《6自由度多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人圖紙++》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《6自由度多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人圖紙++（39頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

湖南科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 題目 六自由度工業(yè)機(jī)器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 作者 學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 二 一六年五月二十日 湖南科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 任務(wù)書 機(jī)電工程學(xué)院院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化系 教研室 系 教研室 主任 簽名 年月日 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 1 設(shè)計(jì) 論文 題目及專題 六自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 學(xué)生設(shè)計(jì) 論文 時(shí)間 自 2015 年 3 月 1 日開始至 2015 年 5 月 29 日止 3 設(shè)計(jì) 論文 所用資源和參考資料 工業(yè)機(jī)器人 機(jī)器人學(xué) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ) Solidworks2013 從入門 到精通 4 設(shè)計(jì) 論文 應(yīng)完成的主要內(nèi)容 1 介紹工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及前景 2 工業(yè)機(jī)器人工作空間計(jì)算和簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 3 工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵零部件計(jì)算 4 對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核 5 提交設(shè)計(jì) 論文 形式 設(shè)計(jì)說明與圖紙或論文等 及要求 1 相關(guān)的計(jì)算 設(shè)計(jì)框圖及仿真圖 2 論文不少于 35 頁(yè) 3 說明書中必須有與設(shè)計(jì) 論文 內(nèi)容或?qū)I(yè)相關(guān)的不少于 1500 字的外文資料翻 譯 6 發(fā)題時(shí)間 2015 年 3 月 1 日 指導(dǎo)教師 學(xué)生 湖南科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 指導(dǎo)人評(píng)語 主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 的工作態(tài)度 研究?jī)?nèi)容與方法 工作量 文獻(xiàn)應(yīng)用 創(chuàng)新性 實(shí)用 性 科學(xué)性 文本 圖紙 規(guī)范程度 存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià) 指導(dǎo)人 簽名 年月日 指導(dǎo)人評(píng)定成績(jī) 湖南科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 評(píng)閱人評(píng)語 主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 的文本格式 圖紙規(guī)范程度 工作量 研究?jī)?nèi)容與方法 實(shí)用性與科學(xué)性 結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià) 評(píng)閱人 簽名 年月日 評(píng)閱人評(píng)定成績(jī) 湖南科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 答辯記錄 日期 學(xué)生 學(xué)號(hào) 班級(jí) 題目 提交畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 答辯委員會(huì)下列材料 1 設(shè)計(jì) 論文 說明書 共 頁(yè) 2 設(shè)計(jì) 論文 圖紙 共 頁(yè) 3 指導(dǎo)人 評(píng)閱人評(píng)語 共 頁(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 答辯委員會(huì)評(píng)語 主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 的研究思路 設(shè)計(jì) 論文 質(zhì)量 文本圖紙規(guī)范程度和對(duì)設(shè)計(jì) 論文 的介紹 回答問題情況等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià) 答辯委員會(huì)主任 簽名 委員 簽名 簽名 簽名 簽名 答辯成績(jī) 總評(píng)成績(jī) 摘要 六自由度工業(yè)機(jī)器人是一種高精度的自動(dòng)化機(jī)械 具有高度的靈活性以及平穩(wěn)性 所以在設(shè)計(jì)中我們應(yīng)當(dāng)注意其結(jié)構(gòu)工藝的合理性 在材料選擇上應(yīng)當(dāng)使其具有高強(qiáng)度 和輕便的特性 本論文主要對(duì)搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式及各軸的傳動(dòng)方案進(jìn)行了設(shè) 計(jì) 并對(duì)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了選型 在對(duì)其工作空間分析的基礎(chǔ)上 對(duì)關(guān)鍵的零 部件進(jìn)行了受力分析及強(qiáng)度校核 根據(jù)其基本結(jié)構(gòu)參數(shù) 利用Solidworks2013軟件進(jìn) 行了三維圖形的繪制 并用CAD繪制了裝配圖及部分關(guān)鍵零件圖 關(guān)鍵詞 工業(yè)機(jī)器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 受力分析 強(qiáng)度校核 Abstract Sixdegreeoffreedomindustrialrobotisakindofautomaticmachinewithhighaccuracy withhig hdegreeofflexibilityandstability Sointhedesignweshouldpayattentiontotherationalityofthestruc tureandtechnology inthechoiceofmaterialsshouldbesothatithashighstrengthandlightweight this papermainlyforthehandlingofindustrialrobottotaldrivewayandtheaxisofthetransmissionscheme design andthedrivemotorselection inworkspaceanalysisbasedonthekinematicscalculation ofke ypartswerestressanalysisandstrengthcheck accordingtothebasicstructureparametersusingsoftw areSolidworks2013of3Dgraphicsrendering andmappingwithCADassemblydrawingandpartofth ekeypartsofthemap KeyWords Industrialrobots Structuraldesign Transmissiondesign Forceanalysis Intensity verification i 目錄 第一章緒論 1 1 1 工業(yè)機(jī)器人概述 1 1 2 課題研究背景及意義 1 1 3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2 1 3 1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 3 1 3 2 國(guó)外發(fā)展趨勢(shì) 4 1 4 工業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù) 5 1 5 本文主要內(nèi)容 5 第二章總體方案與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 2 1 總體方案設(shè)計(jì)與分析 6 2 1 1 方案要求 6 2 1 2 機(jī)構(gòu)選型 7 2 1 3 驅(qū)動(dòng)方式選擇 8 2 2 傳動(dòng)方案的初步設(shè)計(jì) 9 2 2 1 腕關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 2 2 2 小臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 10 2 2 3 大臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 11 2 2 4 腰身傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 