汽車擋風玻璃裝配機器人的結構設計論文說明書

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1、摘要 裝配機器人現在已經在工業(yè)生產中扮演著一個重要的角色。本文針對汽車裝配行業(yè)的生產使用要求，同時結合機器人的發(fā)展情況，對用于裝配汽車玻璃的機器人的結構進行了設計說明。本次設計基于機器人結構緊湊、工作可靠、結構簡單、易于裝配和控制的設計原則，對機器人的手部、腕部、小臂、大臂、底座的結構分別進行了設計和強度校核。該機器人可以在微機的控制下通過編程，驅動直流司服電機工作，進而帶動各關節(jié)的運動，實現對汽車玻璃的準確裝配。 本文對汽車裝配機器人進行了較全面的設計，對機械系統的各部分的系統結構進行了詳細的介紹和設計，并對系統的通用性、可靠性以及經濟性進行了分析。 關鍵詞：諧波減速器 裝

2、配機器人 噴氣式吸盤 自由度 Abstract In industry, the robot assembles now already play a char- acter of an important role.This text aims at requests of usage and profession of the production in the car assemble, And joining together the development circumstance of the combina-

3、 tine designed a robot construction useding for assembling cars the vitreous at the same time.This design according to the principle of construction tightly packed, working dependable, the construction simple and apting to design,assembling with the control, proceededing the design with the constru

4、ction of the bottom respectively to the hand, wrist a conjunction for, small arm with big and brachial conjunction, big arm with bottom of the robot.The robot of this design under the control of the tiny machine can pass to weave the distance, driving the direct current department an electrical engi

5、neering work, then arousing the sport of each joint, realizing to the vitr- eous and accurate assemble in car. This text assembles to the car the design that robot proceeded more completely, proceeded the detailed introduc- tion to each part of systems construction of the machine system with desi

6、gn, and proceeded the analysis to the in general use, dependable and economic of the system. Key words :Overtone reduction gear The robot of assemble The type sucker of blowing out gas Free degree 68 目錄 摘要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1機器人的概念 1 1.2裝配機器人的結構 2 1.3選題背景 2 1.3.1裝配機

7、器人的發(fā)展 2 1.3.2 裝配機器人的發(fā)展方向 4 1.4 裝配機器人研究的意義 4 第2章 裝配機器人的總體設計方案 6 2.1 設計目標和研究內容 6 2.2設計方案 6 2.2.1運動方案的確定 6 2.2.2傳動方式的選擇 7 2.2.3驅動電機的選擇 8 第3章 裝配機器人各部分的結構設計 9 3.1 基本設計參數 9 3.2 載荷的初步確定 9 3.3手部結構的設計 10 3.3.1手部的分類及工作原理 10 3.3.2末端執(zhí)行器的設計要求 11 3.3.3吸盤吸力的計算 11 3.3.4吸盤式手爪結構的確定 12 3.3.5手部及載荷總體質量的

8、確定 13 3.4腕部的結構設計 13 3.4.1腕部的概況及設計要求 13 3.4.2腕部結構的確定 14 3.4.3驅動電機的選擇 15 3.4.4錐齒輪的設計計算 19 3.4.5軸的強度校核 26 3.4.6傳動同步帶的選擇 33 3.5手臂的結構設計 34 3.5.1手臂的設計要求 34 3.5.2小臂的結構確定 35 3.5.3電機的選擇 35 3.5.4聯軸器的選擇 38 3.5.5傳動同步帶的選擇 39 3.5.6軸的校核 40 3.5.7小臂的強度校核 44 3.6大臂的結構設計 46 3.6.1大臂的結構確定 46 3.6.2驅動電機的選

9、擇 46 3.6.3平衡汽缸的選擇 47 3.7底座的結構設計 49 3.7.1底座的結構確定 49 3.7.2電機的選擇 50 3.7.3傳動直齒輪的設計 52 第4章 裝配機器人的使用和維護 55 4.1使用規(guī)程 55 4.2維護和保養(yǎng) 56 第5章 經濟分析 57 第6章 致謝 60 結論 61 參考文獻 62 第1章 緒論 1.1機器人的概念 機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機器人的過程中，人

10、們逐步認識到機器人技術的本質是感知、決策、行動和交互技術的結合。隨著人們對機器人技術智能化本質認識的加深，機器人技術開始源源不斷地向人類活動的各個領域滲透。結合這些領域的應用特點，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器，如移動機器人、微機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等。對不同任務和特殊環(huán)境的適應性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。這些機器人從外觀上已遠遠脫離了最初仿人型機器人和工業(yè)機器人所具有的形狀，更加符合各種不同應用領域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。 細

11、分析以上定義，可以看出，針對同一對象所做的定義，其內涵有很大的區(qū)別。雖然現在還沒有一個嚴格而準確的普遍被接受的機器人定義，但我們還是希望能對機器人做某些本質性的把握： 首先，機器人是機器而不是人，它是人類制造的替代人類從事某種作業(yè)的工具，它只能是人的某些功能的延伸，在某些方面，機器人可具有超越人類的能力，但從本質上說機器人永遠不可能全面超越人類。 其次，機器結構上具有一定的仿生性。很多工業(yè)機器人模仿人的手臂或軀體結構，以求動作的靈活。海洋機器人則在一定程度上模仿的魚類結構，以期得到最小的水流阻力。 第三，現代機器人是一種機電一體化的自動裝置，其典型特征之一是機器人受微機控制，具有（重復）

