2629 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門生產(chǎn)工序工業(yè)機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)

2629 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門生產(chǎn)工序工業(yè)機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì),發(fā)動(dòng)機(jī),氣門,生產(chǎn),出產(chǎn),工序,工業(yè),機(jī)器人,腰部,機(jī)構(gòu),傳動(dòng),設(shè)計(jì) 附表 4：寧波大紅鷹學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論文） 任 務(wù) 書所在學(xué)院 機(jī)電學(xué)院 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其 自動(dòng)化 班級(jí) 08 機(jī)自 4 班學(xué)生姓名 臧云鋒 學(xué)號(hào) 08141010431 指導(dǎo)教師 朱火美題 目 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門生產(chǎn)工序工業(yè)機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容與基本要求：（目標(biāo)、任務(wù)、途徑、方法，應(yīng)掌握的原始資料（數(shù)據(jù)） 、參考資料（文獻(xiàn)）以及設(shè)計(jì)技術(shù)要求、注意事項(xiàng)等） （紙張不夠可加頁(yè)）課題簡(jiǎn)介：隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)汽車零部件生產(chǎn)的數(shù)量和質(zhì)量都提出了更高的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)氣門作為汽車中的重要零件，市場(chǎng)需求量大，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)量也在不斷的增加。為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，自動(dòng)化生產(chǎn)已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。而機(jī)器人正是自動(dòng)化生產(chǎn)中的重要工具。本課題的主要任務(wù)是對(duì)機(jī)器人的腰部及傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。要求對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，估算各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率，完成電機(jī)和減速器的選型。其次從電機(jī)和減速器的連接和固定出發(fā)，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并對(duì)機(jī)構(gòu)中的重要連接件進(jìn)行強(qiáng)度校核。主要任務(wù)：（1）機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維造型（2）機(jī)器人腰部受力計(jì)算與校核（3）機(jī)器人腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)設(shè)計(jì)（4）重要零件圖及裝配圖繪制（5）伺服電機(jī)選型（6）撰寫 1 萬字以上設(shè)計(jì)說明書一份原始數(shù)據(jù)：氣門電鐓成型工序電鐓機(jī)、摩擦壓力機(jī)與機(jī)機(jī)器人布置如下圖所示。以機(jī)機(jī)器人為中心，半徑為 875mm 的圓周上，布置三臺(tái)電鐓機(jī)和一臺(tái)摩擦壓力機(jī)。電鐓機(jī)工作平面高 1500mm，摩擦壓力機(jī)工作平面高 900mm，預(yù)留機(jī)器人基座高度 500mm。電鐓機(jī)每 29 秒完成一個(gè)毛坯的電鐓工作，摩擦壓力機(jī) 6 秒可完成壓力成型工序。機(jī)器人的工作任務(wù)是將電鐓后的工件及時(shí)送入摩擦壓力機(jī)的工作區(qū)域，即每 9.6 秒需要完成從零件抓取到最后零件釋放的一系列動(dòng)作。相關(guān)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖及機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖根據(jù)以上工作要求，綜合考慮機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)和通用性，確定采用六自由度關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。整體方案確定各連桿長(zhǎng)度（以轉(zhuǎn)動(dòng)副的中心為端點(diǎn)）數(shù)據(jù)如下，連桿1（即大臂）長(zhǎng) 650mm，連桿 2（即小臂）長(zhǎng) 570mm，連桿 3（即手爪）長(zhǎng) 280mm。初定各關(guān)節(jié)額定轉(zhuǎn)速為 20r/min，手爪末端額定負(fù)載為 5kg。機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如上圖所示，關(guān)節(jié) 1 為腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 2 為大臂俯仰關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 3 為小臂俯仰關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 4 為小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 5 為手腕俯仰關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 6 為手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，本課題的任務(wù)就是對(duì)機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。參考資料：[1]殷際英，何廣平.關(guān)節(jié)型機(jī)器人.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003 [2]徐元昌.工業(yè)機(jī)器人 .北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1999 [3]鄭笑紅，唐道武.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用.北京：煤炭工業(yè)出版社，2004[4]IO.M 索羅門采夫 .工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè)[M]. 于東英，安永辰譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991 [5]張鐵，謝存禧.機(jī)器人學(xué).廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001[6]費(fèi)仁元，張慧慧.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)及分析[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998[7]馬香峰.機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991 [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]王光建，梁錫昌，蔣建東.機(jī)器人關(guān)節(jié)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì).機(jī)械傳動(dòng)，2004（4） [10]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社. 二、畢業(yè)論文進(jìn)度計(jì)劃畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間： 2011 年 7 月 1 日至 2012 年 4 月 1 日計(jì) 劃 答 辯 時(shí) 間： 2012 年 4 月 10 日三、專業(yè)（教研室）審批意見：審批人（簽字）：工作任務(wù)與工作量要求：原則上查閱文獻(xiàn)資料不少于 12 篇，其中外文資料不少于 2 篇；文獻(xiàn)綜述不少于 3000 字；文獻(xiàn)翻譯不少于 2000 字；畢業(yè)論文 1 篇不少于 8000 字，理工科類論文或設(shè)計(jì)說明書不少于 6000 字（同時(shí)提交有關(guān)圖紙和附件） ，外語類專業(yè)論文不少于相當(dāng) 6000 漢字。 提交相關(guān)圖紙、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、調(diào)研報(bào)告、譯文等其它形式的成果。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫規(guī)范及有關(guān)要求，請(qǐng)查閱《寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)手冊(cè)》 。備注：學(xué)生一人一題，指導(dǎo)教師對(duì)每一名學(xué)生下達(dá)一份《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書》 。分 類 號(hào) 密 級(jí) 寧學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )發(fā)動(dòng)機(jī)氣門生產(chǎn)工序工業(yè)機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)所 在 學(xué) 院專 業(yè)班 級(jí)姓 名 臧云鋒學(xué) 號(hào)指 導(dǎo) 老 師 朱火美年 月 日2誠(chéng) 信 承 諾我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《發(fā)動(dòng)機(jī)氣門生產(chǎn)工序工業(yè)機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)》均系本人獨(dú)立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。承諾人（簽名）： 年 月 日3摘 要機(jī)器人既有人對(duì)環(huán)境的快速反應(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，從某種意義上說它是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。如今，機(jī)器人工業(yè)已成為世界各國(guó)備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。關(guān)鍵詞：機(jī)器人；工業(yè)；傳動(dòng)；強(qiáng)度4AbstractRobot people on the environment both rapid reaction and analytical skills, but also the machine can continue to work long hours，High accuracy, ability to resist bad environmental，In a sense it is a product of the evolution of the machine，It is the industrial and non-industrial sector, an important production and service equipment，Advanced manufacturing technology is indispensable automation equipment。Today, the robot industry has become the industry closely watched around the world.Key Words: Robot; industry; transmission; strength5目 錄摘 要.........................................................................................................................................3Abstract.......................................................................................................................................4目 錄.........................................................................................................................................5第 1 章 緒論.............................................................................................................................71.1 機(jī)器人概念 ..................................................................................................................71.2 課題研究的背景和意義 ............................................................................................71.3 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究 ......................................................................................................81.4 本課題研究?jī)?nèi)容 ..........................................................................................................9第 2 章 機(jī)器人總體設(shè)計(jì).......................................................................................................102.1 確定基本技術(shù)參數(shù) ....................................................................................................102.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇 .............................................................................................102.1.2 額定負(fù)載 .................................................................................................................112.1.3 工作范圍 .................................................................................................................112.1.4 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) .........................................................................................122.1.5 控制系統(tǒng)選擇 .........................................................................................................122.1.6 確定機(jī)器人手臂的配置形式 .................................................................................132.2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................................................................................................14第 3 章 機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)...............................................................................................163.