本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計姓 名 專 業(yè) 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 鄭州科技學(xué)院電氣工程學(xué)院二○一六年四月摘要機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品，工業(yè)搬運機器人是研究的一個熱點領(lǐng)域。研究多關(guān)節(jié)型機器人，在機械，電子，信息理論，人工智能，生物學(xué)和計算機的知識中，需要大量的其它專業(yè)方面的組合，以及其自身的發(fā)展，這些領(lǐng)域的發(fā)展才能得到促進。在本文中，并完成工業(yè)搬運機器人圖紙和通用部分繪制裝配圖在設(shè)計時使用。完善的電機和機器人動力學(xué)必要的分析模型來估算選擇，扭矩和功率要求。第二，從電動機和齒輪箱連接固定出發(fā)，配合聯(lián)合的結(jié)構(gòu)和設(shè)計，從機構(gòu)的連接強度中得到檢查驗證。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計，機器臂，關(guān)節(jié)型工業(yè)搬運機器人，結(jié)構(gòu)分析工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計IAbstractThe robot is a typical mechatronic products, spray painting robot is a hot research field of the robot. Study on the spray painting robot requires a combination of mechanical, electronic, information theory, artificial intelligence, biology and computer science knowledge, at the same time, its development has promoted the development of these disciplines.In this paper, a design of arm structure used in the painting robot, and complete the general assembly drawing and part drawing. Requirements for the mechanics analysis of the robot model, estimate required on each joint torque and power, complete motor and reducer selection. Secondly, from the motor and reducer connection and fixation of joint structure, design, and the mechanism of important connections check the strength.Keywords:Structure design, Robot arm, Structure analysis工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計II工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計III目 錄1 緒論11.1 引言.11.2 工業(yè)搬運機器人研究概況.21.2.1 國外研究現(xiàn)狀21.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀31.3 工業(yè)搬運機器人的總體結(jié)構(gòu).41.4 主要內(nèi)容.52 總體方案設(shè)計62.1 工業(yè)搬運機器人工程概述.62.2 工業(yè)搬運機器人總體設(shè)計方案論述.72.3 工業(yè)搬運機器人機械傳動原理.82.4 工業(yè)搬運機器人總體方案設(shè)計.82.5 本章小結(jié).103 工業(yè)搬運機器人大臂部結(jié)構(gòu)123.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求.123.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計.133.3 大臂電機及減速器選型.133.4 減速器參數(shù)的計算.143.5 承載能力的計算183.5.1 柔輪齒面的接觸強度的計算183.5.2 柔輪疲勞強度的計算194 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計.244.1 腕部設(shè)計.244.1.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動計算254.1.2 手腕俯仰驅(qū)動計算354.1.3 電動機的選擇364.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計.384.3 小臂電機及減速器選型.384.3.1.傳動結(jié)構(gòu)形式的選擇.394.3.2.