六自由度弧焊机器人毕业设计论文设计

机器人是一种集机械、电子、传感技术、控制技术等多种现代技术于一体的机电一体化产品。进入80年代，随着自动化生产流水线以与柔性生产系统〔FMS〕和柔性自动化〔FA〕在工业生产中的大量应用，机器人发挥着越来越重要的作用。机器人的特点是能在自动控制下通过编程完成目标操作或移动作业；机器人的构造和性能表现了人和机器各自的优点，特别是表现了人的智能和适应性以与机器的作业准确性和在各种环境中完成作业的能力。综观机器人开展的历史和高新技术的开展趋势，可以断言，机器人必将成为现代化工业开展中不可缺少的必备工具。

本文设计了一种关节式机器人，具有六个自由度，其中手腕关节具有三个自由度，其它的关节各具有一个自由度，各个关节采用电机驱动。

本设计主要介绍关于机器人的一些根本常识和原理，包括机器人的组成、分类和主要技术性能参数并参考通用型机器人的结构，进展六自由度弧焊机器人的结构设计和其计算机控制系统的设计。本设计从实际情况出发，对机器人的机构可行方案进展了充分论证，用Pro/Engineer 和AutoCAD 等软件设计出了机器人本体结构。

关键词: 六自由度；弧焊机器人；控制系统

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word ABSTRACT

The robot is the mechanical-electrical production which is posed of the technique of mechanical、electrical、sensor、control. ing the 80 age, with the application of the automatic manufacture pipelining、flexible manufacture system and flexible automation, the robot will exert the profound influence on this. A characteristic of the robot is its ability to plete object manipulation or moving task through programming under the auto-control. The constitution and performance of the robot embody each quality of the man and robot, especially the man’s intelligence and applicability as well as the veracity of the robot’s task and the ability of pleting task under each environment.

A joint type robot was designed in this paper．It hadsix degrees of freedom．The wrist had three degrees of freedom and the other joints had three degrees of freedom．The painting robot’s joints were driven by motors．

This scheme introduced some basic information and theory of the robots. It is included that the position of the robot, the group of the robot, and the main capability of technology. It consulted the structure of the mon robot to design the structure and puter control system of six degrees of freedom robot.After demonstrating the feasibility of robot mechanics, the article have designed the robot’s entity structure with Pro/engineer and AutoCAD and otherwise software from the matter of fact.

KEYWORDS：Six degrees of freedom；Arc welding robot；Control system

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word 目 录

摘 要错误!未定义书签。 Abstract错误!未定义书签。 第1章 绪 论错误!未定义书签。

1.1 机器人的定义与特点错误!未定义书签。 1.2 机器人根本组成与技术参数11

1.2.1 机器人的根本组成11 机器人技术参数12 1.3 机器人的分类与应用13

1.3.1 机器人的分类13

1.3.2 机器人的应用领域与优点错误!未定义书签。

第2章 机器人的总体设计错误!未定义书签。

2.1 根本参数确实定错误!未定义书签。 2.2 机器人主体结构设计错误!未定义书签。 2.3 手臂配置形式错误!未定义书签。 2.4 位置检测装置的选择错误!未定义书签。 驱动与控制方式选择错误!未定义书签。 第3章 结构运动学简图错误!未定义书签。 第4章 操作机转动机构错误!未定义书签。

4.1 操作机结构方案的比照分析与选择错误!未定义书签。 4.2 电机的选择错误!未定义书签。 4.3 蜗轮蜗杆设计错误!未定义书签。

4.3.1 选择材料与精度等级错误!未定义书签。 4.3.2 确定主要参数错误!未定义书签。 4.3.3 强度校核错误!未定义书签。 4.3.4 润滑错误!未定义书签。 4.4 齿轮设计错误!未定义书签。

4.4.1 齿面接触疲劳强度计算错误!未定义书签。 4.4.2 齿根弯曲疲劳强度验算错误!未定义书签。 4.5 轴与轴承设计错误!未定义书签。

4.5.1 蜗杆轴与蜗轮轴设计错误!未定义书签。 4.5.2 蜗杆轴与蜗轮轴校核错误!未定义书签。

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word 4.5.2.1 蜗杆轴校核错误!未定义书签。 4.5.3 齿轮轴设计与校核错误!未定义书签。 4.5.3.1 设计错误!未定义书签。 4.5.2.2 蜗轮轴校核错误!未定义书签。 4.5.4 轴承设计与校核错误!未定义书签。 4.4.2.1 蜗杆轴轴承错误!未定义书签。 4.4.2.2 蜗轮轴轴承错误!未定义书签。 4.4.2.2 齿轮轴轴承错误!未定义书签。 4.5.4 键设计错误!未定义书签。 4.5.5 联轴器设计错误!未定义书签。

第5章 操作机提升机构错误!未定义书签。

5.1 传动方案的分析与选择错误!未定义书签。

5.1.1 综述错误!未定义书签。 5.1.2 螺旋传动错误!未定义书签。 5.2 电机选择错误!未定义书签。 5.3 螺旋传动设计错误!未定义书签。

5.3.1 选材错误!未定义书签。 5.3.2 结构设计错误!未定义书签。 5.3.3 压杆稳定性核算错误!未定义书签。 5.3.4 刚度的验算错误!未定义书签。 5.3.5 联轴器设计错误!未定义书签。

第6章 手臂伸缩机构34

6.1 传动方案的分析与选择34

6.1.1 综述34 6.1.2 螺旋传动34 6.2 电机选择35 6.3 螺旋传动设计35

6.3.1 选材35 6.3.2 结构设计35 6.3.3 压杆稳定性核算37 6.3.4 刚度的验算37 6.4 带传动设计38

第7章手腕转动机构错误!未定义书签。 结 论40

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word 致 谢40 参考文献40

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word 第1章 绪论

“机器人〞(Robot)是1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克发表的科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》中塑造的形象。剧中，罗萨姆公司把机器人作为人类生产的工业产品推向市场，让它去充当劳动力，以呆板的方式从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司使机器人具有了感情，在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota〞(农奴)写成了“Robot\"(机器人)。这也是人类社会首次使用“机器人〞这一概念。

1987年国际标准化组织对机器人进展了定义:“机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。〞我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器〞。

宋健教授1999年7月5日在国际自动控制联合会第14届大会报告中所指出的：“机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。〞 机器人技术的出现与开展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。科学的进步与技术的创新，为机器人的研究与应用开辟了广阔的思路与空间。

本次设计是对六自由度弧焊机器人的二维设计，该设计是机械设计研究所的一项科研项目。我所做的设计是在教师与其他同学的帮助下，同过运用CAD软件来完成。结合所学的本专业的机械根底知识，针对六自由度弧焊机器人的特点与功能要求进展研究，在指导教师的帮助下进展对该机械产品的设计，这对我们是一种很好的锻炼机会，而且也是对我们专业知识的检验。我们可以找到自己的缺点和不足，并充实自己的知识。

