關(guān)節(jié)型機器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計含5張CAD圖,關(guān)節(jié),機器人,腕部,結(jié)構(gòu)設(shè)計,cad 摘要 論文研究主要功能為可用于前端焊接的關(guān)節(jié)型機器人的手腕結(jié)構(gòu)，在實際加工中便可以提高生產(chǎn)加工能力和焊接水平。電機方面挑選了直流電動機。內(nèi)部設(shè)計上電機件、軸件和齒輪件的布置采用合理簡化安排，在滿足強度校核的前提下設(shè)計了齒輪和軸的相應(yīng)結(jié)構(gòu)。在三個自由度運動方向上可以實現(xiàn)相應(yīng)腕部的自由度要求。零件的采用上使用了在考慮制造，安裝的成本上，大多采取了標準件。 關(guān)鍵詞：自由度；焊接；手腕 Abstract The main function of this paper is the wrist structure of an articulated robot that can be used for front-end welding. In actual processing, it can improve production and processing capabilities and welding levels. For the motor, a DC motor was selected. In the internal design, the arrangement of the motor parts, shaft parts and gear parts is reasonably simplified, and the corresponding structures of gears and shafts are designed on the premise of satisfying the strength check. The corresponding degrees of freedom of the wrist can be achieved in the three degrees of freedom movement direction. Most of the parts are used in consideration of manufacturing and installation costs, and most of them adopt standard parts. Keywords: degrees of freedom; welding; wrist ? 目 　錄 緒 論……………………………………………………………………………………1 第一章 工業(yè)機器人知識綜述………………………………………………………………2 1.1機器人的含義………………………………………………………………………2 1.2題目來源……………………………………………………………………………3 1.3技術(shù)要求…………………………………………………………………………3 1.4主要的問題思路方案和設(shè)計的形成……………………………………………3 第二章 世界各國發(fā)展形式情況……………………………………………………5 2.1 研究現(xiàn)狀…………………………………………………………………………5 2.2 發(fā)展趨勢…………………………………………………………………………6 第三章 總體方案討論………………………………………………………………………7 3.1 機器內(nèi)部構(gòu)造的確定……………………………………………………………8 3.2 運作范圍的確定…………………………………………………………………9 3.3 手腕部位的確定…………………………………………………………………9 3.4 基礎(chǔ)參數(shù)的確定…………………………………………………………………10 第四章 手腕細節(jié)計劃說明………………………………………………………………11 4.1 機器人驅(qū)動運行方案的比較和篩選……………………………………………11 4.2手腕電機的選擇………………………………………………………………12 4.3傳動比的確定………………………………………………………………12 4.4 傳動比的分配………………………………………………………………13 4.5 