12、編程控制的功能。 1.2裝配機器人的結構 機器人一般可理解為：一種可編程的通過自動控制去完成某些操作和移動作業(yè)的機器。機器人的一般結構框圖如圖：（圖1-1） 機器人整機，基本上由兩部分組成，一是操作機，一是控制裝置，操作機是機器人的本體結構，包括：基座、驅動器或驅動單元、手臂、手腕、末端執(zhí)行器、行走機構以及安裝在操作機上的各種感受裝置等。控制裝置一般包括計算機控制系統、司服驅動系統、電源裝置以及與操作者聯系的裝置等。 驅動器或驅動單元是機器人的動力執(zhí)行機構，根據動力源的類別不同，可分為電機驅動，液壓驅動和氣動驅動三類。電動驅動在多數情況下采用直流、交流司服電機，也可采用力矩電機、步進電

13、機等。 手臂和手腕是機器人操作機中的基本部件，它由旋轉運動和往復運動的機構組成。其結構形式是多種多樣的，但多數機器人的手臂和手腕是由關節(jié)和桿件構成的空間機構，一般有3—10個自由度組成，工業(yè)機器人一般有3—6個自由度，由于機器人具有多自由度手臂、手腕的機構，使操作運動具有通用性和靈活性，這也是區(qū)別于一般自動機的特點。 末端執(zhí)行器是機器人手腕末端機械接口所連接的直接參與作業(yè)的機構，如夾持器，焊鉗，焊槍，噴槍或其他作業(yè)工具，傳感器等。 行走裝置分輪式、履帶式和步行式等幾種，也可用采用螺旋槳式或其他形式的推進機構，工業(yè)機器人多采用輪式機構。 1.3選題背景 1.3.1裝配機器人的發(fā)展 1

14、.世界裝配機器人的發(fā)展狀況 從裝配機器人的推廣應用角度來看，機器人的發(fā)展大致經歷了技術發(fā)展和探索的“起步”階段，在技術有所突破之后的“推廣”應用階段和被產業(yè)界接受之后的“普及”階段，只不過因為各個國家情況不同，機器人發(fā)展過程中這三個階段的時間先后和各階段時間的長短并不一樣，下面兩個圖說明了一些國家的機器人的發(fā)展情況?？梢钥闯?，中國的機器人技術和機器人應用水平總體上還處于很落后的狀態(tài)。 各國機器人的發(fā)展階段表： 表1-1 各國機器人的發(fā)展階段表 國別 A B C 美國 1966 1973 1982 日本 1971 1974 1979 瑞典 1970 1980

15、 1990 中國 1983 1995 ？ 機器人數量如圖：（圖1-1） 圖1-1 各國機器人的數量 2.裝配機器人在中國的發(fā)展情況 我國在上世紀七十年代就開是裝配機器人的研究工作，由于種種原因，機器人技術研究及應用推廣十分緩慢。直到九十年代，情況才有所好轉。早期的“863”計劃已經把機器人技術作為重要的攻關內容。到目前為止，我國在機器人的技術研究方面已經相繼取得了一些重要成果，在某些技術領域已經接近國際前沿水平。但從總體上看，我國在智能機器人方面的研究可以說還是剛剛起步，機器人傳感技術和機器人專用控制系統等方面的研究還比較薄弱。另外在機器人的應用方面，我國就顯得更為

16、落后。 值得一提的是，最近幾年，我國在汽車、電子行業(yè)相繼引進了不少生產線，其中就有不少配套的機器人裝置。 另外，國內的一些大專院校和科研單位也購買了一些國外的機器人，這些“洋機器人”的引入，也為我國在相關領域的研究工作提供了許多借鑒。 1.3.2 裝配機器人的發(fā)展方向 機器人技術涉及很多科學領域，是多學科綜合交叉的邊緣學科，機器人技術的發(fā)展依賴于很多相關技術的進步。 首先，從技術角度而言，智能化無疑是一個重要的發(fā)展方向。智能機器人的高境界應該是使之具有與人類類似的邏輯推理和問題求解能力，面對非結構性的復雜環(huán)境和任務，能夠自主尋求解決方案并加以執(zhí)行。 其次，從應用的角度來說，產業(yè)領域更

17、多地體現出多機協調作業(yè)的特征，這是現代生產規(guī)模不斷擴大所決定的。在大型生產線上，往往是很多機器人共同完成一個生產過程，因而每一個機器人的控制就不單純是自身的控制問題，還需要多機協調。 再者，標準化工作是一項十分重要而艱巨的任務。不同廠家生產的機器人相互之間很難進行部件互換，這給機器人的使用、維護和更新換代帶來了很大的麻煩。然而由于標準化工作會牽涉到各家公司的利益得失，因而近期很難形成技術上或零件上的世界標準。 最后，機器人的微型化也是一個重要的研究領域，微電子技術的發(fā)展，使得成千上萬的電子元件在很小的空間內集成已經成為現實。受其啟發(fā)，人們開始設想將微型傳感器、微處理器、微執(zhí)行機構等在極小的

18、空間內進行集成，組成微型機電系統或微型機器人。 1.4 裝配機器人研究的意義 機器人的應用已經涉及到工業(yè)、農業(yè)、林業(yè)、醫(yī)療、海洋探測、太空、娛樂等很多領域。一方面，機器人作為一種特殊的自動機器在工業(yè)領域幾乎已經無所不在，很多大公司甚至把機器人作為一個新產業(yè)在搶占制高點；另一方面，科學家們正在讓機器人更加人性化，給機器人賦予更多的智慧和情感。 機器人在生產中的應用，對提高勞動生產率，提高產品質量，改善勞動條件，提高企業(yè)的競爭能力和應變能力，促進新產業(yè)的建立和發(fā)展，改變勞動結構，以及促進相關學科的技術進步，均發(fā)揮了重大的社會效益和經濟效益。 目前，在汽車裝配行業(yè)中，人工已逐漸被自動化的生產

