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1、關節(jié)型機器人腕部結構設計 37 1 緒論 1.1 機器人的概念及組成 機器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協助或取代人類工作的工作，例如生產業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。它是一個在三維空間中具有較多自由度，并能實現較多擬人動作和功能的機器。 　　它可以說是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產物。目前在工業(yè)、醫(yī)學、農業(yè)甚至

2、軍事等領域中均有重要用途。其中工業(yè)機器人則是在工業(yè)生產上應用的機器人。美國機器人工業(yè)協會提出的工業(yè)機器人定義為：“機器人是一種可重復編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機”。英國和日本機器人協會也采用了類似的定義。我國的國家標準GB/T12643-90將工業(yè)機器人定義為：“機器人是一種能自動定位控制、可重復編程的、多功能的、多自由度的操作機。能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。而將操作機定義為：“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置”。 　　歐美國家認為：機器人應該是由計算機控制的通過編排程序具有可以變更的多功能的自動機械，但是日本不同意

3、這種說法。日本人認為“機器人就是任何高級的自動機械”，這就把那種尚需一個人操縱的機械手包括進去了。因此，很多日本人概念中的機器人，并不是歐美人所定義的。 　　現在，國際上對機器人的概念已經逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。聯合國標準化組織采納了美國機器人協會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統?！? 　　機器人能力的評價標準包括：智能，指感覺和感知，包括記憶、運算、比較、鑒別、判斷、決策、學習和邏輯推理等；機能，指變通性、通

4、用性或空間占有性等；物理能，指力、速度、連續(xù)運行能力、可靠性、聯用性、壽命等。因此，可以說機器人是具有生物功能的空間三維坐標機器。 機器人一般由執(zhí)行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統等組成。 　　執(zhí)行機構即機器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機構，其中的運動副（轉動副或移動副）常稱為關節(jié)，關節(jié)個數通常即為機器人的自由度數。根據關節(jié)配置型式和運動坐標形式的不同，機器人執(zhí)行機構可分為直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關節(jié)坐標式等類型。出于擬人化的考慮，常將機器人本體的有關部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執(zhí)行器）和行走部（對于移動機器人）等。 　　 檢測裝置的作用是實時

5、檢測機器人的運動及工作情況，根據需要反饋給控制系統，與設定信息進行比較后，對執(zhí)行機構進行調整，以保證機器人的動作符合預定的要求。作為檢測裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內部信息傳感器，用于檢測機器人各部分的內部狀況，如各關節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環(huán)控制。另一類是外部信息傳感器，用于獲取有關機器人的作業(yè)對象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機器人的動作能適應外界情況的變化，使之達到更高層次的自動化，甚至使機器人具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對象、工作環(huán)境的有關信息，利用這些信息構成一個大的反饋回路，從而將大大提高機

6、器人的工作精度。 控制系統有兩種方式。一種是集中式控制，即機器人的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機來分擔機器人的控制，如當采用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時，主機常用于負責系統的管理、通訊、運動學和動力學計算，并向下級微機發(fā)送指令信息；作為下級從機，各關節(jié)分別對應一個CPU，進行插補運算和伺服控制處理，實現給定的運動，并向主機反饋信息。根據作業(yè)任務要求的不同，機器人的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。 1.2 題目來源及意義 課題的來源：題目來源于生產實際。設計一個用于焊接的關節(jié)型機器人，進行機器人的總體方案設計、腕部及

7、執(zhí)行器結構設計及其零件設計。 課題的目的、意義：本題設計的是關節(jié)型機器人腕部結構，主要是整體方案設計和手腕的結構設計及其零件設計。對于目前手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對操作員技術熟練程度要求高，因此采用機器人技術，實現焊接生產操作的柔性自動化，提高產品質量與勞動生產率、實現生產過程自動化、改善勞動條件。 1.2.1 技術要求 根據設計要達到以下要求 a. 工作可靠，結構簡單； b. 裝卸方便，便于維修、調整； c. 盡量使用通用件，以便降低制造成本。 1.2.2 預計達到目標及解決方案 課題預計達到的目標： 1、手腕處于手臂末端，須減輕手臂的載荷，力求手腕部件的結構

