水平4關節(jié)工業(yè)機器人結構設計,水平,關節(jié),工業(yè),機器人,結構設計 本科生畢業(yè)設計（論文） 水平4關節(jié)工業(yè)機器人結構設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 摘 要 機器人既有人對環(huán)境的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。如今，機器人工業(yè)已成為世界各國備受關注的產(chǎn)業(yè)。 關鍵詞：機器人；工業(yè)；傳動；強度 III Abstract Robot people on the environment both rapid reaction and analytical skills, but also the machine can continue to work long hours，High accuracy, ability to resist bad environmental，In a sense it is a product of the evolution of the machine，It is the industrial and non-industrial sector, an important production and service equipment，Advanced manufacturing technology is indispensable automation equipment。Today, the robot industry has become the industry closely watched around the world. Key Words: Robot; industry; transmission; strength 目 錄 摘 要 2 Abstract III 目 錄 1 第1章 緒論 2 1.1 機器人概念 2 1.2 課題研究的背景和意義 2 1.3 國內(nèi)機器人的研究 3 1.4 本課題研究內(nèi)容 5 第2章 機器人總體設計 7 2.1 機械結構類型的選擇 7 2.2 額定負載 8 2.3 工作范圍 8 2.4 操作機的驅(qū)動系統(tǒng)設計 8 2.5 控制系統(tǒng)選擇 9 第3章 SCARA機器人的機械結構設計 10 3.1 SCARA機器人的總體設計 10 3.1.1 SCARA機器人的技術參數(shù) 10 3.1.2 SCARA機器人外形尺寸與工作空間 10 3.1.3 SCARA機器人的總體傳動方案 11 3.2機器人關鍵零部件設計計算 11 3.2.1減速機的設計計算 11 3.2.2電機的設計計算 17 3.2.3同步齒型帶的設計計算 18 3.2.4滾珠絲杠副的設計計算 19 3.3大臂和小臂機械結構設計 21 3.4腕部機械結構設計 22 3.5 腰部機構設計 23 3.6小結 26 . 總 結 27 參考文獻 28 致 謝 29 第1章 緒論 1.1 機器人概念 機器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。它是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領域中均有重要用途。 機器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化的、獨立的自動化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，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。 1.2 課題研究的背景和意義 機器人的出現(xiàn)和應用是人類生產(chǎn)和社會進步的需要，是科學技術發(fā)展和生產(chǎn)工具進化的必然。機器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的劇本《羅薩姆的萬能機器人》中，在該劇中，機器人“Robota”這個詞的本意是指苦力，是劇作家筆下的一個具有人的外表、特征和功能的機器，是一種人造的勞動力。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機器人技術已經(jīng)廣泛應用于人類生活領域，研制具有人類外觀特征、可模擬人類行走和其他動作的機器人一直是人類的夢想之一。 機器人是機器人技術中的一個重要研究課題，而雙足機器人是機器人研究的前奏。