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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
1 引言
在加速科技進(jìn)步中，機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵的作用，其任務(wù)是在工業(yè)生產(chǎn)中迅速將工藝裝備的獨(dú)立單元變?yōu)樽詣踊C合體（自動化工段，生產(chǎn)線和自動化車間），將來甚至實(shí)現(xiàn)自動化工廠。這種自動化生產(chǎn)最重要的特點(diǎn)是具有柔性，它能預(yù)料到，在節(jié)省勞力（或無人）情況下，根據(jù)工藝條件調(diào)整裝配，以適應(yīng)多種產(chǎn)品生產(chǎn)。
當(dāng)代柔性自動化生產(chǎn)的建立和廣泛應(yīng)用，取決于作為科技進(jìn)步的催化劑的機(jī)床制造、機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、儀器制造等技術(shù)的加速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人是多品種的經(jīng)常更換產(chǎn)品的生產(chǎn)過程自動化的通用手段。在機(jī)械制造中，工業(yè)機(jī)器人既有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)組成工藝裝備的基本工序中，也有效地用于輔助操作中。工業(yè)機(jī)器人與傳統(tǒng)自動化手段不同之處，首先在于它在各種生產(chǎn)功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性。在柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中，工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、鍛壓機(jī)床、鑄造機(jī)械和倉儲設(shè)備上，以完成傳送裝備和其它操作。工業(yè)機(jī)器人和基本工藝裝備、輔助手段以及控制裝置一起形成各種不同形式的機(jī)器人技術(shù)綜合體—柔性生產(chǎn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)模塊。
隨著工業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的驚人發(fā)展，標(biāo)志著多品種中、小批量生產(chǎn)最新水平的FMS（柔性制造系統(tǒng)），F(xiàn)A（工廠自動化）技術(shù)更加引人注目；作為FMS、FA技術(shù)重要組成之一的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也將得到迅速發(fā)展。應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動環(huán)境條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率手段之一。
本次設(shè)計(jì)是根據(jù)對工業(yè)六自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免運(yùn)動的干涉。在本次設(shè)計(jì)中主要負(fù)責(zé)第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
在設(shè)計(jì)中許瑛老師給予了很大的指導(dǎo)和幫助，在此謹(jǐn)致謝意。
限于水平，本設(shè)計(jì)難免有缺點(diǎn)、錯(cuò)誤，懇請各位老師批評指正。
1.1選題的依據(jù)及意義：
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。
“工業(yè)機(jī)器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。
機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。
而少自由度工業(yè)機(jī)械人中大多數(shù)為機(jī)械手，而機(jī)械手機(jī)器人主要由手部和運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。
機(jī)械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。
1.2 國內(nèi)外研究概況
機(jī)器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國科技界跟蹤國際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個(gè)國家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。
目前，工業(yè)機(jī)器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給工業(yè)機(jī)器人下的定義：工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。
據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)盟（IFR）2006年5月發(fā)布的“2006世界機(jī)器人調(diào)查”顯示，2005年世界新安裝工業(yè)機(jī)器人121000臺，比2004年的97000臺增長25%。這是繼2003年工業(yè)機(jī)器人安裝數(shù)量重回增長態(tài)勢后的重大突破，2005年也成為近15年來世界工業(yè)機(jī)器人新安裝臺數(shù)最多的年份，比上一個(gè)峰值――2000年的99000臺增長22000臺。
資料來源：World Robotics 2006
圖1-1： 1991-2005年各年世界新安裝工業(yè)機(jī)器人臺數(shù)
據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)局預(yù)測，截至2005年底，全世界在運(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人共有914000臺，比2004年增加8%。其中，有50%來源于亞洲地區(qū)；歐洲和美洲分別占1/3和16%；而澳大利亞和非洲地區(qū)大概占1%的比例。