齒輪的設(shè)計…………………………………………………………………14 4.6 軸的校驗和設(shè)計……………………………………………………………25 4.7 夾持器的設(shè)計……………………………………………………………………34 4.8 殼體的設(shè)計……………………………………………………………………34 結(jié)論………………………………………………………………………………35 參考文獻…………………………………………………………………………36 致謝………………………………………………………………………………37 緒 論 機器人是可以自動進行一系列操作的裝置，可以在正常工作空間內(nèi)進行多自由度的工作運行，在接受人的指令后或進行提前編制好的程序進行多種仿人形式的工作。工業(yè)機器人就是主要應(yīng)用于在工廠或工業(yè)方面的機器人，簡化了工作上的難度也可以提高工作進行的速度，實現(xiàn)高效率作業(yè)。各國的機器人以及工業(yè)機器人的定義均不相同，美國第一臺工業(yè)機器人用于進行傳遞運輸功能。我國的工業(yè)機器人經(jīng)歷過程可以分為七十、八十、九十年代。七十年代時期，我國也開始大力發(fā)展工業(yè)機器人，解決了我國在那個年代的勞動力問題，提高了生產(chǎn)效率；八十年代時期的改革開放，我們國家的機器人焊接技術(shù)取得了領(lǐng)先，解決了人工焊接的環(huán)境，操作問題，隨著在國家的支持和資金的投入下又形成了一批特種作業(yè)的工業(yè)機器人；九十年代我國便形成了屬于自己國家的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)區(qū)，科學技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展和提高，為以后的良好發(fā)展做了鋪墊。 第1章 工業(yè)機器人知識綜述 1.1.1 操作機 操作機是工業(yè)機器人最基礎(chǔ)主要的殼體部分，它的工作運動方式類似于人類的手臂運動方式，結(jié)構(gòu)部件組成如下： a.尾端執(zhí)行機構(gòu) 屬于工業(yè)機器人進行工作處理的最前端，可安裝滿足于工作需求的一系列工具，可安裝焊接，傳感，夾持，測量類相應(yīng)工具。 b. 手腕 銜接并且可以實現(xiàn)末端執(zhí)行器實現(xiàn)自由度運作的相應(yīng)部件，其主要功能為確定并連接與末端執(zhí)行器，使其在空間上有一定的確定方位并且可以進行一定程度上的方位運動工作，2至3個自由度的調(diào)整便可以使末端執(zhí)行器進行比較方便的工作運行。如果沒有手腕直接安裝于手臂，便會減少多自由度的調(diào)整，可以視工作情況而定。 c. 手臂 主要由連接桿構(gòu)成。主要起到對手腕和末端執(zhí)行器支撐和改善的作用。手臂與機座鏈接部分可選用關(guān)節(jié)鏈接，在一定程度上又可以加大末端執(zhí)行器的運動范圍和工作處理空間，空間作業(yè)能力得到進一步的提高。 d. 機座 是工業(yè)機器人的基礎(chǔ)部件，固定式便可固定于工作面，移動式便可以在工作面進行移動作業(yè)。 1.1.2 驅(qū)動單元件 驅(qū)動單元件是幫助提供給操作機主要動力和運動的裝置，由以下組成： a. 驅(qū)動器 廣泛的來講是可以驅(qū)動一些裝置設(shè)備的驅(qū)動硬件，然而在計算機領(lǐng)域主要指的是磁盤驅(qū)動器。 b. 檢測單元 對于操作機的運動情況和動力系統(tǒng)方面進行檢測。 1.1.3 控制裝置 主要由人類進行工業(yè)機器人的啟動，停止以及操作的一類裝置，對工業(yè)機器人的運動工作進行規(guī)劃設(shè)計。 1.1.4 人工智能操作程序 本次的工業(yè)機器人由感應(yīng)系統(tǒng)，可以通過數(shù)字信號的傳遞進行反饋，達到相應(yīng)的感覺，而后進行處理。還包括規(guī)劃決策系統(tǒng)，在接收到相應(yīng)的數(shù)字信號后進行規(guī)劃和決策，進而控制運動和操作。 1.2 題目來源 關(guān)節(jié)型機器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于各部件合理安置的整體設(shè)計，腕部結(jié)構(gòu)處的主要設(shè)計，以及各零件的細節(jié)處理都要進行合理安排。