四自由度自動螺栓擰緊機器人結構設計摘要螺紋連接作為最為普遍一種連接形式，其質(zhì)量直接影響生產(chǎn)安全及工作性能。目前，我國傳統(tǒng)制造企業(yè)仍在螺栓擰緊作業(yè)中廣泛運用人工或電動擰緊工具，這種相對落后的生產(chǎn)方式導致了擰緊力差異大、工人勞動強度高、生產(chǎn)效率不充分以及在高要求下需額外復檢等問題。隨著信息和通信技術革命的高歌猛進，自動化程度不斷提高，機器人取代人工螺栓擰緊工作已是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，因其不僅能降低成本、方便員工監(jiān)管、保障員工安全，還可以確保穩(wěn)定的產(chǎn)量及高效率。為此，本文設計了一款四自由度自動螺栓擰緊機器人的結構設計，可以完成日常螺栓擰緊工作。首先，根據(jù)螺栓擰緊機器人的工作要求和特點，確定了預緊力及擰緊力矩、規(guī)劃了本體結構和傳動驅(qū)動方案。然后，通過計算選擇合適的電機和減速器、確定零部件的尺寸等。最后，基于Soli建立的三維模型，軟件對關鍵零部件進行靜力強度校核。本文設計的螺栓擰緊機器人結構簡單，安全可靠，適用于日常螺栓擰緊工作。：四自由度機器人；螺栓擰緊；機械結構設計目錄1緒論 緒論1.1研究背景及意義如今，日薄西山的傳統(tǒng)工業(yè)已無法承載時代機器愈來愈沉重的步伐，作為國之重器的制造業(yè)急需以創(chuàng)新驅(qū)動引領發(fā)展?？梢灾庇^的看見，機器人技術的飛速進步，標志著工業(yè)自動化水平的日益發(fā)展，而在其應用領域，機器人末端執(zhí)行設備也是隨之廣泛開展。在傳統(tǒng)制造業(yè)中，車間工廠內(nèi)的機器裝配都是工人或拿螺絲批手動擰緊，或使用半自動電鉆解決其中問題，這種工作方式已是逐步跟不上時代的步伐，帶來了工人生產(chǎn)強度大，工作效率低下，工藝穩(wěn)定性差等質(zhì)量問題，并且根本無法按時滿足客戶日益增長的供給需求。如今，我國人工成本大幅度增長的普遍現(xiàn)狀，引發(fā)了工業(yè)機器人代替人工——螺栓的自動化擰緊這一種未來先進的生產(chǎn)趨勢。唯有使用螺栓擰緊機器人，才能按部就班地解放了車間勞動力，只有通過自動化設備代替人工操作的生產(chǎn)，才可以使得制造成本大大降低，才能實現(xiàn)制造效率迅速提高，并且進一步實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量、數(shù)量與穩(wěn)定性地三重保障，加強自身在同類產(chǎn)品中的競爭力。另外，為了適用于一些環(huán)境較為惡劣的工況，工業(yè)機器人雖不如人工手工作業(yè)那樣的靈活，但在需要達到較高準確性、重復性和強度較大的任務目標時，這種作業(yè)方式就可以彌補傳統(tǒng)制造業(yè)之下通過人工擰緊螺栓的作業(yè)方式的不足。經(jīng)過對多種螺栓裝配的調(diào)查，在垂直或者平面螺紋連接的裝配作業(yè)方式下，針對需要單螺栓或者多螺栓的順序擰緊，本人計劃研制一款多自由度螺栓擰緊機器人，實現(xiàn)車間螺栓連接裝配的自動化。1.2螺紋連接裝配的研究現(xiàn)狀1.2.1螺紋連接擰緊工具研究現(xiàn)狀圖1.1所示，螺紋連接受螺釘材響著工程結構系統(tǒng)的安全性及工作性能。螺紋連接也作為機械制造裝備中應用最為廣泛的配工藝技術具有重要意義[1]。圖1.1螺紋連接示意圖在一次工業(yè)革命席卷歐美各國不久，世界上第一份螺紋國家標準從英國人手中誕生，由此可見，螺紋連接的發(fā)展離不開大規(guī)模的生產(chǎn)和應用。歐洲的德國和日本作為眾多發(fā)達國家中的領頭羊，于螺紋緊固件的研究和應用方面一騎絕塵，在全世界遙遙領先。1841年，惠氏螺紋在英國橫空出世，緊接著，美國于三年后不甘示弱地提出了新的螺紋標準，1894年，法國則后發(fā)制人地制定了公制螺紋標準。這種你追我趕地競爭現(xiàn)象，在螺紋標準過了雨后春筍冒頭的幾十年后，ISO突然發(fā)布，并立馬被定為國際通用螺紋連接標準，才逐漸消散。螺紋連接的研究經(jīng)歷了從結構設計和制造工藝到裝配工藝和技術、可裝配設備和裝配控制技術的轉(zhuǎn)變，并進一步深化。首先，裝配技術、工藝和裝配設備在國外汽車工藝研究機構實行了重點開發(fā)，開展各項試驗研究和分析，并定制了系統(tǒng)的螺紋接頭裝配標準。