步行技術是人與大多數(shù)動物所具有的移動方式，是一種高度自動化的運動，雙足步行系統(tǒng)具有非常復雜的動力學特性，對于環(huán)境具有很強的適應性，它相對輪式、履帶式機器人具有無可比擬的優(yōu)越性，它可以進入狹窄的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺階、斜坡及在不平整地面上工作，可以護理老人、康復醫(yī)學以及在一般家庭的家政服務都可以應用。它適應環(huán)境的能力更強，因此具有更加廣泛的應用前景。 在機器人的研制中，機器人仿真是機器人研究的一項重要的內(nèi)容，它涉及機器人機構學、機器人運動學、機器人零件建模、仿真機器人三維實現(xiàn)和機器人的運動控制，是一項綜合性有創(chuàng)新意義和實用價值的研究課題。仿真利用計算機可視化和面向?qū)ο蟮氖侄?，模擬機器人的動態(tài)特性，幫助研究人員了解機器人工作空間的形態(tài)及極限，提示機構的合理運動方案及有效的控制算法，從而解決在機器人設計、制造以及運行過程中的問題，避免了直接操作實體可能會造成的事故或者不必要的損失。仿真也為機器人本體結構方案設計提供參考依據(jù)，并在這臺機器上模擬能都實現(xiàn)的功能，使用戶直接看到設計效果，及時找出缺點和不足進行改進，避免了大量的物力、人力的浪費[1，2]。 1.3 國內(nèi)機器人的研究 國內(nèi)機器人的研究也在863計劃和自然科學基金的支持下持續(xù)開展了多年，如國防科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京理工大學、清華大學、上海交通大學、中國科學技術大學等，都先后開始研制機器人樣機[4]。 據(jù)日本工業(yè)機器人協(xié)會統(tǒng)計，早期的日本工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值約為50億日元，經(jīng)過70年代的應用期和80年代的普及期，1981年產(chǎn)值達到1000億日元，到1991年提高到6000億日元，到2000年，其產(chǎn)值達到10800億日元，2005年將達到18500億日元。 據(jù)國際機器人協(xié)會統(tǒng)計，2003年工業(yè)機器人發(fā)貨量呈現(xiàn)強勁增長勢頭。與2002年相比，2003年全球范圍內(nèi)機器人的訂貨量增長約10%以上。預計，工業(yè)機器人的世界市場將從2002年的68600臺套增長到2006年的91100多臺套，年平均增長7.4%。 （2）國外工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢 機器人涉及到機械、電子、控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡等多個學科和領域，是多種高新技術發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學科發(fā)展密切相關。機器人在制造業(yè)的應用范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網(wǎng)絡化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強，并向著成套技術和裝備的方向發(fā)展。機器人應用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉變，向以人為中心的個人化和微小型方向發(fā)展，并將服務于人類活動的各個領域?？傏厔菔菑莫M義的機器人概念向廣義的機器人技術（RT）概念轉移；從工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)向解決工程應用方案業(yè)務的機器人技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機器人技術（RT）的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應用機器人技術的、具有實在動作功能的智能化系統(tǒng)?！蹦壳?，工業(yè)機器人技術正在向智能機器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結構的模塊化和可重構化；控制技術的開放化、PC化和網(wǎng)絡化；伺服驅(qū)動技 術的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術的實用化；工作環(huán)境設計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡化 和智能化等方面。 