畢業(yè)論文--柔性自動生產(chǎn)線總體方案研究及大六自由度機械手結(jié)構(gòu)、電控設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計說明書</b></p><p>　　題目名稱： 柔性自動生產(chǎn)線總體方案研究及 </p><p>　　大六自由度機械手結(jié)構(gòu)、電控設(shè)計 </p><p>　　院系名稱： 機電學(xué)院 </p><p><b>

2、;　　2015年6月</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著制造業(yè)的發(fā)展，公眾對產(chǎn)品的功能與質(zhì)量的要求越來越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來越短，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足需求。為了同時提高制造工業(yè)的柔性和生產(chǎn)效率，柔性自動化系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacture System)便應(yīng)運而生。<

3、;/p><p>　　本課題在對中工實驗室FMS及六自由度機器人研究分析的基礎(chǔ)上，對其中六自由度串聯(lián)機械手進行結(jié)構(gòu)分析設(shè)計、傳動機構(gòu)設(shè)計及其程序控制進行二次開發(fā)編程。運用了SolidWorks三維造型軟件，對六自由度機器人進行建模以及整體分析。通過對模型進行受力分析進而完成各個關(guān)節(jié)的減速器及電機的選型，完成機器人的關(guān)節(jié)間傳動設(shè)計、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用軟件對機器人大臂進行了結(jié)構(gòu)分析，對大臂設(shè)計及制造工藝問題具有指導(dǎo)意義。

4、通過軟件建模及優(yōu)化方案，極大地豐富了工業(yè)機器人的設(shè)計方式、降低了設(shè)計研發(fā)成本。</p><p>　　關(guān)鍵字：柔性生產(chǎn)線，F(xiàn)MS，SolidWorks，六自由度串聯(lián)機械手</p><p>　　Overall scheme research of flexible automatic production line and the structure of large six DOF Mani

5、pulator and electronic control design</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　As the development of manufacturing industry, public product function and quality of the increasingly high dem

6、and, product updates replacement cycle becoming shorter and shorter, the traditional mass production mode has been unable to meet the demand. In order to improve the flexibility and production efficiency of manufacturing

7、 industry, FMS (Manufacture System Flexible) is the historic moment.</p><p>　　This topic in the analysis of the laboratory work in FMS and six degree of freedom robot research based, the six degree of freedo

8、m series manipulator structure analysis design, transmission design and program control to carry on the secondary development of programming. Using the SolidWorks 3D modeling software, the six degree of freedom robot is

9、modeled and the overall analysis. By analyzing the stress and then complete each joint of deceleration device and the motor selection, and complete the</p><p>　　Keywords：Flexible production line FMS SolidW

10、orks Six DOF serial manipulator</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　

11、　1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2 國外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 課題研究內(nèi)容與意義3</p><p>　　2 總體方案研究4</p><p>　　2.1 柔性制造系統(tǒng)4</p><p>　　2.1.1 優(yōu)點4</p><p>　　

12、2.1.2 柔性制造系統(tǒng)的組成4</p><p>　　2.2 方案研究4</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)組成5</p><p>　　2.2.2 控制原理7</p><p>　　3 六自由度機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計8</p><p>　　3.1 工業(yè)機器人的基本技術(shù)要求8</p>&

13、lt;p>　　3.1.1 工業(yè)機器人的自由度與工作空間8</p><p>　　3.1.2 機器人技術(shù)參數(shù)9</p><p>　　3.2 六自由度機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計10</p><p>　　3.2.1 一關(guān)節(jié)設(shè)計11</p><p>　　3.2.2 二關(guān)節(jié)設(shè)計12</p><p>　　3.2.3

14、三關(guān)節(jié)設(shè)計13</p><p>　　3.2.4 四、五關(guān)節(jié)設(shè)計14</p><p>　　3.3 機器人大臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化14</p><p>　　3.4 總體外形與最大動作范圍17</p><p>　　4 傳動設(shè)計19</p><p>　　4.1 減速器結(jié)構(gòu)及工作原理19</p><

15、p>　　4.1.1 RV減速器19</p><p>　　4.1.2 諧波減速器21</p><p>　　4.2 設(shè)計計算及減速器選型22</p><p>　　4.2.1 尺寸及力矩分析22</p><p>　　4.2.2 減速器選型23</p><p>　　4.2.3 電機選型26<

16、/p><p>　　4.3 整體裝配29</p><p>　　5 控制原理及二次開發(fā)30</p><p>　　5.1 控制原理30</p><p>　　5.2 二次開發(fā)及編程32</p><p>　　5.2.1 開發(fā)編程模式32</p><p>　　5.2.2 編程舉例32&l

17、t;/p><p><b>　　致 謝37</b></p><p><b>　　參考文獻38</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　隨著科

18、學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類社會對產(chǎn)品的功能與質(zhì)量的要求越來越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來越短，產(chǎn)品的復(fù)雜程度也隨之增高，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)方式受到了挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)不僅對中小企業(yè)形成了威脅，而且也困擾著國有大中型企業(yè)。因為，在大批量生產(chǎn)方式中，柔性和生產(chǎn)率是相互矛盾的。眾所周知，只有品種單一、批量大、設(shè)備專用、工藝穩(wěn)定、效率高，才能構(gòu)成規(guī)模經(jīng)濟效益；反之，多品種、小批量生產(chǎn)，設(shè)備的專用性低，在加工形式相似的情況下，頻繁的調(diào)整工夾具，工藝穩(wěn)定難度增大，

19、生產(chǎn)效率勢必受到影響。為了同時提高制造工業(yè)的柔性和生產(chǎn)效率，使之在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品成本[1]，最終使中小批量生產(chǎn)能與大批量生產(chǎn)抗衡，柔性自動化系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacture System)便應(yīng)運而生。</p><p>　　柔性自動化生產(chǎn)線技術(shù)綜合了機械工程、電子工程、計算機技術(shù)、自動控制及人工智能等多種科學(xué)的研究成果，是機電一體化技術(shù)的典型代表以及科技發(fā)展最活

20、躍的領(lǐng)域。其中近幾年關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展研究——搬運機器人的研究、制造和應(yīng)用正受到越來越多的國家的重視。我的課題為柔性自動生產(chǎn)線總體方案研究及大六自由度機械手結(jié)構(gòu)、電控設(shè)計。針對中工柔性生產(chǎn)線實驗室進行研究，通過對其整體方案合理性的分析，確定生產(chǎn)線的主要參數(shù)，分析單元時間及動作合理性，四人合作設(shè)計柔性線。并對其中六自由度串聯(lián)機械手進行結(jié)構(gòu)分析設(shè)計、傳動機構(gòu)設(shè)計及其程序控制進行二次開發(fā)編程。</p><p>　　1.2

21、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　自70年代柔性自動化系統(tǒng)進入工業(yè)生產(chǎn)中以來，其發(fā)展程度已由一臺數(shù)控機床的應(yīng)用，逐漸發(fā)展到柔性制造單元、加工中心、計算機集成制造系統(tǒng)和柔性生產(chǎn)線。其中工業(yè)生產(chǎn)中必要的搬運環(huán)節(jié)，已經(jīng)開始使用機器人代替，以減少勞動力。直至80年代末到90年代，國家863計劃把柔性生產(chǎn)與機器人設(shè)計，列為自動化領(lǐng)域的重要研究課題，

