某打磨機械臂的腰部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u25082某打磨機械臂的腰部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計計算案例 124877第一章緒論 1212531.4設(shè)計技術(shù)指標(biāo) 29752第二章機械臂設(shè)計方案 23639第三章腰部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計 5246413.1腰部回轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)計 5326763.2蝸輪及蝸桿的選用與校核 67473.2.1選擇蝸桿傳動類型 6120193.2.2選擇蝸桿材料 6150273.2.3按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 650223.3蝸桿與蝸輪的主要參數(shù) 8208123.3.1蝸桿 8184643.3.2蝸輪 8308423.3.3校核齒根彎曲疲勞強度 8316443.4渦輪軸的計算與校核 9321473.5蝸輪上鍵的選取與校核 14158173.5.1選取鍵連接的類型及尺寸 14128713.5.2鍵連接的強度 14第一章緒論從2013年起，我國持續(xù)多年是需求量最多的工業(yè)機器人市場，據(jù)統(tǒng)計，2015年我國工業(yè)機器人市場銷售數(shù)量為6萬多臺，國內(nèi)品牌機器人占據(jù)了2萬多臺。目前，實力較強的工業(yè)機器人公司主要為德國，日本，美國，瑞士等國家，我國對工業(yè)機器人的研究主要為大學(xué)、研究所和各大企業(yè)。工業(yè)機器人據(jù)綜合實力，全球排名前四的品牌為ABB（瑞士）、KUKA（德國）、FANUC（日本）、YASKAWA（日本），我國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)機器人通過產(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)動器、傳感器、伺服電機、人機交互系統(tǒng)、精密減速器、機體、腕部、臂部、精密減速器、機器人軟件、腰體、系統(tǒng)軟件、執(zhí)行手和應(yīng)用軟件，目前機器人上游產(chǎn)業(yè)鏈主要被國外公司占據(jù)。中游產(chǎn)業(yè)鏈有兩點，機械本體制造和系統(tǒng)集成，國內(nèi)不少企業(yè)已進駐機器人中游產(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，汽車行業(yè)是應(yīng)用工業(yè)機器人最多的行業(yè)，占據(jù)了百分之三十五，目前我國很多企業(yè)處于機器人下游產(chǎn)業(yè)鏈。本文設(shè)計課題為多自由度機器人的設(shè)計。本次設(shè)計首先對六自由度機械手進行了解，掌握了機械手得結(jié)構(gòu)及工作原理。然后自主設(shè)計一種控制結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化得機械手，該機械手有六個自由度，包括底座回轉(zhuǎn)機構(gòu)，大臂彎曲，小臂彎曲和小臂回轉(zhuǎn)和腕部擺動和腕部回轉(zhuǎn)。本設(shè)計對機械手得結(jié)構(gòu)和驅(qū)動進行了設(shè)計計算，確定了機械臂的傳動方式，先進行了三維建模，最后繪制了圖紙并編纂了說明書。1.4設(shè)計技術(shù)指標(biāo)基本功能：要求機器人手臂能到規(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）第二章機械臂設(shè)計方案本課題所設(shè)計方案是對打磨機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計，機器人要完成空間作業(yè)任務(wù)，必須具有六個自由度。機械臂的前三個關(guān)節(jié)腰部、肩部、肘部用來改變手腕的空間位置，后三個關(guān)節(jié)在手腕處軸線相交，用來改變?nèi)嵝源蚰ヮ^的姿態(tài)。根據(jù)機器人前三關(guān)節(jié)的類型的機器人的類型大致有五種：1.直角坐標(biāo)式機器人，前三個關(guān)節(jié)都為移動副，分別沿著X軸、Y軸、Z軸移動，這種類型機器人運動學(xué)求解簡單，但是體積大，占地面積大，可活動的范圍小，不夠靈活。2.