工業(yè)機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)

《工業(yè)機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《工業(yè)機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)（59頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 摘要 機(jī)器人技術(shù)是綜合了許多學(xué)科的知識(shí)，例如計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)今研究領(lǐng)域十分重視的課題，機(jī)器人在很多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)概述了工業(yè)機(jī)器人的分類、歷史以及發(fā)展趨勢(shì)。重在設(shè)計(jì)研制國(guó)產(chǎn)搬運(yùn)機(jī)器人的主臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該工業(yè)機(jī)器人由腰部和大小臂組成，腰部和肩部形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，使大臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和仰俯運(yùn)動(dòng)，小臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和仰俯擺動(dòng)。本文主要闡述了如何設(shè)計(jì)機(jī)器人腰部、肩部以及肘部這三個(gè)主要關(guān)節(jié)，每一個(gè)關(guān)節(jié)選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)方式，通過(guò)合適的減速裝置最終達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速。設(shè)計(jì)具體包括機(jī)器人關(guān)節(jié)類型確定

2、，諧波減速器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要特性介紹與選用以及其減速比的確定，各關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的選擇計(jì)算以及重要部件的具體設(shè)計(jì)及其校核，如齒輪的設(shè)計(jì)及校核，軸的設(shè)計(jì)及校核，軸承的選用及校核。 關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；搬運(yùn)；機(jī)器人關(guān)節(jié)；諧波減速器 Abstract Robotic technology is comprehensive knowledge of the many subjects, such as computer, cybernetics, organization learning, inf

3、ormation and sensing technology, artificial intelligence, bionics science and the formation of high technology and new technology, it is current research field attach to the subject in many fields, robot used widely. The graduation design summarizes the classification of industrial robot, history

4、and its development trend. Design and develop domestic handling robots on the main arm movement mechanism, the industrial robot composed by the waist and big forearm, the waist and shoulder shoulder, arm formed formed between and forearm, arm elbow turn movement and Yang prone to do exercise, forear

5、m rotation movement and prone to do up swinging. This paper mainly expounds how to design the robot waist, shoulder and elbow the three main joints, every joint choose appropriate drive mode, transmission mode, through appropriate deceleration device finally to reach the required speed. Design speci

6、fic include robot joints type, the harmonic gear reducer to determine the basic structure, working principle, main characteristic introduction and selection and determination of slowing, each joint than servo motor selection and calculation, and the specific design and an important part of gear chec

7、k, such as design and check the design and check, shaft, bearing choose and checking. Keywords： industrial robot；Handling；Robot joints；Harmonic gear reducer 目錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1工業(yè)機(jī)器人概述 1 1.2工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式 1 1.3工業(yè)機(jī)器人的分類 2 1.4工業(yè)機(jī)器人的歷史 3 1.5工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 3 第2章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)

8、計(jì) 4 2.1工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 4 2.2工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 4 2.3工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式選擇 6 2.4諧波減速器介紹 8 2.4.1諧波減速器簡(jiǎn)介 8 2.4.2諧波減速器基本結(jié)構(gòu) 9 2.4.3諧波減速器工作原理 9 2.4.4諧波減速器的主要特性 11 2.4.5諧波減速器的減速比 11 2.5機(jī)器人材料的選擇 12 2.5.1材料選擇的基本要求 12 2.5.2結(jié)構(gòu)材料介紹 13 第3章 機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 15 3.1機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分析 15 3.2機(jī)器人腰部傳動(dòng)方案選擇 15 3.3腰部交流伺服電機(jī)的選擇 18 3.3.1機(jī)器人

9、材料選用和質(zhì)量估算 18 3.3.2工業(yè)機(jī)器人整體受力分析 18 3.3.3腰部交流伺服電機(jī)的選擇計(jì)算 19 3.4腰部諧波減速器的選擇 21 3.4.1德國(guó)Harmonic 諧波減速器的特點(diǎn) 21 3.4.2腰部諧波減速器的選擇計(jì)算 23 3.4.3選用諧波減速器具體尺寸的確定 25 3.4.4選用諧波減速器性能參數(shù)確定 27 3.4.5所選諧波減速器傳遞效率 28 3.5選用諧波減速器輸出軸承的確定 28 3.5.1輸出軸承參數(shù) 29 3.5.2輸出軸承公差選擇 29 3.5.3推薦裝配公差 30 3.6齒輪的設(shè)計(jì)與校核 32 3.7軸的設(shè)計(jì)與校核 39 3.

10、7.1軸的設(shè)計(jì)分析 39 3.7.2初步計(jì)算軸的直徑 39 3.7.3按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算 40 3.8軸承的設(shè)計(jì)和校核 43 第4章 機(jī)器人肩部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 44 4.1機(jī)器人肩部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)分析 44 4.2肩部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 44 4.3肩部關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的選擇 44 4.4肩部關(guān)節(jié)諧波減速器的選擇 44 第5章 機(jī)器人肘部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 46 5.1機(jī)器人肘部關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)分析 46 5.2肘部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 46 5.3肘部關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的選擇 46 5.4肘部關(guān)節(jié)諧波減速器的選擇 46 參考文獻(xiàn) 48 結(jié)束語(yǔ) 49 致謝 50 附錄 51 - 55 -

11、 第1章 緒論 1.1工業(yè)機(jī)器人概述 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(jiǎn)單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國(guó)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。簡(jiǎn)而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。 工業(yè)機(jī)器人，一般指的是在工廠車間環(huán)境中，配合自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，代替人來(lái)完成材料或零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在對(duì)工業(yè)機(jī)器人所下的定義是“機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，

12、這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能借助于可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專用設(shè)備，以執(zhí)行種種任務(wù)”。 1.2工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式 （1）氣動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人 這類工業(yè)機(jī)器人以壓縮空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)操作機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是空氣來(lái)源方便，動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低，無(wú)污染，缺點(diǎn)是空氣具有可壓縮性，導(dǎo)致工作速度的穩(wěn)定性較差，又因氣源壓力一般只有6kPa左右，所以這類工業(yè)機(jī)器人抓舉力較小，一般只有幾十牛頓，最大百余牛頓。 （2）液壓式工業(yè)機(jī)器人 液壓壓力比氣壓壓力高得多，一般為70kPa左右，故液壓傳動(dòng)工業(yè)機(jī)器人具有較大的抓舉能力，可達(dá)上千牛頓。這類工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封要

