0488-3-DOF三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【全套6張CAD圖】,全套6張CAD圖,dof,自由度,工業(yè),機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),全套,cad 目 錄 1 引言 (01) 1. 1 選題的依據(jù)和意義 (02) 1. 2 國內(nèi)外研究概況 (03) 1. 3 論文主要內(nèi)容 (05) 2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析 (06) 2. 1 總體結(jié)構(gòu)的概述 (06) 2. 2 第一軸（大臂）的結(jié)構(gòu) (07) 2. 3 第二軸結(jié)構(gòu) (09) 2. 4 第三軸結(jié)構(gòu) (10) 2. 5 傳動方案的確定 (11) 3 設(shè)計(jì)計(jì)算 (12) 3. 1 電動機(jī)的選擇 (12) 4 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 (16) 4. 1 第一軸的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (16) 4. 2 軸承的選擇 (31) 4．2．1 斜齒輪傳動軸上的軸承 (31) 5 機(jī)器人各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (32) 5. 1 轉(zhuǎn)角范圍的控制設(shè)計(jì) (32) 5. 2 主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（第一臂與底座） (33) 5．2 .1 第一軸轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu) (33) 5．2 .2 底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (33) 6 總 結(jié) (34) 參考文獻(xiàn) (35) 致 謝 (36) 附錄 A 外文文獻(xiàn)翻譯 附錄 B CAD圖A1總裝配圖與各零件圖 動態(tài)優(yōu)化的一種新型高速，高精度的三自由度機(jī)械手① 彭蘭（蘭朋）②，魯南立，孫立寧，丁傾永 (機(jī)械電子工程學(xué)院，哈爾濱理工學(xué)院，哈爾濱 150001，中國) ( Robotics Institute。Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，P。R。China) 摘要 介紹了一種動態(tài)優(yōu)化三自由度高速、高精度相結(jié)合，直接驅(qū)動臂平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)和線性驅(qū)動器，它可以提高其剛度進(jìn)行了動力學(xué)分析軟件ADAMS仿真模擬環(huán)境中，進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn).設(shè)計(jì)調(diào)查是由參數(shù)分析工具完成處理的，分析了設(shè)計(jì)變量的近似的敏感性，包括影響參數(shù)的每道光束截面和相對位置的線性驅(qū)動器上的性能.在適當(dāng)?shù)姆绞较拢Ｐ涂梢垣@得一個(gè)輕量級動態(tài)優(yōu)化和小變形的參數(shù)。一個(gè)平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)不同截面是用來改進(jìn)機(jī)械手的.結(jié)果發(fā)生明顯的改進(jìn)后的系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析和另一個(gè)未精制一個(gè)幾乎是幾乎相等.但剛度的改進(jìn)的質(zhì)量大大降低，說明這種方法更為有效的。 關(guān)鍵詞: 機(jī)械手、 ADAMS、 優(yōu)化、 動力學(xué)仿真 0 簡介 并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)械手（PKM）是一個(gè)很有前途的機(jī)器操作和裝配的電子裝置，因?yàn)樗麄冇幸恍┟黠@的優(yōu)勢，例如：串行機(jī)械手的高負(fù)荷承載能力，良好的動態(tài)性能和精確定位的優(yōu)點(diǎn)等. 一種新型復(fù)合3一DOF臂的優(yōu)點(diǎn)和串行機(jī)械手，也是并聯(lián)機(jī)構(gòu)為研究對象，三自由度并聯(lián)機(jī)器人是少自由度并聯(lián)機(jī)器人的重要類型。三自由度并聯(lián)機(jī)器人由于結(jié)構(gòu)簡單，控制相對容易，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。但由于它們比六自由度并聯(lián)機(jī)器人更復(fù)雜的運(yùn)動特性，增加了這類機(jī)構(gòu)型綜合的難度，因此對三自由度并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行型綜合具有理論意義和實(shí)際價(jià)值。本文利用螺旋理論對三自由度并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行型綜合，以總結(jié)某些規(guī)律，進(jìn)一步豐富型綜合理論，并為新機(jī)型的選型提供理論依據(jù)，以下對其進(jìn)行闡述。 如圖-1所示 機(jī)械手組成的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)(PPM)包括平行四邊形結(jié)構(gòu)和線性驅(qū)動器安裝在PPM.兩直接驅(qū)動電機(jī)c整合交流電高分辨率編碼器的一部分作為驅(qū)動平面并聯(lián)機(jī)械裝置.線型致動器驅(qū)動的聲音線圈發(fā)動機(jī).這被認(rèn)為是理想的驅(qū)動短行程的一部分.作為一個(gè)非換直接驅(qū)動類，音圈電機(jī)可以提供高位置敏感和完美的力量與中風(fēng)的角色，高精密線性編碼作為回饋部分保證在垂直方向可重復(fù)性。 另一方面，該產(chǎn)品具有較高的剛度比串行機(jī)械手，因?yàn)樗奶攸c(diǎn)和低封閉環(huán)慣性轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，該系統(tǒng)可以克服了柔性耦合力學(xué)彈性、齒輪、軸承、被撕咬支持，連接軸和其他零件，包括古典驅(qū)動設(shè)備，因此該機(jī)械手是更容易得到動力學(xué)性能好、精度高。 圖-1 3自由度的混合結(jié)構(gòu)的機(jī)械手 當(dāng)長度的各個(gè)環(huán)節(jié)的平面并聯(lián)機(jī)時(shí)，構(gòu)決定于運(yùn)動學(xué)分析和綜合[4-7]，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的首要任務(wù)，應(yīng)加大僵硬、降低質(zhì)量.關(guān)于幾個(gè)參數(shù)模型.這是它重要和必要的影響，研究了各參數(shù)對模型表現(xiàn)以進(jìn)一步優(yōu)化。本文就開展設(shè)計(jì)研究工具，通過參數(shù)分析亞當(dāng)斯，又要適當(dāng)?shù)姆绞絹慝@得一個(gè)輕量級的優(yōu)化和小變形系統(tǒng)。 1 仿真模型 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis 0f Mechanical System)自動機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析是一個(gè)完美的軟件，對機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)模擬可處理機(jī)制包括有剛性和靈活的部分，仿真模型可以創(chuàng)造出機(jī)械手的亞當(dāng)斯環(huán)境 如圖-2。OXYz是全球性的參考幀，并OXYz局部坐標(biāo)系，兩個(gè)直流驅(qū)動電機(jī)、交流和02M O1A表示，與線性驅(qū)動器CH被視為剛性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量電機(jī)傳動的120kg/cm2。大眾的線性驅(qū)動器是1.5kg，連接AB、德、03F和LJ被視為柔性體立柱、橫梁GK，通用公司和公里，形成一個(gè)三角形，也被當(dāng)作柔性傳動長度的鏈接是決定提前運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)為AB =O3F = 7cm，DE=IJ=7cm，GK= 7cm，GM =11.66cm， = 8.338cm。其它維度，這個(gè)數(shù)字是01A = 02M =7cm，CB=CD=HJ 2.5cm。EF=EG=JK= 3cm。 雖然總平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動都是在水平、垂直和水平剛度必須在豎向剛度特征通常低于水平僵硬，因?yàn)樗慕巧诖怪睉冶哿旱慕孛娉叽缬?jì)算每一束平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)和相對位置的線性驅(qū)動器是兩個(gè)非常僵硬的影響因素的系統(tǒng)。 