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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘要
狀配是產(chǎn)品生產(chǎn)的后續(xù)工序, 在制造業(yè)中占有重要地位, 在人力、物力、財(cái)力消耗中占有很大比例，所以為了節(jié)約裝配時(shí)間，實(shí)現(xiàn)裝配的自動(dòng)化，裝配機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。本文介紹了裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程，其中緒論中介紹了設(shè)計(jì)的背景和意義，還有簡要的設(shè)計(jì)要求，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求先進(jìn)行機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)，接著針對每個(gè)部分進(jìn)行了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后為該機(jī)器人設(shè)計(jì)了一套單片機(jī)控制系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的機(jī)器人為關(guān)節(jié)型機(jī)器人，自由度為六個(gè)；應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)；在減速器設(shè)計(jì)中應(yīng)用了結(jié)構(gòu)緊湊的諧波齒輪減速；在傳動(dòng)過程應(yīng)用了同步帶傳動(dòng)；機(jī)器人的控制系統(tǒng)為基于單片機(jī)STC89C52的控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；諧波齒輪減速；單片機(jī)控制；生產(chǎn)線
Abstract
Assembly is a follow-up production processes in the manufacturing sector, which plays an important role in the manufacturing. It takes a large proportion in the consumption of human, material and financial, so in order to save assembly time, to achieve the automation of the assembly, the assembly robot came into being. This article describes the design process of the assembly robot. There are the background?and significance of the design in the introduction, which followed by?a brief? design requirements. And then it is described the overall?design of?the robot according to the requirements, and then the concrete?structure design. Finally,?a?microcomputer control system?for the?robot?is designed. The robot is articulated robot of 6 degrees of freedom. Stepper motor is applied in driving the movement of each joint. The harmonic gear is applied in the compact design. Timing belt is used in the transmission process. The control system which mainly controls the stepper motors is based on microcontroller STC89C52
Keywords : Industrial robots; harmonic gear; microcomputer control; production line
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1裝配機(jī)器人的概念 1
1.2工業(yè)機(jī)器人的分類 1
1.3工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu) 2
1.4裝配機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.5裝配機(jī)器人發(fā)展趨勢 4
1.6課題研究的意義與內(nèi)容 5
第2章 裝配機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 7
2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)內(nèi)容 7
2.2設(shè)計(jì)方案 7
2.2.1 運(yùn)動(dòng)方案的確定 7
2.2.2 傳動(dòng)方式的確定 8
2.2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 9
第3章 裝配機(jī)器人手臂各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù) 10
3.2 機(jī)器人各關(guān)節(jié)力和力矩的計(jì)算 10
3.3 機(jī)器人各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13
3.3.1 關(guān)節(jié)1（腰部）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
3.3.3 關(guān)節(jié)3的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
3.3.4 手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20
3.3.5 手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
第4章 裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 28
4.1控制電路各芯片的選擇 28
4.2控制電路原理圖的設(shè)計(jì) 31
結(jié)論 33
致謝 34
參考文獻(xiàn) 35
III
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒論
1.1裝配機(jī)器人的概念
設(shè)計(jì)所指的裝配機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人的一種。所謂工業(yè)機(jī)器人，就是一種具有自動(dòng)控制操作移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程的機(jī)電一體化產(chǎn)品。也可稱為機(jī)器人操作臂、機(jī)器人臂、機(jī)械手等。從外形來看，它和人的手臂相似，是由一系列剛性連桿通過一系列柔性關(guān)節(jié)交替連接而成的開式鏈。這些連桿就像人的骨架，分別類似于胸、上臂和下臂，工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)相當(dāng)于人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，如圖1-1所示。操作臂的前端裝有末端執(zhí)行器或相應(yīng)的工具。也常稱為手或手抓。手抓是由兩個(gè)或多個(gè)手指所組成，手指可以“開”或“合”，實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作和細(xì)微操作。綜上所述，裝配機(jī)器人就是指應(yīng)用在自動(dòng)化生產(chǎn)線通過計(jì)算機(jī)控制能夠完成所要求的裝配任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人。
突1-1 工業(yè)機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)圖
1.2工業(yè)機(jī)器人的分類
工業(yè)機(jī)器人按發(fā)展歷史的演變順序可分類三類，第一代機(jī)器人、第二代機(jī)器人和第三代機(jī)器人。