1.1 机器人的概念

机器人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，而机器人如此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、

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word 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/T123-90将机器人定义为：“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展其它操作的机械装置〞。

机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进展作业而要求的外部设备组成。

1.1.1 操作机

操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由如下局部组成：

〔1〕末端执行器又称手部 是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。

〔2〕手腕 是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作X围，一般有2～3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。

〔3〕手臂 它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化X围和运动X围。

〔4〕机座 有时称为立柱，是机器人机构中相对固定并承受相应的力的根底部件。可分固定式和移动式两类。

1.1.2 驱动单元

它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。

1.1.3 控制装置

它是由人对机器人的启动、停机与示教进展操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。

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word 1.1.4 人工智能系统

它由两局部组成，一局部是感觉系统，另一局部为决策－规划智能系统。

1.2 机器人的研究开展现状

机器人有50至60年的开展历史。1959年美国的发明家英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台机器人，机器人第一次出现在人们的视野中。英格伯格在大学时攻读的伺服电机理论，伺服电机理论是一种研究机构如何能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔于1946年发明了一种可以“重演〞记录的运动的机器。德沃尔又于1954年获得可编程机械手专利，这种机械手臂能够按程序进展工作，同时也可以根据不同的工作需要以与工作对象编制不同的控制程序，因此在实际工作中具有很好通用性和灵活性。英格伯格和德沃尔都是研究机器人的著名发明家，他们都认为汽车工业是最适于用机器人的行业，因为汽车制造行业是用重型机器进展工作的，而且生产过程比拟固定。英格伯格和德沃尔又于1959年联手制造出第一台机器人。这种机器人外形类似于坦克炮塔，基座上安装有一个大机械臂，大臂可绕轴在基座上转动，大臂的末端又可以伸出一个小机械臂，它相对大臂可以做伸缩运动。小臂的末端装有一个手腕，可绕小臂的轴线旋转。手腕的末端装有机械手。

这台机器人成为世界上第一台真正可以用于实际工作的机器人。此后英格伯格和德沃尔成立了尤尼梅逊公司，进而创办了世界上第一家机器人制造工厂。他们因此被称为机器人之父。1962年美国机械与铸造公司也制造出机器人，称为“沃尔萨特兰〞，意思是“万能搬动〞。这两家公司制造的机器人成为了世界上最早的而且至今仍在使用的机器人。

近六十年来机器人的开展史，大致经历了三个重要的阶段。第一阶段为简单个体类机器人， 第二阶段为群体劳动类机器人，第三阶段为类似人类的智能机器人。机器人开展是向着有知觉、有思维、能与人对话的方向开展的。

到了二十世纪九十年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术的迅速开展，机器人技术也有了质的飞跃。除了机器人的性能不断提高之外，各种各样的用于其他行业的机器人也有了巨大的进展。

机器人的开展非常迅速，下面对几个重要的研究的方向做简单的介绍。

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word 机器人操作机：通过有限元分析、模态分析与仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。

并联机器人：主体采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量与加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了根底。

控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人开展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以与精细装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。

网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线与一些网络的联接，使机器人由过去的应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备开展。由于微电子技术的快速开展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。

先进机器人的开展也异常迅速。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开展。下面就几个研究热点做一简单的介绍。

水下机器人：目前主要用于海洋石油开采、海底勘查、落水人员救捞、管道铺以与电缆的铺设和维护。主要有有缆水下机器人和无缆水下机器人两大类。

空间机器人：空间机器人技术一直是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的空间机器人等。美国NASA的空间机器人是一辆自主移动车，重量为11.5kg，外型尺寸630~ 48mm，有6个车轮，它在火星探测上的成功应用，引起了全球X围内的广泛关注。

核工业用机器人：国外的研究方向主要集中在机构灵巧、动作准确可靠、响应速度快、重量轻、刚度和强度良好、装有便于装卸与维修的高性能伺服机械手以与能半自主和自主移动到任意位置。

地下机器人：地下机器人主要有挖掘机器人和地下管道检修机器人两大类。目前日、美、德等兴旺国家已研制出了用于石油、天然气输送管道检修的地下机器人。各种挖掘机器人以与自动化系统也正在研制当中。

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word 医用机器人：主要用于医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。建筑机器人：如用于高层建筑的抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、用于擦玻璃的机器人等，并已经应用于实际生活中。

军用机器人：近年来，英、美、法、德等国已研究出的二代军用智能机器人。其特点采用自主控制方式，能完成侦查、作战和后勤支援等任务，在战场上具有、嗅和触摸等能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。

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。

1.3 机器人开展趋势

目前国际上各国都在加大机器人的研究力度，进展机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向开展。研究内容主要有以下10个方面：

1、机器人的操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步增强负载/自重比。向着模块化、可重构的方向开展。

2、机器人控制技术：重点研究开放式和模块化控制系统，人机界面更加清楚明朗，语言、图形编程界面还正在研制当中。机器人控制器向着标准化和网络化的方向开展，基于PC机网络式的控制器已成为当今世界研究的热点。对于编程技术，除了进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。

3、多传感系统：为进一步提高机器人的智能性和适应性，多种传感器的使用是这个问题解决的关键。其研究热点在于研制出有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性与非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一个问题就是传感系统的实用化。

4、机器人的结构越来越灵巧，控制系统也越来越小，二者正朝着一体化的方向开展。

5、机器人遥控与监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协制，通过网络建立大X围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进展遥控等。

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word 6、虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以与临场感技术，实现机器人的虚拟遥感操作和人机交互。

7、多智能技术：这是目前机器人研究领域中的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进展研究。

8、微型和微小机器人技术：这是机器人研究的一个新的领域和重点开展方向。过去该领域的研究几乎是空白的，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术

9、软机器人技术：主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人在设计是没有考虑与人严密共处，因此其所用材料多为金属或硬性材料。软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的。

10、仿人和仿生技术：这是机器人技术开展的最高境界，目前仅在某些方面进展一些根底研究。

1.4 机器人根本组成与技术参数

1.4.1 机器人的根本组成

机器人系统由三大局部六个子系统组成。三大局部是：机械局部、传感局部、控制局部。六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统。

1．驱动系统 要使机器人运行起来需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者把它们结合起来应用的综合系统；可以直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进展间接驱动。

2．机械结构系统 机器人的机械结构系统由机身、手臂、末端操作器三大件组成。每一大都有假设干自由度，构成一个多自由度的机械系统。假设机身具备行走机构便构成行走机器人；假设机身不具备行走与腰转机构，如此构成单机器人臂〔Single Robot Arm〕。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器是直

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word 接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是喷漆、焊具等作业工具。

3．感受系统 它由内部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。人类的感受系统对感知外部世界信息是机器灵巧的。然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效。

4．机器人－环境交互系统 机器人环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人，多台机床或设备，多个零件存储装置等集成一个执行复杂任务的功能单元。

