工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1前言 1.1工業(yè)機(jī)器人的概念 工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)在三維空間中具有較多自由度， 并能實(shí)現(xiàn)較多擬人動(dòng)作和 功能的機(jī)器，而工業(yè)工業(yè)機(jī)器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人。 美國(guó)工業(yè) 機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)提出的工業(yè)工業(yè)機(jī)器人定義為： “工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程 和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)”。英國(guó)和日本工業(yè)機(jī)器人協(xié) 會(huì)也采用了類(lèi)似的定義。我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T12643-90將工業(yè)工業(yè)機(jī)器人定義 為：“工業(yè)機(jī)器人是一種能自動(dòng)定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度 的操作機(jī)。能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)” 。而將操作機(jī)定 義為：“具有和

2、人手臂相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī) 械裝置”。 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)一般由操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元、控制裝置和為使工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行 作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。 1.1.1操作機(jī) 操作機(jī)是工業(yè)機(jī)器人完成作業(yè)的實(shí)體，它具有和人手臂相似的動(dòng)作功能。通 常由下列部分組成： a. 末端執(zhí)行器 又稱(chēng)手部，是工業(yè)機(jī)器人直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置 夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)工業(yè)機(jī)器人直接與工作對(duì)象接觸以完成作業(yè)的 機(jī)構(gòu)。 b. 手腕 是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來(lái)確定和改變末端 執(zhí)行器的方位和擴(kuò)大手臂的動(dòng)作范圍，一般有 2?3個(gè)回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí) 行器的姿態(tài)。有些專(zhuān)用工業(yè)

3、機(jī)器人可以沒(méi)有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂 的端部。 c. 手臂 它由工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成， 是用于支承和調(diào) 整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時(shí)包括肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)，即手臂與手臂 間。手臂與機(jī)座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴(kuò)大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運(yùn)動(dòng)范 圍。 d. 機(jī)座 有時(shí)稱(chēng)為立柱，是工業(yè)工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中相對(duì)固定并承受相應(yīng)的 力的基礎(chǔ)部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿?dòng)式兩類(lèi)。 1.1.2驅(qū)動(dòng)單元 它是由驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)單元等組成的部件，是用來(lái)為操作機(jī)各部件提供動(dòng)力和 運(yùn)動(dòng)的裝置。 1.1.3控制裝置 它是由人對(duì)工業(yè)機(jī)器人的啟動(dòng)、停機(jī)及示教進(jìn)行操作的一種裝置，它指揮工 業(yè)機(jī)

4、器人按規(guī)定的要求動(dòng)作。 1.1.4人工智能系統(tǒng) 它由兩部分組成，一部分是感覺(jué)系統(tǒng)，另一部分為決策-規(guī)劃智能系統(tǒng)。 1.2題目來(lái)源 本題設(shè)計(jì)的是關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)，主要是整體方案設(shè)計(jì)和手腕的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)及其零件設(shè)計(jì)。此課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際。對(duì)于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， 因此采用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，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(guò)程自動(dòng) 化、改善勞動(dòng)條件。 1.3技術(shù)要求 根據(jù)設(shè)計(jì)要達(dá)到以下要求 a. 工作可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； b. 裝卸方便，便于維修、調(diào)整； c. 盡量使用通用件，以便降低制造成本。

5、1.4本題要解決的主要問(wèn)題及設(shè)計(jì)總體思路 本題要解決的問(wèn)題有以下三個(gè)： a. 手腕處于手臂末端，需減輕手臂的載荷，力求手腕部件的結(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(wèn)題有了以下設(shè)計(jì)思路： a. 腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置采用分離傳動(dòng)，將 3個(gè)驅(qū)動(dòng)器安置在小臂的后端。 b. 提高傳動(dòng)的剛度，盡量減少機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)誤差， 對(duì) 于分離傳動(dòng)采用傳動(dòng)軸。 c. 驅(qū)動(dòng)電機(jī)1經(jīng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)一對(duì)圓柱齒輪和一對(duì)圓錐齒輪帶動(dòng)手腕在小臂 殼體上作偏擺運(yùn)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)，實(shí) 現(xiàn)手腕的上下擺動(dòng)。電機(jī)3經(jīng)

6、傳動(dòng)軸和兩對(duì)圓錐齒輪帶動(dòng)軸回轉(zhuǎn)， 實(shí)現(xiàn)手腕上機(jī) 械接口的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r 2.1研究現(xiàn)狀 從工業(yè)機(jī)器人誕生到本世紀(jì)80年代初，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期緩 慢的發(fā)展過(guò)程。至V 90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速 發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。 除了工業(yè)工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高之 外，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。 下面將按工業(yè) 工業(yè)機(jī)器人和先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人兩條技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)分述工業(yè)機(jī)器人的最新進(jìn)展情 況。 2.1.1工業(yè)工業(yè)機(jī)器人 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是以機(jī)械、電機(jī)、電子計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等學(xué)科領(lǐng)域的 技術(shù)為基礎(chǔ)融合

7、而成的一種系統(tǒng)技術(shù)。 a. 工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)：通過(guò)有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì) 方法的運(yùn)用，工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以德國(guó) KUK公司為代表的 工業(yè)機(jī)器人公司，已將工業(yè)機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)， 拓展了工 業(yè)機(jī)器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了工業(yè)機(jī)器人的性 能。此外采用先進(jìn)的RV減速器及交流伺服電機(jī)，使工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)幾乎成為 免維護(hù)系統(tǒng)。 b. 并聯(lián)工業(yè)機(jī)器人：采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè) 量及加工，這是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展， 為將來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人和數(shù) 控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMA公司，日本

8、FANU（等公司已開(kāi)發(fā)出了此 類(lèi)產(chǎn)品。 c. 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過(guò)去控制標(biāo)準(zhǔn)的 6軸工業(yè) 機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。 人機(jī)界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問(wèn)世。編程方式仍以示教編程為主， 但在某些領(lǐng)域的離線(xiàn)編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。 d. 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺(jué)傳感器和力傳感器在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中已 得到成功應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上物體的自動(dòng)定位以及精 密裝配作業(yè)等，大大提高了工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。日本 KAWASAKIYASKAWAFANU（和瑞典ABB德國(guó)KUKA REIS等公司皆推

