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1、摘要 裝配機(jī)器人現(xiàn)在已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)使用要求，同時結(jié)合機(jī)器人的發(fā)展情況，對用于裝配汽車玻璃的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計說明。本次設(shè)計基于機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、易于裝配和控制的設(shè)計原則，對機(jī)器人的手部、腕部、小臂、大臂、底座的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了設(shè)計和強(qiáng)度校核。該機(jī)器人可以在微機(jī)的控制下通過編程，驅(qū)動直流司服電機(jī)工作，進(jìn)而帶動各關(guān)節(jié)的運(yùn)動，實現(xiàn)對汽車玻璃的準(zhǔn)確裝配。 本文對汽車裝配機(jī)器人進(jìn)行了較全面的設(shè)計，對機(jī)械系統(tǒng)的各部分的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和設(shè)計，并對系統(tǒng)的通用性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵詞：諧波減速器 裝

2、配機(jī)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(jī)器人的概念 1 1.2裝配機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 2 1.3選題背景 2 1.3.1裝配機(jī)

7、器人的發(fā)展 2 1.3.2 裝配機(jī)器人的發(fā)展方向 4 1.4 裝配機(jī)器人研究的意義 4 第2章 裝配機(jī)器人的總體設(shè)計方案 6 2.1 設(shè)計目標(biāo)和研究內(nèi)容 6 2.2設(shè)計方案 6 2.2.1運(yùn)動方案的確定 6 2.2.2傳動方式的選擇 7 2.2.3驅(qū)動電機(jī)的選擇 8 第3章 裝配機(jī)器人各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 3.1 基本設(shè)計參數(shù) 9 3.2 載荷的初步確定 9 3.3手部結(jié)構(gòu)的設(shè)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(shè)計要求 11 3.3.3吸盤吸力的計算 11 3.3.4吸盤式手爪結(jié)構(gòu)的確定 12 3.3.5手部及載荷總體質(zhì)量的

8、確定 13 3.4腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 3.4.1腕部的概況及設(shè)計要求 13 3.4.2腕部結(jié)構(gòu)的確定 14 3.4.3驅(qū)動電機(jī)的選擇 15 3.4.4錐齒輪的設(shè)計計算 19 3.4.5軸的強(qiáng)度校核 26 3.4.6傳動同步帶的選擇 33 3.5手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 34 3.5.1手臂的設(shè)計要求 34 3.5.2小臂的結(jié)構(gòu)確定 35 3.5.3電機(jī)的選擇 35 3.5.4聯(lián)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(qiáng)度校核 44 3.6大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 46 3.6.1大臂的結(jié)構(gòu)確定 46 3.6.2驅(qū)動電機(jī)的選

9、擇 46 3.6.3平衡汽缸的選擇 47 3.7底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 49 3.7.1底座的結(jié)構(gòu)確定 49 3.7.2電機(jī)的選擇 50 3.7.3傳動直齒輪的設(shè)計 52 第4章 裝配機(jī)器人的使用和維護(hù) 55 4.1使用規(guī)程 55 4.2維護(hù)和保養(yǎng) 56 第5章 經(jīng)濟(jì)分析 57 第6章 致謝 60 結(jié)論 61 參考文獻(xiàn) 62 第1章 緒論 1.1機(jī)器人的概念 機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)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(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器。在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人的過程中，人

10、們逐步認(rèn)識到機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識的加深，機(jī)器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)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(jī)器人和各種智能機(jī)器，如移動機(jī)器人、微機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、空中空間機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等。對不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。這些機(jī)器人從外觀上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初仿人型機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀，更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強(qiáng)，從而為機(jī)器人技術(shù)開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。 細(xì)

11、分析以上定義，可以看出，針對同一對象所做的定義，其內(nèi)涵有很大的區(qū)別。雖然現(xiàn)在還沒有一個嚴(yán)格而準(zhǔn)確的普遍被接受的機(jī)器人定義，但我們還是希望能對機(jī)器人做某些本質(zhì)性的把握： 首先，機(jī)器人是機(jī)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(jī)器人可具有超越人類的能力，但從本質(zhì)上說機(jī)器人永遠(yuǎn)不可能全面超越人類。 其次，機(jī)器結(jié)構(gòu)上具有一定的仿生性。很多工業(yè)機(jī)器人模仿人的手臂或軀體結(jié)構(gòu)，以求動作的靈活。海洋機(jī)器人則在一定程度上模仿的魚類結(jié)構(gòu)，以期得到最小的水流阻力。 第三，現(xiàn)代機(jī)器人是一種機(jī)電一體化的自動裝置，其典型特征之一是機(jī)器人受微機(jī)控制，具有（重復(fù)）

12、編程控制的功能。 1.2裝配機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 機(jī)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(jī)器。機(jī)器人的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖：（圖1-1） 機(jī)器人整機(jī)，基本上由兩部分組成，一是操作機(jī)，一是控制裝置，操作機(jī)是機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，包括：基座、驅(qū)動器或驅(qū)動單元、手臂、手腕、末端執(zhí)行器、行走機(jī)構(gòu)以及安裝在操作機(jī)上的各種感受裝置等?？刂蒲b置一般包括計算機(jī)控制系統(tǒng)、司服驅(qū)動系統(tǒng)、電源裝置以及與操作者聯(lián)系的裝置等。 驅(qū)動器或驅(qū)動單元是機(jī)器人的動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)動力源的類別不同，可分為電機(jī)驅(qū)動，液壓驅(qū)動和氣動驅(qū)動三類。電動驅(qū)動在多數(shù)情況下采用直流、交流司服電機(jī)，也可采用力矩電機(jī)、步進(jìn)電

13、機(jī)等。 手臂和手腕是機(jī)器人操作機(jī)中的基本部件，它由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和往復(fù)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，但多數(shù)機(jī)器人的手臂和手腕是由關(guān)節(jié)和桿件構(gòu)成的空間機(jī)構(gòu)，一般有3—10個自由度組成，工業(yè)機(jī)器人一般有3—6個自由度，由于機(jī)器人具有多自由度手臂、手腕的機(jī)構(gòu)，使操作運(yùn)動具有通用性和靈活性，這也是區(qū)別于一般自動機(jī)的特點。 末端執(zhí)行器是機(jī)器人手腕末端機(jī)械接口所連接的直接參與作業(yè)的機(jī)構(gòu)，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(jìn)機(jī)構(gòu)，工業(yè)機(jī)器人多采用輪式機(jī)構(gòu)。 1.3選題背景 1.3.1裝配機(jī)器人的發(fā)展 1

14、.世界裝配機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 從裝配機(jī)器人的推廣應(yīng)用角度來看，機(jī)器人的發(fā)展大致經(jīng)歷了技術(shù)發(fā)展和探索的“起步”階段，在技術(shù)有所突破之后的“推廣”應(yīng)用階段和被產(chǎn)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(jī)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(jī)器人的發(fā)展情況?？梢钥闯?，中國的機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器人應(yīng)用水平總體上還處于很落后的狀態(tài)。 各國機(jī)器人的發(fā)展階段表： 表1-1 各國機(jī)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(jī)器人數(shù)量如圖：（圖1-1） 圖1-1 各國機(jī)器人的數(shù)量 2.裝配機(jī)器人在中國的發(fā)展情況 我國在上世紀(jì)七十年代就開是裝配機(jī)器人的研究工作，由于種種原因，機(jī)器人技術(shù)研究及應(yīng)用推廣十分緩慢。直到九十年代，情況才有所好轉(zhuǎn)。早期的“863”計劃已經(jīng)把機(jī)器人技術(shù)作為重要的攻關(guān)內(nèi)容。到目前為止，我國在機(jī)器人的技術(shù)研究方面已經(jīng)相繼取得了一些重要成果，在某些技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)接近國際前沿水平。但從總體上看，我國在智能機(jī)器人方面的研究可以說還是剛剛起步，機(jī)器人傳感技術(shù)和機(jī)器人專用控制系統(tǒng)等方面的研究還比較薄弱。另外在機(jī)器人的應(yīng)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(jìn)了不少生產(chǎn)線，其中就有不少配套的機(jī)器人裝置。 另外，國內(nèi)的一些大專院校和科研單位也購買了一些國外的機(jī)器人，這些“洋機(jī)器人”的引入，也為我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究工作提供了許多借鑒。 1.3.2 裝配機(jī)器人的發(fā)展方向 機(jī)器人技術(shù)涉及很多科學(xué)領(lǐng)域，是多學(xué)科綜合交叉的邊緣學(xué)科，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展依賴于很多相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步。 首先，從技術(shù)角度而言，智能化無疑是一個重要的發(fā)展方向。智能機(jī)器人的高境界應(yīng)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(jié)構(gòu)性的復(fù)雜環(huán)境和任務(wù)，能夠自主尋求解決方案并加以執(zhí)行。 其次，從應(yīng)用的角度來說，產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域更

17、多地體現(xiàn)出多機(jī)協(xié)調(diào)作業(yè)的特征，這是現(xiàn)代生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大所決定的。在大型生產(chǎn)線上，往往是很多機(jī)器人共同完成一個生產(chǎn)過程，因而每一個機(jī)器人的控制就不單純是自身的控制問題，還需要多機(jī)協(xié)調(diào)。 再者，標(biāo)準(zhǔn)化工作是一項十分重要而艱巨的任務(wù)。不同廠家生產(chǎn)的機(jī)器人相互之間很難進(jìn)行部件互換，這給機(jī)器人的使用、維護(hù)和更新?lián)Q代帶來了很大的麻煩。然而由于標(biāo)準(zhǔn)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(shù)上或零件上的世界標(biāo)準(zhǔn)。 最后，機(jī)器人的微型化也是一個重要的研究領(lǐng)域，微電子技術(shù)的發(fā)展，使得成千上萬的電子元件在很小的空間內(nèi)集成已經(jīng)成為現(xiàn)實。受其啟發(fā)，人們開始設(shè)想將微型傳感器、微處理器、微執(zhí)行機(jī)構(gòu)等在極小的

18、空間內(nèi)進(jìn)行集成，組成微型機(jī)電系統(tǒng)或微型機(jī)器人。 1.4 裝配機(jī)器人研究的意義 機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)涉及到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、醫(yī)療、海洋探測、太空、娛樂等很多領(lǐng)域。一方面，機(jī)器人作為一種特殊的自動機(jī)器在工業(yè)領(lǐng)域幾乎已經(jīng)無所不在，很多大公司甚至把機(jī)器人作為一個新產(chǎn)業(yè)在搶占制高點；另一方面，科學(xué)家們正在讓機(jī)器人更加人性化，給機(jī)器人賦予更多的智慧和情感。 機(jī)器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用，對提高勞動生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動條件，提高企業(yè)的競爭能力和應(yīng)變能力，促進(jìn)新產(chǎn)業(yè)的建立和發(fā)展，改變勞動結(jié)構(gòu)，以及促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的技術(shù)進(jìn)步，均發(fā)揮了重大的社會效益和經(jīng)濟(jì)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(chǎn)

19、線所取代，在擋風(fēng)玻璃的裝配中，由于汽車擋風(fēng)玻璃寬大，人工不易安裝和操作的特點，為適應(yīng)時代的發(fā)展，減少工人的勞動強(qiáng)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(jìn)文明生產(chǎn)。 隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，以及機(jī)器人成本的進(jìn)一步降低，可以預(yù)料，今后將開拓更多的機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在制造業(yè)以外的領(lǐng)域中，機(jī)器人將會有很好的應(yīng)用前景。 第2章 裝配機(jī)器人的總體設(shè)計方案 本章對汽車擋風(fēng)玻璃自動安裝機(jī)器人的工作模式、總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與設(shè)計。結(jié)合具體的使用過程，對系統(tǒng)實現(xiàn)的功能和可靠性要求等方面進(jìn)行了簡要介紹。 2.1 設(shè)計目

20、標(biāo)和研究內(nèi)容 本次設(shè)計的最終目的是在確保汽車擋風(fēng)玻璃安全搬運(yùn)的情況下，實現(xiàn)擋風(fēng)玻璃準(zhǔn)確安裝的機(jī)器人自動化安裝，實現(xiàn)汽車裝配行業(yè)生產(chǎn)的完全自動化。在本次設(shè)計中，需要完成機(jī)器人各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計和部分之間的準(zhǔn)確連接；選擇合適的傳動方式和驅(qū)動電機(jī)，實現(xiàn)準(zhǔn)確的傳動精度和運(yùn)行的平穩(wěn)性；設(shè)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(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊。 其所要解決的主要問題是：三自由度腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計，腕部的傳動方法的結(jié)構(gòu)設(shè)計；各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計；在保證結(jié)構(gòu)緊湊的情況下，各部分相互連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計；底座驅(qū)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計和各件的安裝等。 2.2設(shè)計方案 2.2.1運(yùn)動方案

