3355 三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),自由度,工業(yè),機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) １三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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?dòng)化綜合體（自動(dòng)化工段，生產(chǎn)線和自動(dòng)化車(chē)間） ，將來(lái)甚至實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工廠。這種自動(dòng)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(wú)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(dòng)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(guò)程自動(dòng)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(dòng)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(cāng)儲(chǔ)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(dòng)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(guò)程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)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(duì)工業(yè)六自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)的干涉。但在本次設(shè)計(jì)中出于公司的要求,我主要負(fù)責(zé)第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)中趙勇彪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(qǐng)各位老師批評(píng)指正。第二章 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析２第一章概 述1.1 工業(yè)機(jī)器人的含義及技術(shù)概述到目前為止，世界各國(guó)對(duì)“工業(yè)機(jī)器人”還沒(méi)有做出統(tǒng)一的明確定義。通常所說(shuō)的“工業(yè)機(jī)器人”是一種能模擬人的手、臂的部分動(dòng)作，按照預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動(dòng)化裝置。而它與“機(jī)械手”有一些區(qū)別：“工業(yè)機(jī)器人”多數(shù)指程序可變的獨(dú)立的抓取、搬運(yùn)工件、操縱工具的裝置；“機(jī)械手”多數(shù)是指附屬于主機(jī)、程序固定的自動(dòng)抓取、操作裝置。如自動(dòng)線、自動(dòng)機(jī)的上、下料，加工中心的自動(dòng)換刀的自動(dòng)化裝置。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)社備。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上的代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器長(zhǎng)時(shí)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(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)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(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。1.2 工業(yè)機(jī)器人的組成工業(yè)機(jī)器人一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成。如圖 1-1所示。目前，具有人工智能系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人還處于研究實(shí)驗(yàn)階段。而應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的多數(shù)是那些具有執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人。1．執(zhí)行系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成握取工件（或工具）實(shí)現(xiàn)所需的各種運(yùn)３動(dòng)的機(jī)械部件，包括：手部、腕部、臂部，還有機(jī)身和行走機(jī)構(gòu)。2．驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力的裝置。采用的動(dòng)力源不同，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式也不同。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式有四種：液壓式、氣壓式、電氣式、機(jī)械式。3．控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人或機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作、并檢測(cè)其正確與否。一般常見(jiàn)的為電氣與電子回路控制，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也不斷增多。就其控制方式，可分為分散控制與集中控制兩種類(lèi)型。若以控制的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)分，有兩種：點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。1.3工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)工業(yè)機(jī)器人是一種對(duì)生產(chǎn)條件和生產(chǎn)環(huán)境適應(yīng)性和靈活性很強(qiáng)的柔性自動(dòng)化設(shè)備，它對(duì)穩(wěn)定提高產(chǎn)品品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率和改善勞動(dòng)條件起著十分重要的作用。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展必將對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力發(fā)展產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。所以，國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展十分迅速。國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：1．工業(yè)機(jī)器人的性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作與維修） ，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從 91 年的 10.3 萬(wàn)美元降至 97 年的 6.5 萬(wàn)美元。