1697_3-DOF工業(yè)機器人結構設計

1697_3-DOF工業(yè)機器人結構設計,_3,dof,工業(yè),機器人,結構設計 南昌航空大學科技學院學士學位論文０1 引言在加速科技進步中，機械制造業(yè)的發(fā)展起著關鍵的作用，其任務是在工業(yè)生產(chǎn)中迅速將工藝裝備的獨立單元變?yōu)樽詣踊C合體（自動化工段，生產(chǎn)線和自動化車間） ，將來甚至實現(xiàn)自動化工廠。這種自動化生產(chǎn)最重要的特點是具有柔性，它能預料到，在節(jié)省勞力（或無人）情況下，根據(jù)工藝條件調整裝配，以適應多種產(chǎn)品生產(chǎn)。當代柔性自動化生產(chǎn)的建立和廣泛應用，取決于作為科技進步的催化劑的機床制造、機器人技術、計算機技術、微電子技術、儀器制造等技術的加速發(fā)展。工業(yè)機器人是多品種的經(jīng)常更換產(chǎn)品的生產(chǎn)過程自動化的通用手段。在機械制造中，工業(yè)機器人既有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)組成工藝裝備的基本工序中，也有效地用于輔助操作中。工業(yè)機器人與傳統(tǒng)自動化手段不同之處，首先在于它在各種生產(chǎn)功能上的通用性和重新調整的柔性。在柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中，工業(yè)機器人廣泛應用于數(shù)控機床、鍛壓機床、鑄造機械和倉儲設備上，以完成傳送裝備和其它操作。工業(yè)機器人和基本工藝裝備、輔助手段以及控制裝置一起形成各種不同形式的機器人技術綜合體—柔性生產(chǎn)系統(tǒng)基本結構模塊。隨著工業(yè)技術和經(jīng)濟的驚人發(fā)展，標志著多品種中、小批量生產(chǎn)最新水平的FMS（柔性制造系統(tǒng)） ，F(xiàn)A（工廠自動化）技術更加引人注目；作為 FMS、FA 技術重要組成之一的工業(yè)機器人技術也將得到迅速發(fā)展。應用工業(yè)機器人是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動環(huán)境條件，提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率手段之一。本次設計是根據(jù)對工業(yè)六自由度機器人的總體結構及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進行三自由度工業(yè)機器人的結構設計。關鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設計以及整體的結構設計，避免運動的干涉。在本次設計中主要負責第一臂與底座的結構設計。在設計中許瑛老師給予了很大的指導和幫助，在此謹致謝意。限于水平，本設計難免有缺點、錯誤，懇請各位老師批評指正。南昌航空大學科技學院學士學位論文１1.1 選題的依據(jù)及意義：在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎?！肮I(yè)機器人” （Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內稱作工業(yè)機器人或通用機器人） 。機器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機器人具有結構簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。而少自由度工業(yè)機械人中大多數(shù)為機械手，而機械手機器人主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動） 、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6 個自由度。自由度是機 械手設計的關 鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有 2～3 個自由度。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。南昌航空大學科技學院學士學位論文２1.2 國內外研究概況機器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、自動控制工程以及人工智能等多種學科的最新研究成果，是當代科學技術發(fā)展最活躍的領域之一，也是我國科技界跟蹤國際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機器人的研究、制造和應用水平，是一個國家科技水平和經(jīng)濟實力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。目前，工業(yè)機器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給工業(yè)機器人下的定義：工業(yè)機器人是一種可重復編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運材料，傳遞工件。據(jù)國際機器人聯(lián)盟（IFR ） 2006年5月發(fā)布的“2006世界機器人調查”顯示，2005年世界新安裝工業(yè)機器人121000臺，比2004年的97000臺增長25%。