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1、優(yōu)秀設(shè)計 單位代碼 : 學(xué)科門類： 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 關(guān)節(jié)型機器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué)生姓名 所學(xué)專業(yè) 班 級 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 XXXXXXXXX 系 二O **年xx月 任務(wù)書 一、 設(shè)計內(nèi)容 題目來源于生產(chǎn)實際。設(shè)計一個用于焊接的關(guān)節(jié)型機器人，進行機器人的總體 方案設(shè)計、腕部及執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計及其零件設(shè)計。 二、 設(shè)計依據(jù) 焊接關(guān)節(jié)型機器人具有六個自由度，腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)，臂關(guān)節(jié)俯仰，肘關(guān)節(jié)俯仰， 腕關(guān)節(jié)仰腕、擺腕和旋腕，腕部最大負荷 4kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑 1500mm。 三、 技術(shù)要求 1、 機器人應(yīng)能滿足工作要求，保證焊接精度；

2、2、 工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單； 3、 裝卸方便，便于維修、調(diào)整； 4、 盡量使用通用件，以便降低制造成本。 四、 主要參考文獻： 1、 殷際英?何廣平?關(guān)節(jié)型機器人：北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003. 2、 馬香峰.工業(yè)機器人的操作機設(shè)計?北京：冶金工業(yè)出版社，1996. 3、 費仁元.張慧慧.機器人機械設(shè)計和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998. 4、 周伯英.工業(yè)機器人設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，1995. 5、蔡自興.機器人學(xué).北京：清華大學(xué)出版社，2000. 6宗光華，劉海波譯?機器人技術(shù)手冊.北京：科學(xué)出版社，1996. 7、 徐衛(wèi)良，錢瑞明譯.機器人操作的數(shù)學(xué)導(dǎo)論

3、.北京：機械工業(yè)出版社，1998. 8、 孫迪生，王炎.機器人控制技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，1998. 9、 徐灝.機械設(shè)計手冊.第二版.北京：機械工業(yè)出版社，2000. 10、 成大先.機械設(shè)計手冊.第4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002. 開題報告 題目來源、題目研究的主要內(nèi)容及國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述 題目來源：工業(yè)機器人是一種機械技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品。采用 工業(yè)機器人是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)率、實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、改善勞動 條件的一種有效手段。目前手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對操作 員技術(shù)熟練程度要求較高，因此采用機器人技術(shù)，實現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性 自動化，以提高生產(chǎn)

4、效率。 題目研究的主要內(nèi)容：機器人的機械設(shè)計技術(shù)是機器人技術(shù)的一個重要 內(nèi)容，機器人的結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)驅(qū)動和傳動等的設(shè)計和伺服控制密切相關(guān)。本課 題主要是對焊接用機器人進行機械設(shè)計，我主要著重手腕（手腕，夾持器） 部分，該部分由三個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（臂轉(zhuǎn)、手轉(zhuǎn)、腕擺）組合而成。并保證與基 座和手臂部分尺寸和功能的協(xié)調(diào)。 國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述：從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術(shù)經(jīng)歷了 一個長期緩慢的發(fā)展過程。到90年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)等的快速發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機器人水平不 斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。目前 國際機器人界都在

5、加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能 化和多樣化方向發(fā)展。目前的研究內(nèi)容主要集中在：工業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu) 的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、機器人控制技術(shù)、多傳感技術(shù)、機器人遙控及監(jiān)控技術(shù)， 機器人半自主和自主技術(shù)、虛擬機器人技術(shù)、多智能體調(diào)控制技術(shù)、軟機器 人技術(shù)、仿人和仿生技術(shù)、微型和微小機器人技術(shù)。其中微型和微小機器人 技術(shù)是機器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾 乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進展將會引起機器人技術(shù)的一場革命， 并且對 社會進步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機器人技術(shù)的 研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及

6、行走技術(shù)等方面。在我國對此進行了深入的研究，如徐衛(wèi)平和張玉茹發(fā)表的 《六自由度微動機構(gòu)的運動分析》對六自由度微動機構(gòu)進行了位移分析并為 其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了計算依據(jù)。還有劉辛軍、高峰和汪勁松發(fā)表的《并聯(lián)六自 由度微動機器人機構(gòu)的設(shè)計方法》研究了微動機器人機構(gòu)的設(shè)計方法，建立 了并聯(lián)六自由度微動機器人的空間模型， 并分析了該微動機器人的空間模型， 并分析了該微動機器人的機構(gòu)尺寸與各向同性、剛度等性能指標的關(guān)系得到 了一系列性能圖譜，從各圖譜中可以看出各項性能指標在空間模型設(shè)計參數(shù) 空間中的分布規(guī)律，這有助于設(shè)計者根據(jù)性能指標來設(shè)計該微動機器人的機 構(gòu)尺寸，是探討微動機器人機構(gòu)設(shè)計的有效分析工具。