8、緊湊，減少其重量和體積； 2、提高手腕動作的精確性； 3、三個自由度（臂轉、手轉、腕擺）的實現。 解決方案： 1、腕部機構的驅動裝置采用分離傳動，將3個驅動器安置在小臂的后端。 2、提高傳動的剛度，盡量減少機械傳動系統中由于間隙產生的反轉回差，對分離傳動多采用傳動軸。 3、驅動電機1經傳動軸和一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪帶動手腕在殼體上作偏擺運動。電機2經傳動軸驅動圓柱齒輪傳動和圓錐齒輪傳動，從而使軸回轉，實現手腕的上下擺動。電機3經傳動軸和兩對圓錐齒輪傳動帶動軸回轉，實現手腕機械接口法蘭盤的回轉運動 1.3 機器人的現狀與發(fā)展 1.3.1 機器人的歷史 1920年 捷

9、克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機器人萬能公司》中，根據Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機器人”這個詞。 　　1939年 美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會說77個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務活還差得遠。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。 　　1942年 美國科幻巨匠阿西莫夫提出“機器人三定律”。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造，但后來成為學術界默認的研發(fā)原則。 　　1948年 諾伯特·維納出版《控制論》，闡述了機器中的通信和控制機能與人

10、的神經、感覺機能的共同規(guī)律，率先提出以計算機為核心的自動化工廠。 　　1954年 美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人，并注冊了專利。這種機械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。 　　1956年 在達特茅斯會議上，馬文·明斯基提出了他對智能機器的看法：智能機器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個定義影響到以后30年智能機器人的研究方向。 　　1959年 德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后，成立了世界上第一家機器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)

11、和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機器人之父”。 　　1962年 美國AMF公司生產出“VERSTRAN”(意思是萬能搬運),與Unimation公司生產的Unimate一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機器人，并出口到世界各國，掀起了全世界對機器人和機器人研究的熱潮。 　　1962年-1963年傳感器的應用提高了機器人的可操作性。人們試著在機器人上安裝各種各樣的傳感器，包括1961年恩斯特采用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器，而麥卡錫1963年則開始在機器人中加入視覺傳感系統，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個帶有視覺傳感器，能識別并定位積木的機器人

12、系統。 　　1965年約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室研制出Beast機器人。Beast已經能通過聲納系統、光電管等裝置，根據環(huán)境校正自己的位置。20世紀60年代中期開始，美國麻省理工學院、斯坦福大學、英國愛丁堡大學等陸續(xù)成立了機器人實驗室。美國興起研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機器人，并向人工智能進發(fā)。 　　1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據人的指令發(fā)現并抓取積木,不過控制它的計算機有一個房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機器人，拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。 　　1969年 日本早稻田大學加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺

13、以雙腳走路的機器人。加藤一郎長期致力于研究仿人機器人，被譽為“仿人機器人之父”。日本專家一向以研發(fā)仿人機器人和娛樂機器人的技術見長，后來更進一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。 　　1973年 世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機器人T3。 　　1978年 美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA，這標志著工業(yè)機器人技術已經完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。 　　1984年 英格伯格再推機器人Helpmate，這種機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預言：“我要讓機器人擦

14、地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全”。 　　1998年 丹麥樂高公司推出機器人(Mind-storms)套件，讓機器人制造變得跟搭積木一樣，相對簡單又能任意拼裝，使機器人開始走入個人世界。 　　1999年 日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO)，當即銷售一空，從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。 　　2002年 美國iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba，它能避開障礙，自動設計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機器人。iRobot公司北京區(qū)授權代理商：北京微網智宏科技有限公司。 2006年 6月，微軟