5．人机交互系统 人机交互系统是使操作人员参与机器人控制与机器人进展联系的装置。例如，计算机的标准终端，指令控制台，信息显示板，危险信号报警器等。归纳起来为两大类：指令给定装置和信息显示装置。

6．控制装置 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以与从传感器反应回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。假设机器人不具备信息反应特征，如此为开环控制系统；具备信息反应特征，如此为闭环控制系统。根据控制原理可分为程序控制系统，适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动的形式可分为点为控制和轨迹控制。

1.4.2 机器人技术参数

技术参数是个机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据。尽管各厂商所提供的技术参数项目是不完全一样的，机器人的结构、用途等有所不同，且用户的要求也不同，但是，机器人的主要参数一般都应有：自由度、重复定位精度、工作X围、最大工作速度、承载能力等。

1．自由度 自由度是指机器人所具有的坐标轴运动的数目，不应包括手爪(末端操作器)的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态(简称位姿)需要六个自由度。但是，机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能小于六个自由度，也可能大于六个自由度。从运动学的观点看，在完成某一特定作业时具有多于自由度的机器人，就叫作冗余自由度机器人，亦可简称冗余度机器人。

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word 2．重复定位精度 机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部与同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密集度，即重复定。

3．工作X围 工作X围是指机器人手臂末端或手腕中心能到达的所有点的集合，也叫做工作区域。因为末端操作器的形状和尺寸是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数，所以是指不安装末端操作器是的工作区域。

4．最大工作速度 最大工作速度，有的厂家指机器人主要自由度上最大的稳定速度，有的厂家指手臂末端最大的合成速度，通常都在技术参数中加以说明。很明显，工作速度愈高，工作效率愈高。但是，工作速度愈高就要花费更多的时间去升速或降速，或者对机器人的最大加速度率或最大减速度率的要求更高。

5．承载能力 承载能力是指机器人在工作X围内的任何姿势上所能承受的最大质量。承载能力不仅决定于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括了机器人末端操作器的质量。

1.5 机器人的分类与应用

1.5.1 机器人的分类

较好的分类原如此是据构成机器人的三大局部来分，如图1-1所示：

直角坐标式圆柱坐标式球坐标式关节坐标式平面坐标式柔软臂式冗余自由度式模块式气动液压电动基本结构机械部分驱动源传感部分视觉传感器触觉传感器接近感传感器

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word 控制部分（信息输入和示教方法）人工操纵机器人固定程序机器人可变程序机器人重演式示教机器人计算机数控机器人智能机器人

图1-1 机器人的分类

根据机器人三局部的具体选择可给出某个机器人的全称，如：计算机控制具有视觉功能全电动关节型机器人。但是，一般很少使用全称，通常就以机械局部的根本结构来命名，也可直接使用厂家给出的机器人名称。

(一) 按机器人的结构分类

1．五种根本坐标式机器人 机器人的机械结构局部可看作是由一些连杆通过关节组装起来的。通常有两种关节，即转动关节和移动关节。连杆和关节按不同坐标形式组装，机器人可分为五种：直角坐标形式，圆柱坐标形式，球坐标形式，关节坐标形式与平面关节坐标形式。其坐标轴是指机械臂的三个自由度轴，并未包括手腕上的自由度。

2．两种冗余自由度结构机器人

(1) 整体控制的柔软臂机器人，它也叫象鼻子机器人。柔软臂使用假设干驱动源整体控制的，控制凸面圆盘的相对滚动，手臂可产生向任何方向柔软的弯曲。由于凸面圆盘相对滚动的自由度很大，所以把这种柔软臂机器人归在冗余自由度结构机器人中。某某工业大学机器人研究室设计了一种具有柔软手腕的六自由度弧焊机器人，用于向任意空间曲面喷漆作业。

(2) 每一关节控制的冗余自由度机器人

直角坐标式机器人安放在一个可转动的平台上，增加了一个转动自由度，成为冗余自由度机器人，这种机器人很适合机床上下料等应用场合。

3．模块化结构机器人 机器人模块化的主要含义是机器人由一些可供选择的

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word 标准化模块拼装而成的，标准化模块式具有标准化接口的机械结构模块.驱动模块.控制模块.传感器模块，并已系列化。

1．第一代机器人 第一代机器人具有示教再现功能，或具有可编程的NC装置，但对外部信息不具备反应能力。

2．第二代机器人 第二代机器人不仅具有内部传感器而且具有外部传感器，能获取外部环境信息。虽然没有应用人工智能技术，但是能进展机器人-环境交互，具有在线自适应能力。例如，机器人从运动着的传送带上送来的零件中抓取零件并送到加工设备上。因为送来的每一个零件具体位置和姿态是随意的、不同的，要完成上述作业必须获取被抓取零件状态的在线信息。

3．第三代机器人 第三代机器人具有多种智能传感器，能感知和领会外部环境信息，包括具有理解像人下达的语言指令这样的能力。能进展学习，具有决策上的自治能力。

1.5.2 机器人的应用领域

机器人的应用领域 自从20世纪60年代初人类创造了第一台机器人以后，机器人就显示出它极大的生命力，在短短40多年的时间中，机器人技术得到了迅速的开展，机器人已在工业兴旺国家的生产中得到了广泛的应用。目前，机器人已广泛应用于汽车与汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶与塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、六自由度弧焊机器人与搬运机器人等机器人已被大量采用。

在众多制造业领域中，应用机器人最广泛的领域是汽车与汽车零部件制造业。2005年美洲地区汽车与汽车零部件制造业对机器人的需求占该地区所有行业对机器人需求的比例高达61%；同样，亚洲地区的该比例也达到33%，位于各行业之首；虽然2005年由于德国、意大利和西班牙三国对汽车工业投资的趋缓直接导致欧洲地区汽车工业对机器人需求占所有行业对机器人需求的比例下降到了46%，但汽车工业仍然是欧洲地区使用机器人最普与的行业。目前，汽车制造业是制造业所有行业中人均拥有机器人密度最高的行业，如，2004年德国制造业中每1万

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word 名工人中拥有机器人的数量为162台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有机器人的数量如此为1140台；意大利的这一数值更能说明问题，2004年意大利制造业中每1万名工人中拥有机器人的数量为123台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有机器人的数量如此高达1600台。

机器人还广泛应用于电子电气行业、金属制品业(包括机械)、橡胶与塑料工业和食品工业等领域。2005年，亚洲地区电子电气行业对机器人的需求仅次于汽车与汽车零部件制造业，其占所有行业总需求的比例为31%；而在欧洲地区橡胶与塑料工业对机器人的需求如此远远超过电子电气行业而排名第二位；美洲地区由于汽车与汽车零部件制造业对机器人的需求遥遥领先，所以金属制品业(包括机械)、橡胶与塑料工业以与电子电气行业对机器人的需求比例相当，均在7%左右。随着科学与技术的开展，机器人的应用领域也不断扩大。目前，机器人不仅应用于传统制造业如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以与家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。如，水下机器人、抛光机器人、打毛刺机器人、擦玻璃机器人、高压线作业机器人、服装裁剪机器人、制衣机器人、管道机器人等特种机器人以与扫雷机器人、作战机器人、侦察机器人、哨兵机器人、排雷机器人、布雷机器人等军用机器人都广泛应用于各行各业。而且，随着人类生活水平的提高与文化生活的日益丰富多彩，未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活，其市场将繁荣兴旺。