7、、本題擬解決的問題 1. 手腕處于手臂末端，須減輕手臂的載荷，力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減 少其重量和體積； 2. 提高手腕動作的精確性； 3. 三個自由度（臂轉(zhuǎn)、手轉(zhuǎn)、腕擺）的實現(xiàn)。 三、解決方案及預(yù)期效果 （一） 解決方案： 1. 腕部機構(gòu)的驅(qū)動裝置采用分離傳動，將 3個驅(qū)動器安置在小臂的后端。 2. 提高傳動的剛度，盡量減少機械傳動系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)回差， 對分離傳動多采用傳動軸。 3. 驅(qū)動電機1經(jīng)傳動軸和一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪帶動手腕在殼體上 作偏擺運動。電機2經(jīng)傳動軸驅(qū)動圓柱齒輪傳動和圓錐齒輪傳動，從而 使軸回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)手腕的上下擺動。電機 3經(jīng)傳動軸和兩對圓

8、錐齒輪傳動 帶動軸回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)手腕機械接口法蘭盤的回轉(zhuǎn)運動 （二） 預(yù)期效果： 1. 工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單； 2. 能實現(xiàn)準確動作； 3. 裝卸方便，便于維修、調(diào)整； 4. 盡量使用通用件，以便降低制造成本。 作業(yè)范圍大，動作靈活并能廣泛應(yīng)用于噴涂、焊接等作業(yè)中。 關(guān)節(jié)型機器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘要：為了提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，滿足特定的工作要求，本題設(shè)計用于焊接的關(guān)節(jié)型機 器人的手腕和末端執(zhí)行器。根據(jù)機器人的工作要求進行了機器人的總體設(shè)計。確定機器人的 外形時，擬定了手腕的傳動路徑，選用直流電動機，合理布置了電機、軸和齒輪，設(shè)計了齒 輪和軸的結(jié)構(gòu)，并進行了強度校核計算。傳動中采用了軟

9、軸、波紋管聯(lián)軸器和行星齒輪機構(gòu)， 實現(xiàn)了擺腕、轉(zhuǎn)腕和提腕的三個自由度的要求。設(shè)計中大多采用了標準件和常用件，降低了 設(shè)計和制造成本。 關(guān)鍵詞： 自由度；焊接；手腕 1 前言 1 I 口 J 1=1 J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J I 1.1 機器人的含義，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，1 1 2 早題目來^源 2 1 ■ 2- I—I /1、 1/vCJ' J 1 1 1 j j j j j j j j j j j j j j j j j j j J 1 1

10、J j j 1 3 '技術(shù)j要求 2 * ■ / | "J V j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j 1.4本題要解決的主要問題和設(shè)計思路，，，，，，，，，，，，，，，，，2 2國內(nèi)外發(fā)展狀況及現(xiàn)狀的介紹，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，2 2. 1 研究現(xiàn)狀，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，2 2 2 發(fā)展趨勢 4 厶■厶 / /H-—-丿 J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J 3

11、總體方案論證，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，5 3. 1機械結(jié)構(gòu)類型的確定，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，5 3.2 工作空間的確定，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，6 3.3 手腕結(jié)構(gòu)的確定7 3.4 基本參數(shù)的確定8 4 手腕詳細設(shè)計說明，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，8 4. 1機器人驅(qū)動方案的分析和選擇，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，8 4. 2 手腕電機的選擇，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，9 4.3 傳動比的確定，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，9 4. 4

12、 傳動比的分配，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，10 4. 5 齒輪的設(shè)計，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，1 0 4. 6 軸的設(shè)計和校核，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，1 8 4. 7 夾持器的設(shè)計，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，23 4. 8 殼體的設(shè)計，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，23 5 纟口 ？匕，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，24 參考文獻 2 5 二-V /、丨吵j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j

13、 j j 1刖言 1.1機器人的概念 機器人是一個在三維空間中具有較多自由度，并能實現(xiàn)較多擬人動作和功能的 機器，而工業(yè)機器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機器人。美國機器人工業(yè)協(xié)會提出的 工業(yè)機器人定義為：“機器人是一種可重復(fù)編程和多功能的，用來搬運材料、零件、 工具的操作機”。英國和日本機器人協(xié)會也采用了類似的定義。我國的國家標準 GB/T12643-90將工業(yè)機器人定義為：“機器人是一種能自動定位控制、可重復(fù)編程的、 多功能的、多自由度的操作機。能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)” 而將操作機定義為：“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它 操作的機械裝置”。

14、機器人系統(tǒng)一般由操作機、驅(qū)動單元、控制裝置和為使機器人進行作業(yè)而要求 的外部設(shè)備組成。 1.1.1操作機 操作機是機器人完成作業(yè)的實體，它具有和人手臂相似的動作功能。通常由下 列部分組成： a. 末端執(zhí)行器 又稱手部，是機器人直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、 工具、傳感器等，是工業(yè)機器人直接與工作對象接觸以完成作業(yè)的機構(gòu)。 b. 手腕 是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí) 行器的方位和擴大手臂的動作范圍， 一般有2?3個回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的 姿態(tài)。有些專用機器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。 c. 手臂 它由機器人的動力關(guān)節(jié)和連

15、接桿件等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕 和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時包括肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)，即手臂與手臂間。手臂 與機座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運動范圍。 d. 機座 有時稱為立柱，是工業(yè)機器人機構(gòu)中相對固定并承受相應(yīng)的力的基 礎(chǔ)部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿邮絻深?。 1.1.2驅(qū)動單元 它是由驅(qū)動器、檢測單元等組成的部件，是用來為操作機各部件提供動力和運 動的裝置。 1.1.3控制裝置 它是由人對機器人的啟動、停機及示教進行操作的一種裝置，它指揮機器人按 規(guī)定的要求動作。 1.1.4人工智能系統(tǒng) 它由兩部分組成，一部分是感覺系統(tǒng)，另一部分為決策-規(guī)劃智能系統(tǒng)。

