毕业设计RH6机器人设计.doc

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1、 RH6机器人设计 院 系机械与汽车学院专 业机械设计制造及其自动化班 级学 号姓 名指导教师负责教师 2007年6月摘 要本次课题主要研究一种弧焊机器人。弧焊机器人属于工业机器人的一种，采用交流伺服机、减速器、回转轴承，甚至传动齿轮等标准件，加快机器人批量化的生产速度。 此次毕业设计，重点在于研究RH6机器人的机构设计分析、传动设计分析以及结构设计分析。在完成诸上分析的基础上，绘制装配图。 机器人的总指导思想：机器人的工作可靠性应放在第一位。从方案的确定、本体的设计到元器件的选择，从制造到调试等各个环节始终贯彻可靠性第一的原则，确保开发出的机器人能够可靠的工作。在机构设计方面，主要根据要求绘

2、制出机构运动简图，确定好自由度，并具体实现各个自由度的活动方式。 在机器人的传动和结构设计方面，表现为传动线路短，结构紧凑的设计特点。1、2、3轴采用RV减速器，突出刚性和扭矩的要求；4、5、6轴采用谐波减速器，突出质量轻和精度高的要求。本设计说明书通过对实际应用设备的结构设计，提高机械专业学生的综合设计能力。因此此课题具有重大的实践意义。关键词：弧焊机器人；机构设计；传动设计；减速器AbstractThis topic researches Hu Han robot mainly.This robot of Hu Han belong to industry 1 kind of the ro

3、bots, adoption exchanges servo machine, decelerate machine, turn round bearings, even spread to move wheel gear etc. standard piece, speeds the robot batch quantity turn of produce speed.This time graduation design, the point lie in research the organization design of the RH6 robot analysis, spread

4、to move a design analysis and structure design analysis.At completion various top analysis of foundation up, draw assemble diagram.The Robot of total instruction thought: The work credibility of the robot should put in the first.From the project really settle, the design of essence arrive dollar spa

5、re part of choice, from the manufacturing arrive adjust to try etc. each the link always carry through credibility one principle, insure the robot which development can work of credibility.At organization design aspect, mainly according to request drawing an organization sport sketch plan, assurance

6、 good freedom degree, and concrete realization each freedom the line action of the degree. In the robot spread to move with structure and design aspect, the design characteristics packed.1, 2 and 3 stalk adoption the RV decelerate a machine, outstanding and rigid with twist Ju of request;4, 5 and 6

7、stalk adoption Xie wave decelerate machine, outstanding the quality light and accuracy well of request. This design manual passes rightness actual application equipments of structure design, exaltation machine profession student of comprehensive design ability.Therefore this topic has a graveness of

8、 practice meaning.Keywords: The Hu Han robot；Organization design;Spread to move design;Decelerate a machine目 录1 绪论11.1 焊接机器人国内外研究现状11.2 主要研究内容41.3 主要工作51.4 论文组织结构52 机构总体设计62.1 机构的组成62.1.1 构件62.1.2 运动副72.1.3 运动链72.1.4 机构72.2 机构运动简图82.2.1 绘制机构运动简图82.3 机构的自由度92.3.1 自由度的计算103 传动设计113.1 总体设计113.2 传动的模块设计

9、113.2.1 机座的传动方式123.2.2 大小臂的传动方式123.2.3 手腕的传动方式123.3 同步带传动133.4 减速器的设计133.4.1 谐波减速器的应用133.4.2 RV减速器的应用153.5 电动机的选择153.5.1 伺服电动机163.5.2 交流伺服电动机的工作原理163.5.3 交流伺服电动机的基本结构173.5.4 交流伺服电动机的特性173.5.5 交流伺服电动机的优势184 结构设计194.1 机座的结构设计194.1.1 机座的设计要求194.1.2 机座的组成194.1.3 机座的电动机选择204.2 手臂的结构设计204.2.1 手臂的设计要求214.2

