毕业设计（论文）工业机器人组合模块化系统设计—三自由度手臂结构模块设计

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1、Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计专 业： 机械设计制造及其自动化 班级学号： 机自 060341 学生姓名： 指导教师： 副教授 二一年 六 月天津职业技术师范大学本科生毕业设计工业机器人组合模块化系统设计 三自由度手臂结构模块设计Design of Modular System to an Industrial Robot Three-DOF Arm Module Design专业班级：机自0603班学生姓名：指导教师：院 别：机械工程学院2010 年 6 月摘 要模块化机器人系统不仅包括模块化的机械硬件， 而且还包括

2、模块化电气硬件、控制算法和软件。将一个复杂的系统进行分解，拆分成若干个独立的模块，即将各种互相耦合在一起的因素分开，将多因素控制降阶为单元素控制，是一种分解过程，也是一种创造过程，这是工业机器人采用组合式模块化结构设计的一个关键步骤。而将分解的模块再经过优化组合，特别是通过控制模块、伺服模块和执行模块的耦合，最终有机集成为一个系统，这又是一个关键步骤。模块的合理划分与重构是机器人模块化设计的重要研究内容。手臂包括手臂伸缩模块、手臂的回转模块和定位模块，实现手臂模块的三个自由度。关键词：模块化；手臂模块；伸缩位模块；回转模块 ABSTRACTThe modular robot system no

3、t only includes the modular mechanical hardware, but also includes the modular electricity hardware, the control algorithm and so on. To decompose a complex system and split into several independent modules, that is decomposing a variety of factors and separating the multi-factor control to a single

4、 element of control .It is a decomposition process, and also a creative process.This is a key step in the modular structure design of industrial robots. The decomposition of the module will be further optimized combination, in particular coupling the control module, servo module and the implementati

5、on of the module, and then integrate into a organic system, which is also a key step. Rational division of the module is a robot modular design and reconstruction of important research. Arm module includes expansion modules, rotary modules and positioning the arm modules, and the modules to achieve

6、three-DOF arm module.Key Words：modular；arm module；expansion module；rotate module目 录1 绪论11.1工业机器人简介11.1.1工业机器人在生产中的应用11.1.2我国的工业机器人21.2工业机器人组合式模块化结构设计研究21.2.1组合式工业机器人设计思路31.2.2工业机器人组合式模块化结构设计41.2.3课题研究的意义82 模块式工业机器人的总体设计92.1 模块式工业机器人的任务和功能要求92.1.1 任务要求92.1.2 功能要求92.2 各种结构形式的模块92.3 工业机器人模块的选择112.3.1模块

7、选择的原则112.3.2机械模块的选择112.4 模块式工业机器人的结构设计123 手臂模块的具体设计143.1 手臂模块的整体设计143.2 伸缩模块的设计143.3 回转模块153.4 计算与校核174 结 论24参考文献25致 谢26英 文27译 文39541 绪论1.1工业机器人概述工业机器人（简称IR）是广泛适用的能够自主动作，且多轴联动的机械设备。它们在必要情况下配备有传感器，其动作步骤包括灵活的，转动都是可编程控制的（即在工作过程中，无需任何外力的干预）。它们通常配备有机械手、刀具或其它可装配的加工工具，以及能够执行搬运操作与加工制造的任务。 1.1.1工业机器人的应用工业机器人

8、在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。由于工业机器人具有一定的通用

9、性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。 工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有36个运动自由度，其中腕部通常有13个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关

10、节型的臂部有多个转动关节。工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分为点型和连续轨迹型。点位型只能制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接带动执行机构，按要求的动作顺序和运动

11、轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序内存中在机器人自动工作时，控制系统从程序内存中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。具有触觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。 1.1.2我国的工业机器人我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。70年代是

12、世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了

13、一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。1.2工业机器人组合式模块化结构设计研究工业机器人自20世纪60年代问世以来，其研究和开发在工业发达国家中一直备受青睐。尽管各国对机器人的定义不尽相同，但都有可编程、拟人化、通用性等特点，是一种融机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制技术等多学

