3-DOF工業(yè)機器人的結構設計,DOF,工業(yè),機器人,結構設計 畢業(yè)設計（論文）開題報告 題目 3—DOF工業(yè)機器人的結構設計 專 業(yè) 名 稱 機械設計制造及其自動化 班 級 學 號 0781052 19 學 生 姓 名 李明明 指 導 教 師 許 瑛 填 表 日 期 2010 年 3 月 3 日 說 明 開題報告應結合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）、研究內(nèi)容及實驗方案、目標、主要特色及工作進度、參考文獻等內(nèi)容。以下填寫內(nèi)容各專業(yè)可根據(jù)具體情況適當修改。但每個專業(yè)填寫內(nèi)容應保持一致。 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。機器人具有結構簡單、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)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（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（圖1-1）。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，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（圖1-2）。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，其結構也越復雜。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。 圖 1-1 圖 1-2 二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）： 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。 圖2-1： 1991-2005年各年世界新安裝工業(yè)機器人臺數(shù) 資料來源：World Robotics 2006 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2-2： 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。 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 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% 資料來源：World Robotics 2006 三、研究內(nèi)容及主要特色： 本次設計是根據(jù)對工業(yè)六自由度機器人的總體結構及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進行三自由度工業(yè)機器人的結構設計。關鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設計以及整體的結構設計，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構設計。 3.1課題工作內(nèi)容： 1　 開題報告，外文資料翻譯 2　 機器人本體的組成方案設計 3　 第一臂、底座的結構分析與設計 4　 Auto CAD平臺上建立各零部件與裝配圖 5　 畢業(yè)論文整理 及答辯準備 四、目標、主要特色及工作進度： 4.1 3—DOF工業(yè)機器人結構設計： 以3自由度機器人的結構設計，主要設計要求如下： 第一軸：轉動角速度為 90/s，轉角范圍為0～270 底 座：能夠?qū)崿F(xiàn)第一臂轉角(0-270度)轉角范圍控制 圖4-1 4.2 畢業(yè)設計（論文）工作進度的時間： 1　 開題報告，外文資料翻譯 第01周-第02周 2　 機器人本體的組成方案設計 第03周-第04周 3　 結構分析與設計 第05周-第08周 4　 虛擬平臺的建立與裝配 第09周-第12周 5　 機器人抓取作業(yè)的運動模擬 第13周-第15周 6　 畢業(yè)論文整理 及答辯準備 第16周-第17周 5、 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 目 錄 1 引言 (01) 1. 1 選題的依據(jù)和意義 (02) 1. 2 國內(nèi)外研究概況 (03) 1. 3 論文主要內(nèi)容 (05) 2 機器人結構分析 (06) 2. 1 總體結構的概述 (06) 2. 2 第一軸（大臂）的結構 (07) 2. 3 第二軸結構 (09) 2. 4 第三軸結構 (10) 2. 5 傳動方案的確定 (11) 3 設計計算 (12) 3. 1 電動機的選擇 (12) 4 傳動結構的設計計算 (16) 4. 1 第一軸的傳動結構設計 (16) 4. 2 軸承的選擇 (31) 4．2．1 斜齒輪傳動軸上的軸承 (31) 5 機器人各零部件的結構設計 (32) 5. 1 轉角范圍的控制設計 (32) 5. 2 主要零部件的結構設計（第一臂與底座） (33) 5．2 .1 第一軸轉臂的結構 (33) 5．2 .2 底座的結構設計 (33) 6 總 結 (34) 參考文獻 (35) 致 謝 (36) 附錄 A 外文文獻翻譯 附錄 B CAD圖A1總裝配圖與各零件圖 3-DOF Structural Design of Industrial Robots Srudent name: LiMingming Class:0781052 19 Supervisor: Xu Ying Abstract?： In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. The Design of industrial robots on some basic common sense and principles, including the composition of industrial robots, classification, main technical performance parameters and the movement of industrial robots, with reference to general-purpose industrial 6-DOF robot's structure, conduct three degrees of freedom industrial robot structural design, based on the industry overall structure of six degrees of freedom robot and transmission system analysis and discussion of the 3-DOF industrial robot for structural design. The key lies in the fact that three axis (arm) transmission system design and the whole structure design, avoid the interference in the sports, mainly responsible for the design of the arm and base structure design and its transmission principle of first arm and the base of the parts of the structure design. Keywords: 3-DOF Robots Transmission principle Control Signature of Supervisor: 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)基本結構模塊。 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構及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進行三自由度工業(yè)機器人的結構設計。關鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設計以及整體的結構設計，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構設計。 