資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 畢業(yè)設計 題 目 SMART型機器人結構設計 學生姓名 學 號 學 院 機電工程系 專 業(yè) 機械工程及自動化 班 級 指導教師 SMART型機器人結構設計 摘 要 本課題的提出來源于生產(chǎn)實踐中。由于對許多構件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求,一般工人已難以勝任這一工作;此外,焊接時的火花及煙霧等,對人體造成危害,因而,此此題的提出就有十分重要的意義。 此次設計主要研究設計關節(jié)型弧焊機械手的機械本體部分，即由腰部、大臂和小臂組成的3個關節(jié)的機械本體的結構設計。設計主要通過腰部的旋轉(zhuǎn)和大、小臂的俯仰來實現(xiàn)機械手的空間3自由度的運動。 在設計過程中主要參照國內(nèi)外已成功研制的機械手本體部分的設計，依照機械手的設計要求和準則，在此基礎上進行改進和優(yōu)化，使其結構設計合理、簡單、緊湊，動作靈活，能夠應用于弧焊作業(yè)及搬運與裝配作業(yè)。 關鍵詞：三自由度，弧焊，關節(jié)型，工業(yè)機器人 smart design of arc welding robot Abstract The topics raised from the production practice. Because of the many components of welding precision and speed to the growing demands, the general competence of workers has been difficult this work; In addition, when welding sparks and smoke, causing harm to the human body, thus, the title of this has made very Important significance. The design of the main joint research and design of arc welding robot mechanical body part, that is, by the waist, the boom and arm composed of three joint body of the mechanical structure design. Design, mainly through the waist and the rotation, the pitching arm manipulator to achieve the space of three degrees of freedom movement. In the process of designing the main reference at home and abroad have successfully developed the robot body parts of the design, in accordance with the mechanical hand the design requirements and criteria on the basis of this improvement and optimization of its structural design reasonable, simple, compact and flexible action, can be used In arc welding and assembly operations and handling operations. Key Words：freedom; arc welding; joint type; industrial robots 目 錄 摘 要 ⅰ Abstract ⅱ 第一章 引 言 1 1.1題目來源與分析 1 1.2研究目的 2 1.3國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀 2 1.3.1 國內(nèi)外焊接機器人技術的發(fā)展 2 1.3.2 國內(nèi)外焊接機器人的應用狀況 2 第二章 關節(jié)型機器人總體設計 4 2.1 確定基本技術參數(shù) 4 2.1.1 機械結構類型的選擇 4 2.1.2 額定負載 5 2.1.3 操作機的驅(qū)動系統(tǒng)設計 5 2.1.4 確定關節(jié)型機器人手臂的配置形式 6 2.2 關節(jié)型機器人本體結構設計 7 2.2.1 機器人本體結構的傳動設計 7 2.2.2 所設計機器人本體結構的特點 7 第三章 關節(jié)型機器人腰部結構設計 9 3.1 電動機的選擇 9 3.2 計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比 10 3.3 軸的設計計算 10 3.3.1 軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率計算 10 3.3.2 軸尺寸的確定 11 3.3.3 軸的設計校核 11 3.4 齒輪的設計 13 3.4.1 選擇材料 13 3.4.2 壓力角的選擇 13 3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇 13 3.4.4 齒寬系數(shù) 13 3.4.5 確定齒輪的傳動精度 14 3.4.6 齒輪的校核 15 第四章 關節(jié)型機器人大臂結構設計 21 4.1 電動機的選擇 21 4.2 計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比 22 4.3 軸的設計計算 22 4.3.1 軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率計算 22 4.3.2 軸尺寸的確定 23 4.3.3 軸的設計校核 23 4.4 齒輪的設計 25 4.4.1 選擇材料 25 4.4.2 壓力角的選擇 25 4.