0488-3-DOF三自由度工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計【全套6張CAD圖】
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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(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)代柔性自動化生產(chǎn)的建立和廣泛應(yīng)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(yīng)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(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(yīng)用工業(yè)機器人是提高生產(chǎn)過程自動化,改善勞動環(huán)境條件,提高產(chǎn)品質(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(fù)責(zé)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(dǎo)和幫助,在此謹(jǐn)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(yīng)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(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人,而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。
而少自由度工業(yè)機械人中大多數(shù)為機械手,而機械手機器人主要由手部和運動機構(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(fù)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(fù)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(xué)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(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)機器人的研究、制造和應(yīng)用水平,是一個國家科技水平和經(jīng)濟實力的象征,正受到許多國家的廣泛重視。
目前,工業(yè)機器人的定義,世界各國尚未統(tǒng)一,分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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 Robotics 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(yù)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(yīng)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2004年增加了27%;美洲地區(qū)機械手的產(chǎn)量幅度更是高達53%;雖然歐洲地區(qū)2005年機械手的產(chǎn)量比上年略有下降,但其產(chǎn)量仍接近14000臺。接下來依次是:點焊接機器人、弧焊機器人、裝配機器人和分配機器人,其產(chǎn)量分別約為20500臺、17500臺、13000臺和4500臺。表1反映了2005年亞、歐、美三大地區(qū)各類型工業(yè)機器人的產(chǎn)量增幅情況。
類 型
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%
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(yīng)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(fù)責(zé)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,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?fàn)顩r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(dāng)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。
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,并取得了不少成果,但是,真正將這些成果應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(biāo)點和CP運動軌跡數(shù)據(jù)的記憶裝置和定位控制電路等。信息處理裝置通過信息傳輸裝置與機器人本體相連,多用于智能機器人。
機器人具有六自由度,即大臂的回轉(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(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。
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(dǎo)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)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(fù)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(dāng)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
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小;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,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(fù)雜性,且同時也增加了轉(zhuǎn)動時的負(fù)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
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(fù)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:
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
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(fù)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=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
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)域系數(shù) 。
(3).由標(biāo)準(zhǔn)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;
(8).計算應(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 =2.45。
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(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(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)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=416.7r/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
(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(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
(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
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(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) 齒輪的彎曲疲勞強度極限圖,查得
Mpa。
(7) 由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.87,=0.9;
(8) 計算彎曲疲勞許用應(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48~55HRC。
2) 選用精度等級。 因采用表面淬火,輪齒的變形不大,不需磨削,故 初選7級精度(GB10095-88)。
3) 選小齒輪齒數(shù)Z1=24,大齒輪齒數(shù)Z2=uZ1=5.724=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(biāo)準(zhǔn)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(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).計算
(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;
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
(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(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(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)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
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) 當(dāng)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=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) 許用彎曲應(yīng)力
MPa
4) 校核彎曲應(yīng)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)
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(rèn)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(dāng)前國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的具體情況,機器人技術(shù)重點應(yīng)在開展智能機器人、機器人化及其相當(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(xué)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(xué)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(dāng)然在設(shè)計過程中,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(xué)分析以及缺少機器人的動作模擬仿真,望老師給予指正。
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致 謝
時光匆匆如流水,轉(zhuǎn)眼便是大學(xué)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(xué)、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(dǎo)老師許瑛博士的悉心指導(dǎo)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(xué)識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、開拓創(chuàng)新的工作作風(fēng)和對學(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。
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