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湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
目錄
第一章 緒論 1
1.1工業(yè)機器人及其發(fā)展歷史、現(xiàn)狀分析 1
1.1.1 工業(yè)機器人 1
1.1.2 國外機器人發(fā)展情況 2
1.1.3 我國的工業(yè)機器人 3
1.1.4 工業(yè)機器人發(fā)展趨勢 4
1.2工業(yè)機器人的組成和設(shè)計方案 5
1.2.1 工業(yè)機器人的組成 5
1.2.1 自由度和坐標(biāo)系的選擇 7
1.2.3 機器人驅(qū)動裝置和傳動裝置 9
1.2.4 機器人的控制系統(tǒng) 9
第二章 M40型工業(yè)機器人總體設(shè)計 10
2.1機器人的總體結(jié)構(gòu) 10
2.1.1 M40型工業(yè)機器人的總體結(jié)構(gòu) 10
2.1.2 M40型工業(yè)機器人運動分析 12
2.1.3 機器人驅(qū)動方式的選擇 13
2.2機器人的操作機構(gòu) 16
2.2.1 操作機的整體結(jié)構(gòu) 16
2.2.2 操作機的各部分的運動 17
第三章 小車傳動裝置的設(shè)計 20
3.1總體方案的確定 20
3.1.1 傳動方式的確定 20
3.2傳動方案的確定 21
3.2.1 傳動比的確定 21
3.2.2減速器相關(guān)數(shù)據(jù)的計算 22
3.3減速器齒輪傳動的設(shè)計計算 23
3.3.1 高速軸齒輪的設(shè)計計算 23
3.3.2 低速軸齒輪的設(shè)計計算 27
3.4傳動軸的設(shè)計計算 31
3.4.1 傳動軸Ⅰ的設(shè)計 31
i
i
3.4.2 傳動軸Ⅱ的設(shè)計 35
第四章 總結(jié) 39
參 考 文 獻(xiàn) 40
致 謝 41
ii
ii
第一章 緒論
1.1工業(yè)機器人及其發(fā)展歷史、現(xiàn)狀分析
1.1.1 工業(yè)機器人
工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。
工業(yè)機器人最顯著的特點有以下幾個：
（1）可編程。生產(chǎn)自動化的進一步發(fā)展是柔性啟動化。工業(yè)機器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)中的一個重要組成部分。
（2）擬人化。工業(yè)機器人在機械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)、手臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。此外，智能化工業(yè)機器人還有許多類似人類的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負(fù)載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等。傳感器提高了工業(yè)機器人對周圍環(huán)境的自適應(yīng)能力。
（3）通用性。除了專門設(shè)計的專用的工業(yè)機器人外，一般工業(yè)機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時具有較好的通用性。比如，更換工業(yè)機器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。
（4）工業(yè)機器技術(shù)涉及的學(xué)科相當(dāng)廣泛，歸納起來是機械學(xué)和微電子學(xué)的結(jié)合-機電一體化技術(shù)。第三代智能機器人不僅具有獲取外部環(huán)境信息的各種傳感器，而且還具有記憶能力、語言理解能力、圖像識別能力、推理判斷能力等人工智能，這些都是微電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是計算機技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。因此，機器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動其他技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以驗證一個國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平。
當(dāng)今工業(yè)機器人技術(shù)正逐漸向著具有行走能力、具有多種感知能力、具有較強的對作業(yè)環(huán)境的自適應(yīng)能力的方向發(fā)展。目前，工業(yè)機器人的研究和改進方案主要體現(xiàn)在下面四個方面: ：
（1）技術(shù)先進工業(yè)機器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應(yīng)用開發(fā)等先進制造技術(shù)于一體，通過對過程實施檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，實現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低成本、減少資源消耗和環(huán)境污染，是工業(yè)自動化水平的最高體現(xiàn)。
（2）技術(shù)升級工業(yè)機器人與自動化成套裝備具備精細(xì)制造、精細(xì)加工以及柔性生產(chǎn)等技術(shù)特點，是繼動力機械、計算機之后，出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產(chǎn)工具，是實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)字化、自動化以及智能化的重要手段。
（3）應(yīng)用領(lǐng)域廣泛工業(yè)機器人與自動化成套裝備是生產(chǎn)過程的關(guān)鍵設(shè)備，可用于制造、安裝、檢測、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應(yīng)用于汽車整車及汽車零部件、工程機械、軌道交通、低壓電器、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。
（4）技術(shù)綜合性強工業(yè)機器人與自動化成套技術(shù)，集中并融合了多項學(xué)科，涉及多項技術(shù)領(lǐng)域，包括工業(yè)機器人控制技術(shù)、機器人動力學(xué)及仿真、機器人構(gòu)建有限元分析、激光加工技術(shù)、模塊化程序設(shè)計、智能測量、建模加工一體化、工廠自動化以及精細(xì)物流等先進制造技術(shù)，技術(shù)綜合性強。
1.1.2 國外機器人發(fā)展情況
機器人首先是從美國開始研制的，1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。它的結(jié)構(gòu)特點是機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。