幾何參數(shù)的計算.394.4 凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計算.40工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計IV4.4.1 柔輪齒面的接觸強度的計算.414.4.2 柔輪疲勞強度的計算.414.5 軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計.434.6 軸的受力分析及計算.434.7 軸承的壽命校核.445 機身設(shè)計475.1 步進電機選擇.475.1.1 計算輸出軸的轉(zhuǎn)矩475.1.2 確定各軸傳動比495.1.3 傳動裝置的運動和動力參數(shù)495.2 齒輪設(shè)計與計算.525.2.1 高速級齒輪設(shè)計與計算525.2.2 低速級齒輪設(shè)計與計算565.3 軸的設(shè)計與計算.605.3.1 輸入軸的設(shè)計與計算605.3.2 中間軸的設(shè)計與計算625.3.3 輸出軸的設(shè)計與計算655.4 軸承的校核.675.4.1 輸入軸上軸承壽命計算675.4.2 中間軸上軸承壽命計算685.5 鍵的選擇和校核.715.5.1 鍵的選擇715.5.2 鍵的校核715.6 機身結(jié)構(gòu)的設(shè)計.725.6.1 機身箱體材料的選擇725.6.2 機身的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝72總結(jié)與展望73致 謝74參考文獻75工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計01 緒論1.1 引言 機器人，典型的機電一體化產(chǎn)品，多關(guān)節(jié)型機器人工業(yè)搬運機器人是研究的一個熱點領(lǐng)域。研究多關(guān)節(jié)型機器人，在機械，電子，信息理論，人工智能，生物學(xué)和計算機的知識中，需要大量的其它區(qū)域的組合，以及其自身的發(fā)展，這些領(lǐng)域的發(fā)展才能得到促進。1959 年，世界上第一臺工業(yè)機器人的誕生，機器人開辟了新的發(fā)展時代。多關(guān)節(jié)機器人科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，研究和應(yīng)用的發(fā)展。專家世界著名的機器人，加藤一郎教授，早稻田大學(xué)，說：“。其中一個機器人最大的特點，你需要有功能”無論是道路自動化腳下程度最高，這是最復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家托馬斯·愛迪生曾說過這樣一句話：系統(tǒng)，而不是在地面上，非結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地面，對環(huán)境有益的“上帝創(chuàng)造了男人，兩條腿是最美妙的杰作。 ”無論做適應(yīng)性，它具有非常豐富的環(huán)境要求動態(tài)很低。函數(shù)打開無限廣闊的前景，有必要擴大機器人的應(yīng)用領(lǐng)域。以下主要工業(yè)搬運機器人的原因和目的在于，：代替的人及膨脹和外地人類活動的膨脹的工作，它們是開發(fā)一種系統(tǒng)，以便它可以在許多結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性環(huán)境希望，更多的是很多要明白，你要明白，因此，使用這些功能，人性化的服務(wù)，需要內(nèi)在的人性：假體。系統(tǒng)，這方面的研究，有可能擴大的方向和研究機器人的機械，有豐富的動態(tài);機器人，如智能機器人，可以起到人工智能的重要作用。定義關(guān)節(jié)機器人，世界上沒有統(tǒng)一的分類尚是不一樣的。對于近期標準化的聯(lián)合國國際組織已經(jīng)通過美國協(xié)會的定義為工業(yè)搬運機器人的機械人：多關(guān)節(jié)機器人，搬運為主料，轉(zhuǎn)移的目的，各種工作為了完成，通過改變動作程序，也有一個再編程的多功能操作裝置的工作。外國定義與我們的關(guān)節(jié)型機器人如下的成語相結(jié)合的參考定義。多關(guān)節(jié)型機器人，獨立的主體可以放在任何地方，動作的自由度，程序可以靈活地改變，高度的自動機器的自動化。它可用于汽車漆等涂料關(guān)節(jié)工業(yè)機器人。關(guān)節(jié)型機器人臂與主體的剛性高，相對于人，可以攜帶重物，可以有一個較快的移動速度，非常高的定位精度，它是自動的各種要執(zhí)行的操作不，它可以是一個外部信號。工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計1多關(guān)節(jié)型機器人是在計算機控制下的可編程自動化機器。使用的產(chǎn)品的質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率，生產(chǎn)過程的自動化的多關(guān)節(jié)機器人，改進，改善工作條件下，它是降低了勞動強度的有效手段。誕生和機器人的發(fā)展，但只有 30 多年的歷史中，這是一個很大的國家經(jīng)濟領(lǐng)域，而且已應(yīng)用于民用工程技術(shù)，顯示了強大的生命力，我們已經(jīng)開發(fā)了廣泛的應(yīng)用前景。1.2 工業(yè)搬運機器人研究概況1.2.1 國外研究現(xiàn)狀人類和動物的運動原理的第一個系統(tǒng)研究是邁布里奇發(fā)明了照相機跟單，即設(shè)定的觸發(fā)相機的電源，并在1877年他成功地參加了四足和連續(xù)運行的許多照片。后來，這種方法使用的相機是用來研究人體運動。從1930年到1950年，蘇聯(lián)也伯恩斯坦從深入人類和動物研究的生物動力機制的角度看，并提出的議案非常形象化的描述。真正研究機構(gòu)運動多搬運全面，系統(tǒng)于1960年推出至今，聯(lián)合多月的手臂比較完整的理論體系只有形成，并在一些國家，如日本，美國和“蘇聯(lián)已成功開發(fā)出可以是靜態(tài)或動態(tài)的，多臂樞軸原型。在這一節(jié)中，我們介紹了1960年至1985年期間，臂多搬運實地達到的運動的最重要的進展的團隊。在20世紀60年代和70年代，武裝多搬運運動控制理論產(chǎn)生三種類型的控制方法是非常重要的，這限制了國家控制，控制參考模型和控制算法。這三種控制的方法對所有類型的搬運工業(yè)搬運機器人都是適用的。國家控制是通過在1961年提出的模型的參考檢查于1975年由美國法恩斯沃思南斯拉夫托莫維奇限制，該算法是由著名的胳膊南斯拉夫研究所米哈伊爾?羅多搬運運動學(xué)專家鮑賓控制博士1969 - 1972年的教堂中扣除。有這三種類型的控制方法之間的內(nèi)在關(guān)系。