低负荷六轴工业机械手的设计与仿真.docx

低负荷六轴工业机械手的设计与仿真 低负荷六轴工业机械手的设计及仿真摘 要随着我国工业生产自动化进程的加速,工业机械手的使用变得更加普遍.本文结合机器人技术和虚拟样机技术,实现对机械本体的设计及优化、静力学仿真和样机的底层算法设计.首先,针对机器人技术和ABB、KUKA低负荷类工业机械臂实例进行大量知识储备和学习研究,确定多项设计参数,确定总体设计方案、传动方案.其次,根据设计的参数和方案,利用Solidwork软件以自上而下建模方式构建虚拟样机,并实现完整的装配、约束、材质设定、工艺参数设定.再次,根据三维模型利用MATLAB仿真出末端的工作范围,并对设计参数进行优化.根据新的参数确定电机、减速器设计参数,并利用Simulation插件对模型关键部件做应力和变形分析,实现模型再优化.最后在优化后的模型基础上,建立各个连杆对应的坐标系,完成虚拟样机的位姿描述,建立D-H方程, 实现末端及底座的位姿变换.根据D-H算法推算运动方程的解.关键词：虚拟样机技术；六轴工业机械手；优化设计；静力学仿真；D-H算法；逆解The Design and Simulation of Low-Payload 6-DOF Industrial Arm ABSTRACTAlong with the acceleration of the process industrial automation, industrial arms are utilized widely. In this paper, robotics and virtual prototyping technology were applied to finish the mechanical design and optimization, the statics simulation and the underlying algorithm design.Firstly, I prepared the knowledge of robotics technology and a lot of low-payload examples of ABB and KUKA industrial arms to determine the design parameters, the general design and the mechanical transmission scheme. Secondly, according to the design parameters, I built the model with Solidworks in top-down approach and finished the assembly, constraints, material setting and process parameters setting. Thirdly, MATLAB were applied to draw the scope of locus of the arm extremity to optimize the design parameters. The correct servo motor and decelerator were choose according to the new parameters. The stress and deformation analysis were finished with Simulation component to finish the optimization. Finally, the joint coordinates of each link were built to complete the description of the position and orientation of virtual prototype with the optimized model. D-H Algorithm