工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機器人以來，機器人技術及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)(FMS)、自動化工廠(FA)、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動化工具。 ? 廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計算機、網(wǎng)絡技術一樣，工業(yè)機器人的廣泛應用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。 1.2.1、工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 國外專家預測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(UNECE)和國際機器人聯(lián)合會(IFR)的統(tǒng)計，世界機器人市場前景看好，從20世紀下半葉起，世界機器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。進入20世紀90年代，機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長率平均在10％左右。2004年增長率達到創(chuàng)記錄的20％。其中，亞洲機器人增長幅度最為突出，高達43%。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，工業(yè)機器人已在越來越多的領域得到了應用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機器人得到了廣泛的應用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機器人都已逐步取代了人工作業(yè)。 圖1一1SCARA機器人 1.4 本課題研究內(nèi)容 以北301實驗室現(xiàn)有的機器人為原型，對其具體結構進行設計。機械手的主要技術參數(shù)要求如下： 工作半徑：800mm； 負載：5kg； 關節(jié)活動范圍： 軸1旋轉+125°－ -125°，速度 250°/s 軸2旋轉+145°－ -145°，速度 250°/s 軸3手臂200mm，速度 1500mm/s 軸4手腕+360°－ -360°，速度 320°/s 重復定位精度：0.5mm。 完成以下幾方面的具體設計： 1、 4個關節(jié)伺服電機的選型、機械減速驅(qū)動方案的確定； 2、 整體結構的設計與運動仿真； 3、 結構設計需要考慮關節(jié)潤滑、導線進出等； 4、機構整體剛度要進行校核。 第2章 機器人總體設計 2.1 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4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，它由兩個轉動和一個直線移動所組成，即一個回轉，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. 又稱回轉坐標型，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 采用兩個回轉關節(jié)和一個移動關節(jié)；兩個回轉關節(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體，縱截面高為移動關節(jié)的行程長，兩回轉關節(jié)轉角的大小決定回轉體橫截面的大小、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：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。 2.2 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末端能承受的最大載荷是5kg。 2.3 工作范圍 工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中的操作范圍和運動的軌跡來確定的,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機器人的機械結構坐標型式、自由度數(shù)和操作機各手臂關節(jié)軸線間的長度和各關節(jié)軸轉角的大小及變動范圍的選擇。 