13、求較高，且不宜在高溫或低溫環(huán)境下工作。 （3）電動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人 這是目前用得最多的一類工業(yè)機(jī)器人，不僅因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)品種眾多，為工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了多種選擇，也因?yàn)樗鼈兛梢赃\(yùn)用多種靈活控制的方法。早期多采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，后來(lái)發(fā)展了直流伺服驅(qū)動(dòng)單元，目前交流伺服驅(qū)動(dòng)單元也在迅速發(fā)展。這些驅(qū)動(dòng)單元或是直接驅(qū)動(dòng)操作機(jī)，或是通過(guò)諸如諧波減速器的裝置來(lái)減速后驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)十分緊湊、簡(jiǎn)單。 1.3工業(yè)機(jī)器人的分類 工業(yè)機(jī)器人按操作機(jī)坐標(biāo)形式分以下幾類（坐標(biāo)形式是指操作機(jī)的手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所取的參考坐標(biāo)系的形式）： （1）直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人 其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)（即PPP）組成，

14、其工作空間圖形為長(zhǎng)方形。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各個(gè)坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高，控制無(wú)耦合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體所占空間體積大，動(dòng)作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。 （2）圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人 其運(yùn)動(dòng)形式是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和兩個(gè)移動(dòng)組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人相比，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大，其位置精度僅次于直角坐標(biāo)型機(jī)器人，難與其它工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。 （3）球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人 又稱極坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其手臂的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)（即RRP,一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)

15、俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動(dòng)作并能抓取地面上或較低位置的協(xié)調(diào)工件，其位置精度高，位置誤差與臂長(zhǎng)成正比。 （4）多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人 又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，這種工業(yè)機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副（即RRR），該工業(yè)機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和俯仰擺動(dòng)，小臂做仰俯擺動(dòng)。其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，但位置精度較低，有平衡問(wèn)題，控制耦合，這種工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 （5）平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人 它采用一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)

16、關(guān)節(jié)（即PRR），移動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，而兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左右運(yùn)動(dòng)。這種形式的工業(yè)機(jī)器人又稱SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)裝配機(jī)器人。在水平方向則具有柔順性，而在垂直方向則有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應(yīng)用廣泛。 1.4工業(yè)機(jī)器人的歷史 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展通?？梢詣澐譃槿? 第一代工業(yè)機(jī)器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用在線編程，即通過(guò)示教存貯信息，工

17、作時(shí)讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。 第二代機(jī)器人是帶感覺(jué)的機(jī)器人。它具有尋力覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)等進(jìn)行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，這種機(jī)器人從1980年開(kāi)始進(jìn)入了實(shí)用階段，不久即將普及應(yīng)用。 第三代工業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人。這種機(jī)器人除了具有觸覺(jué)、視覺(jué)等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識(shí)自身和周圍的環(huán)境，識(shí)別對(duì)象的有無(wú)及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識(shí)別自動(dòng)選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對(duì)象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機(jī)器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用。 1.5工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人

18、設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)： a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； b)開(kāi)發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場(chǎng)合，如開(kāi)發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開(kāi)發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開(kāi)發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合； c)研制各類傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、和測(cè)距傳感器等，用傳感器

19、獲得工作對(duì)象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。 第2章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)器人控制是機(jī)器人的核心技術(shù)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)研制搬運(yùn)機(jī)器人的主臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。腕部最大負(fù)荷為60N。 主要研究?jī)?nèi)容有： （1）各關(guān)節(jié)軸以交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，要求機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，減速比大（100：1）。 （2）機(jī)器人主要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和功率、扭矩計(jì)算。 （3）完成機(jī)械傳

20、動(dòng)方案設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求繪制機(jī)器人整體布局外觀圖和兩個(gè)關(guān)節(jié)（腰關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)）的結(jié)構(gòu)裝配圖。要求繪圖量達(dá)到A0三張。 2.2工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 機(jī)器人主臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械本體、伺服電機(jī)、減速器等機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，減速比大（100:1）等要求，整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)大致分成腰部關(guān)節(jié)、肩部關(guān)節(jié)、肘部關(guān)節(jié)、大臂與小臂。各關(guān)節(jié)之間均采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)精密控制。為實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比，采用諧波減速器傳動(dòng)，不僅實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比，而且是結(jié)構(gòu)更緊湊。 查找[1][3]fanuc robot M-6iB機(jī)器人相關(guān)資料，獲得以下設(shè)計(jì)資料和參數(shù)： （1

21、）機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2.1 圖2.1 工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖 （2）機(jī)器人工作范圍見(jiàn)圖2.2 圖2.2 機(jī)器人工作范圍示意圖 （3）機(jī)器人主要設(shè)計(jì)參數(shù) 軸數(shù)：6 負(fù)載：60 工作半徑：1373 可重復(fù)定位精度：0.08 機(jī)器人質(zhì)量：138 各軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍： 各軸轉(zhuǎn)動(dòng)速率： () () () () () () 驅(qū)動(dòng)方式：AC交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 安裝方式：地裝、吊頂（掛壁、斜角） 動(dòng)作類型：垂直多關(guān)節(jié)型 驅(qū)動(dòng)電機(jī)：伺服電機(jī) 2.3工業(yè)機(jī)器人

22、的驅(qū)動(dòng)方式選擇 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人只有三種驅(qū)動(dòng)方式：氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。它們的不同特點(diǎn)及適用范圍如表2.1所示。 表2.1 各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)及適用范圍 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有： （1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高； （2）反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起動(dòng)、 制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換； （3）驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小； （4）安全可靠； （5）操作和維護(hù)方便； （6）對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要?。? （7）經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要

23、盡量減少占地面積。 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求：設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)機(jī)器人主臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，腕部最大負(fù)荷為60N，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，減速比大（100：1）等，基于上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)要求，本文選用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則需設(shè)計(jì)減速器。 整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)大致分成腰部關(guān)節(jié)、肩部關(guān)節(jié)、肘部關(guān)節(jié)、大臂與小臂。各關(guān)節(jié)之間均采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)精密控制。為實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比，采用諧波減速器傳動(dòng)，不僅實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比，而且是結(jié)構(gòu)更緊湊。 2.4諧波減速器介紹 2.4.1諧波減速器簡(jiǎn)介 諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動(dòng)原

