《垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)《垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì)（13頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2007目目 錄錄1 前言.11.1 課題來(lái)源.11.2 技術(shù)要求及預(yù)期效果.11.3 本課題要解決的主要問(wèn)題及設(shè)計(jì)總體思路.11.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r.11.4.1 研究現(xiàn)狀.11.4.2 發(fā)展趨勢(shì).22 總體方案設(shè)計(jì).42.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的確定.42.2 傳動(dòng)方案的確定.42.3 工作空間的確定.52.4 手腕結(jié)構(gòu)的確定.52.5 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇.62.5.1 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇.62.5.2 手腕電機(jī)的選擇.72.5.3 傳動(dòng)比的確定及分配.83 齒輪的設(shè)計(jì).93.1 齒輪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)與校核.93.1.1 第一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì).93.1.2 第二級(jí)

2、圓錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì).124 軸的設(shè)計(jì).154.1 轉(zhuǎn)腕傳動(dòng)軸的選擇.154.2 擺腕傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì).154.2.1 圓柱齒輪軸的設(shè)計(jì).154.2.2 軸的強(qiáng)度校核.164.2.3 圓錐齒輪軸的設(shè)計(jì).204.2.4 手腕連接軸的設(shè)計(jì).214.2.5 大臂小臂連接軸的設(shè)計(jì).225 軸承的設(shè)計(jì).235.1 軸承的選擇.235.2 軸承的壽命計(jì)算.236 其它零部件的選用.256.1 鍵連接的選用.256.2 殼體的設(shè)計(jì).256.3 機(jī)器人手臂材料的選擇.256.4 機(jī)器人臂部連接件的選用.257 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的位姿分析.278 結(jié)論.31參 考 文 獻(xiàn).32致謝.33附 錄.34本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2

3、00711 前前言言 1.1 課題來(lái)源本課題設(shè)計(jì)的是垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人臂部與手部的設(shè)計(jì)，主要是臂部和腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其零件設(shè)計(jì)。此課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際，是針對(duì)目前手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對(duì)操作員技術(shù)熟練程度要求高，因此采用機(jī)器人技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化和改善勞動(dòng)條件。1.2 技術(shù)要求及預(yù)期效果根據(jù)設(shè)計(jì)要達(dá)到以下要求：a. 最大搬運(yùn)重量：5kg；b. 最大工作范圍：850mm；c. 標(biāo)準(zhǔn)周期：0.59sec； d. 重復(fù)定位精度：mm；1 . 0e. 生產(chǎn)綱領(lǐng)：大批大量。此次設(shè)計(jì)的垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)大臂小臂的旋轉(zhuǎn),手腕

4、的旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)以及手爪的自動(dòng)抓取與放松工件運(yùn)動(dòng)。此裝置應(yīng)用在焊接生產(chǎn)線(xiàn)上將大大提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。1.3 本課題要解決的主要問(wèn)題及設(shè)計(jì)總體思路 本課題要解決的問(wèn)題有以下三個(gè)：a. 手腕處于手臂末端，需減輕手臂的載荷，力求手腕部的結(jié)構(gòu)緊湊，減少重量和體積；b. 提高手腕動(dòng)作的精確性；c. 三個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn)。 針對(duì)上述問(wèn)題有了以下設(shè)計(jì)思路：a.對(duì)于分離傳動(dòng)采用傳動(dòng)軸。b. 腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置采用分離傳動(dòng)，將 2 個(gè)驅(qū)動(dòng)器安置在小臂的后端。c. 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 1 經(jīng)聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸來(lái)驅(qū)動(dòng)小臂殼體的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2 經(jīng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)一對(duì)圓柱齒輪和一對(duì)圓錐齒輪