9、出了此類(lèi) 產(chǎn)品。 e. 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAW和德國(guó)KUKA公司的最新工業(yè)機(jī)器人控制器 已實(shí)現(xiàn)了與Canbus Profibus總線(xiàn)及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使工業(yè)機(jī)器人由過(guò)去的 獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使工業(yè)機(jī)器人由過(guò)去的專(zhuān)用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn) 化設(shè)備發(fā)展。 f. 可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使工業(yè) 機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過(guò)去工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性 MTBL般為 幾千小時(shí)，而現(xiàn)在已達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)，幾乎可以滿(mǎn)足任何場(chǎng)合的需求。 2.2.2先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人 近年來(lái)，人類(lèi)的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造 領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開(kāi)發(fā)、

10、宇宙探測(cè)、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè)等 行業(yè)都提出了自動(dòng)化和工業(yè)機(jī)器人化的要求。 這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特 點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性， 因而對(duì)工業(yè)機(jī)器人的要求更高，需要工業(yè) 機(jī)器人具有行走功能，對(duì)外 感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是工業(yè)機(jī)器 人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 a. 水下工業(yè)機(jī)器人：美國(guó)的AUSS俄羅斯的MT-88法國(guó)的EPAVLAR等水 下工業(yè)機(jī)器人已用于海洋石油開(kāi)采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電 纜敷設(shè)和維護(hù)、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下工業(yè)機(jī)器人( remote operated vehicle )和無(wú)纜水下工業(yè)機(jī)器人( au

11、tonomous under water vehicle ) 兩大類(lèi)。 b. 空間工業(yè)機(jī)器人：空間工業(yè)機(jī)器人一直是先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的重要研究領(lǐng) 域。目前美、俄、加拿大等國(guó)已研制出各種空間工業(yè)機(jī)器人。如美國(guó) NASA勺空 間工業(yè)機(jī)器人Sojanor等。Sljanor是一輛自主移動(dòng)車(chē)，重量為11.5kg，尺寸 630~48mm有6個(gè)車(chē)輪，它在火星上的成功應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān) 注。 c. 核工業(yè)用工業(yè)機(jī)器人：國(guó)外的研究主要集中在機(jī)構(gòu)靈巧，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠、 反應(yīng)快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主 移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國(guó) ORM基于工業(yè)機(jī)器人的放

12、射性?xún)?chǔ) 罐清理系統(tǒng)、反應(yīng)堆用雙臂操作器，加拿來(lái)大研制成功的輻射監(jiān)測(cè)與故障診斷系 統(tǒng)，德國(guó)的C7靈巧手等 d. 地下工業(yè)機(jī)器人：地下工業(yè)機(jī)器人主要包括采掘工業(yè)機(jī)器人和地下管道 檢修工業(yè)機(jī)器人兩大類(lèi)。主要研究?jī)?nèi)容為：機(jī)械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位 系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達(dá)國(guó)家已研制出了地下 管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的工業(yè)機(jī)器人， 各種采工業(yè)機(jī)器人及自動(dòng) 化系統(tǒng)正在研制中。 e. 醫(yī)用工業(yè)機(jī)器人： 醫(yī)用工業(yè)機(jī)器人的主要研究?jī)?nèi)容包括： 醫(yī)療外科手術(shù) 的規(guī)劃與仿真、工業(yè)機(jī)器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場(chǎng)感外科手術(shù)等。 美國(guó)已開(kāi)展臨場(chǎng)感外科(telepre

13、senee surgery )的研究，用于戰(zhàn)場(chǎng)模擬、手術(shù) 培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。法、英、意、德等國(guó)家聯(lián)合開(kāi)展了圖像引導(dǎo)型矯形外科 (telematics )計(jì)劃、袖珍工業(yè)機(jī)器人(biomed)計(jì)劃以及用于外科手術(shù)的機(jī)電 手術(shù)工具等項(xiàng)目的研究，并已取得一些卓有成效的結(jié)果。 f. 建筑工業(yè)機(jī)器人：日本已研制出20多種建筑工業(yè)機(jī)器人。如高層建筑抹 灰工業(yè)機(jī)器人、預(yù)制件安裝工業(yè)機(jī)器人、室內(nèi)裝修工業(yè)機(jī)器人、地面拋光工業(yè)機(jī) 器人、擦玻璃工業(yè)機(jī)器人等，并已實(shí)際應(yīng)用。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工 學(xué)院等都在進(jìn)行管道挖掘和埋設(shè)工業(yè)機(jī)器人、內(nèi)墻安裝工業(yè)機(jī)器人等型號(hào)的研 制、并開(kāi)展了傳感器、移動(dòng)技術(shù)和系統(tǒng)自動(dòng)化

14、施工方法等基礎(chǔ)研究。英、德、法 等國(guó)也在開(kāi)展這方面的研究。 g. 軍用工業(yè)機(jī)器人：近年來(lái)，美、英、法、德等國(guó)已研制出第二代軍用智 能工業(yè)機(jī)器人。其特點(diǎn)是采用自主控制方式，能完成偵察、 作戰(zhàn)和后勤支援等任 務(wù)，在戰(zhàn)場(chǎng)上具有看、嗅和觸摸能力，能夠自動(dòng)跟蹤地形和選擇道路，并且具有 自動(dòng)搜索、識(shí)別和消滅敵方目標(biāo)的功能。如美國(guó)的 Navplab自主導(dǎo)航車(chē)、SSV半 自主地面戰(zhàn)車(chē)，法國(guó)的自主式快速運(yùn)動(dòng) 偵察車(chē)(DARD)，德國(guó)MV4爆炸物處理 工業(yè)機(jī)器人等。目前美國(guó)ORN正在研制和開(kāi)發(fā)Abrams坦克、愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈裝電池 用工業(yè)機(jī)器人等各種用途的軍用工業(yè)機(jī)器人。 可以預(yù)見(jiàn)，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器

15、人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人類(lèi)生活的各個(gè) 領(lǐng)域，成為人類(lèi)良好的助手和親密的伙伴。 2.2發(fā)展趨勢(shì) 目前國(guó)際工業(yè)機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人共性技術(shù)的研 究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究?jī)?nèi)容集中在以下 10個(gè)方面： a. 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材 料，進(jìn)一步提高負(fù)載?自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 b. 工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開(kāi)放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更 加友好，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。工業(yè)機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò) 化，以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線(xiàn) 編程的可操作性之外，