14、科为一体的高新技术产品。随着相关支撑学科的长远发展，工业机器人的研究和开发正突飞猛进，其应用领域进一步扩大。 我国机器人技术的研究工作起步较晚，虽已取得较大进展，但较之发达国家的水平仍有较大距离，应积极探索适合我国国情的工业机器人应用思路，开发低成本、高性价的实用型工业机器人。 1.2.1组合式工业机器人设计思路 目前机器人技术领域的研究工作从智慧化程度来区分，主要分2个方向：一是全功能通用机器人的研究，追求高智能化，即在计算机控制下的视、触、听、嗅觉与肢体动作协调一致、高度拟人化的机器人；二是不过于强调机器人的智能化，提供价格和性能都能令人满意的简易型机器人。根据我国的实际情况，我们认为工业

15、机器人技术开发的思路应从以下几个方面进行考虑： (1)实用性：应能开发出市场急需的、功能实用的、满足用户要求的机器人。为此，应强调功能实用性，不片面追求所谓的高科技和全面先进性，先进并不等于实用。 (2)快速性：能够在尽可能短的时间内实现机器人产品的快速制造，快速投放市场和发往用户。 (3)高质量：能够生产出质量优良的机器人产品，机器人配置中关键部件必要时可采用进口产品，只有质量好的机器人产品才能赢得用户。 (4)低价格：价格往往是用户购置机器人时考虑的首要因素。机器人开发应尽可能选用标准件、通用件，减少自制件，控制成本，能够向市场提供价格低廉的机器人产品。 (5)模块化：采用模块化的设计理念

16、和配置组合、系统集成的制造思路。 综上所述，工业机器人设计总体技术原理是：在成组技术指导下，针对多品种小批量生产的特点，面对生产在线的机台和单元间的物品移置的工艺要求或是装配、喷涂等作业的工艺要求，利用模块化设计手段，选择质量优良的控制模块以及执行模块，按一定的坐标体系进行集成，实现工业机器人的快速制造。 其明显的优点在于：(1)简化了结构，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性。便于实现标准化、系列化和组织专业生产。(2)缩短了研制周期。能适应工厂用户的急需，在尽可能短的时间内，快速制造出功能实用的满足用户要求的机器人产品。(3)提高了性能价格比。采用优质功能部件集成的方式，有利于保证机器人的

17、质量和降低成本。(4)具备了充分的柔性。以具备高可靠性的工控机为核心，控制模块和伺服模块可根据机器人及相应接口设备的工作要求，综合运用步进驱动技术、交流伺服控制技术、微机气动控制技术及变频技术等，为机器人提供了充分的柔性。 1.2.2工业机器人组合式模块化结构设计 （1）工业机器人结构配置方式及分析 图1-l列出了几种常规的工业机器人配置方式，按不同的坐标进行配置可归纳为以下几种：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型等。无疑，这些配置方式都是经过实践证明为经济可行的方式，也是组合式模块化工业机器人坐标配置方式设计时所要借鉴和参照的方式。 通过对常用配置方式(常规坐标型)的机

18、器人的运动分析可看到以下两点：(1)基本动作可分解为体升降、臂伸缩、体旋转、臂旋转、腕旋转等；(2)基本运动形式可分为直线运动和旋转运动两类。这启发我们在设计机器人时，可充分利用能够实现直线运动和旋转运动的通用部件(气、液、电等)来进行功能组合，也就是说可以将经过合适选择的通用部件作为模块来进行集成。这些部件可以作为一个独立的基本模块，也可以将几个部件组合为一个复合模块。显然，配置方式应根据产品最终实现的功能要求来确定，同样，模块的分解也是基于产品应满足的功能要求下的模块分解。（2）工业机器人组合式模块化结构设计 对所要设计的工业机器人进行功能分析，划分并设计出一系列通用的功能模块，并对这些模