資料來源：World Robotics 2006
圖1-2： 1991-2005年各年全世界運(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人總數(shù)
就2005年幾大應(yīng)用領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人類型來看，機(jī)械手的產(chǎn)量遙遙領(lǐng)先于其他類型的工業(yè)機(jī)器人，約達(dá)到43500臺。其中，亞洲地區(qū)機(jī)械手的產(chǎn)量比2004年增加了27%；美洲地區(qū)機(jī)械手的產(chǎn)量幅度更是高達(dá)53%；雖然歐洲地區(qū)2005年機(jī)械手的產(chǎn)量比上年略有下降，但其產(chǎn)量仍接近14000臺。接下來依次是：點(diǎn)焊接機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人和分配機(jī)器人，其產(chǎn)量分別約為20500臺、17500臺、13000臺和4500臺。表1反映了2005年亞、歐、美三大地區(qū)各類型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)量增幅情況。
類 型
機(jī)械手
點(diǎn)焊接機(jī)器人
弧焊機(jī)器人
裝配機(jī)器人
分配機(jī)器人
地 增
區(qū) 幅
亞洲地區(qū)
27%
64%
82%
101%
23%
美洲地區(qū)
53%
22%
33%
36%
121%
歐洲地區(qū)
-6%
-27%
6%
1%
-23%
表1-1： 2005年亞、歐、美三大地區(qū)各類型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量增幅表
資料來源：World Robotics 2006
1.3 論文的主要內(nèi)容：
在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動化機(jī)床控制，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)器人等。在本次設(shè)計(jì)是根據(jù)對工業(yè)六自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免運(yùn)動的干涉。在本次設(shè)計(jì)中的要求,主要負(fù)責(zé)第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這次設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要部位為第一軸與底座，設(shè)計(jì)一個(gè)第一軸轉(zhuǎn)動角速度為90°/s,轉(zhuǎn)角范圍為0~270°。底座能夠?qū)崿F(xiàn)第一臂轉(zhuǎn)角 （0~270°）轉(zhuǎn)角范圍控制的 3-DOF工業(yè)機(jī)器人。
第一步，查閱資料，工業(yè)機(jī)器人原理，了解工業(yè)機(jī)器人在國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r和生存問題。了解3-DOF工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)以及在日常生產(chǎn)生活中的用途。根據(jù)其運(yùn)用的場合不同，適當(dāng)選擇合適的方案，以達(dá)到實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、可靠的目的。
第二步，在對所選課題有個(gè)初步的了解之后，在確定3-DOF工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容。
第三步，機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)的方案的設(shè)計(jì)、比較與確定，依據(jù)對選擇的傳動方案，查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)，從而完成，第一、第二、第三軸的傳動選擇。設(shè)計(jì)好了之后，確定出總體的結(jié)構(gòu)及整體方案。
第四步，選擇電動機(jī)，通過計(jì)算出第一軸上的轉(zhuǎn)動慣量，選擇合適的電動機(jī)，從而進(jìn)行第一軸的傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算。根據(jù)齒輪軸徑值，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，選擇底座的軸承。
第五步，根據(jù)方案，畫出裝配圖，裝配圖畫好后，從裝配圖中設(shè)計(jì)選擇第一軸零部件以及完成對零部件圖的初步繪制。
2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析
2.1總體結(jié)構(gòu)的概述
目前，世界上已有許多工業(yè)機(jī)器人，其中大部分屬于“示教再現(xiàn)”型。如果將這類機(jī)器人稱作第一代，那么，具有一定程度的視覺、觸覺、或某種分析、判斷能力的工業(yè)機(jī)器人就屬于第二代了。不少國家正在積極研制具有觀覺、觸覺等功能的工業(yè)機(jī)器人，并取得了不少成果，但是，真正將這些成果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的還為數(shù)不多。在實(shí)際生產(chǎn)（如噴漆、焊接、裝配等）中被廣泛應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人，示教再現(xiàn)型還是較多。
