汽車擋風(fēng)玻璃裝配機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】

汽車擋風(fēng)玻璃裝配機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 設(shè)計（論文）題目：汽車擋風(fēng)玻璃裝配機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué)院： 班級： 學(xué)生： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 接受任務(wù)時間 系主任 2017.01.06 （簽名） 院長 （簽名） 1．畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容及基本要求 主要內(nèi)容：通過查閱資料選擇裝配機器人動力及傳動方式，設(shè)計能夠完成汽車擋風(fēng)玻璃裝配 的結(jié)構(gòu)，通過估算載荷進一步計算選取動力及傳動元件，然后進行裝配機器人裝配圖以及主要零件 圖的繪制。 基本要求：①裝配機器人的主要零（部）件圖 6-8 張，裝配機器人裝配圖 1張；②裝配機器人 須滿足裝配自由度需要③撰寫畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書一份，內(nèi)容及格式符合“2017屆機械工程學(xué)院 畢業(yè)環(huán)節(jié)實施細則”中的相關(guān)要求。 2．指定查閱的主要參考文獻及說明 [1] 李慧, 馬正先, 逄波. 工業(yè)機器人及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2016.11 [2] 聞邦椿. 機械設(shè)計手冊(第五卷)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社.2010.1 [3] 侯守明, 周俊平, 梁科. 機械制圖[M]. 北京：清華大學(xué)出版社.2017.1 [4] 成大先. 機械設(shè)計手冊（第六版） [M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版.2016.4 3．進度安排 設(shè)計（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 2 3 收集、準(zhǔn)備參考資料，查閱文獻，完成開題報告 2017.01.06-2017.03.17 2017.03.18-2017.04.17 2017.04.18-2017.05.17 完成所有設(shè)計的結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算任務(wù) 進行畢業(yè)設(shè)計相關(guān)設(shè)計、計算、圖紙和撰寫工作 完成所有圖紙繪制和畢業(yè)設(shè)計說明書（或畢業(yè)論文）的 撰寫，提交畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 5 2017.05.18-2017.05.26 2017.05.26-2017.06.09 答辯準(zhǔn)備及畢業(yè)答辯 摘 要 裝配機器人現(xiàn)在已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著一個重要的角色。本文針對汽車裝配行業(yè) 的生產(chǎn)使用要求，同時結(jié)合機器人的發(fā)展情況，對用于裝配汽車玻璃的機器人的結(jié)構(gòu)進 行了設(shè)計說明。本次設(shè)計基于機器人結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、易于裝配和控制 的設(shè)計原則，對機器人的手部、腕部、小臂、大臂、底座的結(jié)構(gòu)分別進行了設(shè)計和強度 校核。該機器人可以在微機的控制下通過編程，驅(qū)動直流司服電機工作，進而帶動各關(guān) 節(jié)的運動，實現(xiàn)對汽車玻璃的準(zhǔn)確裝配。 本文對汽車裝配機器人進行了較全面的設(shè)計，對機械系統(tǒng)的各部分的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行 了詳細的介紹和設(shè)計，并對系統(tǒng)的通用性和可靠性進行分析。 關(guān)鍵詞：減速器；裝配機器人；噴氣式吸盤；自由度；直流伺服電機 I ABSTRACT Assembly robots are now playing an important role in industrial production. In this paper, the structure of the robot used for assembling automotive glass is described in the light of the development of the automobile assembly industry. Based on the design principle of compact robot structure, reliable work, simple structure, easy assembling and control, the design and strength check of the robot's hand, wrist, small arm, large arm and base are respectively designed. The robot can be programmed under the control of a microcomputer to drive the DC motor, and then drive the motion of the joints to achieve accurate assembly of the automotive glass. In this paper, the automobile assembly robot is comprehensively designed, the system structure of each part of the mechanical system is introduced and designed, and the generality and reliability of the system are analyzed. Key words: Reducer;assembly robot;jet suction;cup of freedom;DC servo motor II 目錄 第 1章 緒論............................................................. 1 1.1裝配機器人的概念............................................... 