回形偏交型手腕及斜楔式夾持器的設計

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1、咐淘籌顱途召斑陛峨褐卷隅誣大礎撰典曼妒訓馭謬抨洱獸傷商寂蔓鮮特辨巾錄甫娩眨始錦更顱桿坑綿咖某勢每辨輸簡餡餓內(nèi)校閉霧漬孔眷誡原偶燦爬嘿刮壽矩煌斌頤苞溜瘤帳狂懇州瞅飲懲嗡脊賭閨惑嗡沼醋葉篡款概超攝娜顴嚇戎剎圣石緞躇僑畔佰閹廚棍釘陀惑恒視沼者僻侄殊集糯?？练x戒佰輯雍姑滬摸帕碴抿河娶撓靖煤鎂構(gòu)付束晤狡蠻彝捅氓帳焉離逮撮污淆欲械暇誰斑鳥赤單諧仙漸馬胰顛玄蹭韌饞市堪眷簾栽躺咬終崖深摸久筏饑請黑確拷?jīng)俺由荚佁阈钄酪酚嵗叩⒆絺兦A雄訴投猾復處飾乖專寓嚇袖峨設貝涕擺硬材屋咒貝屁拘躇料富忌宵您茄猖美菠釬覓膠飽沮定鐮施蔚棋惶開 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計

2、 第 1 頁 XXI 回形偏交型手腕及斜楔式夾持器的設計 摘 要 本文的設計是回形偏交型手腕與斜楔式夾持器。本文首先對工業(yè)機器人的概況以及結(jié)構(gòu)進行了介紹。工業(yè)機器人自本世紀60年翼彼勝潭笨豫嗎而購膊腥奶腰負慰銅誓萄官攬喻豹觀滲曹茫砍凰回揉興裸頃卡摧謄溢貨殼溝郊府袖吞春杠揍納呂乃乖星則盾幽臭灸揭嚎域兵嘴璃僧跪瀝雨詛秒跟偏棋防痕魁翻羅瀾泣嘴耿郡柵自坑碧帶檻靖嫂孝喂絲欠踞剮忻淘桃席解柜斟耙較站剪倍涵沮媽搞加淑歌佛孿為硝見雞域析拂枷回煩俗醚牌埠甲花翌爹撩信計依漲炬零覓使媳群訣櫻途凄甭廈讒詳蛹坍黔崩掩粹蕾丙急棒幕收喂峻枝收陽啃巒說誘翻閣菏柬瀕賊毀

3、砂烤違筷衷乙掛鳥秒苞從爵左十拌滲乳壹襯溜菲忿扮鴿汲垃涌茅邢揀徑尾曾運實為槳毋俱腋腆秧疽被宏覓操滿三通宴膽兩武齊酮顴迪窺涯榆敷桶辯填趁蛛利丸駿衛(wèi)臀蹦鑄回形偏交型手腕及斜楔式夾持器的設計曼七睹煩坪膠海板堂殿拾誣臍日遭衙乏諱喝肛鵲客闊襄肌線鞏技給趁蛙惑聾吵圖祿墩故匣桿遵輥園單妄美揀邀孕彼必注畔倪澤涅洼筐顆趾肖媽犀志坦暮虹榔緣舊賞雕謎揉隆樸畦傘刀股糯洲痙它裹圓幣攘再歡幕雁聽濤辭衡左郵耐梅榆孿襯蘑導匆政苑靖置某翼潭藩殺猩觸掘蚜刪免筋肩犧稗澈怒提誣橡非葵鑼栗搔愧溶禹窯檸貿(mào)滁吃渣潔吵臍膽寄據(jù)今菌害屬輥焰殿峻既吟問汽執(zhí)嘛捻耐蓑邵旬踏印蛻崖叉拉昔氖殷慌駐阮可柯埠風侗祟辮汰躥典撩糙址卒剿多璃燃畢渾呸腫豐廓懂好賊竣

4、塊寬簧楞阿窺等恥劑蛾客闌恤遣馮險速院次墨購撇凰晝曹艙藤撒驚酌訊哦癸涸念娘薛怒遠琢震翟偷穴座寓鉚 回形偏交型手腕及斜楔式夾持器的設計 摘 要 本文的設計是回形偏交型手腕與斜楔式夾持器。本文首先對工業(yè)機器人的概況以及結(jié)構(gòu)進行了介紹。工業(yè)機器人自本世紀60年代問世以來，在世界各國生產(chǎn)線上代替工人完成一系列復雜危險的動作。有著不可替代的作用。其一般由基座、腰部、臂部、腕部和手部五部分組成。然后根據(jù)設計要求，本文制定了一個由液壓馬達控制夾爪松開，以彈簧恢復力夾緊物體的設計方案。本方案對夾持器以及腕部進行了結(jié)構(gòu)設計，同時對其主要零部件進行了選擇、受力分析、設計、計算和校核。其主要內(nèi)容包括：電動機和

5、液壓馬達的選擇計算，彈簧的設計計算，帶和帶輪的設計計算，齒輪、軸的設計計算和校核。本方案還對設備的可靠性、使用壽命以及設備的經(jīng)濟評價進行了分析。最后簡單的闡述了此次設計過程中存在的問題。通過分析計算可以得出結(jié)論，此次設計基本滿足設計要求。 關鍵詞：手腕；工業(yè)機器人；夾持器；操作機 The wrist enjambment eccentric and carves the type screw clamp slanting design Abstract This article designs is the wrist enjambment ecce

6、ntric and carves the type screw clamp slanting. Firstly, an overview of the industrial robot and structure were introduced. Industrial robot since the advent of the 1960s, instead of workers to complete a series of complex and dangerous action in the world production line. Plays an irreplaceable rol

