熱加工用工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、用于木加工的有的工業(yè)機(jī)器人木業(yè)加工行業(yè)裝配和搬運(yùn)的工業(yè)機(jī)器人摘要工業(yè)機(jī)器人是一種新型的自動化操作裝置，它可根據(jù)作業(yè)的要求，按照預(yù)先確定的程序搬運(yùn)物體。裝卸零件以及操作持噴槍、焊把工具去完成一定的作業(yè)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展已逐漸成為一個獨(dú)立的自動化的裝置，并擴(kuò)大應(yīng)用到鑄造、加工、焊接、組裝和噴漆等作業(yè)中。本文以實際工程項目“熱加工用工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計”為課題，完成了熱加工工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計，使其具有完成一些熱加工行為等功能，能夠應(yīng)用于汽車行業(yè)以及一些高危的熱加工行業(yè)。為了讓生產(chǎn)程序變得更加的方便，使用一套合理的控制方案來實現(xiàn)，設(shè)計當(dāng)中采用了氣動方式，PLC程序控制，合理的加入自己的想法，實現(xiàn)了控

2、制器的功能。關(guān)鍵字：熱加工用工業(yè)機(jī)器人 氣壓驅(qū)動第一章緒論1.1引言工業(yè)機(jī)器人自60年代初問世以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域，成為制造業(yè)生產(chǎn)自動化中主要的機(jī)電一體化設(shè)備。同時隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機(jī)器人也被開發(fā)出來去適應(yīng)制造領(lǐng)域以外的各個行業(yè)，仿人形機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等各種用途的特種機(jī)器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。其中移動機(jī)器人成為機(jī)器人學(xué)發(fā)展中的一個重要分支，早在60年代，國外就有了關(guān)于移動機(jī)器人的研究。發(fā)展到今天，移動機(jī)器人涉及到的各學(xué)科門類日益豐富，也給國內(nèi)外的研究人員及

3、學(xué)者提出了許多新的挑戰(zhàn)，更由于其在軍事偵察、排雷排險、防核污染等危險與惡劣環(huán)境具有廣闊的應(yīng)用，從而得到了普遍的關(guān)注。例如：排爆機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、醫(yī)療保健機(jī)器人，以及在危險環(huán)境中工作的自動機(jī)器人（水下機(jī)器人和太空遠(yuǎn)程探測機(jī)器人等）。它們都用于代替人類或輔助人類完成人所不能、不適或力所不及的工作，也被稱作“危險作業(yè)移動機(jī)器人”。由于木加工危險性等的特點(diǎn)，熱加工機(jī)器人替代人工操作，大大降低了危險度。因此，大量科研單位對此進(jìn)行了研究，取得了一系列科研成果，廣泛應(yīng)用與各行各業(yè)。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤

4、其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1958年，第一臺機(jī)械手在美國的聯(lián)合控制公司（Unimate）研制成功，之后此公司又先后發(fā)展出一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手和一種叫做Versatrap的機(jī)械手。此兩類機(jī)械手成為國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。之后聯(lián)邦德國，瑞士，日本，前蘇聯(lián)等國家都加入了研發(fā)的行列，并研制出各種類型的機(jī)械手，并逐漸提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)及降低制造成本。而日本則在機(jī)器人的人性化方面處于領(lǐng)先地位。但目前國外機(jī)械手大多數(shù)還屬于第二代，少數(shù)為第三代。目前國外正積極研究第三代機(jī)械手，其定義為能夠獨(dú)立

5、完成工作過程中的任務(wù)。與電子計算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing systerm）和柔性制造單元FMC（Flexible Manufacturing Cell）中重要的一環(huán)。我國的機(jī)械手研究與開發(fā)工作起步較早，曾經(jīng)有過一些成果，但在產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用上，一直步履維艱。在國內(nèi)，自“七五” 開始我國也開始著手研制工業(yè)機(jī)器人行業(yè)，并取得了一定的成果。國內(nèi)在機(jī)器人研究和產(chǎn)品開發(fā)方面成績突出的單位有:中科院沈陽自動化所、哈工大機(jī)器人所、機(jī)械部自動化所、上海交大機(jī)器人所、中國礦業(yè)大學(xué)、山東礦業(yè)學(xué)院機(jī)器人研究中心等。改革開放以來，通過“七五”、“八五”

6、科技攻關(guān)，目前基本掌握了機(jī)械手的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)械手關(guān)鍵元器件，開發(fā)出了噴漆、弧焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)械手。但是，我國的機(jī)械手技術(shù)及其應(yīng)用程度和發(fā)達(dá)國家相比還有很大的差距，如:可靠性低于國外產(chǎn)品;機(jī)械手應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上發(fā)達(dá)國家。以上原因主要是沒有實現(xiàn)機(jī)械手的高度產(chǎn)業(yè)化。當(dāng)前我國機(jī)械手的生產(chǎn)幾乎都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計幾，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本高，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃

7、，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。第二章 自由度及坐標(biāo)形式分析通常把傳送機(jī)構(gòu)的運(yùn)動成為傳送機(jī)構(gòu)的自由度。從力學(xué)的角度分析，物件在空間只有六個自由度，這六個自由度中前三個自由度是使工件作上下，前后，左右移動并定位，而后三個自由度則起調(diào)整工件的作用，因此為抓取和傳送空間不同的位置方向的物體提供了方便。傳送機(jī)構(gòu)也應(yīng)具有六個自由度，即沿三個坐標(biāo)的移動和繞三個坐標(biāo)軸的傳動，而一般的機(jī)械手只有24個自由度，而通常機(jī)械手則多數(shù)為35個自由度。（此處說的自由度不包括手指抓取動作）。本設(shè)計所研究的機(jī)械手經(jīng)過分析確定為一個自由度（繞Z軸轉(zhuǎn)動）即可達(dá)到要求。坐標(biāo)形式主要有四種直角坐標(biāo)式，圓柱坐標(biāo)

8、式，球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適用于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機(jī)械手。它的手臂可以作伸縮，左右和上下移動，按直角坐標(biāo)形式X,Y,Z三個方向的直線進(jìn)行運(yùn)動。其工作范圍可以是一個直線運(yùn)動，兩個直線運(yùn)動或三個直線運(yùn)動。其優(yōu)點(diǎn)有：產(chǎn)量大，節(jié)拍短能滿足高速要求，容易與生產(chǎn)線上的傳送帶和加工裝配機(jī)械相配合。使用于裝箱類，多工序復(fù)雜的工作，定位容易變更，定位精度高，可達(dá)0.5毫米以下，載重發(fā)生變化時不會影響精度，易于實現(xiàn)數(shù)控，可與開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機(jī)械配合使用。其缺點(diǎn)為這種機(jī)械手的作用范圍較小。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手是應(yīng)用最多的一種形式，它適用于搬運(yùn)和測量工件。具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，本體占用