有限狀態(tài)控制實質(zhì)上是一個控制參考模型，并且該控制算法是這種情況[1]的中心。在搜索步態(tài)，蘇聯(lián)Bessonov和Umnov定義“最佳步態(tài)”，Kugushev 和Jaro-shevskij定義自由的步伐。這兩種步態(tài)不僅能適應(yīng)，而且要適應(yīng)胳膊多條腿多企業(yè)的動向。在這些中，對于自由路徑的步驟的條件的規(guī)則。如果地形是非常粗糙的，所以運動臂多搬運，下一步應(yīng)放在哪里腳不能基于對步驟序列來加以考慮，但應(yīng)通過步驟以便攀登者去步驟通過一些優(yōu)化標準來確定哪個是所謂的自由速度。穩(wěn)定性研究手臂動作的多搬運，美國Hemami，該提議的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的控制工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計2的簡化模型作為振蕩器，反轉(zhuǎn)（倒立擺） ，它可以被解釋為在換能器存在的問題的向前運動。此外，減少了控制的考慮，Hemami，誰也研究手臂運動的多搬運“減少型”問題的復(fù)雜性進行了研究。此前我們指出了系統(tǒng)的Vukobratovic還人形能量分析，但它的力量是有限的搬運和隨時間的整個系統(tǒng)的變化，并沒有太多涉及這個問題的最佳功耗的出口。但是在他的研究中，Vukobratovic 得出一個有用的結(jié)論，即平滑的姿態(tài)，類人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)前機器人起步較晚，我國自 1980 年以來，在體育領(lǐng)域的多臂共同研究和應(yīng)用。 1986 年，國家啟動了“規(guī)劃綱要”的研究多動搬運臂，中國的高科技“863”水平運動臂包括于 1987 年。目前聯(lián)合研發(fā)，中國移動手臂多企業(yè)的研究和開發(fā)應(yīng)用單位主要與高校和科研院所。初步調(diào)查多搬運型機器人技術(shù)的主要目的是更先進的技術(shù)來跟蹤國際風險手臂的運動，然后取得了一些成績。1986 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)，他開始研究最為搬運臂，腳靜手臂運動 HIT-I 和 110厘米高，體重 70 千克多的企業(yè)，率先成功開發(fā)進度有 10 個自由度，以到達地面上的線，左，右，以及運動，上下樓梯，45 厘米左右 10 秒/步，速度成功研制的 HIT和 HIT-II-III，重量為 42 千克，長度 103 厘米，它是 12 個自由度，以實現(xiàn)一個步驟每秒 24 厘米，2.3 分速度。 HI 目前正在開發(fā)第四樂章的下一個多搬運臂，身體52 度的自由，這是一個偉大的運動和速度的平衡三臂，多搬運運動[3-7]。在 1988 年春國防科技大學(xué)成功具有六個自由度的平面雙足運動臂多搬運KDW-1，可以向前，向后和上下樓梯，每秒 40 厘米，四步開發(fā)的最大速度，在1989 年今年的步伐，我們開發(fā)了一種空間 KDW-II，具有 10 個自由度，最高的 69厘米，重 13 公斤，包括更多的來回，上下樓梯和周圍的近靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性。 1990 年兩縱縫互聯(lián)網(wǎng) KDW-II，在 KDW-Ⅲ開發(fā)的，有 12 個自由度，并添加函數(shù)曲線，以獲得完整的測試環(huán)境。 1995 年在步驟 20 厘米 0.8 秒?22 厘米，13 度的最大角度動態(tài)的步伐。 2000 年 KDW-III 中國的第一個人形的手臂的“排頭兵”的成功結(jié)束的發(fā)展的基礎(chǔ)上，在一個不確定的環(huán)境下微小的變化動態(tài)每秒，兩步周期，1.4 男，為 20 kg 的多搬運的動作，有頭，眼睛，頸部，身體，手臂，腳，和一定程度的語言功能[8-13]中。此外，清華大學(xué)正在開發(fā)一個人形的手臂培育更多升學(xué)銜接 THBIP-I，高七米，工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計3體重 130 千克，32 自由度的支持清華大學(xué) 985 項目，該項目是。南京航空航天大學(xué)有八個自由度工業(yè)搬運機器人搬運間隙靜態(tài)函數(shù)的發(fā)展。本文從“首屆全國研究生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽”多搬運手臂動作。此時，單臂，多搬運運動通常在車輪的形式是為了實現(xiàn)功能相。事實上，模仿人類行走手臂和腿部的多搬運的動作并不多，但也有六條腿，已經(jīng)出現(xiàn)四腿臂多搬運運動，但多搬運手臂運動尚不多見。我們的問題，簡單地探索設(shè)計巧妙的機械設(shè)備和簡單的控制來模擬人的手臂的多搬運的動作。子功能是：替代大步，搖搖頭，擺動手臂，擺臂。1.3 工業(yè)搬運機器人的總體結(jié)構(gòu)工業(yè)搬運機器人的組成及各部分關(guān)系概述：它主要由機械系統(tǒng)（執(zhí)行系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)） ，探測系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。1.執(zhí)行系統(tǒng)：公用部分的執(zhí)行系統(tǒng)管理部門，機械零件最全面的定義，以必要的各種運動，包括手，手腕，來獲得身體。A.末端執(zhí)行用于執(zhí)行，并且配置的工作直接涂漆。B.手腕，手和連接元件的臂，具有安排作為任務(wù)或工作的端部的方向的改變。C.臂和連接基團的手的手臂，手腕支撐體時，執(zhí)行負荷管理塊，手的空間位置，臂操作空間的變化滿足多個搬運，在基座的任何類型的動力傳輸。D：機身，多鉸接臂基部，支撐輥，由臂部件支承，并具有使所述臂的轉(zhuǎn)動，起重或傾斜運動的任務(wù)。2.驅(qū)動系統(tǒng)：提供電力的各種組件的系統(tǒng)是活動的，以及供應(yīng)單元設(shè)備。