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CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
畢業(yè)設(shè)計(jì)
論文題目：垂直多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)-總體結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘 要
機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。
本文對(duì)一種使用在多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。要求對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，估算各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率，完成電機(jī)和減速器的選型。其次從電機(jī)和減速器的連接和固定出發(fā)，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并對(duì)機(jī)構(gòu)中的重要連接件進(jìn)行強(qiáng)度校核。
關(guān)鍵詞：機(jī)械臂，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)型機(jī)器人，結(jié)構(gòu)分析
57
Abstract
The robot is a typical mechatronic products, humanoid robot is a robot manipulator is a kind of typical mechatronic products, vertical articulated robot is a hot research field of robot. Vertical articulated robot requires a combination of mechanical, electronic, information theory, artificial intelligence, biology and computer science knowledge, at the same time, its development has promoted the development of these disciplines.
In this paper, a design for use in many industrial robot structure, and completed the total assembly drawing and part drawing. Requirements for the statics analysis of the robot model, estimate the joint required torque and power, motor and reducer selection. Secondly, from the motor and reducer connection and fixation of joint structure, design, and the mechanism of the important connection strength check.
Key Words: manipulator, structure design, robot, structure analysis
目 錄
摘 要 I
Abstract 2
目 錄 3
第1章 緒論 6
1.1 機(jī)器人概念 6
1.2 課題研究的背景和意義 6
1.3 國(guó)外研究現(xiàn)狀 7
1.4 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究 8
1.4 本課題研究?jī)?nèi)容 9
第2章 機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 10
2.1 確定基本技術(shù)參數(shù) 10
2.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇 10
2.1.2 額定負(fù)載 11
2.1.3 工作范圍 11
2.1.4 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11
2.1.5 控制系統(tǒng)選擇 12
2.1.6 確定機(jī)器人手臂的配置形式 12
2.2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
第3章 機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 15
3.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比 17
3.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
3.3.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率 17
3.3.2 確定三根軸的具體尺寸 18
3.4 確定齒輪的參數(shù) 22
3.4.1選擇材料 22
3.4.2 壓力角的選擇 22
3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇 22
3.4.4齒寬系數(shù) 23
3.4.5 確定齒輪傳動(dòng)的精度 23
3.4.6 齒輪的校核 24
3.5 殼體設(shè)計(jì) 27
3.6小結(jié) 27
第4章 手腕詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明 28
4.1機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇 28
4.2手腕電機(jī)的選擇 28
4.2.1提腕電機(jī)的選擇 28
4.2.2擺腕和轉(zhuǎn)腕電機(jī)的選擇 29
4.3傳動(dòng)比的確定 29
4.3.1提腕總傳動(dòng)比的確定 29
4.3.2轉(zhuǎn)腕和擺腕傳動(dòng)比的確定 29
4.4傳動(dòng)比的分配 29
4.5齒輪的設(shè)計(jì) 30
4.5.1提腕部分齒輪設(shè)計(jì) 30
4.5.2轉(zhuǎn)腕部分齒輪設(shè)計(jì) 35
4.5.3擺腕部分齒輪設(shè)計(jì) 37
4.6軸的設(shè)計(jì)和校核 38
4.6.1輸出軸的設(shè)計(jì) 39
4.6.2傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 39
4.6.3軸的強(qiáng)度校核 40
4.7夾持器的設(shè)計(jì) 43
4.8殼體的設(shè)計(jì) 43
第5章 單片機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 45
5.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 45
5.1.1 硬件電路設(shè)計(jì) 45
5.1.2 軟件電路設(shè)計(jì) 46
5.2 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展 46
5.2.1 8031單片機(jī)的簡(jiǎn)介 46
5.2.2 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展 47
5.2.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展 49
5.2.4 I/O口的擴(kuò)展 51
5.2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 52
5.2.6 脈沖分配器（環(huán)行分配器） 53
5.2.7 光電隔離電路 53
5.2.8 功率放大器 53
5.2.9 其他輔助電路 54
總 結(jié) 56
參考文獻(xiàn) 57
第1章 緒論
1.1 機(jī)器人概念
機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類(lèi)指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或代替人的工作，如工業(yè)，建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作。這是一個(gè)產(chǎn)品的先進(jìn)的集成控制理論，機(jī)械電子，計(jì)算機(jī)，材料和仿生。在工業(yè)，醫(yī)學(xué)，農(nóng)業(yè)，建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要的應(yīng)用。