21、的確定 根據(jù)主要的運(yùn)動參數(shù)選擇運(yùn)動形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。常見機(jī)器人的運(yùn)動形式有五種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)性、關(guān)節(jié)型和SCARA型，同一種運(yùn)動形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。所選用的運(yùn)動形式，在滿足需要的情況下，應(yīng)使自由度最少、結(jié)構(gòu)最簡單。 在以上這些運(yùn)動形式中，關(guān)節(jié)機(jī)器人由2個肩關(guān)節(jié)和1個肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個或3個腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。其中，一個肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸線旋轉(zhuǎn)，另一個肩關(guān)節(jié)實現(xiàn)仰俯。這兩個肩關(guān)節(jié)正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個肩關(guān)節(jié)軸線。這種結(jié)構(gòu)形式動作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)上相對運(yùn)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(shè)計選定機(jī)器人的運(yùn)動形式為關(guān)節(jié)式機(jī)器人。其結(jié)構(gòu)簡圖如下：（圖2-1） 圖 2-1 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡圖 2.2.2傳動方式的選擇 傳動機(jī)構(gòu)用來把驅(qū)動器的運(yùn)動傳遞到關(guān)節(jié)和動作部位。機(jī)器人中常用的傳動機(jī)構(gòu)有：齒輪傳動、螺旋傳動、皮帶及鏈傳動、流體傳動和連桿機(jī)構(gòu)與凸輪傳動。 1. 齒輪傳動 機(jī)器人中常用的齒輪傳動機(jī)構(gòu)是行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)和諧波傳動機(jī)構(gòu)。電動機(jī)是高轉(zhuǎn)速、小力矩的驅(qū)動器，而機(jī)器人通常卻要求低轉(zhuǎn)速、大力矩，因此，常用行星齒輪機(jī)構(gòu)和諧波傳動機(jī)構(gòu)減速器來完成速度和力矩的變換和調(diào)節(jié)。此外，由于諧波傳動的結(jié)構(gòu)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(shè)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(zhuǎn)運(yùn)動，或把回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動。機(jī)器人中的皮帶和鏈傳動分別通過皮帶或鏈輪傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動，有時還用來驅(qū)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(dá)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(jī)構(gòu)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(jī)器人的機(jī)械傳動。因此，在本次的設(shè)計中采用齒形帶傳動。 2.2.3驅(qū)動電機(jī)的選擇 直流電機(jī)

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

25、、低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) 5、易于調(diào)試 由于直流伺服電機(jī)具有以上優(yōu)點，因此在本次的設(shè)計中采用直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。 第3章 裝配機(jī)器人各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 基本設(shè)計參數(shù) 1、結(jié)構(gòu)形式：關(guān)節(jié)式 2、自由度數(shù)：6 3、驅(qū)動方式：直流伺服電機(jī) 4、各軸運(yùn)動范圍、 速度、 功率、 轉(zhuǎn)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(jù)機(jī)器人的工作條件和工作對象，經(jīng)對多種車輛前擋風(fēng)玻璃的實際測量，和設(shè)計的通用性原則，取玻璃為矩形結(jié)構(gòu)，其長a=1500mm，寬b=1000mm，厚度h=70mm，密度。由質(zhì)量的計算公式： （3-1） 因此，確

27、定機(jī)器人的工作載荷為30kg 3.3手部結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jìn)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(nèi)撐式、內(nèi)夾持式。手指按運(yùn)動形式可分為：回轉(zhuǎn)型、平動型和平移型。 （1）回轉(zhuǎn)型： 當(dāng)手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)被抓取物體的直徑大小變化時，需要調(diào)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(jī)構(gòu)傳動，當(dāng)手爪夾緊和松開物體時，手指姿態(tài)不變，作平動和回轉(zhuǎn)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(dāng)手爪夾緊和松開