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 ............................................................................................................163.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比 ........................................................183.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 ............................................................................................................183.3.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率 .........................................................................183.3.2 確定三根軸的具體尺寸 .........................................................................................193.4 確定齒輪的參數(shù) ........................................................................................................233.4.1 選擇材料 ..................................................................................................................233.4.2 壓力角 ?的選擇 .....................................................................................................233.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇 .................................................................................................2363.4.4 齒寬系數(shù) d?.............................................................................................................243.4.5 確定齒輪傳動(dòng)的精度 ??4.........................................................................................243.4.6 齒輪的校核 .............................................................................................................253.5 殼體設(shè)計(jì) ....................................................................................................................283.6 小結(jié) .............................................................................................................................28總 結(jié).....................................................................................................................................29參考文獻(xiàn)...................................................................................................................................30寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)7第 1 章 緒論1.1 機(jī)器人概念機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作。它是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。 本田公司 ASIMO 機(jī)器人現(xiàn)在，國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般來說，人們都可以接受這種說法，即機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“ 一種可編程和多功能的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)。 ”它能為人類帶來許多方便之處。機(jī)器人是近 30 年發(fā)展起來的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個(gè)重要內(nèi)容。1.2 課題研究的背景和意義機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。機(jī)器人一詞最早出現(xiàn)于 1920 年捷克作家 Karel Capek 的劇本《羅薩姆的萬能機(jī)器人》中，在該劇中，機(jī)器人“Robota”這個(gè)詞的本意是指苦力，是劇作家筆寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)8下的一個(gè)具有人的外表、特征和功能的機(jī)器，是一種人造的勞動(dòng)力。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類生活領(lǐng)域，研制具有人類外觀特征、可模擬人類行走和其他動(dòng)作的機(jī)器人一直是人類的夢(mèng)想之一。機(jī)器人是一門綜合性很強(qiáng)的科學(xué)，有著極其廣泛的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息融合技術(shù)、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、仿生科學(xué)以及人工智能等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，它不僅涉及到線性、非線性、基于多種傳感器信息控制以及實(shí)時(shí)控制技術(shù)，而且還包括復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的建模、數(shù)字仿真技術(shù)及混合系統(tǒng)的控制研究等方面的技術(shù)。機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)中的一個(gè)重要研究課題，而雙足機(jī)器人是機(jī)器人研究的前奏。步行技術(shù)是人與大多數(shù)動(dòng)物所具有的移動(dòng)方式，是一種高度自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)，雙足步行系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)于環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，它相對(duì)輪式、履帶式機(jī)器人具有無可比擬的優(yōu)越性，它可以進(jìn)入狹窄的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺(tái)階、斜坡及在不平整地面上工作，可以護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及在一般家庭的家政服務(wù)都可以應(yīng)用。它適應(yīng)環(huán)境的能力更強(qiáng)，因此具有更加廣泛的應(yīng)用前景。在機(jī)器人的研制中，機(jī)器人仿真是機(jī)器人研究的一項(xiàng)重要的內(nèi)容，它涉及機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人零件建模、仿真機(jī)器人三維實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，是一項(xiàng)綜合性有創(chuàng)新意義和實(shí)用價(jià)值的研究課題。仿真利用計(jì)算機(jī)可視化和面向?qū)ο蟮氖侄?