一般的機(jī)器人，它由機(jī)器人的機(jī)構(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構(gòu)成。機(jī)構(gòu)部分有機(jī)械手和移動機(jī)構(gòu)兩部分組成；傳感器有測量機(jī)器人自身位置姿態(tài)和速度、加速度的內(nèi)傳感器和了解外部環(huán)境及作業(yè)對象工作情況的外傳感器；控制器是直接控制機(jī)器人運(yùn)動的裝置，只要不是自主型移動機(jī)器人，它通常放在與機(jī)器人不同的地方，通過導(dǎo)線連接。在工業(yè)機(jī)器人的控制裝置中，有電動機(jī)驅(qū)動電路、PTP運(yùn)動目標(biāo)點(diǎn)和CP運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)的記憶裝置和定位控制電路等。信息處理裝置通過信息傳輸裝置與機(jī)器人本體相連，多用于智能機(jī)器人。
機(jī)器人具有六自由度，即大臂的回轉(zhuǎn)、臂的左右擺動、臂的上下擺動、手腕的回轉(zhuǎn)、手腕的伸縮和手爪的抓取。當(dāng)然，圖中沒有表示出控制系統(tǒng)及手爪抓取的那一部分。該六自由度機(jī)器人運(yùn)動的情況說明如下：首先，由電動機(jī)M1經(jīng)過傳動系統(tǒng)帶動大臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，且與大臂相連的所有其它手臂、手腕及機(jī)械構(gòu)件也隨大臂一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動；而后另一手臂由電動機(jī)M2驅(qū)動作左右擺動；還有，第三臂由電動機(jī)M3驅(qū)動作上下擺動；最后，手腕的回轉(zhuǎn)、伸縮及手爪的抓取由其它三個(gè)電動機(jī)驅(qū)動。
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2.2第一軸（大臂）的結(jié)構(gòu)
大臂的結(jié)構(gòu)圖（圖2-1）及其傳動原理簡圖（圖2-1）：
圖2-1
圖2-2
第一臂，也即大臂，該手臂實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，整個(gè)系統(tǒng)由伺服電動機(jī)驅(qū)動。為了實(shí)現(xiàn)傳動的設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，整個(gè)減速系統(tǒng)采用了三級斜齒輪傳動，且所有的斜齒輪都裝在一個(gè)箱體（減速箱）里面。然而，與一般情況不同的是，第三級斜齒輪直接固定在機(jī)座上，從而使其它的（上級的斜齒輪）傳動機(jī)構(gòu)繞著它轉(zhuǎn)動，且電動機(jī)又固定在大臂上，所以導(dǎo)致大臂帶著電動機(jī)、減速箱一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。
2.3 第二軸的結(jié)構(gòu)
第二軸的結(jié)構(gòu)圖（圖2-2）：
圖2-2
第二軸，該手臂實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的左右擺動，整個(gè)系統(tǒng)由伺服電動機(jī)驅(qū)動。為了實(shí)現(xiàn)傳動的設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，整個(gè)減速系統(tǒng)采用了一級齒輪傳動。由電動機(jī)上的一個(gè)齒輪和軸承右側(cè)的一個(gè)齒輪嚙合，軸承通過定位銷與第二大臂固定，電動機(jī)帶動齒輪，把動力傳給與第二臂固定的軸承，使得第二臂實(shí)現(xiàn)水平線上的前后擺動。
2.4第三軸的結(jié)構(gòu)
第三軸的結(jié)構(gòu)圖（圖2-3）：
圖2-3
第三軸，該手臂實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的上下擺動，整個(gè)系統(tǒng)由伺服電動機(jī)驅(qū)動。為了實(shí)現(xiàn)傳動的設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，整個(gè)系統(tǒng)采用了一級齒輪內(nèi)嚙合傳動。由電動機(jī)上的一個(gè)齒輪和第三臂上的一個(gè)大齒輪內(nèi)嚙合，電動機(jī)帶動小齒輪，小齒輪帶動第三臂上的大齒輪使得第三臂整個(gè)做上下擺動。從而實(shí)現(xiàn)第三臂實(shí)際操作。
2.5 傳動方案的確定
根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)分析可知，工業(yè)機(jī)器人的三軸的傳動結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。第一軸采用的是齒輪傳動，第二軸、第三軸則采用的是擺線針輪行星齒輪傳動。當(dāng)然，參照以上的傳動結(jié)構(gòu)分析，現(xiàn)擬定如下三種傳動方案：
方案一：第一軸：齒輪傳動（直齒或斜齒）
第二軸、第三軸：齒輪傳動（直齒或斜齒）
方案二：第一軸：蝸桿蝸輪傳動
第二軸、第三軸：蝸桿蝸輪傳動
方案三：第一軸：蝸桿蝸輪傳動
第二軸、第三軸：齒輪傳動（直齒或斜齒）
方案比較論證
首先，已知各種傳動的傳動比u:直齒圓柱齒輪傳動，u≤4；斜齒輪傳動，u≤6；蝸桿蝸輪傳動，5≤u≤70，常用15≤u≤50；擺線針輪行星齒輪傳動， 11≤u≤87（單級）。然后估算各軸的傳動比，初選轉(zhuǎn)速為1500r/min的原動機(jī)，則u1=1500/15=100,
u2=1500/20=75。
三軸傳動的確定：蝸桿蝸輪傳動的特點(diǎn)：1）傳動平穩(wěn)，振動沖擊和噪聲均很??；2）傳動比也較大，結(jié)構(gòu)比較緊湊。而在這里采用此傳動，則需要兩級傳動才能滿足要求，蝸桿蝸輪的傳動是兩軸交錯(cuò)的，這樣一來也就增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且同時(shí)也增加了轉(zhuǎn)動時(shí)的負(fù)荷；3）由于蝸桿蝸輪嚙合輪齒間相對滑動速度大，使得摩擦損耗大，因而傳動效率較低。因此，第一軸采用齒輪傳動。要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，如采用圓柱直齒輪傳動則需要四級傳動，而采用斜齒輪則需要三級就可以，并且知道在相同的條件下，采用斜齒輪傳動比圓柱齒輪傳動，在結(jié)構(gòu)上尺寸要小得多，由此可知，采用斜齒輪傳動。斜齒傳動有如下優(yōu)點(diǎn)：1）嚙合性能好；2）重合度大，傳動平穩(wěn)；3）結(jié)構(gòu)緊湊，并且在總體結(jié)構(gòu)上也是合理的。