16、離線(xiàn)編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。 c. 多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高工業(yè)機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的 使用是其問(wèn)題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別 是在非線(xiàn)性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。 另一問(wèn)題就是 傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。 d. 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，二者正朝著一體化方向發(fā) 展。 e. 工業(yè)機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，工業(yè)機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多工業(yè)機(jī) 器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人遙控系統(tǒng)， 在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。 f. 虛擬工業(yè)機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及

17、臨場(chǎng)感技 術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。 g. 多智能體(multi-age nt)調(diào)控制技術(shù)：這是目前工業(yè)機(jī)器人研究的一個(gè) 嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理， 感知與 學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。 h. 微型和微小工業(yè)機(jī)器人技術(shù)（micro/miniature robotics）:這是工業(yè)機(jī)器人 研究的一個(gè)新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過(guò)去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該 領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì)引起工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命， 并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類(lèi) 活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、

18、運(yùn)動(dòng)方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。 我國(guó)對(duì)此進(jìn)行了深入的研究。徐衛(wèi)平和張玉茹發(fā)表的《六自由度微動(dòng)機(jī)構(gòu)的 運(yùn)動(dòng)分析》對(duì)六自由度微動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了位移分析并為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了計(jì)算依 據(jù)。還有劉辛軍、高峰和汪勁松發(fā)表的《并聯(lián)六自由度微動(dòng)工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè) 計(jì)方法》研究了微動(dòng)工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法， 建立了并聯(lián)六自由度微動(dòng)工業(yè) 機(jī)器人的空間模型，并分析了該微動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的空間模型， 并分析了該微動(dòng)工 業(yè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)尺寸與各向同性、剛度等性能指標(biāo)的關(guān)系得到了一系列性能圖 譜，從各圖譜中可以看出各項(xiàng)性能指標(biāo)在空間模型設(shè)計(jì)參數(shù)空間中的分布規(guī)律， 這有助于設(shè)計(jì)者根據(jù)性能指標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)該微

19、動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)尺寸， 是探討微動(dòng) 工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效分析工具。 第二章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1夾持式手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指（或手爪）和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較 多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 3.1.1手指的形狀和分類(lèi) 夾持式是最常見(jiàn)的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式 ：按 手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式（或內(nèi)漲式）和外夾式兩種：按模仿人手手 指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型 （或稱(chēng)直進(jìn)型）， 其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。 當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離 縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支

20、點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指；同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的 手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型。回轉(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指 夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 3.1.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 （一）具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中 所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 （二） 手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角 兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的開(kāi)閉角。 手指的 開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，若夾持不同直徑的工件

21、，應(yīng)按最大直徑 的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開(kāi)閉幅度的要求。 （三） 保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置， 必須根據(jù)被抓取工件的形狀， 選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“ V形面的手指，以便自動(dòng)定 心。 （四） 具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生 的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng) 盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)上，以使手 腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 （五） 考慮被抓取對(duì)象的要求 根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過(guò)比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一

22、支 點(diǎn)，兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成 V型，其結(jié)構(gòu)如附 圖所示。 3.1.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示： 圖3-1齒輪齒條式手部 其工件重量G=5公斤， V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為 (1) 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為: 2b R (2) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式: N = 0.5tg (q - j ) =0.55 tg(60 - 5o 42) =25( N ) 所以 1、因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取h =0.94，并取K =1.5。若被抓取工 件的最大加

23、速度取a = 3g時(shí), 所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為1563 N 2、氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出 推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為： Fi pD 2 P 4 式中：Fi -活塞桿上 Gf = Gdi4 3_ 8Di n 式中：G f-彈簧剛度，N/m 1-彈簧預(yù)壓縮量，m s-活塞行程，m di-彈簧鋼絲直徑，m D1-彈簧平均直徑，. n-彈簧有效圈數(shù). G -彈簧材料剪切模量，一般取 G = 79.4109 Pa 在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率h的影

24、響，則: F1 pD 2 ph 4 Ft 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 4(Fi + Ft ) V pph 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 4 4 Gf Gdi = 79.4 109 (3.5 10-3 ) 8D1 3n 8 ( 30 10 - 3 ) 3 15 = 3677.46( N/ m) Ft =G f(1 + s) d = 18mm 校核，按公式 R/(p /4d 2 ) [s ] =3677.466010- 3 =220.6( N) 有：d 3 (4F1/p[s ]) 05 其中，[S ] = 120MPa , F1 = 750N

25、 貝則：d 3 (4490/ p 120)0.5 =2.28 18 滿(mǎn)足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。 3、缸筒壁厚的設(shè)計(jì) 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之 比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算： d = DPp/2[s ] 式中:6-缸筒壁厚，mm D -氣缸內(nèi)徑，mm Pp -實(shí)驗(yàn)壓力，取Pp = 1.5P , Pa 材料為:ZL3,[ s ]=3MPa 第四章手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而 它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與 機(jī)械手

26、的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。 由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞 X軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿(mǎn)足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最 多的為回轉(zhuǎn)油（氣）缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小 于360，并且要求嚴(yán)格的密封。 4.2手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 4.2.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩 必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力 矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中 心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)不重

27、合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。 1.工件2.手部3.手腕 圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài) 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算 M驅(qū)=M慣+ M偏+ M摩+ M封 式中：M驅(qū)-驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩（N ^m ）； M慣-慣性力矩（N cm）; M偏-參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量 （包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片 轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)所產(chǎn)生的偏重力矩（N Cm）. M封-手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩（N Em ）; 下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算： 式中：J -參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （N.c

28、ms2）; Ji-工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（N.cm s2）。 若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Ji為： Ji = J c+ G g 式中：J c -工件對(duì)過(guò)重心軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（N.cm s2）: Gi-工件的重量（N）; ei -工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的偏心距 （cm）, w-手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度（弧度/s）; Dt -起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間（s）; Dj —起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度（弧度）。 2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)所產(chǎn)生的偏重力矩 M偏 M 偏二 Ge +Gse3 （; f -摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承f = 0.01，對(duì)于滑動(dòng)軸承f =0.1;

29、 Ra , Rb -處的支承反力（N），可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解， 根據(jù)？ M a（F） = 0,得： RB l + G3I3 = G2I 2 + G1 l Rb = Gili + G2l 2 - G3 l 3 同理，根據(jù)？ Mb （F） = 0,得: Ra = Gi(l + li) + G 2(l + I 2 ) + G3 (I - I3 ) 式中：G2 -的重量(N) l,h ,12」3,—如圖4-1所示的長(zhǎng)度尺寸(cm). 4、轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 卜封，與選用的 密襯裝置的類(lèi)型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。