1 1.2裝配機人的結(jié)構(gòu)................................................. 1 1.3選題背景....................................................... 2 1.4 裝配機器人研究的意義 .......................................... 2 1.5 本文主要內(nèi)容 .................................................. 2 第 2章 裝配機器人總體設(shè)計方案 ........................................... 3 2.1運動方案的確定................................................. 3 2.1.1機構(gòu)選型 ................................................. 3 2.1.2驅(qū)動方式選擇 ............................................. 4 2.2運動方案的確定................................................. 5 2.2.1腕關(guān)節(jié)的傳動方案 ......................................... 5 2.2.2小臂的傳動方案 ........................................... 5 2.2.3大臂傳動方案 ............................................. 6 2.2.4 腰身轉(zhuǎn)動機構(gòu) ............................................. 6 第 3章 基本設(shè)計參數(shù)及載荷的初步確定 ..................................... 7 3.1載荷的初步確定................................................. 7 3.2基本設(shè)計參數(shù)................................................... 7 第 4章 裝配機器人各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 ......................................... 8 4.1手部結(jié)構(gòu)設(shè)計................................................... 8 4.1.1手部結(jié)構(gòu)選擇 ............................................. 8 4.1.2吸盤吸力的計算 ........................................... 9 4.1.3吸盤式手爪結(jié)構(gòu)的確定 .................................... 10 4.1.4手部及載荷總體質(zhì)量的確定 ................................ 10 4.2腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計.................................................. 10 4.2.1腕部結(jié)構(gòu)確定 ............................................ 10 4.2.2驅(qū)動電機的選擇 .......................................... 11 4.2.3腕部齒輪設(shè)計與計算 ...................................... 13 4.2.4腕部軸的設(shè)計與校核 ...................................... 24 III 4.3小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計.................................................. 28 4.3.1小臂擺動電動機選擇 ...................................... 28 4.3.2小臂 1軸直齒輪設(shè)計與計算 ................................ 29 4.3.3小臂 2軸直齒輪設(shè)計與計算 ................................ 33 4.4大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計.................................................. 37 4.4.1大臂驅(qū)動電動機的選擇 .................................... 37 4.4.2大臂結(jié)構(gòu) ................................................ 38 4.5底座結(jié)構(gòu)設(shè)計.................................................. 38 4.5.1驅(qū)動電動機的選擇 ........................................ 38 4.5.2渦輪蝸桿的設(shè)計與計算 .................................... 39 第 5章 軸承和鍵的選擇與校核 ............................................ 43 5.1軸承選擇與校核................................................ 43 5.1.1腕部 1軸軸承選擇與校核 .................................. 43 5.1.2腕部 2軸軸承選擇與校核 .................................. 43 5.2鍵的選擇與校核................................................ 