0488-3-DOF三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【全套6張CAD圖】
0488-3-DOF三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【全套6張CAD圖】,全套6張CAD圖,dof,自由度,工業(yè),機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),全套,cad
開題報(bào)告
題目 3—DOF工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
選題的依據(jù)及意義：
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。
“工業(yè)機(jī)器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。
機(jī)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(dòng)化裝置。機(jī)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(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。
而少自由度工業(yè)機(jī)械人中大多數(shù)為機(jī)械手，而機(jī)械手機(jī)器人主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢（圖1-1）。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)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(gè)自由度（圖1-2）。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。
機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。
圖 1-1 圖 1-2
二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）：
機(jī)器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是當(dāng)代科學(xué)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(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個(gè)國家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。
目前，工業(yè)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會(huì)給工業(yè)機(jī)器人下的定義：工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過改變動(dòng)作程序，來完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。
據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)盟（IFR）2006年5月發(fā)布的“2006世界機(jī)器人調(diào)查”顯示，2005年世界新安裝工業(yè)機(jī)器人121000臺(tái)，比2004年的97000臺(tái)增長25%。這是繼2003年工業(yè)機(jī)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(jī)器人新安裝臺(tái)數(shù)最多的年份，比上一個(gè)峰值――2000年的99000臺(tái)增長22000臺(tái)。
圖2-1： 1991-2005年各年世界新安裝工業(yè)機(jī)器人臺(tái)數(shù)
資料來源：World Robotics 2006
據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)局預(yù)測，截至2005年底，全世界在運(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人共有914000臺(tái)，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2-2： 1991-2005年各年全世界運(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人總數(shù)
就2005年幾大應(yīng)用領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人類型來看，機(jī)械手的產(chǎn)量遙遙領(lǐng)先于其他類型的工業(yè)機(jī)器人，約達(dá)到43500臺(tái)。其中，亞洲地區(qū)機(jī)械手的產(chǎn)量比2004年增加了27%；美洲地區(qū)機(jī)械手的產(chǎn)量幅度更是高達(dá)53%；雖然歐洲地區(qū)2005年機(jī)械手的產(chǎn)量比上年略有下降，但其產(chǎn)量仍接近14000臺(tái)。接下來依次是：點(diǎn)焊接機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人和分配機(jī)器人，其產(chǎn)量分別約為20500臺(tái)、17500臺(tái)、13000臺(tái)和4500臺(tái)。表1反映了2005年亞、歐、美三大地區(qū)各類型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)量增幅情況。
表1-1： 2005年亞、歐、美三大地區(qū)各類型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量增幅表
類 型
機(jī)械手
點(diǎn)焊接機(jī)器人
弧焊機(jī)器人
裝配機(jī)器人
分配機(jī)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%
6%
1%
-23%
資料來源：World Robotics 2006
三、研究內(nèi)容及主要特色：
本次設(shè)計(jì)是根據(jù)對(duì)工業(yè)六自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免運(yùn)動(dòng)的干涉。在本次設(shè)計(jì)中主要負(fù)責(zé)第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
3.1課題工作內(nèi)容：
1 開題報(bào)告，外文資料翻譯
2 機(jī)器人本體的組成方案設(shè)計(jì)
3 第一臂、底座的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)
4 Auto CAD平臺(tái)上建立各零部件與裝配圖
5 畢業(yè)論文整理 及答辯準(zhǔn)備
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度：
4.1 3—DOF工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
以3自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)要求如下：
第一軸：轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為 90/s，轉(zhuǎn)角范圍為0～270
底 座：能夠?qū)崿F(xiàn)第一臂轉(zhuǎn)角(0-270度)轉(zhuǎn)角范圍控制
圖4-1
4.2 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作進(jìn)度的時(shí)間：
1 開題報(bào)告，外文資料翻譯 第01周-第02周
2 機(jī)器人本體的組成方案設(shè)計(jì) 第03周-第04周
3 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) 第05周-第08周
4 虛擬平臺(tái)的建立與裝配 第09周-第12周
5 機(jī)器人抓取作業(yè)的運(yùn)動(dòng)模擬 第13周-第15周
6 畢業(yè)論文整理 及答辯準(zhǔn)備 第16周-第17周
5、 參考文獻(xiàn)
1 孫桓 等主編.機(jī)械原理(第六版) .高等教育出版社，2001
2 馬香峰 主編.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì). 冶金工業(yè)出版社 ,1996
3 宗光華 張慧慧譯.機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制. 科學(xué)出版社 ， 2004
4鄭笑級(jí) 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2004
5 Y.Fujimoto and A.kawamura.Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation walking Robot Incuding Environmental Force Interaction. IEEE Robbtics and Automnation Magzuine,1998,5(2):33～42