本田公司ASIMO機(jī)器人
現(xiàn)在，國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般來(lái)說(shuō)，人們都可以接受這種說(shuō)法，即機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)?！彼転槿祟?lèi)帶來(lái)許多方便之處。
機(jī)器人是近30年發(fā)展起來(lái)的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個(gè)重要內(nèi)容。
1.2 課題研究的背景和意義
機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類(lèi)生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。機(jī)器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的劇本《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中，在該劇中，機(jī)器人“Robota”這個(gè)詞的本意是指苦力，是劇作家筆下的一個(gè)具有人的外表、特征和功能的機(jī)器，是一種人造的勞動(dòng)力。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類(lèi)生活領(lǐng)域，研制具有人類(lèi)外觀特征、可模擬人類(lèi)行走和其他動(dòng)作的機(jī)器人一直是人類(lèi)的夢(mèng)想之一。
機(jī)器人是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的科學(xué)，有著極其廣泛的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息融合技術(shù)、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、仿生科學(xué)以及人工智能等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，它不僅涉及到線(xiàn)性、非線(xiàn)性、基于多種傳感器信息控制以及實(shí)時(shí)控制技術(shù)，而且還包括復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的建模、數(shù)字仿真技術(shù)及混合系統(tǒng)的控制研究等方面的技術(shù)。
機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)中的一個(gè)重要研究課題，而雙足機(jī)器人是機(jī)器人研究的前奏。步行技術(shù)是人與大多數(shù)動(dòng)物所具有的移動(dòng)方式，是一種高度自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)，雙足步行系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)于環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，它相對(duì)輪式、履帶式機(jī)器人具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，它可以進(jìn)入狹窄的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺(tái)階、斜坡及在不平整地面上工作，可以護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及在一般家庭的家政服務(wù)都可以應(yīng)用。它適應(yīng)環(huán)境的能力更強(qiáng)，因此具有更加廣泛的應(yīng)用前景。
在機(jī)器人的研制中，機(jī)器人仿真是機(jī)器人研究的一項(xiàng)重要的內(nèi)容，它涉及機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人零件建模、仿真機(jī)器人三維實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，是一項(xiàng)綜合性有創(chuàng)新意義和實(shí)用價(jià)值的研究課題。仿真利用計(jì)算機(jī)可視化和面向?qū)ο蟮氖侄?，模擬機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形態(tài)及極限，提示機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)動(dòng)方案及有效的控制算法，從而解決在機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)行過(guò)程中的問(wèn)題，避免了直接操作實(shí)體可能會(huì)造成的事故或者不必要的損失。仿真也為機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，并在這臺(tái)機(jī)器上模擬能都實(shí)現(xiàn)的功能，使用戶(hù)直接看到設(shè)計(jì)效果，及時(shí)找出缺點(diǎn)和不足進(jìn)行改進(jìn)，避免了大量的物力、人力的浪費(fèi)[1，2]。
1.3 國(guó)外研究現(xiàn)狀
最早系統(tǒng)地研究人類(lèi)和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨(dú)特?cái)z像機(jī)，即一組電動(dòng)式觸發(fā)照相機(jī)，并在1877年成功地拍攝了許多四足動(dòng)物和奔跑的連續(xù)照片。后來(lái)這種采用攝像機(jī)的方法又被Demeny用來(lái)研究人類(lèi)的運(yùn)動(dòng)。從本世紀(jì)30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動(dòng)力學(xué)的角度也對(duì)人類(lèi)和動(dòng)物的機(jī)理進(jìn)行深入的研究，并就運(yùn)動(dòng)作了非常形象化的描述。
真正全面、系統(tǒng)地開(kāi)展機(jī)器人的研究是始于本世紀(jì)60年代．迄今，不僅形成了機(jī)器人一整套較為完善的理論體系，而且在一些國(guó)家，如日本、美國(guó)和蘇聯(lián)等都已研制成功了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的機(jī)器人樣機(jī)。這一部分，我們主要介紹隊(duì)60年代到1985年這一時(shí)期，在機(jī)器人領(lǐng)域所取得的最重要進(jìn)展。
在60年代和70年代，對(duì)機(jī)器人控制理論的研究產(chǎn)生了3種非常重要的控制方法，即有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這3種控制方法對(duì)各種類(lèi)型的機(jī)器人都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出來(lái)的 ，模型參考控制是由美國(guó)的Farnsworth在1975年提出來(lái)的，而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅·鮑賓研究所著名的機(jī)器人學(xué)專(zhuān)家Vukobratovic博士在1969年至1972年問(wèn)提出來(lái)的。這3種控制方法之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況[1]。
在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的Bessonov和Umnov定義了“最優(yōu)步態(tài)”，Kugushev和Jaro-
shevskij定義了自由步態(tài)。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于而且也適應(yīng)于多足機(jī)器人。其中，自由步態(tài)是相對(duì)于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么機(jī)器人在時(shí)，下一步腳應(yīng)放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來(lái)考慮，而是應(yīng)該象登山運(yùn)動(dòng)員那樣走一步看一步，通過(guò)某一優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)確定，這就是所謂的自由步態(tài)。
