3DOF工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

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1、南昌航空大學科技學院學士學位論文 1 引言 在加速科技進步中,機械制造業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵的作用,其任務(wù)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(diào)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(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、儀器制造等技術(shù)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

2、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(diào)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(shè)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(shù)綜合體—柔性生產(chǎn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)模塊。 隨著工業(yè)技術(shù)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(shù)更加引人注目;作為FMS、FA技術(shù)重要組成之一的工業(yè)機器人技術(shù)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

3、質(zhì)量和生產(chǎn)效率手段之一。 本次設(shè)計是根據(jù)對工業(yè)六自由度機器人的總體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計。關(guān)鍵在于三軸(臂)的傳動系統(tǒng)的設(shè)計以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計,避免運動的干涉。在本次設(shè)計中主要負責第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 在設(shè)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(shè)計難免有缺點、錯誤,懇請各位老師批評指正。 1.1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

4、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(chǔ)。 “工業(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(nèi)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(jié)構(gòu)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

5、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(gòu)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(jié)構(gòu)形式,如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu),使手部完成各種轉(zhuǎn)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(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)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(shè)計的關(guān) 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(jié)構(gòu)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(qū)動

6、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。 1.2 國內(nèi)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(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)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

7、。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(diào)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 Robotic

8、s 2006 圖1-1: 1991-2005年各年世界新安裝工業(yè)機器人臺數(shù) 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(lǐng)域的工業(yè)機器人類型來看,機械手的產(chǎn)量遙遙領(lǐng)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20

9、04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 機械手 點焊接機器人 弧焊機器人 裝配機器人 分配機器人 地 增 區(qū) 幅 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%

10、 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 1.3 論文的主要內(nèi)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(shè)計是根據(jù)對工業(yè)六自由度機器人的總體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計。關(guān)鍵在于三軸(臂)的傳動系統(tǒng)的設(shè)計以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計,避免運動的干涉。在本次設(shè)計中的要求,主要負責第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計。這次設(shè)計的機器人主要部位為第一軸與底座,設(shè)計一個第一軸轉(zhuǎn)動角速度為90°/s

11、,轉(zhuǎn)角范圍為0~270°。底座能夠?qū)崿F(xiàn)第一臂轉(zhuǎn)角 (0~270°)轉(zhuǎn)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(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容。 第三步,機器人的總體方案設(shè)計,進行系統(tǒng)的方案的設(shè)計、比較與確定,依據(jù)對選擇的傳動方案,查閱相關(guān)參考文獻,從而完成,第一、第二、第三軸的傳動選擇。設(shè)計好了之后,確定出總體的結(jié)構(gòu)及整體方案

12、。 第四步,選擇電動機,通過計算出第一軸上的轉(zhuǎn)動慣量,選擇合適的電動機,從而進行第一軸的傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計及計算。根據(jù)齒輪軸徑值,查閱機械設(shè)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(shè)計選擇第一軸零部件以及完成對零部件圖的初步繪制。 2 機器人的結(jié)構(gòu)分析 2.1總體結(jié)構(gòu)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

13、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(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構(gòu)成。機構(gòu)部分有機械手和移動機構(gòu)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(nèi)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(qū)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

14、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(zhuǎn)、臂的左右擺動、臂的上下擺動、手腕的回轉(zhuǎn)、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(zhuǎn)運動,且與大臂相連的所有其它手臂、手腕及機械構(gòu)件也隨大臂一起作回轉(zhuǎn)運動;而后另一手臂由電動機M2驅(qū)動作左右擺動;還有,第三臂由電動機M3驅(qū)動作上下擺動;最后,手腕的回轉(zhuǎn)、伸縮及手爪的抓取由其它三個電動機驅(qū)動。 5 南昌航空大學科技學院學士學位論文 2.2第一軸(大臂)的結(jié)構(gòu) 大臂的結(jié)構(gòu)圖(圖2-1)及其傳動

15、原理簡圖(圖2-1): 圖2-1 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(zhuǎn)運動,整個系統(tǒng)由伺服電動機驅(qū)動。為了實現(xiàn)傳動的設(shè)計要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)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(gòu)繞著它轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運動。 2.3 第二軸的結(jié)構(gòu) 第二軸

16、的結(jié)構(gòu)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(qū)動。為了實現(xiàn)傳動的設(shè)計要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)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(cè)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。 2.4第三軸的結(jié)構(gòu) 第三軸的結(jié)構(gòu)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(qū)動。為了實現(xiàn)傳動的設(shè)計要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)

