3-DOF工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設計,DOF,工業(yè),機器人,結(jié)構(gòu)設計 南昌航空大學科技學院學士學位論文 1 引言 在加速科技進步中，機械制造業(yè)的發(fā)展起著關鍵的作用，其任務是在工業(yè)生產(chǎn)中迅速將工藝裝備的獨立單元變?yōu)樽詣踊C合體（自動化工段，生產(chǎn)線和自動化車間），將來甚至實現(xiàn)自動化工廠。這種自動化生產(chǎn)最重要的特點是具有柔性，它能預料到，在節(jié)省勞力（或無人）情況下，根據(jù)工藝條件調(diào)整裝配，以適應多種產(chǎn)品生產(chǎn)。 當代柔性自動化生產(chǎn)的建立和廣泛應用，取決于作為科技進步的催化劑的機床制造、機器人技術、計算機技術、微電子技術、儀器制造等技術的加速發(fā)展。工業(yè)機器人是多品種的經(jīng)常更換產(chǎn)品的生產(chǎn)過程自動化的通用手段。在機械制造中，工業(yè)機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)機器人廣泛應用于數(shù)控機床、鍛壓機床、鑄造機械和倉儲設備上，以完成傳送裝備和其它操作。工業(yè)機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器人技術綜合體—柔性生產(chǎn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)模塊。 隨著工業(yè)技術和經(jīng)濟的驚人發(fā)展，標志著多品種中、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）技術更加引人注目；作為FMS、FA技術重要組成之一的工業(yè)機器人技術也將得到迅速發(fā)展。應用工業(yè)機器人是提高生產(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。 本次設計是根據(jù)對工業(yè)六自由度機器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進行三自由度工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設計。關鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設計以及整體的結(jié)構(gòu)設計，避免運動的干涉。在本次設計中主要負責第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設計。 在設計中許瑛老師給予了很大的指導和幫助，在此謹致謝意。 限于水平，本設計難免有缺點、錯誤，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。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機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、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎。 “工業(yè)機器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。 機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，適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。 而少自由度工業(yè)機械人中大多數(shù)為機械手，而機械手機器人主要由手部和運動機構(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。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設計的關 鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。 　　機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 1.2 國內(nèi)外研究概況 機器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、自動控制工程以及人工智能等多種學科的最新研究成果，是當代科學技術發(fā)展最活躍的領域之一，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)機器人的研究、制造和應用水平，是一個國家科技水平和經(jīng)濟實力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。 目前，工業(yè)機器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給工業(yè)機器人下的定義：工業(yè)機器人是一種可重復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，主要用于搬運材料，傳遞工件。 據(jù)國際機器人聯(lián)盟（IFR）2006年5月發(fā)布的“2006世界機器人調(diào)查”顯示，2005年世界新安裝工業(yè)機器人121000臺，比2004年的97000臺增長25%。這是繼2003年工業(yè)機器人安裝數(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)機器人新安裝臺數(shù)最多的年份，比上一個峰值――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)機器人臺數(shù) 據(jù)國際機器人聯(lián)盟統(tǒng)計局預測，截至2005年底，全世界在運行中的工業(yè)機器人共有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年各年全世界運行中的工業(yè)機器人總數(shù) 就2005年幾大應用領域的工業(yè)機器人類型來看，機械手的產(chǎn)量遙遙領先于其他類型的工業(yè)機器人，約達到43500臺。其中，亞洲地區(qū)機械手的產(chǎn)量比2004年增加了27%；美洲地區(qū)機械手的產(chǎn)量幅度更是高達53%；雖然歐洲地區(qū)2005年機械手的產(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：點焊接機器人、弧焊機器人、裝配機器人和分配機器人，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)機器人的產(chǎn)量增幅情況。 類 型 機械手 點焊接機器人 弧焊機器人 裝配機器人 分配機器人 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)有著廣泛的應用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)，機器人等。