機械手-工業(yè)機器人

機械手-工業(yè)機器人,機械手,工業(yè),機器人 江陰職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計說明書 課 題： 三軸工業(yè)機器人的結構設計 子課題: 機器人的第一臂與底座的設計 同課題學生姓名: 專 業(yè) 數控技術及運用 學生姓名 徐良 班 組 04級數控（2）班 學 號 20040205213 指導教師 趙勇彪 完成日期 2007.05.18. 目錄 摘要---------------------------------------------------------Ⅰ 引言--------------------------------------------------------------------1 第一章 概述-----------------------------------------------------------2 1.1 工業(yè)機器人的含義及技術概述 ---------------------------------- 2 1.2 工業(yè)機器人的組成 ---------------------------------------- 2 1.3 工業(yè)機器人的現狀及國內外發(fā)展趨勢 ---------------------------3 1.4 設計的任務要求-------------------------------------------4 第二章 機器人的結構分析-------------------------------------------5 2.1 總體結構的概述-------------------------------------------------5 2.2 第一軸（大臂）的結構---------------------------------------6 2.3 傳動方案的確定-------------------------------------------7 第三章 設計計算 ----------------------------------------------------9 第四章 傳動結構的設計計算--------------------------------------11 4.1 第一軸的傳動結構設計--------------------------------------------11 4.2軸承的選擇--------------------------------------------------26 第五章 機器人各零部件的結構設計 -----------------------------28 5.1 轉角范圍的控制設計---------------------------------------------------------------28 5.2主要零部件的結構設計（第一臂與底座）-------------------------------------29 總結 --------------------------------------------------------30 致謝 ------------------------------------------------------- 31 參考文獻 ---------------------------------------------------32 江陰職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書 引言 在加速科技進步中，機械制造業(yè)的發(fā)展起著關鍵的作用，其任務是在工業(yè)生產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，生產線和自動化車間），將來甚至實現自動化工廠。這種自動化生產最重要的特點是具有柔性，它能預料到，在節(jié)省勞力（或無人）情況下，根據工藝條件調整裝配，以適應多種產品生產。 當代柔性自動化生產的建立和廣泛應用，取決于作為科技進步的催化劑的機床制造、機器人技術、計算機技術、微電子技術、儀器制造等技術的加速發(fā)展。工業(yè)機器人是多品種的經常更換產品的生產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功能上的通用性和重新調整的柔性。在柔性生產系統(tǒng)中，工業(yè)機器人廣泛應用于數控機床、鍛壓機床、鑄造機械和倉儲設備上，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綜合體—柔性生產系統(tǒng)基本結構模塊。 隨著工業(yè)技術和經濟的驚人發(fā)展，標志著多品種中、小批量生產最新水平的FMS（柔性制造系統(tǒng)），FA（工廠自動化）技術更加引人注目；作為FMS、FA技術重要組成之一的工業(yè)機器人技術也將得到迅速發(fā)展。應用工業(yè)機器人是提高生產過程自動化，改善勞動環(huán)境條件，提高產品質量和生產效率手段之一。 本次設計是根據對工業(yè)六自由度機器人的總體結構及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進行三自由度工業(yè)機器人的結構設計。關鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設計以及整體的結構設計，避免運動的干涉。但在本次設計中出于公司的要求,我主要負責第一臂與底座的結構設計,在設計中趙勇彪老師給予了很大的指導和幫助，在此謹致謝意。 限于水平，本設計難免有缺點、錯誤，懇請各位老師批評指正。 第一章 概 述 1.1工業(yè)機器人的含義及技術概述 到目前為止，世界各國對“工業(yè)機器人”還沒有做出統(tǒng)一的明確定義。通常所說的“工業(yè)機器人”是一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照預定的程序、軌跡及其它要求，實現抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置。而它與“機械手”有一些區(qū)別：“工業(yè)機器人”多數指程序可變的獨立的抓取、搬運工件、操縱工具的裝置；“機械手”多數是指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置。