買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 摘 要 為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的焊接質(zhì)量 ,滿足實際工作需要 ,本課題設(shè)計了用于焊接的關(guān)節(jié)型機器人。根據(jù)機器人的工作要求和結(jié)構(gòu)特點，進行了機器人的總體設(shè)計，確定了機器人的外形尺寸和工作空間，擬定了機器人各關(guān)節(jié)的總體傳動方案，對機器人腰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進行了詳細設(shè)計，合理布置了電機和齒輪，確定了各級傳動參數(shù)，進行了齒輪、軸和軸承的設(shè)計計算和校核。 利用齊次變換矩陣法建立了六自由度關(guān)節(jié)機器人的正運動學(xué)模型， 求出機器人末端相對于各自參考坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)值，建立了在直角坐標(biāo) 空間內(nèi)機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)與關(guān)節(jié)變量值的對應(yīng)關(guān)系 ?；趲缀?投影原理推導(dǎo)出相應(yīng)的逆運動學(xué)模型，求出了各個關(guān)節(jié)的角度值，建立了 機器人關(guān)節(jié)空間與世界空間的映射關(guān)系。該機器人具有剛性好，位置精度高、運行平穩(wěn)的特點。 關(guān)鍵詞： 關(guān)節(jié)型機器人；位姿分析；總體設(shè)計；腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 n to of of s to I on of of of of I of in at on of of up by of of in s is to We up s of is on of of is s is up of of in of 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 目 錄 1 前言 1 目來源及分析 1 究目的 2 內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀 2 2 關(guān)節(jié)型機器人總體設(shè)計 4 定基本技術(shù)參數(shù) 4 械結(jié)構(gòu)類型的選擇 4 定負載 5 作范圍 5 作機的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 5 制系統(tǒng)的選擇 6 定關(guān)節(jié)型機器人手臂的配置形式 6 節(jié)型機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 3 關(guān)節(jié)型機器人腰部結(jié)構(gòu) 設(shè)計 10 動機的選擇 10 算傳動裝置的總傳動比及分配各級傳動比 12 的設(shè)計計算 12 算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率 12 定三根軸的具體尺寸 13 定齒輪的參數(shù) 17 擇材料 17 力角的選擇 17 數(shù)和模數(shù)的選擇 17 寬系數(shù)的確定 17 定齒輪傳動的精度 18 輪的校核 19 體設(shè)計 22 4 關(guān)節(jié)型機器人的位姿分析 23 器人的位姿與運動的描述 23 節(jié)型機器人的廣義連桿變換矩陣 23 節(jié)型機器人運動方程 26 節(jié)型機器人運動分析 26 節(jié)型機器人運動反解 29 5 結(jié)論 34 參考文獻 35 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 附錄 36 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 1 前言 目來源與分析 題目關(guān)節(jié)型機器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計來源于生產(chǎn)實踐中。要求設(shè)計的機器人具 有 6個自由度 ： 腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)； 臂關(guān)節(jié)俯仰； 肘關(guān)節(jié)俯仰； 腕關(guān)節(jié)仰腕； 擺腕；旋腕。其中要詳細地設(shè)計機器人基座和腰部的結(jié)構(gòu)。整體機器人要實現(xiàn)腕部最大負荷 6大速度 2m/s，最大工作空間 半徑 1500 機器人是近 30 年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化的、獨立的自動化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個重要內(nèi)容。 自古以來 ,人們所設(shè)想的機器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類智能的機器。特別是在 20 世紀(jì) 20 年代前后 ,捷克和美國的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關(guān)于未來機器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學(xué)作品 ,更使機器人在人們的思想中成為一種無所不能的“超人”。在現(xiàn)實生活中 ,一些民間工匠根據(jù) 這些文學(xué)描繪 ,也制造出一些仿人或仿生的機器人。然而在當(dāng)時的科技條件下 ,要使機器人具有某種特殊的“智能”而成為“超人” ,顯然是不可能的。美國的戴沃爾設(shè)想了一種可控制的機械手 ,他首先突破了對機器人的傳統(tǒng)觀點 ,提出機器人并不一定必須像人 ,但是必須能做一些人的工作。 1954 年 ,他依據(jù)這一想法設(shè)計制作了世界上第一臺機器人實驗裝置 ,發(fā)表了適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機器人一文 ,并獲得了美國專利。 戴沃爾將遙控操縱器的關(guān)節(jié)型連桿機構(gòu)與數(shù)控機床的伺服軸聯(lián)結(jié)在一起 ,預(yù)定的機械手動作一經(jīng)編程輸入后 ,機械等就可以離開人的輔助而 獨立運行。這種機器人也可以接受示教而完成各種簡單任務(wù)。示教過程中操作者用手帶動機械手依次通過工作任務(wù)的各個位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲器中，任務(wù)的執(zhí)行過程中，機器人的各個關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動下再現(xiàn)出那些位置序列。因此，這種機器人的主要技術(shù)就是“可編程”以及“示教再現(xiàn)”。 究目的 焊接機器人是最大的工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域 ,它占工業(yè)機器人總數(shù)的 25%左右。由于對許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求 ,一般工人已難以勝任這一工作 ;此外 ,焊接時的火花及煙霧等 ,對人體造成危害 ,因而 ,此課題的提出就有十分重 要的意義。 