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇 25 4.4.4 齒寬系數(shù) 25 4.4.5 確定齒輪的傳動精度 26 4.4.6 齒輪的校核 27 第五章 關節(jié)型機器人小臂結構設計 33 5.1 電動機的選擇 33 5.2 計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比 34 5.3 軸的設計計算 34 5.3.1 軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率計算 34 5.3.2 軸尺寸的確定 35 5.3.3 軸的設計校核 35 5.4 齒輪的設計 37 5.4.1 選擇材料 37 5.4.2 壓力角的選擇 37 5.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇 37 5.4.4 齒寬系數(shù) 37 5.4.5 確定齒輪的傳動精度 38 5.4.6 齒輪的校核 39 第六章 總結與展望 46 參考文獻 XX 致謝 XX 附錄 XX - 47 - 第一章 引 言 1.1 題目來源與分析 隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，機器人（機械手）技術已廣泛應用于人類社會的各個領域。在制造業(yè)中誕生的工業(yè)機器人是繼動力機、計算機之后而出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產(chǎn)工具。應用工業(yè)機器人技術是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術革命的一個重要內(nèi)容。機器人（機械手）的應用是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 我國機器人（機械手）的應用數(shù)量增長異常迅猛。專家預測，到2010年擁有量將達到17300臺，到2015年，市場容量將達十幾萬臺（套）。其中焊接機器人占據(jù)了整個工業(yè)機器人總量的40%以上?；『讣夹g作為現(xiàn)代焊接技術的重要組成部分，其應用范圍幾乎涵蓋了所有的焊接生產(chǎn)領域。近年來隨著市場競爭的日趨激烈，提高焊接生產(chǎn)的生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)焊接生產(chǎn)的自動化、智能化越來越得到焊接生產(chǎn)企業(yè)的重視。 歸納起來采用焊接機器人有下列主要意義： (1) 穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證其均一性。焊接參數(shù)采用機器人焊接時對于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定。 (2) 產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。機器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計劃非常明確。 (3) 可縮短產(chǎn)品改型換代的周期,減小相應的設備投資?？蓪崿F(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化。機器人與專機的最大區(qū)別就是他可以通過修改程序以適應不同工件的生產(chǎn)。 (4) 改善了工人的勞動條件。 (5) 提高勞動生產(chǎn)率。正文是作者對研究工作的詳細表述。 1.2 研究目的 本課題《SMART型機器人結構設計》來源于生產(chǎn)實踐中。由于對許多構件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求,一般工人已難以勝任這一工作;此外,焊接時的火花及煙霧等,對人體造成危害,因而,此課題的提出就有十分重要的意義。課題要求設計的機器人具有3個自由度：① 腰關節(jié)回轉(zhuǎn)；② 大臂關節(jié)俯仰；③ 小臂關節(jié)俯仰。其工作指標為腕部最大負載6kg，腰部旋轉(zhuǎn)范圍在0-300°之間，大臂和小臂的運動范圍在0-300°之間，三個關節(jié)的最大線速度為2m/s，工作空間球體半徑為1500mm。 此次設計主要研究設計關節(jié)型弧焊機械手的機械本體部分，即由腰部、大臂和小臂組成的3個關節(jié)的機械本體的結構設計。設計主要通過腰部的旋轉(zhuǎn)和大、小臂的俯仰來實現(xiàn)機械手的空間3自由度的運動。 在設計過程中主要參照國內(nèi)外已成功研制的機械手本體部分的設計，依照機械手的設計要求和準則，在此基礎上進行改進和優(yōu)化，使其結構設計合理、簡單、緊湊，動作靈活，能夠應用于弧焊作業(yè)及搬運與裝配作業(yè)。 1.3 國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀 1.3.1 國內(nèi)外焊接機器人技術的發(fā)展 我國開發(fā)工業(yè)機器人晚于美國和日本，起于20世紀70年代。早期是大學和科研院所的自發(fā)性的研究。到80年代中期，全國沒有一臺工業(yè)機器人問世。而在國外，工業(yè)機器人已經(jīng)是個非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應用。經(jīng)過十幾年的持續(xù)努力，在國家的組織和支持下，我國焊接機器人的研究在基礎技術、控制技術、關鍵元器件等方面取得了重大進展，并已進入使用化階段，形成了點焊、弧焊機器人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。 1.3.2 國內(nèi)外焊接機器人的應用狀況 國際上80年代是焊接機器人在生產(chǎn)中應用發(fā)展最快的10年。我國工廠從90年代開始，應用焊接機器人的步伐也顯著加快。進入21世紀由于國外汽車巨頭的不斷涌入，汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，我國汽車行業(yè)的機器人安裝臺數(shù)迅速增加。