机械毕业设计（论文）-工业机器人专用减速器的设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 工业机器人专用减速器的设计工业机器人专用减速器的设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 工业机器人 专用减速器的设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引 用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他 个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 95 学 号： 0923229 作者姓名： II 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 工业机器人专用减速装置的设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 来源于毕业设计指导老师布置的课题。 减速器的设计是机械工程及其自动化专业所包含的一个较为基 础的内容，选择减速器方向的毕业设计题目完全符合本专业的要求， 从应用性方面来说，减速器又是很多机器所必不可少的一个部分。有 效保证产品速度能够达到设计的要求，具有很好的发展前途和应用 前景。摆线针轮减速器制造成本高，加工工艺复杂制，因此本课题研 究摆线针轮减速机的工作原理，摆线针轮行星减速机的构及其齿轮 的啮合原理，同时要求学生要有良好的心理素质和仔细认真的作风， 对学生也是一次很好的练习机会。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 综合应用各种所学的专业知识，查阅相关资料选择齿轮的材料齿 数，计算各齿轮的相关半径，并对其进行强度和刚度的校核，确定摆 线针轮减速机的各相关尺寸。绘制出主要的零件图跟装配图并达 II 到毕业设计所要求的图纸数量跟质量。具体内容如下： 1完成工业机器人专用减速装置二套（第二，三臂各一套），绘制 摆 线针轮减速器装配图（二份） 。 2完成部分零件图设计，绘制 零件图 34 份。 3完成设计说明一份。分析明晰，计算正确，阐述清楚。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 95 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 5 2012 年年 11 月月 15 日日 III 摘摘 要要 工业机器人专用减速器作为重要的机械传动部件具有体积小、重量轻、传动效率高 等特点。本设计全面考虑到运转平稳、多齿啮合、轮齿均载等运动学和动力学的要求， 从而实现承载能力高、传递效率高、可靠性高和动力学性能优良等指标，并且要便于制 造、装配和检修，设计了具有合理结构的工业机器人专用减速器即摆线针轮行星减速器。 本论文所涉及的科研项目主要通过对摆线针轮行星减速器的主要零件的概念进行详 细阐述，给出了摆线针轮减速器的用途，使用说明以及注意事项。列出了摆线针轮行星 减速机的构造即输出部分，输入部分。通过对针摆行星传动减速器传动工作原理和特点 进行分析，对针轮输出机构及针摆行星传动这种传动方式进行分析，以获得其理论设计 和方法。从摆线针轮行星传动的共同点出发以及针摆轮行星减速器相对于少齿差行星减 速器的优点提出针摆行星传动形式的设计计算方法。 本论文主要从以下方面出发对摆线针轮行星传动进行了研究:参照传统针摆行星传动 基本设计计算方法以及对摆线针轮行星传动主要零部件的基本参数设计计算，并对摆线 轮、柱销，针轮进行受力分析最终计算出转臂轴承和各支撑轴承所能承受的载荷大小， 完成包括摆线轮、柱销等主要零件强度校核计算和轴承的寿命计算，给出主要零件机械 加工的工艺过程，然后利用 CAD 画出了主要零件的草图和最后的装配图。 关键词关键词：摆线传动 ； 摆线轮 ； 受力分析 IVII Abstract The cycloidgear reducer is one of the most important transmission components of the pumping unit by its smaller volume，lighter weight and effective transmission. In order to realize four targets which include high transmission efficiency, high reliability and the excellent dynamics performance and guarantee credible lubricate ability, receive high efficiency of transmission, and make it easy for manufacture, assembly and inspection, we thought over all the requests in the round and design the rational structure cycloidgear reducer. By analyzing characteristics and working principle of cycloid drive, and the output pin wheel cycloid drives working principle, we