3-DOF工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要：在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化的水平，。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。
本設(shè)計(jì)介紹了關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的一些基本常識(shí)和原理，包括工業(yè)機(jī)器人的組成、分類、主要技術(shù)性能參數(shù)和工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析，并參考通用型工業(yè)六自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。根據(jù)對(duì)工業(yè)六自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免運(yùn)動(dòng)的干涉，在本次設(shè)計(jì)中主要負(fù)責(zé)第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其傳動(dòng)原理，對(duì)第一臂與底座的各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：三自由度 機(jī)器人 傳動(dòng)原理 控制
目 錄
1 引言 (01)
1. 1 選題的依據(jù)和意義 (02)
1. 2 國內(nèi)外研究概況 (03)
1. 3 論文主要內(nèi)容 (05)
2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析 (06)
2. 1 總體結(jié)構(gòu)的概述 (06)
2. 2 第一軸（大臂）的結(jié)構(gòu) (07)
2. 3 第二軸結(jié)構(gòu) (09)
2. 4 第三軸結(jié)構(gòu) (10)
2. 5 傳動(dòng)方案的確定 (11)
3 設(shè)計(jì)計(jì)算 (12)
3. 1 電動(dòng)機(jī)的選擇 (12)
4 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 (16)
4. 1 第一軸的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (16)
4. 2 軸承的選擇 (31)
4．2．1 斜齒輪傳動(dòng)軸上的軸承 (31)
5 機(jī)器人各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (32)
5. 1 轉(zhuǎn)角范圍的控制設(shè)計(jì) (32)
5. 2 主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（第一臂與底座） (33)
5．2 .1 第一軸轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu) (33)
5．2 .2 底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (33)
6 總 結(jié) (34)
參考文獻(xiàn) (35)
致 謝 (36)
附錄 A 外文文獻(xiàn)翻譯
附錄 B CAD圖A1總裝配圖與各零件圖
動(dòng)態(tài)優(yōu)化的一種新型高速，高精度的三自由度機(jī)械手①
彭蘭（蘭朋）②，魯南立，孫立寧，丁傾永
(機(jī)械電子工程學(xué)院，哈爾濱理工學(xué)院，哈爾濱 150001，中國)
( Robotics Institute。Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，P。R。China)
摘要
介紹了一種動(dòng)態(tài)優(yōu)化三自由度高速、高精度相結(jié)合，直接驅(qū)動(dòng)臂平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)和線性驅(qū)動(dòng)器，它可以提高其剛度進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS仿真模擬環(huán)境中，進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn).設(shè)計(jì)調(diào)查是由參數(shù)分析工具完成處理的，分析了設(shè)計(jì)變量的近似的敏感性，包括影響參數(shù)的每道光束截面和相對(duì)位置的線性驅(qū)動(dòng)器上的性能.在適當(dāng)?shù)姆绞较?，模型可以獲得一個(gè)輕量級(jí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化和小變形的參數(shù)。一個(gè)平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)不同截面是用來改進(jìn)機(jī)械手的.結(jié)果發(fā)生明顯的改進(jìn)后的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析和另一個(gè)未精制一個(gè)幾乎是幾乎相等.但剛度的改進(jìn)的質(zhì)量大大降低，說明這種方法更為有效的。
關(guān)鍵詞: 機(jī)械手、 ADAMS、 優(yōu)化、 動(dòng)力學(xué)仿真
0 簡介
并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)械手（PKM）是一個(gè)很有前途的機(jī)器操作和裝配的電子裝置，因?yàn)樗麄冇幸恍┟黠@的優(yōu)勢，例如：串行機(jī)械手的高負(fù)荷承載能力，良好的動(dòng)態(tài)性能和精確定位的優(yōu)點(diǎn)等. 一種新型復(fù)合3一DOF臂的優(yōu)點(diǎn)和串行機(jī)械手，也是并聯(lián)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，三自由度并聯(lián)機(jī)器人是少自由度并聯(lián)機(jī)器人的重要類型。三自由度并聯(lián)機(jī)器人由于結(jié)構(gòu)簡單，控制相對(duì)容易，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。但由于它們比六自由度并聯(lián)機(jī)器人更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特性，增加了這類機(jī)構(gòu)型綜合的難度，因此對(duì)三自由度并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行型綜合具有理論意義和實(shí)際價(jià)值。本文利用螺旋理論對(duì)三自由度并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行型綜合，以總結(jié)某些規(guī)律，進(jìn)一步豐富型綜合理論，并為新機(jī)型的選型提供理論依據(jù)，以下對(duì)其進(jìn)行闡述。
如圖-1所示 機(jī)械手組成的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)(PPM)包括平行四邊形結(jié)構(gòu)和線性驅(qū)動(dòng)器安裝在PPM.兩直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)c整合交流電高分辨率編碼器的一部分作為驅(qū)動(dòng)平面并聯(lián)機(jī)械裝置.線型致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的聲音線圈發(fā)動(dòng)機(jī).這被認(rèn)為是理想的驅(qū)動(dòng)短行程的一部分.作為一個(gè)非換直接驅(qū)動(dòng)類，音圈電機(jī)可以提供高位置敏感和完美的力量與中風(fēng)的角色，高精密線性編碼作為回饋部分保證在垂直方向可重復(fù)性。
另一方面，該產(chǎn)品具有較高的剛度比串行機(jī)械手，因?yàn)樗奶攸c(diǎn)和低封閉環(huán)慣性轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，該系統(tǒng)可以克服了柔性耦合力學(xué)彈性、齒輪、軸承、被撕咬支持，連接軸和其他零件，包括古典驅(qū)動(dòng)設(shè)備，因此該機(jī)械手是更容易得到動(dòng)力學(xué)性能好、精度高。
圖-1 3自由度的混合結(jié)構(gòu)的機(jī)械手
當(dāng)長度的各個(gè)環(huán)節(jié)的平面并聯(lián)機(jī)時(shí)，構(gòu)決定于運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和綜合[4-7]，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的首要任務(wù)，應(yīng)加大僵硬、降低質(zhì)量.關(guān)于幾個(gè)參數(shù)模型.這是它重要和必要的影響，研究了各參數(shù)對(duì)模型表現(xiàn)以進(jìn)一步優(yōu)化。本文就開展設(shè)計(jì)研究工具，通過參數(shù)分析亞當(dāng)斯，又要適當(dāng)?shù)姆绞絹慝@得一個(gè)輕量級(jí)的優(yōu)化和小變形系統(tǒng)。