5、傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)手腕作偏擺運(yùn)動(dòng)。d.手部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在手腕內(nèi)部，以此來(lái)減輕手部的重量，讓手爪能夠作靈活的運(yùn)動(dòng)，此傳動(dòng)裝置采用螺旋傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)手爪的抓取與放松工件運(yùn)動(dòng)。1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r1.4.11.4.1 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀1自上世紀(jì) 90 年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。原本用于生產(chǎn)制造的工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。機(jī)器人的各種功能被相繼開(kāi)垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì)2發(fā)并得到不斷增強(qiáng)，機(jī)器人的種類(lèi)不斷增多，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的工業(yè)控制拓展到各行各業(yè)，從軍事到民用，從天上到地下，

6、從工業(yè)到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，從科研探索到醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，從生產(chǎn)領(lǐng)域到娛樂(lè)服務(wù)行業(yè)，甚至還進(jìn)入尋常百姓家。工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直角坐標(biāo)式、柱面坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、伸縮式、爬行式等等，根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展之中。焊接機(jī)器人根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合可采取不同的結(jié)構(gòu)形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多關(guān)節(jié)式的機(jī)器人，這是因?yàn)槎嚓P(guān)節(jié)式機(jī)器人的手臂靈活性最大，可以使焊槍的空間位置和姿態(tài)調(diào)至任意狀態(tài)，以滿(mǎn)足焊接需要。理論上講，機(jī)器人的關(guān)節(jié)愈多，自由度也愈多，關(guān)節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好；但同時(shí)也給機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的坐標(biāo)變換和各關(guān)節(jié)位置的控制帶來(lái)復(fù)雜性。因?yàn)楹附舆^(guò)程中往往需要把以空間

7、直角坐標(biāo)表示的工件上的焊縫位置轉(zhuǎn)換為焊槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過(guò)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)換為對(duì)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)角度位置的控制，而這一變換過(guò)程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何選取最合適的解對(duì)機(jī)器人焊接過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性很重要。不同的機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)這一問(wèn)題的處理方式不盡相同。 一般來(lái)講，具有 6 個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人基本上能滿(mǎn)足焊槍的位置和空間姿態(tài)的控制要求，其中 3 個(gè)自由度(XYZ)用于控制焊槍端部的空間位置，另外 3 個(gè)自由度(ABC)用于控制焊槍的空間姿態(tài)。因此，目前的焊接機(jī)器人多數(shù)為 6 關(guān)節(jié)式的。進(jìn)入 21 世紀(jì)，世界經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生重大而深刻的變革，但制造業(yè)依然是世界各發(fā)達(dá)與發(fā)

8、展中國(guó)家加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高國(guó)家綜合競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。 我國(guó)是一個(gè)制造業(yè)大國(guó)，尚處于工業(yè)化進(jìn)程之中，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期里，制造業(yè)仍將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占主導(dǎo)地位。在新一輪國(guó)際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國(guó)正逐步成為世界最重要的制造業(yè)基地之一。 然而目前我國(guó)裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚有較大的差距，尤其是在戰(zhàn)略必爭(zhēng)裝備技術(shù)與競(jìng)爭(zhēng)前核心技術(shù)、基礎(chǔ)制造裝備與成套關(guān)鍵裝備制造技術(shù)等方面差距更大，這種差距又主要體現(xiàn)在先進(jìn)裝備的自主設(shè)計(jì)與獨(dú)立制造能力差，成套與系統(tǒng)集成、優(yōu)化能力差，技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力差。這些差距已經(jīng)成為制約我國(guó)制造業(yè)乃至其他行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題之一。1.4.21.4.2 發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)

9、2工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用水乳交融。在第一代工業(yè)機(jī)器人普及的基礎(chǔ)上，第二代已經(jīng)推廣，成為主流安裝機(jī)型，第三代智能機(jī)器人已占有一定比重。以應(yīng)用為龍頭拉動(dòng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域與技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在下述方面：A機(jī)械結(jié)構(gòu) a. 以關(guān)節(jié)型為主流，80 年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人約占總量的 l3(目前世界工業(yè)機(jī)器人總數(shù)約為 750000 臺(tái))，90 年代初開(kāi)發(fā)的適用于窄小空間、快節(jié)奏、360 度全工作空間范圍的垂直關(guān)節(jié)型機(jī)器人大量用于焊接和上、下料。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 20073 b. 應(yīng) 3K(煉鋼、煉鐵、鑄鍛)行業(yè)和汽車(chē)、建筑、橋梁等行業(yè)需求，超大型機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。如焊接數(shù)