本課題研究項目在考慮到實際生產(chǎn)生活中。如今，在人工操作下的電弧焊接相比于自動機器人焊接的效率慢。進行焊接工作的條件環(huán)境簡陋，不僅如此對于該工位的技術(shù)操作員要求由比較高的熟練度，操作水平經(jīng)驗足，故選擇使用自動機器人焊接設(shè)備，在一定程度上可以達到焊接操作的自動生產(chǎn)柔性化，從而大大提高生產(chǎn)過程中的效率和生產(chǎn)裝備的安全以及生產(chǎn)工件的質(zhì)量，達到解放勞動力的目的，降低對生產(chǎn)環(huán)境的過量要求，減少經(jīng)濟成本。 1.3 技術(shù)要求 按照已知設(shè)計需求可以實現(xiàn)以下目的： a. 工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單； b. 裝卸方便，便于維修、調(diào)整； c.選擇以國家標準零件，通用多數(shù)機器，達到降低成本的目的。 1.4 主要處理的問題，設(shè)計方案和思路的形成 此設(shè)計題目需處理的主要問題，分為以下三點： a. 考慮到手腕在手臂的末端，根據(jù)力學分析，需將手臂處可承受載荷減小，達到安全穩(wěn)定，可以講手腕部位的結(jié)構(gòu)，零件裝置安排緊湊，設(shè)計嚴密，從而達到減小載荷的目的，相應(yīng)提高了附加外部載荷的能力； b. 通過合理化設(shè)計，將手腕結(jié)構(gòu)處的精度提高； c. 能夠完成三個自由度。 針對上述問題有了以下設(shè)計思路： a. 針對載荷不可過高的問題，可以選擇分離傳動方式，即將主要的，大部分的傳動設(shè)備和裝置安放在原離手臂的位置，再通過傳動的方式傳遞動力，可以在小臂的后側(cè)安置三個驅(qū)動裝置。 b. 考慮到手腕運動的精度，設(shè)備的剛度也應(yīng)該得到相應(yīng)的改善，解決好系統(tǒng)設(shè)備的間隙問題，就可以避免反轉(zhuǎn)誤差的殘生。由于選擇分離傳動，故傳動設(shè)備方面可以選擇傳動軸。 c. 完成三自由度的運動工作方式。 第2章 世界各國發(fā)展情況趨勢 2.1 研究現(xiàn)狀 機器人從誕生開始到八十年代，機器人的整體發(fā)展并沒有十分迅速，也沒有較好的應(yīng)用到實際生活生產(chǎn)工作中。九十年代，隨著國際互聯(lián)網(wǎng)和微電子技術(shù)的日漸發(fā)展，機器人得到了相應(yīng)的發(fā)展。隨著科學技術(shù)的進步，工業(yè)機器人日益發(fā)展，一些非工業(yè)機器人出現(xiàn)在日常生活中。以下按機器人的使用性質(zhì)分：工業(yè)機器人，先進機器人。 2.1.1 工業(yè)機器人 工業(yè)機器人：以機械、電子、電氣和自動控制技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)生產(chǎn)機器人。 a. 機器人操作機：在其他先進設(shè)計（如有限元分析、模擬設(shè)計等）的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化改良的操作機。國際已有大公司在該方面有著先進的技術(shù)，優(yōu)化處理后的到良好的機器人性能。 b. 并聯(lián)機器人：結(jié)構(gòu)為并聯(lián)處理結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)代發(fā)展先進的科學機器人技術(shù)下，進行精度高，定位準的測量技術(shù)，這也是機器人技術(shù)在數(shù)控操作技術(shù)領(lǐng)域的延申。 c. 控制系統(tǒng)：經(jīng)過科學技術(shù)的不斷提高，控制技術(shù)已經(jīng)從最開始的六軸控制達到了二十七軸控制。如今全數(shù)字控制和軟件伺服控制的實現(xiàn)，人機操作系統(tǒng)更加完善，系統(tǒng)程序編制方式簡便，非在線編程也已經(jīng)進入實用階段。 2.2.2 先進機器人 　　如今科學技術(shù)的快速發(fā)展，科學領(lǐng)域想多方面的延申，以及環(huán)境的變化，機器人的應(yīng)用情況逐漸從制造業(yè)更多方面的邁向非制造業(yè)方面。航天設(shè)備，衛(wèi)星設(shè)備，海洋勘探，船只功能，建筑，挖掘，開采，醫(yī)療，探測，生活等方面都需要機器人對人類工作的代替。