17、計要求,整個系統(tǒng)采用了一級齒輪內(nèi)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(nèi)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。 2.5 傳動方案的確定 根據(jù)工業(yè)機器人的總體結(jié)構(gòu)分析可知,工業(yè)機器人的三軸的傳動結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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

18、 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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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,

19、蝸桿蝸輪的傳動是兩軸交錯的,這樣一來也就增加了結(jié)構(gòu)的復雜性,且同時也增加了轉(zhuǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)緊湊,并且在總體結(jié)構(gòu)上也是合理的。 總上所述,選擇方案一為最佳。三軸都采用齒輪傳動。 3 設(shè)計計算 3.1電動機的選擇

20、 第一軸的電動機的選擇 根據(jù)設(shè)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(zhuǎn)動慣量是很大的,必須計算各零部件的轉(zhuǎn)動慣量,計算出最終動力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動慣量,再根據(jù)動力源軸上的轉(zhuǎn)動慣量進行選擇電動機。下面計算第一軸上的轉(zhuǎn)動慣量: 如圖3-1-1,該軸的轉(zhuǎn)動軸與第二軸的轉(zhuǎn)動軸不同,該轉(zhuǎn)動軸的軸線為ob線,則在這種情況下, 圖3-1-1 第三臂的轉(zhuǎn)動慣量: Kgm2 第二軸的轉(zhuǎn)動慣量: (3-1-1) Kgm2 兩電動機的轉(zhuǎn)動慣量:

21、 Kgm2 兩個齒輪的轉(zhuǎn)動慣量: Kgm2 減速箱的轉(zhuǎn)動慣量: Kgm2 第一軸本身的轉(zhuǎn)動慣量: Kgm2 所以,總的轉(zhuǎn)動慣量為: Kgm2 而轉(zhuǎn)動角加速度為: 1/s2 則輸出軸的轉(zhuǎn)矩為由式(3-1-7)得: Nm 轉(zhuǎn)換到電動機上的轉(zhuǎn)矩為: Nm 根據(jù)要求<,選P=3KW,n=1000r/min的MGMA型伺服電機,為28.4Nm。 第二軸的電動機的選擇

22、 根據(jù)設(shè)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(zhuǎn)動慣量也是很大的,必須計算各零部件的轉(zhuǎn)動慣量,計算出最終動力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動慣量,再根據(jù)動力源軸上的轉(zhuǎn)動慣量進行選擇電動機。下面計算二軸上的轉(zhuǎn)動慣量: 第二軸的轉(zhuǎn)動慣量: J2=M/12(a2+b2+c2+d2)+mp2=5.742Kgm2 電動機的轉(zhuǎn)動慣量: J2=8.5*0.42=1.366 Kgm2 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 J輪2=50*0.252=3.125 Kgm2 減速箱的轉(zhuǎn)動慣量: J減=150*0.452=30.375 Kgm2 第二軸的總慣量: J總

23、=5.742+1.36+3.125+30.375 =40.602 Kgm2 第三臂的轉(zhuǎn)動慣量: J3=34*0.22=1.36Kgm2 電動機的轉(zhuǎn)動慣量: J輪3=100*0.52=25Kgm2 減速箱的轉(zhuǎn)動慣量: J減+150*0.452=30.375Kgm2 總的轉(zhuǎn)動慣量為: J總=23.43+1.36+25+30.375 =80.165Kg2 轉(zhuǎn)換到電動機上的轉(zhuǎn)矩為: M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

24、電動機 第三軸的電動機的選擇 第三臂的轉(zhuǎn)動慣量: J3=34*0.22=1.36Kgm2 電動機的轉(zhuǎn)動慣量: J輪3=100*0.52=25Kgm2 減速箱的轉(zhuǎn)動慣量: J減+150*0.452=30.375Kgm2 總的轉(zhuǎn)動慣量為: J總=23.43+1.36+25+30.375 =80.165Kg2 轉(zhuǎn)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

25、 4 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算 4.1 第一軸的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)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=2.44.875.7 二 、各級的傳動設(shè)計 第一級斜齒輪的傳動設(shè)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(shè)計要求,選

26、用斜齒圓柱齒輪傳動。 2) 考慮減速設(shè)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(diào)質(zhì)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=2.435=84。 5) 選取螺旋角。初選螺旋角。 2.按齒面接觸強度設(shè)計 由設(shè)計計算公式進行計算,即     ≥mm (4-2-1) 1) 確定公式內(nèi)的各計算值 (1).試選。 (2).由區(qū)域系數(shù)分布圖,選取區(qū)