19、線所取代，在擋風玻璃的裝配中，由于汽車擋風玻璃寬大，人工不易安裝和操作的特點，為適應時代的發(fā)展，減少工人的勞動強度和勞動量，節(jié)約勞動成本，改善工作環(huán)境，保證安全操作，促進文明生產。 隨著機器人技術的不斷發(fā)展和完善，以及機器人成本的進一步降低，可以預料，今后將開拓更多的機器人應用領域，尤其是在制造業(yè)以外的領域中，機器人將會有很好的應用前景。 第2章 裝配機器人的總體設計方案 本章對汽車擋風玻璃自動安裝機器人的工作模式、總體結構進行了分析與設計。結合具體的使用過程，對系統實現的功能和可靠性要求等方面進行了簡要介紹。 2.1 設計目

20、標和研究內容 本次設計的最終目的是在確保汽車擋風玻璃安全搬運的情況下，實現擋風玻璃準確安裝的機器人自動化安裝，實現汽車裝配行業(yè)生產的完全自動化。在本次設計中，需要完成機器人各部分的結構設計和部分之間的準確連接；選擇合適的傳動方式和驅動電機，實現準確的傳動精度和運行的平穩(wěn)性；設計合理的末端執(zhí)行器用以完成對玻璃的安全操作；選擇合適的減速器在保證合適傳動比的情況下，實現結構的緊湊。 其所要解決的主要問題是：三自由度腕部的結構設計，腕部的傳動方法的結構設計；各部分的結構設計；在保證結構緊湊的情況下，各部分相互連接的結構設計；底座驅動的結構設計和各件的安裝等。 2.2設計方案 2.2.1運動方案

21、的確定 根據主要的運動參數選擇運動形式是結構設計的基礎。常見機器人的運動形式有五種：直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標性、關節(jié)型和SCARA型，同一種運動形式為適應不同生產工藝的需要，可采用不同的結構。所選用的運動形式，在滿足需要的情況下，應使自由度最少、結構最簡單。 在以上這些運動形式中，關節(jié)機器人由2個肩關節(jié)和1個肘關節(jié)進行定位，由2個或3個腕關節(jié)進行定向。其中，一個肩關節(jié)繞鉛直軸線旋轉，另一個肩關節(jié)實現仰俯。這兩個肩關節(jié)正交。肘關節(jié)平行于第二個肩關節(jié)軸線。這種結構形式動作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內手臂的干涉最小，結構緊湊，占地面積小，關節(jié)上相對運動部位容易密封防塵。并考慮到汽車裝配的

22、工作環(huán)境和工作要求，本次設計選定機器人的運動形式為關節(jié)式機器人。其結構簡圖如下：（圖2-1） 圖 2-1 關節(jié)型機器人的結構簡圖 2.2.2傳動方式的選擇 傳動機構用來把驅動器的運動傳遞到關節(jié)和動作部位。機器人中常用的傳動機構有：齒輪傳動、螺旋傳動、皮帶及鏈傳動、流體傳動和連桿機構與凸輪傳動。 1. 齒輪傳動 機器人中常用的齒輪傳動機構是行星齒輪傳動機構和諧波傳動機構。電動機是高轉速、小力矩的驅動器，而機器人通常卻要求低轉速、大力矩，因此，常用行星齒輪機構和諧波傳動機構減速器來完成速度和力矩的變換和調節(jié)。此外，由于諧波傳動的結構簡單、體積小，重量輕、傳動精度高、承載能力大、傳

23、動比大，且具有高阻尼特性。因此，在本次的設計中選用諧波傳動。 2. 皮帶傳動與鏈傳動 皮帶和鏈傳動用于傳遞平行軸間的回轉運動，或把回轉運動轉換成直線運動。機器人中的皮帶和鏈傳動分別通過皮帶或鏈輪傳遞回轉運動，有時還用來驅動平行軸之間的小齒輪。 由于齒形帶具有在傳動時無滑動，初始張力小，被動軸的軸承不易過載。因無滑動，它除了用做動力傳動外還適用于定位。齒形帶屬于低慣性傳動，適合于馬達和高速比減速器之間使用。皮帶上面安上滑座可完成與齒輪齒條機構同樣的功能。并且慣性小，且有一定的剛度等優(yōu)點，所以適合于機器人的機械傳動。因此，在本次的設計中采用齒形帶傳動。 2.2.3驅動電機的選擇 直流電機

24、便于調速，且具有較好的機械特性，所以很早就用于機床主傳動系統，以實現無級調速。但一般的直流電動機轉動慣量過大，而且輸出轉矩相對過小，動態(tài)特性較差，尤其在低速運轉條件下更為突出，因此不是很理想的伺服電機。 70年代研制成的大慣量調速伺服電動機，它在結構上采取了一些措施，盡量提高轉矩，改善了動態(tài)特性，它既具有一般直流電動機的各項優(yōu)點，又具有小慣量直流電動機的快速響應性能，易與較大的負載慣量匹配，能較好地滿足伺服驅動的要求，因此在數控機床、工業(yè)機器人等機電一體化產品中得到了廣泛的應用。 大慣量寬調速直流伺服電動機的特點： 1、電動機輸出力矩大 2、電動機過載能力大 3、動態(tài)響應性能好 4

25、、低速運轉平穩(wěn) 5、易于調試 由于直流伺服電機具有以上優(yōu)點，因此在本次的設計中采用直流伺服電機作為驅動電機。 第3章 裝配機器人各部分的結構設計 3.1 基本設計參數 1、結構形式：關節(jié)式 2、自由度數：6 3、驅動方式：直流伺服電機 4、各軸運動范圍、 速度、 功率、 轉矩（圖2-1） 1軸：135 70/s 0.604KW 125.82Nm 2軸：60 80/s 0.647KW 134.86Nm 3軸：110 102/s 1.2KW 249.76Nm 4軸：180 110/s 0.65KW