在機(jī)器人的穩(wěn)定性研究方面，美國(guó)的Hemami等人曾提出將系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡(jiǎn)化模型看作是一個(gè)倒立振子(倒擺)，從而可以將的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)解釋為使振子直立的問(wèn)題。此外，從減小控制的復(fù)雜性考慮，Hemami等人還曾就機(jī)器人的“降階模型”問(wèn)題進(jìn)行了研究。
前面我們?cè)赋鯲ukobratovic也對(duì)類(lèi)人型系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析，但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個(gè)系統(tǒng)的功率隨時(shí)間的變化關(guān)系，并沒(méi)有過(guò)多地涉及能耗最優(yōu)這個(gè)問(wèn)題．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一個(gè)有用的結(jié)論，即姿態(tài)越平滑，類(lèi)人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。
1.4 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究
我國(guó)已在“七五”計(jì)劃中把機(jī)器人列人國(guó)家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽(yáng)建立了全國(guó)第一個(gè)機(jī)器人研究示范工程，全面展開(kāi)了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來(lái)，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門(mén)類(lèi)齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。目前，示教再現(xiàn)型機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠(chǎng)中推廣應(yīng)用。我國(guó)自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線(xiàn)在長(zhǎng)春第一汽車(chē)廠(chǎng)及東風(fēng)汽車(chē)廠(chǎng)投入運(yùn)行。1986年3月開(kāi)始的國(guó)家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開(kāi)發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容。就目前來(lái)看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。
國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究也在863計(jì)劃和自然科學(xué)基金的支持下持續(xù)開(kāi)展了多年，如國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等，都先后開(kāi)始研制機(jī)器人樣機(jī)[4]。
1.4 本課題研究?jī)?nèi)容
工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電力驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該機(jī)電控制系統(tǒng)是以MCS—51系列單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要要求:
（1）抓重：額定抓取重量或稱(chēng)額定負(fù)荷，為1kg(必要時(shí)注明限定運(yùn)動(dòng)速度的抓重)。
（2）自由度數(shù)目和坐標(biāo)形式：整機(jī)、手臂和手腕等運(yùn)動(dòng)共有6個(gè)自由度。
（3）定位方式：固定機(jī)械擋塊、可調(diào)機(jī)械擋塊、行程開(kāi)關(guān)，電位器及其各種位置設(shè)定和檢測(cè)裝置；各個(gè)自由度所設(shè)定的位置數(shù)目或位置信息容量;點(diǎn)位控制或連續(xù)軌跡控制。
（4）驅(qū)動(dòng)方式：直流伺服電機(jī)。
手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：當(dāng)手臂的運(yùn)動(dòng)速度很高時(shí)，手臂在起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊和振動(dòng)，這會(huì)影響手臂的定位精度。因此，手臂運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間的長(zhǎng)短、生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來(lái)確定。
常用的最大直線(xiàn)運(yùn)行速度在1000m/s以下。
最大回轉(zhuǎn)運(yùn)行速度一般不超過(guò)，
一般應(yīng)用的直線(xiàn)速度常在 ，
回轉(zhuǎn)速度在左右。
（5）定位精度：位置設(shè)定精度及重復(fù)定位精度（）。
設(shè)備總裝配圖（計(jì)算機(jī)出圖）；設(shè)備所有零件圖（計(jì)算機(jī)出圖）；手繪圖A1張；設(shè)計(jì)圖紙數(shù)量不少于3張A0 圖紙；設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)不少于1.5萬(wàn)字，正文頁(yè)數(shù)不少于30頁(yè)；譯文與開(kāi)題報(bào)告不少于3000字。
第2章 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)
2.1 確定基本技術(shù)參數(shù)
2.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇
為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的6個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計(jì)成以下五種方案：
a.圓柱坐標(biāo)型 這種運(yùn)動(dòng)形式是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。
b.直角坐標(biāo)型 直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線(xiàn)移動(dòng)組成，其工作空間圖形為長(zhǎng)方體。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體所占空間體積大、靈活性較差。
c.球坐標(biāo)型 又稱(chēng)極坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線(xiàn)移動(dòng)所組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)組成，其工作空間圖形為一個(gè)球形，它可以作上下俯仰運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
d. 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)使工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取靠進(jìn)機(jī)座的物體。
e.平面 采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)；兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，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(dòng)關(guān)節(jié)的行程長(zhǎng)，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(jiǎn)單，動(dòng)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(duì)以上五種方案進(jìn)行比較：方案一不能夠完全實(shí)現(xiàn)本課題所要求的動(dòng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)本課題的動(dòng)作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：機(jī)器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，工藝操作精度高。