通用機械傳動，機械傳動和電氣，氣動，電動。（1）操作系統(tǒng)：驅(qū)動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的根據(jù)工作，故障報警或錯誤的信號的要求執(zhí)行。（1）檢測系統(tǒng)：經(jīng)由各種傳感裝置，控制器官運動檢測裝置，保證作用，如果有的話反饋到控制系統(tǒng)相對于該組的運動的要求。實踐證明，該小組可以取代繁重的體力勞動的多搬運運動，顯著減輕勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和自動化。經(jīng)常處理和工業(yè)生產(chǎn)在長期內(nèi)往往體積龐大件，單調(diào)的操作，單臂，多聯(lián)合動作是有效的。此外，它可在高溫，低溫，深水，宇宙，環(huán)境條件和其他有毒放射性污染進行操作，同時也表現(xiàn)出優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計41.4 主要內(nèi)容第 1 章 緒論 主要介紹工業(yè)搬運機器人的相關(guān)知識和本課題研究的任務(wù)和要求.第 2 章 總體方案設(shè)計,介紹該工業(yè)搬運機器人各部分的相關(guān)知識和總體設(shè)計.第 3 章 工業(yè)搬運機器人各部分設(shè)計的介紹第 4 章 工業(yè)搬運機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計52 總體方案設(shè)計2.1 工業(yè)搬運機器人工程概述工業(yè)搬運機器人是一個技術(shù)集成的跨學(xué)科，涉及計算機技術(shù)和自動化技術(shù)的機器，機制，機械，氣動，液壓技術(shù)，檢測技術(shù)等領(lǐng)域。在科人找出有效解決組合問題綜合工程被稱為“系統(tǒng)工程” 。手臂多搬運運動設(shè)計，例如，系統(tǒng)工程，應(yīng)作為一個綜合的方法來系統(tǒng)設(shè)計對外關(guān)系的系統(tǒng)，并從整個有機聯(lián)系的手臂運動環(huán)境的研究，開發(fā)和應(yīng)用根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)部部分多接頭。從復(fù)雜機械系統(tǒng)，包括一定的規(guī)則的功能系統(tǒng)結(jié)合多個子系統(tǒng)，它是一個不可分割的整體。如果你失去了開放的系統(tǒng)，可根據(jù)特定的一組。因此，在一個復(fù)雜的機械設(shè)計，概念啟動機器，系統(tǒng)必須具有以下特征：（1）機械系統(tǒng)完整的完整性機械系統(tǒng)由幾個子系統(tǒng)具有不同的整體性能應(yīng)具有的特定功能。（2）作用的子系統(tǒng)之間的有機聯(lián)系，包括有機，相互關(guān)聯(lián)的。（3）每個目標系統(tǒng)必須具有明確的目標和系統(tǒng)的功能，結(jié)構(gòu)，功能，目標和手段，決策系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)結(jié)合起來。（4）系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)是適應(yīng)環(huán)境在某些情況下，我們必須能夠適應(yīng)變化的外部環(huán)境中。所以，在設(shè)計機器人時，不僅要注意搬運運動系統(tǒng)的部件的整個多部件設(shè)計臂應(yīng)根據(jù)視工程系統(tǒng)的角度來看，這取決于一個單一的多搬運臂的動作的功能要求，子系統(tǒng)，多臂搬運，合理，產(chǎn)品的性能，需要在多搬運臂的動作的作業(yè)的所有組件。一般來說，最復(fù)雜的行業(yè)手臂搬運如下：在操作機器，是最大的，單臂多搬運的運動來完成的任務(wù)， ，包括基地，手臂，手腕，副作用機構(gòu)。傳輸系統(tǒng)，式子里，包括幾個傳輸零點電源，控制，驅(qū)動系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)。所述控制系統(tǒng)包括電子控制裝置的操作，記憶功能（計算機或其它版本控制裝置可編程） ，操作員接口裝置（鍵盤，學(xué)習盒等） ，數(shù)據(jù)處理裝置和各種傳感器，放大離線傳輸，傳感器編程接口設(shè)備通信的 I / O 內(nèi)部和外部傳感器和其他設(shè)備。特征行業(yè)臂多搬運運動是普遍的調(diào)整，靈活的臂工業(yè)多搬運運動可有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的發(fā)送處理單元組件或材料或其它柔性制造系統(tǒng)（例如，機床，鍛壓，焊接，裝配等生產(chǎn)設(shè)備） ，輔助設(shè)備，控制系統(tǒng)，多搬運臂運動，各種工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計6不同形式的運動系統(tǒng)的組建多聯(lián)技術(shù)工藝機械行業(yè)其他生產(chǎn)部門。生產(chǎn)，如建筑，開采，生產(chǎn)和輸送臂移動多搬運是參考系統(tǒng)。2.2 工業(yè)搬運機器人總體設(shè)計方案論述（一）確定負載目前，國內(nèi)工業(yè)用運動的多搬運臂，負載能力，最小額定負載 5N 或更小范圍很大，最多的為 9000N。這篇文章為 5 公斤載荷。負載的大小主要取決于由于運動的作用力和機械接口上的多搬運臂的運動的方向。式子里，下臂應(yīng)該包括端部執(zhí)行器的更搬運運動（重量） ，和工件的重量或處理對象接縫預(yù)定速度和加速度的條件下，產(chǎn)生的慣性力等。該項目的數(shù)據(jù)參考設(shè)計初步估算表明，這一項目可能屬于一個小負荷。（二）驅(qū)動系統(tǒng)由于伺服電機具有良好的控制性能，檢查的靈活性，允許速度，位置，環(huán)境，體積小，效率高，適用于更為苛刻的運動控制沒有影響的精確控制小臂運動多等特點，因此，該項目采用的是伺服電機。