當(dāng)前，對全球機器人技術(shù)的發(fā)展最有影響的國家是美國和日本。美國在工業(yè)機器人技術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先地位，而日本生產(chǎn)的工業(yè)機器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位，而歐盟等西方發(fā)達(dá)國家則在工業(yè)機器人和醫(yī)療機器人等領(lǐng)域有較強的競爭力。
現(xiàn)如今，世界各國都推行出結(jié)合本國情況的機器人戰(zhàn)略部署，美國推行“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，大力發(fā)展工業(yè)機器人，希望重振制造業(yè)。日本2004年5月發(fā)布的“新產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”明確了機器人產(chǎn)業(yè)等7個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域為重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)。近兩年又開始重新審視機器人產(chǎn)業(yè)政策。韓國：2009年公布《智能機器人基本計劃》，2012年10月發(fā)布了“機器人未來戰(zhàn)略展望2022”，將政策焦點放在了擴大韓國機器人產(chǎn)業(yè)并支持國內(nèi)機器人企業(yè)進軍海外市場方面。歐盟2011年8月通過了一份發(fā)展制造業(yè)計劃，提出新工業(yè)革命概念，以機器人和信息技術(shù)為支撐，實現(xiàn)制造模式的變革。
目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機器人已經(jīng)投入使用，它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。
第三代機器人則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)，更加智能化和復(fù)雜化，能夠?qū)崿F(xiàn)加工和生產(chǎn)的自動化，它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，能夠自動檢查工作情況并做出反饋和調(diào)整，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一環(huán)。
1.1.3 我國的工業(yè)機器人
我國工業(yè)機器人是從二十世紀(jì)八十年代開始起步，經(jīng)過二十多年的努力，已經(jīng)形成了一些具有競爭力的工業(yè)機器人研究機構(gòu)和企業(yè)。先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、工業(yè)、注塑、沖壓及噴漆等工業(yè)機器人。近幾年，我國工業(yè)機器人及含工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線相關(guān)的產(chǎn)品的年銷售額已突破10億元。
目前國內(nèi)市場年需求量在3000臺左右，年銷售額在20億元以上。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國市場上工業(yè)機器人總共擁有量近萬臺，占全球總量的0.56%，其中完全國產(chǎn)工業(yè)機器人(行業(yè)規(guī)模比較大的前三家工業(yè)機器人企業(yè))行業(yè)集中度占30%左右，其余都是從日本、美國、瑞典、德國、意大利等20多個國家引進的。國產(chǎn)工業(yè)機器人目前主要以國內(nèi)市場應(yīng)用為主，年出口量為100臺左右，年出口額為0.2億元以上。
國內(nèi)在機器人的研究方面起步比發(fā)達(dá)國家要晚很多，但是發(fā)展迅速，經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國機器人數(shù)量也達(dá)到了一定的規(guī)模，目前已基本掌握了機器人的基本技術(shù)，機器人的研究在一些方面也已經(jīng)達(dá)到了世界先進水平，但在整體水平上與發(fā)達(dá)國家相比仍然有很大差距。仔細(xì)觀察，不難發(fā)現(xiàn)的事實是：我國在機器人的研究方面采取的方法主要是借鑒外國的先進技術(shù)，然后再進行二次開發(fā)，自主創(chuàng)新開發(fā)的技術(shù)少，這就造成了我國自身創(chuàng)新技術(shù)較少，制約了機器人產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。
總體上來說，我國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、鑄造、弧焊、電焊、裝配、搬運等機器人。也有一些產(chǎn)品的技術(shù)水平已達(dá)到國際先進水平，但在總體技術(shù)上還有很大差距，僅相當(dāng)于國外90年代中期的水平。
伴隨我國工業(yè)機器人需求的迅猛增長，實力良莠不齊的企業(yè)紛紛進入工業(yè)機器人生產(chǎn)市場，勢必造成質(zhì)低價廉的惡性競爭；雖然我國有近百家從事工業(yè)機器人研究生產(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于獨立封閉、內(nèi)容上較為分散，難以形成合力，造成重復(fù)研究與時間、經(jīng)費的浪費；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)入整機的生產(chǎn)，難以形成研發(fā)、生產(chǎn)、制造、銷售、集成、服務(wù)等有序、細(xì)化的產(chǎn)業(yè)鏈。因此，工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有待規(guī)范。
在我國，工業(yè)機器人的最初應(yīng)用是在汽車和工程機械行業(yè)，主要用于汽車及工程機械的噴涂及焊接。目前，由于機器人技術(shù)及研發(fā)的落后，工業(yè)機器人還主要應(yīng)用在制造業(yè)，非制造業(yè)使用的較少。據(jù)不完全統(tǒng)計，近幾年國內(nèi)廠家所生產(chǎn)工業(yè)機器人有超過一半是提供給汽車行業(yè)。由此可見，汽車工業(yè)的發(fā)展是近幾年我國工業(yè)機器人增長的原動力之一。
工業(yè)機器人在實際的工作中就是一個機械手，機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
國內(nèi)機器人研究存在問題:
1.市場需求量激增，但大部分(尤其是高精尖設(shè)備)仍只能靠進口。
2.擁有自主創(chuàng)新技術(shù)的產(chǎn)品少，普遍沿用國外落后和淘汰的技術(shù)。