obtion the design theory and method of this new kind of reduce. This paper mainly complete works include that provide the design method and complete the prototype design and dynamics analysis of virtual prototype. This paper researches the following aspects of the output pin wheel cycloid drive. First, the basic parameters and dimensions of main parts of the output pin wheel cycloid drive are designed referring to design and calculation methods of the traditional cycloid drive, and mechanical analysis of the transmission system and the load condition and life of rotary arm bearings and steady bearings of each shafts are calculated, and at the same time the calculations including the strength of cycloid wheel, pins and other major parts are completes. Then, using CAD to draw sketches of the main components and final assembly drawing. Keywords：Planetcycloid Reducer; Cycloid ;force analysis V 目目 录录 摘 要 .III AbstractIV 目 录.V 1 绪论 .1 1.1 课题研究的背景和依据 .1 1.2 本课题的研究意义 .1 1.3 课题国内外研究现状及发展趋势 .1 2 摆线针轮行星传动的简介 .4 2.1 摆线针轮的概念 4 2.2 摆线针轮减速机的用途，使用说明和注意事项 .4 2.2.1 用途 .4 2.2.2 使用条件 .4 2.2.3 润滑 .4 2.2.4 安装 .5 2.3 摆线针轮行星减速器的构造 .5 2.4 齿廓曲线的形成及其啮合原理 .6 2.5 摆线针轮行星传动的特点及应用 .8 3 工业机器人的总体设计 9 3.1 工业机器人的组成 9 3.1.1 工业机器人的系统组成 .9 3.1.2 工业机器人的基本机能组成 .9 3.2 机器人的结构分析 .9 3.2.1 机器人的总体结构的概念 .9 3.2.2 机器人的传动结构 10 3.3 机器人的设计分析及总体方案的确定 11 3.3.1 设计的任务要求 .11 3.3.2 总体方案的确定 12 3.3.3 工业机器人的主要技术参数 .12 4 摆线针轮行星齿轮传动的传动比计算和传动特点 .12 4.1 摆线针轮行星齿轮传动的传动比计算 13 4.2 啮合的齿廓形成原理 14 5 摆线针轮行星齿轮传动设计 .15 5.1 针轮行星轮系的材料 15 5.2 第一套摆线针轮加速器的设计 .15 5.2.1 选择结构形式，齿数及材料 .15 VI 5.2.2 强度计算针齿中心圆半径 .15 5.2.3 计算摆线轮和针轮的几何尺寸 16 5.2.4 转臂轴承的选择计算 .17 5.2.5 针齿销弯曲强度计算 .18 5.2.6 W 输出机构销轴弯曲强度计算19 5.3 第二套摆线针轮减速器的设计 .20 5.3.1 选择结构形式，齿数及材料 .20 5.3.2 接触强度计算针齿中心圆半径 .20 5.3.3 计算摆线轮和针轮的几何尺寸 .20 5.3.4 转臂轴承的选择计算 .21 5.3.5 针齿销弯曲强度计算 .22 5.3.6 W 输出机构销轴弯曲强度计算22 6 行星齿轮传动输出轴的轴承选择 24 7 主要零件的机械加工工艺规程 .25 7.1 摆线轮的加工工艺路线 .25 7.2 针齿壳的加工工艺路线 26 7.3 输出轴加工工艺 .26 7.4 偏心套加工工艺 .27 8 结论与展望 29 8.1 结论29 8.2 展望29 致谢 .30 参考文献 .31 工业机器人专用减速器的设计 1 1 绪论绪论 1.1 课题研究的背景和依据课题研究的背景和依据 减速器是连接动力机部分和工作机部分的应用最为广泛的通用传动机械，行星齿轮减 速器对齿轮的齿廓曲线的主要要求是保证瞬时传动比是常数。目前，满足这一要求的常 用于齿轮传动的齿廓曲线主要是渐开线和摆线。 1926 年 L.Braren 发明了摆线针轮减速器，在少齿差行星传动结构上，将变幅外摆线 的内侧等距曲线首先用于行星轮廓曲线并且把圆弧作为中心轮齿廓曲线以及渐开线少齿 差行星传动模式，保留 Z-X-F 类 N 型行星齿轮传动。此发明专利被日本住友公司于 1938 年买断，当时日本人执行的是“引进消化创新”技术路线。 摆线针轮传动与普通渐开线齿轮或蜗轮传动相比的主要优点有：高传动比和高效率， 一级减速时传动比范围是 1187，两级减速时的传动比范围是 20128；同轴输出机构 重量轻和体积小；传动平稳且噪音低；因为针摆传动同时啮合的齿数要比渐开线齿轮传 动同时啮合的齿数多，所以承载能力较大，啮合效率较高。 