2.1.2 額定負(fù)載
目前,國(guó)內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)器人中,其負(fù)載能力的范圍很大,最小的額定負(fù)載在5N以下,最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對(duì)象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務(wù)要求是保證手腕部能承受的最大載荷是1kg。
2.1.3 工作范圍
工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中的操作范圍和運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái)確定的,用工作空間來(lái)表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線(xiàn)間的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。
2.1.4 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動(dòng)臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種:
a.步進(jìn)電機(jī)：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。但是由于采用開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過(guò)大時(shí)會(huì)造成“失步”現(xiàn)象。
b.直流伺服電機(jī)：直流伺服電機(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。
c.交流伺服電機(jī)：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。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)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(pán)的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過(guò)載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。
d.液壓伺服馬達(dá)：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)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(lèi)問(wèn)題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。
常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等。其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū)動(dòng)方式。電極驅(qū)動(dòng)具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿(mǎn)足機(jī)器人應(yīng)用要求等特點(diǎn)。所以在這次設(shè)計(jì)中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)樗哂畜w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(diǎn)。
本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗哂畜w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(diǎn)。
2.1.5 控制系統(tǒng)選擇
對(duì)于焊接機(jī)器人這種精度要求不高的工業(yè)機(jī)器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教方式作為一種成熟的技術(shù)，易被熟悉工作任務(wù)的人員掌握。無(wú)論是手把手示教或示教盒示教，都是以在線(xiàn)編程，由示教操作人員操作移動(dòng)末端執(zhí)行器和手臂到所需的位置。然后記錄（存儲(chǔ)）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過(guò)程完成后，即可應(yīng)用，機(jī)器人以再現(xiàn)方式重復(fù)進(jìn)行示教時(shí)存于存儲(chǔ)器的點(diǎn)位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過(guò)程的速度可以與示教時(shí)速度不同。
利用示教手柄由人工引導(dǎo)末端執(zhí)行器經(jīng)過(guò)所要求的軌跡，此時(shí)位置傳感器就檢測(cè)出機(jī)器人操作機(jī)上各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)（或轉(zhuǎn)角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲(chǔ)存）下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。手把手示教也能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。軌跡運(yùn)動(dòng)速度則按各軌跡程序段對(duì)應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。
2.1.6 確定機(jī)器人手臂的配置形式
手臂的配置形式反映了機(jī)器人操作機(jī)的總體布局。根據(jù)任務(wù)要求,要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接功能,則機(jī)器人的工作范圍要廣,所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點(diǎn)是占地面積小,工作范圍大,機(jī)器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。
2.2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2-2 機(jī)器人傳動(dòng)原理圖
圖2-2是整個(gè)機(jī)器人本體機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有30個(gè)齒輪，為了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向90°,有10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。
機(jī)器人主要由立柱與基座組成的回轉(zhuǎn)基座以及大臂、小臂、手腕組成。
基座是一個(gè)鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié)1的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在基座內(nèi)安置了關(guān)節(jié)1的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座等。
大臂和小臂的結(jié)構(gòu)形式相似，都由內(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。內(nèi)部鑄件既作臂的承力骨架，又作內(nèi)部齒輪組的輪殼與軸的支承座。