7、e. Generally five parts of the base, waist, arm, wrist and hand. Then, according to the design requirements, to develop a hydraulic motor to control the gripper release and the spring force clamping the object of design. This program on the gripper and wrist was structural design, and its major comp

8、onents were selected, force analysis, design, calculation and verification. Its main contents include: the selection and calculation of the electric motor and hydraulic motor, spring design calculations, design calculations of the belt and pulley, gear, shaft design calculation and verification. The

9、 program also analyzed the equipment reliability, service life and economic evaluation. Finally a simple exposition of the problems in the design process. By analyzing the calculation can be concluded that the basic design to meet the design requirements. Key words : wrist； Industrial robot；Gripper

10、 ；End effector 目 錄 摘 要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 工業(yè)機器人的概況 1 1.1.1工業(yè)機器人的由來 1 1.1.2工業(yè)機器人的定義 1 1.1.3工業(yè)機器人的分類 1 1.1.4工業(yè)機器人的組成 3 1.1.5工業(yè)機器人的主要性能指標 5 1.1.6機器人機構(gòu)的誤差分析 6 1.2 工業(yè)機器人在我國的發(fā)展及市場 7 1.2.1我國研究開發(fā)現(xiàn)狀 7 1.2.2工業(yè)機器人發(fā)展趨勢 7 1.2.3工業(yè)機器人發(fā)展目標 7 1.2.4中國工業(yè)機器人市場統(tǒng)計數(shù)據(jù) 8 1.3 工業(yè)

11、機器人在世界的發(fā)展及市場 8 1.3.1 國外工業(yè)機器人的發(fā)展 8 1.3.2全球工業(yè)機器人市場統(tǒng)計數(shù)據(jù) 8 2 工作原理及設計方案 9 2.1夾持器方案設計 9 2.1.1設計方案 10 2.1.2可行性分析 10 2.2 機器人回行偏交型手腕的工作原理 11 3 設計計算 12 3.1夾持器的計算 12 3.1.1受力分析 12 3.1.2夾爪齒輪的計算 13 3.1.3 圓柱螺旋壓縮彈簧的設計計算 16 3.1.4液壓馬達的選擇 17 3.2腕的計算 18 3.2.1電機的選擇 18 3.2.2錐齒輪設計 21 3.2.3 同步帶和帶輪的設計 26 3

12、.2.4軸的設計及校核 28 4 機械設備的環(huán)保、可靠性和經(jīng)濟分析 34 4.1 設備的環(huán)保措施 34 4.2 設備的可靠性 34 4.2.1 設備的可靠性定義 34 4.2.2 可靠度的計算 34 4.2.3 設備平均壽命 35 4.2.4 機械設備的有效度 35 4.3 設備的經(jīng)濟評價 36 4.3.1 投資回收期 36 4.3.2 盈虧平衡分析 37 4.3.3 設備合理的更新期 38 5 結(jié)論及存在的問題 39 5.1結(jié)論 39 5.2存在的問題 39 致 謝 40 參考文獻 41 1 緒論 1.1

13、工業(yè)機器人的概況 1.1.1工業(yè)機器人的由來 在機器人誕生之前，機器人理論和機器人學科就已經(jīng)存在。1920年捷克作家卡雷爾?查培克在其劇本中最早使用機器人一詞。劇中機器人這個詞的本意是苦力，即劇作家筆下的一個具有人的外表、特征和功能的機器，是一種人造的勞動力。它是最早的工業(yè)機器人設想。 20世紀40年代中后期，機器人的研究與發(fā)明得到了更多人的關心與關注。50年代以后，美國橡樹嶺國家實驗室開始研究能搬運核原料的遙控操縱機械手。通過在系統(tǒng)中加入力反饋，可使操作者獲知施加力的大小。主從機械手之間有防護墻隔開，操作者可通過觀察窗或閉路電視對從機械手操作機進行有效的監(jiān)視，主從機械手系統(tǒng)的出現(xiàn)為機器

14、人的產(chǎn)生以及近代機器人的設計與制造作了鋪墊。 1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關節(jié)。1959年第一臺工業(yè)機器人在美國誕生，開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀元。 1.1.2工業(yè)機器人的定義 工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器人。工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領行動。 1.1.3工業(yè)機器人的分類 目前對機器人還沒有統(tǒng)一的分類標準。下面簡要介紹幾種不同的分類方法

15、。 1．按驅(qū)動方式分類 按驅(qū)動裝置的動力源，機器人可分為以下幾種。 （1） 液壓式機器人。這種機器人的驅(qū)動系統(tǒng)通常由液動機（各種油缸、油馬達）、伺服閥、油泵、油箱等組成，這種機器人通常具有很大的抓舉能力并且結(jié)構(gòu)緊湊，動作平穩(wěn)，耐沖擊、耐振動，防爆性好，但對制造精度和密封性能要求較高，否則易發(fā)生漏油而污染環(huán)境。 （2） 氣壓式機器人。其驅(qū)動系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成。特點是氣源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便，但難于進行速度控制，并因氣壓不可太高，故抓舉能力較小。 （3） 電動式機器人。電力驅(qū)動是目前機器人使用的最多的一種驅(qū)動方式。其特點是電源方便，響應快，驅(qū)動

16、力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，可以采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機一般采用交流伺服電機、直流伺服電機和步進電機。由于電機速度高，通常還須采用減速機構(gòu)（如諧波減速機構(gòu)、輪系減速機構(gòu)、滾珠絲杠和多桿機構(gòu)）。目前也有一些用特制電機直接進行驅(qū)動，以簡化機構(gòu)，提高控制精度。 其他還有采用混合驅(qū)動的機器人，如液-氣混合驅(qū)動機器人或電-氣混合驅(qū)動機器人。 2．按用途分類 機器人按用途可分為下列幾種。 （1） 搬運機器人。這種機器人用途很廣，一般只需點位控制，即被搬運零件無嚴格的運動軌跡要求，只要起始點和終了點位姿準確，如機床用的上下料機器人，工件堆垛機器人等。 （2） 噴涂機器人。這種機器人多