在本次設計是根據(jù)對工業(yè)六自由度機器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進行三自由度工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設計。關鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設計以及整體的結(jié)構(gòu)設計，避免運動的干涉。在本次設計中的要求,主要負責第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設計。這次設計的機器人主要部位為第一軸與底座，設計一個第一軸轉(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)機器人。 第一步，查閱資料，工業(yè)機器人原理，了解工業(yè)機器人在國內(nèi)的發(fā)展狀況和生存問題。了解3-DOF工業(yè)機器人的特點以及在日常生產(chǎn)生活中的用途。根據(jù)其運用的場合不同，適當選擇合適的方案，以達到實用、經(jīng)濟、可靠的目的。 第二步，在對所選課題有個初步的了解之后，在確定3-DOF工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設計內(nèi)容。 第三步，機器人的總體方案設計，進行系統(tǒng)的方案的設計、比較與確定，依據(jù)對選擇的傳動方案，查閱相關參考文獻，從而完成，第一、第二、第三軸的傳動選擇。設計好了之后，確定出總體的結(jié)構(gòu)及整體方案。 第四步，選擇電動機，通過計算出第一軸上的轉(zhuǎn)動慣量，選擇合適的電動機，從而進行第一軸的傳動結(jié)構(gòu)的設計及計算。根據(jù)齒輪軸徑值，查閱機械設計手冊，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，從裝配圖中設計選擇第一軸零部件以及完成對零部件圖的初步繪制。 2 機器人的結(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)機器人，其中大部分屬于“示教再現(xiàn)”型。如果將這類機器人稱作第一代，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)機器人，并取得了不少成果，但是，真正將這些成果應用于生產(chǎn)實際的還為數(shù)不多。在實際生產(chǎn)（如噴漆、焊接、裝配等）中被廣泛應用的工業(yè)機器人，示教再現(xiàn)型還是較多。 一般的機器人，它由機器人的機構(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構(gòu)成。機構(gòu)部分有機械手和移動機構(gòu)兩部分組成；傳感器有測量機器人自身位置姿態(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器人運動的裝置，只要不是自主型移動機器人，它通常放在與機器人不同的地方，通過導線連接。在工業(yè)機器人的控制裝置中，有電動機驅(qū)動電路、PTP運動目標點和CP運動軌跡數(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器人本體相連，多用于智能機器人。 機器人具有六自由度，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。該六自由度機器人運動的情況說明如下：首先，由電動機M1經(jīng)過傳動系統(tǒng)帶動大臂的回轉(zhuǎn)運動，且與大臂相連的所有其它手臂、手腕及機械構(gòu)件也隨大臂一起作回轉(zhuǎn)運動；而后另一手臂由電動機M2驅(qū)動作左右擺動；還有，第三臂由電動機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電動機驅(qū)動。 ５ 南昌航空大學科技學院學士學位論文 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，該手臂實現(xiàn)工業(yè)機器人的回轉(zhuǎn)運動，整個系統(tǒng)由伺服電動機驅(qū)動。為了實現(xiàn)傳動的設計要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設計要求，整個減速系統(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座上，從而使其它的（上級的斜齒輪）傳動機構(gòu)繞著它轉(zhuǎn)動，且電動機又固定在大臂上，所以導致大臂帶著電動機、減速箱一起作回轉(zhuǎn)運動。 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，該手臂實現(xiàn)工業(yè)機器人的左右擺動，整個系統(tǒng)由伺服電動機驅(qū)動。為了實現(xiàn)傳動的設計要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設計要求，整個減速系統(tǒng)采用了一級齒輪傳動。由電動機上的一個齒輪和軸承右側(cè)的一個齒輪嚙合，軸承通過定位銷與第二大臂固定，電動機帶動齒輪，把動力傳給與第二臂固定的軸承，使得第二臂實現(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，該手臂實現(xiàn)工業(yè)機器人的上下擺動，整個系統(tǒng)由伺服電動機驅(qū)動。為了實現(xiàn)傳動的設計要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設計要求，整個系統(tǒng)采用了一級齒輪內(nèi)嚙合傳動。由電動機上的一個齒輪和第三臂上的一個大齒輪內(nèi)嚙合，電動機帶動小齒輪，小齒輪帶動第三臂上的大齒輪使得第三臂整個做上下擺動。從而實現(xiàn)第三臂實際操作。 2.5 傳動方案的確定 根據(jù)工業(yè)機器人的總體結(jié)構(gòu)分析可知，工業(yè)機器人的三軸的傳動結(jié)構(gòu)并不復雜。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，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：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的，這樣一來也就增加了結(jié)構(gòu)的復雜性，且同時也增加了轉(zhuǎn)動時的負荷；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。要實現(xiàn)設計要求，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：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 設計計算 3.1電動機的選擇 第一軸的電動機的選擇 根據(jù)設計方案可知，第二軸、第三軸的所有重量都是第一軸的負荷，所以說，第一軸的轉(zhuǎn)動慣量是很大的，必須計算各零部件的轉(zhuǎn)動慣量，計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)動慣量進行選擇電動機。