2．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速器、檢測(cè)系統(tǒng)三為一體；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)世。3．工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)控制向基于 PC 機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。4．機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。5．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。6．當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人第二章 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析４走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。7．機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從 94 年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從 80 年代“七五”計(jì)劃科技攻堅(jiān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五” 、 “八五”科技攻堅(jiān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得廣泛應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步比較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線技術(shù)系統(tǒng)與國(guó)外比還有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200 臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶(hù)的要求， “一客戶(hù)，一次重新設(shè)計(jì)” ，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000 米水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種。在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在二十一世紀(jì)立于世界先進(jìn)行列之中。1.4 設(shè)計(jì)的任務(wù)要求本次設(shè)計(jì)是針對(duì)三軸工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 主要設(shè)計(jì)要求如下： 第一軸：轉(zhuǎn)動(dòng)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 度)轉(zhuǎn)角范圍控制５第二章 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(lèi)機(jī)器人稱(chēng)作第一代，那么，具有一定程度的視覺(jué)、觸覺(jué)、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?lài)?guó)家正在積極研制具有觀覺(jué)、觸覺(jué)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(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成；傳感器有測(cè)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(duì)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(dòng)的裝置，只要不是自主型移動(dòng)機(jī)器人，它通常放在與機(jī)器人不同的地方，通過(guò)導(dǎo)線連接。在工業(yè)機(jī)器人的控制裝置中，有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、PTP 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)和 CP 運(yùn)動(dòng)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(guò)信息傳輸裝置與機(jī)器人本體相連，多用于智能機(jī)器人。如圖 2-1，該機(jī)器人具有六自由度，即大臂的回轉(zhuǎn)、臂的左右擺動(dòng)、臂的上下擺動(dòng)、手腕的回轉(zhuǎn)、手腕的伸縮和手爪的抓取。當(dāng)然，圖中沒(méi)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(dòng)的情況說(shuō)明如下：首先，由電動(dòng)機(jī) M1 經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)大臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)；而后另一手臂由電動(dòng)機(jī) M2 直接驅(qū)動(dòng)作左右擺動(dòng)；還有，第三臂由電動(dòng)機(jī) M3 直接驅(qū)動(dòng)作上下擺動(dòng)；最后，手腕的回轉(zhuǎn)、伸縮及手爪的抓取由其它三個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。第二章 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析６７2.2 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(dòng)原理簡(jiǎn)圖（圖 2-1）：圖 2-1第二章 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析８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(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)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(jí)斜齒輪傳動(dòng)，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(jí)斜齒輪直接固定在機(jī)座上，從而使其它的（上級(jí)的斜齒輪）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)，且電動(dòng)機(jī)又固定在大臂上，所以導(dǎo)致大臂帶著電動(dòng)機(jī)、減速箱一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2.2 傳動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。第一軸采用的是齒輪傳動(dòng)，第二軸、第三軸則采用的是擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)。