15、公司推出Microsoft Robotics Studio，機器人模塊化、平臺統一化的趨勢越來越明顯，比爾·蓋茨預言，家用機器人很快將席卷全球。 1.3.2 先進機器人 　　近年來，人類的活動領域不斷擴大，機器人應用也從制造領域向非制造領域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農林業(yè)、服務、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非結構化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外 感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機器人技術的一個重要發(fā)展方向。 　　水下機器人：美國的AUSS、俄羅斯的MT-88、法國的EPAV

16、LARD等水下機器人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設和檢查、電纜敷設和維護、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機器人（remote operated vehicle）和無纜水下機器人（autonomous under water vehicle）兩大類。 　　空間機器人：空間機器人一直是先進機器人的重要研究領域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機器人。如美國NASA的空間機器人 Sojanor等。Sljanor是一輛自主移動車，重量為11.5kg，尺寸630mm，有6個車輪，它在火星上的成功應用，引起了全球的廣泛關注。 　　核工業(yè)用機器人：國外的研究主要集中在機構靈巧

17、，動作準確可靠、反應快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動機器人。已完成的典型系統，如美國ORML基于機器人的放射性儲罐清理系統、反應堆用雙臂操作器，加拿來大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統，德國的C7靈巧手等 　　地下機器人：地下機器人主要包括采掘機器人和地下管道檢修機器人兩大類。主要研究內容為：機械結構、行走系統、傳感器及定位系統、控制系統、通信及遙控技術。目前日、美、德等發(fā)達國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機器人，各種采機器人及自動化系統正在研制中。 　 醫(yī)用機器人： 醫(yī)用機器人的主要研究內容包括：醫(yī)療外科手術的規(guī)劃與仿真、機器

18、人輔助外科手術、最小損傷外科、臨場感外科手術等。美國已開展臨場感外科（telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場模擬、手術培訓、解剖教學等。法、英、意、德等國家聯合開展了圖像引導型矯形外科（telematics）計劃、袖珍機器人（biomed）計劃以及用于外科手術的機電手術工具等項目的研究，并已取得一些卓有成效的結果。 　 建筑機器人：日本已研制出20多種建筑機器人。如高層建筑抹灰機器人、預制件安裝機器人、室內裝修機器人、地面拋光機器人、擦玻璃機器人等，并已實際應用。美國卡內基梅隆重大學、麻省理工學院等都在進行管道挖掘和埋設機器人、內墻安裝機器人等型號的研制、并開展了傳感器

19、、移動技術和系統自動化施工方法等基礎研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。 　　可以預見，在21世紀各種先進的機器人系統將會進入人類生活的各個領域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。 1.3.3 發(fā)展趨勢 隨著社會的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的分工越來越明細，尤其是在現代化的大產業(yè)中，有的人每天就只管擰一批產品的同一個部位上的一個螺母，有的人整天就是接一個線頭，就像電影《摩登時代》中演示的那樣，人們感到自己在不斷異化，各種職業(yè)病逐漸產生，于是人們強烈希望用某種機器代替自己工作，因此人們研制出了機器人，用以代替人們去完成那些單調、枯燥或是危險的工作。由于機器人的問世，使一部分工人失去了原來的工

20、作，于是有人對機器人產生了敵意?！皺C器人上崗，人將下崗?！辈粌H在我國，即使在一些發(fā)達國家如美國，也有人持這種觀念。其實這種擔心是多余的，任何先進的機器設備，都會提高勞動生產率和產品質量，創(chuàng)造出更多的社會財富，也就必然提供更多的就業(yè)機會，這已被人類生產發(fā)展史所證明。任何新事物的出現都有利有弊，只不過利大于弊，很快就得到了人們的認可。比如汽車的出現，它不僅奪了一部分人力車夫、挑夫的生意，還常常出車禍，給人類生命財產帶來威脅。雖然人們都看到了汽車的這些弊端，但它還是成了人們日常生活中必不可少的交通工具。英國一位著名的政治家針對關于工業(yè)機器人的這一問題說過這樣一段話：“日本機器人的數量居世界首位，而失