第一代機(jī)器人具有示教再現(xiàn)的功能后具有可編程N(yùn)C裝置，設(shè)有位置、速度、力等內(nèi)部信息的檢測元件（內(nèi)部傳感器）和基于這些傳感器的控制系統(tǒng)的私服機(jī)構(gòu)。現(xiàn)在工業(yè)中應(yīng)用的噴漆、搬運(yùn)、電焊機(jī)器人，大多屬于第一代機(jī)器人。
第二代機(jī)器人不僅具有內(nèi)部傳感器，還能利用外部傳感器探測外部環(huán)境和操作對象的有關(guān)信息，來改變行動(dòng)，進(jìn)行規(guī)劃，適應(yīng)外界的變化和干擾。第二代機(jī)器人的中心技術(shù)是傳感器技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)。
第三代智能機(jī)器人將極大地?cái)U(kuò)展機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。智能機(jī)器人本身能夠認(rèn)識(shí)工作環(huán)境、工作對象及其狀態(tài)，他根據(jù)人給予的指令和自身認(rèn)識(shí)外界的結(jié)果，獨(dú)立地決定工作方式，由操作機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。
1.3工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)
機(jī)器人整機(jī)，基本上由兩部分組成，一是操作機(jī)，一是控制裝置，操作機(jī)是機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，包括： 基座、驅(qū)動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)單元、手臂、手腕、末端執(zhí)行器、行走機(jī)構(gòu)以及安裝在操作機(jī)上的各種感受裝置等?？刂蒲b置一般包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、司服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電源裝置以及與操作者聯(lián)系的裝置等。
驅(qū)動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)單元是機(jī)器人的動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)動(dòng)力源的類別不同， 可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 液壓驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)三類。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)在多數(shù)情況下采用直流、交流司服電機(jī)， 也可采用力矩電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。
手臂和手腕是機(jī)器人操作機(jī)中的基本部件，它由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的， 但多數(shù)機(jī)器人的手臂和手腕是由關(guān)節(jié)和桿件構(gòu)成的空間機(jī)構(gòu)， 一般有3~10 個(gè)自由度組成，工業(yè)機(jī)器人一般有3~ 6 個(gè)自由度，由于機(jī)器人具有多自由度手臂、手腕的機(jī)構(gòu)， 使操作運(yùn)動(dòng)具有通用性和靈活性， 這也是區(qū)別于一般自動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。
末端執(zhí)行器是機(jī)器人手腕末端機(jī)械接口所連接的直接參與作業(yè)的機(jī)構(gòu)，如夾持器，焊鉗，焊槍，噴槍或其他作業(yè)工具，傳感器等。
1.4裝配機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
裝配是產(chǎn)品生產(chǎn)的后續(xù)工序, 在制造業(yè)中占有重要地位, 在人力、物力、財(cái)力消耗中占有很大比例, 作為一項(xiàng)新興的工業(yè)技術(shù), 機(jī)器人裝配應(yīng)運(yùn)而生。
1)我國的發(fā)展現(xiàn)狀
經(jīng)過多年來的研究與開發(fā), 我國在裝配機(jī)器人方面有了很大的進(jìn)步。目前在裝配機(jī)器人研制方面, 基本掌握了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制造技術(shù), 解決了控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置、軟件設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù), 還掌握了自動(dòng)化裝配線及其周邊配套設(shè)備的全線自動(dòng)通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù), 在基礎(chǔ)元器件方面, 諧波減速器、六軸力傳感器、運(yùn)動(dòng)控制器等也有了突破。
我國已研制出精密型裝配和實(shí)用型裝配機(jī)器人,如廣東吊扇電機(jī)機(jī)器人自動(dòng)裝配線, 小型電器機(jī)器人自動(dòng)裝配線, 以及自動(dòng)導(dǎo)引汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線, 精密機(jī)芯機(jī)器人自動(dòng)裝配線等機(jī)器人示范應(yīng)用工程。近幾年來, 大連賢科機(jī)器人技術(shù)有限公司!與國內(nèi)5家高校、科研所合作, 開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列化模塊化直角坐標(biāo)型裝配機(jī)器人CAD 設(shè)計(jì)平臺(tái);開發(fā)出兩個(gè)系列共4 種規(guī)格的平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人; 開發(fā)出兩種類型3 個(gè)系列的直線運(yùn)動(dòng)單元以及由此組成的直角坐標(biāo)型裝配機(jī)器人; 研制出基于開放式體系結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器。 賢科!自主開發(fā)的裝配機(jī)器人已在家電、電子儀表、輕工等行業(yè)得到初步應(yīng)用,其質(zhì)量不亞于國外同類產(chǎn)品, 是國內(nèi)當(dāng)之無愧的最精密的裝配機(jī)器人。
上海交通大學(xué)研制的 精密一號(hào)裝配機(jī)器人!, 是一臺(tái)帶有多傳感器和多任務(wù)操作系統(tǒng)、可離線編程的高速、高精度、四軸SCARA 平面關(guān)節(jié)式智能精密裝配機(jī)器人。裝配機(jī)器人屬于高、精、尖的機(jī)電一體化產(chǎn)品, 其自主開發(fā)一直受到國家863智能機(jī)器人主題專家們的關(guān)注, 必將取得更大的突破。
2)國外的發(fā)展現(xiàn)狀
美、日、西歐的制造業(yè)中約40% 的勞動(dòng)力用于裝配, 西德電子工業(yè)產(chǎn)品總成本的50~ 70% 是裝配。裝配機(jī)器人是高質(zhì)量、高柔性、高效率完成自動(dòng)裝配的理想手段。所以裝配機(jī)器人得到迅速發(fā)展, 如美國工業(yè)界Delph i法調(diào)查表明到2000年應(yīng)用于裝配和檢驗(yàn)的機(jī)器人銷售臺(tái)數(shù)將從1985年占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)16%猛增到35%。日本裝配機(jī)器人的增長比任何其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)器人都快, 增長速度比歐洲和美國更快。日本裝配機(jī)器人的增長臂人和其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)器人都快, 增長速度比歐洲和美國更快。日本機(jī)器人的廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域在裝配工段, 1985年裝配機(jī)器人已達(dá)15800臺(tái), 是焊接機(jī)器人的兩倍, 成為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用最多的機(jī)器人。1995 年為33500 臺(tái), 產(chǎn)值為2590~ 3000 億日元, 到2004 年, 達(dá)到55000 臺(tái), 產(chǎn)值4200~ 5100億日元。這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他領(lǐng)域機(jī)器人的發(fā)展速度, 為世界所矚目。日本作為機(jī)器人王國, 各產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的機(jī)器人總數(shù)占世界的40%。其中裝配機(jī)器人近年來異軍突起,發(fā)展迅速。據(jù)日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì), 在1982 ~1991年的10年中, 日本用于裝配作業(yè)的機(jī)器人臺(tái)數(shù)為177500臺(tái), 居工程應(yīng)用數(shù)量之首。據(jù)日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì), 日本裝配機(jī)器人1980年左右首次達(dá)到最高點(diǎn)。生產(chǎn)臺(tái)數(shù)為2849臺(tái), 產(chǎn)值2497億日元, 以后又呈上升趨勢。目前, 日本應(yīng)用的裝配機(jī)器人的主要型號(hào)有: 直角坐標(biāo)型、水平多關(guān)節(jié)型、垂直多關(guān)節(jié)型及圓柱坐標(biāo)型等。據(jù)日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)的預(yù)測, 在日本制造業(yè), 裝配機(jī)器人的需求逐年上升。
