关节型机器人腕部结构及控制系统设计-机器人腕部结构设计说明书

关节型机器人腕部结构及控制系统设计摘 要为了提高生产效率，满足一些特定的工作要求，本题设计的关节型机器人的手腕用于焊接、喷漆等方面。通过合理的设计计算，拟定了手腕的传动路径，选用直流电动机，合理布置了电机、轴和齿轮，设计了齿轮和轴的结构，实现了摆腕、转腕和提腕的三个自由度的要求。设计中大多采用了标准件和常用件，降低了设计和制造成本。关键词：自由度，关节型机器人，手腕ABSRACTIn order to improve production efficiency and meet some of the specific requirements, design of ontology of robot wrist joints used for welding, paint, etc. Through the reasonable design calculation, the transmission path, choose the wrist, reasonable decorate a dc motor, gear axle and gear axle, design and realization of the structure, the pendulum wrist, turn the wrist and wrist three degrees of freedom. In the design of the standard and common people, the design and manufacturing cost.Keywords: freedom, Joint robot, The wrist目录1 绪论11.1 选题背景及意义11.2 文献综述（国内外发展和研究现状）21.3 机器人的现状与发展32手腕结构的确定73.基本参数的确定4电机的选择83.1提腕电机的选择83.2摆腕和转腕电机的选择85总传动比的确定及传动比的分配94.1各级传动比的计算94.2传动比的分配96齿轮设计105.1偏转部分齿轮设计5.2摆腕部分齿轮设计5.3转腕部分齿轮设计7轴的设计与校核6.1轴的结构设计6.2轴的校核计算8控制系统设计7.1控制方法的确定7.3 PLC的IO图绘制7.4 PLC梯形图设计结论参考文献致谢1绪论1.1 选题背景及其意义 本题设计的是关节型机器人腕部结构，主要是整体方案设计和手腕的结构设计及控制系统设计，此课题来源于实际生产，对于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成都要求高，因此采用机器人技术，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力，实现生产过程自动化，改善劳动条件。题目要求是：动作范围：手腕回转,摆动,旋转。各轴最大速度要求：。额定载荷，最大速度。2、腕部最大负荷：5kg。机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。自古以来,人们所设想的机器人一般是一种在外形和功能上均能模拟人类智能的机器。特别是在20世纪20年代前后,捷克和美国的一些科幻作家创作了一批关于未来机器人与人类共处中可能发生的故事之类的文学作品,更使机器人在人们的思想中成为一种无所不能的“超人”。在现实生活中,一些民间工匠根据这些文学描绘,也制造出一些仿人或仿生的机器人。然而在当时的科技条件下,要使机器人具有某种特殊的“智能”而成为“超人”,显然是不可能的。美国的戴沃尔设想了一种可控制的机械手,他首先突破了对机器人的传统观点,提出机器人并不一定必须像人,但是必须能做一些人的工作。1954年,他依据这一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装置,发表了适用于重复作业的通用性工业机器人一文,并获得了美国专利。戴沃尔将遥控操纵器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴联结在一起,预定的机械手动作一经编程输入后,机械等就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人也可以接受示教而完成各种简单任务。示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列记录在数字存储器中，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列。1.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势） 随着全球能源短缺、环境污染以及温室效应等问题的日益突显。寻找可持续的能源近年来，工业机器人的应用越来越广泛，种种迹象表明工业自动化时代已经到来，工业机器人极有可能成为下一个迎来爆发式增长的新兴产业。另一方面，中国工业机器人产业正处于前所未有的机遇期，政策红利、工业转型升级需求释放等机遇叠加，但中国工业机器人产业化发展却不尽如人意，产业化进程发展缓慢。