這是繼2003年工業(yè)機器人安裝數(shù)量重回增長態(tài)勢后的重大突破，2005年也成為近15年來世界工業(yè)機器人新安裝臺數(shù)最多的年份，比上一個峰值――2000年的99000臺增長22000臺。 資料來源：World Robotics 2006圖1-1： 1991-2005年各年世界新安裝工業(yè)機器人臺數(shù)南昌航空大學科技學院學士學位論文３據(jù)國際機器人聯(lián)盟統(tǒng)計局預測，截至2005年底，全世界在運行中的工業(yè)機器人共有914000臺，比2004年增加8%。其中，有50%來源于亞洲地區(qū)；歐洲和美洲分別占1/3和16% ；而澳大利亞和非洲地區(qū)大概占1%的比例。資料來源：World Robotics 2006圖1-2： 1991-2005年各年全世界運行中的工業(yè)機器人總數(shù)就2005年幾大應用領域的工業(yè)機器人類型來看，機械手的產(chǎn)量遙遙領先于其他類型的工業(yè)機器人，約達到43500臺。其中，亞洲地區(qū)機械手的產(chǎn)量比2004年增加了27%；美洲地區(qū)機械手的產(chǎn)量幅度更是高達53%；雖然歐洲地區(qū)2005年機械手的產(chǎn)量比上年略有下降，但其產(chǎn)量仍接近14000臺。接下來依次是：點焊接機器人、弧焊機器人、裝配機器人和分配機器人，其產(chǎn)量分別約為20500臺、17500臺、13000臺和4500臺。表1反映了2005年亞、歐、美三大地區(qū)各類型工業(yè)機器人的產(chǎn)量增幅情況。類 型地 增區(qū) 幅機械手 點焊接機器人 弧焊機器人 裝配機器人 分配機器人亞洲地區(qū) 27% 64% 82% 101% 23%美洲地區(qū) 53% 22% 33% 36% 121%歐洲地區(qū) -6% -27% 6% 1% -23%表 1-1： 2005 年亞、歐、美三大地區(qū)各類型工業(yè)機器人產(chǎn)量增幅表資料來源：World Robotics 2006南昌航空大學科技學院學士學位論文４1.3 論文的主要內容：在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)，機器人等。在本次設計是根據(jù)對工業(yè)六自由度機器人的總體結構及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進行三自由度工業(yè)機器人的結構設計。關鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設計以及整體的結構設計，避免運動的干涉。在本次設計中的要求,主要負責第一臂與底座的結構設計。這次設計的機器人主要部位為第一軸與底座，設計一個第一軸轉動角速度為 90°/s,轉角范圍為 0~270°。底座能夠實現(xiàn)第一臂轉角 （0~270 °）轉角范圍控制的 3-DOF 工業(yè)機器人。第一步，查閱資料，工業(yè)機器人原理，了解工業(yè)機器人在國內的發(fā)展狀況和生存問題。了解 3-DOF 工業(yè)機器人的特點以及在日常生產(chǎn)生活中的用途。根據(jù)其運用的場合不同，適當選擇合適的方案，以達到實用、經(jīng)濟、可靠的目的。第二步，在對所選課題有個初步的了解之后，在確定 3-DOF 工業(yè)機器人的結構設計內容。第三步，機器人的總體方案設計，進行系統(tǒng)的方案的設計、比較與確定，依據(jù)對選擇的傳動方案，查閱相關參考文獻，從而完成，第一、第二、第三軸的傳動選擇。設計好了之后，確定出總體的結構及整體方案。第四步，選擇電動機，通過計算出第一軸上的轉動慣量，選擇合適的電動機，從而進行第一軸的傳動結構的設計及計算。根據(jù)齒輪軸徑值，查閱機械設計手冊，選擇底座的軸承。第五步，根據(jù)方案，畫出裝配圖，裝配圖畫好后，從裝配圖中設計選擇第一軸零部件以及完成對零部件圖的初步繪制。南昌航空大學科技學院學士學位論文５2 機器人的結構分析2.1 總體結構的概述目前，世界上已有許多工業(yè)機器人，其中大部分屬于“示教再現(xiàn)”型。如果將這類機器人稱作第一代，那么，具有一定程度的視覺、觸覺、或某種分析、判斷能力的工業(yè)機器人就屬于第二代了。不少國家正在積極研制具有觀覺、觸覺等功能的工業(yè)機器人，并取得了不少成果，但是，真正將這些成果應用于生產(chǎn)實際的還為數(shù)不多。在實際生產(chǎn)（如噴漆、焊接、裝配等）中被廣泛應用的工業(yè)機器人，示教再現(xiàn)型還是較多。一般的機器人，它由機器人的機構部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構成。機構部分有機械手和移動機構兩部分組成；傳感器有測量機器人自身位置姿態(tài)和速度、加速度的內傳感器和了解外部環(huán)境及作業(yè)對象工作情況的外傳感器；控制器是直接控制機器人運動的裝置，只要不是自主型移動機器人，它通常放在與機器人不同的地方，通過導線連接。在工業(yè)機器人的控制裝置中，有電動機驅動電路、PTP 運動目標點和 CP 運動軌跡數(shù)據(jù)的記憶裝置和定位控制電路等。信息處理裝置通過信息傳輸裝置與機器人本體相連，多用于智能機器人。機器人具有六自由度，即大臂的回轉、臂的左右擺動、臂的上下擺動、手腕的回轉、手腕的伸縮和手爪的抓取。當然，圖中沒有表示出控制系統(tǒng)及手爪抓取的那一部分。該六自由度機器人運動的情況說明如下：首先，由電動機 M1 經(jīng)過傳動系統(tǒng)帶動大臂的回轉運動，且與大臂相連的所有其它手臂、手腕及機械構件也隨大臂一起作回轉運動；而后另一手臂由電動機 M2 驅動作左右擺動；還有，第三臂由電動機M3 驅動作上下擺動；最后，手腕的回轉、伸縮及手爪的抓取由其它三個電動機驅動。