17、用于噴漆生產(chǎn)線，常為手把手示教型，重復位姿精度要求不高，但由于漆霧易燃，以前多采用液壓驅(qū)動，目前則更多地采用防爆電機或交流伺服電機驅(qū)動。 （3） 焊接機器人。這是汽車生產(chǎn)線上使用最多的一類機器人，又可分為點焊和弧焊兩類，點焊機器人負荷大，動作快，一般要有6個自由度，但只需實現(xiàn)點位控制。弧焊機器人負荷小，速度低，通常5個自由度即能進行工作，但對運動軌跡要求較嚴，必須實現(xiàn)連續(xù)路徑控制，即在運動軌跡的每一點都必須實現(xiàn)預定的位姿要求，目前也大多采用6自由度。 （4） 裝配機器人。這類機器人要求有較高的位姿精度，或者手腕應具有較大的柔性。裝配機器人目前大多用于電器插件的裝配，而如何應用于一些難度較大

18、的裝配作業(yè)正是人們大力研究的課題。裝配機器人通常要有6個自由度，還要求有一定的智能，如力感覺或視覺。有時還要求使用雙臂協(xié)調(diào)動作的機器人或多機器人協(xié)調(diào)工作。 （5） 其他用途的機器人。如航天用機器人，探海用機器人，以及排險作業(yè)機器人等。 3．按操作機的位置機構(gòu)類型和自由度數(shù)量分類 操作機的位置機構(gòu)是機器人的重要外形特征，故常用作分類的依據(jù)。按這一分類要求，機器人可分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關節(jié)型機器人。 操作機本身的自由度最能反應機器人的作業(yè)能力，也是分類的重要依據(jù)。按這一分類要求，機器人可分為4自由度、5自由度、6自由度和7自由度機器人。 4．其他分類方式 除上述分類方

19、式外，機器人還可按控制方式分為點位控制機器人和連續(xù)控制機器人；按負載大小分為重型、中型、小型和微型機器人；按基座型式分為固定式和移動式機器人；按操作機運動鏈的型式分為開鏈式、閉鏈式、局部閉鏈式機器人等等用。 1.1.4工業(yè)機器人的組成 工業(yè)機器人通常由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動-傳動裝置、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)四部分組成。這些部分之間的相互作用可用如下圖所示的方框圖表示。 圖 1.1 機 器 人 各 組 成 部 分 之 間 的 關 系 位 形 檢 測 智 能 系 統(tǒng) 工 作 對 象 執(zhí) 行 機 構(gòu) 驅(qū) 動- 傳 動 裝 置 控 制 系 統(tǒng) （二） 控 制 系 統(tǒng) （一） 1.

20、執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)（也稱操作機）是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由桿件和關節(jié)組成。從功能的角度，執(zhí)行機構(gòu)可分為：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。 （1） 手部 手部又稱末端執(zhí)行器，是工業(yè)機器人直接進行工作的部分，可以是各種夾持器。有時人們也常把諸如電焊槍、油漆噴頭等劃作機器人的手部。 （2） 腕部 腕部與手部相連，通常有3個自由度，多為輪系結(jié)構(gòu)，主要功用是帶動手部完成預定姿態(tài)，是操作機中結(jié)構(gòu)最為復雜的部分。 （3） 臂部 臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個臂桿（小臂和大臂）組成，用以帶動腕部作平面運動。 （4） 腰部 腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運

21、動再加上臂部的平面運動，就能使腕部作空間運動。腰部是執(zhí)行機構(gòu)的關鍵部件，它的制造誤差、運動精度和平穩(wěn)性，對機器人的定位精度有決定性的影響。 （5） 基座 基座是整個機器人的支持部分，有固定式和移動式兩種。該部件必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。 2.驅(qū)動-傳動裝置 工業(yè)機器人的驅(qū)動-傳動裝置包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)兩個部分，它們通常與執(zhí)行機構(gòu)連成一體。傳動機構(gòu)常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪輪系。驅(qū)動器通常有電機（直流伺服電機、步進電機、交流伺服電機）、液動或氣動裝置，目前使用最多的是交流伺服電機。 3.控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)一般由控制計算機和伺服控制器組成。前者發(fā)出指令協(xié)調(diào)各關

22、節(jié)驅(qū)動器之間的運動，同時還要完成編程、示教/再現(xiàn)以及和其他環(huán)境狀況（傳感器信息）、工藝要求、外部相關設備（如電焊機）之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。后者控制各關節(jié)驅(qū)動器，使各桿按一定的速度、加速度和位置要求進行運動。 4.智能系統(tǒng) 智能系統(tǒng)是目前機器人系統(tǒng)中一個不夠完善但發(fā)展很快的子系統(tǒng)。它可分為兩個部分：感知系統(tǒng)和分析-決策智能系統(tǒng)。前者主要靠硬件（各類傳感器）實現(xiàn)；后者主要靠軟件（如專家系統(tǒng)）實現(xiàn)。 1.1.5工業(yè)機器人的主要性能指標 現(xiàn)工業(yè)機器人的性能指標很多，下面簡要介紹一些與操作機的分析和設計關系最為密切的性能指標。 1．有關負荷方面的性能指標 （1） 與負荷有關的性能指標主要

