某打磨機(jī)械臂的肩部和肘部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u17583某打磨機(jī)械臂的肩部和肘部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算案例 110943第一章緒論 155561.4設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) 28790第二章機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案 225881第三章肩部俯仰角度設(shè)計(jì) 512104第四章肘部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6297014.1肘部俯仰設(shè)計(jì) 6276134.2肘部回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì) 7251784.2.1肘部回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)選型 751894.2.2齒輪傳動設(shè)計(jì) 8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(jī)器人市場，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年我國工業(yè)機(jī)器人市場銷售數(shù)量為6萬多臺，國內(nèi)品牌機(jī)器人占據(jù)了2萬多臺。目前，實(shí)力較強(qiáng)的工業(yè)機(jī)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(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）、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(jī)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(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，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)和腕部擺動和腕部回轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)對機(jī)械手得結(jié)構(gòu)和驅(qū)動進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了機(jī)械臂的傳動方式，先進(jìn)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(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)，必須具有六個自由度。機(jī)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(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(jī)器人運(yùn)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(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(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，小臂擺動三個關(guān)節(jié)，達(dá)到對手腕的定位，工作空間大，機(jī)械動作靈活，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(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(jī)分別裝于各個關(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)是將三個電機(jī)都裝于肘關(guān)節(jié)，電機(jī)4通過減速機(jī)和齒輪帶動小臂外側(cè)中心軸進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動，電機(jī)5通過減速機(jī)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(jī)6通過減速機(jī)和齒輪帶動小臂最內(nèi)側(cè)的實(shí)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(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(jī)械臂，對有氣泡的部位進(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)、腕部擺動一共六個自由度。每個關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)均由電機(jī)驅(qū)動。該機(jī)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(jī)構(gòu)幾個部分組成。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3.小臂回轉(zhuǎn)4.小臂俯仰5.大臂擺動6.底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)第三章肩部俯仰角度設(shè)計(jì)通常情況下，肩部電機(jī)裝在肩部處，以帶動肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。大臂及前端大概估算重量為90kg。大臂自重m1=30kg，其他自重m2=60kg。大臂長度L=0.6m。轉(zhuǎn)動扭矩

T由于機(jī)構(gòu)所需扭矩較大所以需要電機(jī)加減速器得方式進(jìn)行驅(qū)動。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求最大旋轉(zhuǎn)速度為136度/秒。所以旋轉(zhuǎn)一圈需要360/136=2.65秒。所以轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)速度選擇

n電機(jī)功率P根據(jù)功率選擇安川2系列交流伺服電機(jī)，型號為SGMGH-13ACA6B，電機(jī)功率1.3KW。電機(jī)扭矩8.34N.m，交流電壓200V，額定轉(zhuǎn)速1500rpm。所以減速器減速比i=1500/22.6=66.4。減速器選擇BLD2-71-0.75法蘭式擺線針輪減速器，速比i=71。第四章肘部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)通常情況下，肘部電機(jī)位于肘關(guān)節(jié)處，本文采用的是肘部電機(jī)裝于肩部的另一側(cè)，以大臂為基礎(chǔ)，通過連桿構(gòu)建平行四邊形結(jié)構(gòu)，帶動小臂進(jìn)行俯仰運(yùn)動。4.1肘部俯仰設(shè)計(jì)右側(cè)電機(jī)經(jīng)過減速器減速，傳到平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，以帶動小臂俯仰。小臂及腕部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)大概估算重量為60kg。則驅(qū)動回轉(zhuǎn)力F則轉(zhuǎn)動扭矩

T由于機(jī)構(gòu)所需扭矩較大所以需要電機(jī)加減速器得方式進(jìn)行驅(qū)動。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求最大旋轉(zhuǎn)速度為137度/秒。所以旋轉(zhuǎn)一圈需要360/137=2.63秒。所以肘部轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)速度

n電機(jī)功率P伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nm=1500rpm。所以減速器減速比i=1500/22.8=64.8。所以根據(jù)速比和扭矩要求選擇電機(jī)和減速器型號如下，綜合功率和啟動扭矩選擇安川伺服電機(jī)，型號為SGMGH-13ACA6B。電機(jī)功率1.3KW，電機(jī)扭矩8.34N.m，交流電壓200V,額定轉(zhuǎn)速1500rpm，額定電流10.7A,減速器選擇BLD2-71-0.75法蘭式擺線針輪減速器，速比i=71。4.2肘部回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)4.2.1肘部回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)選型小臂及腕部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)大概估算重量為30kg。則驅(qū)動回轉(zhuǎn)力F=μ×轉(zhuǎn)動扭矩

T小臂回轉(zhuǎn)采用減速機(jī)加齒輪傳動實(shí)現(xiàn)。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求最大旋轉(zhuǎn)速度為150度/秒。所以旋轉(zhuǎn)一圈需要360/150=2.4秒。所以臂回轉(zhuǎn)速度

n電機(jī)功率P圖5-1HB系列電機(jī)參數(shù)電機(jī)選擇機(jī)械臂伺服電機(jī)，減速比為：i=1500/25=60。所以根據(jù)速比和扭矩要求選擇電機(jī)和減速器型號如下，伺服電機(jī)選擇60型，電機(jī)功率0.2KW，絕緣溫度等級B級（最高允許溫度130℃），防護(hù)等級IP65（軸伸出部分除外），柜體內(nèi)在20毫巴的低壓下不應(yīng)進(jìn)入灰塵，電機(jī)使用環(huán)境溫度負(fù)20℃到55℃，環(huán)境濕度：相對濕度小于90%。分配速比取減速器速比i1=20，則齒輪速比i2=3。選擇精密行星減速機(jī)PF系列，該系列減速器體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，性價(jià)比高。所以選擇FP60-20減速機(jī)。圖5-2PF精密減速器參數(shù)4.2.2齒輪傳動設(shè)計(jì)4.2.2.1選擇材料齒輪傳動效率不大，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長接近，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。4.2.2.2設(shè)計(jì)小臂回轉(zhuǎn)傳動齒輪由齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)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。2）選小齒輪齒數(shù)z1=16，3）試選載荷系數(shù)Kt4）小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T=22920N?mm。5）齒寬系數(shù)?6）由文獻(xiàn)查得材料的彈性影響系數(shù)ZE7）按齒面硬度，查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σ大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度σHlim28）由下式計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：NN9）取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.9010）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力[σ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）試算小齒輪的分度圓直徑d1t，代入[d2）計(jì)算周轉(zhuǎn)速度v。v=3）計(jì)算齒寬b。b=4）計(jì)算載荷系數(shù)K。根據(jù)v=0.27m/s，齒輪裝置精度等級為7，則動載系數(shù)Kv直齒輪齒間載荷系數(shù)KHα由表查得使用系數(shù)KA查得調(diào)質(zhì)齒輪裝置精度等級為7，結(jié)構(gòu)布局為非對稱布置的情況下，齒向載荷分布系數(shù)KHβ=1.411。由b/h=9.83、KHβ=1.411K=6）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)下的理論分度圓直徑dd7）計(jì)算模數(shù)m。m=4.2.2.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為：m≥1．確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值。1）查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限σFE1大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限σ2）查得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.85，3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力[取彎曲疲勞安全系數(shù)