（三）傳動系統(tǒng)動臂多搬運運動可以緊湊，重量輕，慣性小，傳動鏈條應(yīng)考慮采取措施縮小差距，提高手臂多的移動和位置創(chuàng)業(yè)精密運動控制。臂傳遞機構(gòu)機械運動多搬運通常使用齒輪，蝸桿，滾珠絲杠，皮帶，鏈條傳動，行星齒輪，傳動齒輪和諧波等，由于傳動齒輪具有效率高，準確，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長等優(yōu)點，與大學(xué)學(xué)習和掌握的知識相吻合，所以這個設(shè)計設(shè)得的合理。（四）工作范圍操作過程中的工業(yè)手臂動作的工作范圍是多搬運臂的運動取決于所述扇區(qū)的操作領(lǐng)域和確定的軌跡，用表示的工作空間。形狀和有關(guān)該結(jié)構(gòu)的工作空間的大小坐標運動的多搬運工業(yè)搬運機器人，其大小和在數(shù)量和程度每個臂的自由操縱器公共軸線的長度的變化程度和所設(shè)得的搬運軸的相適應(yīng)。（五）運動速度每個鉸接機械臂更堅定的臂的最大行程，按照循環(huán)時間來確定每個操作的時間的運動后，可以進一步確定每個動作的速度，單位為米/秒（m/ s）的，時間每個運動分配考慮在順序地或同時地等進行許多因素，如每個操作序列之間的周期的總時工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計7間長度。表示他們的操作時間，操作時間分配之外的運動進行比較，以考慮分配請求有關(guān)的過程，它也必須考慮慣性的行程的大小和驅(qū)動和控制，定位和精度要求。2.3 工業(yè)搬運機器人機械傳動原理該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析該工業(yè)搬運機器人的本體結(jié)構(gòu)組成如圖：圖 2.1 工業(yè)搬運機器人本體組成本節(jié)描述的所有以下列方式的組件和功能?；締挝唬夯鶚?gòu)件包括底座，齒輪傳動件，軸承，步進馬達?；咀饔檬侵С謽?gòu)件，所述支承構(gòu)件旋轉(zhuǎn)臂，承受的工作負載的總重量和搬運機器人，所述臂必須具有足夠的強度，剛度和負荷能力。此外，該臂也需要一個足夠大的安裝基礎(chǔ)，以確保在工作場所搬運機器人的穩(wěn)定運行。搬運機器人臂，通常會導(dǎo)致驅(qū)動臂運動（例如，液壓，氣動或一個馬達）和一個驅(qū)動源（例如，燃料箱，燃料箱，齒輪齒條機構(gòu)，連桿機構(gòu)，螺旋機構(gòu)或凸輪機構(gòu)等各種運動臂組成的組件的）手臂大臂和小臂。組成的成員如下：動臂和齒輪件，驅(qū)動電機。在臂構(gòu)件：臂，驅(qū)動軸，皮帶，定時等，以手腕運動用步進固定臂的電動機驅(qū)動的一端。腕部分：包含殼體，傳動齒輪和軸，和所需機械接口。2.4 工業(yè)搬運機器人總體方案設(shè)計是結(jié)構(gòu)形式的機器人形結(jié)構(gòu)，并調(diào)整圓柱形結(jié)構(gòu)，球面坐標的結(jié)構(gòu)，該多接頭結(jié)構(gòu)和它們的相應(yīng)特征中的每一個，如下所述[3]。工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計81.直角坐標結(jié)構(gòu) 運動空間直角坐標機器人，它是那么容易落實到閉環(huán)位置控制的線性運動，由于如圖 2-1（一） ，直角坐標機器人可以達到非常高的位置，實現(xiàn)各有三個其他存在的由垂直的直線運動精度。然而，直角坐標相對于空間機器人的運動有關(guān)的機器人的結(jié)構(gòu)的尺寸，這是比較小的。因此，為了實現(xiàn)恒定的空間運動，大于機器人比其他類型的矩形機器人結(jié)構(gòu)尺寸。直角坐標機器人的工作區(qū)是矩形空間。直角坐標機器人主要用于組裝和搬運，直角坐標機器人的業(yè)務(wù)，它具有懸臂門，三起重機類型的結(jié)構(gòu)。2.圓柱坐標結(jié)構(gòu)如在圖 2-1（B）中，空間氣缸所示，調(diào)整直線運動的運動并實現(xiàn)兩個旋轉(zhuǎn)運動和機器人。這種機器人的結(jié)構(gòu)相對簡單，并且能夠在精度一般操作的處理中使用。它的工作空間是圓柱形的空間。3.球坐標結(jié)構(gòu)如圖 2-1（c）中，該空間的運動是球形坐標機器人組成的直線運動實現(xiàn)兩個旋轉(zhuǎn)運動的。這個簡單的機器人結(jié)構(gòu)，成本低，精度不高。它將在主要業(yè)務(wù)的處理中使用。他們的工作空間是球形的空間。4. 搬運型結(jié)構(gòu)如在 2-1（d）所示，為了實現(xiàn)一個空間移動搬運機器人包括三個旋轉(zhuǎn)運動。多搬運機器人的運動是一個靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。規(guī)模相對工業(yè)搬運機器人本體，其相對較大的工作空間。這種工業(yè)搬運機器人是廣泛焊接，涂裝，搬運，組裝，以及使其它操作被廣泛用于在這種類型的機器人的，它是在工業(yè)中使用。搬運型工業(yè)搬運機器人結(jié)構(gòu)，有水平搬運型和垂直搬運型兩種。(a) 直角坐標型 (b) 圓柱坐標型 (c) 球坐標型 (d) 關(guān)節(jié)型圖 2-2 四種工業(yè)搬運機器人坐標形式工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計9根據(jù)任務(wù)書和具體要求，在這里我選擇關(guān)節(jié)型（D ） 。特定的形狀和特定的要求機器人數(shù)控機布局，設(shè)計要求兼顧處理工件到 5KG質(zhì)量能夠簡化結(jié)構(gòu)，由于考慮到會議系統(tǒng)的技術(shù)要求的前提下，以改善這種設(shè)計的可靠性和具體的成本。大機器人臂的運動范圍和更高的定位精度，用一個腰部轉(zhuǎn)動自由度六個自由度，以及自由設(shè)計的懸臂和臂腕音調(diào)的轉(zhuǎn)動節(jié)距自由前臂，轉(zhuǎn)動自由度的工業(yè)搬運機器人。