9、空間較小，而動作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手由X,Z,三個運(yùn)動組成。它的工作范圍可分為：一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，一個直線運(yùn)動，加一個不在直線運(yùn)動所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;兩個直線運(yùn)動加一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。圓柱坐標(biāo)機(jī)械手有五個基本動作：1 手臂水平回轉(zhuǎn)2 手臂伸縮3 手臂上下4 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動5 手爪夾緊運(yùn)動 球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣泛的機(jī)械手。它是由X，,三個方面的運(yùn)動組成。 球坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍包括：1 一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動2 兩個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動3 兩個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動加一個直線運(yùn)動球坐標(biāo)式機(jī)械手可以實現(xiàn)以下八個動作：1 手臂上下動作，即俯仰動作；2 手臂左右動作，即回轉(zhuǎn)動作；3 手臂前后動作，即伸縮動作；4

10、手腕上下彎曲；5 手腕左右擺動；6 手腕旋轉(zhuǎn)動作；7 手爪夾緊動作；8 機(jī)械手整體動作。球坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)作圓弧狀上下俯仰工作，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，還可以上下擺動，工作范圍和人手的動作類似。它的特點(diǎn)是能自動選擇最合理的動作線路，所以工效高。另外，由于上下擺動，它的相對體積小，而動作范圍大。如以行程為203毫米工作油缸為例，其手臂的上下移動距離就能達(dá)到2450毫米。若采用圓柱坐標(biāo)形式則其高度就要達(dá)到2450毫米。球坐標(biāo)式機(jī)械手作業(yè)范圍可達(dá)到9立方米，較其他型式約大三到五倍。關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種適用于靠近機(jī)體操作的傳動型式。它像人手一樣

11、有肘關(guān)節(jié)，可實現(xiàn)多個自由度，動作比較靈活，適于在狹小空間工作。關(guān)節(jié)式機(jī)械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用，隨后在開發(fā)海洋中應(yīng)用，有一定的發(fā)展前途。關(guān)節(jié)式機(jī)械手的特點(diǎn)主要是：1.有大臂和小臂的擺動，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動；2.具有上肢結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)近似于人手操作的機(jī)能。為具有近似人手操作的機(jī)能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。關(guān)節(jié)式機(jī)械手的傳動機(jī)構(gòu)采用齒輪、齒條式和擺動式。傳動結(jié)構(gòu)采用哪種型式，主要根據(jù)工件的輕重來決定。若按擺動式扭矩來設(shè)計，則油缸將加大，而裝載油缸的機(jī)架也將隨之加大。特別是靠近關(guān)節(jié)式前端關(guān)節(jié)部分的重量對肩部影響很大。傳動機(jī)構(gòu)在承受載荷的同時必須承受自重。因此，傳動效率很低。如需大

12、的轉(zhuǎn)動角，則宜采用擺動油缸。由于本設(shè)計中只有一個自由度（即繞Z軸轉(zhuǎn)動），綜上所述，選擇圓柱坐標(biāo)式。第三章 木加工用工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計3.1機(jī)械手設(shè)計的基本要求 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求，包括對機(jī)器整機(jī)的設(shè)計要求和對組成零件的設(shè)計要求兩個方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。 1)對機(jī)器整機(jī)設(shè)計的基本要求 對機(jī)器使用功能方面的要求:實現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機(jī)械設(shè)計的最基本的要求，好的使用性能指標(biāo)是設(shè)計的主要目標(biāo)。另外操作使用方便、工作安全可靠、體積小、重量輕、效率高、外形美觀、噪聲低等往往也是機(jī)械設(shè)計時所要求的。 對機(jī)器經(jīng)濟(jì)性的要求:機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在設(shè)計、制造和使用的全過程中，在設(shè)計機(jī)器時要全面綜龜?shù)倪M(jìn)行考

13、慮。設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)為合理的功能定位、實現(xiàn)使用功能要求的最簡單的技術(shù)途徑和最簡單合理的結(jié)構(gòu)。 2)對零件設(shè)計的基本要求 機(jī)械零件是組成機(jī)器的基本單元，對機(jī)器的設(shè)計要求最終都是通過零件的設(shè)計來實現(xiàn)的，所以設(shè)計零件時應(yīng)滿足的要求是從設(shè)計機(jī)器的要求中引伸出來的，即也應(yīng)從保證滿足機(jī)器的使用功能要求和經(jīng)濟(jì)性要求兩方面考慮。 要求在預(yù)定的工作期限內(nèi)正?？煽康墓ぷ?，從而保證機(jī)器的各種功能的正常實現(xiàn)。這就要求零件在預(yù)定的壽命期內(nèi)不會產(chǎn)生各種可能的失效，即要求零件在強(qiáng)度、剛度、振動穩(wěn)定性、耐磨性和溫升等方面必須滿足必要的條件，這些條件就是判定零件工作能力的準(zhǔn)則。要盡量降低零件的生產(chǎn)制造成本，這要求從零件的設(shè)計和

14、制造等多方面加以考慮。設(shè)計時應(yīng)合理地選擇材料和毛坯的形式、設(shè)計簡單合理的零件結(jié)構(gòu)、合理規(guī)定零件加工的公差等級以及認(rèn)真考慮零件的加工工藝性和裝配工藝性等。另外要盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的零部件。 任何一種機(jī)器都有動力機(jī)、傳動裝置和工作機(jī)組成。動力機(jī)是機(jī)器工作的能量來源，可以直接利用自然資源(也稱為一次資源)或二次資源轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，如水輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、電動機(jī)、液壓馬達(dá)、氣動馬達(dá)等。工作機(jī)是機(jī)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來實現(xiàn)機(jī)器的動力和運(yùn)動功能，如機(jī)器人的末端執(zhí)行器就是工作機(jī)。傳動裝置則是一種實現(xiàn)能量傳遞和兼有其他作用的裝置。 下面分別對機(jī)械手的驅(qū)動方式、傳動方式、機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。3.2驅(qū)動方

