六自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ）題 目六自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作 者 學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)機(jī)電工程學(xué)院 院 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 系（教研室）系（教研室）主任:（簽名） 年月日1 設(shè)計(jì)（論文）題目及專(zhuān)題： 六自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 學(xué)生設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間： 3 設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料：《工業(yè)機(jī)器人》、《機(jī)器人學(xué)》、《機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)》、《Solidworks2013 從入門(mén)到精通》4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：（1）介紹工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及前景；（2）工業(yè)機(jī)器人工作空間計(jì)算和簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；（3）工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵零部件計(jì)算；（4）對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。5 提交設(shè)計(jì)（論文）形式（設(shè)計(jì)說(shuō)明與圖紙或論文等）及要求：（1）相關(guān)的計(jì)算、設(shè)計(jì)框圖及仿真圖；（2）論文不少于 35 頁(yè)；（3）說(shuō)明書(shū)中必須有與設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容或?qū)I(yè)相關(guān)的不少于 1500 字的外文資料翻譯。6 發(fā)題時(shí)間： 年 3 月 1 日指導(dǎo)教師： 學(xué) 生： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)人評(píng)語(yǔ)[主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作態(tài)度，研究?jī)?nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實(shí)用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)]指導(dǎo)人： （簽名）年 月 日指導(dǎo)人評(píng)定成績(jī)：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)語(yǔ)[主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究?jī)?nèi)容與方法，實(shí)用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)]評(píng)閱人： （簽名）年 月 日評(píng)閱人評(píng)定成績(jī)：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄日期：學(xué)生：學(xué)號(hào)：班級(jí)：題目：提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)下列材料：1 設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 共 頁(yè)2 設(shè)計(jì)（論文）圖 紙 共 頁(yè)3 指導(dǎo)人、評(píng)閱人評(píng)語(yǔ) 共 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)：[主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的研究思路，設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）的介紹，回答問(wèn)題情況等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)]答辯委員會(huì)主任： （簽名）委員： （簽名）（簽名）（簽名）（簽名）答辯成績(jī)：總評(píng)成績(jī)：摘 要六自由度工業(yè)機(jī)器人是一種高精度的自動(dòng)化機(jī)械，具有高度的靈活性以及平穩(wěn)性。所以在設(shè)計(jì)中我們應(yīng)當(dāng)注意其結(jié)構(gòu)工藝的合理性，在材料選擇上應(yīng)當(dāng)使其具有高強(qiáng)度和輕便的特性。本論文主要對(duì)搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式及各軸的傳動(dòng)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了選型；在對(duì)其工作空間分析的基礎(chǔ)上，對(duì)關(guān)鍵的零部件進(jìn)行了受力分析及強(qiáng)度校核；根據(jù)其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Solidworks2013軟件進(jìn)行了三維圖形的繪制，并用CAD繪制了裝配圖及部分關(guān)鍵零件圖。關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)；受力分析；強(qiáng)度校核AbstractSix degree of freedom industrial robot is a kind of automatic machine with high accuracy, with high degree of flexibility and stability So in the design we should pay attention to the rationality of the structure and technology, in the choice of materials should be so that it has high strength and lightweight, this paper mainly for the handling of industrial robot total drive way and the axis of the transmission scheme design, and the drive motor selection; in work space analysis based on the kinematics calculation, of key parts were stress analysis and strength check; according to the basic structure parameters using software Solidworks2013 of 3D graphics rendering, and mapping with CAD assembly drawing and part of the key parts of the map.KeyWords：Industrial robots; Structural design; Transmission design; Force analysis；Intensity verification-i-目 錄第一章 緒論……………………………………………………………………………… 11.1 工業(yè)機(jī)器人概述……………………………………………………………………11.2 課題研究背景及意義………………………………………………………………11.