16、 1.2題目來源 本題設(shè)計的是關(guān)節(jié)型機器人腕部結(jié)構(gòu)，主要是整體方案設(shè)計和手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計 及其零件設(shè)計。此課題來源于生產(chǎn)實際。對于目前手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境 差，而且對操作員技術(shù)熟練程度要求高，因此采用機器人技術(shù)，實現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作 的柔性自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)率、實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件。 1.3技術(shù)要求 根據(jù)設(shè)計要達到以下要求 a工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單； b. 裝卸方便，便于維修、調(diào)整； c. 盡量使用通用件，以便降低制造成本。 1.4本題要解決的主要問題及設(shè)計總體思路 本題要解決的問題有以下三個： a. 手腕處于手臂末端，需減輕手臂的載荷，力求手腕部件的結(jié)

17、構(gòu)緊湊，減少重 量和體積； b. 提高手腕動作的精確性； c. 三個自由度的實現(xiàn)。 針對上述問題有了以下設(shè)計思路： a. 腕部機構(gòu)的驅(qū)動裝置采用分離傳動，將 3個驅(qū)動器安置在小臂的后端。 b. 提高傳動的剛度，盡量減少機械傳動系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)誤差，對于 分離傳動采用傳動軸。 驅(qū)動電機1經(jīng)傳動軸驅(qū)動一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪帶動手腕在小臂殼體 上作偏擺運動。電機2經(jīng)傳動軸驅(qū)動一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪傳動，實現(xiàn)手腕 的上下擺動。電機3經(jīng)傳動軸和兩對圓錐齒輪帶動軸回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)手腕上機械接口的 回轉(zhuǎn)運動。 2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展狀況 2.1研究現(xiàn)狀 從機器人誕生到本世紀80年

18、代初，機器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。 到90年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機器人技術(shù)也 得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進機 器人系統(tǒng)也有了長足的進展。下面將按工業(yè)機器人和先進機器人兩條技術(shù)發(fā)展路線 分述機器人的最新進展情況。 2.1.1工業(yè)機器人 工業(yè)機器人技術(shù)是以機械、電機、電子計算機和自動控制等學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)為 基礎(chǔ)融合而成的一種系統(tǒng)技術(shù)。 a. 機器人操作機：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運 用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。以德國 KUK公司為代表的機器人公司，已將 機器人并聯(lián)平行四邊

19、形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁 合金材料的應(yīng)用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的 RV減速器及交流伺服 電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。 b. 并聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機器人技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工，這 是機器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。 意大利COMA公司，日本FANU（等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。 c. 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標準的 6軸機器人發(fā) 展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機界面 更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以

20、示教編程為主，但在某些 領(lǐng)域的離線編程已實現(xiàn)實用化。 d. 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功 應(yīng)用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè) 等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。 日本KAWASAKYASKAWAANUC 和瑞典ABB德國KUKA REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。 e. 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAW和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現(xiàn) 了與Can bus Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò) 化應(yīng)用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設(shè)備向標準化設(shè)備發(fā)展。

21、f. 可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機器人系 統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性 MTBF-般為幾千小時，而現(xiàn)在 已達到5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求。 2.2.2先進機器人 近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴大，機器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā) 展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提 出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的 非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外 感 知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機器人技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。 a. 水

22、下機器人：美國的AUSS俄羅斯的MT-88法國的EPAVLAR等水下機器 人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護、 以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機器人(remote operated vehicle )和無纜 水下機器人(autonomous under water vehicle )兩大類。 b. 空間機器人：空間機器人一直是先進機器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、 加拿大等國已研制出各種空間機器人。如美國 NASA勺空間機器人Sojanor等。 Sljanor是一輛自主移動車，重量為 11.5kg，尺寸630~48mm有6個車輪，它在火 星上的

23、成功應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān) 注。 c. 核工業(yè)用機器人：國外的研究主要集中在機構(gòu)靈巧，動作準確可靠、反應(yīng)快、 重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動機器人。 已完成的典型系統(tǒng)，如美國ORM基于機器人的放射性儲罐清理系統(tǒng)、反應(yīng)堆用雙臂 操作器，加拿來大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，德國的 C7靈巧手等 d. 地下機器人：地下機器人主要包括采掘機器人和地下管道檢修機器人兩大 類。主要研究內(nèi)容為：機械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信 及遙控技術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大 型管道檢修用的機器人，各種采機器人及自

24、動化系統(tǒng)正在研制中。 e. 醫(yī)用機器人： 醫(yī)用機器人的主要研究內(nèi)容包括：醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿 真、機器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場感外科手術(shù)等。美國已開展臨場感 外科(telepresenee surgery )的研究，用于戰(zhàn)場模擬、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。 法、英、意、德等國家聯(lián)合開展了圖像引導(dǎo)型矯形外科(telematics )計劃、袖珍 機器人(biomed)計劃以及用于外科手術(shù)的機電手術(shù)工具等項目的研究，并已取得 一些卓有成效的結(jié)果。 f. 建筑機器人：日本已研制出20多種建筑機器人。如高層建筑抹灰機器人、 預(yù)制件安裝機器人、室內(nèi)裝修機器人、地面拋光機器人、擦玻璃機器人等