1.5裝配機(jī)器人發(fā)展趨勢
目前機(jī)器人領(lǐng)域正在加大科研力度, 進(jìn)行裝配機(jī)器人共性技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)的研究, 并朝著智能化和多樣化的方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下幾個(gè)方面:
1)裝配機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù): 探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料, 進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比, 同時(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。
2)直接驅(qū)動(dòng)裝配機(jī)器人: 傳統(tǒng)機(jī)器人都要通過一些減速裝置來達(dá)到降速并提高輸出力矩, 這些傳動(dòng)鏈會(huì)增加系統(tǒng)功耗、慣量、誤差等, 并降低系統(tǒng)可靠性, 為了減小關(guān)節(jié)慣性, 實(shí)現(xiàn)高速、精密、大負(fù)載及高可靠性。一種趨勢是采用高扭矩低速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。
3)機(jī)器人控制技術(shù): 重點(diǎn)研究開放式, 模塊化控制系統(tǒng), 人機(jī)界面更加友好, 語言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化, 以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器己成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外, 離線編程的實(shí)用化的完善成為研究重點(diǎn)。
4)多傳感器融合技術(shù): 為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性, 多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法, 特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。
5)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)要求更加靈巧, 控制系統(tǒng)愈來愈小, 二者正朝著一體化方向發(fā)展。
6)機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù), 機(jī)器人半自主和自主技術(shù), 多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制, 通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng), 在有時(shí)延的情況下, 建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。升虛擬機(jī)器人技術(shù): 基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場感技術(shù), 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。
7)智能裝配機(jī)器人: 裝配機(jī)器人的一個(gè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工作自主, 因此要利用知識(shí)規(guī)劃, 專家系統(tǒng)等人工智能研究領(lǐng)域成果, 開發(fā)出智能型自主移動(dòng)裝配機(jī)器人,能在各種裝配工作站工作。
8)并聯(lián)機(jī)器人: 傳統(tǒng)機(jī)器人采用連桿和關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu), 而并聯(lián)機(jī)器人具有非累積定位誤差, 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分布得到改善、結(jié)構(gòu)緊湊、剛性提高、承載能力增加等優(yōu)點(diǎn), 而且其逆位置問題比較直接、奇異位置相對較少, 所以近些年來倍受重視。
9)協(xié)作裝配機(jī)器人: 隨著裝配機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大, 對裝配機(jī)器人也提出一些新要求, 如多機(jī)器人之間的協(xié)作, 同一機(jī)器人雙臂的協(xié)作, 甚至人與機(jī)器人的協(xié)作, 這對一于重型或精密裝配任務(wù)非常重要。
10)多智能體(multiagent) 協(xié)調(diào)控制技術(shù): 這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域, 主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理, 感知與學(xué)習(xí)方法, 建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究[1]。
1.6課題研究的意義與內(nèi)容
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展, 必將迎來裝配機(jī)器人的飛速發(fā)展。我國機(jī)器人技術(shù)雖起步較晚, 在國家科技攻關(guān)項(xiàng)目及國家863計(jì)劃的支持下也得到了一定的發(fā)展, 但與國際先進(jìn)水平還有很大差距, 目前國際機(jī)器人界都在加大科研力度,進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)的研究, 并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。因此, 發(fā)展我國的裝配機(jī)器人事業(yè)急不可待。我對于本課題的研究，通過對課題的逐步深入和研究，來完成對裝配機(jī)器人的初步設(shè)計(jì)，在這基礎(chǔ)上我還想做出一些創(chuàng)新，一方面開發(fā)一下創(chuàng)新思維，一方面在這個(gè)領(lǐng)域里做出一點(diǎn)突破，為裝配機(jī)器人事業(yè)出一份力。
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對我以后學(xué)習(xí)和工作也有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義：
1）對設(shè)計(jì)方案的思考，還有對設(shè)計(jì)中一些關(guān)鍵問題的解決，這些都培養(yǎng)了我自己進(jìn)行綜合分析和提高解決實(shí)際問題的能力，從而達(dá)到鞏固、擴(kuò)大、深化所學(xué)知識(shí)的目的。
2）在設(shè)計(jì)中，查閱相關(guān)資料、手冊，學(xué)習(xí)這些資料中的知識(shí)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，從而運(yùn)用到自己的設(shè)計(jì)中。這些培養(yǎng)了我調(diào)查研究，熟悉有關(guān)技術(shù)政策，運(yùn)用國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊等工具書，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、編寫技術(shù)文件的獨(dú)立工作能力。