1.2 本课题的研究意义本课题的研究意义 减速器是各种机械设备中最常见的部件,它的作用是将电动机转速减少或增加到机械 设备所需要的转速, 摆线针轮行星减速器由于具有减速比大、体积小、重量轻、效率高等 优点，在许多情况下可代替二级、三级的普通齿轮减速器和涡轮减速器，所以使用越来 越普及，为世界各国所重视。 摆线针轮行星减速器作为重要的机械传动部件具有体积小、重量轻、传动效率高的 特点。本设计在全面考虑多齿啮合、运转平稳、轮齿均载等运动学和动力学的要求，现 高承载能力、高传递效率、高可靠性和优良动力学性能等指标，而且要便于制造、装配 和检修，设计了该具有合理结构的摆线针轮行星减速器。 1.3 课题国内外研究现状及发展趋势课题国内外研究现状及发展趋势 针摆齿轮传动与普通渐开线齿轮或蜗轮传动相比的优点有：传动比高和高效率高； 同轴输出结构体积小和重量轻；传动平稳和噪声低。因为摆线针轮传动同时啮合的齿对 数要比渐开线齿轮传动同时啮合的齿对数多，所以承载能力更大，啮合效率更高；由于 摆线轮以及针轮轮齿均可精磨、淬硬，比渐开线少齿差传动内齿轮的被加工性好，齿面 硬度要更高，因而使用寿命更长；摆线轮的加工技术已经成熟，专业加工设备齐全，因 此摆线轮已纳入通用件，在国内已做到通用化大批量生产，生产成本下降，因此摆线针 轮专用减速器当前得到广泛应用。摆线针轮减速技术到现在，虽在品种、规格等许多方 面做了改进，但在本质、原理上没有创新。现如今摆线针轮减速机，其原理和结构依然 是 1926 年德国的原型。 无锡太湖学院学士学位论文 2 图 1.1 摆线针轮减速器的应用 目前，摆线针轮减速器的研究在国内外都得到了积极发展，从1990年开始，住友机 械株式会社在“80系列”的基础上推出最新“90样本”的摆线针轮减速器，它的机型由15种扩 大到21种，传动比由8种扩大到16种。我国对日本提高摆线针轮减速器性能的主要措施已 进行较深入的分析，并且在赶超世界水平的同时也有了自己的创新成果，如与工程实际 相符的摆线轮与输出机构受力分析以及对摆线轮齿形的优化设计等。 摆线针轮减速器所能传递的最大功率为 132KW，输入轴的最高转速为 1800r/min。美 国研发直升飞机传动装置所做的摆线针轮传动装置试验样机，采用的是四片摆线轮，可 以达到输入轴动平衡的新结构，输入转速达到 2000r/min，传动功率达到 205KW。 这些年来国内对摆线针轮传动的研究一直在不断发展，并且也取得了一些成果。主 要如下： (1) 中国农业大学何胜勇对行星摆线针轮减速机虚拟样机的建造与有限元分析进行 了研究； (2） 哈尔滨工业大学于影，于波，陈建新对摆线针轮行星减速器进行优化设计； (3） 天津工程师范学院的戚厚军建立的 2Kv 型摆线针轮行星减速器的动力学模 型是以 2K-V6 型摆线针轮行星减速器为研究对象，在不改变减速器的外形尺寸及结构 的情况下，分析了摆线轮修形和短幅系数对摆线轮齿啮合刚度的影响规律，和传动系统 中的各种零件的刚度及针径系数对机器整机振动性能的影响； (4） 大连交通大学何卫东教授主持的国家自然科学基金资助的项目高承载能力高 传动效率高可靠性新型针摆行星传动的研究的科研成果双曲柄四环板针摆行星传动 于 2005 年 4 月通过鉴定； (5） 浙江大学吕方教授开发了一种新型的传动机械长幅外摆线针轮行星传动减 速机； (6) 大连铁道学院张动生采用非线性有限元分析软件 MSCMARC 建立了摆线轮与各 受力齿接触模型；首次对针齿和摆线轮齿面接触进行静态有限元分析，得出了摆线轮和 针齿间的接触状态； (7) 四川大学张流俊在首次应用有限元法取代传统的经验法进行摆线针轮减速器的 结构设计，并提供了一个通用的摆线针轮减速机结构设计计算软件包。 (8） 大连铁道学院关天民和万朝燕对新型摆线针轮传动进行理论及受力分析； (9) 大连铁道学院关天民教授提出了一种较为准确的针摆轮行星传动销孔式输出机 构的受力分析理论，利用此理论可以得到整个工作过程中输出机构和柱销的受力情况； (10） 鞍山钢铁学院高兴蚊、黄秋波对具有双面支撑输出机构以及多齿差齿形摆线针 轮行星传动的齿廓曲线形状和啮合特性进行了理论分析。摆线针轮减速器的发展趋势是 达到更高的运动精度，更高的传递功率和更广的传动范围。 自 20 世纪 90 年代以来来，在工业专用机器人回转装置选择中。摆线轮传动作为一 种比较理想的传动形式应用其中。如日本住友重机械工业株式会社研发成功的机器人用 Rv 列，FA 系列及 FT 系列产品均采用了摆线针轮传动结构形式，由于采用了最新的设 计理论。从而产品外型美观大方、结构合理、传递功率得到提高。 工业机器人专用减速器的设计 3 近年来出现了数种在摆线针轮行星传动基础上的新型传动型式，使其能够更好适应 高 精度的运动传递和控制，用于机器人关节驱动、精密机床等高精度摆线轮传动技术的研 究，其中常用的有以下几种： (1). TWINSPFN 减速器近来由斯洛伐克的一家公司推出，这种轴承式减速器不仅能 承受非常大的径向力而且还能承受轴向力，并且使用寿命和传动效率也有所提高。 (2) .RV 减速器。RV 减速器是近年来由日本帝人公司推出的一种摆线传动，是由第 一级普通渐开线直齿轮减速器部分和第二级针摆轮减速器部分组合成的两级行星传动机 构。 (3) .三片摆线轮减速器，是由日本著名的住友重机械工业株式会社推出的产品，在 此传动中采用了三片相互呈角布置的摆线轮结构，增加了摆线轮的数量提高了传动 0 120 效率。 (4). Dojen 减速器由美国 Mectrol 公司生产，传动机构采用了机芯式设计，每个针齿 都采用悬臂方式，在针齿另一端加工有锥度，和机壳上的锥孔相配合，能自动定心，不 仅能保证顺利装配又能消除全部间隙。 (5). 摆线球齿减速器，是一种将外摆线、内摆线轮结合起来的双摆线减速器，既将 针轮改为钢球齿轮，又将两摆线轮改为摆线沟槽，因而是摆线针轮减速器的一种变形。 FA 高精度减速器是当今世界上最新的传动装置，它具有体积小传动比范围大寿 命长、稽度保持稳定、效率高等一系列的优点由于它与机器人中常用的谐波传动相比 有较高的疲劳强度、大的刚度和长的寿命。两且回差耪度高，因此 FA 减速机在工业专用 机器人传动中正在得到越来越广泛的的应用：它还广泛用于测量装置，微型大传动比减 速装置、办公设备、摆线传动装置，智能住宅传动装置等机械系统中由于在这些精密 传动中，通常传递的载荷不大，但要求传动精度高，传递运动准确，因而对其传动链的 设计要求较高。 无锡太湖学院学士学位论文 4 2 2 摆线针轮行星传动的简介摆线针轮行星传动的简介 2.1 摆线针轮的概念摆线针轮的概念 本课题研究的是工业机器三自由度手臂采用摆线针轮行星轮传动的第二和第三臂。 摆线针轮行星传动的齿廓是一种 K-H-V 行星传动。行星的齿廓不是线而是摆线。中心内 齿采用了针轮。 图 2.1 行星齿轮传动结构简图 行星齿轮减速机：主要传动结构为：行星轮，太阳轮，外齿圈。行星减速机因为结 构原因单级减速最小为 3，最大一般不超过 10,常见减速比为:3、4、5、6、8、10,减速机 级数一般不超过 3，胆有大部分减速机比定制减速机有 4 级减速。相对其他减速机，行星 减速机具有高刚性，高精度，高传动比，高的扭矩/体积比，终身免维修等特点。因为这 些特点，行星减速机是安装在步进电机和伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩，匹配 惯量。 2.2 摆线针轮减速机的用途，使用说明和注意事项摆线针轮减速机的用途，使用说明和注意事项 2.2.1 用途用途 摆线针轮减速机采用摆线针齿啮合，行星式传动原理，所以通常也叫行星摆线减速 机，行星摆线针轮减速机可以广泛应用于石油、环保、化工、水泥、输送、纺织、制药、 食品 、印刷、起重、矿山、冶金、建筑、发电等行业，作为驱动或减速装置其独特的平 稳结果在许多情况下可以替代普通圆柱齿轮减速机及蜗轮蜗杆减速机，因此行星摆线针 轮减速机在各个行业和领域被广泛应用，受到广大用户的普遍欢迎。 2.2.2 使用条件使用条件 （1） 摆线针轮减速机允许使用在连续工作的场合，同时允许正反两个方向运转。 （2) 输入轴的转速额定转数为 1500 转/分，在输入功率大于 18.5 千瓦时建议采用 960 转/分的 6 级电机配套使用。 （3） 卧式安装摆线针轮减速机的工作位置均为水平位置。在安装是最大的水平倾斜 角一般小于，在超过时应采用其他措施保证润滑充足和防止漏油。 0 15 0 15 工业机器人专用减速器的设计 5 （4） 摆线针轮减速机的输出轴不能受较大的轴向力和径向力，在有较大轴向力和径 向力时须采取其他措施。 2.2.3 润滑润滑 （1) 卧式摆线减速机在正常情况下采用油池润滑，油面高度保持在视油窗的中部即 可，在工作条件恶劣，环境温度处于高温时可采用循环润滑。 （2） 摆线针轮减速机在常温下一般选用 40或 50机械润滑油，为了提高减速机 的性能、延长摆线针轮减速机的使用寿命，建议采用 70或 90极压齿轮油，在高温情 况下高温情况下工作时也可应重新考虑润滑油。 （3） 立式安装行星摆线针轮减速机要严防油泵断油，一避免减速机的部件损坏。 （4） 加油时可旋开几座上部的通气帽即可加油。放油时旋开机座下部的油塞，即可 放出油污，该减速机出厂时内部无润滑油。 （5） 第一次加油运转 100 小时应跟换新油，以后再连续工作，每半年跟换一次，如 果工作条件恶劣可适当宿短换油时间，实践证明减速机的经常换油对于延 长减速机的寿命有着重要作用，在使用过程中应经常补充润滑油。 2.2.4 安装安装 （1） 在摆线针轮减速机的输出轴上安装联轴器、皮带轮、链轮等连接件时不允许采 用直接锤击方式，因为减速机的输出轴结构不能承受轴向的锤击力，可用轴端螺孔旋入 螺钉压入联结件。 （2） 输出轴输入轴的轴径选用 GB1568-79 配合。 （3） 减速机上的吊环螺钉只限起吊减速机。 （4） 在基础上安装减速机时应校准减速机的安装中心线标准你高，水平度及其相连 部分的相关尺寸。校准装动轴的同心度不应超过联轴器所允许的范围。 （5） 减速机校准时可用钢制垫块或铸铁垫块进行，垫块在高度方面不超过三块，胆 减速机校准后应换入平垫块。 2.3 摆线针轮行星减速器的构造摆线针轮行星减速器的构造 行星摆线针轮减速机全部传动装置可分为三部分：输入部分、输出部分、减速部分。 在输出轴上安装有一错位的双偏心套，在偏心套上安装有两个滚珠轴承，形成 H 结 0 180 构，两个摆线轮的中心孔即为偏心套上转臂轴承的滚道，并由摆线轮与针齿轮上一组环 形排列的真齿轮相啮合，以组成少齿差啮合减速机构。从结构上讲，摆线针轮行星传动 由四部分组成，即针轮、摆线行星轮、系杆 H 和输出机构 W。 无锡太湖学院学士学位论文 6 图 2.2 摆线针轮行星减速器的结构图 2.4 齿廓曲线的形成及其啮合原理齿廓曲线的形成及其啮合原理 摆线行星轮的齿廓曲线为短幅外摆线的等距曲线，这种曲线的形成如图 3.2 所示。图 中圆 1 称为滚圆，半径为 r1；圆 2 称为基圆，半径为 r2。将滚圆 1 套在基圆 2 上并相对 于基圆 2 作无滑动的纯滚动，则滚圆 1 上的 P 在基圆 2 上所形成的轨迹 ec 为一条外摆线。 而在滚圆外与滚圆相固连的一点 M 在基圆上所描述的轨迹则称为短幅外摆线。 