垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì)

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1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2007 目 錄 1 前言 .1 1.1 課題來源 .1 1.2 技術(shù)要求及預(yù)期效果 .1 1.3 本課題要解決的主要問題及設(shè)計(jì)總體思路 .1 1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r .1 1.4.1 研究現(xiàn)狀 .1 1.4.2 發(fā)展趨勢(shì) .2 2 總體方 案設(shè)計(jì) .4 2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的確定 .4 2.2 傳動(dòng)方案的確定 .4 2.3 工作空間的確定 .5 2.4 手腕結(jié)構(gòu)的確定 .5 2.5 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 .6 2.5.1 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇 .6 2.5.2 手腕電機(jī)的選擇 .7 2.5.3 傳動(dòng)比的確定及分配 .8 3 齒輪的設(shè)計(jì) .9 3.1 齒輪強(qiáng)度的

2、設(shè)計(jì)與校核 .9 3.1.1 第一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) .9 3.1.2 第二級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) .12 4 軸的設(shè)計(jì) .15 4.1 轉(zhuǎn)腕傳動(dòng)軸的選擇 .15 4.2 擺腕傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) .15 4.2.1 圓柱齒輪軸的設(shè)計(jì) .15 4.2.2 軸的強(qiáng)度校核 .16 4.2.3 圓錐齒輪軸的設(shè)計(jì) .20 4.2.4 手腕連接軸的設(shè)計(jì) .21 4.2.5 大臂小臂連接軸的設(shè)計(jì) .22 5 軸承的設(shè)計(jì) .23 5.1 軸承的選擇 .23 5.2 軸承的壽命計(jì)算 .23 6 其它零部件 的選用 .25 6.1 鍵連接的選用 .25 6.2 殼體的設(shè)計(jì) .25 6.3 機(jī)器人手臂材料的選擇 .25 6.

3、4 機(jī)器人臂部連接件的選用 .25 7 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的位姿分析 .27 8 結(jié)論 .31 參 考 文 獻(xiàn) .32 致 謝 .33 附 錄 .34 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2007 1 1 前言 1.1 課題來源 本課題設(shè)計(jì)的是垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人臂部與手部的設(shè)計(jì)，主要是臂部和腕部的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其零件設(shè)計(jì)。此課題來源于生產(chǎn)實(shí)際，是針對(duì)目前手工電弧焊接效率低， 操作環(huán)境差，而且對(duì)操作員技術(shù)熟練程度要求高，因此采用機(jī)器人技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn) 焊接生產(chǎn)操作的柔性自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化 和改善勞動(dòng)條件。 1.2 技術(shù)要求及預(yù)期效果 根據(jù)設(shè)計(jì)要達(dá)到以下要求： a. 最大搬運(yùn)重量： 5

4、kg； b. 最大工作范圍：850mm； c. 標(biāo)準(zhǔn)周期： 0.59sec； d. 重復(fù)定位精度： mm；1.0 e. 生產(chǎn)綱領(lǐng)：大批大量。 此次設(shè)計(jì)的垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)大臂小臂的旋轉(zhuǎn),手腕的旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)以及 手爪的自動(dòng)抓取與放松工件運(yùn)動(dòng)。此裝置應(yīng)用在焊接生產(chǎn)線上將大大提高生產(chǎn)效率 和加工質(zhì)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 1.3 本課題要解決的主要問題及設(shè)計(jì)總體思路 本課題要解決的問題有以下三個(gè)： a. 手腕處于手臂末端，需減輕手臂的載荷，力求手腕部的結(jié)構(gòu)緊湊，減少重量 和體積； b. 提高手腕動(dòng)作的精確性； c. 三個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn)。 針對(duì)上述問題有了以下設(shè)計(jì)思路： a