3）通過指導(dǎo)教師地言傳身教，還有自己對設(shè)計(jì)的見解，研究出一套或是多套設(shè)計(jì)方案。這樣使自己建立正確的設(shè)計(jì)思想；初步掌握解決本專業(yè)工程技術(shù)問題的方法和手段；從而使自己受到一次工程師的基本訓(xùn)練。
本設(shè)計(jì)的主要的設(shè)計(jì)要求如下：
該關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)，要求機(jī)器人結(jié)構(gòu)本體簡單、輕量、低摩擦和較低的重復(fù)定位精度。對機(jī)器人的控制采用單片機(jī)的控制系統(tǒng)，利用STC89C52單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)，完成對機(jī)器人的定向、定位以及手抓動(dòng)作的精確控制。要求機(jī)器人動(dòng)作迅速、便于控制。
第2章 裝配機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)
本章對生產(chǎn)線自動(dòng)轉(zhuǎn)配機(jī)器人的工作模式、總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。結(jié)合具體的使用過程， 對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能和可靠性要求等方面進(jìn)行了簡要介紹。
2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)內(nèi)容
本次設(shè)計(jì)的最終目的是在確保零件的安全搬運(yùn)的情況下，實(shí)現(xiàn)軸類零件準(zhǔn)確裝配的機(jī)器人自動(dòng)化裝配， 從而實(shí)現(xiàn)工裝配生產(chǎn)線的全自動(dòng)化。在本次設(shè)計(jì)中， 需要完成機(jī)器人各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和部分之間的準(zhǔn)確連接； 選擇合適的傳動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)電機(jī)， 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的傳動(dòng)精度和運(yùn)行的平穩(wěn)性； 設(shè)計(jì)合理的末端執(zhí)行器用以完成對零件（如軸、盤等）的加持和裝配；選擇合適的減速器在保證合適傳動(dòng)比的情況下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊。
本設(shè)計(jì)所要解決的主要問題是：三自由度腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，腕部的傳動(dòng)方法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；在保證結(jié)構(gòu)緊湊的情況下，各部分相互連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各件的安裝等。
2.2 設(shè)計(jì)方案
2.2.1 運(yùn)動(dòng)方案的確定
根據(jù)主要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)選擇運(yùn)動(dòng)形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。常見機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式有五種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和SCARA 型，同一種運(yùn)動(dòng)形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。所選用的運(yùn)動(dòng)形式，在滿足需要的情況下，應(yīng)使自由度最少、結(jié)構(gòu)最簡單。
在以上五種運(yùn)動(dòng)形式中，關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)上相對運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵，這些特點(diǎn)都符合裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，因此，本設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)方式確定為關(guān)節(jié)型。
圖2-1 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖
關(guān)節(jié)機(jī)器人由2 個(gè)肩關(guān)節(jié)和1個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)或3個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。其中，一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸線旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)仰俯。這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1。
2.2.2 傳動(dòng)方式的確定
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用來把驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)傳遞到關(guān)節(jié)和動(dòng)作部位。機(jī)器人中常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有： 齒輪傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)、皮帶及鏈傳動(dòng)、流體傳動(dòng)和連桿機(jī)構(gòu)與凸輪傳動(dòng)。
1.齒輪傳動(dòng)
機(jī)器人中常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)是高轉(zhuǎn)速、小力矩的驅(qū)動(dòng)器， 而機(jī)器人通常卻要求低轉(zhuǎn)速、大力矩， 因此， 常用行星齒輪機(jī)構(gòu)和諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速器來完成速度和力矩的變換和調(diào)節(jié)。此外， 由于諧波傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡單、體積小，重量輕、傳動(dòng)精度高、承載能力大、傳動(dòng)比大， 且具有高阻尼特性。因此， 在本次的設(shè)計(jì)中選用諧波傳動(dòng)。
在手抓的設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)手抓的“開”、“合”，主要的傳動(dòng)方式有齒輪齒條傳動(dòng)、平行四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)等，齒輪齒條傳動(dòng)，不僅能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，而且傳動(dòng)較為精確，結(jié)構(gòu)緊湊，便于設(shè)計(jì)，所以手抓的傳動(dòng)方式選用齒輪齒條轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.同步帶傳動(dòng)
同步帶傳動(dòng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常用到的傳動(dòng)方式，同步帶也叫做同步齒形帶，帶內(nèi)側(cè)的工作面制成齒形，帶輪的輪緣表面也制成相應(yīng)的齒形帶與帶輪是靠齒的嚙合進(jìn)行傳動(dòng)的。同步帶通常以鋼絲繩作負(fù)載心層，由于鋼絲繩受載后變形極小，仍能保持帶長不變，故帶與帶輪間不會(huì)產(chǎn)生相對滑動(dòng)，傳動(dòng)比較恒定。同步帶薄而輕，可用于高速場合，效率可達(dá)98%，以上同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)都很適合本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)要求[3]，能實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)3的準(zhǔn)確傳動(dòng)，因此，在本設(shè)計(jì)中還應(yīng)用到同步帶傳動(dòng)。