26、 142.77Nm 5軸：100 100/s 6.4KW 1534.22Nm 6軸：180 100/s 5.53KW 1200.25Nm 5、最大持重：100Kg 6、環(huán)境溫度：0～50C 7、電源： 3相；380V/50Hz 3.2 載荷的初步確定 根據機器人的工作條件和工作對象，經對多種車輛前擋風玻璃的實際測量，和設計的通用性原則，取玻璃為矩形結構，其長a=1500mm，寬b=1000mm，厚度h=70mm，密度。由質量的計算公式： （3-1） 因此，確

27、定機器人的工作載荷為30kg 3.3手部結構的設計 3.3.1手部的分類及工作原理 手部按夾持原理分手指式和吸盤式，手指式和吸盤式按不同發(fā)方式又可進行分類： 1.手指式手爪 手指式手爪按夾持方式分外夾持式、內撐式、內夾持式。手指按運動形式可分為：回轉型、平動型和平移型。 （1）回轉型： 當手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉運動。當被抓取物體的直徑大小變化時，需要調整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。 （2）平動型： 手指由平行四桿機構傳動，當手爪夾緊和松開物體時，手指姿態(tài)不變，作平動和回轉型手爪一樣，夾持中心隨被夾物體直徑的大小而改變。 （3）平移型： 當手爪夾緊和松開

28、工件時，手指作平移運動，并保持中心固定不變，不受工件直徑變化的影響。 2.吸盤式手爪 它由吸盤、吸盤架及氣路系統組成?？捎糜谖狡秸饣⒉宦獾母鞣N板材和薄壁零件，如玻璃、陶瓷等制品。 當吸盤內抽成負壓時，吸盤外部的大氣壓力將把吸盤緊緊地壓在被吸附的物體上。吸盤負壓的產生方法有如下方法： （1）擠壓排氣式 靠外力將吸盤皮碗壓向被吸物體表面，吸盤內腔空氣被擠壓出去，形成內腔負壓，吸盤從而吸住物體。這種方式所形成的吸力不大，而且也不可靠。 （2）真空泵排氣式 當控制閥將吸盤與真空泵聯通時，真空泵將盤內空氣抽出，形成吸盤內腔負壓，吸盤吸住物體，當控制閥將吸盤與大氣聯通時，吸盤失去吸

29、力，被吸物體脫離吸盤。 （3）氣流負壓式 控制閥將來自氣泵的壓縮空氣接通至噴嘴，壓縮空氣通過形成高速射流，吸盤腔內的空氣被帶走，在吸盤內腔形成負壓，吸盤吸住物體。當控制閥切斷通往噴嘴的壓縮空氣，并使吸盤內腔與大氣相通，吸盤便釋放物體。吸盤的吸力F要大于被吸附物體的重力，其所需吸盤的面積S，可用一個吸盤或數個吸盤實現。 3.3.2末端執(zhí)行器的設計要求 機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕上用于進行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應機器人的不同作業(yè)及操作要求。在設計機器人末端執(zhí)行器時，應該注意事項： 1、 機器人的末端執(zhí)行器是根據機器人的作業(yè)要求來設計的。根據作業(yè)

30、的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機器人末端執(zhí)行器，將不斷擴大機器人的應用領域。 2.、機器人末端執(zhí)行器的重量，被抓取物體的重量及操作力的總合不應超過機器人允許的負荷力。因此，要求機器人末端器重量輕、結構緊湊。 3、 機器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。從工業(yè)實際出發(fā)，應著重開發(fā)各種各樣專用的、高效的末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實現機器人的多種多樣的作業(yè)功能。 4、 通用性和完能性是兩個概念，萬能性是指一機多能的概念，而通用性是指功能有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執(zhí)行器有標準的機械接口。 3.3.3吸盤吸力的計算 在本次設計中，末端執(zhí)行器采

31、用吸盤式手爪，吸盤采用噴氣式吸盤，吸盤的吸力是由吸盤皮碗的內、外壓力差造成的吸盤的吸力F可根據下式求得： （3-2） 式中： ——大氣壓力 P ——內腔壓力 S ——吸盤負壓腔在工件表面上的吸附面積 ——安全系數，一般取=1.2--2 ——工作情況系數，一般取=1—3 ——姿態(tài)系數： 當吸盤表面處于水平位置時，取1 當吸附表面處于垂直位置時，取 為吸盤與被吸取物體的摩擦系數， 玻璃和橡膠的摩擦系數f=0.53。 已知載荷的重量

32、G=300N，大氣的壓力為=1.01，內腔壓力在0.15—1Mpa之間，取P=0.2MPa。由以上條件計算吸盤的吸附面積S。 由公式（3-2）得： 即： =400.5cm2 初步選定由四個吸盤完成玻璃的吊裝，因此，所需每個吸盤的面積為 S=100.1 cm2，考慮到工作環(huán)境的變化，取每個吸盤的面積S=120 cm2。因此吸盤的直徑D=12.36cm。取D=13.00cm，即D=130mm。 3.3.4吸盤式手爪結構的確定 吸盤式手爪與機器人的連接采用標準法蘭盤結構，支撐架與法蘭盤的連接采用焊接結構。末端執(zhí)行器的結構：圖