1 仿真模型
ADAMS(Automatic Dynamic Analysis 0f Mechanical System)自動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析是一個(gè)完美的軟件，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬可處理機(jī)制包括有剛性和靈活的部分，仿真模型可以創(chuàng)造出機(jī)械手的亞當(dāng)斯環(huán)境 如圖-2。OXYz是全球性的參考幀，并OXYz局部坐標(biāo)系，兩個(gè)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、交流和02M O1A表示，與線性驅(qū)動(dòng)器CH被視為剛性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電機(jī)傳動(dòng)的120kg/cm2。大眾的線性驅(qū)動(dòng)器是1.5kg，連接AB、德、03F和LJ被視為柔性體立柱、橫梁GK，通用公司和公里，形成一個(gè)三角形，也被當(dāng)作柔性傳動(dòng)長度的鏈接是決定提前運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)為AB =O3F = 7cm，DE=IJ=7cm，GK= 7cm，GM =11.66cm， = 8.338cm。其它維度，這個(gè)數(shù)字是01A = 02M =7cm，CB=CD=HJ 2.5cm。EF=EG=JK= 3cm。
雖然總平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)都是在水平、垂直和水平剛度必須在豎向剛度特征通常低于水平僵硬，因?yàn)樗慕巧诖怪睉冶哿旱慕孛娉叽缬?jì)算每一束平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)和相對(duì)位置的線性驅(qū)動(dòng)器是兩個(gè)非常僵硬的影響因素的系統(tǒng)。
運(yùn)動(dòng)支鏈可分為三類："主動(dòng)鏈（由驅(qū)動(dòng)器賦予確定獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的支鏈。一般是單驅(qū)動(dòng)器控制一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)），從動(dòng)鏈（不帶驅(qū)動(dòng)器、被迫作確定運(yùn)動(dòng)的支鏈。又分為以下兩種：約束鏈：獨(dú)立限制機(jī)構(gòu)自由度的從動(dòng)鏈。冗余鏈：重復(fù)限制機(jī)構(gòu)自由度的從動(dòng)鏈）復(fù)合鏈（有單驅(qū)動(dòng)器、但限制一個(gè)以上的機(jī)構(gòu)自由度的支鏈，實(shí)際是主動(dòng)鏈與約束鏈的組合）-并聯(lián)機(jī)構(gòu)是由這幾種支鏈用不同形式組合起來的。動(dòng)鏈中的約束鏈除了可以提高機(jī)構(gòu)剛度和作為測量鏈外，其更主要的作用是用來約束動(dòng)平臺(tái)的某一個(gè)或幾個(gè)自由度，以使其實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。
圖-2 仿真模型
2 仿真模擬結(jié)果
在本節(jié)中，平均位移的末端是用來描述動(dòng)態(tài)剛度，這是在不同的配置在不同的線性驅(qū)動(dòng)器向前，從最初的位置的目的地，一般的豎向位移的機(jī)械手是作為目標(biāo)來研究豎向剛度，平均差別的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)點(diǎn)之間有一個(gè)剛性數(shù)學(xué)模型，模型，作為目標(biāo)來研究水平剛度。
并聯(lián)機(jī)器人的構(gòu)型設(shè)計(jì)即型綜合是并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，其目的是在給定所需自由度和運(yùn)動(dòng)要求條件下，尋求并聯(lián)機(jī)構(gòu)桿副配置、驅(qū)動(dòng)方式和總體布局等的各種可能組合。國內(nèi)的許多學(xué)者正致力于這方面的研究，其中比較有代表性的有如下幾種方法："黃真為代表的約束綜合法；楊廷力等人的結(jié)構(gòu)綜合法；代表的李代數(shù)綜合法。以上各種方法自成體系，各有特點(diǎn)，都缺乏理論的完備性。本文提出添加約束法，是從限制自由度的角度出發(fā)，增加約束，去除不需要的自由度，因每條主動(dòng)鏈只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，讓其控制一個(gè)自由度，其余自由度通過純約束鏈去除，這樣可以使主、從動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈的作用分離，運(yùn)動(dòng)解耦，有利于控制。具有三自由度的并聯(lián)機(jī)床，當(dāng)采用條主動(dòng)支鏈作為驅(qū)動(dòng)時(shí)，機(jī)構(gòu)就需要約束另三個(gè)自由度，通過選擇無驅(qū)動(dòng)裝置的從動(dòng)鏈來完成，則整個(gè)機(jī)構(gòu)成為有確定運(yùn)動(dòng)的三自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。黃真等提出的約束綜合法對(duì)完全對(duì)稱的少自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行了型綜合，完全對(duì)稱的支鏈結(jié)構(gòu)相同，都屬于復(fù)合鏈，每條支鏈除都有一個(gè)單驅(qū)動(dòng)器，控制一個(gè)自由度外，還應(yīng)約束一個(gè)以上自由度才能使機(jī)構(gòu)的六個(gè)自由度全部受控，使機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)。
2.1 截面效應(yīng)
扭轉(zhuǎn)變形位移的連結(jié)將會(huì)引起的，所以，扭轉(zhuǎn)常數(shù)的橫截面，重力是研究裝系統(tǒng)來研究，采取扭轉(zhuǎn)剛度的垂直切片lxx不變的各個(gè)環(huán)節(jié)和梁作為設(shè)計(jì)變量的變化，從 0.1 x 105mm4 與 3.5 x 105 mm4。
圖-3 不斷的效果在垂直變形扭轉(zhuǎn)
圖-3顯示了平均位移與截面扭轉(zhuǎn)常數(shù)末端的各個(gè)環(huán)節(jié)和梁，根據(jù)它的變化速率的環(huán)節(jié)，是最大的，AB是鏈接，LJ依次分別GK梁和KM有在豎向剛度性能。其他的仿真結(jié)果表明，水平位移之間的差異進(jìn)行比較，結(jié)果表明該模型體育智力H和剛性模型變化小就改變了恒定不變的時(shí)候扭加載慣性力的線性驅(qū)動(dòng)器，但是水平位移的變化，這意味著在這種模擬豎向變形的生產(chǎn)水平位移系統(tǒng)機(jī)械手。注意端面線性驅(qū)動(dòng)器的主要原因是水平變形、線性驅(qū)動(dòng)器機(jī)器人是由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)C和H . 所以，我們計(jì)算了不同的Z-coordinate攝氏度之間，如圖所示，在圖4 -扭轉(zhuǎn)常數(shù)的影響差別的鏈接德。其次是最有效的通用和連接梁，連接O3F，梁GK有效果。
因此，應(yīng)采取AB和連接區(qū)段大扭常數(shù)的免疫力，豎向剛度較大并行扭轉(zhuǎn)不變的鏈接德也使較少的均勻性，降低線性驅(qū)動(dòng)器不可以降低水平變形。
圖-4 在不影響扭不變
如圖-5、6所展示的影響是區(qū)域慣性轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)變量是區(qū)域剛度和慣性轉(zhuǎn)矩的各個(gè)環(huán)節(jié)和梁lz，圖顯示增加lw卡爾減少的速度高于垂直位移的不斷增加Ixx扭轉(zhuǎn)。這個(gè)Yxx AB、梁的鏈接，鏈接O3F是Iyy三個(gè)主要因素決定了豎向剛度。
圖-6 所示 鏈接的AB、梁公里，連接03F也是其中的三個(gè)主要因素決定的均勻性線性傳動(dòng)裝置、不同的分析結(jié)果表明，Izz效果好，具有至少兩個(gè)垂直和水平剛度，這意味著這種結(jié)構(gòu)，具有足夠的水平，降低Izz剛度的鏈接和增加Iyy AB、梁的鏈接，鏈接O3F公里的好方法，優(yōu)化系統(tǒng)。
圖-5 瞬間的慣性效應(yīng)對(duì)垂直位移
圖-6 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不平衡的影響
2.2影響的線性驅(qū)動(dòng)器的相對(duì)位置
線性執(zhí)行器的慣性是主要載荷之一，在機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，不同的相對(duì)應(yīng)的垂直位置產(chǎn)生不同的變形，圖7顯示了絕對(duì)平均的最終效應(yīng)垂直位移時(shí)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)以恒定的加速度旋轉(zhuǎn)，我們可以看到，過低或過高的相對(duì)位置會(huì)造成比格變形，最好的位置是一對(duì)Z = 24毫米的地方大概是從中間環(huán)節(jié)連接O3F到 AB.