10、.2 手臂的组成214.2.3 手臂电动机的选择214.2.4 四杆机构的设计224.3 手腕的结构设计224.3.1 手腕的设计要求224.3.2 手腕的组成234.3.3 手腕电动机的选择244.3.4 谐波齿轮的传动设计244.4 轴的设计254.4.1 轴的用途及分类254.4.2 轴的结构设计255 机器人的技术参数305.1自由度315.2精度315.3工作范围315.4速度345.5承载能力346 技术与经济性分析36结论39参考文献40致 谢411 绪论1.1概述我国工业机器人技术经历了20 多年的发展, 目前已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件设计和软件设计技术,开

11、发出喷涂、点焊、装配、搬运、水下作业等机器人,但是机器人批量化生产能力及相关产业化中的一些关键技术有待于进一步突破。 目前我国机器人的拥有量仅为2 000 台左右,大部分为工业机器人。 随着我国国民经济的持续高速发展,加快实现经济结构调整和产业升级,提高整个工业的自动化水平,已成为确保国民经济持续高速发展的关键因素。 中国入世后,客观上也迫使国内企业加快技术改造步伐,以提高企业装备的自动化水平,提高企业国际竞争力。 客观实际表明,我国对工业机器人的需求量和品种逐年大幅度增加。为了加快工业机器人关键技术和成套技术的攻关和开发应用,大力推进机器人高新技术向国民经济支柱企业的转化,把我国工业机器人的

12、自主设计、制造和系统应用的整体技术推向成熟,提供示范性的应用成果,本次设计通过对相关机器人的分析研究，完成了一种弧焊机器人的设计工作，进行了总体方案的设计和分析，并完成了部分主要结构的设计工作。 1.1 焊接机器人国内外研究现状自1962年美国推出世界上第一台Unimate型和Versatra型工业机器人以来，1996年底全世界已有大约68万台工业机器人投入生产应用。这其中大约有半数是焊接机器人。随着现代高技术产品的发展和对焊接产品质量、数量的需求不断提高，以焊接机器人为核心的焊接自动化技术已有了长足的发展。焊接机器人是焊接自动化的革命性进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自

13、动化生产方式。刚性自动化设备通常都是专用的，只适用于中、大批量产品的自动化生产，因而在中、小批量产品的焊接生产中，手工焊仍是主要的焊接力式，而焊接机器人使小批量产品自动化焊接生产成为可能。由于机器人具有示教再现功能，完成一项焊接任务只需要人给它做一次示教，工作，无须改变任何硬件，只要对它再做一次示教即可。因此，在一条焊接机器人生产线上，可同时自动生产若干种焊件。焊接机器人的主要优点如下：1)稳定和提高焊接质量，保证其均匀性；2)提高劳动生产率，一天可24小时连续生产：3)改善工人劳动条件，可在有害环境下工作；4)降低对工人操作技术的要求；5)缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资s6)

14、可实现小批量产品的焊接自动化：7)能在空间站建设、核能设备维修、以完成人工难以进行的焊接作业；8)为焊接柔性生产线提供技术基础。从60年代诞生和发展到现在，焊接机器人可大致分为三代：第一代是指基于示教再现工作方式的焊接机器人，由于其具有操作简便、不需要环境模型、示教时可修正视械结构带来的误差等特点，在焊接生产中得到大量使用；第二代是指基于一定传感器信息的离线编程焊接机器人得益于焊接传感器技术和离线编程技术的不断改进，这类机器人现己进入应用研究的阶段；第三代是指装有多种传感器，接收作业指令后能根据客观环境自行编程的高度适应性智能焊接机器人，由于人工智能技术的发展相对滞后，这一代机器人正处于试验研

15、究阶段。随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人内单一的示教再现型向多传感、智能化方向发展将成为科研人员追求的目标。目前，国内外已有大量的焊接机器人系统应用于各类自动化生产线上，据1996年底的不完全统计，目前中国已有500台左右的焊接机器人分布于大陆各大中城市的汽车、摩托车、工程机械等制造业，其中55左右为弧焊机器人，45左右为点焊机器人已建成的机器人焊接柔性生产线5条，机器人焊接工作站300个。这些焊接机器人系统从整体上看基本部属于第一代的任务示教再现型，功能较为单一，工作前要求操作者通过示教盒控制机器人各关节的运动，采用逐点示教的方式来实现焊枪空间位姿的定位和记录。由于焊接路径和焊接参