總上所述，選擇方案一為最佳。三軸都采用齒輪傳動。
3 設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1電動機(jī)的選擇
第一軸的電動機(jī)的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)方案可知，第二軸、第三軸的所有重量都是第一軸的負(fù)荷，所以說，第一軸的轉(zhuǎn)動慣量是很大的，必須計(jì)算各零部件的轉(zhuǎn)動慣量，計(jì)算出最終動力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動慣量，再根據(jù)動力源軸上的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行選擇電動機(jī)。下面計(jì)算第一軸上的轉(zhuǎn)動慣量：
如圖3-1-1，該軸的轉(zhuǎn)動軸與第二軸的轉(zhuǎn)動軸不同，該轉(zhuǎn)動軸的軸線為ob線，則在這種情況下，
圖3-1-1
第三臂的轉(zhuǎn)動慣量：
Kgm2
第二軸的轉(zhuǎn)動慣量：
（3-1-1）
Kgm2
兩電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量：
Kgm2
兩個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動慣量：
Kgm2
減速箱的轉(zhuǎn)動慣量： Kgm2
第一軸本身的轉(zhuǎn)動慣量：
Kgm2
所以，總的轉(zhuǎn)動慣量為：
Kgm2
而轉(zhuǎn)動角加速度為：
1/s2
則輸出軸的轉(zhuǎn)矩為由式（3-1-7）得：
Nm
轉(zhuǎn)換到電動機(jī)上的轉(zhuǎn)矩為：
Nm
根據(jù)要求<，選P=3KW，n=1000r/min的MGMA型伺服電機(jī)，為28.4Nm。
第二軸的電動機(jī)的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)方案可知，第三軸的所有重量都是第二軸的負(fù)荷，所以說，第二軸的轉(zhuǎn)動慣量也是很大的，必須計(jì)算各零部件的轉(zhuǎn)動慣量，計(jì)算出最終動力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動慣量，再根據(jù)動力源軸上的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行選擇電動機(jī)。下面計(jì)算二軸上的轉(zhuǎn)動慣量：
第二軸的轉(zhuǎn)動慣量：
J2=M/12（a2+b2+c2+d2）+mp2=5.742Kgm2
電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量：
J2=8.5*0.42=1.366 Kgm2
齒輪的轉(zhuǎn)動慣量
J輪2=50*0.252=3.125 Kgm2
減速箱的轉(zhuǎn)動慣量：
J減=150*0.452=30.375 Kgm2
第二軸的總慣量：
J總=5.742+1.36+3.125+30.375
=40.602 Kgm2
第三臂的轉(zhuǎn)動慣量：
J3=34*0.22=1.36Kgm2
電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量：
J輪3=100*0.52=25Kgm2
減速箱的轉(zhuǎn)動慣量：
J減+150*0.452=30.375Kgm2
總的轉(zhuǎn)動慣量為：
J總=23.43+1.36+25+30.375
=80.165Kg2
轉(zhuǎn)換到電動機(jī)上的轉(zhuǎn)矩為：
M電=14.17N*M
根據(jù)要求M電＜M額，選P=2.5(KW), n=1000r/min的GY2.5型電動機(jī)
第三軸的電動機(jī)的選擇
第三臂的轉(zhuǎn)動慣量：
J3=34*0.22=1.36Kgm2
電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量：
J輪3=100*0.52=25Kgm2
減速箱的轉(zhuǎn)動慣量：
J減+150*0.452=30.375Kgm2
總的轉(zhuǎn)動慣量為：
J總=23.43+1.36+25+30.375
=80.165Kg2
轉(zhuǎn)換到電動機(jī)上：
M電=1.3m/u=9.45N*m
根據(jù)要求M電＜M額，選P=2.2（KW），P=2.2 Y-H2.2系列 n=800r/min
4 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 第一軸的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第一軸的傳動方案已確定，采用三級斜齒輪傳動，且電動機(jī)的功率為P=3KW，n=1000r/min，則傳動比u=1000/15=66.67。
一 、傳動比的分配：已知斜齒輪的傳動比u≤6，再根據(jù)傳動減速時(shí)前面降得慢，而后面降得快的原則，三級降速的傳動比分配如下： u=2.44.875.7
二 、各級的傳動設(shè)計(jì)
第一級斜齒輪的傳動設(shè)計(jì)計(jì)算：已知電動機(jī)的功率P=3KW，n=1000r/min，傳動比u=2.4，則
１．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
1) 按照傳動方案的設(shè)計(jì)要求，選用斜齒圓柱齒輪傳動。
2) 考慮減速設(shè)計(jì)的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查表(常用齒輪材料及其機(jī)械特性表)選得大、小齒輪的材料均為40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。
3) 選用精度等級。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選7級精度(GB10095-88)。
4) 選小齒輪齒數(shù)Z1=35，大齒輪齒數(shù)Z2=uZ1=2.435=84。
5) 選取螺旋角。初選螺旋角。
２．按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即
