、模塊化、系統(tǒng)化、微型化、多功能化及高性能、自診斷、自修復趨勢發(fā)展，以適應多樣化、個性化的需求向更大更寬廣的應用領域發(fā)展。
第二章 工業(yè)機器人整體設計
2.1設計要求
1.設計（論文）所用資源和參考資料：
（1） 三自由度工業(yè)機器人的結構設計，立柱升降400mm，大臂小臂長度分別為400mm、300mm，轉(zhuǎn)角120o，搬運重物2kg；
（2）機械設計手冊及相關資料。
2.設計（論文）應完成的主要內(nèi)容：
運動原理簡圖，大臂小臂采用步進電機驅(qū)動傳動機構的設計和計算，總體裝配圖的設計；
3.提交設計（論文）形式及要求：
裝配圖、主要零件的零件圖、運動原理簡圖等；設計說明書（不少于40頁）；一篇不少于1500字的外文文獻翻譯；
2.2 總體方案設計
平面關節(jié)型機器人又稱SCARA型裝配機器人，是Selective Compliance Assembly Robot Arm的縮寫，意思是具有選擇柔順性的裝配機器人手臂。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)零件的插接、裝配中應用廣泛。
總體設計的任務：包括進行機械手的運動設計，確定主要工作參數(shù)，選擇驅(qū)動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，整體結構設計，最后繪出方案草圖。
查閱國內(nèi)外相關資料
根據(jù)參數(shù)擬定設計方案
各主要零部件的結構設計及計算
主要零件的零件圖繪制及整體的裝配圖繪制
資料文件的整理及編寫設計說明書
2.3傳動原理簡圖及主要參數(shù)設計
傳動原理簡圖：
圖2-1
主要技術參數(shù)：
機械手類型
平面關節(jié)型
抓取重量
2Kg
自由度
3個（2個回轉(zhuǎn)1個移動）
大臂
長400mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角240，步進電機驅(qū)動 單片機控制
小臂
長300mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角240，步進電機驅(qū)動 單片機控制
移動關節(jié)
氣缸驅(qū)動 行程開關控制
整體效果圖：
圖2-2
第3章 工業(yè)機器人的結構設計
工業(yè)機器人機械結構系統(tǒng)由機座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和移動裝置組成。移動裝置只在要求的空間很大時才有用。手臂、手腕由驅(qū)動系統(tǒng)通過傳動機構帶動，以實現(xiàn)機器人末端執(zhí)行器在空間中所要求的位置和姿態(tài)。
由于目前工業(yè)機器人的市場基本成熟，可以根據(jù)自身需要去配置不同的腕部及末端執(zhí)行器等部件，降低閑置率，實現(xiàn)功能的最大化，所以此課題主要針對臂部、立柱等主要結構進行設計。
3.1 小臂的機構設計和計算
工業(yè)機器人的手臂由動力關節(jié)和連接桿件構成，用以支撐和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器的位置。手臂部件一般具有2~3個自由度（回轉(zhuǎn)、俯仰、升降或伸縮），包括驅(qū)動裝置、傳動機構、定位導向裝置、支承連接件和檢測元件等，手臂部件自身質(zhì)量大，還要承受手腕、末端執(zhí)行器和工件的重力，以及在運動中產(chǎn)生的動載荷，故其受力狀況也比較復雜。手臂結構形式應根據(jù)其自由度數(shù)、運動形式、承受的載荷和運動精度要求的因素來確定。機器人手臂通常支承在機座上，機座主要有回轉(zhuǎn)機座和升降機座兩種，用以實現(xiàn)手臂的整體回轉(zhuǎn)或升降，機座也可視為一種特殊的手臂。
臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來改變工件的位置。手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式。手臂結構一般的設計要求有:
（1）手臂的結構和尺寸應滿足機器人完成作業(yè)任務提出的工作空間要求。工作空間的形狀和大小與手臂的長度手臂關節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍密切相關。
(2) 剛度要好，根據(jù)手臂所受載荷和結構的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料，合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸，空心桿比實心桿剛度大的多，常用鋼管做臂部和導向桿，用工字鋼和槽鋼左支撐板，以保證有足夠的剛度。