2.4 操作機的驅(qū)動系統(tǒng)設計 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。 2.5 控制系統(tǒng)選擇 對于機器人這種精度要求不高的工業(yè)機器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教方式作為一種成熟的技術，易被熟悉工作任務的人員掌握。無論是手把手示教或示教盒示教，都是以在線編程，由示教操作人員操作移動末端執(zhí)行器和手臂到所需的位置。然后記錄（存儲）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過程完成后，即可應用，機器人以再現(xiàn)方式重復進行示教時存于存儲器的點位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過程的速度可以與示教時速度不同。 利用示教手柄由人工引導末端執(zhí)行器經(jīng)過所要求的軌跡，此時位置傳感器就檢測出機器人操作機上各關節(jié)處的坐標（或轉角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲存）下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時，機器人控制系統(tǒng)重復再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。手把手示教也能實現(xiàn)點位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。軌跡運動速度則按各軌跡程序段對應的功能數(shù)據(jù)輸入。 第3章 SCARA機器人的機械結構設計 近年來，工業(yè)機器人有一個發(fā)展趨勢:機械結構模塊化和可重構化。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化;由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外己有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。本章介紹模塊化的設計方法在SCARA機器人的結構設計中的應用。 3.1 SCARA機器人的總體設計 3.1.1 SCARA機器人的技術參數(shù) 工作半徑：800mm； 負載：5kg； 關節(jié)活動范圍： 軸1旋轉+125°－ -125°，速度 250°/s 軸2旋轉+145°－ -145°，速度 250°/s 軸3手臂200mm，速度 1500mm/s 軸4手腕+360°－ -360°，速度 320°/s 3.1.2 SCARA機器人外形尺寸與工作空間 依據(jù)設計要求，SCARA機器人的外形尺寸如圖2一1所示，工作空間如圖2一2。 圖2一1 SCARA機器人的結構圖 3.1.3 SCARA機器人的總體傳動方案 VR減速器是近幾年發(fā)展起來的以兩級減速和中心圓盤支撐為主的全封閉式擺線針輪減速器，與其它減速方式相比，VR減速器具有減速比大、同軸線傳動、傳動精度高、剛度大、結構緊湊等優(yōu)點，適用于重載、高速和高精度場合。諧波減速器也具有傳動比大，承載能力大，傳動精度高，傳動平穩(wěn)，傳動效率高，結構簡單、體積小，重量輕等優(yōu)點，而且相對于VR減速器而一言，其制造成本要低很多，所以在本設計中采用諧波減速機。SCARA機器人大小臂均要承受軸向壓力和傾覆力矩，所以大臂和小臂均采用諧波減速機加推力向心交叉短圓柱滾子軸承結構。而推力向心交叉短圓柱滾子軸承剛度高，能承受軸向壓力與徑向扭矩，與諧波減速機配合正符合SCAAR機器人大小臂高剛性及高的抗傾覆力矩的要求。這樣有利于縮短傳動鏈，簡化結構設計。機器人的傳動系統(tǒng)中主要是使用VR減速器或諧波減速器。由于主軸處于機器人小臂末端，相對線速度大，對重量與慣量特別敏感，所以傳動方式要求同時實現(xiàn)Z軸方向直線運動和繞Z軸的回轉運動，并要求結構緊湊、重量輕。經(jīng)過比較，選擇同步齒形帶加滾珠絲杠來實現(xiàn)Z軸上下運動，而用同步齒形帶加帶鍵的滑動軸套來實現(xiàn)Z軸旋轉運動。 大臂回轉:步進電機1一>減速器一>大臂 小臂回轉:步進電機2一>小臂 主軸垂直直線運動:步進電機3一>同步齒形帶一>絲杠螺母一>主軸 主軸旋轉:步進電機4一>同步齒形帶一>花鍵一>主軸 3.2機器人關鍵零部件設計計算 3.2.1減速機的設計計算 軸1旋轉+125°-- -125°，速度 250°/s=4pi/3rad/s 諧波齒輪傳動簡介 所謂諧波傳動是一種靠中間柔性構件彈性變形來實現(xiàn)運動和動力傳動的裝置的總稱。