15、式目前機(jī)械手常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動等多種方式，各種驅(qū)動方式有其自身的特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中液壓和氣壓驅(qū)動應(yīng)用很廣泛，有些機(jī)器人則同時采用多種驅(qū)動方式，這都視不同機(jī)器人的特點(diǎn)和要求所定。比較這些驅(qū)動方式的特點(diǎn)，從中選出適合上料機(jī)械手的驅(qū)動方式。機(jī)械手的傳動系統(tǒng)，根據(jù)動力源的不同，分為液壓、氣壓、電器、機(jī)械氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合等方式。目前采用的主要是前三種。據(jù)資料統(tǒng)計，液壓占55%，氣壓占40%，電器占1%。3.2.1液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動的特點(diǎn)有: 1)驅(qū)動力和驅(qū)動力矩較大，臂力可達(dá)100公斤; 2)速度反應(yīng)性較好。因為被驅(qū)動件的速度快慢取決于油液的容積變化，所以當(dāng)不考慮油液的溫度

16、變化時，被驅(qū)動系統(tǒng)的滯后也幾乎沒有，而且液壓機(jī)構(gòu)的適量輕、慣性小，因此它的速度反應(yīng)性較好; 3)調(diào)速范圍較大，而且可以無級調(diào)速，易于適應(yīng)不同的工作要求: 4)傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向; 5)在產(chǎn)生相同驅(qū)動力的條件下，液壓驅(qū)動比其他驅(qū)動方式體積小、重量輕、慣性小; 6)定位精度比氣動高，但比電機(jī)低; 7)液壓系統(tǒng)的泄漏對機(jī)構(gòu)的工作穩(wěn)定性有一定的影響; 8)油液中如果混入氣體，將降低傳動機(jī)構(gòu)的剛性，影響定位精度(產(chǎn)生爬行); 9)油液的溫度和粘度變化影響傳動性能。 液壓驅(qū)動機(jī)械手多用于要求臂力較大而運(yùn)動速度較低的工作場合。3.2.2氣壓驅(qū)動 氣動驅(qū)動的特點(diǎn)有: 1)通過調(diào)

17、節(jié)氣流，就可實現(xiàn)無級變速; 2)由于壓縮空氣粘性小，流速大，因此氣壓驅(qū)動的機(jī)械手動作速度快; 3)壓縮空氣可從大氣中吸取，故動力源獲得方便、價格低廉，而且廢氣處理方便; 4)由于壓縮空氣粘度小，因此在管路中的壓力損失也很小，一般其阻力損失不到油液在油路中損失的千分之一;故壓縮空氣可以集中供應(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送; 5)壓縮空氣的壓縮性較大，因此使機(jī)械手的運(yùn)動平穩(wěn)性較差，定位精度較低，而且壓縮空氣排到大氣中時噪聲較大，另外還須考慮潤滑和防銹等; 6)耐壓縮空氣的工作壓力較低，致使機(jī)械手結(jié)構(gòu)較大。因此，氣壓驅(qū)動的機(jī)械手，常用于臂力小于30公斤、運(yùn)動速度較快以及高溫、低溫、高粉塵等工作條件較惡劣的場合。3.

18、2.3電機(jī)驅(qū)動 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)按電機(jī)的功能可分為直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、交流異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和多態(tài)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)等。各種電機(jī)系統(tǒng)的工作原理有很大的區(qū)別，性能上也存在著較大的差異。電機(jī)驅(qū)動機(jī)械手可避免電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，電機(jī)系統(tǒng)將電動機(jī)、測速機(jī)、編碼器、減速器及制動器組裝在一次加工的殼體中，使得整個電機(jī)系統(tǒng)體積小，可靠性和通用性高;另外，電動機(jī)根據(jù)運(yùn)行距離及電機(jī)的脈沖當(dāng)量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，可達(dá)到非常高的位姿準(zhǔn)確度，這些都是電機(jī)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)。 氣動機(jī)械手與其他驅(qū)動方式的機(jī)械手相比，價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，功率體積比較高，動作速度快，遠(yuǎn)距離輸送，適合抓取

19、質(zhì)量較小的工件而且有抗干擾無污染等優(yōu)點(diǎn)。綜上，本設(shè)計選取氣壓驅(qū)動系統(tǒng)。表1-1給出了各種驅(qū)動方式的各方面比較。表1-1各種驅(qū)動方式的比較 現(xiàn)代氣動機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)由感知部分、控制部分、主機(jī)部分和執(zhí)行部分四個部分組成。采集感知信號及控制信號均由智能閥島來處理，氣動伺服定位系統(tǒng)代替了伺服電機(jī)步進(jìn)馬達(dá)或液壓伺服系統(tǒng);氣缸、擺動馬達(dá)完成原來由液壓缸或機(jī)械所作的執(zhí)行動作;主機(jī)部分采用了標(biāo)準(zhǔn)型材并輔以模塊化的裝配形式，使得氣動機(jī)械手能拓展成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。人們根據(jù)應(yīng)用要求，選擇相應(yīng)功能和參數(shù)的模塊，像積木一樣隨意的組合，這是一種先進(jìn)的設(shè)計思想，代表氣動技術(shù)今后的發(fā)展方向，也將始終貫穿著氣動機(jī)械手的發(fā)

20、展與實用性。3.3傳動方式機(jī)械系統(tǒng)的傳動是將動力源或某個執(zhí)行系統(tǒng)的速度、力矩傳遞給另一執(zhí)行件，使該執(zhí)行件具有某種運(yùn)動和出力的功能。機(jī)械系統(tǒng)的傳動不僅是連接動力源（或某一執(zhí)行件）與執(zhí)行件（或另一執(zhí)行件）的橋梁，而且要完成動力源（或執(zhí)行件）的速度和力矩轉(zhuǎn)換為符合執(zhí)行件（或另一執(zhí)行件）所要求的速度和力矩。因此，傳動也是機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分。 傳動裝置是一種實現(xiàn)能量傳遞和兼有其他作用的裝置，它的主要作用有:能量的分配與傳遞;運(yùn)動形式的改變;運(yùn)動速度的改變。傳動通常分為兩類:第一類是機(jī)械能不發(fā)生改變的傳動機(jī)械傳動;另一類是機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑螂娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的傳動電傳動。機(jī)械傳動又可分為嚙合傳動、摩擦傳