19、块进行选择和组合配置，就可以构成不同功能，或功能相近但性能不同、价格不同的机器人产品。可见，在工业机器人设计中，采用组合式、模块化设计思路可以很好地解决产品品种、规格与设计制造周期和生产成本之间的矛盾。工业机器人的组合式模块化设计也为机器人产品快速更新换代、提高产品质量、方便维修、增强竞争力提供了条件。随着敏捷制造时代的到来，模块化设计会越来越显示出其独到的优越性。 （3）模块的划分模块化设计的原则是力求以尽可能少的模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，且模块结构应尽量简单、规范，模块间的联系尽可能简单。因此，划分模块既要照顾制造管理方便，具有

20、较大的灵活性，避免组合时产生混乱，又要考虑到该模块系列将来的扩展和向专用、变型产品的辐射。总的来说，划分前必须对系统进行仔细的、系统的功能分析和结构分析，并要注意以下几点：模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性；保持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性；模块间的接合要素要便于联接与分离；模块的划分不能影响系统的主要功能。遵循以上原则，工业机器人可划分为以下模块：关节模块、连杆模块、伺服模块、控制模块。关节模块。通常由各种电机、集成减速机构和控制器等组成，主要包括单自由度关节模块、二自由度关节模块、三自由度关节模块三种。单自由度关节模块又可分为旋转关节模块和移动关节模块两种。二自由

21、度和三自由度关节模块可认为是对两种单自由度关节模块的组合，故旋转、移动关节模块可认为是最基本最简单的关节模块。机器人机构的研究也正是以这两种基本关节模块为基础。对于同一类型关节模块可以配用不同的驱动机构，以适应不同运动学与动力学的要求。连杆模块。无自由度连杆模块仅用于关节模块间的连接。不同长度的连杆模块由于具有不同方位的标准接口，使得模块关节之间的连接能满足机器人不同运动学和动力学的要求。因此，连杆模块不但要求简单可靠，还必须能够在模块之间传递动力或信息。控制模块和伺服模块。工业机器人的控制模块主要是指控制器，控制器根据用户的指令对机器人本体进行操作和控制。伺服模块用来控制伺服电机，目前主流的

22、伺服驱动器均采用数字信号处理器DSP作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。把控制模块、伺服模块、关节模块、连杆模块和传感器有机地结合起来，实现整体功能的集成，就形成模块化工业机器人。这种集成不仅是机械结构按一定坐标系集成，更是在控制模块、伺服模块联系下的有机集成。只有这样，形成的整体才称为模块化工业机器人系统。（4）功能模块的整体集成以功能模块有机集成为前提的模块组合。在对各功能模块分解的基础上，再将各功能模块有机集成到一个系统中去，完成功能模块的整体集成，最终形成工业机器人系统。从系统工程角度研究其集成，可见集成的组合式工业机器人系统具有以下属性： 集

23、合性。组合式工业机器人系统是由两个以上具有独立特性的模块所构成。 相关性。构成系统的模块之间具有相互联系，这意味着其中的一个模块发生变化，都会对其他模块产生影响，因此，要研究各模块的影响范围、影响方式和影响程度。 整体性。组合式工业机器人系统应是一个有机的整体，对内呈现各模块间的最优组合，使信息流畅、回馈敏捷，对外则呈现出整体特性，要研究系统内各模块发生变化时对整体特性的影响。目的性。组合式工业机器人系统是为实现特定的目的而存在，具有一定的功能。集成并不是简单地将各组成模块联接起来，而是模块间的有机组合。环境适应性。一般情况下，系统与外部环境之间总有能量交换、物质交换和信息交换。环境对系统的作

24、用为输入，系统对环境的作用为输出。作为移置机台或物品的组合式工业机器人，物品对系统的作用为输入，系统对物品的作用为输出。这样的机器人其工作特性不应受环境的影响，能在环境对系统的输入发生变化时，通过调节系统的有关参数，始终使系统处于最佳运行状态，实现对相似机台或物品的移置。执行模块的概念。一个用作实现直线运动或是旋转运动的部件，要成其为“执行模块”，一般情况下必须具备以下基本功能：在伺服模块传送的“物质流”驱动下实现动作；以“信息流”方式反映部件自身的位置(速度、压力)状态。具备以上功能，部件才能作为“执行模块”直接参与集成。控制模块和伺服模块的研究工业机器入组合式模块化结构设计时是由控制模块、