2.2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)有伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)等，其中步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單。制造容易、價(jià)格低廉。它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、易于啟停、正反轉(zhuǎn)和無級(jí)變速也容易實(shí)現(xiàn)。這其中動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、易于啟停、容易實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和無級(jí)變速的特點(diǎn)和適合本設(shè)計(jì)的要求。因此，本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)放的種類很多，主要按其工作原理可分為反應(yīng)式、永磁式和混合式（永磁感應(yīng)式）步進(jìn)電機(jī)。其中，混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上此案有永久磁鋼，可以說是永磁式，但是從定子和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來看，又和反應(yīng)式相似，所以是永磁式和反應(yīng)式相結(jié)合的一種形式，故稱為混合式。該類電機(jī)的特點(diǎn)是輸出轉(zhuǎn)巨大、動(dòng)態(tài)性能好、步距角小、驅(qū)動(dòng)電源電流小、功耗低、性價(jià)比較高，綜合了永磁式和反應(yīng)式兩種電機(jī)的特點(diǎn)，當(dāng)繞組斷電時(shí)具有自鎖能力，本設(shè)計(jì)每個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩較小，運(yùn)用混合式這一特點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)斷電式的關(guān)節(jié)自鎖，因此，本設(shè)計(jì)選用混合式步進(jìn)電機(jī)。
第3章 裝配機(jī)器人手臂各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)
1）結(jié)構(gòu)形式： 關(guān)節(jié)式
2）自由度數(shù)： 6
3）驅(qū)動(dòng)方式： 混合型步進(jìn)電機(jī)
4）大臂回轉(zhuǎn)角度：≤20°/s
5）小臂回轉(zhuǎn)角度：±45°
6）手腕回轉(zhuǎn)角度：±180°
7）大臂長度: 250mm
8）小臂長度: 250mm
9）最大持重： 0.5Kg
10）環(huán)境溫度：0～ 50C
11）電源：3 相；380V/50Hz
3.2 機(jī)器人各關(guān)節(jié)力和力矩的計(jì)算
上一節(jié)列出的設(shè)計(jì)參數(shù)中，裝配機(jī)器人的最大持重為0.5Kg，在加上手爪的重量和工作中的不確定因素，初步確定機(jī)器人的末端載荷重量為
f=0.5+1+0.5×10=20N
即載荷f=20N。
這里計(jì)算機(jī)器人各關(guān)節(jié)所受的力和力矩時(shí)，采用力雅克比矩陣，將廣義操作力矢量通過力雅克比矩陣換算成關(guān)節(jié)力矢量，從而計(jì)算出每個(gè)關(guān)節(jié)所受的力和力矩。具體過程如下：
本設(shè)計(jì)仿照PUMA560機(jī)器人的雅克比建立過程[5]計(jì)算出本設(shè)計(jì)機(jī)器人的雅克比矩陣，如下：
TJ1θ=TJ1xTJ1yTJ1z-s23c4c5c6-s4s6-c23s5c6s23c4c5c6+s4s6+c23s5c6s23c4s5-c23s5
TJ1x=-d2-c23c4c5c6-s4s6-s23s5c6-a2c2+a3c23-d4s23s4c5c6+c4s6
=-270c2+70c23-320s23(s4c5c6+c4c6)
TJ1y=-d2-c23c4c5c6+s4s6+c23s5c6+a2c2+a3c23-d4s23s4c5c6-c4s6
=270c2+70c23-320s23(s4c5c6-c4c6)
TJ1z=d2c23c4c5+s23c5+a2c2+a3c23-d4s23(s4s5)
=270c2+70c23-320s23(s4s5)
s1=sin?(θ1),c1=cos?(θ2),s12=sin?(θ1+θ2),以此類推。
TJ2θ=TJ2xTJ2yTJ2z-s4c5c6-c4s6s4c5c6-c4s6s4s5
TJ2x=a3s5c6-d4c4c5c6-s4s6+a2s3c4c5c6-s4s6+c3s5c6
=70s5c6-302c4c5c6-s4s6+270s3c4c5c6-s4s6+c3s5c6
TJ2y=-a3s5c6-d4-c4c5c6-s4s6+a2s3-c4c5c6-s4s6-c3s5c6
=-70s5c6-302-c4c5c6-s4s6+270s3c4c5c6-s4s6+c3s5c6
TJ2z=a3c6+d4c4s5+a2(-s3c4s5+c3c6)
=70c6+302c4s5+270(-s3c4s5+c3c6) TJ3θ=-d4c4c5c6-s4s6+a3s5c6d4c4c5c6+s4s6-a3s5c6d4c4s5+a3c6-s4c5c6-c4s6s4c5c6-c4s6s4s5
=-302c4c5c6-s4s6+70s5c6302c4c5c6+s4s6-70s5c6302c4s5+70c6-s4c5c6-c4s6s4c5c6-c4s6s4s5
TJ4θ=000s5s6-s5s6c5
TJ5θ=000-s6-c60
TJ6θ=000001
當(dāng)θ1=θ2=θ3=θ4=θ5=90°，θ6=0°時(shí)，
TJ1θ=70-70-70100 TJ2θ=32-3400001 TJ3θ=372-700001
TJ4θ=0001-10 TJ5θ=000-100 TJ6θ=000001
已知末端廣義力矢量
F=fn=206.04
式中，n為末端所受力矩。
設(shè) τ=τ1，τ2，τ3，τ4，τ5，τ6T為6關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力
由公式 τ=TJ(θ)F 得出驅(qū)動(dòng)力為：
τ=9.5，-9.6，-1.4，0.02，0.02，0.06T
設(shè)δ=δ1，δ2，δ3，δ4，δ5，δ6T為6關(guān)節(jié)所受力矩
由上式得出
δ=2.8，-2.88，-0.42，0.006，-0.006，0.018T
由此，就得出了每個(gè)關(guān)節(jié)所受的力和力矩。
3.3 機(jī)器人各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.3.1關(guān)節(jié)1（腰部）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
腰部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3-1所示，下方的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)諧波齒輪[6]的波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)，通過諧波齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)減速增距，輸出通過鍵連接和螺栓連接與其他部分連接，實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)1的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
圖 3-1 關(guān)節(jié)1的結(jié)構(gòu)圖
上圖中，步進(jìn)電機(jī)用螺栓固定在電機(jī)底座上，諧波齒輪采用柔輪固定，波發(fā)生器輸入，鋼輪輸出的傳動(dòng)形式，柔輪同樣固定在電機(jī)底座上，電機(jī)與波發(fā)生器采用鍵連接實(shí)現(xiàn)徑向固定，由于電機(jī)輸出軸所受的軸向力較小，所以利用2個(gè)彈性擋圈就可以實(shí)現(xiàn)軸向固定。圖中的軸承選用的是深溝球軸承，因?yàn)檩敵鲚S基本不受軸向力。
以下是關(guān)于諧波齒輪的設(shè)計(jì)過程。
設(shè)諧波齒輪的額定輸出轉(zhuǎn)矩M=100Nm ，,在《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中圖17.4-4中，做100Nm的水平線，交點(diǎn)的縱坐標(biāo)分別為d=0.4,0.6,0.8。由交點(diǎn)在作水平軸垂線，交得 dR=40mm,46mm,50mm.