3.整體技術(shù)水平低，缺乏核心技術(shù)，沒有擁有核心競爭力的技術(shù)和產(chǎn)品。
4.機器人行業(yè)缺乏規(guī)范，沒有合適的技術(shù)交流和共享平臺，抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重。
1.1.4 工業(yè)機器人發(fā)展趨勢
隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機器人設(shè)計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當(dāng)機器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。
就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢：
（1) 提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機器人；
（2) 開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應(yīng)不同的場合；
（3) 研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。
1.2工業(yè)機器人的組成和設(shè)計方案
1.2.1 工業(yè)機器人的組成
工業(yè)機器人通常由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動一傳動裝置和控制系統(tǒng)三部分組成(如圖1.1所示)。這些部分之間的相互作用可用圖1.2所示的方框圖表示
圖1.1 機器人的組成
圖1.2 機器人各組成部分之間的關(guān)系
執(zhí)行機構(gòu)(也稱操作機)是機器人賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由桿件和關(guān)節(jié)組成。從功能的角度，執(zhí)行機構(gòu)可分為：手部、腕部、臂部、腰部和基座等部分，如圖1.3所示。
（1）手部
手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。
傳力機構(gòu)形式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設(shè)計的手部選擇夾持類回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)手部。
本次設(shè)計的工業(yè)機器人手部執(zhí)行部件如圖1.3。
圖1.3工業(yè)機器人手部執(zhí)行部件示意圖
如圖1.3的機構(gòu)簡圖，手部執(zhí)行依靠桿的伸縮運動來實現(xiàn)其張合運動，桿的動力源來自后續(xù)驅(qū)動源的液壓缸，該液壓缸采用的是伸縮式液壓缸，該液壓缸能夠節(jié)省橫向的工作空間。
（2）腕部
腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部工業(yè)工件。
目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?70°），并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。
設(shè)計的工業(yè)機器人的腕部的運動為一個自由度的回轉(zhuǎn)運動，運動參數(shù)是實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)的角度控制在0-180°范圍內(nèi)。
腕部的驅(qū)動方式采用直接驅(qū)動的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)計的十分緊湊可以把驅(qū)動源裝在手腕上。機器人手部的張合是由雙作用單柱塞液壓缸驅(qū)動的；而手腕的回轉(zhuǎn)運動則由回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)。將夾緊活塞缸的外殼與擺動油缸的動片連接在一起；當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進油時即可實現(xiàn)手腕不同方向的回轉(zhuǎn)。
（3）臂部
手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。
臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運動。
手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。
（4）機座
機座是機身機器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對固定式機器人，直接聯(lián)接在地面上，對可移動式機器人，則安裝在移動結(jié)構(gòu)上。機身由臂部運動（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機構(gòu)及其相關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。并且，臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上。臂部的運動越多，機身的結(jié)構(gòu)和受力越復(fù)雜。
1.2.1 自由度和坐標(biāo)系的選擇
機器人的運動自由度是指各運動部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨立運動數(shù)，對于一個構(gòu)件來說，它有幾個運動坐標(biāo)就稱其有幾個自由度。各運動部件自由度的總和為機器人的自由度數(shù)。機器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的，因為人的手指、掌、腕、臂由19個關(guān)節(jié)組成，共有27個自由度。而生產(chǎn)實踐中不需要機器人的手有這么多的自由度一般為3-6個。
工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下：
（1）直角坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖1.4所示。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標(biāo)機器人的運動空間相對機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多[2]。
直角坐標(biāo)機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機器人主要用于裝配作業(yè)及工業(yè)作業(yè)，直角坐標(biāo)機器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結(jié)構(gòu)。