，模擬機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形態(tài)及極限，提示機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)動(dòng)方案及有效的控制算法，從而解決在機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)行過程中的問題，避免了直接操作實(shí)體可能會(huì)造成的事故或者不必要的損失。仿真也為機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，并在這臺(tái)機(jī)器上模擬能都實(shí)現(xiàn)的功能，使用戶直接看到設(shè)計(jì)效果，及時(shí)找出缺點(diǎn)和不足進(jìn)行改進(jìn)，避免了大量的物力、人力的浪費(fèi) [1，2] 。1.3 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究我國(guó)已在“七五”計(jì)劃中把機(jī)器人列人國(guó)家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國(guó)第一個(gè)機(jī)器人研究示范工程，全面展開了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。目前，示教再現(xiàn)型機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。我國(guó)自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在長(zhǎng)春第一汽車廠及東風(fēng)汽寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)9車廠投入運(yùn)行。1986 年 3 月開始的國(guó)家 863 高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容。就目前來看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究也在 863 計(jì)劃和自然科學(xué)基金的支持下持續(xù)開展了多年，如國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等，都先后開始研制機(jī)器人樣機(jī) [4]。1.4 本課題研究?jī)?nèi)容本課題的主要任務(wù)是對(duì)機(jī)器人的腰部及傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。要求對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，估算各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率，完成電機(jī)和減速器的選型。其次從電機(jī)和減速器的連接和固定出發(fā)，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并對(duì)機(jī)構(gòu)中的重要連接件進(jìn)行強(qiáng)度校核。主要任務(wù)：（1）機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維造型（2）機(jī)器人腰部受力計(jì)算與校核（3）機(jī)器人腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)設(shè)計(jì)（4）重要零件圖及裝配圖繪制（5）伺服電機(jī)選型（6）撰寫 1 萬字以上設(shè)計(jì)說明書一份原始數(shù)據(jù)：氣門電鐓成型工序電鐓機(jī)、摩擦壓力機(jī)與機(jī)機(jī)器人布置如下圖所示。以機(jī)機(jī)器人為中心，半徑為 875mm 的圓周上，布置三臺(tái)電鐓機(jī)和一臺(tái)摩擦壓力機(jī)。電鐓機(jī)工作平面高 1500mm，摩擦壓力機(jī)工作平面高 900mm，預(yù)留機(jī)器人基座高度 500mm。電鐓機(jī)每 29 秒完成一個(gè)毛坯的電鐓工作，摩擦壓力機(jī) 6 秒可完成壓力成型工序。機(jī)器人的工作任務(wù)是將電鐓后的工件及時(shí)送入摩擦壓力機(jī)的工作區(qū)域，即每 9.6 秒需要完成從零件抓取到最后零件釋放的一系列動(dòng)作。寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)10相關(guān)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖及機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖根據(jù)以上工作要求，綜合考慮機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)和通用性，確定采用六自由度結(jié)構(gòu)。整體方案確定各連桿長(zhǎng)度（以轉(zhuǎn)動(dòng)副的中心為端點(diǎn)）數(shù)據(jù)如下，連桿 1（即大臂）長(zhǎng) 650mm，連桿 2（即小臂）長(zhǎng) 570mm，連桿 3（即手爪）長(zhǎng) 280mm。初定各關(guān)節(jié)額定轉(zhuǎn)速為 20r/min，手爪末端額定負(fù)載為 5kg。機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如上圖所示，關(guān)節(jié) 1 為腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 2 為大臂俯仰關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 3 為小臂俯仰關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 4 為小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 5 為手腕俯仰關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié) 6 為手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，本課題的任務(wù)就是對(duì)機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。第 2 章 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)2.1 確定基本技術(shù)參數(shù)2.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的 6 個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計(jì)成以下五種方案：a.圓柱坐標(biāo)型 這種運(yùn)動(dòng)形式是通過一個(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。寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)11b.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)體所占空間體積大、靈活性較差。c.球坐標(biāo)型 又稱極坐標(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。d. 又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，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。 e.平面 采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)；兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動(dòng)關(guān)節(jié)的行程長(zhǎng)，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。對(duì)以上五種方案進(jìn)行比較：方案一不能夠完全實(shí)現(xiàn)本課題所要求的動(dòng)作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實(shí)現(xiàn)本課題的動(dòng)作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：機(jī)器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，工藝操作精度高。