南昌航空大學科技學院學士學位論文０2.2 第一軸（大臂）的結構大臂的結構圖（圖 2-1）及其傳動原理簡圖（圖 2-1）：圖 2-1南昌航空大學科技學院學士學位論文１圖 2-2第一臂，也即大臂，該手臂實現(xiàn)工業(yè)機器人的回轉運動，整個系統(tǒng)由伺服電動機驅動。為了實現(xiàn)傳動的設計要求以及結構的最優(yōu)化設計要求，整個減速系統(tǒng)采用了三級斜齒輪傳動，且所有的斜齒輪都裝在一個箱體（減速箱）里面。然而，與一般情況不同的是，第三級斜齒輪直接固定在機座上，從而使其它的（上級的斜齒輪）傳動機構繞著它轉動，且電動機又固定在大臂上，所以導致大臂帶著電動機、減速箱一起作回轉運動。南昌航空大學科技學院學士學位論文２2.3 第二軸的結構第二軸的結構圖（圖 2-2）：圖 2-2第二軸，該手臂實現(xiàn)工業(yè)機器人的左右擺動，整個系統(tǒng)由伺服電動機驅動。為了實現(xiàn)傳動的設計要求以及結構的最優(yōu)化設計要求，整個減速系統(tǒng)采用了一級齒輪傳動。由電動機上的一個齒輪和軸承右側的一個齒輪嚙合，軸承通過定位銷與第二大臂固定，電動機帶動齒輪，把動力傳給與第二臂固定的軸承，使得第二臂實現(xiàn)水平線上的前后擺動。南昌航空大學科技學院學士學位論文３2.4 第三軸的結構第三軸的結構圖（圖 2-3）：圖 2-3第三軸，該手臂實現(xiàn)工業(yè)機器人的上下擺動，整個系統(tǒng)由伺服電動機驅動。為了實現(xiàn)傳動的設計要求以及結構的最優(yōu)化設計要求，整個系統(tǒng)采用了一級齒輪內嚙合傳動。由電動機上的一個齒輪和第三臂上的一個大齒輪內嚙合，電動機帶動小齒輪，小齒輪帶動第三臂上的大齒輪使得第三臂整個做上下擺動。從而實現(xiàn)第三臂實際操作。南昌航空大學科技學院學士學位論文４2.5 傳動方案的確定根據(jù)工業(yè)機器人的總體結構分析可知，工業(yè)機器人的三軸的傳動結構并不復雜。第一軸采用的是齒輪傳動，第二軸、第三軸則采用的是擺線針輪行星齒輪傳動。當然，參照以上的傳動結構分析，現(xiàn)擬定如下三種傳動方案：方案一：第一軸：齒輪傳動（直齒或斜齒）第二軸、第三軸：齒輪傳動（直齒或斜齒）方案二：第一軸：蝸桿蝸輪傳動第二軸、第三軸：蝸桿蝸輪傳動方案三：第一軸：蝸桿蝸輪傳動第二軸、第三軸：齒輪傳動（直齒或斜齒）方案比較論證首先，已知各種傳動的傳動比 u:直齒圓柱齒輪傳動，u≤4；斜齒輪傳動，u≤6；蝸桿蝸輪傳動，5≤u≤70，常用 15≤u≤50；擺線針輪行星齒輪傳動， 11≤u≤87（單級）。然后估算各軸的傳動比，初選轉速為 1500r/min 的原動機，則 u1=1500/15=100,u2=1500/20=75。三軸傳動的確定：蝸桿蝸輪傳動的特點：1）傳動平穩(wěn)，振動沖擊和噪聲均很??；2）傳動比也較大，結構比較緊湊。而在這里采用此傳動，則需要兩級傳動才能滿足要求，蝸桿蝸輪的傳動是兩軸交錯的，這樣一來也就增加了結構的復雜性，且同時也增加了轉動時的負荷；3）由于蝸桿蝸輪嚙合輪齒間相對滑動速度大，使得摩擦損耗大，因而傳動效率較低。因此，第一軸采用齒輪傳動。要實現(xiàn)設計要求，如采用圓柱直齒輪傳動則需要四級傳動，而采用斜齒輪則需要三級就可以，并且知道在相同的條件下，采用斜齒輪傳動比圓柱齒輪傳動，在結構上尺寸要小得多，由此可知，采用斜齒輪傳動。斜齒傳動有如下優(yōu)點：1）嚙合性能好；2）重合度大，傳動平穩(wěn)；3）結構緊湊，并且在總體結構上也是合理的?？偵纤?，選擇方案一為最佳。三軸都采用齒輪傳動。 南昌航空大學科技學院學士學位論文５3 設計計算3.1 電動機的選擇第一軸的電動機的選擇根據(jù)設計方案可知，第二軸、第三軸的所有重量都是第一軸的負荷，所以說，第一軸的轉動慣量是很大的，必須計算各零部件的轉動慣量，計算出最終動力源軸上所需要的最大的轉動慣量，再根據(jù)動力源軸上的轉動慣量進行選擇電動機。下面計算第一軸上的轉動慣量：如圖 3-1-1，該軸的轉動軸與第二軸的轉動軸不同，該轉動軸的軸線為 ob 線，則在這種情況下，F(xiàn)G213NMOb圖 3-1-1第三臂的轉動慣量：Kgm243.)15cos(.980. 223 ??????mJO第二軸的轉動慣量：（3-1-1）2222 )(1?mdba?22235.08406..0.(184 ???Kgm27.5兩電動機的轉動慣量：Kgm27.4.0582.34221 ?????電電電 JJ兩個齒輪的轉動慣量：Kgm215.8..0221輪輪輪南昌航空大學科技學院學士學位論文６減速箱的轉動慣量： Kgm2375.04.152??減J第一軸本身的轉動慣量：Kgm2.0221??mJ所以，總的轉動慣量為：375.0415.87.4.53??總Kgm239.150?而轉動角加速度 為：?1/s2854.720?????tvV則輸出軸的轉矩為 由式（3-1-7）得：MNm19..39.15?總J轉換到電動機上的轉矩為：Nm7.6.80. ???u電根據(jù)要求 < ，選 P=3KW，n=1000r/min 的 MGMA 型伺服電機， 為 28.4Nm。電M額 額M南昌航空大學科技學院學士學位論文７第二軸的電動機的選擇根據(jù)設計方案可知，第三軸的所有重量都是第二軸的負荷，所以說，第二軸的轉動慣量也是很大的，必須計算各零部件的轉動慣量，計算出最終動力源軸上所需要的最大的轉動慣量，再根據(jù)動力源軸上的轉動慣量進行選擇電動機。