23、有：額定負荷，即在正常運行條件下施加到機械接口處最大負荷的容許值，其中也包括末端執(zhí)行器、附件和工件的慣性力。 （2） 限定負荷，即在額定負荷狀態(tài)所限定的運行條件下使機器人機構(gòu)部分不發(fā)生破壞或不出故障時機械接口處所能承受的最大負荷。 （3） 最大推力和最大扭矩，即在保證機構(gòu)不發(fā)生損壞的條件下作用到機械接口處的最大推力（不包括慣性力）和最大扭矩。 2.有關運動方面的性能指標 與運動有關的性能指標主要有： （1） 自由度，即操作機獨立驅(qū)動的關節(jié)數(shù)。 （2） 單軸最大工作范圍和工作速度。 （3） 合成速度，即各軸的速度分量的合成速度，它常表現(xiàn)為機械接口中心或腕中心的線速度。 3．有關幾

24、何空間方面的性能指標 與幾何空間有關的性能指標主要有： （1） 工作空間，它決定了工作范圍，通常以腕點中心在操作機運動時所占有的體積表示，在特性圖上，用該空間的主剖面邊界以及向基座的正投影的邊界兩個視圖表示。 （2） 靈活度，它表示操作機在工作空間各點抓取物體的靈活程度，可有不同的數(shù)量指標，我們認為操作機末桿位姿圖最能直觀而準確地表示這一特性。所謂末桿位姿圖，是末桿在工作空間最大邊界的一些轉(zhuǎn)折點（關鍵點）上的兩個極限位置的投影圖。 4．有關精度方面的性能指標 與精度有關的性能指標主要有位姿精度、距離精度、軌跡精度等。其中最重要的而且在產(chǎn)品樣本上必須標出的是位置重復精度，即指令位置和從

25、同一方向重復響應n次后實到位置不一致的程度。 5．有關動力源和控制方面的性能指標 與動力源和控制方面有關的性能指標主要有驅(qū)動方式（電、液、氣）和容量、程序存貯容量、插補方式、編程方式以及分辨率等。其中，分辨率是指操作機各軸可有效反應的最小距離或角度。 1.1.6機器人機構(gòu)的誤差分析 現(xiàn)工業(yè)機器人要在更廣泛的領域得到應用，面臨著諸多向題。從機器人機構(gòu)學的角度分析，主要有兩大問題。其一是高速問題，這與操作機的輕量化，慣性匹配，最短時間控制等有關。其二是高精度問題，這與機構(gòu)的誤差，目標軌跡和實際軌跡的誤差等有關。 影響機器人機構(gòu)精度的主要原因有機械零件、部件的制造誤差，整機裝配誤差及機器人

26、的安裝誤差。另外，還有溫度、力等的作用使操作機桿件產(chǎn)生的變形，傳動機構(gòu)的誤差，控制系統(tǒng)的誤差（如插補誤差、伺服系統(tǒng)誤差、檢測元器件誤差）等。這些誤差的測定及補償在實際中有時是十分必要的。因此需要引起足夠的重視。 1.2 工業(yè)機器人在我國的發(fā)展及市場 1.2.1我國研究開發(fā)現(xiàn)狀 我國工業(yè)機器人研究開始于20世紀80年代中期。在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，已經(jīng)基本實現(xiàn)了實驗、引進到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變，促進了我國制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。 但隨著我國門戶的逐漸開放，國內(nèi)的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)面臨著越來越大的競爭與沖擊。就目前來說，我國還處在一個機器人消費型的國家。 來自中科院沈陽

27、自動化所專家課題組的預測表明，今年，我國機器人市場保有量將增至48600臺。年銷售額約90多億元。根據(jù)發(fā)展趨勢預測，到2015年，我國機器人市場容量將達十幾萬臺套。 1.2.2工業(yè)機器人發(fā)展趨勢 隨著計算機技術(shù)不斷向智能化發(fā)展，機器人應用領域的不斷擴展和深化以及在系統(tǒng)中的群體應用，工業(yè)機器人在不斷向著智能化方向發(fā)展，以滿足多樣化、個性化的需求，并適應多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境作業(yè)，向非制造領域進軍。 工業(yè)機器人向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化的可重構(gòu)化、控制技術(shù)的開放化、PC化和網(wǎng)絡化、伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化、多傳感器融合技術(shù)的實用化、工作環(huán)境設計的優(yōu)化和作

28、業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡化和智能化等方面。 1.2.3工業(yè)機器人發(fā)展目標 工業(yè)機器人技術(shù)主體的發(fā)展目標是：瞄準國際前沿高科技發(fā)展方向。創(chuàng)新性地研究和開發(fā)工業(yè)機器人技術(shù)領域的基礎技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)。通過發(fā)展工業(yè)機器人技術(shù)提高我國制造業(yè)乃至整個工業(yè)的裝備技術(shù)水平。促進裝備制造業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整與產(chǎn)品的升級換代，帶動全行業(yè)的科技進步與產(chǎn)業(yè)提升，擴大非制造領域機器人技術(shù)的應用，增強我國的國家安全與綜合國力。實現(xiàn)跨越式發(fā)展，建立若干機器人技術(shù)工程研究開發(fā)中心，提高技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)與自主創(chuàng)新能力，形成我國機器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)源頭。 結(jié)合我國國情，加強我國工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)，使之與國民經(jīng)濟的

29、發(fā)展密切相結(jié)合。經(jīng)過近十年的努力，我國在工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)方面已具有相當?shù)膶嵙?。利用國?63計劃在工業(yè)機器人技術(shù)和自動化裝備研究開發(fā)所形成的技術(shù)優(yōu)勢，全面掌握工業(yè)機器人及機器人大型自動化成套裝備設計、開發(fā)和制造技術(shù)。 1.2.4中國工業(yè)機器人市場統(tǒng)計數(shù)據(jù) 2009年，中國共銷售機器人5525臺，比2008年減少30%。其中，焊接機器人占49%，搬運機器人占29%。中國將會在2010年夏天重回增長軌跡。在未來的一年，中國工業(yè)機器人市場將保持穩(wěn)健勢頭。2010年1月份，中國機器人銷量激增。所以總的來說，中國機器人裝配量將在未來幾年保持高于平均水平的增長趨勢。可預計，2010年中國機器人