ec 图 2.3 齿轮齿廓齿廓的啮合原理 上述两圆纯滚动所产生的短幅外摆线是从属于圆 2 的，而 M 点则是从属于圆 1 上 ec 的点；如果将和 M 分别作为圆 2 与圆 1 上的齿廓，那么可将圆 2、圆 1 作为保持纯滚 ec 动的两个节圆，而用曲线和 M 两齿廓的啮合运动来实现两轮的定传动比传动。但是由 ec 工业机器人专用减速器的设计 7 于与曲线相啮合的是圆 1 上的 M 点，而实际齿廓不可能做成一点，所以要实现两齿廓 ec 的啮合传动，可以以 M 点位圆心，以 r2 为半径的小圆柱针销代替 M 点作为圆 1 上的齿 廓相应与之啮合的圆 2 上的齿廓将是上述短幅外摆线的等距曲线 C1C5.摆线针轮传动就是 一短幅外摆线的等距曲线作为行星 2 的齿廓，一针销作为固定中心内齿廓 1 的针齿而形 成的一种行星传动装置。 当输入轴带着偏心套转动一周时，由于摆线轮上齿廓曲线特点及其受针轮上针齿限 制之故，摆线轮的运动称为既有公转，又有自转的平面运动，在输入轴正转一周时，偏 心套也转动一周，摆线轮由于相反方向上转过一个齿差从而的到 减速，再借助 W 输出机 构，将摆线轮的低速自转运动通过销轴，传递给输出轴，从而获得较低的输出转速。 图 2.4 摆线行星轮的齿廓曲线 由图中可以看出，在圆滚 1 开始滚动时，滚圆上的 P 点与基圆上的 A 点相接触，接着点 P 将离开基圆，当滚圆 滚过一周时，滚圆上的 P 点再次与基圆相接触，接触点已到了基 圆上的 B 点，从点 A 到点 B 是一个完整的摆线齿廓，从 M1 到 M2 也是一个完整的短幅 外摆线齿廓。整个过程中，滚圆 1 滚过的弧长为 2r1；而基圆滚过的弧长为 2+AB。2r 由于是纯滚动，故有 （2.1） ABrr2212 无锡太湖学院学士学位论文 8 即 （2.2）arrAB2212 式中 a 为两轮的中心距 又由于 （2.3）2 22 z r AB 故联立（2.2） （2.3）两式可解得行星轮的齿数 （2.4） a r z 2 2 而针齿的齿数 （2.5）12 1 2 1212 1z a r a r AB r z 这说明针轮和摆线行星轮的齿数差只能为 1，即摆线针轮传动只能是一齿差行星传动。由 于是一齿差行星传动，故其传动比。2ziHV 2.5 摆线针轮行星传动的特点及应用摆线针轮行星传动的特点及应用 由以上所述可知，摆线针轮行星传动具有以下主要特点: (1) 减速比大。 一级减速比87，二级，三级串联可获得更大的减速比6 HV i （2) 结构紧凑。 由于采用内啮合行星传动，加之摆线行星轮的齿廓曲线为短幅外曲 线，使得整个机构结构紧凑，体积和重量均大大减小。 （3) 传动效率高。由于摆线轮和针轮啮合处输出机构上均装有滚套，使工作表面相 对滑动小，因此减少了功率损耗；又由于其啮合角较小，减轻了轴承的载荷，从而提高 了效率。其效率一般可达 9094%。 （4）传动稳定，载荷能力较高。由于采用短幅外摆线作为行星轮的齿廓，增大了齿 廓的曲率半径，从而使轮齿的接触强度得到提高，使其比渐开线少齿差传动更能承受过 载和冲击。 （5） 使用寿命长。 由于摆线轮和针轮均采用优质材料，又经过淬火处理提高了机 械性能；加之针齿上加有套筒，使针齿与摆线轮之间的滚动摩擦减小，故磨损小，寿命 长。 （6） 与渐开线少齿差行星传动相比，无齿顶相碰和啮合重叠干涉的现象。 其缺点在于: (1) 制造成本高。 材料的优质本质就是对材料的要求高，从而增加成本。 （2) 加工工艺复杂。加工摆线轮需要专门的机床，对装配工艺也有较严格的工艺要 求。 摆线轮行星传动以其多方面的有点取代了一些笨重庞大的传动装置，在机械传动中 具有及其重要的作用，从而日益受到世界各国的重视，在军工、矿山、冶金、化工、造 船等工业部门的机械设备中得到了广泛的应用。 工业机器人专用减速器的设计 9 3 工业机器人的总体设计工业机器人的总体设计 3.1 工业机器人的组成工业机器人的组成 3.1.1 工业机器人的系统组成工业机器人的系统组成 工业机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成。 目前具有人工智能系统的工业机器人即智能机器人还处于研究实验阶段。而应用于 生产实际的多数是那些具有执行系统、驱动系统和控制系统的工业机器内人。 （1) 执行系统 执行系统是工业机器人完成握取工件实所需的各种运动的机械部 件，包括；手部、腕部、臂部，还有机身和行走机构。 （2） 驱动系统 驱动系统是向执行系统各部件提供动力的装置。采用的动力源不 同，驱动系统的传动方式也不同。驱动系统的传动系统有四种；液压式、气压式、电气 式、机械式。 （3) 控制系统 控制系统是工业机器人或机械手的指挥系统，它他控制驱动系统， 让执行系统按照规定的要求进行工作、并检测其正确与否。一般常见的为电气与电子回 路控制，计算机控制系统也不断增加。就其控制方式，可分为分散控制和集中控制两种 类型。若以控制的运动轨迹来分，有两种；点位控制和连续轨迹控制。 图 3.1 工业机器人系统的具体组成图 3.1.2 工业机器人的基本机能组成工业机器人的基本机能组成 设计工业机器人就是通过设计，恰好的赋予工业机器人某些机能，以便使机器人能 够自动的完成给定的操作。从工业机器人的研究、使用和发展情况来看，工业机器人应 该具有的机能可以归纳为三个方面，即运动机能，控制机能和检测、识别机能。 3.2 机器人的结构分析机器人的结构分析 3.2.1 机器人的总体结构的概念机器人的总体结构的概念 无锡太湖学院学士学位论文 10 目前，世界上已有许多工业机器人，其中大部分属于“示教再现”型。