were used to achieve the ends and the base transformation to calculate solutions of the movement equation.Key words：Virtual Prototyping Technology; Six-Axes Industrial Arm；Optimized Design; Static Simulation; D-H Algorithm; Inverse Solution48 / 50目 录前 言21 绪 论31.1工业机械手简介31.2工业机械手选题背景31.3工业机械手研究意义61.4研究内容62. 低负荷六自由度工业机械手方案设计72.1机械手设计定位72.2机械手设计方案准备72.2.1及机械手有关的概念82.2.2机械手分类82.2.3传动方案设计112.4确定设计参数123. 样机设计及优化143.1虚拟样机技术简介143.2 Solidworks软件及其插件介绍143.3机械手方案设计及分析153.3.1 初步建立机械手模型153.3.2传动部分的计算193.4电机及减速器的选择213.5机械手结构分析及优化233.5.1静应力分析233.5.2有限元分析及结构优化253.6机械手轨迹优化284. 基于MATLAB的六自由度机械手运动学方程求解294.1确定D-H坐标系304.2确定广义连杆坐标系的连杆参数304.3建立六自由度机械手数学模型314.4六自由度机械手求解314.4.1机械手位姿描述及转换基础324.4.2机械手运动分析334.4.3求解机械手的逆解355. 总结及展望36参考文献37附 录38致 谢39低负荷六轴工业机械手设计及仿真前 言工业自动化经过最近40多年的迅速发展,许多工业发达国家都开始广泛地采用工业机械手和自动化生产线,工业机器人技术作为先进制造业的典范,已成为一个国家制造业和科技水平的重要标志.通过查阅王兴松教授大量机器人技术教学视频和熊有伦教授早年大量文献资料和对机器人技术进行更加系统性的学习,通过对新松、ABB和KUKA多种型号的工业机械手的学习及分析,对国内外机器人现状有了比较深入的认识和详细的了解.在这样的基础上,结合低负荷通用六自由度工业机械手的设想,实现六自由度机械手方案创成、模型设计、静力学分析、仿真优化、底层算法设计.由于作者水平有限的,难免有错误和遗漏指正,请多多指正. 1 绪 论1.1工业机械手简介工业机械手可以模仿人的手臂,而且能够实现各种工业作业任务.这种具有多关节连结结构并允许在平面内或者三维空间进行运动或使用线性位移移动的机器人系统,由机械手部分、控制器部分、伺服系统部分、感应器部分构成,由控制系统根据作业需求设定指令动作,完成工业作业任务,其中六自由度工业机械手是最典型、应用广泛的工业机械手之一. 图1-1为KUKA公司的KR 16-2 CR机械手, KR 16-2用处广泛、操作灵便,几乎可以应用于全部行业的作业任务,比如物料的搬运及装卸、零件的安装、工件的装夹、原料的置入、部件的固定、物料的分拣、尺寸的测量和检测等,该机械手是典型的低负荷(5kg-16kg)通用六自由度机械手.图1-1 KUKA公司KR 16-2 CR机械手1.2工业机械手选题背景经过20世纪80年代初的工业机械手产品化历程,许多工业发达国家都开始广泛地采用工业机械手和自动化生产线, 在车辆工业、弱电和强电工业、机械加工工业、塑胶加工工业、食品加工、物流分拣运输等领域都得到广泛的使用,工业机器人技术作为先进制造业的典范,已成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志.截止2008年年底,全世界已经100万台左右不同类型的工业机械手. 国际机器人联合会(IFR)在2014年3月的报告披露,2013年全球机器人销售量168000台,是空前纪录的销售量.1随着新兴应用领域的不断发展,预计到2015年需求量如图1-2所示将达到 210000台.