44 5.2.1腕部 1軸鍵的選擇與校核 .................................. 44 5.2.2腕部 2軸錐齒輪鍵的選擇與校核 ............................ 44 5.2.3腕部 1軸鍵的選擇與校核 .................................. 44 第 6章 工業(yè)機器人的使用和維護 .......................................... 45 6.1使用規(guī)程...................................................... 45 6.2維護和保養(yǎng).................................................... 45 第 7章 結(jié)論........................................................... 47 致 謝................................................................. 48 參考文獻............................................................... 49 IV 第 1 章 緒論 1.1 裝配機器人的概念 裝配機器人是柔性自動化裝配系統(tǒng)的核心設(shè)備，由機器人操作機、控制器、末端執(zhí) 行器和傳感系統(tǒng)組成。其中操作機的結(jié)構(gòu)類型有水平關(guān)節(jié)型、直角坐標(biāo)型、多關(guān)節(jié)型和 圓柱坐標(biāo)型等;控制器一般采用多 CPU 或多級計算機系統(tǒng)，實現(xiàn)運動控制和運動編程;末 端執(zhí)行器為適應(yīng)不同的裝配對象而設(shè)計成各種手爪和手腕等;傳感系統(tǒng)又來獲取裝配機 器人與環(huán)境和裝配對象之間相互作用的信息。常用的裝配機器人主要有可編程通用裝配 操作手 (Programmable Universal Manipula-tor forAssembly)即 PUMA 機器人(最早出現(xiàn) 于 1978 年，工業(yè)機器人的祖始)和平面雙關(guān)節(jié)型機器人 (Selective Compliance Assembly Robot Arm)即 SCARA 機器人兩種類型。與一般工業(yè)機器人相比，裝配機器人具有精度 高、柔順性好、工作范圍小、能與其他系統(tǒng)配套使用等特點，主要用于各種電器的制造 行業(yè)。 1.2 裝配機人的結(jié)構(gòu) 機器人整機，基本上由兩部分組成，一是操作機，一是控制裝置，操作機是機器人 的本體結(jié)構(gòu)，包括：基座、驅(qū)動器或驅(qū)動單元、手臂、手腕、末端執(zhí)行器、行走機構(gòu)以 及安裝在操作機上的各種感受裝置等。控制裝置一般包括計算機控制系統(tǒng)、司服驅(qū)動系 統(tǒng)、電源裝置以及與操作者聯(lián)系的裝置等。 驅(qū)動器或驅(qū)動單元是機器人的動力執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)動力源的類別不同，可分為電機 驅(qū)動，液壓驅(qū)動和氣動驅(qū)動三類。電動驅(qū)動在多數(shù)情況下采用直流、交流司服電機，也 可采用力矩電機、步進電機等。 手臂和手腕是機器人操作機中的基本部件，它由旋轉(zhuǎn)運動和往復(fù)運動的機構(gòu)組成。 其結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，但多數(shù)機器人的手臂和手腕是由關(guān)節(jié)和桿件構(gòu)成的空間機構(gòu)， 一般有 3-10 個自由度組成，工業(yè)機器人一般有 3-6 個自由度，由于機器人具有多自由度 手臂、手腕的機構(gòu)，使操作運動具有通用性和靈活性，這也是區(qū)別于一般自動機的特點。 末端執(zhí)行器是機器人手腕末端機械接口所連接的直接參與作業(yè)的機構(gòu)，如夾持器， 吸盤或其他作業(yè)工具。 1 1.3 選題背景 隨著汽車工業(yè)和零部件工業(yè)的發(fā)展，汽車裝配技術(shù)水平也有了較大的提高，國內(nèi) 對直接影響汽車產(chǎn)品質(zhì)量及使用壽命和汽車產(chǎn)品生產(chǎn)最后環(huán)節(jié)的裝配及出廠試驗日趨 重視，促進了汽車產(chǎn)品裝配技術(shù)水平的提高。汽車擋風(fēng)玻璃裝配是汽車生產(chǎn)制造過程中 的一道必然工序，采用裝配機器人是實現(xiàn)汽車擋風(fēng)玻璃裝配自動化與提高生產(chǎn)效率的必 要途徑。目前，在汽車擋風(fēng)玻璃裝配環(huán)節(jié)，基本依靠的是助力機械和工人的配合，存在 裝配速度緩慢，控制精度低，手工操作質(zhì)量不穩(wěn)定，操作危險性高等問題。急需一款全 自動化的裝配機器人來解決這一系列問題。 1.4 裝配機器人研究的意義 機器人應(yīng)用到生產(chǎn)中，在改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高企 業(yè)競爭力等方面發(fā)揮了很大的經(jīng)濟效益。目前，在汽車裝配行業(yè)中，人工已逐漸被自動 化的生產(chǎn)線所取代，在擋風(fēng)玻璃的裝配中，基于汽車擋風(fēng)玻璃寬大，人工不易安裝和操 作的特點，研究設(shè)計一款自動化裝配機器人能夠有效減少工人的勞動強度和勞動量，節(jié) 約勞動成本，改善工作環(huán)境，保證操作安全，促進文明生產(chǎn)。 1.5 本文主要內(nèi)容 （1）通過閱讀學(xué)習(xí)工業(yè)機器人的相關(guān)書籍和論文，確定了工業(yè)機器人使用方式， 完成工作方案的初步設(shè)計； （2）設(shè)計了腰部、大小臂和腕部的傳動方案，并總結(jié)出其總體設(shè)計方案； （3）設(shè)計各軸結(jié)構(gòu)樣式，進行三維建模，并利用 UG 軟件，選擇其驅(qū)動電機類 型； （4）對關(guān)鍵的零部件進行校核。 2 第 2章 裝配機器人總體設(shè)計方案 2.1 運動方案的確定 2.1.1 機構(gòu)選型 2.1.1.1 總體結(jié)構(gòu)選擇 機器人按運動形式可分為以下幾類： 直角坐標(biāo)機器人 圓柱坐標(biāo)機器人 極坐標(biāo)機器人 平面關(guān)節(jié)型裝配機器人 垂直多關(guān)節(jié)機器人 圖 2-1 機器人分類 3 綜合關(guān)節(jié)型機器人具有工作空間范圍大，占地面積??