由公式i=dRd，得出 i0.4=400.4=100>70
i0.6=460.6=76.7>70
i0.8=500.8=62.5<70
所以d=0.8時(shí)符合設(shè)計(jì)要求，因此選用波高d=0.8，dR選用56mm。
諧波齒輪的集合參數(shù)計(jì)算：
初步設(shè)定傳動(dòng)比 i=70， 波數(shù) n=2 ， 已知波高d=0.8mm
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中表17.4-4得出，模數(shù)m=d2=0.4mm，齒距p=πm≈1.26mm
鋼輪齒數(shù)zG=zi=140
由于本設(shè)計(jì)為柔輪固定式，所以柔輪齒數(shù)zR=zG-2=138
齒頂高 h'=0.4375d=0.35mm
齒根高 h"=0.5625d=0.45 mm
頂隙 s=0.125d=0.1mm
分度圓齒厚 st=0.4375t≈0.55mm
鋼輪分度圓直徑dG=ZGdn=140×0.82≈56mm
鋼輪齒頂圓直徑dGi=dG-0.875d=56-0.876×0.8≈55.3mm
鋼輪齒壓力角 ?=arctan1.09n≈28.6°
柔輪分度圓直徑 dR=56mm
柔輪齒頂圓直徑dR0=dR+0.875d≈56.7mm
柔輪壓力角?=arctan0.458dnr≈29.2°
鋼輪齒根圓直徑dGf=dG+1.125d=56.9mm
柔輪齒根圓直徑dRf=dR-1.125d=55.1mm
柔輪結(jié)構(gòu)尺寸:
L=1×dR=56mm
b=0.2dR=12mm
c=0.2b=2.4mm
h1=0.01dR=0.56mm
h2≈h4≈0.6h1=0.35mm
h3≈h1=0.56mm
dRd=dRf-2h1=55.1-2×0.56=54mm
d2≤0.5dRd=27,取d2=25
d3=0.5d2=12mm
R1≈R2≈0.8m=0.3mm
R3≈R4≈6×h1=3.4mm
這里用到的諧波齒輪的傳動(dòng)比i=70，在3.3節(jié)得出的加在腰部的力矩δ1=2.8Nm
則所需步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩T=δ1i=2.8/70≈0.04Nm。根據(jù)轉(zhuǎn)矩我們選擇混合型步進(jìn)電機(jī)70BYG001，它的技術(shù)參數(shù)如下：
相數(shù): 2
電壓/V: 28
相電流/A: 3
步距角(°): 1.8/0.9
步進(jìn)角誤差(%): ±20
每轉(zhuǎn)步數(shù): 200/400
每相電阻/Ω: 0.9
起動(dòng)頻率/pps: 1200
運(yùn)行頻率/pps: 1500
靜態(tài)轉(zhuǎn)矩/(N·m): 127.5×10-2
定位轉(zhuǎn)矩/(N·m): 127.5×10-2
有以上數(shù)據(jù)可以看出，70BYG001型步進(jìn)電機(jī)滿足本設(shè)計(jì)要求。
外形和安裝尺寸如圖3-2所示。
圖3-2 70BYG安裝尺寸圖
3.3.2關(guān)節(jié)2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3-3 關(guān)節(jié)2結(jié)構(gòu)圖
關(guān)節(jié)2的結(jié)構(gòu)圖如上圖所示，同樣是步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)諧波齒輪傳動(dòng)，經(jīng)過諧波齒輪減速增距，輸出軸帶動(dòng)機(jī)器人大臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
如圖3-3所示，關(guān)節(jié)1中的輸出軸帶動(dòng)關(guān)節(jié)2的底座旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)固定在底座中的內(nèi)孔中，用螺釘與底座連接，同關(guān)節(jié)1的設(shè)計(jì)一樣，電機(jī)與諧波齒輪的連接為鍵連接和應(yīng)用彈性擋圈作軸向固定。諧波齒輪的輸出軸與固定在大臂箱體內(nèi)的法蘭盤用鍵連接上，同時(shí)用緊定螺釘做軸向固定。左邊的輸出軸結(jié)構(gòu)如圖，選用的軸承為深溝球軸承。
這里所用到的諧波齒輪與關(guān)節(jié)所用到的結(jié)構(gòu)尺寸相同，設(shè)計(jì)過程同上。
在3.3節(jié)得出的加在腰部的力矩δ1=2.88Nm，則所需步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 T=δ1i=2.88/70≈0.041Nm。根據(jù)轉(zhuǎn)矩我們選擇混合型步進(jìn)電機(jī)55BYG002。
在這里的步進(jìn)電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為55BYG002。主要技術(shù)參數(shù)為：
型號(hào): 55BYG002
相數(shù): 2
電壓/V: 15
相電流/A: 0.44
步距角(°): 1.8/0.9
步進(jìn)角誤差(%): ±20
每轉(zhuǎn)步數(shù): 200/400
每相電阻/Ω: 22
起動(dòng)頻率/pps: 1000
運(yùn)行頻率/pps: 1000
靜態(tài)轉(zhuǎn)矩/(N·m): 34.3×10-2
定位轉(zhuǎn)矩/(N·m): 34.3×10-2
安裝尺寸如下圖3-4所示：
圖3-4 55BYG002安裝尺寸圖
3.3.3關(guān)節(jié)3的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
關(guān)節(jié)3的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3-5所示，同樣是應(yīng)用了諧波齒輪實(shí)現(xiàn)減速增距，輸出軸通過同步帶將運(yùn)動(dòng)傳遞到關(guān)節(jié)3的驅(qū)動(dòng)軸上。
圖3-5 關(guān)節(jié)3的基本結(jié)構(gòu)圖
關(guān)節(jié)3的減速部分的設(shè)計(jì)同關(guān)節(jié)1的設(shè)計(jì)相同，同步帶設(shè)計(jì)過程如下。
同步帶的設(shè)計(jì)：
1）確定帶的設(shè)計(jì)功率
設(shè)計(jì)功率 Pd=KAP=1.2×0.081=0.1Kw
2）選擇帶型和節(jié)距pb
由表3-10選擇XL型同步帶，基準(zhǔn)帶寬bs0=9.5mm,pb=5.08mm
由表3-10得XL型同步帶參數(shù)如下：
齒形角β=25。
齒根厚s=2.57mm
齒高h(yuǎn)t=1.27mm
齒根圓角半徑rr=0.38mm
齒頂圓角半徑ra=0.38mm
帶高h(yuǎn)s=2.3mm
帶寬基本尺寸有三種分別是：6.4mm 7.9mm 9.5mm 代號(hào)分別為：025 031 037
3）確定小帶輪齒數(shù)和小帶輪節(jié)圓直徑d1
查表3-17，得zmin=10
初定z1=15≥10=zmin
d1=pbz1π=5.08×153.14=25mm
v=πd1n160000=6.54≤vmax
4）確定大齒輪齒數(shù)z2和大帶輪節(jié)圓直徑d2
z2=iz1=15mm
d2=25mm
5）出選中心距a0，帶的節(jié)線長度Lop ,帶的齒數(shù)zb
有關(guān)系式0.7(d1+d2)≤a0≤2(d1+d2)得出
0.7(25+25)≤a0≤2(25+25)