5、.對(duì)于分離傳動(dòng)采用傳動(dòng)軸。 b. 腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置采用分離傳動(dòng)，將 2 個(gè)驅(qū)動(dòng)器安置在小臂的后端。 c. 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 1 經(jīng)聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸來驅(qū)動(dòng)小臂殼體的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2 經(jīng)傳 動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)一對(duì)圓柱齒輪和一對(duì)圓錐齒輪傳動(dòng)來帶動(dòng)手腕作偏擺運(yùn)動(dòng)。 d.手部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在手腕內(nèi)部，以此來減輕手部的重量，讓手爪能夠作靈 活的運(yùn)動(dòng)，此傳動(dòng)裝置采用螺旋傳動(dòng)來帶動(dòng)手爪的抓取與放松工件運(yùn)動(dòng)。 1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r 1.4.1 研究現(xiàn)狀 1 自上世紀(jì) 90 年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。原本用于生產(chǎn)制造的工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高，各 種用于

6、非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長足的進(jìn)展。機(jī)器人的各種功能被相繼開 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 2 發(fā)并得到不斷增強(qiáng)，機(jī)器人的種類不斷增多，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的工業(yè)控 制拓展到各行各業(yè)，從軍事到民用，從天上到地下，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁， 從科研探索到醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，從生產(chǎn)領(lǐng)域到娛樂服務(wù)行業(yè)，甚至還進(jìn)入尋常百姓家。 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直角坐標(biāo)式、柱面坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、 多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、伸縮式、爬行式等等，根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展之中。焊接機(jī) 器人根據(jù)不同的應(yīng)用場合可采取不同的結(jié)構(gòu)形式，但目前用得最多的是模仿人的手 臂功能的多關(guān)節(jié)式的機(jī)器人，這是因?yàn)槎嚓P(guān)節(jié)式機(jī)器人的手

7、臂靈活性最大，可以使 焊槍的空間位置和姿態(tài)調(diào)至任意狀態(tài)，以滿足焊接需要。理論上講，機(jī)器人的關(guān)節(jié) 愈多，自由度也愈多，關(guān)節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好；但同時(shí)也給機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué) 的坐標(biāo)變換和各關(guān)節(jié)位置的控制帶來復(fù)雜性。因?yàn)楹附舆^程中往往需要把以空間直 角坐標(biāo)表示的工件上的焊縫位置轉(zhuǎn)換為焊槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過機(jī)器人 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)換為對(duì)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)角度位置的控制，而這一變換過程的解往往 不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何選取最合適的解對(duì)機(jī)器人焊接過程中運(yùn)動(dòng) 的平穩(wěn)性很重要。不同的機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)這一問題的處理方式不盡相同。 一般來講，具有 6 個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人基本上能滿足焊槍的位置和空間姿態(tài)

8、的控制 要求，其中 3 個(gè)自由度(XYZ)用于控制焊槍端部的空間位置，另外 3 個(gè)自由度(ABC)用 于控制焊槍的空間姿態(tài)。因此，目前的焊接機(jī)器人多數(shù)為 6 關(guān)節(jié)式的。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，世界經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生重大而深刻的變革，但制造業(yè)依然是世 界各發(fā)達(dá)與發(fā)展中國家加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高國家綜合競爭力的重要途徑。 我國是 一個(gè)制造業(yè)大國，尚處于工業(yè)化進(jìn)程之中，在未來相當(dāng)長的時(shí)期里，制造業(yè)仍將在 國民經(jīng)濟(jì)中占主導(dǎo)地位。在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國正逐步成為世界最重 要的制造業(yè)基地之一。 然而目前我國裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達(dá)國家相比尚有較大的差距，尤其是 在戰(zhàn)略必爭裝備技術(shù)與競爭前核心技術(shù)、基礎(chǔ)制

9、造裝備與成套關(guān)鍵裝備制造技術(shù)等 方面差距更大，這種差距又主要體現(xiàn)在先進(jìn)裝備的自主設(shè)計(jì)與獨(dú)立制造能力差，成 套與系統(tǒng)集成、優(yōu)化能力差，技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力差。這些差距已經(jīng)成為制約 我國制造業(yè)乃至其他行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題之一。 1.4.2 發(fā)展趨勢(shì) 2 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用水乳交融。在第一代工業(yè)機(jī)器人普及的基礎(chǔ)上，第 二代已經(jīng)推廣，成為主流安裝機(jī)型，第三代智能機(jī)器人已占有一定比重。以應(yīng)用為 龍頭拉動(dòng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域與技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在下述方面： A機(jī)械結(jié)構(gòu) a. 以關(guān)節(jié)型為主流，80 年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人約占 總量的 l3(目前世界工業(yè)機(jī)器人總數(shù)約