；靈活性高，能夠做到其他 種類機器人所無法做到的動作，用途廣泛；沒有移動關(guān)節(jié)，所以不需要設(shè)計導(dǎo)軌。轉(zhuǎn) 動關(guān)節(jié)容易密封，由于軸承件是大量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，則摩擦小，慣量小，可靠性好； 驅(qū)動各軸運動時轉(zhuǎn)矩較小，耗能少等優(yōu)點。我們決定采用關(guān)節(jié)型機器人。為滿足裝配 自由度需要，選擇圖所示結(jié)構(gòu)。 5 軸 圖 2-2 機器人結(jié)構(gòu)簡圖 2.1.1.2 腕部結(jié)構(gòu)選擇 手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，起支承手部和改變手部姿態(tài)的作用。手腕 按自由度數(shù)目可分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。根據(jù)汽車擋風(fēng)玻 璃裝配需要，選用二自由度手腕即能滿足要求。二自由度手腕由 B 關(guān)節(jié)和 R 關(guān)節(jié)組 成，可實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、俯仰和旋轉(zhuǎn)功能。 2.1.2 驅(qū)動方式選擇 工業(yè)機器人的驅(qū)動方式可以分為氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動及電動機驅(qū)動等多種類型。 它們各有優(yōu)缺點，且適應(yīng)的工作場合也不同。三種驅(qū)動方式的特點比較見表 2-1。 表 2-1 驅(qū)動方式比較 特性 氣壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動 電動機驅(qū)動 輸出功率和使 氣壓較低，輸出功 油壓高，可獲得 適用于運動控制 用范圍 率小，當(dāng)輸出功率增大 較大的輸出功率，適 嚴(yán)格的中、小型機器 時，結(jié)構(gòu)尺寸將過大。 于重型，低速驅(qū)動 人，輸出功率較大 4 控制性能和安 全性 控制性能好，控 位置的精確控制困難， 壓力、流量易控制， 制靈活性強，可實現(xiàn) 阻尼效果差，低速不易 反應(yīng)靈敏，可無極調(diào) 速度、位置的精確控 控制，排氣有噪聲，泄 速，能實現(xiàn)速度、位 制，伺服特性好，控 漏對環(huán)境無影響 置的精確控制，傳動 制系統(tǒng)復(fù)雜，對環(huán)境 平穩(wěn)，泄漏污染環(huán)境 無影響 結(jié)構(gòu)性能 結(jié)構(gòu)體積較大，結(jié) 結(jié)構(gòu)尺寸較氣動 結(jié)構(gòu)性能好，噪 構(gòu)易于標(biāo)準(zhǔn)化，易實現(xiàn) 要小，易于標(biāo)準(zhǔn)化， 聲低，電動機一般需 直接驅(qū)動，密封問題不 易實現(xiàn)直接驅(qū)動，密 配置減速裝置，除 突出 封問題顯得重要 DD 電動機外，難以 直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊 湊，無密封問題 效率和制造成 效率低（為 0.15～ 效率中等（為 0.3～0.6），管理結(jié) 構(gòu)較復(fù)雜，成本高 成本較高，效率 本 0.2）氣源方便，結(jié)構(gòu) 為 0.5 左右 簡單，成本低 根據(jù)上述驅(qū)動系統(tǒng)特點，本文最終選擇電機驅(qū)動的方式。 2.2 運動方案的確定 2.2.1 腕關(guān)節(jié)的傳動方案 圖 2-3 腕部結(jié)構(gòu) 2.2.2 小臂的傳動方案 5 圖 2-4 小臂結(jié)構(gòu) 2.2.3 大臂傳動方案 圖 2-5 大臂結(jié)構(gòu) 2.2.4 腰身轉(zhuǎn)動機構(gòu) 腰身采用伺服電機提供動力，通過蝸輪蝸桿將水平旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直方向旋轉(zhuǎn) 運動 6 第 3 章 基本設(shè)計參數(shù)及載荷的初步確定 3.1 載荷的初步確定 經(jīng)搜索查找得知，汽車擋風(fēng)玻璃結(jié)構(gòu)參數(shù)。按照鋼化玻璃，本次設(shè)計取長 a=1.5m, 寬 b=1.0m,厚度 h=7mm,密度 ρ=2.5g/?? 。由質(zhì)量計算公式 m=abhρ 得到質(zhì)量 m. 2 m=1.5×1×0.7×2.5=26.25kg 3.2 基本設(shè)計參數(shù) （1）結(jié)構(gòu)形式：關(guān)節(jié)式 （2）自由度數(shù)：5 （3）驅(qū)動方式：直流伺服電機 （4）最大持重：37Kg ° （5）環(huán)境溫度：0～50 C 表 3-1 各軸運動參數(shù) 各軸運動范圍、 1軸：±180° 2軸：±45° 3軸：±45° 4軸：±90° 5軸：±180° 速度、 功率、 轉(zhuǎn)矩 15.1r/min 7.6r/min 22.6r/min 25.7r/min 31.2r/min 4.0KW 4.0KW 0.6KW 0.6KW 0.6KW 897.1Nm 1267.6Nm 117.0Nm 111.8Nm 83.6Nm 7 第 4 章 裝配機器人各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1.1 手部結(jié)構(gòu)選擇 按照工作原理可將末端執(zhí)行器分為以下幾類： 機械式夾持器 吸附式末端執(zhí)行器 多指靈巧手 圖 4-1 末端執(zhí)行器分類 考慮汽車擋風(fēng)玻璃的平面結(jié)構(gòu)，本次手部設(shè)計選用吸附式末端執(zhí)行器。它由吸盤、 吸盤架及氣路系統(tǒng)組成?？捎糜谖狡秸饣⒉宦獾母鞣N板材和薄壁零件，如玻璃、 陶瓷等制品。 當(dāng)吸盤內(nèi)抽成負壓時，吸盤外部的大氣壓力將把吸盤緊緊地壓在被吸附的物體上。 吸盤負壓的產(chǎn)生方法有如下方法： （1）擠壓排氣式 8 靠外力將吸盤皮碗壓向被吸物體表面，吸盤內(nèi)腔空氣被擠壓出去，形成內(nèi)腔負壓， 吸盤從而吸住物體。這種方式所形成的吸力不大，而且也不可靠。 （2）真空泵排氣式 當(dāng)控制閥將吸盤與真空泵聯(lián)通時，真空泵將盤內(nèi)空氣抽出，形成吸盤內(nèi)腔負壓，吸 盤吸住物體，當(dāng)控制閥將吸盤與大氣聯(lián)通時，吸盤失去吸力，被吸物體脫離吸盤。 （3）氣流負壓式 控制閥將來自氣泵的壓縮空氣接通至噴嘴，壓縮空氣通過形成高速射流，吸盤腔內(nèi) 的空氣被帶走，在吸盤內(nèi)腔形成負壓，吸盤吸住物體。當(dāng)控制閥切斷通往噴嘴的壓縮空 氣，并使吸盤內(nèi)腔與大氣相通，吸盤便釋放物體。吸盤的吸力 F 要大于被吸附物體的重 力，其所需吸盤的面積 S，可用一個吸盤或數(shù)個吸盤實現(xiàn)。 綜上所述，本次設(shè)計采用氣流負壓式吸盤。 4.1.2 吸盤吸力的計算 在本次設(shè)計中，末端執(zhí)行器采用吸盤式手爪，吸盤采用噴氣式吸盤，吸盤的吸力是 由吸盤皮碗的內(nèi)、外壓力差造成的吸盤的吸力 F 可根據(jù)下式求得： 1 S F = (P - P) 0 f K K K 2 3 （4-1） 1 N /cm 2 式中：? ——大氣壓力 0 N / c m 2 P ——內(nèi)腔壓力 cm 2 S ——吸盤負壓腔在工件表面上的吸附面積 ? ——安全系數(shù)，一般取? =1.2-2 1 1 ? ——工作情況系數(shù)，一般取? =1-3 2 2 ? ——姿態(tài)系數(shù)： 3 1 當(dāng)吸盤表面處于水平位置時，取 1；當(dāng)吸附表面處于垂直位置時，取f f 為吸盤與被吸取物體的摩擦系數(shù)，玻璃和橡膠的摩擦系數(shù) f =0.53。 取 G=370N，大氣壓力? =1.01′ 105 Pa ，內(nèi)腔壓力 P=0.2MPa，? =1.6，, ? =2， 0 1 2 ? =1/0.53。由以上條件計算吸盤的吸附面積 S。由公式（3-2）得： 3 1 f (P0 - P) GK K K ￡ S 1 2 3 9 1 f (P0 - P) S 3 GK K K 1 2 即： 1 1 = ×370×1.6×2× 0.53 0.53×（10-2） =526.9cm 初步選定由四個吸盤完成玻璃的吊裝，因此，所需每個吸盤的面積為 S=131.8 cm ，考慮到工作環(huán)境的變化，取每個吸盤的面積 S=135 cm 。因此吸盤的 2 2 2 直徑 D=13.13cm。取 D=13.2cm，即 D=132mm。 4.1.3 吸盤式手爪結(jié)構(gòu)的確定 吸盤式手爪與機器人的連接采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭盤結(jié)構(gòu)，支撐架與法蘭盤的連接采用焊接 結(jié)構(gòu)。末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu) 圖 3-1 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu) 4.1.4 手部及載荷總體質(zhì)量的確定 考慮到在計算中的誤差和工作中的不確定因素，設(shè)定末端執(zhí)行器和載荷的總體質(zhì)量 為 80Kg。 4.2 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.2.1 腕部結(jié)構(gòu)確定 腕部擺動和轉(zhuǎn)動均采用行星減速器和齒輪傳動。腕部擺動和轉(zhuǎn)動電機分布在小臂 尾部兩端。 10 小臂1軸 腕部 2軸 小臂 2軸 腕部 3軸 腕部 1軸 圖 4-2 小臂和腕部結(jié)構(gòu) 4.2.2 驅(qū)動電機的選擇 4.2.2.1 轉(zhuǎn)動軸驅(qū)動電機選擇 （1）載荷繞腕部 1 軸的轉(zhuǎn)動慣量 設(shè)定 1 軸的轉(zhuǎn)動角速度為 w=120°/s=2.10rad/s=20r/min,載荷整體尺寸為矩形，轉(zhuǎn)動 慣量按式進行計算 m ? = (?2+?2) （4-2） 1 12 80 ×(1.52+12) = 12 =21.67kg. m2 （2）對軸進行受力分析 52mm 22mm G ?1 ?2 圖 4-5 腕部 1 軸受力圖 輸出軸受重力和軸承的支撐力作用，初定? =52mm，? =22mm，受力如圖（4-5） 1 2 根據(jù)軸的受力平衡得 G+? =?2 1 得 800+? = ?2 1 G? =??2 1 800×0.052=? ×0.022 1 求得? =1891N, ? =2691N 1 2 ? 由公式 ? = (? ? + ? ? ) （4-3） ? 1 1 2 2 2 取 f=0.02,初定 ? =? =0.045m 得摩擦力矩 1 2 0.02 ? = 2 ( 1891 × 0.045 + 2691 × 0.045) ? =2.07N.m ? ? =? （4-4) ? ? 11 假定軸的加速過程為勻加速，取啟動時間為 t=0.5s。得慣性力矩 2.1 ? =21.67 × =91.02N.m ? 0.5 由公式 ? = ? (? + ??) （4-5） ? ? ? 取? =1.2，得總的驅(qū)動力矩 ? ? = 1.2×(2.07 + 91.02)=111.71N.m ? （3）電動機選擇 ??=2×??? ??? ? （4-6) 選擇直流伺服電動機 式中：? 負載峰值力矩，單位是 N.m ?? ? 負載峰值轉(zhuǎn)速，單位是 rad/s ?? ?傳動效率，取?=0.8 111.7×2.10 =586.47W 0.8 由此，電動機所需功率 ??=2× 取電動機型號為：130ZYT152，其額定功率為? =0.75 kw,，額定轉(zhuǎn)速 1500r/min,額 ? 定轉(zhuǎn)矩 4.5N.m。軸和電動機轉(zhuǎn)速傳動比 u=75,腕部均采用 u=1 的齒輪傳動，輸入齒輪傳 動取傳動比? =1.5，減速器傳動比? =50，選取諧波減速器 XB3100，其傳動比? =50， 1 2 2 輸出轉(zhuǎn)矩 T=338N.m。輸入功率 P= 0.524 kw，最高輸入轉(zhuǎn)速 n=1500r/min。 4.2.2.2 擺動動軸驅(qū)動電機選 （1）腕部自身相對于 2 軸的轉(zhuǎn)動慣量 設(shè)定腕部擺動角速度為 W=100°/s=1.92rad/s=18.34r/min,將腕部看作繞 2 軸轉(zhuǎn)動的圓 柱，轉(zhuǎn)動慣量按公式 1 ? = ??2 （4-7） 2 12 計算 初步估測腕部質(zhì)量 m 3 圓柱尺寸：R=100mm, ρ=7.8g/cm ,h=250mm m=∏?2hρ=72.67kg 1 ? = ×72.67×0.12=0.061kg.?2 2 12 （2）載荷繞 2 軸的轉(zhuǎn)動慣量 由平移軸定理： ? =? +m?2 12 2‘ （4-8） 載荷繞 2 軸平行自身軸的轉(zhuǎn)動慣量 ? 