在本文的臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求的尺寸，因此，需要實現(xiàn)一個大熱潮，俯仰自由，在該臂的詳細設(shè)計的旋轉(zhuǎn)臂機構(gòu)的自由。操縱器的工作范圍是大的，運動靈活，通用性，結(jié)構(gòu)更緊湊，其特征在于，它有可能基礎(chǔ)對象抓取。合作單位，這取決于應(yīng)用，已經(jīng)提出了以下的技術(shù)參數(shù)和特性：用途:物料搬運，注塑，裝配，包裝等自由度數(shù)目：6坐標形式：垂直關(guān)節(jié)坐標型額定負荷質(zhì)量（不含末端執(zhí)行器）：10kg(15kg)最大工作半徑 1450mm（1500）手臂最大中心高 1200mm（1000）本體自重小于 160kg（200）表 2-1 各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)范圍和最大工作轉(zhuǎn)速2.5 本章小結(jié)為了確定解決方案，才能做出最終決定，通過設(shè)得多種方案，完成設(shè)計的機器人系統(tǒng)，本章后面介紹，以確定機器人的整體設(shè)計，機器人，手臂，手腕，端部的工作轉(zhuǎn)速最大工作范圍（ o ）r/min rad/s o/s腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) ±150（300） 10 1.05 60大臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié) ±110（150） 10 1.05 60小臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié) +170，-150（±180）10 1.05 60小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) ±180（360） 20 2.1 120腕部擺動關(guān)節(jié) ±130（120） 20 2.1 120腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) ±360 30 3.14 180工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計10腰部，來詳細做了設(shè)計的各個部分。工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計113 工業(yè)搬運機器人大臂部結(jié)構(gòu)3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求臂部件的主要成分是搬運機器人。它的作用是支持的手，帶領(lǐng)他們騰出運動。臂移動類型：任意點的運動的空間范圍內(nèi)的一個手柄部。如果你已經(jīng)改變了手（方位）的位置，以手臂來實現(xiàn)的自由。因此，我們設(shè)計成一般臂的基本要求。1.手臂需要加載剛度好，重量輕它通常是在臂，不僅彎曲（在一個方向上，而不是僅僅彎曲） ，由反向，由需要設(shè)得的高彎曲和橫截面形狀的抗扭剛度。顯然，基本相同的按橫截面，鋼鐵，工程單位重量的面積字槽鋼和轉(zhuǎn)動慣量，比圓形大得多。因此，在搬運機器人的無縫鋼管中，不僅提高了在許多情況下（如圖 4.1 和 4.2）導(dǎo)桿，如工字鋼，或所述臂的剛度，非常有效減少臂的重量，更確切地說，它被用作支撐槽鋼，內(nèi)置驅(qū)動器，因此，使其緊湊，以及傳輸管道，它可以被放置。2.在臂的速度高時，也有小的慣性在統(tǒng)一的手臂一般，運動，請求啟動和力臂端，移動的減速時間開始，否則，沖擊和振動，加速度和終止請求之前沒有太大的影響。為了減小轉(zhuǎn)動慣量，必須采取以下措施。（A）成分，降低臂的重量以移動使用鋁等輕質(zhì)高強度材料。（B）以減少手臂運動部件的總體尺寸（C）減少轉(zhuǎn)彎半徑（D）驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置（3）運動的臂應(yīng)該是靈活的。為了減少摩擦和滑動摩擦的運動部件之間的摩擦力盡可能臂滾動代替。（4）位置精度要高。最困難的搬運轉(zhuǎn)移機器人控制的位置，精度很差，通常是高直角坐標加上設(shè)置裝置，用于搬運機器人的圓筒形位精度，檢測臂上這意味著位置，可以控制一個更好的位置精度。在本文中，其它機器人臂的剛度，減少了電機負載的底部接頭，減少了臂的重量，以確保它能夠提高機器人手臂的動態(tài)響應(yīng)，一方面，薄鋁設(shè)計合金構(gòu)件。鑄造工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計12鑄型砂的設(shè)計的最小厚度。最小壁厚：具有其鑄造合金，分別不同的鑄造合金鑄造的合適的厚度， “最小厚度可以是”澆鑄，取決于類型的尺寸和合金鑄件，相同是否，見表 3-1 所示：表 3-1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計（mm）它簡單地砂鑄造廠的結(jié)構(gòu)設(shè)計，一個特殊的鑄造工藝，鑄造結(jié)構(gòu)對應(yīng)于每個不同的鑄件和特性應(yīng)根據(jù)來設(shè)計。在本文中，通過使用鑄鋁外殼手臂。具體尺寸，請參閱總裝圖。3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強度大。3.3 大臂電機及減速器選型假設(shè)小臂及腕部繞第二轉(zhuǎn)動軸的重量：M2=2Kg， M3=4KgJ2=M2L42+M3L52 =1×0.0972+4×0.1942=0.16kg.m2大臂速度是 10r/min ，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩用以下式表達：：????JT式子里，T - 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩 N.mJ --- 轉(zhuǎn)動慣量 kg.m2--- 角加速度 rad/s2??使工業(yè)搬運機器人大臂從 到 需要的用時： 則：0??16/s?st1.0??