70≤a0≤100
初選 a0=70mm
由公式 Lop=2a0+π2d1+d2+(d1-d2)24a0
=2×70+π225+25
=218.5mm
即節(jié)線長度Lop=218.5mm
查表確定Lp=203.2mm 極限偏差：±0.41mm
從而選擇長度代號(hào)為B64，帶齒數(shù)zb=64
6）計(jì)算實(shí)際中心距a
a=a0+LP-Lop2=70+203.2-218.52≈55mm
7）校驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù)zm
嚙合齒數(shù)zm≈entz12-pbz2π2a(z2-z1)≈7>zmin=6
滿足要求，此處ent表示取整。
8）計(jì)算基準(zhǔn)額定功率P0
由式：P0=Ta-mv2v1000
式中，Ta=50.17N
m=0.022kg/m
v=2×10-3m/s
計(jì)算得出P0=0.1kw
9）確定實(shí)際所需同步帶寬度bs
bs≥bs0pdkzP011.14
式中，bs0=9.5mm kz=1.00
因此，由上式得出bs≥9.5mm 所以選bs=9.5mm
10）帶的工作能力驗(yàn)算
由式P=(kzkwTa-bsbs0)v×10-3
式中 kz=1.00 kw=bsbs01.14=1.00
Ta=50.17N m=0.022kg/m v=2×10-3m/s
因此，算得P≈0.11kw≥Pd=0.1kw
說明帶的工作能力合格。
關(guān)節(jié)3所用的步進(jìn)電機(jī)與關(guān)節(jié)2所用的相同。主要技術(shù)參數(shù)與安裝尺寸在3-3-2節(jié)中已經(jīng)介紹，再次不作贅述。
3.3.4 手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)器人的手腕是手臂與手爪之間的銜接部分，用于改變手抓在空間的方位。手腕的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，直接影響機(jī)器人的靈巧性[5]。做普遍的手腕是由兩個(gè)或三個(gè)相互垂直的關(guān)節(jié)軸組成魔獸玩的第一個(gè)關(guān)節(jié)就是機(jī)器人的第四個(gè)關(guān)節(jié)。
本設(shè)計(jì)中的手腕為三軸相互垂直的手腕，如圖3-6所示，手腕中的第一個(gè)關(guān)節(jié)同樣是采用諧波齒輪減速 ，輸出軸帶動(dòng)手腕中的其他部分；第二個(gè)關(guān)節(jié)中，電機(jī)的輸出軸與第一關(guān)節(jié)中電機(jī)的輸出軸垂直，由于負(fù)載較小，所以直接應(yīng)用同步帶將運(yùn)動(dòng)傳遞到第二個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)軸上，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求；第三個(gè)軸的要求之要帶動(dòng)手爪的旋轉(zhuǎn)即可，所以直接與法蘭盤相連接。
手腕結(jié)構(gòu)中的同步帶與關(guān)節(jié)3的結(jié)構(gòu)和尺寸相同，設(shè)計(jì)過程同上。
圖3-6 手腕部分的機(jī)構(gòu)
腕關(guān)節(jié)中所用的電機(jī)分別為55BYG002和35BYG001，55BYG002的技術(shù)參數(shù)和安裝尺寸在3-3-2中介紹，35BYG001的主要尺寸和安裝尺寸如下：
型號(hào): 35BYG001
相數(shù): 2
電壓/V: 12
相電流/A: 0.35
步距角(°): 1.8/0.9
步進(jìn)角誤差(%): ±3/±6
每轉(zhuǎn)步數(shù): 200/400
每相電阻/Ω: 9
每相電感/mH: －
起動(dòng)頻率/pps: 2000
運(yùn)行頻率/pps: 7500
靜態(tài)轉(zhuǎn)矩/(N·m): 4.9×10-2
定位轉(zhuǎn)矩/(N·m): 3.8×10-2
圖3-7 步進(jìn)電機(jī)35BYG001安裝尺寸
3.3.5 手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械結(jié)構(gòu)的確定
由于機(jī)器人的工作負(fù)載較小，機(jī)器人手臂的動(dòng)力源為步進(jìn)電機(jī)，為了方便整體的控制，機(jī)械手抓也選擇步進(jìn)電機(jī)控制。
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上我選擇齒輪齒條傳動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)手抓的開合，因?yàn)辇X輪傳動(dòng)工作可靠，使用壽命長，瞬間傳動(dòng)比為常數(shù)，更重要的是齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)精確，這點(diǎn)非常符合機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)上齒輪，上齒輪帶動(dòng)齒輪下方的長齒條，使得與此嚙合的齒條運(yùn)動(dòng)方向相反，齒條與彈簧坐相互用螺母擰緊，然后推動(dòng)前方的推桿，實(shí)現(xiàn)兩手抓的“開”與“合”。
為了實(shí)現(xiàn)齒輪與齒條的間的自動(dòng)回位，使傳動(dòng)更精確，齒條之間加了一根壓縮彈簧。具體結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。
圖3-8 手爪的結(jié)構(gòu)圖
手爪中的齒輪的設(shè)計(jì)過程如下：
齒條所受的力主要是夾持工件是所受的反作用力FN
工件重力G=0.5×10=5N 取摩擦系數(shù)μ=0.5
則 FN>Gμ=50.5=10N
工作載荷FN'=KAFN=1.2×10=12N
初定齒輪模數(shù)m=1.5
齒數(shù)z1=20
則 d1=mz1=30mm 設(shè)傳動(dòng)比μ=1
轉(zhuǎn)矩 T=d2×FN'=15×12=180Nmm
小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB~286HB，平均取為260HB，大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB~286HB，平均取為240HB。直齒傳動(dòng)。
齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
初步計(jì)算小齒輪直徑
小齒輪轉(zhuǎn)矩T1=180Nmm
齒寬系數(shù) 參照表齒輪相對于軸承的位置懸臂布置時(shí)，軟齒面接觸，Ψd=0.3-0.4，取0.35
解除疲勞極限 σHlim1=710MPa
σHlim2=580MPa
初步計(jì)算的許用接觸應(yīng)力[σH]
由公式 [σH1]≈0.9 σHlim1=0.9x710=639MPa
[σH2]≈0.9σHlim2=0.9x580=522MPa
Ad值 取Ad=85
初步計(jì)算小齒輪直徑d1
d1≥Ad3T1Ψd[σH]2·i+1i=85x314000.35x5222×12+112=7.67mm 取d1=30mm
初步齒寬b=Ψdd1=0.35x30=10.5mm 取b=15mm
校核計(jì)算
圓周速度：v=πd1n160×1000=π×30×10060×1000=1.57m/s
精度等級(jí) 選8級(jí)精度
初選齒數(shù)z和模數(shù)m z1=20；z2=iz1=1x20=180mm
