關(guān)節(jié)型機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含5張CAD圖
關(guān)節(jié)型機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含5張CAD圖,關(guān)節(jié),機(jī)器人,腕部,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),cad
摘要
論文研究主要功能為可用于前端焊接的關(guān)節(jié)型機(jī)器人的手腕結(jié)構(gòu)，在實(shí)際加工中便可以提高生產(chǎn)加工能力和焊接水平。電機(jī)方面挑選了直流電動(dòng)機(jī)。內(nèi)部設(shè)計(jì)上電機(jī)件、軸件和齒輪件的布置采用合理簡(jiǎn)化安排，在滿(mǎn)足強(qiáng)度校核的前提下設(shè)計(jì)了齒輪和軸的相應(yīng)結(jié)構(gòu)。在三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)方向上可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)腕部的自由度要求。零件的采用上使用了在考慮制造，安裝的成本上，大多采取了標(biāo)準(zhǔn)件。
關(guān)鍵詞：自由度；焊接；手腕
Abstract
The main function of this paper is the wrist structure of an articulated robot that can be used for front-end welding. In actual processing, it can improve production and processing capabilities and welding levels. For the motor, a DC motor was selected. In the internal design, the arrangement of the motor parts, shaft parts and gear parts is reasonably simplified, and the corresponding structures of gears and shafts are designed on the premise of satisfying the strength check. The corresponding degrees of freedom of the wrist can be achieved in the three degrees of freedom movement direction. Most of the parts are used in consideration of manufacturing and installation costs, and most of them adopt standard parts.
Keywords: degrees of freedom; welding; wrist
?
目 錄
緒 論……………………………………………………………………………………1
第一章 工業(yè)機(jī)器人知識(shí)綜述………………………………………………………………2
1.1機(jī)器人的含義………………………………………………………………………2
1.2題目來(lái)源……………………………………………………………………………3
1.3技術(shù)要求…………………………………………………………………………3
1.4主要的問(wèn)題思路方案和設(shè)計(jì)的形成……………………………………………3
第二章 世界各國(guó)發(fā)展形式情況……………………………………………………5
2.1 研究現(xiàn)狀…………………………………………………………………………5
2.2 發(fā)展趨勢(shì)…………………………………………………………………………6
第三章 總體方案討論………………………………………………………………………7
3.1 機(jī)器內(nèi)部構(gòu)造的確定……………………………………………………………8
3.2 運(yùn)作范圍的確定…………………………………………………………………9
3.3 手腕部位的確定…………………………………………………………………9
3.4 基礎(chǔ)參數(shù)的確定…………………………………………………………………10
第四章 手腕細(xì)節(jié)計(jì)劃說(shuō)明………………………………………………………………11
4.1 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)運(yùn)行方案的比較和篩選……………………………………………11
4.2手腕電機(jī)的選擇………………………………………………………………12
4.3傳動(dòng)比的確定………………………………………………………………12
4.4 傳動(dòng)比的分配………………………………………………………………13
4.5 齒輪的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………14
4.6 軸的校驗(yàn)和設(shè)計(jì)……………………………………………………………25
4.7 夾持器的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………34
4.8 殼體的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………34
結(jié)論………………………………………………………………………………35
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………36
致謝………………………………………………………………………………37
緒 論