當(dāng)然，參照以上的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析，現(xiàn)擬定如下三種傳動(dòng)方案：方案一：第一軸：齒輪傳動(dòng)（直齒或斜齒）第二軸、第三軸：擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)方案二：第一軸：蝸桿蝸輪傳動(dòng)第二軸、第三軸：蝸桿蝸輪傳動(dòng)方案三：第一軸：蝸桿蝸輪傳動(dòng)第二軸、第三軸：擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)方案比較論證首先，已知各種傳動(dòng)的傳動(dòng)比 u:直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，u≤4；斜齒輪傳動(dòng)，u≤6；蝸桿蝸輪傳動(dòng)，5≤u≤70，常用 15≤u≤50；擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)， 11≤u≤87（單級(jí)） 。然后估算各軸的傳動(dòng)比，初選轉(zhuǎn)速為 1500r/min 的原動(dòng)機(jī)，則 u1=1500/15=100,u2=1500/20=75。第一軸傳動(dòng)的確定：蝸桿蝸輪傳動(dòng)的特點(diǎn)：1）傳動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)沖擊和噪聲均很??；2）傳動(dòng)比也較大，結(jié)構(gòu)比較緊湊。而在這里采用此傳動(dòng)，則需要兩級(jí)傳動(dòng)才能滿足要求，蝸桿蝸輪的傳動(dòng)是兩軸交錯(cuò)的，這樣一來(lái)也就增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且同時(shí)也增加了轉(zhuǎn)９動(dòng)時(shí)的負(fù)荷；3）由于蝸桿蝸輪嚙合輪齒間相對(duì)滑動(dòng)速度大，使得摩擦損耗大，因而傳動(dòng)效率較低。因此，第一軸采用齒輪傳動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，如采用圓柱直齒輪傳動(dòng)則需要四級(jí)傳動(dòng)，而采用斜齒輪則需要三級(jí)就可以，并且知道在相同的條件下，采用斜齒輪傳動(dòng)比圓柱齒輪傳動(dòng)，在結(jié)構(gòu)上尺寸要小得多，由此可知，采用斜齒輪傳動(dòng)。斜齒傳動(dòng)有如下優(yōu)點(diǎn)：1）嚙合性能好；2）重合度大，傳動(dòng)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。第二軸傳動(dòng)的確定：由各傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比可知，第二軸的傳動(dòng)應(yīng)該采用擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)。擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)有如下優(yōu)點(diǎn)：1）傳動(dòng)比大。一級(jí)傳動(dòng)比為11～87，二級(jí)傳動(dòng)比為 121～7569，三級(jí)傳動(dòng)比可達(dá) 446571；2）結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。如將擺線針輪行星減速器與同功率的兩級(jí)普通圓柱齒輪減速器相比，體積可減小1/2～2/3，重量約減輕 1/2～1/3 以上；3）效率較高。一般效率為 0.92～0.94，最高可達(dá) 0.97；4）傳動(dòng)平穩(wěn)，過(guò)載能力較大，承受沖擊和振動(dòng)的性能較好；5）工作可靠，壽命長(zhǎng)。但是這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造較困難。總上所述，選擇方案一為最佳。第一軸采用三級(jí)斜齒輪傳動(dòng)，第二、第三軸采用擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)。 第二章 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析１０第三章 設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇第一軸的電動(dòng)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(shuō)，第一軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是很大的，必須計(jì)算各零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算出最終動(dòng)力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，再根據(jù)動(dòng)力源軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行選擇電動(dòng)機(jī)。下面計(jì)算第一軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：如圖 3-1-1，該軸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與第二軸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸不同，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸線為 ob 線，則在這種情況下，F(xiàn)G213NMOb圖 3-1-1第三臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：Kgm243.)15cos(.980. 223 ??????mJO第二軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：（3-1-1）2222 )(1?mdcba 235.084)06.1.0.84 ????Kgm27.5兩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：Kgm27.4.058.342221 ?????電電電 JJ兩個(gè)行星輪系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：Kgm215.8..0221輪輪輪減速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：１１Kgm2375.04.152??減J第一軸本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：Kgm2.221??m所以，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：375.0415.87.04.53??總JKgm29.10?而轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度 為：?1/s2854.72????tvV則輸出軸的轉(zhuǎn)矩為 由式（3-1-7）得：MNm19..39.150??總J轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)上的轉(zhuǎn)矩為：Nm7.6.8. ??u電根據(jù)要求 < ，選 P=3KW，n=1000r/min 的 MGMA 型伺服電機(jī)， 為 28.4Nm。電M額 額M第三章 設(shè)計(jì)計(jì)算１２第四章 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1 第一軸的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一軸的傳動(dòng)方案已確定，采用三級(jí)斜齒輪傳動(dòng)，且電動(dòng)機(jī)的功率為P=3KW，n=1000r/min，則傳動(dòng)比 u=1000/15=66.67。