33、（3-1） 圖3-1 末端執(zhí)行器的結構 3.3.5手部及載荷總體質量的確定 考慮到在計算中的誤差和工作中的不確定因素，機器人手爪和載荷的總體質量載荷的設定在100Kg。 3.4腕部的結構設計 3.4.1腕部的概況及設計要求 腕部是臂部與手部的連接部件，起支撐手部和改變手部姿態(tài)的作用。為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實現對空間三個坐標X、Y、Z的轉動，即具有偏轉、俯仰和回轉三個自由度。手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人手臂配合運動，實現機器人手腕上安裝的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 手腕按自由度個數可分為但自由度手腕，二自由度手腕和三自

34、由度手腕。采用幾個自由度的手腕應根據機器人的工作性能來確定。在有些情況下，腕部具有二個自由度：回轉和俯仰或回轉和偏轉。一些專用機器人甚至沒有腕部，但有的腕部為了特殊要求還有橫向移動的自由度。其設計要求如下： 1、結構緊湊、重量輕。 2、動作靈活、平穩(wěn)，定位精度高。 3、強度、剛度高。 4、設計合理的與臂和手部的連接部位以及傳感器和驅動裝置的布局和安裝。 5、機器人手腕的自由度數，應根據作業(yè)需要來設計。 6、機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設計機器人手腕時，應力求減少其重量和體積，結構力求緊湊。并選用高強度鋁合金制造。 7、機器人手腕要與末端執(zhí)行器相連，因此，要有標準的連接法蘭

35、，結構上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 8、機器人的手腕機構要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。 9、要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減少空回間隙，提高傳動精度。 10、手腕各關節(jié)軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機器損壞。 3.4.2腕部結構的確定 在本次設計中，腕擺和腕轉均采用齒形帶傳動和諧波減速器傳動。腕部驅動電機與腕部分別安置在小臂關節(jié)軸的兩端，使小臂達到質量平衡。 小臂和腕關節(jié)為4R機構，具有4個自由度，三個驅動電機均集中布置在小臂的后端，在其三個自由度的運動傳動過程中，均采用了諧波減速器，其動力輪與傳動軸和回轉套聯在一起，帶動腕部的轉動。這種傳動方案的優(yōu)點

36、是：1、腕部尺寸較小，重量較輕；2、由于腕部屬于3R球腕機構，故便于調整姿態(tài)，進行編程；3、因腕關節(jié)的兩個驅動電機均放在小臂后端，有利于小臂自身的重力平衡；4、有利于迅速制動，保證安全。腕關節(jié)二個自由度的驅動電機為司服電機，為保證制動迅速，在電機輸出軸上均裝有電磁制動器；當電機不轉動時，可保證關節(jié)軸牢固不動，以避免控制系統出錯時發(fā)生危險。腕部結構圖如下：圖（3-2） 圖3-2 腕部結構簡圖 3.4.3驅動電機的選擇 1.腕部輸出軸驅動電機的選擇 （1）載荷繞腕部各軸的轉動慣量 ①載荷繞Z軸如圖（3-2）的轉動慣量： 設定腕部Z軸的轉動角速度為：w=/s=1.92rad/s=18

37、.34r/min 載荷的整體尺寸為矩形。矩形繞中心軸的轉動慣量計算如下式： Jz= （3-3） ==27.08Kg ②載荷繞Y軸如圖（3-20）的轉動慣量： 設定腕部繞Y軸的轉動角速度為： w=/s=1.92rad/s=18.34r/min 由平移軸定理得：載荷的轉動慣量為 （3-4） （3-5） 因此，載荷繞Z軸的轉動力矩為：（假

38、定重心無偏移） 總力矩： （3-6） 摩擦力矩： （3-7） 慣性力矩： （3-8） 其中，為載荷系數，f為摩擦系數，?。?，f=0.02，選擇此處的軸承為圓錐滾子軸承，軸承直徑D1=D2=0.035m， 已知此軸的轉速為：w=115.2rad/min=1.92rad/s，假設軸的加速過程為勻加速，取勻加速啟動時間：t=0.5s （2） 對軸進行受力分析 此軸受重力和兩個軸承的支撐力的作用，其受力圖如下：圖（3-3） 圖3-3 輸出軸的受力分析 根據

39、軸的受力平衡得： ｛＝＞｛ ＝＞｛ 由公式（3-7）得： 由公式（3-8）得： 由公式（3-6）此軸總的驅動力矩是： （3）電機的選擇 選擇直流伺服電機 （3-9） 式中： 負載峰值力矩單位是Nm 負載峰值轉速單位是rad/s 傳動效率 取=0.8 所以：電機的所需功率是： 選取電機的型號為：130SYX其額定功率為Pm=1.2Kw，額定轉速n=3000r/min，約為n=314rad/s，額定轉矩W=4Nm。 由輸出軸的

40、轉速和電機的轉速比為u=160，選取諧波減速器XB3100，其傳動比u=160，輸出轉矩T=150Nm，輸入功率P=0.524KW，最高輸入轉速n=3000r/min（半流體潤滑脂）。 2.腕部擺動驅動電機的選擇 Y軸是腕部的擺動軸，它在電機的驅動下，可以帶動載荷繞Y軸的擺動。 （1）腕部自身相對于Y軸的轉動慣量計算 設定腕部擺動的角速度w=/s=1.92rad/s=18.34r/min，把腕部看作一個繞Y軸轉動的圓柱體，圓柱體的轉動慣量計算公式如下： （3-10） 初步估測腕部的質量m： 腕部圓柱體的幾何尺寸：R=85mm，=7.8g/m3，h

41、=185mm 由公式（3-10）得： 載荷繞Y軸的轉動慣量：由平移軸定理得： 載荷繞與Y軸平行自身軸的轉動慣量： 因此，在載荷對Y軸總的轉動慣量為： 所以作用在Y軸的總的轉動慣量為： （2）力矩的計算 其所承受總的力矩： （3-11） 摩擦力矩： （3-12） 慣性力矩： （3-13） 其中?。?，f=0.02，軸承選擇深溝球軸承：軸承直徑 對軸進行受力分析得：圖（3-4） 圖3-4 腕部擺動軸的受力分析 擺動軸在載荷作用下的彎