機(jī)器人是可以自動(dòng)進(jìn)行一系列操作的裝置，可以在正常工作空間內(nèi)進(jìn)行多自由度的工作運(yùn)行，在接受人的指令后或進(jìn)行提前編制好的程序進(jìn)行多種仿人形式的工作。工業(yè)機(jī)器人就是主要應(yīng)用于在工廠(chǎng)或工業(yè)方面的機(jī)器人，簡(jiǎn)化了工作上的難度也可以提高工作進(jìn)行的速度，實(shí)現(xiàn)高效率作業(yè)。各國(guó)的機(jī)器人以及工業(yè)機(jī)器人的定義均不相同，美國(guó)第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人用于進(jìn)行傳遞運(yùn)輸功能。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人經(jīng)歷過(guò)程可以分為七十、八十、九十年代。七十年代時(shí)期，我國(guó)也開(kāi)始大力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人，解決了我國(guó)在那個(gè)年代的勞動(dòng)力問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率；八十年代時(shí)期的改革開(kāi)放，我們國(guó)家的機(jī)器人焊接技術(shù)取得了領(lǐng)先，解決了人工焊接的環(huán)境，操作問(wèn)題，隨著在國(guó)家的支持和資金的投入下又形成了一批特種作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人；九十年代我國(guó)便形成了屬于自己國(guó)家的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)區(qū)，科學(xué)技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展和提高，為以后的良好發(fā)展做了鋪墊。
第1章 工業(yè)機(jī)器人知識(shí)綜述
1.1.1 操作機(jī)
操作機(jī)是工業(yè)機(jī)器人最基礎(chǔ)主要的殼體部分，它的工作運(yùn)動(dòng)方式類(lèi)似于人類(lèi)的手臂運(yùn)動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)部件組成如下：
a.尾端執(zhí)行機(jī)構(gòu) 屬于工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行工作處理的最前端，可安裝滿(mǎn)足于工作需求的一系列工具，可安裝焊接，傳感，夾持，測(cè)量類(lèi)相應(yīng)工具。
b. 手腕 銜接并且可以實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)自由度運(yùn)作的相應(yīng)部件，其主要功能為確定并連接與末端執(zhí)行器，使其在空間上有一定的確定方位并且可以進(jìn)行一定程度上的方位運(yùn)動(dòng)工作，2至3個(gè)自由度的調(diào)整便可以使末端執(zhí)行器進(jìn)行比較方便的工作運(yùn)行。如果沒(méi)有手腕直接安裝于手臂，便會(huì)減少多自由度的調(diào)整，可以視工作情況而定。
c. 手臂 主要由連接桿構(gòu)成。主要起到對(duì)手腕和末端執(zhí)行器支撐和改善的作用。手臂與機(jī)座鏈接部分可選用關(guān)節(jié)鏈接，在一定程度上又可以加大末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)范圍和工作處理空間，空間作業(yè)能力得到進(jìn)一步的提高。
d. 機(jī)座 是工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)部件，固定式便可固定于工作面，移動(dòng)式便可以在工作面進(jìn)行移動(dòng)作業(yè)。
1.1.2 驅(qū)動(dòng)單元件
驅(qū)動(dòng)單元件是幫助提供給操作機(jī)主要?jiǎng)恿瓦\(yùn)動(dòng)的裝置，由以下組成：
a. 驅(qū)動(dòng)器 廣泛的來(lái)講是可以驅(qū)動(dòng)一些裝置設(shè)備的驅(qū)動(dòng)硬件，然而在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域主要指的是磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。
b. 檢測(cè)單元 對(duì)于操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況和動(dòng)力系統(tǒng)方面進(jìn)行檢測(cè)。
1.1.3 控制裝置
主要由人類(lèi)進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的啟動(dòng)，停止以及操作的一類(lèi)裝置，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)工作進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。
1.1.4 人工智能操作程序
本次的工業(yè)機(jī)器人由感應(yīng)系統(tǒng)，可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)的傳遞進(jìn)行反饋，達(dá)到相應(yīng)的感覺(jué)，而后進(jìn)行處理。還包括規(guī)劃決策系統(tǒng)，在接收到相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行規(guī)劃和決策，進(jìn)而控制運(yùn)動(dòng)和操作。
1.2 題目來(lái)源
關(guān)節(jié)型機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于各部件合理安置的整體設(shè)計(jì)，腕部結(jié)構(gòu)處的主要設(shè)計(jì)，以及各零件的細(xì)節(jié)處理都要進(jìn)行合理安排。本課題研究項(xiàng)目在考慮到實(shí)際生產(chǎn)生活中。如今，在人工操作下的電弧焊接相比于自動(dòng)機(jī)器人焊接的效率慢。進(jìn)行焊接工作的條件環(huán)境簡(jiǎn)陋，不僅如此對(duì)于該工位的技術(shù)操作員要求由比較高的熟練度，操作水平經(jīng)驗(yàn)足，故選擇使用自動(dòng)機(jī)器人焊接設(shè)備，在一定程度上可以達(dá)到焊接操作的自動(dòng)生產(chǎn)柔性化，從而大大提高生產(chǎn)過(guò)程中的效率和生產(chǎn)裝備的安全以及生產(chǎn)工件的質(zhì)量，達(dá)到解放勞動(dòng)力的目的，降低對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的過(guò)量要求，減少經(jīng)濟(jì)成本。
1.3 技術(shù)要求
按照已知設(shè)計(jì)需求可以實(shí)現(xiàn)以下目的：
a. 工作可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；