運(yùn)動支鏈可分為三類："主動鏈（由驅(qū)動器賦予確定獨(dú)立運(yùn)動的支鏈。一般是單驅(qū)動器控制一個(gè)自由度的運(yùn)動），從動鏈（不帶驅(qū)動器、被迫作確定運(yùn)動的支鏈。又分為以下兩種：約束鏈：獨(dú)立限制機(jī)構(gòu)自由度的從動鏈。冗余鏈：重復(fù)限制機(jī)構(gòu)自由度的從動鏈）復(fù)合鏈（有單驅(qū)動器、但限制一個(gè)以上的機(jī)構(gòu)自由度的支鏈，實(shí)際是主動鏈與約束鏈的組合）-并聯(lián)機(jī)構(gòu)是由這幾種支鏈用不同形式組合起來的。動鏈中的約束鏈除了可以提高機(jī)構(gòu)剛度和作為測量鏈外，其更主要的作用是用來約束動平臺的某一個(gè)或幾個(gè)自由度，以使其實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動。 圖-2 仿真模型 2 仿真模擬結(jié)果 在本節(jié)中，平均位移的末端是用來描述動態(tài)剛度，這是在不同的配置在不同的線性驅(qū)動器向前，從最初的位置的目的地，一般的豎向位移的機(jī)械手是作為目標(biāo)來研究豎向剛度，平均差別的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)點(diǎn)之間有一個(gè)剛性數(shù)學(xué)模型，模型，作為目標(biāo)來研究水平剛度。 并聯(lián)機(jī)器人的構(gòu)型設(shè)計(jì)即型綜合是并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，其目的是在給定所需自由度和運(yùn)動要求條件下，尋求并聯(lián)機(jī)構(gòu)桿副配置、驅(qū)動方式和總體布局等的各種可能組合。國內(nèi)的許多學(xué)者正致力于這方面的研究，其中比較有代表性的有如下幾種方法："黃真為代表的約束綜合法；楊廷力等人的結(jié)構(gòu)綜合法；代表的李代數(shù)綜合法。以上各種方法自成體系，各有特點(diǎn)，都缺乏理論的完備性。本文提出添加約束法，是從限制自由度的角度出發(fā)，增加約束，去除不需要的自由度，因每條主動鏈只有一個(gè)驅(qū)動裝置，讓其控制一個(gè)自由度，其余自由度通過純約束鏈去除，這樣可以使主、從動運(yùn)動鏈的作用分離，運(yùn)動解耦，有利于控制。具有三自由度的并聯(lián)機(jī)床，當(dāng)采用條主動支鏈作為驅(qū)動時(shí)，機(jī)構(gòu)就需要約束另三個(gè)自由度，通過選擇無驅(qū)動裝置的從動鏈來完成，則整個(gè)機(jī)構(gòu)成為有確定運(yùn)動的三自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。黃真等提出的約束綜合法對完全對稱的少自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行了型綜合，完全對稱的支鏈結(jié)構(gòu)相同，都屬于復(fù)合鏈，每條支鏈除都有一個(gè)單驅(qū)動器，控制一個(gè)自由度外，還應(yīng)約束一個(gè)以上自由度才能使機(jī)構(gòu)的六個(gè)自由度全部受控，使機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動。 2.1 截面效應(yīng) 扭轉(zhuǎn)變形位移的連結(jié)將會引起的，所以，扭轉(zhuǎn)常數(shù)的橫截面，重力是研究裝系統(tǒng)來研究，采取扭轉(zhuǎn)剛度的垂直切片lxx不變的各個(gè)環(huán)節(jié)和梁作為設(shè)計(jì)變量的變化，從 0.1 x 105mm4 與 3.5 x 105 mm4。 圖-3 不斷的效果在垂直變形扭轉(zhuǎn) 圖-3顯示了平均位移與截面扭轉(zhuǎn)常數(shù)末端的各個(gè)環(huán)節(jié)和梁，根據(jù)它的變化速率的環(huán)節(jié)，是最大的，AB是鏈接，LJ依次分別GK梁和KM有在豎向剛度性能。其他的仿真結(jié)果表明，水平位移之間的差異進(jìn)行比較，結(jié)果表明該模型體育智力H和剛性模型變化小就改變了恒定不變的時(shí)候扭加載慣性力的線性驅(qū)動器，但是水平位移的變化，這意味著在這種模擬豎向變形的生產(chǎn)水平位移系統(tǒng)機(jī)械手。注意端面線性驅(qū)動器的主要原因是水平變形、線性驅(qū)動器機(jī)器人是由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)C和H . 所以，我們計(jì)算了不同的Z-coordinate攝氏度之間，如圖所示，在圖4 -扭轉(zhuǎn)常數(shù)的影響差別的鏈接德。其次是最有效的通用和連接梁，連接O3F，梁GK有效果。 因此，應(yīng)采取AB和連接區(qū)段大扭常數(shù)的免疫力，豎向剛度較大并行扭轉(zhuǎn)不變的鏈接德也使較少的均勻性，降低線性驅(qū)動器不可以降低水平變形。 圖-4 在不影響扭不變 如圖-5、6所展示的影響是區(qū)域慣性轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)變量是區(qū)域剛度和慣性轉(zhuǎn)矩的各個(gè)環(huán)節(jié)和梁lz，圖顯示增加lw卡爾減少的速度高于垂直位移的不斷增加Ixx扭轉(zhuǎn)。這個(gè)Yxx AB、梁的鏈接，鏈接O3F是Iyy三個(gè)主要因素決定了豎向剛度。 圖-6 所示 鏈接的AB、梁公里，連接03F也是其中的三個(gè)主要因素決定的均勻性線性傳動裝置、不同的分析結(jié)果表明，Izz效果好，具有至少兩個(gè)垂直和水平剛度，這意味著這種結(jié)構(gòu)，具有足夠的水平，降低Izz剛度的鏈接和增加Iyy AB、梁的鏈接，鏈接O3F公里的好方法，優(yōu)化系統(tǒng)。 圖-5 瞬間的慣性效應(yīng)對垂直位移 圖-6 轉(zhuǎn)動慣量不平衡的影響 2.2影響的線性驅(qū)動器的相對位置 線性執(zhí)行器的慣性是主要載荷之一，在機(jī)械手的運(yùn)動，不同的相對應(yīng)的垂直位置產(chǎn)生不同的變形，圖7顯示了絕對平均的最終效應(yīng)垂直位移時(shí)驅(qū)動馬達(dá)以恒定的加速度旋轉(zhuǎn)，我們可以看到，過低或過高的相對位置會造成比格變形，最好的位置是一對Z = 24毫米的地方大概是從中間環(huán)節(jié)連接O3F到 AB. 圖-7 影響線性驅(qū)動器的相對位置 3 分析改進(jìn)的機(jī)械手 根據(jù)上述模擬結(jié)果，所有改進(jìn)的機(jī)械手的設(shè)計(jì)，時(shí)間如下：鏈接截面AB，DE，lJ 與30mm的基礎(chǔ)和高度，10毫米的厚度;鏈接O3F和矩形空心梁與30mm的基礎(chǔ)和高度工型鋼，l0mm法蘭和6mm網(wǎng);梁競，通用汽車與8mm的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和30mm高的矩形。 圖-8 梯形運(yùn)動姿態(tài) 圖-9中回應(yīng)的是機(jī)械手，相比之下，圖-10中提高初始的反應(yīng)，在其中所有的鏈接和機(jī)械手的矩形截面梁的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，用30毫米，高度的差異是曲線，C和H的曲線積分，二是垂直位移的末端，改進(jìn)系統(tǒng)中最大位移0.7Um最初的0.12Um相比，爭論的振動激勵(lì)后仍停留在O.06Um±0.15% s±O.05Um相比的初始變形改善系統(tǒng)的初始小于前者具有較少的慣性，因?yàn)樵谙嗤牟椒ゲ粩嗉涌?，保持振動瓣膜差不多一樣，它對這整個(gè)系統(tǒng)中來說，仍然改善系統(tǒng)的剛度，幾乎相當(dāng)于初始制度，針對大規(guī)模的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)在該系統(tǒng)相比下降了30%，這樣的初始優(yōu)化是有效的。 圖-9 、 圖-10 動態(tài)響應(yīng) 4 結(jié)論 本文設(shè)計(jì)了一種新型三自由度機(jī)械手變量的敏感性進(jìn)行了研究在ADAMS環(huán)境中，可以得出以下結(jié)論： 1） 機(jī)器人具有較大的水平剛度，最終水平位移，效應(yīng)主要是由機(jī)械手垂直變形造成的，因此，更重要的是增加的幅度比剛度豎向剛度。 2） 參數(shù)Ixx，Iyy并鏈接'截面剛度Izz有不同的效應(yīng)，Iyy已經(jīng)對垂直剛度的影響最大，Ixx在第二位的是，Ixx具有在垂直剛度的影響最小，他們都較少對水平比垂直剛度剛度。 3） 橫截面的不同環(huán)節(jié)都有不同的影響，連線豎向剛度AB和德應(yīng)該使用區(qū)扭轉(zhuǎn)常數(shù)和慣性力矩大，如變形、長方形、橫梁KM，，線 03F應(yīng)該使用區(qū)段形梁等重大時(shí)刻轉(zhuǎn)動慣量、橫梁GK，和GM 可以使用盡可能的一小部分，從而降低了質(zhì)量。 4） 最佳的線性驅(qū)動器的相對位置可以減少變形，最好的位置是垂直的平行結(jié)構(gòu)。 