21、動和流體傳動三天類?？紤]機(jī)械手結(jié)構(gòu)的實際情況，帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸桿傳動是其可能的傳動方式，在這里將對以上4種傳動方式進(jìn)行比較。3.3.1帶傳動 帶傳動通常是由主動輪、從動輪和張緊在兩輪上的傳動帶所組成的。當(dāng)主動輪回轉(zhuǎn)時，依靠帶與帶輪接觸面間的摩擦力拖動從動輪一起回轉(zhuǎn)，從而傳遞一定的運(yùn)動和動力。 帶傳動具有的優(yōu)點(diǎn)有:有良好的饒性和彈性，有吸振和緩沖作用，因而使帶傳動平穩(wěn)、噪聲小;有過載保護(hù)作用，當(dāng)過載時引起帶在帶輪上發(fā)生相對滑動，可防止其他零件的損壞;制造和安裝精度與齒輪傳動相比較低，結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝、維護(hù)均較方便;適合于中心距較大的兩軸間傳動(中心距最大可達(dá)15米)。 帶傳動的主

22、要缺點(diǎn)有:由于彈性滑動的存在，使得傳動效率降低，不能保證準(zhǔn)確的傳動比;由于帶傳動需要初始張緊，因此，當(dāng)傳遞同樣大的圓周力時，與嚙合傳動相比軸上的壓力較大:結(jié)構(gòu)尺寸較大，不緊湊;傳動帶壽命較短;傳動帶與帶輪之間會產(chǎn)生摩擦放電現(xiàn)象;不宜用于有爆炸危險的場合。 現(xiàn)在一些新型帶傳動形式，如高速帶傳動、同步帶傳動、多楔帶傳動己經(jīng)克服了以上大部分的缺點(diǎn)。3.3.2鏈傳動 鏈傳動是由鏈條和主、從動鏈輪所組成的。鏈輪上制造有特殊齒型的齒，依靠鏈輪齒與鏈節(jié)的嚙合來傳遞運(yùn)動和動力。 鏈傳動是屬于帶有中間饒性件的嚙合傳動。與屬于摩擦傳動的帶傳動相比，鏈傳動去彈性滑動和打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的平均傳動比，傳動效率較

23、高;又因為鏈條不需要像帶那樣張得很緊，所以作用于軸上的徑向壓力較小;在同樣使用條件下，鏈傳動結(jié)構(gòu)較為緊湊。與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造安裝精度要求較低，成本低廉;在遠(yuǎn)距離傳動時，其結(jié)構(gòu)比齒輪傳動輕便的多。 鏈傳動的主要缺點(diǎn)是:在兩根平行軸間只能用于同向回轉(zhuǎn)的傳動;運(yùn)轉(zhuǎn)時不能保持恒定的瞬時傳動比;磨損后易發(fā)生跳齒;工作時有噪聲;不宜在速度變化很大和異速方向的運(yùn)動中應(yīng)用。 鏈傳動主要用在要求工作可靠，且兩軸相距較遠(yuǎn)，以及其他不宜采用齒輪傳動的場合。3.3.3齒輪傳動 齒輪傳動是機(jī)械傳動中應(yīng)用最為廣泛的一類傳動，常用的漸開線齒輪傳動具有以下一些主要特點(diǎn): 傳動效率高，在常用的機(jī)械傳動中，齒輪傳動的效

24、率是最高的。一級圓柱齒輪傳動在正常潤滑條件下效率可達(dá)到99%以上，在大功率傳動中，高傳動效率是十分重要的:傳動比恒定，齒輪傳動具有不變的瞬時傳動比，因此齒輪傳動可用于圓周速度為200m/s以上的高速傳動;結(jié)構(gòu)緊湊，在同樣使用條件下，齒輪傳動所需要空間尺寸比帶傳動和鏈傳動小得多;工作可靠、壽命長，齒輪傳動在正確安裝，良好潤滑和正常維護(hù)條件下，具有其他機(jī)械傳動無法比擬的高可靠性和壽命。 齒輪傳動的主要缺點(diǎn)有:對齒輪制造、安裝要求高;齒輪制造常用插齒機(jī)和滾齒機(jī)等專用機(jī)床及專用工具;通常的齒輪傳動為閉式傳動，需要良好的維護(hù)保養(yǎng)，因此齒輪傳動成本和費(fèi)用高;并且齒輪傳動不適合中心距較大的兩軸間的動力傳遞。

25、3.3.4蝸桿傳動 蝸桿傳動是一種空間齒輪傳動，能實現(xiàn)交錯角為90度的兩軸間動力和運(yùn)動傳遞。 蝸桿傳動與圓柱齒輪傳動和圓錐齒輪傳動相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大士傳動平穩(wěn)和可以自鎖等顯著特點(diǎn)。 蝸桿傳動的主要缺點(diǎn)是:齒面摩擦力大，發(fā)熱量高，傳動效率低。蝸桿傳動通常用于中、小功率非長時間連續(xù)工作的應(yīng)用場合。 表2.3. 1列出了各種傳動方式的傳動效率。表2.3.1主要傳動形式的效率表2.3. 1中傳動效率的范圍是由傳動的潤滑條件、加工精度和類型不同而產(chǎn)生的。由于齒輪傳動效率較高，傳動最為穩(wěn)定，不會出現(xiàn)丟轉(zhuǎn)和過大的沖擊，所以本設(shè)計選擇圓柱齒輪傳動。整體設(shè)計圖如下：第四章 機(jī)械手運(yùn)動學(xué)分析4.1 位姿矩

26、陣機(jī)械手位姿方程，也稱運(yùn)動方程，是描述機(jī)械手末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)的方程，也是進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析的基本方程，常以矩陣形式出現(xiàn)，它的建立和求解，是機(jī)械手機(jī)構(gòu)學(xué)的基礎(chǔ)。4.1.1 兩種變換矩陣在求解機(jī)械手運(yùn)動學(xué)位姿方程時，將用到兩種重要的變換矩陣，一種是旋轉(zhuǎn)變換矩陣，另一種是平移變換矩陣，在這里只給出這兩種矩陣的結(jié)論，至于推導(dǎo)過程因不是本文所要討論的內(nèi)容，所以在此省略。旋轉(zhuǎn)變換矩陣可以分為繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)和繞任意軸旋轉(zhuǎn)兩種變換矩陣。在這里只介紹饒坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣。設(shè)兩坐標(biāo)系Si和Sj，的原點(diǎn)重合，初始位置時兩坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸也完全重合，當(dāng)Sj分別繞Si的xi、yi、zi軸右旋角度時，三個相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)變換矩陣