24、理發(fā)展起來(lái)的一種新型減速器。諧波齒輪傳動(dòng)（簡(jiǎn)稱諧波傳動(dòng)），它是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機(jī)械波來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的一種行星齒輪傳動(dòng)。主要包括剛輪、柔輪、和波發(fā)生器組成。 由于波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使柔輪上的一點(diǎn)不斷的改變位置，這時(shí)在柔輪的節(jié)圓的任一點(diǎn)，隨著波發(fā)生器角位移的過(guò)程，形成一個(gè)上下左右相對(duì)稱的和諧波，故稱之為：“諧波”。 諧波減速器實(shí)體圖見(jiàn)圖2.3 圖2.3 諧波減速器實(shí)體圖 2.4.2諧波減速器基本結(jié)構(gòu) 諧波減速器主要由三個(gè)基本構(gòu)件組成： （1）帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪），帶有齒輪的剛性齒環(huán)，通常與柔輪相差2齒，它相當(dāng)于行星系中的中心輪； （2）帶有外齒

25、圈的柔性齒輪（柔輪），他是一個(gè)孔徑略小于波發(fā)生器長(zhǎng)軸的薄壁柔性齒輪，在波發(fā)生器的作用下，可以產(chǎn)生彈性變形，它相當(dāng)于行星齒輪； （3）波發(fā)生器H，具有長(zhǎng)短軸通常它的轉(zhuǎn)動(dòng)迫使柔輪按一定的變形規(guī)律產(chǎn)生彈性變形，它相當(dāng)于行星架。 作為減速器使用，通常采用波發(fā)生器主動(dòng)、剛輪固定、柔輪輸出形式。 諧波減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2.4 圖2.4 諧波減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 2.4.3諧波減速器工作原理 當(dāng)波發(fā)生器為主動(dòng)時(shí)，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，就使柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形（可控的彈性變形），這時(shí)柔輪的齒就在變形的過(guò)程中進(jìn)入（嚙合）或退出（嚙離）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長(zhǎng)軸處處于完全嚙合，而短軸方向的

26、齒就處在完全的脫開(kāi)。波發(fā)生器通常成橢圓形的凸輪，將凸輪裝入薄壁軸承內(nèi)，再將它們裝入柔輪內(nèi)。此時(shí)柔輪由原來(lái)的圓形而變成橢圓形，橢圓長(zhǎng)軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的內(nèi)齒沿齒高嚙合。這是嚙合區(qū)，一般有30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開(kāi)狀態(tài)，簡(jiǎn)稱脫開(kāi)；在波發(fā)生器長(zhǎng)軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長(zhǎng)的不同區(qū)段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開(kāi)狀態(tài)，稱之為嚙出。 波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時(shí)波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，就使柔輪齒的嚙入—嚙合—嚙出—脫開(kāi)這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地改變各自原來(lái)的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)

27、象稱之錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，正是這一錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，作為減速器就可將輸入的高速轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動(dòng)。 對(duì)于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動(dòng)，當(dāng)波發(fā)生器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)1/8周時(shí)，柔輪齒與剛輪齒就由原來(lái)的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來(lái)脫開(kāi)狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。同樣道理，嚙出變?yōu)槊撻_(kāi)，嚙合變?yōu)閲С?，這樣柔輪相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)動(dòng)（角位移）了1/4齒；同理，波發(fā)生器再轉(zhuǎn)動(dòng)1/8周時(shí)，重復(fù)上述過(guò)程，這時(shí)柔輪位移一個(gè)齒距。依此類推，波發(fā)生器相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，柔輪相對(duì)剛輪的位移為兩個(gè)齒距。 柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過(guò)程就如同兩個(gè)純滾動(dòng)（無(wú)滑動(dòng)）的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長(zhǎng)上少了兩個(gè)

28、齒距，所以柔輪在嚙合過(guò)程中，就必須相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)過(guò)兩個(gè)齒距的角位移，這個(gè)角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了減速的目的。 諧波傳動(dòng)的工作原理圖見(jiàn)圖2.5；諧波減速器工作過(guò)程示例圖見(jiàn)圖2.6 圖2.5 諧波傳動(dòng)的工作原理 圖2.6 諧波減速器工作過(guò)程示例 2.4.4諧波減速器的主要特性 （1）傳動(dòng)比大：?jiǎn)渭?jí)傳動(dòng)比可達(dá)50—320。 （2）側(cè)隙小：由于其傳動(dòng)原理不同于一般齒輪傳動(dòng)，側(cè)隙很小，甚至可以實(shí)現(xiàn)無(wú)側(cè)隙傳動(dòng)。 （3）精度高：同時(shí)嚙合齒數(shù)可達(dá)總齒數(shù)的20%左右，并在相差180度的兩個(gè)對(duì)稱方向上同時(shí)嚙合，因此誤差被均勻化，達(dá)到高運(yùn)動(dòng)精度。 （4）零件

29、數(shù)少、安裝方便：僅有三個(gè)基本部件，且輸入與輸出軸為同軸線，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便。 （5）體積小、重量輕：與一般減速器比較，輸出力矩相同時(shí)，通常體積可以減小2/3，重量可減小1/2。 （6）承載能力大：因?yàn)橥瑫r(shí)嚙合齒數(shù)多，柔輪又采用特殊材料鋼材，從而獲得了高的承載能力。 （7）效率高：在齒的嚙合部分滑移量極小，摩擦損失少。即使在高速比情況下，仍能維持高效率。 （8）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)：周向速度低，有實(shí)現(xiàn)了李德平衡，故噪聲低、振動(dòng)小。 （9）可向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)：利用其柔性的特點(diǎn)、可向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)。這一點(diǎn)是其他任何機(jī)械無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。 2.4.5諧波減速器的減速比 當(dāng)波發(fā)