（2）圓柱坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖1.4（b）。這種機器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于工業(yè)作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。
（3）球坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖1.4（c）。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于工業(yè)作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。
（4）關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖1.4（d）。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、工業(yè)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。
關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。
根據(jù)要求及在實際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計的工業(yè)機器人采用圓柱坐標(biāo)。
圖1.4四種機器人坐標(biāo)形式
1.2.3 機器人驅(qū)動裝置和傳動裝置
工業(yè)機器人的驅(qū)動一傳動裝置包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)兩個部分，它們通常與執(zhí)行機構(gòu)連成一體。傳動機構(gòu)常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪輪系。驅(qū)動器通常有電機(直流伺服電機、步進電機、交流伺服電機)、液動或氣動裝置，目前使用最多的是交流伺服電機。
1.機器人驅(qū)動類型
（1）氣動式工業(yè)機器人
這類工業(yè)機器人以壓縮空氣來驅(qū)動操作機，其優(yōu)點是空氣來源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單造價低，無污染，缺點是空氣具有可壓縮性，導(dǎo)致工作速度的穩(wěn)定性較差，又因氣源壓力一般只有6kPa左右，所以這類工業(yè)機器人抓舉力較小。
（2）液壓式工業(yè)機器人
液壓壓力比氣壓壓力高得多，一般為70kPa左右，故液壓傳動工業(yè)機器人具有較大的抓舉能力，可達(dá)上千牛頓。這類工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環(huán)境下工作。
（3）電動式工業(yè)機器人
這是目前用得最多的一類工業(yè)機器人，不僅因為電動機品種眾多，也因為它們可以運用多種靈活控制的方法。早期多采用步進電機驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服驅(qū)動單元，目前交流伺服驅(qū)動單元也在迅速發(fā)展。這些驅(qū)動單元或是直接驅(qū)動操作機，或是通過諧波減速器等裝置來減速后驅(qū)動，結(jié)構(gòu)十分緊湊、簡單。
2.傳動方式的選擇：
機械設(shè)備中常用的傳動方式主要有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動四種傳動方式。
帶傳動：撓性傳動，結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉和緩沖吸振等特點，傳動中有彈性滑動，傳動比不能保持恒定，傳動中心距較大。
鏈傳動：撓性傳動，與摩擦型帶傳動相比，鏈傳動無彈性打滑和整體打滑現(xiàn)象，但其瞬時速度不均勻，有沖擊，動載和噪聲。
齒輪傳動：適用功率和速度范圍廣，效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比穩(wěn)定、工作可靠、壽命長。但其對制造和安裝精度要求較高，成本較高。
蝸桿傳動：傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)，噪聲小。但其傳動效率低，不適用于低速大功率傳動。且其制造和安裝精度要求也高，成本較高。
1.2.4 機器人的控制系統(tǒng)
控統(tǒng)一般由控制計算機和伺服控制器組成。前者發(fā)出指令協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)驅(qū)動器之間的運動，同時還要完成編程、示教/再現(xiàn)以及和其他環(huán)境狀況(傳感器信息)、工藝要求、外部相關(guān)設(shè)備(如電焊機)之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。后者控制各關(guān)節(jié)驅(qū)動器，使各桿按一定的速度、加速度和位置要求進行運動。
第二章 M40型工業(yè)機器人總體設(shè)計
2.1機器人的總體結(jié)構(gòu)
2.1.1 M40型工業(yè)機器人的總體結(jié)構(gòu)
M40型專用工業(yè)機器人是一款擁有5個自由度搬運機器人，它用于各種工藝設(shè)備上，其中包括組成柔性自動化系統(tǒng)的數(shù)控金屬切削機床。
工業(yè)機器人裝備有定位式數(shù)控裝置和電氣自動控制裝置，使之能夠?qū)崿F(xiàn)沿三個坐標(biāo)軸的給定程序的位移，并且完成大量控制機器人本身及其看管的工藝裝備的工作循環(huán)指令。
工業(yè)機器人裝備有自動可換夾持器的裝置，其中雙夾持器的裝置用來保證同時操作毛坯和在機床上的加工。工業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu)還可以在其上安裝附加機構(gòu)和裝置。例如：為毛坯定基準(zhǔn)面的檢驗、測量在機床上加工零件的直徑、清洗機床和工藝裝備的基準(zhǔn)表面。
圖2.1 M40型機器人的總體結(jié)構(gòu)正視圖
門架1，小車2，滑板3，手臂4，手腕5，夾持器6，單軌7，電氣控制機8，數(shù)控裝置柜9。
圖2.2 M40型機器人的總體結(jié)構(gòu)左視圖
工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)：
1. 承載能力40kg
2. 自由度數(shù)5個
3. 最大位移:小車沿單軌10800mm，手臂在垂直方向的位移420mm，手臂轉(zhuǎn)動100°，手腕轉(zhuǎn)動90°，手腕相對縱軸轉(zhuǎn)動90°，180°。
4. 小車位移最大速度0.8m/s。手臂在垂直方向最大速度0.8m/s手腕及手轉(zhuǎn)動90°/s。
5. 定位精度±1mm
6. 重量(數(shù)控裝置除外)3000kg。
2.1.2 M40型工業(yè)機器人運動分析
圖2.3 M40型機器人的運動學(xué)簡圖