b. 裝卸方便，便于維修、調(diào)整；
c.選擇以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)零件，通用多數(shù)機(jī)器，達(dá)到降低成本的目的。
1.4 主要處理的問(wèn)題，設(shè)計(jì)方案和思路的形成
此設(shè)計(jì)題目需處理的主要問(wèn)題，分為以下三點(diǎn)：
a. 考慮到手腕在手臂的末端，根據(jù)力學(xué)分析，需將手臂處可承受載荷減小，達(dá)到安全穩(wěn)定，可以講手腕部位的結(jié)構(gòu)，零件裝置安排緊湊，設(shè)計(jì)嚴(yán)密，從而達(dá)到減小載荷的目的，相應(yīng)提高了附加外部載荷的能力；
b. 通過(guò)合理化設(shè)計(jì)，將手腕結(jié)構(gòu)處的精度提高；
c. 能夠完成三個(gè)自由度。
針對(duì)上述問(wèn)題有了以下設(shè)計(jì)思路：
a. 針對(duì)載荷不可過(guò)高的問(wèn)題，可以選擇分離傳動(dòng)方式，即將主要的，大部分的傳動(dòng)設(shè)備和裝置安放在原離手臂的位置，再通過(guò)傳動(dòng)的方式傳遞動(dòng)力，可以在小臂的后側(cè)安置三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置。
b. 考慮到手腕運(yùn)動(dòng)的精度，設(shè)備的剛度也應(yīng)該得到相應(yīng)的改善，解決好系統(tǒng)設(shè)備的間隙問(wèn)題，就可以避免反轉(zhuǎn)誤差的殘生。由于選擇分離傳動(dòng)，故傳動(dòng)設(shè)備方面可以選擇傳動(dòng)軸。
c. 完成三自由度的運(yùn)動(dòng)工作方式。
第2章 世界各國(guó)發(fā)展情況趨勢(shì)
2.1 研究現(xiàn)狀
機(jī)器人從誕生開(kāi)始到八十年代，機(jī)器人的整體發(fā)展并沒(méi)有十分迅速，也沒(méi)有較好的應(yīng)用到實(shí)際生活生產(chǎn)工作中。九十年代，隨著國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)和微電子技術(shù)的日漸發(fā)展，機(jī)器人得到了相應(yīng)的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人日益發(fā)展，一些非工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)在日常生活中。以下按機(jī)器人的使用性質(zhì)分：工業(yè)機(jī)器人，先進(jìn)機(jī)器人。
2.1.1 工業(yè)機(jī)器人
工業(yè)機(jī)器人：以機(jī)械、電子、電氣和自動(dòng)控制技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人。
a. 機(jī)器人操作機(jī)：在其他先進(jìn)設(shè)計(jì)（如有限元分析、模擬設(shè)計(jì)等）的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改良的操作機(jī)。國(guó)際已有大公司在該方面有著先進(jìn)的技術(shù)，優(yōu)化處理后的到良好的機(jī)器人性能。
b. 并聯(lián)機(jī)器人：結(jié)構(gòu)為并聯(lián)處理結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)代發(fā)展先進(jìn)的科學(xué)機(jī)器人技術(shù)下，進(jìn)行精度高，定位準(zhǔn)的測(cè)量技術(shù)，這也是機(jī)器人技術(shù)在數(shù)控操作技術(shù)領(lǐng)域的延申。
c. 控制系統(tǒng)：經(jīng)過(guò)科學(xué)技術(shù)的不斷提高，控制技術(shù)已經(jīng)從最開(kāi)始的六軸控制達(dá)到了二十七軸控制。如今全數(shù)字控制和軟件伺服控制的實(shí)現(xiàn)，人機(jī)操作系統(tǒng)更加完善，系統(tǒng)程序編制方式簡(jiǎn)便，非在線(xiàn)編程也已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。
2.2.2 先進(jìn)機(jī)器人
如今科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，科學(xué)領(lǐng)域想多方面的延申，以及環(huán)境的變化，機(jī)器人的應(yīng)用情況逐漸從制造業(yè)更多方面的邁向非制造業(yè)方面。航天設(shè)備，衛(wèi)星設(shè)備，海洋勘探，船只功能，建筑，挖掘，開(kāi)采，醫(yī)療，探測(cè)，生活等方面都需要機(jī)器人對(duì)人類(lèi)工作的代替。因?yàn)楣ぷ鞯臈l件不同，各種機(jī)器人的功能，材料，設(shè)置，強(qiáng)度，剛度都有著不同的要求；不同工作的需求，也導(dǎo)致了先進(jìn)機(jī)器人需要有著更加高密度，高質(zhì)量，高細(xì)節(jié)的現(xiàn)代化要求，尤其時(shí)人性化處理方面，更需要對(duì)核心進(jìn)行深入的研究和試驗(yàn)，進(jìn)而促進(jìn)先進(jìn)機(jī)器人在未來(lái)生活上的使用和發(fā)展。
2.2 發(fā)展趨勢(shì)
機(jī)器人的國(guó)際國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)和前景多種多樣，主要表現(xiàn)在：機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、半自主機(jī)器人系統(tǒng)、自主加工技術(shù)等方面。
第3章 總體方案討論
3.1 確定機(jī)械機(jī)構(gòu)類(lèi)型
本機(jī)構(gòu)裝置需要在空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作中達(dá)到6個(gè)自由度的確定，多種運(yùn)動(dòng)方式的重組需要進(jìn)行比較，按照總體需求和裝備的精確穩(wěn)定可以討論研究以下五種方案：
3.1.1 圓柱坐標(biāo)型
由三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)其中包括：一轉(zhuǎn)動(dòng)，兩運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)工作的空間和范圍呈現(xiàn)的是圓柱形運(yùn)動(dòng)空間。在于其他坐標(biāo)型進(jìn)行比較，該圓柱坐標(biāo)型，所占的體積小，但是運(yùn)動(dòng)空間大，范圍也更廣。