大臂上裝有關(guān)節(jié)2，3的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，內(nèi)部裝有對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)齒輪組。關(guān)節(jié)2，3都采用了三級(jí)齒輪減速，其中第一級(jí)采用錐齒輪，以改變傳動(dòng)方向90°。第二、三級(jí)均采用圓柱直齒輪進(jìn)行減速。關(guān)節(jié)2傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在立柱上；關(guān)節(jié)3傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在小臂上。
小臂端部連接具有3R手腕，在臂的根部裝有關(guān)節(jié)4，5的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在小臂的中部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié)6的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。關(guān)節(jié)4，5均采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，不同的是關(guān)節(jié)4采用兩級(jí)圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié)5采用第一級(jí)圓柱直齒輪，第二級(jí)錐齒輪，使傳動(dòng)軸線(xiàn)改變方向90°。關(guān)節(jié)6采用三級(jí)齒輪傳動(dòng)，第一級(jí)與第二級(jí)為錐齒輪，第三級(jí)為圓柱直齒輪，關(guān)節(jié)4，5，6的齒輪組除關(guān)節(jié)4第一級(jí)齒輪裝在小臂內(nèi)以外，其余的均裝在手腕內(nèi)部。
所設(shè)計(jì)的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：
a.內(nèi)部鋁鑄件形狀復(fù)雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡(jiǎn)單，減輕了質(zhì)量。
b.軸承外形環(huán)定位簡(jiǎn)單。一般在無(wú)軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。
c. 采用薄壁軸承與滑動(dòng)銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。
d. 有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。
e. 大、小臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機(jī)與臂的外壁僅有0.5mm間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動(dòng)安排亦是緊密無(wú)間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。
f. 工作范圍大，適應(yīng)性廣。PUMA除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾乎是他的長(zhǎng)臂所能達(dá)到的全球空間。再加之其手腕軸的活動(dòng)角度大，因此使它工作時(shí)位姿的適應(yīng)性強(qiáng)。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié)4，6配合，一次就能轉(zhuǎn)1112°。
g. 由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動(dòng)，調(diào)整齒輪間隙機(jī)構(gòu)，彈性萬(wàn)向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度高。
h. 機(jī)器人手臂材料的選擇：
機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來(lái)選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此，在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。
機(jī)器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍6、聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。在我們的設(shè)計(jì)中為減輕機(jī)器人本體的重量選用鑄鋁材料。
第3章 機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過(guò)總體分析后,確定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的腰關(guān)節(jié)部分采用二級(jí)齒輪減速傳動(dòng)。
圖3-1 機(jī)器人腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:
（3-1）
、、分別為10kg、5kg、12kg。、、分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為300mm、700mm、1500mm，在式（3-1）中、、故、、可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
（3-2）
=
=
同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:
=
=
式中：——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。
—— 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。
設(shè)主軸速度為219°/s，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下
（3-3）
式中：——旋轉(zhuǎn)開(kāi)始的轉(zhuǎn)矩
——角加速度
使機(jī)器人主軸從到/s所需時(shí)間為:則：
若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)
開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為
電動(dòng)機(jī)的功率可按下式估算
（3-4）
式中： ——電動(dòng)機(jī)功率 ；
——負(fù)載力矩 ；
——負(fù)載轉(zhuǎn)速 ；
——傳動(dòng)裝置的效率，初步估算取0.9；
系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取1.5
估算后就可選取電機(jī)，使其額定功率滿(mǎn)足下式
（3-5）
選擇QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)
表3-1 QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
功率（W）
額定電壓
（V）
額定電流
（A）
額定轉(zhuǎn)速
（r/min）
濾磁方式
絕緣等級(jí)
工作制
（min）
800
24
46.2
1750
串勵(lì)
B
60
3.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取主軸的轉(zhuǎn)速≤4rad/s。傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比取48，分二級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)是加工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合，傳動(dòng)比=4；第二級(jí)傳動(dòng)比為
==12 (3-6)
3.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率
a.各軸轉(zhuǎn)速
Ⅰ軸 (3-7)
Ⅱ軸 (3-8)
Ⅲ軸 nⅢ= (3-9)
b.各軸輸入功率
Ⅰ軸 (3-10)
—制動(dòng)器效率
Ⅱ軸 (3-11)
—齒輪嚙合的效率 — 角接觸球軸承的效率
Ⅲ軸 PⅢ==748.9×0.98=733.9 W (3-12)
c.各軸輸入扭矩
Ⅰ軸 (3-13)
Ⅱ軸 (3-14)
Ⅲ軸 T3=9550 (3-15)
3.3.2 確定三根軸的具體尺寸
兩實(shí)心軸的材料均選用45號(hào)鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力= 30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120.