1.6 应用机器人的优点

综上所述，机器人的应用给人类带来了许多好处，如：

(1) 减少劳动力费用；〔应用机器人代替人进展工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进展工作生产。〕

(2) 提高生产率； (3) 改良产品质量； (4) 增加制造过程的柔性；

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word (5) 减少材料浪费； (6) 控制和加快库存的周转； (7) 降低生产本钱；

(8) 消除了危险和恶劣的劳动岗位。〔在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以与工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可局部或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进展工作，可以防止由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。〕

我国机器人的应用前景是十分广泛的。但是，由于我国工业根底比拟薄弱，劳动力比拟丰富低廉，给机器人的开展和应用带来了一定的困难。只有符合我国的国情，才能推动和加快我国机器人的开展和应用。因此，要注意三个问题：

(1) 开展经济型机器人。企业可望尽早取得投资效益；

(2) 开展特种机器人。在一些人力无法工作的领域里使用机器人，市场潜力大；

(3) 走企业技术改造道路。用机器人技术和其它高新技术去改造旧企业，促进机器人技术自身的开展和应用。

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word 第2章 六自由度弧焊机器人的总体设计

2.1 腕部设计

2.1.1 电机的选择

手腕局部的电机的安装：带动喷旋转的减速电机1安装在回转套内带动喷夹做旋转运动，从而使喷时刻正对被加工。在回转套外，带动回转套回转的减速电机2安装在回转套支架的外侧，带动整个回转套做回转运动。这两处的电机的安装如图2.2所示。带动整个腕部旋转的减速电机3与安装在回转套外侧的带有法兰盘的空心轴通过胀紧套连接在也一起，这个安装面与电机2的安装面垂直，减速电机3带动整个腕部做回转运动。

电机1带动喷头做旋转运动，故此电机应小巧灵便以减轻电机2的负担，因此电机1应该质量轻、体积小且能满足功率满要求。同时电机轴要与喷夹末端的空心轴通过胀紧套连接在一起，因此电机输出端的轴要进展适当的加粗加长。回转套的质量也要尽量的小，所以材料为铝合金类材料。假设喷头的尺寸为φ50×200的圆柱体，由条件知质量为3 kg。

1m(3 R2+L2) 121 =×3×(3×0.0252+0.22)

12圆柱体的转动惯量为：J=

=0.01 2

取喷的转动角速度为ω=2rad/s，n=60r/min 取启动时间为

由此转动角加速度=20rad/s2 计算力矩T为：T=J

P=Tω=0.628×2=

故订做的减速电机1的额定电压为220V，输出功率至少为4w，输出转矩至少为1N.m，转速为1400r/min，减速箱的减速比为23。电机输出轴端进展适当的加粗加长。

电机2带动回转套做回转运动。设回转套为200×200×200的立方体。设回转套、电机、减速器、短轴、键、喷与喷夹的质量共5kg。

18 / 41

word 长方体的转动惯量公式为：J=

1m(b2h2) 12由于回转套为正方体，故b=h=0.2m 所以绕回转套回转中心的转动惯量为：

1×5×(0.220.22)=2 12取回转套的转动角速度为ω=2rad/s, n=60 r/min

J=

由此转动角加速度=20rad/s2

计算力矩T为：T=J

P=Tω=1.884×2=11.83 w

故订做的减速电机2的额定电压为220V，输出功率至少为12w，输出转矩至少为2N.m，转速为1400r/min，减速箱的减速比为23。电机输出轴端进展适当的加粗加长，并且在末端开键槽。

电机3带动整个腕部做回转运动。电机通过胀紧套连接空心轴，所以电机输出轴也要进展适当的加粗加长。设回转套为232×100×350的立方体。设整个腕部、回转套支架、联轴器、短轴、电机、减速器等部件的质量估算为12kg。

长方体的转动惯量公式为：J=

1m(b2h2) 12由于回转套为正方体，故b,h=

所以绕回转套回转中心的转动惯量为：

1×5×(0.220.22)=2 12取回转套的转动角速度为ω=rad/s，转速为n=30r/min

J=

取启动时间为

由此转动角加速度=10rad/s2

计算力矩T为：T=J

P=Tω×2=6.23w

故订做的减速电机3的额定电压为220V，输出功率至少为7w，输出转矩至少为3N.m，转速为1400r/min，减速箱的减速比为46。电机输出轴端进展适当的

19 / 41

word 加粗加长[16-20]。

2.3 小臂的设计

2.2.1 小臂设计的总体要求

手臂杆的质量应该尽可能的小，从而减轻支撑它的大臂杆与它的驱动电机的负担。同时小臂杆还要承受整个手腕的重量以与在运动中产生的动载荷。

六自由度弧焊机器人的最大覆盖X围与各个手臂的长度、手臂间的关节的转动X围密切相关。因此设计手臂时，该充分考虑根据机器人所要完成任务而提出设计要求，从而确定手臂杆的大体结构和长度。根据尽量减小手臂质量同时保持一定强度的原如此，从而合理的选择手臂的截面形状和所用的材料，既满足强度要求又最大限度的降低自身重量。尽量减少对其关节的转动惯量以与偏重力矩，以减少驱动装置的负载，同时注意减少运动的动载荷与冲击。设法减小机械间隙引起的运动误差提高运动的准确性和运动刚度，可采用缓冲和定位装置，从而提高定位精度。

六自由度弧焊机器人的小臂俯仰机构通过铰链四杆机构来完成，安装在腰部回转盘上的直流伺服电机通过铰链四杆机构驱动小臂实现俯仰运动。采用铰链四杆机构的目的是把直流伺服电机放到腰部回转盘上面，防止直接放到小臂与大臂的连接处，减轻小臂的重量，降低大臂驱动装置的负载，减少运动过程中产生的动载荷与冲击，提高整个六自由度弧焊机器人的响应速度。

2.2.2 电机的选择

首先计算动态转矩，计算动态转矩需计算转动惯量。由于电机安装在腰部回转盘上所以计算转动惯量需要折算到大臂轴i轴上，我们只需要计算出转动惯量最大时的情况，既当小臂与大臂共线时，小臂可视为绕i轴旋转，此时整个小臂体对i轴的转矩最大。

1、小臂总体质量的计算[21-25]