小車1，單軌2，滑板6，手臂7，手腕8，夾持器9，滑板機體13，連桿14，線性電液步進式驅(qū)動裝置，15，齒輪條16
如圖機器人運動學(xué)簡圖2.3示，M40型機器人主要的運動元件有：帶動操作機（機械手）橫向移動的小車1，以及由滑板6，手臂7，手腕8，和夾持器9組成的操作機，以及小車運動的軌道單軌2，以及負(fù)責(zé)驅(qū)動和控制機器人各部分運動的液壓元件和電氣控制機和數(shù)控裝置柜。
M40型工業(yè)機器人一共有五個自由度：小車1帶動操作機的X軸方向上橫向左右移動，滑板6帶動操作機在Z軸方向的上下移動，手臂7相對其縱軸在的擺動，手腕8相對其縱軸的擺動，以及手腕8相對縱軸的轉(zhuǎn)動。
為了方便實現(xiàn)自動化控制和提高操作精度，操作機各桿件的驅(qū)動方式是液壓式的，機器人設(shè)有液壓站，然后由多個液壓馬達(dá)或者液壓缸驅(qū)動和控制各個部分（手臂6、手腕7、夾持器8等）的運動，小車裝置中的傳動裝置也是用液壓馬達(dá)驅(qū)動。
M40型工業(yè)機器人的操作機是可以移動的，并為其在X軸方向上的運動設(shè)計有門架結(jié)構(gòu)，使之能夠在一組帶有水平主軸的金屬切削機床上工作。在門架上裝有可以移動的小車1，它支撐著手臂垂直縮進機構(gòu)滑板6，小車沿國定在門架上的單軌2移動。
M40型工業(yè)機器人的工作方式是小車1帶動操作機在安裝在門架上的導(dǎo)軌2沿X軸移動，當(dāng)操作機在X軸方向上移動到指定的位置時，操作機通過滑板6在Z軸方向上垂直上下移動、以及在手臂7和手腕8在YZ平面內(nèi)完成手臂7的擺動7、手腕8的擺動，以及手腕相對縱軸轉(zhuǎn)動等運動的組合從而完成工件的抓取或者擺放等工作。
小車1在X軸方向上的移動距離是10800mm，小車1在X方向軸上移動的最大速度為0.8m/s；操作機在Z軸方向上下移動由滑板6帶動，Z軸方向上下移動的行程是420mm，滑板6在Z軸上下移動的最大移動是0.8m/s；此外手臂4和手腕8可以在YZ平面內(nèi)擺動，手臂4擺動的角度為100°，手腕8擺動的角度為90°，這兩個擺動角的中心線都是同一條與Z軸平行的線；手腕8相對縱軸傳動的角度90°和180°，所有手臂7和手腕8轉(zhuǎn)動和擺動運動的角速度都是90°/s。
2.1.3 機器人驅(qū)動方式的選擇
目前所采用的的方式有電動機、液壓和氣壓驅(qū)動三種類型，三種方式的特點比較見表2.1
表2.1 工業(yè)機器人主要驅(qū)動方式性能特點比較
驅(qū)動方式
氣壓驅(qū)動
液壓驅(qū)動
電動機驅(qū)動
輸出功率和使用范圍
氣壓較低，輸出功率小，當(dāng)輸出功率增大時，結(jié)構(gòu)尺寸將過大只適于中小型，快速驅(qū)動
油壓高，可獲得較大的輸出功率，傳動平穩(wěn)，無沖擊，適用于重型，低速驅(qū)動
適合中小功率傳動，傳動平穩(wěn)，靈活，速度快
控制性能
壓縮性大，對速度、位置的精確控制困難，阻尼效果差，低速不易控制，排氣有噪聲，泄漏對環(huán)境無影響
液體不可以壓縮，壓力、流量易控制，反應(yīng)靈敏，可無級調(diào)速，能實現(xiàn)速度、位置的精確控制，傳動平穩(wěn)，泄漏會污染環(huán)境
交、直流普通電動機控制比較簡單，控制效果較差，步進、伺服電動機控制比較復(fù)雜，速度和位置都可以控制到精確值
快速響應(yīng)性能
較高
很高
很高
效率
效率低
(0.15-0.2)
效率中等
(0.5-0.6)
效率中等
0.5左右
安全性能
防爆性能好
防爆性能好，液壓油泄漏后有發(fā)生火災(zāi)的危險
交流電機防爆性能好，直流電動機電刷產(chǎn)生火花，不防爆結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)性能
執(zhí)行機構(gòu)(直線氣缸、氣壓馬達(dá))可做成獨立的標(biāo)準(zhǔn)件，易于實現(xiàn)直接驅(qū)動；壓力小，輸出力??；密封問題不突出，泄漏對環(huán)境無污染，需要氣壓供給系統(tǒng)
執(zhí)行機構(gòu)(直線缸、擺動缸)可單獨做成標(biāo)注案件，易于實現(xiàn)直接驅(qū)動；相同輸出條件下，重量輕、慣量??；密封間隙比較重要，泄漏會影響工作性能和污染環(huán)境；需要油源，單獨油源占面積大
電機是標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)構(gòu)性能好，除特殊電機(直接驅(qū)動電機、大力矩電機)外；電機都要加減速器，不能直接驅(qū)動，加減速器后體積、慣量變大
安裝維護
安裝要求不高，能在高溫、多粉塵條件下工作；無發(fā)熱、爆炸、火災(zāi)等問題；維護簡單；要求過濾水分及注意系統(tǒng)潤滑，防銹問題。
安裝維護要求高，溫度升高時，油液粘度降低，影響工作性能，需要冷卻裝置；油液需要定期過濾，更換；油液的泄漏會影響工作性能，易發(fā)生火災(zāi)
安裝要求隨傳動方式而不同，無管路系統(tǒng)，維護方便；對直流電機要求定時調(diào)整、更換電刷及注意防爆問題。
成本
低
高
高
應(yīng)用
適用于小負(fù)荷(200N左右)的有限點位控制的上下料(搬運)機器人，如沖床上的快道上下料；手爪上的應(yīng)用尤其廣泛。
適用于重負(fù)荷(1000N以上)的搬運，點焊等機器人，以及連續(xù)軌跡伺服控制噴漆機器人(需要防爆性能)等。
適用于中小負(fù)荷(幾十牛頓到幾千牛頓)的搬運、焊接、噴漆(限交流電動機)、裝配、涂膠等各種伺服型機器人。
機器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人驅(qū)動系統(tǒng)的要求有:
(1) 驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量要盡可能輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高。
(2) 反應(yīng)速度要快，能夠進行頻繁的啟動、制動，正、反轉(zhuǎn)。
(3) 驅(qū)動盡可能要靈活，位移偏量和速度偏差要小。
(4) 安全可靠，操作和維護方便。
(5) 對環(huán)境無污染，噪聲要小。
(6) 經(jīng)濟上要合理，尤其要減少占地面積。
根據(jù)M40型工業(yè)機器人的設(shè)計參數(shù)和工作條件: 最大承載能力40kg,并且能組成柔性自動化系統(tǒng)的數(shù)控金屬切削機床，完成大量控制工業(yè)機器人本身以及其看管的工藝裝備的循環(huán)指令。
由此可知機器人要求方便實現(xiàn)自動化，機器人的控制要靈敏且要能適應(yīng)不同的機床和最大承載能力內(nèi)的不同載荷的工作，并且操作機位移精度要求比較高(±1mm)，液壓驅(qū)動傳動平穩(wěn)載荷也能達(dá)到最大載荷需要的驅(qū)動力，且能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速，能夠?qū)崿F(xiàn)位置和速度的精確控制，本次設(shè)計液壓驅(qū)動的方式對機器人進行驅(qū)動。
機器人可以搭配不同的機床和搬用不同載荷的物體，所以操作機移動需要不同的運動速度，所以小車機構(gòu)不能使用液壓馬達(dá)直接驅(qū)動，小車傳動裝置里面應(yīng)該有減速器。
