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畢業(yè)設(shè)計說明書
課 題： 三軸工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計
子課題: 機器人的第一臂與底座的設(shè)計
同課題學(xué)生姓名:
專 業(yè)
學(xué)生姓名
班 組
學(xué) 號
指導(dǎo)教師
完成日期
目 錄
摘要---------------------------------------------------------Ⅰ
引言--------------------------------------------------------------------1
第一章 概述-----------------------------------------------------------2
1.1 工業(yè)機器人的含義及技術(shù)概述 ---------------------------------- 2
1.2 工業(yè)機器人的組成 ---------------------------------------- 2
1.3 工業(yè)機器人的現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 ---------------------------3
1.4 設(shè)計的任務(wù)要求-------------------------------------------4
第二章 機器人的結(jié)構(gòu)分析-------------------------------------------5
2.1 總體結(jié)構(gòu)的概述-------------------------------------------------5
2.2 第一軸（大臂）的結(jié)構(gòu)---------------------------------------6
2.3 傳動方案的確定-------------------------------------------7
第三章 設(shè)計計算 ----------------------------------------------------9
第四章 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算--------------------------------------11
4.1 第一軸的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計--------------------------------------------11
4.2軸承的選擇--------------------------------------------------26
第五章 機器人各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 -----------------------------28
5.1 轉(zhuǎn)角范圍的控制設(shè)計---------------------------------------------------------------28
5.2主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計（第一臂與底座）-------------------------------------29
總結(jié) --------------------------------------------------------30
致謝 ------------------------------------------------------- 31
參考文獻(xiàn) ---------------------------------------------------32
引言
在加速科技進(jìn)步中，機械制造業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵的作用，其任務(wù)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(yù)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(yīng)多種產(chǎn)品生產(chǎn)。
當(dāng)代柔性自動化生產(chǎn)的建立和廣泛應(yīng)用，取決于作為科技進(jìn)步的催化劑的機床制造、機器人技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、儀器制造等技術(shù)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(yīng)用于數(shù)控機床、鍛壓機床、鑄造機械和倉儲設(shè)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(shù)綜合體—柔性生產(chǎn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)模塊。
隨著工業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟的驚人發(fā)展，標(biāo)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(shù)更加引人注目；作為FMS、FA技術(shù)重要組成之一的工業(yè)機器人技術(shù)也將得到迅速發(fā)展。應(yīng)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(shè)計是根據(jù)對工業(yè)六自由度機器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行三自由度工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設(shè)計以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免運動的干涉。但在本次設(shè)計中出于公司的要求,我主要負(fù)責(zé)第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計,在設(shè)計中趙勇彪老師給予了很大的指導(dǎo)和幫助，在此謹(jǐn)致謝意。
限于水平，本設(shè)計難免有缺點、錯誤，懇請各位老師批評指正。
第一章 概 述
1.1工業(yè)機器人的含義及技術(shù)概述
到目前為止，世界各國對“工業(yè)機器人”還沒有做出統(tǒng)一的明確定義。通常所說的“工業(yè)機器人”是一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置。而它與“機械手”有一些區(qū)別：“工業(yè)機器人”多數(shù)指程序可變的獨立的抓取、搬運工件、操縱工具的裝置；“機械手”多數(shù)是指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置。如自動線、自動機的上、下料，加工中心的自動換刀的自動化裝置。
工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)社備。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。工業(yè)機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。機器人并不是在簡單意義上的代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器長時間持續(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)域不可缺少的自動化設(shè)備。
1.2工業(yè)機器人的組成
工業(yè)機器人一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成。如圖1-1所示。
目前，具有人工智能系統(tǒng)的工業(yè)機器人即智能機器人還處于研究實驗階段。而應(yīng)用于生產(chǎn)實際的多數(shù)是那些具有執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的工業(yè)機器人。
1．執(zhí)行系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成握取工件（或工具）實現(xiàn)所需的各種運動的機械部件，包括：手部、腕部、臂部，還有機身和行走機構(gòu)。
2．驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力的裝置。采用的動力源不同，驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式也不同。驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式有四種：液壓式、氣壓式、電氣式、機械式。
3．控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人或機械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動系統(tǒng)，讓執(zhí)行機構(gòu)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作、并檢測其正確與否。一般常見的為電氣與電子回路控制，計算機控制系統(tǒng)也不斷增多。就其控制方式，可分為分散控制與集中控制兩種類型。若以控制的運動軌跡來分，有兩種：點位控制和連續(xù)軌跡控制。
1.3 工業(yè)機器人的現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢
工業(yè)機器人是一種對生產(chǎn)條件和生產(chǎn)環(huán)境適應(yīng)性和靈活性很強的柔性自動化設(shè)備，它對穩(wěn)定提高產(chǎn)品品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率和改善勞動條件起著十分重要的作用。工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展必將對社會經(jīng)濟和生產(chǎn)力發(fā)展產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。所以，國內(nèi)外工業(yè)機器人的發(fā)展十分迅速。
國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：
1．工業(yè)機器人的性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作與維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。
2．機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速器、檢測系統(tǒng)三為一體；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問世。
3．工業(yè)機器人系統(tǒng)控制向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
4．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
5．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
6．當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。
7．機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。
我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”計劃科技攻堅開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻堅，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得廣泛應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步比較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線技術(shù)系統(tǒng)與國外比還有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種。在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在二十一世紀(jì)立于世界先進(jìn)行列之中。
1.4 設(shè)計的任務(wù)要求
本次設(shè)計是針對三軸工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
主要設(shè)計要求如下：
第一軸：轉(zhuǎn)動角速度為 90/s，轉(zhuǎn)角范圍為0～270
底 座：能夠?qū)崿F(xiàn)第一臂轉(zhuǎn)角(0-270度)轉(zhuǎn)角范圍控制
第二章 機器人的結(jié)構(gòu)分析
2.1總體結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構(gòu)成。機構(gòu)部分有機械手和移動機構(gòu)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(dǎo)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(biāo)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。
如圖2-1，該機器人具有六自由度，即大臂的回轉(zhuǎn)、臂的左右擺動、臂的上下擺動、手腕的回轉(zhuǎn)、手腕的伸縮和手爪的抓取。當(dāng)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(zhuǎn)運動，且與大臂相連的所有其它手臂、手腕及機械構(gòu)件也隨大臂一起作回轉(zhuǎn)運動；而后另一手臂由電動機M2直接驅(qū)動作左右擺動；還有，第三臂由電動機M3直接驅(qū)動作上下擺動；最后，手腕的回轉(zhuǎn)、伸縮及手爪的抓取由其它三個電動機驅(qū)動。
３３
2.2第一軸（大臂）的結(jié)構(gòu)
大臂的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shè)計要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)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(gòu)繞著它轉(zhuǎn)動，且電動機又固定在大臂上，所以導(dǎo)致大臂帶著電動機、減速箱一起作回轉(zhuǎn)運動。
2.2 傳動方案的確定
根據(jù)工業(yè)機器人的總體結(jié)構(gòu)分析可知，工業(yè)機器人的三軸的傳動結(jié)構(gòu)并不復(fù)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(dāng)然，參照以上的傳動結(jié)構(gòu)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：擺線針輪行星齒輪傳動
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：擺線針輪行星齒輪傳動
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(zhuǎn)速為1500r/min的原動機，則u1=1500/15=100,
u2=1500/20=75。
第一軸傳動的確定：蝸桿蝸輪傳動的特點：1）傳動平穩(wěn)，振動沖擊和噪聲均很?。?）傳動比也較大，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且同時也增加了轉(zhuǎn)動時的負(fù)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)緊湊，并且在總體結(jié)構(gòu)上也是合理的。
第二軸傳動的確定：由各傳動系統(tǒng)的傳動比可知，第二軸的傳動應(yīng)該采用擺線針輪行星齒輪傳動。擺線針輪行星齒輪傳動有如下優(yōu)點：1）傳動比大。一級傳動比為11～87，二級傳動比為121～7569，三級傳動比可達(dá)446571；2）結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。如將擺線針輪行星減速器與同功率的兩級普通圓柱齒輪減速器相比，體積可減小1/2～2/3，重量約減輕1/2～1/3以上；3）效率較高。一般效率為0.92～0.94，最高可達(dá)0.97；4）傳動平穩(wěn)，過載能力較大，承受沖擊和振動的性能較好；5）工作可靠，壽命長。但是這種傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造較困難。
總上所述，選擇方案一為最佳。第一軸采用三級斜齒輪傳動，第二、第三軸采用擺線針輪行星齒輪傳動。
第三章 設(shè)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(shè)計方案可知，第二軸、第三軸的所有重量都是第一軸的負(fù)荷，所以說，第一軸的轉(zhuǎn)動慣量是很大的，必須計算各零部件的轉(zhuǎn)動慣量，計算出最終動力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動慣量，再根據(jù)動力源軸上的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行選擇電動機。下面計算第一軸上的轉(zhuǎn)動慣量：
如圖3-1-1，該軸的轉(zhuǎn)動軸與第二軸的轉(zhuǎn)動軸不同，該轉(zhuǎn)動軸的軸線為ob線，則在這種情況下，
圖3-1-1
第三臂的轉(zhuǎn)動慣量：
Kgm2
第二軸的轉(zhuǎn)動慣量：
（3-1-1）
Kgm2
兩電動機的轉(zhuǎn)動慣量：
Kgm2
兩個行星輪系的轉(zhuǎn)動慣量：
Kgm2
減速箱的轉(zhuǎn)動慣量：
Kgm2
第一軸本身的轉(zhuǎn)動慣量：
Kgm2
所以，總的轉(zhuǎn)動慣量為：
Kgm2
而轉(zhuǎn)動角加速度為：
1/s2
則輸出軸的轉(zhuǎn)矩為由式（3-1-7）得：
Nm
轉(zhuǎn)換到電動機上的轉(zhuǎn)矩為：
Nm
根據(jù)要求<，選P=3KW，n=1000r/min的MGMA型伺服電機，為28.4Nm。
第四章 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算
4.1 第一軸的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計
第一級斜齒輪的傳動設(shè)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(shè)計要求，選用斜齒圓柱齒輪傳動。
2) 考慮減速設(shè)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(shè)計
由設(shè)計計算公式進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得