如果将这些机器 人称作第一代，那么，具有一定程度的视觉、触觉或某些分析、判断能力的机器人就属 于第二代了。不少国家正在积极研究具有观察、触觉等功能的机器人，并取得不少成果， 但是，真正将这些成果应用于实际的还为数不多。在实际生产中被广泛应用的机器人， 示教再现型还是较多。 一般的机器人，它由机器人的机构部分、传感器组、控制部分及信息处理部分构成。 及其部分有机器手和移动机构组成；传感器有测量机器人自身位置状态和速度、加速度 的装置，只要不是自住型移动机器人，它通常放在与机器人不同的地方，通过导线连接。 在工业机器人的控制装置中，有电动机驱动电路、PTP 运动目标点和 CP 运动轨迹数据的 记忆装置和定位控制电路等。信息处理装置通过信息传输装置与机器人本体相连，多用 于只能机器人。 如图该机器人具有三自由度，及大臂的回转、臂的左右的摆动、臂的上线摆动。该 三自由度机器人的运动情况说明如下：首先，由电动机 M1 经过传动系统带动大臂的回转 运动，且与大臂相连的所有其他手臂及机械构件也随大臂一起做回转运动；而后另一手 臂由电动机 M2 直接驱动作左右摆动；还有，第三臂由电动机 M3 直接驱动作上下摆动。 图 3.2 三轴工业机器人效果总图 3.2.2 机器人的传动结构机器人的传动结构 图 3.3 工业机器人的组成结构 工业机器人专用减速器的设计 11 第一轴 图 3.4 大臂机构图 第一臂，也即大臂，该手臂实现机器人的回转运动，整个系统由伺服电动机驱动。 为了实现传动的设计要求以及机构的最优化设计要求，整个减速系统采用了三级斜齿轮 传动，且所有的斜齿轮都装在一个箱体内。然而，与一般情况不同的是，第三级斜齿轮 直接固定在机座上，从而使其他的传动系统绕着它转动，且电动机又固定在大臂上，所 以导致大臂带着电动机、减速箱一起作回转运动。 第二轴的结构 该轴实现第二臂的摆动运动。为了减轻重量及结构紧凑，此传动系统则采用摆线针 轮行星齿轮传动。这种传动由减速机构和输出机构两部分组成。减速机构采用由摆线轮， 固定针轮和转臂 H 组成的行星内啮合机构，常用-=1，输出机构采用由摆线轮上的 P Z C Z 销孔和输出轴销盘上的销轴组成的销孔式 W 机构，最后的输出轴直接与第二臂相连，也 就是说 第二臂就是输出轴。 第三轴的组成 当然，根据结构设计的要求，第三臂的传动结构与第二轴的传动一样的，采用摆线 针轮行星齿轮传动。 3.3 机器人的设计分析及总体方案的确定机器人的设计分析及总体方案的确定 3.3.1 设计的任务要求设计的任务要求 本次设计是针对三轴工业机器人的设计结构。主要设计要求如下： 第一轴： 转动角速度/s，转角范围 0/s 0 90 0 270 无锡太湖学院学士学位论文 12 第二轴： 转动角速度/s，转角范围 0/s 0 120 0 150 第三轴： 转动角速度/s，转角范围 0/s 0 90 0 270 工作负荷为：5（最远距离时） 最大工作范围：2000 3.3.2 总体方案的确定总体方案的确定 图 3.5 三自由度机器人模型图 本次设计的主要内容是三自由度工业机器人的结构设计，该机器人的主要功能就是 把一个物体从一个地方搬到另一个地方。 图 3.6 机器人的运动见图 该机器人的三轴运动情况分别是： 第一轴：通过斜齿轮传动来实现大臂的回转运动。 第二轴：通过摆线针轮行星齿轮传动来实现第二臂的摆动。 第三轴：通过摆线针轮行星齿轮传动来实现第三臂的摆动。 3.3.3 工业机器人的主要技术参数工业机器人的主要技术参数 具体的技术参数为： （1） 最大工作直径：2000； （2） 第一轴： 转动角速度/s，转角范围 0/s; 0 90 0 270 （3） 第二轴： 转动角速度/s，转角范围 0/s; 0 120 0 150 （4) 第三轴： 转动角速度/s，转角范围 0/s; 0 90 0 270 工业机器人专用减速器的设计 13 (5) 工作负荷为：5（最远距离时）; 主要特色：实现各轴的传动所采用的机械都是机构紧凑，传动效率高，传动平稳， 无噪声；而摆线针轮行星齿轮传动的传动比大。 4 摆线针轮行星齿轮传动的传动比计算和传动特点摆线针轮行星齿轮传动的传动比计算和传动特点 4.1 摆线针轮行星齿轮传动的传动比计算摆线针轮行星齿轮传动的传动比计算 摆线针轮行星传动属于一种 K-H-V 型行星传动，如图所示 图 4.1 摆线针轮行星传动 这种传动一般由减速机构和输出机构两部分组成。减速机构采用由摆线轮 C、固定针轮 P 和转臂 H 组成的行星内啮合机构，常用,输出机构采用由摆线轮上的销孔和输1 CP ZZ 出轴销盘上的销轴组成的孔销式 W 机构。 摆线针轮行星齿轮传动减速机构的传动比可用行星轮系的转化机构求出。这种机构 的传动比为 H cp u （4.1） c p Hp Hc H cp z z nn nn u 式中-摆线轮 C 的齿数； c z -针轮 P 的齿数。 p z 由于带入式（4.1）中得：0 p n （4.2） c cp c c H HC z zz z n n u 在输出机构中，由于摆线针轮装在中心距为 a 的偏心套上作行星运动，为将摆线轮的 运动经过销孔和销轴传给输出轴 V，摆线轮上的销孔直径应大于柱销上的销套直径， w d rw d 并取差值经过销孔和销套是连续接触，可将摆线轮的自转运动传给输出轴add rww 2 V。而且，由于销孔和销套中心的连线总是与偏心轮上的偏心线 O1O2 平行等长， 1O 2O 使销孔中心、销孔中心、摆线轮中心 O1 和输出轴中心 O2 形成一个平行四边形， 1O 2O 即O1O2=a，O1O2=。 