小臂的大体结构为分段空心圆柱，材料为铝合金 体积V=l×A

××0.182×ײ×ײ/4

20 / 41

word =0.007 m3

质量m=V

×103×

2、腕部结构对i轴的转动惯量 腕部绕其质心的转动惯量为I1'==0.03 kgm2

平移到i轴上I1=I1'+mr12 =0.03+5×(0.16+0.18＋0.8)2 =6.53kgm2

3、回转套支架对i轴的转动惯量 回转套支架绕其质心的转动惯量为I2'= kgm2

平移到i轴上I2=I2'+mr22

=0.0+7×(0.18＋0.8)2

=m2

4、小臂结构对i轴的转动惯量 由于小臂是阶梯状

前一段体积V1=0.002 m3

质量m1=V1=5.4kg，此外还要加上电机减速器轴联轴器短轴的质量共8kg。 小臂前段绕其质心的转动惯量为I3'= kgm2

平移到i轴上I3=I3'+mr32 =0.22+8×(0.18＋0.8)2 =m2

后一段体积V23 质量m2=V2

21 / 41

1m1(3 R2+L2) 121× m×(b2+h2) 121× m×(b2+h2) 12word 小臂后段绕其质心的转动惯量为I4'=kgm2

平移到i轴上I4=I4'+mr42 =0.67+13.52

=kgm2

5、带动小臂转动的后杆和底杆对i轴的转动惯量

两圆杆为铝合金材料，圆形实心直杆。后杆的尺寸为φ100×1000，底杆的尺寸为φ100×400。当两杆共线时，两杆对i轴的转动惯量最大。

3两杆的体积之和V总=×0.12/4×

1m2(3 R2+L2) 12m总=V总 =2.7×103×

=27kg

两段同一直线时绕两段质心的转动惯量为：

I5'=

1m总(3 R2+L2) 12kgm2

平移到i轴上I5=I5'+mr52 =4.48+27×0.42

=kgm2

6、对i轴总的转动惯量

以上计算的I1、I2、I3、I4、I5均是在转动惯量最大的情况下计算得到的，所以用这些转动惯量计算出的总力矩和功率，从而选择的电机必然满足六自由度弧焊机器人在其他工作状态下的工作要求。

对i轴总的转动惯量为：

I总=I1+I2+I3+I4+I5 kgm2 7、总力矩和功率的计算

取小臂的转动角速度=/2 rad/s，转速为n=15r/min 取启动时间为1 s

22 / 41

word 由此转动角加速度为=/2 rad/s2 惯性力矩T1=I总 =78.87×/2

=123.88Nm

静态力矩T2：由于小臂的俯仰机构采用的铰链四杆机构，小臂自身根本可以平衡，所以静态力矩可以忽略不计。

摩擦力矩T3

综上所述总力矩T总×T1 Nm

取电机的转速为n电机=1500 r/min，即角速度为电机=50rad/s 如此总的传动比为:i总=n电机/n==100 故电机输出端的负载力矩为T电机= T总/i总 =

=m

电机输出端的功率为P= T电机×电机 ×50

8、选择电机的型号

一般对驱动元件有以下几方面要求：

〔1〕惯量小，动力大。驱动元件在六自由度弧焊机器人中主要用于回转运动，所以转动惯量要小，同时比功率要大一些。

〔2〕体积小，重量轻。主要评价的性能指标是功率密度，由于驱动元件是安装在腰部回转盘上的，如果驱动元件过大，就会导致腰部回转盘过大，所以这里要求驱动元件的功率密度应该尽可能的大些。

〔3〕位置控制精度高，快速响应性好，调速X围大，低速平稳。 〔4〕振动小，噪声小，安全可靠，运行平稳。 〔5〕效率高，消耗的能源要尽可能的小。

直流电动机具有优良的调速特性、调速平滑、方便、调速X围大、转速比可以达到1:200、过载能力大、轧钢用直流电动机短时过转矩可以达到额定转矩的倍

23 / 41

word 以上，特殊要求时可以达到10。

综合考虑各种电机，这里选用某某某某山城电机厂生产电磁式直流伺服电动机，型号为Z2-11，额定电压110/220V，转速1500r/min，重量32kg。电机需要调速，调速后转速为75r/min，减速比为20。

电磁式直流伺服电机经调速后要通过一个齿轮组来传递动力，再通过齿轮带动铰链四杆机构运动，从而实现小臂的俯仰运动。

1、选定材料、热处理方式、精度等级与齿数

〔1〕因为电磁式直流伺服电机是经过调速的，所以输出端的速度较低，因此低速级选用直齿圆柱齿轮传动。

〔2〕选择小齿轮材料40Cr，调质处理，硬度241-286HBS。大齿轮材料ZG35CrMo，调制处理，硬度190-240HBS，精度8级。

〔3〕取小齿轮齿数Z1=24，如此Z2i1Z1=5×24=120，大齿轮齿数Z2＝120。 2、按齿面接触疲劳强度设计

d1

32KT1μ1ZE.ZH..σΦdμHmm

确定各个参数数值

46〔1〕T1×106×P=×10×(0.4/0.75) ××10Nmm /n11〔2〕初选载荷系数为Kt 〔3〕查表取齿宽系数为φ=1 d〔4〕查表取弹性系数为ZE= 〔5〕查表取节点区域系数为ZH

〔6〕根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为Hlim1=1150 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限为Hlim2=1120MPa。

〔7〕取工作寿命为15年，每年工作250天，2班制

小齿轮的应力循环次数N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7×108

24 / 41

word 大齿轮的应力循环次数N2=N1/5×107

〔8〕查表取接触疲劳寿命系数为ZN1=1.08，ZN2= 〔9〕取安全系数为SH=1

H1=H2=

Hlim1.ZN1Hlim2.ZN2SH=1242MPa =

SH确定传动尺寸

〔1〕初算小齿轮分度圆直径d1t，代入H中较小的值

421.45.041051188.92.5d1t3

1512422〔2〕按K值对d1t进展修正 由圆周速度

601000查表取动载荷系数为Kv

vdn29.041500601000 查表取齿间载荷分布系数为K 查表取齿向载荷分布系数为K 查表取使用系数为KA

所以载荷系数K=KAKvKK 按K值对d1t进展修正

k31.38 1.4kt〔4〕确定模数m以与主要尺寸 d1=d1t3m=d1/Z1=1.2mm 为了防止轮齿太小引起的意外折断，m一般不小于1.5-2mm，故m=3mm。