因為工作的條件不同，各種機器人的功能，材料，設(shè)置，強度，剛度都有著不同的要求；不同工作的需求，也導致了先進機器人需要有著更加高密度，高質(zhì)量，高細節(jié)的現(xiàn)代化要求，尤其時人性化處理方面，更需要對核心進行深入的研究和試驗，進而促進先進機器人在未來生活上的使用和發(fā)展。 2.2 發(fā)展趨勢 機器人的國際國內(nèi)發(fā)展趨勢和前景多種多樣，主要表現(xiàn)在：機器人操作機構(gòu)設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、半自主機器人系統(tǒng)、自主加工技術(shù)等方面。 第3章 總體方案討論 3.1 確定機械機構(gòu)類型 本機構(gòu)裝置需要在空間結(jié)構(gòu)運動動作中達到6個自由度的確定，多種運動方式的重組需要進行比較，按照總體需求和裝備的精確穩(wěn)定可以討論研究以下五種方案： 3.1.1 圓柱坐標型 由三個自由度組成的運動系統(tǒng)其中包括：一轉(zhuǎn)動，兩運動，其運動工作的空間和范圍呈現(xiàn)的是圓柱形運動空間。在于其他坐標型進行比較，該圓柱坐標型，所占的體積小，但是運動空間大，范圍也更廣。 3.1.2 直角坐標型 三條相互垂直的直線，在空間中按照各自直線的方向進行移動，構(gòu)成直角坐標系。在互相垂直的三直線坐標系中其運動空間是長方體空間。由于各方向是直線，在各直線運動方向運動是便可以記下坐標，標記明顯，在對位置的編程計算時起到很便捷的作用，因此定位精度方面相比于其他坐標系準確。缺點是由于是相互垂直的直線方向，在體積與空間上機體占用大，笨重不靈活。 3.1.3 球坐標型 由兩轉(zhuǎn)動，一直線運動組成的球坐標系，又可以叫做極坐標型。組成；一俯仰動作，一伸縮動作，一回轉(zhuǎn)動作。運作空間：球形，球坐標系的工作空間可以實現(xiàn)俯仰，伸縮，回轉(zhuǎn)的動作，實現(xiàn)抓取地面或者位置低于地面位置的工件，其優(yōu)點是裝置各構(gòu)件內(nèi)部緊密，精度高，且運動空間工作范圍大，但缺點：結(jié)構(gòu)相對于其他類型比較復雜，不靈巧簡便。 3.1.4 關(guān)節(jié)型 此機器人臂部裝置與人類的上肢在一定程度上相似，它的前面三個關(guān)節(jié)功能都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)功能，故該類型又可稱為回轉(zhuǎn)坐標型。關(guān)節(jié)機器人通常情況下由立柱和手臂組成。柱與臂的配合方式可以形成擬人肩關(guān)節(jié)，臂與前臂的配合方式可以形成類似于人體的肘關(guān)節(jié)，從而保證臂的旋轉(zhuǎn)運動和臂與前臂的俯仰擺動特性。優(yōu)點是工作移動靈活，工作空間大，屬于一般坐標系，并且更加易于抓取附近工件。 3.1.5 平面關(guān)節(jié)型 一移動，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的平面關(guān)節(jié)型。它的前行、后退、左右運動由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制處理，上下工作運動由移動關(guān)節(jié)進行控制處理。這種類型的運動空間軌跡與前面幾種不同，平面關(guān)節(jié)型旋轉(zhuǎn)體為矩形，運動關(guān)節(jié)的運動行程為其縱截面高度。對于旋轉(zhuǎn)體的橫截面結(jié)構(gòu)，其大小和形狀主要由兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度決定。它的構(gòu)造也決定了它本身在水平方向的運動靈活，簡便柔順；硬度方面，在垂直方向的剛度也是很高。由于它配置簡單自由，構(gòu)件多為標準間，柔性度高，操作靈活的原因。在實際生活中，多用于插接裝配工作，進行裝接。 五種決策方案進行優(yōu)缺對比：方案一的圓柱坐標系工作范圍廣，但不能實現(xiàn)本研究所有要求規(guī)定的動作；方案二直角坐標型機體不靈活，整體笨重；方案三球坐標型可實現(xiàn)多種運動，但結(jié)構(gòu)過于復雜，組裝拆卸困難；方案五平面關(guān)節(jié)型無法完成三自由度的條件，不能完成指定運動工作方式。綜上所述結(jié)合多種優(yōu)缺點，本次方案選擇第四種方案關(guān)節(jié)型機器人。