3.1.2 直角坐標(biāo)型
三條相互垂直的直線(xiàn)，在空間中按照各自直線(xiàn)的方向進(jìn)行移動(dòng)，構(gòu)成直角坐標(biāo)系。在互相垂直的三直線(xiàn)坐標(biāo)系中其運(yùn)動(dòng)空間是長(zhǎng)方體空間。由于各方向是直線(xiàn)，在各直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)是便可以記下坐標(biāo)，標(biāo)記明顯，在對(duì)位置的編程計(jì)算時(shí)起到很便捷的作用，因此定位精度方面相比于其他坐標(biāo)系準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是由于是相互垂直的直線(xiàn)方向，在體積與空間上機(jī)體占用大，笨重不靈活。
3.1.3 球坐標(biāo)型
由兩轉(zhuǎn)動(dòng)，一直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)組成的球坐標(biāo)系，又可以叫做極坐標(biāo)型。組成；一俯仰動(dòng)作，一伸縮動(dòng)作，一回轉(zhuǎn)動(dòng)作。運(yùn)作空間：球形，球坐標(biāo)系的工作空間可以實(shí)現(xiàn)俯仰，伸縮，回轉(zhuǎn)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)抓取地面或者位置低于地面位置的工件，其優(yōu)點(diǎn)是裝置各構(gòu)件內(nèi)部緊密，精度高，且運(yùn)動(dòng)空間工作范圍大，但缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他類(lèi)型比較復(fù)雜，不靈巧簡(jiǎn)便。
3.1.4 關(guān)節(jié)型
此機(jī)器人臂部裝置與人類(lèi)的上肢在一定程度上相似，它的前面三個(gè)關(guān)節(jié)功能都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)功能，故該類(lèi)型又可稱(chēng)為回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型。關(guān)節(jié)機(jī)器人通常情況下由立柱和手臂組成。柱與臂的配合方式可以形成擬人肩關(guān)節(jié)，臂與前臂的配合方式可以形成類(lèi)似于人體的肘關(guān)節(jié)，從而保證臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和臂與前臂的俯仰擺動(dòng)特性。優(yōu)點(diǎn)是工作移動(dòng)靈活，工作空間大，屬于一般坐標(biāo)系，并且更加易于抓取附近工件。
3.1.5 平面關(guān)節(jié)型
一移動(dòng)，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的平面關(guān)節(jié)型。它的前行、后退、左右運(yùn)動(dòng)由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制處理，上下工作運(yùn)動(dòng)由移動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行控制處理。這種類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)空間軌跡與前面幾種不同，平面關(guān)節(jié)型旋轉(zhuǎn)體為矩形，運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)行程為其縱截面高度。對(duì)于旋轉(zhuǎn)體的橫截面結(jié)構(gòu)，其大小和形狀主要由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度決定。它的構(gòu)造也決定了它本身在水平方向的運(yùn)動(dòng)靈活，簡(jiǎn)便柔順；硬度方面，在垂直方向的剛度也是很高。由于它配置簡(jiǎn)單自由，構(gòu)件多為標(biāo)準(zhǔn)間，柔性度高，操作靈活的原因。在實(shí)際生活中，多用于插接裝配工作，進(jìn)行裝接。
五種決策方案進(jìn)行優(yōu)缺對(duì)比：方案一的圓柱坐標(biāo)系工作范圍廣，但不能實(shí)現(xiàn)本研究所有要求規(guī)定的動(dòng)作；方案二直角坐標(biāo)型機(jī)體不靈活，整體笨重；方案三球坐標(biāo)型可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)，但結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，組裝拆卸困難；方案五平面關(guān)節(jié)型無(wú)法完成三自由度的條件，不能完成指定運(yùn)動(dòng)工作方式。綜上所述結(jié)合多種優(yōu)缺點(diǎn)，本次方案選擇第四種方案關(guān)節(jié)型機(jī)器人。該方案工件裝置安排，動(dòng)作精度高，工藝簡(jiǎn)便，系統(tǒng)整體操作靈活可靠。
3.2 工作空間的確定
工作空間的確定主要基于所選擇的關(guān)節(jié)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)。工作空間是：在理論上講，以關(guān)節(jié)型機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)處的參考點(diǎn)為基準(zhǔn)，最大可運(yùn)動(dòng)工作的空間范圍確定為運(yùn)動(dòng)空間。它是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的重要參考和技術(shù)參數(shù)。本課題中機(jī)器人的理論工作空間：1500mm。
圖3－1 機(jī)器人的機(jī)座坐標(biāo)系
3.3 手腕結(jié)構(gòu)的確定
手腕的工作位置：位于機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的末端處。它是將末端夾持的機(jī)器和手臂構(gòu)件連接在一的橋梁，起到連接作用。它的主要功能是在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了三個(gè)可確定的坐標(biāo)位置基礎(chǔ)上，再加上手腕的三個(gè)方向的靈活運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到三自由度的目的。