一 、傳動(dòng)比的分配：已知斜齒輪的傳動(dòng)比 u≤6，再根據(jù)傳動(dòng)減速時(shí)前面降得慢，而后面降得快的原則，三級(jí)降速的傳動(dòng)比分配如下： u=2.4 4.87 5.7?二 、各級(jí)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)第一級(jí)斜齒輪的傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算：已知電動(dòng)機(jī)的功率 P=3KW，n=1000r/min，傳動(dòng)比u=2.4，則１．選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)1) 按照傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)要求，選用斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)。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(jí)。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選 7 級(jí)精度(GB10095-88)。4) 選小齒輪齒數(shù) Z1=35，大齒輪齒數(shù) Z2=uZ1=2.4 35=84。?5) 選取螺旋角。初選螺旋角 。??4?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）td1321)][(2HEdt ZuTK??????1) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值（1）.試選 。6.1?t（2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。43.2?HZ（3）.由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動(dòng)的端面重合度 圖表，查得 ??， ，則 =801???84.02??? 6.18.0.21?１３（4）.計(jì)小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩N411 10865.203950????nPT m?（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(duì)小齒輪作對(duì)稱(chēng)布置 兩支承相對(duì)小齒輪作對(duì)稱(chēng)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 ；EZEMPa(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；1HLim?2li70(8).計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 91 106.4)538(060 ?????hjLnN992 107.42.4?u(9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得 ；8.HNK；87.02?HNK(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?1H 2.106786.01lim??SKN[ ] = MPa2 9..2liH則取[ ]H=([ ] +[ ] )/2=1012 Mpa?1?22).計(jì)算(1).試算小齒輪分度圓直徑 ，由計(jì)算公式（4-2-1）得td1≥ mmtd1 1548.26)9.078432(.6.90852.134 ????根據(jù)計(jì)算的結(jié)果及電動(dòng)機(jī)的輸出軸徑，取 =50 mm；td1第四章 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算１４(2).計(jì)算圓周速度m/s618.2065106?????ndt(3).計(jì)算齒寬 及摸數(shù)bntmmm459.1td?mm39.1cos0cs1????ztnt?2..25.ntmh 4.hb(4).計(jì)算縱向重合度 ??98.21359.018.318.0?????tgtgzd??（5）計(jì)算載荷系數(shù) K已知使用系數(shù) 。A根據(jù) ，7 級(jí)精度，由動(dòng)載荷系數(shù)值分布圖，查498.2??得動(dòng)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?HK=2.728，由彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)( )圖，?H F查得 =2.45。FK由齒向載荷分配系數(shù)( 、 ),查得 = =1.2，HAKFHAKF故載荷系數(shù)=1×1.07×1.2×2.728=3.5??FVA?(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mm91.64.53031 ???ttKd(7).計(jì)算模數(shù) nm= mmn 79.135cos9.64cos1?z?2. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)１５由式 ≥ mm （3-2-2）nm321][cosFSadYzKT??????1) 確定計(jì)算參數(shù)(1) 計(jì)算載荷系數(shù)1 1.07 1.2 2.45=3.2???FaVAK?(2) 根據(jù)縱向重合度 ，從螺旋角影響系數(shù)圖表查498.2?得 =0.88。?Y(3) 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)31.84cos5331????zv 95.14cos8332???zv(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； =2.196FaYSaY1Fa2FaY(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； =1.782aFSa1Sa2Sa(6) 由齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得 680?FE?Mpa。(7) 由彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.86， =0.87；1FNK2FN(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?SFENF11][?422.571 MPa KFEF22][(9) 計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較FSaY][?=1][FSaY097.74.652??第四章 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算１６=2][FSaY?094.571.48296??小齒輪的數(shù)值大。2）設(shè)計(jì)計(jì)算≥ mmnm 93.07.6.1359.0)4(cos82.3224 ?????對(duì)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。nm4.幾何尺寸計(jì)算1) 計(jì)算中心距 a mm64.12cos2)8435(cos2)(1 ???????nmz將中心距圓整為 =122.5 mma2) 按圓整后的中心距修正螺旋角??????? 729.135.2)843(arcos2)(arcos1mzn?因 值改變不大,故參數(shù) 等不必修正。HZK、、 ???3) 計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑mm06.729.13cos51????nmzdmm4..842?n4) 計(jì)算齒輪寬度mm85.60.7291???db?圓整后取 B2=65 mm；B1=70 mm。