10、十米長(zhǎng)、l0 噸以上大構(gòu)件的弧焊機(jī)器人群；采取螞蟻啃骨頭的協(xié)作機(jī)構(gòu)。c. 己普遍采用 CAD、CAE 等技術(shù)用于設(shè)計(jì)、仿真與制造中。B. 控制技術(shù)a. 大多數(shù)采用 32 位 CPU，控制軸多達(dá) 27 軸，NC 技術(shù)和離線(xiàn)編程技術(shù)大量采用。b. 協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實(shí)現(xiàn)了多手與變位機(jī)、多機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制，正逐步實(shí)現(xiàn)多智能體的協(xié)調(diào)控制。 c. 基于 PC 的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于成本低并具有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)功能，己成為一股潮流。C. 驅(qū)動(dòng)技術(shù)上世紀(jì).80 年代發(fā)展起來(lái)的 AC 伺服驅(qū)動(dòng)已成為主流驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于工業(yè)機(jī)器人中。日本 23 家機(jī)器人公司于 1998 年生產(chǎn)的 167 種型號(hào)機(jī)器人產(chǎn)品，其中采

11、用 AC伺服驅(qū)動(dòng)的有 156 種，占 93.4。直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)則廣泛用于裝配機(jī)器人中。新一代的伺服電機(jī)與基于微處理器的智能伺服控制器相結(jié)合，已由日本 FANUC 公司開(kāi)發(fā)并用于工業(yè)機(jī)器人中；在遠(yuǎn)程控制中已采用了分布式智能驅(qū)動(dòng)新技術(shù)。D. 智能化的傳感器多有應(yīng)用在上述 167 種機(jī)型中，裝有視覺(jué)傳感器的有 94 種，占 56.3，不少機(jī)器人裝有兩種傳感器，有些機(jī)器人留下了多種傳感器接口。E. 高速、高精度、多功能化目前所知最快的裝配機(jī)器人最大合成速度為 16.5m/s;高精度機(jī)器人的位置重復(fù)性為正負(fù) 0.01mm.有一種大直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人，其最大合成速度達(dá) 80m/s;而另一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的 NC

12、機(jī)器人，其位置重復(fù)性達(dá) l um。90 年代末的機(jī)器人一般都具有兩、三種功能。最近瑞典 Neos 公司開(kāi)發(fā)出一種高精度、高可靠性的可切割、鉆孔、銑削、磨削、裝配、搬運(yùn)的多功能機(jī)器人，用于多家著名汽車(chē)廠(chǎng)和飛機(jī)公司。F. 集成化與系統(tǒng)化1998 年 ABB 公司推出 IRbl400 系列小機(jī)器人，其循環(huán)時(shí)間只有 0.4s，控制器包括軟件、高壓電、驅(qū)動(dòng)器、用戶(hù)接口等皆集成于一柜，只有洗衣機(jī)變換器那樣大小。FANUC 公司 2000 年 9 月宣稱(chēng)它的控制器為世界最小。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用從單機(jī)、單元向系統(tǒng)發(fā)展。多達(dá)百臺(tái)以上的機(jī)器人群與微機(jī)及周邊智能設(shè)備和操作人員形成一個(gè)大群體(多智能體)。跨國(guó)大集團(tuán)的壟

13、斷和全球化的生產(chǎn)將世界眾多廠(chǎng)家的產(chǎn)品聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放化、網(wǎng)絡(luò)化的“虛擬制造”，為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì)42 總體方案設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的確定為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間位置提供的 6 個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題的要求現(xiàn)可以將其設(shè)計(jì)成關(guān)節(jié)型機(jī)器人。關(guān)節(jié)型又稱(chēng)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類(lèi)似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)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(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)是工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取近距離的物體，工藝操