下面計算二軸上的轉動慣量：第二軸的轉動慣量：J2=M/12（a2+b2+c2+d2）+mp2=5.742Kgm2電動機的轉動慣量：J2=8.5*0.42=1.366 Kgm2齒輪的轉動慣量J 輪 2=50*0.252=3.125 Kgm2減速箱的轉動慣量：J 減=150*0.452=30.375 Kgm2第二軸的總慣量：J 總=5.742+1.36+3.125+30.375=40.602 Kgm2第三臂的轉動慣量：J3=34*0.22=1.36Kgm2電動機的轉動慣量：J 輪 3=100*0.52=25Kgm2減速箱的轉動慣量：J 減+150*0.452=30.375Kgm2總的轉動慣量為：J 總=23.43+1.36+25+30.375=80.165Kg2轉換到電動機上的轉矩為：南昌航空大學科技學院學士學位論文８M 電=14.17N*M根據(jù)要求 M 電＜M 額，選 P=2.5(KW), n=1000r/min 的 GY2.5 型電動機第三軸的電動機的選擇第三臂的轉動慣量：J3=34*0.22=1.36Kgm2電動機的轉動慣量：J 輪 3=100*0.52=25Kgm2減速箱的轉動慣量：J 減+150*0.452=30.375Kgm2總的轉動慣量為：J 總=23.43+1.36+25+30.375=80.165Kg2轉換到電動機上：M 電=1.3m/u=9.45N*m根據(jù)要求 M 電＜M 額，選 P=2.2（KW） ，P=2.2 Y-H2.2 系列 n=800r/min南昌航空大學科技學院學士學位論文９4 傳動結構的設計計算4.1 第一軸的傳動結構設計第一軸的傳動方案已確定，采用三級斜齒輪傳動，且電動機的功率為P=3KW，n=1000r/min，則傳動比 u=1000/15=66.67。一 、傳動比的分配：已知斜齒輪的傳動比 u≤6，再根據(jù)傳動減速時前面降得慢，而后面降得快的原則，三級降速的傳動比分配如下： u=2.4 4.87 5.7?二 、各級的傳動設計第一級斜齒輪的傳動設計計算：已知電動機的功率 P=3KW，n=1000r/min，傳動比u=2.4，則１．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)1) 按照傳動方案的設計要求，選用斜齒圓柱齒輪傳動。2)考慮減速設計的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查表(常用齒輪材料及其機械特性表)選得大、小齒輪的材料均為 40Cr，并經(jīng)調質及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。3) 選用精度等級。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選 7 級精度(GB10095-88)。4) 選小齒輪齒數(shù) Z1=35，大齒輪齒數(shù) Z2=uZ1=2.4 35=84。?5) 選取螺旋角。初選螺旋角 。??4?２．按齒面接觸強度設計由設計計算公式進行計算，即≥ mm （4-2-1）td1321)][(2HEdt ZuTK??????1) 確定公式內的各計算值（1）.試選 。6.?t（2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。43.2?HZ（3）.由標準圓柱齒傳動的端面重合度 圖表，查得 ??南昌航空大學科技學院學士學位論文１０， ，則 =82.01???84.02?????6.184.02.1???（4）.計小齒輪傳遞轉矩N411 10865.203950????nPT m?（5）.由下表 3-2-1（圓柱齒輪齒寬系數(shù) ?d 表）裝置狀況 兩支承相對小齒輪作對稱布置 兩支承相對小齒輪作對稱布 小齒輪作懸臂布置?d 0.9～1.4（1.2～1.9） 0.7～1.15（1.1～1.65）0.4～ 0.6選取齒寬系數(shù) ?d=0.9；(6).由材料的彈性影響系數(shù) 表，查得 =189.8 ；EZEMPa(7).齒輪接觸疲勞強度圖表，按齒面硬度中間值 52HRC 查得大、小的接觸疲勞強度極限 = = Mpa；1HLim?2li70(8).計算應力循環(huán)次數(shù) 91 106.4)538(060 ?????hjLnN992 107.42.4?u(9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得 ；8.HNK；87.02?HNK(10).計算接觸疲勞許用應力取失效概率為 1%，安全系 S=1,由下式得[ ] = MPa?1H 2.106786.01lim??SKN[ ] = MPa2 9..2liH則取[ ]H=([ ] +[ ] )/2=1012 Mpa1?22).計算(1).試算小齒輪分度圓直徑 ，由計算公式（4-2-1）得td1南昌航空大學科技學院學士學位論文１１≥ mmtd1 1548.26)9.1078432(.6.190852.34 ????根據(jù)計算的結果及電動機的輸出軸徑，取 =50 mm；td(2).計算圓周速度m/s618.2065106?????ndt(3).計算齒寬 及摸數(shù)bntmmm459.1td?mm39.1cos0cs1????ztnt?2..25.ntmh 4.hb(4).計算縱向重合度 ??498.139.018.318.0?????tgtgzd????（5）計算載荷系數(shù) K已知使用系數(shù) 。A根據(jù) ，7 級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查498.2??得動載荷系數(shù) KV=1.07；由接觸強度計算用的齒向載荷分布系數(shù)( )表，查得?HK=2.728，由彎曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù)( )圖，?H F查得 =2.45。