某六軸噴涂機(jī)器人的手腕結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u7247某六軸噴涂機(jī)器人的手腕結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)計(jì)算案例 173361.1噴涂機(jī)器人手腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)選型 140191.2手腕結(jié)構(gòu)傳動(dòng)部分設(shè)計(jì) 11.1噴涂機(jī)器人手腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)選型噴涂機(jī)器人的手腕結(jié)構(gòu)通過(guò)手腕末端的法蘭來(lái)連接末端執(zhí)行器（高速旋杯），主要用來(lái)改變噴槍的位置和姿態(tài)。噴涂機(jī)器人的手腕結(jié)構(gòu)通常具備三個(gè)自由度，因?yàn)槿齻€(gè)自由度能夠使末端執(zhí)行器到達(dá)任意想要的位置，方便工件的噴涂，而且使得手腕具有很強(qiáng)的靈活性。三自由度機(jī)器人手腕按三個(gè)關(guān)節(jié)軸線是否相交于一點(diǎn)可以分為球型手腕和非球型手腕兩種。如果機(jī)器人的手腕的三個(gè)關(guān)節(jié)的軸線相交于空間中的一點(diǎn)，那么這種手腕結(jié)構(gòu)就是球型手腕。否者，機(jī)器人的手腕的三個(gè)關(guān)節(jié)的軸線在空間中不相交于一點(diǎn)，那么這種手腕結(jié)構(gòu)為非球型手腕。根據(jù)相交的關(guān)節(jié)軸線之間的位置的關(guān)系，又可將球型手腕分為正交球型手腕結(jié)構(gòu)和斜交球型手腕結(jié)構(gòu)兩種手腕結(jié)構(gòu)。。正交非球型手腕雖然能夠做成中空結(jié)構(gòu)，使得油漆管從手腕內(nèi)部通過(guò)，但同樣由于本身結(jié)構(gòu)的原因，從內(nèi)部穿過(guò)的涂料管等必須彎折成90度，涂料管的堵塞的情況更容易發(fā)生。因此，并不能作為理想的噴涂機(jī)器人的手腕結(jié)構(gòu)。綜上所述，采用斜交非球型手腕，并且手腕做成中空結(jié)構(gòu)，是能夠作為噴涂機(jī)器人所需要的一種手腕結(jié)構(gòu)，中空的結(jié)構(gòu)使得油漆管等管道能夠從機(jī)器人小臂穿過(guò)手腕內(nèi)部，直接與末端執(zhí)行器（高速旋杯）相連。這不僅使得噴涂作業(yè)的空間更為簡(jiǎn)潔，電線，電纜等置于機(jī)器人內(nèi)部，與外部的工作空間中的易燃易爆粉末或氣體隔絕，有利于噴涂機(jī)器人防爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的噴涂機(jī)器人的研究對(duì)象安川工業(yè)機(jī)器人EPX2900正是采用了這種中空斜交非球型手腕結(jié)構(gòu)。因此，本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人的手腕部分的結(jié)構(gòu)選型采用的是中空斜交非球型手腕。1.2手腕結(jié)構(gòu)傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的噴涂機(jī)器人手腕選擇的是斜交非球型中空手腕，手腕的傳動(dòng)需要用到錐齒輪來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的傳遞，實(shí)現(xiàn)手腕后兩個(gè)關(guān)節(jié)B-軸和T-軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在錐齒輪的軸交角的選擇上，如果選擇90度軸交角的錐齒輪進(jìn)行嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)，則最后做出來(lái)的是正交的非球型手腕，在前一小節(jié)能夠知道，正交的非球型手腕仍然存在一點(diǎn)的缺點(diǎn)，不是噴涂機(jī)器人的理想手腕。所以在軸交角的選擇上，排除掉90度軸交角。因此，可以選擇軸交角為120度的錐齒輪，作為傳動(dòng)系統(tǒng)的部件。因?yàn)?，使?20度軸交角的錐齒輪的輸入端與輸出端之間的距離能夠大幅度的減少，使的手腕的結(jié)構(gòu)更加緊密，能夠在更狹小的空間進(jìn)行工作。手臂的三個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，均采用交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)安裝在U-軸內(nèi)部，通過(guò)三根傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞到手腕，實(shí)現(xiàn)手腕三個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。如果手腕安裝在小臂前端，不僅使小臂的結(jié)構(gòu)過(guò)于龐大，而且使得機(jī)器人末端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，降低噴涂機(jī)器人實(shí)時(shí)控制精度。根據(jù)手腕三個(gè)關(guān)節(jié)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度，在手腕的初步設(shè)計(jì)中，通過(guò)先確定選擇交流伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，計(jì)算出三個(gè)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)比，然后考慮傳動(dòng)齒輪的尺寸的大小適合的傳動(dòng)比，選擇使用的減速器的減速比。