圖-7 影響線性驅(qū)動(dòng)器的相對(duì)位置
3 分析改進(jìn)的機(jī)械手
根據(jù)上述模擬結(jié)果，所有改進(jìn)的機(jī)械手的設(shè)計(jì)，時(shí)間如下：鏈接截面AB，DE，lJ 與30mm的基礎(chǔ)和高度，10毫米的厚度;鏈接O3F和矩形空心梁與30mm的基礎(chǔ)和高度工型鋼，l0mm法蘭和6mm網(wǎng);梁競，通用汽車與8mm的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和30mm高的矩形。
圖-8 梯形運(yùn)動(dòng)姿態(tài)
圖-9中回應(yīng)的是機(jī)械手，相比之下，圖-10中提高初始的反應(yīng)，在其中所有的鏈接和機(jī)械手的矩形截面梁的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，用30毫米，高度的差異是曲線，C和H的曲線積分，二是垂直位移的末端，改進(jìn)系統(tǒng)中最大位移0.7Um最初的0.12Um相比，爭論的振動(dòng)激勵(lì)后仍停留在O.06Um±0.15% s±O.05Um相比的初始變形改善系統(tǒng)的初始小于前者具有較少的慣性，因?yàn)樵谙嗤牟椒ゲ粩嗉涌欤３终駝?dòng)瓣膜差不多一樣，它對(duì)這整個(gè)系統(tǒng)中來說，仍然改善系統(tǒng)的剛度，幾乎相當(dāng)于初始制度，針對(duì)大規(guī)模的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)在該系統(tǒng)相比下降了30%，這樣的初始優(yōu)化是有效的。
圖-9 、 圖-10 動(dòng)態(tài)響應(yīng)
4 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一種新型三自由度機(jī)械手變量的敏感性進(jìn)行了研究在ADAMS環(huán)境中，可以得出以下結(jié)論：
1） 機(jī)器人具有較大的水平剛度，最終水平位移，效應(yīng)主要是由機(jī)械手垂直變形造成的，因此，更重要的是增加的幅度比剛度豎向剛度。
2） 參數(shù)Ixx，Iyy并鏈接'截面剛度Izz有不同的效應(yīng)，Iyy已經(jīng)對(duì)垂直剛度的影響最大，Ixx在第二位的是，Ixx具有在垂直剛度的影響最小，他們都較少對(duì)水平比垂直剛度剛度。
3） 橫截面的不同環(huán)節(jié)都有不同的影響，連線豎向剛度AB和德應(yīng)該使用區(qū)扭轉(zhuǎn)常數(shù)和慣性力矩大，如變形、長方形、橫梁KM，，線 03F應(yīng)該使用區(qū)段形梁等重大時(shí)刻轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、橫梁GK，和GM 可以使用盡可能的一小部分，從而降低了質(zhì)量。
4） 最佳的線性驅(qū)動(dòng)器的相對(duì)位置可以減少變形，最好的位置是垂直的平行結(jié)構(gòu)。
5） 改進(jìn)的機(jī)械手的動(dòng)態(tài)分析表明該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究的基礎(chǔ)上的效率。
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11
3-DOF Structural Design of Industrial Robots
Abstract?： In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.
The Design of industrial robots on some basic common sense and principles, including the composition of industrial robots, classification, main technical performance parameters and the movement of industrial robots, with reference to general-purpose industrial 6-DOF robot's structure, conduct three degrees of freedom industrial robot structural design, based on the industry overall structure of six degrees of freedom robot and transmission system analysis and discussion of the 3-DOF industrial robot for structural design. The key lies in the fact that three axis (arm) transmission system design and the whole structure design, avoid the interference in the sports, mainly responsible for the design of the arm and base structure design and its transmission principle of first arm and the base of the parts of the structure design.