14、作精度高。2.2 傳動(dòng)方案的確定 圖 2-1 是機(jī)器人小臂與腕部機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有 4 個(gè)齒輪，為了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向 90,有 2 個(gè)齒輪為圓錐齒輪,有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu),則必然以空間交叉方式變向,就不利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。其中有 2 個(gè)齒輪為直齒圓柱齒輪，用于減速。小臂的結(jié)構(gòu)形式是由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。關(guān)節(jié) 4 電機(jī)安裝在小臂后面用于帶動(dòng)傳動(dòng)軸與齒輪的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)手腕的擺動(dòng)；關(guān)節(jié)5 電機(jī)也安裝在小臂后面，其后緊跟傳動(dòng)軸用于實(shí)現(xiàn)手腕的旋轉(zhuǎn)；關(guān)節(jié) 6 電機(jī)安裝在手腕里，用螺旋傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)手

15、爪的夾緊與放松運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)給杠桿施加一個(gè)向上的力來(lái)實(shí)現(xiàn)放松工件運(yùn)動(dòng)，相反，電機(jī)反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)夾緊工件運(yùn)動(dòng)。圖 2-1 小臂腕部傳動(dòng)原理圖本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 200752.3 工作空間的確定 工作空間是機(jī)器人學(xué)中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。但在實(shí)際應(yīng)用中，可以簡(jiǎn)化這一問(wèn)題，把工作空間看作是機(jī)器人操作機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，手腕參考點(diǎn)（如定位機(jī)構(gòu)的軸線(xiàn)正交，取交點(diǎn)為參考點(diǎn)）在空間的活動(dòng)范圍，或者說(shuō)該點(diǎn)可達(dá)位置在空間所占有的體積。根據(jù)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間，工作空間是指機(jī)器人正常工作運(yùn)行時(shí)，手腕參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍，是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)。圖 2-2 機(jī)器人的工作空間位置圖2.4 手腕結(jié)構(gòu)的確定

16、3手腕是操作機(jī)的小臂（上臂）和末端執(zhí)行器（手爪）之間的聯(lián)接部件。其功用是利用自身的活動(dòng)度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說(shuō)是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。故手腕也稱(chēng)作機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。對(duì)一般商用機(jī)器人，末桿（即與末端執(zhí)行器相聯(lián)接的桿）都有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的自轉(zhuǎn)功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間取任意姿態(tài)，即達(dá)到完全靈活的境地。對(duì)于任一桿件的姿態(tài)（即方向） ，可用兩個(gè)方位角確定，如圖 2-3 所示。垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì)6圖 2-3 末桿姿態(tài)示意圖 -大臂-小臂-末桿 在圖 2-3 中末桿 Ln 的圖示姿態(tài)可以看作是由處于方向的原始位置先繞oX在平面內(nèi)轉(zhuǎn)角，然

17、后再向上轉(zhuǎn)角得到的?？梢?jiàn)是由兩角決定了末oZoooYOX桿的方向（姿態(tài)） 。從理論上講，如果，則末桿在空間取003600003600任意方向。如果末桿的自轉(zhuǎn)角（即）也滿(mǎn)足，就說(shuō)該操作機(jī)具有n003600最大的靈活度，即可自任意方向抓取物體并可把抓取的物體在空間擺成任意姿態(tài)。為了定量的說(shuō)明操作機(jī)抓取和擺放物體的靈活程度，定義組合靈度（dex)為： 000%360360360dexXXXXXX (2-1)上式取加的形式但一般不進(jìn)行加法運(yùn)算，因?yàn)榉珠_(kāi)更能表示機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。腕結(jié)構(gòu)最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是 dex 值。若為三個(gè)百分之百，該手腕就是最靈活的手腕。一般說(shuō)來(lái)、的最大值取，而值可取的更大一些，如果擰螺