25、伺服模块、执行模块和传感器有机地结合起来，以实现整体功能的集成。这里的集成，并不是简单地将各组成部分迭加，而是在控制模块控制下，采用数据接口的方式，以实现各独立模块间的数据交换下的有机组合。其集成不仅是机械结构按一定坐标体系集成，更是控制模块、伺服模块与执行模块间的有机集成。只有这样，形成的整体才称其为组合式模块化工业机器人系统。图1所示为工业机器人组合模块式设计系统集成框图。图1 工业机器人组合式模块化设计系统集成框图1.2.3课题研究的意义综合以上分析可知：集成也是一种创造过程。工业机器人的组合式模块化结构设计研究正是基于模块基础上的有机集成(耦合)和集成基础上的模块分解(解耦)。在此研究

26、基础上，开发了用于轿车中立柱喷胶的气动机器人，与国外引进可用于喷胶的机器人相比，具有优越的性价比。投入生产后，在稳定产品质量、减少环境污染、减轻工人劳动强度等方面取得了明显的效益。 2 模块式工业机器人的总体设计2.1 模块式工业机器人的任务和功能要求2.1.1 任务要求模块式工业机器人用于机械制造中机械装配、锻压、铸造及其它形式生产中各种工艺操作自动化。这种机器人可用于机械加工机械（如金属切削机床）的装料和卸料、工序之间的传送装置和毛坯及零件堆垛、焊接、涂漆、切割、装配及其它操作等。2.1.2 功能要求根据总体设计思路，制定工业机器人所需要的功能要求如下：（1）移动要求：启动平稳，加速性好；

27、（2）机构运动要求：对于机械手的运动应平稳、柔和，避免突然启动而产生的冲击，造成不必要的失误；（3）机械结构自身要求：机械结构设计要简洁，执行简单。以最简单的机构完成最快速的运动。自由度数为5；（4）承载能力要求：能够抓取25kg的重物。2.2 各种结构形式的模块工业机器人组合模块设计的重要步骤是研制标准化得结构模块（机械模块、信息检测模块和控制模块）和配套件（驱动装置的、传感器的、程序控制装置的及其它附属配件和夹具等）下面列出工业机器人结构模块设定的符号表。见表2-1、2-2、2-3、2-4所示。工业机器人基本模块由操作机的典型机械模块组成。其中包括：承载系统，完成排列、安装和定向运动组件及

28、夹持装置。工业机器人辅助机械模块有装料台、可换夹持器库和压紧装置及其它用于毛坯和被加工零件的中间存贮和定向，夹持器的更换以及其它辅助功能。由组合模块构成的工业机器人各种模块的技术水平决定于所选择的驱动装置的类型（液压的、电液的、电动的或气动的）和程序控制装置的类型（循环控制、数字控制、点位控制或轮廓控制）。表1-1 工业机器人操作机的结构模块符号结构模块形式符号结构模块形式HO固定基座KM单轨悬臂梁HK固定支柱TC1移动式小车（纵向行走）TN单轨龙门架TC移动式小车（横向行走）TM单轨小车PB3铰链杠杆式手臂TP轨道式小车KH固定手腕（头部）CK转台KH1转动手腕（一个自由度）CK1摆动平台（

29、具有一个自由度）KH2转动手腕（两个自由度）CK2摆动平台（具有两个自由度）KH3转动手腕（三个自由度）KB垂直行程（提升）小车3Y1单夹持器PB伸缩模块（具有一个自由度）3Y2双夹持器PB1伸缩回转手臂（具有两个自由度）3YB转动式双夹持器PB2铰链杠杆式手臂（具有两个连杆）3YC带横向偏移的夹持器表2-2 工业机器人的驱动模块符号结构模块形式符号结构模块形式TQ可调液压驱动装置TG直流随动电驱动装置TW可调气压驱动装置TJ可调直流电驱动装置TH电液步进驱动装置TA可调交流异步电驱动装置TK电液随动驱动装置表2-3 工业机器人的辅助模块符号结构模块形式符号结构模块形式TC循环式工作台TH可换

