噴涂機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、噴涂機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 機(jī)器人的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 機(jī)器人是一個(gè)在三維空間中具有多自由度，并能實(shí)現(xiàn)較多擬人動(dòng)作和功能的機(jī)器，而 工業(yè)機(jī)器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)器人。美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)提出的工業(yè)機(jī)器人定義 為：“機(jī)器人是一種可重復(fù)編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)” 。英國(guó) 和日本機(jī)器人協(xié)會(huì)也采用了類(lèi)似的定義。我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T12643-90 將工業(yè)機(jī)器人定 義為：“機(jī)器人是一種能自動(dòng)定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。 能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)” 。而將操作機(jī)定義為： “具有和人手臂 相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物

2、體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置 [5][6][8] ”。 自從機(jī)器人在 20 世紀(jì) 50 年代誕生以來(lái)，在短短的 50 多年里得到了迅速的發(fā)展，它 經(jīng)歷了第一代工業(yè)機(jī)器人的研究、 實(shí)用化、普及， 第二代感知功能機(jī)器人的研究、 實(shí)用化， 以及第三代智能機(jī)器人的研究等各個(gè)階段。 近幾年國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展有如下幾個(gè)趨勢(shì) ： 1）工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修） ，而單 機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從 1991年的 10.3萬(wàn)美元降至 1997年的 6.5萬(wàn)美元。 2）機(jī)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(jī)、減速機(jī)、檢測(cè) 系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模

3、塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝 配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開(kāi)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(jiàn)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）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制。如使遙控機(jī) 器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。 我國(guó)的機(jī)器人研究始于 20世紀(jì) 70 年代。經(jīng)過(guò) 30 多年的努力，從 80 年代“七五”科 技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)科技人員幾十年的科技攻關(guān)，目前已基本掌握了 機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)

4、、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(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有 130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用， 弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，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，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步 較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn) 工業(yè)機(jī)器人約 200 臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人 產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶(hù)的要求， “一客

5、戶(hù)， 一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、 批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模 塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 1.2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)概述 機(jī)器人系統(tǒng)一般由操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元、控制裝置和為了使機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)而要求的外 部設(shè)備組成。 1.2.1 操作機(jī) 操作機(jī)是機(jī)器人完成作業(yè)的實(shí)體，它具有和人手臂相似的動(dòng)作功能。通常由下列部分 組成： a. 末端執(zhí)行器 又稱(chēng)手部，是機(jī)器人直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、 傳感器等，是工業(yè)機(jī)器人直接與工作對(duì)象接觸以完成作業(yè)的機(jī)構(gòu)。

6、b. 手腕 是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來(lái)確定和改變末端執(zhí)行器的 方位和擴(kuò)大手臂的動(dòng)作范圍，一般有 2?3個(gè)回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些 專(zhuān)用機(jī)器人可以沒(méi)有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。 c. 手臂 它由機(jī)器人的動(dòng)力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕和末端 執(zhí)行器位置的部件。手臂有時(shí)包括肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)，即手臂與手臂間。手臂與機(jī)座間用關(guān) 節(jié)連接，因而擴(kuò)大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運(yùn)動(dòng)范圍。 d. 機(jī)座 有時(shí)稱(chēng)為立柱，是工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中相對(duì)固定并承受相應(yīng)的力的基礎(chǔ)部 件。可分固定式和移動(dòng)式兩類(lèi)。 1.2.2 驅(qū)動(dòng)單元 它是由驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)單元等組成的

7、部件，是用來(lái)為操作機(jī)各部件提供動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的裝 1.2.3 控制裝置 它是由人對(duì)機(jī)器人的啟動(dòng)、停機(jī)及示教進(jìn)行操作的一種裝置，它指揮機(jī)器人按規(guī)定的 要求動(dòng)作。 1.2.4 人工智能系統(tǒng) 它由兩部分組成，一部分是感覺(jué)系統(tǒng)，另一部分為決策－規(guī)劃智能系統(tǒng)。 1.3 課題研究的目的、意義和主要內(nèi)容 制造業(yè)是一國(guó)工業(yè)之基石，它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供重要的手 段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。即使是發(fā)達(dá)工業(yè)化國(guó)家，也無(wú)不高度重視。機(jī)器人在工業(yè) 生產(chǎn)中被運(yùn)用的廣泛程度正是體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)自動(dòng)化程度。從某種意義上講，也反 映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。每當(dāng)人們?cè)跊_壓、安裝和整車(chē)組裝生

8、產(chǎn)線上無(wú)數(shù)次地 重復(fù)同一個(gè)取放、安裝零件的時(shí)候 ,往往求助于機(jī)器人 ,尤其在噴涂作業(yè)那種惡劣的環(huán)境中 機(jī)器人的使用大大減輕了工人的體力勞動(dòng)，改善了工作狀況 ,減少了產(chǎn)品的生產(chǎn)加工成本 以機(jī)器人為代表的現(xiàn)代自動(dòng)控制科學(xué)的發(fā)展對(duì)裝備制造業(yè)注入了強(qiáng)勁的動(dòng)力，同時(shí)也對(duì)它 提出更強(qiáng)要求，更加突出了機(jī)械裝備制造業(yè)作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化載體在推動(dòng)整個(gè)社會(huì)技術(shù) 進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)中無(wú)可替代的基礎(chǔ)作用。作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和技術(shù)升級(jí)的原動(dòng)力，以機(jī)器 人為標(biāo)志的機(jī)械裝備制造業(yè)將伴隨著高新技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而共同進(jìn)步。 目前，全世界的機(jī)器人保有量為幾百萬(wàn)臺(tái)，其中絕大部分為日、美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家所 有。我國(guó)目前擁有機(jī)器人 400

9、0 多臺(tái)，主要在工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用。在機(jī)器人的應(yīng)用方面， 與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距， 所以我國(guó)未來(lái)的機(jī)器人的市場(chǎng)需求將是巨大的， 在噴涂行業(yè)， 為了避免人在有毒、易燃、易爆的惡劣環(huán)境下工作，減少?lài)娡康膹U品，提高噴涂質(zhì)量，提 高勞動(dòng)生產(chǎn)率，迫切要求實(shí)現(xiàn)噴涂自動(dòng)化。目前，噴涂機(jī)器人主要應(yīng)用在汽車(chē)制造及家電 生產(chǎn)領(lǐng)域，在木制品表面裝飾中應(yīng)用較少。所以今后的市場(chǎng)需求會(huì)很大，本課題正是應(yīng)對(duì) 這種市場(chǎng)需求成立的。 本課題研究的主要內(nèi)容是：為了達(dá)到噴涂工藝的要求和滿(mǎn)足不同形狀的表面噴涂要 求，設(shè)計(jì)具有 6 個(gè)自由度的噴涂機(jī)器人，即腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)、大臂的擺動(dòng)、小臂的擺動(dòng)、手 腕轉(zhuǎn)動(dòng)、手腕俯仰以及工具滾動(dòng)。 噴