工业机器人是生产过程中的关键设备，可用于安装、制造、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车及汽车零部件、电气电子、化工、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版等众多行业，应用领域广泛。产业具备加速发展条件，中国工业机器人的规模、分布、技术、应用是产业加速发展的基础和条件。总体来看，中国工业机器人产业处于起步期，整体规模较小；受产业发展阶段影响，龙头企业多分布在研发集中的东北地区；技术投入虽逐年增长，但核心技术尚未产业化；人力替代需求旺盛，市场应用前景广阔。国际工业机器人协会统计资料显示，20082012年，我国工业机器人平均每年安装量约15000台，2012年新安装量24800台。工业机器人产业经过20多年发展，基本实现了从试验、引进到自主开发的转变。中国目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。但我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的差距，主要体现在：产品可靠性、精确度低于国外产品；机器人应用领域较窄，生产线系统技术与国外比仍有差距；自主创新不足，诸多技术方面停留在仿制层面，关键零部件依赖进口，特别是在高性能交流伺服电机和高精密减速器方面的差距尤为明显；在加工工艺方面，国内厂商的热处理技术较弱，直接影响工业机器人的控制精度。当前，我国的机器人生产品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本高，而且质量、可靠性都不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。目前，工业机器人产业发展处于内外部机遇叠加的重要发展期，工业转型升级推动装备产业发展、人口增长趋势有利于释放市场容量、商业模式创新活跃。同时，工业机器人产业经过初期的技术积累和产品市场规模的不断扩大，正逐步接近产业化快速发展的临界点。工业机器人是我国制造业转型升级必不可少的高端装备，是我国“十二五”规划中重点发展的七大战略性新兴产业之一，也是其他新兴产业发展的重要基础。随着我国产业转型升级的逐步推进，对以工业机器人为代表的智能装备的需求，将呈爆发式增长。 工业机器人产业作为战略性新兴产业，其产业化的快速发展与商业模式的创新密不可分。工业机器人产业已经具备了基础技术条件，足以支撑产业化的快速发展。商业模式的建立有利于加快形成工业机器人产业体系，改变原有的产业形态。在信息技术、互联网技术基础上积累的商业模式创新经验，为工业机器人产业的发展提供了可资借鉴的良好经验。机器人的应用，是从特种作业领域，逐渐向工业装备领域进行大规模市场拓展的，目前在众多领域已呈爆发式增长。同时，中国工业机器人面临巨大挑战。产业发展缺乏战略层面规划，难以适应现阶段产业化加速发展的要求；技术创新能力薄弱，关键零部件仍难以走出实验室实现产业化，缺乏核心竞争力；在国外企业垄断全球市场的格局下，传统模仿跟随的发展路径与加速做大总量的现实需求不匹配。产业发展政策与产业发展阶段不协调。众多国家级重大项目涉及机器人领域，各地方政府也在大力投资机器人产业。但目前工业机器人还没有建立起产业体系，管理缺失，导致产业规划、政策研究、标准体系建设等行业重点工作存在缺位。2手腕结构的确定手腕是联接手臂和末端执行器的部件，处于机器人操作机的最末端，其功能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个坐标位置的基础上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，即实现三个自由度。如下图所示，三个电机成三角形分布。 图21 传动原理图基本参数的确定空间结构和手腕结构的确定，那么手腕回转、手腕摆动、和手腕旋转三个姿态的自由度也得到了实现。表3-2 机器人的主要规格参数动作范围手腕回转手腕摆动手腕旋转额定载荷最大速度4手腕详细设计说明 本课题的机器人将采用直流伺服电动机。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。4.1手腕电机的选择4.1.1提腕电机的选择手腕的最大负荷重量，初估腕部的重量，最大运动速度V=3m/s 功率取安全系数为1.2，考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率。执行机构的最大转速为n=r/min经查表按推荐的传动比合理范围i=,电动机转速范围是n=1988到11440r/min选择Z型并励直流电动机，技术参数如下 表4-1 Z型并励直流电动机技术参数型 号额定电压 （V）额定转矩(N/m)额定转速 (r/m)参考功率 (W)重量 (kg)Z200/20-400 200 2.86 2000 600 5.54.1.2摆腕和转腕电机的选择根据设计要求取相同型号的电机，选择Z型并励直流电动机，型号为Z200/20-400。 4.2传动比的确定4.2.1总传动比的确定 转腕传动比的确定 由上面算的n=286。47r/min最后求得总传动比i总8 取整i总=8同理：提腕腕传动比的确定i总16 摆腕腕的传动比：i总144.3传动比的分配a转腕传动比的分配 b提腕传动比的分配 C摆腕传动比的分配 5.齿轮的设计5.1提腕部分齿轮设计 A. 