16、数是根据实际作业条件预先设置的，在焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制的功能，这类焊接机器人对作业条件的稳定性要求严格，焊接时缺乏“柔件”，表现出下述明显缺点：1)不具备适应焊接对象和任务变化的能力；2)对复杂形状的焊缝编程效率低，占用大量生产时间； 3)不能对焊接动态过程实时检测控制，无法满足对复杂焊件的高质量和高精度焊接要求。焊接作为机械制造业中仅次于装配加工和切削加工的第三大加工作业，对其进行机器人柔性加下技术及其相关的控制器PC化、网络化和智能化的应用研究己成为焊接自动化发展的必然趋势。1.2 主要研究内容RH6弧焊机器人属六自由度、垂直多关节通用型机器人，主要应用于汽车、摩托车等行业

17、零部件焊接作业及小型装配、等离子或激光切割及焊接作业中。RH6机器人采用交流伺服驱动技术，采用高精度、高刚性的小型RV减速机和新型高精度谐波减速器，具有良好的低速稳定性和高速动态响应性能，并可实现免维护功能。该机器人采用SIASUN-GRC高性能的机器人控制器和大屏幕的汉字编程示教盒，其控制轴数可以扩展至12轴。其控制系统具有编程简单、软键菜单操作，友好的人机交互界面，在线操作提示和使用方便等特点。 图1.3 弧焊机器人外型图RH6机器人结构设计紧凑，布局合理，外观宜人，体现了国际上机器人现代设计之理念和发展趋势。经过机器人例行实验和用户现场运行，表明系统完全满足设计要，达到90年代末同外同类

18、产品水平，可完全替代进口机器人。 RH6机器人配用的高性能机器人控制器采用32位计算机全数字控制，整个系统采用开放式和模块化结构。采用全新设计的计算机控制系统、控制柜和编程示教盒，开发出以功能键驱动。全菜单操作的汉字机器人操作系统，具有可靠性高，运算速度快等特点，系统升级和维护方便。该控制系统可实现机器人和多个变位机的协调运动， 圆弧插补精度高，内嵌的PLC功能为机器人应用工程的设计提供了方便。1.3 主要工作本文通过对现有弧焊机器人的分析研究，特别是针对RH6弧焊机器人的研究,在满足机器人主要性能的基础上,根据设计要求进行弧焊机器人的以下设计工作： 总体方案的设计,并通过相关分析完善方案；进

19、行机构设计、分析，传动设计；主要结构设计。1.4 论文组织结构本论文的组织结构为：第二章是对机构总体设计，第三章是对传动设计，第四章是结构的设计。第五章是机器人的技术参数。第六章是技术经济性分析。2 机构总体设计工业机器人机械部分的设计是工业机器人设计的重要部分，其他系统的设计应有各自的独立要求，但必须与机械系统相匹配，相辅相成，组成一个完整的机器人系统。工业机器人不同于专业设备，它具有较强的灵活性，不同应用领域的工业机器人在机械系统设计上的差异比工业机器人的其他系统设计上的差异要大得多。因此，使用要求是工业机器人机械系统设计的出发点。弧焊机器人由机座、腰、立柱、大小臂以及手腕组成。机座分为两

20、部分，下半部起固定支撑作用，上半部随机座轴承转动。腰部能转动，小臂是一个平面四杆机构，能带动小臂实现允许回转的最大范围的运动。连接小臂的是大臂，能被小臂带动，且能自行回转。手腕能实现空间转动，包括俯仰、偏转以及翻转。2.1 机构的组成构成机构的要素是构件与运动副，构件是机构中的运动单元体，运动副是构件的运动联接形式。2.1.1 构件任何机器都是由许多零件组合而成的。在这些零件中，有的是作为一个独立的运动单元体而运动的，有的则常常由于结构上和工艺上的需要，而与其它零件刚性地联接在一起，作为一个整体而运动。这些刚性地联接在一起的零件共同组成一个独立的运动单元体。机器中每一个独立的运动单元体称为一个