10、涂機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)為：機(jī)器人的機(jī)座（即底部和腰部的固定支撐）結(jié)構(gòu)、腰關(guān)節(jié) 傳動(dòng)裝置、大臂（即大臂支撐架）結(jié)構(gòu)及大臂傳動(dòng)裝置、小臂（即小臂支撐架）結(jié)構(gòu)及小 臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、手腕（即手腕支撐架）結(jié)構(gòu)及手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。 主要對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，機(jī)構(gòu)布局設(shè)計(jì)、腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、大 小臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、腕部傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。以及對(duì)組成各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)零部 件進(jìn)行設(shè)計(jì)、選擇、校核、計(jì)算。最終，完成機(jī)器人整機(jī)的設(shè)計(jì)。 3 2 設(shè)計(jì)方案的確定 2.1 總體方案的確定 2.1.1 設(shè)計(jì)方案的討論 為了達(dá)到噴涂工藝的要求和滿(mǎn)足不同形狀的表面噴涂要求， 所以機(jī)器人有 6 個(gè)自

11、由度， 即腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)、大臂的擺動(dòng)、小臂的擺動(dòng)、手腕滾動(dòng)、手腕俯仰以及工具滾動(dòng)。能實(shí)現(xiàn) 上述要求的，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，可供選擇、參考的設(shè)計(jì)方案有以下四種 [4]： 2.1.1.1 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。 2.1.1.2 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)

12、體所占空間體積大、靈活性較差。 2.1.1.3 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。 2.1.1.4 關(guān)節(jié)型 關(guān)節(jié)型又稱(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。

13、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)的機(jī)器人在相同體 積條件下比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人具有大得多的相對(duì)空間和絕對(duì)空間。 按設(shè)計(jì)要求、經(jīng)對(duì)比分析確定，本課題采用的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式為關(guān)節(jié)型。 2.1.2 本體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì) 合理確定機(jī)器的布局是機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它對(duì)機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造與使用都有 很大的影響。 本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要有 5 大部分組成：機(jī)座、腰關(guān)節(jié)立柱、大臂、小臂和手腕。腰 關(guān)節(jié)立柱垂直布置于機(jī)座上，大臂聯(lián)結(jié)在立柱上，小臂聯(lián)結(jié)在大臂的另一端，小臂的另一 端和手腕聯(lián)結(jié)。本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人的布局簡(jiǎn)圖如圖 2-1： 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)布局簡(jiǎn)圖 圖2-1 2.2傳動(dòng)方案的確定 2.2.1驅(qū)動(dòng)方式 目前機(jī)器人關(guān)

14、節(jié)常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等多種方式。各 種驅(qū)動(dòng)方式有其自身的特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中液壓和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用很廣泛，有些機(jī)器人則 同時(shí)使用多種驅(qū)動(dòng)方式，這都視不同機(jī)器人的特點(diǎn)和要求所定。 比較這些驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn), 從中選出適合機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式[9] 0 2.2.1.1 液壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)有： 1） 驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩較大，臂力可達(dá)到 1000N左右； 2） 速度反應(yīng)性較好。因?yàn)楸或?qū)動(dòng)件的速度快慢取決于油液容積的變化，所以當(dāng)不考 慮油液溫度的變化時(shí)，被驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的滯后也是幾乎沒(méi)有的，而且液壓機(jī)構(gòu)的重量輕、慣性 小，因此它的速度響應(yīng)性較好； 3） 調(diào)速范圍大，而且可

15、以無(wú)級(jí)調(diào)速，易于適應(yīng)不同的工作要求； 4） 傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實(shí)現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向； 5） 在產(chǎn)生相同驅(qū)動(dòng)力的條件下，液壓驅(qū)動(dòng)比其他驅(qū)動(dòng)方式體積小、重量輕、慣性小； 6） 定位精度比氣動(dòng)高，比電動(dòng)低； 7） 液壓系統(tǒng)的漏油對(duì)機(jī)構(gòu)的工作穩(wěn)定性有一定的影響； 8） 油液中如果混入氣體，將降低記取的剛性，影響定位精度； 9） 油液的溫度和黏度的變化影響傳動(dòng)性能； 10） 需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置，否則會(huì)引起故 障。液壓驅(qū)動(dòng)方式輸出力和功率較大，能構(gòu)成伺服機(jī)構(gòu)，常用于大型機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。 2.2.1.2氣壓驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)有： 1）

16、 通過(guò)調(diào)節(jié)氣流，就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速； 2） 由于壓縮空氣粘性小，流速大，因此氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)速度快； 3） 壓縮空氣可以從大氣中獲取，故動(dòng)力源獲得方便、價(jià)格低廉、而且廢氣處理方便； 4） 由于壓縮空氣粘性小，故在管路中的壓力損失也很小，一般其阻力損失不到油液在 油路中損失的千分之一，故壓縮空氣可以集中供應(yīng)，遠(yuǎn)距離傳輸； 5）壓縮空氣的壓縮性較大，因此使得傳動(dòng)平穩(wěn)性較差，定位精度較低；而且壓縮空氣 排到大氣中時(shí)噪聲較大，另外還需考慮潤(rùn)滑和防銹等； 6）壓縮空氣的壓力較低，致使機(jī)器人機(jī)構(gòu)較大； 7）空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難； 因此，氣壓

17、驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人常用于臂力小于 300N、運(yùn)動(dòng)速度較快以及高溫、高粉塵等工 作環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。 2.2.1.3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。普 通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需要加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中 型或重型機(jī)器人。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力矩相對(duì)較小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確 控制，適用于中小型機(jī)器人。電動(dòng)機(jī)適用簡(jiǎn)單，且隨著材料性能的提高，電動(dòng)機(jī)性能也逐 漸提高。 從相關(guān)文獻(xiàn)及資料得知，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可避免電能轉(zhuǎn)換為壓力能的中間環(huán)節(jié)，效率比液 壓和氣壓驅(qū)動(dòng)要高；電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)將電動(dòng)機(jī)、測(cè)速機(jī)、編碼器、減速器及制動(dòng)器組裝在