2.1.2 額定負(fù)載目前,國(guó)內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)器人中,其負(fù)載能力的范圍很大,最小的額定負(fù)載在 5N以下,最大可達(dá) 9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對(duì)象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務(wù)要求是保證手腕部能承受的最大載荷是 5kg。2.1.3 工作范圍工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過程中的操作范圍和運(yùn)動(dòng)的軌跡來寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)12確定的,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。2.1.4 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動(dòng)臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種: a.步進(jìn)電機(jī)：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過大時(shí)會(huì)造成“失步”現(xiàn)象。 b.直流伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。c.交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管 GTO，大功率晶閘管 GTR 和場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET 等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用 16 位 CPU+32 位 DSP 三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。d.液壓伺服馬達(dá)：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等。其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū)動(dòng)方式。電極驅(qū)動(dòng)具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機(jī)器人應(yīng)用要求等特點(diǎn)。所以在這次設(shè)計(jì)中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)132.1.5 控制系統(tǒng)選擇對(duì)于焊接機(jī)器人這種精度要求不高的工業(yè)機(jī)器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教方式作為一種成熟的技術(shù)，易被熟悉工作任務(wù)的人員掌握。無論是手把手示教或示教盒示教，都是以在線編程，由示教操作人員操作移動(dòng)末端執(zhí)行器和手臂到所需的位置。然后記錄（存儲(chǔ)）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過程完成后，即可應(yīng)用，機(jī)器人以再現(xiàn)方式重復(fù)進(jìn)行示教時(shí)存于存儲(chǔ)器的點(diǎn)位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過程的速度可以與示教時(shí)速度不同。利用示教手柄由人工引導(dǎo)末端執(zhí)行器經(jīng)過所要求的軌跡，此時(shí)位置傳感器就檢測(cè)出機(jī)器人操作機(jī)上各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)（或轉(zhuǎn)角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲(chǔ)存）下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。手把手示教也能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。軌跡運(yùn)動(dòng)速度則按各軌跡程序段對(duì)應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。2.1.6 確定機(jī)器人手臂的配置形式手臂的配置形式反映了機(jī)器人操作機(jī)的總體布局。根據(jù)任務(wù)要求,要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接功能,則機(jī)器人的工作范圍要廣,所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點(diǎn)是占地面積小,工作范圍大,機(jī)器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。根據(jù)分析,可將機(jī)器人的參數(shù)列在表 2-1 中：表 2-1 機(jī)器人的主要參數(shù)項(xiàng)目 技術(shù)要求結(jié)構(gòu)型式自由度數(shù) 6 1?23?45?6運(yùn)動(dòng)范圍308o314o292o578o244o534o最大速度 2m∕s腕部最大負(fù)荷 5㎏續(xù)表 2-1項(xiàng)目 技術(shù)要求寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)14驅(qū)動(dòng)方式 直流電機(jī)重復(fù)定位精度 0.05mm2.2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 2-2 機(jī)器人傳動(dòng)原理圖圖 2-2 是整個(gè)機(jī)器人本體機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有 30 個(gè)齒輪，為了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向 90°,有 10 個(gè)齒輪為圓錐齒輪,有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu),則必然以空間交叉方式變向,就不利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。機(jī)器人主要由立柱與基座組成的回轉(zhuǎn)基座以及大臂、小臂、手腕組成。基座是一個(gè)鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié) 1 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在基座內(nèi)安置了關(guān)節(jié)1 的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座等。大臂和小臂的結(jié)構(gòu)形式相似，都由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。內(nèi)部鑄件既作臂的承力骨架，又作內(nèi)部齒輪組的輪殼與軸的支承座。大臂上裝有關(guān)節(jié) 2，3 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，內(nèi)部裝有對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)齒輪組。關(guān)節(jié) 2，3 都采用了三級(jí)齒輪減速，其中第一級(jí)采用錐齒輪，以改變傳動(dòng)方向 90°。第二、三級(jí)均采用圓柱直齒輪進(jìn)行減速。關(guān)節(jié) 2 傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在立柱上；關(guān)節(jié) 3 傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在小臂上。寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)15小臂端部連接具有 3R 手腕，在臂的根部裝有關(guān)節(jié) 4，5 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在小臂的中部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié) 6 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。關(guān)節(jié) 4，5 均采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，不同的是關(guān)節(jié) 4 采用兩級(jí)圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié) 5 采用第一級(jí)圓柱直齒輪，第二級(jí)錐齒輪，使傳動(dòng)軸線改變方向 90°。