2.2機器人的操作機構(gòu)
2.2.1 操作機的整體結(jié)構(gòu)
工業(yè)機器人的操作機（機械手）主要由手臂、手腕、夾持器以及驅(qū)動這些部件運動的驅(qū)動機構(gòu)組成。其機械簡圖如圖2.4所示
圖2.4操作機的整體結(jié)構(gòu)圖
小車1，單軌2，滑板6，手臂7，手腕8，夾持機構(gòu)9，連桿14，滑板機體13，齒輪條16
2.2.2 操作機的各部分的運動
（1）滑板(手臂)的上下運動
如圖2.4所示，在小車1上固定著滑板的機體13，滑板6固定在滑板機體13上，它與線性電液步進式驅(qū)動裝置的連桿14相連，連桿14滑板控制滑板6的上下運動。
滑板6上下運動的最大行程是420mm，滑板6上下移動時速度最大值為0.8m/s。
（2）手臂的擺動
在滑板6的下端軸上連接安裝有手臂7，它可以完成相對此軸的擺動運動，此運動由線性電液步進式驅(qū)動裝置15來實現(xiàn)，它鉸接在滑板6的支架上，驅(qū)動裝置15中液壓缸的活塞桿與手臂7的肩部相鉸接。
手臂擺動的最大角度為100°，最大擺角的角平分線與地平面垂直，手臂轉(zhuǎn)動的角速度為90°/s。
圖2.5平移機構(gòu)
為保證手臂7擺動時手腕8在空間位置的固定性，采用一種專用平移機構(gòu)，它由手臂的上鉸鏈中齒輪副Z17/Z18齒輪條16以及手臂下鉸鏈中同樣的齒輪副Z19/Z20所組成，并且上齒輪Z17，裝在手臂的擺動軸上，而下齒輪Z20裝在手腕8的轉(zhuǎn)動軸上。若上齒輪Z17保持不動，則在手臂擺動時，手腕8的軸將保持在空間的固定位置。
（3）手腕的擺動(相對縱軸的轉(zhuǎn)動)
如圖2.5，手腕相對其縱軸的轉(zhuǎn)動的液壓驅(qū)動裝置包括液壓馬達(dá)10和傳動比為17/30×15/30×15/54的三級減速器。
手腕擺動的最大角度為90°，其軸線是其最大擺角的角平分線，手臂轉(zhuǎn)動的角速度為90°/s。
圖2.5手腕和夾持器控制原理圖
（4）手腕的轉(zhuǎn)動
手腕的轉(zhuǎn)動由隨動閥控制，其壓桿17的滾輪沿裝在手腕轉(zhuǎn)動部分法蘭上的靠模滾動，按所需的轉(zhuǎn)角(90°或者180°)來選擇杠桿17軸的位置。
（5）夾持器的控制
如圖2.5所示，夾持器9鉗口的驅(qū)動裝置為液壓缸12，其活塞桿與夾持器的夾緊機構(gòu)拉桿相連。
第三章 小車傳動裝置的設(shè)計
3.1總體方案的確定
3.1.1 傳動方式的確定
目前機械設(shè)備減速器中常見的傳動方式主要有四種：帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動。
（1）帶傳動：
撓性傳動，結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉和緩沖吸振等特點，傳動中有彈性滑動，傳動比不能保持恒定，傳動中心距較大，有些類型的帶傳動，傳動中不產(chǎn)生震動，但傳遞功率較小。
（2）鏈傳動：
撓性傳動，與摩擦型帶傳動相比，鏈傳動無彈性打滑和整體打滑現(xiàn)象，但其瞬時速度不均勻，傳動比不能保持恒定，傳動速度較低，有沖擊，動載和噪聲。
（3）齒輪傳動：
適用功率和速度范圍廣，效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、適用于近距離的傳動，瞬時傳動比穩(wěn)定、工作可靠、壽命長。但其對制造和安裝精度要求較高，成本較高，無過載保護作用。
（4）蝸桿傳動：傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)，噪聲小。但其摩擦損失較大，傳動效率低，不適用于低速大功率傳動。且其制造和安裝精度要求也高，成本較高。
與齒輪傳動相比，帶傳動和鏈傳動都沒有確定的瞬時傳動比，而蝸桿差傳動效率低，摩擦損失傳遞功率且為傳動帶來危害。結(jié)合機器人的設(shè)計參數(shù)要求，機器人定位精度要求高，故應(yīng)該選擇傳動比準(zhǔn)確可靠的傳動；
綜上所述，本次減速器設(shè)計傳動方式選擇最穩(wěn)定可靠齒輪傳動為小車傳動裝置的減速器的傳動方式。
而對于齒輪傳動，常用于減速器的常見齒輪類型有直齒圓柱齒輪，斜齒圓柱齒輪，圓錐齒輪。因為不需要力矩傳遞方向的改變，所以不需要使用使用圓錐齒輪，而斜齒圓柱齒輪與直齒圓柱齒輪相比，斜齒圓柱齒輪傳動時有軸向分力，傳遞效率不如直齒圓柱齒輪。所以，選擇直齒圓柱齒輪。
3.2傳動方案的確定
3.2.1 傳動比的確定
圖3.1減速器的運動簡圖
減速器的運動簡圖如圖3.1所示，液壓馬達(dá)經(jīng)減速器后，在減速器輸出軸通過模數(shù)m=2.5，齒數(shù)z=24的齒輪5與齒輪齒條6連接。
已知小車驅(qū)動力F=2000N，小車由型號為JM21-D0.02的液壓馬達(dá)驅(qū)動，傳動的最大位移速度V=0.8m/s。
表3.1 液壓馬達(dá)參數(shù)
由表3.1可知，液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速為，又已知小車傳動最大的位移速度。由此可知與齒輪條4嚙合的齒輪5的線速度。
已知齒輪5的模數(shù)m=2.5,齒數(shù)z=24,所以可知
齒輪5的半徑
齒輪5的轉(zhuǎn)速
所以減速器的總傳動比
為了不超過液壓馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速，取減速器總傳動比
擬定初級傳動比=3.3，二級傳動比為1.18
3.2.2減速器相關(guān)數(shù)據(jù)的計算
（1）各傳動軸的轉(zhuǎn)速
軸Ⅰ:
軸Ⅱ:
（2）各軸的功率
液壓馬達(dá)輸出功率
，，，分別為軸承，齒輪傳動，齒條傳動的效率，分別取=0.99，=0.98，=0.97。
軸Ⅰ:
軸Ⅱ:
（3）各軸的轉(zhuǎn)矩
液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩
軸Ⅰ:
軸Ⅱ:
表3.2 減速器各數(shù)據(jù)
項目
液壓馬達(dá)
軸Ⅰ
軸Ⅱ
轉(zhuǎn)速(r/min)
1000
303.03
256.80
功率(kw)
1.77
轉(zhuǎn)矩(Nm)
16.90Nm
54.12Nm
61.96Nm
傳動比
3.3
1.18
效率
0.97
0.97
3.3減速器齒輪傳動的設(shè)計計算
3.3.1 高速軸齒輪的設(shè)計計算
1.選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
（1）根據(jù)之前傳動方式的選擇，選用直齒圓柱齒輪。
（2）機器人要求傳動平穩(wěn)，速度不高，選用7級精度(GB 10095 88)。
（3）材料選擇。由《機械設(shè)計》表10-1，選擇小齒輪材料為40Gr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))，硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
（4）初選小齒輪齒數(shù)=20，大齒輪齒數(shù)。
2.按齒面接觸強度設(shè)計
（1）由設(shè)計計算公式3.1進行試算
(式3.1)
（2）選定載荷系數(shù)=1.3