30、生器回轉(zhuǎn)時(shí)，它迫使柔輪的齒順序的與剛輪的齒嚙合，當(dāng)波發(fā)生器順轉(zhuǎn)一周時(shí)，柔輪倒轉(zhuǎn)個(gè)齒，亦即反轉(zhuǎn)了周，因此波發(fā)生器和柔輪的傳動(dòng)比為: 式中：、和、分別為柔輪和剛輪的齒數(shù)和分度圓直徑。 有時(shí)柔輪固定不轉(zhuǎn)而剛輪為從動(dòng)件。在這種情形下，當(dāng)波發(fā)生器順轉(zhuǎn)一周時(shí)，剛輪相對(duì)柔輪順轉(zhuǎn)個(gè)齒，亦即順轉(zhuǎn)了周，因此波發(fā)生器和柔輪的傳動(dòng)比為: 式中：、和、分別為柔輪和剛輪的齒數(shù)和分度圓直徑。 因?yàn)樵谝粋€(gè)波的區(qū)間內(nèi)，剛輪與柔輪應(yīng)當(dāng)相差一個(gè)或幾個(gè)齒，所以諧波齒輪傳動(dòng)的齒數(shù)差應(yīng)等于波數(shù)或波數(shù)的整數(shù)倍。因此

31、，波數(shù)相同且剛輪齒數(shù)也相同的諧波傳動(dòng)，其傳動(dòng)比可以相差若干整數(shù)倍。但實(shí)際上大部分諧波齒輪傳動(dòng)的齒數(shù)差等于波數(shù)。在這種情況下，諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比等于活動(dòng)輪的齒數(shù)除以波數(shù)。 2.5機(jī)器人材料的選擇 結(jié)構(gòu)件材料選擇是工業(yè)機(jī)器人材料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題之一，正確選擇結(jié)構(gòu)材料不僅可以降低工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)成本，更重要的是可適應(yīng)工業(yè)機(jī)器人的高速化、高載荷化及高精度化，滿足其靜力及動(dòng)力特性要求。 2.5.1材料選擇的基本要求 與一般的機(jī)械設(shè)備相比，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是十分重要的，這是選擇材料的出發(fā)點(diǎn)。材料選擇的基本要求如下： （1）強(qiáng)度高。機(jī)器人的臂是直接受力的構(gòu)件，高強(qiáng)度材料不僅能滿足機(jī)器

32、人臂的強(qiáng)度條件，而且可望減少臂桿的截面尺寸，減輕重量。 （2）彈性模量大。從材料力學(xué)的公式可知，構(gòu)件剛度（或變形量）與材料的彈性E、G有關(guān)，彈性模量越大，變形量越小，剛度越大。不同材料的彈性模量的差異比較大，而同一種材料卻沒(méi)有多大差別。 （3）重量輕。在機(jī)器人手臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形很大程度上是由于慣性力引起的，與構(gòu)件的質(zhì)量有關(guān)。也就是說(shuō)，為了提高構(gòu)件剛度選用彈性模量E大而密度ρ也大的材料是不合理的，因此提出了選用高彈性模量、低密度的材料要求，可用E/ρ來(lái)衡量，表2.2列出幾種材料的E、ρ和E/ρ值，供參考。 表2.2 材料的彈性模量/密度（E/ρ）值 （4）阻尼大。工業(yè)機(jī)器

33、人在選材時(shí)不僅要求剛度大、重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能大。機(jī)器人的臂經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)后，要求能平穩(wěn)地停下來(lái)。可是由于在構(gòu)件終止運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)，構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，構(gòu)件自身又具有彈性，因而會(huì)產(chǎn)生“殘余振動(dòng)”。從提高定位精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性來(lái)考慮，希望能采用大阻尼材料或采取增加構(gòu)件阻尼的措施來(lái)吸收能量。 （5）材料價(jià)格低。材料價(jià)格是工業(yè)機(jī)器人成本價(jià)格的重要組成部分。有些新材料如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金，用來(lái)作為機(jī)器人臂的材料是很理想的，但價(jià)格昂貴。 2.5.2結(jié)構(gòu)材料介紹 （1）碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼：強(qiáng)度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增大了4-5倍，彈性模量E大，抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用

34、最廣泛的材料。 （2）鋁、鋁合金及其他輕合金材料：這類材料的共同特點(diǎn)是重量輕，彈性模量E并不大，但是材料密度小，故E/ρ值仍可和鋼材相比。有些稀貴鋁金屬的品質(zhì)得到了更明顯的改善，例如添加了3.2%重量的鋰的鋁合金，彈性模量增加了14%，E/ρ值增加了16%。 （3）纖維增強(qiáng)合金：如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金，其E/ρ值分別達(dá)到11.410m/s和8.910m/s。這種纖維增強(qiáng)金屬材料具有非常高的E/ρ值 ，而且沒(méi)有無(wú)機(jī)復(fù)合材料的缺點(diǎn)，但價(jià)格昂貴。 （4）陶瓷：陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工成具有長(zhǎng)孔的連桿，與金屬零件連接的結(jié)合部需特殊設(shè)計(jì)。然而，日本已

35、經(jīng)試制了在小型工業(yè)機(jī)器人上使用的陶瓷人臂的樣品。 （5）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：這類材料具有極好的E/ρ值，但存在老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎?、與金屬件連接困難等問(wèn)題。這種材料不但重量輕、剛度大，而且還具有十分突出的阻尼大優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼。所以，在高速機(jī)器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實(shí)例越來(lái)越多。層疊復(fù)合材料的制造工藝還允許用戶進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)疊層厚度、纖維傾斜角、最佳橫斷面尺寸等，使其具有最大阻尼比。 （6）粘彈性大阻尼材料：增大機(jī)器人連桿件的阻尼是改善機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法來(lái)增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對(duì)原構(gòu)件進(jìn)

36、行約束層阻尼處理。吉林工大和西安交大進(jìn)行了粘彈性大阻尼材料在柔性機(jī)械臂振動(dòng)控制中實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：機(jī)械臂的重復(fù)定位精度在處理前為0.30mm，處理后為0.16mm；殘余振動(dòng)時(shí)間在阻尼處理前、后分別為0.9s和0.5s。 桿件的約束層處理示意圖見(jiàn)圖2.7 圖2.7 桿件的約束層處理示意圖