下面計算第一軸上的轉(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 兩電動機的轉(zhuǎn)動慣量： Kgm2 兩個齒輪的轉(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，為28.4Nm。 第二軸的電動機的選擇 根據(jù)設計方案可知，第三軸的所有重量都是第二軸的負荷，所以說，第二軸的轉(zhuǎn)動慣量也是很大的，必須計算各零部件的轉(zhuǎn)動慣量，計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)動慣量進行選擇電動機。下面計算二軸上的轉(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 第三軸的電動機的選擇 第三臂的轉(zhuǎn)動慣量： J3=34*0.22=1.36Kgm2 電動機的轉(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)的設計計算 4.1 第一軸的傳動結(jié)構(gòu)設計 第一軸的傳動方案已確定，采用三級斜齒輪傳動，且電動機的功率為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 、各級的傳動設計 第一級斜齒輪的傳動設計計算：已知電動機的功率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) 按照傳動方案的設計要求，選用斜齒圓柱齒輪傳動。 2) 考慮減速設計的要求，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．按齒面接觸強度設計 由設計計算公式進行計算，即 　　　　≥mm （4-2-1） 1) 確定公式內(nèi)的各計算值 （1）.試選。 （2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。 （3）.由標準圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得 ， ，則 = （4）.計小齒輪傳遞轉(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).齒輪接觸疲勞強度圖表，按齒面硬度中間值52HRC查 得大、小的接觸疲勞強度極限==Mpa； (8).計算應力循環(huán)次數(shù) (9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得； ； (10).計算接觸疲勞許用應力 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).計算 (1).試算小齒輪分度圓直徑，由計算公式（4-2-1）得 ≥ mm 根據(jù)計算的結(jié)果及電動機的輸出軸徑，取=50 mm； (2).計算圓周速度 m/s (3).計算齒寬及摸數(shù) mm mm (4).計算縱向重合度 （5）計算載荷系數(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； 由接觸強度計算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得 =2.728，由彎曲強度計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).按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得 mm (7).計算模數(shù) = mm 2. 按齒根彎曲強度設計 由式≥ mm （3-2-2） 1) 確定計算參數(shù) (1) 計算載荷系數(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) 計算當量齒數(shù) (4) 查取齒形系數(shù) 由齒形系數(shù)及應力校正系數(shù) 表查得 =2.44；=2.196 (5) 查取應力校正系數(shù) 由齒形系數(shù)應力校正系數(shù)表查得 =1.654；=1.782 (6) 由齒輪的彎曲疲勞強度極限圖,查得 Mpa。 (7) 由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.86，=0.87； (8) 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得 417.714 MPa 422.571 MPa (9) 計算大、小齒輪的 并加以比較 = = 小齒輪的數(shù)值大。 2）設計計算 ≥ mm 對比計算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強度計算的法向模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強度計算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強度及接觸疲勞強度,最后取 =2mm。 4.幾何尺寸計算 1) 計算中心距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) 計算大小齒輪的分度圓直徑 mm mm 4) 計算齒輪寬度 mm 圓整后取 B2=65 mm；B1=70 mm。 第二級的傳動條件：電機的功率為P=4.5KW，n=416.7r/min，傳動比u=4.87，具體設計計算如下： １．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 考慮減速設計的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查表(常用齒輪材料及其機 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．按齒面接觸強度設計 由設計計算公式（3-2-1）進行計算。 1）確定公式內(nèi)的各計算值 （1）.試選。 （2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。 （3）.由標準圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得 ， ，則 = （4）.計小齒輪傳遞轉(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).齒輪接觸疲勞強度圖表，按齒面硬度中間值52HRC查 得大、小的接觸疲勞強度極限==Mpa； (8).計算應力循環(huán)次數(shù) (9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得； ； (10).計算接觸疲勞許用應力 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).計算 (1).試算小齒輪分度圓直徑，由計算公式得 ≥ mm (2).計算圓周速度 m/s (3).計算齒寬及摸數(shù) mm mm (4).計算縱向重合度 (5).