12 2 3 機(jī)器人部分技術(shù)參數(shù) 10 第三章工作空間分析及計(jì)算 12 3 1 工作空間 12 3 2 工作空間與機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸的相關(guān)性 12 3 3 分析 14 ii 第四章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 4 1 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì) 15 4 2 手腕傳動(dòng) 15 4 3 腰部 16 4 3 1 腕部的設(shè)計(jì)要求 16 4 3 2 腕部結(jié)構(gòu) 16 4 4 手臂 17 4 4 1 手臂作用概述 17 4 4 2 電機(jī)選擇 17 4 5 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 20 4 5 1 腰部設(shè)計(jì) 20 4 5 2 大臂設(shè)計(jì) 21 4 5 3 小臂設(shè)計(jì) 22 第五章關(guān)鍵零部件的校核 24 5 1 腕部中心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 24 5 1 1 腕部中心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 5 1 2 腕部中心軸的強(qiáng)度校核 25 5 2 連桿傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 28 5 2 1 連桿傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28 5 2 2 連桿傳動(dòng)軸的強(qiáng)度校核 29 5 3 手腕齒輪連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 28 5 4 手腕齒輪連接軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 29 5 5 回轉(zhuǎn)底盤與腰部主軸連接螺釘?shù)男：?29 5 6 部分三維圖形的繪制 30 第六章總結(jié) 35 參考文獻(xiàn) 36 致謝 37 1 第一章 緒論 1 1 工業(yè)機(jī)器人概述 工業(yè)機(jī)器人是一種高精度的自動(dòng)化生產(chǎn)裝備 它的設(shè)計(jì)涉及到了多門學(xué)科知識(shí) 包括了氣動(dòng) 液壓 電路 PLC 以及材料力學(xué) 理論力學(xué)等等 它最早出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 人們通常廣義的把機(jī)器人認(rèn)為是能模仿人類動(dòng)作的機(jī)器 相較于人具有大腦 手足 和眼睛等功能器官 隨著機(jī)器人的發(fā)展 它也擁有了類似 的能力 甚至在功能上遠(yuǎn)超人類 工業(yè)機(jī)器人顧名思義 是用于輔助生產(chǎn)的機(jī)器人 早在 20 世紀(jì) 20 年代就出現(xiàn)了 一種能夠在生產(chǎn)線上 代替人搬送裝卸工件的機(jī)械手 而在 40 年代則直接出現(xiàn)了可以 由工人操作的機(jī)器人 60 年代則出現(xiàn)了可以自動(dòng)的多操作的機(jī)械手 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展迅速 功能越來越多 甚至出現(xiàn)了具有智能的機(jī)器人 目前 世 界上把機(jī)械手 機(jī)器人等也一并稱為工業(yè)機(jī)器人 我國(guó)將其定義為 一種能自動(dòng)控制 可重復(fù)編程 多功能 多自由度的機(jī)器人 并能搬運(yùn)材料工件或者其他工具 用以實(shí) 現(xiàn)多種作業(yè) 1 2 課題研究背景及其意義 工業(yè)機(jī)器人是在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化 裝置 它是在機(jī)械化 自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置 近年來 隨著電 子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用 機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速 發(fā)展起來的一門新興技術(shù) 它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展 使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與 機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合 它能代替人類完成危險(xiǎn) 重復(fù)枯燥的工作 減輕人類勞 動(dòng)強(qiáng)度 提高勞動(dòng)生產(chǎn)力 機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用 在機(jī)械行業(yè)中它可用于 零部件組裝 加工工件的搬運(yùn) 裝卸 特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床 組合機(jī)床上使用更 普遍 目前 機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中一個(gè)重要組 成部分 把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元 它適應(yīng)于 中 小批量生產(chǎn) 可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置 結(jié)構(gòu)緊湊 而且適應(yīng)性很強(qiáng) 當(dāng)工 件變更時(shí) 柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變 有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種 提高產(chǎn) 品質(zhì)量 更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要 而目前我國(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 應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低 機(jī)械手的研究和開發(fā)直接 影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高 從經(jīng)濟(jì)上 技術(shù)上考慮都是十分必要的 因此 進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的 制造業(yè)屬于勞動(dòng)密集型的行業(yè) 除了繁重的體力工作外 幾乎每個(gè)工序都存在著 對(duì)人體有害的污染源和潛在的工傷事故 熱加工工序燙灼傷的危險(xiǎn) 大量易燃易爆燃料 2 及消耗材料時(shí)時(shí)刻刻威脅著操作手的安全 鋁液除氣除渣產(chǎn)生的有毒煙塵 機(jī)加工冷卻 液的有害蒸汽 以及涂裝工序液體漆 粉漆 前處理藥液等等都會(huì)嚴(yán)重影響工人的健 康 無處不在的轟鳴及刺耳的噪音會(huì)使你情緒壞到極點(diǎn) 針對(duì)原有生產(chǎn)線存在的勞動(dòng)強(qiáng)度高 生產(chǎn)效率低 粗加工加工尺寸不穩(wěn)定等問題 通過工業(yè)機(jī)器人及新的數(shù)控加工設(shè)備 不僅有效降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 提高生產(chǎn)效 率將近一倍 取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益 工業(yè)機(jī)器人由機(jī)器人 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)設(shè)備 特別適合于多品種 變批量的柔性生產(chǎn) 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 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 生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的 自動(dòng)化水平 可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度 保證產(chǎn)品質(zhì)量 實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn) 尤其在高溫 高壓 低溫 低壓 粉塵 易爆 有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中 它代替人進(jìn)行正常的 工作 意義更為重大 因此 在機(jī)械加工 沖壓 鑄 鍛 焊接 熱處理 電鍍 噴 漆 裝配以及輕工業(yè) 交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用 在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著工業(yè)機(jī)器人 工業(yè)機(jī)器人一般指在工廠車間環(huán)境中 配合 自動(dòng)化生產(chǎn)的需要 代替人來完成材料或零件的搬運(yùn) 加工 裝配等操作的一種機(jī)器 人 工業(yè)機(jī)器人的定義為 一種自動(dòng)定位控制 可重復(fù)編程的 多功能的 多自由 度的機(jī)器人 能搬運(yùn)材料 零件或操持工具 用以完成各種作業(yè) 機(jī)器人定義為 具有和人的手臂相似的動(dòng)作功能 