5） 改進(jìn)的機(jī)械手的動態(tài)分析表明該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究的基礎(chǔ)上的效率。 參考文獻(xiàn) [ l ] Dasgupta B，Mmthyunjayab T S。 The Stewart platform manipulator：a review。Mechat~m and Machine Theory，200o。35 (1)：15—40 [ 2 ] Xi F，Zhang D，Xu Z，et al。A comparative study on tripod u ts for machine Lo0ls。Intemational Journal of Machine TooLs&Manufacture，2003，43(7)：721—730 [ 3 ] Zhang D，Gosselin C M。Kinetostatic analysis and optimization of the Tricept machine tool family。In：Proceedings of Year 2000 Parallel Kinematic Machines International Conference，Ann Arbor，Michigan ，2001， 174—188 [ 4 ] Gosselin C M，Angeles 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Cambridge：Cambridge university press，l998。270-3 l0 11 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目： 3-DOF工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) II、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求： 根據(jù)對工業(yè)3自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的分析和探討，按照下列 技術(shù)要求，基于Auto CAD軟件完成機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)要求如下： 第一軸：轉(zhuǎn)動角速度為 90/s，轉(zhuǎn)角范圍為0～270 底 座：能夠?qū)崿F(xiàn)第一臂轉(zhuǎn)角(0～270)轉(zhuǎn)角范圍控制 III、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間： 1. 開題報(bào)告，外文資料翻譯 2周 3月1日~3月12日 2. 機(jī)器人本體的組成方案設(shè)計(jì) 2周 3月15日~3月26日 3. 第一臂、底座的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) 4周 3月29日~4月23日 4. Auto CAD軟件平臺上建立各零部件與裝配圖 4周 4月26日~5月21日 5. 畢業(yè)論文整理 及答辯準(zhǔn)備 3周 5月24日~6月10日 Ⅳ 、主 要參考資料： 【1】 孫桓 等主編.機(jī)械原理(第六版) .高等教育出版社，2001 【2】馬香峰 主編.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì). 冶金工業(yè)出版社 ,1996 【3】宗光華 張慧慧譯.機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制. 科學(xué)出版社 ， 2004 【4】鄭笑級 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2004 【5】Y.Fujimoto and A.kawamura.Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation walking Robot Incuding Environmental Force Interaction. IEEE Robbtics and Automnation Magzuine,1998,5(2):33～42 1 引言 在加速科技進(jìn)步中，機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵的作用，其任務(wù)是在工業(yè)生產(chǎn)中迅速將工藝裝備的獨(dú)立單元變?yōu)樽詣踊C合體（自動化工段，生產(chǎn)線和自動化車間），將來甚至實(shí)現(xiàn)自動化工廠。這種自動化生產(chǎn)最重要的特點(diǎn)是具有柔性，它能預(yù)料到，在節(jié)省勞力（或無人）情況下，根據(jù)工藝條件調(diào)整裝配，以適應(yīng)多種產(chǎn)品生產(chǎn)。 當(dāng)代柔性自動化生產(chǎn)的建立和廣泛應(yīng)用，取決于作為科技進(jìn)步的催化劑的機(jī)床制造、機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、儀器制造等技術(shù)的加速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人是多品種的經(jīng)常更換產(chǎn)品的生產(chǎn)過程自動化的通用手段。在機(jī)械制造中，工業(yè)機(jī)器人既有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)組成工藝裝備的基本工序中，也有效地用于輔助操作中。工業(yè)機(jī)器人與傳統(tǒng)自動化手段不同之處，首先在于它在各種生產(chǎn)功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性。在柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中，工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、鍛壓機(jī)床、鑄造機(jī)械和倉儲設(shè)備上，以完成傳送裝備和其它操作。工業(yè)機(jī)器人和基本工藝裝備、輔助手段以及控制裝置一起形成各種不同形式的機(jī)器人技術(shù)綜合體—柔性生產(chǎn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)模塊。 隨著工業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的驚人發(fā)展，標(biāo)志著多品種中、小批量生產(chǎn)最新水平的FMS（柔性制造系統(tǒng)），F(xiàn)A（工廠自動化）技術(shù)更加引人注目；作為FMS、FA技術(shù)重要組成之一的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也將得到迅速發(fā)展。應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動環(huán)境條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率手段之一。 本次設(shè)計(jì)是根據(jù)對工業(yè)六自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免運(yùn)動的干涉。在本次設(shè)計(jì)中主要負(fù)責(zé)第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 在設(shè)計(jì)中許瑛老師給予了很大的指導(dǎo)和幫助，在此謹(jǐn)致謝意。 限于水平，本設(shè)計(jì)難免有缺點(diǎn)、錯(cuò)誤，懇請各位老師批評指正。 1.1選題的依據(jù)及意義： 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。 “工業(yè)機(jī)器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。 機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。 而少自由度工業(yè)機(jī)械人中大多數(shù)為機(jī)械手，而機(jī)械手機(jī)器人主要由手部和運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。 　　機(jī)械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。 1.2 國內(nèi)外研究概況 機(jī)器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國科技界跟蹤國際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個(gè)國家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。 目前，工業(yè)機(jī)器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給工業(yè)機(jī)器人下的定義：工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。 