30、 4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理 如圖4-2所示，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片封圈4把氣腔分 隔成兩個(gè)?當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣 從b孔排出。反之，輸出軸作順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力 P驅(qū)動(dòng)力矩M勺 關(guān)系為： 423手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 1. 尺寸設(shè)計(jì) 氣缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為b = 100mm ,氣缸內(nèi)徑為D1 =96mm半徑R = 48mm ,軸徑 D2 = 26mm D2 =26mm半徑R = 13mm ,氣缸運(yùn)行角速度 w =90o / s，加速度時(shí)間

31、 Dt=0.1s, 壓強(qiáng) P = 0.4MPa , 則力矩： 2.尺寸校核 (1) 測(cè)定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量 ml = 10kg ,分析部件的質(zhì)量分布情況, 質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑r = 50 mm的圓盤(pán)上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 2 gr J = 2 =10 / 0.052 2 2 =0.0125 ( kg.m) 工件的質(zhì)量為5 kg ,質(zhì)量分布于長(zhǎng)I二100mm的棒料上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: ml 12 12 =0 .0042 ( kg .m 2 ) 假如工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)不重合，對(duì)于長(zhǎng) 丨二100mm的棒料來(lái)說(shuō)，最大偏心距 ei = 50mm，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

32、： 2 J = Jc + m1el =0.0042+ 50.052 =0.0167( kg.m2 ) (2) 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)所產(chǎn)生的偏重力矩為 M偏，考慮手 腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重心 與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)重合，e = 0，夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn) e3 = 50mm , 則： M 偏二 G +Gse3 =10 10 0 + 510 0.05 =2.5(N.m) (3) 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 M摩，對(duì)于滾動(dòng)軸承f = 0.01，對(duì)于 滑動(dòng)軸承f =0.1 , di , d2為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑，di = 30mm , d? = 20mm, Ra

33、 , Rb為軸頸處的支承反力，粗略估計(jì) Ra = 300N , Rb = 150N , M 摩=2 ( RAd 2 + RB di ) =001 (300 0.02 + 150 0.03) =0.05( N.m) 4?回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 M封，與選用 的密襯裝置的類(lèi)型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計(jì) M封為M摩的3 倍， M封=3 M摩 =3 0.05 =0.15( N.m) \ M 驅(qū)=M 慣 + M 偏 + M 摩 + M 封 =29(N.m) M〈 M 設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全 第三章吸漿管與排漿管的選擇與直徑計(jì)

34、算 3.1吸漿管直徑計(jì)算 ‘ 1/2 1/2 dx=(4Q/nvx) =[4 X 90.90/ (3.14 X 13X 60) ] =0.180mm 取 0 20mm 式中：v X—液流在吸入管中的流速 取VX=1.3 m/S=13 dm/S Q‘ 一計(jì)算流量 Q= Q/n V=75/0.825=90.90L/min 3.2排漿管直徑計(jì)算 ‘ 1/2 1/2 dp= (4Q/nvp) = (4X 90.90/ (3.14 X 20X 60) ) =0.272mm 取 0 30mm 式中：v p—液流在排水管中的流速 取Vp=2m/S=20 dm/S 3.3漿管的選擇 根據(jù)

35、工作壓力和按上式求得的管子的內(nèi)徑， 選擇膠管的尺寸規(guī)格。 對(duì)于頻繁，經(jīng)常扭者 要降低40%膠管在使用及設(shè)計(jì)中應(yīng)注意下列事項(xiàng)： （1） 膠管的彎曲半徑不宜過(guò)小， 膠管與管接頭的連接處應(yīng)留有一段直的部分， 此段長(zhǎng) 度不應(yīng)小于關(guān)外半徑的兩倍。 （2） 膠管的長(zhǎng)度應(yīng)考慮到膠管在通入壓力液后，長(zhǎng)度方向?qū)l(fā)生收縮變形，一般收縮 量為管長(zhǎng)的3-4%。因此，膠管安裝時(shí)應(yīng)避免處于拉緊狀態(tài)。 （3） 膠管在安裝時(shí)應(yīng)保證不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，為了便于安裝，可沿管長(zhǎng)涂以色紋，以便 檢查。 （4） 膠管的管接頭軸線(xiàn)，應(yīng)盡量放置在運(yùn)動(dòng)的平面內(nèi)，避免兩端互相運(yùn)動(dòng)時(shí)膠管收扭。 （5） 膠管應(yīng)避免與機(jī)械上尖角部分相接

36、觸和摩擦，以免管子損壞。 第四章 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人零件選擇及其強(qiáng)度的計(jì)算 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人零件強(qiáng)度的計(jì)算是按皮帶傳動(dòng)，電機(jī)功率 5.5KW,工業(yè)工業(yè)機(jī)器人的額 定壓力P=3500N/cmf ，流量q二75cm3/ min，柱塞D=8 0mm來(lái)進(jìn)行的。 4.1機(jī)架 機(jī)架是由8#槽鋼、平墊板、撐管、加固筋等結(jié)構(gòu)件焊接而成。 4.2工業(yè)工業(yè)機(jī)器人體 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人體可實(shí)現(xiàn)吸、排水泥漿功能。工業(yè)工業(yè)機(jī)器人體由主軸、偏心套、連桿、 滑套、十子頭、活塞銷(xiāo)等組成。 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人頭由拉桿、柱塞、漿缸、閥座、閥蓋、球閥、進(jìn)漿室、排漿室、進(jìn)漿膠 管接頭、空氣室等組成。 行星軸和主軸均安有圓錐滾子軸

37、承，既能承受向心力又能承受斜齒輪產(chǎn)生的軸向分力， 有較高的抗彎強(qiáng)度。柱塞和拉桿都采用兩道 C形滑環(huán)組合密封，能承受高壓，高溫度2500c , 低溫-100 C,耐磨，自潤(rùn)滑，適用于水、水泥漿、砂漿、礦物油、酸、堿等各類(lèi)介質(zhì)。柱 塞通過(guò)一套冷卻裝置降低溫升， 只需要把膠皮水管一端接近直通管接頭， 冷卻水即可進(jìn)入冷 卻水管，冷卻拉桿、柱塞。 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人的進(jìn)口為 f 25mm，設(shè)置在進(jìn)漿室的右側(cè)、內(nèi)孔為 f 50mm，有膠管一 端接進(jìn)漿膠管接頭，另一端接水泥漿攪拌桶出口。 攪拌機(jī)的出漿口必須高于或等于進(jìn)漿膠管 接頭孔的高度，使?jié){涂順利的被工業(yè)工業(yè)機(jī)器人吸入。 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人的出口為 f 3