37、 第3章 機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 3.1機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分析 由于一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一般要求有： （1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動(dòng)功率和傳動(dòng)比時(shí)體積最小，重量最輕； （2）傳動(dòng)剛度大，即由驅(qū)動(dòng)器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)角度變量最小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減輕整機(jī)的低頻振動(dòng)； （3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度； （4）壽命長(zhǎng)，價(jià)格低。 3.2機(jī)器人腰部傳動(dòng)方案選擇 機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)即J1軸是機(jī)器人關(guān)節(jié)中最大，承

38、載最多，內(nèi)部機(jī)構(gòu)最為復(fù)雜的關(guān)節(jié)。軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為()，轉(zhuǎn)速擬定為()即,伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速暫選為，額定功率為1.0,減速比即為100。 J1軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍示意圖見(jiàn)圖3.1 圖3.1 J1軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍示意圖 方案一：J1軸通過(guò)采用一對(duì)外嚙合齒輪（減速比為2），后接諧波減速器（減速比為50）來(lái)減速，則可以實(shí)現(xiàn)總傳動(dòng)比為100。 腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案一見(jiàn)圖3.2 圖3.2 腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案一 方案二：J1軸通過(guò)采用一對(duì)內(nèi)嚙合齒輪（減速比為2），后接諧波減速器（減速比為50）來(lái)減速，則可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比為100。 腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案二見(jiàn)圖3.3 圖3.3 腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案二 方案三：電機(jī)

39、安裝在底座下面，J1軸直接接諧波減速器（減速比100），則可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比為100的減速。 腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案三見(jiàn)圖3.4 圖3.4 腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案三 傳動(dòng)方案比較：這三種方案在傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)上都是可行的，均采用了減速比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載力大、噪音小、效率高、定位安裝方便的諧波減速器。方案二采用內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)上是比方案一更加緊湊，但安裝時(shí)會(huì)使腰部電機(jī)與肩部電機(jī)發(fā)生干涉，影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍。方案三的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，但電機(jī)軸和腰部回轉(zhuǎn)軸無(wú)法錯(cuò)開(kāi)。則最終機(jī)器人腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案選擇方案一。 對(duì)于方案一： 由于軸的輸出轉(zhuǎn)速為：，又有

40、 式中：為剛輪齒數(shù)，為柔輪齒數(shù) 則，又有 式中：為小齒輪齒數(shù)，為大齒輪齒數(shù) 則電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩： 取齒輪的精度等級(jí)為8級(jí)，查[7]表得： 則 3.3腰部交流伺服電機(jī)的選擇 3.3.1機(jī)器人材料選用和質(zhì)量估算 機(jī)器人材料選用45號(hào)鋼，則查表2.2可得密度，根據(jù)機(jī)器人各部分體積，估算機(jī)器人質(zhì)量如下： 腕部：8kg 小臂：36kg 肘部：11kg 大臂：52kg 肩部：13

41、kg 腰部：18kg 3.3.2工業(yè)機(jī)器人整體受力分析 機(jī)器人整體受力示意圖見(jiàn)圖3.5 圖3.5 機(jī)器人整體受力示意圖 3.3.3腰部交流伺服電機(jī)的選擇計(jì)算 當(dāng)大臂、小臂與末端執(zhí)行器均處于水平狀態(tài)時(shí)，如上圖所示，各部分對(duì)回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大。其代數(shù)和為： 代入數(shù)據(jù)得： 則工作時(shí)的最大扭矩： 式中：為機(jī)器人的角加速度。 設(shè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的加速度為， 則 則 由于軸的轉(zhuǎn)

42、動(dòng)速率為，即2.62， 則 查[8]得 則 由電機(jī)到底座傳動(dòng)總效率 式中：為外嚙合齒輪的傳動(dòng)效率，為諧波減速器的傳動(dòng)效率 取=0.98（齒輪的精度等級(jí)為8級(jí)） =0.98 則 則腰部伺服電機(jī)所需功率為： 查[10]德國(guó)博美特BONMET伺服電機(jī)資料：如表3.1所示 表3.1 德國(guó)博美特BONMET伺服電機(jī)參數(shù)表 經(jīng)比較電機(jī)型號(hào)選用BONMET SM系列 80系列SM 80-033-30 LFB 表3.2 德國(guó)博美特BONMET 80系列

43、電機(jī) 查表3.2得伺服電機(jī)SM 80-033-30 LFB主要參數(shù)如下： 額定功率：1.0 額定轉(zhuǎn)矩：3.3 額定轉(zhuǎn)速：3000 額定電流：4.2 轉(zhuǎn)子慣量： 機(jī)械時(shí)間常數(shù):0.85 電機(jī)重量：3.2 伺服電機(jī)SM 80-033-30 LFB外形尺寸圖見(jiàn)圖3.6 圖3.6 伺服電機(jī)SM 80-033-30 LFB外形尺寸圖 3.4腰部諧波減速器的選擇 諧波減速器選用德國(guó)的Harmonic Drive AG（和諧驅(qū)動(dòng)）公司的CGS-2UH Units系列產(chǎn)品。 3.4.1德國(guó)Harmonic 諧波減速器的特

44、點(diǎn) （1）Harmonic減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕。HD減速器諧波齒輪傳動(dòng)的主要構(gòu)件只有三個(gè)：波發(fā)生器、柔輪、剛輪。它與傳動(dòng)比相當(dāng)?shù)钠胀p速器比較，其零件減少50%，體積和重量均減少1/3左右或更多。 （2）Harmonic減速器傳動(dòng)比范圍大。單級(jí)HD諧波減速器傳動(dòng)比可在50—300之間，優(yōu)選在75—250之間；雙級(jí)諧波減速器傳動(dòng)比可在3000—60000之間；復(fù)波諧波減速器傳動(dòng)比可在200—140000之間。 （3）Harmonic減速機(jī)嚙合的齒數(shù)多。雙波諧波減速器同時(shí)嚙合的齒數(shù)可達(dá)30%，甚至更多些。而在普通齒輪傳動(dòng)中，同時(shí)嚙合的齒數(shù)只有2—7%，對(duì)于直齒圓柱漸