圖3－2 傳動(dòng)原理機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
根據(jù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性條件，電機(jī)結(jié)構(gòu)安置裝配為三角形結(jié)構(gòu)，見(jiàn)上圖。
3.4 基礎(chǔ)參數(shù)定值
腕部空間結(jié)構(gòu)敲定后，進(jìn)而確定腕部處旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)三種運(yùn)動(dòng)形式。
表3-1 機(jī)器人的主要規(guī)格參數(shù)
動(dòng)作范圍
手腕回轉(zhuǎn)
手腕擺動(dòng)
手腕旋轉(zhuǎn)
額定載荷
最大速度
第4章 手腕詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明
4.1 驅(qū)動(dòng)運(yùn)行方案策略的考究和選擇
驅(qū)動(dòng)方案策略選擇上通常有以下四種：
a. 步進(jìn)電機(jī)：實(shí)現(xiàn)以數(shù)字，字符對(duì)運(yùn)動(dòng)工作進(jìn)行簡(jiǎn)單、快速的編程處理，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制自動(dòng)化，數(shù)字控制的特點(diǎn)是：簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)，良好的控制性能，構(gòu)建成本較低，并且不需要通過(guò)反饋系統(tǒng)的反饋就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)速度和位置的處理操作。同樣，由于屬于無(wú)反饋控制也稱(chēng)開(kāi)環(huán)控制，出現(xiàn)誤差后沒(méi)有合適的辦法進(jìn)行矯正處理；一旦出現(xiàn)誤差，系統(tǒng)精度就會(huì)下降，還會(huì)引起電機(jī)間構(gòu)件失去同步的現(xiàn)象。
b. 直流伺服電機(jī)：速度相比于其他電機(jī)，有著良好的調(diào)速特性。同時(shí)相對(duì)功率大，能夠進(jìn)行快速起速，如今的技術(shù)也逐漸成熟，控制穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低，維修安裝上也相對(duì)便利。
c. 交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)由于它的構(gòu)造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，安裝維修便捷，運(yùn)行安全可靠，但是價(jià)格上與步進(jìn)電機(jī)相比則需要更多的成本。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，交流伺服電機(jī)的調(diào)速性能逐漸與直流伺服電機(jī)相當(dāng)。在響應(yīng)速度方面，交流伺服電機(jī)的三倍過(guò)載輸出轉(zhuǎn)矩可以在啟動(dòng)時(shí)就直接獲得大額啟動(dòng)功率，相應(yīng)的響應(yīng)速度也會(huì)被提高。
d. 液壓伺服馬達(dá)：液壓系統(tǒng)比較穩(wěn)定，精度比較高，負(fù)載能力也很強(qiáng)；但是液壓系統(tǒng)會(huì)存在漏油泄露的情況，液壓傳動(dòng)的介質(zhì)選擇也要根據(jù)工作條件進(jìn)行選擇。液壓伺服馬達(dá)不適用于小型的機(jī)器人，盡量不選擇此種方案。
綜上：本次研究方案定為選擇直流伺服電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩大、體積小、伺服條件良好、反應(yīng)性能快，技術(shù)成熟，成本低廉。
4.2 手腕電機(jī)的挑選
4.2.1 篩選提腕電機(jī)
腕部理論載荷峰值，最初估計(jì)腕部質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)速度理論達(dá)到最大值v=2m/s
功率
取安全系數(shù)為1.2，
需確定傳動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的摩擦和損失，電動(dòng)機(jī)的功率可定為：。
電機(jī)選擇：Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)
表4-1 Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)
型 號(hào)
額定電壓
（V）
額定轉(zhuǎn)矩
(N/m)
額定轉(zhuǎn)速
(r/m)
參考功率
(W)
重量
(kg)
Z200/20-400
200
1
2000
400
5.5
4.2.2 選擇轉(zhuǎn)腕、擺腕電機(jī)
考慮到機(jī)器完整要求的選擇：Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)型號(hào)：200/20-400。
4.3 傳動(dòng)比定值
4.3.1 確定提腕總傳動(dòng)比
角速度 = ＝＝20 r/s
；角速度(r/s)， R；機(jī)械接口處與轉(zhuǎn)動(dòng)軸距離(m)，V；運(yùn)動(dòng)速度（m/s）。
繼續(xù)求實(shí)際轉(zhuǎn)速 n’＝
為轉(zhuǎn)速(r/min)。
最終計(jì)算得到總傳動(dòng)比
i總＝＝10.4 整數(shù)取值i總1=10
4.3.2 確定擺腕、轉(zhuǎn)腕傳動(dòng)比
同法，繼續(xù)可計(jì)算出
總傳動(dòng)比i總2＝20（轉(zhuǎn)腕結(jié)構(gòu)）
總傳動(dòng)比i總3＝10（擺腕結(jié)構(gòu)）
4.4 分配傳動(dòng)比
本方案進(jìn)行傳動(dòng)比分配需要考慮的原則：首先保證傳動(dòng)的合理進(jìn)行，各級(jí)要協(xié)調(diào)合理進(jìn)行分配，與傳動(dòng)比相協(xié)調(diào)的是各齒輪的尺寸數(shù)據(jù)大小。
a. 分配提腕傳動(dòng)比
1. 總傳動(dòng)比：I總1=10。傳動(dòng)可分為二級(jí)傳動(dòng)