針對螺紋連接中螺栓伸長與擰緊預緊力的關系[2]，美國首先對以預緊力矩和預緊角為主要研究對象的控制方法進行了深入研究。今后，歐洲和日本也借鑒這一方法制定螺紋連接標準。當今，在連接件屈服裝配控制和延伸控制的應用方面，許多相關企業(yè)和研究院所取得了階段性的研究成果，并把其成功由理論轉(zhuǎn)化為實際應用。關于螺紋連接裝配方法的發(fā)展，手動裝配、半自動裝配和全自動控制裝配隨著歷史的發(fā)展逐步替代。其實，最早的螺紋連接裝配方法得益于操作員手動裝配扳手的經(jīng)驗，如圖1.2中的a所示；之后，開發(fā)出一種能夠方便觀察裝配扭矩的指針式扭矩扳手，如圖1.2中的b所示，更方便的數(shù)字扭矩扳手裝配方法逐漸成為裝配過程中的主要工具，如圖1.2中c所示。雖然螺紋連接裝配方法正逐步走向自動化，但在擰緊過程中，不僅螺紋摩擦副表面和支承面的影響，而且夾緊工具的制造誤差和操作者的讀數(shù)誤差也是影響擰緊效果的因素。（a）純手動扳手 （b）表盤式扭力扳手 （c）數(shù)顯式扭力扳手圖1.2擰緊工具示意圖隨著工程技術的不斷發(fā)展，相關研發(fā)人員利用螺紋連接裝配的過程原理，參考裝配技術的原理，設計出適合各種螺紋連接的生產(chǎn)和裝配工具。氣動裝配工具和液壓裝配工具如圖1.3中的a和b所示。（a）氣動裝配工具 （b）液壓式裝配工具圖1.3氣動裝配與液壓裝配工具當十幾年前工人們還習慣使用純手動扳手進行螺紋連接的裝配作業(yè)方式時，半自動化的螺紋連接裝配方式作為高效的裝配技術不知不覺便為新創(chuàng)業(yè)者提供了后來居上的機會，并很大程度上降低了工人們操作時的工作強度，為實現(xiàn)工程機械的大規(guī)模裝配生產(chǎn)提供了技術基礎。然而這種螺紋連接裝配作業(yè)方式在使用過程中會產(chǎn)生很大的沖擊，會產(chǎn)生一定的噪音污染。于此同時，所產(chǎn)生的裝配誤差使得難以完成較高的裝配精度?，F(xiàn)代化科技的進步和工業(yè)的發(fā)展，帶來的是對生產(chǎn)制造業(yè)中的螺紋連接裝配提出了不同于傳統(tǒng)裝配方式的新要求，不僅要能夠保證良好的裝配質(zhì)量，還有實現(xiàn)更好的裝配效率。所以對螺紋連接裝配系統(tǒng)結構及其裝配控制技術的深入研究，己逐漸成為進一步提高螺紋連接裝配效率和裝配質(zhì)量的重中之重。國外部分先進汽車裝配研發(fā)單位和有裝配設備生產(chǎn)需求的企業(yè)己有較為充分的研究，其針對的主要對象是汽車裝配生產(chǎn)，并研發(fā)了采用電能驅(qū)動的螺紋連接裝配控制設備，如圖1.4所示。（a）單軸電動裝配工具（b）多軸電動裝配工圖1.4電動擰緊裝置隨著現(xiàn)代科學技術的進步和工業(yè)發(fā)展，對制造業(yè)中的螺紋連接裝配提出了不同于傳統(tǒng)裝配作業(yè)方式的新要求，在保證良好的裝配質(zhì)量的同時，并且要達到良好的裝配效率。因此，深入研究螺紋連接裝配系統(tǒng)的結構和裝配控制技術，逐漸成為進一步提高螺紋連接裝配效率和裝配質(zhì)量的重要課題。對國外一些先進的汽車裝配研發(fā)單位針對的主要對象是汽車裝配生產(chǎn)進行了充分的研究目前，已經(jīng)被廣泛應用于工業(yè)裝配中的電驅(qū)螺紋連接裝配設備已經(jīng)成為螺紋連接裝配領域的先進技術，此標志著螺紋連接裝配在工業(yè)生產(chǎn)上高度自動化、集成化。1.2.2螺栓擰緊機器人的研究現(xiàn)狀上個世紀，國外已經(jīng)開始將工業(yè)機器人應用于機械加工領域，將機器人與機床相結合，實現(xiàn)了上下料的自動化，極大的縮短輔助時間，提高了生產(chǎn)效率。工業(yè)機器人在不同領域中的不同應用，導致完成的任務不盡相同。除此之外，工業(yè)機器人還應用于搬運、碼垛，等多個行業(yè)中，隨著人力成本的不斷增加，工人人身安全重視度的提高，機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應用不斷受到廣大企業(yè)的認可與支持。即使如此，我國的機器人大多依賴進口而非自造。