45、開(kāi)線齒輪同時(shí)嚙合的齒數(shù)只有1—2對(duì)。Harmonic減速器正是由于同時(shí)嚙合齒數(shù)多這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使諧波傳動(dòng)的精度高，齒的承載能力大，進(jìn)而HD減速器實(shí)現(xiàn)大速比、小體積。 （4）Harmonic減速器承載能力大。諧波齒輪傳動(dòng)同時(shí)嚙合齒數(shù)多，即承受載荷的齒數(shù)多，在材料和速比相同的情況下，受載能力要大大超過(guò)其它傳動(dòng)。HD減速器其傳遞的功率范圍可為幾瓦至幾十千瓦。 （5）Harmonic減速機(jī)運(yùn)動(dòng)精度高。HD減速器由于多齒嚙合，一般情況下，諧波齒輪與相同精度的普通齒輪相比，其運(yùn)動(dòng)精度能提高四倍左右。 （6）Harmonic減速器運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)沖擊，噪聲小。HD減速器齒的嚙入、嚙出是隨著

46、柔輪的變形，逐漸進(jìn)入和逐漸退出剛輪齒間的，嚙合過(guò)程中齒面接觸，滑移速度小，且無(wú)突然變化。 （7）HD減速器齒側(cè)間隙可以調(diào)整。諧波齒輪傳動(dòng)在嚙合中，柔輪和剛輪齒之間主要取決于波發(fā)生器外形的最大尺寸，及兩齒輪的齒形尺寸，因此Harmonic減速器可以使傳動(dòng)的回差很小，某些情況甚至可以是零側(cè)間隙。 （8）Harmonic減速器傳動(dòng)效率高。與相同速比的其它傳動(dòng)相比，諧波傳動(dòng)由于運(yùn)動(dòng)部件數(shù)量少，而且嚙合齒面的速度很低，因此效率很高，隨速比的不同（u=60-250)，Harmonic減速器效率約在65—96%左右（諧波復(fù)波傳動(dòng)效率較低），齒面的磨損很小。 （9）Harmonic減速機(jī)

47、同軸性好。諧波齒輪減速器的高速軸、低速軸位于同一軸線上。 （10）Harmonic減速器可實(shí)現(xiàn)向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力。HD減速器采用密封柔輪諧波傳動(dòng)減速裝置，可以驅(qū)動(dòng)工作在高真空、有腐蝕性及其它有害介質(zhì)空間的機(jī)構(gòu)，諧波傳動(dòng)這一獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)難于達(dá)到的。 （11）Harmonic減速器（HD減速器）可實(shí)現(xiàn)高增速運(yùn)動(dòng)。Harmonic減速器由于諧波齒輪傳動(dòng)的效率高及機(jī)構(gòu)本身的特點(diǎn)，加之體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，因此是理想的高增速裝置。對(duì)于手搖發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等需要高增速的設(shè)備有廣闊的應(yīng)用前景。 （12）Harmonic減速機(jī)（HD減速器）方便的實(shí)現(xiàn)差速傳動(dòng)。Harmonic

48、減速器由于諧波齒輪傳動(dòng)的三個(gè)基本構(gòu)件中，可以任意兩個(gè)主動(dòng)，第三個(gè)從動(dòng)，那么如果讓波發(fā)生器、剛輪主動(dòng)，柔輪從動(dòng)，就可以構(gòu)成一個(gè)差動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而方便的實(shí)現(xiàn)快慢速工作狀況。這一點(diǎn)對(duì)許多機(jī)床的走刀機(jī)構(gòu)很有實(shí)用價(jià)值，經(jīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)，可以大大改變機(jī)床走刀部分的結(jié)構(gòu)性能。 （13）Harmonic減速器（HD減速器）免維護(hù)。Harmonic減速機(jī)主要產(chǎn)品：CSG系列,CSD系列,CSF系列,SHG系列,SHF系列,SHD系列,CSF系列,CSF-GH系列,HPG系列,HPG-RA系列,HPG-U1系列諧波減速機(jī)。 CGS-2UH Units系列產(chǎn)品外觀圖見(jiàn)圖3.7 圖3.7 CGS-2UH Un

49、its系列產(chǎn)品外觀圖 3.4.2腰部諧波減速器的選擇計(jì)算 腰部關(guān)節(jié)承受較大的載荷，并且采用柔輪固定剛輪輸出的形式，或剛輪固定柔輪輸出的形式，且傳遞的功率為0.73,并且要求傳動(dòng)比為50。 諧波減速器型號(hào)的選擇主要取決于減速器的輸入功率和輸出扭矩 由以上計(jì)算可得： 減速器額定輸入功率： 減速器輸出扭矩： 諧波減速器工作時(shí)的實(shí)際輸入功率和輸出扭矩為

50、 式中：為工況系數(shù) 查[8] 表取=1.25 則 查CGS-2UH Units系列產(chǎn)品資料，即表3.3 表3.3 CGS-2UH Units系列產(chǎn)品資料 查表3.3 CSG系列資料選取諧波減速器的型號(hào)，腰部諧波減速器的型號(hào)選擇CSG-45-50-2UH-SP。 查諧波減速器CSG-2UH Size參數(shù)表，即表3.4 表3.4 諧波減速器CSG-2UH Size參數(shù)表 得諧波減速器CSG-45-50-2UH-SP具體參數(shù)如下： 重復(fù)峰值極限轉(zhuǎn)矩： 平均極限轉(zhuǎn)

51、矩： 2000的額定轉(zhuǎn)矩： 瞬時(shí)峰值的極限轉(zhuǎn)矩： 最大輸入轉(zhuǎn)速：油潤(rùn)滑 5000 脂潤(rùn)滑 3800 平均輸入極限轉(zhuǎn)速： 油潤(rùn)滑 3300 脂潤(rùn)滑 3000 瞬時(shí)慣量： 重量：7 3.4.3選用諧波減速器具體尺寸的確定 諧波減速器CSG-45-50-2UH-SP內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.8 圖3.8 諧波減速器CSG-45-50-2UH-SP內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 查表3.5確定各個(gè)尺寸 表3.5 CSG-2UH系列尺寸表 可得各尺寸：