28、工件時，手指作平移運(yùn)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(tǒng)組成?？捎糜谖狡秸饣?、不漏氣的各種板材和薄壁零件，如玻璃、陶瓷等制品。 當(dāng)吸盤內(nèi)抽成負(fù)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(fù)壓的產(chǎn)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(nèi)腔空氣被擠壓出去，形成內(nèi)腔負(fù)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(dāng)控制閥將吸盤與真空泵聯(lián)通時，真空泵將盤內(nèi)空氣抽出，形成吸盤內(nèi)腔負(fù)壓，吸盤吸住物體，當(dāng)控制閥將吸盤與大氣聯(lián)通時，吸盤失去吸

29、力，被吸物體脫離吸盤。 （3）氣流負(fù)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(nèi)的空氣被帶走，在吸盤內(nèi)腔形成負(fù)壓，吸盤吸住物體。當(dāng)控制閥切斷通往噴嘴的壓縮空氣，并使吸盤內(nèi)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(shù)個吸盤實現(xiàn)。 3.3.2末端執(zhí)行器的設(shè)計要求 機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用于進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求。在設(shè)計機(jī)器人末端執(zhí)行器時，應(yīng)該注意事項： 1、 機(jī)器人的末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)要求來設(shè)計的。根據(jù)作業(yè)

30、的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機(jī)器人末端執(zhí)行器，將不斷擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。 2.、機(jī)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(yīng)超過機(jī)器人允許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)器人末端器重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。 3、 機(jī)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(yīng)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(xiàn)機(jī)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(jī)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(jī)器人，這就要求末端執(zhí)行器有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口。 3.3.3吸盤吸力的計算 在本次設(shè)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(nèi)、外壓力差造成的吸盤的吸力F可根據(jù)下式求得： （3-2） 式中： ——大氣壓力 P ——內(nèi)腔壓力 S ——吸盤負(fù)壓腔在工件表面上的吸附面積 ——安全系數(shù)，一般取=1.2--2 ——工作情況系數(shù)，一般取=1—3 ——姿態(tài)系數(shù)： 當(dāng)吸盤表面處于水平位置時，取1 當(dāng)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(shù)， 玻璃和橡膠的摩擦系數(shù)f=0.53。 已知載荷的重量

32、G=300N，大氣的壓力為=1.01，內(nèi)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(jié)構(gòu)的確定 吸盤式手爪與機(jī)器人的連接采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭盤結(jié)構(gòu)，支撐架與法蘭盤的連接采用焊接結(jié)構(gòu)。末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)：圖

33、（3-1） 圖3-1 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu) 3.3.5手部及載荷總體質(zhì)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(jī)器人手爪和載荷的總體質(zhì)量載荷的設(shè)定在100Kg。 3.4腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.4.1腕部的概況及設(shè)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(xiàn)對空間三個坐標(biāo)X、Y、Z的轉(zhuǎn)動，即具有偏轉(zhuǎn)、俯仰和回轉(zhuǎn)三個自由度。手腕是機(jī)器人操作機(jī)的最末端，它與機(jī)器人手臂配合運(yùn)動，實現(xiàn)機(jī)器人手腕上安裝的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動軌跡與運(yùn)動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 手腕按自由度個數(shù)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(yīng)根據(jù)機(jī)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(zhuǎn)和俯仰或回轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)。一些專用機(jī)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(shè)計要求如下： 1、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。 2、動作靈活、平穩(wěn)，定位精度高。 3、強(qiáng)度、剛度高。 4、設(shè)計合理的與臂和手部的連接部位以及傳感器和驅(qū)動裝置的布局和安裝。 5、機(jī)器人手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。 6、機(jī)器人腕部安裝在機(jī)器人手臂的末端，在設(shè)計機(jī)器人手腕時，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。并選用高強(qiáng)度鋁合金制造。 7、機(jī)器人手腕要與末端執(zhí)行器相連，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的連接法蘭