25、，并已實 際應(yīng)用。美國卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進行管道挖掘和埋設(shè)機器人、 內(nèi)墻安裝機器人等型號的研制、并開展了傳感器、移動技術(shù)和系統(tǒng)自動化施工方法 等基礎(chǔ)研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。 g. 軍用機器人：近年來，美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機器人。 其特點是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場上具有 看、嗅和觸摸能力，能夠自動跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動搜索、識別和消 滅敵方目標的功能。如美國的Navplab自主導(dǎo)航車、SSV半自主地面戰(zhàn)車，法國的自 主式快速運動 偵察車(DARD)，德國MV4爆炸物處理機器人等。目前美國 ORN

26、正 在研制和開發(fā)Abrams坦克、愛國者導(dǎo)彈裝電池用機器人等各種用途的軍用機器人。 可以預(yù)見，在21世紀各種先進的機器人系統(tǒng)將會進入人類生活的各個領(lǐng)域，成 為人類良好的助手和親密的伙伴。 2.2發(fā)展趨勢 目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究，并朝著智 能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下 10個方面： a. 工業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一 步提高負載?自重比，同時機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 b. 機器人控制技術(shù)：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好， 語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準

27、化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于 PC 機網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點。 編程技術(shù)除進一步提高在線編程的可操作性之外， 離線編程的實用化將成為研究重點。 c. 多傳感系統(tǒng)：為進一步提高機器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其 問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性 及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實 用化。 d. 機器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。 e. 機器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機器人半自主和自主技術(shù)，多機器人和操作者之間 的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立 預(yù)

28、先顯示進行遙控等。 f. 虛擬機器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn) 機器人的虛擬遙操作和人機交互。 g. 多智能體(multi-age nt )調(diào)控制技術(shù)：這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng) 域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，感知與學(xué)習(xí)方法， 建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。 h. 微型和微小機器人技術(shù)(micro/miniature robotics ):這是機器人研究的 一個新的領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究 的進展將會引起機器人技術(shù)的一場革命， 并且對社會進步和人類活動的各個方面產(chǎn) 生不可估

29、量的影響，微小型機器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、控 制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。 我國對此進行了深入的研究。徐衛(wèi)平和張玉茹發(fā)表的《六自由度微動機構(gòu)的運 動分析》對六自由度微動機構(gòu)進行了位移分析并為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了計算依據(jù)。還 有劉辛軍、高峰和汪勁松發(fā)表的《并聯(lián)六自由度微動機器人機構(gòu)的設(shè)計方法》研究 了微動機器人機構(gòu)的設(shè)計方法，建立了并聯(lián)六自由度微動機器人的空間模型，并分 析了該微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的機構(gòu)尺寸與各向同性、剛 度等性能指標的關(guān)系得到了一系列性能圖譜，從各圖譜中可以看出各項性能指標在 空間模型設(shè)計參數(shù)空間中的分布規(guī)律，這有助于設(shè)

30、計者根據(jù)性能指標來設(shè)計該微動 機器人的機構(gòu)尺寸，是探討微動機器人機構(gòu)設(shè)計的有效分析工具。 3總體方案設(shè)計 3.1機械結(jié)構(gòu)類型的確定 為實現(xiàn)總體機構(gòu)在空間的位置提供的 6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(shè)計成以下五種方案： 3.1.1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。 3.1.2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

31、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(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大、 靈活性較差。 3.1.3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(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點，但結(jié)構(gòu)復(fù) 雜。 3.1.4關(guān)節(jié)型 關(guān)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(guān)節(jié)都 是回轉(zhuǎn)關(guān)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(guān)節(jié)，大 臂和小臂間形成肘關(guān)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

32、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。 3.1.5平面關(guān)節(jié)型 采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運動，而移 動關(guān)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(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實現(xiàn)本課題的動作。結(jié)合本課 題綜合考慮決定采用方案

33、四：關(guān)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。 3.2工作空間的確定 根據(jù)關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間。工作空間是指機器人正常工作運行時, 手腕參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術(shù)參數(shù)。此機器人的工作 空間為1500mm 圖3— 1機器人的機座坐標系 3.3手腕結(jié)構(gòu)的確定 手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件，處于機器人操作機的最末端，其功能是 在手臂和腰部實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個坐標位置的基礎(chǔ)上，再由手腕來 實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個姿態(tài)坐標，即實現(xiàn)三個自由度。 圖3-2傳動原理圖 考慮到結(jié)構(gòu)，

34、電機將成三角形布置，具體結(jié)構(gòu)見圖。 3.4基本參數(shù)的確定 空間結(jié)構(gòu)和手腕結(jié)構(gòu)的確定，那么手腕回轉(zhuǎn)、手腕擺動、和手腕旋轉(zhuǎn)三個姿態(tài) 的自由度也得到了實現(xiàn)。 表3-1機器人的主要規(guī)格參數(shù) 動作范圍 手腕回轉(zhuǎn) 120 = 30 7 s 手腕擺動 90 30=/s 手腕旋轉(zhuǎn) 360 ： 30：/s 額定載荷 4 kg 最大速度 2m/s 4手腕詳細設(shè)計說明 4.1機器人驅(qū)動方案的分析和選擇 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(jié)構(gòu)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