目前世界上工业机械手拥有量最多国家是日、美和德,这三个国家所安装的工业机器人占全世界安装数目的50%以上,其中汽车工业是工业机器人需求最为强劲的行业,在亚洲紧随其后的是电子及电气工业,在欧洲排在第二位的是橡胶和塑料行业2.图1-2 全球机器人新装机量及预测及此同时,我国工业机器人密度较低,如图1-3根据IFR数据显示,仅为25%,低于世界平均水平55%.随着我国制造业的升级、人口老龄化趋势和全球机器人产业的强劲发展,中国将成为工业机器人行业发展最快的地区,其年销售额约占全球市场的20%,增速或达30%.图1-3 全球制造业工业机器人密度2012年,我国60岁以上人口比例已超过9.4%,接近80年代的日本,我国进入老龄化社会,及此同时,工人平均工资快速提升,数据显示2012年制造业人均工资3.6万,是2000年的4倍.长三角、珠三角地区频现用工荒,劳动力成本飙升和劳动力供应减弱也将推进我国工业机械手技术推广。随着我国制造业大国地位的确立和巩固,工业机器人需求必将日益增加.我国拥有200多个专业机器人研发机构, “九五”期间,国家“863”计划确立以新松为龙头的智能机器人主题产业化基地.除此之外大连组台机床所、东风汽车公司等单位也在从事活跃的机器人技术项目.此外,科研机构和大学的研发工作也在进行.但是相对于技术领先、实力雄厚的安川、发那卡、酷卡、ABB,研发实力突出的川崎、现代重工、科马、不二越、松下,我国的新松、博实、首钢莫托曼(合资)等公司就显得创新不足、技术短缺.图1-4 国内机器人竞争格局近几年,我国工业机器人相关产品的年产销额已过十亿.我国的机器人研究及应用已经拥有一定的基础,但是我们在技术、研发、数量上都有巨大差距.如图1-4所示,我国在运行的工业机器人中,本土企业的销售额仅有4%.随着国家工业结构的调整和战略转型,对工业机器人系统的需求越来越大,我国的机器人工业会面对新机遇和新挑战,因此我们需要看准方向、增加对机器人技术的研发、投入和政策扶持,自主发展机器人技术,解决产业化前期的关键技术、形成具有竞争实力的产业链条.积极推进我国工业自动化进程. 1.3工业机械手研究意义提高自动化程度.工业机械手可以用来取代或帮助人们实现各种重复性作业,取代工人实现抓、握、按、拉插、挫、磨、刨等动作,实现了零件的运送、焊接、喷涂、装配的自动化,从而大大提高了工程的自动化程度.改善劳动条件,避免作业事故.在繁重、危险、恶劣的生产环境下,例如高温、高压、低温、低压、辐射、噪声、有毒的环境中,工业机械手可以部分或者全部取代工人的作业,减少环境对人体的伤害,同时避免因疲劳和疏忽造成的人身伤害事故.减轻人力劳动,提高生产效率.在机械加工工业、化工原料生产、包装、输送、土建工程、极端环境作业、凿岩采矿、食品加工等许多领域工业机械手被广泛使用,利用机械手取代人力劳动可以在一方面减少工业生产环节人的参及,另一方面,由于机械手可以持续24小时作业,便于生产控制,从而大大提高生产效率.低负荷的工业机器人在工业生产,特别是劳动密集型工业中,应用最为广泛.ABB、KUKA都有大量低负荷工业机械臂系列产品.1.4研究内容通过查阅大量教学视频、文献资料和对机器人技术的系统性学习,对国内外机器人现状有了比较深入的认识和详细的了解.在这样的基础上,实现低负荷通用六自由度工业机械手的设想,解决问题如下：(1)六自由度机械手方案创成.首先根据低载荷的设计要求,查阅大量资料,参考技术参数,完成低负荷六自由度机械手的设计参数、总体设计、传动方案.(2)样机的设计.根据设计的参数和方案,基于 Solidworks自上而下建模方式构建样机.(3)样机的仿真优化.根据虚拟样机仿真出末端的工作范围,并对设计参数进行优化.根据虚拟样机的参数和设计参数确定电机、减速器设计参数,并利用simulation插件对模型关键部件做应力和变形分析,对模型进行优化.(4)在完成的机器人结构的基础上,建立各个关节对应的坐标系,完成虚拟样机的位姿描述,建立D-H方程, 实现位姿变换.根据D-H算法确定六轴机械手的位姿变换，对机械手进行运动学分析,并计算方程的正解和逆解.2. 