F由齒向載荷分配系數(shù)( 、 ),查得 = =1.2，HAKFHAKF故載荷系數(shù)=1×1.07×1.2×2.728=3.5??FVA?(6).按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得mm91.64.53031 ???ttKd南昌航空大學科技學院學士學位論文１２(7).計算模數(shù) nm= mmnm79.1354cos9.6cos1????zd?2. 按齒根彎曲強度設計由式 ≥ mm （3-2-2）nm321][cosFSadYzKT??????1) 確定計算參數(shù)(1) 計算載荷系數(shù)1 1.07 1.2 2.45=3.2???FaVAK?(2) 根據(jù)縱向重合度 ，從螺旋角影響系數(shù)圖表查498.2?得 =0.88。?Y(3) 計算當量齒數(shù)31.84cos5331????zv 95.14cos8332???zv(4) 查取齒形系數(shù)由齒形系數(shù) 及應力校正系數(shù) 表查得 =2.44； =2.196FaYSaY1Fa2FaY(5) 查取應力校正系數(shù)由齒形系數(shù) 應力校正系數(shù) 表查得 =1.654； =1.782aFSa1Sa2Sa(6) 由齒輪的彎曲疲勞強度極限圖,查得 680?FE?Mpa。(7) 由彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.86， =0.87；1FNK2FN(8) 計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由下式得417.714 MPa?SFENF11][?南昌航空大學科技學院學士學位論文１３422.571 MPa ?SKFENF22][?(9) 計算大、小齒輪的 并加以比較FSaY][=1][FSaY?097.74.652??=2][FSa09.57.48296小齒輪的數(shù)值大。2）設計計算≥ mmnm 93.07.6.1359.0)4(cos82.3224 ?????對比計算結果,由齒面接觸疲勞強度計算的法向模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強度計算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強度及接觸疲勞強度,最后取 =2mm。nm4.幾何尺寸計算1) 計算中心距 a mm64.12cos2)8435(cos2)(1 ???????nmz將中心距圓整為 =122.5 mma2) 按圓整后的中心距修正螺旋角??????? 729.135.2)843(arcos2)(rcos1zn?因 值改變不大,故參數(shù) 等不必修正。HZK、、 ???3) 計算大小齒輪的分度圓直徑mm06.729.13cos51?????nmzdmm4..842n南昌航空大學科技學院學士學位論文１４4) 計算齒輪寬度mm854.60.7291???db?圓整后取 B2=65 mm；B1=70 mm。第二級的傳動條件：電機的功率為 P=4.5KW，n=416.7r/min，傳動比 u=4.87，具體設計計算如下：１．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)考慮減速設計的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查表(常用齒輪材料及其機1) 械特性表)選得大、小齒輪的材料均為 40Cr，并經(jīng)調質及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。2) 選用精度等級。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選 7 級精度(GB10095-88)。3) 選小齒輪齒數(shù) Z1=24，大齒輪齒數(shù) Z2=uZ1=4.87 24=117。?4) 選取螺旋角。初選螺旋角 。??4?２．按齒面接觸強度設計由設計計算公式（3-2-1）進行計算。1）確定公式內的各計算值（1）.試選 。6.1?tK（2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。43.2?HZ（3）.由標準圓柱齒傳動的端面重合度 圖表，查得 ??， ，則 =7801???87.02???? 65.187.0.21?（4）.計小齒輪傳遞轉矩N411 069.7.41395??nPT?m?南昌航空大學科技學院學士學位論文１５（5）.由表（圓柱齒輪齒寬系數(shù) ?d 表）選取齒寬系數(shù) ?d=0.9；(6).由材料的彈性影響系數(shù) 表，查得 =189.8 ；EZEMPa(7).齒輪接觸疲勞強度圖表，按齒面硬度中間值 52HRC 查得大、小的接觸疲勞強度極限 = = Mpa；1HLim?2li70(8).計算應力循環(huán)次數(shù) 91 18.)538(7.4606 ?????hjLnN92 108.u(9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得 ；.01HNK；.02?HNK(10).計算接觸疲勞許用應力取失效概率為 1%，安全系 S=1,由下式得[ ] = MPa?1H105378.01lim??SKN[ ] = MPa?2H 6.2979.02lim??SKN則取[ ]H=([ ] +[ ] )/2=1017.5 Mpa1H2).