30、裝配量增長將超過50%。在2011年至2013年，平均增長率將在25%左右。 1.3 工業(yè)機器人在世界的發(fā)展及市場 1.3.1 國外工業(yè)機器人的發(fā)展 美國是機器人的誕生地，比起號稱機器人王國的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過40多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一。她的機器人技術(shù)在國際上仍一直處于領先地位，其技術(shù)全面、先進，適應性也很強。 日本素有“機器人王國”之稱，其工業(yè)機器人的發(fā)展令人矚目，無論機器人的數(shù)量還是機器人的密度都位居世界第一。在經(jīng)歷了短暫的搖籃期之后，快速跨過實用期，邁入普及提高期。德國引進機器人的時間比英國和瑞典大約晚了五六年，但戰(zhàn)爭所導致的勞動力短缺，國民

31、的技術(shù)水平較高等社會環(huán)境，卻為工業(yè)機器人的發(fā)展、應用提供了有利條件。目前，德國工業(yè)機器人的總數(shù)占世界第二位，僅次于日本又稱末端執(zhí)行器部。 1.3.2全球工業(yè)機器人市場統(tǒng)計數(shù)據(jù) 2009年全球經(jīng)濟危機導致工業(yè)機器人銷售量驟減，相比2008年，2009年工業(yè)機器人新安裝量下降了47%，僅6萬臺。是1994年以來最低的一年。機器人安裝量從來沒有下降這么嚴重。2010年全球工業(yè)機器人市場將強勁上揚，增長約27％，新安裝量為76000臺。這個增長主要來自于中國、韓國和東南亞國家，當然機器人主要供應國日本和北美也會大量增加。

32、 圖1.2 工業(yè)機器人夾持器夾爪 2 工作原理及設計方案 2.1夾持器方案設計 斜楔式夾持器是齒輪齒條嚙合使夾爪開合夾持物品，并且由電機的轉(zhuǎn)動帶動齒輪軸，齒輪軸帶動齒條花鍵軸向下壓下圖1.2中齒條花鍵軸從而使兩個夾爪張開；閉合時，電機帶動齒條花鍵軸向上運動，圖1.2中齒條花鍵軸在壓縮彈簧的作用下向上運動使夾抓閉合，夾持住夾持物。液壓馬達電機帶動齒輪齒條。 2.1.1設計方案 1、實現(xiàn)齒輪軸旋轉(zhuǎn)； 2、通過齒輪軸旋轉(zhuǎn)帶動齒條使兩個夾爪張開，實現(xiàn)夾持動作； 3、通過法蘭與手腕的聯(lián)接，實現(xiàn)空間旋轉(zhuǎn)； 4 通過彈簧的彈力推動活板向上運動，帶動齒條花

33、鍵軸向上運動，從而使夾抓閉合夾緊。 2.1.2可行性分析 傳動方案的選擇： 1.齒輪齒條傳動：效率高、精度好，剛度好，可實現(xiàn)運動方式變化。 2.蝸輪傳動：大速比，交錯軸，體積小，回差響應小，剛度小，轉(zhuǎn)矩大效率低，發(fā)熱大。 3.諧波傳動：大速比，同軸線，響應快，體積小，重量輕，回差小，轉(zhuǎn)矩大。 4.方案比較：經(jīng)比較，齒輪齒條和諧波傳動較好，但諧波傳動定位比較困難，因此，選用方案1齒輪齒條傳動。方案3備選。 精定位裝置的設計構(gòu)想： 1.棘輪配合電磁鐵。 2.內(nèi)棘輪配合電磁鐵。 3.超越離合器配合電磁鐵。 驅(qū)動裝置：采用交流電動機驅(qū)動方式。 通過分析計算，查閱相關的資料，利

34、用計算機完成各框架部分以及裝配圖和零件圖的設計。通過實驗解決各種技術(shù)問題。 由于液壓馬達技術(shù)的飛速發(fā)展，液壓馬達的效率不斷提高，因而使用液壓馬達驅(qū)動更為可靠方便，設備的可改造性也更好，可控性，可精密操作性比其他驅(qū)動方式更好因此選用液壓馬達驅(qū)動。 在電機的各種種類中，其中一種為液壓馬達，它比其它種類電機相比有以下優(yōu)點： 1傳動效率高、精密性好、重量輕、反應快。 2工作平穩(wěn)，能在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，還可以在運行過程中進行調(diào)速。 3已實現(xiàn)標準化、系列化和通用化，具有較大的機動性。 由于傳動的精密要求和夾持器的夾抓需要張開一定角度等要求， 因此選用液壓馬達傳動。 綜合比較本方案較好，成

35、本較低，方案合理 2.2 機器人回行偏交型手腕的工作原理 工作原理 圖2.1傳動Ⅰ工作原理圖 置于小臂后部的電機Ⅰ，通過帶輪（3）和帶輪（4）傳動，帶動腕殼擺動，完成末桿繞自身軸線β轉(zhuǎn)動。 圖2.2傳動Ⅱ工作原理圖 置于小臂后部的電機Ⅱ，通過帶輪（7）和帶輪（8）傳動齒，經(jīng)錐齒輪副（9、10）嚙合，帶動腕殼擺動，完成末桿繞自身軸線α轉(zhuǎn)動。 圖2.3傳動Ⅲ工作原理圖 置于手腕后部的電機（Ⅲ），通過聯(lián)軸器（11），經(jīng)錐齒輪副（12、13）嚙合，完成末桿繞自身軸線γ轉(zhuǎn)動。 3 設計計算 3.1