35、，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 8、機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動的傳遞。 9、要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減少空回間隙，提高傳動精度。 10、手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)器損壞。 3.4.2腕部結(jié)構(gòu)的確定 在本次設(shè)計中，腕擺和腕轉(zhuǎn)均采用齒形帶傳動和諧波減速器傳動。腕部驅(qū)動電機(jī)與腕部分別安置在小臂關(guān)節(jié)軸的兩端，使小臂達(dá)到質(zhì)量平衡。 小臂和腕關(guān)節(jié)為4R機(jī)構(gòu)，具有4個自由度，三個驅(qū)動電機(jī)均集中布置在小臂的后端，在其三個自由度的運(yùn)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(zhuǎn)套聯(lián)在一起，帶動腕部的轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)，故便于調(diào)整姿態(tài)，進(jìn)行編程；3、因腕關(guān)節(jié)的兩個驅(qū)動電機(jī)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(guān)節(jié)二個自由度的驅(qū)動電機(jī)為司服電機(jī)，為保證制動迅速，在電機(jī)輸出軸上均裝有電磁制動器；當(dāng)電機(jī)不轉(zhuǎn)動時，可保證關(guān)節(jié)軸牢固不動，以避免控制系統(tǒng)出錯時發(fā)生危險。腕部結(jié)構(gòu)圖如下：圖（3-2） 圖3-2 腕部結(jié)構(gòu)簡圖 3.4.3驅(qū)動電機(jī)的選擇 1.腕部輸出軸驅(qū)動電機(jī)的選擇 （1）載荷繞腕部各軸的轉(zhuǎn)動慣量 ①載荷繞Z軸如圖（3-2）的轉(zhuǎn)動慣量： 設(shè)定腕部Z軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量： 設(shè)定腕部繞Y軸的轉(zhuǎn)動角速度為： w=/s=1.92rad/s=18.34r/min 由平移軸定理得：載荷的轉(zhuǎn)動慣量為 （3-4） （3-5） 因此，載荷繞Z軸的轉(zhuǎn)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(shù)，f為摩擦系數(shù)，取：，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(zhuǎn)速為：w=115.2rad/min=1.92rad/s，假設(shè)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(jìn)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(jù)

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(qū)動力矩是： （3）電機(jī)的選擇 選擇直流伺服電機(jī) （3-9） 式中： 負(fù)載峰值力矩單位是Nm 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速單位是rad/s 傳動效率 取=0.8 所以：電機(jī)的所需功率是： 選取電機(jī)的型號為：130SYX其額定功率為Pm=1.2Kw，額定轉(zhuǎn)速n=3000r/min，約為n=314rad/s，額定轉(zhuǎn)矩W=4Nm。 由輸出軸的

40、轉(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)速比為u=160，選取諧波減速器XB3100，其傳動比u=160，輸出轉(zhuǎn)矩T=150Nm，輸入功率P=0.524KW，最高輸入轉(zhuǎn)速n=3000r/min（半流體潤滑脂）。 2.腕部擺動驅(qū)動電機(jī)的選擇 Y軸是腕部的擺動軸，它在電機(jī)的驅(qū)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(zhuǎn)動慣量計算 設(shè)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(zhuǎn)動的圓柱體，圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量計算公式如下： （3-10） 初步估測腕部的質(zhì)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(zhuǎn)動慣量：由平移軸定理得： 載荷繞與Y軸平行自身軸的轉(zhuǎn)動慣量： 因此，在載荷對Y軸總的轉(zhuǎn)動慣量為： 所以作用在Y軸的總的轉(zhuǎn)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） 其中取：，f=0.02，軸承選擇深溝球軸承：軸承直徑 對軸進(jìn)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(jī)的選擇 電機(jī)的類型為直流司服電機(jī)， （3-14） 選取電機(jī)的型號為：130SYX其額定功率為Pm=1.2Kw，額定轉(zhuǎn)速n=3000r/min 約為n=314r

43、ad/s，額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)速比為u=160，選取諧波減速器XB3100，其傳動比u=160，輸出轉(zhuǎn)矩T=150Nm，輸入功率P=0.524KW，最高輸入轉(zhuǎn)速n=3000r/min（半流體潤滑脂）。 3.4.4錐齒輪的設(shè)計計算 1.腕部輸出軸錐齒輪的設(shè)計計算 （1）錐齒輪各尺寸的計算 在錐齒輪的設(shè)計計算當(dāng)中，以錐齒輪大端為標(biāo)準(zhǔn)值，以中徑尺寸為計算量。 設(shè)錐齒輪的傳動比：ｕ＝=1 分度圓直徑d=74mm，模數(shù)m=2， 齒數(shù)：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(shù)： （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(dāng)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(dāng)量齒輪模數(shù)： 當(dāng)量齒數(shù)： 取當(dāng)量齒輪的齒數(shù)比： （2）錐齒輪的設(shè)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(qiáng)度計算： （3-20） 載荷系數(shù)， 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(shù)=2.24（機(jī)械設(shè)計第197頁