21、業(yè)人口最少，英國機器人數量在發(fā)達國家中最少，而失業(yè)人口居高不下”，這也從另一個側面說明了機器人是不會搶人飯碗的。 　　美國是機器人的發(fā)源地，機器人的擁有量遠遠少于日本，其中部分原因就是因為美國有些工人不歡迎機器人，從而抑制了機器人的發(fā)展。日本之所以能迅速成為機器人大國，原因是多方面的，但其中很重要的一條就是當時日本勞動力短缺，政府和企業(yè)都希望發(fā)展機器人，國民也都歡迎使用機器人。由于使用了機器人，日本也嘗到了甜頭，它的汽車、電子工業(yè)迅速崛起，很快占領了世界市場。從現在世界工業(yè)發(fā)展的潮流看，發(fā)展機器人是一條必由之路。沒有機器人，人將變?yōu)闄C器；有了機器人，人仍然是主人。

22、 2 驅動結構設計 2.1 驅動方法的確定 機器人的驅動方法一般有三種：液壓、氣壓、電動。 液壓驅動以高壓油為工作介質。液壓驅動機器人的抓取能力可達上百公斤，液壓力可達7MPa，傳動平穩(wěn)，但對密封性要求高。 氣動傳動是最簡單的驅動方法，原理與液壓相似。這種機器人結構簡單，動作迅速，價格低廉。由于空氣具有可壓縮性，因此這種機器人的工作速度慢，穩(wěn)定性差；其氣壓一般為0.7MPa，因而抓取力小。 電動傳動是目前在工業(yè)機器人中用的最多的一種。早期多采用步進電機（SM），后來發(fā)展了直流伺服電機（DC），現在，交流伺服電機（AC）也開始廣泛應用。直流伺服電機用得較

23、多的原因是因為它可達很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在兩個方向連續(xù)旋轉，運動平滑，且本身設有位置控制能力。步進電機是通過脈沖電流實現步進的，每給一個脈沖，便轉動一個步距。 結論：本課題的機器人將采用電機驅動。因為它具有體積小、轉矩大、輸出力矩和電流成比例、反應快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 2.2機器人手腕傳動結構設計 機器人手腕式連接末端操作器和手臂的部件，它的作用是調節(jié)或改變工作的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機器人末端操作器適應復雜的動作要求。 為了滿足手腕處于手臂末端，須減輕手臂的載荷，力求手腕部件的結構緊湊，減少其重量和體積的要求，現初步設

24、計如下： 此處為反轉后的樣子，直接顯示不清楚（參照《工業(yè)機器人技術》P40頁） 圖2-1(手腕傳動結構示意圖) 因為設計手腕時除應滿足啟動和傳動過程中所需的輸出力矩外，還要求手腕結構簡單，緊湊輕巧，傳動靈活；多數情況下，要求將腕部結構的驅動部分安排在小臂上，使外形整齊。故此處統一將電機安放在后方，呈三角形排列。 此處有一個地方值得注意的是當腕擺框擺動而手腕電機不轉時，連接末端執(zhí)行器的錐齒輪在另一錐齒輪上滾動，將產生附加的手轉運動，在控制上要進行修正。其余傳動正常，詳細傳動過程請見圖紙。 本課題中有要求手腕運動的角度及速度等，要求如表2-2中所示 動作范圍

25、 手腕回轉 手腕擺動 手腕旋轉 額定載荷 最大速度 表2-2（手腕傳動要求） 3 電機的選擇 題目要求額定載荷為,現在初步估計腕部本身的重量為，最大工作速度為，所以功率 取安全系數為1.2， 考慮到實際工作情況，最終選定。選擇OM型法納克公司三相交流電動機，技術參數見表2-3 表2-3 法納克公司三相交流中慣量電機 型 號 最大轉矩 () 額定轉矩() 最高轉速 () 額定功率 (W) 重量 (kg) 中慣量系列-0M 26 2.9 2000 400 13 4 總傳動比的確定及傳動比的