(3) 偏重力矩要小，偏重力矩時指臂部的總重量對其支撐或回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。
(4) 重量要輕，慣量要小，為了減輕運動時的沖擊，除采取緩沖外，力求結構緊湊，重量輕，以減少慣性力。
(5) 導向性要好。
（6）盡量減小手臂質(zhì)量和相對其關節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏心力矩，以減小驅(qū)動裝置的負荷，減小運轉(zhuǎn)的動載荷和沖擊，提高手臂運動的響應速度。
（7）要設法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。
3.1.1 驅(qū)動方式及計算
工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)是帶動操作機各運動副的動力源，常用的驅(qū)動方式包括電動機驅(qū)動、液壓、氣動三種。
小臂部分因為所需驅(qū)動力小，精度要求不是很高，所以選擇控制方便，輸出轉(zhuǎn)角無長期積累誤差的步進電機。步進電動機是專門工廠批量生產(chǎn)的標準部件，設計時要選出具體型號以購置。選擇步進電動機包括確定型號、結構、步距角、功率和轉(zhuǎn)速，并在產(chǎn)品目錄中查出其尺寸和型號。
步進電動機又稱脈沖電動機或為階躍電動機，步進電機有三大部分組成：步進電動機本體，步進電動機控制器及步進電動機驅(qū)動器。如圖3-1所示。
選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。應使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到工作臺所需的脈沖當量。
圖3-1 步進電機
步進電機的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉(zhuǎn)矩，因為轉(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性
（1）步進電機啟動力矩計算
步進電機選用三相步進電動機，初選步進電機步距角θb=3°。
設步進電機等效負載力矩為T，負載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機做的功與負載力做的功有如式（3.1）關系：
式（3.1）
式中 φ — 電機轉(zhuǎn)角；
S — 轉(zhuǎn)動部件的相應位移；
η — 機械傳動效率。
若取φ=θb，則S=δb，且P= Pz +μ（G+ W2），所以
式（3.2）
式中 G——轉(zhuǎn)動部件負載，N；
W——轉(zhuǎn)動部件重量，N；
Pz——與中立方向一致的作用在轉(zhuǎn)動部件上的負載力，N；
μ——摩擦系數(shù)；
θb——步進電機步距角，rad；
T——電機軸負載力矩，N·cm。
取μ=0.03，η=0.96，Pz=100N。
可求得
不考慮啟動時運動部件的慣性影響，啟動力矩為
Tm=T/（0.3~0.5）=2N·m（取安全系數(shù)0.5）
步進電機為三相六拍的電機
（2） 步進電機最大轉(zhuǎn)速
為了提高精度，采用一級齒輪傳動.5
的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。
按標準模數(shù)系列表（GB1357-87）取m=1.25，取
則
齒輪寬度計算：
按《機械設計》表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)
兩支承相對小齒輪作對稱布置取0.9—1.4,此處取1
則
根據(jù)臂部最大轉(zhuǎn)速與傳動比i=3.5，可得
所以，步進電機的選擇的最大轉(zhuǎn)速
（3）步進電機最大頻率
根據(jù)步進電機的步距角，可得
所以步進電機選擇最高的頻率
（4） 步進電機型號
由于步進電機步距角，步進電機最高轉(zhuǎn)速，步進電機最高頻率，步進電機最大轉(zhuǎn)矩，選擇的步進電機型號參數(shù)如表3-1所示。
表3-1步進電機參數(shù)
型號
主要技術參數(shù)
外形尺寸/mm
重量/(N)
步距角/(°)
保持轉(zhuǎn)矩/ N·m
相數(shù)
電壓/V
電流/A
外徑
長度
軸徑
28BYGH501
3
10
3
12
0.67
30
51
8
1.8
3.1.2 小臂的結構設計及計算
小臂選取4040工業(yè)鋁型材，這樣抗彎系數(shù)大，截面面積小，質(zhì)量輕，經(jīng)濟輕巧。
理論重1.252Kg/m，,小臂長為300mm
較核：
取6N
其受力如下圖:
圖3-2