21、构件。所以从运动的观点来看，也可以说任何机器都是由若干个构件组合而成的。2.1.2 运动副当由构件组成机构时，需要以一定的方式把各个构件彼此连接起来，而且每个构件至少必须与另一构件相联结。不过，这种联接不能是刚性的，被联接的两构件间应仍能产生某种相对运动。我们把这种由两个构件直接接而组成的可动联接成为运动副。而把两构件上能够参加接触而构成运动副的表面称为运动副元素。运动副还常根据构成运动副的两构件的接触情况进行分类。凡两构件通过点或线接触而构成的运动副统称为高副，两构件通过面接触而构成的运动副则统称为低副；还可根据构成运动副的两构件之间的相对运动的不同来分类。两构件之间的相对运动为转动的运动副

22、称为转动副，相对运动为移动的运动副称为移动副，相对运动为螺旋运动的运动副称为螺旋副，相对运动为球面运动的运动副称为球面副等。2.1.3 运动链构件通过运动副的联接而构成的相对运动的系统称为运动链。组成运动链的各构件构成了首末封闭的系统，则称其为闭式运动链。如组成运动链的构件未构成首末封闭系统，则称其为开链。在机械中一般采用闭链，开链多用在机械手等中。此外，根据运动链中各构件见的相对运动为平面运动还是空间运动，也可以把运动链分为平面运动链和空间运动链。2.1.4 机构在运动链中，如果将其某一构件加以固定而成为机架，则该运动链称为机构。机构中按给定的一直运动规律独立运动的构件称为原动件；而其余活动

23、构件则称为从动件。根据组成机构的各构件之间的相对运动为平面运动或空间运动，机构可分为平面机构和空间机构两类。其中平面机构应用广泛。2.2 机构运动简图在对现有机械进行分析或设计新机械时，都需要绘出其机构运动简图。由于机构各部分的运动，是由其原动件的运动规律、该机构中各运动副的类型和机构的运动尺寸来决定的，而与构件的外形、断面尺寸、组成构件的零件数目及固联方式等无关，所以，只要根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，就可以用运动副及常用机构运动简图的代表符号和构件的表示方法，将机构的运动传递情况表示出来。这种用以表示机构运动传递情况的简化图形称为机构运动简图。2.2.1 绘制机构运

24、动简图在绘制机构运动简图时，首先要把该机械的实际构造和运动传递情况搞清楚。为此，需首先定出其原动件和执行部分，然后再循着运动传递的路线搞清楚原动件的运动是怎样经过传动部分传递到执行部分的。从而认清该机械是由多少构件组成的，各构件之间组成了何种运动副。这样，才能正确地绘出其机构运动简图。本机器人的运动简图如下图所示：图2-1 机器人机构运动简图2.3 机构的自由度自由度（DOF）是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，在三维空间里描述一个物体的位置和位姿需要6个自由度。自由度越多，其运动灵活性越强，当然，结构就越复杂。本机器人为弧焊机器人，根据其工作特点，其共需要六个自由度。其中三个是用来控制焊

25、具跟随焊缝的空间轨迹，另外三个自由度是用来保持焊具与工件表面有正确的姿态关系。这样才能保持良好的焊缝质量。控制焊具跟随焊缝空间轨迹的三个自由度分别为：机座上的一个水平面转动自由度，腰部转动自由度，肩部转动自由度；保持焊具与工件表面有正确姿态关系的三个自由度分别为：俯仰运动的转动自由度，偏转运动的自由度，以及翻转运动的自由度。2.3.1 自由度的计算活动构件的自由度总数减去运动副引入的约束总数就是该机构的自由度，以F表示，计算平面机构自由度的公式为： F=3n-2PL-PH 式（2.3）式中：n 活动构件；PL 低副；PH 高副；由上机构简图分析得，有8个活动构件，即n=8;包含9个转动副，即P