（3）小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
（4）由《機械設(shè)計》表10-7,選取齒寬系數(shù)=0.5
（5）由《機械設(shè)計》表10-6表查得材料的彈性影響系數(shù)=189.8M
（6）由《機械設(shè)計》圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限。
（7）由《機械設(shè)計》10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（8）由《機械設(shè)計》圖10-19取接觸疲勞系數(shù)；。
（9）計算接觸疲勞許應(yīng)力。
取失效概率為1％，安全系數(shù)S=1，
3.計算
（1）試計算小齒輪分度圓直徑,代入中較小的值。
計算圓周速度
計算齒寬
（2）計算齒寬與齒高之比
模數(shù)
（3）計算載荷系數(shù)，根據(jù)v=1.8m/s,7級精度，由《機械設(shè)計》圖10-8查得動載荷系數(shù)，直齒輪==1
由《機械設(shè)計》表10-2查得使用系數(shù)
由《機械設(shè)計》表10-4查得7級精度，小齒輪相對支撐做懸臂布置時。
由，，查《機械設(shè)計》圖10-13得;故載荷系數(shù)
（4）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑
（5）計算模數(shù)
4．按齒根彎曲強度設(shè)計
由式10-5，
（1）由圖10-20c查得，小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪的彎曲疲勞強度極限。
（2）由圖10-18查得彎曲疲勞強度壽命系數(shù)，
（3）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S＝1.4，由式10-12得
（4）計算大小齒輪的
大齒輪的數(shù)據(jù)大
設(shè)計計算
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的法面模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的法面模數(shù)，?。?.0mm，已可滿足彎曲強度。但為了同時滿足接觸疲勞強度，須按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑來計算應(yīng)有的齒數(shù)。
為了避免因齒輪齒數(shù)過小而發(fā)生根切，所以小齒輪齒數(shù)應(yīng)取20-40，所以取小齒輪齒數(shù)=20。
這樣設(shè)計出來的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并且做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。
5．齒輪幾何尺寸的計算
（1）計算分度圓直徑
（2）計算中心距
（3）計算齒寬
取
3.3.2 低速軸齒輪的設(shè)計計算
1.選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
（1）選用直齒圓柱齒輪。
（2）機器人要求傳動平穩(wěn)，速度不高，選用7級精度(GB 10095 88)。
（3）材料選擇。為減少加工工藝和工序，降低制造成本，同一減速器大小齒輪的結(jié)構(gòu)和材料應(yīng)選擇一致。故選擇小齒輪材料為40Gr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))，硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
（4）初選小齒輪齒數(shù)=40，大齒輪齒數(shù)。
2.按齒面接觸強度設(shè)計
（1）由設(shè)計計算公式3.1進行試算
(式3.1)
（2）選定載荷系數(shù)=1.3
（3）小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
（4）由《機械設(shè)計》表10-7,選取齒寬系數(shù)=0.5
（5）由《機械設(shè)計》表10-6表查得材料的彈性影響系數(shù)=189.8M
（6）由《機械設(shè)計》圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限。
（7）由《機械設(shè)計》10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（8）由《機械設(shè)計》圖10-19取接觸疲勞系數(shù)；。
（9）計算接觸疲勞許應(yīng)力。
取失效概率為1％，安全系數(shù)S=1，
3.計算
（1）試計算小齒輪分度圓直徑,代入中較小的值。
計算圓周速度
計算齒寬
（2）計算齒寬與齒高之比
模數(shù)
（3）計算載荷系數(shù)，根據(jù)v=1.17m/s,7級精度，由《機械設(shè)計》圖10-8查得動載荷系數(shù)，直齒輪==1
由《機械設(shè)計》表10-2查得使用系數(shù)
由《機械設(shè)計》表10-4查得7級精度，小齒輪相對支撐做懸臂布置時。
由，，查《機械設(shè)計》圖10-13得;故載荷系數(shù)
（4）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑
（5）計算模數(shù)
4．按齒根彎曲強度設(shè)計
由式10-5，
（1）由圖10-20c查得，小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪的彎曲疲勞強度極限。
（2）由圖10-18查得彎曲疲勞強度壽命系數(shù)，
（3）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S＝1.4，由式10-12得
（4）計算大小齒輪的
大齒輪的數(shù)據(jù)大
設(shè)計計算
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的法面模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的法面模數(shù)，取＝2.0mm，已可滿足彎曲強度。但為了同時滿足接觸疲勞強度，須按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑來計算應(yīng)有的齒數(shù)。
按實際載荷計算模數(shù)時，m=1.99，所以取小齒輪齒數(shù)=45
這樣設(shè)計出來的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并且做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。
5．齒輪幾何尺寸的計算
（1）計算分度圓直徑
（2）計算中心距
（3）計算齒寬
取
3.4傳動軸的設(shè)計計算
3.4.1 傳動軸Ⅰ的設(shè)計
1.傳動軸Ⅰ=，轉(zhuǎn)速=，轉(zhuǎn)矩=