35、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(yīng)等特點，并且控制技術(shù)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(jié)構(gòu)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(guān)斷晶閘管 GTO大功率晶閘管 GTR和場效應(yīng)管 MOSFE等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)（PWM和計算機控制技術(shù)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

36、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(yīng)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(guān)鍵技術(shù)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。 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(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 4.2手腕電機的選擇 4.2.1提腕電機

37、的選擇 手腕的最大負荷重量m^ 4kg，初估腕部的重量m2 = 4kg，最大運動速度V=2m/s 功率 p 二 FV 二 mgV=8 10 2 =160W 取安全系數(shù)為 1.2， p'=1.2p=1.2 160 = 192W 考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率p額二200W。選擇Z型并勵直流電動機， 技術(shù)參數(shù)如下 表4-1 Z型并勵直流電動機技術(shù)參數(shù) 型 號 額定電壓 (V) 額定轉(zhuǎn)矩 (N/m) 額定轉(zhuǎn)速 (r/m) 參考功率 (W) 重 量 (kg) Z200/20-400 200 1 2000 400 5.5 4.2.2擺腕和轉(zhuǎn)

38、腕電機的選擇 根據(jù)設(shè)計要求取相同型號的電機，選擇Z型并勵直流電動機，型號為200/20-400。 4.3傳動比的確定 4-3-1提腕總傳動比的確定 V 2 先根據(jù)下式求角速度 -■ = = 一 = 20 r/s R 0.1 蛍為角速度(r/s), V為運動速度(m/s), R為機械接口到轉(zhuǎn)動軸的距離(m)。 再求實際轉(zhuǎn)速 n'= n' =60 = 60 20 = I91.1r/min 2兀 2兀 n'為轉(zhuǎn)速(r/min)。 最后求得總傳動比 n 2000 亓曲 i總= = 10.4 取整i總?cè)?0 n' 191.1 4.3.2轉(zhuǎn)腕和

39、擺腕傳動比的確定 用同樣的方法，可求得 轉(zhuǎn)腕總傳動比i總2=20 擺腕總傳動比i總3= 10 4.4傳動比的分配 傳動比分配時要充分考慮到各級傳動的合理性， 以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié) 構(gòu)合理。 a. 提腕傳動比分配 提腕總的傳動比i總1=10,該傳動為兩級傳動，第一極傳 動為圓柱齒輪傳動，傳動比i1仁2,第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i12= 5。 b. 轉(zhuǎn)腕傳動比分配 轉(zhuǎn)腕總的傳動比i總2 = 20,該傳動為兩級傳動，第一極傳 動為圓錐齒輪傳動，傳動比i21 = 5,第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i21 = 4。 c. 擺腕傳動比分配 擺腕總的傳動比i總3= 10

40、,該傳動為兩級傳動，第一極傳 動為圓柱齒輪傳動，傳動比i31 = 2,第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i32 = 5。 4.5齒輪的設(shè)計[13] 按照上述傳動比配對各齒輪進行設(shè)計。 4.5.1提腕部分齒輪設(shè)計 A.第一極圓柱齒輪傳動 齒輪采用45號鋼，鍛造毛坯，正火處理后齒面硬度 170~190HBS,齒輪精度等 級為7極。取乙=20,則z2 =2 20 = 40。 a. 設(shè)計準則 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 b. 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 齒面接觸疲勞強度條件的設(shè)計表達式 d1t / 、2 ZhZeZ^ j 2KT1 u+1 I皿］丿％ u

41、 (4- 1) 其中， d =0.8 , u =2 , Z，0.90 , Ze = 189.8、MPa , Zh =1.8 , 6 p 6 0 2 h =9.55 106 9.55 106 9550N * mm n 200 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： =580MPa 二 H2lim = 560MPa 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為: F1lim =230MPa F2lim 二 210MPa 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計算可得

42、 (4-2) 叫=60n 1at =60 2000 300 8 16 = 4.23 109 9 Q = 2.16 10 “ Ni 4.23x10 N2 u 2 接觸疲勞壽命系數(shù) Zn1=1.1, Zn2 =1.02 彎曲疲勞壽命系數(shù) YN1 =Yn2 - 1 接觸疲勞安全系數(shù)SH min =1,彎曲疲勞安全系數(shù)SFmin -1.5，又Yst = 2.0，試選 Kt =1.3。 求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力: L「H2 H1lim SH min Z N1

43、580 1.1=638MPa 1 H lim SH min Z N2 580 1.02 =591.6MPa 1 I二 f1 ]_ ；"F1limYsT Sf min YN1 230 2 1MPa =306.67MPa 1.5 F2lim YST SF min Yn2 210 2 1MPa =280MPa 1.5 將有關(guān)值代入（4—1）得: ZhZeZ； "2KJ1 u±1 '-H2 1 盧 、2 '1.8匯189.8江0.9 ' 2乂1.3乂9550 * 2+1 i 匯 m m