30、夹持器TR可换夹持器库TE手臂回转补偿机构表2-4 工业机器人程序控制装置符号结构模块形式符号结构模块形式TX循环程序控制TB标准化循环程序控制TD点位式数字程序控制TBD标准化点位式数字程序控制TS轮廓式数字程序控制TBL标准化轮廓式数字程序控制TT通用数字程序控制2.3 工业机器人模块的选择2.3.1模块选择的原则1保证结构上和功能上的独立；（2）保证设计的静态和动态特性；（3）具有在不同的位置和组合下与其它模块构成的可能性；（4）联接元件、管线和配套件标准化；（5）单独的或相近规格尺寸的组装还有不同类型组件之间的组装单元标准化设计的可能性。2.3.2机械模块的选择（1）小车模块 选用单轨

31、小车，能够实现水平方向的运动，实现一个自由度；（2）承载模块选用单轨龙门架，没有带来自由度；（3）转动模块选用转台，能够在垂直面内带动机器人手臂的旋转，实现一个自由度；（4）手臂模块选用伸缩回转手臂，能够实现手臂的伸缩和手臂轴向的旋转，实现两个自由度；（5）手腕模块选用固定手腕，没有带来自由度；（6）夹持模块选用单夹持器，能够实现一个自由度。综上所述，本设计采用的工业机器人组合形式为TN-TM-CN-PB2-KH-P。配置简图和模块的规定符号等如表2-5、2-6所示：表2-5 工业机器人操作机机构模块工业机器人操作机结构模块承载系统可移动车架（小车）转动装置手腕模块机械手臂执行机构（夹持器）T

32、NTMCNKHPB2P表2-6 工业机器人驱动与控制装置模块工业机器人驱动装置模块工业机器人程序控制装置TP可调液压驱动装置TY 标准化循环程序控制TF可调气压驱动装置TC直流随动电驱动装置2.4 模块式工业机器人的结构设计根据工业机器人的任务和功能要求，制定工业机器人的总体结构图如图2-1所示，技术特性如表2-7所示。表2-7 模块化工业机器人技术特性承载能力，kg25结构形式TN-TM-CN-PB2-P自由度数560010003001803600.10.215013590图2-1 工业机器人示意图工业机器人的机械模块主要由六部分组成：承载模块，转动模块机构、手臂模块机构和小车模块机构。以上

33、机构原理简单、控制简便、重量合理，符合功能的要求。3 手臂模块的具体设计本设计只针对工业机器人手臂模块进行设计。而根据手臂要实现的自由度和完成的动作要求将设计内容分为三部分：伸缩模块、回转模块、定位模块。本章还将这伸缩和回转模块的组成和工作方式进行详细讲解。3.1 手臂模块的整体设计根据手臂要实现的自由度数要求，手臂的整体设计如图3-1所示，伸缩模块机构能够实现手臂的轴向移动，回转模块机构能够实现手臂的轴向旋转，通过定位法兰盘与机器人转动模块联接，实现整个手臂跟着转动模块一起旋转。从而满足手臂三个自由度数的要求。图3-1 手臂示意图3.2 伸缩模块的设计图3-2给出了伸缩模块机构图，它是采用双

34、作用气缸驱动，保证操作机手臂实现行程600mm的往复运动。气缸6装在 1中，空气活塞杆5与活塞4螺纹联接。在活塞杆前端通过导套8固定带轴承11的法兰盘9。在轴承上安装带法兰的轴7，在其上用螺母10固定夹持装置。花键轴7与固定在套筒16上的衬套15活动联接，而套筒16装在活塞4内孔和气缸6后盖3的导套18和19中，并与回转机构带花键的输出轴相联接。为防止带活塞4的活塞杆5相对1发生转动采用拉杆20和21。在拉杆上装弹簧缓冲器19和21，以减小活塞杆5在行程终点的冲击。为拉出手臂，受压空气通过节流阀进入气缸的活塞腔，而其活塞杆腔与大气相通。这时活塞4移动，同时活塞杆5与轴7一起拉出。为了得到反向运