18、一次 加工的殼體中，使得整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)體積小，可靠性和通用性也得到大的提高；另為，電動(dòng) 機(jī)根據(jù)運(yùn)行距離及電動(dòng)機(jī)的脈沖當(dāng)量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，可達(dá)到非常高的位 姿準(zhǔn)確度，這些都是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)的，液壓與氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成機(jī)構(gòu)繁瑣，維 護(hù)不方便，液壓源和氣壓源裝置體積較大。 所以目前機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)逐漸為電動(dòng)機(jī)所取代。 在查閱和對(duì)比多種機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式后，本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 2.2.2 傳動(dòng)方式 傳動(dòng)裝置是一種能量轉(zhuǎn)化兼其他作用的裝置，它的主要作用有：能量的分配與傳遞、 運(yùn)動(dòng)形式的改變、 運(yùn)動(dòng)速度的改變， 傳動(dòng)通常分兩類(lèi) :第一類(lèi)是機(jī)械不發(fā)生改變的傳動(dòng)—— 機(jī)械

19、傳動(dòng)；另一類(lèi)是機(jī)械能改變?yōu)殡娔芑螂娔芨淖優(yōu)闄C(jī)械能的傳動(dòng)——電傳動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng) 又可分為嚙合、摩擦傳動(dòng)和流體傳動(dòng)三大類(lèi)?？紤]機(jī)器人結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，帶傳動(dòng)、齒輪 傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)是其可能的傳動(dòng)方式。以下將對(duì)這幾種傳動(dòng)方式 進(jìn)行比較。 2.2.2.1 帶傳動(dòng) 帶傳動(dòng)通常是由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和張緊在兩輪上的傳動(dòng)帶組成。當(dāng)主動(dòng)輪回轉(zhuǎn)時(shí)依靠 帶和帶輪接觸面之間的摩擦力拖動(dòng)從動(dòng)輪一起回轉(zhuǎn)，從而傳動(dòng)一定的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。 帶傳動(dòng)具有的優(yōu)點(diǎn)有：由良好的撓性和彈性，有吸振和緩沖的作用，因而使帶傳動(dòng)平 穩(wěn)、噪聲小；有過(guò)載保護(hù)作用，當(dāng)過(guò)載時(shí)引起帶在帶輪上發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，可防止其他零件 的損毀；制造、安

20、裝精度和齒輪傳動(dòng)相比較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、安裝、維護(hù)均較方便， 適合于兩軸之間中心距較大的傳動(dòng)。 帶傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)有：由于彈性滑動(dòng)的存在，使得傳動(dòng)效率降低，不能保證準(zhǔn)確的傳 動(dòng)比；由于帶傳動(dòng)需要初始張緊，因此當(dāng)傳遞相同大的圓周力時(shí)，與嚙合傳動(dòng)相比，軸上 的壓力較大；結(jié)構(gòu)尺寸較大，不緊湊；傳動(dòng)帶壽命較短；傳動(dòng)帶和帶輪之間會(huì)產(chǎn)生摩擦放 電現(xiàn)象；不宜用于有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)合。 現(xiàn)在一些新型帶傳動(dòng)形式，如高速帶傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、多楔帶傳動(dòng)已經(jīng)克服了以上 大部分的缺點(diǎn)。 2.2.2.2 鏈傳動(dòng) 鏈傳動(dòng)是由鏈條和主、從動(dòng)鏈輪所組成的。鏈輪制造有特殊齒型的齒，依靠鏈輪齒和 鏈條的鏈節(jié)來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

21、 鏈傳動(dòng)是屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動(dòng)。與屬于摩擦傳動(dòng)的帶傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)沒(méi) 有彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，因而能保證準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率較高；又因?yàn)殒湕l不需 要像帶那樣張得很緊，所以作用在軸上的徑向壓力較?。辉谕瑯邮褂脳l件下，鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 比較緊湊。與齒輪傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)的制造安裝要求精度較低，成本低廉；在遠(yuǎn)距離傳動(dòng) 時(shí)，其結(jié)構(gòu)比齒輪傳動(dòng)輕便的多。 鏈傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是：在兩根平行軸之間只能用于同向回轉(zhuǎn)的傳動(dòng)；傳動(dòng)時(shí)不能保證 準(zhǔn)確的瞬時(shí)傳動(dòng)比；磨損后易發(fā)生跳齒；工作時(shí)有噪聲，不宜在速度變化很大和急速方向 的運(yùn)動(dòng)中應(yīng)運(yùn)。 鏈傳動(dòng)主要用于要求工作可靠，且兩軸距離較遠(yuǎn)，以及其它不宜用齒輪傳動(dòng)的場(chǎng)合。

22、 2.2.2.3 齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最為廣泛的一類(lèi)傳動(dòng)，常用的漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)具有以下一 些主要特點(diǎn)： 傳動(dòng)效率高，在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪傳動(dòng)的效率是最高的。一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)在 正常潤(rùn)滑條件下的效率可達(dá)到 99%以上，在大功率傳動(dòng)中，高傳動(dòng)效率是十分重要的；傳 動(dòng)比恒定，齒輪傳動(dòng)具有不變的瞬時(shí)傳動(dòng)比， 因此齒輪傳動(dòng)可用于圓周速度為 200m/s 的以 上的高速傳動(dòng)；結(jié)構(gòu)緊湊，在同樣使用條件下，齒輪傳動(dòng)所需要的空間尺寸比帶傳動(dòng)和鏈 傳動(dòng)小的多；工作可靠，壽命長(zhǎng)，齒輪傳動(dòng)在正確安裝、良好潤(rùn)滑和正確維護(hù)的條件下， 具有其它機(jī)械傳動(dòng)無(wú)法比擬的高可靠性和壽命。 齒輪傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)

23、有：對(duì)齒輪制造、安裝要求高，齒輪制造常用插齒機(jī)和滾齒機(jī)等 專(zhuān)用機(jī)床及專(zhuān)用工具；通常的齒輪傳動(dòng)為閉式傳動(dòng)，需要良好的維護(hù)保養(yǎng)，因此齒輪傳動(dòng) 的成本和費(fèi)用高；并且齒輪傳動(dòng)不適合中心距較大的兩軸之間的動(dòng)力傳遞。 2.2.2.4 蝸桿傳動(dòng) 蝸桿傳動(dòng)一種空間齒輪傳動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)角為 90的兩軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞。 蝸桿傳動(dòng)與圓柱齒輪傳動(dòng)和圓錐齒輪傳動(dòng)相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)平穩(wěn)和 可以自鎖等顯著優(yōu)點(diǎn)。 蝸桿傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是：齒面摩擦大、發(fā)熱量高，傳動(dòng)效率低。蝸桿傳動(dòng)通常用于中、 小功率非長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的應(yīng)用場(chǎng)合。 2.2.2.5 諧波齒輪傳動(dòng) 諧波傳動(dòng)包括三個(gè)基本構(gòu)件：柔輪、剛輪和