計算(1).試算小齒輪分度圓直徑 ，由計算公式得td1≥ mmtd1 92.3)5.07843.2(856.19023 24 ????(2).計算圓周速度m/s18.106492.3106????ndt(3).計算齒寬 及摸數(shù)bntmmm3.29.391td?南昌航空大學科技學院學士學位論文１６mm31.24cos9.3cos1 ????zdmtnt?.1.52.nth 894.hb(4).計算縱向重合度 ??73.49.0318.318.0?????tgtgzd????(5).計算載荷系數(shù) K已知使用系數(shù) 。A根據(jù) ，7 級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查得18.0??動載荷系數(shù) KV=1.05；由接觸強度計算用的齒向載荷分布系數(shù)( )表，查得 =1.41，由彎?HK?HK曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù)( )圖，查得 =1.37。?FF由齒向載荷分配系數(shù)( 、 ),查得 = =1.2，故載荷系數(shù)HAKFHAF=1×1.07×1.2×1.41=1.78??V?(6).按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得mm13.46.78150331 ???ttKd(7).計算模數(shù) nm= mmnm39.24cos.cos1???zd?3. 按齒根彎曲強度設計根據(jù)設計計算公式（3-2-2）來計算：1) 確定計算參數(shù)（1） 計算載荷系數(shù)1 1.07 1.2 1.37=1.726???FaVAK?（2） 根據(jù)縱向重合度 ，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。73.? ?Y南昌航空大學科技學院學士學位論文１７（3） 計算當量齒數(shù)27.614cos331????zv08.332zv（4） 取齒形系數(shù)由齒形系數(shù) 及應力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.158FaYSaY1Fa2FaY（5） 取應力校正系數(shù)由齒形系數(shù) 應力校正系數(shù) 表查得 =1.596； =1.792aFSa1Sa2Sa（6） 齒輪的彎曲疲勞強度極限圖,查得 680?FE?Mpa。（7） 由彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.87， =0.9；1FNK2FN（8） 計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由下式得422.571 MPa?SFENF11][?437.143 MPa ?KENF22][?（9） 計算大、小齒輪的 并加以比較FSaY][?=1][SaF098.571.4269??=2][FSaY?.3.8小齒輪的數(shù)值大。2）設計計算≥ mmnm 257.1098.65.1249.0)4(cos876.13 2?????南昌航空大學科技學院學士學位論文１８對比計算結果,由齒面接觸疲勞強度計算的法向模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強度及接觸疲勞強度,最后取 =1.5 mmnm4.幾何尺寸計算1) 計算中心距 mm987.104cos25.)7(cos2)(1 ???????nmza將中心距圓整為 =108.52) 按圓整后的中心距修正螺旋角??????? 93.125.082)74(arcos2)(arcos1zn?因 值改變不大,故參數(shù) 等不必修正。HZK、、 ???2） 大小齒輪的分度圓直徑mm937.6.12cos531?????nmzdmm0.8.42n4) 計算齒輪寬度mm243.97.361???db?圓整后取 B2=35 mm；B1=40 mm。第三級的傳動條件：電動機的功率為 P=0.9KW，n=85.565，傳動比 u=5.7，設計計算如下：１．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)1) 考慮減速設計的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查表(常用齒輪材料及其機械特性表)選得大、小齒輪的材料均為 40Cr，并經(jīng)調質及表面淬火，齒面硬度為 48～55HRC。2) 選用精度等級。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故 初選 7 級精度(GB10095-88)。3) 選小齒輪齒數(shù) Z1=24，大齒輪齒數(shù) Z2=uZ1=5.7 24=137。?南昌航空大學科技學院學士學位論文１９4) 選取螺旋角。初選螺旋角 。??14?２．按齒面接觸強度設計由設計計算公式（3-2-1）計算：1) 確定公式內的各計算值（1）.試選 。6.1?tK（2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。43.2?HZ（3）.由標準圓柱齒傳動的端面重合度 圖表，查得 ??， ，則 =78.01???8.02??? 6.18.07.21?（4）.計小齒輪傳遞轉矩N5121 .356.8973995 ???nPT?m?（5）.由下表（圓柱齒輪齒寬系數(shù) ?d 表）選取齒寬系數(shù) ?d=0.8；（6）.