(3.4)113.47.4.TJ Nmt????????鑄件尺寸 鑄鋼 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 可鍛鑄鐵 鋁合金 銅合金 ＜200×200 200×200~500×500 ＞500×500 5~8 10~12 15~20 3~5 4~10 10~15 4~6 8~12 12~20 3~5 6~8 --- 3~3.5 4~6 --- 3~5 6~8 --- 工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計13鑒于關(guān)于重心的機器人手臂的轉(zhuǎn)動慣量的摩擦轉(zhuǎn)矩軸的各個部分的，開始轉(zhuǎn)動10N.m 起動轉(zhuǎn)矩，可以假設(shè) 2 的安全指數(shù)，期望的輸出的諧波減速器最小轉(zhuǎn)矩為：(3.5)設(shè)mNT.01501???得諧波減速器：⑴型號：XB3-50-120 （XB3 型扁平式諧波減速器）額定輸出轉(zhuǎn)矩：20N.m 減速比：i 1=120 設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為： ，步進電機應(yīng)輸出力矩為：%90??(3.6)mNiTout .18509.1201????設(shè)得 BF 反應(yīng)式步進電機型號：55BF003靜轉(zhuǎn)矩：0.686N.m步距角：1.5。3.4 減速器參數(shù)的計算剛輪、柔輪的材料都是鍛鋼，小齒輪用 45＃的材質(zhì)， ，硬度 250HBS。剛輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)） ，硬度 220HBS。1.齒數(shù)的確定柔輪齒數(shù)： 201???iuZr剛輪齒數(shù)： ?rg已知模數(shù)： ，則m5.0柔輪分度圓直徑： mZdrr 1025.???鋼輪分度圓直徑： g柔輪齒圈處的厚度： mdZrr 25.101)42075(10)475( 441 ????????重載時，為了增大柔輪的剛性， 允許將 δ 1 計算值增加 20%，即m.2.1柔輪筒體壁厚： m05.17.01????工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計14為了提高柔輪的剛度，取 m2.1??輪齒寬度： dBr505.0??輪轂凸緣長度： 取mBC5.4~31).()3.~( ??4C?柔輪筒體長度： LLr 10,28028218?取輪齒過渡圓角半徑： mr5.0?為了減少應(yīng)力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取 r3?2.嚙合參數(shù)的計算由于采用壓力角 的漸開線齒廓，傳動的嚙合參數(shù)請看以下式子。?20??因輪齒扭矩的因素，使輪齒間隙減小的值為：（扭轉(zhuǎn)彈性模數(shù) G=80GPa）GDBMLdjCrrnm?2maxax?式子里，： mN???????3ax 10505nm781.082.1053??W0／m=0.89＋8×10 -5×Zr＋2C nmax／m為了消除在 的情況下進入嚙合的齒頂干涉，則必須使最大側(cè)隙 大于maxMmaxnC由于齒輪扭轉(zhuǎn)減小的側(cè)隙 后，還應(yīng)保證存在有側(cè)隙值 。nC0n式子里，： in)60(140???maxn?徑向變形系數(shù)： mCZnrax50 289.????則： Cn 08.)61(40 ????nm 15.71.0ax?徑向變形系數(shù)： 962.05.82089.50 ??????柔輪的變位系數(shù)：工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計1561.304.285.93104.85.3130?????rrZmx?剛輪的變位系數(shù)：58.3)196.0(1.3)(0 ???????mxrg?驗算相對嚙入深度：125.01)962.04.(8.296.04 3??????????rn Zh?如果計算找出的 ，繼續(xù)計算，設(shè)得 2。如果出現(xiàn) ，為了傳遞動力，應(yīng)?mn ?mhn適當增加 值重新計算，使 。nC1?hn柔輪齒根圓直徑：XhaDrrf 26.10).3501(.20)(2 ??????????式子里，齒頂高系數(shù) ;徑向間隙系數(shù)1?C柔輪齒頂圓直徑：mmchpnfrar 76.1035.)2.05.1(26.0)(2 ???????式子里， （找到相應(yīng)表格設(shè)出 ）.p相對嚙入深度和輪齒過渡曲線深度系數(shù)之和應(yīng)符合兩個不等式驗算公式。???????1)(2?mchcapnpn剛輪齒頂圓直徑：mhDnarg 48.1035.2.5.0962.7.103)(2)(0 ?????????剛輪齒根圓直徑：工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計16設(shè)出插齒刀齒數(shù) ，插齒刀變位系數(shù) ，插齒刀原始齒形壓102?gcZ0?cx力角 ，則?20?? 149.2,937.cos,364.tan????? inv剛輪和插齒刀的制造嚙合角： 07.0ta12058.ta0 ?????? ??ivivzxinvcgc ?找到漸開線函數(shù)表和三角函數(shù)的表格設(shè)出 86.52.cos,.27???cg那么剛輪和插齒刀的制造中心距： mzmAcgcgcg .86.0932)1(5.0os2)( ??????插齒刀的齒頂圓直徑： hazDca 5.1)3.(5.105.)( ?????剛輪齒根圓直徑： DAacgf 6087622?驗算剛輪齒根圓和柔輪齒頂圓的徑向間隙： marfg 15.0)((21???即： 075.1.032.96.7.36.05 ??????可見沿波發(fā)生器長軸,在剛輪齒根圓與柔輪齒頂圓之間存在徑向間隙。 3.凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計算滾珠直徑： nDd)10.~8.(0?