38、0mm ,纖維編織兩層高壓膠管制 25mm ,接排漿室膠管接 頭。 4.3連桿十字頭連接處銷(xiāo)子強(qiáng)度的計(jì)算 銷(xiāo)的類(lèi)型可根據(jù)工作要求選定，用于聯(lián)結(jié)的銷(xiāo)，其直徑可根據(jù)聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)按經(jīng)驗(yàn)確 定，必要時(shí)再作強(qiáng)度較核。 定位銷(xiāo)通常不受載荷或只受很小的載荷， 數(shù)目不能少于兩個(gè)。銷(xiāo)在每一個(gè)被聯(lián)結(jié)的件內(nèi) 的長(zhǎng)度約為銷(xiāo)直徑的1-2倍，定位銷(xiāo)的材料通常選 35、45鋼，并進(jìn)行硬化處理，根據(jù)工作 需要也可以選用 30CrMnSiA 1Cr13、2Cr13、H62和1Cr18Ni9Ti等材料；彈性圓柱銷(xiāo)多采用 65Mn其槽口位置不應(yīng)裝在銷(xiāo)子受壓的一面，要在裝配圖上表示出槽口的方向。 設(shè)計(jì)安全銷(xiāo)時(shí)，應(yīng)考

39、慮銷(xiāo)剪斷后要不易飛出和要易于更換。安全銷(xiāo)的材料可選用 35、 45、50鋼或T8A T10A等，熱處理后硬度為 30-36HRC銷(xiāo)套材料可選用 45鋼、35SiMn 40Cr 等，熱處理后的硬度為 40-50HRC安全銷(xiāo)的直徑應(yīng)按銷(xiāo)的抗剪強(qiáng)度t b進(jìn)行計(jì)算，一般可取 T b = ( 0.6-0.7 ) (T b。 根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，選擇 45鋼d=16mml的圓柱銷(xiāo)。 號(hào)鋼 材料：45 機(jī)械性能： 2 t s=36000N/cm t b=61000N/ cm 2 2 [t ]= t s/1.5=24000N/ cm 外加負(fù)荷 P=n D2P/4= nx 5.5 22

40、00/4=4749.25N 各支點(diǎn)反力Fa Fb 刀Z=0 Fa+ F B= P=4749.25N 刀Ma=O 18 P — 36 F b=0 解得: Fb=2374.625N Fa =2374.625N 各支點(diǎn)彎矩如圖4.1 MA=M=O M=18FA=4274.3N.cm (4)按彎曲強(qiáng)度計(jì)算 從圖4.1的彎矩圖可知危險(xiǎn)短面為 C處截面，截面C處的抗彎摸量 W W=0.1cf =0.1 x 1.6 3=0.41 cm 3 截面C處的彎曲應(yīng)力T W t w=MC/W=4274.3/0.41=10425 N/ cm 安全系數(shù)n 2 n=[ t ]/ t w

41、=24000/10425=2.3 安全 剪應(yīng)力t 2 2 =Q/F=2374.625X4/1.6 n =1182 N/ cm (5)按剪切強(qiáng)度計(jì)算 由于此銷(xiāo)為雙剪切 故剪力 Q=P/2=2374.625N 安全系數(shù) n=[ t ]/ t =8150/1182=6.9 安全 式中：[t ]—許用剪應(yīng)力[t ]=8150 N/ cm 2 (6)按擠壓強(qiáng)度計(jì)算 擠壓應(yīng)力 b jyP/Fjy=4749.25/1.6X2.4=1237 N/ cm 安全系數(shù) n = [ b jy]

42、/ b jy=5100/1237=4.12 安全 2 圖4.1彎矩圖 式中：[b jy]—擠壓剪應(yīng)力[b jy]=5100 N/ cm 綜上所敘連桿小頭銷(xiāo)子直徑為 16mnt滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。 4.4柱塞上螺紋強(qiáng)度計(jì)算 4.4.1螺紋的選擇和強(qiáng)度校核 螺紋強(qiáng)度校核是假定螺紋只沿螺紋中徑傳力， 而不受徑向力的影響。而且只 有半數(shù)螺紋參加工作，螺紋工作圈數(shù)之間載荷均勻分配，內(nèi)螺紋之間沒(méi)有間隙。 此外，本柱塞螺紋是當(dāng)作松聯(lián)接，及受剪切載荷作用的聯(lián)接來(lái)計(jì)算的。 圖4.2螺紋計(jì)算簡(jiǎn)圖 材料：45號(hào)鋼 機(jī)械性能: er s=36000 N/ cm o- b=61000 N/ c

43、m o- s /1.5=24000 N/ cm 計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4.2 主要尺寸 公稱(chēng)尺寸d =2 cm 內(nèi)徑 d 1= 1.7835 cm 螺 距s=0.2 工作高度 h=0.10825 螺紋梯形寬度b=2htg30 0 =0.15 旋上差寬1=2.2 cm 旋入等容 Z =2.2/0.2=11 (1) 按彎曲強(qiáng)度計(jì)算 彎曲應(yīng)力： b =2M/2W=2X257/11X0.021=2225 N/ cm 式中：M—彎矩 M=h P /2=0.10825 X 4749.25/2=257 N. cm W——圈的抗彎摸量 2 /6=0.021 cm 2 Wnd 1b /

44、6= n 1.7835 X 0.15 安全系數(shù) n= [ b ] / b =24000/2225=10.7 (2) 按剪切強(qiáng)度計(jì)算 剪切應(yīng)力： t =2Q/ (ZF t) =2X 4749.25/ (11X 0.84 ) =1028N/cm 式中：Ft——圈的剪切面積 Ft = nd 1b=3.14 X 1.7835 X 0.15=0.84 cm 安全系數(shù) n= [ t ] / t =72000/1028=7 式中：[t ]—許用剪切應(yīng)力 2 [t ]= b s/5=36000/5=7200 N/ cm (3) 按擠壓強(qiáng)度計(jì)算 式中： F jy—一圈的擠壓面積 Fj