該方案工件裝置安排，動作精度高，工藝簡便，系統(tǒng)整體操作靈活可靠。 3.2 工作空間的確定 工作空間的確定主要基于所選擇的關(guān)節(jié)機器人的總體結(jié)構(gòu)。工作空間是：在理論上講，以關(guān)節(jié)型機器人手腕結(jié)構(gòu)處的參考點為基準，最大可運動工作的空間范圍確定為運動空間。它是機器人運動的重要參考和技術(shù)參數(shù)。本課題中機器人的理論工作空間：1500mm。 圖3－1 機器人的機座坐標系 3.3 手腕結(jié)構(gòu)的確定 手腕的工作位置：位于機器人操作機構(gòu)的末端處。它是將末端夾持的機器和手臂構(gòu)件連接在一的橋梁，起到連接作用。它的主要功能是在已經(jīng)實現(xiàn)了三個可確定的坐標位置基礎(chǔ)上，再加上手腕的三個方向的靈活運動，最終達到三自由度的目的。 圖3－2 傳動原理機構(gòu)簡圖 根據(jù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性條件，電機結(jié)構(gòu)安置裝配為三角形結(jié)構(gòu)，見上圖。 3.4 基礎(chǔ)參數(shù)定值 腕部空間結(jié)構(gòu)敲定后，進而確定腕部處旋轉(zhuǎn)、擺動和旋轉(zhuǎn)三種運動形式。 表3-1 機器人的主要規(guī)格參數(shù) 動作范圍 手腕回轉(zhuǎn) 手腕擺動 手腕旋轉(zhuǎn) 額定載荷 最大速度 第4章 手腕詳細設(shè)計說明 4.1 驅(qū)動運行方案策略的考究和選擇 驅(qū)動方案策略選擇上通常有以下四種： a. 步進電機：實現(xiàn)以數(shù)字，字符對運動工作進行簡單、快速的編程處理，可實現(xiàn)數(shù)字控制自動化，數(shù)字控制的特點是：簡單的控制結(jié)構(gòu)，良好的控制性能，構(gòu)建成本較低，并且不需要通過反饋系統(tǒng)的反饋就可以實現(xiàn)對速度和位置的處理操作。同樣，由于屬于無反饋控制也稱開環(huán)控制，出現(xiàn)誤差后沒有合適的辦法進行矯正處理；一旦出現(xiàn)誤差，系統(tǒng)精度就會下降，還會引起電機間構(gòu)件失去同步的現(xiàn)象。 b. 直流伺服電機：速度相比于其他電機，有著良好的調(diào)速特性。同時相對功率大，能夠進行快速起速，如今的技術(shù)也逐漸成熟，控制穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低，維修安裝上也相對便利。 c. 交流伺服電機：交流伺服電機由于它的構(gòu)造結(jié)構(gòu)簡便，安裝維修便捷，運行安全可靠，但是價格上與步進電機相比則需要更多的成本。隨著計算機控制技術(shù)的飛速發(fā)展，交流伺服電機的調(diào)速性能逐漸與直流伺服電機相當。在響應(yīng)速度方面，交流伺服電機的三倍過載輸出轉(zhuǎn)矩可以在啟動時就直接獲得大額啟動功率，相應(yīng)的響應(yīng)速度也會被提高。 d. 液壓伺服馬達：液壓系統(tǒng)比較穩(wěn)定，精度比較高，負載能力也很強；但是液壓系統(tǒng)會存在漏油泄露的情況，液壓傳動的介質(zhì)選擇也要根據(jù)工作條件進行選擇。液壓伺服馬達不適用于小型的機器人，盡量不選擇此種方案。 綜上：本次研究方案定為選擇直流伺服電機，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩大、體積小、伺服條件良好、反應(yīng)性能快，技術(shù)成熟，成本低廉。 4.2 手腕電機的挑選 4.2.1 篩選提腕電機 腕部理論載荷峰值，最初估計腕部質(zhì)量，運動速度理論達到最大值v=2m/s 功率 取安全系數(shù)為1.2， 需確定傳動過程中出現(xiàn)的摩擦和損失，電動機的功率可定為：。 電機選擇：Z型并勵直流電動機 表4-1 Z型并勵直流電動機技術(shù)參數(shù) 型 號 額定電壓 （V） 額定轉(zhuǎn)矩 (N/m) 額定轉(zhuǎn)速 (r/m) 參考功率 (W) 重量 (kg) Z200/20-400 200 1 2000 400 5.5 4.2.2 選擇轉(zhuǎn)腕、擺腕電機 考慮到機器完整要求的選擇：Z型并勵直流電動機，電動機型號：200/20-400。 