低负荷六自由度工业机械手方案设计2.1机械手设计定位在我国工业生产过程中,大部分作业任务由人工完成,工作环境危险,劳动强度大、效率低,无法满足竞争日益激烈的工业生产的要求,为了提高效率,降低成本 ,满足现代机械行业自动化生产的要求,应该根据生产流程,结合生产线实际情况,利用工业机器人技术,实现部分或者全部作业的自动化.低负荷六自由度工业机械手尤其适用于负荷较轻的作业,如搬运及装卸、包装及分拣、安装、置入、装夹、测量、检测或检验、固定、部件检测、打磨、抛光及粘接作业,应用广泛,适合大部分工厂的产品装配、部件搬运、性能检测等流水线作业任务.基于以上结论,进行机械手的设计.2.2机械手设计方案准备工业机械手是完成工业领域作业任务的多关节自动执行装置,依靠自身控制系统来实现各种功能.机械手的控制需要通过预先编排相应的程序和设置相应的传感器来来实现.本文主要讨论机械手的机械部分设计优化和运动控制过程中的底层控制算法.机械主体、驱动部分和控制部分三大基本功能模块构成机械手.主体即机械手的基座和执行机构,一般定义为机械手的臂部、腕部和手部,通用型机械手一般具有6个自由度,其中一般将三个自由度分配给臂部,三个自由度分配给腕部,手部一般通过气动、电动、液压等方式控制,且不计入总的自由度中.图1-2为KUKA公司ARC系列机械手,该系列机械手主要用于实现自动焊接,属于典型的腕部3个自由度,臂部3个自由度结构.图2-1 KUKA公司ARC HW VARIANT机械手2.2.1及机械手有关的概念自由度：杆件在没有约束的状态下可以沿着固接于其上的坐标系三个方向移动,也可以沿着三轴转动,我们称之为有6个自由度.工业机械手由多个关节连接,主要是移动和转动,我们将主动关节的数量叫做机械手的自由度数目.由于刚体在空间内有6个自由度,机器人要完成任意的空间作业,也最少要有6个自由度.运动副：两杆之间相对运动时,面接触构成低副,线接触或点接触构成高副.如图1-3所示,其中旋转副、移动副和螺旋副具有1个自由度,圆柱副具有2个自由度,平面副和球面副具有3个自由度.其中工业机械手最常用的关节种类是旋转关节、移动关节. 32.2.2机械手分类机械手分类的方法多种.（1） 按照机械手插补方式分类 点位控制型：机器人被控制的运动形式是按照由一个位置目标向另一个位置移动.最常见的应用是点焊机器人. 图2-2 六种低副机构连续轨迹控制型：机器人的各个组成关节同时被控制,导致末端产生连续轨迹的曲线运动,并且需要各个关节获得控制部分发出的角位移信号和角速度信息.最常见的应用是弧焊机器人. (2)按照机械手坐标形式分类机械手前3关节起到定位作用.下面来讨论这几种不同组合类型的名称.其中P表示移动关节,R表示转动关节.表2-1 机械手形式机械手关节关节关节旋转关节数直角坐标系PPP0圆柱坐标系RPP1球坐标系RRP2关节式RRR3SCARARRP2直角坐标系机械手,如图2-3-a所示,这种机械手外形轮廓和数控镗铣床或者三坐标测量仪相似,3个移动的关节相当于笛卡尔坐标系的X,Y,Z轴.这种结构的各个关节相互独立,不耦合,运动学求解过程容易,无奇异状态；缺点是安装过程中占地面积比较大,动作范围小,掌控不灵活.圆柱坐标系机械手,是以组成的坐标系,末端p的位置坐标是,其中是手臂的径向长；是手臂绕水平方向旋转的角度,z表示垂直轴高.此种型号的机械手,占地小,结构简单,如图2-3-b所示,.球坐标系机械手,以为坐标,位置可以表示成,如图2-3-c所示,该种机械手空间定位简单,手臂收回过程中容易及物体相碰,移动关节不宜保护.关节式机械手,这种机器人依靠肩关节和肘关节来定位,依靠腕关节定向,两个肩关节用来旋转和俯仰,如图2-3-d所示,这种机构的优点是控制灵活,工作范围大,结构紧凑、占地少,干涉小,关节部位旋转关节易密封,达到较好的防尘,机械手运动学较复杂 .进行控制时计算量比较大.