24、波發(fā)生器。如圖 2-2 所示。三個(gè)構(gòu)件中可 以任意固定一個(gè)，其余兩個(gè)一個(gè)固定，一個(gè)從動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)減速或增速（固定傳動(dòng)比） ， 也可以換成兩個(gè)輸入、 一個(gè)輸出， 組成差動(dòng)傳動(dòng)。 諧波傳動(dòng)主要用于軍工、 精密儀器生產(chǎn)、 醫(yī)療器械、起重機(jī)、機(jī)器人等。 圖2-2諧波減速器結(jié)構(gòu)圖 諧波齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)如下： 1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕、體積小。由于諧波齒輪傳動(dòng)比普通齒輪傳動(dòng)的零件數(shù)目大大減 少，其體積可比普通齒輪傳動(dòng)體積小 20%~50%。 2） 傳動(dòng)比范圍大，一般單級(jí)諧波齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為 60~500；當(dāng)采用行星發(fā)生器時(shí)， 傳動(dòng)比為150~4000;而采用復(fù)波傳動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)比可達(dá)107。 3）

25、 承載能力高。由于諧波齒輪傳動(dòng)同時(shí)嚙合齒數(shù)多，即同時(shí)承受載荷的齒數(shù)多，在材 料的力學(xué)性能和傳動(dòng)比相同的情況下，齒的強(qiáng)度保持一定時(shí)，其承載能力比其他形式的傳 動(dòng)可大大的提高。 4） 損耗小，效率高。這是因?yàn)辇X的相對(duì)滑動(dòng)速度極低，因此它可在加工粗糙度和潤(rùn)滑 條件差的情況下工作。 5） 齒的磨損小且均勻。由于齒的嚙合是面接觸，嚙合齒數(shù)多，齒面比壓小，滑動(dòng)速度， 所以對(duì)于齒的磨損小且均勻。 6） 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)沖擊。由于柔輪和剛輪嚙合時(shí)，齒與齒間均勻接觸，同時(shí)齒的嚙入和 嚙出是隨柔輪的變形逐漸進(jìn)入和退出剛輪齒間的。 7） 可以向密封空間傳遞運(yùn)動(dòng)。由于彈性件（柔輪）被固定后，它既可以作為封閉傳動(dòng)

26、的殼體，又可以產(chǎn)生彈性變形，即產(chǎn)生錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到傳遞運(yùn)動(dòng)的目的。因此，它可 用在操縱高溫、高壓的管道以及用來(lái)驅(qū)動(dòng)工作在高真空、有原子輻射和有害介質(zhì)空間的機(jī) 構(gòu)。 在諧波齒輪傳動(dòng)中，柔輪加工較困難，對(duì)柔輪軸承的材料及制造精度要求較高。表 2-1 列出了各種傳動(dòng)形式的傳動(dòng)效率： 表2-1主要傳動(dòng)形式的效率 傳動(dòng)方式 傳動(dòng)效率 帶傳動(dòng) 0.9?0.98 鏈傳動(dòng) 0.93?0.97 圓柱齒輪傳動(dòng) 0.9~0.99 圓錐齒輪傳動(dòng) 0.88~0.98 蝸桿傳動(dòng) 0.4~0.98 諧波齒輪傳動(dòng) 0.7~0.9 絲杠傳動(dòng) 0.85?0.95 2?2?3傳動(dòng)方案

27、 根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求， 參考國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)， 初步對(duì)各個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方案單 獨(dú)分析。 223.1腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案 方案一：如圖2-3所示，電機(jī)安裝在底座上面，其輸出軸經(jīng)過(guò)二級(jí)圓柱齒輪減速后, 由第一關(guān)節(jié)輸出軸帶動(dòng)整個(gè)腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 方案二：如圖2-4所示，電機(jī)安裝在底座上面，其輸出軸先經(jīng)諧波減速器減速后， 再經(jīng)過(guò)圓柱齒輪減速，帶動(dòng)第一關(guān)節(jié)輸出軸，使整個(gè)腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 圖2-4腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)方案二示意圖 兩種方案在傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)上，都是可行的。方案一全部用齒輪來(lái)達(dá)到減速的目的，傳動(dòng) 結(jié)構(gòu)略復(fù)雜一點(diǎn)，造成腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，機(jī)構(gòu)尺寸大，影響機(jī)器人的響應(yīng)性。方案二采 用了減速

28、比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載力大、噪音小、效率高、定位安 裝方便的杯型諧波減速器，再經(jīng)過(guò)一對(duì)直齒圓柱齒輪來(lái)達(dá)到傳動(dòng)要求，結(jié)構(gòu)緊湊。所以， 方案二的結(jié)構(gòu)緊湊性?xún)?yōu)于方案一，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于計(jì)算機(jī)控制。故綜合考慮，選擇 圖2-3腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)方案一示意圖 2.2.3.2大小臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案 方案一：如圖2-5所示，大臂和小臂轉(zhuǎn)動(dòng)都是先通過(guò)諧波減速器減速， 再經(jīng)過(guò)錐齒輪 換向帶動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 方案二：如圖2-6所示，大臂和小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)都是通過(guò)諧波減速器減速后直接帶動(dòng)來(lái) 實(shí)現(xiàn)的。兩個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)和減速器均布置在同一軸線上。 兩種方案在傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)上，都是不錯(cuò)的。方案二的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單一些，可

29、以減輕臂部的 重量，但整體的尺寸相對(duì)方案一加大了。方案一的結(jié)構(gòu)較方案二復(fù)雜，但布局較方案二更 合理。結(jié)合本課題的實(shí)際條件，選擇方案二。 圖2-5大臂和小臂轉(zhuǎn)動(dòng)方案一示意圖 2.233腕關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案 圖2-6大臂和小臂轉(zhuǎn)動(dòng)方案二示意圖 手腕關(guān)節(jié)的傳動(dòng)如圖2-7所示，三個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)都是通過(guò)諧波減速器，再經(jīng)過(guò)齒輪的 減速或者改變方向來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這樣設(shè)計(jì)的腕部結(jié)構(gòu)緊湊而且剛性較大，關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍大。 諧波 2.3機(jī)器人的基本參數(shù)確定 2.3.1工作空間的確定 根據(jù)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間。工作空間是指機(jī)器人正常工作運(yùn)行時(shí)，手腕 參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍，是機(jī)器人的主要

30、技術(shù)參數(shù)。此機(jī)器人的工作空間1800mm 如下圖2-8 : 圖2-8 機(jī)器人的工作空間簡(jiǎn)圖 2.3.2機(jī)器人的工作要求 該機(jī)器人的特點(diǎn)是工作范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)較緊湊，能抓取靠近機(jī)座 的物體。根據(jù)其用途和特點(diǎn)提出如下技術(shù)參數(shù)： 自由度數(shù)目：6個(gè) 坐標(biāo)形式：垂直關(guān)節(jié)型 額定負(fù)載質(zhì)量：5Kg 最大活動(dòng)半徑：1800mm 本體重量：w 120Kg 各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)范圍和最大工作轉(zhuǎn)速見(jiàn)下表 2-2。 表2-2各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍和最大工作轉(zhuǎn)速 各關(guān)節(jié)部件 最大工作范圍（） 最大工作轉(zhuǎn)速（rad/s） 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 170 1.96 大臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié) +150、-9