由材料的彈性影響系數(shù) 表，查得 =189.8 ；EZEMPa（7）.齒輪接觸疲勞強度圖表，按齒面硬度中間值 52HRC查得大、小的接觸疲勞強度極限 = = Mpa；1HLim?2li70（8）.計算應力循環(huán)次數(shù) 81 1.3)58(56.806 ?????hjLnN72 104.7.3u（9）.由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得 ； 9.1HNK；.02?HNK（10）.計算接觸疲勞許用應力取失效概率為 1%，安全系 S=1,由下式得[ ] = MPa?1H105379.01lim??SKN[ ] = MPa?2H .8793.02lim??SKN南昌航空大學科技學院學士學位論文２０則取[ ]H=([ ] +[ ] )/2=1070.6 Mpa?1H?22).計算(1).試算小齒輪分度圓直徑 ，由計算公式（3-2-1）得td1≥ mmtd1 958.4)6.078432(.56.180323 2????(2).計算圓周速度m/s246.0160.89.4160????ndt(3).計算齒寬 及摸數(shù)bntmmm9.4358.1td?mm2.21coscos1 ????ztnt?9.4.52.ntmh 79.8hb(4).計算縱向重合度 ??23.18.031.318.0?????tgtgzd????(5).計算載荷系數(shù) K已知使用系數(shù) 。A根據(jù) ，7 級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查246.0??得動載荷系數(shù) KV=1.04；由接觸強度計算用的齒向載荷分布系數(shù)( )表，查得 =1.2877，?HK?HK由彎曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù)( )圖，查得 =1.27。?FKF由齒向載荷分配系數(shù)( 、 ),查得 = =1.2，故載荷系數(shù)HAHA=1×1.04×1.2×1.2877=1.61??FVAK?(6).按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得mm072.56.1958.4331 ??ttd(7).計算模數(shù) nm南昌航空大學科技學院學士學位論文２１= mmnm27.241cos07.5cos1????zd?3.按齒根彎曲強度設計由式 ≥ mmn321][cosFSadYzKT??????1) 確定計算參數(shù)(1)計算載荷系數(shù)1 1.04 1.2 1.27=1.585???FaVAK?(2) 根據(jù)縱向重合度 ，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。523.? ?Y(3)計算當量齒數(shù)7.614cos331????zv9.332zv(4)查取齒形系數(shù)由齒形系數(shù) 及應力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.14FaYSaY1Fa2FaY(5)查取應力校正系數(shù)由齒形系數(shù) 應力校正系數(shù) 表查得 =1.596； =1.83aFSa1Sa2Sa(6)由齒輪的彎曲疲勞強度極限圖,查得 MPa6802?FE?(7)由彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.88， =0.91；1FNK2N(8)計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由下式得427.43 MPa?SFENF11][?442.0 MPa ?KENF22][?(9)計算大、小齒輪的 并加以比較FSaY][?南昌航空大學科技學院學士學位論文２２=1][FSaY?097.43.27569??=2][Sa8.小齒輪的數(shù)值大。2）設計計算≥ mmnm 12.097.6.1248.0)4(cos53.13 2?????對比計算結果,由齒面接觸疲勞強度計算的法向模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強度計算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強度及接觸疲勞強度,最后取 =2.5 mmnm4.幾何尺寸計算1) 計算中心距 mm41.2071cos25.)34(cos2)(1 ???????nmza將中心距圓整為 =207 mm2) 按圓整后的中心距修正螺旋角??????? 536.1207.)34(arcos2)(arcos1zn?因 值改變不大,故參數(shù) 等不必修正。HZK、、 ???3) 計算大小齒輪的分度圓直徑mm715.63.1cos241?????nmzdmm8..72n4) 計算齒輪寬度mm372.4915.601???db?圓整后取 B2=49 mm；B1=55 mm。4. 轉臂軸承的選擇計算南昌航空大學科技學院學士學位論文２３1） 估計擺線輪內孔半徑 nr=(0.4～0.5) =40～50mmpr2） 擇軸承型號尺寸經(jīng)查表選用 502310E C=105000 N C0=71000 N D1=97 mm d=50mm b=27 mm da=60 mm Da=89.6 mm a=5 mm3） 名義徑向載荷 RR= 67108.8.54335.031.1 ????cpCcpPCzrKTzrT=5776.698 N4） 當量動載荷 PP= =1.3 5776.698=7509.71 NRfF?