80 ? = ?2= ×1.52=15kg. m2 2‘ 12 2 12 m? =110×0.22=4.4 kg. ?2 載荷對 2 軸的轉(zhuǎn)動總慣量為 12 ?12=15+4.4 kg. m2=19.4 kg. m2 總轉(zhuǎn)動慣量 J=? +? =19.4+0.061 kg. m =19.47 kg. 2 m2 2 12 （3）力矩計算 載荷作用下的彎矩 M=mgl=800×200 N.mm =160000N.mm 由 得 ? ×98=M 1 ? =1632.7N 1 軸主要受載荷的彎矩作用 ? = ? =1632.7N 2 1 由公式（4-3），取 f=0.02, ? =? =0.055m 1 2 0.02 ? = 2 × (1632.× 0.055 + 1632.7 × 0.055)=1.8N.m ? 由公式（4-4） 1.92 ? =19.47 × ? =74.77N.m 0.5 由公式(4-5)，取? =1.2 ? ? = 1.2×(1.8 + 74.77)=91.89 N.m ? （4）電動機的選擇 選擇直流伺服電動機，由式（4-6）得 91.89×1.92 ??=2× =441.08kw 0.8 取電動機型號為：130ZYT152，其額定功率為? =0.75 kw,，額定轉(zhuǎn)速 1500r/min,額 ? 定轉(zhuǎn)矩 4.5N.m。軸和電動機轉(zhuǎn)速傳動比 u=75,腕部均采用 u=1 的齒輪傳動，輸入齒輪傳 動取傳動比? =2，減速器傳動比? =37.5，選取諧波減速器 XB3100，其傳動比? =40， 1 2 2 輸出轉(zhuǎn)矩 T=338N.m。輸入功率 P= 0.524 kw，最高輸入轉(zhuǎn)速 n=1500r/min。 4.2.3 腕部齒輪設(shè)計與計算 4.2.3.1 腕部轉(zhuǎn)動錐齒輪的設(shè)計與計算 1.腕部轉(zhuǎn)動軸輸入軸錐齒輪設(shè)計與計算 （1）選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1）選用標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪傳動，壓力角 20°。 2）參考[5]表 10-6，選用 7 級精度。 3）選擇齒輪材料為鉻鉬釩合金鋼，齒面硬度 320HBS。 13 4）選擇齒輪齒數(shù) Z1=Z2=21，u=1。 （2）按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 1）由式（4-9）試算齒輪分度圓直徑 ? ≥ 3√ 4? ? ? ? × ( ? ? )2 （4-9） ?? 1 2 ? (1?0.5? ) [? ] ? ? ? 2）確定公式中的參數(shù)。 ①試選? =1.3。 ?? ②齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩。 ?1=123.6N.m=1.236×105N.mm ③選取齒寬系數(shù)? =0.3。 ? ④由[5]圖 10-20 查得區(qū)域系數(shù)Z = 2.5。 H ⑤由[5]表10 ? 5查得材料的彈性影響系數(shù)Z = 189.8MPa。 E ⑥計算接觸疲勞許用應(yīng)力。 由[5]圖10 ? 25d查得齒輪接觸疲勞極限σHlim = 750MPa。 由式（? = 60???? ）計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) ? ? = 60 × 20 × 1 × （2 × 8 × 250 × 10） = 4.8 × 107 由圖 10-23 查取接觸疲勞壽命系數(shù)? =1.1。 ?? 取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，由式（[?]= ? ????）得 ? [? ] ? ? ? 1.02?750 1 ? ??? = [?]= =765MPa [? ] ? 3）試算分度圓直徑。 3 4? ? ? ? × ( ? ? )2 [? ] ? dt≥ √ ?? 1 2 ? (1?0.5? ) ? ? 4×1.3×1.236×105 2 0.3×(1?0.5?0.3) ?1 2.5×189.8 )2 765 3 =√ × ( =104.5mm 調(diào)整齒輪分度圓直徑。 計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。 圓周速度 V。 d =d ×(1-0.5× ? )=104.5×0.85mm=88.82mm m t ? ∏×103.46×20 V = m m/s=0.094m/s 60×1000 14 當(dāng)量齒輪的齒寬系數(shù)? 。 ? 3 b=? ??√?2 + 1/2=0.3×104.5× √2/2=22.17mm ? ? = ?/? =0.25,取? =0.4 ? ? ? 4）計算實際載荷系數(shù)? 。 ? ①由[5]表 10-2 查得系數(shù)? =1。 ? ②根據(jù)? =0.116m/s,8 級精度，由[5]教材圖 10-8 查得動載系數(shù)? =1.03。 ? ? ③直齒錐齒輪精度較低，取齒間載荷分布系數(shù)? =1。 ? ④由[5]表 10-4 用插值法查表得 7 級精度，齒輪懸臂時，齒向載荷分布 數(shù)? =1.189。 ?? 由此得實際再和你系數(shù)。 ? =? ? ? ? ? ? ? ? ?? （4-10） =1×1.03×1×1.189 =1.23 3 1? ?? ??? 由式? = ? √ 可按實際載荷系數(shù)算得的分度圓直徑 1 3 1.23 ?1=104.5× √ =102.6mm 1.3 相應(yīng)的齒輪模數(shù) m=? /? =102.6/24=4.28mm 1 1 （3）按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計 ? ? ?? 1 × ?????? 3 √ 1）由式 m≥ （4-11） 2 2√ 2 ? (1?0.5? ) ? ? 1 [? ] ? +1 ? ? 試算模數(shù) 2）確定公式中各參數(shù)值。 ①試選? =1.3。 ?? ? ? ?? ?? ②計算 。 [? ] ? 分錐角? =? =arctan（1/u）=45°,可得當(dāng)量齒數(shù) 1 2 ? =? =24/cos45°=33.95 ?1 ?2 由[5]圖 10-17 查得齒形系數(shù)? =2.55。 ?? 由[5]圖 10-18 查得應(yīng)力修正系數(shù)? =1.65。 ?? 由[5]圖 10-24 查得齒根彎疲勞強度極限??? =580MPa。 由[5]圖 10-22 取彎曲疲勞壽命系數(shù)? =0.98。 ?? 15 ? ? ? ??? 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.7，由式[σ]= ? ? ? 0.98×580 1.7 ? ??? = [? ]= MPa=334.36MPa ? ? 試算模數(shù)。 ? ? × ??? ?? ? 