26、L=9；没有高副，则PH=0。所以由式（2.3）得机构自由度F=3n-2PL-PH=38-29-0=6该机构具有六个原动件，原动件数与机构的自由度数相等。3 传动设计工业机器人的传动装置与一般机械的传动装置的选用和计算大致相同。但工业机器人的传动系统要求结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，要求消除传动间隙，提高其运动和位置精度。工业机器人传动装置除齿轮传动、蜗杆传动、链传动和行星齿轮外，还常用滚珠丝杆、谐波齿轮、钢带、同步齿形带和绳轮传动。3.1 总体设计 弧焊机器人的传动中,采用交流伺服电机、高精度的小型RV减速器、新型谐波减速器等精密传动部件 ,具有工作空间大、运动高速、精度高、刚度大、平

27、稳、灵活、低噪声等优点 。在机器人传动设计方面，体现了其结构简单、单元集成度高、系统优化的现代设计观念。在传动方面表现为：传动路线短 ，结构紧凑；1、2、3 轴采用 RV 减速器 ，突出刚性和扭矩的要求；4、5、6 轴采用谐波减速器 ，突出质量轻和精度高的要求；大减速比减速器安装在传动链的最后一级 ，尽量缩小传动间隙的影响。3.2 传动的模块设计本弧焊机器人采用电动方式驱动，共有6个自由度，分别为机座旋转、腰部旋转、肩部旋转、手腕的俯仰、偏转与翻转自由度。由于传动路线的不同，传动方式也有明显的差异。3.2.1 机座的传动方式机器人的底座是由两部分组成的，分为上下两部分，下部分的作用是固定和支撑

28、，属于不动体，用螺丝固定于地上；上部分是一个转台作用是支撑和旋转，带动大臂以上部分做旋转运动，是圆弧形的。机器人的机座采用交流伺服电机通过RV减速器进行传动和机座轴承承受倾覆力矩的传动方式。3.2.2 大小臂的传动方式机器人大小臂部件采用RV减速器和四连杆机构的传动方式，采用薄钢板焊接结构的结构形式，降低制造成本，缩短了加工周期。传动单元采用RV 减速器输入轴直接相连。 机器人腰部回转精度靠 RV 减速器的回转精度保证。 RV 减速器内部有一对推力球轴承可承受机器人的倾覆力矩。机器人工作一定的时间后要对各传动部件的连接螺钉进行预紧.，以防松动后影响刚度和回转度。大臂采用电机、谐波减速器和关节轴

29、线同轴的传动方式。结构简单，传动路线最短。在机器人的腰部，有两台交流伺服电动机，分别通过各自的RV减速器实现腰部和四杆机构的转动。腰部带动大臂和小臂的旋转，而四杆机构的转动同时也实现了大小臂的转动。3.2.3 手腕的传动方式机器人的腕部采用了谐波减速器和螺旋伞齿轮的传动方式，以及铸铝合金壳体的结构形式。具有结构紧凑、可加工性好、传动精度高、刚度大等特点。将腕部5、6轴交流伺服电机在小臂内垂直放置，减少了机器人2对腕部伞齿轮，降低了机器人传动噪声和腕部重量。腕部6轴由交流伺服电动机通过同步齿形带和螺旋伞齿轮以及谐波减速器进行传动；5轴则由交流伺服电机通过同步齿形带和谐波减速器进行传动；4轴则由交

30、流伺服电机通过谐波减速器进行传动。3.3 同步带传动同步带是以钢丝绳或玻璃纤维为强力层，外覆以聚氨脂或氯丁橡胶的环形带，带的内周制成齿状，使其与齿形带轮相啮合。这种带传动传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油，耐磨性好，抗老化性好。一般使用温度-2080，V50m/s, P300Kw,i10。对于要求同步的传动也可用于低速传动。3.4 减速器的设计减速器是原动机与工作之间减速增矩的传动装置，利用各种组合形式的齿轮传动来完成动力与运动的传递，满足工作要求。减速器可以独立使用，也可通过联轴器与电机连接，或与电动机直接连成一体，构成结构紧凑的减速电机。现在减速器大部分都已系列化和标准化，由专业生产

