关节型机器人手腕结构设计及控制系统.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流关节型机器人手腕结构设计及控制系统.精品文档.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 requi

2、rements, 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

3、 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 机器人的概念及组成11.2 题目来源及意义21.3 机器人的现状与发展32结构设计72.1结构方案73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84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95齿轮设计105.1偏转

4、部分齿轮设计105.2摆腕部分齿轮设计175.3转腕部分齿轮设计196轴的设计与校核226.1轴的结构设计226.2轴的校核计算237控制系统设计267.1控制方法的确定267.3 PLC的IO图绘制317.4 PLC梯形图设计31结论38参考文献39致谢401 绪论1.1 机器人的概念及组成机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。它是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器。它可以说是高级整合控制论、

5、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、医学、农业甚至军事等领域中均有重要用途。其中工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业协会提出的工业机器人定义为：“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机”。英国和日本机器人协会也采用了类似的定义。我国的国家标准GB/T12643-90将工业机器人定义为：“机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业”。而将操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致

6、。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。” 欧美国家认为：机器人应该是由计算机控制的通过编排程序具有可以变更的多功能的自动机械，但是日本不同意这种说法。日本人认为“机器人就是任何高级的自动机械”，这就把那种尚需一个人操纵的机械手包括进去了。因此，很多日本人概念中的机器人，并不是欧美人所定义的。 机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决

7、策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器。机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。检

8、测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路

9、，从而将大大提高机器人的工作精度。控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。1.2 题目来源及意义课题的来源：题目来源于生产实际。设计一个用于焊接的关节型机器人，进行机器人的总体方案设计、腕

10、部及执行器结构设计及其零件设计。课题的目的、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其零件设计。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程度要求高，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率、实现生产过程自动化、改善劳动条件。1.2.1 技术要求根据设计要达到以下要求（1） 工作可靠，结构简单；（2） 装卸方便，便于维修、调整； （3） 尽量使用通用件，以便降低制造成本。1.2.2 预计达到目标及解决方案课题预计达到的目标：（1）手腕处于手臂末端，尽量做到手腕部件的结构紧凑，须减轻手臂的载荷，减少其重量和体

11、积；（2）提高手腕动作的精确性； （3）三个自由度（手腕的摆动、回转、旋转）的实现。解决方案：（1）将3个驱动器安置在小臂的后端，腕部机构的驱动装置采用分离传动。（2）需提高传动的刚度，还有尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差，对分离传动多采用传动轴。（3）驱动电机1经传动轴和一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮带动手腕在壳体上作偏摆运动。电机2经传动轴驱动圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动，从而使轴回转，实现手腕的上下摆动。电机3经传动轴和两对圆锥齿轮传动带动轴回转，实现手腕机械接口法兰盘的回转运动。1.3 机器人的现状与发展1.3.1 机器人的历史1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔恰佩克在他的科幻小

12、说罗萨姆的机器人万能公司中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。1939年 美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。1942年 美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。1948年 诺伯特维纳出版控制论，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。1954年

13、 美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。1956年 在达特茅斯会议上，马文明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。1959年 德沃尔与美国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。1962年 美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运)

14、,与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。1965年约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校

15、正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。1968年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。1969年 日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生

16、出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。1973年 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。1978年 美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。1984年 英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。1998年 丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个

17、人世界。1999年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。2002年 美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。2006年 6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。1.3.3 先进机器人近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘

18、、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外 感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。空间机器人：空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国NASA的空间机器人 Sojanor等。Sljanor是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸63048mm，有6个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关 注。水下机器人：美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD

19、等水下机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下机器人（remote operated vehicle）和无缆水下机器人（autonomous under water vehicle）两大类。建筑机器人：日本已研制出20多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，并已实际应用。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。地下机

20、器人：地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两大类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。核工业用机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统，如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7 灵巧手等医用机器人： 医用机器人的主要研究内容包括：医疗外科

21、手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场感外科（telepresence surgery）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（telematics）计划、袖珍机器人（biomed）计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。 1.3.4 发展趋势随着社会的不断发展，各行各业的分工越来越明细，尤其是在现代化的大产业中，有的人每天就只管拧一批产品的同一个部位上的一个螺

22、母，有的人整天就是接一个线头，就像电影摩登时代中演示的那样，人们感到自己在不断异化，各种职业病逐渐产生，于是人们强烈希望用某种机器代替自己工作，因此人们研制出了机器人，用以代替人们去完成那些单调、枯燥或是危险的工作。由于机器人的问世，使一部分工人失去了原来的工作，于是有人对机器人产生了敌意。“机器人上岗，人将下岗。”不仅在我国，即使在一些发达国家如美国，也有人持这种观念。其实这种担心是多余的，任何先进的机器设备，都会提高劳动生产率和产品质量，创造出更多的社会财富，也就必然提供更多的就业机会，这已被人类生产发展史所证明。任何新事物的出现都有利有弊，只不过利大于弊，很快就得到了人们的认可。比如汽车