據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)盟（IFR）2006年5月發(fā)布的“2006世界機(jī)器人調(diào)查”顯示，2005年世界新安裝工業(yè)機(jī)器人121000臺，比2004年的97000臺增長25%。這是繼2003年工業(yè)機(jī)器人安裝數(shù)量重回增長態(tài)勢后的重大突破，2005年也成為近15年來世界工業(yè)機(jī)器人新安裝臺數(shù)最多的年份，比上一個(gè)峰值――2000年的99000臺增長22000臺。 資料來源：World Robotics 2006 圖1-1： 1991-2005年各年世界新安裝工業(yè)機(jī)器人臺數(shù) 據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)局預(yù)測，截至2005年底，全世界在運(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人共有914000臺，比2004年增加8%。其中，有50%來源于亞洲地區(qū)；歐洲和美洲分別占1/3和16%；而澳大利亞和非洲地區(qū)大概占1%的比例。 資料來源：World Robotics 2006 圖1-2： 1991-2005年各年全世界運(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人總數(shù) 就2005年幾大應(yīng)用領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人類型來看，機(jī)械手的產(chǎn)量遙遙領(lǐng)先于其他類型的工業(yè)機(jī)器人，約達(dá)到43500臺。其中，亞洲地區(qū)機(jī)械手的產(chǎn)量比2004年增加了27%；美洲地區(qū)機(jī)械手的產(chǎn)量幅度更是高達(dá)53%；雖然歐洲地區(qū)2005年機(jī)械手的產(chǎn)量比上年略有下降，但其產(chǎn)量仍接近14000臺。接下來依次是：點(diǎn)焊接機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人和分配機(jī)器人，其產(chǎn)量分別約為20500臺、17500臺、13000臺和4500臺。表1反映了2005年亞、歐、美三大地區(qū)各類型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)量增幅情況。 類 型 機(jī)械手 點(diǎn)焊接機(jī)器人 弧焊機(jī)器人 裝配機(jī)器人 分配機(jī)器人 地 增 區(qū) 幅 亞洲地區(qū) 27% 64% 82% 101% 23% 美洲地區(qū) 53% 22% 33% 36% 121% 歐洲地區(qū) -6% -27% 6% 1% -23% 表1-1： 2005年亞、歐、美三大地區(qū)各類型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量增幅表 資料來源：World Robotics 2006 1.3 論文的主要內(nèi)容： 在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動化機(jī)床控制，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)器人等。在本次設(shè)計(jì)是根據(jù)對工業(yè)六自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免運(yùn)動的干涉。在本次設(shè)計(jì)中的要求,主要負(fù)責(zé)第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這次設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要部位為第一軸與底座，設(shè)計(jì)一個(gè)第一軸轉(zhuǎn)動角速度為90°/s,轉(zhuǎn)角范圍為0~270°。底座能夠?qū)崿F(xiàn)第一臂轉(zhuǎn)角 （0~270°）轉(zhuǎn)角范圍控制的 3-DOF工業(yè)機(jī)器人。 第一步，查閱資料，工業(yè)機(jī)器人原理，了解工業(yè)機(jī)器人在國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r和生存問題。了解3-DOF工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)以及在日常生產(chǎn)生活中的用途。根據(jù)其運(yùn)用的場合不同，適當(dāng)選擇合適的方案，以達(dá)到實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、可靠的目的。 第二步，在對所選課題有個(gè)初步的了解之后，在確定3-DOF工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容。 第三步，機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)的方案的設(shè)計(jì)、比較與確定，依據(jù)對選擇的傳動方案，查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)，從而完成，第一、第二、第三軸的傳動選擇。設(shè)計(jì)好了之后，確定出總體的結(jié)構(gòu)及整體方案。 第四步，選擇電動機(jī)，通過計(jì)算出第一軸上的轉(zhuǎn)動慣量，選擇合適的電動機(jī)，從而進(jìn)行第一軸的傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算。根據(jù)齒輪軸徑值，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，選擇底座的軸承。 第五步，根據(jù)方案，畫出裝配圖，裝配圖畫好后，從裝配圖中設(shè)計(jì)選擇第一軸零部件以及完成對零部件圖的初步繪制。 2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析 2.1總體結(jié)構(gòu)的概述 目前，世界上已有許多工業(yè)機(jī)器人，其中大部分屬于“示教再現(xiàn)”型。如果將這類機(jī)器人稱作第一代，那么，具有一定程度的視覺、觸覺、或某種分析、判斷能力的工業(yè)機(jī)器人就屬于第二代了。不少國家正在積極研制具有觀覺、觸覺等功能的工業(yè)機(jī)器人，并取得了不少成果，但是，真正將這些成果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的還為數(shù)不多。在實(shí)際生產(chǎn)（如噴漆、焊接、裝配等）中被廣泛應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人，示教再現(xiàn)型還是較多。 一般的機(jī)器人，它由機(jī)器人的機(jī)構(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構(gòu)成。機(jī)構(gòu)部分有機(jī)械手和移動機(jī)構(gòu)兩部分組成；傳感器有測量機(jī)器人自身位置姿態(tài)和速度、加速度的內(nèi)傳感器和了解外部環(huán)境及作業(yè)對象工作情況的外傳感器；控制器是直接控制機(jī)器人運(yùn)動的裝置，只要不是自主型移動機(jī)器人，它通常放在與機(jī)器人不同的地方，通過導(dǎo)線連接。在工業(yè)機(jī)器人的控制裝置中，有電動機(jī)驅(qū)動電路、PTP運(yùn)動目標(biāo)點(diǎn)和CP運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)的記憶裝置和定位控制電路等。信息處理裝置通過信息傳輸裝置與機(jī)器人本體相連，多用于智能機(jī)器人。 機(jī)器人具有六自由度，即大臂的回轉(zhuǎn)、臂的左右擺動、臂的上下擺動、手腕的回轉(zhuǎn)、手腕的伸縮和手爪的抓取。當(dāng)然，圖中沒有表示出控制系統(tǒng)及手爪抓取的那一部分。該六自由度機(jī)器人運(yùn)動的情況說明如下：首先，由電動機(jī)M1經(jīng)過傳動系統(tǒng)帶動大臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，且與大臂相連的所有其它手臂、手腕及機(jī)械構(gòu)件也隨大臂一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動；而后另一手臂由電動機(jī)M2驅(qū)動作左右擺動；還有，第三臂由電動機(jī)M3驅(qū)動作上下擺動；最后，手腕的回轉(zhuǎn)、伸縮及手爪的抓取由其它三個(gè)電動機(jī)驅(qū)動。 ６ 2.2第一軸（大臂）的結(jié)構(gòu) 大臂的結(jié)構(gòu)圖（圖2-1）及其傳動原理簡圖（圖2-1）： 圖2-1 圖2-2 第一臂，也即大臂，該手臂實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，整個(gè)系統(tǒng)由伺服電動機(jī)驅(qū)動。