27、域系數(shù) 。 (3).由標準圓柱齒傳動的端面重合度圖表,查得 , ,則 = (4).計小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩 N (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 ; (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;

28、 (8).計算應力循環(huán)次數(shù) (9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表,查得; ; (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 []= MPa 則取[]H=([]+[])/2=1012 Mpa 2).計算 (1).試算小齒輪分度圓直徑,由計算公式(4-2-1)得 ≥ mm 根據(jù)計算的結(jié)果及電動機的輸出軸徑,取=50 mm; (2).計算

29、圓周速度 m/s (3).計算齒寬及摸數(shù) mm mm (4).計算縱向重合度 (5)計算載荷系數(shù) 已知使用系數(shù) 。 根據(jù),7級精度,由動載荷系數(shù)值分布圖,查 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 =2.728,由彎曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù)()圖, 查得 =2.4

30、5。 由齒向載荷分配系數(shù)(、),查得==1.2, 故載荷系數(shù) =1×1.07×1.2×2.728=3.5 (6).按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑,由式得 mm (7).計算模數(shù) = mm 2. 按齒根彎曲強度設(shè)計 由式≥ mm (3-2-2) 1) 確定計算參數(shù) (1) 計算載荷系數(shù) 11.071.22.45=3.2 (2) 根據(jù)縱向重合度,從螺旋角影響系數(shù)圖表查 得=0.88。 (3) 計算當量齒數(shù)

31、 (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;=2.196 (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;=1.782 (6) 由齒輪的彎曲疲勞強度極限圖,查得 Mpa。 (7) 由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.86,=0.87; (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 422.571 MPa (9) 計算大、小齒輪的 并加以比較 = = 小齒輪的數(shù)值大。 2)設(shè)計計算 ≥

32、mm 對比計算結(jié)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。 4.幾何尺寸計算 1) 計算中心距a mm 將中心距圓整為=122.5 mm 2) 按圓整后的中心距修正螺旋角 因值改變不大,故參數(shù)等不必修正。 3) 計算大小齒輪的分度圓直徑 mm mm 4) 計算齒輪寬度 mm 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=4

33、16.7r/min,傳動比u=4.87,具體設(shè)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(shè)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(diào)質(zhì)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=4.8724=117。 4) 選取螺旋角。初選螺旋角。 2.按齒面接觸強度設(shè)計 由設(shè)計計算公式(3-2-1)進行計算。 1)確定公式內(nèi)的各計算值

34、(1).試選。 (2).由區(qū)域系數(shù)分布圖,選取區(qū)域系數(shù) 。 (3).由標準圓柱齒傳動的端面重合度圖表,查得 , ,則 = (4).計小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩 N (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 ; (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; (8).計算應力循環(huán)次數(shù) (9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表,查得; ; (10).計算接觸疲勞許用應力

35、 取失效概率為1%,安全系S=1,由下式得 []= MPa []= MPa 則取[]H=([]+[])/2=1017.5 Mpa 2).計算 (1).試算小齒輪分度圓直徑,由計算公式得 ≥ mm (2).計算圓周速度 m/s (3).計算齒寬及摸數(shù) mm mm (4).計算縱向重合度

36、 (5).計算載荷系數(shù) 已知使用系數(shù) 。 根據(jù),7級精度,由動載荷系數(shù)值分布圖,查得 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,由彎曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù)()圖,查得 =1.37。 由齒向載荷分配系數(shù)(、),查得==1.2,故載荷系數(shù) =1×1.07×1.2×1.41=1.78 (6).按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑,由式 得 mm (7).計算模數(shù) = mm

37、 3. 按齒根彎曲強度設(shè)計 根據(jù)設(shè)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) 11.071.21.37=1.726 (2) 根據(jù)縱向重合度,從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。 (3) 計算當量齒數(shù) (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; =2.158 (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;=1.792 (6) 齒輪的彎曲疲勞強度極限圖,查得 Mpa。 (7) 由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.87,=

38、0.9; (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 437.143 MPa (9) 計算大、小齒輪的 并加以比較 = = 小齒輪的數(shù)值大。 2)設(shè)計計算 ≥ mm 對比計算結(jié)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 mm 4.幾何尺寸計算 1) 計算中心距 mm 將中心距圓整為=108.5 2) 按圓整后的