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)………………………………………………………21.3.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀…………………………………………………………………31.3.2 國(guó)外發(fā)展趨勢(shì)…………………………………………………………………41.4 工業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)………………………………………………………………51.5 本文主要內(nèi)容………………………………………………………………………5第二章 總體方案與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………… 62.1 總體方案設(shè)計(jì)與分析……………………………………………………………… 62.1.1 方案要求…………………………………………………………………… 62.1.2 機(jī)構(gòu)選型…………………………………………………………………… 72.1.3 驅(qū)動(dòng)方式選擇……………………………………………………………… 82.2 傳動(dòng)方案的初步設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 92.2.1 腕關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………… 102.2.2 小臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)……………………………………………………………… 102.2.3 大臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)……………………………………………………………… 112.2.4 腰身傳動(dòng)機(jī)構(gòu)……………………………………………………………… 122.3 機(jī)器人部分技術(shù)參數(shù) …………………………………………………………… 10第三章 工作空間分析及計(jì)算……………………………………………………… 123.1 工作空間…………………………………………………………………………123.2 工作空間與機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸的相關(guān)性…………………………………………123.3 分析………………………………………………………………………………14-ii-第四章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 154.1 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 154.2 手腕傳動(dòng)………………………………………………………………………… 154.3 腰部………………………………………………………………………………164.3.1 腕部的設(shè)計(jì)要求…………………………………………………………… 164.3.2 腕部結(jié)構(gòu)…………………………………………………………………… 164.4 手臂……………………………………………………………………………… 174.4.1 手臂作用概述……………………………………………………………… 174.4.2 電機(jī)選擇…………………………………………………………………… 174.5 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………… 204.5.1 腰部設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 204.5.2 大臂設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 214.5.3 小臂設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 22第五章 關(guān)鍵零部件的校核……………………………………………………………245.1 腕部中心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核……………………………………………………245.1.1 腕部中心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) …………………………………………………… 255.1.2 腕部中心軸的強(qiáng)度校核 …………………………………………………… 25 5.2 連桿傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 ………………………………………………… 285.2.1 連桿傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………… 285.2.2 連桿傳動(dòng)軸的強(qiáng)度校核…………………………………………………… 295.3 手腕齒輪連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核…………………………………………… 285.4 手腕齒輪連接軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核………………………………………… 295.5 回轉(zhuǎn)底盤(pán)與腰部主軸連接螺釘?shù)男：恕?295.6 部分三維圖形的繪制…………………………………………………………… 30第六章 總結(jié) …………………………………………………………………………… 35參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………… 36致謝 ………………………………………………………………………………………37- 1 -第一章 緒論1.1 工業(yè)機(jī)器人概述工業(yè)機(jī)器人是一種高精度的自動(dòng)化生產(chǎn)裝備，它的設(shè)計(jì)涉及到了多門(mén)學(xué)科知識(shí)，包括了氣動(dòng)、液壓、電路、PLC 以及材料力學(xué)，理論力學(xué)等等。它最早出現(xiàn)于 20 世紀(jì)，人們通常廣義的把機(jī)器人認(rèn)為是能模仿人類(lèi)動(dòng)作的機(jī)器。相較于人具有大腦，手足，和眼睛等功能器官，隨著機(jī)器人的發(fā)展，它也擁有了類(lèi)似的能力，甚至在功能上遠(yuǎn)超人類(lèi)。工業(yè)機(jī)器人顧名思義，是用于輔助生產(chǎn)的機(jī)器人。早在 20 世紀(jì) 20 年代就出現(xiàn)了一種能夠在生產(chǎn)線上，代替人搬送裝卸工件的機(jī)械手。而在 40 年代則直接出現(xiàn)了可以由工人操作的機(jī)器人。60 年代則出現(xiàn)了可以自動(dòng)的多操作的機(jī)械手。工業(yè)機(jī)器人發(fā)展迅速，功能越來(lái)越多，甚至出現(xiàn)了具有智能的機(jī)器人。目前，世界上把機(jī)械手、機(jī)器人等也一并稱(chēng)為工業(yè)機(jī)器人。我國(guó)將其定義為：一種能自動(dòng)控制，可重復(fù)編程、多功能、多自由度的機(jī)器人，并能搬運(yùn)材料工件或者其他工具，用以實(shí)現(xiàn)多種作業(yè)。1.2 課題研究背景及其意義工業(yè)機(jī)器人是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。它能代替人類(lèi)完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類(lèi)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī)械手越來(lái)越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷(xiāo)對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。