Keywords: 3-DOF Robots Transmission principle Control
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：
3-DOF工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
II、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：
根據(jù)對(duì)工業(yè)3自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的分析和探討，按照下列
技術(shù)要求，基于Auto CAD軟件完成機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)要求如下：
第一軸：轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為 90/s，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
III、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間：
1. 開題報(bào)告，外文資料翻譯 2周 3月1日~3月12日
2. 機(jī)器人本體的組成方案設(shè)計(jì) 2周 3月15日~3月26日
3. 第一臂、底座的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) 4周 3月29日~4月23日
4. Auto CAD軟件平臺(tái)上建立各零部件與裝配圖 4周 4月26日~5月21日
5. 畢業(yè)論文整理 及答辯準(zhǔn)備 3周 5月24日~6月10日
Ⅳ 、主 要參考資料：
【1】 孫桓 等主編.機(jī)械原理(第六版) .高等教育出版社，2001
【2】馬香峰 主編.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì). 冶金工業(yè)出版社 ,1996
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1 引言
在加速科技進(jìn)步中，機(jī)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(dú)立單元變?yōu)樽詣?dòng)化綜合體（自動(dòng)化工段，生產(chǎn)線和自動(dòng)化車間），將來甚至實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工廠。這種自動(dòng)化生產(chǎn)最重要的特點(diǎn)是具有柔性，它能預(yù)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(yīng)多種產(chǎn)品生產(chǎn)。
當(dāng)代柔性自動(dòng)化生產(chǎn)的建立和廣泛應(yīng)用，取決于作為科技進(jìn)步的催化劑的機(jī)床制造、機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jī)器人是多品種的經(jīng)常更換產(chǎn)品的生產(chǎn)過程自動(dòng)化的通用手段。在機(jī)械制造中，工業(yè)機(jī)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(jī)器人與傳統(tǒng)自動(dòng)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(jī)器人廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、鍛壓機(jī)床、鑄造機(jī)械和倉儲(chǔ)設(shè)備上，以完成傳送裝備和其它操作。工業(yè)機(jī)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(jī)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(jì)的驚人發(fā)展，標(biāo)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(dòng)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(jī)器人技術(shù)也將得到迅速發(fā)展。應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)環(huán)境條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率手段之一。
本次設(shè)計(jì)是根據(jù)對(duì)工業(yè)六自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免運(yùn)動(dòng)的干涉。在本次設(shè)計(jì)中主要負(fù)責(zé)第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
在設(shè)計(jì)中許瑛老師給予了很大的指導(dǎo)和幫助，在此謹(jǐn)致謝意。
限于水平，本設(shè)計(jì)難免有缺點(diǎn)、錯(cuò)誤，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)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(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。
“工業(yè)機(jī)器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。
機(jī)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(dòng)化裝置。機(jī)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(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。
而少自由度工業(yè)機(jī)械人中大多數(shù)為機(jī)械手，而機(jī)械手機(jī)器人主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)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(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。
機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。
1.2 國內(nèi)外研究概況
機(jī)器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是當(dāng)代科學(xué)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(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個(gè)國家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。
目前，工業(yè)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會(huì)給工業(yè)機(jī)器人下的定義：工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過改變動(dòng)作程序，來完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。
據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)盟（IFR）2006年5月發(fā)布的“2006世界機(jī)器人調(diào)查”顯示，2005年世界新安裝工業(yè)機(jī)器人121000臺(tái)，比2004年的97000臺(tái)增長25%。這是繼2003年工業(yè)機(jī)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(jī)器人新安裝臺(tái)數(shù)最多的年份，比上一個(gè)峰值――2000年的99000臺(tái)增長22000臺(tái)。
資料來源：World Robotics 2006
圖1-1： 1991-2005年各年世界新安裝工業(yè)機(jī)器人臺(tái)數(shù)
據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)局預(yù)測，截至2005年底，全世界在運(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人共有914000臺(tái)，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(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人總數(shù)
就2005年幾大應(yīng)用領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人類型來看，機(jī)械手的產(chǎn)量遙遙領(lǐng)先于其他類型的工業(yè)機(jī)器人，約達(dá)到43500臺(tái)。其中，亞洲地區(qū)機(jī)械手的產(chǎn)量比2004年增加了27%；美洲地區(qū)機(jī)械手的產(chǎn)量幅度更是高達(dá)53%；雖然歐洲地區(qū)2005年機(jī)械手的產(chǎn)量比上年略有下降，但其產(chǎn)量仍接近14000臺(tái)。接下來依次是：點(diǎn)焊接機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人和分配機(jī)器人，其產(chǎn)量分別約為20500臺(tái)、17500臺(tái)、13000臺(tái)和4500臺(tái)。表1反映了2005年亞、歐、美三大地區(qū)各類型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)量增幅情況。
類 型
機(jī)械手
點(diǎn)焊接機(jī)器人
弧焊機(jī)器人
裝配機(jī)器人
分配機(jī)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%
6%
1%
-23%
表1-1： 2005年亞、歐、美三大地區(qū)各類型工業(yè)機(jī)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(dòng)控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化機(jī)床控制，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)器人等。在本次設(shè)計(jì)是根據(jù)對(duì)工業(yè)六自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免運(yùn)動(dòng)的干涉。在本次設(shè)計(jì)中的要求,主要負(fù)責(zé)第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這次設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要部位為第一軸與底座，設(shè)計(jì)一個(gè)第一軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為90°/s,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(jī)器人。
第一步，查閱資料，工業(yè)機(jī)器人原理，了解工業(yè)機(jī)器人在國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r和生存問題。了解3-DOF工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)以及在日常生產(chǎn)生活中的用途。根據(jù)其運(yùn)用的場合不同，適當(dāng)選擇合適的方案，以達(dá)到實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、可靠的目的。
第二步，在對(duì)所選課題有個(gè)初步的了解之后，在確定3-DOF工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容。
第三步，機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)的方案的設(shè)計(jì)、比較與確定，依據(jù)對(duì)選擇的傳動(dòng)方案，查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)，從而完成，第一、第二、第三軸的傳動(dòng)選擇。設(shè)計(jì)好了之后，確定出總體的結(jié)構(gòu)及整體方案。
第四步，選擇電動(dòng)機(jī)，通過計(jì)算出第一軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇合適的電動(dòng)機(jī)，從而進(jìn)行第一軸的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算。根據(jù)齒輪軸徑值，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，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(jì)選擇第一軸零部件以及完成對(duì)零部件圖的初步繪制。