這是由于螺栓擰緊機器人的發(fā)展還處于起步階段，一方面螺栓擰緊機器人的技術飛速提升，產(chǎn)品多樣化，形成了多頭、多軸、轉(zhuǎn)盤、手持式等多種自動螺栓擰緊機器人，另一方面我國的螺栓擰緊機器人自主研發(fā)技術相對不夠成熟，企業(yè)不敢自主創(chuàng)新自造，而是依靠從日本、德國等發(fā)達國家進口相關自動螺栓擰緊機器人。在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人的應用比例已經(jīng)達到了300臺/萬人以上，而我國的機器人應用比例僅為68臺/萬人，比世界平均值74臺/萬人較低[3]。不同的工業(yè)機器人由于自由度數(shù)的不同，其結構形式也不盡相同，在實施應用的過程中，需要結合生產(chǎn)的實際需要進行選擇和配置，通過機器人的應用能夠極大的提升生產(chǎn)效率，節(jié)約大量的人力成本，在未來的發(fā)展中，機器人的應用將會越來越的廣泛。各項專利發(fā)明在中國新經(jīng)濟發(fā)展“雙引擎”下雨后春筍般浮現(xiàn)。高立林等人的研究成果涉及一種全自動螺栓緊固機器人系統(tǒng)，其通過提高生產(chǎn)過程的自動化程度，降低工人的勞動強度，提高螺栓的擰緊質(zhì)量和效率[4]；張曉紅則基于機器人自動擰緊螺栓機構的主要特點，針對變速器內(nèi)部相關零件設計和加工上的失誤，改裝了機器人自動擰緊螺栓機構，它除了能夠提高螺栓的裝配效率和質(zhì)量外，還能夠起到防錯作用；付小東單獨發(fā)明并公開了一種位置可調(diào)節(jié)的自動擰螺栓機器人，可以進行左右前后移動，實現(xiàn)位置調(diào)節(jié)，保證其可以與裝配件上的螺栓位置對應準確，實現(xiàn)自動擰緊，這大大提高了裝配效率；楚禮幾人通過對稱布置兩臺機器人，可進行對角位置的螺栓擰緊，防止受力不均勻，這提高了擰緊質(zhì)量，同時提升了裝配效率[5]；石小仕等人針對生產(chǎn)線上工件螺栓擰緊效率低下，現(xiàn)有螺栓擰緊機器人獲取工件螺孔坐標困難等問題，提出并設計了一種基于STM32ARMCortex-M3內(nèi)核單片機的雙工位螺栓擰緊機器人。在視覺的運用上，劉呈銀等分析了雙目視覺機器人擰緊系統(tǒng)的應用情況[6]。在機器人配合視覺協(xié)同作業(yè)的穩(wěn)定性上，李銘對其系統(tǒng)進行分析并改善，以期促進機器視覺的高效利用[7]。由于螺栓擰緊機器人作業(yè)對夾具定位工件精度要求高且不能自行校正工件孔位偏差的問題，王德會等人通過改進遺產(chǎn)算法優(yōu)化了螺栓擰緊路徑，改進了機器人的視覺識別系統(tǒng)，可以進行自動糾正補償螺栓擰緊工件的偏差，提升了螺栓擰緊的準確性。準確計量和測試有限公司（D+P公司）使用史陶比爾SCARA機器人末端攜帶電動擰緊軸的作業(yè)方式，應用于黃銅接管螺紋連接裝配生產(chǎn)線，大幅度提高了螺紋連接裝配和生產(chǎn)效率[8]。由于螺栓擰緊在生產(chǎn)作業(yè)中難以分布規(guī)則，鞠佳奇運用PLC這款經(jīng)典的工具為其研制了一款柔性機器人螺栓擰緊系統(tǒng)。首先，從不同的工作狀態(tài)分析中，分別針對不同情況，對系統(tǒng)概覽規(guī)劃了總體方案；其后，在D-H法的基礎上計算出工業(yè)機器人運動學方程，并對其求解，由此，在空間上建立了機器人末端執(zhí)行器軌跡規(guī)劃和軌跡程序；緊隨其后，對控制系統(tǒng)展開整體設計。為了形成集成系統(tǒng)，通過集散控制的方式把PLC，機器人單元，識別設備和擰緊工具有機的結合起來；最后，在完成裝配系統(tǒng)之后，對工業(yè)機器人，PLC和系統(tǒng)性能進行了有實際意義的調(diào)試，完成了設備的過程能力和經(jīng)濟性分析。值得一提的是，在改良人工檢修風電機塔筒連接螺栓的這一現(xiàn)實突出問題上，崔家平等研究達人為其研制出的一款擰緊螺栓的機器人——自動進行螺栓擰緊的同時可以自主沿塔筒法蘭周向運動檢測。這是圍繞機器人的控制核心單片機模塊，在塔筒連接螺栓的實際裝配中實現(xiàn)的自動化檢修功能，此為檢修作業(yè)大大提高了自動化程度和檢修質(zhì)量。另外，他們還研究一種周向運動擰緊螺栓機器人，此機器人涵蓋了包括運動，夾緊和自適應三種功能的裝置，這為現(xiàn)有技術存在的問題提供了有效參考，并且其極高的檢修準確性，超越同等功能機器的效率，低廉的成本，不用攀登塔筒且安全風險小的優(yōu)勢顯露無疑。1.3關于此文的研究內(nèi)容針對垂直或平面螺紋連接裝配作業(yè)方式下單螺栓或多螺栓順序擰緊的要求，本文進行一款四自由度螺栓擰緊機器人的機械結構設計，為螺栓連接裝配螺栓的自動化擰緊提供有利支撐。(1)設計了四自由度螺栓擰緊機器人的總體方案。以機器人為核心，按照設定的程序?qū)崿F(xiàn)待擰緊螺栓的自動化擰緊。整個四自由度螺栓擰緊機器人系統(tǒng)由機器人本體機械部分、機器人控制系統(tǒng)、監(jiān)測裝置三個部分組成(2)借鑒并采用四自由度的RRPR串聯(lián)型水平關節(jié)機器人構型。第一自由度為轉(zhuǎn)動關節(jié)，驅(qū)動大臂旋轉(zhuǎn)；第二自由度為轉(zhuǎn)動關節(jié)，驅(qū)動小臂旋轉(zhuǎn)；第三自由度為移動關節(jié)，實現(xiàn)末端的直線運動；第四自由度為轉(zhuǎn)動關節(jié)，驅(qū)動末端關節(jié)旋轉(zhuǎn)。(3)基于SolidWorks軟件建立了機器人三維數(shù)字化模型，采用Simulation軟件對機器人關鍵零部件進行靜力學有限元分析，對機器人的各功能部件選型并進行了詳細的闡述，最終完成機器人的機械結構設計。2四自由度螺栓擰緊機器人方案設計2.1螺栓擰緊方案與策略螺栓擰緊過程包括了兩種運動，其一為行程較大的調(diào)整運動，將擰緊套筒運動至待擰緊的螺栓以上；另一種較為緩慢的螺栓擰緊運動，即擰緊裝置扣在螺栓頭上的一邊旋轉(zhuǎn)與移動的螺旋運動。本文旨在將滾珠螺桿花鍵軸組件應用于機器人中，通過控制滾珠螺母和花鍵螺母實現(xiàn)擰緊螺栓所需的旋轉(zhuǎn)和直線移動，由滾珠螺桿花鍵軸組件運動原理可知：當花鍵螺母固定，滾珠螺母旋轉(zhuǎn)時，可以實現(xiàn)機器人末端關節(jié)的直線運動；當花鍵螺母和滾珠螺母兩者一同旋轉(zhuǎn)時，可以完成機器人末端關節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動，所以本文機器人擰緊螺栓需要的兩個動作可以通過加入一個動力傳輸原件的條件下由一個動力源實現(xiàn)，這種結構方式使得機器人結構更加緊湊便于安裝使用，提高了效率、降低了成本。機器人螺栓擰緊方案圖如下圖2.1所示。圖2.1四自由度機器人螺栓擰緊方案圖但在螺栓的實際緊固過程中，預緊力很難直接控制的[9]。一般是通過其他手段間接來完成-一般主要采用以下幾種擰緊策略：1）扭矩法：在擰緊過程中只要扭矩達到預先規(guī)定的目標值時，直接停止旋轉(zhuǎn)運動，而預緊力的大小由扭矩值來控制。這種控制方法的優(yōu)點是操作方便，不足是擰緊質(zhì)量受到連接件表面的摩擦系數(shù)的影響較大，所以該種方法通常只用于螺栓預緊力精度要求不高的場合[10]。螺栓被扭動的過程中,螺栓的預緊力F、擰緊扭矩T和端面摩擦系數(shù)k之間有以下關系:F=TKd式中：K=12dK——d——P——d2——μs——μw——α'——d2——dwd?2）扭矩一轉(zhuǎn)角控制法：螺栓伸長量與旋轉(zhuǎn)角度存在著一定的比例關系，因此可以采用旋轉(zhuǎn)一定角度來控制預緊力[9]。當擰緊開展時，確定了一個貼緊扭矩，此數(shù)值一般采用最終擰緊扭矩的四分之一左右。在此區(qū)間里，連接件摩擦系數(shù)尚未對整個擰緊過程提供有效作用，再轉(zhuǎn)過一個角度之后，這種方法就是扭矩一轉(zhuǎn)角控制法。在彈性范圍里，預緊力只與螺栓伸長量有關，而螺栓伸長量又與轉(zhuǎn)角成正比，所以只要控制了旋轉(zhuǎn)的角度就可以控制最終的擰緊力矩。由轉(zhuǎn)角控制預緊力，通過胡克定律可得如下計算：P=?ll式中：P——E——彈性模量；A——螺栓平均截面積；由于在彈性范圍里彈簧的伸長量AL正比于螺栓的回轉(zhuǎn)角度，所以P為回轉(zhuǎn)角度的函數(shù)[10]。從而可以得到：P=K·C1k——變形系數(shù)；Cl——θ——螺栓螺母相對轉(zhuǎn)角；在扭矩一轉(zhuǎn)角控制法下獲得的擰緊過程曲線如圖2.2所示。圖2.2螺栓擰緊角度與預緊力的關系圖這種方法下，擰緊效果可觀穩(wěn)定，螺栓連接件的摩擦因數(shù)對螺栓擰緊影響小，而缺點是擰緊工具價格不低。3）屈服點控制方法：該方法是利用螺栓拉伸時的屈服特性，將螺栓擰至屈服點的高精度螺栓緊固方法，通過屈服點來控制扭矩。屈服點控制方法的優(yōu)點是最大限度的利用了螺栓本身的強度，控制更為精確，但是其缺點是需要依賴精確的扭矩測量計來計算螺栓本身的屈服點，而且在實際工況中很難去直接測量。所以一般很少使用這種控制方法。4）落座點、轉(zhuǎn)角控制法：它是以扭矩、轉(zhuǎn)角控制法為基礎被提出來的[11]。扭矩、轉(zhuǎn)角控制法是把某一初始扭矩作為轉(zhuǎn)角的起點，而落座點、轉(zhuǎn)角控制法是計算轉(zhuǎn)角的起點并采用扭矩曲線的線性段與轉(zhuǎn)角顯示的坐標交點作為轉(zhuǎn)角起點。5）螺栓伸長量控制法：此方法通過控制螺栓伸長量在螺栓拉伸特性彈性范圍內(nèi)直接實現(xiàn)目標預緊力的一種控制方法。6）其他擰緊技術有紅外線測長法、超聲波測長法、形狀記憶合金以及電子斑點干涉測量法等[12]。這些方法可以進一步提高螺栓擰緊的預緊力精度，然而由于其開發(fā)成本高且受到環(huán)境的限制，使其在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的推廣與應用受到了巨大限制。2.3機器人的構型選擇。圖2.3四自由度螺栓擰緊機器人構型方案圖2.3機器人結構總體方案設計2.3.1機器人技術參數(shù)整個方案設計圍繞機器人結構為核心，機器人地機械結構可以實現(xiàn)待擰緊螺栓的自動化擰緊。根據(jù)機器人作業(yè)需求，擬定RRPR串聯(lián)型水平關節(jié)機器人系列機殼，制定移動機器人的性能指標和技術參數(shù)如表2.1所示：

圖2.4RRPR串聯(lián)型水平關節(jié)機器人樣機圖表2.1四自由度螺栓擰緊機器人技術參數(shù)結構形式RRPR串聯(lián)型水平關節(jié)機器人最大擰緊力矩120N·m最大擰緊速度34rpm大臂關節(jié)運動范圍±150°小臂關節(jié)運動范圍±150°末端回轉(zhuǎn)關節(jié)運動范圍無限制末端移動關節(jié)運動范圍無限制大臂關節(jié)速度112°/s小臂關節(jié)速度180°/s末端回轉(zhuǎn)關節(jié)速度377°/s末端移動關節(jié)速度11mm/s2.3.2機器人驅(qū)動方案一般來說，機械系統(tǒng)驅(qū)動設備的選擇有下面幾點需要注意：1、盡量在滿足系統(tǒng)功率要求下選擇輕量設備；2、控制精度要高，具備較為優(yōu)良的反應速度；3、成本低，具備較好的開放性，維護便利。2.2況，最終確定螺栓擰緊機器人的各關節(jié)驅(qū)動均采用交流伺服伺服電機。表2.2工業(yè)機器人的驅(qū)動方式形式優(yōu)點使用環(huán)境電器驅(qū)動之步進電機低廉功率較小的關節(jié)機器人或小型機器人電器驅(qū)動之直流伺服電機調(diào)速特性好結構復雜成本較中等負載、對定位要求高的機器人電器驅(qū)動之交流伺服電機便，精度高運動方式復雜、運動軌跡嚴格的機器人液壓驅(qū)動生液體泄漏，需增設液壓源大負載、低速的機器人氣壓驅(qū)動結構簡單，動作靈敏，功率較小，速度不易控制，噪音大，剛度差精度要求較低的點位控制機器人2.3.3機器人傳動方案確定機器人的動力傳動在機器人設計環(huán)節(jié)上好比于生物的血液，對最終的工作精度與其穩(wěn)定性起著2.4所示，圖2.4機器人傳動方案示意圖各自由度的驅(qū)動傳動方案依次如下：第一自由度：轉(zhuǎn)動關節(jié)，由伺服電機傳動給諧波減速器，驅(qū)使大臂旋轉(zhuǎn)；第二自由度：轉(zhuǎn)動關節(jié)，由伺服電機傳動給諧波減速器，驅(qū)使小臂旋轉(zhuǎn)；使花鍵軸移動，實現(xiàn)機器人末端的上下直線運動。第四自由度：轉(zhuǎn)動關節(jié)，由伺服電機傳動諧波減速器，驅(qū)使同步帶輪并通過同步帶傳動，驅(qū)動末端旋轉(zhuǎn)關節(jié)旋轉(zhuǎn)；3機器人結構設計機器人的基本結構是機器人的重要組成基礎。機器人本體為組成部分為支架、大臂、小臂、大小臂關節(jié)和末端擰緊裝置等。在盡量提高系統(tǒng)的應用性能和產(chǎn)品經(jīng)濟性上，機器人的零部件設計優(yōu)先考慮使用一些模塊化、標準化的模塊件，于是，本節(jié)基于模塊化的思想，對機器人機械結構進行設計與計算。