4.3 傳動比定值 4.3.1 確定提腕總傳動比 角速度 = ＝＝20 r/s ；角速度(r/s)， R；機械接口處與轉(zhuǎn)動軸距離(m)，V；運動速度（m/s）。 繼續(xù)求實際轉(zhuǎn)速 n’＝ 為轉(zhuǎn)速(r/min)。 最終計算得到總傳動比 i總＝＝10.4 整數(shù)取值i總1=10 4.3.2 確定擺腕、轉(zhuǎn)腕傳動比 同法，繼續(xù)可計算出 總傳動比i總2＝20（轉(zhuǎn)腕結(jié)構(gòu)） 總傳動比i總3＝10（擺腕結(jié)構(gòu)） 4.4 分配傳動比 本方案進行傳動比分配需要考慮的原則：首先保證傳動的合理進行，各級要協(xié)調(diào)合理進行分配，與傳動比相協(xié)調(diào)的是各齒輪的尺寸數(shù)據(jù)大小。 a. 分配提腕傳動比 1. 總傳動比：I總1=10。傳動可分為二級傳動 2.第一極傳動位置為圓柱齒輪傳動，分配的傳動比I11=2。 3.第二極傳動位置為圓錐齒輪傳動，分配的傳動比i12＝5。 b. 分配轉(zhuǎn)腕傳動比 1.總傳動比：I總2＝20。傳動同樣分為二級傳動 2.第一極傳動位置為圓錐齒輪傳動，分配得到的傳動比I21＝5。 3.第二極傳動位置為圓錐齒輪傳動，分配得到的傳動比I21＝4。 c. 擺腕傳動比分配 1. 總傳動比:I總3＝10.傳動分為二級傳動 2.第一極傳動位置為圓柱齒輪傳動，分配得到的傳動比I31＝2。 3.第二極傳動位置為圓錐齒輪傳動，分配得到的傳動比I32＝5。 4.5 輪齒的設(shè)計 根據(jù)綜上所述傳動比分配安排，各齒輪具體尺寸進行合理安排設(shè)計。 4.5.1 提腕結(jié)構(gòu)部分齒輪合理設(shè)計 A. 第一極：圓柱齒輪傳動 材料方面選擇：45號剛，鍛造毛坯，正火處理，齒輪表面硬度達到170~190HBS，齒輪精度等級達到7級。選擇。 a. 設(shè)計準則 首先根據(jù)輪齒表面承受的接觸疲勞強度設(shè)計，再按照輪齒根部彎曲承受的疲勞強度進行校核。 b.根據(jù)輪齒表面承受的接觸疲勞強度設(shè)計 輪齒表面承受的接觸疲勞強度條件的標準設(shè)計公式 （4－1） 其中， ，， ，，， 已選材料的接觸處疲勞極限值應(yīng)力： 已選材料的接觸處疲勞極限值應(yīng)力： 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由公式 （4-2） 則 接觸處疲勞壽命系數(shù)為, 彎曲疲勞處壽命系數(shù)為 接觸處疲勞安全系數(shù)為，彎曲疲勞安全系數(shù)為,又，試選。 計算許用接觸應(yīng)力、許用彎曲應(yīng)力： 相關(guān)數(shù)據(jù)代進（4－1）得： 則 動載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則 修正 可取標準模數(shù)。 c.計算基本尺寸 取 d. 校核輪齒根處彎曲疲勞強度 復合齒形系數(shù)， 取 校核兩齒輪彎曲強度 （4－3） 綜上所述：齒輪設(shè)計為合理化設(shè)計，滿足安全要求。 表4－2 齒輪的幾何尺寸 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 計算后小齒輪分度圓直徑相對于整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較小，考慮后選擇將小齒輪結(jié)構(gòu)上改成齒輪軸。 B. 第二極：圓錐齒輪傳動 材料選擇：45號鋼，進行調(diào)質(zhì)處理，輪齒表面硬度達到：180~190HBS，輪齒精度等級達到：7極。選擇 a. 設(shè)計準則 首先選擇輪齒表面的接觸疲勞強度進行設(shè)計，其次按照輪齒根部的彎曲疲勞強度進行校核檢驗。 b. 按輪齒表面的接觸疲勞強度進行設(shè)計 輪齒表面的接觸疲勞強度的設(shè)計公式： （4－4） 其中， ，， ，， 選擇材料接觸處疲勞極值應(yīng)力： 選擇材料接觸處疲勞極值應(yīng)力： 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N （4-5） 則 接觸處疲勞壽命系數(shù), 彎曲處疲勞壽命系數(shù) 接觸處疲勞安全系數(shù)：，彎曲處疲勞安全系數(shù)：,又，可選。 