為了實(shí)現(xiàn)傳動的設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，整個(gè)減速系統(tǒng)采用了三級斜齒輪傳動，且所有的斜齒輪都裝在一個(gè)箱體（減速箱）里面。然而，與一般情況不同的是，第三級斜齒輪直接固定在機(jī)座上，從而使其它的（上級的斜齒輪）傳動機(jī)構(gòu)繞著它轉(zhuǎn)動，且電動機(jī)又固定在大臂上，所以導(dǎo)致大臂帶著電動機(jī)、減速箱一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。 2.3 第二軸的結(jié)構(gòu) 第二軸的結(jié)構(gòu)圖（圖2-2）： 圖2-2 第二軸，該手臂實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的左右擺動，整個(gè)系統(tǒng)由伺服電動機(jī)驅(qū)動。為了實(shí)現(xiàn)傳動的設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，整個(gè)減速系統(tǒng)采用了一級齒輪傳動。由電動機(jī)上的一個(gè)齒輪和軸承右側(cè)的一個(gè)齒輪嚙合，軸承通過定位銷與第二大臂固定，電動機(jī)帶動齒輪，把動力傳給與第二臂固定的軸承，使得第二臂實(shí)現(xiàn)水平線上的前后擺動。 2.4第三軸的結(jié)構(gòu) 第三軸的結(jié)構(gòu)圖（圖2-3）： 圖2-3 第三軸，該手臂實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的上下擺動，整個(gè)系統(tǒng)由伺服電動機(jī)驅(qū)動。為了實(shí)現(xiàn)傳動的設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，整個(gè)系統(tǒng)采用了一級齒輪內(nèi)嚙合傳動。由電動機(jī)上的一個(gè)齒輪和第三臂上的一個(gè)大齒輪內(nèi)嚙合，電動機(jī)帶動小齒輪，小齒輪帶動第三臂上的大齒輪使得第三臂整個(gè)做上下擺動。從而實(shí)現(xiàn)第三臂實(shí)際操作。 2.5 傳動方案的確定 根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)分析可知，工業(yè)機(jī)器人的三軸的傳動結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。第一軸采用的是齒輪傳動，第二軸、第三軸則采用的是擺線針輪行星齒輪傳動。當(dāng)然，參照以上的傳動結(jié)構(gòu)分析，現(xiàn)擬定如下三種傳動方案： 方案一：第一軸：齒輪傳動（直齒或斜齒） 第二軸、第三軸：齒輪傳動（直齒或斜齒） 方案二：第一軸：蝸桿蝸輪傳動 第二軸、第三軸：蝸桿蝸輪傳動 方案三：第一軸：蝸桿蝸輪傳動 第二軸、第三軸：齒輪傳動（直齒或斜齒） 方案比較論證 首先，已知各種傳動的傳動比u:直齒圓柱齒輪傳動，u≤4；斜齒輪傳動，u≤6；蝸桿蝸輪傳動，5≤u≤70，常用15≤u≤50；擺線針輪行星齒輪傳動， 11≤u≤87（單級）。然后估算各軸的傳動比，初選轉(zhuǎn)速為1500r/min的原動機(jī)，則u1=1500/15=100, u2=1500/20=75。 三軸傳動的確定：蝸桿蝸輪傳動的特點(diǎn)：1）傳動平穩(wěn)，振動沖擊和噪聲均很?。?）傳動比也較大，結(jié)構(gòu)比較緊湊。而在這里采用此傳動，則需要兩級傳動才能滿足要求，蝸桿蝸輪的傳動是兩軸交錯(cuò)的，這樣一來也就增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且同時(shí)也增加了轉(zhuǎn)動時(shí)的負(fù)荷；3）由于蝸桿蝸輪嚙合輪齒間相對滑動速度大，使得摩擦損耗大，因而傳動效率較低。因此，第一軸采用齒輪傳動。要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，如采用圓柱直齒輪傳動則需要四級傳動，而采用斜齒輪則需要三級就可以，并且知道在相同的條件下，采用斜齒輪傳動比圓柱齒輪傳動，在結(jié)構(gòu)上尺寸要小得多，由此可知，采用斜齒輪傳動。斜齒傳動有如下優(yōu)點(diǎn)：1）嚙合性能好；2）重合度大，傳動平穩(wěn)；3）結(jié)構(gòu)緊湊，并且在總體結(jié)構(gòu)上也是合理的。 總上所述，選擇方案一為最佳。三軸都采用齒輪傳動。 3 設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1電動機(jī)的選擇 第一軸的電動機(jī)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)方案可知，第二軸、第三軸的所有重量都是第一軸的負(fù)荷，所以說，第一軸的轉(zhuǎn)動慣量是很大的，必須計(jì)算各零部件的轉(zhuǎn)動慣量，計(jì)算出最終動力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動慣量，再根據(jù)動力源軸上的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行選擇電動機(jī)。下面計(jì)算第一軸上的轉(zhuǎn)動慣量： 如圖3-1-1，該軸的轉(zhuǎn)動軸與第二軸的轉(zhuǎn)動軸不同，該轉(zhuǎn)動軸的軸線為ob線，則在這種情況下， 圖3-1-1 第三臂的轉(zhuǎn)動慣量： Kgm2 第二軸的轉(zhuǎn)動慣量： （3-1-1） Kgm2 兩電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量： Kgm2 兩個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： Kgm2 減速箱的轉(zhuǎn)動慣量： Kgm2 第一軸本身的轉(zhuǎn)動慣量： Kgm2 所以，總的轉(zhuǎn)動慣量為： Kgm2 而轉(zhuǎn)動角加速度為： 1/s2 則輸出軸的轉(zhuǎn)矩為由式（3-1-7）得： Nm 轉(zhuǎn)換到電動機(jī)上的轉(zhuǎn)矩為： Nm 根據(jù)要求<，選P=3KW，n=1000r/min的MGMA型伺服電機(jī)，為28.4Nm。 第二軸的電動機(jī)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)方案可知，第三軸的所有重量都是第二軸的負(fù)荷，所以說，第二軸的轉(zhuǎn)動慣量也是很大的，必須計(jì)算各零部件的轉(zhuǎn)動慣量，計(jì)算出最終動力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動慣量，再根據(jù)動力源軸上的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行選擇電動機(jī)。下面計(jì)算二軸上的轉(zhuǎn)動慣量： 第二軸的轉(zhuǎn)動慣量： J2=M/12（a2+b2+c2+d2）+mp2=5.742Kgm2 電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量： J2=8.5*0.42=1.366 Kgm2 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 J輪2=50*0.252=3.125 Kgm2 減速箱的轉(zhuǎn)動慣量： J減=150*0.452=30.375 Kgm2 第二軸的總慣量： J總=5.742+1.36+3.125+30.375 =40.602 Kgm2 第三臂的轉(zhuǎn)動慣量： J3=34*0.22=1.36Kgm2 電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量： J輪3=100*0.52=25Kgm2 減速箱的轉(zhuǎn)動慣量： J減+150*0.452=30.375Kgm2 總的轉(zhuǎn)動慣量為： J總=23.43+1.36+25+30.375 =80.165Kg2 轉(zhuǎn)換到電動機(jī)上的轉(zhuǎn)矩為： M電=14.17N*M 根據(jù)要求M電＜M額，選P=2.5(KW), n=1000r/min的GY2.5型電動機(jī) 第三軸的電動機(jī)的選擇 第三臂的轉(zhuǎn)動慣量： J3=34*0.22=1.36Kgm2 電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量： J輪3=100*0.52=25Kgm2 減速箱的轉(zhuǎn)動慣量： J減+150*0.452=30.375Kgm2 總的轉(zhuǎn)動慣量為： J總=23.43+1.36+25+30.375 =80.165Kg2 轉(zhuǎn)換到電動機(jī)上： M電=1.3m/u=9.45N*m 根據(jù)要求M電＜M額，選P=2.2（KW），P=2.2 Y-H2.2系列 n=800r/min 4 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1 第一軸的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第一軸的傳動方案已確定，采用三級斜齒輪傳動，且電動機(jī)的功率為P=3KW，n=1000r/min，則傳動比u=1000/15=66.67。 