42、矩： M=mgL 取載荷到擺動軸的作用力距： L=255mm， 則彎矩： M=1000255=25500Nm=25.5Nm N1147.6mm=M ＝＞N1=1727.64N 因為軸主要受載荷的彎矩作用，且由軸承1和2承受，所以N1=N2 所以，由公式（3-11） （3-12） （3-13）得 （3）電機的選擇 電機的類型為直流司服電機， （3-14） 選取電機的型號為：130SYX其額定功率為Pm=1.2Kw，額定轉速n=3000r/min 約為n=314r

43、ad/s，額定轉矩W=4Nm。取傳動比u=160，則所需輸入力矩T=1.65Nm 由輸出軸的轉速和電機的轉速比為u=160，選取諧波減速器XB3100，其傳動比u=160，輸出轉矩T=150Nm，輸入功率P=0.524KW，最高輸入轉速n=3000r/min（半流體潤滑脂）。 3.4.4錐齒輪的設計計算 1.腕部輸出軸錐齒輪的設計計算 （1）錐齒輪各尺寸的計算 在錐齒輪的設計計算當中，以錐齒輪大端為標準值，以中徑尺寸為計算量。 設錐齒輪的傳動比：ｕ＝=1 分度圓直徑d=74mm，模數m=2， 齒數：z= 錐距： R=

44、 （3-15） =52.326（mm） 平均分度圓直徑： （3-16） 傳動齒寬系數： （3-17） 其中=0.25—0.35取=1/3 齒寬取b=17mm 由公式（3-16）得： =1-0.51/3=0.833 因此，錐齒輪的平均分度圓直徑=d0.833=61.64mm，錐齒輪的當量直齒圓柱齒輪的分度圓半徑與平均分度圓直徑： （3-18） mm 因此，當量齒輪模數： 當量齒數： 取當量齒輪的齒數比： （2）錐齒輪的設計計算

45、圓周力： （3-19） 垂直分度圓錐母線的力： 徑向分力： 軸向力： 法向載荷： 選取齒輪的齒合角=， 已知作用在齒輪上的力矩T=125.8Nm 因此， ①齒根彎曲疲勞強度計算： （3-20） 載荷系數， 其中=1.0， =1.12，==1， ==1.51.5=2.25 所以，K=1.01.1212.25=2.52 查表得：齒形系數=2.24（機械設計第197頁

46、） 應力校正系數=1.75 由公式（3-20）得： = 〈m=2 故齒輪的彎曲疲勞強度是安全的。 ②齒面接觸疲勞強度計算： 設在正常工作情況下，工作齒寬為錐齒輪齒寬b=17mm。 （3-21） 式中：彈性影響系數：=189.8 材料的許用應力： 齒輪的應力循環(huán)次數：N=60njLh =6018.341（2830010）=5.28107 接觸疲勞壽命系數： 齒輪的安全系數：S=1 因此，由公式（3-21）得： ③錐齒輪的基本尺寸： 齒數： 分度圓直徑：

47、 d=Zm=502=100mm 錐距： 齒寬： 2.腕部擺動傳動錐齒輪的設計計算 （1）錐齒輪各尺寸的計算 初設原始條件：傳動比u=1，椎角，齒型角 模數m=2，分度圓直徑d=55mm 齒數： ， 分度圓直徑?。? d=56mm 錐距： 平均分度圓直徑： （3-22） 取齒寬系數： （3-23） 所以， =0.833d=46.648mm 當量

48、直齒輪分度圓半徑： 當量齒輪模數（平均模數），當量齒數 ： 當量齒輪的齒數比： （2）錐齒輪的設計計算 齒輪傳遞的扭矩為： T=1.65Nm 圓周力： 垂直于分度圓錐母線的力： 徑向分力： 軸向力： 發(fā)向載荷： ①齒面接觸疲勞強度的設計： （3-24） 齒輪的彈性影響系數： =189.8 材料的許用應力： 齒輪應力循環(huán)次數： N=60njLh =6018.341（2830010）=5.28107 接觸疲勞壽命系數： 齒

49、輪傳動安全系數： S=1 載荷系數： K=2.772 由公式（3-24）得： 取d=5626.3， 故齒輪的接觸疲勞強度是安全的 ②輪齒彎曲強度設計計算： （3-25） 載荷系數： 查表得： 動載荷系數： 齒向載荷分布系數： 齒間載荷分配系數： 載荷系數： K=11.272.251.1=2.772 齒形系數： 應力校正系數： 彎曲疲勞強度極限：

50、 由公式（3-25）得： 因齒輪模數m=20.765，故齒輪的彎曲疲勞強度是安全的。 3.腕部輸出軸轉動第二錐齒輪的設計計算 已知同步帶所傳遞的力矩： （3-26） 初設初始參數：傳動比為：u=1， 錐角： 齒形角： 模數；m=2 初設分度圓直徑： d=44mm 則齒數 錐距： 由公式： 平均分度圓直徑： 齒寬： 當量直齒輪分度圓半徑： 當量齒輪模數 當量齒數： （2）錐齒輪的設計計算 已知錐齒輪傳遞的力矩為： T=1.54Nm 圓周力：