第一极圆柱齿轮传动齿轮采用45号钢，锻造毛坯，正火处理后齿面硬度170190HBS，齿轮精度等级为7极。取 。a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b.按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 （41）其中， ， 选择材料的接触疲劳极根应力为： 选择材料的接触疲劳极根应力为： 应力循环次数N由下列公式计算可得 （4-2） 则 接触疲劳寿命系数,弯曲疲劳寿命系数接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数,又，试选。求许用接触应力和许用弯曲应力：将有关值代入（41）得：则 动载荷系数；使用系数；动载荷分布不均匀系数；齿间载荷分配系数，则修正 取标准模数。 c.计算基本尺寸d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数， 取 校核两齿轮的弯曲强度 （43） 所以齿轮完全达到要求。 表51 齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙由于小齿轮分度圆直径较小，考虑到结构，小齿轮将做成齿轮轴。B. 第二极圆柱齿轮传动 齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为7极。取.在上面已经算出模数m=2,所以第二级齿轮的参数如下： 表52 齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙 a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b. 按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度的设计表达式 （44）其中， ，选择材料的接触疲劳极根应力为： 选择材料的接触疲劳极根应力为： 应力循环次数N由下式计算可得 （4-5） 则 接触疲劳寿命系数,弯曲疲劳寿命系数接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数,又，试选。求许用接触应力和许用弯曲应力：将有关值代入（44）得：则 动载荷系数；使用系数；齿向载荷分布不均匀系数；齿间载荷分配系数取，则修正 取标准模数。 c.计算基本尺寸d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数， 取 校核两齿轮的弯曲强度 （4-6） 所以齿轮完全达到要求。表53齿轮的几何尺寸符号公式分度圆直径 齿顶高齿根高齿顶圆直径 齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽由于小齿轮的分度圆直径较小，所以作成齿轮轴。5.2提腕腕部分齿轮设计第一极圆柱齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为7极。取。a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b.按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 （41）其中， ，P=mgV=10*10*3=300w/s n=150r/s 选择材料的接触疲劳极根应力为： 选择材料的接触疲劳极根应力为： 应力循环次数N由下列公式计算可得 （4-2） 则 接触疲劳寿命系数,弯曲疲劳寿命系数接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数,又，试选。求许用接触应力和许用弯曲应力：将有关值代入（41）得：则 动载荷系数；使用系数；动载荷分布不均匀系数；齿间载荷分配系数，则修正 取标准模数。 c.计算基本尺寸d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数， 取 校核两齿轮的弯曲强度 （43） 所以齿轮完全达到要求。名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙 表54齿轮的几何尺寸第二级传动使用圆柱齿轮传动，齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为7极。取。经计算齿轮满足要求。名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙 表55齿轮的几何尺寸5.3摆腕腕部分齿轮设计第一极圆柱齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为7极。取。经计算齿轮满足要求。小齿轮作成齿轮轴。a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b.按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 （41）其中， ，P=mgV=10*10*3=300w/s n=150r/s 选择材料的接触疲劳极根应力为： 选择材料的接触疲劳极根应力为： 应力循环次数N由下列公式计算可得 （4-2） 则 接触疲劳寿命系数,弯曲疲劳寿命系数接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数,又，试选。求许用接触应力和许用弯曲应力：将有关值代入（41）得：则 动载荷系数；使用系数；动载荷分布不均匀系数；齿间载荷分配系数，则修正 取标准模数。 c.计算基本尺寸d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数， 取 校核两齿轮的弯曲强度 （43） 所以齿轮完全达到要求。 表56齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙第二极圆锥齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为7极。取。经计算齿轮满足要求。小齿轮作成齿轮轴。 a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b. 按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度的设计表达式 （44）其中， ，P=w/s n=143r/min选择材料的接触疲劳极根应力为： 选择材料的接触疲劳极根应力为： 应力循环次数N由下式计算可得 （4-5） 则 接触疲劳寿命系数,弯曲疲劳寿命系数接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数,又，试选。求许用接触应力和许用弯曲应力：将有关值代入（44）得：则 动载荷系数；使用系数；齿向载荷分布不均匀系数；齿间载荷分配系数取，则修正 取标准模数。 c.计算基本尺寸d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数， 取 校核两齿轮的弯曲强度 （4-6） 所以齿轮完全达到要求。表57齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径 齿顶高齿根高齿顶圆直径 齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽6轴的设计和校核轴的结构决定于受力情况、轴上零件的布置和固定方式、轴承的类型和尺寸、轴的毛坯，制造和装配工艺、以及运输、安装等条件。轴的结构，应使轴受力合理，避免或减轻应力集中，有良好的工艺性，并使轴上零件定位可靠、装配方便。对于要求刚度大的轴，还应该从结构上考虑减少轴的变形。6.1摆腕输入轴的设计a:轴的材料为45号刚，调制处理。（1）求输入功率，转速和转矩。根据电机的基本参数可以知道p1=0.6kwn1=2000r/min T1=95500002860N/mm2初步确定轴的最小直径。 取A0=112，于是得dmin=A0=112=10mm根据联轴器的型号选轴的最小直径是12mmb: 各段轴径和长度的确定初估轴径后，就可按照轴上零件的安装顺序从处开始逐段确定轴径，上面计算的是轴段1的直径d1=12mm，L1=10mm。 轴段2要起到过度作用，所以取d2=22mm,L2=33mm。轴段3的d3=30mm,L3=5mm。轴段4要做成齿轮轴所以取d4=44mm,L4=42mm。轴段5，d5=d3=30mm,L5=20mm。轴段6考虑要安装轴承，内径要符合轴承安装条件，所以取d6=25mm,L6=16mm。（2）轴的强度校核 轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准则是满足轴的强度或刚度要求。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的方法，并恰当地选取其许用应力，对于用于传递转矩的轴应按扭转强度条件计算，对于只受弯矩的轴（心轴）应按弯曲强度条件计算，两者都具备的按疲劳强度条件进行精确校核等。 图42轴的受力分析和弯扭矩图a 轴上的转矩T：主轴上的传递的功率：P轴kw （4-8）求作用在齿轮上的力：Nb 画轴的受力简图 见图42c 计算轴的支撑反力在水平面上FNH2在垂直面上d 画弯矩图 见图42在水平面上，剖面左侧剖面右侧在垂直面上 合成弯矩，剖面左侧 剖面右侧 e 画转矩图 见图42 f. 判断危险截面 截面左右的合成弯矩左侧相对右侧大些，扭矩为T，则判断左侧为危险截面，只要左侧满足强度校核就行了。g.轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力， 截面左侧 h. 轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度 ，弯曲疲劳强度，剪切疲劳极限，等效系数， 截面左侧查得，；查得绝对尺寸系数，；轴经磨削加工，表面质量系数。则弯曲应力 ，应力幅 平均应力 切应力 安全系数 查许用安全系数，显然，则剖面安全。 6.2提腕的输入轴的设计与校核。a:轴的材料为45号刚，调制处理。 1 求输入功率，转速和转矩。 根据电机的基本参数可以知道p1=0.6kw n1=2000r/min T1=95500002860N/mm 2初步确定轴的最小直径。 取A0=112，于是得dmin=A0=112=10mm 根据联轴器的型号选轴的最小直径是12mm。