45、y= n 擠壓應(yīng)力 b jy =2Q/ (ZFjy) =2X 4749.25/ (11X 0.643) =1343 N/ cm 2 2 2 2 (d — d 1 ) /4= n(2 — 1.7835 ) /4=0.634cm 安全 安全系數(shù) n= [ b jy] / b jy=28800/1343=21.45 [b jy]—許用擠壓應(yīng)力 [b jy]= b s/1.25=36000/1.25=28800 N/ cm 4.4.2螺紋連接的防松方式的選擇 連接螺紋通常均能滿(mǎn)足自鎖條件 （QVp）,且擰緊后螺母和螺栓頭部支撐面存在著 摩擦力。因此，在靜載荷且工作溫度變化不大時(shí)，可

46、保證連接自鎖而不松退。但在沖擊、 振動(dòng)或變載荷的作用下，或在高溫、溫度變化較大的情況下，仍會(huì)出現(xiàn)聯(lián)結(jié)松動(dòng)甚至松 退，使機(jī)器不能正常工作甚至造成嚴(yán)重事故。因此，對(duì)螺紋聯(lián)結(jié)必須采取有效的防松措 施，以保證正常的工作。 按防松原理，螺紋聯(lián)結(jié)的防松方法可分為摩擦防松、機(jī)械防松和破壞螺紋副防松等 幾種。 根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，選擇摩擦防松中的防松螺母來(lái)擰緊防松。此處用 GB/T6170-2000六角頭防松螺母瑣定于被聯(lián)結(jié)件上，防松可靠。 4.5工業(yè)工業(yè)機(jī)器人體壁厚強(qiáng)度計(jì)算和選擇 材料：蠕墨鑄鐵 機(jī)械性能： 2 d b=330 N/ cm 2 d s=230 N/ cm 許用安全系

47、數(shù)[S]=2 — 3.5 取[S] =3.5 則[d ]= d /[S ]=23000/3.5=6571.429 N/ cm 2 實(shí)際壁厚3 =8 mm=0.8cm (1) 按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 3 = r i P/([ d ] - 0.6p)+C=200 X 2/(6571.43-0.6 X 200)+0.8 =0.662cm<0.8 cm 式中：r 1_缸的內(nèi)半徑r1=2 cm 0考慮腐蝕和鑄造偏心的壁厚附加量 C=0.1— 0.8 cm 取 C=0.4 cm (2) 按承壓強(qiáng)度計(jì)算 1/2 3 =0.5D{[ (d +0.4P) / (d — 1.3P) ] — 1}+a

48、 1/2 3 =0.8 X 4{[ (d +0.4 X 200) / (d — 1.32 X 200) ] —1}+0.4 解得 d =1960 N/ cm 2 式中：D—工業(yè)工業(yè)機(jī)器人體最大內(nèi)徑 a—考慮腐蝕和鑄造偏心的壁厚 附加量 a=0.4 cm 安全系數(shù) n= [ d ] / d =657143/1960=3.35 <[n]=3.5 所以此壁厚安全。 4.6空氣室容積及強(qiáng)度計(jì)算和選擇 空氣室位于排漿室的始端，當(dāng)排漿量增大時(shí)，空氣室中空氣受到壓縮，而當(dāng)排漿量減少 時(shí)，空氣膨脹，由于空氣室中空氣體積的改變，空氣壓力也隨之改變，影響水泥漿自空氣室 跑出的快慢，迫使排漿均勻。

49、 (1) 空氣室容積計(jì)算 2 V=1.5nBP aSD s/(4P 0 3 p) =(1.5 X 3.14 X 0.009 X 200X 42 X 3) / (4X 10X 0.04 ) =801.44cm 圖4.3空氣室 式中： P“v —平均壓力 P“v =200N/ cm 2 Po —空氣室未工作時(shí)的壓力 2 F0=10N/cm S—柱塞行程S=50mm 剩余液量B =0.009 S f —壓力不均勻系數(shù)，取3 f=0.04 ⑵實(shí)際容積Vs 2

50、3 Vs= n d L/4+4 n r /3 2 3 =nX 9 X 10/4+4 XnX 4.5 /3 3 3 =1017.36 cm > 801.44 cm 即空氣室的容積合適 (3) 強(qiáng)度計(jì)算 材料:蠕墨鑄鐵 實(shí)際厚度：S =0.8 cm 按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 S =Fy /([ 0 卜0.6P)+C =200X 2/(6571.429-0.6 X 200)+0.4 =0.43 cm v 0.8 cm 按承壓強(qiáng)度計(jì)算 S =0.5d ( d +0.4P Vd - 1.3P -1) +2 S =0.5 X 9 ( d +0.4200 ■ d - 1.3

51、 200 -1 +2 2 解得S =1478N/cm 安全系數(shù) n=[ S ]/ S =6571.429/1478=4.446 故取3 =0.8cm是可以的。 4.7減速器的選擇和計(jì)算 減速器是指原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，用來(lái)降低轉(zhuǎn)速并相應(yīng)地增大轉(zhuǎn) 矩。減速器的種類(lèi)很多，這里近討論由齒輪傳動(dòng)、 蝸輪傳動(dòng)以及由它們組成的減速器。如果 按照傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)劃分，這類(lèi)減速器有下述六種： 1齒輪減速器 主要有圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐-圓柱齒輪減速器。 2 ?蝸桿減速器 主要有圓柱蝸桿減速器、環(huán)面蝸桿減速器和蝸桿減速器。 3. 蝸桿-齒輪減速器及齒

52、輪-蝸桿減速器。 4. 行星齒輪減速器 5 ?擺線(xiàn)針輪減速器 6.諧波齒輪減速器 其中，各類(lèi)的減速器還有其各自的特點(diǎn)和應(yīng)用， 圓柱齒輪減速器的應(yīng)用廣泛， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 精度容易保證，齒輪可做成直齒、斜齒或人字齒?？捎糜诘退僦剌d，也可用于高速傳動(dòng)。圓 錐-圓柱齒輪減速器可制成直齒、斜齒或曲線(xiàn)齒。適用于輸入軸和輸出軸兩軸線(xiàn)垂直相交的 傳動(dòng)中。可為水平式或立式。其制造安裝復(fù)雜，成本高，僅在設(shè)備布置必要時(shí)才采用。蝸桿 -齒輪減速器，當(dāng)蝸桿布置在蝸輪的下邊時(shí)，嚙合處的冷卻和潤(rùn)滑較好，蝸桿軸承潤(rùn)滑也方 便。但當(dāng)蝸桿圓周速度太大時(shí)，油的攪動(dòng)損失較大，一般用于蝸桿圓周速度大于 5m/s。而 當(dāng)蝸桿布