2.第一極傳動(dòng)位置為圓柱齒輪傳動(dòng)，分配的傳動(dòng)比I11=2。
3.第二極傳動(dòng)位置為圓錐齒輪傳動(dòng)，分配的傳動(dòng)比i12＝5。
b. 分配轉(zhuǎn)腕傳動(dòng)比
1.總傳動(dòng)比：I總2＝20。傳動(dòng)同樣分為二級(jí)傳動(dòng)
2.第一極傳動(dòng)位置為圓錐齒輪傳動(dòng)，分配得到的傳動(dòng)比I21＝5。
3.第二極傳動(dòng)位置為圓錐齒輪傳動(dòng)，分配得到的傳動(dòng)比I21＝4。
c. 擺腕傳動(dòng)比分配
1. 總傳動(dòng)比:I總3＝10.傳動(dòng)分為二級(jí)傳動(dòng)
2.第一極傳動(dòng)位置為圓柱齒輪傳動(dòng)，分配得到的傳動(dòng)比I31＝2。
3.第二極傳動(dòng)位置為圓錐齒輪傳動(dòng)，分配得到的傳動(dòng)比I32＝5。
4.5 輪齒的設(shè)計(jì)
根據(jù)綜上所述傳動(dòng)比分配安排，各齒輪具體尺寸進(jìn)行合理安排設(shè)計(jì)。
4.5.1 提腕結(jié)構(gòu)部分齒輪合理設(shè)計(jì)
A. 第一極：圓柱齒輪傳動(dòng)
材料方面選擇：45號(hào)剛，鍛造毛坯，正火處理，齒輪表面硬度達(dá)到170~190HBS，齒輪精度等級(jí)達(dá)到7級(jí)。選擇。
a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
首先根據(jù)輪齒表面承受的接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按照輪齒根部彎曲承受的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。
b.根據(jù)輪齒表面承受的接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
輪齒表面承受的接觸疲勞強(qiáng)度條件的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)公式
（4－1）
其中， ，，
，，，
已選材料的接觸處疲勞極限值應(yīng)力：
已選材料的接觸處疲勞極限值應(yīng)力：
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由公式
（4-2）
則
接觸處疲勞壽命系數(shù)為,
彎曲疲勞處壽命系數(shù)為
接觸處疲勞安全系數(shù)為，彎曲疲勞安全系數(shù)為,又，試選。
計(jì)算許用接觸應(yīng)力、許用彎曲應(yīng)力：
相關(guān)數(shù)據(jù)代進(jìn)（4－1）得：
則
動(dòng)載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動(dòng)載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則
修正
可取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。
c.計(jì)算基本尺寸
取
d. 校核輪齒根處彎曲疲勞強(qiáng)度
復(fù)合齒形系數(shù)，
取
校核兩齒輪彎曲強(qiáng)度
（4－3）
綜上所述：齒輪設(shè)計(jì)為合理化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足安全要求。
表4－2 齒輪的幾何尺寸
名稱(chēng)
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
計(jì)算后小齒輪分度圓直徑相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較小，考慮后選擇將小齒輪結(jié)構(gòu)上改成齒輪軸。
B. 第二極：圓錐齒輪傳動(dòng)
材料選擇：45號(hào)鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，輪齒表面硬度達(dá)到：180~190HBS，輪齒精度等級(jí)達(dá)到：7極。選擇
a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
首先選擇輪齒表面的接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，其次按照輪齒根部的彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核檢驗(yàn)。
b. 按輪齒表面的接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
輪齒表面的接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式：
（4－4）
其中， ，，
，，
選擇材料接觸處疲勞極值應(yīng)力：
選擇材料接觸處疲勞極值應(yīng)力：
計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N
（4-5）
則
接觸處疲勞壽命系數(shù),
彎曲處疲勞壽命系數(shù)
接觸處疲勞安全系數(shù)：，彎曲處疲勞安全系數(shù)：,又，可選。
計(jì)算許用接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力：
將相關(guān)數(shù)據(jù)代入整理（4－4）得：
則
動(dòng)載荷系數(shù)：；使用系數(shù)：；齒向受載分布不均系數(shù)：；齒間載荷分配系數(shù)：，則
修正
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)：。
c.基本尺寸計(jì)算
d. 校核檢驗(yàn)齒根處彎曲疲勞強(qiáng)度
復(fù)合齒形系數(shù)，
取
校核檢驗(yàn)兩齒輪彎曲強(qiáng)度
（4-6）
綜上所述：齒輪設(shè)計(jì)合理，滿(mǎn)足安全要求。
表4－3齒輪的幾何尺寸
·
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
由計(jì)算得出小齒輪的分度圓直徑相對(duì)較小，設(shè)計(jì)上將小齒輪制成齒輪軸。
4.5.2 轉(zhuǎn)腕部分齒輪設(shè)計(jì)
第一極：圓錐齒輪傳動(dòng)
材料選擇：45號(hào)鋼，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，輪齒表面硬度達(dá)到：180~190HBS，齒輪精度等級(jí)達(dá)到：7級(jí)。取。 校驗(yàn)后輪齒滿(mǎn)足要求.