如自動線、自動機的上、下料，加工中心的自動換刀的自動化裝置。 工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產社備。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。工業(yè)機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上的代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 1.2工業(yè)機器人的組成 工業(yè)機器人一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成。如圖1-1所示。 目前，具有人工智能系統(tǒng)的工業(yè)機器人即智能機器人還處于研究實驗階段。而應用于生產實際的多數是那些具有執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的工業(yè)機器人。 1．執(zhí)行系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成握取工件（或工具）實現所需的各種運動的機械部件，包括：手部、腕部、臂部，還有機身和行走機構。 2．驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力的裝置。采用的動力源不同，驅動系統(tǒng)的傳動方式也不同。驅動系統(tǒng)的傳動方式有四種：液壓式、氣壓式、電氣式、機械式。 3．控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人或機械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅動系統(tǒng)，讓執(zhí)行機構按照規(guī)定的要求進行工作、并檢測其正確與否。一般常見的為電氣與電子回路控制，計算機控制系統(tǒng)也不斷增多。就其控制方式，可分為分散控制與集中控制兩種類型。若以控制的運動軌跡來分，有兩種：點位控制和連續(xù)軌跡控制。 1.3 工業(yè)機器人的現狀及國內外發(fā)展趨勢 工業(yè)機器人是一種對生產條件和生產環(huán)境適應性和靈活性很強的柔性自動化設備，它對穩(wěn)定提高產品品質、提高生產效率和改善勞動條件起著十分重要的作用。工業(yè)機器人技術的發(fā)展必將對社會經濟和生產力發(fā)展產生更加深遠的影響。所以，國內外工業(yè)機器人的發(fā)展十分迅速。 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： 1．工業(yè)機器人的性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作與維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。 2．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速器、檢測系統(tǒng)三為一體；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產品問世。 3．工業(yè)機器人系統(tǒng)控制向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 5．虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 6．當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 7．機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。 我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”計劃科技攻堅開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻堅，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線（站）上獲得廣泛應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步比較晚，應用領域窄，生產線技術系統(tǒng)與國外比還有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產業(yè)化進程。 我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種。在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在二十一世紀立于世界先進行列之中。 1.4 設計的任務要求 本次設計是針對三軸工業(yè)機器人的結構設計。 主要設計要求如下： 第一軸：轉動角速度為 90/s，轉角范圍為0～270 底 座：能夠實現第一臂轉角(0-270度)轉角范圍控制 第二章 機器人的結構分析 2.1總體結構的概述 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”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，真正將這些成果應用于生產實際的還為數不多。在實際生產（如噴漆、焊接、裝配等）中被廣泛應用的工業(yè)機器人，示教再現型還是較多。 一般的機器人，它由機器人的機構部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構成。機構部分有機械手和移動機構兩部分組成；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，通過導線連接。在工業(yè)機器人的控制裝置中，有電動機驅動電路、PTP運動目標點和CP運動軌跡數據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。 如圖2-1，該機器人具有六自由度，即大臂的回轉、臂的左右擺動、臂的上下擺動、手腕的回轉、手腕的伸縮和手爪的抓取。