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2.4.2M10型工业机器人运动分析

由上述运动学简图可知，转动机构（运动B）包括电动机M2，它通过齿形带驱动单头蜗杆z3转动，与涡轮（z4=62）啮合传动。涡轮装在输出轴上。它与操作机手臂机构刚性连接。此轴的另一端固定着挡块的盘，挡铁作用在回转运动B控制简图中的行程开关上。

X或者Z向的移动是借助于装在手臂部件中的电动机M1，通过传动比为2/3的（z1=16，=24）的传动齿形带、锥齿轮副（z11=15，z12=30）和导程t=60mm的多头滚珠丝杆传动来实现的。在其上装有转动组件的支架和传动螺母一起沿滚珠导轨移动。为防止在断电时支架随意下降，锥齿轮z11的轴与电磁制动器相连。位移控制由装在支架上的挡块作用于转换开关上来实现。

在垂直（运动A）或水平（运动C）平面中操作机手臂转动机构由电动机M3驱动，它通过传动比为2/3（z5=16，z6=24）的传动齿形带转动蜗杆z7的轴涡轮（z8=62）与其啮合。后者固装在转动机构体中的轴上。由于蜗杆沿固定的涡轮滚动而产生相对于此轮轴的手臂的机体运动A或C。

2.4.3结合运动学简图和总体结构图的综合分析

总体结构部件1和部件3之间的运动形式是:在机座1内有一直流电动机，通过齿形带传动将运动传至蜗杆，蜗杆与涡轮啮合，产生运动B；在主视图的右侧有一电动机，同样通过齿形带将转动传至锥齿轮，通过锥齿轮的啮合将运动传至丝杆通过丝杆的转动带动手臂直线移动，产生了运动X或者Z；同样通过电动机运动，在通过涡轮蜗杆啮合，产生运动A或者C；手腕转动部分是通过气动马达的转动，通过输出轴的键连接与套筒连接，套筒与法兰连接，将转动传达至可换夹持器。

2.5工业机器人的材料选择

结构件材料选择是工业机器人材料系统设计中的重要问题之一，正确选择结构材料不仅可以降低工业机器人的结构成本，更重要的是可适应工业机器人的高速化、高载荷化及高精度化满足其静力及动力特性要求。 2.5.1材料选择的基本要求

与一般机械相比，机器人结构的动力特性是十分重要的这是选择材料的出发点。材料选择的基本要求如下：

（1）强度高，机器人的手臂是直接受力的构建，高强度材料不仅能满足机器人手臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。

（2）弹性模量大，从材料力学的公式可知，构建刚度（或变形量）与材料的弹性E、

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G有关，弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料的弹性模量的差异比较大，而同一种材料的确没有多大差别。

（3）重量轻，在机器人手臂构建中产生的变形很大程度上是由于惯性力引起的，与构建质量有关。也就是说，为了提高构建刚度选用弹性模量E大二密度ρ也大的材料是不合理的，因此提出了选用高弹性模量、低密度的材料要求，可用E/p来衡量下表列出了几种材料的E、ρ和E/p值。可供参考。

表2.2 典型材料E、ρ和E/p值

材料 钢、合金钢 铝、铝合金 铍铝合金（62?） 锂铝合金（3.0%Li） 硼纤维增强铝材

E/?105MPa

2.10 0.72 1.9 0.82 2.9

?/103(Kg/m3)

7.8 2.8 2.1 2.715 2.53

(E/?)/?107(m2/s2)

2.7 2.6 9.1 3.02 11.4

（4）阻尼大，工业机器人在选材时不仅要求刚度大、重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人的手臂经过运动后，要求能平稳的停下来。可是由于构建终止运动的瞬时，构建会产生惯性力和惯性力矩，构建自身有具有弹性因而会产生“残余振动”。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，希望能采用较大阻尼材料或采取增加构建阻尼的措施来吸收能量。

（5）材料价格低。材料价格是工业机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，用来作为机器人手臂的材料是很理想的，但价格昂贵。 2.5.2结构材料介绍

（1）碳素合金钢、合金结构钢：强度好特别是合金结构钢增加了4到5倍，弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。

（2）铝、铝合金机及其它轻合金材料：这类材料的共同特点是重量轻弹性模量E并不大，但是材料密度小，故E/p值仍然可和钢材相比。有些稀有贵重的铝金属品质得到了更加明显的改善和提高，例如增加了3.2%重量的锂的铝合金，弹性模量增加14%，E/p值增加了16%。

（3）纤维增强合金：如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金其E/p值分别达到11.4x107和8.9x107。这种纤维增强金属材料具有非常高的E/p值，而且没有无机符合材料的缺点，但价格昂贵。

（4）陶瓷：陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大不易加工成具有长孔的连杆，与金属零件连接的结合部分需要特殊设计。然而，日本已经测试了在小型工业机器人上

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使用的陶瓷人手臂的样品。

（5）纤维增强复合材料：这类材料具有良好的E/p值，但存在老化、蠕变、高温膨胀、与金属件连接困难等问题。这种材料不但重量轻、刚度大，而且还具有十分突出的阻尼大优点，传统金属材料不可能有这么大的阻尼。所以，在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。层叠符合材料的制造工艺还允许用户进行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角、最佳横断面尺寸等，使其具有最大阻尼比。

（6）粘弹性大阻尼材料：增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人结构采用的一种方法是用粘弹性大的阻尼材料来对原构建进行约束阻尼处理。实验表明：机械臂的重复定位精度在处理前为±0.30mm，处理后为±0.16mm；参与振动时间在阻尼处理前后分别为0.9s和0.5s。

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第3章 工业机器人手腕转动机构设计

3.1 工业机器人手腕介绍

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