內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢 a. 工業(yè)機器人性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修 )，買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 而單機價格不斷下降。 b. 機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 c. 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易 操作性和可維護性。 d. 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(yīng)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(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 e. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 f. 當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是治理于操作者于機器人的人機交互控制，即遙控 加局部自主系統(tǒng)構(gòu)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(yīng)用的最著名實例。 g. 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(yīng)用的領(lǐng)域。 國際機器人研究在經(jīng)過了 80 年代的低潮之后 ,呈現(xiàn)出復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展的形勢 ;我國的機器人研究在國家七五 八五及 863 計劃的推動下也取得了很大的發(fā)展。在 70 年代的機器人浪潮相比 ,現(xiàn)在的機器人研究有兩個特點 :一是對機器人智能的定位有了更 加符合實際的標(biāo)準(zhǔn) ,也就是不要求機器人具有像人類一樣的高智商 ,而只是要求機器人在某種程度上具有自主處理問題的能力。 我國的工業(yè)機器人從 80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制技術(shù)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)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(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)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(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)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(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計 ，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 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遙控機器人， 6000m 水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)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、聲覺、觸覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、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(yīng)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(chǔ)上，有重點地系 統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 5 6 13 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 2 關(guān)節(jié)型機器人總體設(shè)計 定基本技術(shù)參數(shù) 械結(jié)構(gòu)類型的選擇 為實現(xiàn)總體機構(gòu)在空間的位置提供的 6個自由度，可以有不同的運動組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計成以下五種方案： 這種運動形式是 通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。 直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人，其運動部分由三個相互垂直的直線移動組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離，可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大、靈活性較差。 又稱極坐標(biāo)型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，即一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動組成，其工作空間圖 形為一個球形，它可以作上下俯仰運動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取靠進機座的物體。 采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運動，而移動關(guān)節(jié) 則實現(xiàn)上下運動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。 對以上五種方案進行比較：方案一不能夠完全實現(xiàn)本課題所要求的動作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實現(xiàn)本課題的動作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動作靈活，工藝操作精度高。 定負載 目前 ,國內(nèi)外使用的工業(yè)機器人中 ,其負載能力的范圍很大 ,最小的額定負載買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 在 5最大可達 9000N。負載大小的確定主要是考慮沿機器人各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務(wù)要求是保證手腕部能承受的最大載荷是 6 作范圍 工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中的操作范圍和運動的軌跡來確定的 ,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機器人的機械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、 自由度數(shù)和操作機各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍的選擇。 