22、系統(tǒng)地開展了機器人基礎(chǔ)科學(xué)、關(guān)鍵技術(shù)與機器人元部件、先進機器人系統(tǒng)集成技術(shù)的研究及機器人在自動化工程上的應(yīng)用[2]。在工業(yè)機器人選型方面，確定以開發(fā)點焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運等機器人為主。為中國的工業(yè)以及制造業(yè)進行了大量的技術(shù)研發(fā)工作，對提高中國制造業(yè)的生產(chǎn)效率提供了技術(shù)基礎(chǔ)。這是中國機器人事業(yè)從研制到應(yīng)用邁出的重要一步。</p><p>　　目前，工業(yè)機器人正呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長態(tài)勢，世界各地紛紛掀起使用工業(yè)機器

23、人熱潮中國也不例外，工業(yè)機器人的市場需求量日益增加[3]。2014中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰會議在張家港舉行。工業(yè)和信息化部副司長王衛(wèi)明透露，預(yù)計中國到2016年或成為全球最大的機器人市場。據(jù)IFR統(tǒng)計:中國工業(yè)機器人市場空間巨大，年增長率超過30%。中國將會在近幾年成為全球工業(yè)機器人需求量最大的市場，為我國工業(yè)機器人的發(fā)展提供了良好的機遇和巨大的發(fā)展空間[4]。但是，無論從工業(yè)機器人的數(shù)量上還是技術(shù)上，我們都是比較落后的。由于國內(nèi)機器人的

24、科研與開發(fā)與國外尚有較大差距，雖然計劃開發(fā)的機器人基本上采用的是在國外基本成熟的技術(shù)，但國內(nèi)各單位對這些技術(shù)的了解有相當部分還停留在文獻上或局部技術(shù)[5]。</p><p>　　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，把握我國工業(yè)機器人研究的相關(guān)進展十分重要，對工業(yè)機器人的研究更是重中之重。</p><p>　　1.2.2 國外研究現(xiàn)狀</p&

25、gt;<p>　　自柔性制造概念出現(xiàn),各個制造業(yè)大國便積極研究，在西歐、美國、日本柔性生產(chǎn)線更是受到普遍重視，柔性生產(chǎn)中的工業(yè)機器人技術(shù)更是炙手可熱。當前世界主流的工業(yè)機器人以四、五、六自由度串聯(lián)型和并聯(lián)型機器人為主。在工業(yè)機器人的研發(fā)中，許多關(guān)鍵問題都使得六自由度機器人不易實現(xiàn)。六自由度串聯(lián)工業(yè)機器人各關(guān)節(jié)主體零件大多采用復(fù)雜形狀大鑄件構(gòu)成，其余零件小而多，一體式的主體零件增強了部件乃至整機的剛度，并且以鑄造成形的制造工

26、藝優(yōu)化了工件的質(zhì)量與重心。但不規(guī)則形狀增加了精加工時定位裝夾的麻煩。另外，相連兩軸的電機往往安裝于同一軸部的主體零件上，使得各零部件的裝配、維修變得不方便，且整個機器人可重構(gòu)性降低[6]。</p><p>　　在工業(yè)發(fā)達國家，自動化成套設(shè)備已是自動化裝備的主流及未來的發(fā)展方向?，F(xiàn)階段以機器人為核心的自動化生產(chǎn)線適應(yīng)了現(xiàn)代制造業(yè)多品種、少批量的柔性生產(chǎn)發(fā)展方向，具有廣闊的市場發(fā)展前景和強勁生命力，機器人自動化生產(chǎn)線

27、已形成一個巨大的產(chǎn)業(yè)[7]。國外汽車行業(yè)、電子行業(yè)與工程機械等重復(fù)性高的行業(yè)，工業(yè)機器人構(gòu)成的自動化生產(chǎn)線的普及率很高，既提高了效率與質(zhì)量，同時保證了生產(chǎn)力的安全。全球制造業(yè)大國的柔性生產(chǎn)線使用實踐體現(xiàn)出，工業(yè)機器人的普及是實現(xiàn)自動化，提高企業(yè)效率和加快發(fā)展的必要方法。</p><p>　　1.3 課題研究內(nèi)容與意義</p><p>　　柔性自動生產(chǎn)線總體方案研究，對現(xiàn)有模塊化柔性生產(chǎn)線

28、（MFTL——是用標準化、系列化和通用化的模塊, 組成功能各異的加工中心、數(shù)控專機等, 根據(jù)用戶零件加工需求, 合理配置的一種可重組、模塊化制造系統(tǒng)）進行控制分析，了解生產(chǎn)線如何運行，各個模塊的功能及相互間的作用。通過了解分析，得出此套模塊化柔性生產(chǎn)線的控制流程圖，從零件出庫經(jīng)由傳送帶，到達每個檢測模塊進行形狀、材質(zhì)的檢測，后經(jīng)傳送帶再輸送至加工模塊，按照加工程序進行自動化的數(shù)控加工，完成后送至檢測模塊，進行加工后零件的合格檢測，最后經(jīng)

29、由碼垛機進行分類入庫。對其中的搬運機器人，即六自由度串聯(lián)機器人進行重點分析與研究，以進行下一步的課題，機器人的具體設(shè)計。</p><p>　　對于六自由度串聯(lián)機器人的設(shè)計，應(yīng)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳動分析設(shè)計和控制分析設(shè)計。機器人構(gòu)型設(shè)計時，一般應(yīng)避免設(shè)計的機器人具有結(jié)構(gòu)奇異性，以防止無效的關(guān)節(jié)驅(qū)動增加到結(jié)構(gòu)設(shè)計中[8]。機器人六自由度的分配方式最為重要，即從底座一直到頂端機械手，給予每部分一個方向的自由度，以完成所需動

30、作。對于六自由度關(guān)節(jié)機器人的運動學(xué)分析較為復(fù)雜，因此對運動學(xué)的研究是很有必要的[9]。傳動分析是串聯(lián)機器人設(shè)計的重點，體積也比較小在保證質(zhì)量的情況下，設(shè)計結(jié)構(gòu)盡量簡潔，并利用RV減速器原理[10]，為每段機械臂添加動力裝置，并驅(qū)動串聯(lián)機械手的動作，合理且高效的安排動力及傳動的設(shè)計位置。控制設(shè)計是利用計算機技術(shù)，通過編寫程序語言，導(dǎo)入運動控制裝置，然后通過觸發(fā)命令，使機械手依照程序來做出相應(yīng)的動作反應(yīng)。通過以上幾大方面的分析設(shè)計，六自由度

31、串聯(lián)機器人的設(shè)計便告一段落，通過三維軟件進行實體建模動作模擬，建立各個零部件的裝配及關(guān)鍵部件的裝配爆炸圖，從而確定設(shè)計的合理性與可行性。</p><p>　　本文以中原工學(xué)院柔性制造實驗室和三維建模軟件相結(jié)合，對模塊化柔性生產(chǎn)線進行研究，進行機械手臂的三維建模，利用軟件對其進行構(gòu)型分析與傳動設(shè)計。旨在對六自由度機械手的研究基礎(chǔ)上，以此作為平臺，有可能實現(xiàn)產(chǎn)品化，提高產(chǎn)品的設(shè)計效率，縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，最大程度上降