3.1扭矩擰緊控制法實驗在設計機器人地流程中，根據(jù)一般經(jīng)驗從末端執(zhí)行器開始設計。首先需要針對目標螺栓所需最大擰緊力矩進行測量：以下分別進行五組實驗，并使用型號為WSC3-085CN，精度為0.01N·m數(shù)顯式扭力扳手，如圖3.1所示，對已擰緊螺栓進行扭矩檢測，得到檢測結果如下表圖3.1數(shù)顯式扭力扳手圖表3.1扭力扳手檢測結果組號12345測量值（N.m）30.5730.8630.2830.4530.743.130.58N.m3.2機器人關節(jié)設計3.2.1機器人末端擰緊結構設計機器人末端擰緊結構如圖3.2示:1為滾珠螺桿花鍵軸；2為圓法蘭型花鍵外筒；3為末端執(zhí)行器轉(zhuǎn)接件；4為扭矩傳感器；5為擰緊套筒；6是彈簧。主要用來實現(xiàn)螺栓認帽以及螺栓的擰緊過程，并且采集出螺栓擰緊過程中實時的扭矩值。3.2機器人末端擰緊結構圖3.2.2機器人末端旋轉(zhuǎn)加移動關節(jié)設計機器人末端回轉(zhuǎn)加移動關節(jié)主要部件如圖3.2所示，2為3為4為5為6為7為8為滾珠花鍵螺母；9為同步帶；10為滾珠螺母；11為螺桿花鍵軸。此中工作原理是：當電磁離合器吸合，電磁制動器制動，即花鍵螺母固定，滾珠螺母旋轉(zhuǎn)時，可以實現(xiàn)機器人末端關節(jié)的直線運動；當電磁離合器吸合，電磁制動器斷開，即花鍵螺母固定，滾珠螺母旋轉(zhuǎn)時，可以實現(xiàn)機器人末端關節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動。通過以上兩種運動可以實現(xiàn)機器人靠近螺栓的直線移動以及擰緊螺栓所需的旋轉(zhuǎn)運動，機器人末端回轉(zhuǎn)加移動關節(jié)結構如下圖3.3所示。圖3.3機器人末端移動旋轉(zhuǎn)關節(jié)原理圖3.2.2機器人小臂及大臂回轉(zhuǎn)關節(jié)設計（1）機器人小臂回轉(zhuǎn)關節(jié)設計1為小臂關節(jié)伺服電機；2為電機輸出端轉(zhuǎn)接件；3為機器人小臂；4為諧波減速機；5為機器人大臂。圖3.4機器人小臂關節(jié)裝配結構圖（2）機器人大臂回轉(zhuǎn)關節(jié)設計大臂關節(jié)主要組成如下圖3.5所示：1.機器人大臂2.機器人底座3.大臂關節(jié)伺服電機4.諧波減速機5.電機輸出端轉(zhuǎn)接件。其主要采納諧波減速器鋼輪固定，柔輪輸出的結構方式[13]。即鋼輪和機器人底座固定，柔輪和大臂固定。圖3.5機器人大臂關節(jié)裝配結構圖3.3機器人主要零部件選型與校核3.3.1伺服電機及減速器選型計算目前常用電機品牌有安川，松下，三菱等，而安川電機運行穩(wěn)定，價格適中，使用較為廣泛，其外形如圖3.6所示，本文機器人伺服電機均使用安川SGM7J系列伺服電機。3.6MHMF系列伺服電機減速器常見的有RV減速器，諧波減速器等，而諧波減速器結構緊湊，型號齊全，可通過實際情形靈活選用相應減速比及扭矩，在機器人及機械制造領域有著廣泛的應用，其結構由鋼輪，柔輪，波發(fā)生器三部分構成，如下圖3.7所示，本文機器人均選用綠地LHS系列中空型諧波減速機。

圖3.7LHS系列中空型諧波減速機圖（1）末端關節(jié)電機、減速器選型根據(jù)機器人性能及工作要求初步選擇電機、減速器型號參數(shù)如表3.2，3.3所示：表3.2松下伺服MHMF022L1B1電機型號對應參數(shù)額定功率額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)速額定電流轉(zhuǎn)動慣量200W0.64N·m3000rpm1A0.31×10-4kg.m2表3.3諧波減速器LHS-25-50-C-Ⅲ型號參數(shù)表輸入2000rpm時額定矩啟停最大轉(zhuǎn)矩容許最高輸入轉(zhuǎn)速37N·m93N·m5500rpm為了保證電機減速器符合設計要求，對所選型號電機減速器進行校核計算：電機加速所需扭矩為：T加=Jω=J·2πn60t式中，J=（3-2）式中，i為同步帶減速比，由SolidWorks質(zhì)量屬性計算得出JJ代入式(3-2)得：J=0.0195+0.0168×由所選諧波減速器型號可知：所選減速器容許最大輸入速度5500rpm，對應減速比n為5500∕50rpmt代入式（3-1）T加≈2.87N·m<93N·m（諧波啟動容許最大扭矩）。