某打磨機(jī)械臂的手腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u16719某打磨機(jī)械臂的手腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)案例 121884第一章緒論 17581第二章機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案 229688第三章手腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 539033.1手腕擺動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì) 5169813.1.1手腕俯仰驅(qū)動(dòng)選型設(shè)計(jì) 5149803.1.2腕部擺動(dòng)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 6320203.2腕部回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì) 8219503.2.1腕部回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)選型設(shè)計(jì) 8178263.2.2腕部回轉(zhuǎn)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 9第一章緒論從2013年起，我國(guó)持續(xù)多年是需求量最多的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)銷售數(shù)量為6萬(wàn)多臺(tái)，國(guó)內(nèi)品牌機(jī)器人占據(jù)了2萬(wàn)多臺(tái)。目前，實(shí)力較強(qiáng)的工業(yè)機(jī)器人公司主要為德國(guó)，日本，美國(guó)，瑞士等國(guó)家，我國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究主要為大學(xué)、研究所和各大企業(yè)。工業(yè)機(jī)器人據(jù)綜合實(shí)力，全球排名前四的品牌為ABB（瑞士）、KUKA（德國(guó)）、FANUC（日本）、YASKAWA（日本），我國(guó)排名前四的品牌為埃斯頓、埃夫特、廣數(shù)、佛山華數(shù)。工業(yè)機(jī)器人通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈分為三部分。上游產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)呛诵牧悴考圃?，包括控制器、?qū)動(dòng)器、傳感器、伺服電機(jī)、人機(jī)交互系統(tǒng)、精密減速器、機(jī)體、腕部、臂部、精密減速器、機(jī)器人軟件、腰體、系統(tǒng)軟件、執(zhí)行手和應(yīng)用軟件，目前機(jī)器人上游產(chǎn)業(yè)鏈主要被國(guó)外公司占據(jù)。中游產(chǎn)業(yè)鏈有兩點(diǎn)，機(jī)械本體制造和系統(tǒng)集成，國(guó)內(nèi)不少企業(yè)已進(jìn)駐機(jī)器人中游產(chǎn)業(yè)鏈。下游產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)钱a(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，包括食品加工、金屬加工、電子元器件制造等等，在我國(guó)，汽車行業(yè)是應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人最多的行業(yè)，占據(jù)了百分之三十五，目前我國(guó)很多企業(yè)處于機(jī)器人下游產(chǎn)業(yè)鏈。本文設(shè)計(jì)課題為多自由度機(jī)器人的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)首先對(duì)六自由度機(jī)械手進(jìn)行了解，掌握了機(jī)械手得結(jié)構(gòu)及工作原理。然后自主設(shè)計(jì)一種控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化得機(jī)械手，該機(jī)械手有六個(gè)自由度，包括底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，大臂彎曲，小臂彎曲和小臂回轉(zhuǎn)和腕部擺動(dòng)和腕部回轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)械手得結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了機(jī)械臂的傳動(dòng)方式，先進(jìn)行了三維建模，最后繪制了圖紙并編纂了說(shuō)明書。1.4設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)基本功能：要求機(jī)器人手臂能到規(guī)定位置，并且可以打磨汽車車漆氣泡。關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：定位精度0.1mm，重復(fù)定位精度0.1mm。末端運(yùn)行速度1m/s最大負(fù)載10kg。腰部旋轉(zhuǎn)角度：±120o（最大旋轉(zhuǎn)速度：60o/s）肩部俯仰角度：+170o~-60o（最大旋轉(zhuǎn)速度：136o/s）肘部俯仰角度：+82o~-66o（最大旋轉(zhuǎn)速度：137o/s）肘部旋轉(zhuǎn)角度：±150o（最大旋轉(zhuǎn)速度：150o/s）手腕俯仰角度：±122o（最大旋轉(zhuǎn)速度：163o/s）手腕旋轉(zhuǎn)角度：±300o(最大旋轉(zhuǎn)速度：300o/s）第二章機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案本課題所設(shè)計(jì)方案是對(duì)打磨機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器人要完成空間作業(yè)任務(wù)，必須具有六個(gè)自由度。