≥mm （4-2-1）
1) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值
（1）.試選。
（2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。
（3）.由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得
， ，則 =
（4）.計(jì)小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩
N
（5）.由下表3-2-1（圓柱齒輪齒寬系數(shù)?d表）
裝置狀況
兩支承相對小齒輪作對稱布置
兩支承相對小齒輪作對稱布
小齒輪作懸臂布置
?d
0.9～1.4（1.2～1.9）
0.7～1.15（1.1～1.65）
0.4～0.6
選取齒寬系數(shù)?d=0.9；
(6).由材料的彈性影響系數(shù)表，查得=189.8 ；
(7).齒輪接觸疲勞強(qiáng)度圖表，按齒面硬度中間值52HRC查
得大、小的接觸疲勞強(qiáng)度極限==Mpa；
(8).計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
(9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得；
；
(10).計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系S=1,由下式得
[]= MPa
[]= MPa
則取[]H=([]+[])/2=1012 Mpa
2).計(jì)算
(1).試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式（4-2-1）得
≥ mm
根據(jù)計(jì)算的結(jié)果及電動機(jī)的輸出軸徑，取=50 mm；
(2).計(jì)算圓周速度
m/s
(3).計(jì)算齒寬及摸數(shù)
mm
mm
(4).計(jì)算縱向重合度
（5）計(jì)算載荷系數(shù)
已知使用系數(shù) 。
根據(jù)，7級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查
得動載荷系數(shù)KV=1.07；
由接觸強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得
=2.728，由彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)()圖，
查得 =2.45。
由齒向載荷分配系數(shù)(、),查得==1.2，
故載荷系數(shù)
=1×1.07×1.2×2.728=3.5
(6).按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得
mm
(7).計(jì)算模數(shù)
= mm
2. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式≥ mm （3-2-2）
1) 確定計(jì)算參數(shù)
(1) 計(jì)算載荷系數(shù)
11.071.22.45=3.2
(2) 根據(jù)縱向重合度，從螺旋角影響系數(shù)圖表查
得=0.88。
(3) 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
(4) 查取齒形系數(shù)
由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.44；=2.196
(5) 查取應(yīng)力校正系數(shù)
由齒形系數(shù)應(yīng)力校正系數(shù)表查得 =1.654；=1.782
(6) 由齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得
Mpa。
(7) 由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.86，=0.87；
(8) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得
417.714 MPa
422.571 MPa
(9) 計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較
=
=
小齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算
≥ mm
對比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強(qiáng)度及接觸疲勞強(qiáng)度,最后取 =2mm。
4.幾何尺寸計(jì)算
1) 計(jì)算中心距a
mm
將中心距圓整為=122.5 mm
2) 按圓整后的中心距修正螺旋角
因值改變不大,故參數(shù)等不必修正。
3) 計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑
mm
mm
4) 計(jì)算齒輪寬度
mm
圓整后取 B2=65 mm；B1=70 mm。
第二級的傳動條件：電機(jī)的功率為P=4.5KW，n=416.7r/min，傳動比u=4.87，具體設(shè)計(jì)計(jì)算如下：
１．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
考慮減速設(shè)計(jì)的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查表(常用齒輪材料及其機(jī)
1) 械特性表)選得大、小齒輪的材料均為40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。
2) 選用精度等級。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選7級精度(GB10095-88)。
3) 選小齒輪齒數(shù)Z1=24，大齒輪齒數(shù)Z2=uZ1=4.8724=117。
4) 選取螺旋角。初選螺旋角。
２．按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（3-2-1）進(jìn)行計(jì)算。
1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算值
（1）.試選。
（2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。
（3）.由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得
， ，則 =
（4）.計(jì)小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩
N
（5）.由表（圓柱齒輪齒寬系數(shù)?d表）
選取齒寬系數(shù)?d=0.9；
(6).由材料的彈性影響系數(shù)表，查得=189.8 ；
(7).齒輪接觸疲勞強(qiáng)度圖表，按齒面硬度中間值52HRC查
得大、小的接觸疲勞強(qiáng)度極限==Mpa；
(8).計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
(9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得；
；
(10).計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系S=1,由下式得
[]= MPa
[]= MPa
則取[]H=([]+[])/2=1017.5 Mpa
2).計(jì)算
(1).試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式得
≥ mm
(2).計(jì)算圓周速度
m/s
(3).計(jì)算齒寬及摸數(shù)
mm
mm
(4).計(jì)算縱向重合度
(5).計(jì)算載荷系數(shù)
已知使用系數(shù) 。
根據(jù)，7級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查得
動載荷系數(shù)KV=1.05；
由接觸強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得 =1.41，由彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)()圖，查得 =1.37。
由齒向載荷分配系數(shù)(、),查得==1.2，故載荷系數(shù)
=1×1.07×1.2×1.41=1.78
(6).按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式
得
mm
(7).計(jì)算模數(shù)
= mm
3. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算公式（3-2-2）來計(jì)算：
1) 確定計(jì)算參數(shù)
（1） 計(jì)算載荷系數(shù)
11.071.21.37=1.726
（2） 根據(jù)縱向重合度，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。
（3） 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
（4） 取齒形系數(shù)
由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.158
（5） 取應(yīng)力校正系數(shù)
由齒形系數(shù)應(yīng)力校正系數(shù)表查得 =1.596；=1.792
（6） 齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得
Mpa。
（7） 由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.87，=0.9；
（8） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得
422.571 MPa
437.143 MPa
（9） 計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較
=
=
小齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算
≥ mm
對比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強(qiáng)度及接觸疲勞強(qiáng)度,最后取 =1.5 mm
4.幾何尺寸計(jì)算
1) 計(jì)算中心距
mm
將中心距圓整為=108.5
2) 按圓整后的中心距修正螺旋角
因值改變不大,故參數(shù)等不必修正。
2） 大小齒輪的分度圓直徑
mm
mm
4) 計(jì)算齒輪寬度
mm
圓整后取 B2=35 mm；B1=40 mm。
第三級的傳動條件：電動機(jī)的功率為P=0.9KW，n=85.565，傳動比u=5.7，設(shè)計(jì)計(jì)算如下：
１．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
1) 考慮減速設(shè)計(jì)的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查
表(常用齒輪材料及其機(jī)械特性表)選得大、小齒輪的材料均為40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。
2) 選用精度等級。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故 初選7級精度(GB10095-88)。
3) 選小齒輪齒數(shù)Z1=24，大齒輪齒數(shù)Z2=uZ1=5.724=137。
4) 選取螺旋角。初選螺旋角。
２．按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（3-2-1）計(jì)算：
1) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值
（1）.試選。
（2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。
（3）.由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得
， ，則 =
（4）.計(jì)小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩
N
（5）.由下表（圓柱齒輪齒寬系數(shù)?d表）
選取齒寬系數(shù)?d=0.8；
（6）.由材料的彈性影響系數(shù)表，查得=189.8 ；