32、低成本，提高效益，為企業(yè)在競爭中贏得時間。</p><p><b>　　2 總體方案研究</b></p><p>　　2.1 柔性制造系統(tǒng)</p><p>　　柔性制造系統(tǒng)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲運系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能適應(yīng)加工對象變換的自動化機械制造系統(tǒng)，英文縮寫為FMS。通常的加工制造業(yè)，根據(jù)需求進行生產(chǎn)綱領(lǐng)的定制，小

33、批量或大批量的生產(chǎn)，然后進行專用機床、專用夾具等設(shè)備的計劃，進行批量生產(chǎn)。隨社會消費類型的日益多樣化，需求商品的類型也日益多樣化，多品種的生產(chǎn)已經(jīng)成為現(xiàn)今企業(yè)的生存之本。柔性制造系統(tǒng)的出現(xiàn)，便是對現(xiàn)今多樣化需求的最佳解決方案。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的時代，制造業(yè)也應(yīng)當緊跟時代步伐，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行生產(chǎn)的控制、加工，不僅可以改善工人的工作環(huán)境，又降低了企業(yè)的制造成本。</p><p><b>　　2.1.1

34、 優(yōu)點</b></p><p>　　系統(tǒng)中設(shè)備利用率高，一組機床編入柔性制造系統(tǒng)后，產(chǎn)量比這組機床分散單機作業(yè)時的產(chǎn)量提高數(shù)倍；</p><p>　　在制品數(shù)量下降，采用柔性自動化系統(tǒng)可使在制品減少80%左右；生產(chǎn)能力相對穩(wěn)定，相比人工裝配，柔性線的定位性更強；運行靈活；</p><p>　　產(chǎn)品應(yīng)變能力強，可加工一系列的相似產(chǎn)品，例如加工回轉(zhuǎn)類零件，可

35、加工尺寸范圍調(diào)整，可以實現(xiàn)不同型號的同類零件。相似的還有盤類、板類等。</p><p>　　2.1.2 柔性制造系統(tǒng)的組成</p><p>　　完整的柔性生產(chǎn)線，需要以下幾方面的必要組成部分，以完成制造系統(tǒng)所需的柔性。</p><p>　　加工系統(tǒng)：柔性制造中的設(shè)備類型不定，由待加工零件所需工序而確定，一般的比如加工中心、數(shù)控車與數(shù)控銑，各類加工機床等。</

36、p><p>　　物料系統(tǒng)：存放零件及加工完成構(gòu)件，立體倉庫等。計算機控制系統(tǒng)：用以控制各個模塊的啟動，收到傳感器信號進行指定的動作。</p><p>　　系統(tǒng)軟件：整合一整套柔性生產(chǎn)線的全套信號，使柔性線成為整體。</p><p><b>　　2.2 方案研究</b></p><p>　　方案設(shè)計需要針對用戶待加工零件的要

37、求，確定加工裝備技術(shù)參數(shù)和功能要求, 結(jié)合使用現(xiàn)場的實際情況, 才能最后確定能滿足用戶需求的整個生產(chǎn)線設(shè)計方案。模塊化柔性生產(chǎn)線加工設(shè)備的模塊化結(jié)構(gòu), 可使設(shè)計和制造任務(wù)得到合理劃分, 由于采用標準化的模塊接口, 減少了任務(wù)之間的耦合, 因而便于并行工程的組織和實施。</p><p>　　以中原工學(xué)院柔性生產(chǎn)實驗室為研究對象，對各個模塊進行研究學(xué)習。對生產(chǎn)線每個環(huán)節(jié)的作用及動作原理進行討論研究，從每個環(huán)節(jié)的觸發(fā)動

38、作，到此環(huán)節(jié)的結(jié)束動作。</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)組成</p><p>　　模塊化柔性生產(chǎn)線(MFTL)是用標準化、系列化和通用化的模塊, 組成功能各異的加工中心、數(shù)控專機等, 根據(jù)用戶零件加工需求, 合理配置的一種可重組、模塊化制造系統(tǒng)。</p><p>　　經(jīng)過研究分析，得出生產(chǎn)線流程圖。圖1包括自動搬運系統(tǒng)、數(shù)控加工系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)和計算機控制

39、系統(tǒng)等部分。各個設(shè)備可以獨立運行和調(diào)試，開放軟件源程序，并配套了圖像化人機交互界面。</p><p>　　圖 1 柔性生產(chǎn)線流程圖</p><p>　　如圖1所示，此套柔性制造系統(tǒng)的柔性加工單元分別為：數(shù)控車床、自動化立體倉庫、六自由度串聯(lián)機械手、并聯(lián)加工中心、CCD視覺檢測、材質(zhì)與孔深檢測、裝配機器人、噴涂單元、皮帶輸送機九個單元組成。</p><p>　　當生產(chǎn)

40、設(shè)備接受主機生產(chǎn)命令時，通過總機向子模塊發(fā)送動作指令。由自動化立體原料庫的零件位置，反饋到計算機中，為三自由度搬運機械手提供運動參數(shù)，使機械手運動到指定位置，搬運零件至傳送裝置，完成一套搬運動作。</p><p>　　經(jīng)由出庫平移臺，移送到出庫皮帶傳送機，在皮帶床送機的中間位置，觸發(fā)光電感應(yīng)開關(guān)，使材質(zhì)檢測裝置啟動，以完成對零件材質(zhì)的檢測。材質(zhì)檢測完成，檔桿回縮，使零件繼續(xù)沿傳送帶行進。經(jīng)過下一個光電感應(yīng)開關(guān)時，

41、觸發(fā)的是CCD形狀檢測傳感器，用以判斷零件的形狀與顏色，對后續(xù)工序提供數(shù)據(jù)資料。檢測完畢進入90度轉(zhuǎn)角機，使零件繼續(xù)沿生產(chǎn)線行進，到達搬運機器人的工作點，觸發(fā)感應(yīng)開關(guān)，搬運機器人開始工作。截止此時，之前的檢測數(shù)據(jù)開始應(yīng)用。</p><p>　　當此零件為非回轉(zhuǎn)體零件時，搬運機器人將會依照既定程序，使零件搬運至數(shù)控車床，進行機械加工，變?yōu)榛剞D(zhuǎn)體零件；而當此零件已經(jīng)為符合形狀檢測的零件時，搬運機器人會按照另一套既定程

42、序，搬運至六自由度并聯(lián)機器人的工作位置，進行鉆孔加工操作。</p><p>　　自動化立體倉庫 2.控制模塊 3.加工中心 4.傳送帶 5.六自由度搬運機器人</p><p>　　圖 2 柔性生產(chǎn)線布局圖</p><p>　　當加工操作完成時，搬運機器人將會執(zhí)行另一套程序使加工好的零件從新搬運到生產(chǎn)線上，繼續(xù)沿著生產(chǎn)線走。在經(jīng)過另一個90度轉(zhuǎn)角機后，觸發(fā)感應(yīng)器，對加

43、工后的零件進行孔深檢測操作，檢測在上一工序中的鉆孔深度是否符合要求，并進行記錄，為后續(xù)的工序提供數(shù)據(jù)。檢測完成后，氣動檔桿回位，零件繼續(xù)行前移動，到達噴涂單元，利用色彩識別單元的數(shù)據(jù)，對此零件進行噴涂操作。沿生產(chǎn)線到達分揀裝配機器人處，在孔深檢測中不合格的零件將會被小六串機器人移至廢料處，合格的零件，機械手將會從自動化旋轉(zhuǎn)倉庫中取出配合零件，對生產(chǎn)線上的零件進行裝配動作，完成裝配后，該裝配體進入入庫平移臺，三自由度搬運機械手收到搬運指令