图2-3六种不同坐标形式的机器人(a)直角坐标机器人(b)圆柱坐标机器人(c)球坐标机器人(d)多关节机器人e)平面多关节机器人SCARA机械手,常被称为平面多关节机械手,其结构特点是旋转关节的轴线相互平行,其移动关节用来实现控制末端在垂直平面的位置,手腕参考点的位置由两旋转关节和移动关节决定,即,如图2-3-e所示,该机械手的优点是结构轻便、响应速度快,适合装配过程中用来在平面内完成打螺丝的工作.4(3)按照机器人的驱动方式不同分类 机械手按驱动方式可分为电动、液动和气动.电气驱动最常用,可使用的电机有交流伺服电机、交流伺服电机和交流伺服电机.对于要求高速和重载的搬运常采用液压元件来驱动,可以实现平稳大负载传动.(4)按照机器人的功能不同分类工业机械手可用于搬运、装配、焊接、切削、喷涂等,可以依此分类.(5)机器人控制方式差异分类集中控制：在一台计算机上完成所有的控制功能,可以降低成本但延迟时间长,反应不灵敏. 主从控制：采用一级控制和两级两层处理器达到控制目的.总控制器运行管理、位姿变换、运动轨迹生成和系统诊断等程序；从控制器实现所有关节的旋转角度、角度加速度等运动控制.主从控制系统优点是实时性好,反应迅速,缺点是系统不便于扩展,故障不容易维修.分散控制方式：分散控制是当前的主流控制方式,其特征是根据不同的控制任务和特征分模块控制,每个模块任务不同.控制方式的实时性好,精度高 ,易于扩展,智能化.2.3机械手设计方案通过查阅ABB公司和KUKA公司的低负荷机械手产品参数,和查阅大量文献,初步确定低负荷六自由度机械手的设计参数、总体设计方案、传动方案.2.3.1总体方案设计该机械手可用于制造、装配、焊接过程中以取代繁重的人工劳动等.为了实现被加持物多种姿态,设计机械手自由度为6,采用交流伺服电机控制,设计负重16kg.旋转关节及平移关节相比,结构更加小巧、质量更小、可操作空间更大 ,关节设计实现过程中更加易于密封防尘.本设计综合多种工业机械手造型,使用了六个旋转关节,机器人自由度的分配如图2-4所示,其前后三个关节分别控制末端的位置和姿态.图2-4 六自由度机械手总体设计方案2.2.3传动方案设计根据总体结构方案,作机器人结构图.参考多种传动系统的设计,画出不同的传动方案.方案1如图2-5-a所示,腰部结构设计简明,方便应用重力进行力矩平衡,两臂的结构都很复杂,适用于高负荷机械手、设计难度大、传动链长,诱导运动多.方案2如图2-5-b所示,第1自由度采用蜗杆传动,对于蜗杆传动,能得到一部分传动比,结构设计紧凑,传动稳定、低噪、可自锁以防止滑动,虽然传动效率较低,在低负荷的设计要求下仍然可以满足要求；为了减磨耐磨,齿圈用青铜制造.第3自由度则采用平行四边形连杆机构传动,使两台电机和减速器均衡分布,稳定性高.综上所述,方案2整体设计大臂结构简单、综合低负荷的设计要求,最后确定方案2为较优方案,根据该方案完成设计. (a) (b)图2-5 六自由度机械手传动系统方案原理图 2.4确定设计参数机械手包括底座、驱动臂座、大手臂、小手臂、手腕、手爪和驱动部件.六个自由度,依次为臂座回转、大手臂俯仰、肘关节俯仰、小手臂回转、手腕俯仰,手腕回转.机械手采用电动机驱动.电机驱动的特点是构造简单、方便控制、容易更换、不污染环境等.电动机可以选择伺服电机或交流伺服电机.伺服电机可以形成闭环控制,更加方便控制,但是成本较高,一般使用伺服电机.6个关节都使用伺服电机驱动,. 直接使用电机驱动,要求电机输出扭矩巨大.考虑到低速运行的电机扭矩很小,无法达到机械手的扭矩要求, 角加速度的控制需要较大的扭矩,所以在每个电机部位使用减速器以增大扭矩.常用的机械臂减速器有谐波减速器和行星减速器.谐波减速器利用可控的柔性元件实现传动,精度高,传动平稳,体积不大、负载高、质量小,已广泛应用在现代机器人中.因此在上述关节处使用了谐波减速器. 现代机器人结构常用交叉滚子轴承和环形轴承.设计简单,精度高、刚度大,承载能力好和安装方便.但这些轴承价格昂贵,而使用普通的球轴承也能满足低负荷的设计要求,所以在机械手的结构中运用球轴承.参考KUKA和ABB的低负荷工业机械手设计参数,初步确定工业机械手的设计参数如表2-2所示.