機(jī)械臂的前三個(gè)關(guān)節(jié)腰部、肩部、肘部用來(lái)改變手腕的空間位置，后三個(gè)關(guān)節(jié)在手腕處軸線相交，用來(lái)改變?nèi)嵝源蚰ヮ^的姿態(tài)。根據(jù)機(jī)器人前三關(guān)節(jié)的類型的機(jī)器人的類型大致有五種：1.直角坐標(biāo)式機(jī)器人，前三個(gè)關(guān)節(jié)都為移動(dòng)副，分別沿著X軸、Y軸、Z軸移動(dòng)，這種類型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)求解簡(jiǎn)單，但是體積大，占地面積大，可活動(dòng)的范圍小，不夠靈活。2.圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人，關(guān)節(jié)1為繞豎直軸的旋轉(zhuǎn)副，關(guān)節(jié)2為豎直移動(dòng)副，關(guān)節(jié)3為水平移動(dòng)副，通過(guò)這三個(gè)移動(dòng)副來(lái)確定手腕的空間位置。3.球坐標(biāo)式機(jī)器人，關(guān)節(jié)1為繞豎直軸的旋轉(zhuǎn)副，關(guān)節(jié)2為繞水平軸旋轉(zhuǎn)副，關(guān)節(jié)3為移動(dòng)副。這類機(jī)器人占地面積小，工作空間較大，但關(guān)節(jié)3不易保護(hù)，容易被污染。4.關(guān)節(jié)式機(jī)器人，此類機(jī)器人包括底盤回轉(zhuǎn)，大臂俯仰，小臂擺動(dòng)三個(gè)關(guān)節(jié)，達(dá)到對(duì)手腕的定位，工作空間大，機(jī)械動(dòng)作靈活，關(guān)節(jié)易于保護(hù)。5.SCARA機(jī)器人，關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2是繞豎直方向軸的旋轉(zhuǎn)副，關(guān)節(jié)3是豎直方向的移動(dòng)副。它比較適合同一平面的位置確定，垂直方向完成動(dòng)作要求。圖2-1各類型機(jī)器人根據(jù)多方面考慮，選擇關(guān)節(jié)式機(jī)器人，該結(jié)構(gòu)占地面積小，控制靈活，關(guān)節(jié)部位易于防塵適合打磨汽車氣泡的環(huán)境。機(jī)器人的手腕是用來(lái)調(diào)整位姿的重要結(jié)構(gòu)。目前工業(yè)六自由度機(jī)器人主要是使用3自由度手腕，有BBR、BRR、RRR、RBR四種。上述結(jié)構(gòu)中RBR結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)多,結(jié)構(gòu)緊湊，易于調(diào)整的位姿。圖2-2三自由度手腕示意圖機(jī)械臂的后三個(gè)關(guān)節(jié)分為前驅(qū)結(jié)構(gòu)和后驅(qū)結(jié)構(gòu)，前驅(qū)結(jié)構(gòu)就是三個(gè)電機(jī)分別裝于各個(gè)關(guān)節(jié)處，適用于負(fù)載不大的小型機(jī)器人。后驅(qū)結(jié)構(gòu)是將三個(gè)電機(jī)都裝于肘關(guān)節(jié)，電機(jī)4通過(guò)減速機(jī)和齒輪帶動(dòng)小臂外側(cè)中心軸進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)5通過(guò)減速機(jī)和齒輪減速，帶動(dòng)小臂中間的中心軸，以帶動(dòng)手腕處的錐齒輪，完成手腕的俯仰，電機(jī)6通過(guò)減速機(jī)和齒輪帶動(dòng)小臂最內(nèi)側(cè)的實(shí)心軸，再通過(guò)手腕處的兩對(duì)錐齒輪換向，一對(duì)齒輪減速，以完成手腕前端的回轉(zhuǎn)，三個(gè)中心軸之間通過(guò)軸承和套筒隔開(kāi)，適用于中、大型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，本文所設(shè)計(jì)的打磨機(jī)械臂采用后驅(qū)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。在汽車噴漆結(jié)束后，在汽車四個(gè)方位都有一個(gè)機(jī)械臂，對(duì)有氣泡的部位進(jìn)行打磨。該打磨機(jī)械臂如下圖所示包括底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，大臂彎曲，小臂彎曲和小臂回轉(zhuǎn)和腕部回轉(zhuǎn)、腕部擺動(dòng)一共六個(gè)自由度。每個(gè)關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)包括：1.腕部回轉(zhuǎn)2.腕部擺動(dòng)3.小臂回轉(zhuǎn)4.小臂俯仰5.大臂擺動(dòng)6.底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)幾個(gè)部分組成。圖2-3打磨機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)方案圖1.腕部回轉(zhuǎn)2.腕部擺動(dòng)3.小臂回轉(zhuǎn)4.小臂俯仰5.大臂擺動(dòng)6.底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)第三章手腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)3.1手腕擺動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)3.1.1手腕俯仰驅(qū)動(dòng)選型設(shè)計(jì)腕部自重及負(fù)載機(jī)構(gòu)總負(fù)載為15kg。則驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)力F電機(jī)功率轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩

T根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求最大旋轉(zhuǎn)速度為163度/秒。所以旋轉(zhuǎn)一圈需要360/163=2.2秒。所以腕部俯仰速度