44、 2 591.6 0.8 =41.3m m 則V1 ©t n1 60 1000 ■: 41.3 2000 = 4.32m/s 60 1000 100 S^m/sn/m/s 100 動載荷系數(shù)Kv =1.0 ;使用系數(shù)Ka =1 ;動載荷分布不均勻系數(shù) K] =1.02 ;齒 間載荷分配系數(shù) Ka =1，則 Kh 二KAKvQKa=1.01 1.0 1.02 1.0 = 1.03  修正d1 -dit 二 38.1mm Zi 38.1 "20 mm = 1.9mm 取標準模數(shù)m =2mm c.計算基本尺寸 d^i

45、= mz = 2 20 = 40mm d2 二mz2 = 2 40 = 80mm Zi - Z2 40 80 2 " 2 b = dd1 = 0.8 40 = 32mm b2 = 22mm d. 校核齒根彎曲疲勞強度 復(fù)合齒形系數(shù)Yfs1 =4.1，Yfs2 =3.8 取 Y；=0.7 校核兩齒輪的彎曲強度 2KT1 A 2 3 d Z1 m Yfs1Y； (4— 3) 2 1.03 9550 0.8 202 23 4.1 0.7MPa = 110.02MPa 一 t-'F1 1 匚 F2 -；「F1 ?經(jīng)=110.02 ^MPa =1

46、01.97MPa - !： F2 1 Yfs1 4.1 所以齒輪完全達到要求。 表4—2齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 d d〔 = mz^ = 2 20 = 40mm d? = mz? = 2 工 40 = 80mm 齒頂咼 d ha = ha^m = 1 漢 2 = 2mm 齒根高 hf hf = (ha^ tcjm = (1 +0.25H 2 = 2.5mm 齒全冋 h h = ha + hf =2 + 2.5 = 4.5mm 齒頂圓直徑 da1 da1 = d^i 十 2ha = 44mm da2 = d2 + 2ha = 84

47、mm 齒根圓直徑 d f 1 d f1 = a —2hf = 35mm d f 2 = d2—2hf = 75mm 基圓直徑 db1 db1 = d1 cos。= 37.56mm db2 = d2 co資=75.17mm 齒距 P p =n:m = 3.14x2 = 6.28mm 齒厚 s s = nm/ 2 = 3.14mm 齒槽寬 e e = nm/ 2 = 3.14mm 中心距 a a = © + d2)/ 2 = 60mm 頂隙 c c = c^m = 0.25x 2 = 0.5mm 由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，小齒輪將做

48、成齒輪軸 B.第二極圓錐齒輪傳動 齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS齒輪精度等級為7極。取 乙=20,則Z2 =5 20 =100 a. 設(shè)計準則 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 b. 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 齒面接觸疲勞強度的設(shè)計表達式 (4 — 4) ZZe V 4K「 I [J]丿 0.85©r(1-0.5©r)2u 其中， ；=0.8， u =5， Ze =189.8 . MPa，Zh -1.8， 6 P 6 0.2 「=9.55 106 =9.55 106 =9550N * mm n 200

49、 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： ；「H1iim =580MPa ；「H2iim = 560MPa 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： ；「F1lim =230MPa ；「F 2 lim = 210MPa 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下式計算可得 N^i =60 n^t （ 4-5） =60 2000 300 8 16 9 = 4.23 10 K1 N1 9 4.23 10 …-“9 N 2 0.846 10 u 5 Z N2 — 1.02 接觸疲勞壽命系數(shù)Zn1 =1.1, 彎曲疲勞壽命系數(shù)Yn1 =Yn2 =1 接觸疲勞安全系數(shù) Sh min =

50、1，彎曲疲勞安全系數(shù)Sf min =1.5 ,又Yg^ 2.0， 試選 '-H1 -■ H1lim z ■— Z N1 SH min Kt =1.3。 求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力: 580 1.1 =638MPa 1 “2」嚴Zn2 SH min 1.02 =591.6MPa 1 F1lim YST v Y N “丄S SF min 宀2丄7丫％ SF min 210 2 1MPa =280MPa 1.5 將有關(guān)值代入（4 — 4）得: d1t =3 ZhZe 4K

51、T1 Yi^h］丿 0.85憶(1—0.5©r)2u *1.8 "89.8 ¥ 4 1.3 9550 =3 | 認 591.6 丿 0.85漢 0.3(1—0.5漢 0.3)2 漢 2 mm =43.3mm Mt n1 60 1000 二 43.3 2000 4.53m/s 60 1000 ZiVi 100 20 4.53 m/s = 0.96m/s 100 動載荷系數(shù)Kv =1.0 ;使用系數(shù)Ka =1 ;齒向載荷分布不均勻系數(shù) 0=1.02 ; 齒間載荷分配系數(shù)取 Ka =1，則 Kh 二K aKv

52、K Ka =1.01 1.0 1.02 1.0=1.03 修正 d1 = d1t 3= 43.3 x 第103 = 39.1mm 1 計 Kt V 1.3 d1 39.1 m mm 二 1.95mm Z1 20 取標準模數(shù)m = 2mm c. 計算基本尺寸 d1 = m^ = 2 20 = 40mm d2 二 mz2 = 2 100 = 200mm Z2 40 200 = 120mm d.校核齒根彎曲疲勞強度 復(fù)合齒形系數(shù)Yfs1 =4.1，Yfs2 =3.8 取 Y；=0.7 校核兩齒輪的彎曲強度 (4-6) 4KTMs1 F1 : $r(1 -0.5%)2

