五自由度工业机器人结构设计毕业论文

2 五自由度工业机器人结构设计

2.1 五自由度工业机器人的主要参数

自由度数：N＝5 抓取重量：P＝20N

手臂伸缩：L＝650mm ，v=0.5m/s手臂俯仰：β＝±45o，??＝30o/s 手臂回转：α＝220o ，??＝30o/s 手腕摆动：γ＝±90o，??＝60o/s 手腕回转：ε＝300o ，??＝120o/s

2.2 五自由度工业机器人结构

以KUKA IR-662/100型机器人为参照，具有五个自由度，有六个控制轴，采用直流伺服控制。下图为其传动原理图：

Ⅵ轴电机Ⅴ轴电机Ⅳ轴电机753468Ⅴ轴 ±90°谐波传动小臂Ⅴ轴谐波传动腕关节手部Ⅵ轴 300°Ⅳ轴 360°Ⅲ轴Ⅲ轴电机大臂Ⅱ轴电机小臂驱动连杆Ⅰ轴电机谐波减速器固联于腰关节的外环1Ⅱ轴腰关节2固联于可机座带内齿的内环图2.1 机械传动原理图

2.2.1 主要技术参数

表2.1 技术参数

项目 结构型式 自由度数 驱动方式 腕部最大重量(抓取重量) 操作方式 技术参数 空间多关节式 5个 直流伺服电动机驱动 20N 示教再现/脱线编程 采用空间多关节式结构，工作范围比其它结构形式要大； Ⅰ轴控制机器人腰座旋转，伺服电动机轴上的小齿轮旋动腰部轴承带轮齿的内环完成运动；Ⅱ轴、Ⅲ轴分别控制大小臂的运动，其传动是通过滚珠丝杠螺母副来完成，传动刚度高；Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ轴控制腕部运动，伺服电动机通过(Ⅵ轴除外)齿形带轮、齿形带轮副、谐波减速器等来完成腕部运动；对影响精度的主要传动部分均采用圆锥滚子轴承，向心推力球轴承；腕关节传动比分配采用先小后大的原则，谐波减速器放在最末一级，减少传动零件的尺寸和重量；对细长管轴，大量采用焊接工艺，以减少机械加工量，降低成本；对大质量零件均采用铝材，如腕部全部采用高强度铸铝材料，从而大大减轻整机重量。

表2.2 传动关系 轴号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 传动级数 2 1 1 5 3 2 第一级 第二级 第三级 第四级 第五级 谐波减速器(i1) 滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副 同步带(Z3/Z4) 同步带(Z5/Z6) 同步带(Z7/Z8) 齿轮副 (Z1/Z2) 齿轮副(Z11/Z12) 齿轮副(Z9/Z10) 谐波减速器(i2) 同步带 齿轮副蜗轮蜗杆（Z13/Z14) (Z15/Z16) (Z17/Z18) 谐波减速 器(i3) 2.2.2 平衡系统

由于自重、承重较大，工作时运动惯性亦较大，为使小臂接近静平衡，将伺服电动机组件、齿形带轮等大质量零部件布置在与腕部相对的另一端。在此质量静平衡的基础上，机器人还配置气动平衡系统，用两组平衡气缸分别对大臂、小臂进行平衡。通过改变气缸压力来补偿负荷变化对平衡的影响。气动平衡系统除气包外均放置在机器人外部。

2.3 五自由度工业机器人的动力计算 2.3.1 手部夹紧力的计算

N ≥ 9.8?K1K2K3G ( N )

G —— 抓取工件的重量（kg） K1—— 安全系数，取1.2 ~ 2.0

K2—— 工作状况系数，可按K2=1+

a计算 ga为机器人托运工件过；过程中的加速度的绝对值。

K3—— 方位系数，根据手指与工件形状，以及手指与工件位置不同进

行选择，这里选K3=1.03

所以：

N ≥ 9.8?K1K2K3G =20?1.2?1.2?1.03 =14.5(N)

2.3.2 手指驱动力

2bN R2?47?14.5 ?

17.5p? =77.9 （N）

蜗轮蜗杆传动效率?1＝0.97 销的传动效率?2＝0.9 总传动效率

?＝?1??2＝0.97?0.9＝0.873 实际驱动力

p实=p??77.9?89.2（N） 0.873

b

图 2.2 手指驱动示意图

2.3.3 手指驱动电机的选择

手指夹开的速度为60o/s,蜗轮蜗杆传动比为29 : 1。

(1) 考虑到传递的功率不大，转速较低，选用ZA蜗杆传动(阿基米德蜗杆)，精度8级 GB10089-88，蜗杆用35CrMo，表面淬火，硬度为55-65HRC，表面粗糙度Ra≤1.6 ，蜗轮轮缘选用ZCaSn10P1金属铸造。 (2) 传动比

n129 i??

n21参考表 <机械设计手册> 第二版，第四卷表35.5-5，取Z1=1，Z2=i，Z2=29 查表 35.5-6 选取 a=40,i=29,m=2

d1=22.4 , Z1=1,Z2=29

蜗轮分度圆直径：d2= m·Z2= 2×29=58 mm

Z1?m导程角r?arctan

d11?2 =arctan

22.4 = 5.1o 蜗杆转矩： p1 =p实?tg?

?89.?2tg5.?1

=7.9 N

22.4p1?2 T?1000 =0.09 N·m

1

γ

导程角实