圖 2運動范圍圖 作機的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 關(guān)節(jié)型機器人本體驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)，它們常和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動臂桿和載荷完成指定的運動。通常的機器人驅(qū)動方式有以下四種 : 可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好， 而且成本低廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制。 但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運動精度較差，負載和沖擊震動過大時會造成“失步”現(xiàn) 象。 直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。 交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進電機相比價格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管 功率晶閘管 沖調(diào)寬技術(shù) (計算機控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機在調(diào)速性能方面可以與直流電機媲美。采用 16位 2位 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 (位置、速度、電流 )全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達到很高的精度。 三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率，提供很高的響應(yīng)速度。 液壓伺服馬達具有較大的功率 /體積比，運動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負載能力也比較大，能夠抓住重負載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)考慮，不 失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng) 將盡量避免使用該種驅(qū)動方式。 常用的驅(qū)動器有電機和液壓、氣動驅(qū)動裝置等。其中采用電機驅(qū)動是最常用的驅(qū)動方式。電極驅(qū)動具有精度高，可靠性好，能以較大的變速 范圍滿足機器人應(yīng)用要求等特點。所以在這次設(shè)計中我選擇了直流電機作為驅(qū)動器。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 本課題的機器人將采用直流伺服電動機。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 制系統(tǒng)選擇 對于焊接機器人這種精度要求不高的工業(yè)機器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教方式作為一種成熟的技術(shù)，易被熟悉工作任務(wù)的人員掌握。無論是手把手示教或示教盒示教，都是以在線編程， 由示教操作人員操作移動末端執(zhí)行器和手臂到所需的位置。然后記錄（存儲）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過程完成后，即可應(yīng)用，機器人以再現(xiàn)方式重復(fù)進行示教時存于存儲器的點位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過程的速度可以與示教時速度不同。 利用示教手柄由人工引導(dǎo)末端執(zhí)行器經(jīng)過所要求的軌跡，此時位置傳感器就檢測出機器人操作機上各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)（或轉(zhuǎn)角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲存）下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時，機器人控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。手把手示教也能實現(xiàn)點位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。軌跡 運動速度則按各軌跡程序段對應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。 定關(guān)節(jié)型機器人手臂的配置形式 手臂的配置形式反映了機器人操作機的總體布局。根據(jù)任務(wù)要求 ,要實現(xiàn)機器人焊接功能 ,則機器人的工作范圍要廣 ,所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點是占地面積小 ,工作范圍大 ,機器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。 根據(jù)分析 ,可將機器人的參數(shù)列在表 2 表 2節(jié)型機器人的主要參數(shù) 項目 技術(shù)要求 結(jié)構(gòu)型式 關(guān)節(jié)型 自由度數(shù) 6 運動范圍 1 2 3 4 5 6 308 314 292 578 244 534 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 最大速度 2m s 腕部最大負荷 6 續(xù)表2目 技術(shù)要求 驅(qū)動方式 直流電機 重復(fù)定位 精度 制方式 作方式 示教再現(xiàn) 存儲容量 19量 機械本體 制柜 入輸出 32 32 位 電源 110 13050 60裝環(huán)境 5 46 ;(20 90)%節(jié)型機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖 2關(guān)節(jié)型機器人傳動原理圖 圖 2整個機器人本體機械傳動系統(tǒng)的簡圖。機械傳動系統(tǒng)共有 30 個齒輪， 為了實現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向 90 ,有 10 個齒輪為 圓錐齒輪 ,有利于簡化系統(tǒng)運動方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu) ,則必然以空間交叉方式買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 變向 ,就不利于簡化系統(tǒng)運動方程式的結(jié)構(gòu)形式。 機器人主要由立柱與基座組成的回轉(zhuǎn)基座以及大臂、小臂、手腕組成。 基座是一個鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié) 1 的驅(qū)動電機，在基座內(nèi)安置了關(guān)節(jié) 1 的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座等。 