目前在我國應用的機器人主要分日系、歐系和國產(chǎn)三種。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奧地利的IGM公司。國產(chǎn)機器人主要是沈陽新松機器人公司產(chǎn)品。 （一）目前國內(nèi)外應用較多的焊接機器人系統(tǒng)有如下幾種形式： 1. 焊接機器人工作站（單元） 通過變位機與機器人協(xié)調(diào)運動實現(xiàn)焊接。 2. 焊接機器人生產(chǎn)線 焊接機器人生產(chǎn)線比較簡單的是把多臺工作站（單元）用工件輸送線連接起來組成一條生產(chǎn)線。 3. 焊接柔性生產(chǎn)線（FMS-W）。柔性線也是由多個站組成，不同的是被焊工件都裝卡在統(tǒng)一形式的托盤上，而托盤可以與線上任何一個站的變位機相配合并被自動卡緊。這樣每一個站無需作任何調(diào)整就可以焊接不同的工件。 （二）目前焊接機器人的結構形式 焊接機器人主要包括機器人和焊接設備兩部分。機器人由機器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接裝備，以弧焊及點焊為例，則由焊接電源，（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。 機器人結構包含手臂、手腕、手抓、和行走機構等部分，它實現(xiàn)機器人的運動機能，完成規(guī)定的各種操作。操作臂通常是由一系列連桿通過關節(jié)順次相連的開鏈式。工業(yè)機器人常用的兩種關節(jié)是旋轉(zhuǎn)關節(jié)和移動關節(jié)。 機器人的運動是由手臂和手腕的運動組合而成的。通常手臂部分有3個關節(jié)，用以改變手腕參考點的位置成為定位機構；手腕部分也有3個關節(jié)，通常這3個關節(jié)軸線相交，用來改變末端件（如手爪）的姿態(tài)，稱為定向機構，整個操作臂可以看成是定位機構連接定向機構。目前世界各國生產(chǎn)的焊接用機器人基本上都屬關節(jié)式機器人，絕大部分有6個軸。其中， 1、2、3軸可將末端工具送到不同的空間位置，而4、5、6軸解決工具姿態(tài)的不同要求。 機器人手臂的前3個關節(jié)順次連接的3個連桿，形成定位機構。3個關節(jié)的種類決定了操作臂工作空間的形式。通常分為直角坐標式機器人，圓柱坐標式機器人，球（極）坐標式機器人，SCARA機器人和關節(jié)式機器人五種形式。 第二章 關節(jié)型機器人總體設計 2.1 確定基本技術參數(shù) 2.1.1 機械結構類型的選擇 為實現(xiàn)總體機構在空間的位置提供的3個自由度，可以有不同的運動組合，根據(jù)本課題可以將其設計成以下五種方案： a.圓柱坐標型 這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標型比較，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。 b.直角坐標型 直角坐標型工業(yè)機器人，其運動部分由三個相互垂直的直線移動組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離，可在各坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高、結構簡單，但機體所占空間體積大、靈活性較差。 c.球坐標型 又稱極坐標型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，即一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結構緊湊、工作空間范圍大的特點，但結構復雜。 d.關節(jié)型 關節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關節(jié)都是回轉(zhuǎn)關節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關節(jié)，大臂和小臂間形成肘關節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取靠進機座的物體。 e.平面關節(jié)型 采用兩個回轉(zhuǎn)關節(jié)和一個移動關節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關節(jié)控制前后、左右運動，而移動關節(jié)則實現(xiàn)上下運動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。 對以上五種方案進行比較：方案一不能夠完全實現(xiàn)本課題所要求的動作；方案二體積大，靈活性差；方案三結構復雜；方案五無法實現(xiàn)本課題的動作。結合本課題綜合考慮決定采用方案四：關節(jié)型機器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動作靈活，工藝操作精度高。 2.1.2 額定負載 目前,國內(nèi)外使用的工業(yè)機器人中,其負載能力的范圍很大,最小的額定負載在5N以下,最大可達9000N。負載大小的確定主要是考慮沿機器人各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應包括機器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務要求是保證手腕部能承受的最大載荷是6kg。 2.1.3操作機的驅(qū)動系統(tǒng)設計 關節(jié)型機器人本體驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機構，它們常和執(zhí)行機構聯(lián)成一體，驅(qū)動臂桿和載荷完成指定的運動。通常的機器人驅(qū)動方式有以下四種: a.步進電機：可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結構簡單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運動精度較差，負載和沖擊震動過大時會造成“失步”現(xiàn)象。 