53、乙務(wù)311 +u2 4匯1.03沃9550漢4.1 0.8(1 -0.5 0.8)2 202 23 ? 1 52 =21MPa 一 t-'F1 1 YFS2 3.8 r 1 二F2「JF1 -^=21 MPa =19MPa — =F2」 Yfs1 4.1 所以齒輪完全達到要求。 表4—3齒輪的幾何尺寸 ? 符號 公式 分度圓直徑 d d1 = mzj = 2 父 20 = 40mm d2 = mz2 = 2 匯 100 = 200mm 齒頂咼 ha ha = ha"m = 1 漢 2 = 2mm 齒根高 hf h^(h^-^)^(^0.

54、2p<^ 1.6mm  齒頂圓直徑 da dai =d<i +2ha cos6 = 44mm da2 = d2 +2ha cos6 = 202mm 齒根圓直徑 df d f1 = d! —2hf cos6 = 37mm d f2 = d2 —2hf cos6 = 197mm 齒頂角 日a tanTa = ha / R = 0.01959 齒根角 Bf tanTf = hf /R = 0.0235 分度圓錐角 5 sin 6 = mz/2R = 0.196 頂錐角 爲 6a = 6 -&a = 10.3 根錐角 §f

55、=6— Tf =10 錐距 R R = mz/ 2 si n 6 = 102mm 齒寬 b b = 0.2 ~ 0.35) R = 20.4mm 由于小齒輪的分度圓直徑較小，所以作成齒輪軸。 4.5.2轉(zhuǎn)腕部分齒輪設(shè)計 第一極圓錐齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS齒 輪精度等級為7極。取乙=20,則Z2 =5 20 = 100。經(jīng)計算齒輪滿足要求 表4 — 4齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 d d1 = mZ| = 2 漢 20 = 40mm d2 = mz2 = 2 漢 100 = 200mm 齒頂咼 h

56、a ha = ha"m = 1 匯 2 = 2mm 齒根高 hf hf =(ha*—cjm = (1—0.2) x 2 = 1.6mm 齒頂圓直徑 da da1 =d<i +2ha cos6 = 44mm da2 = d2 +2ha cos§ = 202mm 齒根圓直徑 df d f1 = d1 -2hf cos6 = 37mm d f2 = d2 -2hf cos6 = 197mm 齒頂角 d tanTa = ha / R = 0.01959 齒根角 tan % =hf / R = 0.0235 分度圓錐角 5 sin 6 =

57、 mz/2R = 0.196 頂錐角 —6——10.3： 根錐角 6 6f =6 =10： 錐距 R R = mz/ 2 si n 6 = 102mm 齒寬 b b = (0.2 ~ 0.35)R = 20.4mm 第二極圓錐齒輪傳動：齒輪采用 45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS 齒輪精度等級為7極。取乙=20,則Z2 =4 20 = 80。經(jīng)計算齒輪滿足要求。 表4—5齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 d di = mw = 2 x 20 = 40mm d? = mz? = 2 漢 80 = 160mm 齒頂咼 h

58、a ha = ha^m = 1 匯 2 = 2mm 齒根高 hf hf = (ha* — c^m = (1 — 0.2)x 2 =1.6mm 齒頂圓直徑 da dai = 4 +2ha cos§ = 44mm da2 = d2 + 2ha cos§ = 161.5mm 齒根圓直徑 df d f1 = d! - 2hf cos6 = 36mm d f 2 = d2 - 2hf cos6 = 158mm 齒頂角 包 tanTa = ha / R = 0.0244 齒根角 tan日f = hf / R = 0.0293 分度圓錐角 5 si

59、n 5 = mz/2R = 0.196 頂錐角 爲 6a = 6 - Ba =10.3 根錐角 6f =5-0f =10 錐距 R R = mz/ 2 si n 6 = 82mm 齒寬 b b =(0.2~ 0.35)R = 16.4mm 4.5.3擺腕部分齒輪設(shè)計 第一極圓柱齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS齒 輪精度等級為7極。取乙=20,則Z2 = 2 20 =40。經(jīng)計算齒輪滿足要求。小齒輪作成 齒輪軸。 表4 — 6齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 d d^ m^ = 2沢 20 = 40mm d

60、2 = mz2 = 2漢 40 = 80mm 齒頂高 ha ha = ha"m = 1 沃 2 = 2mm 齒根高 hf hf = (ha^+£)口 = (1 + 0.2) N 2 = 2.5mm 齒全冋 h h = ha + hf =2 + 2.5 = 4.5mm 齒頂圓直徑 da1 da1 =d<i+2ha = 44mm da2 = d2 + 2ha = 84mm 齒根圓直徑 d f 1 d f1 = a —2hf = 35mm d f 2 = d2—2hf = 75mm 基圓直徑 db1 db1 =d1 cos。= 37.56