計算許用接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力： 將相關(guān)數(shù)據(jù)代入整理（4－4）得： 則 動載荷系數(shù)：；使用系數(shù)：；齒向受載分布不均系數(shù)：；齒間載荷分配系數(shù)：，則 修正 取標準模數(shù)：。 c.基本尺寸計算 d. 校核檢驗齒根處彎曲疲勞強度 復合齒形系數(shù)， 取 校核檢驗兩齒輪彎曲強度 （4-6） 綜上所述：齒輪設(shè)計合理，滿足安全要求。 表4－3齒輪的幾何尺寸 · 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 由計算得出小齒輪的分度圓直徑相對較小，設(shè)計上將小齒輪制成齒輪軸。 4.5.2 轉(zhuǎn)腕部分齒輪設(shè)計 第一極：圓錐齒輪傳動 材料選擇：45號鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，輪齒表面硬度達到：180~190HBS，齒輪精度等級達到：7級。取。 校驗后輪齒滿足要求. 表4－4齒輪的幾何 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 第二極：圓錐齒輪傳動 材料選擇：45號鋼，進行調(diào)質(zhì)處理，輪齒表面硬度達到：180~190HBS，齒輪精度等級達到：7級。取。校驗后齒輪達到設(shè)計要求。 表4－5齒輪的幾何尺寸 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 4.5.3合理設(shè)計擺腕齒輪 第一極：圓柱齒輪傳動 材料選擇：45號鋼，進行調(diào)質(zhì)處理，輪齒表面硬度達到：180~190HBS，齒輪精度等級達到：7級。取。校驗后小齒輪滿足設(shè)計要求，設(shè)計成齒輪軸。 表4－6齒輪的幾何尺寸 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 第二極：圓錐齒輪傳動 材料選擇：45號鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理輪齒表面硬度達到：180~190HBS，齒輪精度等級達到：7級。取。校驗后小齒輪滿足設(shè)計要求，設(shè)計成齒輪軸。 表4－6齒輪的幾何尺寸 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 4.6 軸的設(shè)計和校核 軸的合理化設(shè)計時本課題研究的重要一環(huán)，合理的軸設(shè)計可以進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，合理的構(gòu)件受力，合理的安裝，裝配。軸承的種類也是多種多樣，合理的類型選擇和尺寸設(shè)計，可以有效的避免應(yīng)力集中，也可以減弱應(yīng)力集中所帶來的影響，大大提高整個系統(tǒng)的工藝性。如果設(shè)計的方案，具有比較大的剛度要求，也要考慮軸的變形情況。 4.6.1 輸出軸的設(shè)計 擺腕部位處的傳軸器裝置應(yīng)該選擇：軸直徑D=18mm ，相應(yīng)取軸長度L=135mm。 擺腕的運動條件限制了軸的選擇，要考慮到擺腕的運動空間需要相對運動，故提腕部位和轉(zhuǎn)腕部位的鏈接所選的連接軸為軟軸。 4.5.2 傳動軸的設(shè)計 軸選擇材料：45號鋼，進行調(diào)制操作處理 a. 初估軸徑， c=106~117,取c=106則 （4-7） b. 各段軸徑的確定 軸徑最初估計完成后，可以依靠零件的裝配步驟以開始擬定軸徑：是設(shè)計軸1的直徑，軸1上的聯(lián)軸器和軸1的直徑進行一起確定。選擇波紋管連軸器，軸1直徑：＝20mm。 右端依靠軸肩固定處理，軸2裝有套筒，軸2直徑：＝22mm。 軸3處將有軸承，軸徑的選擇既要滿足軸承內(nèi)徑的裝配要求，又要考慮軸承外部簡便裝配。因此軸3直徑和軸承型號共同選擇，選擇角接觸球軸承，型號為：7205，內(nèi)徑：＝25mm。同根軸上的兩個軸承型號選擇應(yīng)該一致相同，選擇軸7直徑：＝25mm。 軸4考慮使用軸肩固定軸承，?。?0mm。 軸5作成齒輪軸，尺寸與齒輪一致。 按照結(jié)構(gòu)定值軸6直徑＝30mm。 c. 各軸段長度確定 每個軸段的長度與每個部件的輪轂長度和部件的配合部分的長度有關(guān)，也與箱體和軸承蓋相應(yīng)部分的長度有關(guān)。 根據(jù)聯(lián)軸器取 。 考慮到套筒長度取 。 