制造業(yè)屬于勞動(dòng)密集型的行業(yè)，除了繁重的體力工作外，幾乎每個(gè)工序都存在著對(duì)人體有害的污染源和潛在的工傷事故:熱加工工序燙灼傷的危險(xiǎn)，大量易燃易爆燃料- 2 -及消耗材料時(shí)時(shí)刻刻威脅著操作手的安全;鋁液除氣除渣產(chǎn)生的有毒煙塵，機(jī)加工冷卻液的有害蒸汽，以及涂裝工序液體漆、粉漆、前處理藥液等等都會(huì)嚴(yán)重影響工人的健康;無(wú)處不在的轟鳴及刺耳的噪音會(huì)使你情緒壞到極點(diǎn)。 針對(duì)原有生產(chǎn)線存在的勞動(dòng)強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率低，粗加工加工尺寸不穩(wěn)定等問(wèn)題，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人及新的數(shù)控加工設(shè)備，不僅有效降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率將近一倍，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。工業(yè)機(jī)器人由機(jī)器人(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用。 在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人一般指在工廠車(chē)間環(huán)境中，配合自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，代替人來(lái)完成材料或零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的定義為：“一種自動(dòng)定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的機(jī)器人。能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。”機(jī)器人定義為：“具有和人的手臂相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置。”一個(gè)典型的機(jī)器人系統(tǒng)由本體、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等幾部分組成。 機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。 生產(chǎn)線改造設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)際應(yīng)用課題。通過(guò)本設(shè)計(jì)可以使學(xué)生在實(shí)際課題設(shè)計(jì)中對(duì)生產(chǎn)加工，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，機(jī)械手及其控制等知識(shí)得到切實(shí)的鍛煉。1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.3.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)1、發(fā)展現(xiàn)狀（1）市場(chǎng)需求快速增長(zhǎng)，但嚴(yán)重依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口- 3 -我國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)已呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。從 2010 年開(kāi)始我國(guó)工業(yè)機(jī)器人需求量激增，但目前我國(guó)新增工業(yè)機(jī)器人中超過(guò) 70%依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口。（2）產(chǎn)業(yè)化初步取得進(jìn)展，但程度較低近年來(lái)，在需求快速擴(kuò)張及國(guó)家自主創(chuàng)新政策作用下，國(guó)內(nèi)一大批企業(yè)或自主研制或與科研院所合作，進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人研制和生產(chǎn)行列，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入了初步產(chǎn)業(yè)化階段。一些產(chǎn)品已開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用，但由于在精度、速度等方面不如進(jìn)口的同類(lèi)產(chǎn)品，因此這些產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用程度較低，缺乏品牌認(rèn)知度，市場(chǎng)份額?。?）掌握了一些先進(jìn)技術(shù)，但整體技術(shù)水平仍然較低我國(guó)目前已基本掌握了機(jī)器人機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、電焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人。一些產(chǎn)品的技術(shù)水平已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但在總體技術(shù)上還有很大差距，僅相當(dāng)于國(guó)外 90 年代中期的水平。2、面臨挑戰(zhàn)（1）外資品牌占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)絕對(duì)份額瑞典的 ABB、日本的 FANUC（發(fā)那科）、日本的 YASKAWA（安川電機(jī)）、德國(guó)的KUKA（庫(kù)卡）等知名企業(yè)產(chǎn)品在中國(guó)市場(chǎng)的占有率達(dá)到近 90%，僅 FANUC 一家，就在我國(guó)占有 23%的市場(chǎng)份額。（2）關(guān)鍵核心部件受制于人（3）產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有待規(guī)范伴隨我國(guó)工業(yè)機(jī)器人需求的迅猛增長(zhǎng)，實(shí)力良莠不齊的企業(yè)紛紛進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)市場(chǎng)，勢(shì)必造成質(zhì)低價(jià)廉的惡性競(jìng)爭(zhēng)；雖然我國(guó)有近百家從事工業(yè)機(jī)器人研究生產(chǎn)的高校院所和企業(yè)，但現(xiàn)行的體制造成研究形式上過(guò)于獨(dú)立封閉、內(nèi)容上較為分散，難以形成合力，造成重復(fù)研究與時(shí)間、經(jīng)費(fèi)的浪費(fèi)；多數(shù)企業(yè)熱衷于大而全，一些關(guān)鍵部件研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)紛紛轉(zhuǎn)入整機(jī)的生產(chǎn)，難以形成研發(fā)、生產(chǎn)、制造、銷(xiāo)售、集成、服務(wù)等有序、細(xì)化的產(chǎn)業(yè)鏈。因此，工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有待規(guī)范。（4）研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面的激勵(lì)政策尚需完善盡管“十一五”及“十二五”期間，國(guó)家有多個(gè)項(xiàng)目涉及機(jī)器人領(lǐng)域，但行業(yè)仍未建立起有效的公共技術(shù)平臺(tái)以加強(qiáng)關(guān)鍵共性技術(shù)和核心功能部件的研究與突破，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也難以推進(jìn)，研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化方面的激勵(lì)政策尚需細(xì)化完善。圖 1.1 為沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的雪豹－10 排爆機(jī)器人。