10、為 750000 臺(tái))，90 年代初開發(fā)的適用于窄 小空間、快節(jié)奏、360 度全工作空間范圍的垂直關(guān)節(jié)型機(jī)器人大量用于焊接和上、 下料。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2007 3 b. 應(yīng) 3K(煉鋼、煉鐵、鑄鍛)行業(yè)和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)需求，超大型機(jī) 器人應(yīng)運(yùn)而生。如焊接數(shù)十米長、l0 噸以上大構(gòu)件的弧焊機(jī)器人群；采取螞蟻啃骨 頭的協(xié)作機(jī)構(gòu)。 c. 己普遍采用 CAD、CAE 等技術(shù)用于設(shè)計(jì)、仿真與制造中。 B. 控制技術(shù) a. 大多數(shù)采用 32 位 CPU，控制軸多達(dá) 27 軸，NC 技術(shù)和離線編程技術(shù)大量采 用。 b. 協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實(shí)現(xiàn)了多手與變位機(jī)、多機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制，正逐 步

11、實(shí)現(xiàn)多智能體的協(xié)調(diào)控制。 c. 基于 PC 的開放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于成本低并具有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)功能，己成 為一股潮流。 C. 驅(qū)動(dòng)技術(shù) 上世紀(jì).80 年代發(fā)展起來的 AC 伺服驅(qū)動(dòng)已成為主流驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于工業(yè)機(jī)器人 中。日本 23 家機(jī)器人公司于 1998 年生產(chǎn)的 167 種型號(hào)機(jī)器人產(chǎn)品，其中采用 AC 伺服驅(qū)動(dòng)的有 156 種，占 93.4。直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)則廣泛用于裝配機(jī)器人中。新一代 的伺服電機(jī)與基于微處理器的智能伺服控制器相結(jié)合，已由日本 FANUC 公司開發(fā) 并用于工業(yè)機(jī)器人中；在遠(yuǎn)程控制中已采用了分布式智能驅(qū)動(dòng)新技術(shù)。 D. 智能化的傳感器多有應(yīng)用 在上述 167 種機(jī)型中，裝有視覺傳

12、感器的有 94 種，占 56.3，不少機(jī)器人裝 有兩種傳感器，有些機(jī)器人留下了多種傳感器接口。 E. 高速、高精度、多功能化 目前所知最快的裝配機(jī)器人最大合成速度為 16.5m/s;高精度機(jī)器人的位置重復(fù) 性為正負(fù) 0.01mm.有一種大直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人，其最大合成速度達(dá) 80m/s;而另一 種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的 NC 機(jī)器人，其位置重復(fù)性達(dá) l um。 90 年代末的機(jī)器人一般都具有兩、 三種功能。最近瑞典 Neos 公司開發(fā)出一種高精度、高可靠性的可切割、鉆孔、銑 削、磨削、裝配、搬運(yùn)的多功能機(jī)器人，用于多家著名汽車廠和飛機(jī)公司。 F. 集成化與系統(tǒng)化 1998 年 ABB 公司推出 IRbl4

13、00 系列小機(jī)器人，其循環(huán)時(shí)間只有 0.4s，控制器 包括軟件、高壓電、驅(qū)動(dòng)器、用戶接口等皆集成于一柜，只有洗衣機(jī)變換器那樣大 小。FANUC 公司 2000 年 9 月宣稱它的控制器為世界最小。 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用從單機(jī)、單元向系統(tǒng)發(fā)展。多達(dá)百臺(tái)以上的機(jī)器人群與微機(jī) 及周邊智能設(shè)備和操作人員形成一個(gè)大群體(多智能體)?？鐕蠹瘓F(tuán)的壟斷和全球 化的生產(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化的 “虛擬制造”，為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 4 2 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的確定 為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間位置提供的 6 個(gè)自由度，可以有