—動載荷系數(shù)，一般取 =1.2～1.5。Ff5） 軸承相對轉速 nn= + =1000+ =1015r/minHun67106） 軸承壽命 hLh531063106 8.)7.59()( ????PCnh因為所求得的軸承壽命 ≥15000 h ,所以滿足要求。h4. 轉臂軸承的選擇計算1）估計擺線輪內孔半徑 =(0.4～0.5) =52～65mmnrnrpr2）擇軸承型號尺寸經(jīng)查表選用 502313 C=114600 N C0=85200 N D1=121.5 mm d=65mm b=33mm da=77mm Da=114.6mm a=7 mm3）名義徑向載荷 RR= 501378.0945.031.1 ????cpCcpPCzrKTzrT南昌航空大學科技學院學士學位論文２４=12830.82 N4）當量載荷 PP= =1.3 12830.82=16680.1 NRfF?5）軸承相對轉速 nn= + =1000+ =1020r/minHnu5011） 承的壽命 hLh5.241).1680(20)(6013131 ???PCn因為所求得的軸承壽命 ≥15000 h ,所以滿足要求。h5. 針齒銷彎曲強度計算1）針齒結構尺寸mm1905.4205..05. ?????????CbLmm52.312c（ ）?cbmm7521921???L2) 最大彎矩Nmm 107259013785.0422.11 ???????LzrKTMcpVax3) 許用彎曲應力MPaFP?4) 校核彎曲應力MPa72.10.1.033???zpWaxFdM因為 ＞[ ]，所以滿足要求。F?P4.2 軸承的選擇南昌航空大學科技學院學士學位論文２５4.2.1 斜齒輪傳動軸上的軸承根據(jù)齒輪軸徑值，差滾動軸樣本或機械設計手冊得，第二軸上選用圓錐混子軸承7204，C=15500N；第三軸上選用圓錐云子軸承 7205，C=19520N。5 機器人各零部件的結構設計5.1 轉角范圍的控制設計控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人的重要組成部分，在某種意義上講，控制系統(tǒng)起著與人腦相似的作用，工業(yè)機器人的手部、腕部、臂部、行走機構等的動作以及與相關機械的協(xié)調動作都是通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。主要控制內容有動作的順序、動作的位置與路徑、動作的時間。按設計要求要實現(xiàn)的轉角范圍，可以直接由控制系統(tǒng)來完成，控制動作的位置或動作的時間，從而控制轉角。這里用擋塊結構設計來實現(xiàn)控制轉角范圍。第一軸的控制轉角（0～270 ）的擋塊結構示意圖如圖 5-1?南昌航空大學科技學院學士學位論文２６底 座轉 臂 突 出 的擋 塊o圖 5-1 5.2 主要零部件的結構設計（第一臂與底座）5.2.1 第一軸轉臂的結構：如圖 5-2，具體尺寸見附圖（零件圖） 。5.2.2 底座的結構設計：如圖 5-3圖 5-2南昌航空大學科技學院學士學位論文２７圖 5-3總 結通過這次設計，使我對工業(yè)機器人有了感性的認識，同時對國內外的工業(yè)機器人的發(fā)展也有所了解。根據(jù)國內外機器人發(fā)展的經(jīng)驗、現(xiàn)狀及近幾年的動態(tài)，結合當前國內經(jīng)濟發(fā)展的具體情況，機器人技術重點應在開展智能機器人、機器人化及其相當技術的南昌航空大學科技學院學士學位論文２８開發(fā)及應用。經(jīng)過努力，我國已研制了許多示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人以及噴涂、焊接裝配等機器人。而國外，工業(yè)機器人的發(fā)展更迅速，機器人化機械已經(jīng)興起。通過這次設計，使我綜合運用機械設計的理論和實際知識，結合生產(chǎn)實際知識，培養(yǎng)分析和解決一般工程實際問題的能力，并使所學的知識得到進一步鞏固、深化和擴展；通過設計，使我掌握機械設計的一般規(guī)律，樹立正確的設計思想，培養(yǎng)獨立分析和解決實際問題的能力；學會從機器功能的要求出發(fā)，合理選擇傳動機構類型，制定設計方案，正確計算零件的工作能力，確定它的尺寸、形狀、結構及材料，并考慮制造工藝、使用、維護、經(jīng)濟和安全等問題，培養(yǎng)獨立設計能力。當然在設計過程中，也碰到了許多問題。在老師的指導和一些同學的幫助下，我也盡自己的努力去克服困難，最后順利地完成了整個設計。由于本人缺乏經(jīng)驗及水平有限，設計仍存在一些問題，如機器人的動力學分析以及缺少機器人的動作模擬仿真，望老師給予指正。參考文獻1.孫桓 等主編.機械原理(第六版) .高等教育出版社，20012.馬香峰 主編.工業(yè)機器人的操作機設計. 冶金工業(yè)出版社 ,19963.宗光華 張慧慧譯.機器人設計與控制. 科學出版社 ， 2004南昌航空大學科技學院學士學位論文２９4. 鄭笑級 工業(yè)機器人技術及應用[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，20045.Y.Fujimoto and A.kawamura.Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation walking Robot Incuding Environmental Force Interaction. 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