計算載荷系數(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； 由接觸強度計算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得 =1.41，由彎曲強度計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).按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式 得 mm (7).計算模數(shù) = mm 3. 按齒根彎曲強度設計 根據(jù)設計計算公式（3-2-2）來計算： 1) 確定計算參數(shù) （1） 計算載荷系數(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） 計算當量齒數(shù) （4） 取齒形系數(shù) 由齒形系數(shù)及應力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.158 （5） 取應力校正系數(shù) 由齒形系數(shù)應力校正系數(shù)表查得 =1.596；=1.792 （6） 齒輪的彎曲疲勞強度極限圖,查得 Mpa。 （7） 由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.87，=0.9； （8） 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得 422.571 MPa 437.143 MPa （9） 計算大、小齒輪的 并加以比較 = = 小齒輪的數(shù)值大。 2）設計計算 ≥ mm 對比計算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強度計算的法向模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強度及接觸疲勞強度,最后取 =1.5 mm 4.幾何尺寸計算 1) 計算中心距 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：電動機的功率為P=0.9KW，n=85.565，傳動比u=5.7，設計計算如下： １．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1) 考慮減速設計的要求，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．按齒面接觸強度設計 由設計計算公式（3-2-1）計算： 1) 確定公式內(nèi)的各計算值 （1）.試選。 （2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。 （3）.由標準圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得 ， ，則 = （4）.計小齒輪傳遞轉(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）.齒輪接觸疲勞強度圖表，按齒面硬度中間值52HRC 查得大、小的接觸疲勞強度極限==Mpa； （8）.計算應力循環(huán)次數(shù) （9）.由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得； ； （10）.計算接觸疲勞許用應力 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).計算 (1).試算小齒輪分度圓直徑，由計算公式（3-2-1）得 ≥ mm (2).計算圓周速度 m/s (3).計算齒寬及摸數(shù) mm mm (4).計算縱向重合度 (5).計算載荷系數(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； 由接觸強度計算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得 =1.2877，由彎曲強度計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).按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得 mm (7).計算模數(shù) = mm 3.按齒根彎曲強度設計 由式≥ mm 1) 確定計算參數(shù) (1)計算載荷系數(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)計算當量齒數(shù) (4)查取齒形系數(shù) 由齒形系數(shù)及應力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.14 (5)查取應力校正系數(shù) 由齒形系數(shù)應力校正系數(shù)表查得 =1.596；=1.83 (6)由齒輪的彎曲疲勞強度極限圖,查得 MPa (7)由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.88，=0.91； (8)計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得 427.43 MPa 442.0 MPa (9)計算大、小齒輪的 并加以比較 = = 小齒輪的數(shù)值大。 2）設計計算 ≥ mm 對比計算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強度計算的法向模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強度計算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強度及接觸疲勞強度,最后取 =2.5 mm 4.幾何尺寸計算 1) 計算中心距 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) 計算大小齒輪的分度圓直徑 mm mm 4) 計算齒輪寬度 mm 圓整后取 B2=49 mm；B1=55 mm。 4. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計算 1） 估計擺線輪內(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） 當量動載荷 P P==1.35776.698=7509.71 N —動載荷系數(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 因為所求得的軸承壽命≥15000 h ,所以滿足要求。 4. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計算 1）估計擺線輪內(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 因為所求得的軸承壽命≥15000 h ,所以滿足要求。 5. 