可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置 一個(gè)典型的機(jī)器人系統(tǒng)由本體 關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 傳感系統(tǒng) 通訊接口等幾部分組成 機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(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 可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作 精確度高 抗惡劣環(huán)境的能力 從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn) 化過程產(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 生產(chǎn)線改造設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)際應(yīng)用課題 通過本設(shè)計(jì)可以使學(xué)生在實(shí)際課題設(shè)計(jì)中 對(duì)生產(chǎn)加工 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械手及其控制等知識(shí)得到切實(shí)的鍛煉 1 3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1 3 1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn) 1 發(fā)展現(xiàn)狀 1 市場(chǎng)需求快速增長(zhǎng) 但嚴(yán)重依賴國(guó)外進(jìn)口 3 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)已呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì) 從 2010 年開始我國(guó)工業(yè)機(jī)器人需 求量激增 但目前我國(guó)新增工業(yè)機(jī)器人中超過 70 依賴國(guó)外進(jìn)口 2 產(chǎn)業(yè)化初步取得進(jìn)展 但程度較低 近年來 在需求快速擴(kuò)張及國(guó)家自主創(chuàng)新政策作用下 國(guó)內(nèi)一大批企業(yè)或自主研 制或與科研院所合作 進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人研制和生產(chǎn)行列 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入了初步 產(chǎn)業(yè)化階段 一些產(chǎn)品已開始產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用 但由于在精度 速度等方面不如進(jìn)口 的同類產(chǎn)品 因此這些產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用程度較低 缺乏品牌認(rèn)知度 市場(chǎng)份額小 3 掌握了一些先進(jìn)技術(shù) 但整體技術(shù)水平仍然較低 我國(guó)目前已基本掌握了機(jī)器人機(jī)器人的設(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 開發(fā)出噴漆 弧焊 電焊 裝配 搬運(yùn)等機(jī)器人 一些產(chǎn)品的技術(shù)水平已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平 但在總體技 術(shù)上還有很大差距 僅相當(dāng)于國(guó)外 90 年代中期的水平 2 面臨挑戰(zhàn) 1 外資品牌占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)絕對(duì)份額 瑞典的 ABB 日本的 FANUC 發(fā)那科 日本的 YASKAWA 安川電機(jī) 德國(guó)的 KUKA 庫(kù)卡 等知名企業(yè)產(chǎn)品在中國(guó)市場(chǎng)的占有率達(dá)到近 90 僅 FANUC 一家 就在我 國(guó)占有 23 的市場(chǎng)份額 2 關(guān)鍵核心部件受制于人 3 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有待規(guī)范 伴隨我國(guó)工業(yè)機(jī)器人需求的迅猛增長(zhǎng) 實(shí)力良莠不齊的企業(yè)紛紛進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人生 產(chǎn)市場(chǎng) 勢(shì)必造成質(zhì)低價(jià)廉的惡性競(jìng)爭(zhēng) 雖然我國(guó)有近百家從事工業(yè)機(jī)器人研究生產(chǎn) 的高校院所和企業(yè) 但現(xiàn)行的體制造成研究形式上過于獨(dú)立封閉 內(nèi)容上較為分散 難以形成合力 造成重復(fù)研究與時(shí)間 經(jīng)費(fèi)的浪費(fèi) 多數(shù)企業(yè)熱衷于大而全 一些關(guān) 鍵部件研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)紛紛轉(zhuǎn)入整機(jī)的生產(chǎn) 難以形成研發(fā) 生產(chǎn) 制造 銷售 集 成 服務(wù)等有序 細(xì)化的產(chǎn)業(yè)鏈 因此 工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有待規(guī)范 4 研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面的激勵(lì)政策尚需完善 盡管 十一五 及 十二五 期間 國(guó)家有多個(gè)項(xiàng)目涉及機(jī)器人領(lǐng)域 但行業(yè)仍 未建立起有效的公共技術(shù)平臺(tái)以加強(qiáng)關(guān)鍵共性技術(shù)和核心功能部件的研究與突破 產(chǎn) 業(yè)化進(jìn)程也難以推進(jìn) 研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化方面的激勵(lì)政策尚需細(xì)化完善 圖 1 1 為沈陽(yáng)自 動(dòng)化研究所研制的雪豹 10 排爆機(jī)器人 1 3 2 國(guó)外發(fā)展趨勢(shì) 1 市場(chǎng)需求呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì) 4 受技術(shù)快速發(fā)展 勞動(dòng)力資源不斷稀缺 生產(chǎn)效率要求近一步提高等因素影響 全球工業(yè)機(jī)器人將迎來更為廣闊的發(fā)展空間和更高的發(fā)展速度 在區(qū)域分布上 隨著 亞洲地區(qū)制造業(yè)的發(fā)展 各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的需求量增加 使得工業(yè)機(jī)器人市 場(chǎng)需求逐漸由歐美地區(qū)轉(zhuǎn)移到亞洲地區(qū) 2 技術(shù)日益智能化 模塊化和系統(tǒng)化 從近幾年世界推出的機(jī)器人產(chǎn)品來看 新一代工業(yè)機(jī)器人正在向智能化 模塊化 和系統(tǒng)化方向發(fā)展 3 西方工業(yè)化發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛進(jìn)行戰(zhàn)略部署 美國(guó) 推行 再工業(yè)化 戰(zhàn)略 大力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人 希望重振制造業(yè) 日本 日本可以稱得上是 機(jī)器人大國(guó) 2004 年 5 月發(fā)布的 新產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略 明確了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)等 7 個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?yàn)橹攸c(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè) 近兩年又開始重新審視機(jī)器人產(chǎn) 業(yè)政策 韓國(guó) 2009 年公布 智能機(jī)器人基本計(jì)劃 2012 年 10 月發(fā)布了 機(jī)器人未來戰(zhàn)略 展望 2022 將政策焦點(diǎn)放在了擴(kuò)大韓國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)并支持國(guó)內(nèi)機(jī)器人企業(yè)進(jìn)軍海外 市場(chǎng)方面 歐盟 歐盟 2011 年 8 月通過了一份發(fā)展制造業(yè)計(jì)劃 提出新工業(yè)革命概念 以機(jī) 器人和信息技術(shù)為支撐 實(shí)現(xiàn)制造模式的變革 圖 1 2 為德國(guó) KUKA 防爆機(jī)器人 圖 1 1 雪豹 10 排爆機(jī)器人圖 1 2 德國(guó) KUKA 防爆機(jī)器人 1 4 工業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù) 工業(yè)機(jī)器人按坐標(biāo)系統(tǒng)可分為以下五種 5 1 圓柱坐標(biāo)型這 種 機(jī) 器 人 只 有 一 個(gè) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 其 余 都 是 移 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 它 的 空 間 定 位 較 為 直 觀 但 其 移 動(dòng) 