44、，搬運該裝配體至自動化立體成品庫中，至此，一套完整的柔性生產(chǎn)線的工作原理簡述完畢。</p><p>　　2.2.2 控制原理</p><p>　　柔性生產(chǎn)線基于CAN總線，進行對各個分模塊進行控制。總線控制是一種現(xiàn)今應(yīng)用于各個行業(yè)的串行通信網(wǎng)絡(luò)，早在70年代末為解決汽車中眾多的控制器與測量儀間的數(shù)據(jù)分析而產(chǎn)生的通信協(xié)議。</p><p><b>　　圖

45、3 工作原理圖</b></p><p>　　此套生產(chǎn)新的各個模塊工作原理如圖3所示，傳送帶進行運輸動作，兩條相鄰傳送帶連接后組成生產(chǎn)線。每條傳送帶都安裝有控制模塊，當工件經(jīng)由運輸帶觸發(fā)駛?cè)雮鞲衅?，該模塊便對工件進行制定操作。其本工位的控制器只接受駛?cè)牒凸の粋鞲衅餍盘枺偝鰝鞲衅鞯男盘杽t輸入相鄰運輸帶的控制單元，為下一傳送帶的動作發(fā)出信號。</p><p>　　圖 4 CAN總線

46、控制</p><p>　　如圖4所示，每條輸送鏈間的信號傳遞由控制器控制，而每個模塊的控制器又經(jīng)過CAN總線到中央控制單元。中央控制單元控制與監(jiān)視生產(chǎn)線的每個動作與加工指令。利用CAN總線的集成性完成模塊化生產(chǎn)線的控制，各個模塊既可以獨立作業(yè)又可以聯(lián)合作業(yè)，使得柔性生產(chǎn)線的組合多樣化，為柔性生產(chǎn)提供便利。</p><p>　　3 六自由度機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><

47、p>　　工業(yè)機器人的應(yīng)用是機電一體化的典型代表，利用末端結(jié)構(gòu)進行動作。工業(yè)機器人系統(tǒng)由軟件、控制處理器、傳感器、驅(qū)動裝置以及機器人本體組成。系統(tǒng)圖如圖5所示。其工作空間由機器人技術(shù)參數(shù)范圍決定。</p><p>　　圖 5 工業(yè)機器人系統(tǒng)</p><p>　　關(guān)節(jié)型串聯(lián)機器人其原理可簡述為各個連桿首尾相接、末端開放的鏈式結(jié)構(gòu)。在作業(yè)過程中實現(xiàn)其要求任務(wù)的坐標運動，大多數(shù)時間這個鏈式結(jié)

48、構(gòu)的末端是無法支撐的，因而對工業(yè)機器人的技術(shù)要求更為重要。</p><p>　　3.1 工業(yè)機器人的基本技術(shù)要求</p><p>　　3.1.1 工業(yè)機器人的自由度與工作空間</p><p>　　在工業(yè)應(yīng)用中，機器人被用來作一系列重復(fù)性高，同時要求精度的作業(yè)。在工業(yè)機器人運動過程中，手臂端部執(zhí)行裝置能否到達指定位置，是衡量一臺工業(yè)機器人好壞的標準。而到達指定位置

49、的路徑，便是對工業(yè)機器人自由度提出要求的決定性因素。比如在汽車制造業(yè)，對車體內(nèi)結(jié)構(gòu)進行焊接工作，由于焊接角度與車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難通過一條直線到達指定焊接位置，此時，多自由度的串聯(lián)機器人便可以通過靈活的手臂進行焊接操作。</p><p>　　工業(yè)機器人末端所能到達的點的集合，稱為機器人的工作空間，工作空間的大小根據(jù)所設(shè)計機器人每個關(guān)節(jié)大小決定。常見的工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式有以下五種：直角坐標型機器人、圓柱坐標

50、型機器人、球坐標型機器人、關(guān)節(jié)型機器人和并聯(lián)型機器人。圖6簡單描述了常見機器人的工作空間。</p><p>　　工作空間表示了機械手能夠達到的位置，但同時應(yīng)避免機械手自身關(guān)節(jié)的干涉或奇異性，更重要的是避免工作時機械臂與環(huán)境障礙物的不必要的接觸。所以，機器人工作前必須研究其工作環(huán)境。</p><p>　　圖 6 常見機器人結(jié)構(gòu)形式與工作空間</p><p>　　3.1

51、.2 機器人技術(shù)參數(shù)</p><p>　　現(xiàn)今工業(yè)機器人的各種性能指標，應(yīng)用以下四點來衡量：第一，運動范圍是選擇機器人的第一參考要素，根據(jù)需要工作的長度、廣度以及最大距離，來確定機器人的類型。第二，負載能力是在選定機器人種類后，進行系列選型，能達到的最大載荷。第三，精度的要求不一而論，比如醫(yī)療機器人與卸貨機器人，所需精度必然不同，根據(jù)具體任務(wù)確定。最后，重復(fù)精度，當機器人完成一系列動作指令后，再次達到同一點的精

52、確能力的大小。</p><p>　　本次設(shè)計六自由度串聯(lián)機器人采用串聯(lián)關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，擁有六個活動自由度，按工業(yè)標準要求設(shè)計，速度快、柔性好；每個關(guān)節(jié)按照模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，簡單、緊湊，需完全滿足運動任務(wù)要求；機器人本體采用超硬鋁材料，手爪夾持工件最大直徑在75CM內(nèi)。在工作過程中，運動需平穩(wěn)可靠，無燥聲，運行精度高。根據(jù)需要進行機器人技術(shù)參數(shù)擬定。</p><p>　　表 1 機器人技術(shù)參數(shù)&l

53、t;/p><p>　　初擬定六自由度搬運機器人的技術(shù)參數(shù)，以實際情況而定。每個關(guān)節(jié)的最大轉(zhuǎn)速以60°/s為準?？紤]抓取工件的最大力矩，以及實驗室中工件模型重量，設(shè)計中所抓取工件以不超過10kg為宜。</p><p>　　3.2 六自由度機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　根據(jù)初擬定六自由度搬運機器人的技術(shù)參數(shù)，六個自由度從下往上依次命名，一關(guān)節(jié)為在XOY基準

54、面上的轉(zhuǎn)動，字母表示為JT1。二關(guān)節(jié)為繞X軸的轉(zhuǎn)動，表示為JT2。三關(guān)節(jié)依然為繞Y軸的轉(zhuǎn)動，表示為JT3。四關(guān)節(jié)為繞Y軸的轉(zhuǎn)動，表示為JT4。五關(guān)節(jié)為繞X軸的轉(zhuǎn)動，表示為JT5。六關(guān)節(jié)為繞X軸的轉(zhuǎn)動，表示為JT6自由度坐標系擬定如圖7所示。</p><p>　　根據(jù)初擬定的自由度分布，得出此工業(yè)機器人的自由度計算：</p><p>　　自由度計算公式：F= 3n - 2pl - 2ph&l