52、 則諧波減速器CSG-45-50-2UH-SP具體的尺寸結(jié)構(gòu)如圖3.9 圖3.9 諧波減速器CSG-45-50-2UH-SP具體的尺寸結(jié)構(gòu)圖 3.4.4選用諧波減速器性能參數(shù)確定 諧波減速器的空載啟動(dòng)力矩、空載返回驅(qū)動(dòng)力矩、諧波減速器扭矩傳輸能力分別如表3.6、表3.7、表3.8所示。 表3.6 諧波減速器空載啟動(dòng)力矩參數(shù)表 表3.7 諧波減速器空載返回驅(qū)動(dòng)力矩參數(shù)表 表3.8 諧波減速器扭矩傳輸能力【Nm】 由以上表可得： 諧波減速器CSG-45-50-2UH-SP，查表3.6和表3.7知該型號(hào)足夠的空載啟動(dòng)力矩和空載返回驅(qū)動(dòng)力矩，分別為77

53、Ncm和47Ncm。查表3.8知該型號(hào)有足夠的輸出扭矩，伺服電機(jī)的額定扭矩為3.3N.m，輸出扭矩可達(dá)2624Nm。考慮到結(jié)構(gòu)特性，選用脂潤(rùn)滑。 3.4.5所選諧波減速器傳遞效率 諧波減速器的傳動(dòng)效率見(jiàn)圖3.10 圖3.10 諧波減速器傳動(dòng)效率圖 3.5選用諧波減速器輸出軸承的確定 CSG-2UH 系列產(chǎn)品結(jié)合了一個(gè)高剛度軸承支持輸出負(fù)載，這個(gè)專門開(kāi)發(fā)的軸承承受很高的軸向和徑向力量以及高傾斜時(shí)刻。 3.5.1輸出軸承參數(shù) 表3.9 輸出軸承參數(shù)表 由表3.9查得： 軸承類型為型 節(jié)圓直徑 偏移量 額定動(dòng)載荷 額定靜載荷 許用動(dòng)力矩 許用靜力矩 即

54、時(shí)剛度 許用軸向載荷 許用徑向載荷 3.5.2輸出軸承公差選擇 輸出軸承公差圖見(jiàn)圖3.11 圖3.11 輸出軸承公差圖 查表3.10確定各字母代號(hào)的數(shù)值 表3.10 輸出軸承公差參數(shù)表 由表3.10查得： 3.5.3推薦裝配公差 為了使CSG-2UH 系列產(chǎn)品的新特性得到充分發(fā)揮，按表3.11選取裝配公差 （1）裝配公差圖見(jiàn)圖3.12 圖3.12 裝配公差圖 表3.11 裝配公差參數(shù)表 [注：

55、括號(hào)中的數(shù)值為推薦值] 由表3.11查得： （2）殼體與法蘭盤的裝配圖見(jiàn)圖3.13 圖3.13 殼體與法蘭盤裝配示意圖 法蘭盤裝配參數(shù)按表3.12選擇 表3.12 法蘭盤裝配參數(shù)表 則由表3.12可查得：螺釘個(gè)數(shù)： 螺釘尺寸： 聯(lián)軸器節(jié)圓直徑： 螺釘預(yù)緊力： 扭矩傳輸能力： 殼體裝配參數(shù)按表3.13選擇 表3.13 殼體裝配參數(shù)表 則由表3.1

56、3可查得：螺釘個(gè)數(shù)： 螺釘尺寸： 聯(lián)軸器節(jié)圓直徑： 螺釘預(yù)緊力： 扭矩傳輸能力：2100 3.6齒輪的設(shè)計(jì)與校核 齒輪的設(shè)計(jì)與校核通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新編軟件版）2008完成，具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下： 漸開(kāi)線圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)報(bào)告 一、設(shè)計(jì)信息 設(shè)計(jì)者 Name=張國(guó)飛 設(shè)計(jì)單位 Comp=寧夏理工學(xué)院 設(shè)計(jì)日期 Date=2011-3-25 設(shè)計(jì)時(shí)間 Time=PM 08:20:14 二、設(shè)計(jì)參數(shù) 傳遞功率 P=0.77(kW) 傳遞轉(zhuǎn)矩 T=2.94(Nm) 齒輪1轉(zhuǎn)速 n1=2500(r/min)

57、 齒輪2轉(zhuǎn)速 n2=1250(r/min) 傳動(dòng)比 i=2.00 　　原動(dòng)機(jī)載荷特性 SF=均勻平穩(wěn) 　　工作機(jī)載荷特性 WF=均勻平穩(wěn) 　　預(yù)定壽命 H=10000(小時(shí)) 三、布置與結(jié)構(gòu) 　　結(jié)構(gòu)形式 ConS=閉式 　　齒輪1布置形式 ConS1=懸臂布置 　　齒輪2布置形式 ConS2=非對(duì)稱布置（軸鋼性較大） 四、材料及熱處理 　　齒面嚙合類型 GFace=軟齒面 　　熱處理質(zhì)量級(jí)別 Q=MQ 　　齒輪1材料及熱處理 Met1=40Cr<調(diào)質(zhì)> 　　齒輪1硬度取值范圍 HBSP1=235～275 　　齒輪1硬度 HBS1=265 　　齒輪1

58、材料類別 MetN1=0 　　齒輪1極限應(yīng)力類別 MetType1=5 　　齒輪2材料及熱處理 Met2=45<正火> 　　齒輪2硬度取值范圍 HBSP2=162～217 　　齒輪2硬度 HBS2=200 　　齒輪2材料類別 MetN2=0 　　齒輪2極限應(yīng)力類別 MetType2=7 五、齒輪精度 　　齒輪1第Ⅰ組精度 JD11=8 　　齒輪1第Ⅱ組精度 JD12=8 　　齒輪1第Ⅲ組精度 JD13=8 　　齒輪1齒厚上偏差 JDU1=F 　　齒輪1齒厚下偏差 JDD1=L 　　齒輪2第Ⅰ組精度 JD21=8 　　齒輪2第Ⅱ組精度 JD22=8 　　齒輪2第Ⅲ組

59、精度 JD23=8 　　齒輪2齒厚上偏差 JDU2=F 　　齒輪2齒厚下偏差 JDD2=L 六、齒輪基本參數(shù) 　　模數(shù)(法面模數(shù)) Mn=3(mm) 　　端面模數(shù) Mt=3.00000(mm) 　　螺旋角 β=0.000000(度) 　　基圓柱螺旋角 βb=0.0000000(度) 　　齒輪1齒數(shù) Z1=19 　　齒輪1變位系數(shù) X1=0.00 　　齒輪1齒寬 B1=25.00(mm) 　　齒輪1齒寬系數(shù) Φd1=0.439 　　齒輪2齒數(shù) Z2=38 齒輪2變位系數(shù) X2=0.00 　　齒輪2齒寬 B2=20.00(mm) 　　齒輪2齒寬系數(shù) Φd2=0.175