A. 第一根軸設(shè)計(jì)及校核
a.此軸傳遞扭矩
（3-16）
因?yàn)檩S是齒輪軸,所以可以將軸的軸徑加工的大一點(diǎn),以滿(mǎn)足齒輪嚙合時(shí)強(qiáng)度的要求。
齒輪的分度圓直徑為50mm,齒輪兩端裝有軸承,加工一段軸肩來(lái)定位軸承.齒輪軸上裝型號(hào)為 滾動(dòng)軸承7206AC,內(nèi)徑為30mm。具體尺寸如圖3-2所示。
圖3-2 第一級(jí)齒輪軸結(jié)構(gòu)圖
b.軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算準(zhǔn)則是滿(mǎn)足軸的強(qiáng)度或剛度要求。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，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(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對(duì)于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，對(duì)于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算，兩者都具備的按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核等。
圖3－3軸的受力分析和彎扭矩圖
求作用在齒輪上的力：
(3-17)
畫(huà)軸的受力簡(jiǎn)圖 見(jiàn)圖3－3
計(jì)算軸的支承反力
在水平面上
(3-18)
(3-19)
在垂直面上
(3-20)
畫(huà)彎矩圖 見(jiàn)圖3－3
在水平面上，剖面左側(cè)
(3-21)
剖面右側(cè)
(3-21)
在垂直面上
(3-22)
合成彎矩，剖面左側(cè)
(3-23)
剖面右側(cè)
(3-24)
畫(huà)轉(zhuǎn)矩圖 見(jiàn)圖3－3
(3-25)
判斷危險(xiǎn)截面
截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為T(mén)，則判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿(mǎn)足強(qiáng)度校核就行了。
軸的彎扭合成強(qiáng)度校核
許用彎曲應(yīng)力，，
截面左側(cè)
(3-26)
(3-27)
c.軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核
查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)，
截面左側(cè)
(3-28)
查得，；查得絕對(duì)尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則
彎曲應(yīng)力 ， (3-29)
應(yīng)力幅
平均應(yīng)力
切應(yīng)力 (3-30)
安全系數(shù) (3-31)
(3-32)
(3-33)
查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。其它軸用相同方法計(jì)算，結(jié)果都滿(mǎn)足要求。
B.中間軸設(shè)計(jì)
此軸傳遞扭矩,轉(zhuǎn)速,傳遞功率為,則
（3-34）
安裝軸承部分軸徑最小,由于整個(gè)軸上零件較復(fù)雜,在兩軸承之間有車(chē)在軸上的齒輪,還有安裝在軸上的小齒輪,以及軸套和軸承,所以可取大一點(diǎn),這里取,軸承部分,軸承選為單列角接觸球軸承,軸承型號(hào)為 滾動(dòng)軸承7206AC,其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定.由于載荷不大,軸承選的較大,強(qiáng)度足夠,這里不再詳算。中間軸大體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3-4所示。
圖3-4中間軸結(jié)構(gòu)圖
C. 主軸的設(shè)計(jì)
主軸是連接腰關(guān)節(jié)與大臂的結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)體積比較大,為節(jié)省材料減輕重量,故需設(shè)計(jì)成空心軸,主要承受軸向拉力,取內(nèi)徑,外徑,用圓錐滾子軸承支承,軸承型號(hào)為 滾動(dòng)軸承30205。主軸材料選用型號(hào)為ZAlCu5Mn的鑄鋁合金。
3.4 確定齒輪的參數(shù)
3.4.1選擇材料
根據(jù)表7-1,選擇齒輪的材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)硬度HBS可達(dá)229～286。
3.4.2 壓力角的選擇
由機(jī)械原理知識(shí)可知,增大壓力角,能使輪齒的齒厚和節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑增大,可提高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度。此處，壓力角可取20°。
3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇
對(duì)軟齒面的閉式齒輪傳動(dòng),其承載能力主要取決于齒面接觸疲勞強(qiáng)度。而齒面接觸應(yīng)力的大小與小齒輪的分度圓直徑有關(guān),即與齒數(shù)和模數(shù)的積有關(guān)。因此在滿(mǎn)足彎曲疲勞強(qiáng)度的前提下,宜選擇較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)。這樣除能增大重合度,改善傳動(dòng)的平穩(wěn)性外,還因模數(shù)的減小而降低齒高,從而減小金屬的切削量,減少滑動(dòng)速度,減少磨損,提高抗膠合能力。軸上齒輪齒數(shù)取25,小齒輪齒數(shù)取100,軸上軸齒輪齒數(shù)取25,大齒輪齒數(shù)取300,模數(shù)m取2。
3.4.4齒寬系數(shù)
由強(qiáng)度公式可知,當(dāng)載荷一定時(shí),增大齒寬可以減小齒輪直徑,降低齒輪圓周速度。但增大齒寬,齒面上的載荷分布不均勻性也將增大。查表7-7,中間軸上的齒輪與大齒輪嚙合時(shí)取齒寬系數(shù)為1.0;懸臂上的齒輪與小齒輪嚙合時(shí)取為0.5。根據(jù)公式 ,計(jì)算結(jié)果圓整為5的整數(shù)倍,作為大齒輪的齒寬,小齒輪齒寬取,以補(bǔ)償加工裝配誤差。
所以
軸上齒輪 與之嚙合的小齒輪齒寬
軸上的齒輪齒寬 ,與之嚙合的大齒輪齒寬
3.4.5 確定齒輪傳動(dòng)的精度
根據(jù)GB10095-1988規(guī)定,齒輪精度等級(jí)分為12級(jí),1級(jí)最高,12級(jí)最低,常用6～9級(jí)。根據(jù)表7-8 選用7級(jí)精度的齒輪。
表3-2 第一級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸
名稱(chēng)
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
表3-3 第二級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸
名稱(chēng)