中心距a=m(Z1Z2)/2=324120/2=216mm 分度圆直径d1=mZ1=72mm，d2=mZ2=360mm

齿宽b=d.d1=72mm，取小齿轮齿宽b1=80mm，大齿轮齿宽b2=75mm

c.m 齿顶高ha1=ha2=ham=3mm，齿根高hf1=hf2=ha25 / 41

word 3、按齿根弯曲疲劳强度校核

K.Ft.YF.YSF bm确定各个参数数值

F〔1〕查表取弯曲疲劳寿命系数YN1，YN2 〔2〕查表取齿形系数和应力校正系数

YF1=，YS1

YF2=，YS2

〔3〕查表取弯曲疲劳极限Flim1=710MPa，Flim2=710MPa

〔4〕取弯曲疲劳系数SF =

可得F1=(Flim1.YN1)/SF=MPa

〔5〕验算齿根弯曲疲劳强度

F2=(Flim2.YN2)/SF=MPa

F1=KFtYF1YS1/bm=2KT1YF1YS1/bmd1F1

F2=F1YF2YS2/YF1YS1F2

弯曲疲劳强度足够[26-30]。

2.3 大臂的设计

2.3.1 大臂设计的总体要求

六自由度弧焊机器臂的主要作用是用来承受小臂的重量和固定铰链四杆机构的底杆，因此六自由度弧焊机器人的大臂对整个机器人能否保持稳定性起着至关重要的作用。大臂的传动形式与小臂一样，都是由直流伺服电机驱动齿轮组实现大臂的俯仰运动。

大臂的整体结构为长方体实心结构，这样做的目的是为了提高其力学性能包括大臂的刚度、强度以与抗弯能力。铝合金的密度低、强度高、具有良好的抗腐蚀能力而且力学性能上接近或超过合金钢。因此选用铝合金作为大臂的材料，这样可以减轻大臂的重量，从而减小驱动元件的负载，而且可以进一步也减轻用于驱动腰部回转的驱动元件的负载。

26 / 41

word 2.3.2 电机的选择

1、大臂总体质量的计算

大臂的大体结构为长方体并且两端中空，钻有小孔。所以实际体积要小一些，在这里计算体积时带入一折减系数，假设折减系数为0.85。材料为铝合金。

体积V=h×A ××1

3

质量mV

××103×

2、大臂对i轴的转动惯量 大臂绕其质心的转动惯量为I1'==kgm2

平移到i轴上I1=I1'+mr12 =4.77+52 =m2

3、小臂对i轴的转动惯量 小臂对i轴的转动惯量I2kgm2

4、大臂和小臂对i轴的转动惯量的总和

1× m×(b2+a2) 12I总=I1+I2kgm2 5、总力矩的计算

取大臂的转动角速度=/2 rad/s，转速为n=15r/min 取启动时间为1 s

由此转动角加速度为=/2 rad/s2 惯性力矩T1=I总 =×/2 Nm

27 / 41

word 静态力矩T2：当大臂和小臂在一条直线时静态力矩最大，此时T2=mgr=×××0.9) ×Nm

摩擦力矩T3

综上所述总力矩T总×T2+ T1Nm

取电机的转速为n电机=1500 r/min，即角速度为电机=50rad/s 如此总的传动比为:i总=n电机/n==100 故电机输出端的负载力矩为T电机= T总/i总 = =m

电机输出端的功率为P= T电机×电机 ×50

6、选择电机的型号

一般对驱动元件有以下几方面要求：

〔1〕惯量小，动力大。驱动元件在六自由度弧焊机器人中主要用于回转运动，所以转动惯量要小，同时比功率要大一些。

〔2〕体积小，重量轻。主要评价的性能指标是功率密度，由于驱动元件是安装在腰部回转盘上的，如果驱动元件过大，就会导致腰部回转盘过大，所以这里要求驱动元件的功率密度应该尽可能的大些。

〔3〕位置控制精度高，快速响应性好，调速X围大，低速平稳。 〔4〕振动小，噪声小，安全可靠，运行平稳。 〔5〕效率高，消耗的能源要尽可能的小。

直流电动机具有优良的调速特性、调速平滑、方便、调速X围大、转速比可以达到1:200、过载能力大、轧钢用直流电动机短时过转矩可以达到额定转矩的倍以上，特殊要求时可以达到10。

综合考虑各种电机，这里选用某某某某山城电机厂生产电磁式直流伺服电动机，型号为Z2-41，额定电压110/220V，功率3kw，转速1500r/min，重量88kg。电机需要调速，调速后转速为75r/min，减速比为20。

28 / 41

word 2.3.3 齿轮的设计与校核计算

1、选定材料、热处理方式、精度等级与齿数

〔1〕因为电磁式直流伺服电机是经过调速的，所以输出端的速度较低，因此低速级选用直齿圆柱齿轮传动。

〔2〕选择小齿轮材料40Cr，调质处理，硬度241-286HBS。大齿轮材料ZG35CrMo，调制处理，硬度190-240HBS，精度8级。

〔3〕取小齿轮齿数Z1=20，如此Z2i1Z1=5×20=100，大齿轮齿数Z2＝100。 2、按齿面接触疲劳强度设计

d132KT1μ1ZE.ZH..σΦdμHmm 确定各个参数数值

6〔1〕T1×106P=×10×(3/75) ×0.99=378180Nmm /n11〔2〕初选载荷系数为Kt 〔3〕查表取齿宽系数为φ=1 d〔4〕查表取弹性系数为ZE=MP 〔5〕查表取节点区域系数为ZH

〔6〕根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为Hlim1=1150 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限为Hlim2=1120MPa。

〔7〕取工作寿命为15年，每年工作250天，2班制

小齿轮的应力循环次数N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7×108 大齿轮的应力循环次数N2=N1/5×107

〔8〕查表取接触疲劳寿命系数为ZN1=1.08，ZN2= 〔9〕取安全系数为SH=1

1

2a

H1=H2=

Hlim1.ZN1Hlim2.ZN2SH=1242MPa =

SH确定传动尺寸

29 / 41

word 〔1〕初算小齿轮分度圆直径d1t，代入H中较小的值

321.4378.181051188.92.5d1t3151242= 2〔2〕按K值对d1t进展修正

由圆周速度v= dn56.851500601000601000 查表取动载荷系数为Kv 查表取齿间载荷分布系数为K 查表取齿向载荷分布系数为K 查表取使用系数为KA

所以载荷系数K=KAKvKK 按K值对d1t进展修正

K1.543dd3=56.85 1t1K1.4t〔4〕确定模数m以与主要尺寸 m=d1/Z1=2.93mm ，取整m=3mm。

中心距a=m(Z1Z2)/2=320100/2=180mm 分度圆直径d1=mZ1=60mm，d2=mZ2=300mm

齿宽b=d.d1=60mm，取小齿轮齿宽b1=70mm，大齿轮齿宽b2=65mm

c.m 齿顶高ha1=ha2=ham=3mm，齿根高hf1=hf2=ha3、按齿根弯曲疲劳强度校核

tF.YF.YSF

bm确定各个参数数值

K.F〔1〕查表取弯曲疲劳寿命系数YN1，YN2 〔2〕查表取齿形系数和应力校正系数

YF1=，YS1

YF2=，YS2

〔3〕查表取弯曲疲劳极限Flim1=710MPa，Flim2=710MPa

30 / 41

word 〔4〕取弯曲疲劳系数SF =

可得F1=(Flim1.YN1)/SF=MPa

〔5〕验算齿根弯曲疲劳强度

F2=(Flim2.YN2)/SF=MPa

F1=KFtYF1YS1/bm=2KT1YF1YS1/bmd1=432MPaF1

弯曲疲劳强度足够[26-30]。

F2=F1YF2YS2/YF1YS1=388MPaF2

腰关节的设计

.1 腰关节设计的总体要求

六自由度弧焊机器人的腰部关节的主要作用是承受大臂、小臂、腕部以与驱动元件和传动系统的重量。腰部主轴与腰部回转盘的通过螺钉连接在一起，电机带动腰部主轴旋转，从而使腰部回转盘绕其中心旋转完成所要求的动作。因为六自由度弧焊机器人的主体局部都安装在腰部回转盘，所以要求整个结构的稳定以与手臂运行过程中的平衡。此外还要求腰部回转盘的运动精度较高，要在驱动元件上安装传感器，检测电机的旋转精度。由于测量的是旋转运动的精度，故在这里采用增量编码器。