39、中心距修正螺旋角 因值改變不大,故參數(shù)等不必修正。 2) 大小齒輪的分度圓直徑 mm mm 4) 計算齒輪寬度 mm 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(shè)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(shè)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(diào)質(zhì)及表面淬火,齒面硬度為48~55H

40、RC。 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=5.724=137。 4) 選取螺旋角。初選螺旋角。 2.按齒面接觸強度設(shè)計 由設(shè)計計算公式(3-2-1)計算: 1) 確定公式內(nèi)的各計算值 (1).試選。 (2).由區(qū)域系數(shù)分布圖,選取區(qū)域系數(shù) 。 (3).由標準圓柱齒傳動的端面重合度圖表,查得 , ,則 = (4).計小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩 N (5).由下表(圓柱齒輪齒寬系數(shù)?d表) 選取齒寬

41、系數(shù)?d=0.8; (6).由材料的彈性影響系數(shù)表,查得=189.8 ; (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; (8).計算應力循環(huán)次數(shù) (9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表,查得; ; (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 []= MPa 則取[]H=([] +[])/2=1070.6 Mpa 2).計算

42、 (1).試算小齒輪分度圓直徑,由計算公式(3-2-1)得 ≥ mm (2).計算圓周速度 m/s (3).計算齒寬及摸數(shù) mm mm (4).計算縱向重合度 (5).計算載荷系數(shù) 已知使用系數(shù) 。 根據(jù),7級精度,由動載荷系數(shù)值分布圖,查 得動載荷系數(shù)KV=1.04;

43、 由接觸強度計算用的齒向載荷分布系數(shù)()表,查得 =1.2877,由彎曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù)()圖,查得 =1.27。 由齒向載荷分配系數(shù)(、),查得==1.2,故載荷系數(shù) =1×1.04×1.2×1.2877=1.61 (6).按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑,由式得 mm (7).計算模數(shù) = mm 3.按齒根彎曲強度設(shè)計 由式≥ mm 1) 確定計算參數(shù) (1)計算載荷系數(shù) 11.041.21.27=1.585

44、 (2) 根據(jù)縱向重合度,從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。 (3)計算當量齒數(shù) (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; =2.14 (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;=1.83 (6)由齒輪的彎曲疲勞強度極限圖,查得 MPa (7)由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.88,=0.91; (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 442.0 MPa (9)計算大、小齒

45、輪的 并加以比較 = = 小齒輪的數(shù)值大。 2)設(shè)計計算 ≥ mm 對比計算結(jié)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 mm 4.幾何尺寸計算 1) 計算中心距 mm 將中心距圓整為=207 mm 2) 按圓整后的中心距修正螺旋角 因值改變不大,故參數(shù)等不必修正。 3) 計算大小齒輪的分度圓直徑 mm mm 4) 計算齒輪寬度 mm

46、 圓整后取 B2=49 mm;B1=55 mm。 4. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計算 1) 估計擺線輪內(nèi)孔半徑 =(0.4~0.5) =40~50mm 2) 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 mm 3) 名義徑向載荷 R R= =5776.698 N 4)

47、當量動載荷 P P==1.35776.698=7509.71 N —動載荷系數(shù),一般取 =1.2~1.5。 5) 軸承相對轉(zhuǎn)速 n n=+=1000+=1015r/min 6) 軸承壽命 h 因為所求得的軸承壽命≥15000 h ,所以滿足要求。 4. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計算 1)估計擺線輪內(nèi)孔半徑 =(0.4~0.5) =52~65mm 2)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=77m

48、m Da=114.6mm a=7 mm 3)名義徑向載荷 R R= =12830.82 N 4)當量載荷 P P==1.312830.82=16680.1 N 5)軸承相對轉(zhuǎn)速 n n=+=1000+=1020r/min 1) 承的壽命 h 因為所求得的軸承壽命≥15000 h ,所以滿足要求。 5. 針齒銷彎曲強度計算 1)針齒結(jié)構(gòu)尺寸 mm mm () mm 2) 最大彎矩 Nmm 3) 許用

49、彎曲應力 MPa 4) 校核彎曲應力 MPa 因為>[],所以滿足要求。 4.2軸承的選擇 4.2.1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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計 5.1 轉(zhuǎn)角范圍的控制設(shè)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(gòu)等的動作以及與相關(guān)機械的協(xié)調(diào)動作都是通過