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。機器人具有結構簡單、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)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（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。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，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，其結構也越復雜。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構及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進行三自由度工業(yè)機器人的結構設計。關鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設計以及整體的結構設計，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構設計。這次設計的機器人主要部位為第一軸與底座，設計一個第一軸轉動角速度為90°/s,轉角范圍為0~270°。底座能夠?qū)崿F(xiàn)第一臂轉角 （0~270°）轉角范圍控制的 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)機器人的結構設計內(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，確定出總體的結構及整體方案。 第四步，選擇電動機，通過計算出第一軸上的轉動慣量，選擇合適的電動機，從而進行第一軸的傳動結構的設計及計算。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 機器人的結構分析 2.1總體結構的概述 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，它由機器人的機構部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構成。機構部分有機械手和移動機構兩部分組成；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、臂的左右擺動、臂的上下擺動、手腕的回轉、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)帶動大臂的回轉運動，且與大臂相連的所有其它手臂、手腕及機械構件也隨大臂一起作回轉運動；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、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）的結構 大臂的結構圖（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構的最優(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）傳動機構繞著它轉動，且電動機又固定在大臂上，所以導致大臂帶著電動機、減速箱一起作回轉運動。 2.3 第二軸的結構 第二軸的結構圖（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構的最優(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第三軸的結構 第三軸的結構圖（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構的最優(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)機器人的總體結構分析可知，工業(yè)機器人的三軸的傳動結構并不復雜。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，參照以上的傳動結構分析，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小；2）傳動比也較大，結構比較緊湊。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構的復雜性，且同時也增加了轉動時的負荷；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，在結構上尺寸要小得多，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）結構緊湊，并且在總體結構上也是合理的。 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，第一軸的轉動慣量是很大的，必須計算各零部件的轉動慣量，計算出最終動力源軸上所需要的最大的轉動慣量，再根據(jù)動力源軸上的轉動慣量進行選擇電動機。下面計算第一軸上的轉動慣量： 如圖3-1-1，該軸的轉動軸與第二軸的轉動軸不同，該轉動軸的軸線為ob線，則在這種情況下， 圖3-1-1 第三臂的轉動慣量： Kgm2 第二軸的轉動慣量： （3-1-1） Kgm2 兩電動機的轉動慣量： Kgm2 兩個齒輪的轉動慣量： Kgm2 減速箱的轉動慣量： Kgm2 第一軸本身的轉動慣量： Kgm2 所以，總的轉動慣量為： Kgm2 而轉動角加速度為： 1/s2 則輸出軸的轉矩為由式（3-1-7）得： Nm 轉換到電動機上的轉矩為： 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，第二軸的轉動慣量也是很大的，必須計算各零部件的轉動慣量，計算出最終動力源軸上所需要的最大的轉動慣量，再根據(jù)動力源軸上的轉動慣量進行選擇電動機。下面計算二軸上的轉動慣量： 第二軸的轉動慣量： J2=M/12（a2+b2+c2+d2）+mp2=5.742Kgm2 電動機的轉動慣量： J2=8.5*0.42=1.366 Kgm2 齒輪的轉動慣量 J輪2=50*0.252=3.125 Kgm2 減速箱的轉動慣量： 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 第三臂的轉動慣量： J3=34*0.22=1.36Kgm2 電動機的轉動慣量： J輪3=100*0.52=25Kgm2 減速箱的轉動慣量： J減+150*0.452=30.375Kgm2 總的轉動慣量為： J總=23.43+1.36+25+30.375 =80.165Kg2 轉換到電動機上的轉矩為： 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 第三臂的轉動慣量： J3=34*0.22=1.36Kgm2 電動機的轉動慣量： J輪3=100*0.52=25Kgm2 減速箱的轉動慣量： J減+150*0.452=30.375Kgm2 總的轉動慣量為： J總=23.43+1.36+25+30.375 =80.165Kg2 轉換到電動機上： 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 傳動結構的設計計算 4.1 第一軸的傳動結構設計 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）針齒結構尺寸 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構設計 5.1 轉角范圍的控制設計 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，從而控制轉角。這里用擋塊結構設計來實現(xiàn)控制轉角范圍。第一軸的控制轉角（0～270）的擋塊結構示意圖如圖5-1 圖5-1 5.2主要零部件的結構設計（第一臂與底座） 5.2.1 第一軸轉臂的結構：如圖5-2，具體尺寸見附圖（零件圖）。 5.2.2底座的結構設計：如圖5-3 圖5-2 圖5-3 總 結 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、結構及材料，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. 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