圓柱坐標(biāo)式機器人，關(guān)節(jié)1為繞豎直軸的旋轉(zhuǎn)副，關(guān)節(jié)2為豎直移動副，關(guān)節(jié)3為水平移動副，通過這三個移動副來確定手腕的空間位置。3.球坐標(biāo)式機器人，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為移動副。這類機器人占地面積小，工作空間較大，但關(guān)節(jié)3不易保護，容易被污染。4.關(guān)節(jié)式機器人，此類機器人包括底盤回轉(zhuǎn)，大臂俯仰，小臂擺動三個關(guān)節(jié)，達到對手腕的定位，工作空間大，機械動作靈活，關(guān)節(jié)易于保護。5.SCARA機器人，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是豎直方向的移動副。它比較適合同一平面的位置確定，垂直方向完成動作要求。圖2-1各類型機器人根據(jù)多方面考慮，選擇關(guān)節(jié)式機器人，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。機器人的手腕是用來調(diào)整位姿的重要結(jié)構(gòu)。目前工業(yè)六自由度機器人主要是使用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械臂的后三個關(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)就是三個電機分別裝于各個關(guān)節(jié)處，適用于負(fù)載不大的小型機器人。后驅(qū)結(jié)構(gòu)是將三個電機都裝于肘關(guān)節(jié)，電機4通過減速機和齒輪帶動小臂外側(cè)中心軸進行回轉(zhuǎn)運動，電機5通過減速機和齒輪減速，帶動小臂中間的中心軸，以帶動手腕處的錐齒輪，完成手腕的俯仰，電機6通過減速機和齒輪帶動小臂最內(nèi)側(cè)的實心軸，再通過手腕處的兩對錐齒輪換向，一對齒輪減速，以完成手腕前端的回轉(zhuǎn)，三個中心軸之間通過軸承和套筒隔開，適用于中、大型機器人的結(jié)構(gòu)，本文所設(shè)計的打磨機械臂采用后驅(qū)傳動結(jié)構(gòu)。在汽車噴漆結(jié)束后，在汽車四個方位都有一個機械臂，對有氣泡的部位進行打磨。該打磨機械臂如下圖所示包括底座回轉(zhuǎn)機構(gòu)，大臂彎曲，小臂彎曲和小臂回轉(zhuǎn)和腕部回轉(zhuǎn)、腕部擺動一共六個自由度。每個關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)機構(gòu)均由電機驅(qū)動。該機構(gòu)包括：1.腕部回轉(zhuǎn)2.腕部擺動3.小臂回轉(zhuǎn)4.小臂俯仰5.大臂擺動6.底座回轉(zhuǎn)機構(gòu)幾個部分組成。圖2-3打磨機械手臂結(jié)構(gòu)方案圖1.腕部回轉(zhuǎn)2.腕部擺動3.小臂回轉(zhuǎn)4.小臂俯仰5.大臂擺動6.底座回轉(zhuǎn)機構(gòu)第三章腰部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計3.1腰部回轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)計底座與回轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動力，大概估算上部重量大約為400kg。則驅(qū)動回轉(zhuǎn)力F=4000Nn回轉(zhuǎn)直徑D=300mm，所以回轉(zhuǎn)速度

V=首先計算電機功率P計算傳動效率

η=蝸輪蝸桿傳動效率η軸承傳動效率η所以總的傳動效率

η=P綜合功率選擇安川2系列交流伺服電機，SGMGH-13ACA6B。電機扭矩8.34N.m，交流電壓200V,電機功率1.3KW，額定轉(zhuǎn)速1500rpm，額定電流10.7A,所以滿足要求。3.2蝸輪及蝸桿的選用與校核通過上面的計算可以知道Pd3.2.1選擇蝸桿傳動類型蝸桿形狀選擇圓柱蝸桿傳動，由于傳動比不大于80，蝸桿頭數(shù)選擇單頭蝸桿，端面齒廓為漸開線。3.2.2選擇蝸桿材料蝸桿的傳動效率為0.8，速度一般，所以蝸桿材料用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45鋼。動力傳動中要求持久性較高，所以對齒面進行表面淬火。根據(jù)渦輪的運轉(zhuǎn)工況和工作速度，渦輪齒冠部分的材料選擇鑄錫青銅，采用鑄造工藝，輪芯材料采用灰鑄鐵H100。3.2.3按齒面接觸疲勞強度設(shè)計渦輪蝸桿傳動機構(gòu)封閉于底座內(nèi)，傳動類型為閉試。