46、） 應(yīng)力校正系數(shù)=1.75 由公式（3-20）得： = 〈m=2 故齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度是安全的。 ②齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算： 設(shè)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(shù)：=189.8 材料的許用應(yīng)力： 齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N=60njLh =6018.341（2830010）=5.28107 接觸疲勞壽命系數(shù)： 齒輪的安全系數(shù)：S=1 因此，由公式（3-21）得： ③錐齒輪的基本尺寸： 齒數(shù)： 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(shè)計計算 （1）錐齒輪各尺寸的計算 初設(shè)原始條件：傳動比u=1，椎角，齒型角 模數(shù)m=2，分度圓直徑d=55mm 齒數(shù)： ， 分度圓直徑取： d=56mm 錐距： 平均分度圓直徑： （3-22） 取齒寬系數(shù)： （3-23） 所以， =0.833d=46.648mm 當(dāng)量

48、直齒輪分度圓半徑： 當(dāng)量齒輪模數(shù)（平均模數(shù)），當(dāng)量齒數(shù) ： 當(dāng)量齒輪的齒數(shù)比： （2）錐齒輪的設(shè)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(qiáng)度的設(shè)計： （3-24） 齒輪的彈性影響系數(shù)： =189.8 材料的許用應(yīng)力： 齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： N=60njLh =6018.341（2830010）=5.28107 接觸疲勞壽命系數(shù)： 齒

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

50、 由公式（3-25）得： 因齒輪模數(shù)m=20.765，故齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度是安全的。 3.腕部輸出軸轉(zhuǎn)動第二錐齒輪的設(shè)計計算 已知同步帶所傳遞的力矩： （3-26） 初設(shè)初始參數(shù)：傳動比為：u=1， 錐角： 齒形角： 模數(shù)；m=2 初設(shè)分度圓直徑： d=44mm 則齒數(shù) 錐距： 由公式： 平均分度圓直徑： 齒寬： 當(dāng)量直齒輪分度圓半徑： 當(dāng)量齒輪模數(shù) 當(dāng)量齒數(shù)： （2）錐齒輪的設(shè)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(qiáng)度計算： （3-27） 彈性影響系數(shù)： =189.8 材料的許用應(yīng)力： 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： N=60njLh =6018.341（2830010）=5.28107 接觸疲勞壽命系數(shù)： 錐齒輪傳動的安全系數(shù)：S=1 載荷系數(shù)： K=2.772 由公式（3-27）得： 取d=44mm25.72mm，所以錐齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度是安全的。 ②齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計計算：

52、 （3-28） 載荷系數(shù)： =2.772 齒形系數(shù)： 應(yīng)力校正系數(shù)： 彎曲疲勞強(qiáng)度極限應(yīng)力： 由公式（3-28）得： 因齒輪的設(shè)計模數(shù)m=20.906，故齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度是安全的。 3.4.5軸的強(qiáng)度校核 1.腕部輸出軸的強(qiáng)度校核 材料取45鋼調(diào)質(zhì)，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(jù)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(qiáng)度理論對軸進(jìn)行強(qiáng)度校核： （3-30） 由上知，軸的最大作用應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力值，所以軸的強(qiáng)度是安全的。 2.腕部擺動第二錐齒輪軸的強(qiáng)度校核 對其進(jìn)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(jù)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(jù)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(jù)第三強(qiáng)度理論得：

55、 （3-31） 計算應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，故軸的強(qiáng)度是符合強(qiáng)度理論的。 3.腕部輸出第二錐齒輪軸的強(qiáng)度校核 軸的材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，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(jù)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(jù)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(jù)第三強(qiáng)度理論得： （3-33） ， ，軸的計算應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力值，因此，軸的強(qiáng)度是符合強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)的帶輪和標(biāo)準(zhǔn) 1.腕部擺動同步帶的選擇 初選標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)線

57、長： 實際軸間距：（當(dāng)軸間距可以調(diào)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)

58、準(zhǔn)節(jié)線長； 所以實際軸間距（軸間距可調(diào)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(jié)構(gòu)設(shè)計 3.5.1手臂的設(shè)計要求 1.應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正逆運(yùn)算簡化，有利于機(jī)器人的控制。 2.機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)與尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。 3.為保證機(jī)器人的運(yùn)動速度和控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度與剛度的條件下，盡可能從結(jié)構(gòu)與材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常采用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)