在諧波傳動出現(xiàn)后短短的幾十年中，世界各工業(yè)比較發(fā)達的國家都集中了一批研究力量，致力于這類新型傳動的研制，幾乎對該類傳動的整個領域中的全部問題均進行了程度不同的研究。當然，由于諧波傳動本身所涉及問題的復雜性和廣泛性，因而有不少問題目前尚未作最后定論。 圖1 諧波齒輪傳動系統(tǒng) 諧波齒輪傳動系統(tǒng)有三個基本構件組成，如圖2-1所示：剛輪1(Circular Spline)，柔輪2(Flexspline)和波發(fā)生器3(Wave Generator)。諧波齒輪傳動的原理就是在柔性齒輪構件中，通過波發(fā)生器的作用，產(chǎn)生一個移動變形波，并與剛輪齒相嚙合，從而達到傳動目的。 特點： 優(yōu)點： (1)結構簡單，體積小，重量輕 3, 50%, 1/3 (2)傳動比范圍大 50~300, 3000~60000 (3)同時嚙合的齒數(shù)多 30%,正是由于同時嚙合齒數(shù)多這一獨特的優(yōu)點，使諧波傳動的精度高，齒的承載能力大，進而實現(xiàn)大速比、小體積。 (4)承載能力大 (5)運動精度高 (6)運動平穩(wěn)，無沖擊，噪聲小 (7)齒側間隙可以調(diào)整 (8)齒面磨損小而均勻，傳動效率高 (9)同軸性好 (10)可實現(xiàn)向密閉空間傳遞運動及動力 缺點： (1)柔輪周期性變形，易于疲勞損壞 (2)柔輪和波發(fā)生器的制造難度較大 (3)傳動比的下限值高，齒數(shù)不能太少 (4)起動力矩大，且速比越小越嚴重； (5)諧波齒輪傳動沒有中間軸，因而不能獲得中間速度 (6)如果結構參數(shù)選擇不當或結構時機不良，發(fā)熱過大，降低傳動承載能力 齒形幾何參數(shù) 傳動嚙合參數(shù) 結構尺寸 表1 諧波齒輪齒形幾何參數(shù)計算公式 名稱 代號 計算公式 備注 波數(shù) n 雙波時，n=2 波高 d 模數(shù) m 齒距 p 柔輪齒數(shù) 剛輪固定： 柔輪固定： 剛輪齒數(shù) 剛輪固定： 柔輪固定： 齒頂高 齒根高 頂隙 分度圓齒厚 剛輪分度圓直徑 剛輪齒頂圓直徑 剛輪齒壓力角 雙波時， 柔輪分度圓直徑 柔輪齒頂圓直徑 柔輪齒壓力角 雙波時， 剛輪齒根圓直徑 柔輪齒根圓直徑 表2 諧波齒輪傳動的嚙合參數(shù)選擇及幾何計算 名稱 代號 計算公式 備注 齒頂高系數(shù) 頂隙系數(shù) 柔輪變位 系數(shù) 對于柔性軸承已按標準選定的， --柔性軸承的外徑； --壁厚； 對于動力傳動和傳遞運動的傳動，可按照《諧波齒輪傳動的理論和設計》（沈允文.1985）圖4-9選擇 剛輪變位 系數(shù) 大致可??； 對于齒嚙式輸出聯(lián)接的剛輪，大致?。? ； 根據(jù)具體情況可作適當調(diào)整 柔輪齒根圓直徑 為了防止齒頂變尖和嚙入瞬時產(chǎn)生齒頂干涉，因而采用縮短齒頂高的辦法 柔輪齒頂圓直徑 徑向變形 系數(shù) 一般可?。? 最大嚙入 深度 （又稱齒廓工作段高） 從提高傳動承載能力的角度出發(fā)，必須保證 對于的傳動， 受到齒頂變尖的限制，同時受到用插齒刀能否加工出所需剛輪齒根圓直徑的條件限制 剛輪齒頂圓直徑 剛輪的齒頂圓和齒根圓直徑是根據(jù)在齒輪嚙入深度處保證有必要的徑向間隙以及消除過度曲線干涉的條件下確定的 剛輪齒根圓直徑 基準齒形角 當時，與相對應的柔輪之節(jié)圓壓力角應為 采用壓力角時，柔輪中應力有所減小 柔輪基圓 直徑 柔輪分度圓直徑 柔輪分度圓齒厚 剛輪基圓 直徑 剛輪分度圓直徑 剛輪分度圓齒厚 測量用圓柱直徑 柔輪分度圓齒厚改變系數(shù) 剛輪分度圓齒厚改變系數(shù) 測量柔輪時量柱中心所在遠上的漸開線壓力角 測量剛輪時量柱中心所在遠上的漸開線壓力角 測量柔輪時用的量柱測量距 測量剛輪時用的量柱測量距 表3 圓柱形柔輪結構尺寸 名稱 代號 參數(shù)計算 備注 柔輪長度 一般， ； 對于齒式聯(lián)接結構的柔輪，可取 ； 對于短筒柱形柔輪， 對于整體式柔輪，取偏大值； 輕載時d值可適當減小，重載時可適當增大； 塑性柔輪壁厚為鋼制柔輪的2~3倍 柔輪壁厚 或者： 柔輪光滑筒體部分的壁厚 或者 齒圈寬度 其中， --齒寬系數(shù)， 對于動力傳動， 對于傳遞運動的傳動， 聯(lián)接齒圈的寬度 3.2.2電機的設計計算 軸(機座旋轉軸)的等效轉動慣量為 式中:初擬機座的外徑為150mm，內(nèi)徑為100mm，帶輪直徑60mm，寬40mm. 