26、分配 4.1 各級傳動比的計算 4.1.1 偏轉傳動比的確定 先根據下式求角速度 = ＝＝30 r/s 為角速度(r/s)，V為運動速度（m/s）， R為工作接口到轉動軸的距離(m)。 再求實際轉速 為轉速(r/min)。最后求得總傳動比 ＝＝6.98 取整 = 7 4.1.2 俯仰傳動比的確定 算法同上，由于R的大小較前者稍大，（具體結構可查看圖紙）故經過計算最終得出俯仰總傳動比 ＝10 4.1.3 旋轉傳動比的確定 同理，經過計算最終得出旋轉總轉動比 = 14 4.2 傳

27、動比的分配 傳動比分配時要考慮到傳動的合理性，要做到正確傳動。 4.2.1 偏轉傳動比分配 總傳動比 = 7，該傳動為兩級傳動，第一級傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比= 2，第二級傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比 = 3.5。 4.2.2 俯仰傳動比分配 總傳動比＝10，該傳動為兩級傳動，第一級傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比＝2，第二級傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比＝5。 4.2.3 旋轉傳動比分配 由于旋轉速度要求，設定傳動比=14，第一級傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比，第二級傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比 5 齒輪的設計 5.1 偏轉部分齒輪設計 5.1.1 第一級圓柱齒輪傳動的

28、類型、精度等級、材料及齒數： 小齒輪采用材料為40（調質），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。齒輪精度等級為7級。取。 5.1.2 按齒面接觸強度設計 由設計計算公式進行計算，即： (5-1) （1）確定公式內的各計算數值 其中，選載荷系數=1.3 小齒輪傳遞的轉矩為： 由表10-7選取齒寬系數 由表10-6查得材料的彈性影響系數 由圖10-21d按照齒面硬度查得： 小齒輪的接觸疲勞強度極限 大齒輪的接觸疲勞強度極限 由式10-

29、13計算應力循環(huán)次數 取疲勞壽命系數; 計算接觸疲勞許用應力。 設定失效概率為1%，安全系數S=1,可得出 （2）計算 計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值 計算圓周速度 計算尺寬b 計算齒寬與齒高之比 模數 齒高 計算載荷系數 根據，7級精度，查表得動載荷系數 直齒輪， 查表得使用系數 7級精度、小齒輪相對支承非對稱分布置時， 由，查得;故載荷系數 按實際載荷系數校正所算得的分度圓直徑 計算模數 5.1.3 按齒根彎曲強度設計

30、 (5-2) （1）確定公式內的數值 其中小齒輪彎曲疲勞強度極限 大齒輪彎曲強度極限 彎曲疲勞壽命系數, 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數，由公式可得： 計算載荷系數 查取齒形系數; 查取應力校正系數; 計算大小齒輪的并加以比較 大齒輪的齒數大 （2）設計計算 故此處只要滿足第一個計算的結果，取模數 幾何尺寸計算如表5-1 表5-1（偏轉第一級圓柱齒輪） 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基

31、圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 中心距 頂隙 其他具體設計見圖 由于小齒輪較小，故做成齒輪軸。（所有齒厚均為計算中的0.8至1倍的d，具體可參考圖紙。以后不再復述） 5.1.4 第二級圓錐齒輪傳動的類型、精度等級、材料及齒數： 小齒輪采用材料為40（調質），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。齒輪精度等級為7級。取。 按齒面接觸疲勞強度計算，公式為： (5-3) （1） 確定公式內的各個值

32、其中，， 小齒輪的接觸疲勞強度極限 大齒輪的接觸疲勞強度極限 取彎曲疲勞安全系數，由公式可得： 應力循環(huán)次數 接觸疲勞壽命系數, 彎曲疲勞壽命系數 接觸疲勞安全系數，彎曲疲勞安全系數,又，試選 求許用接觸應力和許用彎曲應力 將以上的數值帶入公式可得 所以速度 動載荷系數； 使用系數； 齒向載荷分布不均勻系數； 齒間載荷分配系數取； 則 故取 齒根彎曲疲勞強度計算 復合齒形系數， 取 由公式 (5-4) 可推出公式 所以模數，齒