1.3.2 國(guó)外發(fā)展趨勢(shì)（1）市場(chǎng)需求呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)- 4 -受技術(shù)快速發(fā)展、勞動(dòng)力資源不斷稀缺、生產(chǎn)效率要求近一步提高等因素影響，全球工業(yè)機(jī)器人將迎來(lái)更為廣闊的發(fā)展空間和更高的發(fā)展速度。在區(qū)域分布上，隨著亞洲地區(qū)制造業(yè)的發(fā)展，各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的需求量增加，使得工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)需求逐漸由歐美地區(qū)轉(zhuǎn)移到亞洲地區(qū)。（2）技術(shù)日益智能化、模塊化和系統(tǒng)化從近幾年世界推出的機(jī)器人產(chǎn)品來(lái)看，新一代工業(yè)機(jī)器人正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化方向發(fā)展。（3）西方工業(yè)化發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛進(jìn)行戰(zhàn)略部署美國(guó)：推行“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，大力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人，希望重振制造業(yè)。日本：日本可以稱(chēng)得上是“機(jī)器人大國(guó)”。2004 年 5 月發(fā)布的“新產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”明確了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)等 7 個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?yàn)橹攸c(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)。近兩年又開(kāi)始重新審視機(jī)器人產(chǎn)業(yè)政策。韓國(guó)：2009 年公布《智能機(jī)器人基本計(jì)劃》，2012 年 10 月發(fā)布了“機(jī)器人未來(lái)戰(zhàn)略展望 2022”，將政策焦點(diǎn)放在了擴(kuò)大韓國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)并支持國(guó)內(nèi)機(jī)器人企業(yè)進(jìn)軍海外市場(chǎng)方面。歐盟：歐盟 2011 年 8 月通過(guò)了一份發(fā)展制造業(yè)計(jì)劃，提出新工業(yè)革命概念，以機(jī)器人和信息技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)制造模式的變革。圖 1.2 為德國(guó) KUKA 防爆機(jī)器人。圖 1.1 雪豹－10 排爆機(jī)器人圖 1.2 德國(guó) KUKA 防爆機(jī)器人1.4 工業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)工業(yè)機(jī)器人按坐標(biāo)系統(tǒng)可分為以下五種：(1)圓柱坐標(biāo)型這 種 機(jī) 器 人 只 有 一 個(gè) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 關(guān) 節(jié) ， 其 余 都 是 移 動(dòng) 關(guān) 節(jié) ， 它 的 空 間 定 位 較 為直 觀 ， 但 其 移 動(dòng) 副 不 易 防 護(hù) ， 手 臂 伸 縮 的 時(shí) 候 ， 可 能 與 其 他 物 體 相 碰 撞 。- 5 -(2)直角坐標(biāo)型 只 具 有 移 動(dòng) 關(guān) 節(jié) ， 其 運(yùn) 動(dòng) 部 分 看 起 來(lái) 是 由 三 個(gè) 相 互垂 直 的 直 線 組 成 ， 其 工 作 空 間 圖 形 為 矩 形 。 控 制 算 法 簡(jiǎn) 單 ， 沒(méi) 有 耦 合 ； 占 地 面 積 大 ，工 作 空 間 較 小 ， 結(jié) 構(gòu) 剛 度 高 ， 操 作 類(lèi) 似 于 數(shù) 控 機(jī) 床 。(3)球坐標(biāo)型 這是有 兩 個(gè) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 、 其 余 為 移 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 的 機(jī) 器 人 ， 有 著 占 地 面 積 大 ，工 作 空 間 大 具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。(4)關(guān)節(jié)型 具 有 三 個(gè) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 的 機(jī) 器 人 ， 其 動(dòng) 作 靈 活 ， 工 作 空 間 大 ， 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 ， 占地 面 積 也 小 ， 但 是 其 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 復(fù) 雜 ， 計(jì) 算 困 難 ， 計(jì) 算 量 大(5)SCARA 型 平 行 的 肩 關(guān) 節(jié) 和 肘 關(guān) 節(jié) ， 關(guān) 節(jié) 軸 線 共 面 垂 直 平 面 剛 度 好 ， 水 平 面 柔 順 性好 結(jié) 構(gòu) 輕 便 ， 響 應(yīng) 快 ， 適 用 于 平 面 定 位 ， 垂 直 裝 配 作 業(yè)1.5 本文主要內(nèi)容（1）通過(guò)閱讀學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)書(shū)籍和論文，確定了工業(yè)機(jī)器人使用方式，完成工作方案的初步設(shè)計(jì)；（2）設(shè)計(jì)了腰部、大小臂和腕部的傳動(dòng)方案，并總結(jié)出其總體設(shè)計(jì)方案；（3）運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)，作圖計(jì)算其工作空間，根據(jù) D-H 對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，計(jì)算主要結(jié)構(gòu)尺寸要素； （4）設(shè)計(jì)各軸結(jié)構(gòu)樣式，進(jìn)行三維建模，并利用 Solidworks 軟件，選擇其驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型；（5）對(duì)關(guān)鍵的零部件進(jìn)行校核。第二章 總體方案與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)- 6 -第三章 工作空間分析及計(jì)算3.1 工作空間- 7 -該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)該根據(jù)一定的工作空間要求來(lái)確定，工作空間是指機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能達(dá)到的所有點(diǎn)的集合，也叫做工作區(qū)域。描述工作空間的手腕參考點(diǎn)可以選在手部中心、手腕中心或手指指尖，參考點(diǎn)不同，工作空間的大小、形狀也不同。工作空間是機(jī)器人的一個(gè)重要性能指標(biāo)，是機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要研究的基本問(wèn)題之一。當(dāng)給定機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，要研究如何確定其工作空間，而當(dāng)給定工作空間時(shí)，則要研究機(jī)器人應(yīng)具有什么樣結(jié)構(gòu)。