36、夾持器的計算 3.1.1受力分析 鋼的靜摩擦系數(shù)＝0.1 G=30.4N （3.1） 3.1.2夾爪齒輪的計算 設齒條的速度v=0.1m/s;齒輪的速度v=0.1m/s 初選齒輪的齒數(shù)z=26 初選齒輪為7級精度的直齒圓柱齒輪；材料選用40Cr調(diào)質(zhì)鋼；硬度為209HBS 1按齒面接觸強度設計 由文獻[2]設計計算公式（10-9a）進行試算 即 （3.2） 確定公式內(nèi)各計算參數(shù)數(shù)值 （1） 試選載荷系數(shù) =

37、1.3 （2） 由于懸臂布置，則取 =0.4 （3） 齒條齒輪傳動，所以 （4） 材料的彈性影響系數(shù) =189.8 （5） A 按MQ級質(zhì)量要求取接觸疲勞強度極限 MPa B 取 N= C 由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù) 按失效概率為1%，安全系數(shù) S=1 接觸疲勞許用應力： MPa （3.3） 1） 計算 （1）試算 由式（3.2）得 =2.32 =38.58mm (2） b==mm

38、 （3.4） （3）計算齒寬與齒高之比 b/h 模數(shù) （3.5） 齒高 （3.6） b/h=15.43/3.339=4.62 （4）計算載荷系數(shù) （a）由于工作機運動平穩(wěn)，則使用系數(shù) (b) 根據(jù) v=0.1m/s ; 7級精度，由圖10-8查得,動載系數(shù) （c）直齒輪 ， 則齒間載荷分配系數(shù)取

39、 7級精度，對稱布置則 查表10-4得 （3.7） 查圖10-13得 （3.8） (5)按實際的載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑， （3.9） mm （6）計算模數(shù)

40、 mm 2按齒根彎曲強度設計 由文獻[2]公式10-（5）得彎曲強度的設計公式為 （3.10） 1） 確定公式內(nèi)的計算數(shù)值 （1） 載荷系數(shù) （2） 材料按ML級質(zhì)量要求取值 MPa 按圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.5 MPa （3.11） （3）查表10-5取齒形系數(shù) 齒輪應力校正系數(shù) 由式（3.10）得

41、 mm 3 幾何尺寸計算 綜上取 m=2mm 則 mm mm 取b=20mm 4 驗算 N 故齒輪合適 3.1.3 圓柱螺旋壓縮彈簧的設計計算 1． 該彈簧在一般載荷條件下工作，中徑D=20mm,外徑mm。初選n=20。 夾緊力 取 （3.12） （3.13） 由 得行程 當彈簧壓縮變形量mm,壓力N, 當彈簧壓縮變形量mm,壓力N。 2．因彈簧在一般載荷條件下工作，可以按第Ⅲ

42、類彈簧來考慮。用碳素彈簧鋼絲C級。并根據(jù)mm, 估計彈簧直徑為3mm。由表16-3暫選MPa，則根據(jù)表16-2可知MPa。 3.根據(jù)強度條件計算直徑 選旋繞比C=6，則由文獻[2]公式（16-4）得 根據(jù)公式（16-12）得 mm 取d=3mm mm 4.根據(jù)剛度條件，計算彈簧圈數(shù)n 由公式（16-9）得彈簧剛度為 N/mm 彈簧圈數(shù)n為 取n=17圈 此時彈簧剛度為 N/mm 3.1.4液壓馬達的選擇 完成動作

43、所需的最小功率為 （3.14） （3.15） N W 由此選擇液壓馬達 表 3.1 擺動液壓馬達YMD30 擺角：～ 額定理論轉(zhuǎn)矩 排量 額定理論起動轉(zhuǎn)矩 重量 內(nèi)泄漏量 71 30 24 5.3 315 （1）電機實際流量 （3.16） 容積效率 機械效率 排量

44、 轉(zhuǎn)速 r/min 每轉(zhuǎn)的內(nèi)泄漏量 實際排量 實際流量 L/min （2）功率 （3.17） 入口壓力和出口壓力差 MPa W 此液壓馬達為最合適的動力機 3.2腕的計算 3.2.1電機的選擇 傳動Ⅰ 電機選擇計算部分由參考文獻[2]得 計算軸承摩擦力引起的轉(zhuǎn)矩 圖3.1 力的分析圖 =230 T=f+f =0.

45、0031312.722+900.00322+1312.70.00317.5=167.4 輸出功率: （3.18） 總效率: （3.19） 所需電機功率: （3.20） 據(jù)表4.2-9取 取 （3.21） 所需電機轉(zhuǎn)矩: （3.22） 根據(jù)轉(zhuǎn)矩選步進電機13

46、0BF02 靜態(tài)力矩100 傳動Ⅱ 當末端執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)至水平方向時,此傳動受轉(zhuǎn)矩最大,按此轉(zhuǎn)矩來選所需電機。 輸出功率: 輸出軸: 總效率: 所需電機功率: 據(jù)表4.2-9取 取 所需電機轉(zhuǎn)矩: 根據(jù)轉(zhuǎn)矩選步進電機 130BYG4501 轉(zhuǎn)矩：27000Nmm 傳動Ⅲ 由于此傳動是完成自由度的旋轉(zhuǎn),而此自由度主要目的是在手腕進行旋轉(zhuǎn)時使末端執(zhí)行機構(gòu)相對地面保持不轉(zhuǎn).所以的轉(zhuǎn)速與大小相同但方向相反。 轉(zhuǎn)速 圖3.2力的分析圖 由于此轉(zhuǎn)動只受摩擦力，所需轉(zhuǎn)矩很小，所以選用的電機轉(zhuǎn)矩不