23、的出现，它不仅夺了一部分人力车夫、挑夫的生意，还常常出车祸，给人类生命财产带来威胁。虽然人们都看到了汽车的这些弊端，但它还是成了人们日常生活中必不可少的交通工具。英国一位著名的政治家针对关于工业机器人的这一问题说过这样一段话：“日本机器人的数量居世界首位，而失业人口最少，英国机器人数量在发达国家中最少，而失业人口居高不下”，这也从另一个侧面说明了机器人是不会抢人饭碗的。美国是机器人的发源地，机器人的拥有量远远少于日本，其中部分原因就是因为美国有些工人不欢迎机器人，从而抑制了机器人的发展。日本之所以能迅速成为机器人大国，原因是多方面的，但其中很重要的一条就是当时日本劳动力短缺，政府和企业都希望发

24、展机器人，国民也都欢迎使用机器人。由于使用了机器人，日本也尝到了甜头，它的汽车、电子工业迅速崛起，很快占领了世界市场。从现在世界工业发展的潮流看，发展机器人是一条必由之路。没有机器人，人将变为机器；有了机器人，人仍然是主人。2结构设计2.1结构方案方案与措施：（1） 腕部机构的驱动装置采用分离传动，将3个驱动器安置在小臂的后端。（2）提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转误差，对于分离传动采用传动轴。21（3）驱动电机1经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮带动手腕在小臂壳体上作偏摆运动。电机2经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动，实现手腕的上下摆动。电机3经传动轴和两

25、对圆锥齿轮带动轴回转，实现手腕上机械接口的回转运动。33电机的选择3.1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=2m/s功率 （3-1）取安全系数为1.2， （3-2）考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率。选择Z型并励直流电动机，技术参数如下：表3-1 ZYT型永磁直流电动机技术数据型号转矩(mN.m)转速(r/min)功 率(w)电 压(v)电流(A)不于允许顺逆转速差(r/min)130ZYT02254815004002202.41003.2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ZYT型永磁直流电动机，型号为130ZYT02。4总传动比的确定及传动

26、比的分配4.1各级传动比的计算4.11偏转传动比的确定先根据下式求角速度 （4-1） 为角速度(r/s)，V为运动速度（m/s）， R为机械接口到转动轴的距离(m)。再求实际转速 （4-2）最后求得总传动比i总5.23 （4-5） 取整i总1=54.12转腕和摆腕传动比的确定用同样的方法，可求得转腕总传动比i总210摆腕总传动比i总354.2传动比的分配传动比分配时要充分考虑到各级传动的合理性，以及齿轮的结构尺寸，要做到结构合理。（1）提腕传动比分配 提腕总的传动比i总1=5，该传动为两级传动，第一极传动为圆柱齿轮传动，传动比i11=2，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比i122.5。（2）转腕

27、传动比分配 转腕总的传动比i总210，该传动为两级传动，第一极传动为圆柱齿轮传动，传动比i212.5，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比i214。（3）摆腕传动比分配 摆腕总的传动比i总35，该传动为两级传动，第一极传动为圆柱齿轮传动，传动比i312，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比i322.5。5齿轮设计5.1偏转部分齿轮设计第一级圆柱齿轮传动的类型、精度等级、材料及齿数：小齿轮采用材料为40（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。齿轮精度等级为7极。取。5.1.1齿面接触强度设计由设计计算公式进行计算，即： (5-1)（1）确

28、定公式内的各计算数值其中，选载荷系数=1.3小齿轮传递的转矩为： （5-2）由机械设计表10-7选出齿宽系数由机械设计表10-6查得材料的弹性影响系数由机械设计图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限由机械设计式10-13计算应力循环次数 （5-3）由机械设计图10-19取疲劳寿命系数;计算接触疲劳许用应力。设定失效概率为1%，安全系数S=1,可得出 （5-4） （5-5）（2）计算计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值计算圆周速度 （5-6）计算尺宽 （5-7）计算齿宽与齿高之比模数 （5-8）齿高计算载荷系数根据，7级精度，查机械设计图10-8得动载荷系