14、不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù) 本課題的要求現(xiàn)可以將其設(shè)計(jì)成關(guān)節(jié)型機(jī)器人。關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器 人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由立柱和 大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)是工作空間范圍大，動(dòng)作靈 活，通用性強(qiáng)、能抓取近距離的物體，工藝操作精度高。 2.2 傳動(dòng)方案的確定 圖 2-1 是機(jī)器人小臂與腕部機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡圖。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有 4 個(gè)齒輪， 為了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向 90,有 2 個(gè)齒輪為圓錐齒輪,有利于簡化系統(tǒng)運(yùn) 動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu),

15、則必然以空間交叉方式變向,就不利 于簡化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。其中有 2 個(gè)齒輪為直齒圓柱齒輪，用于減速。 小臂的結(jié)構(gòu)形式是由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。 關(guān)節(jié) 4 電機(jī)安裝在小臂后面用于帶動(dòng)傳動(dòng)軸與齒輪的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)手腕的擺動(dòng)；關(guān)節(jié) 5 電機(jī)也安裝在小臂后面，其后緊跟傳動(dòng)軸用于實(shí)現(xiàn)手腕的旋轉(zhuǎn)；關(guān)節(jié) 6 電機(jī)安裝 在手腕里，用螺旋傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)手爪的夾緊與放松運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)給杠桿施加一 個(gè)向上的力來實(shí)現(xiàn)放松工件運(yùn)動(dòng)，相反，電機(jī)反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)夾緊工件運(yùn)動(dòng)。 圖 2-1 小臂腕部傳動(dòng)原理圖 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2007 5 2.3 工作空間的確定 工作空間是機(jī)器人學(xué)中一

16、個(gè)重要的研究領(lǐng)域。但在實(shí)際應(yīng)用中，可以簡化這一 問題，把工作空間看作是機(jī)器人操作機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，手腕參考點(diǎn)（如定位機(jī)構(gòu)的軸 線正交，取交點(diǎn)為參考點(diǎn)）在空間的活動(dòng)范圍，或者說該點(diǎn)可達(dá)位置在空間所占有 的體積。根據(jù)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間，工作空間是指機(jī)器人正常工作運(yùn) 行時(shí)，手腕參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍，是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)。 圖 2-2 機(jī)器人的工作空間位置圖 2.4 手腕結(jié)構(gòu)的確定 3 手腕是操作機(jī)的小臂（上臂）和末端執(zhí)行器（手爪）之間的聯(lián)接部件。其功用 是利用自身的活動(dòng)度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端 執(zhí)行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。對(duì)一般商用機(jī)

17、器人，末桿（即與 末端執(zhí)行器相聯(lián)接的桿）都有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的自轉(zhuǎn)功能，若該桿再能在空間取任意方位， 那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間取任意姿態(tài)，即達(dá)到完全靈活的境地。對(duì)于 任一桿件的姿態(tài)（即方向） ，可用兩個(gè)方位角確定，如圖 2-3 所示。 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 6 圖 2-3 末桿姿態(tài)示意圖 -大臂-小臂-末桿 在圖 2-3 中末桿 Ln 的圖示姿態(tài)可以看作是由處于 方向的原始位置先繞oX 在 平面內(nèi)轉(zhuǎn) 角，然后再向上轉(zhuǎn) 角得到的?？梢娛怯?兩角決定了末oZoYOX 桿的方向（姿態(tài)） 。從理論上講，如果 ， 則末桿在空間取0036036 任意方向。如果末桿的自轉(zhuǎn)角 （即 ）也滿足 ，就