針齒銷彎曲強度計算 1）針齒結(jié)構(gòu)尺寸 mm mm （） mm 2) 最大彎矩 Nmm 3) 許用彎曲應力 MPa 4) 校核彎曲應力 MPa 因為＞[]，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，差滾動軸樣本或機械設計手冊得，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 機器人各零部件的結(jié)構(gòu)設計 5.1 轉(zhuǎn)角范圍的控制設計 控制系統(tǒng)是工業(yè)機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)機器人的手部、腕部、臂部、行走機構(gòu)等的動作以及與相關機械的協(xié)調(diào)動作都是通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。主要控制內(nèi)容有動作的順序、動作的位置與路徑、動作的時間。 按設計要求要實現(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間，從而控制轉(zhuǎn)角。這里用擋塊結(jié)構(gòu)設計來實現(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)設計（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)設計：如圖5-3 圖5-2 圖5-3 總 結(jié) 通過這次設計，使我對工業(yè)機器人有了感性的認識，同時對國內(nèi)外的工業(yè)機器人的發(fā)展也有所了解。根據(jù)國內(nèi)外機器人發(fā)展的經(jīng)驗、現(xiàn)狀及近幾年的動態(tài)，結(jié)合當前國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的具體情況，機器人技術重點應在開展智能機器人、機器人化及其相當技術的開發(fā)及應用。經(jīng)過努力，我國已研制了許多示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人以及噴涂、焊接裝配等機器人。而國外，工業(yè)機器人的發(fā)展更迅速，機器人化機械已經(jīng)興起。 通過這次設計，使我綜合運用機械設計的理論和實際知識，結(jié)合生產(chǎn)實際知識，培養(yǎng)分析和解決一般工程實際問題的能力，并使所學的知識得到進一步鞏固、深化和擴展；通過設計，使我掌握機械設計的一般規(guī)律，樹立正確的設計思想，培養(yǎng)獨立分析和解決實際問題的能力；學會從機器功能的要求出發(fā)，合理選擇傳動機構(gòu)類型，制定設計方案，正確計算零件的工作能力，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、經(jīng)濟和安全等問題，培養(yǎng)獨立設計能力。 當然在設計過程中，也碰到了許多問題。在老師的指導和一些同學的幫助下，我也盡自己的努力去克服困難，最后順利地完成了整個設計。由于本人缺乏經(jīng)驗及水平有限，設計仍存在一些問題，如機器人的動力學分析以及缺少機器人的動作模擬仿真，望老師給予指正。 參考文獻 1.孫桓 等主編.機械原理(第六版) .高等教育出版社，2001 2.馬香峰 主編.工業(yè)機器人的操作機設計. 冶金工業(yè)出版社 ,1996 3.宗光華 張慧慧譯.機器人設計與控制. 科學出版社 ， 2004 4. 鄭笑級 工業(yè)機器人技術及應用[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2004 5.Y.Fujimoto and A.kawamura.Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation walking Robot Incuding Environmental Force Interaction. IEEE Robbtics and Automnation Magzuine,1998,5(2):33～42 6.劉慶國，劉力 編著．計算機繪圖．高等教育出版社， 2003 7.濮良貴 主編， 機械設計（第八版）. 高等教育出版社， 2006 8.馬香峰 等編著， 工業(yè)機械手的操作機設計. 冶金工業(yè)出版， 1995 9.日本機器人學 會編， 機器人技術手冊. 科學出版社， 1996 10.付京遜、C·S·G李 編，機器人學. 中國科學技術出版社， 1989 11.張建民 主編， 工業(yè)機器人. 北京理工大學出版社， 1987 12.[俄]IO·M索爾 編，工業(yè)機器人圖冊. 機械工業(yè)出版社， 1991 13.Huang Z.Wang J Identification of principal screw of 3-DOF parallel manipulators by quadric degeneration 2001 14.Herve J M The lie group of rigid body displacements,a fundamental tool for mechanism design 1999 15.Cai G Q.Hu M.Guo C Development and study of a new kind of 3-DOF tripod 1999(1) 16.Hunt K H Structural kinematics of in-parallel actuated robot-arms 1983(11) 17.Siciliano B Tricept robot:inverse kinematics,manipulability analysis and closed-loop direct kinematics algorithm 1999(4) 18.Romdhane L Design and analysis of a hybrid serial-parallel manipulator 1999(7) [10] 19.熊有倫. 機器人學[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 1993. 20. John J Craig 著. 機器人學導論(原書第3 版)[M]. 贠超等(譯) 北京:機械工業(yè)出版社, 2006. 21.宋偉剛．機器人機械系統(tǒng)原理、理論方法和算法[M]．沈陽：東北大學出版社，2001． 致 謝 時光匆匆如流水，轉(zhuǎn)眼便是大學畢業(yè)時節(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入了尾聲。從開始進入課題到論文的順利完成，一直都離不開老師、同學、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老師許瑛博士的悉心指導下完成的。課題從實施到論文撰寫、修改，無不傾注著許老師的智慧合心血。許老師淵博的學識、嚴謹?shù)膽B(tài)度、開拓創(chuàng)新的工作作風和對學術執(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。時至今日，在此論文完成之際，作為桃中一李，我想向我的指導老師許老師致以我由衷的謝意和崇高的敬意。 由于受時間和水平的限制，現(xiàn)代機器人的結(jié)構(gòu)設計還存在著不夠完善的方面甚至有些錯誤，懇請老師和專家指教，能使本設計更完善并能付諸于實際，制造出所設計的機器人，將是很欣慰的事情。 ３０