31、0 1.57 小臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié) 170 1.57 小臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié) 360 3.93 腕部擺動(dòng)關(guān)節(jié) 120 2.94 工具滾動(dòng)關(guān)節(jié) 360 3.93  3機(jī)器人主要零部件的設(shè)計(jì)、計(jì)算 3.1腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 腰關(guān)節(jié)的傳動(dòng)是由電機(jī)通過(guò)諧波減速器減速，再通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)腰部及整個(gè)機(jī)器人 本體轉(zhuǎn)動(dòng)。總的傳動(dòng)比 i=160,其中h =80，i2 =2。 3.1.1腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 初選電機(jī)：選擇直流伺服電機(jī)，型號(hào)為 SYX-130、額定功率 P=1.5kW、額定轉(zhuǎn)矩 Tn =7.5N *m、額定轉(zhuǎn)速 nN =3000r/min、峰值轉(zhuǎn)矩 Tmax=

32、60 N *m。 諧波減速器選擇：型號(hào)為XB-100、輸出轉(zhuǎn)矩T=200n?m、i2=80、輸出轉(zhuǎn)速n=37.5r/min. 機(jī)器人的受力情況如圖3-1所示： J = J1 + J 諧 + J 小 + J 大 +J3 + J4 (3-1) 12 # 外部負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J1即大小臂、手腕、夾持重物的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (3-2) # # 式中1、 2分別表示諧波減速器和齒輪傳動(dòng)的效率。 1 =0.8、 2 =0.98 把數(shù)字代入公式（3-2）得： 2 2 2 , 20 0.6 10 1.1 10 1.8 J1 2 0.8 漢 0.98

33、 漢 160 =0.002576 kg *m2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 諧波減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J諧=0.000546 （查文獻(xiàn)［14］） 2 4 小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J小二0.5mi =0.5 ；巴 （3-3） ni *ii S J 4 =0.0000028 kg.tf =0.5 x 7900 x 3.14 x 0.036 x 0.075 2 0.8 80 式中：mi :小齒輪質(zhì)量（kg） , r :小齒輪分度圓半徑（m）, P :密度（kg/ m3） , d :小 齒輪寬度（m）。 大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J大 2 4 0.5 ? mbL _0.5 ?厲b2「

34、2 2 — 2 1 ? 2 訂2 1 ? 2 ?i2 13 # = 4 0.5 7900 3.14 0.032 0.15 2 =0.00001 kk?tf 0.8 0.98 1602 立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 2 2 2 2 2 2 ,mg ) Ph兀(a —a )(A ) (3 4) J3 - 2 = - - 2 - (3-4) 2 1 2i2 2 1 2i2 = 2700 x 0.104 x 3.14(0.052 —0.04252)(0.052 +0.04252) — 2 2 0.8 0.98 1602 =0.000000065 kk?t

35、f 式中：m :立柱質(zhì)量（kg） , r,:立柱外半徑（m）, r2:立柱內(nèi)半徑（m）, P :密度（kg / m3）, h :立柱高度（m。 大臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：估算得 J4 =0.000035 kg ? tf 由公式（3-1。得 J=0.0032 kk?tf 假設(shè)電機(jī)從0加速到3000 r/min所用的時(shí)間為0.25s，則角加速度 二-2 t 60t 2 3.14 3000 60 0.25 2 =1256rad / s (3-5) ???負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩T =（J * J） ?:: （3-6） =（0.00082+0.0032） X 1256

36、=5.05 N *m 因此折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T=5.05 N *m V電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩T^7.5N *m。電機(jī) 的選擇符合要求。 3.1.2腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)、計(jì)算 （1）使用條件分析 主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速：n1 =37.5r/min （諧波減速器的輸出轉(zhuǎn)速） 齒數(shù)比u=2 由于諧波減速器輸出的轉(zhuǎn)矩Ti為200000 N?mm ,所以主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩也為 200000N ?mm。 (2)設(shè)計(jì)任務(wù) 確定一種能滿(mǎn)足功能要求和設(shè)計(jì)約束的較好的設(shè)計(jì)方案，包括：一組基本參數(shù)： m、 zi、z、Xi、X2、d，主要幾何尺寸：di、d2、a 等。 1)選擇齒輪材料、熱處理方式及計(jì)算許用應(yīng)力

37、 ① 按使用條件選用軟齒面齒輪。小齒輪：45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為230-255HBS 大齒輪：45號(hào)鋼，正火處理，硬度為190-217HBS ② 確定許用應(yīng)力 a.確定極限應(yīng)力:二h lim和 :丁 Plim 齒面硬度：小齒輪按 230HBS大齒輪按 190 HBS。查文獻(xiàn)［1］得Hlim1 =580MPa, 二h iim2 =550 MPa;查文獻(xiàn)［1］得二 plim 1 =220 MPa, Plim 2 =210 MPa> b. 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N,確定壽命系數(shù)Zn、Yn N1=60and=60 X 1 X 37.5 X (10 X 300X 16)=1.08 X 108

38、(3-7) 8 =0.54 X 108 (3-8) 2 _1.08 10 2 = = u 2 查文獻(xiàn)［1］得 Zn1 = Zn2=1； Yn1=Yn2=1。 c. 計(jì)算許用應(yīng)力 查文獻(xiàn)［1］取 F min 「4 H min =1， SF min =1.4。 + =電歸二58^ SH min 1 MPa=580MPa (3-9) HP 2 H lim 2Zn 2 SH min =550" =1 MPa=550 MPa 15 16 FP 2 二 Flim2YsTYN2 _210 2 1 MPa=300 MPa SF min

39、1.4 Y Y 220 2 1 二FP1= Flim1丫stYn1 =220 2 1 MPa=314.28 MPa (3-10) # # 初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸 # a. 選擇齒輪類(lèi)型 根據(jù)齒輪傳動(dòng)的工作條件，選用直齒圓柱齒輪 b. 選擇齒輪精度等級(jí) 初步選用6級(jí)精度。 c. 初選參數(shù) 初選：z1=100> z2=2O0 x1 = x2 =0> d =0.2 d. 初步計(jì)算齒輪的主要尺寸 由于選用軟齒面齒輪方案，其齒面強(qiáng)度相對(duì)較弱些，故按接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)較合理，即按 下式（文獻(xiàn)［1］）設(shè)計(jì)。 d1 =3 2 (ZhZeZ；) 2K