關(guān)節(jié) 6 采用三級(jí)齒輪傳動(dòng)，第一級(jí)與第二級(jí)為錐齒輪，第三級(jí)為圓柱直齒輪，關(guān)節(jié) 4，5，6 的齒輪組除關(guān)節(jié) 4 第一級(jí)齒輪裝在小臂內(nèi)以外，其余的均裝在手腕內(nèi)部。所設(shè)計(jì)的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：a.內(nèi)部鋁鑄件形狀復(fù)雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡(jiǎn)單，減輕了質(zhì)量。b.軸承外形環(huán)定位簡(jiǎn)單。一般在無軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。c. 采用薄壁軸承與滑動(dòng)銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。d. 有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。e. 大、小臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機(jī)與臂的外壁僅有0.5mm 間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動(dòng)安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。f. 工作范圍大，適應(yīng)性廣。PUMA 除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾乎是他的長(zhǎng)臂所能達(dá)到的全球空間。再加之其手腕軸的活動(dòng)角度大，因此使它工作時(shí)位姿的適應(yīng)性強(qiáng)。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié) 4，6 配合，一次就能轉(zhuǎn) 1112°。g. 由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動(dòng)，調(diào)整齒輪間隙機(jī)構(gòu)，彈性萬向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度高。h. 機(jī)器人手臂材料的選擇：機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此，在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。機(jī)器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)，不應(yīng)有變形和斷裂。從力寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)16學(xué)角度看，即要具有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍 6、聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。在我們的設(shè)計(jì)中為減輕機(jī)器人本體的重量選用鑄鋁材料。第 3 章 機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過總體分析后,確定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的腰關(guān)節(jié)部分采用二級(jí)齒輪減速傳動(dòng)。圖 3-1 機(jī)器人腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:（3-1）232211 lmJlJlmJGGG???、 、 分別為10kg、5kg、12kg。 、 、 分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距離，1m23 1其值分別為300mm、700mm、1500mm，在式（3-1）中 、 、211lJG?2lmJG?故 、 、 可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：233lJG?1GJ2GJ寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)17（3-2）2321lmllJ??= 25.17.05.??= 23kg?同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:25342lmlJ??= 8.01.?= 28kg?式中： ——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。4l m—— 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。5設(shè)主軸速度為219°/s，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下（3-3）???JT式中： ——旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩 TmN?——角加速度 ?w2/srad使機(jī)器人主軸從 到 /s所需時(shí)間為: 則：??019w?1ts??011.355.6TJ Nmt????????若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為 2Nm?電動(dòng)機(jī)的功率可按下式估算（3-4）?LPmP??M)5.1(～式中： ——電動(dòng)機(jī)功率 ；mPW——負(fù)載力矩 ；LMN?——負(fù)載轉(zhuǎn)速 ；P?srad/——傳動(dòng)裝置的效率，初步估算取0.9；?系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取1.5寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)181203.8.59mP???764Nm?估算 后就可選取電機(jī)，使其額定功率 滿足下式mPr（3-5）r?m選擇QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)表3-1 QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)功率（W ）額定電壓（V）額定電流（A）額定轉(zhuǎn)速（r/min）濾磁方式 絕緣等級(jí)工作制（min ）800 24 46.2 1750 串勵(lì) B 603.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取主軸的轉(zhuǎn)速≤4rad/s。傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比 取 48，分二級(jí)傳動(dòng)，第一總i級(jí)是加工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合，傳動(dòng)比 =4；第二級(jí)傳動(dòng)比為1i= =12 (3-6)2i481?總3.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率a.各軸轉(zhuǎn)速Ⅰ軸 (3-7)min/1750rn??Ⅱ軸 (3-8)i/.43?Ⅲ軸 nⅢ = (3-9)in/6.125.7r?b.各軸輸入功率Ⅰ軸 (3-10)WPz7689.080??????寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)19—制動(dòng)器效率z?Ⅱ軸 (3-11)WPba 9.7485.09876??????—齒輪嚙合的效率 — 角接觸球軸承的效率a b?Ⅲ軸 PⅢ = =748.9×0.98=733.9 W (3-12)a??c.各軸輸入扭矩Ⅰ軸 (3-13)mNnpT???? 4.17508.9501Ⅱ軸 (3-14)P??6..432Ⅲ軸 T3=9550 (3-15)mNnⅡ??2.1946.3703.3.2 確定三根軸的具體尺寸兩實(shí)心軸的材料均選用45號(hào)鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力 = 30MPa，由許用應(yīng)力???確定的系數(shù)為C=120.A. 第一根軸設(shè)計(jì)及校核a.此軸傳遞扭矩 mNT??4.1 in/1750rn?? WP768??（3-16）mPCd2.968.233?因?yàn)檩S是齒輪軸,所以可以將軸的軸徑加工的大一點(diǎn),以滿足齒輪嚙合時(shí)強(qiáng)度的要求。齒輪的分度圓直徑為50mm,齒輪兩端裝有軸承,加工一段軸肩來定位軸承.齒輪軸上裝型號(hào)為 滾動(dòng)軸承7206AC,內(nèi)徑為30mm。具體尺寸如圖3-2所示。寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)20圖3-2 第一級(jí)齒輪軸結(jié)構(gòu)圖b.軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對(duì)于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，對(duì)于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算，兩者都具備的按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核等。圖 3－3 軸的受力分析和彎扭矩圖求作用在齒輪上的力：寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)21(3-17) )(07.82tan0tan)(425''' NFdTmzrtt ?????畫軸的受力簡(jiǎn)圖 見圖 3－3計(jì)算軸的支承反力在水平面上(3-18)NlFrHR 72.40329.8321 ????(3-19)HR35.9.-.-1在垂直面上(3-20)NFFtVR10212?畫彎矩圖 見圖 3－3在水平面上， 剖面左側(cè)a—(3-21)mlFMHR ?????9.18027.401剖面右側(cè)a(3-21)NlRa ?? 5.435.9'2在垂直面上 (3-22)mlFVRavaV ?????319021'合成彎矩， 剖面左側(cè)—(3-23)NMaVaH ???7.4.892222剖面右側(cè)a(3-24)maVaH ???? 9.38105.4''' 2222畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖 3－3(3-25)mNdFTt ???20判斷危險(xiǎn)截面截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為 T，則判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截a—寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)22面，只要左側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。軸的彎扭合成強(qiáng)度校核許用彎曲應(yīng)力 ， ， []Mpab601=σ[]pab10=σ[]6.010==bσα截面左側(cè)a—(3-26)3312500mdW?(3-27)????? ?????? MpaTe 79.)6.(7.4)( 222c.軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度 ，剪切疲勞極限MpaB650=σ301，等效系數(shù) ， Mpa15??2.ψ1.τ截面左側(cè)—(3-28)33250mdWT?查得 ， ；查得絕對(duì)尺寸系數(shù) ， ；軸經(jīng)磨削加工，1=σK8.τ 9.??2.0???表面質(zhì)量系數(shù) 。則0β彎曲應(yīng)力 ， (3-29) MPaTb54.0273???應(yīng)力幅 pa6.1平均應(yīng)力 0=mσ切應(yīng)力 (3-30)aWT2.5???MpTma1.02安全系數(shù) (3-31)7.1802.6.1950.3???????maKS?????(3-32)73.0.2.181ma????寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)23(3-33)15.807.1822????????S查許用安全系數(shù) ，顯然 ，則 剖面安全。其它軸用相同[]5.3～=[]S>a—方法計(jì)算，結(jié)果都滿足要求。B.中間軸設(shè)計(jì)此軸傳遞扭矩 ,轉(zhuǎn)速 ,傳遞功率為 ,則mNT??76.12 min/5.437rn?? WP9.748??（3-34）nPCd.15.438903?安裝軸承部分軸徑最小,由于整個(gè)軸上零件較復(fù)雜,在兩軸承之間有車在軸上的齒輪,還有安裝在軸上的小齒輪,以及軸套和軸承,所以 可取大一點(diǎn),這里取 ,軸承部dmd30?分 ,軸承選為單列角接觸球軸承,軸承型號(hào)為 滾動(dòng)軸承 7206AC,其余根據(jù)結(jié)構(gòu)m30??確定.由于載荷不大,軸承選的較大,強(qiáng)度足夠,這里不再詳算。中間軸大體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖 3-4 所示。圖 3-4 中間軸結(jié)構(gòu)圖C. 主軸的設(shè)計(jì)主軸是連接腰關(guān)節(jié)與大臂的結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)體積比較大,為節(jié)省材料減輕重量,故需設(shè)計(jì)成空心軸,主要承受軸向拉力,取內(nèi)徑 ,外徑 ,用圓錐滾子軸承m81??md14??支承,軸承型號(hào)為 滾動(dòng)軸承30205。主軸材料選用型號(hào)為ZAlCu5Mn的鑄鋁合金。3.4 確定齒輪的參數(shù)3.4.1 選擇材料根據(jù)表 7-1,選擇齒輪的材料為 45 鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)硬度 HBS 可達(dá) 229～286。寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)243.4.2 壓力角 的選擇?由機(jī)械原理知識(shí)可知,增大壓力角,能使輪齒的齒厚和節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑增大,可提高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度。此處，壓力角 可取 20°。?3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇對(duì)軟齒面的閉式齒輪傳動(dòng),其承載能力主要取決于齒面接觸疲勞強(qiáng)度。而齒面接觸應(yīng)力的大小與小齒輪的分度圓直徑有關(guān),即與齒數(shù)和模數(shù)的積有關(guān)。因此在滿足彎曲疲勞強(qiáng)度的前提下,宜選擇較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)。這樣除能增大重合度,改善傳動(dòng)的平穩(wěn)性外,還因模數(shù)的減小而降低齒高,從而減小金屬的切削量,減少滑動(dòng)速度,減少磨損,提高抗膠合能力。 軸上齒輪齒數(shù) 取 25,小齒輪齒數(shù) 取 100, 軸上軸齒輪齒?1z2z?數(shù) 取 25,大齒輪齒數(shù) 取 300,模數(shù) m 取 2。3z4z3.4.4 齒寬系數(shù) d?由強(qiáng)度公式可知,當(dāng)載荷一定時(shí),增大齒寬可以減小齒輪直徑,降低齒輪圓周速度。但增大齒寬,齒面上的載荷分布不均勻性也將增大。查表 7-7,中間軸上的齒輪與大齒輪嚙合時(shí)取齒寬系數(shù) 為 1.0;懸臂上的齒輪與小齒輪嚙合時(shí)取 為 0.5。根據(jù)公式d? 'd?,計(jì)算結(jié)果圓整為 5 的整數(shù)倍 ,作為大齒輪的齒寬 ,小齒輪齒寬取1db?? 2b,以補(bǔ)償加工裝配誤差。m)05(2～?所以軸上齒輪 與之嚙合的小齒輪齒寬?b31?mb25?軸上的齒輪齒寬 ,與之嚙合的大齒輪齒寬?5'1 4'3.4.5 確定齒輪傳動(dòng)的精度根據(jù) GB10095-1988 規(guī)定,齒輪精度等級(jí)分為 12 級(jí),1 級(jí)最高,12 級(jí)最低,常用6～9 級(jí)。根據(jù)表 7-8 選用 7 級(jí)精度的齒輪。表 3-2 第一級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸名稱 符號(hào) 公式分度圓直徑 dmzd5021???m2齒頂高 ahha?寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)25表 3-3 第二級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸齒根高 fh mmchaf 5.2).01()( ??????齒全高 f452?齒頂圓直徑 1ad daa1h02?齒根圓直徑 1f mff 451?mhdff 19522??基圓直徑 1bddb98.6cos1??472?齒距 p mp2..3??齒厚 sms1/齒槽寬 ee4.2?中心距 ada5/)(1?頂隙 c mc.0.??名稱 符號(hào) 公式分度圓直徑 dmzd5021???632齒頂高 ahha?齒根高 f mcf 5.2).01()( ?????齒全高 fa452?齒頂圓直徑 1ad hda1ma602?齒根圓直徑 1f ff 451?mhdff 5922??基圓直徑 1bddb98.6cos1??m2532?寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)263.4.6 齒輪的校核已選定齒輪采用 45 鋼，鍛造毛坯，軟齒面，齒輪滲碳淬火 HRC56～62，齒輪精度用 7 級(jí)，軟齒表面粗糙度為 ，對(duì)于需校核的一對(duì)的齒輪，齒數(shù)分別為 ，6.1?aR 253?z，模數(shù)為 2，傳動(dòng)比 ，扭矩 T=16.76N·m。304?z 2ia.