柔輪齒圈處的內(nèi)徑： rm?那么： nrD軸承外環(huán)厚度：由于工藝上的要求，可將外環(huán)做成無滾道的 11011.65.80.4.52ahdm???????軸承內(nèi)環(huán)厚度： 21.7a?內(nèi)環(huán)滾道深度： 0805.41hdhm??????工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計17式子里的 是考慮到外環(huán)無滾道而內(nèi)環(huán)滾道加深量。 10.5h軸承內(nèi)外環(huán)寬度：所用為滾珠軸承，近似等于齒寬 15Bm?軸承外環(huán)外徑： 10nrDm?軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)徑：??20().7876dahd????為了便于制造，采用雙偏心凸輪波發(fā)生器。則凸輪圓弧半徑： 42TdeR???式子里，ｅ是偏心距： 3.1401.382grdm?????（ ---剛輪分度圓直徑， ---柔輪分度圓直徑）gdrd則凸輪圓弧半徑： 3.1476.387.132TR?????凸輪長半軸： .9aem??凸輪短半軸： 37Tbm3.5 承載能力的計算3.5.1 柔輪齒面的接觸強度的計算按照在非?？拷彷喼本€的諧波傳動齒輪比特性和剛性輪比的齒數(shù)多的齒的特性。因此，通過工作表面的齒側(cè)的最大接觸應(yīng)力，主要的負載能力的實際諧波驅(qū)動的限制軟。因此，諧波傳動齒輪齒的軟邊，應(yīng)符合下列條件的接觸強度：接觸強度計算公式： ][tan82jjbkrM??????---輸出轉(zhuǎn)矩M---柔輪節(jié)圓半徑r---柔輪輪齒寬b---剛輪壓力角?---接觸系數(shù)（ 0.4~0.9）k工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計18對于一般雙波傳動，輪齒寬 許用接觸應(yīng)力rb2.0?MPj49][??則： ][36.125.0514.3tan8tan8232 jj MPbkr ????????所以滿足齒面的接觸強度要求。3.5.2 柔輪疲勞強度的計算柔輪材料采用 調(diào)制硬度 229~269。CrMoAl38計算柔輪在反復(fù)彈性變形狀態(tài)下工作時所產(chǎn)生的交變應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為截面處正應(yīng)力： 27maDE?????0切應(yīng)力： LEm???由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力： ???2mMD?其中： ）（ GPaELdDrm 20,5.,10,0???MPapMa 7.12074.1205.1)01(4.325.55.0 .871.87)10(.2.7 633393 623393 ?????? ????????????則： mma .).(5. ???驗算安全系數(shù)：12aknn??????疲勞極限應(yīng)力： MPa4501?應(yīng)力安全系數(shù)： 2??k工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計19)5.314807.3.0(2.057.84121 MPaknsma ????????????其中，抗拉屈服極限： MPas85剪切應(yīng)力集中系數(shù)： 7.02k2][56.273.5.23.1.061.042 ?????nn則滿足疲勞強度條件。軸的計算校核畫軸的受力分析圖，軸的受力分析分析圖如圖所示：圖 3-1 軸的受力分析圖已知：作用在剛輪上的圓周力 NdTF2.94350138.21????工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計20徑向力 NFr 3.420tan.943tan?????法相力 a 7.120cos.??1)算出垂直面的支撐反力： NLdFarv3.17.8251034.3??????????NVrV 6.122)水平面的支撐反力：FtH6.4721?3）F 在支撐點產(chǎn)生的反力：NLKFF 3.167.92.7485.0.121 ?????外力 F 作用方向與傳動的布置有關(guān)，在具體位置尚未確定前，可按最不利的情況考慮，見（7）的計算4）繪垂直面的彎矩圖：MNLFMVav .9435.121.20.641'2 ?????? ??5)繪水平面的彎矩圖：HA .10.61?6)F 產(chǎn)生的彎矩圖：MNKM.285.2.742 ????a-a 截面 F 力產(chǎn)生的彎矩為：LA .143.191?7)算出合成彎矩圖：工業(yè)搬運機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計21按最壞的狀態(tài)，把 AFM與 直接相加2AHV?MA= +MAF=2HV?29.01.+41.1=70.1 N.mM'A= +MAF=2'AHV?29.0.4?+41.1=62.57 N.m8)算出軸傳遞的轉(zhuǎn)矩：?TN.mm410358.2?9)算出危險截面的當量轉(zhuǎn)矩請見下圖，a-a 截面最危險，其當量轉(zhuǎn)矩為：??22TMae???如認為軸的扭切應(yīng)力是脈動循環(huán)應(yīng)變力，設(shè)折合系數(shù) a=0.6，帶入式子得出：??mNae.51758.23601.7222????10）算出危險截面處軸的直徑軸是 45＃鋼材，調(diào)質(zhì)處理，從表格 14-1 找到并設(shè)出 δ B=650Mp,從表格 14-3找到并設(shè)出[δ -1b]=60Mpa,則：??mMdbe 8.2601.571.0333 ??????考慮到鍵槽對軸的消弱，將 d 值加大 5%，由此得出：d=22.8*1.05=24mm32mm滿足條件因 a-a 處剖面左側(cè)彎矩大，同時作用有轉(zhuǎn)矩，且有鍵槽，故 a-a 左側(cè)為危險截面。它的彎曲截面系數(shù)是： ????34 2321025. 506mdtbW?????????抗扭截面系數(shù)為：