表4－4齒輪的幾何
名稱(chēng)
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
第二極：圓錐齒輪傳動(dòng)
材料選擇：45號(hào)鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，輪齒表面硬度達(dá)到：180~190HBS，齒輪精度等級(jí)達(dá)到：7級(jí)。取。校驗(yàn)后齒輪達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
表4－5齒輪的幾何尺寸
名稱(chēng)
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
4.5.3合理設(shè)計(jì)擺腕齒輪
第一極：圓柱齒輪傳動(dòng)
材料選擇：45號(hào)鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，輪齒表面硬度達(dá)到：180~190HBS，齒輪精度等級(jí)達(dá)到：7級(jí)。取。校驗(yàn)后小齒輪滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)成齒輪軸。
表4－6齒輪的幾何尺寸
名稱(chēng)
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
第二極：圓錐齒輪傳動(dòng)
材料選擇：45號(hào)鋼，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理輪齒表面硬度達(dá)到：180~190HBS，齒輪精度等級(jí)達(dá)到：7級(jí)。取。校驗(yàn)后小齒輪滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)成齒輪軸。
表4－6齒輪的幾何尺寸
名稱(chēng)
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
4.6 軸的設(shè)計(jì)和校核
軸的合理化設(shè)計(jì)時(shí)本課題研究的重要一環(huán)，合理的軸設(shè)計(jì)可以進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理的構(gòu)件受力，合理的安裝，裝配。軸承的種類(lèi)也是多種多樣，合理的類(lèi)型選擇和尺寸設(shè)計(jì)，可以有效的避免應(yīng)力集中，也可以減弱應(yīng)力集中所帶來(lái)的影響，大大提高整個(gè)系統(tǒng)的工藝性。如果設(shè)計(jì)的方案，具有比較大的剛度要求，也要考慮軸的變形情況。
4.6.1 輸出軸的設(shè)計(jì)
擺腕部位處的傳軸器裝置應(yīng)該選擇：軸直徑D=18mm ，相應(yīng)取軸長(zhǎng)度L=135mm。
擺腕的運(yùn)動(dòng)條件限制了軸的選擇，要考慮到擺腕的運(yùn)動(dòng)空間需要相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故提腕部位和轉(zhuǎn)腕部位的鏈接所選的連接軸為軟軸。
4.5.2 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)
軸選擇材料：45號(hào)鋼，進(jìn)行調(diào)制操作處理
a. 初估軸徑， c=106~117,取c=106則
（4-7）
b. 各段軸徑的確定
軸徑最初估計(jì)完成后，可以依靠零件的裝配步驟以開(kāi)始擬定軸徑：是設(shè)計(jì)軸1的直徑，軸1上的聯(lián)軸器和軸1的直徑進(jìn)行一起確定。選擇波紋管連軸器，軸1直徑：＝20mm。
右端依靠軸肩固定處理，軸2裝有套筒，軸2直徑：＝22mm。
軸3處將有軸承，軸徑的選擇既要滿(mǎn)足軸承內(nèi)徑的裝配要求，又要考慮軸承外部簡(jiǎn)便裝配。因此軸3直徑和軸承型號(hào)共同選擇，選擇角接觸球軸承，型號(hào)為：7205，內(nèi)徑：＝25mm。同根軸上的兩個(gè)軸承型號(hào)選擇應(yīng)該一致相同，選擇軸7直徑：＝25mm。
軸4考慮使用軸肩固定軸承，取＝30mm。
軸5作成齒輪軸，尺寸與齒輪一致。
按照結(jié)構(gòu)定值軸6直徑＝30mm。
c. 各軸段長(zhǎng)度確定
每個(gè)軸段的長(zhǎng)度與每個(gè)部件的輪轂長(zhǎng)度和部件的配合部分的長(zhǎng)度有關(guān)，也與箱體和軸承蓋相應(yīng)部分的長(zhǎng)度有關(guān)。
根據(jù)聯(lián)軸器取 。
考慮到套筒長(zhǎng)度取 。
根據(jù)軸承寬度取 。
根據(jù)結(jié)構(gòu) 。
圖4－1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖
4.5.3 軸的強(qiáng)度校核
在進(jìn)行各軸的整體設(shè)計(jì)之后，要根據(jù)材料力學(xué)中的強(qiáng)硬度進(jìn)行計(jì)算它的承載能力，進(jìn)行安全校核。在進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核時(shí)，要考慮選擇合適的許用應(yīng)力。傳遞扭矩的軸則需要進(jìn)行扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的計(jì)算，產(chǎn)生彎矩的軸則需要進(jìn)行彎曲強(qiáng)度計(jì)算，各軸需要進(jìn)行精確的疲勞強(qiáng)度計(jì)算校核，確定安全系數(shù)。
圖4－2軸受力分析、彎扭矩圖
a． 軸的轉(zhuǎn)矩T：
主軸傳遞功率：
（4-8）
計(jì)算作用齒輪上的力：
b． 軸受力圖如圖4－2
c． 軸的支撐反力計(jì)算
在水平面上
在垂直面上
d． 彎矩圖如圖4－2
在水平面上，剖面左側(cè)
剖面右側(cè)
在垂直面上
合成彎矩，剖面左側(cè)
剖面右側(cè)
e． 畫(huà)轉(zhuǎn)矩圖 見(jiàn)圖4－2
f. 確定危險(xiǎn)截面
截面左側(cè)合成彎矩經(jīng)計(jì)算后大于右側(cè)合成彎矩，扭矩為T(mén)，根據(jù)強(qiáng)度校核條件，進(jìn)行左側(cè)合成彎矩的校核檢驗(yàn)。
g.．軸的彎扭合成強(qiáng)度檢驗(yàn)
許用彎曲應(yīng)力，，
截面左側(cè)
h. 軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)檢驗(yàn)
知抗拉強(qiáng)度 ：，彎曲疲勞強(qiáng)度：，剪切疲勞極限：，等效系數(shù)：，
截面左側(cè)
查，；絕對(duì)尺寸系數(shù)：，；軸通過(guò)磨削加工處理，表面質(zhì)量系數(shù)。則