61、mm db2 = d2 cos。= 75.17mm 齒距 P p = nm = 3.14漢2 = 6.28mm 齒厚 s s =兀 m/ 2= 3.14mm 齒槽寬 e e =兀 m/ 2 = 3.14mm 中心距 a a = © 十d2)/2 = 60mm 頂隙 c c = fm = 0.25漢 2 = 0.5mm 第二極圓錐齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS齒 輪精度等級為7極。取乙=20,則Z2 =5 20 = 100。經(jīng)計算齒輪滿足要求。小齒輪作 成齒輪軸。 表4 — 6齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公

62、式 分度圓直徑 d d1=mw=2x20 = 40mmd2=mz2=2>d00 = 200mm 齒頂咼 ha ha = ha^m = 1 x 2 = 2mm 齒根高 hf hf =5&訊一疋)口 = (1—0.2) x 2 = 1.6mm 齒頂圓直徑 da da1 =d<i +2ha cos6 = 44mm da2 = d2 +2ha cos6 = 202mm 齒根圓直徑 df d f1 = d1 —2hf cos6 = 37mm d f2 = d2 —2hf cos6 = 197mm 齒頂角 Ba tan 日a =ha/R = 0.01

63、959 齒根角 % tan % = hf / R = 0.0235 分度圓錐角 6 sin 6 = mz/2R = 0.196 頂錐角 每 6a = 6 -日a = 10.3 根錐角 6f =6 =10 = 錐距 R R = mz/ 2 si n 6 = 102mm 齒寬 b b = (0.2 ~ 0.35)R = 20.4mm 4.6軸的設(shè)計和校核 軸的結(jié)構(gòu)決定于受力情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類型和尺寸、 軸的毛坯，制造和裝配工藝、以及運輸、安裝等條件。軸的結(jié)構(gòu)，應(yīng)使軸受力合理， 避免或減輕應(yīng)力集中，有良好的工藝性，并使軸上零件定位可

64、靠、裝配方便。對于 要求剛度大的軸，還應(yīng)該從結(jié)構(gòu)上考慮減少軸的變形。 4.5.1輸出軸的設(shè)計 擺腕的傳動軸根據(jù)連軸器選：軸徑 d=18mm,根據(jù)結(jié)構(gòu)取軸長l=135mm 由于要實現(xiàn)擺腕，工作時要求彼此有相對運動的空間傳動所以提腕和轉(zhuǎn)腕的傳 動軸采用軟軸。軟軸通常由鋼絲軟軸、軟管、軟軸接頭和軟管接頭等幾部分組成。 a. 鋼絲軟軸由幾層彈簧鋼絲緊繞在一起構(gòu)成的。每層又由若干根鋼絲組成。相 鄰鋼絲層的纏繞方向相反。 b. 軟管用來保護鋼絲軟軸，以免與外界的機件接觸，并保存潤滑劑和防止塵垢 侵入；工作時軟管還起支撐作用。 c. 軟軸接頭用以連接動力輸出軸及工作部件 d. 軟管接口用以連接

65、傳動裝置及工作部件的機體，有時也是軟軸接頭的軸承 座。 在使用軟軸的時候要注意鋼絲軟軸必須定時涂潤滑脂，不得使軟軸的彎曲半徑 小于允許最小半徑。 4.5.2傳動軸的設(shè)計 軸的材料為45號鋼，調(diào)制處理 a. 初估軸徑，c=106~117,取c=106則 dmin 二 C3 P （ 4-7） ■- n = 106 二 2.28mm b. 各段軸徑的確定 初估軸徑后，就可按照軸上零件的安裝順序從dmin處開始逐段確定軸徑，上面計 算的dmin是軸段1的直徑，由于軸段1上安裝連軸器，因此軸段1直徑的確定和連軸 器型號同時進行。這次選用的是波紋管連軸器。故軸段 1直徑d1 = 2

66、0mm 右端用軸肩固定，考慮到在軸段 2上裝套筒，故取軸徑d2 = 22mm 在軸段3上要安裝軸承，其直徑應(yīng)該便于軸承安裝，又應(yīng)該符合軸承內(nèi)徑系列， 即軸段3的直徑應(yīng)與軸承型號的選擇同時進行?，F(xiàn)取角接觸球軸承型號為7205, 其內(nèi)徑d3 = 25mm通常一根軸上的兩個軸承取相同型號，故取軸段 7的直徑d?= 25mm 軸段4上用軸肩固定軸承，故取d4 = 30mm 軸段5上作成齒輪軸，尺寸與齒輪相同。 根據(jù)結(jié)構(gòu)確定軸段6的直徑d6 = 30mm c. 各軸段長度的確定 各軸段長度主要根據(jù)軸上零件的轂長或軸長零件配合部分的長度確定。另一些 軸段長度，除與軸上零件有關(guān)外，還與箱體及

67、軸承蓋等零件有關(guān)。 根據(jù)聯(lián)軸器取h =24mm。 考慮到套筒長度取l2 =21mm 0 根據(jù)軸承寬度取 13 = 15mm = 17。 根據(jù)結(jié)構(gòu) 14 = 6mm l6 = 42mm。 圖4—1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖 4.5.3軸的強度校核[13] 軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法, 并恰當?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強度條件計算，對于只 受彎矩的軸（心軸）應(yīng)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。 b 叫 J I [TTrrii-s^  圖4 — 2軸的受力分析和彎扭矩圖 a. 軸上的轉(zhuǎn)矩T： 主軸上的傳遞的功率：P"竺囂心阪 (4-8) 6 P T =