55、t;/p><p>　　公式中各個字母的意義：活動構(gòu)件的數(shù)目n，低副的數(shù)目pl，高副的數(shù)目ph</p><p>　　活動構(gòu)件共計6個n=6，轉(zhuǎn)動副共計6個pl=6，復(fù)合鉸鏈，局部自由度和虛約束在本次設(shè)計中沒有出現(xiàn)，ph=0，所以可得：</p><p>　　F= 3×6 - 2×6=6 此機構(gòu)的自由度符合設(shè)計要求。 </p><p&

56、gt;　　圖 7 六自由度分布</p><p>　　六自由度搬運機器人由于關(guān)節(jié)大小限制，實現(xiàn)空間內(nèi)的六自由度移動，所以每個關(guān)節(jié)所占空間大小必須盡量縮小，同時也應(yīng)考慮驅(qū)動機器人動作所需動力源及配套傳動裝置的體積大小，一般工業(yè)用六自由度機器人都是由伺服電機與減速器進行直連，完成驅(qū)動與輸出。</p><p>　　3.2.1 一關(guān)節(jié)設(shè)計</p><p>　　為了能夠保證在

57、占用最小體積的前提下，產(chǎn)生較大的傳遞扭矩和傳遞精度，一關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式采用交流伺服電機與擺線針式減速器直連如圖8，也可以選用近幾年主流的機器人用RV減速器進行減速輸出。并且，在減速器與電機之間添加一個齒輪軸，實現(xiàn)機器人的回轉(zhuǎn)，與擺線針式減速器的功能相近的RV減速器同樣能夠承受較大的軸向載荷、徑向載荷以及傾覆力矩，將RV減速機的針齒殼機架固定于底座上，輸出盤與機器人二關(guān)節(jié)通過回轉(zhuǎn)支架連接，減少了中間的傳動關(guān)節(jié)，在一定程度上保證了傳動精度。&

58、lt;/p><p>　　電機的固定是通過連接螺釘與回轉(zhuǎn)支架相連，此種結(jié)構(gòu)設(shè)計與以往的傳動方案設(shè)計不同，使得減速器的輸入端與輸出端在同一側(cè)，一般設(shè)計中往往把電機的固定端與不動構(gòu)件相連接，這樣做的好處是減少傳動慣量，同時，這種方法讓機器人的軸向尺寸增加了一個電機的尺寸，與工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)設(shè)計要求相悖。且傳動可靠性低，零部件繁多，精度上不容易控制。</p><p>　　圖 8 一關(guān)節(jié)設(shè)計圖</

59、p><p>　　此外，為了使得安裝方便同時減少結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，電機不再單獨設(shè)計外殼。機器人的每個關(guān)節(jié)都有轉(zhuǎn)動范圍，傳感器的設(shè)置必不可少。若超出機器人的轉(zhuǎn)角極限值，機器人電源線、控制線將被拉斷，甚至威脅人的生命，因此在每個關(guān)節(jié)的極限位置需設(shè)置定位塊。</p><p>　　3.2.2 二關(guān)節(jié)設(shè)計</p><p>　　二關(guān)節(jié)主要完成JT2沿Y軸的轉(zhuǎn)動自由度，輸出轉(zhuǎn)矩，傳遞到第

60、三關(guān)節(jié)。所以</p><p><b>　　圖 9 二關(guān)節(jié)設(shè)計</b></p><p>　　二關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)除了要與一關(guān)節(jié)相連接，接收轉(zhuǎn)矩，并且要輸出轉(zhuǎn)矩帶動三關(guān)節(jié)移動。設(shè)計構(gòu)型如圖9所示。</p><p>　　二關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置同樣是交流伺服電機，不同的是利用諧波減速器進行減速與增大轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　圖 10 二關(guān)節(jié)結(jié)

61、構(gòu)</p><p>　　圖10所示在二關(guān)節(jié)構(gòu)件中，電機與諧波減速器鋼輪同樣固定于構(gòu)件本體，諧波柔輪與外側(cè)機器人大臂通過螺栓連接，傳遞轉(zhuǎn)矩，帶動上部關(guān)節(jié)的移動。二關(guān)節(jié)下部底盤開有孔槽，與一關(guān)節(jié)連接盤相連接。其中，電機軸與諧波減速器連接，依靠于波發(fā)生器配套軸套互相以鍵相連，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳遞。</p><p>　　3.2.3 三關(guān)節(jié)設(shè)計</p><p>　　圖 11 三關(guān)節(jié)

62、外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　三關(guān)節(jié)輸出的轉(zhuǎn)矩有兩個，一種是繞大臂上端的Y軸轉(zhuǎn)矩，另一個是繞X軸的輸出連接轉(zhuǎn)矩。圖11可以明顯看出與大臂相連的為諧波減速器柔輪，其連接方式與二關(guān)節(jié)電機減速器直連原理相同。諧波波減速器體積較小，傳動精度較高，傳遞扭矩大，被廣泛的應(yīng)用于機器人活動關(guān)節(jié)的設(shè)計中。但是諧波減速器剛性較差，柔輪為彈性件，不能承受較大的徑向載荷和軸向載荷。所以結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用圓柱滾子軸承來承受腕部其他關(guān)節(jié)對

63、其產(chǎn)生的彎矩。</p><p>　　在上部電機輸出于同步帶輪，利用同步帶進行轉(zhuǎn)矩傳遞，此設(shè)計可以縮短軸向設(shè)計尺寸，使得三關(guān)節(jié)的整體尺寸不至于在單一方向尺寸過長，以影響機器人運動時，某些特殊位置的動作路徑。</p><p>　　3.2.4 四、五關(guān)節(jié)設(shè)計</p><p>　　經(jīng)過三關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩輸出可以看出，整個三關(guān)節(jié)以后的部分，全部重量與機器人運動所產(chǎn)生的啟動、停止轉(zhuǎn)

64、矩全部會對大臂的連接處產(chǎn)生極大的扭矩。所以，為了使機器人運動過程中所產(chǎn)生的扭矩最小化，而又能夠?qū)崿F(xiàn)六關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，四關(guān)節(jié)的設(shè)計經(jīng)過甄選，采用輕型XL系列同步帶傳動，這樣便可以保證精確地傳動比和減輕末端關(guān)節(jié)的重量。</p><p>　　圖 12 四、五關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　首先電機固定在電機板上，電機軸與同步帶輪相連接，通過同步帶傳遞轉(zhuǎn)矩，另一同步帶輪連接諧波軸，諧波減速器輸出端

65、直接與五關(guān)節(jié)相連。五關(guān)節(jié)為整個機械手構(gòu)件中體積最小，零件最少的關(guān)節(jié)，輸入由置于四關(guān)節(jié)中的步進電機，通過同步帶傳遞與左側(cè)軸，又經(jīng)一對直齒圓錐齒輪，使繞Y軸轉(zhuǎn)矩變?yōu)槔@X軸轉(zhuǎn)矩，再經(jīng)諧波軸傳遞于五關(guān)節(jié)內(nèi)減速器，輸出在法蘭盤結(jié)構(gòu)，完成轉(zhuǎn)矩輸出。</p><p>　　3.3 機器人大臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化</p><p>　　機械手臂是機器人的一個重要組成部分，在機器人運動中承擔很重要的角色。但是機械手臂的結(jié)