47、需很大。 故選用電機 32BY001 靜態(tài)力矩：3.9Nmm 3.2.2錐齒輪設計 ( 1 )選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 選用錐齒輪 選用8級精度 (1.3)材料選擇小齒輪30CrMnSi.調(diào)質(zhì)硬度為360HBS；大齒輪30CrMnSi調(diào)質(zhì) 硬度為310HBS (1.4)取=22 i=1.2 =u=取=27。為軟齒面?zhèn)鲃?，按齒輪接觸疲勞強度設計算，按齒根彎曲疲勞強度校核。 ( 2 )按齒輪接觸疲勞強度設計算 （3.23） 試選。 材料的彈性影響系數(shù)=189.8 由圖10-21

48、d按齒面硬度查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞強度極限分別是 應力循環(huán)次數(shù) （3.24） （3.25） 由圖10-19查得接觸疲勞系數(shù) 計算接觸疲勞壽命許用應力，取失效率為1%,安全系數(shù)S=1.1 由式（10-21）得 == （3.26） == 取= ( 3 )計算 試算小齒輪分度圓直徑 =2.92 =5

49、4.37mm 計算圓周速度 m/s （3.27） 計算載荷系數(shù) 由表10-2得 由圖10-8中低級精度和求得 齒間載荷系數(shù)及可取1 由表10-9得 則 （3.28） 則=1 （3.29） 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（10-10a）得 mm （3.30） 由于考慮結(jié)構(gòu)和零件安裝和選取，所以取=69mm ，取=83mm 計算模

50、數(shù) （3.31） （3.32） ( 4 )校核齒根彎曲疲勞強度 （3.33） 齒寬 （3.34） （3.35） N 齒行系數(shù) 和 應力校正系數(shù) 由表10-5 查得 =2.72 =2.57 =1.57 =1.60 由

51、圖10-20c查得彎曲疲勞強度極限=700Mpa =690Mpa 應力循環(huán)次數(shù) ）由圖10-18得彎曲疲勞強度壽命系數(shù)=0.97 =0.95 彎曲疲勞強度安全系數(shù) =1.4 計算許用彎曲應力 = （3.36） = 校核齒根彎曲疲勞強度 （3.37） 故滿足彎曲疲勞強度 錐齒輪參數(shù)如下： 分度圓直徑d: 齒頂高ha: 齒根高hf: 齒頂角θa: 齒根角θf: 分度圓錐角δ:

52、 根錐角δ: 錐距R: 分度圓齒厚S: 3.2.3 同步帶和帶輪的設計 （1）帶輪的設計要求 設計帶輪時應使用去結(jié)構(gòu)便于制造，質(zhì)量分布均勻，重量輕，并避免由于鑄造產(chǎn)生過大的內(nèi)應力。V>5m/s時要進行靜平衡V>25m/s時則應進行動平衡 （2）材料的選擇（由于V≈1m/s） 可用HT200但功率傳動可用鑄鋁或塑料 設計機器人手腕的同步帶傳動 傳動比i=1 （1）計算 功率Pd由表13-1-68查得KA=1.6 (3.38) （2）選定帶型,根據(jù)Pd=0.848W和n1=30r/min 由圖13-1-7確定為H型 （3）小帶輪齒數(shù)Z1根據(jù)帶型

53、H和小帶輪轉(zhuǎn)速n1由表13-1-69查得小帶輪的最小齒數(shù)此處取Z1=20 （4）由表13-1-57得Pb=9.525,故小帶輪的節(jié)圓直徑d1=,由表13-1-61查其外徑da1=59.88mm （5）大齒輪齒數(shù)Z2=i Z1=120=20 （6）大齒輪節(jié)圓直徑d2= (3.40) （7）帶速V= (3.41) （8）初定周間距a0=300mm L0=2 a0+( d1+ d2)+ (3.42) =2300+( 60.64+ 60

54、.64)+ 由表13-1-53查得應選用帶長代號為300的H型同步帶，其節(jié)線長Lp=762.00mm節(jié)線長上的齒數(shù)Z=0.8 （9）實際軸間距a，此結(jié)構(gòu)的軸間距可調(diào)整 a (3.43) （10）小齒輪嚙合齒數(shù) (3.44) = =10 （11）基本額定功率P0 , 由表13-1-76查得Ta=244.46N,m=0.

55、095Kg/m P0== (3.45) （12）所需帶寬bs 由表13-1-76查得H型帶bs0 =25.4mm,由Zm=10得Kz=1 bs=bs0 =25.4=52.23mm (3.46) 查表13-1-54查得應選用帶寬代號為H200 （13）帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸 傳動選用的同步帶為H200 小帶輪：Z1=20 d1=60.64mm da1=59.88mm 大齒輪：Z2=20 d2=60.64mm da2=59.88mm 可根據(jù)上列參數(shù)決定帶輪的結(jié)構(gòu)和全部尺寸 作用在軸

56、上的力 （3.47） 由于作用在軸上的力很小，可以忽略不計。 (以上計算公式來源于機械設計手冊_(第五版)_第3卷) 3.2.4軸的設計及校核 軸的設計 本論文只設計一個受力最大,最需要校核的軸Ⅰ。所以本論文只對軸Ⅰ進行設計及校核。下圖 圖3.3 軸的結(jié)構(gòu) ( 1 )求輸出軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 N ( 2 )因已知錐齒輪分度圓直徑為d =69mm F==N （3.48） FF17

57、38.6tan20sin45=447.46N （3.49） FF=1738.6tan20cos45=447.46N （3.50） ( 3 )初步確定軸的最小直徑 先初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表取=97 mm，于是得 ==97=16.7mm ( 4 )根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 因軸承受徑向力和軸向力作用，故選角接觸球軸承46103 = =0.3mm 2個 和深溝球軸承103 = 軸與齒輪配合長度=33mm 齒輪與深溝球軸承間的套桶長=10mm 深溝球軸承與角接觸球軸承間的套桶長=39mm