折算到電機加速扭矩為：對于電機側而言，由上可得：JJ由此可得慣量比J負/J電≈0.3<10（2）小臂關節(jié)電機、減速器選型如表3.4，3.5所示。表3.4松下伺服MHMF022L1B1電機型號對應參數(shù)額定功率額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)速額定電流轉(zhuǎn)動慣量200W0.64N·m3000rpm1A0.31×表3.5諧波減速器型號LHS-25-100-C-Ⅲ參數(shù)表輸入2000rpm時額定轉(zhuǎn)矩啟停最大轉(zhuǎn)矩容許最高輸入轉(zhuǎn)速64N149N5500rpm為了保證電機減速器符合設計要求，對所選型號電機減速器進行校核計算，由SolidWorks質(zhì)量屬性計算得出：J=1.54Kg·101（100基礎上最大轉(zhuǎn)速n=5500/101rpm，加速時間t0.1s。將參數(shù)代入式（3-1）中得出：T加≈87.82N·m<149N·m（諧波啟動容許最大扭矩），折算到電機加速扭矩為：對于電機側而言，由上可得：JJJ負/J電≈4.5<10（一般（3）大臂關節(jié)電機、減速器選型如表3.6，3.7所示。表3.6松下伺服MHMF022L1B1電機型號對應參數(shù)額定功率額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)速額定電流轉(zhuǎn)動慣量400W1.27N·m3000rpm2A0.56×表3.7諧波減速器型號LHS-32-160-C-Ⅲ參數(shù)表輸入2000rpm時額定轉(zhuǎn)矩啟停最大轉(zhuǎn)矩容許最高輸入轉(zhuǎn)速130N·m353N·m4500rpm為了保證電機減速器符合設計要求，對所選型號電機減速器進行校核計算，由SolidWorks質(zhì)量屬性計算得出：J=10.035Kg·所選諧波減速器型號可知：所選減速器容許最大輸入速度4500rpm，對應減速比為160，所以諧波輸出端關節(jié)最大轉(zhuǎn)速n=4500/160rpm，加速時間t取0.1s。將參數(shù)代入式（3-1）中得出：T加≈295.6N·m<353N·m（諧波啟動容許最大扭矩），折算到電機加速扭矩為：JJJ負/J電≈7<10通過上述選型校核計算，所選機器人各關節(jié)電機、減速器均滿足設計要求。3.1.2滾珠螺桿花鍵軸組件選型滾珠螺桿花鍵軸組件是一種精密且傳動方式靈活多變的裝置，在機械鄰域廣泛應用，其結構由滾珠絲杠，絲母，專用軸承等組成，其特點為軸上不僅有滾珠絲杠溝槽，同時也3.83種（旋轉(zhuǎn)、直線和螺旋）形式的運動。圖3.8滾珠螺桿花鍵軸組件本文使用臺灣TBI滾珠螺桿花鍵軸組件，由滾珠螺桿花鍵軸本體、滾珠螺母、花鍵螺母和圓法蘭型花鍵外筒組成，根據(jù)機器人性能及工作要求選擇型號參數(shù)如3.8表3.8滾珠螺桿花鍵軸組件相關參數(shù)螺桿花鍵軸型號軸徑導程最大扭矩有效長度RBBYR0202020mm20mm121N·m800mm3.1.3同步帶選型計算Pd=KA·P式中：KAP——傳遞功率KA取1.4，P為200W，帶入上式（3-3）得出設計功率為280W，又小帶輪轉(zhuǎn)速一般不超過60rpm，根據(jù)設計功率和小帶輪轉(zhuǎn)速選擇帶型為8M的圓弧齒同步帶。為了保證機器人結構盡量緊湊且不干涉，在結合機器人實際結構需求的前提下，小帶輪齒數(shù)盡量選擇最小，最終小帶輪齒數(shù)Z1選擇38，大于圓弧齒同步帶輪最小要求齒數(shù)22，大帶輪齒數(shù)Z2選擇67。如圖3.9圖3.9機器人末端關節(jié)同步帶傳動示意圖（2）8M的圓弧齒同步帶帶型長度可取8mm的整數(shù)倍，為了使機械結構更為緊湊，初定中心距a0為145mm。初定帶長L0P為：L0p=2d1=8·d2=8·Z2π式中：a0——d1——d2——（3-4）得初定帶長為719.4mm，所以選擇標準帶長為720mm的標準圓弧齒同步帶。（3）實際中心距a為：a=[M+M2式中：M=4L（3-7）145.3mm螺母側帶傳動需和花鍵螺母側帶傳動傳動比一致，且必須保證兩對帶傳動中心距相同。所用鋁合金。4.1.4彈簧設計計算在機器人擰緊螺栓的認帽過程之前，需要通過機器人移動關節(jié)向下移動的的過程中壓3.9所示。