29、数直齿轮，查机械设计表10-1得使用系数查机械设计表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称分布置时，由，查得;故载荷系数 （5-9）按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径 （5-10）计算模数5.1.2按齿根弯曲强度设计由机械设计式（10-5）得弯曲强度设计公式为（1）确定公式内的各计算数值由机械设计图10-20c查得其中小齿轮弯曲疲劳强度极限；大齿轮弯曲强度极限由机械设计图10-18弯曲疲劳寿命系数,计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数，由机械设计式（10-12）得： （5-11）4)计算载荷系数 （5-12）查取齿形系数由机械设计表10-5查得 ;查取应力校正系数由机械设计表1

30、0-5查得 ;计算大小齿轮的并加以比较 大齿轮的齿数大（2）设计计算 故此处只要满足第一个计算的结果，取模数。几何尺寸计算如表5-1表5-1偏转第一级圆柱齿轮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 齿距续表5-1名称符号公式齿厚齿槽宽中心距顶隙其他具体设计见图由于小齿轮较小，故做成齿轮轴。5.1.3第二级圆锥齿轮传动的类型、精度等级、材料及齿数：小齿轮采用材料为40（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。齿轮精度等级为7极。取。按齿面接触疲劳强度计算，机械设计公式（10-26）得： （5-13）

31、（1）确定公式内的各个值其中取，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：弯曲疲劳寿命系数：；取弯曲疲劳安全系数，由公式可得：应力循环次数N由下式计算可得接触疲劳寿命系数,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： （5-14）则 动载荷系数；使用系数；悬臂梁齿向载荷分布不均匀系数；齿间载荷分配系数则直齿锥齿的载荷系数修正 取标准模数。 5.1.4齿根弯曲疲劳强度计算复合齿形系数， 取 由公式： 可推出公式 所以模数，齿轮合格表5-2偏转第二级圆锥齿轮名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高续表5-2名称符号

32、公式齿顶圆直径 齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角齿顶圆锥角齿根圆锥角锥距齿宽小齿轮为齿轮轴5.2摆腕部分齿轮设计5.2.1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。表5-3摆动第一级圆柱齿轮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5.2.2第二级圆锥齿轮传动的类型、精度等级、材料及齿数：小齿轮采用材料为40（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。齿轮精度等级为7极。取。表5-

33、4摆动第二级圆锥齿轮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齿顶圆锥角齿根圆锥角锥距齿宽5.3转腕部分齿轮设计5.3.1第一级传动为圆锥齿轮传动小齿轮采用材料为40（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。齿轮精度等级为7极。取。表5-5转腕第一级圆锥齿轮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齿顶圆锥角齿根圆锥角锥距齿宽5.3.2第二级圆锥齿轮传动的类型、精度等级、材料及齿数：小齿轮采用材料为40（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），

34、硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。齿轮精度等级为7极。取。表5-6转腕第二级圆锥齿轮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齿顶圆锥角齿根圆锥角锥距齿宽6轴的设计与校核轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。6.1轴的结构设计轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件类型、尺寸、数量以及和轴的连接方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同情况进行具体分析，轴的结构图如下：图6-1轴结

35、构图6.1.1轴的结构尺寸确定从左边开始：第一段轴要与轴承连接，通过轴承的内径来选择轴段的大小，此轴中选用的7200B角接触球轴承，通过查阅资料，确定轴段的直径为d=10mm。此处简述一下轴承的选取过程：1轴承选择的概要 由于各种因素的存在，对轴承类型的选择没有一个固定的法则可循。为了能从为数众多的结构、尺寸中，选择最适合的轴承，有需要从各种角度研究。在选择轴承时，一般，考虑作为轴系的轴承排列、安装、拆卸之难易度、轴承所允许的空间、尺寸、及轴承的市场性等，大致决定轴承结构。有关于润滑脂老化而发生的润滑脂寿命、磨损、噪音等也需要充分研究。其次，一边比较研究使用轴承的各种机械的设计寿命和轴承的各种

36、不同的耐久限度，一边决定轴承尺寸。再者，根据不同的用途，有必要选择对精度、游隙、保持架结构、润滑脂等要求，作特别设计的轴承。但是，选择轴承并没有一定的顺序、规则，优先应考虑的是对轴承所要求的条件、性能、最有关连的事项，最为实际。 2轴承类型的选择 各类轴承都因其设计之不同而具有各种不同特牲，使其适宜于某种特定的应用范围。例如，深沟球轴承可承受中等程度的径向及轴向载荷，运转摩擦力低，可以制出高精密及低噪音的产品，因此适宜于小型或中型的电机用途。圆锥滚子轴承特别适用于承受径向载荷和单向轴向载荷及其合成载荷。其接触角越大，轴向载荷容量越大。安装与拆卸比较方便，通常以两套轴承配对使用。圆柱滚子轴承一般