第二級(jí)的傳動(dòng)條件：電機(jī)的功率為 P=4.5KW，n=416.7r/min，傳動(dòng)比 u=4.87，具體設(shè)計(jì)計(jì)算如下：１．選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、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)１７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(jí)。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選 7 級(jí)精度(GB10095-88)。3) 選小齒輪齒數(shù) Z1=24，大齒輪齒數(shù) Z2=uZ1=4.87 24=117。?4) 選取螺旋角。初選螺旋角 。??4?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 。6.1?tK（2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。43.2?HZ（3）.由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動(dòng)的端面重合度 圖表，查得 ??， ，則 =7801???87.02???? 65.187.0.21?（4）.計(jì)小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩N411 69.7.41395???nPT?m?（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 ；EZEMPa(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；1HLim?2li70(8).計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 91 18.)53082(7.4606 ?????hjLnN92 18.u(9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得 ；.01HNK；9.02?HNK第四章 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算１８(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?1H105378.01lim??SKN[ ] = MPa2 6.299.2liH則取[ ]H=([ ] +[ ] )/2=1017.5 Mpa?1H?22).計(jì)算(1).試算小齒輪分度圓直徑 ，由計(jì)算公式得td1≥ mmtd1 92.3)5.07843.2(856.19023 24 ????(2).計(jì)算圓周速度m/s18.106492.3106????ndt(3).計(jì)算齒寬 及摸數(shù)bntmmm3.29.391td?mm1.4coscos1 ????ztnt?2.31.25.ntmh 894.hb(4).計(jì)算縱向重合度 ??713.9.08.318.0?????tgtgzd???(5).計(jì)算載荷系數(shù) K已知使用系數(shù) 。A根據(jù) ，7 級(jí)精度，由動(dòng)載荷系數(shù)值分布圖，查得18.0??動(dòng)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)?HK?HK度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)( )圖，查得 =1.37。?FF１９由齒向載荷分配系數(shù)( 、 ),查得 = =1.2，故載荷系數(shù)HAKFHAKF=1×1.07×1.2×1.41=1.78??FVA?(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mm13.46.78150331 ???ttKd(7).計(jì)算模數(shù) nm= mmn 379.124cos3.cos1?z?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(lái)計(jì)算：1) 確定計(jì)算參數(shù)（1） 計(jì)算載荷系數(shù)1 1.07 1.2 1.37=1.726???FaVAK?（2） 根據(jù)縱向重合度 ，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。73.? ?Y（3） 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)27.614cos331????zv08.332zv（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； =2.158FaYSaY1Fa2FaY（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； =1.792aFSa1Sa2Sa（6） 齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得 680?FE?Mpa。（7） 由彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.87， =0.9；1FNK2FN（8） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力第四章 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算２０取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由下式得422.571 MPa?SKFENF11][?437.143 MPa FEF22][（9） 計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較FSaY][?=1][FSa098.571.4269??=2][FSaY?.3.8小齒輪的數(shù)值大。2）設(shè)計(jì)計(jì)算≥ mmnm 257.1098.65.1249.0)4(cos876.123 2?????對(duì)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 mmnm4.幾何尺寸計(jì)算1) 計(jì)算中心距 mm987.104cos25.)7(cos2)(1 ???????nmza將中心距圓整為 =108.52) 按圓整后的中心距修正螺旋角??????? 93.125.082)74(arcos2)(arcos1mzn?因 值改變不大,故參數(shù) 等不必修正。HZK、、 ???2） 大小齒輪的分度圓直徑mm937.6.12cos531????nmzd２１mm063.189.2cos542?????nmzd4) 計(jì)算齒輪寬度mm4.7.3601?bd?圓整后取 B2=35 mm；B1=40 mm。第三級(jí)的傳動(dòng)條件：電動(dòng)機(jī)的功率為 P=0.9KW，n=85.565，傳動(dòng)比 u=5.7，設(shè)計(jì)計(jì)算如下：１．選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、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(jí)。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故 初選 7 級(jí)精度(GB10095-88)。3)選小齒輪齒數(shù) Z1=24，大齒輪齒數(shù) Z2=uZ1=5.7 24=137。?4)選取螺旋角。初選螺旋角 。??4?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 。6.1?tK（2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。43.2?HZ（3）.