50、控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。主要控制內(nèi)容有動作的順序、動作的位置與路徑、動作的時間。 按設(shè)計要求要實現(xiàn)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角。這里用擋塊結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)角范圍。第一軸的控制轉(zhuǎn)角(0~270)的擋塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-1 圖5-1 5.2主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(第一臂與底座)

51、 5.2.1 第一軸轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu):如圖5-2,具體尺寸見附圖(零件圖)。 5.2.2底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計:如圖5-3 圖5-2 圖5-3 總 結(jié) 通過這次設(shè)計,使我對工業(yè)機器人有了感性的認識,同時對國內(nèi)外的工業(yè)機器人的發(fā)展也有所了解。根據(jù)國內(nèi)外機器人發(fā)展的經(jīng)驗、現(xiàn)狀及近幾年的動態(tài),結(jié)合當前國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的具體情況,機器人技術(shù)重點應在開展智能機器人、機器人化及其相當技術(shù)的開發(fā)及應用。經(jīng)過努力,我

52、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(shè)計,使我綜合運用機械設(shè)計的理論和實際知識,結(jié)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(shè)計,使我掌握機械設(shè)計的一般規(guī)律,樹立正確的設(shè)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(gòu)類型,制定設(shè)計方案,正確計算零件的工作能力,確定它的尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)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(shè)計能力。 當然在設(shè)計過程中,也碰到了許多問題。在老師的指導和一

53、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(shè)計。由于本人缺乏經(jīng)驗及水平有限,設(shè)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,2001 2.馬香峰 主編.工業(yè)機器人的操作機設(shè)計. 冶金工業(yè)出版社 ,1996 3.宗光華 張慧慧譯.機器人設(shè)計與控制. 科學出版社 , 2004 4. 鄭笑級 工業(yè)機器人技術(shù)及應用[M]. 北京:煤炭工業(yè)出版社,2004 5.Y.Fujimoto and A.kawamur

54、a.Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation walking Robot Incuding Environmental Force Interaction. IEEE Robbtics and Automnation Magzuine,1998,5(2):33~42 6.劉慶國,劉力 編著.計算機繪圖.高等教育出版社, 2003 7.濮良貴 主編, 機械設(shè)計(第八版). 高等教育出版社, 2006 8.馬香峰 等編著, 工業(yè)機械手的操作機設(shè)計. 冶金工業(yè)出版, 1995 9.日本機器人學 會編, 機器人技術(shù)

55、手冊. 科學出版社, 1996 10.付京遜、C·S·G李 編,機器人學. 中國科學技術(shù)出版社, 1989 11.張建民 主編, 工業(yè)機器人. 北京理工大學出版社, 1987 12.[俄]IO·M索爾 編,工業(yè)機器人圖冊. 機械工業(yè)出版社, 1991 13.Huang Z.Wang J Identification of principal screw of 3-DOF parallel manipulators by quadric degeneration 2001 14.Herve J M The lie group of rigid b

56、ody displacements,a fundamental tool for mechanism design 1999 15.Cai G Q.Hu M.Guo C Development and study of a new kind of 3-DOF tripod 1999(1) 16.Hunt K H Structural kinematics of in-parallel actuated robot-arms 1983(11) 17.Siciliano B Tricept robot:inverse kinematics,manipulability analysis an

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58、 謝 時光匆匆如流水,轉(zhuǎn)眼便是大學畢業(yè)時節(jié),春夢秋云,聚散真容易。離校日期已日趨臨近,畢業(yè)論文的的完成也隨之進入了尾聲。從開始進入課題到論文的順利完成,一直都離不開老師、同學、朋友給我熱情的幫助,在這里請接受我誠摯的謝意! 本課題及論文是在我的指導老師許瑛博士的悉心指導下完成的。課題從實施到論文撰寫、修改,無不傾注著許老師的智慧合心血。許老師淵博的學識、嚴謹?shù)膽B(tài)度、開拓創(chuàng)新的工作作風和對學術(shù)執(zhí)著不虞的追求精神給我留下了深刻的印象,并使我終身受益。時至今日,在此論文完成之際,作為桃中一李,我想向我的指導老師許老師致以我由衷的謝意和崇高的敬意。 由于受時間和水平的限制,現(xiàn)代機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計還存在著不夠完善的方面甚至有些錯誤,懇請老師和專家指教,能使本設(shè)計更完善并能付諸于實際,制造出所設(shè)計的機器人,將是很欣慰的事情。 30

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