27、分別是:Rot(xi,)= (4.1)Rot(yi,)= (4.2)Rot(zi,)= (4.3)在不需要特別指出坐標(biāo)系的名稱時，i、j可以省去，即Rot(x,)=R。若Sj分別沿Si的xi、yi、zi軸正方向移動d,則可得三個相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)平移矩陣，為：Trans(xi,d)= (4.4)Trans(yi,d)= (4.5)Trans(zi,d)= (4.6)在下面的機(jī)械手運(yùn)動學(xué)求解中，通過各關(guān)節(jié)的固聯(lián)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移即可推導(dǎo)出所要的位姿方程。4.1.2 連桿參數(shù)與位姿變量操作機(jī)為多桿系統(tǒng)，兩桿間的位姿矩陣是求得操作機(jī)末端執(zhí)行器位姿矩陣的基礎(chǔ)，而兩桿間的位姿矩陣的建立依賴于結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動形式和運(yùn)

28、動參數(shù)，以及這些參數(shù)按不同順序建立的幾何模型。常見的有兩類模型，第一類是固聯(lián)坐標(biāo)系前置模型，第二類是固聯(lián)坐標(biāo)系后置模型。在本文中用第二類模型作為求解位姿矩陣的依據(jù)。取以回轉(zhuǎn)副聯(lián)結(jié)的兩相鄰桿件，其一為Li-1桿，另一為Li桿。前者靠近基座，后者靠近末端執(zhí)行器。聯(lián)結(jié)兩連桿的運(yùn)動副稱作關(guān)節(jié)。它的編號規(guī)定為：Li-1與Li的關(guān)節(jié)為i號關(guān)節(jié)，Li與Li+1的關(guān)節(jié)為i+1號關(guān)節(jié)。連桿Li的固聯(lián)坐標(biāo)系為Si，令Si的zi軸置于i號關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸上，這時Si的原點(diǎn)Oi落在i號關(guān)節(jié)的軸線上，即坐標(biāo)系Si置于桿Li的靠近基座的關(guān)節(jié)上，故稱固聯(lián)坐標(biāo)系后置。根據(jù)D-H標(biāo)記法，有以下規(guī)定：圖4.1 回轉(zhuǎn)副連接的兩桿件 如

29、圖4.1，設(shè)連桿Li的兩軸線為zi和zi+1，前者為Li-1與Li的相對回轉(zhuǎn)軸線，后者為Li與Li+1的相對回轉(zhuǎn)軸線。選兩回轉(zhuǎn)軸z的公垂線為x軸，zi-1與zi軸的公垂線為xi-1軸，zi與zi+1軸的公垂線為xi軸。xi-1與zi-1的交點(diǎn)為桿件Li-1固聯(lián)坐標(biāo)系Si-1的原點(diǎn)Oi-1,xi與zi的交點(diǎn)為桿件Li固聯(lián)坐標(biāo)系Si的原點(diǎn)Oi。zi-1與zi的交錯角為i-1，zi與zi+1的交錯角為i，兩者都分別以繞xi-1、xi軸右旋為正。xi-1與xi的交錯角為i，以繞zi右旋為正。xi-1與zi的交點(diǎn)為Ci，Ci到Oi的距離為di，沿zi軸方向為正。回轉(zhuǎn)軸（關(guān)節(jié)軸）公垂距分別記作ai-1，a

30、i，沿xi-1，xi方向為正。在固聯(lián)坐標(biāo)系前置模型中實際上確定了位姿矩陣所要用到的4個參數(shù)，即、a、和d，其中、a、d稱作結(jié)構(gòu)參數(shù)，稱為運(yùn)動參數(shù)。4.1.3 確定兩桿之間位姿矩陣的方法本文用D-H法確定兩桿之間位姿矩陣，它是由Denavit和Hartenberg在1955年提出的一種為關(guān)節(jié)鏈中每一桿建立相對位姿的矩陣方法。根據(jù)上面建立的幾何模型，按變換組合得出最終公式。使用時，根據(jù)機(jī)械手的具體情況定出四個參數(shù)值，代入公式，即可求得兩桿之間的位姿矩陣，具體論述如下：由圖4.1.1可知固聯(lián)坐標(biāo)系后置時，桿Li的固聯(lián)坐標(biāo)系Si可以認(rèn)為是相對于Si-1先繞xi-1轉(zhuǎn)i-1角，記作Rot(xi-1,i-

31、1)；再沿xi-1平移ai-1，記作Trans（xi-1，ai-1）；再沿zi平移di，記作Trans(zi,di)；再繞zi轉(zhuǎn)i角，記作Rot(zi,i)。于是Si相對于Si-1的位姿矩陣，亦即旋轉(zhuǎn)(i-1)平移(ai-1)平移(di)旋轉(zhuǎn)(i),變換矩陣為：= Rot(xi-1,i-1) Trans（xi-1，ai-1）Trans(zi,di) Rot(zi,i) (4.7)即：= (4.8)若已知、a、d四個參數(shù)，即可利用式(4.1)求出Li相對Li-1的位姿矩陣，亦即固聯(lián)坐標(biāo)系Si相對Si-1的變換矩陣。4.2 機(jī)械手位姿方程的正逆解末端執(zhí)行器上的坐標(biāo)系相對于基礎(chǔ)坐標(biāo)系(基座的坐標(biāo)系)

32、的位姿矩陣，就是機(jī)械手的位姿方程。由位姿矩陣所表示的機(jī)械手的位姿(運(yùn)動)方程是以各桿之間的關(guān)節(jié)變量為變量的方程式。其正解，就是機(jī)械手位姿方程(或運(yùn)動學(xué))的正問題，是已知各桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)節(jié)變量，求末端執(zhí)行器的空間位置和姿勢，就是位姿矩陣中各元素的值。它的逆解，則是已知滿足某工作要求時末端執(zhí)行器的空間位置和姿勢()，以及各桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)，求關(guān)節(jié)變量。位姿方程的正、逆解是機(jī)器人學(xué)中非常重要的問題，是對機(jī)器人控制的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，因為只有知道了各關(guān)節(jié)移動(或轉(zhuǎn)動)逆解中所得到的值，才能使末端執(zhí)行器達(dá)到工作所要求的位置和姿勢。下面對本次設(shè)計的操作機(jī)械手進(jìn)行具體的位姿方程求解。4.2.1坐標(biāo)系的建立 建立坐標(biāo)