66、構(gòu)設(shè)計在現(xiàn)行的國際標準里并沒有一個唯一的設(shè)計標準。國內(nèi)工業(yè)機器人的研發(fā)、生產(chǎn)尚處于行業(yè)初期，還沒有形成商品化、系列化。機械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計處于經(jīng)驗設(shè)計階段，大多采用相似設(shè)計，其結(jié)構(gòu)的合理性、科學(xué)性沒有理論依據(jù)，讓經(jīng)過鑄造、加工出來的機械手臂，一方面可能存在手臂材料過于結(jié)實、使得運動時的重量和慣量增加的問題，給機械手的運行帶來負面影響，另一方面，局部結(jié)構(gòu)的強度可能又不夠，影響整體剛度，并有可能在使用中提前損壞[11]。為了驗證機械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)

67、計的合理性，就必須生產(chǎn)樣機，再做大量強度試驗來驗證，然后再對結(jié)構(gòu)進行改進，之后才能小批生產(chǎn)形成商品，這樣使整個開發(fā)周期延長，開發(fā)成本也相應(yīng)增加。</p><p>　　本課題結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用三維設(shè)計軟件SolidWorks進行機器人大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時應(yīng)用軟件集成的SimulationgXpress分析向?qū)Чδ?，對設(shè)計的機器人大臂進行結(jié)構(gòu)設(shè)計上的優(yōu)化。</p><p>　　圖 13 機器人大臂

68、結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　三維建模如圖13所示，完成連接二、三關(guān)節(jié)的大臂設(shè)計。然后，運行軟件集成的SimulationgXpress分析向?qū)В紫刃枰獮榇蟊凼芰μ砑訆A持部位。機械手一端通過螺栓與諧波減速器相連，周圍利用圓柱軸承承載徑向力，波發(fā)生器再與交流伺服電機相連，從而實現(xiàn)機械手臂的轉(zhuǎn)動。所以，整個運動過程中的受力都在與軸承接觸面和螺栓連接。</p><p>　　機械手另一端要承受整

69、個三關(guān)節(jié)以上和拿取重物、往復(fù)運動的受力。在選取受力分析位置時，應(yīng)選取受力最大的一個位置，也就是水平位置對大臂進行受力分析，</p><p>　　受力情況與下端類似，軸承接觸面和螺栓連接共同受到向下的力。</p><p>　　所以，夾持位置選擇如圖14上圖左側(cè)圓盤螺栓連接處和圓盤外圓面，作為夾具</p><p>　　圖 14 大臂受力圖與靜態(tài)應(yīng)力分布</p>

70、;<p>　　位置。受力方向為上圖右箭頭，沿右側(cè)圓盤向下分布。給定大臂材料，為鋁合金鑄件系列。然后運行模擬，可以得到靜態(tài)應(yīng)力分布圖，如圖14下，圖中所示應(yīng)力較為集中的部位為左側(cè)圓盤與連桿連接位置。</p><p>　　因此可以考慮優(yōu)化的方案為，根據(jù)諧波減速器的型號，相應(yīng)增加連接螺栓個數(shù)以分擔受力；鑄造時在大臂形體結(jié)合處盤與連桿處增加緩沖設(shè)計以減少應(yīng)力集中；在一些受力比較輕的地方減少材料以減輕整個大臂

71、的質(zhì)量，從而可以降低伺服電機功率增加經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。</p><p>　　圖15是大臂優(yōu)化后的應(yīng)力分布圖，可以看出在盤與連桿處增加了后筋設(shè)計，極大減小了應(yīng)力集中的問題；并且在手臂不受力的中間部位掏出肋板槽，極大減輕了模型的重量，使得整體的重量得以降低，為驅(qū)動裝置的選型降低成本。在最基本受力分析后就可以根據(jù)機器人任務(wù)的實際需要增加其它輔助部件，結(jié)合控制部件等優(yōu)化外形，形成機器人大臂的最終設(shè)計。</p>

72、<p>　　圖 15 優(yōu)化后大臂應(yīng)力分布圖</p><p>　　3.4 總體外形與最大動作范圍</p><p>　　設(shè)計完畢六自由度搬運機器人的六個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，畫出六關(guān)節(jié)裝配后的整體外形圖，與最大范圍示意圖，為接下來的內(nèi)部傳動設(shè)計做基礎(chǔ)。</p><p>　　圖 16 機器人最大動作范圍</p><p>　　圖 17 總體關(guān)節(jié)設(shè)計

73、圖</p><p>　　一個典型的機器人系統(tǒng)由本體、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等幾部分組成。多自由度串聯(lián)機器人具有4～6個自由度，其中2～3個自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，其余2～3個自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。完成六自由度機械手的總體關(guān)節(jié)設(shè)計后，便是對機器人內(nèi)部構(gòu)件傳動部件進行分析設(shè)計。通過每個關(guān)節(jié)不同的最大扭矩，進行減速器與電機的選型。</p><p

74、><b>　　4 傳動設(shè)計</b></p><p>　　隨著加工制造業(yè)加工精度的提高，一系列精度高、傳動平穩(wěn)、減速比大的減速器隨之出現(xiàn)，其中，RV減速器不僅保留了傳統(tǒng)擺線針輪行星傳動所具有的體積小、</p><p>　　圖 18 RV減速器與諧波減速器</p><p>　　重量輕、傳動效率高等優(yōu)點，而且采用兩級減速機構(gòu)，使得處于低速級

75、的擺線針輪行星傳動更加平穩(wěn)。諧波減速裝置體積小、重量輕、傳動比大，是機器人設(shè)計優(yōu)先選擇的減速裝置。在工業(yè)機器人應(yīng)用范圍，從長遠看RV減速器所帶來的經(jīng)濟效益遠比普通單級減速器大[12]。</p><p>　　一般情況下，工業(yè)串聯(lián)機器人的Ⅰ～Ⅳ關(guān)節(jié)都是電機直連RV減速器，剩余關(guān)節(jié)都是電機通過同步帶輪連接諧波減速器進行驅(qū)動。在市場上教學(xué)類串聯(lián)機器人雖然可用蝸輪蝸桿或者行星減速器，但相對占用空間大，速度低，只在低端產(chǎn)品中

76、使用。本課題所設(shè)計的六自由度搬運機器人所采用的減速器類型為一關(guān)節(jié)RV減速器，其后關(guān)節(jié)為諧波減速器。</p><p>　　4.1 減速器結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　4.1.1 RV減速器</p><p>　　圖18是RV傳動的機構(gòu)簡圖，它由漸開線行星齒輪傳動和擺線針輪行星傳動兩部分組成，漸開線行星齒輪與曲柄軸連為一體，作為RV減速器的第一級傳動。</

77、p><p>　　如圖18所示，減速器第一減速部為擺線針輪行星傳動，第二減速部為行星齒輪傳動。RV減速器其主軸承機構(gòu)內(nèi)置，安裝有徑向止推滾珠軸承，因此能夠支撐外部負荷，力矩剛性、允許力矩大[13]。</p><p>　　在機器人一關(guān)節(jié)，使用RV-E型減速機。第1減速部，正齒輪減速機構(gòu)，輸入軸的旋轉(zhuǎn)從輸入齒輪傳遞到正齒輪，按齒數(shù)比進行減速。</p><p>　　圖 18 R