n電機(jī)選擇機(jī)械伺服電機(jī)，伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nm=1500rpm。所以總的減速比i=1500/27.3=54.9。所以根據(jù)速比和扭矩要求選擇電機(jī)和減速器型號(hào)如下，伺服電機(jī)選擇60型，電機(jī)輸出扭矩T=2.8大于工作所需1.5N.m，所以滿足要求。電機(jī)功率P電機(jī)選擇伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)速每分鐘1500轉(zhuǎn)，所以減速器減速比i=1500/27.3=54.9。所以根據(jù)速比和扭矩要求選擇電機(jī)和減速器型號(hào)如下，伺服電機(jī)選擇60型，型號(hào)為60HBM00630CBM，電機(jī)功率0.2KW電機(jī)扭矩T=1.9N.m。分配速比取減速器速比i1=27.5，則齒輪速比i2=2。所以選擇精密行星減速機(jī)PF60-30型伺服減速機(jī)。3.1.2腕部擺動(dòng)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)3.1.2.1選擇材料齒輪傳動(dòng)效率不大，速度一般，小齒輪材料為40Cr鋼，熱處理為調(diào)質(zhì)處理。為了減少膠合危險(xiǎn)，并且使兩齒輪使用時(shí)長(zhǎng)接近，所以大齒輪材料為45鋼，熱處理為調(diào)質(zhì)處理。大齒輪與小齒輪硬度差為40HBS。3.1.2.2設(shè)計(jì)腕部擺動(dòng)齒輪由齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即d1．確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值。1）選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。2）選z1=16，3）試選Kt4）小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T=31483N?mm。5）則?d6）由文獻(xiàn)查得材料的ZE7）查得小齒輪的σHlim1查得大齒輪的σHlim28）由下式計(jì)算：NN9）取KHN1=0.90；10）計(jì)算。取大部分情況下穩(wěn)定，失效概率為1%，，低可靠度最小安全系數(shù)S=1，由式得[[2．計(jì)算1）試算d1t，代入[d2）計(jì)算v。v=3）計(jì)算b。b=4）計(jì)算K。根據(jù)v=0.27m/s，齒輪裝置精度等級(jí)為7，查得Kv查得KHα由表查得KA查得調(diào)質(zhì)齒輪裝置精度等級(jí)為7、結(jié)構(gòu)布局為非對(duì)稱布置的情況下，KHβ=1.411。由b/h=9.83KHβK=6）計(jì)算d1d17）計(jì)算m。m=3.1.2.3計(jì)算齒輪幾何尺寸1．計(jì)算dd1d22．計(jì)算aa=3．計(jì)算b=取B2=20mm，3.2腕部回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)3.2.1腕部回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)選型設(shè)計(jì)腕部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)負(fù)載為10kg。則驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)力F回轉(zhuǎn)半徑r=30mm轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩

T根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求最大旋轉(zhuǎn)速度為300度/秒。所以旋轉(zhuǎn)一圈需要360/300=1.2秒。所以腕部回轉(zhuǎn)速度

n電機(jī)選擇機(jī)械手常用伺服電機(jī)，伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nm=1500rpm。所以總得減速比i=1500/50=30。所以根據(jù)速比和扭矩要求選擇電機(jī)和減速器型號(hào)如下，伺服電機(jī)選擇60型電機(jī)功率P電機(jī)選擇機(jī)械臂伺服電機(jī)，型號(hào)為60HBM00630CBM,伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nm=1500rpm。所以減速器減速比i=1500/50=30。所以根據(jù)速比和扭矩要求選擇電機(jī)和減速器型號(hào)如下，伺服電機(jī)選擇60型，電機(jī)功率0.2KW電機(jī)扭矩T=1.9N.m。分配速比取減速器速比i1=24，則齒輪速比i2=1.25。所以選擇減速機(jī)PF60-25型伺服減速機(jī)。3.2.2腕部回轉(zhuǎn)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)3.2.2.1選擇材料齒輪傳動(dòng)效率不大，速度一般，小齒輪材料為40Cr鋼，熱處理為調(diào)質(zhì)處理。為了減少膠合危險(xiǎn)，并且使兩齒輪使用時(shí)長(zhǎng)接近，所以大齒輪材料為45鋼，熱處理為調(diào)質(zhì)處理。大齒輪與小齒輪硬度差為40HBS。3.2.2.2設(shè)計(jì)腕部回轉(zhuǎn)傳動(dòng)齒輪由齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即d1．確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值。1）選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。2）選z1=16，3）試選Kt4）小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T=11460N?mm。5）則?d6）由文獻(xiàn)查得ZE7）查得σHlim1σHlim28）由下式計(jì)算：NN9）取KHN1=0.90；10）計(jì)算。取大部分情況下穩(wěn)定，失效概率為1%，低可靠