33、系是位姿方程建立的第一步，沒有一個完整的坐標(biāo)系，就無法開展下面的工作，設(shè)立坐標(biāo)系有以下幾點(diǎn)需要注意： 1)使機(jī)械手處于操作的零位，有基座開始先設(shè)立固定的基礎(chǔ)坐標(biāo)系S0，其Z0的正向最好與重力加速度反向，原點(diǎn)在第一關(guān)節(jié)軸線上，X0位于機(jī)械手工作空間的對稱平面內(nèi)； 2)盡量使Xi與Xi-1同向，原點(diǎn)在Zi方向上同高，否則關(guān)節(jié)變量i或者di要加初始值； 3)末端執(zhí)行器坐標(biāo)系S6的原點(diǎn)最好選在“手”心點(diǎn)上，Z。的正方向指向(或背向)要抓取的物體。 此外還有一個原則，那就是要考慮使盡可能多的結(jié)構(gòu)參數(shù)為零，不需要完全按實物的自然結(jié)構(gòu)設(shè)置，這樣能夠簡化計算過程。為此，要設(shè)立機(jī)械手坐標(biāo)系，首先要確定零位，選擇

34、最合適的零位，將有助于機(jī)械手坐標(biāo)系的設(shè)立和運(yùn)動學(xué)的求解圖4.2是對這個姿態(tài)建立的坐標(biāo)系簡圖，從圖中可以看出個關(guān)節(jié)固聯(lián)坐標(biāo)系的X軸不在同一方向上，這樣在建立方程時，將增加關(guān)節(jié)變量i的初始值，給計算帶來很大的不便。圖4.2 自然零位坐標(biāo)系為此，需要重新設(shè)定機(jī)械手的零位，相對于自然零位，把它稱作工作零位?？紤]到即能使位姿方程求解方便，又不會給實際控制帶來新的麻煩，選擇機(jī)器人姿態(tài)作為工作零位，這個姿態(tài)是在自然零位的基礎(chǔ)上，大臂與小臂連接關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)900(機(jī)器人方向向左)得到的。圖4.3給出了工作零位的坐標(biāo)系簡圖，從該圖中可以看出坐標(biāo)系的建立完全符合上面所提到的要求。圖4.3工作零位坐標(biāo)系對圖4.3

35、中的坐標(biāo)系說明如下，并整理所要用到的結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)節(jié)變量。圖4.3中對個關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系進(jìn)行了定義，其中S0(X0,Y0,Z0)坐標(biāo)系為基座固聯(lián)坐標(biāo)系，S1(X1,Y1,Z1)坐標(biāo)系是移動機(jī)器人底盤與云臺連接處的轉(zhuǎn)動自由度固聯(lián)坐標(biāo)系，一般的，將S0與S1坐標(biāo)系原點(diǎn)重合。其他坐標(biāo)系分別為：S2(X2,Y2,Z2)坐標(biāo)系為云臺與操作機(jī)械手大臂關(guān)節(jié)的固聯(lián)坐標(biāo)系，S3(X3,Y3,Z3)坐標(biāo)系為大臂與小臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的固聯(lián)坐標(biāo)系，S4(X4,Y4,Z4)坐標(biāo)系為小臂所帶的旋轉(zhuǎn)自由度的固聯(lián)坐標(biāo)系，S5(X5,Y5,Z5)坐標(biāo)系為手腕關(guān)節(jié)固聯(lián)坐標(biāo)系，S6(X6,Y6,Z6)坐標(biāo)系為末端執(zhí)行器固聯(lián)坐標(biāo)系，一般地，將S

36、6坐標(biāo)系的原點(diǎn)與S5坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合。此外，坐標(biāo)軸Y0、Y1在圖中的方向為從紙面朝內(nèi)；Y4、Y6在圖中的方向為從紙面朝外；Z2、Z3、Z5在圖中的方向為從紙面朝內(nèi)。位姿方程中要用到的結(jié)構(gòu)參數(shù)a2、a3、a4、d2、d4、d5也表示在圖中。4.2.2 運(yùn)動學(xué)正解本文前面已經(jīng)介紹了建立兩桿之間位姿矩陣的方法，通過這兩種方法可以建立起Si-1坐標(biāo)系與Si坐標(biāo)系之間的位姿方程，然后再聯(lián)立這些位姿方程得到S6坐標(biāo)系相對于S0坐標(biāo)系的位姿方程，也就是末端執(zhí)行器中心點(diǎn)相對于基座的位姿方程，這就機(jī)是械手位姿方程(運(yùn)動學(xué))的正解。S1是由S0繞Z0旋轉(zhuǎn)1得到的，于是S1相對于S0的位姿矩陣為= (4.9)S2是

37、由S1繞X1軸旋轉(zhuǎn)900，再沿X1、Y1軸分別平移a2、d2，再繞Z1軸旋轉(zhuǎn)2得到的，于是S2相對于S1的位姿矩陣為 = (4.10)S3是由S2沿X2軸平移a3，再繞Z2軸旋轉(zhuǎn)3得到的，于是S3相對于S2的位姿矩陣為= (4.11)S4是由S3繞X3軸旋轉(zhuǎn)-900，再沿X3軸、Z3軸分別平移a4、d4，再繞Z3軸旋轉(zhuǎn)4得到的，于是S4相對于S3的位姿矩陣為 = (4.12)S5是由S4繞X4軸旋轉(zhuǎn)900，沿Y4軸平移d5，再繞Z4軸旋轉(zhuǎn)5得到的，于是S5相對于S4的位姿矩陣為= (4.13) S6是由S5繞X5軸旋轉(zhuǎn)-900，沿Z5軸平移d6，再繞Z5軸旋轉(zhuǎn)6得到的，于是S6相對于S5的位姿

38、矩陣為= (4.14)末端執(zhí)行器的位姿矩陣為：= (4.15)矩陣中各元素的表達(dá)式為(si表示，ci表示)：=(c1c2c3-c1s2s3)c4-s1s4c5-(c1c2s3+c1s2c3)s5c6-(c1c2c3-c1s2s3)s4+s1c4s6；=(s1c2c3-s1s2s3)c4+c1s4c5-(s1c2c3+s1s2c3)s5c6-(s1c2c3-s1s2s3)s4-c1c4s6；=(s2c3+c2s3)c4c5+(-s2s3+c2s3)s5c6-(s2c3+c2s3)s4s6；=-(c1c2c3-c1s2s3)c4-s1s4c5-(c1c2s3+c1s2c3)s5s6-(c1c2c3

39、-c1s2s3)s4+s1c4c6；=-(s1c2c3-s1s2s3)c4+c1s4c5-(s1c2s3+s1s2c3)s5s6-(s1c2c3-s1s2s3)s4-c1c4c6；=-(s2c3+c2s3)c4c5+(-s2s3+c2c3)s5s6-(s2c3+c2s3)s4s6；=-(c1c2c3-c1s2s3)c4-s1s4s5-(c1c2s3+c1s2c3)c5；=-(s1c2c3-s1s2s3)c4+c1s4s5-(s1c2s3+s1s2c3)c5；=-(s2c3+c2s3)c4s5+(-s2s3+c2c3)c5；=-(c1c2c3-c1s2s3)c4-s1s4s5-(c1c2s3+c