一 、傳動比的分配：已知斜齒輪的傳動比u≤6，再根據(jù)傳動減速時(shí)前面降得慢，而后面降得快的原則，三級降速的傳動比分配如下： u=2.44.875.7 二 、各級的傳動設(shè)計(jì) 第一級斜齒輪的傳動設(shè)計(jì)計(jì)算：已知電動機(jī)的功率P=3KW，n=1000r/min，傳動比u=2.4，則 １．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1) 按照傳動方案的設(shè)計(jì)要求，選用斜齒圓柱齒輪傳動。 2) 考慮減速設(shè)計(jì)的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查表(常用齒輪材料及其機(jī)械特性表)選得大、小齒輪的材料均為40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。 3) 選用精度等級。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選7級精度(GB10095-88)。 4) 選小齒輪齒數(shù)Z1=35，大齒輪齒數(shù)Z2=uZ1=2.435=84。 5) 選取螺旋角。初選螺旋角。 ２．按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即 　　　　≥mm （4-2-1） 1) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值 （1）.試選。 （2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。 （3）.由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得 ， ，則 = （4）.計(jì)小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩 N （5）.由下表3-2-1（圓柱齒輪齒寬系數(shù)?d表） 裝置狀況 兩支承相對小齒輪作對稱布置 兩支承相對小齒輪作對稱布 小齒輪作懸臂布置 ?d 0.9～1.4（1.2～1.9） 0.7～1.15（1.1～1.65） 0.4～0.6 選取齒寬系數(shù)?d=0.9； (6).由材料的彈性影響系數(shù)表，查得=189.8 ； (7).齒輪接觸疲勞強(qiáng)度圖表，按齒面硬度中間值52HRC查 得大、小的接觸疲勞強(qiáng)度極限==Mpa； (8).計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) (9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得； ； (10).計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%，安全系S=1,由下式得 []= MPa []= MPa 則取[]H=([]+[])/2=1012 Mpa 2).計(jì)算 (1).試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式（4-2-1）得 ≥ mm 根據(jù)計(jì)算的結(jié)果及電動機(jī)的輸出軸徑，取=50 mm； (2).計(jì)算圓周速度 m/s (3).計(jì)算齒寬及摸數(shù) mm mm (4).計(jì)算縱向重合度 （5）計(jì)算載荷系數(shù) 已知使用系數(shù) 。 根據(jù)，7級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查 得動載荷系數(shù)KV=1.07； 由接觸強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得 =2.728，由彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)()圖， 查得 =2.45。 由齒向載荷分配系數(shù)(、),查得==1.2， 故載荷系數(shù) =1×1.07×1.2×2.728=3.5 (6).按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得 mm (7).計(jì)算模數(shù) = mm 2. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由式≥ mm （3-2-2） 1) 確定計(jì)算參數(shù) (1) 計(jì)算載荷系數(shù) 11.071.22.45=3.2 (2) 根據(jù)縱向重合度，從螺旋角影響系數(shù)圖表查 得=0.88。 (3) 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù) (4) 查取齒形系數(shù) 由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.44；=2.196 (5) 查取應(yīng)力校正系數(shù) 由齒形系數(shù)應(yīng)力校正系數(shù)表查得 =1.654；=1.782 (6) 由齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得 Mpa。 (7) 由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.86，=0.87； (8) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得 417.714 MPa 422.571 MPa (9) 計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較 = = 小齒輪的數(shù)值大。 2）設(shè)計(jì)計(jì)算 ≥ mm 對比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強(qiáng)度及接觸疲勞強(qiáng)度,最后取 =2mm。 4.幾何尺寸計(jì)算 1) 計(jì)算中心距a mm 將中心距圓整為=122.5 mm 2) 按圓整后的中心距修正螺旋角 因值改變不大,故參數(shù)等不必修正。 3) 計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑 mm mm 4) 計(jì)算齒輪寬度 mm 圓整后取 B2=65 mm；B1=70 mm。 第二級的傳動條件：電機(jī)的功率為P=4.5KW，n=416.7r/min，傳動比u=4.87，具體設(shè)計(jì)計(jì)算如下： １．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 考慮減速設(shè)計(jì)的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查表(常用齒輪材料及其機(jī) 1) 械特性表)選得大、小齒輪的材料均為40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。 2) 選用精度等級。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選7級精度(GB10095-88)。 3) 選小齒輪齒數(shù)Z1=24，大齒輪齒數(shù)Z2=uZ1=4.8724=117。 4) 選取螺旋角。初選螺旋角。 ２．按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（3-2-1）進(jìn)行計(jì)算。 1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算值 （1）.試選。 （2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。 （3）.由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得 ， ，則 = （4）.計(jì)小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩 N （5）.由表（圓柱齒輪齒寬系數(shù)?d表） 選取齒寬系數(shù)?d=0.9； (6).由材料的彈性影響系數(shù)表，查得=189.8 ； (7).齒輪接觸疲勞強(qiáng)度圖表，按齒面硬度中間值52HRC查 得大、小的接觸疲勞強(qiáng)度極限==Mpa； (8).計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) (9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得； ； (10).計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%，安全系S=1,由下式得 []= MPa []= MPa 則取[]H=([]+[])/2=1017.5 Mpa 2).計(jì)算 (1).試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式得 ≥ mm (2).計(jì)算圓周速度 m/s (3).計(jì)算齒寬及摸數(shù) mm mm (4).計(jì)算縱向重合度 (5).計(jì)算載荷系數(shù) 已知使用系數(shù) 。 