（7）.齒輪接觸疲勞強(qiáng)度圖表，按齒面硬度中間值52HRC
查得大、小的接觸疲勞強(qiáng)度極限==Mpa；
（8）.計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（9）.由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得；
；
（10）.計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系S=1,由下式得
[]= MPa
[]= MPa
則取[]H=([] +[])/2=1070.6 Mpa
2).計(jì)算
(1).試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式（3-2-1）得
≥ mm
(2).計(jì)算圓周速度
m/s
(3).計(jì)算齒寬及摸數(shù)
mm
mm
(4).計(jì)算縱向重合度
(5).計(jì)算載荷系數(shù)
已知使用系數(shù) 。
根據(jù)，7級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查
得動載荷系數(shù)KV=1.04；
由接觸強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得 =1.2877，由彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)()圖，查得 =1.27。
由齒向載荷分配系數(shù)(、),查得==1.2，故載荷系數(shù)
=1×1.04×1.2×1.2877=1.61
(6).按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得
mm
(7).計(jì)算模數(shù)
= mm
3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式≥ mm
1) 確定計(jì)算參數(shù)
(1)計(jì)算載荷系數(shù)
11.041.21.27=1.585
(2) 根據(jù)縱向重合度，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。
(3)計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
(4)查取齒形系數(shù)
由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.14
(5)查取應(yīng)力校正系數(shù)
由齒形系數(shù)應(yīng)力校正系數(shù)表查得 =1.596；=1.83
(6)由齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得 MPa
(7)由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.88，=0.91；
(8)計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得
427.43 MPa
442.0 MPa
(9)計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較
=
=
小齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算
≥ mm
對比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強(qiáng)度及接觸疲勞強(qiáng)度,最后取 =2.5 mm
4.幾何尺寸計(jì)算
1) 計(jì)算中心距
mm
將中心距圓整為=207 mm
2) 按圓整后的中心距修正螺旋角
因值改變不大,故參數(shù)等不必修正。
3) 計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑
mm
mm
4) 計(jì)算齒輪寬度
mm
圓整后取 B2=49 mm；B1=55 mm。
4. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計(jì)算
1） 估計(jì)擺線輪內(nèi)孔半徑
=(0.4～0.5) =40～50mm
2） 擇軸承型號尺寸
經(jīng)查表選用502310E C=105000 N C0=71000 N
D1=97 mm d=50mm b=27 mm da=60 mm Da=89.6 mm a=5 mm
3） 名義徑向載荷 R
R=
=5776.698 N
4） 當(dāng)量動載荷 P
P==1.35776.698=7509.71 N
—?jiǎng)虞d荷系數(shù)，一般取 =1.2～1.5。
5） 軸承相對轉(zhuǎn)速 n
n=+=1000+=1015r/min
6） 軸承壽命
h
因?yàn)樗蟮玫妮S承壽命≥15000 h ,所以滿足要求。
4. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計(jì)算
1）估計(jì)擺線輪內(nèi)孔半徑 =(0.4～0.5) =52～65mm
2）擇軸承型號尺寸
經(jīng)查表選用502313 C=114600 N C0=85200 N D1=121.5 mm d=65mm b=33mm da=77mm Da=114.6mm a=7 mm
3）名義徑向載荷 R
R=
=12830.82 N
4）當(dāng)量載荷 P
P==1.312830.82=16680.1 N
5）軸承相對轉(zhuǎn)速 n
n=+=1000+=1020r/min
1） 承的壽命
h
因?yàn)樗蟮玫妮S承壽命≥15000 h ,所以滿足要求。
5. 針齒銷彎曲強(qiáng)度計(jì)算
1）針齒結(jié)構(gòu)尺寸
mm
mm
（）
mm
2) 最大彎矩
Nmm
3) 許用彎曲應(yīng)力
MPa
4) 校核彎曲應(yīng)力
MPa
因?yàn)椋綶]，所以滿足要求。
4.2軸承的選擇
4.2.1斜齒輪傳動軸上的軸承
根據(jù)齒輪軸徑值，差滾動軸樣本或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得，第二軸上選用圓錐混子軸承7204，C=15500N；第三軸上選用圓錐云子軸承7205，C=19520N。