2．求作用在齒輪上的力
高速大齒輪:
低速小齒輪:
3．初定軸的最小直徑 選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
根據(jù)表15-3，取，于是由式15-2初步估算軸的最小直徑
這是安裝軸承處軸的最小直徑
軸Ⅰ的結(jié)構(gòu)布局如下圖所示
圖3.2 軸Ⅰ的結(jié)構(gòu)布局
4.軸的受力分析、彎距的計算
(1)計算支承反力：
在水平面上
在垂直面上：
故
總支承反力：
（2) 計算彎矩
在水平面上：
在垂直面上：
故
計算轉(zhuǎn)矩并作轉(zhuǎn)矩圖
6．作受力、彎距和扭距圖
圖3.3 軸Ⅰ的受力、彎矩、扭矩圖
7．按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度
由合成彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖知，2處當(dāng)量彎矩最大，并且有較多的應(yīng)力集中，為危險截面
根據(jù)式15-5，并取
由表15-1查得，，校核安全。
3.4.2 傳動軸Ⅱ的設(shè)計
1.傳動軸Ⅱ=，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩
2．第三軸上齒輪受力
3．初定軸的直徑
軸的材料同上。由式15-2，初步估算軸的最小直徑
mm
4．軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
擬定軸的結(jié)構(gòu)和尺寸（見下圖）
圖3.4 軸Ⅱ的結(jié)構(gòu)布局
5.軸的受力分析、彎距的計算
（1）計算支承反力
在水平面上
在垂直面上
故
（2）計算彎矩
水平面彎矩
在C處，
在B處，
垂直面彎矩
在C處
（3）合成彎矩圖
在C處
在B處，
（4）計算轉(zhuǎn)矩，并作轉(zhuǎn)矩圖
(CD段)
6．作受力、彎距和扭距圖
圖3. 5 軸Ⅱ受力彎矩扭矩
8．按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度
由合成彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖知，B處當(dāng)量彎矩最大，并且有較多的應(yīng)力集中，為危險截面
根據(jù)式15-5并取
由表15-1查得，，校核安全。
3.3.4 潤滑和密封
1．潤滑方式的選擇
因為此變速器為閉式齒輪傳動，又因為齒輪的圓周速度V＜12m/s，所以采用將大齒輪的輪齒浸入油池中進行浸油潤滑。考慮到高速級大齒輪可能浸不到油，所以在大齒輪下安裝一小油輪進行潤滑。軸承利用大齒輪的轉(zhuǎn)動把油濺到箱壁的油槽里輸送到軸承機型潤滑。
2．密封方式的選擇
由于I，II軸與軸承接觸處的線速度，所以采用氈圈密封。
3．潤滑油的選擇
因為該減速器屬于一般減速器，查機械設(shè)計手冊可選用工業(yè)齒輪油N200（SH0357-92）。
第四章 總結(jié)
通過這次畢業(yè)設(shè)計，讓我對工業(yè)機器人這一課題有了更深入的了解，從工業(yè)機器人的類型，到工業(yè)機器人的工作方式以及工業(yè)機器人整體和結(jié)構(gòu)的設(shè)計都有了一定的了解。
工業(yè)機器人是一門內(nèi)容豐富的學(xué)科，現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)進入了工業(yè)機器人時代，所以學(xué)習(xí)和研究工業(yè)機器人是結(jié)合機械專業(yè)與實際應(yīng)用不錯的途徑。工業(yè)機器人的設(shè)計中，包括了機械設(shè)計、機械原理、液壓傳動、機械公差、機械制造裝備設(shè)計、機械工程材料等機械專業(yè)主要專業(yè)課程的知識點，完成這次畢業(yè)設(shè)計，也讓我很好的復(fù)習(xí)和深入學(xué)習(xí)了這些課程。
這次畢業(yè)設(shè)計還包括了工業(yè)機器人整體圖和傳動裝置裝配圖和主要零件圖的繪制，總的繪圖工作量達(dá)到了2.5張A0圖紙。機器人整體圖和傳動裝置裝配圖和主要零件圖的繪制對我的繪圖和讀圖能力也有了一個很大的提升。
總的來說，通過這次畢業(yè)設(shè)計，不僅讓我結(jié)合主要專業(yè)課程完成了一次課堂知識的實際應(yīng)用，也讓我認(rèn)識到了機械設(shè)計這個專業(yè)知識的廣袤和自己的不足，這將督促我繼續(xù)不斷的學(xué)習(xí)，來提高和充實自己。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 濮良貴，紀(jì)名剛，陳國定. 機械設(shè)計(第八版). 北京：高等教育出版社，2012
[2] 潘存云，尹喜云，林國湘. 機械原理(第二版). 長沙：中南大學(xué)出版社，2013
[3] 肖銀鈴，朱 靜，陸瑞紅. 機械制圖(第六版). 北京：高等教育出版社，2007
[4] 關(guān)慧貞，馮辛安，黃玉美. 機械制造裝備設(shè)計. 北京：機械工業(yè)出版社，2009
[5] 王積偉，章宏甲，黃 誼. 液壓傳動(第二版). 北京：機械工業(yè)出版社，2010
[6] 索羅門采夫，干東英，安永辰. 工業(yè)機器人圖冊. 北京: 機械工業(yè)出版社，1993
[7] 李必文，胡華榮. 機械精度設(shè)計與檢測(第二版). 長沙：中南大學(xué)出版社，2012
[8] 高為國，鐘利萍，夏卿坤. 機械工程材料(第二版). 長沙：中南大學(xué)出版社，2012
[9] 高 志，黃純穎，盧 廣. 機械創(chuàng)新設(shè)計(第二版). 北京：高等教育出版社，2010
[10] 劉小年，唐開明，龔伶俐. AutoCAD計算機繪圖基礎(chǔ). 長沙：湖南大學(xué)出版社，2010
致 謝
從這次畢業(yè)設(shè)計的選題，到搜集資料，進行正式的開始設(shè)計，計算和繪圖以及其中的反復(fù)修改到最后的定稿，這段時間是我大學(xué)四年最忙碌但也是最充實的一段時光。雖然整個過程中伴隨著彷徨、喜悅和苦惱，但這也將是我大學(xué)最美的一段回憶。
我要感謝我的指導(dǎo)老師廖先祿老師，感謝老師從選題到設(shè)計，到修改和定稿這一段時間孜孜不倦的輔導(dǎo)。我專業(yè)基礎(chǔ)不是很好，有些問題可能比較基礎(chǔ)和簡單，但老師每次都是有問必答，并且愿意為我詳細(xì)的講解和輔導(dǎo)。老師認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度也很好的督促我們完成了這次設(shè)計。
我還要感謝姚果同學(xué)，這次設(shè)計，我們選的是同一個類型的題目，所以在完成設(shè)計的過程中，有不懂的地方，我也會和姚果同學(xué)一起探討。姚果同學(xué)比我基礎(chǔ)要好，專業(yè)知識更扎實，感謝姚果同學(xué)一直以來的照顧和指導(dǎo)。
我還要感謝機六的所有同學(xué)，整個學(xué)期，大家在一起討論，互幫互助，相互鼓勵和學(xué)習(xí)，也讓我有了很大的進步。
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