.2 电机的选择

1、力矩的计算

I1：3.4中计算的总转动惯量，故I1=I总kgm2

I2：腰部回转盘的转动惯量。腰部回转盘的直径为1.5m，预计转盘上所承载的结构的质量中心离腰部回转盘的中心大概为0.4m，所以I2=mr2=2302 kgm2

故I总=I1+I2kgm2

取大臂的转动角速度=/2 rad/s，转速为n=15r/min 取启动时间为

由此转动角加速度为=rad/s2 惯性力矩T1=I总

31 / 41

word = Nm

摩擦力矩T2

综上所述总力矩T总×T1 Nm

取电机的转速为n电机=150r/min，即角速度为电机=5rad/s 如此总的传动比为:i总=n电机/n==10 故电机输出端的负载力矩为T电机= T总/i总 =

=Nm

电机输出端的功率为P= T电机×电机 ×5

2、电机型号的选择

力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速X围的特种电机。其中永磁式力矩电机的定子是永久磁铁，转子是线圈绕组，通过电枢为转子线圈供电，产生旋转磁场驱动转子运动。可以不经过齿轮等减速机构而直接驱动负载，并由输入的控制电压信号直接调节负载的转速。具有低转速、大力矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点。因此腰部回转局部的驱动元件选用永磁式力矩电机，这样做既可以省去用于减速的齿轮组，降低整个六自由度弧焊机器人的质量，节省空间，而且可以提高腰部的响应速度。

综合考虑，这里选用某某电机长生产的永磁式直流力矩电动机，型号为J200LYX17，峰值堵转电压为60V，转矩为100 Nm，连续堵转电压为30V ，转矩50Nm，转速150r/min，重量18 kg。根本外型尺寸为φ160φ85330。电机需要调速，调速后转速为15min，减速比为10。

2.5 传感器的选择

为保证六自由度弧焊机器人位置精度需要为各关节选择传感器。各个关节所作的运动都是回转运动，综合考虑各种传感器，选用增量型编码器。增量型编码器能够物体的旋转运动产生信号。增量型编码器主要应用于数控机床与机械附件、

32 / 41

word 机器人、自动装配机、包装机械等

3=0.12mm。

小臂转速ω=/2 rad/s，长为0.8m, 传感器线数为：

ns=2/(iθ)=2/(1000.12/800)=418

小臂选用某某中科天文仪器某某的增量编码器YGM610，ns=480。 大臂转速ω=/2 rad/s，长为1m, 传感器线数为：

ns=2/(iθ)=2/(1000.12/1000)=524

大臂选用某某中科天文仪器某某的增量编码器YGM610，ns=600。 腰部转速ω=/2 rad/s，小臂大臂伸直时总长为1.8m,传感器线数为： ns=2/(iθ)=2/(50.12/1800)=9425

腰部角位移测量选某某霍德利电子科技某某的HTL系列空心轴编码器，ns=10800[15]。

本章小结

本章首先用简单的空间立体几何方法建立了六自由度弧焊机器人的工作空间的数学模型，验证了假设条件中的六自由度弧焊机器人的各个关节的尺寸是符合工作要求的。然后计算各个关节的转动惯量，根据转动惯量得出计算力矩和功率，从而选择合理的驱动元件。选择了驱动元件之后计算了大臂和小臂传动机构的尺寸，包括铰链四杆机构的尺寸以与两个齿轮组的尺寸的计算和强调度校核。最后根据六自由度弧焊机器人的定位精度，合理选择了各个关节的传感元件。

33 / 41

word 第3章 手臂伸缩机构

3.1 传动方案的分析与选择

综述

在机体后壁上固定着支架，支架上面安装电动机。电动机旋转通过齿形带传到滚珠丝杠副的丝杠上，滚珠丝杠副的螺母与支架相连。在此支架上端固接着可在衬套中前后移动的滑杆。支架的下端带有滚柱沿着导轨运动，它可防止滑杆转动。在空心滑杆内，通过管将压缩空气传送到内腔，并由此传到手腕和夹持器的转动机构上。

缓冲器用于减小手臂-滑杆行程终点的冲击。为了控制位移速度的手臂位置控制由行程开关来实现。滑杆行程长度依手臂伸缩机构的机构形式而定。

3.1.2 螺旋传动

螺旋传动主要用以变回转运动为直线运动，同时传递能量或力，也可用以调整零件的相互位置，有时兼有几种作用。

根据螺纹副的摩擦情况，可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。

滑动螺旋结构简单、加工方便、易于自锁，但摩擦阻力大，传动效率低(一般为30%～40%)、磨损快，低速时可能爬行，定位精度和轴向刚度较差[10]。

滚动螺旋结构复杂、制造较难，但摩擦阻力小，传动效率高(一般在90%以上)、运转平稳，启动时无颤动，低速时不爬行，具有传动可逆性；螺母和螺杆经调整预紧，可得到很高的定位精度和重复定位精度，并可以提高轴向刚度。

静压螺旋摩擦阻力极小、传动效率高(可达99%)，磨损小、寿命长，工作平稳，无爬行现象，具有传动可逆性；但螺母结构复杂且需要一套压力稳定、温度恒定、过滤要求较高的供油系统。

滚动螺旋与静压螺旋在传动实现上，都是可行的。均具有摩擦阻力小，传动效率高、运转平稳，低速时不爬行，具有传动可逆性的优点，但静压螺旋传动须有一套压力稳定、温度恒定、过滤要求较高的供油系统，安装与维护均很不方便，且本钱剧增。故综合考虑，选择滚动螺旋传动(丝杠转动，螺母移动；2级精度)。

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word 电机选择

因行程开关的使用，选用直流电动机。手臂伸缩机构由直流电机通过齿形带传到滚珠丝杠副的丝杠上。

设滚珠丝杠副所带负载的质量m200Kg，如此重力Gmg2000N,支架下端的滚柱沿导轨运动,考虑其它因素同时为安全起见设丝杠需提供的轴向力为2000N。丝杠需提供的功率P'fv20001.02kW，如此带轮需提供的功率