當然，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經過傳動系統(tǒng)帶動大臂的回轉運動，且與大臂相連的所有其它手臂、手腕及機械構件也隨大臂一起作回轉運動；而后另一手臂由電動機M2直接驅動作左右擺動；還有，第三臂由電動機M3直接驅動作上下擺動；最后，手腕的回轉、伸縮及手爪的抓取由其它三個電動機驅動。 ３３ 2.2第一軸（大臂）的結構 大臂的結構圖（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，該手臂實現工業(yè)機器人的回轉運動，整個系統(tǒng)由伺服電動機驅動。為了實現傳動的設計要求以及結構的最優(yōu)化設計要求，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）傳動機構繞著它轉動，且電動機又固定在大臂上，所以導致大臂帶著電動機、減速箱一起作回轉運動。 2.2 傳動方案的確定 根據工業(yè)機器人的總體結構分析可知，工業(yè)機器人的三軸的傳動結構并不復雜。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。當然，參照以上的傳動結構分析，現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：擺線針輪行星齒輪傳動 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：擺線針輪行星齒輪傳動 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，初選轉速為1500r/min的原動機，則u1=1500/15=100, u2=1500/20=75。 第一軸傳動的確定：蝸桿蝸輪傳動的特點：1）傳動平穩(wěn)，振動沖擊和噪聲均很??；2）傳動比也較大，結構比較緊湊。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構的復雜性，且同時也增加了轉動時的負荷；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。要實現設計要求，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，在結構上尺寸要小得多，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）結構緊湊，并且在總體結構上也是合理的。 第二軸傳動的確定：由各傳動系統(tǒng)的傳動比可知，第二軸的傳動應該采用擺線針輪行星齒輪傳動。擺線針輪行星齒輪傳動有如下優(yōu)點：1）傳動比大。一級傳動比為11～87，二級傳動比為121～7569，三級傳動比可達446571；2）結構緊湊、體積小、重量輕。如將擺線針輪行星減速器與同功率的兩級普通圓柱齒輪減速器相比，體積可減小1/2～2/3，重量約減輕1/2～1/3以上；3）效率較高。一般效率為0.92～0.94，最高可達0.97；4）傳動平穩(wěn)，過載能力較大，承受沖擊和振動的性能較好；5）工作可靠，壽命長。但是這種傳動結構復雜，加工制造較困難。 總上所述，選擇方案一為最佳。第一軸采用三級斜齒輪傳動，第二、第三軸采用擺線針輪行星齒輪傳動。 第三章 設計計算 3.1電動機的選擇 第一軸的電動機的選擇 根據設計方案可知，第二軸、第三軸的所有重量都是第一軸的負荷，所以說，第一軸的轉動慣量是很大的，必須計算各零部件的轉動慣量，計算出最終動力源軸上所需要的最大的轉動慣量，再根據動力源軸上的轉動慣量進行選擇電動機。下面計算第一軸上的轉動慣量： 如圖3-1-1，該軸的轉動軸與第二軸的轉動軸不同，該轉動軸的軸線為ob線，則在這種情況下， 圖3-1-1 第三臂的轉動慣量： Kgm2 第二軸的轉動慣量： （3-1-1） Kgm2 兩電動機的轉動慣量： Kgm2 兩個行星輪系的轉動慣量： Kgm2 減速箱的轉動慣量： Kgm2 第一軸本身的轉動慣量： Kgm2 所以，總的轉動慣量為： Kgm2 而轉動角加速度為： 1/s2 則輸出軸的轉矩為由式（3-1-7）得： Nm 轉換到電動機上的轉矩為： Nm 根據要求<，選P=3KW，n=1000r/min的MGMA型伺服電機，為28.4Nm。 第四章 傳動結構的設計計算 4.1 第一軸的傳動結構設計 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 、各級的傳動設計 第一級斜齒輪的傳動設計計算：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 1) 按照傳動方案的設計要求，選用斜齒圓柱齒輪傳動。 2) 考慮減速設計的要求，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，并經調質及表面淬火，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Z1=35，大齒輪齒數Z2=uZ1=2.435=84。 5) 選取螺旋角。初選螺旋角。 ２．按齒面接觸強度設計 由設計計算公式進行計算，即 　　　　≥mm （4-2-1） 1) 確定公式內的各計算值 （1）.試選。 （2）.由區(qū)域系數分布圖，選取區(qū)域系數 。 （3）.由標準圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得 ， ，則 = （4）.計小齒輪傳遞轉矩 N （5）.由下表3-2-1（圓柱齒輪齒寬系數?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?d=0.9； (6).由材料的彈性影響系數表，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).計算應力循環(huán)次數 (9).由接觸疲勞壽命系數圖表，查得； ； (10).計算接觸疲勞許用應力 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 根據計算的結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 mm mm (4).計算縱向重合度 （5）計算載荷系數 已知使用系數 。 根據，7級精度，由動載荷系數值分布圖，查 得動載荷系數KV=1.07； 由接觸強度計算用的齒向載荷分布系數()表，查得 =2.728，由彎曲強度計算的齒向載荷分布系數()圖， 查得 =2.45。 由齒向載荷分配系數(、),查得==1.2， 故載荷系數 =1×1.07×1.2×2.728=3.5 (6).