其中 F1=G手腕+G末端執(zhí)行器+G物=145+20=165N
FA=6+165=171（N）
作剪力圖彎矩圖如下：
圖3-3
圖3-4
由圖可得 危險截面在A截面，按彎曲正應力的強度條件校核如下，
按《材料力學》彎曲切應力公式5.9 гmax=3Fs/2bh
所以
3.1.3 軸和軸承的選擇和校核
軸是組成機器的主要零件之一，一切回轉(zhuǎn)運動的傳動零件（例如齒輪、蝸輪等），都必須安裝在軸上才能進行運動和動力的傳遞。因此軸的主要功用是支承回轉(zhuǎn)零件及傳遞運動和動力。
軸的設計也和其他零件的設計相似，包括結構設計和工作能力計算兩方面的內(nèi)容。軸的結構設計是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理的確定軸的結構形式和尺寸。軸的結構設計不合理，會影響到州的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。因此，軸的結構設計是軸設計中的重要內(nèi)容。具體設計如下：
1. 求輸出軸上的功率P1，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩
P=Pη=8.04W =78.92r/min
=9550
2. 求作用在齒輪上的力
已知低速級大齒輪的分度圓直徑為=90
而
F=
F= F
F= Ftan=21.6×0.246734=5.33N
軸的載荷分析圖如下：
圖3-5
3. 初步確定軸的最小直徑
先按式15-2初步估算軸的最小直徑,選取軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理,根據(jù)課本 取
輸出軸的最小直徑顯然是安裝螺母處的直徑,為了使所選的軸與螺母吻合,故需同時選取螺母的型號
查《機械設計手冊》
選取型號為GB_HEXAGON_TYPE2 M12X1.25-C的螺母，故直徑取12mm。
4.軸的結構設計
(1)軸上零件的裝配方案如下,
圖3-6
根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
初步選擇滾動軸承.因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用,故選用單列深溝球軸承.參照工作要求并根據(jù),由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組 標準精度級的單列深溝球軸承Rolling bearings 16004 GB 276-94.
對于選取的單向深溝球軸承其尺寸為的,故;而 .
右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位.由手冊上查得7010C型軸承定位軸肩高度mm,
取安裝齒輪處的軸段;齒輪的左端采用螺母定位.已知齒輪的寬度為24mm,為了使螺母端面可靠地壓緊齒輪,此軸段應略短于輪轂寬度,故取.
右軸承端蓋的總寬度為9mm(由機架及軸承端蓋的結構設計而定) .根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對軸承添加潤滑脂的要求,取端蓋的外端面與軸承右端面間的距離 ,故取.
小臂連接處取,
至此,已初步確定了軸的各端直徑和長度.
5. 求軸上的載荷
首先根據(jù)結構圖作出軸的計算簡圖, 確定頂軸承的支點位置時,
查《機械設計手冊》20-149表20.6-7.
對于Rolling bearings 16004 GB 276-94型的深溝球軸承,a=16.7mm,因此,做為簡支梁的軸的支承跨距.取F負載=300N,列平衡方程求得如下：
從軸的結構圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面C是軸的危險截面。計算截面C處的MH、MV及M的值，
6. 按彎曲扭轉(zhuǎn)合成應力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（及危險截面C）的強度。根據(jù)式（15-5）及以上數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應力為脈動循環(huán)變應力，取α=0.6，軸的計算應力
==
前已選軸材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
查表得[]=60MP ，〈 [] 此軸合理安全
7. 精確校核軸的疲勞強度.
⑴. 判斷危險截面
截面A,Ⅱ,Ⅲ,B只受扭矩作用，雖然鍵、軸肩及過渡配合所引起的應力集中均將消弱軸的疲勞強度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強度較為寬裕確定的，所以A Ⅱ Ⅲ B無需校核.