33、輪合格 具體參數如表5-2 表5-2（偏轉第二級圓錐齒輪） 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒頂角 齒根角 分度圓錐角 頂錐角 根錐角 錐距 齒寬 小齒輪為齒輪軸 5.2 其他的齒輪設計 5.2.1 俯仰部分齒輪設計 第一級傳動為圓柱齒輪傳動，小齒輪采用材料為40（調質），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。齒輪精度等級為7級。取。 具體參數如表5-3

34、 表5-3（俯仰第一級圓柱齒輪） 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 中心距 頂隙 齒輪為齒輪軸 第二級傳動為圓錐齒輪傳動，小齒輪采用材料為40（調質），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。齒輪精度等級為7級。取。 具體參數如表5-4： 表5-4（俯仰第二級圓錐齒輪） 名稱 符號 公式 分度圓直徑

35、 齒頂高 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒頂角 齒根角 分度圓錐角 頂錐角 根錐角 錐距 齒寬 5.2.2 旋轉部分齒輪設計 第一級傳動為圓錐齒輪傳動，小齒輪采用材料為40（調質），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。齒輪精度等級為7級。取。 具體參數見表5-5 表5-5（旋轉第一級圓錐齒輪） 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直

36、徑 齒頂角 齒根角 分度圓錐角 頂錐角 根錐角 錐距 齒寬 第二級傳動為圓錐齒輪傳動，小齒輪采用材料為40（調質），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。齒輪精度等級為7級。取。 具體參數見表5-6 表5-6（旋轉第二級圓錐齒輪） 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒頂角 齒根角 分度圓錐角 頂錐角 根錐角

37、 錐距 齒寬 6 軸的設計與校核 6.1 軸的結構設計包括定出軸的合理外形和全部結構尺寸。 6.1.1 軸的結構設計 軸的結構主要取決于以下因素：軸在機器中的安裝位置及形式；軸上安裝的零件類型、尺寸、數量以及和軸的連接方法；載荷的性質、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結構的因素較多，且其結構形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒有標準的結構形式。設計時，必須針對不同情況進行具體分析。初步設計如圖6-1 圖6-1（結構圖示意圖） 6.1.2 軸的結構尺寸的確定 由于軸1是要和聯軸器進行連接，此處所采用的是波紋聯軸器，查閱資料后確定。軸

38、3上要安裝軸承，其直徑要與軸承型號相匹配，此處選用的是角接觸軸承，型號為7205，內徑是25mm, 由于一根軸上的軸承相同，故。此處簡述一下軸承的選取過程：1．軸承選擇的概要 由于各種因素的存在，對軸承類型的選擇沒有一個固定的法則可循。為了能從為數眾多的結構、尺寸中，選擇最適合的軸承，有需要從各種角度研究。在選擇軸承時，一般，考慮作為軸系的軸承排列、安裝、拆卸之難易度、軸承所允許的空間、尺寸、及軸承的市場性等，大致決定軸承結構。有關于潤滑脂老化而發(fā)生的潤滑脂壽命、磨損、噪音等也需要充分研究。其次，一邊比較研究使用軸承的各種機械的設計壽命和軸承的各種不同的耐久限度，一邊決定軸承尺寸。再者，根據不

39、同的用途，有必要選擇對精度、游隙、保持架結構、潤滑脂等要求，作特別設計的軸承。但是，選擇軸承并沒有一定的順序、規(guī)則，優(yōu)先應考慮的是對軸承所要求的條件、性能、最有關連的事項，最為實際。 2．軸承類型的選擇 各類軸承都因其設計之不同而具有各種不同特牲，使其適宜于某種特定的應用范圍。例如，深溝球軸承可承受中等程度的徑向及軸向載荷，運轉摩擦力低，可以制出高精密及低噪音的產品，因此適宜于小型或中型的電機用途。圓錐滾子軸承特別適用于承受徑向載荷和單向軸向載荷及其合成載荷。其接觸角越大，軸向載荷容量越大。安裝與拆卸比較方便，通常以兩套軸承配對使用。圓柱滾子軸承一般只承受徑向負荷與相同尺寸的向心球相比，其徑向