， ，則 =
（4）.計小齒輪傳遞轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(shè)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(dāng)量齒數(shù)
(4) 查取齒形系數(shù)
由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.44；=2.196
(5) 查取應(yīng)力校正系數(shù)
由齒形系數(shù)應(yīng)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(yīng)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(shè)計計算
≥ mm
對比計算結(jié)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(shè)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(shè)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=4.8724=117。
4) 選取螺旋角。初選螺旋角。
２．按齒面接觸強度設(shè)計
由設(shè)計計算公式（3-2-1）進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得
， ，則 =
（4）.計小齒輪傳遞轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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(shè)計
根據(jù)設(shè)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(dāng)量齒數(shù)
（4） 取齒形系數(shù)
由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.158
（5） 取應(yīng)力校正系數(shù)
由齒形系數(shù)應(yīng)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(yīng)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(shè)計計算
≥ mm
對比計算結(jié)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(shè)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(shè)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(shè)計
由設(shè)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(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得
， ，則 =
（4）.計小齒輪傳遞轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(dāng)量齒數(shù)
(4)查取齒形系數(shù)
由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.14
(5)查取應(yīng)力校正系數(shù)
由齒形系數(shù)應(yīng)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(yīng)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(shè)計計算
≥ mm
對比計算結(jié)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(zhuǎn)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(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)量載荷 P
P==1.312830.82=16680.1 N
5）軸承相對轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)尺寸
mm
mm
（）
mm
2) 最大彎矩
Nmm
3) 許用彎曲應(yīng)力
MPa
4) 校核彎曲應(yīng)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
1.根據(jù)齒輪軸徑值，查滾動軸承樣本或機械設(shè)計手冊得，第二軸上選用圓錐滾子軸承7204，C=15500N；第三軸上選用圓錐滾子軸承7205，C=19520N，則校核壽命如下：
第二軸的從動齒輪受力大小為：
切向力為： N
徑向力為：
N
軸向力為： N
根據(jù)，則軸承的名義載荷P為：
（4-3-1）
式中，-載荷系數(shù)，-徑向動載荷系數(shù)，-軸向動載荷系數(shù)，所以， N
則軸承的壽命為：
h
因為，這里軸承的預(yù)期壽命為=15000h，而，故所選的軸承可滿足壽命要求。
第三軸的從動齒輪受力為：
切向力為： N
徑向力為：
N
軸向力為： N
根據(jù)，則軸承的名義載荷P為： N
則，軸承的壽命為：
h
因為，這里軸承的預(yù)期壽命為=15000h，而，故所選的軸承可滿足壽命要求。
第五章機器人各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.1 轉(zhuǎn)角范圍的控制設(shè)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(gòu)等的動作以及與相關(guān)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(shè)計要求要實現(xiàn)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角。這里用擋塊結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)角范圍。第一軸的控制轉(zhuǎn)角（0～270）的擋塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-1
5-1
5.2主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計（第一臂與底座）
5.2.1 第一軸轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)：如圖5-2，具體尺寸見附圖（零件圖）。
5.2.2底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計：如圖5-3
圖5-2 5-3
總 結(jié)
通過這次設(shè)計，使我對工業(yè)機器人有了感性的認(rèn)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(jié)合當(dāng)前國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的具體情況，機器人技術(shù)重點應(yīng)在開展智能機器人、機器人化及其相當(dāng)技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)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(shè)計，使我綜合運用機械設(shè)計的理論和實際知識，結(jié)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(xué)的知識得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴展；通過設(shè)計，使我掌握機械設(shè)計的一般規(guī)律，樹立正確的設(shè)計思想，培養(yǎng)獨立分析和解決實際問題的能力；學(xué)會從機器功能的要求出發(fā)，合理選擇傳動機構(gòu)類型，制定設(shè)計方案，正確計算零件的工作能力，確定它的尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)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(shè)計能力。
當(dāng)然在設(shè)計過程中，也碰到了許多問題。在朱曉華老師的指導(dǎo)和一些同學(xué)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(shè)計。由于本人缺乏經(jīng)驗及水平有限，設(shè)計仍存在一些問題，如機器人的動力學(xué)分析以及缺少機器人的動作模擬仿真，望老師給予指正。
致 謝
本設(shè)計得到趙勇彪老師的全過程的耐心指導(dǎo)和大力幫助，使得設(shè)計能夠順利地完成。同時還得到其他老師的熱情幫助，也得益于畢業(yè)實習(xí)期間所在實習(xí)工廠車間等單位師傅和帶領(lǐng)機設(shè)組學(xué)生實習(xí)的各位老師的指導(dǎo)，使自己增加了一定的實踐知識，僅此表示由衷的感謝。
由于受時間和水平的限制，現(xiàn)代機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計還存在著不夠完善的方面甚至有些錯誤，懇請老師和專家指教，能使本設(shè)計更完善并能付諸于實際，制造出所設(shè)計的機器人，將是很欣慰的事情。
參考文獻(xiàn)
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