59、器人手臂。 4.機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙應(yīng)盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。 5.機(jī)器人的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對減小電機(jī)負(fù)荷和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動的響應(yīng)速度是有益的。 6.機(jī)器人手臂在機(jī)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動裝置、傳動機(jī)構(gòu)及內(nèi)部電纜等的安裝。 3.5.2小臂的結(jié)構(gòu)確定 機(jī)器人是手臂結(jié)構(gòu)采用電機(jī)和執(zhí)行器的分端布置，這樣使小臂達(dá)到重量的平衡。如圖（3-17） 圖3-17 小臂的結(jié)構(gòu)簡圖 3.5.3電機(jī)的選擇 1.小臂繞Z軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)的選擇 （1

60、）當(dāng)載荷的軸線和小臂的軸線同軸時： 載荷對Z軸的轉(zhuǎn)動慣量JZ1=27.08Kgm2， （2）當(dāng)載荷的軸線和小臂的軸線垂直時： 載荷對Z軸的轉(zhuǎn)動慣量JZ2=27.75Kgm2 （3）小臂自身對Z軸的轉(zhuǎn)動慣量為： 初設(shè)小臂的參量：長度為：L=1000mm 直徑：D=280mm，質(zhì)量： 小臂繞Z軸的轉(zhuǎn)動慣量： 選擇較大的載荷計算值對軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計算： 所以總的轉(zhuǎn)動慣量是： 已知參量：平均加速時間： 旋轉(zhuǎn)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(jìn)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(zhuǎn)軸的受力分析 根據(jù)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(qū)動力矩為：由公式（3-6）得： （5）電機(jī)的選擇： （3-38） 選取電機(jī)的型號為：130SYX，額定功率為Pm=1.5Kw，額定轉(zhuǎn)速n=3000r/min 約為n=314rad/s，額定轉(zhuǎn)矩W=4Nm。 由于在減速器的前一級經(jīng)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(zhuǎn)速為n=1500r/min

62、。由輸出軸的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)速比為u=80，選取諧波減速器XB3160，其傳動比u=80，輸出轉(zhuǎn)矩T=480Nm，輸入功率P=1.420KW，最高輸入轉(zhuǎn)速n=1750r/min（半流體潤滑脂）。 2.小臂擺動驅(qū)動電機(jī)的選擇 對小臂采用重力平衡機(jī)構(gòu)，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(qū)動力矩計算： （3-39） 摩擦力矩： （3-40） 因為采用了重力平衡機(jī)構(gòu)，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(jī)的轉(zhuǎn)速為：n=1500r/min，取標(biāo)準(zhǔn)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(qū)動力矩為：由公式（3-39）得： 選取電機(jī)的型號為：176SYX，額定功率為Pm=2.4Kw，額定轉(zhuǎn)速n=1500r/min，額定轉(zhuǎn)矩W=16Nm。 由于結(jié)構(gòu)的設(shè)

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(zhuǎn)矩W=1000Nm，額定輸入轉(zhuǎn)速n=1500r/min。 3.5.4聯(lián)軸器的選擇 由電機(jī)選擇可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000r/min，轉(zhuǎn)速很高，在各種型號的聯(lián)軸器中，膜片聯(lián)軸器易平衡，且易保持平衡精度，不需潤滑，對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，且具有較好的補(bǔ)償兩軸相對位移的性能，徑向載荷能力大，可在很高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，但扭轉(zhuǎn)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(lián)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(lián)軸器聯(lián)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(yùn)轉(zhuǎn)的時發(fā)生的微動磨損，導(dǎo)致膜片螺栓孔出現(xiàn)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?qū)δて砻孢M(jìn)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(qū)動電機(jī)相對中心軸的位置和第一同步帶的驅(qū)動電機(jī)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(qiáng)度是可以保證的。 3.5.6軸的校核 1.小臂1軸的強(qiáng)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(jìn)行受力分析 作用在軸上的力：錐齒輪傳動產(chǎn)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(jìn)行扭曲應(yīng)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(yīng)力： （3-42） 實心軸的抗扭截面系數(shù)： （3-43） 所以軸的最大切應(yīng)力為： 45鋼材料的許用應(yīng)力： 計算應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值， 所以軸的抗扭強(qiáng)度是可靠的。 （2