本文所討論的搬運(yùn)機(jī)器人主要用于裝配線末端產(chǎn)品的搬運(yùn)，本文將用一種根據(jù)工件尺寸確定機(jī)器人位置機(jī)構(gòu)參數(shù)的簡(jiǎn)便方法確定該搬運(yùn)機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括大小臂的長(zhǎng)度尺寸及其極限擺角。3.2 工作空間與機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸的相關(guān)性工作空間的形狀取決于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)型式，直角坐標(biāo)型機(jī)器人的工作空間為長(zhǎng)方體；圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的工作空間為中空的圓柱體；球坐標(biāo)型機(jī)器人的工作空間為球體的一部分；關(guān)節(jié)型機(jī)器人的工作空間比較復(fù)雜，一般為多個(gè)空間曲面拼合的回轉(zhuǎn)體的一部分。直角坐標(biāo)型機(jī)器人工作空間的大小取決于沿 X、Y、Z 三個(gè)方向機(jī)器人行程的大小。圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人工作空間的大小取決于立柱的尺寸和水平臂沿立柱的上下行程，還取決于水平臂尺寸及水平伸縮行程。球坐標(biāo)型機(jī)器人工作空間的大小取決于工作臂的尺寸、工作臂繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度及繞水平軸俯仰的角度。關(guān)節(jié)型機(jī)器人工作空間的大小取決于大小臂的尺寸、大小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的角度以及大臂繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。圖 3.1 位置簡(jiǎn)化模型L1：大臂的長(zhǎng)度，根據(jù)總體方案設(shè)定條件確定為 665mm L2：小臂的長(zhǎng)度，根據(jù)總體方案設(shè)定條件確定為 630mm θ1：大臂旋轉(zhuǎn)偏離立柱 0 位的角度，順時(shí)針為正，本文定為-90o~130o - 8 -θ2：小臂旋轉(zhuǎn)偏離 0 位的角度，順時(shí)針為正，本文定為-65o~65o 如圖 3.1 所示，手端部的運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)易描述：以 AD、BC、CD、DA 四弧段在 XOZ 面組成機(jī)器人工作空間截面。AB 弧段和 CD 弧段的圓心為大臂的起始點(diǎn)，即坐標(biāo)原點(diǎn)。E點(diǎn)為 AD 弧段的圓心，F(xiàn) 點(diǎn)為 BC 弧段的圓心。各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為： A 點(diǎn)：大臂負(fù)極限值 θ1min、小臂達(dá)到負(fù)極限值 θ2min XA=L1sinθ1min+L2cos（θ 1min+θ2min）=665×sin（-65）+630×cos（-155）=-1173.67ZA=L1cosθ1min-L2sin（θ 1min+θ2min）=665×cos （-65）+630×sin（-155）=-547.29B 點(diǎn)：大臂到達(dá)正極限值 θ1max，小臂達(dá)到負(fù)極限值 θ2min XB=L1sinθ1max+L2cos（θ 1min+θ2min）=665×sin65°+630×cos-155°=-31.72ZB=L1cosθ1max-L2sin（θ 1min+θ2min）=665×cos65 °-630×sin-155°=-547.29C 點(diǎn)：大臂到達(dá)正極限值 θ1max，小臂達(dá)到正極限值 θ2max XC=L1sinθ1max+L2cos（θ 1max+θ2max）=665×sin65 °+630×cos（-155°）=--5.84ZC=L1cosθ1max+L2sin（θ 1max+θ2max）=665×cos65°+630×sin195°=-117.98D 點(diǎn)：大臂負(fù)極限指 θ1min，小臂達(dá)到正極限值 θ2max XD=L1sinθ1min+L2cos（θ 1min+θ2max）=665×sin（-65°）+630×cos65°=-336.45???? ?? ZD=L1cosθ1min-L2sin（θ 1min+θ2max）=665×cos（-65°）-630×sin65°=-852.02E 點(diǎn)： ? XE=L1sinθ1min=665×sin（ -65°）=-602.29ZE=L1cosθ1min=665×cos（ -65°）=-281.04F 點(diǎn)： XF=L1sinθ1max=665×sin65°=602.69ZF=L1cosθ1max=665×cos65°=281.04可得坐標(biāo) A=(-1173.67,547.29),B=(31.72,547.29),C=(-5.84,117.98),D=(-336.45,852.02)，E(-602.69,281.04),F(602.69,281.04)，由此可以作出機(jī)器人大臂小臂組成的截面（XZ 面）工作空間，同機(jī)器人的安裝機(jī)座（X ,Y,Z 坐標(biāo)）的高度疊加后，可以繪制出機(jī)器人的截面（XZ 面）工作空間，如圖 3.2。- 9 -圖 3.2 機(jī)器人工作空間3.3 分析經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算和分析可證明小臂的末端可達(dá)的覆蓋范圍大于作圖空間。由于論證時(shí)的前提條件是把搬運(yùn)機(jī)器人的最大覆蓋范圍一分為二。所以滿(mǎn)足一半覆蓋范圍時(shí)，必然能夠達(dá)到搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)工件的范圍。所以搬運(yùn)機(jī)器人足可滿(mǎn)足要求的最大覆蓋范圍，證明方案正確，小臂和大臂的長(zhǎng)度和俯仰角度確定的合適。第四章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 10 -4.1 傳動(dòng)方案的確定根據(jù)第二章的總體分析可知，搬運(yùn)機(jī)器人前三個(gè)軸的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)并不復(fù)雜，第一個(gè)用的是蝸輪蝸桿傳動(dòng)，第二軸和第三軸則是用擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)。四五六軸皆為手腕部分，都是采用遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，將電機(jī)裝在小臂關(guān)節(jié)處，通過(guò)同軸套筒接到手腕關(guān)節(jié)處，減輕手腕重量。蝸輪蝸桿的優(yōu)點(diǎn)在于傳動(dòng)比較大，結(jié)構(gòu)也緊湊。蝸輪蝸桿傳動(dòng)比 5≤i≤70，常用15≤i≤50；擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)，11≤i≤87，圓錐齒輪傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98%，兩齒輪軸線組成直角的錐齒輪副應(yīng)用最廣泛。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得，其傳動(dòng)比范圍為 2-3，4.2 手腕傳動(dòng)手腕是機(jī)器人小臂與末端執(zhí)行器之間的聯(lián)接部件，其功能是利用自身的活動(dòng)使末端執(zhí)行器能夠達(dá)到確定的工作空間姿態(tài)，因此手腕可以稱(chēng)為機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人中極為重要也是結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部件。