設諧波減速器轉動慣量為： 電機的轉子慣量86BYG250B一0402電機的轉子慣量1540 因此自由度弓傳動系統(tǒng)上所有慣量折算到電機軸1上的等效慣量為 電機軸扭矩為： T= 因為所選材料的摩擦系數(shù)f=0.002 取響應時間△T=o.045，則 T=1.0 N.m 所選兩相混合式步進電機YCT132-4A電機在1230rpm時扭矩為1.1N.m，滿足要求，其余幾個電機的選擇計算類似， 型 號? Model 標稱功率 Momical Power Kw 額定轉矩? Rated torque Nm 調(diào)速范圍? Adjustable apeed range r/min 轉速變化率? Speed variation ratio % 噪音? Noise [dB（A）] （≤) 重量? WeightKg YCT90-4A 0.37 2.3 1200~120 ≤ 2.5 73 33 YCT112-4A 0.55 3.6 1230~125 75 55 YCT112-4B 0.75 4.9 1230~125 75 60 YCT132-4A 1.1 7.1 1230~125 75 85 3.2.3同步齒型帶的設計計算 考慮到整體結構，選擇一對直徑40mm左右的帶輪 （1）確定同步齒輪型的設計功率 同步齒型帶傳遞的設計功率隨載荷性質(zhì)、速度增減和張緊輪的配置而變化。令K1為考慮載荷性質(zhì)和運轉時間的工況修正系數(shù)，K2為考慮增速的修正系數(shù)，K3為考慮張緊輪的修正系數(shù)。 設計功率為: (2) 選擇帶型和帶輪節(jié)徑及齒數(shù) 參照“同步帶選型圖”選擇帶型為L型，則選擇帶輪20L050，節(jié)徑40.64mm，外徑39.88mm，齒數(shù)為20，節(jié)距P。=9.525mm。接下來驗算帶速， (3)同步帶的節(jié)線長度Lp，齒數(shù)Zb及傳動中心距 初選中心距 取 圓整為370mm，則選擇長度代號為143的同步帶型，齒數(shù)為38，計算實際中心距C =89.7702 (4)確定實際嚙合齒數(shù)Zm (5)確定實際同步帶寬度 選取同步帶的寬度為12.7mm，帶輪寬度為14+2mm 3.2.4滾珠絲杠副的設計計算 (1)最大工作載荷計算。 工作最大負載Fz =15N，沿Z軸方向，即絲杠軸向。因此，滾珠絲杠的進給抗力，即最大工作載荷Fm為 設橫向工作載荷為： Fy=0.5Fz=7.5N 為導桿和軸套之間的摩擦系數(shù)，=0.15。 因此，絲杠最大工作載荷為 (2)最大動負載C校核 滾珠絲杠最大動負載 L為工作壽命，;n為絲杠轉速， ， T為額定使用壽命(h)，取T=1500則L=60x3000x15000/=2700. 為運轉狀態(tài)系數(shù)，無沖擊，=1.2，因此 ， 查表知FF1204-3的額定動負載，安全裕度為： 。 靜載校核因工作載荷很小，肯定滿足條件。因此，對于該自由度的傳動系統(tǒng)的計算及校核可以省略。 (3)剛度驗算 絲杠的拉壓變形量為 δ1= 式中:L為滾珠絲杠在支撐間的受力長度，取L=1mm;E=20.6x MPa;絲杠底徑dl近似為外徑和滾珠直徑之差，即=d-，絲杠外徑d=-(0.2一0.25) ，絲杠名義直徑已知12mm，查表知滾珠直徑=2.38lmm，因此絲杠底徑為=9.5mm,A=，于是拉壓變形量為δ1=16.125x120/(20.6x x70.84)=1.326x 該變量可以忽略不計，因工作載荷很小，滾道接觸變形量從略。 (4)壓桿穩(wěn)定性驗算。 失穩(wěn)時的臨界載荷為 采用兩端固定的支承方式，查表知支承方式系數(shù)f=0.25;I為截面慣性矩，I=/64=1091.18 L=12Omm。因此 穩(wěn)定安全裕度為 因工作負載很小，壓桿不會失穩(wěn)。 (5)傳動效率計算 η=tg入/tg(入十Φ) 根據(jù)初選滾珠絲杠型號查表只知螺旋升角入=40o33’，摩擦角一般約為10’，則 η=tg40o33’/tg40o43’=0.96，傳動效率高。 3.3大臂和小臂機械結構設計 如圖2一5大臂裝配結構圖所示，機器人大臂8的驅(qū)動電機1和諧波減速器2直聯(lián)后安裝在機器人大臂內(nèi)部。諧波減速器7的輸出軸銑成方形插入底座14內(nèi)，底座14通過螺栓13固定在機座1上。同時推力向心交叉短圓柱滾子軸承的內(nèi)圈通過螺栓n與連接板5聯(lián)結在一起，連接板通過螺栓6聯(lián)結在大臂上，推力向心交叉短圓柱滾子軸承的外圈通過螺栓2與機座1聯(lián)結在一起。當電機軸旋轉時，受到固定限制的減速器輸出軸不能轉動，從而電機和減速器以及大臂反向旋轉。這樣機器人大臂就可以繞機座中心軸相對固定機座轉動，但轉動方向與減速機輸出軸轉向相反。同時在圓周方向，固定基座應該安裝兩個極限行程開關4和兩個限位擋塊，而運動體則要安裝壓板和行程觸發(fā)塊12，以限制大臂在規(guī)定范圍內(nèi)轉動，以免機器人小臂部分在運動空間之外與其他設備或部件碰撞【g〕。 采用模塊化設計方法，小臂與大臂裝配結構類似。