53、置在蝸輪的上邊是，裝拆方便，蝸桿的圓周速度允許高一些，但蝸桿軸承潤(rùn)滑不方 便，當(dāng)蝸桿放在蝸輪側(cè)面， 蝸輪軸應(yīng)是豎直的。 漸開(kāi)線(xiàn)行星齒輪減速器， 其體積小，重量輕, 承載能力大，效率高，傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，工作平穩(wěn)。與普通圓柱齒輪減速器比較，體積 和重量可減少50%右，效率可提高 3%但其制造精度要求較高， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。擺線(xiàn)針輪減速 器，其傳動(dòng)比大，傳動(dòng)效率較高，單級(jí)傳動(dòng)效率為 90%-94%運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低，結(jié)構(gòu)緊湊, 體積小，重量輕。在相同情況下，它的體積和重量約為普通減速器的 50%-80%過(guò)載和耐沖 擊能力較強(qiáng)，故障少，壽命長(zhǎng)。但制造工藝復(fù)雜，需用專(zhuān)用機(jī)床加工，宜專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)。三環(huán) 減

54、速器的結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，傳動(dòng)比大，效率單級(jí)為 92%-98%噪聲低，過(guò)載能力 強(qiáng)，承載能力高，傳遞功率不受限制，輸出轉(zhuǎn)矩高達(dá) 400Kw不用輸出機(jī)構(gòu)，軸承直徑不受 限制。使用壽命長(zhǎng)。零件種類(lèi)少，齒輪精度要求不高，無(wú)特殊材料且不采用特殊加工方法就 能制造，造價(jià)低，適應(yīng)性廣，派生系列多。諧波齒輪減速器的傳動(dòng)比大，范圍寬，元件少， 體積小，重量輕。在相同情況下，比一般齒輪減速器體積和重量減少 20%-25%雙波傳動(dòng)中 在受載時(shí)同時(shí)嚙合齒數(shù)可達(dá)總齒數(shù)的 20%-40%承載能力大，傳動(dòng)效率高。但制造的工藝較 復(fù)雜。 選擇減速器：考慮到此工業(yè)工業(yè)機(jī)器人需經(jīng)常在野外工作，要求利于搬運(yùn)和輸送

55、，因 此其體積應(yīng)該盡量輕便，所以選用行星齒輪減速器，因其可用小的體積，就可完成大 的傳動(dòng)比，可將其置于大皮帶輪的內(nèi)部，使整個(gè)工業(yè)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊，體積輕便。 “丁 丁 IT ― ― 帶體 i 丄 “一！-匚f  圖4.4 1.傳動(dòng)比的分配 因?yàn)殡姍C(jī)軸的轉(zhuǎn)速 門(mén)電=1440r/min，柱塞工業(yè)工業(yè)機(jī)器人往復(fù)次數(shù)為 175次/分，即 n 二 175r / min ， n 電=12.9729 ； n柱 i 帶=2.16， =6； 1. 按照減速器機(jī)械強(qiáng)度限制的承載能力 P1選定; P1c = P1 S A K A =1 x 5.5 X 1.4=7.7Kw

56、 其中，一一為計(jì)算功率（Kw）; ――為使用系數(shù)，考慮使用工況的影響，選取 1; ――為安全系數(shù)，選取 1.4 ; 當(dāng)i=4.5 , n=1440r/min，根據(jù)參考文獻(xiàn) 16查表3-4知NAD2O0 P1c=111.11Kw>7.7Kw。 2. 由于環(huán)境溫度的影響， 應(yīng)驗(yàn)算熱平衡時(shí)臨界功率 pG 1 > pt 1,按已知條件查表2-8、表 2-9、表 3-17、得 f 1=1 , f 2=1，因?yàn)?5.5/111.11=4.9%，用插值法得 f 3=1 P1 p p1t = p1 f 1 f 2 f 3=5.5 X 1 X 1 X 1=5.5Kw 通過(guò)查表 3-15 得

57、pG1=21Kw>5.5Kw. 工作狀態(tài)的熱功率小于減速器熱平衡功率，因此無(wú)需增加冷卻措施。 3. 行星減速器各齒輪參數(shù) 行星減速器選用WW型雙聯(lián)機(jī)構(gòu)，行星輪 n=3, i=6 ; 1）中心輪Z1參數(shù) Z1 =30; m = 3; d1 = f 94.63mm ; B = 24.5mm, X n = - 0.26; b =18; 旋向向左。 2）行星輪z 2參數(shù) Z 2=3; m = 3; d2 = 54mm； B = 24mm； x n = 0.26; b =18 ；旋向向左; a12 = 80.44 0.027 ； 3) 行星輪Z2參數(shù) Z2 @18； m= 3; d

58、 2^= f 94.63mm? B = 20mm? X n =0.8 ； b = 18; 旋向右旋。 a23=80.44 ).027 4.8 V帶傳動(dòng)的計(jì)算 帶傳動(dòng)是由固聯(lián)于主動(dòng)軸上的帶輪、 固聯(lián)于從動(dòng)軸上的帶輪和緊套在兩輪上的傳動(dòng)帶組 成的。當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于帶和帶輪間的摩擦(或嚙合) ，便拖動(dòng)從動(dòng)輪一起 轉(zhuǎn)動(dòng)，并傳動(dòng)一定動(dòng)力。帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、造價(jià)低廉以及緩沖吸振等特點(diǎn)， 所以此次設(shè)計(jì)中選用了帶傳動(dòng)。 在帶傳動(dòng)中，常用的有平帶傳動(dòng)，V帶傳動(dòng)，多楔帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)等。在一般機(jī)械 中，應(yīng)用最廣的是帶傳動(dòng)。V帶傳動(dòng)較其它帶傳動(dòng)能產(chǎn)生更大的摩擦力。這是 V