31、厂专门制造，其优点是质量高、品种全、成本低，用户可以直接选用，不必自行设计。3.4.1 谐波减速器的应用 由于谐波减速器装置具有传动比大、承载能力强、传动精度高、传动平稳、效率高，体积小，质量轻等优点，已广泛用于工业机器人中。此次设计中分别在手腕处和肩处用了三个谐波减速器。目前工业机器人中常用的谐波减速器有三种型式。此次手腕处选用的是带杯形柔轮的谐波传动 。如图3-1所示，是由三个基本构件组成的，带凸缘的环型刚轮6，杯形柔轮1和由柔性轴承5、椭圆盘4构成的波发生器，它通过端面牙嵌式联轴器3与输出轴套2相连。这种没有单独外壳的由三大基本构件形成一个组合件的结构形式，使传动装置的结构更为简化和紧凑

32、。图3-1 谐波减速器结构1. 谐波减速器工作原理谐波齿轮传动的工作原理如图3-2所示，若刚轮G为固定件，波发生器H为 主动件，柔轮R为从动件。当将波发生器装入柔轮内孔时由于波发生器两滚子外侧之间的距离略大于柔轮内孔直径，使原为圆形的柔轮产生弹性变形成为椭圆，使其长轴两端的齿与刚轮齿完全啮合。同时，变形后柔轮短轴两端的齿则与刚轮齿完全脱开，其余各处的齿，则视回转方向不同分别处于“啮人”或“啮出”状态，当波发生器连续回转时，啮人区和啮出区将随着椭圆长短轴相位的变化而依次变化。于是柔轮就相对于不动的刚轮沿与波发生器转向相反的方向作低速回转，柔轮长轴和短轴相位的连续变化，使柔轮的变形在其圆周上是连续

33、的简谐波形，因此，这种传动称为谐波传动。若柔轮固定，刚轮从动，其工作过程完全相同，只是刚轮的转向与波发生相反。图3-2 谐波齿轮传动啮合过程示意图3.4.2 RV减速器的应用由于新型 RV 减速器性能的提高 ，能够满足在无腰座轴承时抗颠覆力矩的要求 ，取消了腰座轴承。 机器人腰部传动采用 RV 减速器的输出法兰直接和机器人底座相连 ，减速器的外壳与腰部回转部件相连 ，伺服电机的输出轴通过键与RV 减速器输入轴直接相连.。机器人腰部回转精度靠 RV 减速器的回转精度保证.。RV 减速器内部有一对推力球轴承可承受机器人的倾覆力矩.机器人工作一定的时间后要对各传动部件的连接螺钉进行预紧。 以防松动后

34、影响刚度和回转精度。3.5 电动机的选择电机拖动系统是在机械和电气相结合的一种自动控制系统，系统中除了必需的、主要的机电能量转换的电磁元件交、直流电动机以外，还有作检测、放大和执行用的许多电磁元件。这些电磁元件就是在一般旋转电机的理论基础上发展起来的各式各样的小功率电机，这些小功率电机都有特殊的性能。根据它们被赋予的使命，我们统称之为控制电机。目前已生产、使用和研制出的控制电机种类繁多，不胜枚举。按照在自动控制系统中的功用所要求，伺服电动机具备可控性好、稳定性高和速应性强等基本性能。可控性好是指讯号消失以后，能立即自行停转；稳定性高是指转速随转矩的增加而均匀下降；速应性强是指反映快，灵敏。3.

35、5.1 伺服电动机伺服电动机亦称执行电动机，它具有一种服从控制信号的要求而动作的职能，在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能立即自行停转。常用的伺服电动机有两大类，以交流电源工作的称为交流伺服电动机；以直流电源工作的称为直流伺服电动机。3.5.2 交流伺服电动机的工作原理交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机相似，当它在系统中运行时，励磁绕组固定地接到交流电源上，当控制绕组上的控制电压为零时，气隙内磁场为脉振磁场，电动机无起动转矩，转子不转。若有控制电压加在控制绕组上，且控制绕组内流过的电流和励磁绕组内的电流不同相，则在气隙内会建立一定大小的旋转磁场。此

36、时就电磁过程而言，就是一台分相式的单相异步电动机，因此电动机有了起动转矩，转子就立即旋转。但是，这种伺服性仅仅表现在伺服电动机原来处于静止状态下。伺服电动机在自动控制系统中是起执行命令的作用，因此不仅要求它在静止状态下能服从控制电压的命令而转动，而且要求它在受控起动以后，一旦信号消失，即控制电压除去，电动机能立即停转。如果伺服电动机的参数设计得和一般单相异步电动机一样，电动机一经转动，即使在单相励磁下，还会继续转动，这样，电动机就失去控制。伺服电动机的这种失控而自行旋转的现象称为“自转”。3.5.3 交流伺服电动机的基本结构交流伺服电动机的基本结构也和异步电动机相似，它的定子铁心也是冲有齿和槽

37、的硅钢片叠压而成。定子槽中，要装有励磁绕组和控制绕组，这两种绕组可有相同或不同的匝数。常用的转子结构有两种形式，一种为笼形转子，这种转子的结构和三相异步电动机的笼形转子完全一样；另一种是非磁性杯形转子。电机中除了和一般电动机一样的定子外，还有一个内定子，内定子是一个由硅钢片叠成的圆柱体，通常在内定子上不放绕组，只是代替笼形转子铁心作为磁路的一部分，在内外定子之间有一个细长的，装在转轴上的杯形转子。杯形转子通常用非磁性材料制成，壁厚0.3左右，杯形转子可以在内、外定子间的气隙中自由旋转。电动机靠杯形转子内感应涡流与主磁场作用而产生电磁转矩。杯形转子交流伺服电动机的优点为：转动惯量小、摩擦转矩小，

38、因此速应性就强；另外是运转平滑，无抖动现象。缺点是由于存在内定子，气隙较大，励磁电流大，所以体积也较大。3.5.4 交流伺服电动机的特性机械特性和调节特性是交流伺服电动机的主要特性，从这些特性可以看出，交流伺服电动机是否可控、起动转矩的大小以及特性的线性程度。机械特性是指控制电信号一定时电磁转矩随转速变化的关系。从机械特性可以看出，不论哪种控制方式，控制电信号愈小，机械特性就愈下移，理想空载转速也随之减小。为了能更清楚地表示转速随控制电信号的变化关系，往往采用调节特性。所谓调节特性，就是表示输出转矩一定的情况下，转速与控制电信号变化的关系。调节特性可从机械特性得来，如在机械特性上作许多平行于横

39、轴的转矩线，每一转矩线与机械特性相交很多点，将这些点的转速值与对应的控制电信号值画成直线，就得出该输出转矩下的调节特性。3.5.5 交流伺服电动机的优势和步进电机相比，伺服电机有以下几点优势：(1)实现了位置，速度和力矩的闭环控制克服了步进电机失步的问题。(2)高速性能好，一般额定转速能达到2000一3000rm。(3)抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用。(4)低速运行平稳低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的电机。(5)电机加减速的动态相应时间般在几个毫秒之内。(6)发热和噪声明显降低。如果对动态响应要求比较

40、高，建议选择电机的转动惯量最好为负载转动惯量的2倍，否则只要负载的转动惯量小于电机的转动惯量即可。4 结构设计机器人结构设计的指导思想：根据国内加工制造的实际水平 ，在本体设计方面 ，充分考虑到本体的加工性、工艺性和可维护性 ，在设计阶段 ，注意与制造方面的配合 ，以商品化为目标 ，充分考虑定型 ，批量生产的要求。4.1 机座的结构设计机器人机座可分为固定式和行走式，一般的工业机器人大多为固定式的。但随着海洋科学、原子能工业以及宇宙空间事业的发展，移动机器人、自由行走机器人的应用也越来越多了。4.1.1 机座的设计要求机器人底座的结构设计要求为：（1）要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的

41、稳定性。（2）机座承受机器人全部重量和工作载荷，应保证足够的强度、刚度和承载能力。（3）机座轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器的运动精度影响最大。此机座与手臂的联接要有可靠的定位基准面，要有调整轴承间隙和传动间隙的调整机构。4.1.2 机座的组成机器人的机座是由两部分组成的，分为上下两部分，下部分的作用是固定和支撑，属于不动体，用螺丝固定于地上；上部分是一个转台作用是支撑和旋转，带动大臂以上部分做旋转运动，是圆弧形的。上部分也称做腰部，腰部回转由一级齿轮传动和谐波齿轮组成，如底座部件图所示在结构布置上，电机、谐波减速器和小齿轮均在腰上随腰座一起回转；而大齿轮固定在机座上。这样布局对装饰、润滑