40、Ti(u 1) G HP d U (3-11) 17 # 所以需要先確定系數(shù)：K、Zh、Ze、Z . 取 Ka=1、Kv=1.05、K ：=1.13、K： =1.2，則 K= Ka Kv K ： K=1.424。 查文獻(xiàn)［1］得 Zh=2.45、ZE =189.8-..MPa、Z -0.8。代入公式(3-11)得: d1 = 3 2 1.424 200000 V 0.2 3 2.45 189.8 0.8 2 半―550—) =125.03mm m =蟲(chóng)=125.03 = 1.250mm 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m =1.5mm Z1 100 d1 = m z1

41、 =1.5 x 100=150mm d2 = m z2 =1.5 x 200=300mm a=0.5 m(z1 + z2) =0.5X 1.5(100+200)=225 b= d d1 =0.2 x 150=30mm取 b2 =32mmd =b2+（5 ?10）=32+6=38mm e. 驗(yàn)算齒輪彎曲強(qiáng)度條件 (3-12) 按彎曲強(qiáng)度條件及下式驗(yàn)算： 二 F = YFaYsaY ； < 二 FP bd1m 查文獻(xiàn)［1］得YFa1=2.21，YFa2=2.18，Ysa1=1.78，Ysa2=1.85，取 Y ；=0.7。 計(jì)算彎曲應(yīng)力： 2漢1 424^200000 2 I.

42、424 200000 疋2.21".78述0.7 = 183.45MPaV ▽ FP1 38 150 1.5 = 丫Fa2丫sa2 =183.45 x 2.18 1.85=188.07 MPav ；「FP2 YFa1Ysa1 2.21 1.78 計(jì)算結(jié)果表明該設(shè)計(jì)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。 3.1.3腰關(guān)節(jié)立柱軸承的校核 根據(jù)腰關(guān)節(jié)的傳動(dòng)情況得知軸承的轉(zhuǎn)速 n =18.75 r/mi n,立柱與軸承的受力情況如圖3-2 所示： Fr F rl 圖3-2腰關(guān)節(jié)立柱與軸承的受力簡(jiǎn)圖 （1）軸的受力分析： 立柱傳遞的最大轉(zhuǎn)矩： T =400000N（由諧波減速器輸出的轉(zhuǎn)矩決定） 大齒輪

43、的圓周力： d2 2 400000 300 =2666.7 N (3-13) 18 大齒輪的徑向力: (3-14) Fr = Ft ?tan ： n =2666.7 San20 =970.6 N （2）軸承的校核： 根據(jù)工況，選擇軸承的型號(hào)為61820。預(yù)期軸承的壽命Lh=50000 h。查文獻(xiàn)［14］得: Cr=20100 N C0r =22000 N 由文獻(xiàn)［1］查得：1 『P =1.0 （軸承所受載荷平穩(wěn)） 通過(guò)計(jì)算軸承I所承受的徑向力Fr1=1388 N,軸承II所承受的徑向力Fr2=417.4 No軸承 承受的軸向力主要是機(jī)器人大小臂及外

44、部載荷的重力， 假設(shè)總的質(zhì)量W為70kg,則軸向力： Fa = Fa1 = Fa2 =70 9.8 =686 N 1）計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷: # 軸承I: Fa1 CO =686 22000 =0.03118 （由文獻(xiàn)［1］得） 查文獻(xiàn)［1］，用線性插值法求得： e1 =0.2245。 Fa1 Fr1 686 1388 =0.497 > e1 19 # 由查文獻(xiàn)［1］，并用線性插值法求得： X1=0.56, 丫1=1.96。由此可得: R= fp (X1 &1 + Y1 Fa1 ) =1.0 ( 0.56 1 388+1.96

45、6 86) =2120.8 N 軸承II: =0.03118 C0 2200 # # 查文獻(xiàn)［1］，用線性插值法求得： e2=0.2245。 由e2查文獻(xiàn)［1］，并用線性插值法求得: Fa2 = 686 Fr2 417.4 =1.64 > 倉(cāng) X 2 =0.56, Y2=1.96。由此可得: # # P2= fp ( X2 Fr2 + Y2 Fa2 ) =1.0 (0.56 417.4+1.96 686) =1577.3 N 2)軸承壽命Lh計(jì)算： (3-15) 因R > P2，故按軸承I計(jì)算軸承的壽命 ： -(-

46、) 60n P 106 20100 60 18.75(2120.8 )3 =756722 h > Lh =50000 h 所選軸承61820合格。 式中；為壽命指數(shù)，對(duì)于球軸承；=3;對(duì)于滾子軸承 =10/3 3.2大臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 大臂關(guān)節(jié)的傳動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)通過(guò)諧波減速器直接帶動(dòng)大臂轉(zhuǎn)動(dòng)。總的傳動(dòng)比 i =100。 3.2.1大臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 初選電機(jī)：選擇直流伺服電機(jī)，型號(hào)為 SYX-176額定功率 P=2.4kW 額定轉(zhuǎn)矩 Tn =16N *m、額定轉(zhuǎn)速 nN =1500r/min、峰值轉(zhuǎn)矩 Tmax=128N *m。 諧波減速器選擇：型號(hào)為XB

47、-120、輸出轉(zhuǎn)矩T=560N、i =100、輸出轉(zhuǎn)速n=15r/min 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩Ti :見(jiàn)圖3-1 Ti = (3-16) = 20x9.8^0.6 +10^9.8x1.1 +10x9.8x1.8 0.8 100 =5.0225 n 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩T-,: (3-17) T=(J1 J2 J0) ?: 由公式（3-2）得 J1 = 2 2 2 20 # 2 2 2 =20x0.6 +10U1 +10x1.8 = 0.8 1002 2 =0.00646 kg *m J2為諧波減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J2 =0

48、.0018 k *m2 J0為電機(jī)電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J0=0.0012 kg *m2 假設(shè)電機(jī)從0加速到1500 r/min所用的時(shí)間為0.25s，則角加速度 t 60t 2 3.14 1500 60 0.25 2 =628rad / s # T： = (0.00646+0.0018+0.0012 )x 628 = 5.9425 N *m ???折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)矩 T =Tl +T =5.0225+5.9425=10.965 N *m V電機(jī)額定轉(zhuǎn) 矩Tn =16N。電機(jī)的選擇符合要求。 3.2.2大臂關(guān)節(jié)諧波減速器的計(jì)算 # # 初選

49、諧波減速器：諧波減速器選擇型號(hào)為 出轉(zhuǎn)速 n=15r/min。 XB-120、輸出轉(zhuǎn)矩 T=560N *m、i=100、輸 # # 負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩 Tl = m1gr1 ■ m2ga m3ga =20x 9.8 x 0.6+10 x 9.8 x 1.1+10 x 9.8 x 1.8=401.8 N *m 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JLgr； m2r22 m3r32=20x 0.62 +10x 1.12+10x 1.82=51.7 N?m 假設(shè)大臂關(guān)節(jié)從0加速到90所用的時(shí)間為0.6s，則角加速度 90兀 T _180t 90 3.14 180 0.6 =2.62 r