18、說該操作機(jī)具有n 最大的靈活度，即可自任意方向抓取物體并可把抓取的物體在空間擺成任意姿態(tài)。 為了定量的說明操作機(jī)抓取和擺放物體的靈活程度，定義組合靈度（dex)為： 00 %3636dexXX (2-1) 上式取加的形式但一般不進(jìn)行加法運(yùn)算，因?yàn)榉珠_更能表示機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。 腕結(jié)構(gòu)最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是 dex 值。若為三個(gè)百分之百，該手腕就是最靈活 的手腕。一般說來 、 的最大值取 ，而 值可取的更大一些，如果擰螺釘，0 最好 無上限。 腕結(jié)構(gòu)是操作機(jī)中最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因傳動(dòng)系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結(jié) 構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求是：重量輕，dex 的組合值必須滿足工作要求 并留有一定的裕

19、量（約 5%-10%） ，傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單并有利于小臂對(duì)整機(jī)的靜力平 衡。 2.5 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 2.5.1 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇 4 通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下三種： a. 電動(dòng)驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器是目前使用最廣泛的驅(qū)動(dòng)器。它的能源簡單，速度變化范圍大，效 率高，但它們多與減速裝置相連，直接驅(qū)動(dòng)比較困難。 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器又分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。后者多為開環(huán)控制， 控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。直流伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)， 但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來交流伺服電機(jī)正逐漸 取代直流伺服電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)器。 b. 液壓驅(qū)動(dòng)器

20、 液壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，可省去減速裝置，能直接與被驅(qū)動(dòng) 的桿件相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度，但需要增設(shè)液壓源，而且易產(chǎn)生 液體泄露，故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。 c. 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源，結(jié)構(gòu)都比較簡單，但與液壓驅(qū)動(dòng)器相比，同體積條件下功 率較?。ㄒ驂毫Φ停宜俣炔灰卓刂?，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制系統(tǒng) 。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2007 7 通過比較以上三種驅(qū)動(dòng)方式，因此本課題的機(jī)器人將采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器中的直流 伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。因?yàn)橹绷魉欧姍C(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力 矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝

21、維修方便，成本低。 而交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一 些。 2.5.2 手腕電機(jī)的選擇 5 a. 擺腕電機(jī)的選擇 手腕的最大負(fù)荷重量 初估腕部的重量 ，最大運(yùn)動(dòng)速度1mkgkgm32 V=2m/s，則 功率 8026;PFVgW 取安全系數(shù)為 1.2， .019;P 考慮到傳動(dòng)損失和摩擦，最終的電機(jī)功率 2p額 又因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)周期 T=0.59sec，即 ；in/5.rn 則所需電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速為 ；m0i 所以選取寬調(diào)速永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)其技術(shù)參數(shù)見表 2-1。 表 2-1 SZYX82 寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù) 規(guī)格型號(hào) 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 額定電壓

22、 SZYX82 0.2KW 1.35N.M 48V 最高電流 最高轉(zhuǎn)速 允許轉(zhuǎn)速差 10%轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 5.4A 1500r/min 150 292kg.cm.s 2 該電機(jī)具有精度高，響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，加速度大，力矩波動(dòng)小，線性度好， 過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。 b. 轉(zhuǎn)腕及腕部內(nèi)電機(jī)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)腕部分的電機(jī)后緊跟輸出軸和聯(lián)軸器，直接帶動(dòng)手腕旋轉(zhuǎn)，故 在此應(yīng)選擇轉(zhuǎn)速較低的型號(hào)電機(jī)，又由于要求手腕的重量較輕，便于靈活的實(shí)現(xiàn)運(yùn) 動(dòng)，因此要求腕部內(nèi)電機(jī)較小，故選 SH 直流伺服電動(dòng)機(jī)型，其安裝尺寸為 42mm，電機(jī)重量僅為 0.35Kg，可容許速度范圍為 0 250r/min，詳細(xì)參數(shù)見表 2-

23、2。 表 2-2.SH 直流伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù) 單轉(zhuǎn)軸 保持轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 額定電流 電壓 線圈電阻 PK243A1-SG7.2 1.2N.M 35x10 kgm72.4A 12V 5 基本步距角 減速比 容許轉(zhuǎn)矩 容許速度范圍 電機(jī)重量 0.25 1:7.2 0.8N.M 0-250r/min 0.35kg 電樞電阻：Rs=0.5(Un/In-Pn/In) ， 求得： Pn=13.8W。310 取 P=15W, T=9550P/n。 求得 n= =119.4 r/min 。2.1/0593 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 8 2.5.3 傳動(dòng)比的確定及分配 a. 傳動(dòng)比的確定 由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可