根據(jù)，7級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查得 動載荷系數(shù)KV=1.05； 由接觸強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得 =1.41，由彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)()圖，查得 =1.37。 由齒向載荷分配系數(shù)(、),查得==1.2，故載荷系數(shù) =1×1.07×1.2×1.41=1.78 (6).按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式 得 mm (7).計(jì)算模數(shù) = mm 3. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算公式（3-2-2）來計(jì)算： 1) 確定計(jì)算參數(shù) （1） 計(jì)算載荷系數(shù) 11.071.21.37=1.726 （2） 根據(jù)縱向重合度，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。 （3） 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù) （4） 取齒形系數(shù) 由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.158 （5） 取應(yīng)力校正系數(shù) 由齒形系數(shù)應(yīng)力校正系數(shù)表查得 =1.596；=1.792 （6） 齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得 Mpa。 （7） 由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.87，=0.9； （8） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得 422.571 MPa 437.143 MPa （9） 計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較 = = 小齒輪的數(shù)值大。 2）設(shè)計(jì)計(jì)算 ≥ mm 對比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強(qiáng)度及接觸疲勞強(qiáng)度,最后取 =1.5 mm 4.幾何尺寸計(jì)算 1) 計(jì)算中心距 mm 將中心距圓整為=108.5 2) 按圓整后的中心距修正螺旋角 因值改變不大,故參數(shù)等不必修正。 2） 大小齒輪的分度圓直徑 mm mm 4) 計(jì)算齒輪寬度 mm 圓整后取 B2=35 mm；B1=40 mm。 第三級的傳動條件：電動機(jī)的功率為P=0.9KW，n=85.565，傳動比u=5.7，設(shè)計(jì)計(jì)算如下： １．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1) 考慮減速設(shè)計(jì)的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查 表(常用齒輪材料及其機(jī)械特性表)選得大、小齒輪的材料均為40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。 2) 選用精度等級。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故 初選7級精度(GB10095-88)。 3) 選小齒輪齒數(shù)Z1=24，大齒輪齒數(shù)Z2=uZ1=5.724=137。 4) 選取螺旋角。初選螺旋角。 ２．按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（3-2-1）計(jì)算： 1) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值 （1）.試選。 （2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。 （3）.由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得 ， ，則 = （4）.計(jì)小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩 N （5）.由下表（圓柱齒輪齒寬系數(shù)?d表） 選取齒寬系數(shù)?d=0.8； （6）.由材料的彈性影響系數(shù)表，查得=189.8 ； （7）.齒輪接觸疲勞強(qiáng)度圖表，按齒面硬度中間值52HRC 查得大、小的接觸疲勞強(qiáng)度極限==Mpa； （8）.計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （9）.由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得； ； （10）.計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%，安全系S=1,由下式得 []= MPa []= MPa 則取[]H=([] +[])/2=1070.6 Mpa 2).計(jì)算 (1).試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式（3-2-1）得 ≥ mm (2).計(jì)算圓周速度 m/s (3).計(jì)算齒寬及摸數(shù) mm mm (4).計(jì)算縱向重合度 (5).計(jì)算載荷系數(shù) 已知使用系數(shù) 。 根據(jù)，7級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查 得動載荷系數(shù)KV=1.04； 由接觸強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得 =1.2877，由彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)()圖，查得 =1.27。 由齒向載荷分配系數(shù)(、),查得==1.2，故載荷系數(shù) =1×1.04×1.2×1.2877=1.61 (6).按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得 mm (7).計(jì)算模數(shù) = mm 3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由式≥ mm 1) 確定計(jì)算參數(shù) (1)計(jì)算載荷系數(shù) 11.041.21.27=1.585 (2) 根據(jù)縱向重合度，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。 (3)計(jì)算當(dāng)量齒數(shù) (4)查取齒形系數(shù) 由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.14 (5)查取應(yīng)力校正系數(shù) 由齒形系數(shù)應(yīng)力校正系數(shù)表查得 =1.596；=1.83 (6)由齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得 MPa (7)由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.88，=0.91； (8)計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得 427.43 MPa 442.0 MPa (9)計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較 = = 小齒輪的數(shù)值大。 2）設(shè)計(jì)計(jì)算 ≥ mm 對比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強(qiáng)度及接觸疲勞強(qiáng)度,最后取 =2.5 mm 4.幾何尺寸計(jì)算 1) 計(jì)算中心距 mm 將中心距圓整為=207 mm 2) 按圓整后的中心距修正螺旋角 因值改變不大,故參數(shù)等不必修正。 3) 計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑 mm mm 4) 計(jì)算齒輪寬度 mm 圓整后取 B2=49 mm；B1=55 mm。 4. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計(jì)算 1） 估計(jì)擺線輪內(nèi)孔半徑 =(0.4～0.5) =40～50mm 2） 擇軸承型號尺寸 經(jīng)查表選用502310E C=105000 N C0=71000 N D1=97 mm d=50mm b=27 mm da=60 mm Da=89.6 mm a=5 mm 3） 名義徑向載荷 R R= =5776.698 N 4） 當(dāng)量動載荷 P P==1.35776.698=7509.71 N —?jiǎng)虞d荷系數(shù)，一般取 =1.2～1.5。 