手腕的靈活度直接決定了機(jī)器人能夠完成任務(wù)的種類(lèi)和復(fù)雜程度，對(duì)機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的研究有著重要意義。4.2.1 腕部的設(shè)計(jì)要求由前文可知，本課題所設(shè)計(jì)的是一個(gè)三自由度的機(jī)器人手腕，由法蘭固定在機(jī)器人小臂上，分別用三個(gè)直流伺服電機(jī)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。手腕主要分三部分：一部分是通過(guò)法蘭和小臂固結(jié)在一起，可實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；一部分是圍繞軸的擺動(dòng)；另外一部分就是手爪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。4.2.2 腕部電機(jī)的選擇由于腕部具有三個(gè)自由度，故對(duì)應(yīng)每個(gè)自由度都有一個(gè)電機(jī)。電機(jī) 1 帶動(dòng)手爪轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī) 2 則帶動(dòng)手腕左右擺動(dòng)，電機(jī) 3 帶動(dòng)整個(gè)手腕繞小手臂中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。由前文的總體方案設(shè)計(jì)可知，工件為 30X30X30cm 的立方體，重為 5kg。工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J==0.00075kg.m2已知它的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為 w=330°/s取啟動(dòng)時(shí)間為 0.1s，轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度 β=3300°/s2 由此計(jì)算力矩得：T=Jβ=0.043N.m功率 P=Tw=2.48 - 11 -.所以定做的電機(jī)額定電壓 220V，輸出功率至少 3W，輸出轉(zhuǎn)矩至少為 1N.m，轉(zhuǎn)速為 1400r/min，減速箱的減速比為 23。電機(jī)輸出軸端進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L(zhǎng)。4.3 腰部4.3.1 底座及腰部設(shè)計(jì)要求工業(yè)機(jī)器人底座的設(shè)計(jì)主要考慮機(jī)器人的承重、散熱、節(jié)省材料及合理裝配等。由于底座基本上承擔(dān)了工業(yè)機(jī)器人的所有重量，因此在材料的選取上要選取強(qiáng)度高，抗震性強(qiáng)，耐疲勞的材料。本文中選用 ZG200 作為底座材料。又考慮到底座為鑄件，為避免鑄造過(guò)程中出現(xiàn)縮松、縮孔等鑄造缺陷，因此可將底座設(shè)計(jì)成內(nèi)部中空的結(jié)構(gòu)。這樣既節(jié)省了材料，又降低了制造成本。腰部承受了較大的轉(zhuǎn)矩，在進(jìn)行校核的時(shí)候，要特別注意其抗彎抗扭的能力。因?yàn)榛剞D(zhuǎn)臺(tái)同樣為鑄件，因此其材料選用 ZG200-400，外形設(shè)計(jì)為薄壁結(jié)構(gòu)，以減少其自身的重量。4.3.2 電機(jī)選擇小手臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J3=J0+mp2=0.80+9.5X(15Xcos15°)2 =23.43kg.m2大手臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J2=（a 2+b2+c2+d2）+mp 2 = （0.2 2+0.12+0.122+0.062）+44.8X0.35 2 =5.742 kg.m2兩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J 電 = J 電 1 +J 電 2=340.22+8.50.42=2.72 kg.m2減速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J 減 =150X0.452=30.375 kg.m2腰部本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J1=mp2=2500.252=40 kg.m2所以，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J 總 =23.4+5.742+20+2.72+28.125+40+30.375=150.392 kg.m2而轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度為ε===7.854 °/s2輸出軸的轉(zhuǎn)矩為- 12 -M=J 總 ε=150.392×7.854=1181.179N·m轉(zhuǎn)換到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩為M 電 ===17.71N·m根據(jù)要求 M 電 M 額 ，選 P=3KW，n=1000r/min 的 MGMA 型伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩為 28.4 N·m4.4 手臂4.4.1 手臂作用概述手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。4.4.2 電機(jī)選擇由上可知，自大手臂往后的各軸，其重量都算在大手臂的負(fù)荷上。所以，大手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也不小。必須仔細(xì)計(jì)算往后的零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量再來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)。大手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J2=（a 2+b2+c2+d2）+mp 2 = （0.2 2+0.12+0.122+0.062）+44.8×0.35 2 =5.742 kg.m2電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 電 2=8.5×0.42=1.366 kg.m2擺線減速器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J 減 =150×0.452=30.375kg.m2大手臂總慣量：J 總 =5.742+1.366+30.375=40.602 kg.m2所以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為M 電 =14.17N.m根據(jù)要求 M 電 M 額 ，選 P=2.5kw，n=1000r/min 的 GY2.5 型電機(jī)小手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量- 13 -J3=34×0.22=1.36 kg.m2電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 電 3=100×0.52=25 kg.m2擺線減速器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 減 3=150×0.452=30.375 kg.m2所以小手臂總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J 總 =23.43+1.36+25+30.375=80.165 kg.m2對(duì)應(yīng)在電動(dòng)機(jī)上M 電 =9.45 N.m根據(jù)要求 M 電 M 額 ，選 P=2.2KW，Y-H 系列電機(jī)，轉(zhuǎn)速 n=800r/min4.5 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)器人傳動(dòng)方案已經(jīng)確定為直流力矩電機(jī)傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)功率為 P=3KW，轉(zhuǎn)速為1000r/min4.5.1 大臂設(shè)計(jì)因?yàn)樗欧姍C(jī)是經(jīng)過(guò)了調(diào)速的，所以輸出端的速度很低，因此低速級(jí)選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 小齒輪材料選用了 40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度 241-286HBS。