24、知所需的總傳動(dòng)比為 i=10。 b. 傳動(dòng)比的分配 傳動(dòng)比分配時(shí)要充分考慮到各級(jí)傳動(dòng)的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到 結(jié)構(gòu)合理。因此擺腕傳動(dòng)比分配為：擺腕總的傳動(dòng)比 10，該傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)，i總 第一級(jí)傳動(dòng)為圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比 2，第二級(jí)傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比1i 。25i 3 齒輪的設(shè)計(jì) 3.1 齒輪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)與校核 6 3.1.1 第一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 齒輪材料采用 45 號(hào)鋼，鍛造毛坯，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，表面硬度為 210HBS；大 齒輪正火處理后齒面硬度為 180HBS，因載荷平穩(wěn)，齒輪速度不高，初選齒輪精度等 級(jí)為 7 級(jí)。取 。402,201zz則 a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 先按齒

25、面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。 b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件的設(shè)計(jì)表達(dá)式 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2007 9 (3-1)3 12.21 uKTZddHEt 式中， -載荷系數(shù),取 ；tK.1t -齒寬系數(shù)，取 ， ；d80d2 -材料系數(shù)，取 。EZaEMPZ.9 小齒輪傳遞扭矩 (3-2)mNnT 12405/.015.105.9661 大小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極根應(yīng)力為： ；PaH81limPaH2lim 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： ；MF2301liMF102li 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 由下列公式計(jì)算可得 （3-hjln16 3） 16805 914.

26、3 則 92 1073.2.uN 接觸疲勞壽命系數(shù) , ；1.NHK.NH 彎曲疲勞壽命系數(shù) ；2Y 接觸疲勞安全系數(shù) ，彎曲疲勞安全系數(shù) 。 minHS 5.1minFS 許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力： 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 10 1limn2li1lim1n2li25801.63.290307.5128.HNFSTNFZMPaYaP 將有關(guān)值代入（3-1）得： 2131232.89.340.56.242tEt HdKTZudmm 計(jì)算圓周速度: sndvt /3.10510 計(jì)算載荷系數(shù):動(dòng)載荷系數(shù) Kv=1.0；使用系數(shù) ；動(dòng)載荷分布不均勻系數(shù)1AK ；齒間載荷分配系數(shù) ，則 。

27、02.1KKa 03.12.0.avH 修正 ； mdtHt 38.10.4331 ；mz9.2081 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 。 c. 計(jì)算基本尺寸 mdbzmad32408.64021221 取 32 d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 齒形系數(shù) ， ，取 ，校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度1.4FSY8.32FS7.0Y 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2007 11 （3-YmzKTFSdF1321 4） MPa7.04208.593 =3.7MPa 1F2122 43.37FSF PaMY 所以齒輪完全達(dá)到要求。由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，將小齒輪 做成齒輪軸。圓柱齒輪的幾何參數(shù)見表 3-1。 表 3-1 圓柱齒輪

28、的幾何尺寸 名稱 符號(hào) 公式 分度圓直徑 dmz4021 mzd80422 齒頂高 ahha 齒根高 f Cf 5.).()( 齒全高 mfa452 齒頂圓直徑 1ad hda1 mhdaa8422 齒根圓直徑 f ff 3ff 75 基圓直徑 1b mb56.7cos1b1.cos2 齒距 p8.24.3 齒厚 ss/ 齒槽寬 e1. 中心距 amd602/)(1 頂隙 cc5. 3.1.2 第二級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 齒輪材料采用 45 號(hào)鋼，小齒輪調(diào)質(zhì)處理表面硬度為 210HBS；大齒輪正火處理 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 12 后齒面硬度為 180HBS，齒輪精度等級(jí)為 7 級(jí)。取 。 。 。 。1025,201zz則 a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。 b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)表達(dá)式 (3-5)3 21 21 )5.0(8.4 uKTZdRRHEt