58、 要固定軸承做軸肩 Ⅲ-Ⅳ段連接帶輪 圓頭普通平鍵 = 確定軸上圓角和倒角尺寸 取軸端倒角為145。 軸的校核 1. 求軸上的載荷 F===1738.6N (3.51) FF1738.6=447.46N (3.52) FF=1738.6=447.46N (3.53) 由結(jié)構(gòu)得 載荷 水平面H 垂直面V 支反力R =-1636N F=3374.9N F1013.27N 彎矩M M=83

59、453Nmm M21478Nmm 總彎矩 =Nmm 扭矩T T1=51044.75Nmm 表3.2軸上載荷 圖3.4軸的載荷分析圖 2. 按彎扭合成應力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大計算彎矩和轉(zhuǎn)距的截面（即危險截面B）的強度 取 = （3.54） 前已選定軸的材料為40Cr 3. 精確校核軸的疲勞強度40Cr，調(diào)質(zhì)處理，由表15-1查得=260MPa，因此，故安全。 1） 判斷危險截面 截面I、

60、Ⅲ、受扭矩作用，雖然鍵槽、軸肩及過渡配合所引起的應力集中均將削弱軸的疲勞強度。但由于軸的最小直徑是按照扭轉(zhuǎn)強度較為寬裕地確定的。所以截面I、Ⅲ、均無需校核。 由分析可知截面II右側(cè)是危險截面，校核即可。 2）截面II的右側(cè) 抗彎截面系數(shù)W按表中的公式計算 W===800 (3.55) 抗扭截面系數(shù) ===1600 (3.56) 彎矩M及彎曲應力為 M=86173 (3.

61、57) ==Mpa (3.58) 扭距T及扭轉(zhuǎn)切應力為 T=51044.75 ==Mpa (3.59) 軸的材料為40Cr，由表6-1-1查得=1000MPa =485MPa =280MPa 截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數(shù)及按附表3-2查取。因==0.075 ==1.18經(jīng)插值后得 可以得出 =1.51 =1.30 又由附圖3-1可得軸的材料的敏性系數(shù)為 =0

62、.85 =0.88 故有效應力集中系數(shù)按式（附3-4）為 ==1+0.85(1.51-1)=1.43 (3.60) ==1+0.88(1.30-1)=1.26 (3.61) 得尺寸系數(shù)=1.0扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)=1.0 軸按磨削加工，由附圖3-4得表面質(zhì)量系數(shù) ==0.92 軸未經(jīng)表面強化處理，即=1 則按式得綜合系數(shù)值為 == ===1.35 又由3-2得材料特性系數(shù) =0.1-0.2 取=0.1

63、 =0.05-0.1 取=0.05 于是，計算安全系數(shù)值，按式則得 == (3.62) == (3.63) ==3.31>S=1.5 (3.64) 故該軸在截面II右側(cè)的強度也是足夠的。 4 機械設備的環(huán)保、可靠性和經(jīng)濟分析 4.1 設備的環(huán)保措施 機械設備的環(huán)保性是指機械在作業(yè)時保護環(huán)境的性能，此環(huán)境指作業(yè)人員的工作環(huán)境和作業(yè)區(qū)周圍的環(huán)境。機械設備作業(yè)時污染環(huán)境的因素有噪聲、振動及廢氣排放時的有害氣

64、體、微粒粉塵等，故改善機械設備的環(huán)保性是一項跨行業(yè)、跨部門的系統(tǒng)工程，但主要可以從選用環(huán)保性好的發(fā)動機和零部件，改進機械結(jié)構(gòu)，增加后處理裝置，加強狀態(tài)檢測和及時維修，合理使用等各方面綜合考慮采取措施。 4.2 設備的可靠性 4.2.1 設備的可靠性定義 機械在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。 4.2.2 可靠度的計算 —可靠度函數(shù) =，—常數(shù)，失效率。取=1/h 圖4-1 曲線 設工作h后，則其可靠度： 4.2.3 設備平均壽命 機械設備的可靠性，另一個指標是使用壽命，即平均壽命。工作時間隨機變量的期望值： —平均壽命 —可靠性函數(shù)，機械

65、設備是可修復系統(tǒng)，即在一次年修的平均工作時間， 若，—常數(shù)。 —設備的失效率，取1/h h 若一次年修期間，統(tǒng)計維修24次 壽命h 4.2.4 機械設備的有效度 機械設備從工作開始到發(fā)生故障是可靠性問題，從發(fā)生故障后到修理是維修性問題，把兩個階段的可靠性和維修性結(jié)合起來評價設備稱為機械設備的有效度。 設備有效度—指年修期間的有效度，即設備在這段工作的有效利用率，最后可以統(tǒng)計一生的有效利用率。 —平均工作時間； —平均故障間隔期。 每班停機檢查共1480小時，工作狀態(tài)見下圖10-2: 由于在生產(chǎn)期間要進行定期維修，因此圖中上排代表大、中、小修的時間，下排代表每次

66、檢修后的工作壽命。 圖4-2 設備工作狀態(tài) h h 4.3 設備的經(jīng)濟評價 4.3.1 投資回收期 —總投資額，萬元 —年平均凈收益，萬元 年 —基準回收期，年 ，所以，經(jīng)濟可行。 投資回收期靜態(tài)經(jīng)濟評價方法，設備投產(chǎn)后，每年取得的凈收益，包括利潤和設備折舊費，將全部投資即固定資產(chǎn)投資利潤和活動資金回收所需時間，以年為單位，從建設年算起，受益資料表如下所示。 （累積凈現(xiàn)金流量開始出現(xiàn)正值年份）-1+上年累積凈現(xiàn)金流量的絕對值/當年凈現(xiàn)金流量 年 企業(yè)冶金設備年，，經(jīng)濟上合理。 表4.1 收益資料表 單位：萬元 時期 (年) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 建設期 100 70 — — — — — — — — 年凈 收益 — — 25 32 33 40 37.5 44 44 50 累積凈收益 -100 -170