由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動(dòng)的端面重合度 圖表，查得 ??， ，則 =7801???8.02?????6.18.07.21?（4）.計(jì)小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩N5121 .356.8903995 ???nPT?m?（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 ；EZEMPa第四章 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算２２（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；1HLim?2li70（8）.計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 81 1.3)58(56.806 ?????hjLnN72 104.7.3u（9）.由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得 ； 9.1HNK；.02?HNK（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?1H105379.01lim??SKN[ ] = MPa2 .8.2liH則取[ ]H=([ ] +[ ] )/2=1070.6 Mpa?1H?22).計(jì)算(1).試算小齒輪分度圓直徑 ，由計(jì)算公式（3-2-1）得td1≥ mmtd1 958.4)6.078432(.56.180323 2????(2).計(jì)算圓周速度m/s246.0160.89.4160????ndt(3).計(jì)算齒寬 及摸數(shù)bntmmm9.4358.1td?mm2.21coscos1 ????ztnt?9.4.52.ntmh 79.8hb(4).計(jì)算縱向重合度 ??２３523.1428.031.318.0?????tgtgzd????(5).計(jì)算載荷系數(shù) K已知使用系數(shù) 。A根據(jù) ，7 級(jí)精度，由動(dòng)載荷系數(shù)值分布圖，查246.0??得動(dòng)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?HK?HK曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)( )圖，查得 =1.27。?FF由齒向載荷分配系數(shù)( 、 ),查得 = =1.2，故載荷系數(shù)HAKHA=1×1.04×1.2×1.2877=1.61??FVA?(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mm072.56.1958.4331 ??ttd(7).計(jì)算模數(shù) nm= mmn 27.24cos07.cos1??z?3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由式 ≥ mmnm321][cosFSadYzKT??????1) 確定計(jì)算參數(shù)(1)計(jì)算載荷系數(shù)1 1.04 1.2 1.27=1.585???FaVAK?(2) 根據(jù)縱向重合度 ，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。523.? ?Y(3)計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)27.614cos331????zv9.332zv(4)查取齒形系數(shù)第四章 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算２４由齒形系數(shù) 及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.14FaYSaY1Fa2FaY(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； =1.83aFSa1Sa2Sa(6)由齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得 MPa680?FE?(7)由彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.88， =0.91；1FNK2FN(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?SFENF11][?442.0 MPa KFEF22][(9)計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較FSaY][?=1][FSa097.43.27569??=2][FSaY?8.小齒輪的數(shù)值大。2）設(shè)計(jì)計(jì)算≥ mmnm 12.097.6.1248.0)4(cos53.13 2?????對(duì)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 mmnm4.幾何尺寸計(jì)算1) 計(jì)算中心距 mm41.2071cos25.)34(cos2)(1 ???????nmza將中心距圓整為 =207 mm2) 按圓整后的中心距修正螺旋角２５??????? 536.1207.)34(arcos2)(arcos1mzn?因 值改變不大,故參數(shù) 等不必修正。HZK、、 ???3) 計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑mm715.63.1cos241????nmzdmm8..72?n4) 計(jì)算齒輪寬度mm372.4915.6801???db?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 nr=(0.4～0.5) =40～50mmpr2）擇軸承型號(hào)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 mm3）名義徑向載荷 RR= 67108.8.54335.031.1 ????cpCcpPCzrKTzrT=5776.698 N4）當(dāng)量動(dòng)載荷 PP= =1.3 5776.698=7509.71 NRfF?—?jiǎng)虞d荷系數(shù)，一般取 =1.2～1.5。Ff Ff5）軸承相對(duì)轉(zhuǎn)速 nn= + =1000+ =1015r/minHun67106）軸承壽命 hL第四章 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算２６h531063106 8.)7.59()( ????PCnLh因?yàn)樗蟮玫妮S承壽命 ≥15000 h ,所以滿足要求。hL4. 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) =52～65mmnrnrpr2）擇軸承型號(hào)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 mm3）名義徑向載荷 RR= 501378.0945.031.1 ????cpCcpPCzrKTzrT=12830.82 N4）當(dāng)量載荷 PP= =1.3 12830.82=16680.1 NRfF?5）軸承相對(duì)轉(zhuǎn)速 nn= + =1000+ =1020r/minHnu5011）承的壽命 hLh5.241).1680(20)(6013131 ???PCnh因?yàn)樗蟮玫妮S承壽命 ≥15000 h ,所以滿足要求。hL5. 針齒銷(xiāo)彎曲強(qiáng)度計(jì)算1）針齒結(jié)構(gòu)尺寸mm1905.4205..05. ?????????CbLmm52.312c（ ）?cbmm7521921???L２７2) 最大彎矩Nmm 107259013785.0422.11 ???????LzrKTMcpVax3) 許用彎曲應(yīng)力MPa5FP?4) 校核彎曲應(yīng)力MPa72.10.1.033???zpWaxFdM因?yàn)?