表3.9壓縮彈簧材料相關參數(shù)彈簧牌號彈簧性質(zhì)剪切彈性模量G彈簧許用切應力65MnⅠ類79GPa340MPa根據(jù)機器人螺栓擰緊過程中的實際需求，彈簧最大工作載荷取20N，工作行程取20mm，則彈簧理論剛度為：P'=pn式中：PnP1?——彈簧工作行程。將已知參數(shù)帶入式（3-9）1N/mmd：d≥1.6PnKCτp式中，τpK=4C?14C?4+0.615C根據(jù)機械設計手冊[15]，C取8，K取1.184，帶入上式得d≥1.2mm，取彈簧線徑d為1.5mm。根據(jù)機器人末端實際結構，并參照機械設計手冊，取彈簧中徑D為20mm。P'=Gd4n=7代入上式（3-12）0.9N/mm。根據(jù)實際結構選擇彈簧節(jié)距t為10mm，彈簧自由高度Ho：H0=nt+1.5d（Ho3.10所示。表3.10彈簧結構設計參數(shù)彈簧剛度彈簧線徑彈簧中徑彈簧節(jié)距彈簧自由高度彈簧有效圈數(shù)0.9（N/mm）1.5mm20mm10mm72.25mm7mm4.1.5電磁離合器電磁制動器選型使用電磁離合器可以傳遞或斷開電機輸出動力，來實現(xiàn)機器人末端關節(jié)回轉(zhuǎn)和移動的3.10所示，根據(jù)所選電機和減速器型號，選擇電磁離合器型號如表3.11所示。圖3.10干式單片電磁離合器圖表3.11電磁離合器型號VSC1-40參數(shù)表動摩擦扭矩功率電壓電流最高轉(zhuǎn)速40N·m25W4VDC1.09A1450rpm電磁制動器跟電磁離合器配合可以實現(xiàn)機器人末端關節(jié)回轉(zhuǎn)和移動的運動切換，本文3.11所示。主要根據(jù)移動關節(jié)上下移動時所需要的最大力矩來進行選型，此力矩需小于電磁離合器制動扭，選擇型號如表3.12所示。圖3.11干式單片電磁制動器圖表3.12電磁制動器型號FMPR-125G參數(shù)表制動扭矩線圈功率最高允許轉(zhuǎn)速20N·m31W3000rpm4機器人結構校核4.1機器人三維模型SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三位機械設計軟件，憑借其優(yōu)秀的技術創(chuàng)新各卓越的性能價格比獲得大眾喜愛。本文裝配體是由若干零部件構成的，通過創(chuàng)建組成該機器的零部件，在裝配體模塊下，添加配合，約束這些零部件的空間自由度，從而組合成一個整體。如下圖4.1所示：圖4.1螺栓擰緊機器人三維圖4.2機器人關節(jié)有限元分析為了保證四自由度螺栓擰緊機器人結構強度以及穩(wěn)定性，將所設計機器人各部件進行4.2所示。圖4.2有限元分析流程圖的反作用力大多由小臂支架承受，所以根據(jù)上述有限元分析流程對機器人大臂、小臂以及小臂支架進行靜力學有限元分析，其對應的模型圖、應力圖與位移圖如下圖4.3-圖4.7所示：(1)大臂的分析如下：圖4.3機器人大臂模型圖圖4.4機器人大臂應力圖圖4.4機器人大臂位移圖(2)小臂及其支架的分析如下：圖4.5機器人小臂加支架的模型圖

圖4.6機器人小臂加支架的應力圖圖4.7機器人小臂加支架的位移圖臂、小臂加支架的最大應力、最大位移分別為13.618MPa，12.89MPa以及0.085mm，0.064mm，各結構最大應力遠小于對應材料許用應力（HT250270MPa），且最大變形對于螺栓擰緊機器人而言滿足設計要求。

5總結與展望5.1總結針對需要單螺栓或者多螺栓順序擰緊的垂直或者平面螺紋連接裝配作業(yè)方式，為螺栓連接裝配螺栓的自動化擰緊提供有利支撐。(1)設計了四自由度螺栓擰緊機器人的總體方案。以機器人為核心，按照設定的程序?qū)崿F(xiàn)待擰緊螺栓的自動化擰緊。整個四自由度螺栓擰緊機器人系統(tǒng)由機器人本體機械部分、機器人控制系統(tǒng)、監(jiān)測裝置三個部分組成(2)借鑒并采用四自由度的RRPR串聯(lián)型水平關節(jié)機器人構型。第一自由度為轉(zhuǎn)動關節(jié)，驅(qū)動大臂旋轉(zhuǎn)；第二自由度為轉(zhuǎn)動關節(jié)，驅(qū)動小臂旋轉(zhuǎn)；第三自由度為移動關節(jié)，實現(xiàn)末端的直線運動；第四自由度為轉(zhuǎn)動關節(jié)，驅(qū)動末端關節(jié)旋轉(zhuǎn)。(3)基于SolidWorks軟件建立了機器人三維數(shù)字化模型