大臂和小臂的結(jié)構(gòu)形式相似，都由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。內(nèi)部鑄件既作臂的承力骨架，又作內(nèi)部齒輪組的輪殼與軸的支承座。 大臂上裝有關(guān)節(jié) 2， 3 的驅(qū)動電機，內(nèi)部裝有對應(yīng)的傳動齒輪組。關(guān)節(jié) 2， 3都采用了三級齒輪減速，其中第一級采用錐齒輪，以改變傳動方向 90。第二、三級均采用圓柱直齒輪進行減速。關(guān)節(jié) 2 傳動的最末一個大齒輪固定在立柱上；關(guān)節(jié) 3 傳動的最末一個大齒輪固定在小臂上。 小臂端部連接具有 3R 手腕，在臂的根部裝有關(guān)節(jié) 4， 5 的驅(qū)動電機，在小臂的中部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié) 6 的驅(qū)動電機。關(guān)節(jié) 4， 5 均采用兩級齒輪傳動，不同的是關(guān)節(jié) 4 采用兩級圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié) 5 采用第一級圓柱直齒輪，第二級錐齒輪，使傳動軸線改變方向 90。關(guān)節(jié) 6 采用三級齒輪傳動，第一級與第二級為錐齒輪，第三級為圓柱直齒輪，關(guān)節(jié) 4， 5， 6 的齒輪組除關(guān)節(jié) 4 第一級齒輪裝在小臂內(nèi)以外，其余的均裝在手腕內(nèi)部。 所設(shè)計的機器人本體結(jié)構(gòu)特點如下： 用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡單，減輕了質(zhì)量。 般在無軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。 c. 采用薄壁軸承與滑動銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。 d. 有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。 e. 大、小臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機與臂的外壁僅有 腕內(nèi)部齒輪傳動安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。 f. 工作范圍大，適應(yīng)性廣。 的工作空間幾乎是他的長臂所能達到的全球空間。再加之其手腕軸的活動角度大，因此使它工作時位姿的適應(yīng)性強。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié) 4， 6 配合，一次就能轉(zhuǎn) 1112。 g. 由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動，調(diào)整齒輪間隙機構(gòu)，彈性萬向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度高。 h. 機器人 手臂材料的選擇： 機器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計要求，機器人手臂要完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動，這將大大降低它的運買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 動精度。因此，在選擇材料時，需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。 機器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強度。手臂材料應(yīng)選擇高強度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機器人手臂是運動的，又要具有很好的受控性， 因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍 6、聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。在我們的設(shè)計中為減輕機器人本體的重量選用鑄鋁材料。 關(guān)節(jié)型機器人總體結(jié)構(gòu)如圖 2 圖 2關(guān)節(jié)型機器人的總體結(jié)構(gòu) 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 3 關(guān)節(jié)型機器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計 通過總體分析后 ,確定了機器人的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計的腰關(guān)節(jié)部分采用二級齒輪減速傳動。 圖 3關(guān)節(jié)型機器人腰關(guān)節(jié)驅(qū)動器 和齒輪傳動機構(gòu)簡圖 動機的選擇 12 設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為 據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為 : 2333222221111 （ 3 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 1m 、2m、30512l、 2l 、3值分別為 3007001500式（ 3 2111 、 2222 、2333 故 12以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為： 2332222111 （ 3 = 222 = 同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量 : 2532422 = 22 = 248.8 式中： 4l 小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 5l 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 設(shè)主軸速度為 219 /s，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下 （ 3 式中： T 旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩 w 角加速度 2/使機器人主軸從 0019w / 1 則： 01 1 1 1 . 2 23 0 . 2 5 1 1 5 . 61 w J N 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn) 開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為 120 電動機的功率可按下式估算 M)（ 3 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 式中： 電動機功率 W ； 負載力矩 ； 負載轉(zhuǎn)速 ； 傳動裝置的效率，初步估算取 系數(shù) 2 0 3 . 