大齒輪材料ZG35CrMo，調(diào)制處理，硬度 190-240HBS，精度 8 級(jí)。 取小齒輪齒數(shù) Z1=20，則 Z2=i，Z 1=5×20=100，大齒輪齒數(shù) Z2＝100。 根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度（1） T =9.55×10 =9.55×10 ×(3/75) ×0.99=378180N mm16??1/Pn?6 ×（2）初選載荷系數(shù)為 =1.4tK（3）查表取齒寬系數(shù)為 =1dφ（4）查表取彈性系數(shù)為 ZE=188.912aMP（5）查表取節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)為 =2.5H（6）根據(jù)齒輪的硬度查表取小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 =1150 MPa，大齒lim1H?輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 =1120MPa。lim2?（7）取工作壽命為 15 年，每年工作 250 天，2 班制小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7× 810- 14 -大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N2=N1/5=5.7× 70確定傳動(dòng)尺寸 （1） 初算小齒輪分度圓直徑 d1t，代入【δ H】中較小值d1t=29.04mm（2）按 K 值對(duì) 進(jìn)行修正1t由圓周速度 v= 4.46m/s查表取動(dòng)載荷系數(shù)為 =1.20v查表取齒間載荷分布系數(shù)為 =1.2K?查表取齒向載荷分布系數(shù)為 =1.07?查表取使用系數(shù)為 =1.00A所以載荷系數(shù) K= =1.54v???按 K 值對(duì) 進(jìn)行修正1td= =58.68mm31.546.8（4）確定模數(shù) m 以及主要尺寸m= =2.93mm，取整 m=3mm。1/dZ中心距 a=m( )/2= =180mm12???301/2??分度圓直徑 = =60mm， = =300mmdZ齒寬 b= =60mm，取小齒輪齒寬 =70mm，大齒輪齒寬 =65mm1.d?1b2b齒頂高 = = =3mm，齒根高 = = =3.75mmah2a??fh2f??.acm??確定各個(gè)參數(shù)數(shù)值（1）查表取彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.95， =0.981NY2N（2）查表取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)（3）查表取齒寬系數(shù)為 =1dφ（4）查表取彈性系數(shù)為 ZE=188.9 12aMP（5）查表取節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)為 =2.5H（6）根據(jù)齒輪的硬度查表取小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 =1150 MPa，大lim1H?齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 =1120MPa。lim2?56.81060n????31tt?- 15 -（7）取工作壽命為 15 年，每年工作 250 天，2 班制小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7× 810大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N2=N1/5=5.7× 704.5.2 小臂設(shè)計(jì)（1）四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算搬運(yùn)機(jī)器人的小臂的俯仰動(dòng)作是通過(guò)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)來(lái)完成的，安裝在驅(qū)動(dòng)力臂上的直流伺服電機(jī)通過(guò)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小臂實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。采用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的目的是把直流伺服電機(jī)放到驅(qū)動(dòng)力臂上，減輕小臂的重量，也降低了大臂驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)載，減少運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)載荷與沖擊，提高整個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人的響應(yīng)速度。這個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)共有三種設(shè)計(jì)方案，分別是雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖對(duì)于雙曲柄機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)機(jī)架為最短邊，又因?yàn)榇蟊蹫闄C(jī)架而且長(zhǎng)度為 665mm，如果采用雙曲柄機(jī)構(gòu)，其它桿的桿長(zhǎng)太長(zhǎng)，而且上一章確定小臂的長(zhǎng)度為 630mm，因此雙曲柄機(jī)構(gòu)不符合要求。對(duì)于雙搖桿機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)機(jī)架為最短邊的對(duì)邊，既大臂與最短桿相對(duì)。如果采用雙搖桿機(jī)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致其他兩桿的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，在一定方向上占有的空間太大，而且小臂的俯仰角度不好確定，勢(shì)必會(huì)增加設(shè)計(jì)難度。綜合以上分析，在這里采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具體如圖 4.1 所示。ab 邊代表大臂，長(zhǎng)度為 1000mm，ad 邊代表底桿,長(zhǎng)度為 400mm，dc 邊代表后桿，長(zhǎng)度為 1000mm，bc 邊代表小臂長(zhǎng)兩個(gè)連接點(diǎn)間的部分，長(zhǎng)度為 200mm。ab 邊為機(jī)架，ad 邊為搖桿，bc 邊為曲柄。這種結(jié)構(gòu)首先滿(mǎn)足了 bc 邊長(zhǎng)度小于小臂長(zhǎng)度這一條件，而且所占的空間小，底桿和后桿的質(zhì)量比其他兩種方案要小.圖 4.1 四桿機(jī)構(gòu)示意圖(2)齒輪的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算電磁式直流伺服電機(jī)經(jīng)調(diào)速后要通過(guò)一個(gè)齒輪組來(lái)傳遞動(dòng)力，再通過(guò)齒輪帶動(dòng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)小臂的俯仰運(yùn)動(dòng)。