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
3.4.6 齒輪的校核
已選定齒輪采用45鋼，鍛造毛坯，軟齒面，齒輪滲碳淬火HRC56～62，齒輪精度用7級(jí)，軟齒表面粗糙度為，對(duì)于需校核的一對(duì)的齒輪，齒數(shù)分別為，，模數(shù)為2，傳動(dòng)比，扭矩T=16.76N·m。
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)度計(jì)算
。 （3-35）
式中：—節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，用來(lái)考慮節(jié)點(diǎn)齒廓形狀對(duì)接觸應(yīng)力的影響，取=2.5；
—材料系數(shù)，單位為，查表7-5，取189.8；
—重合度系數(shù)，取=0.90；
—齒寬系數(shù)，取=1；
u—齒數(shù)比，其值為大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比，u=12。
選擇材料的接觸疲勞極限應(yīng)力為：
選擇齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力為：
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N計(jì)算可得
×437.5×16×300×8=10.08× （3-36）
則 （3-37）
查得接觸疲勞壽命系數(shù)為
查得彎曲疲勞壽命系數(shù)為
查得接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù)，又為試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取2.0，試選1.3，
求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：
（3-38）
（3-39）
（3-40）
（3-41）
將有關(guān)值帶入公式（3-35）得：
=
=29.78mm
則
（3-42）
（3-43）
查圖得；查得，
查得，取，則 （3-44）
修正，mm
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=2mm，與前面選定的模數(shù)相同，所以m=2mm符合要求。
c.計(jì)算幾何尺寸
， （3-45）
， （3-46）
d.校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
查得，取
校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度
（3-47）
（3-48）
所以齒輪完全達(dá)到要求。
圖3-5 大齒輪結(jié)構(gòu)圖
圖3-6 小齒輪結(jié)構(gòu)圖
3.5 殼體設(shè)計(jì)
基座部分采用球墨鑄鐵材料,方形結(jié)構(gòu),壁厚在15mm左右。立柱采用鑄鋁,空心圓柱形狀,起固定軸承外圈的作用。其他部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)確定,這里不一一敘述,詳見(jiàn)圖紙。
3.6小結(jié)
本章針對(duì)腰部的齒輪、大齒輪軸、小齒輪軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)和校核，另外還表述了設(shè)計(jì)上的見(jiàn)解。通過(guò)校核可知設(shè)計(jì)的齒輪、軸均符合強(qiáng)度要求。
第4章 手腕詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明
4.1機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇
通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種:
a. 步進(jìn)電機(jī)：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。但是由于采用開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過(guò)大時(shí)會(huì)造成“失步”現(xiàn)象。
b. 直流伺服電機(jī)：直流伺服電機(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。
c. 交流伺服電機(jī)：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。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)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(pán)的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過(guò)載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。
d. 液壓伺服馬達(dá)：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)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(lèi)問(wèn)題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。
本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗哂畜w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(diǎn)。
4.2手腕電機(jī)的選擇
4.2.1提腕電機(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V=2m/s
功率
取安全系數(shù)為1.2，
考慮到傳動(dòng)損失和摩擦，最終的電機(jī)功率。選擇Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，技術(shù)參數(shù)如下
表4-1 Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)
型 號(hào)
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)腕電機(jī)的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)要求取相同型號(hào)的電機(jī)，選擇Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為200/20-400。
4.3傳動(dòng)比的確定
4.3.1提腕總傳動(dòng)比的確定
先根據(jù)下式求角速度 = ＝＝20 r/s
為角速度(r/s)，V為運(yùn)動(dòng)速度（m/s）， R為機(jī)械接口到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離(m)。
再求實(shí)際轉(zhuǎn)速 n’＝
為轉(zhuǎn)速(r/min)。
最后求得總傳動(dòng)比