2 機(jī)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(jī)器人，其中大部分屬于“示教再現(xiàn)”型。如果將這類機(jī)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(jī)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(jī)器人，并取得了不少成果，但是，真正將這些成果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的還為數(shù)不多。在實(shí)際生產(chǎn)（如噴漆、焊接、裝配等）中被廣泛應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人，示教再現(xiàn)型還是較多。
一般的機(jī)器人，它由機(jī)器人的機(jī)構(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構(gòu)成。機(jī)構(gòu)部分有機(jī)械手和移動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成；傳感器有測量機(jī)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(duì)象工作情況的外傳感器；控制器是直接控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置，只要不是自主型移動(dòng)機(jī)器人，它通常放在與機(jī)器人不同的地方，通過導(dǎo)線連接。在工業(yè)機(jī)器人的控制裝置中，有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、PTP運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)和CP運(yùn)動(dòng)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(jī)器人本體相連，多用于智能機(jī)器人。
機(jī)器人具有六自由度，即大臂的回轉(zhuǎn)、臂的左右擺動(dòng)、臂的上下擺動(dòng)、手腕的回轉(zhuǎn)、手腕的伸縮和手爪的抓取。當(dāng)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)的情況說明如下：首先，由電動(dòng)機(jī)M1經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)大臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且與大臂相連的所有其它手臂、手腕及機(jī)械構(gòu)件也隨大臂一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；而后另一手臂由電動(dòng)機(jī)M2驅(qū)動(dòng)作左右擺動(dòng)；還有，第三臂由電動(dòng)機(jī)M3驅(qū)動(dòng)作上下擺動(dòng)；最后，手腕的回轉(zhuǎn)、伸縮及手爪的抓取由其它三個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
６
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(dòng)原理簡圖（圖2-1）：
圖2-1
圖2-2
第一臂，也即大臂，該手臂實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，整個(gè)減速系統(tǒng)采用了三級(jí)斜齒輪傳動(dòng)，且所有的斜齒輪都裝在一個(gè)箱體（減速箱）里面。然而，與一般情況不同的是，第三級(jí)斜齒輪直接固定在機(jī)座上，從而使其它的（上級(jí)的斜齒輪）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)，且電動(dòng)機(jī)又固定在大臂上，所以導(dǎo)致大臂帶著電動(dòng)機(jī)、減速箱一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
2.3 第二軸的結(jié)構(gòu)
第二軸的結(jié)構(gòu)圖（圖2-2）：
圖2-2
第二軸，該手臂實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的左右擺動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，整個(gè)減速系統(tǒng)采用了一級(jí)齒輪傳動(dòng)。由電動(dòng)機(jī)上的一個(gè)齒輪和軸承右側(cè)的一個(gè)齒輪嚙合，軸承通過定位銷與第二大臂固定，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪，把動(dòng)力傳給與第二臂固定的軸承，使得第二臂實(shí)現(xiàn)水平線上的前后擺動(dòng)。
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(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的上下擺動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，整個(gè)系統(tǒng)采用了一級(jí)齒輪內(nèi)嚙合傳動(dòng)。由電動(dòng)機(jī)上的一個(gè)齒輪和第三臂上的一個(gè)大齒輪內(nèi)嚙合，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)小齒輪，小齒輪帶動(dòng)第三臂上的大齒輪使得第三臂整個(gè)做上下擺動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)第三臂實(shí)際操作。
2.5 傳動(dòng)方案的確定
根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)分析可知，工業(yè)機(jī)器人的三軸的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。第一軸采用的是齒輪傳動(dòng)，第二軸、第三軸則采用的是擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)。當(dāng)然，參照以上的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析，現(xiàn)擬定如下三種傳動(dòng)方案：
方案一：第一軸：齒輪傳動(dòng)（直齒或斜齒）
第二軸、第三軸：齒輪傳動(dòng)（直齒或斜齒）
方案二：第一軸：蝸桿蝸輪傳動(dòng)
第二軸、第三軸：蝸桿蝸輪傳動(dòng)
方案三：第一軸：蝸桿蝸輪傳動(dòng)
第二軸、第三軸：齒輪傳動(dòng)（直齒或斜齒）
方案比較論證
首先，已知各種傳動(dòng)的傳動(dòng)比u:直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，u≤4；斜齒輪傳動(dòng)，u≤6；蝸桿蝸輪傳動(dòng)，5≤u≤70，常用15≤u≤50；擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)， 11≤u≤87（單級(jí)）。然后估算各軸的傳動(dòng)比，初選轉(zhuǎn)速為1500r/min的原動(dòng)機(jī)，則u1=1500/15=100,
u2=1500/20=75。
三軸傳動(dòng)的確定：蝸桿蝸輪傳動(dòng)的特點(diǎn)：1）傳動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)沖擊和噪聲均很小；2）傳動(dòng)比也較大，結(jié)構(gòu)比較緊湊。而在這里采用此傳動(dòng)，則需要兩級(jí)傳動(dòng)才能滿足要求，蝸桿蝸輪的傳動(dòng)是兩軸交錯(cuò)的，這樣一來也就增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且同時(shí)也增加了轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的負(fù)荷；3）由于蝸桿蝸輪嚙合輪齒間相對(duì)滑動(dòng)速度大，使得摩擦損耗大，因而傳動(dòng)效率較低。因此，第一軸采用齒輪傳動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，如采用圓柱直齒輪傳動(dòng)則需要四級(jí)傳動(dòng)，而采用斜齒輪則需要三級(jí)就可以，并且知道在相同的條件下，采用斜齒輪傳動(dòng)比圓柱齒輪傳動(dòng)，在結(jié)構(gòu)上尺寸要小得多，由此可知，采用斜齒輪傳動(dòng)。斜齒傳動(dòng)有如下優(yōu)點(diǎn)：1）嚙合性能好；2）重合度大，傳動(dòng)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(dòng)。
3 設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1電動(dòng)機(jī)的選擇
第一軸的電動(dòng)機(jī)的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)方案可知，第二軸、第三軸的所有重量都是第一軸的負(fù)荷，所以說，第一軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是很大的，必須計(jì)算各零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算出最終動(dòng)力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，再根據(jù)動(dòng)力源軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行選擇電動(dòng)機(jī)。下面計(jì)算第一軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
如圖3-1-1，該軸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與第二軸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸不同，該轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量：
Kgm2
第二軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
（3-1-1）
Kgm2
兩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
Kgm2
兩個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
Kgm2
減速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： Kgm2
第一軸本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
Kgm2
所以，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
Kgm2
而轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)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(jī)，為28.4Nm。
第二軸的電動(dòng)機(jī)的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)方案可知，第三軸的所有重量都是第二軸的負(fù)荷，所以說，第二軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也是很大的，必須計(jì)算各零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算出最終動(dòng)力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，再根據(jù)動(dòng)力源軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行選擇電動(dòng)機(jī)。下面計(jì)算二軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
第二軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J2=M/12（a2+b2+c2+d2）+mp2=5.742Kgm2
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J2=8.5*0.42=1.366 Kgm2
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J輪2=50*0.252=3.125 Kgm2
減速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J3=34*0.22=1.36Kgm2