PP'/0.92.3kW。

所以，选择如下直流电机(某某岚洋电气)：

型号：Z4-112/2-1；额定功率kW；额定转速：1540r/min

螺旋传动设计 3.3.1 选材

由于本课题中螺旋传动属于比拟重要的传动，要求精度较高，故丝杠选用渗碳淬火；硬度58～62HRC，取平均硬度60HRC。螺母选用20CrMnTi，20CrM0，

渗碳淬火；硬度62HRC。

3.3.2 结构设计

轴向最大动载荷FQ

FQ3LfHfWFmax (6－1)

3150001.01.12000

54257N

式中：L－滚珠丝杠寿命系数(数控机床与其它机电一体化设备与仪器为

15000h)

fW－载荷系数(轻度冲击时为1.0～1.2，取1.1) fH－硬度系数(HRC58时为1.0)

由FQ54257N取公称直径d032mm，基本导程l010mm；根据要求取丝

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word 杠的工作长度l500mm，螺纹长度lS650mm

螺杆传动其它尺寸： 1.螺纹滚道： 接触角45 钢球直径DW

DW0.6l00.6106mm

螺纹滚道曲率半径rS

rS(0.51~0.56)DW3.06~3.36

偏心距e

D6erSWsin3.2sin450.14mm22 螺纹升角

螺杆大径d

arctan0arctan d040l10dd0(0.2~0.25)DW

32(0.2~0.25)630.8~30.5

取dmm 螺杆小径d1

d1d02e2rS

3220.1423.225.88mm

螺杆接触点直径dK

dKd0DWcos406cos4528.76mm

螺母螺纹大径D

Dd02e2rS

3220.1423.238.12mm

螺母螺纹小径D1

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word D1d0(0.2~0.25)DW

32(0.2~0.25)633.2~33.5 取dmm

3.3.3 压杆稳定性核算

2FKfK2EI/(KlS) (6－2)

 2 2 .1  1   10 5  22009 /( 2 .5  0 .65 2 ) >Fmax

式中：FK—实际承受载荷的能力；

fK—压杆稳定的支承系数(取1.0)

E—钢的弹性模量,2.1105MPa

I—丝杆小径d1的抗弯截面惯性矩：

Id14/25.884/22009mm4

K—压杆稳定安全系数，一般取为2.5～4，垂直安装时取小值，现取2.5.

3.3.4 刚度的验算

2Fl0Ml0LES2IE (6－3)

20001053.21022.11055.262220092.11050.02mm

式中：E—钢的弹性模量,2.1105MPa； S—丝杠的最小截面积，cm2；

Sd1/42.5882/45.26cm2

M—扭矩，Ncm；

I—丝杆小径d1的抗弯截面惯性矩：

2Id14/25.884/22009mm4

L—在工作负载F和扭矩M共同作用下，所引起的每一导程的变形量。

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word 带传动设计

同步带传动是由一根内周外表设有等间距齿形的环形带与具有相应吻合的带轮所组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自得优点。传动时，通过带轮与带齿的齿槽相啮合来传递动力。

同步带传动具有准确的传动比，无滑动，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比X围大，一般可达1:10。允许线速度可达50ms，传递功率从几瓦到几百千瓦。传动效率高，一般可达98%，结构紧凑，适宜于多轴传动，不需润滑，无污染。

鉴于同步带的优点，此传动选择梯形同步带。

电动机额定功率kW，额定转速1540r/minm/s与电动机额定转速为1540r/min取传动比i1，轴间距取为250mm，每天工作8h。

设计功率Pd1查得KA1.6

PdKAP1.634.8kW (6－4)

选定带型和节距

根据PdkW和n11540r/min，由图14.1-14确定带型为H型，节距

pb12.7mm

小齿轮齿数z1根据带型H和小带轮转速n1z1min18，此处取z120 小带轮节圆直径d1

da1d12(80.851.37)79.48mm 大带轮齿数z2

d1z1pb2012.780.85mm

z2iz112020

大带轮节圆直径d2

d2z2pb2012.780.85mm 

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word da2d22(80.851.37)79.48mm 带速

601000初定轴间距a0，取a0250mm 带长与其齿数

vd1n180.851540 6010006.52m/s(d2d1)2 (6－5) L02a0(d1d2)24a0  .8580.85)2250(802753.87mm

 由表14.1-51查得应选用带长代号为300的H型同步带，其节线长

Lp762mm，节线长上的齿数z60。

实际轴间距a，此结构的轴间距可调整

LpL0762753.87aa0250 254.065mm22小带轮啮合齿数zm

pzzzment1b21(z2 z1)22a

根本额定功率P0

7622020ent2(2020) 22254.06510

(Tamv2)vP0 1000Ta2100.85N，m0.448kg/m

所需带宽bS

(2100.850.4486.522)6.52P0 1000kW

bSbS01.14PdKzP0

bS076.2mm，zm9；Kz1。

bS76.21.144.8 30.62mm113.5739 / 41

word 由表14.1-52查得，应选带宽代号150的H型带，其bS38.1mm。 带轮结构和尺寸

传动选用的同步带为300H150； 小带轮：

z120，d180.85mm，da179.48mm

大齿轮：

z220，d280.85mm，da279.48mm结 论

本课题总体可分为两大局部，第一局部：机器人本体结构设计，以计算为主；第二局部：计算机绘图。第一局部确定机器人的主要参数与外形；第二局部通过计算机绘图使读者对本设计所设计出的机器人有一个非常直观的认识，这局部主要是二维设计。

结构设计局部本着经济实用的设计思想，采用典型、简单的结构形式，主要采用了减速器、梯形同步带等传动形式，使得课题设计的机器人具有工作可靠、响应快的特点，具有平稳、可靠、精度高、噪音小、传动扭矩大等优点、整个结构本钱低，可适用于批量生产。

在二维设计中，本课题采用了常用的设计软件—AutoCAD，对主要零部件进展了二维建模，最后绘制了机器人的装配图，使得本机器人的尺寸直观。

本课题不仅介绍了六自由度弧焊机器人的根本传动方案与其具体结构，并对其进展了结构设计和计算机绘图，为生产提供了一定的理论根底。

致 谢

本文是在王燕教师直接关怀和悉心指导下完成的，在撰写论文期间李克旺教师认真负责的态度，严以巨细的精神使我受益匪浅，在这里谨向王教师致以崇高的敬意和最衷心的感谢。

这次设计是大学期间所学知识的一次综合运用，它涉与到机械机构设计、机械设计、机械绘图与相关设计软件的应用等各方面的知识。同时，这也是一次完全不同于以往的设计，它需要我们在完成的同时，对过去所学的知识进展完善和总结。 在此期间，我遇到了许多困难和疑惑，但在教师和同学的帮助下得以了解决。

这里，对所有曾经传授我知识的教师，给过我帮助的同学们说一声谢谢。参考文献

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