40、載荷能力提高1.5∽3倍。由于本處傳遞力矩較小，約合2000N，所選取的軸承所能承受為5000N以上，故略去校核。2處則要安裝套筒，所以去 。軸5由設計決定做成齒輪，故，和統一，初步選擇了。長度方面，根據聯軸器的相關規(guī)定，現取，同理，和則根據相關軸承的寬度進行設計，結果為，和軸承相配合，是根據套筒長度所決定，初步決定，再根據總體結構，，，根據計算得出的結果為齒寬加一點余量，得。 6.2軸的校核計算 軸的計算通常都是在初步完成設計結構后進行校核計算，計算準則是滿足軸的強度或剛度要求，必要時還應校核軸的震動穩(wěn)定性 按扭轉強度條件計算

41、 (6-1) 其中 由于采用45鋼，所以 代入上式得 由于有一個鍵，軸徑增大5%-7%，所以，所以符合要求。 按彎扭合成強度條件計算,扭矩圖6-2 圖6-2（受力分析圖） 傳遞功率： 作用到齒輪上的力： 水平面上受力分析： 垂直面上受力分析： 在a-a截面的左端： 右端： 在垂直的方向上： 彎矩計算：左端為 右端為 由上述計算可看出a-a截面的左側要比右側受力大，故此處a-a左側為危險截面，只要校核左側就

42、可以了 按彎扭合成應力校核軸的強度 查表可得，， (6-2) 故安全 精確校核軸的疲勞強度 抗彎截面系數 抗扭截面系數 截面上的彎曲應力 截面上的扭轉應力為 安全系數 所以安全 由于本次課題所傳動的力矩較小，與實際校核允許值非常大，所以其余軸的校核過程略去，基本過程同上，校核結果為全部合格。 7 電氣控制 7.1 控制方法的確定 7.1.1 PLC的介紹 可編程控制器（PLC），是以微處理器為核心的通用自動控制裝置。它具有控制功能強、可靠性高、使用靈活方便、易于擴展、通用性強等一系列優(yōu)點，不僅可以取代

43、繼電器控制系統，還可以進行復雜的生產過程控制和應用于工廠自動化網絡，被譽為現代工業(yè)生產自動化的三大支柱之一。 7.1.2 單片機的介紹 單片機自20世紀70年代問世以來，以其極高的性能價格比，受到人們的重視和關注，應用很廣，發(fā)展很快。單片機體積小，重量輕，抗干擾能力強，環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易。由于具有上述優(yōu)點，在我國，單片機已廣泛地應用在工業(yè)自動化控制，自動檢測，只能儀器儀表，家用機器，電子電力，機電一體化設備的各個方面。 單片機主要應用與測控領域，用以實現各種測試和控制功能。為了強調其控制屬性，在國際上，多把單片機成為微控制器MCU(MicroConr

44、roller Unit)。由于單片機在在使用時，通常是處于測控系統的核心地位并嵌入其中，所以，通常也把單片機稱為嵌入式控制器EMCU（Embedded MicroController Unit）。而在我國，發(fā)部分工程技術人員比較習慣使用“單片機”這一名稱。 7.1.3 結果 經過考慮此處采用PLC控制，其控制原理簡單，繪圖方便。 7.2 PLC控制梯形圖設計 根據具體的操作要求，現做出梯形圖7-1 圖7-1（梯形圖） 其中X0,X2,X4分別為回轉、擺動及旋轉的控制按鈕，X6、X7為限位開關，X8為急停按鈕。X0、X2、X4互相鎖定，當一個按鈕按下時其余2個電機都