從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看,截面Ⅵ和Ⅶ處過盈配合引起的應力集中最嚴重,從受載來看,截面C上的應力最大.截面IV的應力集中的影響和截面V的相近,但是截面V不受扭矩作用,同時軸徑也較大,故不必做強度校核.截面C上雖然應力最大,但是應力集中不大,而且這里的直徑最大,故C截面也不必做強度校核,截面VI和VII顯然更加不必要做強度校核.由第3章的附錄可知,鍵槽的應力集中較系數(shù)比過盈配合的小，因而,該軸只需膠合截面IV左右兩側需驗證即可.
⑵. 截面IV左側
抗彎系數(shù)
W=0.1=0.1=800
抗扭系數(shù)
=0.2=0.2=1600
截面IV的右側的彎矩M為
截面Ⅳ上的扭矩為 =9800
截面上的彎曲應力
截面上的扭轉(zhuǎn)應力
==
軸的材料為45鋼。調(diào)質(zhì)處理。
查得：
因
經(jīng)插入后得
2.0 =1.31
軸性系數(shù)為
=0.85
K=1+=1.82
K=1+（-1）=1.26
所以
綜合系數(shù)為： K=2.8
K=1.62
碳鋼的特性系數(shù) 取0.1
取0.05
安全系數(shù)
S=25.13
S13.71
≥S=1.5 所以它是安全的
截面Ⅳ右側
抗彎系數(shù)
W=0.1=0.1=1757.6
抗扭系數(shù)
=0.2=0.2=3515.2
截面Ⅳ右側的彎矩M為 M=133560
截面Ⅳ上的扭矩為 =294930
截面上的彎曲應力
截面上的扭轉(zhuǎn)應力
==
K=
K=
所以
綜合系數(shù)為：
K=2.8 K=1.62
碳鋼的特性系數(shù)
取0.1 取0.05
安全系數(shù)
S=25.13
S13.71
≥S=1.5 所以它是安全的
傳動部分效果圖：
圖3-7
3.2 大臂的機構設計及計算
大臂同樣是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐小臂、手部和腕部，主要用來改變工件的位置。臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來改變工件的位置。手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式。手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式。手臂結構一般的設計要求有:
(1) 剛度要好，要合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸，空心桿比實心桿剛度大的多，常用鋼管做臂部和導向桿，用工字鋼和槽鋼左支撐板，以保證有足夠的剛度。
(2) 偏重力矩要小，偏重力矩時指臂部的總重量對其支撐或回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。
(3) 重量要輕，慣量要小，為了減輕運動時的沖擊，除采取緩沖外，力求結構緊湊，重量輕，以減少慣性力。
（4）盡量減小手臂質(zhì)量和相對其關節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏心力矩，以減小驅(qū)動裝置的負荷，減小運轉(zhuǎn)的動載荷和沖擊，提高手臂運動的響應速度。
（5）要設法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。
3.2.1 驅(qū)動方式及計算
因為所需驅(qū)動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉(zhuǎn)角無長期積累誤差的步進電機。
步進電機的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉(zhuǎn)矩，因為轉(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性
（1）步進電機啟動力矩計算
步進電機選用三相步進電動機，初選步進電機步距角θb=3°。
設步進電機等效負載力矩為T，負載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機做的功與負載力做的功有如式（3.1）關系：
式（3.1）
式中 φ — 電機轉(zhuǎn)角；
S — 轉(zhuǎn)動部件的相應位移；
η — 機械傳動效率。
若取φ=θb，則S=δb，且P= Pz +μ（G+ W2），所以
式（3.2）
式中 G——轉(zhuǎn)動部件負載，N；
W——轉(zhuǎn)動部件重量，N；
Pz——與中立方向一致的作用在轉(zhuǎn)動部件上的負載力，N；
μ——摩擦系數(shù)；
θb——步進電機步距角，rad；
T——電機軸負載力矩，N·cm。
取μ=0.03，η=0.96，Pz=500N。
可求得
不考慮啟動時運動部件的慣性影響，啟動力矩為
Tm=T/（0.3~0.5）=4.68N·m（取安全系數(shù)0.5）
步進電機為三相六拍的電機
（3） 步進電機最大轉(zhuǎn)速
為了提高精度，采用一級齒輪傳動.5
的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。
按標準模數(shù)系列表（GB1357-87）取m=1.25，取
則
齒輪寬度計算：
按《機械設計》表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)
兩支承相對小齒輪作對稱布置取0.9—1.4,此處取1
則
根據(jù)臂部最大轉(zhuǎn)速與傳動比i=3.5，可得
所以，步進電機的選擇的最大轉(zhuǎn)速
（3）步進電機最大頻率
根據(jù)步進電機的步距角，可得
所以步進電機選擇最高的頻率
（4） 步進電機型號
由于步進電機步距角，步進電機最高轉(zhuǎn)速，步進電機最高頻率，步進電機最大轉(zhuǎn)矩，選擇的步進電機型號參數(shù)如表3-2所示。
表3-2步進電機參數(shù)
型號
主要技術參數(shù)
外形尺寸/mm
重量/(N)
步距角/(°)
保持轉(zhuǎn)矩/ N·m
相數(shù)
電壓/V
電流/A
外徑
長度
軸徑
28BYGH501
3
10
3
12
0.67
30
51
8
1.8
3.2.2 大臂的結構設計及計算
大臂選取4080工業(yè)鋁型材，這樣抗彎系數(shù)大，截面面積小，質(zhì)量輕，經(jīng)濟、輕巧。
理論重1.252Kg/m，,大臂長為400mm
較核：
取7N
其受力如下圖:
圖3-8
其中 F1=G手腕+G末端執(zhí)行器+G物+G小臂+G電機=145+20+5.4+1.8=172.2N 取175N
FA=7+175=182（N）
作剪力圖彎矩圖如下：
圖3-9
圖3-10
由圖可得 危險截面在A截面，按彎曲正應力的強度條件校核如下，
按《材料力學》彎曲切應力公式5.9 гmax=3Fs/2bh
所以
3.2.3 軸和軸承的選擇和校核
軸的設計包括定出軸的合理外形和全部結構尺寸，軸的結構主要取決于以下因素：軸在機器中的安裝位置及形式;軸上安裝的零件的類型尺寸數(shù)量以及連接的方法；載荷的性質(zhì)大小方向及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結構的因素較多，且其結構形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸并沒有標準的結構形式。設計時必須針對不同情況進行具體的分析。但是不論任何具體條件，軸的結構應滿足：軸和安裝在軸上的零件要有準確的工作位置；軸上的零件應便于裝拆和調(diào)整；軸要有良好的制造工藝等。此處軸的設計如下：
1. 求輸出軸上的功率P1，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩
P=Pη=8.04W =78.92r/min
=9550
2. 求作用在齒輪上的力
已知低速級大齒輪的分度圓直徑為 =90
而
F=
F= F
F= Ftan=21.6×0.246734=5.33N
軸的載荷分析圖如下：
圖3-11
3. 初步確定軸的最小直徑
先按式15-2初步估算軸的最小直徑,選取軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理,根據(jù)課本取
輸出軸的最小直徑顯然是安裝螺母處的直徑,為了使所選的軸與螺母吻合,故需同時選取螺母的型號
查《機械設計手冊》
選取型號為GB_HEXAGON_TYPE2 M12X1.25-C的螺母，故直徑取12mm。
4. 軸的結構設計
軸上零件的裝配方案如下,
圖3-12
根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
初步選擇滾動軸承.因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用,故選用單列深溝球軸承.參照工作要求并根據(jù),由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組 標準精度級的單列深溝球軸承Rolling bearings 16004 GB 276-94.
對于選取的單向深溝球軸承其尺寸為的,故;而 .
右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位.由手冊上查得7010C型軸承定位軸肩高度mm,
取安裝齒輪處的軸段;齒輪的左端采用螺母定位.已知齒輪的寬度為24mm,為了使螺母端面可靠地壓緊齒輪,此軸段應略短于輪轂寬度,故取.
右軸承端蓋的總寬度為9mm(由機架及軸承端蓋的結構設計而定) .根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對軸承添加潤滑脂的要求,取端蓋的外端面與軸承右端面間的距離 ,故取.
小臂連接處取,
至此,已初步確定了軸的各端直徑和長度.
5. 求軸上的載荷
首先根據(jù)結構圖作出軸的計算簡圖, 確定頂軸承的支點位置時,
查《機械設計手冊》20-149表20.6-7.
對于Rolling bearings 16004 GB 276-94型的深溝球軸承,a=16.7mm,因此,做為簡支梁的軸的支承跨距.取F負載=400N,列平衡方程求得如下：
從軸的結構圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面C是軸的危險截面。計算截面C處的MH、MV及M的值，
6. 按彎曲扭轉(zhuǎn)合成應力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（及危險截面C）的強度。根據(jù)式（15-5）及以上數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應力為脈動循環(huán)變應力，取α=0.6，軸的計算應力
==
前已選軸材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
查表得[]=60MP
〈 [] 此軸合理安全
7. 精確校核軸的疲勞強度.
⑴. 判斷危險截面
截面A,Ⅱ,Ⅲ,B只受扭矩作用，雖然鍵、軸肩及過渡配合所引起的應力集中均將消弱軸的疲勞強度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強度較為寬裕確定的，所以A Ⅱ Ⅲ B無需校核.
從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看,截面Ⅵ和Ⅶ處過盈配合引起的應力集中最嚴重,從受載來看,截面C上的應力最大.截面IV的應力集中的影響和截面V的相近,但是截面V不受扭矩作用,同時軸徑也較大,故不必做強度校核.截面C上雖然應力最大,但是應力集中不大,而且這里的直徑最大,故C截面也不必做強度校核,截面VI和VII顯然更加不必要做強度校核.由第3章的附錄可知,鍵槽的應力集中較系數(shù)比過盈配合的小，因而,該軸只需膠合截面IV左右兩側需驗證即可.
⑵. 截面IV左側。
抗彎系數(shù)
W=0.1=0.1=800
抗扭系數(shù)
=0.2=0.2=1600
截面IV的右側的彎矩M為
截面Ⅳ上的扭矩為 =9800
截面上的彎曲應力
截面上的扭轉(zhuǎn)應力
==
軸的材料為45鋼。調(diào)質(zhì)處理。
查得：
因
經(jīng)插入后得
2.0 =1.31
軸性系數(shù)為
=0.85
K=1+=1.82
K=1+（-1）=1.26
所以
綜合系數(shù)為： K=2.8
K=1.62
碳鋼的特性系數(shù) 取0.1
取0.05
安全系數(shù)
S=25.13
S13.71
≥S=1.5 所以它是安全的
截面Ⅳ右側
抗彎系數(shù)
W=0.1=0.1=1757.6
抗扭系數(shù)
=0.2=0.2=3515.2
截面Ⅳ右側的彎矩M為
M=133560
截面Ⅳ上的扭矩為
=294930
截面上的彎曲應力
截面上的扭轉(zhuǎn)應力
==
K=
K=
所以
綜合系數(shù)為：
K=2.8 K=1.62
碳鋼的特性系數(shù)
取0.1 取0.05
安全系數(shù)
S=25.13
S13.71
≥S=1.5 ， 所以它是安全的
傳動部分效果圖：
圖3-13
3.3 移動關節(jié)的結構設計和計算
3.3.1 驅(qū)動方式的比較及選擇
機械手的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，電機驅(qū)動，和機械傳動四種。一臺機械手可以只用一種驅(qū)動，也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動，各種驅(qū)動的特點見表3-3。
表3-3
比較內(nèi) 容
驅(qū)動方式
機械傳動
電機 驅(qū)動
氣壓傳動
液壓傳動
異步電機，直流電機
步進或伺服電機
輸出力矩
輸出力矩較大
輸出力可較大
輸出力矩較小
氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結構尺寸過大
液體壓力高，可以獲得較大的輸出力
控制性能
速度可高，速度和加速度均由機構控制，定位精度高，可與主機嚴格同步
控制性能較差，慣性大，步易精確定位
控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復雜
可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴重，精確定位較困難，低速步易控制
油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級調(diào)速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制
體積