按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑，由式得 mm (7).計算模數 = mm 2. 按齒根彎曲強度設計 由式≥ mm （3-2-2） 1) 確定計算參數 (1) 計算載荷系數 11.071.22.45=3.2 (2) 根據縱向重合度，從螺旋角影響系數圖表查 得=0.88。 (3) 計算當量齒數 (4) 查取齒形系數 由齒形系數及應力校正系數 表查得 =2.44；=2.196 (5) 查取應力校正系數 由齒形系數應力校正系數表查得 =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=0.86，=0.87； (8) 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數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 = = 小齒輪的數值大。 2）設計計算 ≥ mm 對比計算結果,由齒面接觸疲勞強度計算的法向模數小于由齒根彎曲疲勞強度計算的法向模數,根據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，具體設計計算如下： １．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數 1) 考慮減速設計的要求，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，并經調質及表面淬火，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Z1=24，大齒輪齒數Z2=uZ1=4.8724=117。 4) 選取螺旋角。初選螺旋角。 ２．按齒面接觸強度設計 由設計計算公式（3-2-1）進行計算。 1）確定公式內的各計算值 （1）.試選。 （2）.由區(qū)域系數分布圖，選取區(qū)域系數 。 （3）.由標準圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得 ， ，則 = （4）.計小齒輪傳遞轉矩 N （5）.由表（圓柱齒輪齒寬系數?d表） 選取齒寬系數?d=0.9； (6).由材料的彈性影響系數表，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).計算應力循環(huán)次數 (9).由接觸疲勞壽命系數圖表，查得； ； (10).計算接觸疲勞許用應力 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 mm mm (4).計算縱向重合度 (5).計算載荷系數 已知使用系數 。 根據，7級精度，由動載荷系數值分布圖，查得 動載荷系數KV=1.05； 由接觸強度計算用的齒向載荷分布系數()表，查得 =1.41，由彎曲強度計算的齒向載荷分布系數()圖，查得 =1.37。 由齒向載荷分配系數(、),查得==1.2，故載荷系數 =1×1.07×1.2×1.41=1.78 (6).按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑，由式 得 mm (7).計算模數 = mm 3. 按齒根彎曲強度設計 根據設計計算公式（3-2-2）來計算： 1) 確定計算參數 （1） 計算載荷系數 11.071.21.37=1.726 （2） 根據縱向重合度，從螺旋角影響系數圖表查得 =0.8。 （3） 計算當量齒數 （4） 取齒形系數 由齒形系數及應力校正系數 表查得 =2.592； =2.158 （5） 取應力校正系數 由齒形系數應力校正系數表查得 =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=0.87，=0.9； （8） 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數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 = = 小齒輪的數值大。 2）設計計算 ≥ mm 對比計算結果,由齒面接觸疲勞強度計算的法向模數大于由齒根彎曲疲勞強度計算的法向模數,根據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，設計計算如下： １．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數 1) 考慮減速設計的要求，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，并經調質及表面淬火，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Z1=24，大齒輪齒數Z2=uZ1=5.724=137。 4) 選取螺旋角。初選螺旋角。 ２．按齒面接觸強度設計 由設計計算公式（3-2-1）計算： 1) 確定公式內的各計算值 （1）.試選。 （2）.由區(qū)域系數分布圖，選取區(qū)域系數 。 （3）.由標準圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得 ， ，則 = （4）.計小齒輪傳遞轉矩 N （5）.由下表（圓柱齒輪齒寬系數?d表） 選取齒寬系數?d=0.8； （6）.由材料的彈性影響系數表，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）.計算應力循環(huán)次數 （9）.由接觸疲勞壽命系數圖表，查得； ； （10）.計算接觸疲勞許用應力 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 mm mm (4).計算縱向重合度 (5).計算載荷系數 已知使用系數 。 根據，7級精度，由動載荷系數值分布圖，查 得動載荷系數KV=1.04； 由接觸強度計算用的齒向載荷分布系數()表，查得 =1.2877，由彎曲強度計算的齒向載荷分布系數()圖，查得 =1.27。 由齒向載荷分配系數(、),查得==1.2，故載荷系數 =1×1.04×1.2×1.2877=1.61 (6).按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑，由式得 mm (7).計算模數 = mm 3.