表2-2 机械手设计参数自由度6最大负荷16KG尺寸要求零点尺寸小于1050*1450*1000最大行程手臂旋转S(-185 o.,+185 o.)手臂进出L(-45 o, +45 o)手臂上下U(-20 o, +45 o)手腕转动R(-350 o, +350 o)手腕弯曲B(-100 o, +100 o)手腕扭转T(-350 o, +350 o)最大速度手臂旋转S156o/s(6KG)156 o/s(16KG)手臂进出L156 o/s156 o/s手臂上下U156 o/s156 o/s手腕转动R343 o/s330 o/s手腕弯曲B330 o/s330 o/s手腕扭转T 659 o/s 615 o/s1800*2000最大到达范围3. 样机设计及优化根据设计的参数和方案运用虚拟样机软件Solidworks进行样机3D模型建立,并根据虚拟样机仿真出末端的工作范围,对设计参数进行优化.根据虚拟样机的参数和设计参数确定电机、减速器设计参数,并利用simulation插件对模型关键部件做应力和变形分析,对模型进行优化.3.1虚拟样机技术简介虚拟样机技术在是80年兴起,其概念尚处于发展中.这种数字化设计方法, 整合各个领域CAx/DFx(计算机辅助/面向产品生命周期)技术.虚拟样机技术融合了先进的计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程、辅助过程控制、面向制造的设计、面向装配的设计、面向性能的设计、绿色设计技术,将应用于这些技术完成产品的虚拟化全方位设计分析评估.基于虚拟样机技术的设计可以极大的减少产品设计时间,减少设计过程中的错误,避免浪费,优化产品性能,提高产品质量.3.2 Solidworks软件及其插件介绍SolidWorks是最著名CAD软件品牌之一,Solidworks功能强大、容易学习方便使用.SolidWorks可以减少设计过程中的错误,优化出高质量产品.Solidworks不仅自身插件很多,而且合作兼容的外部接口也很多,以下为Solidworks部分插件介绍：Simulation插件可以实现简单的初步分析.包括静态受力分析、杆件静态扭矩、非线性分析、扭曲分析、容积压力测试、疲劳测试、设计分析及优化、热力分析、线性动态分析等.Motion插件可以通过完整的运动性建模来实现计算零部件运动.分析弹簧、阻尼、马达及摩擦的模型中的力.同时可以生成动画运动算例,用来显示零件在机械装置中的移动.Sustainability 插件可以评估设计在产品整个生命周期过程中对环境的影响,并显示如何降低零件对环境的影响.3.3机械手方案设计及分析为了保证机械手运转平稳,装配方便,提高寿命,减少噪声,实现互换性,根据机械设计手册,按照金属切削机床设计机械手传动部分齿轮的传动精度为7级.从工艺角度分别建立机械手样机.3.3.1 初步建立机械手模型装配样机如图3-1所示,其中等效连杆0-6分别对应图2-5中的连杆.连杆的尺寸构成如表3-1所示,此过程将抽象的连杆参数转化为具体的构件参数.图3-1六轴机械手装配方案等效连杆0对应底座部分,等效连杆1对应腰部回转部分,等效连杆2对应大手臂部分,等效连杆3对应小手臂部分,等效连杆4对应手腕部分,等效连杆5对应末端执行器.表3-1 连杆构件组成等效连杆序号等效连杆组成部件等效连杆0底座、底盘旋转涡轮箱等效连杆1驱动臂座等效连杆2大手臂等效连杆3肘关节部分等效连杆4小手臂等效连杆5手腕等效连杆6末端夹手各部件组成和功能描述如下：（1） 底座部分底座部分由以下几部分组成,共计16个零件(如图3-2)：安装底座、旋转涡轮箱、电机、底盘旋转涡轮轴、底盘旋转涡轮轴上油封、底盘旋转涡轮轴上法兰、底盘旋转涡轮轴上法兰轴承16032、底盘旋转轴承51315、底盘旋转涡轮轴下法兰轴承6215(两个)、底盘法兰盘、底盘旋转涡轮和底盘旋转蜗杆、底盘旋转下法兰、底盘旋转蜗杆电机法兰、底盘旋转蜗杆轴承法兰.上述零件中,旋转涡轮箱外壳用于支撑和保护,油封由橡胶材料制成用于密封防尘.底部采用的轴承分两类,一类是平面推力球轴承,如底盘旋转轴承51315,平面推力球轴承可以承受轴向负荷.