18、釘，0360最好無(wú)上限。 腕結(jié)構(gòu)是操作機(jī)中最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因傳動(dòng)系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求是：重量輕，dex 的組合值必須滿(mǎn)足工作要求并留有一定的裕量（約 5%-10%） ，傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并有利于小臂對(duì)整機(jī)的靜力平衡。2.5 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇2.5.12.5.1 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇 4通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下三種：a. 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器是目前使用最廣泛的驅(qū)動(dòng)器。它的能源簡(jiǎn)單，速度變化范圍大，效率高，但它們多與減速裝置相連，直接驅(qū)動(dòng)比較困難。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器又分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。后者多為開(kāi)環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單

19、但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。直流伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)交流伺服電機(jī)正逐漸取代直流伺服電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)器。b. 液壓驅(qū)動(dòng)器液壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是功率大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可省去減速裝置，能直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度，但需要增設(shè)液壓源，而且易產(chǎn)生液體泄露，故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。c. 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源，結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，但與液壓驅(qū)動(dòng)器相比，同體積條件下功率較?。ㄒ驂毫Φ停?，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制系統(tǒng) 。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 20077通過(guò)比較以上三種驅(qū)動(dòng)方

20、式，因此本課題的機(jī)器人將采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器中的直流伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。因?yàn)橹绷魉欧姍C(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。而交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。2.5.22.5.2 手腕電機(jī)的選擇手腕電機(jī)的選擇 5a. 擺腕電機(jī)的選擇手腕的最大負(fù)荷重量初估腕部的重量，最大運(yùn)動(dòng)速度15mkgkgm32V=2m/s，則功率8 10 2160;PFVmgVW 取安全系數(shù)為 1.2，1.21.2 160192;PPW考慮到傳動(dòng)損失和摩擦，最終的電機(jī)功率200;pW額又因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)周期 T=0.59s

21、ec，即；min/10059. 060rn則所需電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速為；min/100010100100rin所以選取寬調(diào)速永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 2-1。表 2-1 SZYX82 寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù)規(guī)格型號(hào)額定功率額定轉(zhuǎn)矩額定電壓SZYX820.2KW1.35N.M48V最高電流最高轉(zhuǎn)速允許轉(zhuǎn)速差10%轉(zhuǎn)動(dòng)慣量5.4A1500r/min150292kg.cm.s2該電機(jī)具有精度高，響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，加速度大，力矩波動(dòng)小，線(xiàn)性度好，過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。b. 轉(zhuǎn)腕及腕部?jī)?nèi)電機(jī)的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)腕部分的電機(jī)后緊跟輸出軸和聯(lián)軸器，直接帶動(dòng)手腕旋轉(zhuǎn)，故在此應(yīng)選擇轉(zhuǎn)速較低的型號(hào)電機(jī)，又

22、由于要求手腕的重量較輕，便于靈活的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此要求腕部?jī)?nèi)電機(jī)較小，故選 SH 直流伺服電動(dòng)機(jī)型，其安裝尺寸為42mm，電機(jī)重量?jī)H為 0.35Kg，可容許速度范圍為 0 250r/min，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表 2-2。表 2-2.SH 直流伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù)單轉(zhuǎn)軸保持轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量額定電流電壓線(xiàn)圈電阻PK243A1-SG7.21.2N.M35x10kgm72.4A12V5基本步距角減速比容許轉(zhuǎn)矩容許速度范圍電機(jī)重量0.251:7.20.8N.M0-250r/min0.35kg電樞電阻：Rs=0.5(Un/In-Pn/In) ，求得：Pn=13.8W。310取 P=15W, T=9550P/n。求得 n=1

23、19.4 r/min 。2 . 1/101595503垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì)82.5.32.5.3 傳動(dòng)比的確定及分配傳動(dòng)比的確定及分配a. 傳動(dòng)比的確定由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可知所需的總傳動(dòng)比為 i=10。b. 傳動(dòng)比的分配傳動(dòng)比分配時(shí)要充分考慮到各級(jí)傳動(dòng)的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。因此擺腕傳動(dòng)比分配為：擺腕總的傳動(dòng)比10，該傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)，i總第一級(jí)傳動(dòng)為圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比 2，第二級(jí)傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比1i。25i 3 齒輪的設(shè)計(jì)3.1 齒輪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)與校核 63.1.13.1.1 第一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)第一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)齒輪材料采用 45 號(hào)鋼，鍛造毛坯，