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J輪3=100*0.52=25Kgm2
減速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J減+150*0.452=30.375Kgm2
總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
J總=23.43+1.36+25+30.375
=80.165Kg2
轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)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型電動(dòng)機(jī)
第三軸的電動(dòng)機(jī)的選擇
第三臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J3=34*0.22=1.36Kgm2
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J輪3=100*0.52=25Kgm2
減速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J減+150*0.452=30.375Kgm2
總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
J總=23.43+1.36+25+30.375
=80.165Kg2
轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)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
4 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 第一軸的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第一軸的傳動(dòng)方案已確定，采用三級(jí)斜齒輪傳動(dòng)，且電動(dòng)機(jī)的功率為P=3KW，n=1000r/min，則傳動(dòng)比u=1000/15=66.67。
一 、傳動(dòng)比的分配：已知斜齒輪的傳動(dòng)比u≤6，再根據(jù)傳動(dòng)減速時(shí)前面降得慢，而后面降得快的原則，三級(jí)降速的傳動(dòng)比分配如下： u=2.44.875.7
二 、各級(jí)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)
第一級(jí)斜齒輪的傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算：已知電動(dòng)機(jī)的功率P=3KW，n=1000r/min，傳動(dòng)比u=2.4，則
１．選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
1) 按照傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)要求，選用斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
2) 考慮減速設(shè)計(jì)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(jī)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(jí)。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選7級(jí)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(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即
≥mm （4-2-1）
1) 確定公式內(nèi)的各計(jì)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(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動(dòng)的端面重合度圖表，查得
， ，則 =
（4）.計(jì)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(duì)小齒輪作對(duì)稱布置
兩支承相對(duì)小齒輪作對(duì)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(qiáng)度圖表，按齒面硬度中間值52HRC查
得大、小的接觸疲勞強(qiáng)度極限==Mpa；
(8).計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
(9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得；
；
(10).計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)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(jì)算
(1).試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式（4-2-1）得
≥ mm
根據(jù)計(jì)算的結(jié)果及電動(dòng)機(jī)的輸出軸徑，取=50 mm；
(2).計(jì)算圓周速度
m/s
(3).計(jì)算齒寬及摸數(shù)
mm
mm
(4).計(jì)算縱向重合度
（5）計(jì)算載荷系數(shù)
已知使用系數(shù) 。
根據(jù)，7級(jí)精度，由動(dòng)載荷系數(shù)值分布圖，查
得動(dòng)載荷系數(shù)KV=1.07；
由接觸強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得
=2.728，由彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)()圖，
查得 =2.45。
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(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得
mm
(7).計(jì)算模數(shù)
= mm
2. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式≥ mm （3-2-2）
1) 確定計(jì)算參數(shù)
(1) 計(jì)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(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
(4) 查取齒形系數(shù)
由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.44；=2.196
(5) 查取應(yīng)力校正系數(shù)
由齒形系數(shù)應(yīng)力校正系數(shù)表查得 =1.654；=1.782
(6) 由齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得
Mpa。
(7) 由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.86，=0.87；
(8) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)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(jì)算大、小齒輪的 并加以比較
=
=
小齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算
≥ mm
對(duì)比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強(qiáng)度及接觸疲勞強(qiáng)度,最后取 =2mm。
4.幾何尺寸計(jì)算
1) 計(jì)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(jì)算大小齒輪的分度圓直徑
mm
mm
4) 計(jì)算齒輪寬度
mm
圓整后取 B2=65 mm；B1=70 mm。
第二級(jí)的傳動(dòng)條件：電機(jī)的功率為P=4.5KW，n=416.7r/min，傳動(dòng)比u=4.87，具體設(shè)計(jì)計(jì)算如下：
１．選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
考慮減速設(shè)計(jì)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(jī)
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(jí)。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選7級(jí)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(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（3-2-1）進(jìn)行計(jì)算。
1）確定公式內(nèi)的各計(jì)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(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動(dòng)的端面重合度圖表，查得
， ，則 =
（4）.計(jì)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(qiáng)度圖表，按齒面硬度中間值52HRC查
得大、小的接觸疲勞強(qiáng)度極限==Mpa；
(8).計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
(9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得；
；
(10).計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
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(jì)算
(1).試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式得
≥ mm
(2).計(jì)算圓周速度
m/s
(3).計(jì)算齒寬及摸數(shù)
mm
mm
(4).計(jì)算縱向重合度
(5).計(jì)算載荷系數(shù)
已知使用系數(shù) 。
根據(jù)，7級(jí)精度，由動(dòng)載荷系數(shù)值分布圖，查得
動(dòng)載荷系數(shù)KV=1.05；
由接觸強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得 =1.41，由彎曲強(qiáng)度計(jì)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(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式
得
mm
(7).計(jì)算模數(shù)
= mm
3. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算公式（3-2-2）來計(jì)算：
1) 確定計(jì)算參數(shù)
（1） 計(jì)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(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
（4） 取齒形系數(shù)
由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.158
（5） 取應(yīng)力校正系數(shù)
由齒形系數(shù)應(yīng)力校正系數(shù)表查得 =1.596；=1.792
（6） 齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得
Mpa。
（7） 由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.87，=0.9；
（8） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)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(jì)算大、小齒輪的 并加以比較
=
=
小齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算
≥ mm
對(duì)比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強(qiáng)度及接觸疲勞強(qiáng)度,最后取 =1.5 mm
4.幾何尺寸計(jì)算
1) 計(jì)算中心距
mm
將中心距圓整為=108.5
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。
2） 大小齒輪的分度圓直徑
mm
mm
4) 計(jì)算齒輪寬度
mm
圓整后取 B2=35 mm；B1=40 mm。