另一类是最常用的深沟球轴承,如底盘旋转涡轮轴上法兰轴承16032、底盘旋转涡轮轴下法兰轴承6215.深沟球轴承设计简单,是使用范围最广的一类标准件轴承.可以用来承受径向载荷和一定的轴向载荷.和尺寸相似的其他类轴承相比,该轴承的特点是摩擦因数小,转速高.对于底座部分,采用HT150铁素体珠光体灰铸铁,该铸铁的特点是性能优秀,工艺简单,时效应力小,不用人工时效,具有机械强度高,减震性良好,常用于一般机械制造中的铸件.蜗轮蜗杆传动部分,采用阿基米德圆柱蜗杆,模数均选为5.0,传动比为6,涡轮Z1=10,涡轮选用Z2=60.由于蜗杆涡轮啮合过程中相对滑动速度较大,摩擦大,磨损严重,传动效率不高,易出现发热现象,所以蜗轮的轮缘要使用耐磨材料,硬度要低些,使用型号为ZQAl9-4的铸铝铁青铜,蜗杆使用45#钢调质处理.除标准件外,本部分其余材料选用强度良好的#45钢.图3-2 底盘透视装配图（2） 腰部回转部分腰部回转部分是驱动臂座,该部分的精度对机械手末端精度影响很大,需要选用耐磨高强度材质铸造完成.如图2-7所示,为了增加驱动臂座刚度,在臂座的两耳设置肋板.材质为高强度的耐磨铸铁,即 MTCrMoCu-235,材料抗拉强度为、是235 MPa,硬度为200250HBS,该铸铁常用用于活塞环、机床床身、卷筒、密封圈等耐磨零件.图3-3 驱动臂座（3） 大手臂部分大手臂部分主要包括手臂、减速器、安装法兰.手臂和安装法兰选用材质为高强度的铸造碳钢.为了提高手臂抗变形那能力.分别设计加强筋如图3-4所示，采用焊接工艺焊接完成.图3-4 驱动臂座（4） 肘关节部分肘关节部分主要包括连杆电机减速器、安装法兰、连杆减速器、连杆轴承套、连杆轴传动轴、连杆、连杆轴承盖、连杆轴承盖2、小手臂关节轴心、小手臂关节轴承、小手臂关节轴心1、小手臂关节轴承2,如图3-5所示.非标准件的材质选用耐磨铸铁.图3-5 肘关节部分（5） 小手臂部分小手臂部分包括腕部电机齿轮箱、手腕电机1、手腕电机2、手腕电机3、手腕减速器1、腕部直齿4<3>、腕部直齿3<1>、腕部中心轴2<1>、手腕6002轴承、手腕6002轴承、小手臂旋转法兰轴承隔套、手腕减速器2、手腕电机齿轮连接轴、手腕直齿4<1>、手腕直齿1<1>、腕部中心轴3<1>、手腕61902轴承、手腕61902轴承、手腕小齿、腕部中心轴前端锁帽、腕部中心轴前端锁帽<2>、前爪固定盘、前爪法兰、手腕大齿2<1>、手腕大齿2<1>、小手臂旋转轴承法兰、小手臂骨架油封、61908轴承、61908轴承、手腕减速器3、手腕电机齿轮连接轴2<1>、手腕直齿4<2>、手腕直齿2<1>、小手臂旋转后法兰、腕部中心轴、手腕61908轴承<3>、手腕61908轴承<5>、手腕61908轴承<4>、手腕61908轴承<2>、小手臂旋转法兰、轴承1<1>、轴承1<2>,如图3-6所示.非标准件的材质选用耐磨铸铁.图3-6 手腕部分(6)手腕为实现不同的功能,具有拾取不同形状的物体功能,设计不同的末端执行器.在抓取功能的实现中在指尖的平面上贴传感器片,进行抓力大小的控制.手腕组成为手腕小齿、手腕轴1、手腕轴1、16011轴承、手臂前端旋转法兰、前爪法兰侧盘、小手腕旋转齿轮、小手腕锥齿轮旋转中心轴、6007轴承、手腕前端锥齿、手腕前端锥齿、腕部前端中心轴、前爪法兰侧板金盘、16011轴承、手腕前爪连接轴、6204轴承、手腕前端轴承顶套、手腕61907轴承、手腕61907轴承、腕部中心轴骨架油封.非标准件的材质选用耐磨铸铁. 3.3.2传动部分的计算 传动部分采用多种传动方式,包括直齿轮传动、锥齿轮传动、涡轮蜗杆传动.为了提高电机扭矩,达到设计目的,还安装了不同类型的减速器,主要包括RV减速器和谐波减速器. RV减速机由行星齿轮减速器的一部分和摆针减速器的一部分构成,特点是结构小,传动比大,可以实现自锁,噪声小、耗能少.钢度大.谐波减速器性能及RV减速器相似. 图3-7 末端执行部分透视图对于机械手本体齿类零件传动的计算,根据传动链,绘制出每个自由度的传动简图,并给出传动参数,如表3-1所示,为了方便表示,将各传动部件重新编号.