78、V減速器傳動簡圖</p><p>　　第2減速部，差動齒輪減速機構(gòu)。正齒輪與曲柄軸相連接，變?yōu)榈?減速部的輸入。在曲柄軸的偏心部分，通過滾動軸承安裝RV齒輪。另外，在外殼內(nèi)側(cè)僅比RV齒輪的齒數(shù)多1個的銷，以同等齒距排列。如果固定外殼轉(zhuǎn)動正齒輪，則RV齒輪由于曲柄軸的偏心運動也進行偏心運動。此時如果曲柄軸轉(zhuǎn)動1周，則RV齒輪就會沿與曲柄軸相反的方向轉(zhuǎn)動1個齒。這個轉(zhuǎn)動被輸出到第2減速部的軸。</p>

79、<p>　　圖 19 RV減速器輸入輸出方法</p><p>　　在本課題中，應(yīng)用在一關(guān)節(jié)的RV減速器，其輸入輸出方式為外殼固定的第一種減速方式。第1 減速部與第2 減速部相加得到的減速比i 因使用方法而異，可以根據(jù)下列公式所示的速比值算出。</p><p>　　軸轉(zhuǎn)動的情況　R = 1 + Z2/Z1×Z4 </p><p><b>

80、;　　i = 1/R</b></p><p>　　R：速比值 Z1：輸入齒輪的齒數(shù) Z2：正齒輪的齒數(shù)</p><p>　　Z3：RV齒輪的齒數(shù) Z4：銷根數(shù) i：減速比</p><p>　　4.1.2 諧波減速器</p><p>　　諧波齒輪傳動由三個基本構(gòu)件組成：諧波發(fā)生器（簡稱波發(fā)生器）——是由凸輪（通常為橢圓形）

81、及薄壁軸承組成，隨著凸輪轉(zhuǎn)動，薄壁軸承的外環(huán)作橢圓形變形運動（彈性范圍內(nèi)）；剛輪——是剛性的內(nèi)齒輪；柔輪——是薄殼形元件，具有彈性的外齒輪。以上三個構(gòu)件可以任意固定一個，成為減速傳動及增速傳動；或者發(fā)生器、剛輪主動，柔輪從動，成為差動機構(gòu)（即轉(zhuǎn)動的代數(shù)合成）[14]。</p><p>　　諧波傳動工作過程如下圖所示，當波發(fā)生器為主動時，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動，使長軸附近柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形（可控的彈性變形），這時柔輪

82、的齒就在變形的過程中進入（嚙合）或退出（嚙出）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處于完全的脫開狀態(tài)。</p><p>　　圖 20 諧波減速器構(gòu)成與原理</p><p>　　波發(fā)生器通常為橢圓形的凸輪，凸輪位于薄壁軸承內(nèi)。薄壁軸承裝在柔輪內(nèi)，此時柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的內(nèi)齒沿齒高嚙合。

83、這是嚙合區(qū)，一般有30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態(tài)，簡稱脫開；在波發(fā)生器長軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區(qū)段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態(tài)，稱之為嚙出；有的逐漸進入剛輪齒間，處在半嚙合狀態(tài)，稱之為嚙入。</p><p>　　波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動時，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，就使柔輪齒的嚙入—嚙合—嚙出—脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地

84、改變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之為錯齒運動，正是這一錯齒運動，使減速器可以將輸入的高速轉(zhuǎn)動變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動。</p><p>　　柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個純滾動（無滑動）的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過的弧長必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長上少了兩個齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對剛輪轉(zhuǎn)過兩個齒距的角位移，這個角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了減速的目的。</p&

85、gt;<p>　　4.2 設(shè)計計算及減速器選型</p><p>　　機器人關(guān)鍵部件的選型，需經(jīng)由各個關(guān)節(jié)的技術(shù)要求，進行受力分析，結(jié)合標準減速器及電機手冊，進行能夠滿足運行需求的最適合配件進行定型號，及最終的裝配圖圖紙的設(shè)計。</p><p>　　4.2.1 尺寸及力矩分析</p><p>　　圖 21 機器人關(guān)鍵尺寸</p><

86、;p>　　由任務(wù)書可得知本課題所設(shè)計的機械手，其搬運任務(wù)為質(zhì)量在10KG以內(nèi)的回轉(zhuǎn)體零件，整體機器人重量在95KG內(nèi)。</p><p>　　首先計算出使一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的最大轉(zhuǎn)動慣量，之后再進行一關(guān)節(jié)RV減速器的配型。機器人一關(guān)節(jié)所需最大轉(zhuǎn)動慣量，為機器人大臂轉(zhuǎn)到水平位置，末端執(zhí)行裝置在最遠位置時，加上工件重量，整個機械手位于最大伸長量。</p><p>　　根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量定義：dJ =

87、x2 dm ， dm = ρ dx= m/l·dx ，</p><p>　　轉(zhuǎn)動慣量： J=1/3·ml2</p><p>　　質(zhì)量為m ，長度為l，到一點距離x，材料密度ρ ，轉(zhuǎn)動慣量J</p><p>　　有轉(zhuǎn)矩公式：M = J·β</p><p>　　J=1/3·ml2 =1/3×m&

88、#215;（580+350+160+130)2 =148kg·m2</p><p>　　β = Δw / Δt =5/6 s-1</p><p>　　所以由公式得：一關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)動慣量約為M=2500N·m</p><p>　　圖 22 負載循環(huán)線圖</p><p>　　由計算可得圖22中計算參數(shù)，</p>&

89、lt;p>　　T1= 2500Nm 　T2 = 500Nm T3 = 1500Nm 　Tem = 7000Nm</p><p>　　t1 = 0.2sec t2 = 0.5sec t3 = 0.2sec tem = 0.05sec</p><p>　　N1 = N3 = 10r/min　N2 = 20r/min Nem = 20r/min</p&g

90、t;<p><b>　　計算平均輸出轉(zhuǎn)速：</b></p><p>　　有平均輸出轉(zhuǎn)速，結(jié)合負載循環(huán)圖，可以為接下來的減速器選型提供所必需的數(shù)據(jù)。根據(jù)一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩計算，依次類比計算二關(guān)節(jié)、三關(guān)節(jié)所需力矩大小。進行減速器選型。</p><p>　　4.2.2 減速器選型</p><p>　　第一關(guān)節(jié)減速器采用RV減速器，依照手冊與設(shè)

91、計經(jīng)驗，選擇RV-E系列主軸承內(nèi)置型減速器。</p><p>　　圖 23 RV-E型減速器型號標記</p><p>　　表 2 RV-160E型號規(guī)格</p><p>　　如圖23所示，確定型號所必需的數(shù)據(jù)有額定輸出轉(zhuǎn)矩及速比值。根據(jù)關(guān)節(jié)一的負載特性，可計算出額定轉(zhuǎn)速，根據(jù)圖24匹配能夠允許的轉(zhuǎn)矩，暫時選定邊框號。</p><p>　　

92、輸出轉(zhuǎn)速機器人參數(shù)最高為20r/min < 45r/min減速器最高輸出轉(zhuǎn)速。有時由于緊急停止或外部的沖擊，可能會給減速機施加較大的轉(zhuǎn)矩。所以，在選擇時應(yīng)注意，額定圖中所顯示的值表示的是此時的瞬時最大允許轉(zhuǎn)矩值。</p><p>　　RV-E型減速機的壽命受曲軸中使用的滾動軸承的壽命的限制。減速機各種型號，都按額定轉(zhuǎn)矩、額定輸出轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，壽命時間按如下設(shè)定。</p><p>　　計

93、算減速機的壽命是否滿足要求規(guī)格值：</p><p>　　最后確定規(guī)格：RV-160E-81</p><p>　　第二關(guān)節(jié)選用諧波減速器進行降速與增大力矩。首先要先確定產(chǎn)品系列。由于要減小關(guān)節(jié)大小，選用的產(chǎn)品系列定為XB1單級諧波傳動減速器組件。</p><p>　　然后計算出輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)負載情況確定工況系數(shù)后選擇機型大小。工況系數(shù)如下圖所示。</p>

94、<p><b>　　表 3 工況系數(shù)</b></p><p>　　有轉(zhuǎn)矩公式：M = J·β</p><p>　　J=1/3·ml2 =1/3×m×（580+350+130)2 =246kg·m2</p><p>　　β = Δw / Δt =5/6 s-1</p>&

95、lt;p>　　所以由公式得：二關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)動慣量約為M=205N·m</p><p>　　求出二關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)扭矩后，可以進行二關(guān)節(jié)的減速器及伺服電機選型，對諧波減速器選型的步奏如下。</p><p>　　XB1型諧波減速器選型見表3所示，根據(jù)輸出扭矩進行減速器機型的選擇。由表中數(shù)據(jù)所示，XB1機型100的減速器。按照常規(guī)伺服電機的輸出轉(zhuǎn)速1500rpm，輸出轉(zhuǎn)速選擇15，可以滿

96、足二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速10rpm。</p><p>　　表 4 XB1單級諧波減速器規(guī)格</p><p>　　依照上述方法，以此計算三關(guān)節(jié)、四關(guān)節(jié)及以后關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)扭矩，進行減速器的選型計算。最后減速器型號選定依次：XB1單級諧波減速器機型80，四關(guān)節(jié)機型選擇50號。</p><p>　　4.2.3 電機選型</p><p>　　通過RV減速器與諧波

97、減速器手冊，機器人每個關(guān)節(jié)的減速器裝置選擇完畢。與之相配的伺服電機選型就較之輕松。本課題中所設(shè)計的各個關(guān)節(jié)中，應(yīng)用的電機種類有兩種，一種伺服電機一種步進電機。</p><p>　　伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降，伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是

98、永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的使用成本較高，其精度決定于編碼器的精度。</p><p>　　步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行

99、的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。</p><p>　　圖 24 伺服電機與步進電機</p><p>　　應(yīng)用步進電機與伺服電機的標準各不相同。兩種電機都廣泛的應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。

100、但其兩者的控制精度是有不同的，以松下全數(shù)字系列交流伺服電機為例，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于一個普通的步進電機的脈沖當量可謂極小。</p><p>　　除了控制精度上有所差別，在兩種電機的低頻特性上還有不同。步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機

101、器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細分技術(shù)等。交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。另外，步進電機在較高轉(zhuǎn)速時其輸出力矩會急劇下降，而相對的，交流伺服電機為恒力矩輸出，在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)以額定轉(zhuǎn)矩輸出。</

102、p><p>　　重要的，步進電機一般不具有過載能力，而交流伺服電機可以，這樣大致上確定了六自由度搬運機器人的負載型關(guān)節(jié)的電機選擇。在運行性能上，步進電機的開環(huán)控制有時會出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象[15]。交流伺服可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，控制性能可靠。</p><p>　　圖 25 型號的選定</p><p>　　表 5 伺服電機容量</p><p

103、>　　根據(jù)電機容量，對應(yīng)表3進行電機型號選擇，一關(guān)節(jié)電機容量選擇4.4，型號選擇為SGMGH1500r/min的伺服電機。最后根據(jù)圖25確定型號為SGMGH-44A2C61交流伺服電機。</p><p>　　SGMGH-12A2B61為選定關(guān)節(jié)的小型伺服電機。步進電機的選型與伺服電機一致，通過電機額定轉(zhuǎn)速選擇最終輸出轉(zhuǎn)速為10r/min。機械手四五關(guān)節(jié)承載轉(zhuǎn)矩很小，在電機選擇上，既要滿足機械手轉(zhuǎn)速要求，又要

104、考慮到成本，所以，在機器人四、五關(guān)節(jié)，所選用電機為步進電機。</p><p><b>　　4.3 整體裝配</b></p><p>　　經(jīng)過減速器及電機選型，各個關(guān)節(jié)傳動關(guān)系確定。通過三維建模軟件進行總體建模，裝配后制作出爆炸圖如圖26所示。</p><p><b>　　圖 26 總爆炸圖</b></p>

105、<p>　　至此，六自由度串聯(lián)機械手的設(shè)計全部完成，之后便是對機械手的控制原理分析及二次開發(fā)編程。</p><p>　　5 控制原理及二次開發(fā)</p><p>　　六自由度串聯(lián)機械手其靈活的功能性，較強的適應(yīng)性，隨著世界工業(yè)的發(fā)展逐漸走入人們的生產(chǎn)活動中。六自由度串聯(lián)機器人，多用于重復(fù)軌跡運動，結(jié)合不同功能的末端手爪，可以實現(xiàn)搬運、噴涂等特定動作。其從理論上來說是根據(jù)連軸器的運

106、動研究出來的， 經(jīng)過數(shù)學(xué)陣列演算出來；從控制上來說，是利用運動控制器來控制每個軸的伺服電機來實現(xiàn)。</p><p><b>　　5.1 控制原理</b></p><p>　　由主機發(fā)出程序指令，經(jīng)運動控制卡處理，傳出控制信號，以驅(qū)動機器人的運動，再經(jīng)由外部傳感器回饋動作信號，運動控制卡再處理反饋信號，以判斷機器人的動作是否完成。常見的工業(yè)串聯(lián)機器人的核心便是控制各個

107、關(guān)節(jié)電機驅(qū)動器的運動控制器，常見的例如六自由度串聯(lián)機器人中的運動控制卡：MAC-3002SSP4(PCI總線、四軸、伺服卡)、MAC-3002SSP2(PCI總線、二軸、伺服卡)。</p><p>　　圖 27 PC+運動控制卡系統(tǒng)</p><p>　　工業(yè)用六自由度串聯(lián)機械手通常采用運動控制卡的控制系統(tǒng)，如圖26為簡單的運動控制卡與電腦控制系統(tǒng)。</p><p>

108、;　　運動控制卡是一種基于PC機及工業(yè)PC機、用于各種運動控制場合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制單元。運動控制卡是基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP）及大規(guī)?？删幊唐骷崿F(xiàn)多個伺服電機的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進/伺服電機運動控制裝置[16]。</p><p>　　運動控制卡作為控制信號、處理信號的一種，國內(nèi)固高運動控制卡，國際上科爾摩根運動控制卡。圖27所示兩種常見的運動控制卡，側(cè)邊有與電腦

109、PC相連的信道傳輸口。</p><p><b>　　圖 28運動控制卡</b></p><p>　　以六自由度機器人4軸運動控制卡說明運動控制卡的主要功能：</p><p>　　1-4軸獨立或聯(lián)動控制；最高輸出脈沖6.4MHz，可以控制脈沖輸入型伺服電機或步進電機；梯形或S形曲線自動加/減速功能，手動減速點設(shè)置功能；定位控制、連續(xù)運動速度控制、