機器人小臂電機也安裝 在小臂內(nèi)部，這樣雖然增加了小臂慣量，但有利于簡化結構設計和零部件制造 工藝。傳動原理及結構設計與大臂類似，小臂裝配結構圖略。由于三四關節(jié)所 有導線都要通過關節(jié)二外殼罩，所以在小臂與三四關節(jié)殼罩之間增加一段導線 管用來通三四關節(jié)導線171 3.4腕部機械結構設計 圖2一7腕部裝配結構圖 1.下端蓋 2.滑塊 3.軸承套 4.絲桿 5.導桿 6.步進電機 7.滾珠螺母及導軌滑塊 8.腕部機殼 9.步進電機 10.同步齒形帶 11.腕部上端機殼 12.制動塊 13.導桿 14.同步齒形帶 15.軸承套 16.密封圈 17.主軸 腕部裝配結構圖如圖2一7所示。為了便于加工及保證精度，把安裝滾珠絲杠一端的端蓋3及支撐上端蓋的殼體(圖中未標出)設計成分離式結構，依靠殼體兩端面與小臂及上端蓋配合面來保證絲杠與主軸平行度。由于同步齒形帶要能調(diào)整中心距及帶張緊力，因此電機6先安裝在電機連接板上，然后再把連接板及上端蓋固定在一起，上端蓋用來連接電機連接板的四個孔，螺栓在兩個帶輪中心線方向上可以進行微調(diào)。這樣在裝配時可對兩帶輪中心距及帶張緊力進行調(diào)整。對于電機13直接連接在滾珠螺母與導桿滑套上，這樣電機可隨著主軸一起做直線運動。由于滾珠絲杠沒有自鎖功能，Z軸方向又是負載作用力主方向，受結構尺寸限制無法在電機6上加抱閘，因此在滾珠絲杠頂端安裝一個制動器來鎖住滾珠絲杠，斷電時自動鎖死，避免滾珠絲杠在斷電時發(fā)生滑動。滾珠絲杠兩端都選用向心推力球軸承，此類軸承存在軸向游隙，可以防止絲杠軸向跳動，提高主軸傳動精度。滾珠螺母與滾珠螺母支架相連接，主軸通過兩個推力球軸承安裝在滾珠螺母支架上，主軸頂端用兩個小圓螺母加以鎖緊。導柱2,是否需要還有待實驗進一步驗證。主軸升降通過限位開關控制其行程，所以在螺母支架上安裝有一擋塊，在上端相應位置安裝有接近開關，這樣主軸離端蓋一定距離時就有信號通知運動控制器，限制該方向運動。在滾珠絲杠下端添加一個防撞的橡膠墊圈，避免滾珠螺母與小臂上表面發(fā)生剛性碰撞。 3.5 腰部機構設計（含齒輪計算校核） 兩實心軸的材料均選用45號鋼，查表知軸的許用扭剪應力= 30MPa，由許用應力確定的系數(shù)為C=120. A. 第一根軸設計及校核 a.此軸傳遞扭矩 （3-16） 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。 齒輪的分度圓直徑為50mm,齒輪兩端裝有軸承,加工一段軸肩來定位軸承.齒輪軸上裝型 號為 滾動軸承7206AC,內(nèi)徑為30mm。具體尺寸如圖3-2所示。 b.軸在初步完成結構設計后，進行校核計算。計算準則是滿足軸的強度或剛度要求。進行軸的強度校核計算時，應根據(jù)軸的具體受載及應力情況，采取相應的方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力，對于用于傳遞轉矩的軸應按扭轉強度條件計算，對于只受彎矩的軸（軸）應按彎曲強度條件計算，兩者都具備的按疲勞強度條件進行精確校核等。 求作用在齒輪上的力： (3-17) 畫軸的受力簡圖 見圖3－3 計算軸的支承反力 在水平面上 (3-18) (3-19) 在垂直面上 (3-20) 畫彎矩圖 見圖3－3 在水平面上，剖面左側 (3-21) 剖面右側 (3-21) 在垂直面上 (3-22) 合成彎矩，剖面左側 (3-23) 剖面右側 (3-24) 畫轉矩圖 見圖3－3 (3-25) 判斷危險截面 截面左右的合成彎矩左側相對右側大些，扭矩為T，則判斷左側為危險截面，只要左側滿足強度校核就行了。 軸的彎扭合成強度校核 許用彎曲應力，， 截面左側 (3-26) (3-27) c.軸的疲勞強度安全系數(shù)校核 查得抗拉強度 ，彎曲疲勞強度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 截面左側 (3-28) 查得，；查得絕對尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則 彎曲應力 ， (3-29) 應力幅 平均應力 切應力 (3-30) 安全系數(shù) (3-31) (3-32) (3-33) 查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。其它軸用相同方法計算，結果都滿足要求。 B.中間軸設計 此軸傳遞扭矩,轉速,傳遞功率為,則 （3-34） 安裝軸承部分軸徑最小,由于整個軸上零件較復雜,在兩軸承之間有車在軸上的齒輪,還有安裝在軸上的小齒輪,以及軸套和軸承,所以可取大一點,這里取,軸承部分,軸承選為單列角接觸球軸承,軸承型號為 滾動軸承7206AC,其余根據(jù)結構確定.