本次交流伺服電機(jī)初步選擇的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)每分鐘?？梢杂?jì)算出各關(guān)節(jié)的傳動(dòng)比如下所示：iii式中ni為電機(jī)轉(zhuǎn)速，ω在手腕關(guān)節(jié)的減速器的選擇上，有諧波減速器和精密行星減速器兩種選擇方案。諧波減速器有著高精度，高承載的優(yōu)點(diǎn)，減速比在50到100之間，適合在小型機(jī)器人里做減速裝置。由于諧波減速器內(nèi)部會(huì)使用到的一種關(guān)鍵齒輪是柔性的，主要在工作的時(shí)候通過(guò)不斷反復(fù)的高速變形過(guò)程，使減速器齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。因此柔性齒輪相對(duì)來(lái)說(shuō)比較脆弱，在承載力和壽命上都是有一定的上限，隨著工作時(shí)長(zhǎng)的增加，精度也會(huì)下降。行星減速器具有重量輕，體積小，效率高，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)場(chǎng)合。在速比不高的領(lǐng)域中，行星減速器占據(jù)著極高的地位。由于本次計(jì)算得到的關(guān)節(jié)傳動(dòng)比均在50以下，綜合兩類減速器各自的特點(diǎn)，選擇采用行星減速器作為本次手腕傳動(dòng)的減速裝置。手腕的傳動(dòng)系統(tǒng)如下圖1.3所示，由伺服電機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，通過(guò)三根與手腕連接的傳動(dòng)軸傳遞到漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪，再傳遞到手腕，使三個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。圖1.3手腕的傳動(dòng)方案1.3手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在圖中，顯示了斜交非球型手腕的3個(gè)自由度，占據(jù)機(jī)器人全部自由度數(shù)的一半。下圖1.4為手腕結(jié)構(gòu)的外觀圖，末端的法蘭用于連接末端執(zhí)行器。圖1.4手腕結(jié)構(gòu)外觀圖關(guān)節(jié)5通過(guò)一對(duì)錐齒輪進(jìn)行嚙合傳動(dòng)，關(guān)節(jié)6通過(guò)兩對(duì)錐齒輪進(jìn)行嚙合傳動(dòng)。圓柱齒輪做成齒輪軸，圓柱齒輪的傳動(dòng)比按1：3的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，齒輪軸在手腕基座的位置會(huì)設(shè)計(jì)三個(gè)套杯以增強(qiáng)強(qiáng)度。下圖1.5(a)和圖1.5(b)為手腕的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(a)手腕內(nèi)部剖視圖(b)手腕內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖1.5機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)圖在上圖1.5（a)和1.5(b)中，紅色的部分表示手腕內(nèi)部的軸承，藍(lán)色部分為T-軸的錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，褐色部分為B-軸的錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，綠色部分為圓柱齒輪傳動(dòng)。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的傳遞過(guò)程為如下：關(guān)節(jié)4的傳動(dòng)由裝置在小臂末端U-軸內(nèi)的電機(jī)4驅(qū)動(dòng)，通過(guò)行星減速器4減速，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)軸傳遞到手腕內(nèi)的N5/N6圓柱齒輪減速，帶動(dòng)關(guān)節(jié)4進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；關(guān)節(jié)5的傳動(dòng)由裝置再小臂末端U-軸內(nèi)的電機(jī)5驅(qū)動(dòng)，通過(guò)行星減速器5減速，經(jīng)由傳動(dòng)軸傳遞到手腕內(nèi)的N3/N4圓柱齒輪減速，然后經(jīng)過(guò)錐齒輪N7/N8傳動(dòng)，帶動(dòng)關(guān)節(jié)5進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；關(guān)節(jié)6的傳動(dòng)由裝置在小臂末端U-軸內(nèi)的電機(jī)6驅(qū)動(dòng)，通過(guò)行星減速器6減速，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)軸傳遞到N5/N6圓柱齒輪減速，再經(jīng)過(guò)錐齒輪N9/N10，N11/N12傳動(dòng)，帶動(dòng)關(guān)節(jié)6進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。表1.2手腕關(guān)節(jié)的傳動(dòng)鏈關(guān)節(jié)序號(hào)各關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈4