关节型机器⼈腕部结构结构设计说明
关节型机器⼈腕部结构结构设计
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ο150，摆动ο90，旋转ο360。各
轴最⼤速度要求：s /30ο。额定载荷kg 5，最⼤速度s m /3。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，2008~2012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2－1 传动原理图
3.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
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kg m 51=，初估腕部的重量kg m 102=，最⼤运动速度V=3m/s
功率W mgV FV p 45031015=??===
取安全系数为1.2，W p p 5404502.12.1'=?==
考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率W p 600＝额。
执⾏机构的最⼤转速为 n=286100060=?D
V πr/min 经查表按推荐的传动⽐合理范围i=408到，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
4.1.2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＝'n n ＝47
.
2862000≈8 取整i 总=8 同理：提腕腕传动⽐的确定 i 总＝
'n n ＝1502000≈16
摆腕腕的传动⽐：
i 总＝
'
n n ＝1432000≈14 4.3传动⽐的分配
a 转腕传动⽐的分配
4,2i 3412==i 低速级⾼速级传动⽐为
b 提腕传动⽐的分配
4,4i 3412==i 低速级⾼速级传动⽐为
C 摆腕传动⽐的分配
7,2i 3412==i 低速级⾼速级传动⽐为
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170~190HBS ，齿轮精度等级为7极。取。
a. 设计准则
机器人资料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
312
112][u u KT Z Z Z d d H E H t +???? ??=φσε（4－1）其中， 8.0=d φ，2=u ，
90.0=εZ ，a E MP Z 8.189=，8.1=H Z ，
mm N n P T ?=?=?=1166747
.28654.01055.91055.966
1 选择材料的接触疲劳极根应⼒为： MPa H 580lim 1=σ MPa H 560lim 2=σ
选择材料的接触疲劳极根应⼒为：
MPa F 230lim 1=σ MPa F 210lim 2=σ应⼒循环次数N 由下列公式计算可得
at n N 1160= （4-2）
168300200060=
91023.4?=
则 99
121016.22
1023.4?=?==u N N 接触疲劳寿命系数1.11=N Z ,02.12=N Z 弯曲疲劳寿命系数121==N N Y Y 接触疲劳安全系数1min =H S ，弯曲疲劳安全系数5.1min =F S ,⼜0.2=ST Y ，试选3.1=t K 。
求许⽤接触应⼒和许⽤弯曲应⼒：
[][][][]MPa
MPa Y S Y MPa MPa Y S Y MPa Z S MPa Z S N F ST F F N F ST
F F N H H H N H H H 28015.1221067.30615.122306.59102.11
5806381.11
5802min lim 221min
lim 112min lim 21min lim 11=??===??===?===?==σσσσσσσσ将有关值代⼊（4－1）得： []mm mm u u T K Z Z Z d d t H E H t 65.452128.0116703.126.5919.08.1898.1123231221=+
=±Φ
=σε则s m n d v t /752.41000602000
65.451000601
11==?=ππ
s m s m v z /946.0/100752.42010011=?=