3 ?? 1 √ m≥ 2 2√ ? (1?0.5? ) ? ? +1 ? 1 2 [? ] ? ? 1.3×1.236×105 2.55×1.65 × 334.36 3 √ = 0.3×(1?0.5×0.3) 24 1 +1 2 2√ 2 =2.26mm 3）調(diào)整齒輪模數(shù) 計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。 ①圓周速度 V。 d =m z =54.1mm 1 1 1 ??1=? （1-0.5? ）=54.1×0.85=45.99mm 1 ? ∏×??1 60×1000 ? ∏×45.99×22.2 =0.054m/s ? = ? 1= 60×1000 ②齒寬 b。 b=? ? √?2 + 1 /2=0.3×54.1× √2 /2 = 11.48mm ? 1 ? =0.25, ? 取 0.4 ? ??1 ? ? ③ 寬高比 b/h。 h=(2?? + ? )? =(2×1+0.25)×1.79=4.027mm ? b/h=11.48/4.027=2.86 4）計算載荷系數(shù)? 。 ? ①根據(jù) V=0.054m/s，8 級精度，由[5]圖 10-8 查得動載系數(shù)? =1.02。 ? ②取齒間載荷分布系數(shù)? =1。 ?? ③由[5]表 10-4 用插值法插得??? = 1.181，于是? =1.12。 ?? 載荷系數(shù)為 由式 ? =? ? ? ? =1×1.02×1×1.12=1.143 ? ? ? ?? ?? 3 ?? =2.26× 3√ 1.143 1.3 m= ? √ =2.17mm ? ??? 選擇標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m=2.5mm，按接觸疲勞強度計算分度圓直徑 d=102.6mm,z=d/m=102.6/2.5=41.04,取 z=42。 幾何尺寸計算 分度圓直徑 d=42×2.5mm=105mm 分錐角? =? =arctan（1/1）=45° 1 2 齒輪寬度 b=? ? √?2 + 1 /2=0.3× 105 × √2/2=22.28mm 取 b=22。 ? 1 16 （4）齒輪采用整體結(jié)構(gòu) （5）主要設(shè)計結(jié)論 齒數(shù)? = ? =42,分度圓直徑? = ? = 105mm，模數(shù) m=2.5mm,壓力角?=20°，變位 1 2 1 2 系數(shù) x =x =0,分錐角? =? =45°，齒寬 b =b =22mm,齒輪材料選用鉻鉬釩合金鋼調(diào)質(zhì)處理， 1 2 1 2 1 2 齒輪按 7 級精度設(shè)計。 2. 腕部轉(zhuǎn)動輸出軸齒輪設(shè)計 由于整個腕部齒輪傳動傳動比均取為 1，齒輪只起傳動作用，無減速作用，傳遞的 轉(zhuǎn)矩基本不變，腕部轉(zhuǎn)動輸出軸齒輪與腕部轉(zhuǎn)動輸入齒輪選擇一致。 4.2.3.2 腕部擺動錐齒輪設(shè)計與計算 （1）選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) ①選用標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪傳動，壓力角 20°。 ②參考[5]表 10-6，選用 7 級精度。 ③選擇齒輪材料為鉻鉬釩合金鋼，齒面硬度 320HBS。 ④選擇齒輪齒數(shù) Z1=Z2=24，u=1。 （2）按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 1）由式（4-9）試算齒輪分度圓直徑 4? ?1 ? (1 ? 0.5? )2 ? ? ? ?)2 3 ?? d ≥ √ × ( [? ] ? ? ? 2）確定公式中的參數(shù)。 ①試選? =1.3。 ?? ②齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩。 ?1=87.1N.m=8.71×104N.mm ③選取齒寬系數(shù)? =0.3。 ? ④由[5]圖 10-20 查得區(qū)域系數(shù)? =2.5。 ? ⑤由[5]表 10-5 查得材料的彈性影響系數(shù)? =189.8MPa。 ? ⑥計算接觸疲勞許用應(yīng)力。 由[5]圖 10-25d 查得齒輪接觸疲勞極限?? =750MPa。 由式（N=60nj?? ）計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) ? N=60×20×1×（2×8×250×10）=4.8× 107 由圖 10-23 查取接觸疲勞壽命系數(shù)? =1.02。 ?? 取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，由式（[σ]= ? ????）得 ? [? ] ? 17 ? ? 1.02?750 1 ? ??? = [?]= =765MPa [? ] ? 試算分度圓直徑。 2 3 4????1 ? ? × ( ) ? ? ? (1?0.5? )2 [? ] ? dt≥ √ ? ? 4×1.3×0.871×105 2 0.3×(1?0.5?0.3) ?1 2.5×189.8 )2 3 =√ × ( 765 =93.0mm 調(diào)整齒輪分度圓直徑。 計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。 圓周速度 V。 d =d ×(1-0.5× ? )=93..0×0.85mm=79.01mm m t ? ∏×79.01×20 60×1000 V = m m/s=0.083m/s 當(dāng)量齒輪的齒寬系數(shù)? 。 ? 3 b=? ??√?2 + 1/2=0.3×93.0× √2/2=19.73mm ? ? = ?/? =0.25,取? =0.4 ? ? ? 3）計算實際載荷系數(shù)? 。 ? ①由[5]表 10-2 查得系數(shù)? =1。 ? ②根據(jù)? =0.083m/s,8 級精度，由[5]教材圖 10-8 查得動載系數(shù)? =1.0。 ? ? ③直齒錐齒輪精度較低，取齒間載荷分布系數(shù)? =1。 ? ④由[5]表 10-4 用插值法查表得 7 級精度，齒輪懸臂時，齒向載荷分布 數(shù)? =1.189。 ?? 由此得實際載荷分布系數(shù)。 ? =? ? ? ? =1×1.0×1×1.189=1.20 ? ? ? ? ?? 3 1? ?? ??? 由式? = ? √ 可按實際載荷系數(shù)算得的分度圓直徑 1 3 1.20 ? =93.0× √ =91.1mm 1 1.3 相應(yīng)的齒輪模數(shù) m=? /? =91.1/24=3.8mm 1 1 （3）按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計 3 ????1 ? (1?0.5? )2? 2√?2+1 ? × ??? ?? ? 由式 m≥ √ 試算模數(shù) [? ] ? ? 1 18 確定公式中各參數(shù)值。 1）試選? =1.3。 ?? 2）計算? ??。 ??? [? ] ? 分錐角? =? =arctan（1/u）=45°,可得當(dāng)量齒數(shù) 1 2 ? =? =24/cos45°=33.95。 ?1 ?2 由[5]圖 10-17 查得齒形系數(shù)? =2.55。 ?? 由[5]圖 10-18 查得應(yīng)力修正系數(shù)? =1.65。 ?? 由[5]圖 10-24 查得齒根彎疲勞強度極限?? =580MPa。 由[5]圖 10-22 取彎曲疲勞壽命系數(shù)? =0.98。 ?? ? ? ? ??? 取彎曲疲勞安全系數(shù) s=1.7，由式[σ]= ? ? ? 0.98×580 1.7 ? ??? = [? ]= ? MPa=334.36MPa ? 試算模數(shù)。 ????1 ? (1?0.5? )2? 2√?2+1 ? × ??? ?? ? 3 √ 調(diào)整齒輪模數(shù) m≥ [? ] ? ? 1 1.3×0.871×105 0.3×(1?0.5×0.3)2242√12+1 2.55×1.65 × 334.36 3 √ = =2.01mm 計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。 ①圓周速度 V。 d=mz=48.2mm ? =d（1-0.5? ）=48.2×0.85=40.92mm ? ? ∏×??1 60×1000 ? ∏×40.92×19.1 1= =0.042m/s ? = ? 60×1000 ②齒寬 b。 b=? ?√?2 + 1 /2=0.3×48.2× √2 /2 =10.23mm ? ? =0.25, ? 取 0.4 ? ?? ? ? ③ 寬高比 b/h。 h=(2?? + ? )? =(2×1+0.25)×1.79=4.027mm ? b/h=10.23/4.027=2.55 3）計算載荷系數(shù)? 。 ? ①根據(jù) V=0.042m/s，8 級精度，由[5]圖 10-8 查得動載系數(shù)? =1.0。 ? ②取齒間載荷分布系數(shù)? =1。 ?? 19 ③由表 10-4 用插值法插得??? = 1.181，于是? =1.10。 ?? 載荷系數(shù)為 由式 ? =? ? ? ? =1×1.0×1×1.11=1.11 ? ? ? ?? ?? 3 ?? 1.11 =2.01× 3√ =1.91mm m= ? √ ? ??? 1.3 選擇標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m=2mm，按接觸疲勞強度計算得的分度圓直徑 d=93.0mm,為了防止 大小齒輪嚙合干涉，取大錐齒輪直徑 d=145mm,z=d/m=72.5,取 z=73。 幾何尺寸計算 分度圓直徑 d=73×2mm=146mm 分錐角? =? =arctan（1/1）=45° 1 2 齒輪寬度 b=? ? √?2 + 1 /2=0.3× 146 × √2/2=30.98mm 取 b=31mm。 ? 1 （4）齒輪采用整體結(jié)構(gòu) （5）主要設(shè)計結(jié)論 齒數(shù)?1=?2=73,分度圓直徑? = ? = 146mm，模數(shù) m=2mm,壓力角?=20°，變位系 1 2 數(shù) x =x =0,分錐角? =? =45°，齒寬 b =b =31mm,齒輪材料選用鉻鉬釩合金鋼調(diào)質(zhì)處理， 1 2 1 2 1 2 齒輪按 7 級精度設(shè)計。 4.2.3.3 腕部轉(zhuǎn)動中間傳動直齒輪設(shè)計與計算 （1）選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1）選用標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱輪傳動，壓力角 20°。 2）參考[5]表 10-6，選用 7 級精度。 3）選擇齒輪材料為鉻鉬釩合金鋼，齒面硬度 320HBS。 4）選擇齒輪齒數(shù) Z1=Z2=24，u=1。 （2）按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 1）由式（4-12）試算齒輪分度圓直徑 3 2???? ?d u+1 u ? ? ? × ( ? ? ? )2 ? ≥ √ 1 × （4-12） t [? ] ? 2）確定公式中的參數(shù)。 ① 試選? =1.3。 ?? ② 齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩。 ?1=119.9N.m=1.199×105N.mm ③選取齒寬系數(shù)? =1。 d ④由[5]圖 10-20 查得區(qū)域系數(shù)? =2.5。 ? ⑤由[5]表 10-5 查得材料的彈性影響系數(shù)? =189.8MPa。 ? 20 ⑥由式（）計算接觸疲勞強度用重合度系數(shù)?? ? =arcos[? ????/(? + 2? )] ? ? （4-13） （4-14） ? 1 1 = arcos[24 × ???20°/(24 + 2 × 1)] =29.841° ? =? （tan? ? ????′）/3.14 ? 1 ? =24×(tan29.841°-tan20°)/3.14 =1.603 4??? 3 ? =√ ? （4-15） 4?1.603 =√ 3 =0.894 ⑦計算接觸疲勞許用應(yīng)力。 由[5]圖 10-25d 查得齒輪接觸疲勞極限?? =750MPa。 由式（N=60nj?? ）計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) ? N=60×20×1×（2×8×250×10）=4.8× 107 由圖 10-23 查取接觸疲勞壽命系數(shù)? =1.02。 ?? 取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，由式（[σ]= ??? ???）得 ? ? [σ]= ??? ???? 1.02?750 = =765MPa ? 1 試算分度圓直徑。 2 3 2??? ?1 ?d u+1 u × (? ? ? ? ? ?) d ≥ √ × （4-16） t [?? ] 3 2×1.3×1.199×105 1+1 1 2.5×189.8×0.894 )2 750 √ × × ( = 1 =58.5mm 調(diào)整齒輪分度圓直徑。 3）計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備