所以轴段1d1=12mm,L1=39mm.轴段2是齿轮轴，根据齿轮的尺寸确定d2=40mm,L2=33mm。2.2轴的强度校核a 轴上的转矩T：主轴上的传递的功率：P轴kw （4-8）求作用在齿轮上的力： N Nb 画轴的受力简图 见图42c 计算轴的支撑反力在水平面上FNH1在垂直面上d 画弯矩图 见图42在水平面上，剖面左侧剖面右侧在垂直面上 合成弯矩，剖面左侧 剖面右侧 e 画转矩图 见图42 f. 判断危险截面 截面左右的合成弯矩左侧相对右侧大些，扭矩为T，则判断左侧为危险截面，只要左侧满足强度校核就行了。g.轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力， 截面左侧 h. 轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度 ，弯曲疲劳强度，剪切疲劳极限，等效系数， 截面左侧查得，；查得绝对尺寸系数，；轴经磨削加工，表面质量系数。则弯曲应力 ，应力幅 平均应力 切应力 安全系数 查许用安全系数，显然，则剖面安全。6.3提腕的输出轴的设计。a:轴的材料为45号刚，调制处理。 （1）. 求输出轴上的功率P3，转速n3和转矩T3 取每级齿轮传动的效率（包括轴承效率在内），则KW r/min （2）初步确定轴的最小直径 取A0=112，于是得dmin=A0=112=18mm输出轴的最小直径显然是安装轴承的直径d1=20mm,L1=16mm。轴段2的直径d2根据齿轮的尺寸选择d2=39mm,L2=36mm。轴段3由于轴段3要固定在箱体上而且要起到连接转腕部分的箱体，所以考虑下来选择d3=20mm,L3=65mm。（3）轴的强度校核a 轴上的转矩T：主轴上的传递的功率：KW r/min 求作用在齿轮上的力： N Nb 画轴的受力简图 见图42c 计算轴的支撑反力在水平面上FNH2在垂直面上d 画弯矩图 见图42在水平面上，剖面左侧剖面右侧在垂直面上 合成弯矩，剖面左侧 剖面右侧 e 画转矩图 见图42 f. 判断危险截面 截面左右的合成弯矩左侧相对右侧大些，扭矩为T，则判断左侧为危险截面，只要左侧满足强度校核就行了。g.轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力， 截面左侧 h. 轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度 ，弯曲疲劳强度，剪切疲劳极限，等效系数， 截面左侧查得，；查得绝对尺寸系数，；轴经磨削加工，表面质量系数。则弯曲应力 ，应力幅 平均应力 切应力 安全系数 查许用安全系数，显然，则剖面安全。6.4转腕的输入轴的设计与校核。a:轴的材料为45号刚，调制处理。 1 求输入功率，转速和转矩。 根据电机的基本参数可以知道p1=0.6kw n1=2000r/min T1=95500002860N/mm 2初步确定轴的最小直径。 取A0=112，于是得dmin=A0=112=10mm 根据联轴器的型号选轴的最小直径是10mm。所以轴段1d1=10mm,L1=21mm.轴段2是齿轮轴，根据齿轮的尺寸确定d2=56mm,L2=32mm。a 轴上的转矩T：主轴上的传递的功率：P轴kw （4-8）求作用在齿轮上的力： N N b 画轴的受力简图 见图42c 计算轴的支撑反力在水平面上FNH139.6N 在垂直面上d 画弯矩图 见图42在水平面上，剖面左侧剖面右侧在垂直面上 合成弯矩，剖面左侧 剖面右侧 e 画转矩图 见图42 f. 判断危险截面 截面左右的合成弯矩右侧相对右侧大些，扭矩为T，则判断右侧为危险截面，只要右侧满足强度校核就行了。g.轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力， 截面右侧 h. 轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度 ，弯曲疲劳强度，剪切疲劳极限，等效系数， 截面右侧查得，；查得绝对尺寸系数，；轴经磨削加工，表面质量系数。则弯曲应力 ，应力幅 平均应力 切应力 安全系数 查许用安全系数，显然，则剖面安全6.5转腕的输出轴的设计与校核。a:轴的材料为45号刚，调制处理。（ 1）. 求输出轴上的功率P3，转速n3和转矩T3 取每级齿轮传动的效率（包括轴承效率在内），则KW r/min （2）初步确定轴的最小直径 取A0=112，于是得dmin=A0=112=14.68mm输出轴的最小直径显然是安装轴承的直径d1=20mm,L1=16mm。轴段2的直径d2根据齿轮和键的的尺寸选择d2=40mm,L2=33mm。轴段3由于轴段3要固定在箱体上而且要起到连接外部，也需要连接轴承，所以考虑下来选择d3=20mm,L3=78mm。（3）轴的校核a 轴上的转矩T：主轴上的传递的功率：KW r/min 求作用在齿轮上的力： N Nb 画轴的受力简图 见图42c 计算轴的支撑反力在水平面上FNH2在垂直面上d 画弯矩图 见图42在水平面上，剖面左侧剖面右侧在垂直面上 合成弯矩，剖面左侧 剖面右侧 e 画转矩图 见图42 f. 判断危险截面 截面左右的合成弯矩左侧相对右侧大些，扭矩为T，则判断左侧为危险截面，只要左侧满足强度校核就行了。g.轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力， 截面左侧 h. 轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度 ，弯曲疲劳强度，剪切疲劳极限，等效系数， 截面左侧查得，；查得绝对尺寸系数，；轴经磨削加工，表面质量系数。则弯曲应力 ，应力幅 平均应力 切应力 安全系数 查许用安全系数，显然，则剖面安全。7.电气控制7.1控制方法的选择。 系统在本课题中，选择PLC进行系统的控制，由于本课题设计的只是关节型机器人的手腕部分，并不是整个手臂的设计，所以无法通过运动仿真来建立数学模型。相对于单片机来说，PLC有编程方便，控制原理方便等优势，所以在本课题中采用PLC来控制。7.2系统结构设计由于本课题采用的是直流电机，所以在控制方面采用的是双闭环直流调速系统。系统结构图如下图7-1系统结构图从图7-1中可见PLC要从外部输入电流反馈和转速信号，输出触发脉冲信号，其工作均在PLC内部完成，数字给定也是用软件方法在PLC内设定。（1）转速给定环节速度给定信号是调速系统的主令控制信号，模拟系统中常用电位器调节给出：在PLC构成的DDC系统中，则可以用FX2的功能指令倾斜指令来完成。（2）转速检测环节本系统速度检测采用主轴脉冲发生器作为速度反馈检测元件，它可将转速换成频率信号，以脉冲的方式输入PLC，通过计数器定时计数即可测出电机主轴转速。在转速电流双闭环调速系统中，根据工程实际情况一般转速环的采样周期取10ms，为此使用10ms定时计数方法来测量速度。在FX2系列PLC中，设有“速度检测”功能指令，它可测出10ms内的脉冲数，并将其送给PLC内的数据寄存器用于速度检测。调速系统中检测码盘装在电机主轴上，以速度N (rmin)转动，接近开头将转速换成脉冲信号送至FX2的高速计数输入端X0号端子。（3）电流检测环节本系统电流检测采用VFC电压频率转换器将电流反馈电压转换成相应频率的脉冲信号，通过测量单位时间内的脉冲数，可计算出反馈电压Ui大小。此处选用NS公司的31系列VFC典型器件。工程上电流环采样周期为13 ms，此处选采样周期为2 ms，由于电流反馈电压已转换成脉冲频率信号，可采用类似于转速检测的方法实现电流反馈检测，将电流脉冲送入PLC的X1高速计数端7.3 PLC的IO图绘制做具体的IO接线图如下图7-2，此处选择的可编程控制器为三菱公司的FX系列，此种可编程控制器具有性价比高，应用广泛等特点。具体型号为FX2N-64MR.图7-27.4 PLC梯形图设计按照设计要求，PLC梯形图如下图7-3梯形图PLC语句表如下图7-4图7-4728夹持器的设计根据焊枪的轴径和机械接口的结构设计了夹持器。本次设计使用的焊枪直径为50mm。用螺栓固定焊枪。通过螺栓与机械接口联接。9.壳体的设计机座部分采用铸铝材料，方形结构，臂厚812mm。机身部分采用铸铝材料，圆筒形结构，臂厚78。大臂外壳和大臂箱体采用铸铝材料，方形结构，厚度均为68。小臂箱体和小臂外壳采用铸铝材料，结构为方形，侧面为铸件其它三面为铸铝板材。手腕外壳和手腕箱体采用铸铝材料，结构为方形，两侧面、背面、底面为铸件，端面和正面为铸铝板材，臂厚58mm。 其它部分具体尺寸由结构决定，详见图纸。10结论本次设计的焊接机器人采用了直流电机驱动，通过一系列的轴和齿轮传动顺利实现了三个自由度：摆腕、提腕、转腕。应用于焊接生产线上将大大提高生产效率，和加工质量，降低工人劳动强度，能够带来可观的经济效益。本机器人设计结构合理，通用性强。除了应用于焊接外，还可以应用于喷漆等工作中。设备制造成本合理，拆装方便，便于维护。参 考 文 献1 刘辛军,汪劲松,高峰.并联六自由度微动机器人机构的设计方法J.清华大学学报(自然科学版), 2001,41.(8):16-20.2 徐卫平,张玉茹,六自由度微动机构的运动分析J.机器人ROBOT,1995,17.(5):298-302.3 李明利,杨利华. 磁性轮式球罐焊接机器人机械结构设计与分析J.机械,2001,28:83-84.4 潘沛霖,杨宏,高波,吴微光.四自由度折叠式机械手的结构设计与分析J.哈尔滨工业大学学报,1994,26.(4):90-95.5 殷际英,何广平.关节型机器人M.北京:化学工业出版社, 2003.6 马香峰.工业机器人的操作设计和分析M .北京：冶金工业出版社, 1996.7 费仁元,张慧慧.机器人机械设计和分析M .北京：北京工业大学出版社,19988 周伯英.工业机器人设计M .北京：机械工业出版社, 19959 蔡自兴.机器人学M北京：清华大学出版社，200010 宗光华,刘海波译.机器人技术手册M. 北京：科学出版社, 199611 徐卫良,钱瑞名译.机器人操作的数学导论M北京：机械工业出版社，199812 孙迪生,王炎.机器人控制技术M .北京：机械工业出版社，199813 徐锦康.机械设计M .第二版.北京：机械工业出版社，2001.14 徐灏机械设计手册M .第二版.北京：机械工业出版社，2000.15 成大先机械设计手册M第四版.北京：化学工业出版社，200216 陈秀宁，施高义.机械设计课程设计M第一版.浙江：浙江大学出版社，1995 .附 录1 手腕装配图 HJJQR-23 A02 圆柱齿轮 HJJQR-10 A33 圆柱齿轮轴 HJJQR-12 A34 IO控制接线图 A1