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。b.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算。 （3-35）??3121 ????????????dHEt KTZd式中： —節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，用來考慮節(jié)點(diǎn)齒廓形狀對(duì)接觸應(yīng)力的影響，取HZ=2.5；H—材料系數(shù)，單位為 ，查表 7-5，取 189.8 ；EMPaMPa—重合度系數(shù)，取 =0.90；?Z?Z—齒寬系數(shù)，取 =1；d?d?u—齒數(shù)比，其值為大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比，u=12。選擇材料的接觸疲勞極限應(yīng)力為：MPaH580lim1?? MPaH560lim2??選擇齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力為：F23lim1 F1lim2齒距 p mp28.614.3????齒厚 sms2/齒槽寬 ee.中心距 ada35/)(21??頂隙 c mc.0.??寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)27應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 計(jì)算可得×437.5×16×300×8=10.08× （3-36）601?atn 810則 （3-37）8812 4.02.???查得接觸疲勞壽命系數(shù)為 02.1,.1NNZ查得彎曲疲勞壽命系數(shù)為 2?Y查得接觸疲勞安全系數(shù) ，彎曲疲勞安全系數(shù) ，又 為試1minHS 5.1min?FSSTY驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取 2.0，試選 1.3，tK求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：（3-38）??MPaZSNH8.501.81minl1 ????（3-39）72.61inl2（3-40）??lim11n306..5FSTNYPa????（3-41）MFST2801.2minl2 ?將有關(guān)值帶入公式（3-35）得：=??3121 uKZddtHEt ???????????32126703.15719.08. ??????????=29.78mm則（3-42）smndvt /68.016054378.291601 ?????（3-43）sz/..2513查圖得 ；查得 ，0.?vK6.1?AK寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)28查得 ，取 ，則 17.??K2.1?a（3-44）359.217.056??VAHK?修正 ， mmmdtt 3..19278.331 ??? 5.1.631?zd取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m=2mm，與前面選定的模數(shù)相同，所以 m=2mm 符合要求。c.計(jì)算幾何尺寸， （3-45）mzdⅡ5023???zdⅡ60324???， （3-46）A5)3()(4??d.校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度查得 ，取08.,.21?FSFSY7.??Y校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度（3-47）??132321 03.1.45160. FFsdF MPamzKT ???? ????（3-48）??212 .8.40FFS PaY????所以齒輪完全達(dá)到要求。圖 3-5 大齒輪結(jié)構(gòu)圖寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)29圖 3-6 小齒輪結(jié)構(gòu)圖3.5 殼體設(shè)計(jì)基座部分采用球墨鑄鐵材料,方形結(jié)構(gòu),壁厚在 15mm 左右。立柱采用鑄鋁,空心圓柱形狀,起固定軸承外圈的作用。其他部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)確定,這里不一一敘述,詳見圖紙。 3.6 小結(jié)本章針對(duì)腰部的齒輪、大齒輪軸、小齒輪軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)和校核，另外還表述了設(shè)計(jì)上的見解。通過校核可知設(shè)計(jì)的齒輪、軸均符合強(qiáng)度要求。總 結(jié)我國(guó)機(jī)器人的研究和應(yīng)用起步較晚，但是隨著國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的快速發(fā)展、社會(huì)需求的增大和技術(shù)的進(jìn)步，焊接機(jī)器人得到了迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，是推動(dòng)裝焊接機(jī)器人發(fā)展的直接動(dòng)力。機(jī)器人在輕型、較簡(jiǎn)單且要求機(jī)器人價(jià)格較低的焊接作業(yè)中大顯了身手。本課題正是在這種背景下提出來的，這是一項(xiàng)具有重要意義的課題。本文主要完成了如下工作:進(jìn)行了機(jī)器人總體設(shè)計(jì)及腰關(guān)節(jié)的詳細(xì)設(shè)計(jì)寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)30機(jī)器人應(yīng)該具有外形簡(jiǎn)單、傳動(dòng)原理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，為此機(jī)器人設(shè)計(jì)成具有六自由度的結(jié)構(gòu)，由機(jī)身、大臂、小臂、腕部組成。六個(gè)自由度均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。機(jī)器人六個(gè)關(guān)節(jié)均選直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。第一個(gè)關(guān)節(jié)采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)，這種傳動(dòng)方式具有精度高、定位安裝方便等優(yōu)點(diǎn);其他五個(gè)關(guān)節(jié)都采用了錐齒輪與直齒輪的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，充分利用了大臂和小臂的空間，結(jié)構(gòu)緊湊。參考文獻(xiàn)[1] 汪愷. 機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(cè)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社. 1997.8.[2] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社 2002.1.[3] 徐灝. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2002.[4] 徐錦康. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M] .機(jī)械工業(yè)出版社 2001.[5] 殷際英,何廣平 .機(jī)器人[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社 2003.[6] 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.寧波大紅鷹學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)31[7] 陳秀寧,施高義 .機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].浙江大學(xué)出版社 1995.8.[8] 王宗榮.工程圖學(xué) [M].機(jī)械工業(yè)出版社 2001.9.[9] 費(fèi)仁元,張慧慧 .機(jī)器人設(shè)計(jì)和分析[M].北京工業(yè)大學(xué)出版社 1998.9.[10] 龔振邦. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社 1995.11.[11] 吳相憲, 王正為,黃玉堂.實(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社 1993.5.[12] 龐啟淮. 小功率電動(dòng)機(jī)應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.[13] 馬香峰. 工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì)[M].冶金工業(yè)出版社.