- 16 -選定材料、熱處理方式、精度等級(jí)及齒數(shù)因?yàn)殡姶攀街绷魉欧姍C(jī)是經(jīng)過(guò)調(diào)速的，所以輸出端的速度較低，因此低速級(jí)選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。選擇小齒輪材料 40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度 241-286HBS。大齒輪材料 ZG35CrMo，調(diào)制處理，硬度 190-240HBS，精度 8 級(jí)。取小齒輪齒數(shù) =24，則 =5×24=120，大齒輪齒數(shù) Z2＝120。1Z21iZ?按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)確定各個(gè)參數(shù)數(shù)值（1） T =9.55×10 × =9.55×10 ×(0.4/0.75) 16??1/Pn?6×0.99=5.04×10 N mm4（2）初選載荷系數(shù)為 =1.4tK（3）查表取齒寬系數(shù)為 =1dφ（4）查表取彈性系數(shù)為 ZE=188.9（5）查表取節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)為 =2.5H（6）根據(jù)齒輪的硬度查表取小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 =1150 MPa，大lim1H?齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 =1120MPa。lim2?（7）取工作壽命為 15 年，每年工作 250 天，2 班制小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7× 810大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N2=N1/5=5.7× 710（8）查表取接觸疲勞壽命系數(shù)為 =1.08， =1.19NZ2N（9）取安全系數(shù)為 =1HS= =1242MPa??1H?lim1.NZ= =1332.8MPa2li2S確定傳動(dòng)尺寸（1）初算小齒輪分度圓直徑 ，代入 中較小的值1td??H?=29.04mm24312.508.95154td???????????（2）按 K 值對(duì) 進(jìn)行修正1td- 17 -由圓周速度 =2.28m/s查表取動(dòng)載荷系數(shù)為 =1.075vK查表取齒間載荷分布系數(shù)為 =1.2?查表取齒向載荷分布系數(shù)為 =1.07?查表取使用系數(shù)為 =1.00A所以載荷系數(shù) K= =1.38vK???按 K 值對(duì) 進(jìn)行修正1td= =29.04 =28.9mm13ttk?3.84（4）確定模數(shù) m 以及主要尺寸m= =1.2mm 為了防止輪齒太小引起的意外折斷，m 一般不小于 1.5-2mm，故1/dZm=3mm。中心距 a=m( )/2= =216mm12???34120/??分度圓直徑 = =72mm， = =360mmddZ齒寬 b= =72mm，取小齒輪齒寬 =80mm，大齒輪齒寬 =75mm1.?1b2b齒頂高 = = =3mm，齒根高 = = =3.75mmah2a??fh2f??.acm??3、按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 ??.tFFSKYbm????確定各個(gè)參數(shù)數(shù)值（1）查表取彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.95， =0.981NY2N（2）查表取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)=2.65， =1.581FY1S=2.16， =1.8122（3）查表取彎曲疲勞極限 =710MPa， =710MPalim1F?lim2F?（4）取彎曲疲勞系數(shù) =1.25S可得 = =539.6MPa??1F?lim1(.)/NFY= =556.64MPa2li229.04156016dn???- 18 -（5）驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度= = =58.48MPa1F???1/tFSKYbm?? ??112/FSKTYbmd?? ??1F??= =54.61MPa221S???2F??彎曲疲勞強(qiáng)度足夠了。第五章 關(guān)鍵零部件的校核- 19 -5.1 腕部中心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核圖 5.1 腕部中心軸5.1.1 確定腕部中心軸的材料以及各段直徑和長(zhǎng)度 腕部中心軸的材料為 40Cr，調(diào)制處理。 由于密封箱的壁厚為 45mm，孔徑為 150mm，因?yàn)橥獠窟€要裝端蓋，這段軸頸上還要裝配軸承，所以 ab 段的長(zhǎng)度為 20mm，直徑為 85mm,裝配的軸承為角接觸球軸承，型號(hào)是 7217C。固定軸承的軸肩高度為 3.5mm。 bc 段為過(guò)渡段，長(zhǎng)度為 35mm，直徑 92mm，固定齒輪的軸肩高度為 6.5mm。 由于大齒輪的齒寬為 65mm，軸頭的長(zhǎng)度應(yīng)該小于輪轂的長(zhǎng)度，所以 de 段的長(zhǎng)度為300mm，直徑為 90mm。ef 段要安裝用于齒輪的軸向固定和軸承的軸向固定的軸套，考慮到另一半的密封箱的壁厚和孔徑以及大齒輪輪轂比軸頭多出的長(zhǎng)度，這段軸頸的長(zhǎng)度為 60mm，直徑為85mm。裝配的軸承為角接觸球軸承，型號(hào)是 7217C。 fg 段為過(guò)渡段，長(zhǎng)度為 45mm，直徑為 80mm。 gh 段與手腕相連，大臂在此處的厚度為 39mm，孔徑為 90mm。因此這段軸的長(zhǎng)度為 60mm，直徑為 60mm。脹緊套選用 Z2 型脹緊套。5.1.2 腕部中心軸的強(qiáng)度校核 （1）計(jì)算齒輪的受力 大齒輪和小齒輪的受力大小相等，方向相反。故在這里只計(jì)算小齒輪的受力。 轉(zhuǎn)矩 T1=9.55×10611/Pn?=9.55×106×(3/75) ×0.99=378180N×mm圓周力 tF=112/Td=12606N 徑向力 rF=tantF=4588.2N （2）計(jì)算支撐反力 水平面受力圖如圖 5.2(a)所示。1HF+rF=2HF rF×138.52=2HF×(68.52+138.52)故 1HF=1518.46N，2HF=3069.73N 垂直面受力圖如圖 5.2(b)所示。 1VF+2VF+F=tF 1VF×(138.52+68.52)-tF×68.51-F×97.72=0 故 1VF=4312.14N，2VF=7893.04N （3）畫(huà)軸彎矩圖 - 20 -水平面彎矩圖見(jiàn)圖 5.2(c)HM 圖。垂直面彎矩圖見(jiàn)圖 5.2(d)VM 圖。合成彎矩圖見(jiàn)圖 5.2(e)圖，合成彎矩 M=22VHMM。 （4）畫(huà)轉(zhuǎn)矩圖 軸受轉(zhuǎn)矩 T= T1，轉(zhuǎn)矩圖見(jiàn)圖 5.2(f)1T 圖。- 21 -圖 5.2 轉(zhuǎn)矩圖（5）按彎扭合成應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核 de 段的中間截面為危險(xiǎn)截面。取 a=0.6。 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 T=0.6×378180=226908N×mm22/eMTW=10.37MPa，查表知 1b=70MPa，所以 e1b。因此大軸 1 的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，故安全。5.2 腕部中心軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 5.2.1 腕部中心軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)腕部中心軸 2 的材料為 40Cr，調(diào)制處理。 由于密封箱的壁厚為 45mm，孔徑為 150mm，因?yàn)橥獠窟€要裝端蓋，這段軸頸上還要裝配軸承，所以 gh 段的長(zhǎng)度為 41mm，直徑為 85mm,裝配的軸承為角接觸球軸承，