b.直流伺服電機：直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應等特點，并且控制技術成熟。其安裝維修方便，成本低。 c.交流伺服電機：交流伺服電機結構簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進電機相比價格要貴一些。隨著可關斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場效應管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(PWM)和計算機控制技術的發(fā)展，使交流伺服電機在調(diào)速性能方面可以與直流電機媲美。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率，提供很高的響應速度。 d.液壓伺服馬達：液壓伺服馬達具有較大的功率/體積比，運動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負載能力也比較大，能夠抓住重負載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項關鍵技術考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動方式。 常用的驅(qū)動器有電機和液壓、氣動驅(qū)動裝置等。其中采用電機驅(qū)動是最常用的驅(qū)動方式。電極驅(qū)動具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機器人應用要求等特點。所以在這次設計中我選擇了直流電機作為驅(qū)動器。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 本課題的機器人將采用直流伺服電動機。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 2.1.4 確定關節(jié)型機器人手臂的配置形式 手臂的配置形式反映了機器人操作機的總體布局。根據(jù)任務要求,要實現(xiàn)機器人焊接功能,則機器人的工作范圍要廣,所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點是占地面積小,工作范圍大,機器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。 根據(jù)分析,可將機器人的參數(shù)列在表2-1中： 表2-1關節(jié)型機器人的主要參數(shù) 項目 技術要求 結構型式 關節(jié)型 自由度數(shù) 3 運動范圍 300o 300o 300o 最大速度 2m∕s 腕部最大負荷 6㎏ 驅(qū)動方式 直流伺服驅(qū)動 重復定位精度 0.4mm 控制方式 PTP∕CP 操作方式 示教再現(xiàn)，離線編程 存儲容量 16～256k 質(zhì)量 操作機1670kg;控制柜640kg 輸入∕輸出 32∕16位 電源 3相；380V、50Hz,440V/60Hz,550V/50Hz;14kvA 安裝環(huán)境 0～50℃ 2.2 關節(jié)型機器人本體結構設計 2.2.1 機器人本體結構的傳動設計 機械手的3個傳動系統(tǒng)分別實現(xiàn)了腰部與底座的回轉(zhuǎn)以及大臂的俯仰和小臂的俯仰。腰部的回轉(zhuǎn)，大臂和小臂的俯仰都是通過電機帶動二級齒輪減速器傳動來實現(xiàn)的。 機器人主要由腰部與基座組成的回轉(zhuǎn)基座以及大臂、小臂組成?；剞D(zhuǎn)基座是一個鋁制的整體鑄件。 大臂和小臂的結構形式相似，都由鋁制的整體鑄件骨架組成。鑄件既作臂的承力骨架，又作電機和內(nèi)部二級減速器以及轉(zhuǎn)軸的支承座。大臂上裝有大臂和小臂的驅(qū)動電機，電機輸出端裝有對應的二級減速器組件。大臂和小臂關節(jié)都采用了二級圓柱減速器直接驅(qū)動。 2.2.2 所設計機器人本體結構的特點 所設計的機器人本體結構特點如下： a.腰部回轉(zhuǎn)由V帶輪和二級減速器傳動組成。在結構布置上，電機、二級減速器均固定在基座上。這樣布局對裝修、潤滑方便，但增大了腰部回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量。大臂和小臂的傳動原理相同，均采用電機，二級減速器和關節(jié)軸線同軸的傳動方式。這樣結構簡單，傳動路線最短。 b.底座鑄件結構形狀簡單，既用作內(nèi)部大齒輪的安裝固定與主軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。腰部及大小臂機構同樣采用結構簡單的鑄件。 c. 腰關節(jié)和大、小臂關節(jié)處結構密度大，多余空隙比較少，結構緊湊。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。 d. 工作范圍大，適應性廣。PT-600型，它的工作空間幾乎是他的長臂所能達到的全球空間。再加以腕部的配合使它工作時位姿的適應性強。 e. 機器人手臂材料的選擇： 機器人手臂的材料應根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設計要求，機器人手臂要完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應是輕型材料。而另一方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動，這將大大降低它的運動精度。因此，在選擇材料時，需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。 機器人手臂材料首先應是結構材料。手臂承受載荷時，不應有變形和斷裂。從力學角度看，即要具有一定的強度。手臂材料應選擇高強度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機器人手臂是運動的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應該優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料做手臂。