1O 2O 1O 2O w R 无锡太湖学院学士学位论文 14 所以，不管摆线轮和输出轴转到任何位置，二者的角速度总是相等的，即 1 V c CV n n u 4.2 啮合的齿廓形成原理啮合的齿廓形成原理 图 4.2 摆线行星轮的齿廓曲线 如图所示，一半径 r1 的圆 1 作固定圆，用半径 r2 的圆 2 作滚动圆套在固定圆 1 上，两圆 的中心距离 a=r2-r1。当滚动圆 2 绕固定圆 1 作纯滚动是=时，固结在滚动圆上的任一点描 出的轨迹都称为外摆线。显然，当滚圆 2 绕固定圆 1 滚过全周长 2r2 时，该点便形成一 条完整的外摆线。这种形成的外摆线的发方法称为内滚法。如果该点位于滚圆的圆周上， 如 P1 点所示，由 P1 形成的外摆线 P1P2P3P5 称为普通外摆线。当该点位于滚圆之外时， 如 M1 所示，由 M1 点形成的外摆线 M1M3M5 称为短幅外摆线。在摆线针轮行星齿轮传 动中，摆线轮 C 是以短幅外摆线 M1M3M5 作为理论齿廓的，而固定针轮 P 以 M1 作为理 论齿形。但是，实际针齿不可能做成一点，必须做成半径为的圆柱形。因而，以摆线 rp r 轮的理论齿廓上个点为圆心，以为半径作圆。这些圆的内包络线 C1C5 就是摆线轮的 rp r 实际齿廓，又称为短幅外摆线的等距曲线；而针轮的实际齿廓就是半径为的圆。 rp r 工业机器人专用减速器的设计 15 5 摆线针轮行星齿轮传动设计摆线针轮行星齿轮传动设计 5.1 针轮行星轮系的材料针轮行星轮系的材料 为减小传动尺寸和提高传动比元件的强度，摆线轮、针齿（套）和柱销（套）应采 用高强度的材料（如 GCr15） ，并用热处理方法提高工作表面的硬度。偏心套、输入轴和 输出轴可采用 45 号刚，其他零件如针齿壳和机座一般采用铸铁和铸钢。轮系的主要零件 的推荐材料和许用应力如表 5-1 表 5-1 轮系的主要零件的推荐材料和许用应力 零件名称推荐材料硬度许用应力 摆线轮GCr15HRC6064- 针齿轮GCr25SiMnHRC5862=8501200 HP 针齿销GCr15HRC5862=8501200 FP 柱销GCr15HRC5862=8501200 FP 套销GCr15HRC5660- 双偏心套45- 输入轴45HB220250- 输出轴45HB220250- 针齿壳HT200 HT300- 机座ZG25 ZG25 HT200 - - - - 根据此表，摆线轮、针齿（套）和柱销（套）采用 GCr15，而偏心套、输入轴、输出轴采 用 45 号钢，针齿壳采用 HT200。 5.2 第一套摆线针轮加速器的设计第一套摆线针轮加速器的设计 第三臂是采用摆线针轮行星齿轮传动的，已知条件，电动机的功率为 P=0.9KW，转 速 n=1000r/min,传动比 u=66.7,则设计如下： 5.2.1 选择结构形式，齿数及材料选择结构形式，齿数及材料 材料 摆线轮：GCr HRC 6064 （针齿固定） =67 C Z 机座 针齿壳 HT200 5.2.2 强度计算针齿中心圆半径强度计算针齿中心圆半径 (1) 输出轴转矩 mmNZ n P T C H H V 1 .54131394 . 0 67 1000 9 . 0 95509550 (2) 选怎短幅系数 1k 取=0.65 1k 无锡太湖学院学士学位论文 16 表 5-2 短幅系数 K1 荐用值表 C Z 11 1323 2559 6187 K1 0.420.55 0.450.65 0.550.74 0.540.67 (3) 选针齿系数 2k 5-3 针齿系数 K2 荐用值表 P Z ,所以满足要求。 F F 5.2.6 W W 输出机构销轴弯曲强度计算输出机构销轴弯曲强度计算 (1) 销轴数目 w z 5-4 W 机构柱销数目参考表 dp 100 100 200200300300 400400 无锡太湖学院学士学位论文 20 Zw681012 12 因为 dp=200,所以，取=8； w z (2) 销轴中心圆半径 W R mm rr R nfc W 7175.70 2 5 . 4794 2 (3) 柱销直径 sw d mm zR bT d FRww cv sw 35.18 150871 9185 . 1 1 . 541313 3 5 . 1 3 3 3 查表： 5-5 W 机构柱销和销套直径参数表 dzw121417222632354555 drw172026323845506075 取 dsw=22，drw=32 (4) 柱销套直径 =32mm rw d rw d (5) 销孔壁厚验算 最小孔壁厚不小于 ，=0.03200=6mm 5 . 617 5 . 4171 2 1 w nW d rR 满足要求 34 8 180 sin712 180 sin2 00 2w w W d z R 5.3 第二套摆线针轮减速器的设计第二套摆线针轮减速器的设计 第二臂的传动采用摆线针轮行星齿轮传动，已知条件为，电动机功率 P=4.5KW，转 速 n=1000,传动比 u=50，则设计如下： 5.3.1 选择结构形式，齿数及材料选择结构形式，齿数及材料 材料 摆线轮：GCr HRC 6064 （针齿固定） =50 C Z 机座 针齿壳 HT200 5.3.2 接触强度计算针齿中心圆半径接触强度计算针齿中心圆半径 (1) 输出轴转矩 mmNz n P T c H H V 4 .179594 . 0 50 1000 3 95509550 (2) 初选短幅系数 2 k 根据针径系数 K2 荐用值，见前面的表，取=1.4 2 k (3) 啮合位置系数 =1.43 maxH y maxH y (4) 齿宽系数 -摆线轮的齿宽系数，一般取=0.10.2，这里取=0.15 r r r r (5) 许用接触应力 根据所选的材料查摆线针轮行星传动主要零件的推荐材料和许用应力表，查得 工业机器人专用减速器的设计 21 =850MPa HP (6) 针齿中心圆半径 p rmm yT r hpr HV p 497.123 85015 . 