設(shè)計渦輪蝸桿時，按渦輪齒面接觸疲勞強度設(shè)計，則傳動中心距：a≥T2為渦輪轉(zhuǎn)矩，單位N·mm;K為使用系數(shù)；ZE為彈性系數(shù)，單位MPa^(1/2)；Zρ為接觸系數(shù)；1．確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)距T2按z1T2．確定載荷系數(shù)K由于工作機工作比較平穩(wěn)，，則工作載荷系數(shù)KA=1.15，齒向載荷分布系數(shù)K=3．確定彈性影響系數(shù)選用的是鑄錫磷青銅（ZCuSn10P1）蝸輪，故ZE4．確定接觸系數(shù)由選用的為ZI型蝸桿，設(shè)蝸桿直徑d1和中心距a的比值d5．確定許用應(yīng)力[渦輪材料選定，采用鑄造工藝，得基本許用應(yīng)力[σ應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N=60nj由蝸輪蝸桿不是持續(xù)傳動，則壽命系數(shù)：K則σ（4）由查得的彈性系數(shù)為164Mpa，則：m6．計算中心距a≥查表得：m=5mm，d1=50mm，因i=60，取中心距a=175mm。3.3蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)3.3.1蝸桿蝸桿分度圓直徑d1蝸桿軸向齒距p直徑系數(shù)q=10齒頂圓直徑d齒根圓直徑d分度圓導(dǎo)程角γ=5.71°蝸桿軸向齒厚s3.3.2蝸輪蝸輪齒數(shù)z蝸輪分度圓直徑d2蝸輪喉圓直徑da2蝸輪齒根圓直徑df2蝸輪咽喉母圓直徑rg23.3.3校核齒根彎曲疲勞強度σ當(dāng)量齒數(shù)z根據(jù)x2=0，zv2螺旋角系數(shù)Yβ許用彎曲應(yīng)力[σ鑄錫磷青銅材料的基本許用彎曲應(yīng)力[σ壽命系數(shù)K[σσF所以彎曲強度達到了要求。3.4渦輪軸的計算與校核（1）已經(jīng)確定的參數(shù)腰部回轉(zhuǎn)的工作轉(zhuǎn)速為每分鐘10轉(zhuǎn)；功率0.63千瓦；軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩600000N?mm（2）渦輪軸的材料選擇渦輪軸的材料選用40Cr鋼，熱處理為調(diào)質(zhì)處理，查的其許用彎曲應(yīng)力為[σ]=70MPa。（3）按扭轉(zhuǎn)強度概略計算軸的最小直徑根據(jù)功率和轉(zhuǎn)速公式計算空心軸的內(nèi)直徑，故取A=102。d≥A×所以根據(jù)計算公式選取空心軸最小外徑D=70mm，內(nèi)孔d=54mma.軸的結(jié)構(gòu)分析渦輪軸轉(zhuǎn)動速度不快，按普通階梯軸設(shè)計，蝸輪與軸的傳動，選用A型普通平鍵，寬度20毫米，高度12毫米，長度95毫米，軸承裝在軸的兩端。定位軸肩直徑為120毫米。圖3-1渦輪軸第1段：d1=70mm配合鎖緊螺母，L1=23.5mm第2段：d2=75mm安裝軸承，L2=104mm第3段：d3=76mm安裝蝸輪，L3=103mm第4段：d4=120mm軸肩，L4=25mm第5段：d5=175mm軸肩，L5=15.5mm第6段：d6=160mm安裝軸承及連接回轉(zhuǎn)底座，L6=66m（從下往上依次6段）

表3-1渦輪軸各段設(shè)計尺寸軸段號123456直徑（mm）707576120170160長度（mm）23.51041032515.566（5）彎曲-扭轉(zhuǎn)組合強度校核b.計算作用在軸上的力蝸輪所受的圓周力F蝸輪所受的軸向力F蝸輪所受的徑向力Fc.計算作用在軸上的支座反力渦輪軸的下端面中點到下面軸承中點距離La=44mm，下面軸承中點到渦輪中點距離Lb=110mm，渦輪中點到上面軸承中點距離Lc=132.5mmd.軸承的支反力在水平面上，（下面軸承A和上面軸承B）RR在垂直面上，RR軸承A的RARA軸承B的力RR在水平面上，彎矩軸截面A：M軸截面B：M軸截面C（渦輪所在處）：M軸截面D：M在垂直面上，彎矩：軸截面A：M軸截面B：M軸截面C右側(cè)：M軸截面C左側(cè)：M軸截面D：M合成彎矩：截面A處：MA截面B處：M截面C左側(cè)：M截面C右側(cè)：M截面D處：MT=600000N?mmh.計算當(dāng)量彎矩截面A處：M截面B處：M截面C左側(cè)：M截面C右側(cè)：M截面D處當(dāng)量彎矩：Mh.校核渦輪軸軸的強度渦輪所在截面為危險截面，已知蝸輪配合處軸徑d=76mm，該處彎矩大，轉(zhuǎn)矩比較大?？箯澖孛嫦禂?shù)WW=抗扭截面系數(shù)WW最大彎曲應(yīng)力σσ剪切應(yīng)力ττ=按彎扭合成強度進行校核計算，渦輪蝸桿單向傳動視為脈動循環(huán)，取折