副 不 易 防 護(hù) 手 臂 伸 縮 的 時(shí) 候 可 能 與 其 他 物 體 相 碰 撞 2 直角坐標(biāo)型只 具 有 移 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 其 運(yùn) 動(dòng) 部 分 看 起 來 是 由 三 個(gè) 相 互 垂 直 的 直 線 組 成 其 工 作 空 間 圖 形 為 矩 形 控 制 算 法 簡(jiǎn) 單 沒 有 耦 合 占 地 面 積 大 工 作 空 間 較 小 結(jié) 構(gòu) 剛 度 高 操 作 類 似 于 數(shù) 控 機(jī) 床 3 球坐標(biāo)型這是有 兩 個(gè) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 其 余 為 移 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 的 機(jī) 器 人 有 著 占 地 面 積 大 工 作 空 間 大 具有結(jié)構(gòu)緊湊 工作空間范圍大的特點(diǎn) 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 4 關(guān)節(jié)型具 有 三 個(gè) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 的 機(jī) 器 人 其 動(dòng) 作 靈 活 工 作 空 間 大 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 占 地 面 積 也 小 但 是 其 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 復(fù) 雜 計(jì) 算 困 難 計(jì) 算 量 大 5 SCARA 型平 行 的 肩 關(guān) 節(jié) 和 肘 關(guān) 節(jié) 關(guān) 節(jié) 軸 線 共 面 垂 直 平 面 剛 度 好 水 平 面 柔 順 性 好 結(jié) 構(gòu) 輕 便 響 應(yīng) 快 適 用 于 平 面 定 位 垂 直 裝 配 作 業(yè) 1 5 本文主要內(nèi)容 1 通過閱讀學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)書籍和論文 確定了工業(yè)機(jī)器人使用方式 完成工作方案的初步設(shè)計(jì) 2 設(shè)計(jì)了腰部 大小臂和腕部的傳動(dòng)方案 并總結(jié)出其總體設(shè)計(jì)方案 3 運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí) 作圖計(jì)算其工作空間 根據(jù) D H 對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 計(jì)算 主要結(jié)構(gòu)尺寸要素 4 設(shè)計(jì)各軸結(jié)構(gòu)樣式 進(jìn)行三維建模 并利用 Solidworks 軟件 選擇其驅(qū)動(dòng) 電機(jī)類型 5 對(duì)關(guān)鍵的零部件進(jìn)行校核 6 第二章總體方案與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 第三章工作空間分析及計(jì)算 3 1 工作空間 該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)該根據(jù)一定的工作空間要求來確定 工作空間是指機(jī)器人 手臂末端或手腕中心所能達(dá)到的所有點(diǎn)的集合 也叫做工作區(qū)域 描述工作空間的手 腕參考點(diǎn)可以選在手部中心 手腕中心或手指指尖 參考點(diǎn)不同 工作空間的大小 形狀也不同 工作空間是機(jī)器人的一個(gè)重要性能指標(biāo) 是機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要研究的基 本問題之一 當(dāng)給定機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸時(shí) 要研究如何確定其工作空間 而當(dāng)給定工作 空間時(shí) 則要研究機(jī)器人應(yīng)具有什么樣結(jié)構(gòu) 本文所討論的搬運(yùn)機(jī)器人主要用于裝配 線末端產(chǎn)品的搬運(yùn) 本文將用一種根據(jù)工件尺寸確定機(jī)器人位置機(jī)構(gòu)參數(shù)的簡(jiǎn)便方法 確定該搬運(yùn)機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 包括大小臂的長(zhǎng)度尺寸及其極限擺角 3 2 工作空間與機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸的相關(guān)性 工作空間的形狀取決于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)型式 直角坐標(biāo)型機(jī)器人的工作空間為長(zhǎng)方 體 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的工作空間為中空的圓柱體 球坐標(biāo)型機(jī)器人的工作空間為球 體的一部分 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的工作空間比較復(fù)雜 一般為多個(gè)空間曲面拼合的回轉(zhuǎn)體 的一部分 直角坐標(biāo)型機(jī)器人工作空間的大小取決于沿 X Y Z 三個(gè)方向機(jī)器人行程的大小 圓 柱坐標(biāo)型機(jī)器人工作空間的大小取決于立柱的尺寸和水平臂沿立柱的上下行程 還取 決于水平臂尺寸及水平伸縮行程 球坐標(biāo)型機(jī)器人工作空間的大小取決于工作臂的尺 寸 工作臂繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度及繞水平軸俯仰的角度 關(guān)節(jié)型機(jī)器人工作空間的大 小取決于大小臂的尺寸 大小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的角度以及大臂繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度 圖 3 1 位置簡(jiǎn)化模型 8 L1 大臂的長(zhǎng)度 根據(jù)總體方案設(shè)定條件確定為 665mm L2 小臂的長(zhǎng)度 根據(jù)總體方案設(shè)定條件確定為 630mm 1 大臂旋轉(zhuǎn)偏離立柱 0 位的角度 順時(shí)針為正 本文定為 90 130 2 小臂旋轉(zhuǎn)偏離 0 位的角度 順時(shí)針為正 本文定為 65 65 如圖 3 1 所示 手端部的運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)易描述 以 AD BC CD DA 四弧段在 XOZ 面 組成機(jī)器人工作空間截面 AB 弧段和 CD 弧段的圓心為大臂的起始點(diǎn) 即坐標(biāo)原點(diǎn) E 點(diǎn)為 AD 弧段的圓心 F 點(diǎn)為 BC 弧段的圓心 各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 A 點(diǎn) 大臂負(fù)極限值 1min 小臂達(dá)到負(fù)極限值 2min XA L1sin 1min L2cos 1min 2min 665 sin 65 630 cos 155 1173 67 ZA L1cos 1min L2sin 1min 2min 665 cos 65 630 sin 155 547 29 B 點(diǎn) 大臂到達(dá)正極限值 1max 小臂達(dá)到負(fù)極限值 2min XB L1sin 1max L2cos 1min 2min 665 sin65 630 cos 155 31 72 ZB L1cos 1max L2sin 1min 2min 665 cos65 630 sin 155 547 29 C 點(diǎn) 大臂到達(dá)正極限值 1max 小臂達(dá)到正極限值 2max XC L1sin 1max L2cos 1max 2max 665 sin65 630 cos 155 5 84 ZC L1cos 1max L2sin 1max 2max 665 cos65 630 sin195 117 98 D 點(diǎn) 大臂負(fù)極限指 1min 小臂達(dá)到正極限值 2max XD L1sin 1min L2cos 1min 2max 665 sin 65 630 cos65 336 45 ZD L1cos 1min L2sin 1min 2max 665 cos 65 630 sin65 852 02 E 點(diǎn) XE L1sin 1min 665 sin 65 602 29 ZE L1cos 1min 665 cos 65 281 04 F 點(diǎn) XF L1sin 1max 665 sin65 602 69 ZF L1cos 1max 665 cos65 281 04 可得坐標(biāo) A 1173 67 547 29 B 31 72 547 29 C 5 84 117 98 D 336 45 852 02 E 602 69 281 04 F 602 69 281 04 由此可以作出機(jī)器人大臂 小臂組成的截面 XZ 面 工作空間 同機(jī)器人的安裝機(jī)座 X Y Z 坐標(biāo) 的高度疊加 后 可以繪制出機(jī)器人的截面 XZ 面 工作空間 如圖 3 2 9 圖 3 2 機(jī)器人工作空間 3 3 分析 經(jīng)過上面的計(jì)算和分析可證明小臂的末端可達(dá)的覆蓋范圍大于作圖空間 由于論 證時(shí)的前提條件是把搬運(yùn)機(jī)器人的最大覆蓋范圍一分為二 所以滿足一半覆蓋范圍時(shí) 必然能夠達(dá)到搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)工件的范圍 所以搬運(yùn)機(jī)器人足可滿足要求的最大覆蓋 范圍 證明方案正確 