彎曲應(yīng)力 ，
應(yīng)力幅
平均應(yīng)力
切應(yīng)力
安全系數(shù)
許用安全系數(shù)，，故剖面滿(mǎn)足安全條件。
同理，其他軸經(jīng)過(guò)安全校核都應(yīng)滿(mǎn)足安全許可條件。
4.7 夾持器的設(shè)計(jì)
本次夾持器的設(shè)計(jì)需要考慮選擇的焊槍軸的直徑、機(jī)械接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中焊槍軸徑：50mm。
4.8 殼體的設(shè)計(jì)
關(guān)于殼體的設(shè)計(jì)，機(jī)座，機(jī)身，大小臂，手腕的外殼、箱體部分全部采用鑄鋁材質(zhì)，除機(jī)身采用圓筒結(jié)構(gòu)，其余均為正方形結(jié)構(gòu)，壁厚：7~10mm。
其余結(jié)構(gòu)具體尺寸，詳見(jiàn)圖紙安排。
結(jié) 論
電機(jī)選擇上：直流伺服電動(dòng)機(jī)。機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)的合理化設(shè)計(jì)，正確設(shè)計(jì)齒輪，傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)了三自由度空間運(yùn)作。
夾持上選擇夾持焊槍?zhuān)梢院艽蟪潭壬咸岣吖ぷ餍剩鉀Q由于環(huán)境，人工產(chǎn)生帶來(lái)的問(wèn)題，在實(shí)際生產(chǎn)中可以提高效益。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 劉辛軍,汪勁松,高峰.并聯(lián)六自由度微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2001,41.(8):16-20.
[2] 徐衛(wèi)平,張玉茹,六自由度微動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析[J].機(jī)器人ROBOT,1995,17.(5):298-302.
[3] 李明利,楊利華. 磁性輪式球罐焊接機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械,
2001,28:83-84.
[4] 潘沛霖,楊宏,高波,吳微光.四自由度折疊式機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1994,26.(4):90-95.
[5] 殷際英,何廣平.關(guān)節(jié)型機(jī)器人[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.
[6] 馬香峰.工業(yè)機(jī)器人的操作設(shè)計(jì)和分析[M] .北京:冶金工業(yè)出版社, 1996.
[7] 費(fèi)仁元,張慧慧.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析[M] .北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,1998.
[8] 周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)[M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1995.
[9] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.
[10] 宗光華,劉海波譯.機(jī)器人技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京:科學(xué)出版社, 1996.
[11] 徐衛(wèi)良,錢(qián)瑞名譯.機(jī)器人操作的數(shù)學(xué)導(dǎo)論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.
[12] 孫迪生,王炎.機(jī)器人控制技術(shù)[M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.
[13] 徐錦康.機(jī)械設(shè)計(jì)[M] .第二版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.
[14] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M] .第二版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.
[15] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第四版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.
[16] 陳秀寧,施高義.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].第一版.浙江:浙江大學(xué)出版社,1995 .
致 謝
四年大學(xué)生涯，轉(zhuǎn)瞬即逝。四年光陰如煙花，滿(mǎn)眼繁華?；厥淄拢c(diǎn)點(diǎn)滴滴仍歷歷在目，萬(wàn)千感慨入心中。既有成功是的喜悅和興奮，也有失敗時(shí)的傷感與不甘，這段時(shí)光與經(jīng)歷已然成為我人生中寶貴的財(cái)富。成長(zhǎng)離不開(kāi)恩師們，對(duì)我的淳淳教導(dǎo)，也不離開(kāi)同學(xué)的鼓勵(lì)和家人的支持。
我的論文在王輝導(dǎo)師用心良苦的指導(dǎo)下順利完成的，老師做事嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，認(rèn)真積極的負(fù)責(zé)表現(xiàn)，平易近人的人格魅力對(duì)我影響深遠(yuǎn)。大學(xué)四年，所遇良師，恩師皆讓我感恩，一生奉獻(xiàn)給教學(xué)生涯的陳玲老師，鼓勵(lì)我積極考研，奔往吉林大學(xué)；人格高尚的王輝老師，在授課中讓我不僅有學(xué)業(yè)上收獲頗豐，更是在修身上得到感悟。幫助過(guò)我的恩師，太多太多，每一位都讓我受益頗深。同學(xué)室友的集體生活，也讓我學(xué)會(huì)互幫互助，換位思考，大家的鼓勵(lì)與支持讓我不能相忘。在外求學(xué)，讓父母操勞掛念，唯有學(xué)有所成才能對(duì)得起父母的一片付出，感恩。
最后，再次感謝，老師在指導(dǎo)論文上付出的心血，您辛苦了。大學(xué)的日子即將畫(huà)上一個(gè)句號(hào)，我將在家人的陪伴，同學(xué)的鼓勵(lì)，老師的教誨下開(kāi)始新的啟航。愿歸來(lái)仍是少年。
42
收藏