根據(jù)軸承寬度取 。 根據(jù)結(jié)構(gòu) 。 圖4－1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖 4.5.3 軸的強度校核 在進行各軸的整體設(shè)計之后，要根據(jù)材料力學中的強硬度進行計算它的承載能力，進行安全校核。在進行軸的強度校核時，要考慮選擇合適的許用應(yīng)力。傳遞扭矩的軸則需要進行扭轉(zhuǎn)強度的計算，產(chǎn)生彎矩的軸則需要進行彎曲強度計算，各軸需要進行精確的疲勞強度計算校核，確定安全系數(shù)。 圖4－2軸受力分析、彎扭矩圖 a． 軸的轉(zhuǎn)矩T： 主軸傳遞功率： （4-8） 計算作用齒輪上的力： b． 軸受力圖如圖4－2 c． 軸的支撐反力計算 在水平面上 在垂直面上 d． 彎矩圖如圖4－2 在水平面上，剖面左側(cè) 剖面右側(cè) 在垂直面上 合成彎矩，剖面左側(cè) 剖面右側(cè) e． 畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖4－2 f. 確定危險截面 截面左側(cè)合成彎矩經(jīng)計算后大于右側(cè)合成彎矩，扭矩為T，根據(jù)強度校核條件，進行左側(cè)合成彎矩的校核檢驗。 g.．軸的彎扭合成強度檢驗 許用彎曲應(yīng)力，， 截面左側(cè) h. 軸的疲勞強度安全系數(shù)檢驗 知抗拉強度 ：，彎曲疲勞強度：，剪切疲勞極限：，等效系數(shù)：， 截面左側(cè) 查，；絕對尺寸系數(shù)：，；軸通過磨削加工處理，表面質(zhì)量系數(shù)。則 彎曲應(yīng)力 ， 應(yīng)力幅 平均應(yīng)力 切應(yīng)力 安全系數(shù) 許用安全系數(shù)，，故剖面滿足安全條件。 同理，其他軸經(jīng)過安全校核都應(yīng)滿足安全許可條件。 4.7 夾持器的設(shè)計 本次夾持器的設(shè)計需要考慮選擇的焊槍軸的直徑、機械接口結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中焊槍軸徑：50mm。 4.8 殼體的設(shè)計 關(guān)于殼體的設(shè)計，機座，機身，大小臂，手腕的外殼、箱體部分全部采用鑄鋁材質(zhì)，除機身采用圓筒結(jié)構(gòu)，其余均為正方形結(jié)構(gòu)，壁厚：7~10mm。 其余結(jié)構(gòu)具體尺寸，詳見圖紙安排。 結(jié) 論 電機選擇上：直流伺服電動機。機器人腕部結(jié)構(gòu)的合理化設(shè)計，正確設(shè)計齒輪，傳動軸實現(xiàn)了三自由度空間運作。 夾持上選擇夾持焊槍，可以很大程度上提高工作效率，解決由于環(huán)境，人工產(chǎn)生帶來的問題，在實際生產(chǎn)中可以提高效益。 參 考 文 獻 [1] 劉辛軍,汪勁松,高峰.并聯(lián)六自由度微動機器人機構(gòu)的設(shè)計方法[J].清華大學學報(自然科學版), 2001,41.(8):16-20. 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[16] 陳秀寧,施高義.機械設(shè)計課程設(shè)計[M].第一版.浙江:浙江大學出版社,1995 . 致 謝 四年大學生涯，轉(zhuǎn)瞬即逝。四年光陰如煙花，滿眼繁華?；厥淄?，點點滴滴仍歷歷在目，萬千感慨入心中。既有成功是的喜悅和興奮，也有失敗時的傷感與不甘，這段時光與經(jīng)歷已然成為我人生中寶貴的財富。成長離不開恩師們，對我的淳淳教導，也不離開同學的鼓勵和家人的支持。 我的論文在王輝導師用心良苦的指導下順利完成的，老師做事嚴謹?shù)膽B(tài)度，精益求精的工作作風，認真積極的負責表現(xiàn)，平易近人的人格魅力對我影響深遠。大學四年，所遇良師，恩師皆讓我感恩，一生奉獻給教學生涯的陳玲老師，鼓勵我積極考研，奔往吉林大學；人格高尚的王輝老師，在授課中讓我不僅有學業(yè)上收獲頗豐，更是在修身上得到感悟。幫助過我的恩師，太多太多，每一位都讓我受益頗深。同學室友的集體生活，也讓我學會互幫互助，換位思考，大家的鼓勵與支持讓我不能相忘。在外求學，讓父母操勞掛念，唯有學有所成才能對得起父母的一片付出，感恩。 最后，再次感謝，老師在指導論文上付出的心血，您辛苦了。大學的日子即將畫上一個句號，我將在家人的陪伴，同學的鼓勵，老師的教誨下開始新的啟航。愿歸來仍是少年。 42