8 21 . 5 0 . 9 764 估算其額定功率 足下式 （ 3 選擇 表 3功率（ W） 額定電壓 （ V） 額定電流 （ A） 額定轉(zhuǎn)速 （ r/ 濾磁方式 絕緣等級 工作制 （ 800 24 750 串勵 B 60 算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比 根據(jù)經(jīng)驗取主軸的轉(zhuǎn)速 4s。傳動裝置總傳動比總8，分二級傳動，第一級是加工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合，傳動比 1i =4；第二級傳動比為 2i = 448112 (3的設(shè)計計算 算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率 軸 750 (3軸 m 417 50 (3買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 軸 n = m r(3軸 6 00 (3z 制動器效率 軸 89 9 8 (3a 齒輪嚙合的效率 b 角接觸球軸承的效率 軸 P = (3軸 5 5 09 5 5 01(3軸 5 09 5 5 02(3軸 550 定三根軸的具體尺寸 4 兩實心軸的材料均選用 45號鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力 = 30許用應(yīng)力確定的系數(shù)為 C=120. A. 第一根軸設(shè)計及校核 750 68 5 07 6 0 33 （ 3 因為軸是齒輪軸 ,所以可以將軸的軸徑加工的大一點 ,以滿足齒輪嚙合時強度的要求。 齒輪的分度圓直徑為 50輪兩端裝有軸承 ,加工一段軸肩來定位軸承 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 齒輪軸上裝型號為 滾動軸承 7206徑為 30體尺寸如圖 3 圖 3第一級齒輪軸結(jié)構(gòu)圖 行校核計算。計算準(zhǔn)則是滿足軸的強度或剛度要求。進行軸的強度校核計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強度條件計算，對于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強度條件計算，兩者都具備的按疲勞強度條件進行精確校核等。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 圖 3 3 軸的受力分析和彎扭矩圖 求作用在齒輪上的力： )(a a n)(220404 4 0 022)(50252(3 畫軸的受力簡圖 見圖 3 3 計算軸的支承反力 在水平面上 r (3 . 0 7- 12 (3在垂直面上 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 1 0212 (3畫彎矩圖 見圖 3 3 在水平面上， 剖面左側(cè) 8 剖面右側(cè) 4 22(3在垂直面上 3 1 9 02911011(3合成彎矩， 剖面左側(cè) 222(3剖面右側(cè) 2222(3畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖 3 3 5 5 002502202(3判斷危險截面 截面左右的合成彎矩左側(cè)相對右側(cè)大些，扭矩為 T，則判斷左側(cè)為危險截面，只要左側(cè)滿足強度校核就行了。 軸的彎扭合成強度校核 許用彎曲應(yīng)力 M 01 = ， 000 =， 6001 = 截面左側(cè) 333 1 2 5 0 0105010 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 (3 M 2222 (3查得抗拉強度 50= ，彎曲疲勞強度 ，剪切疲勞極限 ，等效系數(shù) ， 截面左側(cè) 333 2 5 0 0 05505 (3查得 1=K ， K ；查得絕對尺寸系數(shù) ， ；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù) 。則 彎 曲 應(yīng) 力 b 0 0 0 0 4 ， (3 應(yīng)力幅 平均應(yīng)力 0= M p T 0 0 05 5 0 0 (3M 安全系數(shù) 3001 (3(3222 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 (3查許用安全系數(shù) =S ，顯然 ，則 剖面安全。其它軸用相同方法計算，結(jié)果都滿足要求。 此軸傳遞扭矩 轉(zhuǎn)速 , 傳遞功率為 ,則 8 3 （ 3 安裝軸承部分軸徑最小 ,由于整個軸上零件較復(fù)雜 ,在兩軸承之間有車在軸上的齒輪 ,還有安裝在軸上的小齒輪 ,以及軸套和軸承 ,所以 d 可取大一點 ,這里取0 ,軸承部分 ,軸承選為單列角接觸球軸承 ,軸承型號為 滾動軸承 7206余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定 軸承選的較大 ,強度足夠 ,這里不再詳算。中間軸大體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖 3 圖 3間軸結(jié)構(gòu)圖 C. 主軸的設(shè)計 主軸是連接腰關(guān)節(jié)與大臂的結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)體積比較大 ,為節(jié)省材料減輕重量 ,故需設(shè)計成空心軸 ,主要承受軸向拉力 ,取內(nèi)徑 ,外徑 14 ,用圓錐滾子軸承支承 ,軸承型號為 滾動軸承 30205。主軸材料選用型號為 定齒輪的參數(shù) 擇材料 4 根據(jù)表 7擇齒輪的材料為 45鋼 ,經(jīng)調(diào)質(zhì)硬度 29 286。 力角 的選擇 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 由機械原理知識可知 ,增大壓力角 ,能使輪齒的齒厚和節(jié)點處的齒廓曲率半徑增大 ,可提高齒輪的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。此處，壓力角 可取 20。 數(shù)和模數(shù)的選擇 對軟齒面的閉式齒輪傳動 ,其承載能力主要取決于齒面接觸疲勞強度。而齒面接觸應(yīng)力的大小與小齒輪的 分度圓直徑有關(guān) ,即與齒數(shù)和模數(shù)的積有關(guān)。因此在滿足彎曲疲勞強度的前提下 ,宜選擇較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)。這樣除能增大重合度 ,改善傳動的平穩(wěn)性外 ,還因模數(shù)的減小而降低齒高 ,從而減小金屬的切削量 ,減少滑動速度 ,減少磨損 ,提高抗膠合能力。 軸上齒輪齒數(shù) 1z 取 25,小齒輪齒數(shù) 2z 取 100, 軸上軸齒輪齒數(shù)35,大齒輪齒數(shù) 4z 取 300,模數(shù) 。 寬系數(shù)d 4由強度公式可知 ,當(dāng)載荷一定時 ,增大齒寬可以減小齒輪直徑 ,降低齒輪圓周速度。但增大齒寬 ,齒面上的載荷分布不均勻性也將增大。查表 7間軸上的齒輪與大齒輪嚙合時取齒寬系數(shù)d為 臂上的齒輪與小齒輪嚙合時取 d為 據(jù)公式1db d,計算結(jié)果圓整為 5 的整數(shù)倍 ,作為大齒輪的齒寬 2b ,小齒輪齒寬取 105(21 ,以補償加工裝配誤差。 所以 軸上齒