5） 軸承相對轉(zhuǎn)速 n n=+=1000+=1015r/min 6） 軸承壽命 h 因?yàn)樗蟮玫妮S承壽命≥15000 h ,所以滿足要求。 4. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計(jì)算 1）估計(jì)擺線輪內(nèi)孔半徑 =(0.4～0.5) =52～65mm 2）擇軸承型號尺寸 經(jīng)查表選用502313 C=114600 N C0=85200 N D1=121.5 mm d=65mm b=33mm da=77mm Da=114.6mm a=7 mm 3）名義徑向載荷 R R= =12830.82 N 4）當(dāng)量載荷 P P==1.312830.82=16680.1 N 5）軸承相對轉(zhuǎn)速 n n=+=1000+=1020r/min 1） 承的壽命 h 因?yàn)樗蟮玫妮S承壽命≥15000 h ,所以滿足要求。 5. 針齒銷彎曲強(qiáng)度計(jì)算 1）針齒結(jié)構(gòu)尺寸 mm mm （） mm 2) 最大彎矩 Nmm 3) 許用彎曲應(yīng)力 MPa 4) 校核彎曲應(yīng)力 MPa 因?yàn)椋綶]，所以滿足要求。 4.2軸承的選擇 4.2.1斜齒輪傳動軸上的軸承 根據(jù)齒輪軸徑值，差滾動軸樣本或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得，第二軸上選用圓錐混子軸承7204，C=15500N；第三軸上選用圓錐云子軸承7205，C=19520N。 5 機(jī)器人各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.1 轉(zhuǎn)角范圍的控制設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分，在某種意義上講，控制系統(tǒng)起著與人腦相似的作用，工業(yè)機(jī)器人的手部、腕部、臂部、行走機(jī)構(gòu)等的動作以及與相關(guān)機(jī)械的協(xié)調(diào)動作都是通過控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。主要控制內(nèi)容有動作的順序、動作的位置與路徑、動作的時(shí)間。 按設(shè)計(jì)要求要實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)角范圍，可以直接由控制系統(tǒng)來完成，控制動作的位置或動作的時(shí)間，從而控制轉(zhuǎn)角。這里用擋塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)角范圍。第一軸的控制轉(zhuǎn)角（0～270）的擋塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-1 圖5-1 5.2主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（第一臂與底座） 5.2.1 第一軸轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)：如圖5-2，具體尺寸見附圖（零件圖）。 5.2.2底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：如圖5-3 圖5-2 圖5-3 總 結(jié) 通過這次設(shè)計(jì)，使我對工業(yè)機(jī)器人有了感性的認(rèn)識，同時(shí)對國內(nèi)外的工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展也有所了解。根據(jù)國內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)狀及近幾年的動態(tài)，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的具體情況，機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)應(yīng)在開展智能機(jī)器人、機(jī)器人化及其相當(dāng)技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用。經(jīng)過努力，我國已研制了許多示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人以及噴涂、焊接裝配等機(jī)器人。而國外，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展更迅速，機(jī)器人化機(jī)械已經(jīng)興起。 通過這次設(shè)計(jì)，使我綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)的理論和實(shí)際知識，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際知識，培養(yǎng)分析和解決一般工程實(shí)際問題的能力，并使所學(xué)的知識得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)展；通過設(shè)計(jì)，使我掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力；學(xué)會從機(jī)器功能的要求出發(fā)，合理選擇傳動機(jī)構(gòu)類型，制定設(shè)計(jì)方案，正確計(jì)算零件的工作能力，確定它的尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)及材料，并考慮制造工藝、使用、維護(hù)、經(jīng)濟(jì)和安全等問題，培養(yǎng)獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。 當(dāng)然在設(shè)計(jì)過程中，也碰到了許多問題。在老師的指導(dǎo)和一些同學(xué)的幫助下，我也盡自己的努力去克服困難，最后順利地完成了整個(gè)設(shè)計(jì)。由于本人缺乏經(jīng)驗(yàn)及水平有限，設(shè)計(jì)仍存在一些問題，如機(jī)器人的動力學(xué)分析以及缺少機(jī)器人的動作模擬仿真，望老師給予指正。 參考文獻(xiàn) 1.孫桓 等主編.機(jī)械原理(第六版) .高等教育出版社，2001 2.馬香峰 主編.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì). 冶金工業(yè)出版社 ,1996 3.宗光華 張慧慧譯.機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制. 科學(xué)出版社 ， 2004 4. 鄭笑級 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2004 5.Y.Fujimoto and A.kawamura.Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation walking Robot Incuding Environmental Force Interaction. 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John J Craig 著. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論(原書第3 版)[M]. 贠超等(譯) 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006. 21.宋偉剛．機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)原理、理論方法和算法[M]．沈陽：東北大學(xué)出版社，2001． 致 謝 時(shí)光匆匆如流水，轉(zhuǎn)眼便是大學(xué)畢業(yè)時(shí)節(jié)，春夢秋云，聚散真容易。離校日期已日趨臨近，畢業(yè)論文的的完成也隨之進(jìn)入了尾聲。從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，一直都離不開老師、同學(xué)、朋友給我熱情的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意! 本課題及論文是在我的指導(dǎo)老師許瑛博士的悉心指導(dǎo)下完成的。課題從實(shí)施到論文撰寫、修改，無不傾注著許老師的智慧合心血。許老師淵博的學(xué)識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、開拓創(chuàng)新的工作作風(fēng)和對學(xué)術(shù)執(zhí)著不虞的追求精神給我留下了深刻的印象，并使我終身受益。時(shí)至今日，在此論文完成之際，作為桃中一李，我想向我的指導(dǎo)老師許老師致以我由衷的謝意和崇高的敬意。 由于受時(shí)間和水平的限制，現(xiàn)代機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還存在著不夠完善的方面甚至有些錯(cuò)誤，懇請老師和專家指教，能使本設(shè)計(jì)更完善并能付諸于實(shí)際，制造出所設(shè)計(jì)的機(jī)器人，將是很欣慰的事情。 ３７