第三級(jí)的傳動(dòng)條件：電動(dòng)機(jī)的功率為P=0.9KW，n=85.565，傳動(dòng)比u=5.7，設(shè)計(jì)計(jì)算如下：
１．選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
1) 考慮減速設(shè)計(jì)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(jī)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(jí)。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故 初選7級(jí)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(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（3-2-1）計(jì)算：
1) 確定公式內(nèi)的各計(jì)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(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動(dòng)的端面重合度圖表，查得
， ，則 =
（4）.計(jì)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(qiáng)度圖表，按齒面硬度中間值52HRC
查得大、小的接觸疲勞強(qiáng)度極限==Mpa；
（8）.計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（9）.由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得；
；
（10）.計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)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(jì)算
(1).試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式（3-2-1）得
≥ mm
(2).計(jì)算圓周速度
m/s
(3).計(jì)算齒寬及摸數(shù)
mm
mm
(4).計(jì)算縱向重合度
(5).計(jì)算載荷系數(shù)
已知使用系數(shù) 。
根據(jù)，7級(jí)精度，由動(dòng)載荷系數(shù)值分布圖，查
得動(dòng)載荷系數(shù)KV=1.04；
由接觸強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得 =1.2877，由彎曲強(qiáng)度計(jì)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(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得
mm
(7).計(jì)算模數(shù)
= mm
3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式≥ mm
1) 確定計(jì)算參數(shù)
(1)計(jì)算載荷系數(shù)
11.041.21.27=1.585
(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(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
(4)查取齒形系數(shù)
由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.14
(5)查取應(yīng)力校正系數(shù)
由齒形系數(shù)應(yīng)力校正系數(shù)表查得 =1.596；=1.83
(6)由齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得 MPa
(7)由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.88，=0.91；
(8)計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)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(jì)算大、小齒輪的 并加以比較
=
=
小齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算
≥ mm
對(duì)比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強(qiáng)度及接觸疲勞強(qiáng)度,最后取 =2.5 mm
4.幾何尺寸計(jì)算
1) 計(jì)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(jì)算大小齒輪的分度圓直徑
mm
mm
4) 計(jì)算齒輪寬度
mm
圓整后取 B2=49 mm；B1=55 mm。
4. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計(jì)算
1） 估計(jì)擺線輪內(nèi)孔半徑
=(0.4～0.5) =40～50mm
2） 擇軸承型號(hào)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） 當(dāng)量動(dòng)載荷 P
P==1.35776.698=7509.71 N
—?jiǎng)虞d荷系數(shù)，一般取 =1.2～1.5。
5） 軸承相對(duì)轉(zhuǎn)速 n
n=+=1000+=1015r/min
6） 軸承壽命
h
因?yàn)樗蟮玫妮S承壽命≥15000 h ,所以滿足要求。
4. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計(jì)算
1）估計(jì)擺線輪內(nèi)孔半徑 =(0.4～0.5) =52～65mm
2）擇軸承型號(hào)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 mm
3）名義徑向載荷 R
R=
=12830.82 N
4）當(dāng)量載荷 P
P==1.312830.82=16680.1 N
5）軸承相對(duì)轉(zhuǎn)速 n
n=+=1000+=1020r/min
1） 承的壽命
h
因?yàn)樗蟮玫妮S承壽命≥15000 h ,所以滿足要求。
5. 針齒銷彎曲強(qiáng)度計(jì)算
1）針齒結(jié)構(gòu)尺寸
mm
mm
（）
mm
2) 最大彎矩
Nmm
3) 許用彎曲應(yīng)力
MPa
4) 校核彎曲應(yīng)力
MPa
因?yàn)椋綶]，所以滿足要求。
4.2軸承的選擇
4.2.1斜齒輪傳動(dòng)軸上的軸承
根據(jù)齒輪軸徑值，差滾動(dòng)軸樣本或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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(jī)器人各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1 轉(zhuǎn)角范圍的控制設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)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(jī)器人的手部、腕部、臂部、行走機(jī)構(gòu)等的動(dòng)作以及與相關(guān)機(jī)械的協(xié)調(diào)動(dòng)作都是通過控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。主要控制內(nèi)容有動(dòng)作的順序、動(dòng)作的位置與路徑、動(dòng)作的時(shí)間。
按設(shè)計(jì)要求要實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)角范圍，可以直接由控制系統(tǒng)來完成，控制動(dòng)作的位置或動(dòng)作的時(shí)間，從而控制轉(zhuǎn)角。這里用擋塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)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(jì)（第一臂與底座）
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(jì)：如圖5-3
圖5-2
圖5-3
總 結(jié)
通過這次設(shè)計(jì)，使我對(duì)工業(yè)機(jī)器人有了感性的認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)國內(nèi)外的工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展也有所了解。根據(jù)國內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)狀及近幾年的動(dòng)態(tài)，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的具體情況，機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)應(yīng)在開展智能機(jī)器人、機(jī)器人化及其相當(dāng)技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用。經(jīng)過努力，我國已研制了許多示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人以及噴涂、焊接裝配等機(jī)器人。而國外，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展更迅速，機(jī)器人化機(jī)械已經(jīng)興起。
通過這次設(shè)計(jì)，使我綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)的理論和實(shí)際知識(shí)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)，培養(yǎng)分析和解決一般工程實(shí)際問題的能力，并使所學(xué)的知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)展；通過設(shè)計(jì)，使我掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力；學(xué)會(huì)從機(jī)器功能的要求出發(fā)，合理選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類型，制定設(shè)計(jì)方案，正確計(jì)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(hù)、經(jīng)濟(jì)和安全等問題，培養(yǎng)獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。
當(dāng)然在設(shè)計(jì)過程中，也碰到了許多問題。在老師的指導(dǎo)和一些同學(xué)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(gè)設(shè)計(jì)。由于本人缺乏經(jīng)驗(yàn)及水平有限，設(shè)計(jì)仍存在一些問題，如機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析以及缺少機(jī)器人的動(dòng)作模擬仿真，望老師給予指正。
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致 謝
時(shí)光匆匆如流水，轉(zhuǎn)眼便是大學(xué)畢業(yè)時(shí)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(jìn)入了尾聲。從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，一直都離不開老師、同學(xué)、朋友給我熱情的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠摯的謝意!
本課題及論文是在我的指導(dǎo)老師許瑛博士的悉心指導(dǎo)下完成的。課題從實(shí)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(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、開拓創(chuàng)新的工作作風(fēng)和對(duì)學(xué)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(shí)至今日，在此論文完成之際，作為桃中一李，我想向我的指導(dǎo)老師許老師致以我由衷的謝意和崇高的敬意。
由于受時(shí)間和水平的限制，現(xiàn)代機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還存在著不夠完善的方面甚至有些錯(cuò)誤，懇請(qǐng)老師和專家指教，能使本設(shè)計(jì)更完善并能付諸于實(shí)際，制造出所設(shè)計(jì)的機(jī)器人，將是很欣慰的事情。
３７
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