在我們的設計中為減輕機器人本體的重量選用鑄鋁材料。 第三章 關節(jié)型機器人腰部結構設計 通過總體分析后,確定了機器人的結構。所設計的腰關節(jié)部分采用二級齒輪減速傳動。 3.1 電動機的選擇 設兩臂和腕部水平展開時對于腰部關節(jié)的主軸的轉(zhuǎn)動慣量為,,,根據(jù)平行軸定理可得繞腰部關節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為: =+++++ （3-1） 、、，分別為15kg、30kg、50kg,、、分別為重心到第一關節(jié)軸的距離，其值分別為1000mm、1000mm、900mm，在式（3-1）中<<、<<、<<故、、可忽略不計。所以繞第一關節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為： =++ =15+30+50*0.9 =85.5 因為繞第一關節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量是最大的，所以其他的轉(zhuǎn)動慣量就不要計算了。 設主軸速度為78°/s，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： T=J×W 式中： T ——旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩 N ?m w ——角加速度 rad /s 使機械手主軸從w=0到w=78° /s所需時間為： Δ t= 1s 則： =*w=*=85.5*78/180*116.337N?m 若考慮繞機械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為120 N ?m 電動機的功率可按下式估算 (1.5∽2.5) 式中： Pm——電動機功率 W ； MLP——負載力矩 N ? m ； ΩLP——負載轉(zhuǎn)速 rad / s ； η ——傳動裝置的效率，初步估算取0.97*0.95=0.87； 系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取2.5 2.5*465.6 N?m 估算 Pm后就可選取電機，使其額定功率 Pr滿足下式 選擇SZ系列直流伺服馬達 130SZ13C 表3-1 130SZ13C直流電動機伺服馬達技術數(shù)據(jù) 型號 力矩 （mNm） 轉(zhuǎn)矩 （r/min） 功率 (w) 電壓 (v) 電流 (A) 130SZ13C 1912 2500 500 160 5.00 3.2 計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動 通過電機的主軸轉(zhuǎn)速和腰部旋轉(zhuǎn)的做大角速度可求得大概的總傳動比 ==198.3 取V帶輪傳動的傳動比=3，二級圓柱齒輪減速器傳動比=30，按展開式分布，由展開式曲線查得=6.5，則=30/6.5=4.6。 ==2.2 3.3 軸的設計計算 3.3.1 軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率計算 a.各軸轉(zhuǎn)速 I軸 =2500/3=833.3r/min Ⅱ軸 =833.3/6.5=128.2r/min Ⅲ軸 =128.2/4.6=27.87r/min Ⅳ軸 =27.87/2.2=12.67r/min b.各軸輸入功率 Ⅰ軸 =?=2500*0.96=2400W Ⅱ軸 =?=2400*0.98*0.96=2257.92W Ⅲ軸 =2257.92**0.96=2081.77W Ⅳ軸 =2081.77**0.96=1880.97W c.各軸輸入扭矩 Ⅰ軸 =9550*=9550*2.4/833.3=27.5 N ? m Ⅱ軸 =9550*=9550*2.25792/128.2=168.2 N ? m Ⅲ軸 =9550*=9550*2.08177/27.87=713.34 N ? m Ⅳ軸 =9550*=9550*1.88097/12.67=1417.78 N ? m 3.3.2 軸尺寸的確定 兩實心軸的材料均選用45號鋼，查表知軸的許用扭剪應力[t ]= 30MPa， 由許用應力確定的系數(shù)為A=115 第一根軸設計及校核 按扭轉(zhuǎn)強度條件計算 由材料力學可知，軸受扭矩時的強度條件為 dA=115=16.36mm 輸出軸的最小軸頸處取24mm 同理： Ⅱ軸取最小軸頸為32mm Ⅲ軸取最小軸頸為53mm Ⅳ軸腰部主軸取最小軸頸為65mm 3.3.3 軸的設計校核 一、軸的總體設計信息如下： 軸的編號：001 軸的名稱： 階梯軸 軸的轉(zhuǎn)向方式：雙向旋轉(zhuǎn) 軸的工作情況：無腐蝕條件 軸的轉(zhuǎn)速：833.3r/min 功率:2.4kW 轉(zhuǎn)矩：27500N·mm 所設計的軸是實心軸 材料牌號：45 調(diào)質(zhì) 硬度(HB)：230 抗拉強度：650MPa 屈服點：360MPa 彎曲疲勞極限：270MPa 扭轉(zhuǎn)疲勞極限：155MPa 許用靜應力：260MPa 許用疲勞應力：180Mpa 二、確定軸的最小直徑如下： 所設計的軸是實心軸 A值為：115 許用剪應力范圍：30～40Mpa 最小直徑的理論計算值：16.36mm 滿足設計的最小軸徑：24mm 三、軸的結構造型如下： 軸各段直徑長度： 長度 直徑 42mm 24mm 16mm 30mm 6mm 34mm 30mm 50mm 7mm 34mm 17mm 30mm 軸的總長度：118mm 軸的段數(shù)：6 軸段的載荷信息： 直徑 距左端距離 垂直面剪力 垂直面彎矩 水平面剪力 水平面彎矩 軸向扭矩 34mm 61mm -2259N -100200N·mm -6118N 0N·mm 0N·mm 30mm 118mm 1500N 0N·mm 2200N 0N·mm 620650N·mm 軸所受支撐的信息： 直徑 距左端距離 24mm 21mm 50mm 79mm 四、支反力計算 