0 43. 11795400 4343 3 2 3 2 max 圆整后取=130mm p r 5.3.3 计算摆线轮和针轮的几何尺寸计算摆线轮和针轮的几何尺寸 (1) 偏心距 a 圆整后取 a=2 mm (2) 校正短幅系数 1k 785 . 0 130 512 1 p p r za k (3) 摆线轮节圆半径 c r mm100502 cc zar (4) 针轮节圆半径 p r mmzar pp 102512 (5) 滚圆半径 g r mm k a rg548 . 2 785 . 0 2 1 (6) 基圆半径 bc r mm k r r c bc 39.127 785. 0 100 1 (7) 啮合齿距 n P mm k a Pn16 785. 0 214. 32 1 2 (8) 针齿套半径 rp r mm zk r r p p rp 716 . 5 51 180 sin 4 . 1 130180 sin 2 00 (10) 针齿销半径 zp r =7 mm zp r (11) 摆线轮齿顶圆半径 ac r mmrarr rppac 12572130 (12) 摆线轮齿根圆半径 fc r mmrarr rppfc 12172130 (13) 摆线轮宽度 c b mmrb prc 5 . 1913015 . 0 无锡太湖学院学士学位论文 22 圆整后取 =20 mm,校正后 c b154 . 0 130 20 r (15) 摆线轮齿廓顶切验算 05385 . 0 130 7 p rp r r 查摆线轮理论齿廓的最小曲率半径系数表，查得，而计算的,所以满足要求。 F FP 5.3.6 W 输出机构销轴弯曲强度计算输出机构销轴弯曲强度计算 (1) 销轴数目 w z 因为 dp=260，由 W 机构柱销数目参考表查得，去=10； w z (2) 销轴中心圆半径 W R mm rr R nfc W 91875.90 2 75.60121 2 (3) 柱销直径 sw d mm zR bT d FRwW cV sw 81.24 1501091 13205 . 11795400 3 5 . 1 3 3 3 查表 W 机构柱销和销套直径参考表，取=26，=38 sw d rw d (4) 销孔壁厚验算 最小孔壁厚不小于，=0.03dp=0.03260=7.8mm 25. 92175.6091 2 1 w nW d rR 满足要求。 241.14 10 180 sin912 180 sin2 00 2w w w d z R 无锡太湖学院学士学位论文 24 6 行星齿轮传动输出轴的轴承选择行星齿轮传动输出轴的轴承选择 行星齿轮传动输出轴上的轴承主要起支承作用，根据输出轴的直径，第三轴传动系 统中支承用的轴承选用 GB285-64 中 3182120：第二轴传动系统中支承用的轴承选用 GB285-64Z 中的 31 表 124。 工业机器人专用减速器的设计 25 7 主要零件的机械加工工艺规程主要零件的机械加工工艺规程 7.1 摆线轮的加工工艺路线摆线轮的加工工艺路线 根据摆线轮的技术要求，确定摆线轮的工艺路线如下： 下料锻造球化退火粗车（内、外圆及两平面）粗钻销孔时效半精车 半精镗销孔 铣摆线齿廓淬火磨两平面磨轴承孔磨销孔 磨摆线齿廓倒角。其中标记应成对打在同一位置，以后的铣齿、磨销孔、磨 齿等工序必须记重叠成对加工。 摆线轮齿的加工方法主要有一下几种： （1） 在滚齿机上改装铣削头用立铣刀铣摆线齿廓这种加工方法是根据短幅外摆线的第 一种形成方法，即外滚法来加工摆线轮齿廓的。 如下图所示，当滚圆 r 相对基圆 R 做纯滚动时，滚圆内点 M 的轨迹就是短幅外摆线。 如若把一个半径为的圆的圆心固定在 M 点上，当滚圆 r 相对于基圆 R 做纯滚动时即可 z r 得到与圆相切的短幅外摆线的等距曲线。 现在假定将半径为的铣刀装在 M 点的位 z r z r 置上，或者说把铣刀安装在铣削头的偏心轴套上，其偏心距为 a，而将摆线轮毛坯固定在 滚齿机的工作台上。加工摆线轮齿廓时，铣刀自转的同时还饶偏心轴套的中心做偏心转 动，工件绕工作台中心转动。如果偏心轴套的转速（铣刀偏心运动转速）与工作台的 刀偏 n 转速之比满足/=R/r=,此时铣刀就将在摆线轮上铣出一条连续的短幅外摆 工作台 n 刀偏 n 工作台 n c z 线的等距曲线，即齿数为的摆线轮的齿廓曲线。 c z 无锡太湖学院学士学位论文 26 7.1 短幅外摆线形成原理 （2） 在插齿机上用半圆头插刀插齿 这是将插齿机改装成靠磨插齿机对摆线轮进行摆线齿廓切削加工的一种方法。其齿 廓的形状是由靠模凸轮的形状确定的。 （3） 在 Y3280 摆线铣齿机上铣齿 Y3280 铣齿机铣齿是用凸半圆盘状铣刀，以展成原理对摆线轮齿廓进行连续切削加工 的。当铣刀的偏心运动，与工作台的分度运动满足一定的比例关系相对运动时，便可使 工作台上的摆线轮连续切削出摆线齿廓来。 （4） 用专用的摆线齿滚刀在普通滚齿机上滚齿 这种加工方法是在普通的滚齿机上，利用特殊设计制造的摆线齿形滚刀以展成方法 来进行摆线轮的摆线齿廓加工的。其原理及具体操作与普通滚齿机加工渐开线齿轮完全 相同。 它看似一种简单易行的方法并有较高的生产效率和加工精度，但其摆线齿形滚刀通 用性很差，每一种参数的摆线轮就须一把专门的滚刀，因此要求滚刀数量很多，特别是 对于批量小，规格多的厂家，将大大地提高成本。同时对于齿数少、齿距大的滚刀，在 设计制造上，目前尚存在一定困难。 （5） 在摆线磨床上