60、 　　總變位系數(shù) Xsum=0.000 　　標(biāo)準(zhǔn)中心距 A0=85.50000(mm) 　　實(shí)際中心距 A=85.50000(mm) 　　中心距變動(dòng)系數(shù) yt=0.00000 　　齒高變動(dòng)系數(shù) △yt=0.00000 　　齒數(shù)比 U=2.00000 　　端面重合度 εα=1.62357 　　縱向重合度 εβ=0.00000 　　總重合度 ε=1.62357 　　齒輪1分度圓直徑 d1=57.00000(mm) 　　齒輪1齒頂圓直徑 da1=63.00000(mm) 　　齒輪1齒根圓直徑 df1=49.50000(mm) 　　齒輪1基圓直徑 db1=53.56248(m

61、m) 　　齒輪1齒頂高 ha1=3.00000(mm) 　　齒輪1齒根高 hf1=3.75000(mm) 　　齒輪1全齒高 h1=6.75000(mm) 　　齒輪1齒頂壓力角 αat1=31.766780(度) 　　齒輪2分度圓直徑 d2=114.00000(mm) 　　齒輪2齒頂圓直徑 da2=120.00000(mm) 　　齒輪2齒根圓直徑 df2=106.50000(mm) 　　齒輪2基圓直徑 db2=107.12496(mm) 　　齒輪2齒頂高 ha2=3.00000(mm) 　　齒輪2齒根高 hf2=3.75000(mm) 　　齒輪2全齒高 h2=6.75000

62、(mm) 　　齒輪2齒頂壓力角 αat2=26.784471(度) 　　齒輪1分度圓弦齒厚 sh1=4.70702(mm) 齒輪1分度圓弦齒高 hh1=3.09734(mm) 　　齒輪1固定弦齒厚 sch1=4.16114(mm) 　　齒輪1固定弦齒高 hch1=2.24267(mm) 　　齒輪1公法線跨齒數(shù) K1=3 　　齒輪1公法線長(zhǎng)度 Wk1=22.93930(mm) 　　齒輪2分度圓弦齒厚 sh2=4.71105(mm) 　　齒輪2分度圓弦齒高 hh2=3.04869(mm) 　　齒輪2固定弦齒厚 sch2=4.16114(mm) 　　齒輪2固定弦齒高 hch2=

63、2.24267(mm) 　　齒輪2公法線跨齒數(shù) K2=5 　　齒輪2公法線長(zhǎng)度 Wk2=41.45041(mm) 　　齒頂高系數(shù) ha*=1.00 　　頂隙系數(shù) c*=0.25 　　壓力角 α*=20(度) 　　端面齒頂高系數(shù) ha*t=1.00000 　　端面頂隙系數(shù) c*t=0.25000 　　端面壓力角 α*t=20.0000000(度) 　　端面嚙合角 αt=20.0000001(度) 七、檢查項(xiàng)目參數(shù) 　　齒輪1齒距累積公差 Fp1=0.05981 　　齒輪1齒圈徑向跳動(dòng)公差 Fr1=0.04475 　　齒輪1公法線長(zhǎng)度變動(dòng)公差 Fw1=0.03983 　

64、　齒輪1齒距極限偏差 fpt()1=0.02211 　　齒輪1齒形公差 ff1=0.01594 　　齒輪1一齒切向綜合公差 fi1=0.02283 　　齒輪1一齒徑向綜合公差 fi1=0.03120 　　齒輪1齒向公差 Fβ1=0.02000 　　齒輪1切向綜合公差 Fi1=0.07575 　　齒輪1徑向綜合公差 Fi1=0.06265 齒輪1基節(jié)極限偏差 fpb()1=0.02078 　　齒輪1螺旋線波度公差 ffβ1=0.02283 　　齒輪1軸向齒距極限偏差 Fpx()1=0.02000 　　齒輪1齒向公差 Fb1=0.02000 　　齒輪1x方向軸向平行度公差 f

65、x1=0.02000 　　齒輪1y方向軸向平行度公差 fy1=0.01000 　　齒輪1齒厚上偏差 Eup1=-0.08844 　　齒輪1齒厚下偏差 Edn1=-0.35375 　　齒輪2齒距累積公差 Fp2=0.07941 　　齒輪2齒圈徑向跳動(dòng)公差 Fr2=0.05241 　　齒輪2公法線長(zhǎng)度變動(dòng)公差 Fw2=0.04515 　　齒輪2齒距極限偏差 fpt()2=0.02309 　　齒輪2齒形公差 ff2=0.01708 　　齒輪2一齒切向綜合公差 fi2=0.02410 　　齒輪2一齒徑向綜合公差 fi2=0.03260 　　齒輪2齒向公差 Fβ2=0.01000

66、 　　齒輪2切向綜合公差 Fi2=0.09649 　　齒輪2徑向綜合公差 Fi2=0.07337 　　齒輪2基節(jié)極限偏差 fpb()2=0.02169 　　齒輪2螺旋線波度公差 ffβ2=0.02410 　　齒輪2軸向齒距極限偏差 Fpx()2=0.01000 　　齒輪2齒向公差 Fb2=0.01000 　　齒輪2x方向軸向平行度公差 fx2=0.01000 　　齒輪2y方向軸向平行度公差 fy2=0.00500 　　齒輪2齒厚上偏差 Eup2=-0.09235 　　齒輪2齒厚下偏差 Edn2=-0.36939 　　中心距極限偏差 fa()=0.02355 八、強(qiáng)度校核數(shù)據(jù) 　　齒輪1接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力 σHlim1=719.4(MPa) 齒輪1抗彎疲勞基本值 σFE1=588.8(MPa) 　　齒輪1接觸疲勞強(qiáng)度許用值 [σH]1=813.6(MPa) 　　齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度許用值 [σF]1=1051.4(MPa) 　　齒輪2接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力 σHlim2=550.