对于齿轮工艺参数的确定,因为机械手臂是一般机械,大小齿轮都采用45号钢,使用软齿面,小齿轮做调质处理,使用八级精度. 表3-1 传动链参数统计传动链简图标记模数齿数齿轮外径齿顶角传动比1.15.0102061.25.060204.12.01632202.93754.22.04794205.12.016322025.22.03264205.32.040205.42.040206.12.01632201.256.22.02040206.32.020206.42.020206.52.04590206.62.04590206.72.025206.82.02520对于压力角,根据我国国标,对于一般用途的齿轮传动桂东的压力角=20.对于齿数的选择,当中心距a相同,提高齿轮齿数,可以提高齿轮啮合的重合度、提高齿轮传动平稳性,减小模数降低齿轮高度,节省制造费用.同时降低齿高还可以减小滚动速度,减低磨损胶合的可能.随之模数的减小,齿轮厚度也会变薄,要求降低齿轮的弯曲程度,综上,当承载力取决于接触强度时,在一定Z范围内,应该增大齿数.对于涡轮蜗杆传动,如图3-8所示,由于齿轮以软齿面开式传动,不会导致齿面点蚀.参照其他机械手的设计确定齿轮设计参数,并按照齿根疲劳强度校核齿轮传动的主要参数和尺寸.图3-8 底盘涡轮蜗杆 3.4电机及减速器的选择电机和减速器的选择主要参考伺服电机功率和转矩两方面的性能参数,由于机械手在位姿不同,其转动惯量不同,需要的电机转速和转矩都不相同,所以选取机械手最恶劣的工作姿态5,计算电机功率或者扭矩,此时的扭矩或功率满足要求,则选取的电机可以满足要求.首先要求出模型各个部分的质量,综合负载才能进行计算.利用Solidworks质量属性,可以计算出装配图的质量属性报告,为了更加逼真的反映转动过程中的转动惯量,分别设置第二、三电机质量为10KG,第二、三减速器的质量为6KG,第四、五、六电机的质量为3.2kg,第四、五、六减速器的质量为2KG,得到装配体质量300.16KG,利用同样方法求出机械手各部分质量,如表3-2所示.表3-2 机械手各部分转动过程的等效质量机械手部分对应质量(KG)驱动臂座部分18+32=50大手臂部分24肘部部分37小手臂部分17手腕部分5底座部分167最大负载16第一轴电机的选择,在机械手最恶劣的状态下(接近伸直),设驱动臂部分、大手臂部分、小手臂部分、手腕部分(包含最大负载)绕各自重心轴的转动惯量分别是：、,通过机器人静力学知识,得到环绕第一轴转动的最大等效转动惯量：= =84.3667 其中,所以在质量参数的基础上取,(50,24,17,21)分别为驱动臂座部分、大手臂部分、小手臂部分、手腕部分(包含最大负载)的等效质量,、分别表示各重心到第一关节原点的距离,其值大致为470 mm、660mm、1130mm、1400mm, ,可忽略不计.故=84.37电机转矩,w1=2.72 rad/s ,取 ,则=2.72 rad/s2.=229.5考虑到蜗轮蜗杆摩擦力的存在,取安全系数为1.6,则=367.考虑到第一轴存在传动比为=6的涡轮蜗杆传动,设涡轮蜗杆传动效率为70%,该关节最大转速为12r/min,则减速减速器输入转速为72 r/min,由于传动比为30时没有合适扭矩的减速器,选取帝人RV-20E -57 -25T型号减速器,传动比为57.则电机输出扭矩T1电机=87.4/57*0.8=2.0,其中减速器传动效率是80%.对于伺服电机的选择,根据功率=837w,(n=4000)输出转矩T1电机=87.4/57*0.8=2.0两个参数确定伺服电机的型号南京华兴110ST-M04030,带电磁制动器, 使用南京华兴SD15M伺服控制器, 额定功率1200W,转速3000rpm,额定扭矩4Nm.其余各个轴的电机和减速器的选择方法,通过运算分别选择各个轴的伺服电机的型号电机.第二轴以驱动臂座和大臂的连界面为原点,最大加速度去2.72,安全系数1.5分别求出各个关节的最大扭矩,第六关节最大扭矩确定第二关节和第三