i總＝＝10.4 取整i總1=10
4.3.2轉(zhuǎn)腕和擺腕傳動(dòng)比的確定
用同樣的方法，可求得
轉(zhuǎn)腕總傳動(dòng)比i總2＝20
擺腕總傳動(dòng)比i總3＝10
4.4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。
a. 提腕傳動(dòng)比分配 提腕總的傳動(dòng)比i總1=10，該傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)，第一極傳動(dòng)為圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i11=2，第二極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i12＝5。
b. 轉(zhuǎn)腕傳動(dòng)比分配 轉(zhuǎn)腕總的傳動(dòng)比i總2＝20，該傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)，第一極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i21＝5，第二極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i21＝4。
c. 擺腕傳動(dòng)比分配 擺腕總的傳動(dòng)比i總3＝10，該傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)，第一極傳動(dòng)為圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i31＝2，第二極傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i32＝5。
4.5齒輪的設(shè)計(jì)
按照上述傳動(dòng)比配對(duì)各齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。
4.5.1提腕部分齒輪設(shè)計(jì)
A. 第一極圓柱齒輪傳動(dòng)
齒輪采用45號(hào)鋼，鍛造毛坯，正火處理后齒面硬度170~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。
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)度條件的設(shè)計(jì)表達(dá)式
（4－1）
其中， ，，
，，，
選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：
選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計(jì)算可得
（4-2）
則
接觸疲勞壽命系數(shù),
彎曲疲勞壽命系數(shù)
接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。
求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：
將有關(guān)值代入（4－1）得：
則
動(dòng)載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動(dòng)載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則
修正
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。
c.計(jì)算基本尺寸
取
d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
復(fù)合齒形系數(shù)，
取
校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度
（4－3）
所以齒輪完全達(dá)到要求。
表4－2 齒輪的幾何尺寸
名稱(chēng)
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，小齒輪將做成齒輪軸。
B. 第二極圓錐齒輪傳動(dòng)
齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取
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
（4－4）
其中， ，，
，，
選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：
選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下式計(jì)算可得
（4-5）
則
接觸疲勞壽命系數(shù),
彎曲疲勞壽命系數(shù)
接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。
求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：
將有關(guān)值代入（4－4）得：
則
動(dòng)載荷系數(shù)；使用系數(shù)；齒向載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)取，則
修正
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。
c.計(jì)算基本尺寸
d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
復(fù)合齒形系數(shù)，
取
校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度
（4-6）
所以齒輪完全達(dá)到要求。
表4－3齒輪的幾何尺寸
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
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(jì)
第一極圓錐齒輪傳動(dòng)：齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。經(jīng)計(jì)算齒輪滿(mǎn)足要求
表4－4齒輪的幾何尺寸
名稱(chēng)
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
第二極圓錐齒輪傳動(dòng)：齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。經(jīng)計(jì)算齒輪滿(mǎn)足要求。
表4－5齒輪的幾何尺寸
名稱(chēng)
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
4.5.3擺腕部分齒輪設(shè)計(jì)
第一極圓柱齒輪傳動(dòng)：齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。經(jīng)計(jì)算齒輪滿(mǎn)足要求。小齒輪作成齒輪軸。
表4－6齒輪的幾何尺寸
名稱(chēng)
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
第二極圓錐齒輪傳動(dòng)：齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