距左端距離 水平支反力Rh1 垂直支反力Rv1 21mm 3378N 3437.28N 距左端距離 水平支反力Rh2 垂直支反力Rv2 79mm 540N -2678.26N 五、內(nèi)力 x/mm d/mm m1/N·mm m2/N·mm 21 24 0 0 61 34 192772.52 140171.49 79 50 103845.65 103845.65 118 30 1.02 1.02 118 30 1.02 1.02 六、彎曲應力校核如下： 危險截面的x坐標：79mm 直徑：50mm 危險截面的彎矩M：100000N·mm 扭矩T：620650N·mm 截面的計算工作應力：50.29MPa 許用疲勞應力：180MPa 79mm處彎曲應力校核通過 3.4 齒輪的設計 3.4.1 選擇材料 選擇齒輪材料為 34CrNi3Mo 經(jīng)調(diào)質(zhì)硬度 HBS 可達 269-341 3.4.2 壓力角a 的選擇 由機械原理知識可知,增大壓力角,能使輪齒的齒厚和節(jié)點處的齒廓曲 率半徑增大,可提高齒輪的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。此處，壓力角a 可取 20° 3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇 對軟齒面的閉式齒輪傳動,其承載能力主要取決于齒面接觸疲勞強度。 而齒面接觸應力的大小與小齒輪的分度圓直徑有關,即與齒數(shù)和模數(shù)的積有關。因此在滿足彎曲疲勞強度的前提下宜選擇較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)。這樣除能增大重合度,改善傳動的平穩(wěn)性外,還因模數(shù)的減小而降低齒高,從 而減小金屬的切削量,減少滑動速度,減少磨損,提高抗膠合能力。I 軸上齒輪齒數(shù) z1 取 25,大齒輪齒數(shù) z2 取 162.5, II軸上齒輪齒數(shù)=25，大齒輪齒數(shù)=115，模m取 2。 3.4.4 齒寬系數(shù) 查表可知，取齒寬系=0.6 根據(jù)公式 ==30mm 計算結果圓整為 5 的整數(shù)倍,作為小齒輪的齒寬,大齒輪齒寬取 =+(5~10)mm 以補償加工裝配誤差。 I軸上小齒輪=35, 與之嚙合的 大齒軸上大齒輪齒寬=30 II軸上齒輪齒寬=55，與之嚙合的小齒輪齒寬=45 3.4.5 確定齒輪傳動的精度 根據(jù) GB10095-1988 規(guī)定,齒輪精度等級分為 12 級,1 級最高,12 級最低, 常用 6～9 級。本設計選用 7 級精度的齒輪。 表3-2一級嚙合齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 中心距 頂隙 表3-3二級嚙合齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 中心距 頂隙 3.4.6 齒輪的校核 一、設計信息 設計者 Name=束瑜杰 設計單位 Comp=114 設計日期 Date=2009-4-27 設計時間 Time=19:00:39 二、設計參數(shù) 傳遞功率 P=2.25792(kW) 傳遞轉(zhuǎn)矩 T=25.87(N·m) 齒輪1轉(zhuǎn)速 n1=833.3(r/min) 齒輪2轉(zhuǎn)速 n2=128.2(r/min) 傳動比 i=6.50 　　原動機載荷特性 SF=輕微振動 　　工作機載荷特性 WF=均勻平穩(wěn) 　　預定壽命 H=10000(小時) 三、布置與結構 　　結構形式 ConS=開式 　　齒輪1布置形式 ConS1=懸臂布置 　　齒輪2布置形式 ConS2=對稱布置 四、材料及熱處理 　　齒面嚙合類型 GFace=軟齒面 　　熱處理質(zhì)量級別 Q=ML 　　齒輪1材料及熱處理 Met1=34CrNi3Mo<調(diào)質(zhì)> 　　齒輪1硬度取值范圍 HBSP1=269～341 　　齒輪1硬度 HBS1=305 　　齒輪1材料類別 MetN1=0 　　齒輪1極限應力類別 MetType1=5 　　齒輪2材料及熱處理 Met2=34CrNi3Mo<調(diào)質(zhì)> 　　齒輪2硬度取值范圍 HBSP2=269～341 　　齒輪2硬度 HBS2=305 　　齒輪2材料類別 MetN2=0 　　齒輪2極限應力類別 MetType2=5 五、齒輪精度 　　齒輪1第Ⅰ組精度 JD11=7 　　齒輪1第Ⅱ組精度 JD12=7 　　齒輪1第Ⅲ組精度 JD13=7 　　齒輪1齒厚上偏差 JDU1=F 　　齒輪1齒厚下偏差 JDD1=L 　　齒輪2第Ⅰ組精度 JD21=7 　　齒輪2第Ⅱ組精度 JD22=7 　　齒輪2第Ⅲ組精度 JD23=7 　　齒輪2齒厚上偏差 JDU2=F 　　齒輪2齒厚下偏差 JDD2=L 六、齒輪基本參數(shù) 　　模數(shù)(法面模數(shù)) Mn=2(mm) 　　端面模數(shù) Mt=2.00000(mm) 　　螺旋角 β=0.00000(度) 　　基圓柱螺旋角 βb=0.0000000(度) 　　齒輪1齒數(shù) Z1=25 　　齒輪1變位系數(shù) X1=0.00 　　齒輪1齒寬 B1=25.000(mm) 　　齒輪1齒寬系數(shù) Φd1=0.500 　　齒輪2齒數(shù) Z2=163 　　齒輪2變位系數(shù) X2=0.00 　　齒輪2齒寬 B2=25.000(mm) 　　齒輪2齒寬系數(shù) Φd2=0.077 　　總變位系數(shù) Xsum=0.000 　　標準中心距 A0=188.00000(mm) 　　實際中心距 A=188.00000(mm) 　　中心距變動系數(shù) yt=0.00000 　　齒高變動系數(shù) △yt=0.00000 　　齒數(shù)比 U=6.52000 　　端面重合度 εα=1.75464 　　縱向重合度 εβ=0.00000 　　總重合度 ε=1.75464 　　齒輪1分度圓直徑 d1=50.00000(mm) 　　齒輪1齒頂圓直徑 da1=54.00000(mm) 　　齒輪1齒根圓直徑 df1=45.00000(mm) 　　齒輪1基圓直徑 db1=46.98463(mm) 　　