按齒根彎曲強度設計 由式≥ mm 1) 確定計算參數 (1)計算載荷系數 11.041.21.27=1.585 (2) 根據縱向重合度，從螺旋角影響系數圖表查得 =0.8。 (3)計算當量齒數 (4)查取齒形系數 由齒形系數及應力校正系數 表查得 =2.592； =2.14 (5)查取應力校正系數 由齒形系數應力校正系數表查得 =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=0.88，=0.91； (8)計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數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 = = 小齒輪的數值大。 2）設計計算 ≥ mm 對比計算結果,由齒面接觸疲勞強度計算的法向模數小于由齒根彎曲疲勞強度計算的法向模數,根據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. 轉臂軸承的選擇計算 1） 估計擺線輪內孔半徑 =(0.4～0.5) =40～50mm 2） 擇軸承型號尺寸 經查表選用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） 當量動載荷 P P==1.35776.698=7509.71 N —動載荷系數，一般取 =1.2～1.5。 5） 軸承相對轉速 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. 轉臂軸承的選擇計算 1）估計擺線輪內孔半徑 =(0.4～0.5) =52～65mm 2）擇軸承型號尺寸 經查表選用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）當量載荷 P P==1.312830.82=16680.1 N 5）軸承相對轉速 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）針齒結構尺寸 mm mm （） mm 2) 最大彎矩 Nmm 3) 許用彎曲應力 MPa 4) 校核彎曲應力 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 1.根據齒輪軸徑值，查滾動軸承樣本或機械設計手冊得，第二軸上選用圓錐滾子軸承7204，C=15500N；第三軸上選用圓錐滾子軸承7205，C=19520N，則校核壽命如下： 第二軸的從動齒輪受力大小為： 切向力為： N 徑向力為： N 軸向力為： N 根據，則軸承的名義載荷P為： （4-3-1） 式中，-載荷系數，-徑向動載荷系數，-軸向動載荷系數，所以， N 則軸承的壽命為： h 因為，這里軸承的預期壽命為=15000h，而，故所選的軸承可滿足壽命要求。 第三軸的從動齒輪受力為： 切向力為： N 徑向力為： N 軸向力為： N 根據，則軸承的名義載荷P為： N 則，軸承的壽命為： h 因為，這里軸承的預期壽命為=15000h，而，故所選的軸承可滿足壽命要求。 第五章機器人各零部件的結構設計 5.1 轉角范圍的控制設計 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、行走機構等的動作以及與相關機械的協調動作都是通過控制系統(tǒng)來實現的。主要控制內容有動作的順序、動作的位置與路徑、動作的時間。 按設計要求要實現的轉角范圍，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，從而控制轉角。這里用擋塊結構設計來實現控制轉角范圍。第一軸的控制轉角（0～270）的擋塊結構示意圖如圖5-1 5-1 5.2主要零部件的結構設計（第一臂與底座） 5.2.1 第一軸轉臂的結構：如圖5-2，具體尺寸見附圖（零件圖）。 5.2.2底座的結構設計：如圖5-3 圖5-2 5-3 總 結 通過這次設計，使我對工業(yè)機器人有了感性的認識，同時對國內外的工業(yè)機器人的發(fā)展也有所了解。根據國內外機器人發(fā)展的經驗、現狀及近幾年的動態(tài)，結合當前國內經濟發(fā)展的具體情況，機器人技術重點應在開展智能機器人、機器人化及其相當技術的開發(fā)及應用。經過努力，我國已研制了許多示教再現型工業(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，機器人化機械已經興起。 通過這次設計，使我綜合運用機械設計的理論和實際知識，結合生產實際知識，培養(yǎng)分析和解決一般工程實際問題的能力，并使所學的知識得到進一步鞏固、深化和擴展；通過設計，使我掌握機械設計的一般規(guī)律，樹立正確的設計思想，培養(yǎng)獨立分析和解決實際問題的能力；學會從機器功能的要求出發(fā)，合理選擇傳動機構類型，制定設計方案，正確計算零件的工作能力，確定它的尺寸、形狀、結構及材料，并考慮制造工藝、使用、維護、經濟和安全等問題，培養(yǎng)獨立設計能力。 當然在設計過程中，也碰到了許多問題。在朱曉華老師的指導和一些同學的幫助下，我也盡自己的努力去克服困難，最后順利地完成了整個設計。由于本人缺乏經驗及水平有限，設計仍存在一些問題，如機器人的動力學分析以及缺少機器人的動作模擬仿真，望老師給予指正。 致 謝 本設計得到趙勇彪老師的全過程的耐心指導和大力幫助，使得設計能夠順利地完成。同時還得到其他老師的熱情幫助，也得益于畢業(yè)實習期間所在實習工廠車間等單位師傅和帶領機設組學生實習的各位老師的指導，使自己增加了一定的實踐知識，僅此表示由衷的感謝。 由于受時間和水平的限制，現代機器人的結構設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，能使本設計更完善并能付諸于實際，制造出所設計的機器人，將是很欣慰的事情。 參考文獻 【1】孫桓、陳作模主編， 機械原理， 機械工業(yè)出版社， 1995年 【2】濮良貴主編， 機械設計， 高等教育出版社， 1995年 【3】馬香峰等編著， 工業(yè)機械手的操作機設計， 冶金工業(yè)出版， 1995年 【4】日本機器人學會編， 機器人技術手冊， 科學出版社， 1996年 【5】付京遜、C·S·G李編，機器人學， 中國科學技術出版社， 1989年 【6】張建民主編， 工業(yè)機器人， 北京理工大學出版社， 1987年 【7】[俄]IO·M索爾 編，工業(yè)機器人圖冊， 機械工業(yè)出版社， 1991年