小臂和大臂的長(zhǎng)度和俯仰角度確定的合適 10 第四章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 1 傳動(dòng)方案的確定 根據(jù)第二章的總體分析可知 搬運(yùn)機(jī)器人前三個(gè)軸的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)并不復(fù)雜 第一個(gè) 用的是蝸輪蝸桿傳動(dòng) 第二軸和第三軸則是用擺線針輪行星齒輪傳動(dòng) 四五六軸皆為 手腕部分 都是采用遠(yuǎn)距離傳動(dòng) 將電機(jī)裝在小臂關(guān)節(jié)處 通過同軸套筒接到手腕關(guān) 節(jié)處 減輕手腕重量 蝸輪蝸桿的優(yōu)點(diǎn)在于傳動(dòng)比較大 結(jié)構(gòu)也緊湊 蝸輪蝸桿傳動(dòng)比 5 i 70 常用 15 i 50 擺線針輪行星齒輪傳動(dòng) 11 i 87 圓錐齒輪傳動(dòng)效率高 一般可達(dá) 98 兩齒輪軸線組成直角的錐齒輪副應(yīng)用最廣泛 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得 其傳動(dòng)比范 圍為 2 3 4 2 手腕傳動(dòng) 手腕是機(jī)器人小臂與末端執(zhí)行器之間的聯(lián)接部件 其功能是利用自身的活動(dòng)使末 端執(zhí)行器能夠達(dá)到確定的工作空間姿態(tài) 因此手腕可以稱為機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu) 是機(jī) 器人中極為重要也是結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部件 手腕的靈活度直接決定了機(jī)器人能夠完成 任務(wù)的種類和復(fù)雜程度 對(duì)機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的研究有著重要意義 4 2 1 腕部的設(shè)計(jì)要求 由前文可知 本課題所設(shè)計(jì)的是一個(gè)三自由度的機(jī)器人手腕 由法蘭固定在機(jī)器 人小臂上 分別用三個(gè)直流伺服電機(jī)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 手腕主要分三部分 一部分是通 過法蘭和小臂固結(jié)在一起 可實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 一部分是圍繞軸的擺動(dòng) 另外一 部分就是手爪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 4 2 2 腕部電機(jī)的選擇 由于腕部具有三個(gè)自由度 故對(duì)應(yīng)每個(gè)自由度都有一個(gè)電機(jī) 電機(jī) 1 帶動(dòng)手爪轉(zhuǎn) 動(dòng) 電機(jī) 2 則帶動(dòng)手腕左右擺動(dòng) 電機(jī) 3 帶動(dòng)整個(gè)手腕繞小手臂中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng) 由前文的總體方案設(shè)計(jì)可知 工件為 30X30X30cm 的立方體 重為 5kg 工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J 0 00075kg m2 已知它的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為 w 330 s 取啟動(dòng)時(shí)間為 0 1s 轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度 3300 s2 11 由此計(jì)算力矩得 T J 0 043N m 功率 P Tw 2 48 所以定做的電機(jī)額定電壓 220V 輸出功率至少 3W 輸出轉(zhuǎn)矩至少為 1N m 轉(zhuǎn) 速為 1400r min 減速箱的減速比為 23 電機(jī)輸出軸端進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L(zhǎng) 4 3 腰部 4 3 1 底座及腰部設(shè)計(jì)要求 工業(yè)機(jī)器人底座的設(shè)計(jì)主要考慮機(jī)器人的承重 散熱 節(jié)省材料及合理裝配等 由于底座基本上承擔(dān)了工業(yè)機(jī)器人的所有重量 因此在材料的選取上要選取強(qiáng)度高 抗震性強(qiáng) 耐疲勞的材料 本文中選用 ZG200 作為底座材料 又考慮到底座為鑄件 為避免鑄造過程中出現(xiàn)縮松 縮孔等鑄造缺陷 因此可將底座設(shè)計(jì)成內(nèi)部中空的結(jié)構(gòu) 這樣既節(jié)省了材料 又降低了制造成本 腰部承受了較大的轉(zhuǎn)矩 在進(jìn)行校核的時(shí)候 要特別注意其抗彎抗扭的能力 因 為回轉(zhuǎn)臺(tái)同樣為鑄件 因此其材料選用 ZG200 400 外形設(shè)計(jì)為薄壁結(jié)構(gòu) 以減少其 自身的重量 4 3 2 電機(jī)選擇 小手臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J3 J0 mp2 0 80 9 5X 15Xcos15 2 23 43kg m2 大手臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J2 a 2 b2 c2 d2 mp 2 0 2 2 0 12 0 122 0 062 44 8X0 35 2 5 742kg m2 兩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 電 J 電 1 J 電 2 340 22 8 50 42 2 72kg m2 減速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 減 150X0 452 30 375kg m2 腰部本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J1 mp2 2500 252 40kg m2 所以 總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J 總 23 4 5 742 20 2 72 28 125 40 30 375 150 392kg m2 而轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度為 7 854 s2 輸出軸的轉(zhuǎn)矩為 12 M J 總 150 392 7 854 1181 179N m 轉(zhuǎn)換到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩為 M 電 17 71N m 根據(jù)要求 M 電 M 額 選 P 3KW n 1000r min 的 MGMA 型伺服電機(jī) 額 定轉(zhuǎn)矩為 28 4N m 4 4 手臂 4 4 1 手臂作用概述 手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件 它的作用是支撐腕部和手部 包括工件或工 具 并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng) 臂部運(yùn)動(dòng)的目的 把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一 點(diǎn) 如果改變手部的姿態(tài) 方位 則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn) 手臂的各種運(yùn)動(dòng)通 常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn) 從臂部的受力情況分析 它在工作中即直接承 受腕部 手部 和工件的靜 動(dòng)載荷 而且自身運(yùn)動(dòng)較多 因此 它的結(jié)構(gòu) 工作范 圍 靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能 4 4 2 電機(jī)選擇 由上可知 自大手臂往后的各軸 其重量都算在大手臂的負(fù)荷上 所以 大手臂 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也不小 必須仔細(xì)計(jì)算往后的零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量再來選擇電動(dòng)機(jī) 大手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J2 a 2 b2 c2 d2 mp 2 0 2 2 0 12 0 122 0 062 44 8 0 352 5 742kg m2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 電 2 8 5 0 42 1 366kg m2 擺線減速器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 減 150 0 452 30 375kg m2 大手臂總慣量 J 總 5 742 1 366 30 375 40 602kg m2 所以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為 M 電 14 17N m 根據(jù)要求 M 電 M 額 選 P 2 5kw n 1000r min 的 GY2 5 型電機(jī) 小手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J3 34 0 22 1 36kg m2 13 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 電 3 100 0 52 25kg m2 擺線減速器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 減 3 150 