35、动，压缩空气通过反节流阀进入气缸的活塞杆腔中，而其活塞腔与大气相通。（a）(b)图3-2伸缩模块3-后盖；4-活塞；5-活塞杆；6-气缸；7-花键轴；8-导套；9-法兰；10-螺母；11-双头螺柱；12-法兰；13-轴承；14-螺钉；15-衬套；16-套筒；17-导套；18-导套；19-弹簧缓冲器；20-拉杆；21-拉杆；22-弹簧缓冲器3.3 回转模块在工业机器人操作机手臂回转驱动装置的结构。见装备图第2张，回转机构安装在机体4中，在滚动轴承14上安装与齿条3相啮合的出轮17的轴。在齿轮轴17内部装有花键轴15，它和伸缩机构的套筒相联接。在齿条3相应地安装着液压缸10和气缸13的活塞11和1

36、2，活塞与活塞杆及缸套的连接由U形密封圈2沿带液压缓冲器11的活塞6工作表面的方向加以密封。在缸体端盖8上安装扳手用方柄小轴7，其花键部分嵌入衬套6中，当小轴旋转时，衬套就沿螺纹移动。衬套6上开有缓冲器5用的槽。旋转小轴7可以改变套筒6的位置，亦即改变活塞11和12的位移，同时亦即改变操作机手臂转动角。此外，在盖上8上装有节流阀9，在制动时用它在改变速度。在单向阀18是用来向液压缸10工作腔中供油的，回转机构是由气液转换器驱动的。向液压缸10的工作腔中注入油，此时，若向液压缸一个工作腔注入油，则液压缸相应的另一个腔与排油端相连。在活塞11之一产生压力时，活塞由一端极限位置移到另一端，同时实现轴

37、15的转动。此时，另一缸的活塞6被强制推到挡块上进入衬套14中。当缓冲器5进入衬套6的孔中时，就逐步遮住缝隙，从而实现整个机构的制动。在另一个工作腔注入油时，轴15则换向转动。在活塞12中产生作用力时，气缸13是用来在齿轮齿条传动中自动选择间隙。为此，气缸13的工作腔彼此之间与从管路来的空气内存始终相连（见图3-3所示的驱动原理图）。图3-3驱动原理图3.4 计算与校核计算与校核轴轮传动，传动功率P=0.5kW,转速n=25r/min ，齿轮45#，调制处理硬度240MPa, 360MPa,轴上齿轮的齿数Z=37，模数m=2,计算步骤如表3-1:计算项目计算内容计算结果1.计算齿轮受力齿轮直径

38、转矩T圆周力径向力画齿轮受力图见图3-42.计算支承反力水平面反力垂直面反力见图3-5水平面受力图见图3-63.画弯矩图水平面弯矩图见图3-7垂直面弯矩图见图3-8合成弯矩图见图3-9，合成弯矩 4.画轴转矩图表3-1 轴的计算与校核续表计算项目计算内容计算结果轴受转矩T=191000N转矩图见图3-105许用应力许用应力值由文献9表16.3查得：=230MPa,=135MPa应力校正系数=0.596.画当量转矩当量转矩,见图3-11当量弯矩在左边键中间截面上当量弯矩图见图3-127.校核直径齿根圆直径轴径23.3268.判断危险截面初步判断截面有较大的应力和应力集中，下面以截面进行安全系数的

39、校核。续表计算项目计算内容计算内容对称循环疲劳极限轴的材料选用45钢调质，由文献11可求得疲劳极限：脉动循环疲劳极限等效系数9.截面上的应力弯矩弯曲应力幅弯曲平均应力扭转切应力 扭转切应力幅和平均切应力10.应力集中系数续表计算项目计算内容计算结果有效应力集中系数应在此截面处，有轴直径变化，过渡倒角c=2mm,由D/d=32/27=1.19,c/d=2/27=0.074和，由文献9附录表1查得： 如果一个截面上有多种产生应力集中的结构，则分别求出其有效应力集中系数，从中取最大值表面状态系数由文献9附录表5得：尺寸系数由文献9附录表6得查得：11.安全系数弯曲安全系数设为无限寿命，扭转安全系数复