51、垂直于分度圓錐母線的力： 徑向分力： 軸向力： 發(fā)向載荷： ①齒面接觸疲勞強度計算： （3-27） 彈性影響系數： =189.8 材料的許用應力： 應力循環(huán)次數： N=60njLh =6018.341（2830010）=5.28107 接觸疲勞壽命系數： 錐齒輪傳動的安全系數：S=1 載荷系數： K=2.772 由公式（3-27）得： 取d=44mm25.72mm，所以錐齒輪的接觸疲勞強度是安全的。 ②齒輪彎曲強度設計計算：

52、 （3-28） 載荷系數： =2.772 齒形系數： 應力校正系數： 彎曲疲勞強度極限應力： 由公式（3-28）得： 因齒輪的設計模數m=20.906，故齒輪的彎曲疲勞強度是安全的。 3.4.5軸的強度校核 1.腕部輸出軸的強度校核 材料取45鋼調質，直徑取d=35mm，其受力圖如下：圖（3-5） 圖3-5 腕部輸出軸的受力簡圖 （1）在徑向力作用下的受力分析：圖（3-6） 圖3-6 腕部輸出軸在徑向力作用下的受力分析 根據軸的手力平衡得： { ＝＞{ ＝＞

53、{ （2）在圓周力作用下的受力分析：圖（3-7） 圖3-7 腕部輸出軸在圓周力作用下的受力分析 由軸的受力平衡得： { ＝＞{ （3）力矩圖如下:圖（3-8） 圖3-8 腕部輸出軸的力矩圖 在軸承2處的和力矩為： （3-29） 按照第三強度理論對軸進行強度校核： （3-30） 由上知，軸的最大作用應力小于材料的許用應力值，所以軸的強度是安全的。 2.腕部擺動第二錐齒輪軸的強度校核 對其進行受力分析得受力圖：圖（3-9） 圖3-9 腕部擺動第二錐

54、齒輪軸的受力圖 其在徑向力作用下的受力分析：圖（3-10） 圖3-10 腕部擺動第二錐齒輪軸徑向力作用下的受力分析 根據軸的受力平衡原則得： { ＝＞{ ＝＞{ 軸在周向力作用下的受力分析：圖（3-11） 圖3-11 腕部擺動第二錐齒輪軸圓周力作用下的受力分析 根據軸的受力平衡得： { ＝＞{ 其力矩圖如下：圖（3-12） 圖3-12 腕擺第二錐齒輪軸的力矩圖 在第一軸承作用點的和力矩為： 其和力矩小于第二軸承處的作用力矩T=2152Nmm，故選取第二軸承處的作用力矩作為軸承的校核力矩。 根據第三強度理論得：

55、 （3-31） 計算應力小于材料的許用應力，故軸的強度是符合強度理論的。 3.腕部輸出第二錐齒輪軸的強度校核 軸的材料選用45鋼調質，軸徑定位d=25mm 軸的受力圖如下：圖（3-13） 圖3-13 腕部輸出軸第二錐齒輪軸的受力分析 其在徑向力作用下的受力分析：圖（3-14） 圖3-14 腕部輸出軸第二錐齒輪軸徑向受力分析 根據軸的受力平衡原則： { ＝＞{ ＝＞{ 圓周力作用下的受力分析：圖（3-15） 圖3-15 腕部輸出軸第二錐齒輪軸周向受力分析 根據軸的受力平衡原則： { ＝＞{ ＝＞{ 軸的力矩圖：圖（3-16） 圖3-1

56、6 腕部輸出軸第二錐齒輪軸的力矩圖 作用在第二軸承處的和力矩是： （3-32） 根據第三強度理論得： （3-33） ， ，軸的計算應力小于材料的許用應力值，因此，軸的強度是符合強度理論的 3.4.6傳動同步帶的選擇 選擇同步帶的型號為L型，采用標準的帶輪和標準 1.腕部擺動同步帶的選擇 初選標準帶輪直徑：d=84.89mm 傳動比為： u=1 所以帶速： 初定軸間距： a0=221mm 帶長： （3-34） 因=，所以， 標準節(jié)線

57、長： 實際軸間距：（當軸間距可以調整時） （3-35） 作用在軸上的力： 帶寬： （3-36） 其中，K2=1 基本帶寬：=25.4， 基本帶寬功率： （3-37） 由公式（3-36）得： 所以帶寬： 取標準帶寬： b=14mm 2.腕部輸出軸同步帶選擇 同步帶輪選用與上一傳動相同，傳動比u=1， 故其帶速： v=13.32m/s 軸間距初定為： 由公式（3-34）得： 標

58、準節(jié)線長； 所以實際軸間距（軸間距可調的情況下）；由公式（3-35） 考慮他們傳動力矩相差不大，且都取同樣的帶輪所以其帶寬同上 作用在軸上力的計算： 3.5手臂的結構設計 3.5.1手臂的設計要求 1.應盡可能使機器人手臂各關節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學正逆運算簡化，有利于機器人的控制。 2.機器人手臂的結構與尺寸應滿足機器人工作空間的要求。 3.為保證機器人的運動速度和控制精度，應在保證機器人手臂有足夠強度與剛度的條件下，盡可能從結構與材料上設法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質材料，通常采用高強度鋁合金制造機

59、器人手臂。 4.機器人各關節(jié)的軸承間隙應盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關節(jié)都應有工作可靠、便于調整的軸承間隙調整機構。 5.機器人的手臂相對其關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡，這對減小電機負荷和提高機器人手臂運動的響應速度是有益的。 6.機器人手臂在機構上要考慮各關節(jié)的限位開關和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅動裝置、傳動機構及內部電纜等的安裝。 3.5.2小臂的結構確定 機器人是手臂結構采用電機和執(zhí)行器的分端布置，這樣使小臂達到重量的平衡。如圖（3-17） 圖3-17 小臂的結構簡圖 3.5.3電機的選擇 1.小臂繞Z軸旋轉驅動電機的選擇 （1