40、1s2c3)d5+(c1c2c3-c1s2s3)a4-(c1c2s3-c1s2c3)d4+c1c2a3+c1a2；=-(s1c2c3-s1s2s3)c4+c1s4s5-(s1c2s3+s1s2c3)d5+(s1c2c3-s1s2s3)a4-(s1c2s3+s1s2c3)d4+s1c2a3+s1a2；=-(s2c3+c2s3)c4s5+(-s2s3+c2c3)d5+(s2c3+c2s3)a4+(-s2s3+c2c3)d4+s2a3+d2；4.2.3 運(yùn)動學(xué)逆解位姿方程的逆解，即機(jī)械手運(yùn)動學(xué)逆解的求法可分為三類：代數(shù)法、幾何法、和數(shù)值解法。前兩種解法的具體步驟和最終公式，將因操作機(jī)的具體構(gòu)型而異。

41、后一種解法，正是目前人們尋求位姿方程逆解的通解而得到的方法，由于計算量大，計算時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足控制要求，所以這一方法目前尚難用于實際求解中。本文使用代數(shù)法求出機(jī)械手運(yùn)動學(xué)逆解。代數(shù)法，顧名思義就是用代數(shù)知識對在位姿正解中求出的結(jié)果進(jìn)行逆推，得到位姿逆解。為了便于說明，設(shè)末桿位姿矩陣為(即6桿操作機(jī)，正好符合本文設(shè)計的機(jī)械手的位姿矩陣)。= (4.16)若已知末桿某一特定的位姿矩陣：= (4.17) 為了求，可用同時左乘式(3.2.1)的兩邊，得到;= (4.18)根據(jù)式(4.11)的左邊只有，利用兩邊矩陣的對應(yīng)元素相等，可得到幾個方程，從中可以消去，,從而求得，由此可得出一般的遞推求解步驟如下

42、：=4=5，這樣，就能得到6個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量，這就是代數(shù)法求解位姿方程逆解的方法。為末端執(zhí)行器需要到達(dá)某工作點(diǎn)時的位置和姿勢，為已知量，所以在這里把它表示為下式，便于位姿方程逆解的求解：= (4.19)根據(jù)式(4.18)=同時=式中=(c2c3-s2s3)c4c5-(c2s3+s2c3)s5c6-(c2c3-s2s3)s4s6；=-s4c5c6-c4s6；=-(c2s3+s2c3)c4c5+(s2s3-c2c3)s5c6+(c2s3+s2c3)s4s6；=-(c2c3-s2s3)c4c5-(c2s3+s2c3)s5s6-(c2c3-s2s3)s4s6；=s4c5s6-c4c6；=-(c2s3+

43、s2c3)c4c5+(s2s3-c2c3)s5s6-(c2s3+s2c3)s4s6；=-(c2c3-s2s3)c4s5-(c2s3+s2c3)c5；=s4s5；=(c2s3+s2c3)c4c5+(s2s3-c2c3)c5；=-(c2s3+s2c3)d5+(c2c3-s2s3)a4-(c2s3+s2c3)d4+c2a3+a2；=0;=(s2s3-c2c3)d5-(c2s3+s2c3)a4+(s2s3-c2c3)d4-s2a3-d2令式(4.11)兩邊矩陣的(2,4)元素相等，得： -s1px+c1py=0所以=arctan = (4.20)=令式(4.20)兩邊矩陣的(1,4)、(2,4)元素相

44、等，得：c2c1px+c2s1py-s2pz-s2d2-c2a2=-s3d5+c3a4-s3d4+a3 -s2c1px-s2s1py-c2pz-c2d2+s2a2=c3d5+s3a4+c3d4將上兩式平方相加得：c12px2+s12py2+pz2+d22+a22+2s1py-2c1pxa2-2s1pya2+2pzd2=d52+a42+d42+a32+2d4d5-2s3a3(d4+d5) (3.21)上式是只含有的方程，從中可以求出：=arcsin= (4.22)=式中 =(c2c3-s2s3)c1nx+(c2c3-s2s3)s1ny-(c2s3+s2c3)nz; =-(c2s3+s2c3)c1

45、nx-(c2s3+s2c3)s1ny+(s2s3-c2c3)nz; =-s1nx+c1ny; =(c2c3-s2s3)c1ox+(c2c3-s2s3)s1oy-(c2s3+s2c3)oz;=-(c2s3+s2c3)c1ox-(c2s3+s2c3)s1oy+(s2s3-c2c3)oz;=-s1ox+c1oy;=(c2c3-s2s3)c1ax+(c2c3-s2s3)s1ay-(c2s3+s2c3)az;=-(c2s3+s2c3)c1ax-(c2s3+s2c3)s1ay+(s2s3-c2c3)az;=-s1ax+c1ay;=(c2c3-s2s3)c1px+(c2c3-s2s3)s1py-(c2s3+

46、s2c3)pz-c3(s2d2+c2a2)+s3(-c2d2+s2a2)-c3a3;=-(c2s3+s2c3)c1px-(c2s3+s2c3)s1py+(s2s3-c2c3)pz+s3(s2d2+c2a2)+c3(-c2d2+s2a2)-s3a3; =-s1px+c1py令式(3.22)兩邊矩陣的(1,4)、(2,4)元素相等，得:(pxc1+pys1-a2)c23-(pz+d2)s23-a3c3=a4-(pxc1+pys1-a2)s23-pzc23+a3s3=d4+d5 式中，s23=sin(+),c23=cos(+),聯(lián)立上兩式可得：s23=c23=式中，A=pxc1+pys1-a2,B=

47、pz+d2 于是：=arctan23-=arctan-令式(3.22)兩邊矩陣的(1,3)、(3,3)元素相等，得：(axc1+ays1)c23-a2s23=-c4s5-axs1+ayc1=s4s5 上兩式相除可得：=-arctan令式(3.22)兩邊矩陣的(2,3)元素相等，得：-axs23c1-ays23s1-azc23=c5于是：=arccos(-axs23c1-ays23s1-azc23)= (4.23)的計算結(jié)果太長，在此不列出。= 令式(3.23)兩邊矩陣的(2,1)元素相等，得：(s1c4-c1c23s4)nx-(c1c5+s1c23s4)ny+s23s4nx=s6于是：=arc