24、小齒輪調(diào)質(zhì)處理，表面硬度為 210HBS；大齒輪正火處理后齒面硬度為 180HBS，因載荷平穩(wěn)，齒輪速度不高，初選齒輪精度等級(jí)為 7 級(jí)。取。40202,2021zz則a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件的設(shè)計(jì)表達(dá)式 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 20079 (3-1)3132. 2121uuKTZddHEt式中，-載荷系數(shù),取；tK3 . 1tK-齒寬系數(shù)，取，；d8 . 0d2u-材料系數(shù)，取。EZaEMPZ8 .189小齒輪傳遞扭矩 (3-2)mmNnPT12401500/2 . 01055. 91055. 9661大

25、小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極根應(yīng)力為： ；MPaH5801limMPaH5602lim選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： ；MPaF2301limMPaF2102lim應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 由下列公式計(jì)算可得 （3-hjlnN11603）168300150060 91045. 3則 99121073. 121045.43uNN接觸疲勞壽命系數(shù),；1 . 11NHK02. 12NHK彎曲疲勞壽命系數(shù)；121NNYY接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù)。 1minHS5 . 1minFS許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì)101lim11min2lim22min1lim111min2lim2

26、22min5801.163815601.025921230 213071.5210 212801.5HHNHHHNHFSTFNFFSTFNFZMPaSZMPaSYYMPaMPaSYYMPaMPaS將有關(guān)值代入（3-1）得：213122312.321189.81.3 12402 12.32591.60.8242tEtHdK TZudummmm 計(jì)算圓周速度: smndvt/3 . 3100060150042100060111計(jì)算載荷系數(shù):動(dòng)載荷系數(shù) Kv=1.0；使用系數(shù)；動(dòng)載荷分布不均勻系數(shù)1AK；齒間載荷分配系數(shù)，則。02. 1K1Ka03. 10 . 102. 10 . 101. 1KaK

27、vKKKAH修正 ； mmKKddtHt383 . 103. 13 .413311 ；mmmmzdm9 . 1203811取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 mmm2c. 計(jì)算基本尺寸mmdbmmzzmammmzdmmmzdd32408 . 06028040280402402021212211取 132bmmmmb222d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度齒形系數(shù)，取，校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度1 . 41FSY8 . 32FSY7 . 0Y本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 200711 （3-YYmzKTFSdF13211124） MPa7 . 01 . 42208 . 0159203. 1232=3.7MPa1F2121243. 31 .

28、 48 . 37 . 3FFSFSFFMPaMPaYY所以齒輪完全達(dá)到要求。由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，將小齒輪做成齒輪軸。圓柱齒輪的幾何參數(shù)見(jiàn)表 3-1。表 3-1 圓柱齒輪的幾何尺寸名稱(chēng)符號(hào)公式分度圓直徑dmmmzd4020211mmmzd8040222齒頂高ahmmmhaha221齒根高fhmmmChhaf5 . 22)25. 01 ()(齒全高h(yuǎn) mmhhhfa5 . 45 . 22齒頂圓直徑1ad mmhddaa44211mmhddaa84222齒根圓直徑1fd mmhddff35211mmhddff75222基圓直徑1bd mmddb56.37cos11mmddb17.7

29、5cos22齒距pmmmp28. 6214. 3齒厚smmms14. 32/齒槽寬emmme14. 32/中心距ammdda602/ )(21頂隙cmmmcc5 . 0225. 03.1.23.1.2 第二級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)第二級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)齒輪材料采用 45 號(hào)鋼，小齒輪調(diào)質(zhì)處理表面硬度為 210HBS；大齒輪正火處理垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì)12后齒面硬度為 180HBS，齒輪精度等級(jí)為 7 級(jí)。取。 。 。100205,2021zz則a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)表達(dá)式 (3-5)32121)5 . 01 (85. 04uKTZZdRRHEHt