由于載荷不大,軸承選的較大,強度足夠,這里不再詳算。中間軸大體結構及尺寸如圖3-4所示。 C. 主軸的設計 主軸是連接腰關節(jié)與大臂的結構，因結構體積比較大,為節(jié)省材料減輕重量,故需設計成空心軸,主要承受軸向拉力,取內(nèi)徑,外徑,用圓錐滾子軸承支承,軸承型號為 滾動軸承30205。主軸材料選用型號為ZAlCu5Mn的鑄鋁合金。 3.6小結 SCARA機器人大臂和小臂結構相同，基本上實現(xiàn)模塊化設計，符合發(fā)展趨勢; 三個模塊相互獨立、結構簡單、零部件少、精度高、可靠性高，不僅適用于S以AR平面關節(jié)式裝配機器人設計，其一二關節(jié)模塊結構同樣適用于其他關節(jié)式機器人前端轉動關節(jié)設計。三四關節(jié)模塊結構緊湊，充分利用結構空間，能同時實現(xiàn)高速旋轉運動與直線運動，主軸直線運動距離為100mm，而整個模塊在主軸方向高度約為4O0mm左右。同時，三四關節(jié)的電機軸與主軸不在同一直線上，也有利于結構布局，所以該模塊也可應用在一些對精度和結構尺寸都有要求的組合運動結構設計中。 . 總 結 進行了機器人總體設計關節(jié)的詳細設計 機器人應該具有外形簡單、傳動原理簡單等特點，為此機器人設計成具有4自由度的結構，由機身、大臂、小臂、腕部組成，充分利用了大臂和小臂的空間，結構緊湊。我國機器人的研究和應用起步較晚，但是隨著國內(nèi)外機器人的快速發(fā)展、社會需求的增大和技術的進步，焊接機器人得到了迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，是推動裝焊接機器人發(fā)展的直接動力。機器人在輕型、較簡單且要求機器人價格較低的焊接作業(yè)中大顯了身手。本課題正是在這種背景下提出來的，這是一項具有重要意義的課題。本文主要完成了如下工作: 參考文獻 [1] 汪愷. 機械設計標準應用手冊[M]. 機械工業(yè)出版社. 1997.8. 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[13] 馬香峰.工業(yè)機器人的操作機設計[M].冶金工業(yè)出版社. 29 致 謝 畢業(yè)設計是將大學所學的知識融合在一起，綜合運用所有的相關專業(yè)知識，是課本知識在實際中的應用。通過這次畢業(yè)設計，使我的專業(yè)知識在原有的基礎上得到更加的鞏固和提高，這離不開老師和同學們的幫助。本設計分析是在老師的指導下完成的，在分析的過程中，尹長城老師給了我很大的鼓勵，在設計分析中引導我去思考了更多的設計思路，增強了我的學習能力，與我們一起討論問題，使我對分析有了更清晰明確的認識，使我受益非淺。 畢業(yè)設計是我們專業(yè)知識綜合應用的實踐訓練，這是我們邁向社會、從事職業(yè)工作前一個必不可少的過程。“千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古言的真正含義。我今天認真地進行課程設計，學會腳踏實地地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎。 說實話，畢業(yè)設計真是有點累。然而一著手清理自己的設計結果，仔細回味畢業(yè)設計的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使我倦意頓消。雖然這是我剛學會走完的第一部，是我人生中的一點小小的勝利，然而它令我感到自己成熟了許多。 通過畢業(yè)設計，使我深深體會到，干任何事都必須耐心、細致。課程設計過程中，許多計算有時不免令我感到有些心煩意亂；有時應為不小心計算出錯，只能毫不留情地重做。但一想起老師平時多耐心的教導，想到今后自己應當承擔的社會責任，想到世界上因為某些細小失誤而出現(xiàn)的令世人無比震驚的事故，我不禁時刻提醒自己，一定要養(yǎng)成一種高度負責、一絲不茍的良好習慣。 經(jīng)歷了畢業(yè)設計，使我我發(fā)現(xiàn)了自己所掌握的知識是真正的貧乏，自己綜合運用所學專業(yè)知識的能力是如此的不足，幾年來學習了那么多的課程，今天才知道自己并不會用。想到這里，我真的有點心急了。 由于畢業(yè)時間的倉促，很多本來應該弄懂弄透的地方都沒有時間去細細追究來源，比如網(wǎng)格劃分的控制、坐標系的理解、求解器的選擇等，這使我明白了大學里學的只是一個大體上的方向，離實際應用還有太遠的距離。但我相信方向才是最重要的，因為方向確定了，就會用最少的精力做好事情，這對于我以后的工作至關重要。因為在實際生產(chǎn)生活中，要從事的工種是千差萬別的，只有從中找到自己最拿手，最有發(fā)展前途的崗位，個人才有更多的熱情，也最可能在自己的崗位做出一些貢獻。