37、只承受径向负荷与相同尺寸的向心球相比，其径向载荷能力提高1.53倍。由于本处传递力矩较小，约合2000N，所选取的轴承所能承受为5000N以上，故略去校核。第二段轴为了能够安装第一段轴的轴承，所以轴肩要有一定高度差，由此去d=15mm。长度是由整体装配结构而定。第三段为齿轮轴，尺寸通过齿轮的设计计算而得到。第四段与第二段情况相同。第五段与第一段情况大致相同，更长的原因是为了要与电机相连接，这段轴要与波形联轴器相连。6.2轴的校核计算轴的计算通常都是在初步完成设计结构后进行校核计算，计算准则是满足轴的强度或刚度要求，必要时还应校核轴的震动稳定性按扭转强度条件计算 (6-1)其中 （6-2）由于采

38、用45钢，所以代入上式得所以符合要求。按弯扭合成强度条件计算,扭矩图6-2图6-2受力分析图传递功率：作用到齿轮上的力：水平面上受力分析： （6-3） （6-4）垂直面上受力分析： 在a-a截面的左端： （6-5） 右端： 在垂直的方向上： （6-6）弯矩计算：左端为 （6-7） 右端为由上述计算可看出a-a截面的右侧要比左侧受力大，故此处a-a右侧为危险截面，只要校核右侧就可以了按弯扭合成应力校核轴的强度 (6-8)故安全精确校核轴的疲劳强度 抗弯截面系数 （6-9）抗扭截面系数 （6-10）截面上的弯曲应力 （6-11）截面上的扭转应力为 安全系数 （6-12）所以安全由于本次课题所传动的

39、力矩较小，与实际校核允许值非常大，所以其余轴的校核过程略去，基本过程同上，校核结果为全部合格。7控制系统设计7.1控制方法的确定7.1.1运动仿真机器人位置控制模型考虑到机器人驱动单元的延迟,将机器人在操作空间某方向的位置控制建模为图7-1所示的三阶系统。其中m为机械手的等效质量,t为电机的时间常数,b为阻尼系数,f为控制力。图7-1频率加权加速度反馈我们先看一下原始加速度负反馈的情况, 即取:Ga (s) = kv 为常数做出它的波特图如图7-2实线所示。对比两曲线可以看到, 直接加速度负反馈的引入使系统的幅值裕度增加了, 但频带变窄了。这对于抑制高频干扰有利, 却使动态品质变差。而且实际中

40、, 由于机械手谐振和连杆柔性的影响, 加速度负反馈的增益稍大就会使系统发生严重震荡。因此直接加速度负反馈对改善系统性能作用不大。针对加速度反馈对系统谐振敏感的特点,提出了加速度反馈增益应是系统频率加权的思想, 即使kv 具有kv ( jX) 的形式。这样能在一定程度上减小谐振对加速度反馈的影响。但是他对位置、速度和加速度三项反馈都进行了频率加权, 这不但引入了不必要的相位滞后, 而且压缩了系统带宽。如果只对加速度反馈项进行频率加权, 作出的波特图与图7-2是相似的, 也没有改善系统的动态性能。图7-2综合加速度反馈加速度积分负反馈可以提高系统阻尼, 提高稳定裕度; 加速度正反馈可以拓宽系统的频

41、带。要取两者的优点, 必须将它们结合起来。因为两者在频率上是错开的, 只要将两个滤波器并联即可。保持前面各参数取值不变, 得到综合加速度反馈的波特图如图7-3所示。对比图3与图7-35我们看出, 综合加速度反馈不仅抑制了系统的谐振峰, 提高了系统的稳定裕度, 还使带宽有了一定的提高, 这是前面的两种加速度反馈方法单独无法具有的! 在这个前提下, 机器人的位置反馈增益就可以取得更大, 这对于提高机器人的刚度, 抑制关节摩擦, 减小控制误差都是有利的。图7-3结论本文的加速度反馈控制方法将轻巧的加速度计安装在机械手的末端, 对机械手的结构及动力学特性基本没有影响; 它能给机械手提供比原系统大得多的

42、阻尼, 更能充分的发挥机械臂的设计潜能; 阻尼有了保障, 控制增益就可以提高, 这对于提高控制精度和抑制摩擦等非线性因素都有好处。对于计算机采样控制的机器人, 用加速度反馈来提高位置控制阻尼的方法是实用的, 也是可行的。对于机械臂与环境形成闭合链的力控制, 情况要复杂一些, 尚有待于进一步研究。7.1.2PLC控制PLC = Programmable logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控

43、制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器（PLC），是以微处理器为核心的通用自动控制装置。它具有控制功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于扩展、通用性强等一系列优点，不仅可以取代继电器控制系统，还可以进行复杂的生产过程控制和应用于工厂自动化网络，被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一。7.1.3单片机控制单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展很快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活