0 452 30 375kg m2 所以小手臂總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J 總 23 43 1 36 25 30 375 80 165kg m2 對(duì)應(yīng)在電動(dòng)機(jī)上 M 電 9 45N m 根據(jù)要求 M 電 M 額 選 P 2 2KW Y H 系列電機(jī) 轉(zhuǎn)速 n 800r min 4 5 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 機(jī)器人傳動(dòng)方案已經(jīng)確定為直流力矩電機(jī)傳動(dòng) 電動(dòng)機(jī)功率為 P 3KW 轉(zhuǎn)速為 1000r min 4 5 1 大臂設(shè)計(jì) 因?yàn)樗欧姍C(jī)是經(jīng)過了調(diào)速的 所以輸出端的速度很低 因此低速級(jí)選用直齒圓 柱齒輪傳動(dòng) 小齒輪材料選用了 40Cr 調(diào)質(zhì)處理 硬度 241 286HBS 大齒輪材料 ZG35CrMo 調(diào)制處理 硬度 190 240HBS 精度 8 級(jí) 取小齒輪齒數(shù) Z1 20 則 Z2 i Z 1 5 20 100 大齒輪齒數(shù) Z2 100 根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度 1 T 9 55 10 9 55 10 3 75 0 99 378180N mm16 1 Pn 6 2 初選載荷系數(shù)為 1 4tK 3 查表取齒寬系數(shù)為 1d 4 查表取彈性系數(shù)為 ZE 188 9 12aMP 5 查表取節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)為 2 5H 6 根據(jù)齒輪的硬度查表取小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 1150MPa 大齒lim1H 輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 1120MPa lim2 7 取工作壽命為 15 年 每年工作 250 天 2 班制 小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1 60n1jLh 60 75 15 250 16 2 7 810 大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N2 N1 5 5 7 70 14 確定傳動(dòng)尺寸 1 初算小齒輪分度圓直徑 d1t 代入 H 中較小值 d1t 29 04mm 2 按 K 值對(duì) 進(jìn)行修正1t 由圓周速度 v 4 46m s 查表取動(dòng)載荷系數(shù)為 1 20v 查表取齒間載荷分布系數(shù)為 1 2K 查表取齒向載荷分布系數(shù)為 1 07 查表取使用系數(shù)為 1 00A 所以載荷系數(shù) K 1 54v 按 K 值對(duì) 進(jìn)行修正1td 58 68mm31 546 8 4 確定模數(shù) m 以及主要尺寸 m 2 93mm 取整 m 3mm 1 dZ 中心距 a m 2 180mm12 301 2 分度圓直徑 60mm 300mmdZ 齒寬 b 60mm 取小齒輪齒寬 70mm 大齒輪齒寬 65mm1 d 1b2b 齒頂高 3mm 齒根高 3 75mmah2a fh2f acm 確定各個(gè)參數(shù)數(shù)值 1 查表取彎曲疲勞壽命系數(shù) 0 95 0 981NY2N 2 查表取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù) 3 查表取齒寬系數(shù)為 1d 4 查表取彈性系數(shù)為 ZE 188 9 12aMP 5 查表取節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)為 2 5H 6 根據(jù)齒輪的硬度查表取小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 1150MPa 大齒lim1H 輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 1120MPa lim2 7 取工作壽命為 15 年 每年工作 250 天 2 班制 56 81060n 3t t 15 小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1 60n1jLh 60 75 15 250 16 2 7 810 大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N2 N1 5 5 7 70 4 5 2 小臂設(shè)計(jì) 1 四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 搬運(yùn)機(jī)器人的小臂的俯仰動(dòng)作是通過鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)來完成的 安裝在驅(qū)動(dòng)力臂上 的直流伺服電機(jī)通過鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小臂實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng) 采用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的目的 是把直流伺服電機(jī)放到驅(qū)動(dòng)力臂上 減輕小臂的重量 也降低了大臂驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)載 減少運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的動(dòng)載荷與沖擊 提高整個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人的響應(yīng)速度 這個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)共有三種設(shè)計(jì)方案 分別是雙曲柄機(jī)構(gòu) 雙搖桿機(jī)構(gòu) 曲柄搖 對(duì)于雙曲柄機(jī)構(gòu)來說機(jī)架為最短邊 又因?yàn)榇蟊蹫闄C(jī)架而且長(zhǎng)度為 665mm 如果采用 雙曲柄機(jī)構(gòu) 其它桿的桿長(zhǎng)太長(zhǎng) 而且上一章確定小臂的長(zhǎng)度為 630mm 因此雙曲柄 機(jī)構(gòu)不符合要求 對(duì)于雙搖桿機(jī)構(gòu)來說機(jī)架為最短邊的對(duì)邊 既大臂與最短桿相對(duì) 如果采用雙搖桿機(jī)構(gòu) 會(huì)導(dǎo)致其他兩桿的長(zhǎng)度過長(zhǎng) 在一定方向上占有的空間太大 而且小臂的俯仰角度不好確定 勢(shì)必會(huì)增加設(shè)計(jì)難度 綜合以上分析 在這里采用曲 柄搖桿機(jī)構(gòu)具體如圖 4 1 所示 ab 邊代表大臂 長(zhǎng)度為 1000mm ad 邊代表底桿 長(zhǎng)度 為 400mm dc 邊代表后桿 長(zhǎng)度為 1000mm bc 邊代表小臂長(zhǎng)兩個(gè)連接點(diǎn)間的部分 長(zhǎng)度為 200mm ab 邊為機(jī)架 ad 邊為搖桿 bc 邊為曲柄 這種結(jié)構(gòu)首先滿足了 bc 邊 長(zhǎng)度小于小臂長(zhǎng)度這一條件 而且所占的空間小 底桿和后桿的質(zhì)量比其他兩種方案 要小 圖 4 1 四桿機(jī)構(gòu)示意圖 2 齒輪的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算 電磁式直流伺服電機(jī)經(jīng)調(diào)速后要通過一個(gè)齒輪組來傳遞動(dòng)力 再通過齒輪帶動(dòng)鉸 鏈四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng) 從而實(shí)現(xiàn)小臂的俯仰運(yùn)動(dòng) 16 選定材料 熱處理方式 精度等級(jí)及齒數(shù) 因?yàn)殡姶攀街绷魉欧姍C(jī)是經(jīng)過調(diào)速的 所以輸出端的速度較低 因此低速級(jí)選 用直齒圓柱齒輪傳動(dòng) 選擇小齒輪材料 40Cr 調(diào)質(zhì)處理 硬度 241 286HBS 大齒輪材料 ZG35CrMo 調(diào)制 處理 硬度 190 240HBS 精度 8 級(jí) 取小齒輪齒數(shù) 24 則 5 24 120 大齒輪齒數(shù) Z2 120 1Z21iZ 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 確定各個(gè)參數(shù)數(shù)值 1 T 9 55 10 9 55 10 0 4 0 75 16 1 Pn 6 0 99 5 04 10 N mm4 2 初選載荷系數(shù)為 1 4tK 3 查表取齒寬系數(shù)為 1d 4 查表取彈性系數(shù)為 ZE 188 9 5 查表取節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)為 2 5H 6 根據(jù)齒輪的硬度查表取小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 1150MPa 大齒lim1H 輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 1120MPa lim2 7 取工作壽命為 15 年 每年工作 250 天 2 班制 小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1 60n1jLh 60 75 15 250 16 2 7 810 大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N2 N1 5 5 7 710 8 查表取接觸疲勞壽命系數(shù)為 1 08 1 19NZ2N 9 取安全系數(shù)為 1HS 1242MPa 1H lim1 NZ 1332 8MPa2li2S 確定傳動(dòng)尺寸 1 初算小齒輪分度圓直徑 代入 中較小的值1td H 29 04mm 24312 508 95154td 2 按 K 值對(duì) 進(jìn)行修正1td 17 由圓周速度 2 28m s 查表取動(dòng)載荷系數(shù)為 1 075vK 查表取齒間載荷分布系數(shù)為 1 2 查表取齒向載荷分布系數(shù)為 1 07 查表取使用系數(shù)為 1 00A 所以載荷系數(shù) K 1 38vK 按 K 值對(duì) 進(jìn)行修正1td 29 04 28 9mm13ttk 3 814 4 確定模數(shù) m 以及主要尺寸 m 1 2mm 為了防止輪齒太小引起的意外折斷 m 一般不小于 1 5 2mm 故1 dZ m 3mm 中心距 a m 2 216mm12 34120 分度圓直徑 72mm 360mmddZ 齒寬 b 72mm 取小齒輪齒寬 80mm 大齒輪齒寬 75mm1 1b2b 齒頂高 3mm 齒根高 3 75mmah2a fh2f acm 3 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 tFFSKYbm 確定各個(gè)參數(shù)數(shù)值 1 查表取彎曲疲勞壽命系數(shù) 0 95 0 981NY2N 2 查表取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù) 2 65 1 581FY1S 2 16 1 8122 3 查表取彎曲疲勞極限 710MPa 710MPalim1F lim2F 4 取彎曲疲勞系數(shù) 1 25S 可得 539 6MPa 1F lim1 NFY 556 64MPa2li2 29 04156016dn 18 5 驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 58 48MPa1F 1 tFSKYbm 112 FSKTYbmd 1F 54 61MPa221S 2F 彎曲疲勞強(qiáng)度足夠了 第五章關(guān)鍵零部件的校核 19 5 1 腕部中心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 圖 5 1 腕部中心軸 5 1 1 確定腕部中心軸的材料以及各段直徑和長(zhǎng)度 腕部中心軸的材料為 40Cr 調(diào)制處理 由于密封箱的壁厚為 45mm 孔徑為 150mm 因?yàn)橥獠窟€要裝端蓋 這段軸頸上 還要裝配軸承 所以 ab 段的長(zhǎng)度為 20mm 直徑為 85mm 裝配的軸承為角接觸球軸承 型號(hào)是 7217C 固定軸承的軸肩高度為 3 5mm bc 段為過渡段 長(zhǎng)度為 35mm 直徑 92mm 固定齒輪的軸肩高度為 6 5mm 由 于大齒輪的齒寬為 65mm 軸頭的長(zhǎng)度應(yīng)該小于輪轂的長(zhǎng)度 所以 de 段的長(zhǎng)度為 300mm 直徑為 90mm ef 段要安裝用于齒輪的軸向固定和軸承的軸向固定的軸套 考慮到另一半的密封 箱的壁厚和孔徑以及大齒輪輪轂比軸頭多出的長(zhǎng)度 這段軸頸的長(zhǎng)度為 60mm 直徑為 85mm 裝配的軸承為角接觸球軸承 型號(hào)是 7217C fg 段為過渡段 長(zhǎng)度為 45mm 直徑為 80mm gh 段與手腕相連 大臂在此處的厚度為 39mm 孔徑為 90mm 因此這段軸的長(zhǎng)度 為 60mm 直徑為 60mm 脹緊套選用 Z2 型脹緊套 5 1 2 腕部中心軸的強(qiáng)度校核 1 計(jì)算齒輪的受力 大齒輪和小齒輪的受力大小相等 方向相反 故在這里只計(jì)算小齒輪的受力 轉(zhuǎn)矩 T1 9 55 10611 Pn 9 55 106 3 75 0 99 378180N mm 圓周力 tF 112 Td 12606N 徑向力 rF tantF 4588 2N 2 計(jì)算支撐反力 水平面受力圖如圖 5 2 a 所示 1HF rF 2HFrF 138 52 2HF 68 52 138 52 故 1HF 1518 46N 2HF 3069 73N 垂直面受力圖如圖 5 2 b 所示 1VF 2VF F tF1VF 138 52 68 52 tF 68 51 F 97 72 0 故 1VF 4312 14N 2VF 7893 04N 3 畫軸彎矩圖 20 水平面彎矩圖見圖 5 2 c HM 圖 垂直面彎矩圖見圖 5 2 d VM 圖 合成彎矩圖見 圖 5 2 e 圖 合成彎矩 M 22VHMM 4 畫轉(zhuǎn)矩圖 軸受轉(zhuǎn)矩 T T1 轉(zhuǎn)矩圖見圖 5 2 f 1T 圖 21 圖 5 2 轉(zhuǎn)矩圖 5 按彎扭合成應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核 de 段的中間截面為危險(xiǎn)截面 取 a 0 6 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 T 0 6 378180 226908N mm22 eMTW 10 37MPa 查表知 1b 70MPa 所以 e 1b 因此大軸 1 的強(qiáng)度滿足要求 故安全 5 2 腕部中心軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 5 2 1 腕部中心軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 腕部中心軸 2 的材料為 40Cr 調(diào)制處理 由于密封箱的壁厚為 45mm 孔徑為 150mm 因?yàn)橥獠窟€要裝端蓋 這段軸頸上 22 還要裝配軸承 所以 gh 段的長(zhǎng)度為 41mm 直徑為 85mm 裝配的軸承為角接觸球軸承 型號(hào)是 7217C 固定軸承的軸肩高度為 3 5mm fg 段為過渡段 長(zhǎng)度為 80mm 直徑 92mm 固定齒輪的軸肩高度為 6 5mm 由 于大齒輪的齒寬為 75mm 軸頭的長(zhǎng)度應(yīng)該小于輪轂的長(zhǎng)度 所以 de 段的長(zhǎng)度為 60mm 直徑為 90mm 為了齒輪的周向定位 這段軸上還要開有鍵槽 來安裝平鍵 根 據(jù)這段軸的直徑和長(zhǎng)度 鍵槽的寬度為 25mm 長(zhǎng)度為 50mm 鍵槽的鍵槽深為 7mm cd 段要安裝用于齒輪的軸向固定和軸承的軸向固定的軸套 考慮到另一半的密封 箱的壁厚和孔徑以及大齒輪的輪轂比軸頭多出的長(zhǎng)度 這段軸頸的長(zhǎng)度為 45mm 直徑 為 85mm 裝配的軸承為角接觸球軸承 型號(hào)是 7217C bc 段為過渡段 長(zhǎng)度為 40 6mm 直徑為 80mm ab 段與鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的底桿相連 并且穿過大臂末端的通孔 大臂在此處的厚度 為 39mm 孔徑為 95mm 底桿的厚度為 40mm 孔徑為 90mm 這段軸與底桿的連接方 式是脹緊聯(lián)結(jié) 通過脹緊套使大軸 2 與底桿連接在一起 根據(jù)以上條件這段軸的長(zhǎng)度 為 104 4mm 直徑為 60mm 脹緊套選用 Z2 型脹緊套 5 2 2 腕部中心軸 2 的強(qiáng)度校核 腕部中心軸是帶動(dòng)手腕實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)的軸 腕部中心軸 2 是帶動(dòng)手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的 軸 從第三章可知腕部中心軸受到的轉(zhuǎn)矩是 378180N mm 而且同時(shí)承受大臂和小臂 的總重量 腕部中心軸 2 受到的轉(zhuǎn)矩是 50400N mm 但是只承受底桿的重量 兩根軸 的主體機(jī)構(gòu)和材料以及熱處理方式一樣 腕部中心軸 2 的受力比腕部中心軸的受力小 得多 當(dāng)腕部中心軸滿足強(qiáng)度條件時(shí) 腕部中心軸 2 必然滿足強(qiáng)度條件 5 3 手腕齒輪連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 圖 5 3 手腕齒輪連接軸 5 3 1 手腕齒輪連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 確定手腕齒輪連接軸的材料以及各段直徑和長(zhǎng)度 該軸的材料為 40Cr 調(diào)制處理 23 ab 段的主要用處是與電機(jī)相連 電機(jī)輸出端的軸徑是 24mm 再根據(jù)凸緣軸器的 寬度 ab 段的長(zhǎng)度為 35mm 直徑為 24mm 這一段由于和聯(lián)軸器連接 所以開有鍵槽 具體尺寸和電機(jī)輸出端的一樣 bc 段是過渡段 長(zhǎng)度為 40mm 直徑為 28mm 由于密封箱的壁厚為 45mm 孔徑為 62mm 因?yàn)橥獠窟€要裝端蓋 這段軸頸上還 要裝配軸承 所以 cd 段的長(zhǎng)度為 25mm 直徑為 30mm 裝配的軸承為角接觸球軸承 型號(hào)是 7206C 固定軸承的軸肩高度為 4mm 由于小齒輪的齒寬為 70mm 軸頭的長(zhǎng)度應(yīng)該小于輪轂的長(zhǎng)度 為了齒輪的周向定 位 這段軸上還要開有鍵槽 來安裝平鍵 根據(jù)這段軸的直徑和長(zhǎng)度 鍵槽的寬度為 12mm 長(zhǎng)度為 56mm 鍵槽的鍵槽深為 5mm 5 3 2 手腕齒輪連接軸的強(qiáng)度校核 1 計(jì)算齒輪的受力 轉(zhuǎn)矩 T 9 55 10 9 55 10 3 75 0 99 378180N mm6 1 Pn 6 圓周力 12606NtF12 d 徑向力 4588 2Nrat 2 計(jì)算支撐反力 水平面受力圖如圖 5 5 a 所示 1HFr2 153 67 153 r 故 1397 32N 3190 88N1H2HF 垂直面受力圖如圖 4 5 b 所示 1VF2t 67 153 67t 故 3839 10N 8766 90N1V2VF 3 畫軸彎矩圖 水平面彎矩圖見圖 5 2 c 圖 垂直面彎矩圖見圖 5 2 d 圖 合成彎矩圖HMVM 見圖 4 5 e 圖 合成彎矩 M 2V 4 畫軸轉(zhuǎn)矩圖 軸受轉(zhuǎn)矩 T T 轉(zhuǎn)矩圖見圖 5 2 f 圖 1 1T 24 a b c d e f 圖 5 4 手腕齒輪連接軸的受力分析 25 5 按彎扭合成應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核 fg 段的中間截面為危險(xiǎn)截面 取 0 6 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 0 6 378180 226908N mmT 60 28MPa 查表知 70MPa 所以 因此小 22 eMW 1b e 1b 軸 1 的強(qiáng)度滿足要求 故安全 5 4 手腕齒輪連接軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 手腕齒輪連接軸 2 的結(jié)構(gòu)與手腕齒輪連接軸一樣 但驅(qū)動(dòng)元件的輸出轉(zhuǎn)矩較小 上面校核的手腕齒輪連接軸的強(qiáng)度滿足要求 故手腕齒輪連接軸 2 的強(qiáng)度必然滿足要 求 5 5 驅(qū)動(dòng)臂座與腰部主軸連接螺釘?shù)男：?腰部回轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩 T 421 63N m 選取的螺釘材料為 Q235 直徑為 12mm 固定用的螺栓數(shù)目為 6 取可靠系數(shù) C 1 1 結(jié)合面摩擦系數(shù) f 0 16 r i 65mm 預(yù)緊力 F0 CT f r i 421 63 103 1 1 0 16 6 65 7432 58N 查表取材料屈服極限 S 240MPa 查表取安全系數(shù) S 1 5 故需用應(yīng)力 S S 160MPa 由此螺釘?shù)闹睆?d 1 3F 0 4dF 8 77mm 所以預(yù)選取的螺釘滿足強(qiáng)度要求 5 6 部分三維圖 圖 5 5 腕部中心軸 26 圖 5 6 腕部中心軸 2 圖 5 7 手腕齒輪連接軸 27 圖 5 8 手腕齒輪連接軸 2 28 第六章總結(jié) 本設(shè)計(jì)對(duì)自動(dòng)裝配線末端工件的搬運(yùn)問題 設(shè)計(jì)了一個(gè)六自由度搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人 在設(shè)計(jì)過程中 搜集資料 向?qū)熣?qǐng)教 與同學(xué)討論 為完成設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ) 所完成的任務(wù)有 1 根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成了六自由度工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 首先 確 定了總體的設(shè)計(jì)方案 選擇了合適的傳動(dòng)方式 驅(qū)動(dòng)方式 設(shè)計(jì)了機(jī)器人的腰部 大 臂 小臂和腕部的具體結(jié)構(gòu) 并且對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì) 機(jī)器人為六自由度 關(guān)節(jié)型機(jī)器人 有回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 也有擺動(dòng)關(guān)節(jié) 在關(guān)節(jié)處安裝減速器和電動(dòng)機(jī) 使用了 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和直流力矩電機(jī)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)自由度 從而實(shí)現(xiàn)空間任意位置的運(yùn)動(dòng) 2 用 SolidWorks 繪制出機(jī)器人的部分零件 更為直觀的了解機(jī)器人結(jié)構(gòu) 方 便了設(shè)計(jì)計(jì)算 由于本人能力和時(shí)間有限 沒有做更深入的研究 可以從以下幾方面進(jìn)一步開展 工作 1 進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 將電動(dòng)機(jī)與減速器合二為一 采用減速電機(jī) 簡(jiǎn)化結(jié) 構(gòu) 減輕機(jī)器人重量 2 可以做運(yùn)動(dòng)仿真 運(yùn)用 Matlab 軟件和 Adams 軟件對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué) 仿真 3 用 Ansys 軟件進(jìn)行有限元分析 29 參考文獻(xiàn) 1 張鐵 謝存禧 機(jī)器人學(xué) M 廣州 華南理工大學(xué)出版社 2005 2 肖銀玲 機(jī)械制圖 M 北京 高等教育出版社 2007 3 潘存云 機(jī)械原理 M 長(zhǎng)沙 中南大學(xué)出版社 2012 4 喬蘭東 機(jī)械手 理論與應(yīng)用 M 中國(guó)鐵道出版社 1985 5 郭宇光 機(jī)器人發(fā)展的歷史 現(xiàn)狀 趨勢(shì) M 哈爾濱 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 1989 6 李月景 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ) M 天津 天津人民出版社 1980 7 日 藤森洋三 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例構(gòu)思圖冊(cè) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1985 8 高志 黃純穎 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì) M 北京 高等教育出版社 2010 9 王三民 機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè) J 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2012 10 高為國(guó) 機(jī)械工程材料 M 長(zhǎng)沙 中南大學(xué)出版社 2012 11 熊臘森 彭振國(guó) 陳一堅(jiān) 曹東杰 IR761 125 型點(diǎn)焊機(jī)器人在平頭駕駛室總裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用 J 電焊機(jī) 1998 5 11 13 36 12 楊宜明 章云 林漢榮 柯燕嬌 MR 2 型微機(jī)器人的研究 J 高技術(shù)通訊 1995 4 13 14 13 湯祥州 謝存禧 于江 SMA 微型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 J 機(jī)械科學(xué)與技術(shù) 1997 16 6 992 996 14 徐錦康 群濤 劉啟芬 XZ I 型弧焊機(jī)器人 J 機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化 1994 16 3 24 27 15 關(guān)慧貞 馮辛安 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2014 30 致謝 在本設(shè)計(jì)的開題論證 課題研究 論文撰寫整個(gè)過程中 得到了胡小平老師的耐 心指導(dǎo) 使得本設(shè)計(jì)得以順利完成 其中無不飽含著老師的汗水和心血 胡老師敏銳 的學(xué)術(shù)思想 嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)的治學(xué)態(tài)度 淵博的學(xué)識(shí) 精益求精的工作作風(fēng) 誨人不倦的 育人精神 將永遠(yuǎn)銘記在學(xué)生心中 使學(xué)生終生受益 他在本設(shè)計(jì)的構(gòu)思 框架和理 論運(yùn)用等方面 給予了我們深入的指導(dǎo)和幫助 使得設(shè)計(jì)得以順利完成 在此謹(jǐn)向尊 敬的胡老師表示衷心的感謝和崇高的敬意 這次畢業(yè)設(shè)計(jì) 使我們的理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合 鞏固和深化了我們的專業(yè)理論 知識(shí) 在設(shè)計(jì)的過程中我不斷探索 不斷學(xué)習(xí) 并自學(xué)了許多相關(guān)的內(nèi)容 請(qǐng)教了專 業(yè)老師 在圖書館以及網(wǎng)絡(luò)查閱了大量的相關(guān)資料 豐富了我的專業(yè)知識(shí) 通過此次設(shè)計(jì) 一方面讓我認(rèn)識(shí)到自己的不足 發(fā)現(xiàn)了學(xué)習(xí)中的錯(cuò)誤之處 另一 方面又積累豐富的知識(shí) 吸取別人好的方法和經(jīng)驗(yàn) 增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜問題的解決能力 摸 索出一套解決綜合問題的方法 為自己以后的工作和學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 再一方面 也加強(qiáng)了我和老師的交流 認(rèn)識(shí)到知識(shí)的淵博度 這次畢業(yè)設(shè)計(jì) 大大的提高了我們 的自主學(xué)習(xí)和認(rèn)真思考的能力 增強(qiáng)了我們對(duì)學(xué)術(shù)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)性的認(rèn)識(shí) 我相信在以后 的學(xué)習(xí)和工作過程中 我們一定會(huì)牢記老師的教誨 努力提升自己的能力 以適應(yīng)工 作和社會(huì)激烈的競(jìng)爭(zhēng) 再次感謝所有支持和幫助過我的老師 同學(xué)們