48、sin(s1c4-c1c23s4)nx-(c1c5+s1c23s4)ny+s23s4nz通過運(yùn)動學(xué)逆解得到當(dāng)被抓物體處于極坐標(biāo)系的某一點(diǎn)時，各關(guān)節(jié)所需要轉(zhuǎn)過的角度，運(yùn)動學(xué)逆解可能存在多組解，并不是所有的解都能滿足機(jī)械手的結(jié)構(gòu)限制，同時，滿足機(jī)械手結(jié)構(gòu)限制的解也存在是否最優(yōu)的問題。常用的最優(yōu)原則有距離最短原則和時間最短原則。1) 距離最短原則：指到達(dá)目標(biāo)的各關(guān)節(jié)變量變化的絕對值之和最小。2) 時間最少原則：指由機(jī)械手到達(dá)目標(biāo)的時間最少。選擇何種最優(yōu)原則要視控制策略和實際需要而定。第五章 齒輪的設(shè)計與校核輸入功率 1.1kw，齒數(shù)比為5.2，工作壽命10年，每年300天1.選擇齒輪類型、精度等級、

49、材料及齒數(shù)1) 選用直齒輪傳動。2) 選取7級精度。3) 材料選擇：小齒輪為40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS，大齒輪為45鋼(調(diào)質(zhì))，硬度為240HBS，兩者硬度差為40HBS。4) 選擇小齒輪齒數(shù)Z1=18，大齒輪齒數(shù)Z2=5.2×18=93.6，取Z2=94。2.按齒面接觸強(qiáng)度計算(1)確定公式內(nèi)各計算數(shù)值1)選載荷系數(shù)2)計算小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩3)選取齒寬系數(shù)4)材料彈性影響系數(shù)5)按齒面硬度查得小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限6)計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)7)取接觸疲勞壽命系數(shù) 8)計算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1(2)計算1)試算小齒輪分度圓直徑，代

50、入中較小的值2)計算圓周速度v3)計算齒寬b4)計算齒寬與齒高比模數(shù)齒高5) 計算載荷系數(shù)根據(jù)v=4.667m/s，7級精度，查動載荷系數(shù);直齒輪，;使用系數(shù);查表得7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時，;由b/h=8，；故載荷系數(shù)6) 按實際載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑7) 計算模數(shù)m3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計彎曲強(qiáng)度設(shè)計公式為(1) 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值1) 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限2) 根據(jù)圖查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 3) 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.44) 計算載荷系數(shù)K5) 查取齒形系數(shù) 6) 查取應(yīng)力校正系數(shù) 7)計算大、小齒輪并加以比較大

51、齒輪的數(shù)值大(2) 設(shè)計計算對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)m大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)1.225并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=1.5mm，按接觸強(qiáng)度計算的的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)，取這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并得到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。4 幾何尺寸計算1)計算分度圓直徑 取 2)計算中心距3)計算齒輪寬度取 通過上網(wǎng)查資料，我了解到2010年的時候，中國工業(yè)機(jī)器人總有量

52、已經(jīng)超10000臺，約占全球總數(shù)的0.6%。同時，需求量將會超過3000臺。中國工業(yè)機(jī)器人市場將進(jìn)入高速發(fā)展時期。這主要是由于我們國家現(xiàn)在正處的國情和所處的世界境遇?，F(xiàn)在機(jī)器人已經(jīng)慢慢融入到我們的社會的各行各業(yè)。同時，也在不斷地給我們的工業(yè)發(fā)展帶來諸多便利。 那么，下面我就對工業(yè)機(jī)器人在玻璃、陶瓷加工業(yè)方面做些探討與分析工業(yè)機(jī)器人在這個行業(yè)的發(fā)展前景做些設(shè)想。 基于玻璃、陶瓷產(chǎn)業(yè)大家相比不會感覺很陌生。而工業(yè)機(jī)器人雖然已經(jīng)進(jìn)入大家的視線很多年，但是我相信大家對于機(jī)器人多少還會感覺一點(diǎn)陌生感吧！那么，我就從這個陌生的機(jī)器人先給大家講起。一、 工業(yè)機(jī)器人的由來：1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)

53、器人的概念，并申請了專利。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機(jī)器人進(jìn)行動作示教，機(jī)器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人?，F(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。1959年UNIMATION公司的第一臺工業(yè)機(jī)器人在美國誕生，開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。 最早的關(guān)節(jié)機(jī)器人UNIMATION的VAL（very advantage language)語言也成為機(jī)器人領(lǐng)域最早的編程語言在各大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)中傳播，也是各個機(jī)器人品牌的最基本范本。其機(jī)械結(jié)構(gòu)也成為行業(yè)的模板。其后，UNIMATION公司被瑞士STAUBLI收購，并利用STAUBLI的技術(shù)優(yōu)勢，進(jìn)一步得以改良發(fā)

54、展。日本第一臺機(jī)器人由KAWASAKI從UNIMATION進(jìn)口，并由kawasaki模仿改進(jìn)在國內(nèi)推廣。二、 工業(yè)機(jī)器人的定義：工業(yè)機(jī)器人的定義在國際上還沒有統(tǒng)一的規(guī)定. 但普遍認(rèn)為它是“在三維空間中,具有高自由度, 能進(jìn)行多種動作功能的設(shè)備” 。現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人可定義為 “具有類似人體上肢臂、手動作功能的、可進(jìn)行多種動作的設(shè)備, 或具有感覺功能、認(rèn)識功能, 能進(jìn)行自律性行動的設(shè)備, 即智能機(jī)器人” 。三、 工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)： （1）技術(shù)先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應(yīng)用開發(fā)等先進(jìn)制造技術(shù)于一體，通過對過程實施檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，實現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低成本、減少資源消耗和環(huán)境污染，是工業(yè)自動化水平的最高體現(xiàn)。 （2）技術(shù)升級工業(yè)機(jī)器人與自動化成套裝備具備精細(xì)制造、精細(xì)加工以及柔性生產(chǎn)等技術(shù)特點(diǎn)，是繼動力機(jī)械、計算機(jī)之后，出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產(chǎn)工具，是實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的重要手段。 （3）應(yīng)用領(lǐng)域廣泛工業(yè)機(jī)器人與自動化成套裝備是生產(chǎn)過程的關(guān)鍵設(shè)備，可用于制造、安裝、檢測、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應(yīng)用于汽車整車及汽車零部件