59、帶傳動(dòng)的主 要優(yōu)點(diǎn)。因此，我選用了 V帶傳動(dòng)。 (1) 計(jì)算功率 P =N=1.1 X 5.5=6.05kw 式中：K g=工作情況系數(shù) Kg = 1.1 (2) 膠帶型號(hào)的選擇 根據(jù) R=6.05kw 及 n1=1440r/mi n 由參考文獻(xiàn)［1］圖8-8選定B型膠帶 (3) 傳動(dòng)比為i=2.16 ; (4) 小帶輪直徑D的確定 根據(jù)參考文獻(xiàn)［1］圖8-8選 d d1=123mm (5) 大帶輪直徑D2的計(jì)算 d d 2=i d d1 ( 1- e ) =2.16 100 (1-0.01 ) =265.74mm 其中，d d1 ――小帶輪直徑(mm ； i ――

60、傳動(dòng)比； e ――彈性滑動(dòng)率； 由表8-9可查得，大帶輪直徑 d d 2為266mm (6) 帶速V V=n dd1 n/(60 X 1000)=3.14 X 100X 1440/ (60X 1000) =7.536m/s 速度在5?25 m/s的范圍內(nèi)，合適 (7) 初定軸間距30 .7( dd1 + dd 2)waow2( dd1 + dd 2) 0.7(123+266) Wa o< 2(123+266) 282.3 Wa oW 778 取 ao=56Omm (8) 初算膠帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度 Lo Lo=2 ao+n(dd 2 + dd1)/2+( dd 2-dd1)/4a

61、0 2 =2X 3oo+n (266+123)/2+(266-123) /(4 X 56。) =6oo+6io.73+9.12 =1219.85mm 選取基準(zhǔn)長(zhǎng)度 Li=125omm 〈查參考文獻(xiàn)［1］表8-2 > (9) 實(shí)際中心距a a=ao+(L p-L o)/2=3oo+(125o-1219.85)/2 =398mm (10) 小帶輪包角a 1 a 1=180o -60X( dd 2- dd1)/a =180O — 60 X (266-123)/398 =143.52 >120 合適 (11) 單根膠帶傳遞的功率 N0 根據(jù)：n 1=1440r/min d

62、d1 =100mm 查得 P0=1.32kw〈查參考文獻(xiàn)［1］表 8-5a > (12) 單根膠帶傳遞功率的增量AP o 根據(jù) i=n 1/n 2=960/255=3.76 m=960r/min 查得AP o=o.15 kw〈查參考文獻(xiàn)［1］表 8-5b > (13) 膠帶根數(shù) Z= 巴 (Po+ dPo ) K a K L = =2.96 (1.32+0.15)0.910.91 取Z=3 式中Ka —包角系數(shù) Ka =o.91Kl〈查參考文獻(xiàn)［1］表8-8 > Kl —長(zhǎng)度系數(shù) Kl =0.91 〈查參考文獻(xiàn)［1］表8-8 > (14) 單根膠帶的預(yù)緊力 Fo F

63、0=500 ( 25 - 1 ) ■Pd+mv2 Ka ZV / 2.5 , 6.05 2 =500 ( 1 ) +0.1 X 7 532 0.91 )57.53 =146.05N 式中：q—皮帶每米長(zhǎng)的重量 q=0.1kg/m〈查參考文獻(xiàn)［1］表 8-4 > (15) 帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸 1. 小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸確定 由所選電機(jī)的類(lèi)型，Y132S-4型三向異步電動(dòng)機(jī)。起軸伸直徑 d=38mm長(zhǎng)度L=88mm 故小帶輪軸孔的直徑應(yīng)取 d 0=38mm轂長(zhǎng)應(yīng)小于 88mm 由表14-18查得，小帶輪應(yīng)為實(shí)心軸。輪槽尺寸及輪寬應(yīng)按表 14-16計(jì)算，可得bd =11mm，

64、 ha =3mm， h f =11mm e=15mm min=10mm，?min =6mm。 B = (z - 1)e + 2 f =80mm> 取j = 38。 2. 大帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸確定 根據(jù)小帶輪尺寸的選定，以及以上關(guān)于帶輪傳動(dòng)的計(jì)算和減速器的結(jié)構(gòu)尺寸，可得, bd =14mm , ha =3mm , hf =15mm , e=19mm, f min =12mm，?min =7.5mm。 B = (z-1)e + 2f =120mm> 取j = 38 4.9軸的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核 材料：40Cr 機(jī)械性能：調(diào)質(zhì)后 2 cr b=7500N/

65、cm (T s=5200 N/ cm E=210 E= 37000N/cm 4.9.1估算軸徑d 1/3 3 3 1/3 d> A ( P/W) =5 X 10- (5.5 X 10 /255) =0.0453m 式中:A—與材料有關(guān)的系數(shù) A =5 X 10-3 考慮開(kāi)鍵槽應(yīng)增大10?15%然后將軸徑圓整，取軸徑 d=48cm 4.9.2軸的受力分析 (1) 由于皮帶傳動(dòng)產(chǎn)生的作用力 Q Q=1781.8N Q=QcosB =1781.8cos19.5 =1679.6N Q=Qsin 0 =1781.8sin19.5 =594.8N (2) 由于缸內(nèi)壓力對(duì)軸的作用

66、假設(shè)條件： (a) 只計(jì)算缸內(nèi)的作用力，其它構(gòu)件的慣性力忽略不計(jì)，因軸的轉(zhuǎn)速較低.. 圖4.5軸受力圖 (b) 由于法向力所引起的產(chǎn)生應(yīng)力，切向力所引起的切向應(yīng)力及起扭轉(zhuǎn) 產(chǎn)生的切應(yīng)力是同時(shí)存在. (c) 偏心裝置上產(chǎn)生的力如圖4.5所示 (d) 切向力T: T=Psin( a +B )/cos B 法向力Z: Z=Pcos(a +B )/cos B 式中： a—偏心角度 B—連桿的偏角 由于缸內(nèi)壓力所引起的連桿偏心機(jī)構(gòu)的力是變化的， 通過(guò)對(duì)工業(yè)工業(yè)機(jī)器人軸的受力分 析，可知當(dāng)a E=360時(shí)ZE=Zmax,Tz=O,缸正處于排液狀態(tài)，軸受力最?lèi)毫?，其? L/sin60 = y /sin B 即 sin B =y sin 60 /L=25 .3/ (190X 2) =0.11395 B =6.54 B f= B d= B 高壓缸:Z E= nX 5.5 X 200/4=4749.25N Te=0 2 Zd= n D P cos( a d+ B