50、ad /s2 負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩T：=Ji八=51.7 X 2.62=135.45 n ???總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T=Ti +「=401.8+135.45 =537.25 Nv諧波減速器的輸出轉(zhuǎn)矩 T=560 N。所以諧波減速器的選擇符合要求。 3.3小臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 小臂關(guān)節(jié)的傳動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)通過(guò)諧波減速器直接帶動(dòng)大臂轉(zhuǎn)動(dòng)?？偟膫鲃?dòng)比 i=100。 3.3.1小臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 初選電機(jī)：選擇直流伺服電機(jī)，型號(hào)為 SYX-176額定功率 P=2.4kW 額定轉(zhuǎn)矩 Tn =16N ?m、額定轉(zhuǎn)速 nN =1500r/min、峰值轉(zhuǎn)矩 Tmax=128N *m。 諧波減速器選擇

51、：型號(hào)為XB-120、輸出轉(zhuǎn)矩T=560N?m、i =100、輸出轉(zhuǎn)速n=15r/min 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩T :見(jiàn)圖3-1 m2gr2 m3gr3 _ 11 = l . i =10 98 " 10 98「8=3.55N?m 0.8 100 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩 T: T=(J1 J2 J0) ?: 2 2 2 2 J1 = =0.00556 kg ? m2 m2r2 +m3r3 = 10勺.1 +10江1.8 ? i2 0.8 1002 J2為諧波減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J2 =0.00055 k * m2 Jo為奠機(jī)電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J0=0.00

52、12 kg *m2 假設(shè)電機(jī)從0加速到1500 r/min所用的時(shí)間為0.25s，則角加速度 t 2 二 nN 60t 2 3.14 1500 60 0.25 =628rad / s2 T= (0.00556+0.0018+0.0012 ) X628 = 5.3757 N *m 所以折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)矩 T=Tl +T. =3.55+5.3757 =8.9257 N *m v電機(jī)額定轉(zhuǎn) 矩Tn =16N?m。電機(jī)的選擇符合要求 3.3.2小臂關(guān)節(jié)諧波減速器的計(jì)算 初選諧波減速器：諧波減速器選擇型號(hào)為 XB-120、輸出轉(zhuǎn)矩T=560N?m、i=100、輸 出

53、轉(zhuǎn)速 n=15r/min。 負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩 T=m2gr2 =10X 9.8 X 1.1+10 X 9.8 X 1.8=284.2 N ?m 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J| = m2r2 譏「3 =10X 1.1 +10X 1.8 =44.5 N * m 假設(shè)小臂關(guān)節(jié)從0加速到90所用的時(shí)間為0.6s，則角加速度 90 3.14 180 0.6 2 =2.62 rad /s 23 # 負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩 T . = J| =44.5 X2.62 =116.59 N *m ???總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T=Ti +「.=284.2 +116.59 =400.79 N?m v諧波減速器

54、的輸出轉(zhuǎn)矩 T=560 N *m。所以諧波減速器的選擇符合要求。 3.4手腕關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、計(jì)算 3.4.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)、計(jì)算 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)通過(guò)諧波減速器，再通過(guò)齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求?？偟?傳動(dòng)比i=80，其中i^80,i2 =1。 3.4.1.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 初選電機(jī)：選擇直流伺服電機(jī)，型號(hào)為 SYX-70、額定功率 P=0.1kW、額定轉(zhuǎn)矩 Tn = 0.33N m、額定轉(zhuǎn)速 nn =3000r/min、峰值轉(zhuǎn)矩 Tmax=2.4 N *m。 諧波減速器選擇：型號(hào)為XB-40、輸出轉(zhuǎn)矩T=16 N m、h=80、輸出轉(zhuǎn)速n=37.5 r

55、/min 設(shè)法蘭及重物的最大回轉(zhuǎn)半徑r=150mm。 折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩T: T = mhg *r T|=^^ 10 9.8 0.15 0.8 0.98 80 =0.234N *m 折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J1 2 | = 吋 _ 1 i2 1 2 i 2 10 0.15 2 2 =0.000045 kg ? m 0.8 0.98 80 其它傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)于腕部負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，所以忽略不計(jì) 假設(shè)電機(jī)從0加速到3000r/min所用的時(shí)間為0.25s，則角加速度 2 二 nN 2 3.14 3000 2 N =1256ra

56、d/s2 t 60t 60 0.25 ???折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩 T : T =J^: =0.000045X 1256=0.0565 N *m 所以這算到電機(jī)軸上的總的腕部負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T =Ti +T =0.234+0.0565=0.29 N *m v 電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩Tn =0.33N。電機(jī)的選擇符合要求。 3.4.1.2手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)諧波減速器的計(jì)算 初選諧波減速器：諧波減速器選擇型號(hào)為 XB-40、輸出轉(zhuǎn)矩T=16N?m、i =80、輸出 轉(zhuǎn)速 n=37.5r/min。 腕部負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩 T| = m3gr=10X9.8 X 0.15=14.7 N *m 腕部負(fù)載轉(zhuǎn)

57、動(dòng)慣量Jl = m3『 = 10X 0.152 =0.225 N 假設(shè)小臂關(guān)節(jié)從0加速到90所用的時(shí)間為0.4s，則角加速度 90 3.14 180 0.4 =3.925 rad /s2 負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩 T =Jl「=0.225X 3.925=0.883 N ?總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=Tl +「=14.7 + 0.883 = 15.58 N m v諧波減速器的輸出轉(zhuǎn)矩 T=16N *m。所以諧波減速器的選擇符合要求。 3.4.1.3手腕轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì) 由于在3.1.2節(jié)里對(duì)齒輪設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明， 這里不再重復(fù)，只進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明。 (1) 要求分析 主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速：n1

58、 =37.5r/min (諧波減速器的輸出轉(zhuǎn)速) 齒數(shù)比u=1 由于諧波減速器輸出的轉(zhuǎn)矩 T1為16000N mm,所以主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩也為16000N *mm。 (2) 選擇齒輪材料、熱處理方式及計(jì)算許用應(yīng)力 主動(dòng)齒輪：45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為230-255HBS從動(dòng)齒輪：45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理， 硬度為 230-255HBS 確定許用應(yīng)力： a.確定極限應(yīng)力-h lim和 ；「Plim 齒面硬度：主動(dòng)齒輪按 230HBS從動(dòng)齒輪按 230HBS查文獻(xiàn)［1］得h吋=巧 咧=580 MPa,、- piim1=，Plim 2 =220 MPa b.計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N,確定壽命系數(shù)Z