42、方便，但增大了腰部回转的转动惯量。4.1.3 机座的电动机选择步进电机从驱动器得到一系列脉冲信号，每个脉冲信号使步进电机轴产生一定的角位移。一般不需要反馈回路和位置编码器，控制比较简单。机器人的机座上选择的电动机为SGMPH08A1A6S交流伺服电动机，它的工作状态平稳，旋转速度可以连续调节，对加速和减速指令都能迅速作出反应。基座采用铸铁 ,吸振和成型工艺性好 ，通过合理布置加强筋达到足够的强度。 另外 ，一些盖板密封用端盖 ，采用薄壁冲压件 ，强度好、重量轻、美观适用 ，适于批量生产。4.2 手臂的结构设计手臂是机器人执行机构中重要的部件，它的作用是将被抓取的工件运送到给定底的位置上。因而，

43、一般机器人手臂有3个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂回转和升降运动是通过机座的立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现。因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受末端执行器、手腕和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性、抓重大小和定位精度都直接影响机器人的工作性能。按手臂的结构形式区分，手臂有单臂式、双臂式及悬挂式。按手臂的运动形式区分，手臂有直线运动的，如手臂的伸缩、升降及横向移动；有回转运动的，如手臂的左右回转，上下摆动；有复合运动的，如直线运动和回转运动的组合，两直线运动的组合，两回转运动的组合。4.2.1 手臂的

44、设计要求手臂结构设计要求为：(1) 手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求。工作空间的形状和大小与手臂的长度、手臂关节的转角范围密切相关(2) 根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料，如常采用空心的薄壁矩形框体或圆管以提高其抗弯刚度和扭转刚度，减轻自身的重量。空心结构内部可以方便地安置机器人的驱动系统。(3) 尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运转的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。(4) 要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度，采用缓冲和限位装置提高定位精度。4.2.2

45、手臂的组成弧焊机器人的手臂包括大臂和小臂，其中，在充分参考和分析了90年代中期国际上具有代表性的工业机器人的特点 ，借鉴其结构上的优点 ，确定了机器人小臂采用平行四边形连杆机构的驱动形式。这样，手臂的运动为复合运动，实现了手臂的升降（俯仰）、伸缩以及横向运动。焊接机器人的大臂采用电机、RV减速器和关节轴线同轴的传动方式，结构简单，传动路线最短。4.2.3 手臂电动机的选择机器人的大小臂分别由两个电动机提供动力。电动机的型号为交流伺服电动机SGMPH08A1A6D。电动机驱动的关节型机器人的大臂是采用组合焊件 ，用壁厚很薄的钢板 ，围成一空腔 ，在保证强度和刚度的前提下 ，追求重量轻、加工周期短

46、高强度铝合金材料制成的薄壁框形结构，其运动都是采用齿轮传动，传动刚性较大。小臂采用高强度铝合金 ，体现质量轻和易成型及用材少的要求。4.2.4 四杆机构的设计在臂的结构设计方面，主要是采用平面四杆机构的结构形式设计小臂。四杆机构运动时，其连杆作平面复杂运动，连杆上每一点都描出一条封闭曲线连杆曲线。连杆曲线的形状随点在连杆上的位置和各杆相对尺寸的不同而变化。连杆曲线形状的多样性使它有可能用于描述复杂的轨迹。4.3 手腕的结构设计机器人手腕是连接末端操作器和手臂的部件，它的作用是调节或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机器人末端操作器适应复杂的动作要求。工业机器人一般需要6个自由度才能使手部达到目标位置并处于期望的姿态。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的转动，即具有翻转、俯仰和偏转三个自由度。通常也把手腕的翻转叫做Roll，用R表示；把手腕的俯仰叫做Pitch，用P表示；把手腕的偏转叫Yaw，用Y表示。手腕按自由度数目来分，可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。手腕按驱动方式来分，可分为直接驱动手腕和远距离传动手腕。4.3.1 手腕的设计要求设计手腕时除应满足启动和传