5 機(jī)器人各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1 轉(zhuǎn)角范圍的控制設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分，在某種意義上講，控制系統(tǒng)起著與人腦相似的作用，工業(yè)機(jī)器人的手部、腕部、臂部、行走機(jī)構(gòu)等的動作以及與相關(guān)機(jī)械的協(xié)調(diào)動作都是通過控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。主要控制內(nèi)容有動作的順序、動作的位置與路徑、動作的時(shí)間。
按設(shè)計(jì)要求要實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)角范圍，可以直接由控制系統(tǒng)來完成，控制動作的位置或動作的時(shí)間，從而控制轉(zhuǎn)角。這里用擋塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)角范圍。第一軸的控制轉(zhuǎn)角（0～270）的擋塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-1
圖5-1
5.2主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（第一臂與底座）
5.2.1 第一軸轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)：如圖5-2，具體尺寸見附圖（零件圖）。
5.2.2底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：如圖5-3
圖5-2
圖5-3
總 結(jié)
通過這次設(shè)計(jì)，使我對工業(yè)機(jī)器人有了感性的認(rèn)識，同時(shí)對國內(nèi)外的工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展也有所了解。根據(jù)國內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)狀及近幾年的動態(tài)，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的具體情況，機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)應(yīng)在開展智能機(jī)器人、機(jī)器人化及其相當(dāng)技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用。經(jīng)過努力，我國已研制了許多示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人以及噴涂、焊接裝配等機(jī)器人。而國外，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展更迅速，機(jī)器人化機(jī)械已經(jīng)興起。
通過這次設(shè)計(jì)，使我綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)的理論和實(shí)際知識，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際知識，培養(yǎng)分析和解決一般工程實(shí)際問題的能力，并使所學(xué)的知識得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)展；通過設(shè)計(jì)，使我掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力；學(xué)會從機(jī)器功能的要求出發(fā)，合理選擇傳動機(jī)構(gòu)類型，制定設(shè)計(jì)方案，正確計(jì)算零件的工作能力，確定它的尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)及材料，并考慮制造工藝、使用、維護(hù)、經(jīng)濟(jì)和安全等問題，培養(yǎng)獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。
當(dāng)然在設(shè)計(jì)過程中，也碰到了許多問題。在老師的指導(dǎo)和一些同學(xué)的幫助下，我也盡自己的努力去克服困難，最后順利地完成了整個(gè)設(shè)計(jì)。由于本人缺乏經(jīng)驗(yàn)及水平有限，設(shè)計(jì)仍存在一些問題，如機(jī)器人的動力學(xué)分析以及缺少機(jī)器人的動作模擬仿真，望老師給予指正。
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致 謝
時(shí)光匆匆如流水，轉(zhuǎn)眼便是大學(xué)畢業(yè)時(shí)節(jié)，春夢秋云，聚散真容易。離校日期已日趨臨近，畢業(yè)論文的的完成也隨之進(jìn)入了尾聲。從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，一直都離不開老師、同學(xué)、朋友給我熱情的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!
本課題及論文是在我的指導(dǎo)老師許瑛博士的悉心指導(dǎo)下完成的。課題從實(shí)施到論文撰寫、修改，無不傾注著許老師的智慧合心血。許老師淵博的學(xué)識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、開拓創(chuàng)新的工作作風(fēng)和對學(xué)術(shù)執(zhí)著不虞的追求精神給我留下了深刻的印象，并使我終身受益。時(shí)至今日，在此論文完成之際，作為桃中一李，我想向我的指導(dǎo)老師許老師致以我由衷的謝意和崇高的敬意。
由于受時(shí)間和水平的限制，現(xiàn)代機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還存在著不夠完善的方面甚至有些錯(cuò)誤，懇請老師和專家指教，能使本設(shè)計(jì)更完善并能付諸于實(shí)際，制造出所設(shè)計(jì)的機(jī)器人，將是很欣慰的事情。
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