齒輪1齒頂高 ha1=2.00000(mm) 　　齒輪1齒根高 hf1=2.50000(mm) 　　齒輪1全齒高 h1=4.50000(mm) 　　齒輪1齒頂壓力角 αat1=29.531394(度) 　　齒輪2分度圓直徑 d2=326.00000(mm) 　　齒輪2齒頂圓直徑 da2=330.00000(mm) 　　齒輪2齒根圓直徑 df2=321.00000(mm) 　　齒輪2基圓直徑 db2=306.33980(mm) 　　齒輪2齒頂高 ha2=2.00000(mm) 　　齒輪2齒根高 hf2=2.50000(mm) 　　齒輪2全齒高 h2=4.50000(mm) 　　齒輪2齒頂壓力角 αat2=21.828281(度) 　　齒輪1分度圓弦齒厚 sh1=3.13953(mm) 　　齒輪1分度圓弦齒高 hh1=2.04933(mm) 　　齒輪1固定弦齒厚 sch1=2.77410(mm) 　　齒輪1固定弦齒高 hch1=1.49511(mm) 　　齒輪1公法線跨齒數(shù) K1=3 　　齒輪1公法線長度 Wk1=15.46093(mm) 　　齒輪2分度圓弦齒厚 sh2=3.14154(mm) 　　齒輪2分度圓弦齒高 hh2=2.00757(mm) 　　齒輪2固定弦齒厚 sch2=2.77410(mm) 　　齒輪2固定弦齒高 hch2=1.49511(mm) 　　齒輪2公法線跨齒數(shù) K2=19 　　齒輪2公法線長度 Wk2=113.79467(mm) 　　齒頂高系數(shù) ha*=1.00 　　頂隙系數(shù) c*=0.25 　　壓力角 α*=20(度) 　　端面齒頂高系數(shù) ha*t=1.00000 　　端面頂隙系數(shù) c*t=0.25000 　　端面壓力角 α*t=20.0000000(度) 　　端面嚙合角 αt'=20.0000001(度) 七、檢查項目參數(shù) 　　齒輪1齒距累積公差 Fp1=0.04046 　　齒輪1齒圈徑向跳動公差 Fr1=0.03366 　　齒輪1公法線長度變動公差 Fw1=0.02803 　　齒輪1齒距極限偏差 fpt(±)1=0.01459 　　齒輪1齒形公差 ff1=0.01063 　　齒輪1一齒切向綜合公差 fi'1=0.01513 　　齒輪1一齒徑向綜合公差 fi''1=0.02071 　　齒輪1齒向公差 Fβ1=0.01255 　　齒輪1切向綜合公差 Fi'1=0.05109 　　齒輪1徑向綜合公差 Fi''1=0.04712 　　齒輪1基節(jié)極限偏差 fpb(±)1=0.01371 　　齒輪1螺旋線波度公差 ffβ1=0.01513 　　齒輪1軸向齒距極限偏差 Fpx(±)1=0.01255 　　齒輪1齒向公差 Fb1=0.01255 　　齒輪1x方向軸向平行度公差 fx1=0.01255 　　齒輪1y方向軸向平行度公差 fy1=0.00627 　　齒輪1齒厚上偏差 Eup1=-0.05836 　　齒輪1齒厚下偏差 Edn1=-0.23346 　　齒輪2齒距累積公差 Fp2=0.08933 　　齒輪2齒圈徑向跳動公差 Fr2=0.05519 　　齒輪2公法線長度變動公差 Fw2=0.04143 　　齒輪2齒距極限偏差 fpt(±)2=0.01706 　　齒輪2齒形公差 ff2=0.01408 　　齒輪2一齒切向綜合公差 fi'2=0.01868 　　齒輪2一齒徑向綜合公差 fi''2=0.02414 　　齒輪2齒向公差 Fβ2=0.00630 　　齒輪2切向綜合公差 Fi'2=0.10341 　　齒輪2徑向綜合公差 Fi''2=0.07726 　　齒輪2基節(jié)極限偏差 fpb(±)2=0.01603 　　齒輪2螺旋線波度公差 ffβ2=0.01868 　　齒輪2軸向齒距極限偏差 Fpx(±)2=0.00630 　　齒輪2齒向公差 Fb2=0.00630 　　齒輪2x方向軸向平行度公差 fx2=0.00630 　　齒輪2y方向軸向平行度公差 fy2=0.00315 　　齒輪2齒厚上偏差 Eup2=-0.06825 　　齒輪2齒厚下偏差 Edn2=-0.27300 　　中心距極限偏差 fa(±)=0.03201 八、強度校核數(shù)據(jù) 　　齒輪1接觸強度極限應力 σHlim1=594.4(MPa) 　　齒輪1抗彎疲勞基本值 σFE1=465.6(MPa) 　　齒輪1接觸疲勞強度許用值 [σH]1=0.0(MPa) 　　齒輪1彎曲疲勞強度許用值 [σF]1=0.0(MPa) 　　齒輪2接觸強度極限應力 σHlim2=594.4(MPa) 　　齒輪2抗彎疲勞基本值 σFE2=465.6(MPa) 　　齒輪2接觸疲勞強度許用值 [σH]2=0.0(MPa) 　　齒輪2彎曲疲勞強度許用值 [σF]2=0.0(MPa) 　　接觸強度用安全系數(shù) SHmin=1.00 　　彎曲強度用安全系數(shù) SFmin=1.40 　　接觸強度計算應力 σH=0.0(MPa) 　　接觸疲勞強度校核 σH≤[σH]=滿足 　　齒輪1彎曲疲勞強度計算應力 σF1=0.0(MPa) 　　齒輪2彎曲疲勞強度計算應力 σF2=0.0(MPa) 　　齒輪1彎曲疲勞強度校核 σF1≤[σF]1=滿足 　　齒輪2彎曲疲勞強度校核 σF2≤[σF]2=滿足 九、強度校核相關系數(shù) 　　齒形做特殊處理 Zps=特殊處理 　　齒面經(jīng)表面硬化 Zas=不硬化 　　齒形 Zp=一般 　　潤滑油粘度 V50=120(mm^2/s) 　　有一定量點饋 Us=不允許 　　小齒輪齒面粗糙度 Z1R=Rz≤6μm(Ra≤1μm) 　　載荷類型 Wtype=靜載荷 　　齒根表面粗糙度 ZFR=Rz≤16μm(Ra≤2.6μm) 　　刀具基本輪廓尺寸 　　圓周力 Ft=0(N) 　　齒輪線速度 V=(m/s) 　　使用系數(shù) Ka=1.100 　　動載系數(shù) Kv=0 　　齒向載荷分布系數(shù) KHβ=0 　　綜合變形對載荷分布的影響 Kβs= 　　安裝精度對載荷分布的影響 Kβm= 　　齒間載荷分布系數(shù) KHα=0 　　節(jié)點區(qū)域系數(shù) Zh=0 　　材料的彈性系數(shù) ZE=0 　　接觸強度重合度系數(shù) Zε= 　　接觸強度螺旋角系數(shù) Zβ= 　　重合、螺旋角系數(shù) Zεβ=0 　　接觸疲勞壽命系數(shù) Zn=0 　　潤滑油膜影響系數(shù) Zlvr=0 　　工作硬化系數(shù) Zw=0 　　接觸強度尺寸系數(shù) Zx=0 　　齒向載荷分布系數(shù) KFβ=0 　　齒間載荷分布系數(shù) KFα=0 　　抗彎強度重合度系數(shù) Yε=0 　　抗彎強度螺旋角系數(shù) Yβ=0 　　抗彎強度重合、螺旋角系數(shù) Yεβ=0 　　壽命系數(shù) Yn=0 　　齒根圓角敏感系數(shù) Ydr=0 　　齒根表面狀況系數(shù) Yrr=0 　　尺寸系數(shù) Yx=0 　　齒輪1復合齒形系數(shù) Yfs1=0 　 齒輪1應力校正系數(shù) Ysa1=0 　　齒輪2復合齒形系數(shù) Yfs2=0 　　齒輪2應力校正系數(shù) Ysa2=0 第四章 關節(jié)型機器人大臂結構設計 通過總體分析后,確定了機器人的結構。