m=d1/z1=30/20=1.5
使用系數(shù)KA KA=1.5
動(dòng)載系數(shù)Kv Kv=1.1
齒間載荷分配系數(shù)KHα ，先求
Ft=2T1d1=2×18030=12N
KAFtb=1.5×1215=0.6N/mm<100N/mm
εα=[1.88-3.2(1z1+1z2)]cosβ
=[1.88-3.2(120+120)]=1.61
Zε=4-εα3=4-1.653=0.89
由此得 KHα=1Zε2=10.892=1.26
齒向載荷分配系數(shù)KHβ
KHβ=A+B(1+6.7bd12) bd12+C·10-3b
=1.17+0.16×(1530)2+0.61×10-3×15
=2.42
載荷系數(shù)K K=KAKvKHαKHβ
=1.5x1.1x1.26x2.42=5.49
彈性系數(shù)ZE ZE=189MPa
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH ZH=2.5
接觸最小安全系數(shù)SHmin SHmin=1.05
接觸壽命系數(shù)ZN ZN=1.2
許用接觸應(yīng)力[σH] [σH1]=σHlim1ZN1SHlim=710×1.21.05=798MPa
[σH2]=σHlim2ZN2SHlim=580×1.31.05=845MPa
驗(yàn)算 σH=ZEZHZε2KT1bd12·i+1i
=189.8x2.5x0.89x2×2.56×18030×302×21
=364MPa<σH2
計(jì)算結(jié)果表明，齒輪傳動(dòng)副接觸疲勞強(qiáng)度比較合適，齒輪尺寸無需調(diào)整。否則，尺寸調(diào)整后還應(yīng)再進(jìn)行驗(yàn)算。
確定傳動(dòng)主要尺寸
實(shí)際分度圓直徑d 齒輪無需圓整 d1=mz1=2x15=30mm
d2=mz2=1x30=30mm
中心a a=mz1+z22=195mm
齒寬b b1=20mm；b2=20mm
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
重合度系Yε Yε=0.25+0.75εα=0.25+0.751.61=0.72
齒間載荷分配系數(shù)KFα KFα=1Yε=10.72=1.4
齒向載荷分配系KHβ b/h=20/(2.25x2.5)=2.8
KHβ=1.28
載荷K K=KAKVKHαKHβ=1.5x1.2x1.4x1.28=3.22
齒形系數(shù)YFa YFa1=2.46
YFa2=2.19
應(yīng)力修正系數(shù)YSa YSa1=1.65
YSa2=1.8
彎曲疲勞極限σFlim σFlim1=600MPa
σFlim2=450MPa
彎曲最小安全系數(shù)SFmin SFmin=1.25
彎曲壽命系數(shù)YN YN1=0.95
YN2=0.97
尺寸系數(shù)YX YX=1.0
許用彎曲應(yīng)力σF σF1=σFlim1YN1YXSFlim
=600×0.95×1.01.25=456MPa
σF2=σFlim2YN2YXSFlim
=450×0.97×1.01.25=456MPa
驗(yàn)算 σF1=2KT1bd1mYFa1YSa1Yε
=2×3.22×18030×30×2x2.46x1.63x0.676
=23.7MPa<σF1
σF2=σF1YFa2YSa2YFa1YSa1
=61×2.12×1.922.52×1.63
=60.5MPa<σF2
傳動(dòng)無嚴(yán)重過載，故不做靜強(qiáng)度校核。
綜上可得，所選齒輪傳動(dòng)副材料尺寸合格。
以上有關(guān)齒輪副校核計(jì)算內(nèi)容中所用公式，圖表等均參照《機(jī)械設(shè)計(jì)》（第四版）
第4章 裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
4.1 控制電路各芯片的選擇
1)單片機(jī) STC89C52
STC89C52是最常見的MCS51系列單片機(jī)，是Inter公司早期的成熟的單片機(jī)產(chǎn)品，應(yīng)用范圍涉及到各行各業(yè)[8]，下面是它的引腳圖和在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中應(yīng)用到的接線方法。
圖4-1 STC89C52引腳圖
（1）主電源引腳Vss和Vcc
① Vss接地
② Vcc正常操作時(shí)為+5伏電源
（2）外接晶振引腳XTAL1和XTAL2
① XTAL1為內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶體的一個(gè)引腳。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接地。
② XTAL2為內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸出端。是外接晶體的另一端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接外部振蕩源。
（3）控制或與其它電源復(fù)用引腳RST/VPD，ALE/ ，和 /Vpp
① RST/VPD 當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平（由低到高跳變），將使單片機(jī)復(fù)位
在Vcc掉電期間，此引腳可接上備用電源，由VPD向內(nèi)部提供備用電源，以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)。
② 正常操作時(shí)為ALE功能（允許地址鎖存）提供把地址的低字節(jié)鎖存到外部鎖存器，ALE 引腳以不變的頻率（振蕩器頻率的 ）周期性地發(fā)出正脈沖信號(hào)。因此，它可用作對外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。但要注意，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖，ALE 端可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）八個(gè)LSTTL電路。 對于EPROM型單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳接收編程脈沖（ 功能）
④ /Vpp為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和外部程序存儲(chǔ)器選擇端。當(dāng) /Vpp為高電平時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，當(dāng) /Vpp 為低電平時(shí)，則訪問外部程序存儲(chǔ)器。
2) THB7128兩相混合式 步進(jìn)電機(jī)芯片式驅(qū)動(dòng)器選擇
圖4-2 THB7128管腳圖
(1)特性：雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)，低導(dǎo)通電阻Ron＝0.53Ω; 最高耐壓40VDC，大電流3.3 A（峰值） ;多種細(xì)分可選（1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128）;自動(dòng)半流鎖定功能 ;內(nèi)置混合式衰減模式 ;內(nèi)置輸入下拉電阻 內(nèi)置溫度保護(hù)及過流保護(hù)
(2)管腳說明:
表 4-1 THB7128 引腳表
端子
端子符號(hào)
端子說明
1