40、合安全系数 S=2.73图3-4 轴结构图图3-5 轴受力图图3-6 水平面（XY平面）受力图图3-7 水平面弯矩图图3-8 垂直面（XZ平面）受力图图3-9 垂直面弯矩图图3-10 合成弯矩图图3-11 转矩图图3-12 当量弯矩图4 结 论本论文使用了一种新型模块化工业机器人的构建方法，对模块化工业机器人的模块结构、整体构型分析进行了系统的研究，主要进行了一下三个方面的工作：(1)根据模块化设计的一般原理和设计方法，分析了国内外己有的工业机器人的特点，对模块化工业机器人进行了模块划分，设计了机械转动功能模块，并对其机械转动结构进行了全面的设计，同时对模块的结构、性能、强度等方面进行了分析和

41、校核。利用这些模块可以快速实现模块化工业机器人的构建。(2)根据模块化工业机器人的自由度数量不同和构型特点，对所构建的模块化工业机器人进行分析，设计出了工业机器人整体的结构图(3)根据功能要求设计出了模块的结构图，手臂模块由伸缩模块、回转模块、定位模块三部分组成。参考文献1张建民.工业机器人.北京：北京理工大学出版社，19882蔡自兴.机器人原理及其应用.湖南：中南工业大学出版社，19883孙迪生.机器人控制技术.北京：机械工业出版社，19974马香峰.机器人机构学.北京：机械工业出版社，19915付京逊.机器人学.北京：中国科学技术出版社，19886诸静.机器人与控制技术.浙江：浙江大学出版

42、社，19917蔡自兴.机器人原理及其应用.湖南：中南工业大学出版社,19888吴广玉.机器人工程导论.黑龙江：哈尔滨工业大学出版社,19889邱宣怀、吴宗泽等.机械设计.北京：高等教育出版社，200710刘文剑.工业机器人设计与应用.北京：国防工业出版社，198911吴宗泽.机械零件设计手册.北京：机械工业出版社，199412张伯鹏.机器人工程基础.北京：机械工业出版社，198914费仁元.机器人机械设计和分析.北京：北京工业大学出版社，199813加藤一郞.机械手图册.上海：上海科学技术出版社，197915日本机器人学会.机器人技术手册.北京：科学出版社，200716丹尼斯(美).机器人设计

43、与控制.北京：科学出版社，2004致 谢三个月的毕业设计已经接近尾声，各项工作也进入了最后的修改和完善！虽然毕业设计进行的时间并不长，但它却是对我在大学期间所学知识的考验和挑战。虽然我对自己所掌握的知识有一定的信心，但是在这次设计过程中还是看到了自己很多的不足，需要进一步学习来加弥补。在完成设计的过程中，遇到了各种各样自己难以解决的问题，认识到了自己知识的缺憾，从而影响了工作的顺利进行，所以我每次都及时向我的指导老师王仲民老师请教，王老师牺牲了他业余的时间向我耐心地解答，经过老师细心地指导，这些问题也得到了圆满的解决，没有对我的工作造成任何的影响，在此我对王老师表示我衷心地感谢。王老师，您辛苦

44、了！在四年的大学学习过程中，我所学的机械设计、机械原理、材料力学、理论力学等课程，都在这次设计过程中得到了一定的应用，对以前理解含糊不清的问题，现在也彻底掌握了，同时我也学会了思考问题要全面性，不能以偏概全，其次考虑问题要有深度性，最后把握问题的重点，弄清问题的脉络，所有的问题都将迎韧而解。在解决实际问题的过程中，学习新知识，获取新信息，充实了自己的知识！对于实际的课题，设计用户具体，设计方案明确，很大程度上地激发了我们参与实际设计任务的积极性和创造性！通过这次毕业设计，我们考虑问题比以前全面的很多，对待问题也严谨了很多，也锻炼了自己解决实际问题的能力，这些是我获得的最大的收获！最后，向在四年