59、N、Yn 8 Ni = N2=60anit=60X 1 X 37.5 X (10 X 300X 16)=1.08 X 10 查文獻(xiàn)［1］得 Zn1 = Zn2=1； Yn1=Yn2=1 c.計(jì)算許用應(yīng)力 查文獻(xiàn)［1］取 SH min =1 , SFmin =1.4。 HP1 =；- HP 2 二 H lim1ZN1 SH min = 580 0 1 MPa=580 MPa 匚 FP1 = r = ◎Flim1Y3TYN1 22 漢 2 匯 1 FP2 — SF min MPa=314.28 MPa 1.4 27 （3）初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺

60、寸 選用直齒圓柱齒輪，齒輪精度等級(jí)選用 6級(jí) 初選參數(shù)：z-i = z2 =50> x1 = x2 =0> d =0.2 由于選用軟齒面齒輪，所以按接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)，由公式（3-11 ）得: =57.23mm (2.45 189.8 0.8)2(2 1.424 16000) (1 1) 5802 0.2 1 m =蟲(chóng)=57.23 =1.145mm 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m =1.5mm Z1 50 d1 = d2 = m z1 =1.5 X 50=75 mma=0.5 m (z1 +z2)=75 mm, b= d d1 =0.18 X 75=13.5mm取b =15mmb1 =b2 =15

61、mim （4）驗(yàn)算齒輪彎曲強(qiáng)度條件 按彎曲強(qiáng)度條件及公式（3-12 ）驗(yàn)算： 查文獻(xiàn)得 YFa1 = YFa2 =2.37, Ysa1 = Ysa2 =1.68，取 Y ；=0.75o 計(jì)算彎曲應(yīng)力: 2 1.424 16000 15 75 1.5 2.37 1.68 0.75 =80.64 MPav二fp1 — fp2。計(jì)算結(jié)果表明該設(shè)計(jì)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求 3.4.2手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)、計(jì)算 手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)通過(guò)諧波減速器，再經(jīng)過(guò)兩對(duì)齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求。 總的傳動(dòng)比i =120,其中i^80,i^0.75,i^2。第一對(duì)齒輪為直齒圓柱齒輪，第二對(duì)齒輪 為直齒圓錐

62、齒輪。 342.1手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 初選電機(jī)：選擇直流伺服電機(jī)，型號(hào)為 SYX-70、額定功率 P=0.1kW、額定轉(zhuǎn)矩 Tn =0.33N *m、額定轉(zhuǎn)速 nn =3000r/min、峰值轉(zhuǎn)矩 Tmax=2.4N?m。 諧波減速器選擇：型號(hào)為XB-40、輸出轉(zhuǎn)矩T=16N?m、h=80、輸出轉(zhuǎn)速n=37.5r/min 設(shè)法蘭及重物的最大回轉(zhuǎn)半徑r=150mm。 m3g ?r 折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩T: =0.159 N * m 10 9.8 0.15 0.8 0.98 0.98 120 = 10X0.152 = 0.8 0.98 0.98 1202

63、 折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1 : =0.000020 kg ? m2 其它傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)于腕部負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，所以忽略不計(jì) 假設(shè)電機(jī)從0加速到3000 r/min所用的時(shí)間為0.25s，則角加速度 灼 2兀nN a =—= t 60t 2 3.14 3000 60 0.25 =1256 rad / s2 ???折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩 T-: T： =J1 廠=0.000020X 1256=0.0251 N *m 所以折算到電機(jī)軸上的總的腕部負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T: T =T +T =0.159+0.0251=0.184 N *m V電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 T

64、N=0.33N?m。電機(jī)的選擇符 合要求。 3.4.2.2手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)諧波減速器的計(jì)算 手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)的諧波減速器的計(jì)算和 3.4.1.2里所說(shuō)的內(nèi)容非常相似，這里不再詳細(xì)計(jì) 算。諧波減速器選擇：諧波減速器選擇型號(hào)為 XB-40、輸出轉(zhuǎn)矩T=16N m、i =80、輸出 轉(zhuǎn)速n=37.5r/min。經(jīng)過(guò)計(jì)算符合使用要求。 3.4.2.3手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì) (1) 齒輪的設(shè)計(jì)在3.1.2節(jié)里有詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程，這里不再詳細(xì)計(jì)算，只給出設(shè)計(jì)結(jié) 果。見(jiàn)表3-1: 表3-1齒輪參數(shù) m d z x B a 第一級(jí)齒輪 1.5mm 60mm 40 0 15mm

65、 52.5mm 第二級(jí)齒輪 1.5mm 45mm 30 0 15mm ⑵直齒圓錐齒輪的設(shè)計(jì)。 圓錐齒輪起到換向作用，傳動(dòng)比i3 =2,軸交角刀=120。兩齒輪均選用45號(hào)鋼并 調(diào)質(zhì)處理，強(qiáng)度230-255HBS取硬度為230HBS齒輪加工精度為6級(jí)。通過(guò)計(jì)算得出下 列結(jié)果，見(jiàn)表3-2: 表3-2錐齒輪參數(shù) m d z b R 手腕回轉(zhuǎn)傳動(dòng)錐齒輪一 2.0mm 60mm 30 12m 67.1mm 手腕回轉(zhuǎn)傳動(dòng)錐齒輪二 2.0mm 120mm 60 12mm 3.4.3工具滾動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)、計(jì)算 工具滾動(dòng)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)

66、通過(guò)諧波減速器，再經(jīng)過(guò)兩對(duì)圓錐齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要 求。總的傳動(dòng)比i =80，其中h = 80, i2 =髭i3 =1。兩對(duì)錐齒輪只起換向的作用。 3.4.3.1工具滾動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 初選電機(jī)：選擇直流伺服電機(jī)，型號(hào)為 SYX-50、額定功率 P=0.06kW、額定轉(zhuǎn)矩 Tn =0.2N *m、額定轉(zhuǎn)速 nn =3000r/min、峰值轉(zhuǎn)矩 Tmax=1.6N *m。 諧波減速器選擇：型號(hào)為XB-32、輸出轉(zhuǎn)矩T=6n.m> i1=80>輸出轉(zhuǎn)速n=37.5r/min 設(shè)重物的最大回轉(zhuǎn)半徑 r=50mm。 折算到電機(jī)軸上的腕部負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩T: 10 9.8 0.05 m3g r 0.8 0.98 0.98 80 =0.08 N *m 30 # 折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1 : J1 = 1 2 m3「 = 10漢0.052 = 2 0.8 0.98 0.98 80 2 =0.0000051 kg ? m # 其它傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)于負(fù)載的轉(zhuǎn)