＞[ ]，所以滿足要求。F?P4.2 軸承的選擇4.2.1 斜齒輪傳動(dòng)軸上的軸承1.根據(jù)齒輪軸徑值，查滾動(dòng)軸承樣本或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得，第二軸上選用圓錐滾子軸承 7204，C=15500N；第三軸上選用圓錐滾子軸承 7205，C=19520N，則校核壽命如下：第二軸的從動(dòng)齒輪受力大小為：切向力為： N17.9506.7231???dTFt徑向力為： ??729.3cos/0.cos/tgtgnr??N9.7?軸向力為： N.14231.795???ttFa根據(jù) ，則軸承的名義載荷 P 為：6.02.3.29714?era（4-3-1）)(arYXfP??式中， -載荷系數(shù)， -徑向動(dòng)載荷系數(shù)， -軸向動(dòng)載荷系數(shù)，所以， f YN15.6742.197.3294.0(51??P則軸承的壽命為：第四章 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算２８h631063106 82.)5.74(.)( ??????PCnLh因?yàn)?，這里軸承的預(yù)期壽命為 =15000h，而 ，故所選的軸承可滿足壽命要?hL??hL求。第三軸的從動(dòng)齒輪受力為：切向力為： N75.104937.6.5021???dTFt徑向力為： ??93.2cos/.cos/tgtgnr??N.51?軸向力為： N46.9327.104???ttFa根據(jù) ，則軸承的名義載荷 P 為：6.5.93.5614?eraN34.19).3457.10()( ??????arYXfP則，軸承的壽命為：h531063106 7.)4.92(5.8)( ??PCnLh因?yàn)?，這里軸承的預(yù)期壽命為 =15000h，而 ，故所選的軸承可滿足壽命要?hL??hL求。２９第五章 機(jī)器人各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)３０第五章機(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(dòng)作以及與相關(guān)機(jī)械的協(xié)調(diào)動(dòng)作都是通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主要控制內(nèi)容有動(dòng)作的順序、動(dòng)作的位置與路徑、動(dòng)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(lái)完成，控制動(dòng)作的位置或動(dòng)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(lái)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? 底 座轉(zhuǎn) 臂 突 出 的擋 塊o5-1 ３１5.2 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(jiàn)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 5-3３２總 結(jié)通過(guò)這次設(shè)計(jì)，使我對(duì)工業(yè)機(jī)器人有了感性的認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)外的工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展也有所了解。根據(jù)國(guó)內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)狀及近幾年的動(dòng)態(tài)，結(jié)合當(dāng)前國(guó)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(kāi)展智能機(jī)器人、機(jī)器人化及其相當(dāng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。經(jīng)過(guò)努力，我國(guó)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(guó)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(guò)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(shí)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)，培養(yǎng)分析和解決一般工程實(shí)際問(wèn)題的能力，并使所學(xué)的知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)展；通過(guò)設(shè)計(jì)，使我掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，樹(shù)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(wèn)題的能力；學(xué)會(huì)從機(jī)器功能的要求出發(fā)，合理選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類(lèi)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(wèn)題，培養(yǎng)獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。當(dāng)然在設(shè)計(jì)過(guò)程中，也碰到了許多問(wèn)題。在朱曉華老師的指導(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(wèn)題，如機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析以及缺少機(jī)器人的動(dòng)作模擬仿真，望老師給予指正。３３致 謝本設(shè)計(jì)得到趙勇彪老師的全過(guò)程的耐心指導(dǎo)和大力幫助，使得設(shè)計(jì)能夠順利地完成。同時(shí)還得到其他老師的熱情幫助，也得益于畢業(yè)實(shí)習(xí)期間所在實(shí)習(xí)工廠車(chē)間等單位師傅和帶領(lǐng)機(jī)設(shè)組學(xué)生實(shí)習(xí)的各位老師的指導(dǎo)，使自己增加了一定的實(shí)踐知識(shí)，僅此表示由衷的感謝。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(qǐng)老師和專(zhuān)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。參考文獻(xiàn)３４參考文獻(xiàn)【1】孫桓、陳作模主編， 機(jī)械原理， 機(jī)械工業(yè)出版社， 1995 年【2】濮良貴主編， 機(jī)械設(shè)計(jì)， 高等教育出版社， 1995 年【3】馬香峰等編著， 工業(yè)機(jī)械手的操作機(jī)設(shè)計(jì)， 冶金工業(yè)出版， 1995 年【4】日本機(jī)器人學(xué)會(huì)編， 機(jī)器人技術(shù)手冊(cè)， 科學(xué)出版社， 1996 年【5】付京遜、C·S·G 李編，機(jī)器人學(xué)， 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社， 1989 年【6】張建民主編， 工業(yè)機(jī)器人， 北京理工大學(xué)出版社， 1987 年【7】[俄]IO·M 索爾 編，工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè)， 機(jī)械工業(yè)出版社， 1991 年