45、大学期间所有教授过我们的老师表示衷心的感谢！同时再次感谢王仲民老师，谢谢您！ 英 文Indirect Power Transfer DevicesAs mentioned in Chapter One, electric motors suffer from a problem that must be solved if they are to be used in robots. They turn too fast with too little torque to be very effective for many robot applications, and if slowed

46、down to a useable speed by a motor speed controller their efficiency drops, sometimes drastically. Stepper motors are the least prone to this problem, but even they loose some system efficiency at very low speeds. Steppers are also less volumetrically efficient, they require special drive electronic

47、s, and do not run as smoothly as simple permanent magnet (PMDC) motors. The solution to the torque problem is to attach the motor to some system that changes the high speed/low torque on the motor output shaft into the low speed/high torque required for most applications in mobile robots. Fortunatel

48、y, there are many mechanisms that perform this transformation of speed to torque. Some attach directly to the motor and essentially make it a bigger and heavier but more effective motor. Others require separate shafts and mounts between the motor and the output shaft; and still others directly coupl

49、e the motor to the output shaft, deal with any misalignment, and exchange speed for torque all in one mechanism.Power transfer mechanisms are normally divided into five general categories:1. Belts (flat, round, V-belts, timing)2. Chain (roller, ladder, and timing)3. plastic-and-cable chain (bead, la

50、dder, pinned)4. Friction drives5. Gears (spur helical, bevel, worm, rack and pinion, and many others)Some of these, like V-belts and friction drives, can be used to provide the further benefit of mechanically varying the output speed. This ability is not usually required on a mobile robot, indeed it

51、 can cause control problems in certain cases because the computer does not have direct control over the actual speed of the output shaft. Other power transfer devices like timing belts, plastic-and-cable chain, and all types of steel chain connect the input to the output mechanically by means of tee

52、th just like gears. These devices could all be called synchronous because they keep the input and output shafts in synch, but roller chain is usually left out of this category because the rollers allow some relative motion between the chain and the sprocket. The term synchronous is usually applied o

53、nly to toothed belts which fit on their sprockets much tighter than roller chain.For power transfer methods that require attaching one shaft to another, like motor-mounted gearboxes driving a separate output shaft, a method to deal with misalignment and vibration should be incorporated. This is done

54、 with shaft couplers and flexible drives. In some cases where shock loads might be high, a method of protecting against overloading and breaking the power transfer mechanism should be included. This is done with torque limiters and clutches.Lets take a look at each method. Well start with mechanisms

55、 that transfer power between shafts that are not inline, and then look at couplers and torque limiters. Each section has a short discussion on how well that method applies to mobile robots.BELTSBelts are available in at least 4 major variations and many smaller variations.They can be used at power l

56、evels from fractional horsepower to tens of horsepower. They can be used in variable speed drives, remembering that this may cause control problems in an autonomous robot. They are durable, in most cases quiet, and handle some misalignment.The four variations are Flat belt O-ring belt V-belt Timing

57、beltThere are many companies that make belts, many of which have excellent web sites on the World Wide Web. Their web sites contain an enormous amount of information about belts of all types. V- Dodge-Flat BeltsFlat belts are an old design that has only limited use today. The belt was originally mad

58、e flat primarily because the only available durable belt material was leather. In the late 18th and early 19th centuries, it was used extensively in just about every facility that required moving rotating power from one place to another. There are examples running in museums and some period villages

59、, but for the most part flat belts are obsolete. Leather flat belts suffered from relatively short life and moderate efficiency.Having said all that, they are still available for low power devices with the belts now being made of more durable urethane rubber, sometimes reinforced with nylon, Kevlar,

60、 or polyester tension members. They require good alignment between the driver and driven pulleys and the pulleys themselves are not actually flat, but slightly convex. While they do work, there are better belt styles to use for most applications. They are found in some vacuum cleaners because they are resistant to dirt buildup.O-Ring BeltsO-ring belts are used in some applications mostly because they are extremely cheap. They too suffer from moderate efficiency, but their cost is so low that they are used in toys and low power devices like VCRs etc. They are a good choice