45、不可能工作，從而實現只能在一個時間內完成一個自由度的運動。所有開關全為接觸恢復式，Y1、Y2、Y3均有自鎖功能。 其中電機的正反轉問題可另外設置一個開關來控制電流的方向，從而控制電機的轉向。 7.4 PLC的IO圖繪制 做具體的IO接線圖，此處選擇的可編程控制器為三菱公司的FX系列，此種可編程控制器具有性價比高，應用廣泛等特點。具體型號為FX0s-20MR-001，因為只有5個輸入及3個輸出，故選擇此型號。 IO圖繪制如圖7-2所示 圖7-2(IO接口圖) 結論 本次設計通過電機成功帶動齒輪及軸的一系列運動，從而成

46、功實現了3個自由度的目標，達到了開題報告中的要求，能提高生產效率，增加勞動精度，為企業(yè)創(chuàng)造經濟效益。 本機器人使用范圍廣泛，只要接口處改動，可用于不同的用途，例如噴漆等等。清潔方便，拆卸簡易，易于保養(yǎng)。 參考文獻 [1] 陳國定，吳立言.機械設計.高等教育出版社, 2007.5 [2] 孫恒，陳祚莫，葛文杰.機械原理（第七版）.2001 [3] 張建民.機電一體化系統設計。2008 [4] 李建興.可編程控制器應用技術。2007.5 [5] 殷際英,何廣平.關節(jié)型機器人.北京:化學工業(yè)出版社, 200

47、3. [6] 馬香峰.工業(yè)機器人的操作設計和分析 .北京：冶金工業(yè)出版社, 1996. [7] 費仁元,張慧慧.機器人機械設計和分析 .北京：北京工業(yè)大學出版社,1998． [8] 周伯英.工業(yè)機器人設計 .北京：機械工業(yè)出版社, 1995． [9] 蔡自興.機器人學．北京：清華大學出版社，2000． [10] 宗光華,劉海波譯.機器人技術手冊. 北京：科學出版社, 1996． [11] 徐衛(wèi)良,錢瑞名譯.機器人操作的數學導論．北京：機械工業(yè)出版社，1998． [12] 孫迪生,王炎.機器人控制技術 .北京：機械工業(yè)出版社，1998． [13] 徐錦康.機械設計 .第二版.北京

48、：機械工業(yè)出版社，2001. [14] 徐灝．機械設計手冊 .第二版.北京：機械工業(yè)出版社，2000. [15] 成大先．機械設計手冊．第四版.北京：化學工業(yè)出版社，2002． [16] 陳秀寧，施高義.機械設計課程設計．第一版.浙江：浙江大學出版社，1995 . [17] (New Scientist) [18] (Scientific World) 附錄 總體整裝圖---------------------------------------------A0 手腕部分總裝圖-----------------------------

49、------------A0 80圓柱齒輪圖-------------------------------------------A3 140圓錐齒輪圖------------------------------------------A3 180圓錐齒輪圖------------------------------------------A3 200圓錐齒輪圖------------------------------------------A2 軸-----------------------------------------------------A3 圓柱齒輪軸-----

50、----------------------------------------A3 圓錐出輪軸---------------------------------------------A3 致 謝 大學的畢業(yè)設計無論對誰我想都是一次挑戰(zhàn)，一次嘗試自己極限的挑戰(zhàn)。而無疑在這過程中有很多人給了我莫大的幫助，其中有我的導師，我的同學，廠外師傅，甚至是一本參考書都是我前進中不可或缺的東西。在這里我要對他們表達我最真誠的謝意！感謝我的導師沈紅芳老師面對我很多幼稚的錯誤的寬容和不厭其煩的講解；感謝那位不知名的校外師傅給我指出的錯誤；感謝我的同學在困難的時候給我動力和建議。也許若干年后我不記得本次設計的內容，但是這些曾經給過我?guī)椭娜宋視肋h記得。他們給我的幫助遠不止本次設計而已。 謝謝！