60、）當載荷的軸線和小臂的軸線同軸時： 載荷對Z軸的轉動慣量JZ1=27.08Kgm2， （2）當載荷的軸線和小臂的軸線垂直時： 載荷對Z軸的轉動慣量JZ2=27.75Kgm2 （3）小臂自身對Z軸的轉動慣量為： 初設小臂的參量：長度為：L=1000mm 直徑：D=280mm，質量： 小臂繞Z軸的轉動慣量： 選擇較大的載荷計算值對軸進行強度校核計算： 所以總的轉動慣量是： 已知參量：平均加速時間： 旋轉角速度： 所以作用在小臂上的慣性力矩：由公式（3-8）得： （4）軸的力矩計算 對軸進行受力分析得：選擇軸承為深溝球軸承，軸承直徑初選D=180m

61、m 其受力圖如下：圖（3-18） 圖3-18 小臂繞Z軸旋轉軸的受力分析 根據軸的受力平衡的原則得： { ＝＞{ ＝＞{ 所以小臂的摩擦力矩是：由公式（3-7）得： 總的驅動力矩為：由公式（3-6）得： （5）電機的選擇： （3-38） 選取電機的型號為：130SYX，額定功率為Pm=1.5Kw，額定轉速n=3000r/min 約為n=314rad/s，額定轉矩W=4Nm。 由于在減速器的前一級經過同步帶的減速，且同步帶的傳動比為：u=2，故輸入減速器的轉速為n=1500r/min

62、。由輸出軸的轉速和電機的轉速比為u=80，選取諧波減速器XB3160，其傳動比u=80，輸出轉矩T=480Nm，輸入功率P=1.420KW，最高輸入轉速n=1750r/min（半流體潤滑脂）。 2.小臂擺動驅動電機的選擇 對小臂采用重力平衡機構，初步估算小臂加載荷的重量為1000Kg，小臂的平均直徑D=250mm， 取小臂的長度： L=2000mm。 小臂的驅動力矩計算： （3-39） 摩擦力矩： （3-40） 因為采用了重力平衡機構，軸只有一個， 所以， =G=100

63、00N，D=260mm 所以摩擦力矩為： 手臂擺動的速度： 初選電機的轉速為：n=1500r/min，取標準傳動比u=100，因此，實際小臂的擺動速度w=1.5rad/s=。 小臂的慣性力矩為： 其中：為慣性矩，其計算公式如下： （3-41） 因此，此軸的慣性力矩為： 所以小臂需要的總的驅動力矩為：由公式（3-39）得： 選取電機的型號為：176SYX，額定功率為Pm=2.4Kw，額定轉速n=1500r/min，額定轉矩W=16Nm。 由于結構的設

64、計要求和工作傳遞力矩的需要，選擇減速器的類型為杯型減速器，其型號為XB-160-100B，傳動比為：u=100，額定輸出轉矩W=1000Nm，額定輸入轉速n=1500r/min。 3.5.4聯軸器的選擇 由電機選擇可知，電機的轉速為3000r/min，轉速很高，在各種型號的聯軸器中，膜片聯軸器易平衡，且易保持平衡精度，不需潤滑，對環(huán)境的適應性強，且具有較好的補償兩軸相對位移的性能，徑向載荷能力大，可在很高的轉速下運轉，但扭轉剛度大，緩沖減振效果差，通常使用于高速傳動及伺服傳動中。 膜片聯軸器采用一種厚度很薄的彈簧片，制成各種形狀，用螺栓分別與主從動軸上兩半聯軸器聯接，其中彈性元件為若干

65、多邊形的膜片，在膜片的圓周上有若干螺栓孔。為防止膜片在高速運轉的時發(fā)生的微動磨損，導致膜片螺栓孔出現微裂紋而損壞，可在膜片之間涂上二硫化鉬等固體潤滑劑，或對膜片表面進行減磨涂層處理。 3.5.5傳動同步帶的選擇 1.同步帶1的選擇 同步帶的型號選擇L型，初選小帶輪節(jié)線圓直徑： 因為同步帶的傳動比u=2，且根據標準帶輪直徑的尺寸系列，所以大同步帶輪的尺寸 因此，實際傳動比：u=2.18 軸間距初步定位： 帶長：由公式（3-34）得： 根據標準節(jié)線長： 因此，實際軸間距為：由公式（3-35）得： 作用在軸上的力： 帶速： L型同步帶

66、的基本額定功率： 所以同步帶的帶寬是：其中=1 2.同步帶2的選擇 由于第二同步帶的驅動電機相對中心軸的位置和第一同步帶的驅動電機的位置象同，即兩軸對中心軸的距離相同。又因他所傳遞的力矩略小于第一同步帶，此第二同步帶采用第一同步帶的寬度，其強度是可以保證的。 3.5.6軸的校核 1.小臂1軸的強度校核 軸原始尺寸的確定：軸徑初選d=20mm，長度為L=1350mm ，材料選擇45鋼 （1）對軸進行受力分析 作用在軸上的力：錐齒輪傳動產生的作用在軸上的軸向力，由安裝在錐齒輪一端的滾動軸承所承受，因此，軸的受力僅為扭矩和在重力。如圖：圖（3-19） 圖3-19 小臂第一傳動軸的受力簡圖 由受力分析得：對軸主要進行扭曲應力和彎曲變形的校和。 已知：軸所傳遞的扭矩T=1.54Nm 軸的最大切應力： （3-42） 實心軸的抗扭截面系數： （3-43） 所以軸的最大切應力為： 45鋼材料的許用應力： 計算應力值小于許用應力值， 所以軸的抗扭強度是可靠的。 （2