所設計的大臂關節(jié)部分采用二級齒輪減速傳動。 4.1 電動機的選擇 設腰部，小臂和腕部水平展開時對于大臂關節(jié)的主軸的轉(zhuǎn)動慣量,,,根據(jù)平行軸定理可得繞大臂關節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為: =+++++ （4-1） 、、分別為20kg、15kg、50kg,、、分別為重心到第一關節(jié)軸的距離，其值分別為500mm、1000mm、1000mm，在式（3-1）中<<、<<、<<故、、可忽略不計。所以繞第一關節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為： =++ =20×+15+50 =70 因為繞第一關節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量是最大的，所以其他的轉(zhuǎn)動慣量就不要計算了。 設主軸速度為102°/s，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： T=J×W 式中： T ——旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩 N ?m w ——角加速度 rad /s 使機械手主軸從w=0到w=80° /s所需時間為： Δ t= 1s 則： =*w=*=70*80/180*97.69N?m 若考慮繞機械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為100 N ?m 電動機的功率可按下式估算 (1.5∽2.5) 式中： Pm——電動機功率 W ； MLP——負載力矩 N ? m ； ΩLP——負載轉(zhuǎn)速 rad / s ； η ——傳動裝置的效率，初步估算取0.97*0.95=0.87； 系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取2.5 2.5*397 N?m 估算 Pm后就可選取電機，使其額定功率 Pr滿足下式 選擇SZ系列直流伺服馬達 130SZ13C 表4-1 130SZ13C直流電動機伺服馬達技術數(shù)據(jù) 型號 力矩 （mNm） 轉(zhuǎn)矩 （r/min） 功率 (w) 電壓 (v) 電流 (A) 130SZ13C 1912 2500 500 160 5.00 4.2 計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動 通過電機的主軸轉(zhuǎn)速和腰部旋轉(zhuǎn)的做大角速度可求得大概的總傳動比 ==189.4 取V帶輪傳動的傳動比=3，二級圓柱齒輪減速器傳動比=30，按展開式分布，由展開式曲線查得=6.5，則=30/6.5=4.6。 ==2.1 4.3 軸的設計計算 4.3.1 軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率計算 a.各軸轉(zhuǎn)速 I軸 =2500/3=833.3r/min Ⅱ軸 =833.3/6.5=128.2r/min Ⅲ軸 =128.2/4.6=27.87r/min Ⅳ軸 =27.87/2.1=13.27r/min b.各軸輸入功率 Ⅰ軸 =?=2500*0.96=2400W Ⅱ軸 =?=2400*0.98*0.96=2257.92W Ⅲ軸 =2257.92**0.96=2081.77W Ⅳ軸 =2081.77**0.96=1880.97W c.各軸輸入扭矩 Ⅰ軸 =9550*=9550*2.4/833.3=27.5 N ? m Ⅱ軸 =9550*=9550*2.25792/128.2=168.2 N ? m Ⅲ軸 =9550*=9550*2.08177/27.87=713.34 N ? m Ⅳ軸 =9550*=9550*1.88097/13.27=1353.67 N ? m 4.3.2 軸尺寸的確定 兩實心軸的材料均選用45號鋼，查表知軸的許用扭剪應力[t ]= 30MPa， 由許用應力確定的系數(shù)為A=115 第一根軸設計及校核 按扭轉(zhuǎn)強度條件計算 由材料力學可知，軸受扭矩時的強度條件為 dA=115=16.36mm 因為軸是齒輪軸,所以可以將軸的軸徑加工的大一點,以滿足齒輪嚙合時強度 的要求。 輸出軸的最小軸頸處取24mm 同理： Ⅱ軸取最小軸頸為30mm Ⅲ軸取最小軸頸為50mm Ⅳ軸腰部主軸取最小軸頸為60mm 4.3.3 軸的設計校核 一、軸的總體設計信息如下： 軸的編號：001 軸的名稱： 階梯軸 軸的轉(zhuǎn)向方式：雙向旋轉(zhuǎn) 軸的工作情況：無腐蝕條件 軸的轉(zhuǎn)速：833.3r/min 功率:2.4kW 轉(zhuǎn)矩：27500N·mm 所設計的軸是實心軸 材料牌號：45 調(diào)質(zhì) 硬度(HB)：230 抗拉強度：650MPa 屈服點：360MPa 彎曲疲勞極限：270MPa 扭轉(zhuǎn)疲勞極限：155MPa 許用靜應力：260MPa 許用疲勞應力：180Mpa 二、確定軸的最小直徑如下： 所設計的軸是實心軸 A值為：115 許用剪應力范圍：30～40Mpa 最小直徑的理論計算值：16.36mm 滿足設計的最小軸徑：24mm 三、軸的結構造型如下： 軸各段直徑長度：