喷涂机器人的结构设计

喷涂机器人的结构设计1 绪论1.1 机器人的现状和发展趋势机器人是一个在三维空间中具有多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而 工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业协会提出的工业机器人定义 为：“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机” 。英国 和日本机器人协会也采用了类似的定义。我国的国家标准 GB/T12643-90 将工业机器人定 义为：“机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。 能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业” 。而将操作机定义为： “具有和人手臂 相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置 568 ”。自从机器人在 20 世纪 50 年代诞生以来，在短短的 50 多年里得到了迅速的发展，它 经历了第一代工业机器人的研究、 实用化、普及， 第二代感知功能机器人的研究、 实用化， 以及第三代智能机器人的研究等各个阶段。近几年国外机器人领域发展有如下几个趋势 ：1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修） ，而单 机价格不断下降，平均单机价格从 1991年的 10.3万美元降至 1997年的 6.5万美元。2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测 系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装 配机器人产品问市。3）工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展， 便于标准化、网络化； 器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操 作性和可维修性。4）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。如使遥控机 器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。我国的机器人研究始于 20世纪 70 年代。经过 30 多年的努力，从 80 年代“七五”科 技攻关开始起步，在国家的支持下，通过科技人员几十年的科技攻关，目前已基本掌握了 机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术， 生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用， 弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工 程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步 较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产 工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人 产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求， “一客户， 一次重新设计”，品种规格多、 批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因 此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模 块化设计，积极推进产业化进程。1.2 机器人的结构概述机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为了使机器人进行作业而要求的外 部设备组成。1.2.1 操作机操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由下列部分 组成：a. 末端执行器 又称手部，是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、 传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。b. 手腕 是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的 方位和扩大手臂的动作范围，一般有 23个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些 专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。c. 手臂 它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端 执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。手臂与机座间用关 节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。d. 机座 有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部 件。可分固定式和移动式两类。1.2.2 驱动单元它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装1.2.3 控制装置它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定的 要求动作。1.2.4 人工智能系统它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分为决策规划智能系统。1.3 课题研究的目的、意义和主要内容制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手 段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。机器人在工业 生产中被运用的广泛程度正是体现了一个国家的工业自动化程度。从某种意义上讲，也反 映了一个国家的工业发展水平状况。每当人们在冲压、安装和整车组装生产线上无数次地 重复同一个取放、安装零件的时候 ,往往求助于机器人 ,尤其在喷涂作业那种恶劣的环境中 机器人的使用大大减轻了工人的体力劳动，改善了工作状况 ,减少了产品的生产加工成本 以机器人为代表的现代自动控制科学的发展对装备制造业注入了强劲的动力，同时也对它 提出更强要求，更加突出了机械装备制造业作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术 进步和产业升级中无可替代的基础作用。作为国民经济增长和技术升级的原动力，以机器 人为标志的机械装备制造业将伴随着高新技术和新兴产业的发展而共同进步。 目前，全世界的机器人保有量为几百万台，其中绝大部分为日、美等工业发达国家所 有。我国目前拥有机器人 4000 多台，主要在工业发达地区应用。在机器人的应用方面， 与发达国家还有一定的差距， 所以我国未来的机器人的市场需求将是巨大的， 在喷涂行业， 为了避免人在有毒、易燃、易爆的恶劣环境下工作，减少喷涂的废品，提高喷涂质量，提 高劳动生产率，迫切要求实现喷涂自动化。目前，喷涂机器人主要应用在汽车制造及家电 生产领域，在木制品表面裝饰中应用较少。所以今后的市场需求会很大，本课题正是应对 这种市场需求成立的。本课题研究的主要内容是：为了达到喷涂工艺的要求和满足不同形状的表面喷涂要 求，设计具有 6 个自由度的喷涂机器人，即腰关节的转动、大臂的摆动、小臂的摆动、手 腕转动、手腕俯仰以及工具滚动。喷涂机器人的本体结构为：机器人的机座（即底部和腰部的固定支撑）结构、腰关节 传动装置、大臂（即大臂支撑架）结构及大臂传动装置、小臂（即小臂支撑架）结构及小 臂关节转动装置、手腕（即手腕支撑架）结构及手腕关节转动装置。主要对机器人的传动系统进行设计计算，机构布局设计、腰关节传动系统的设计、大 小臂关节传动系统的设计、腕部传动系统的设计等。以及对组成各个转动关节的传动零部 件进行设计、选择、校核、计算。最终，完成机器人整机的设计。32 设计方案的确定2.1 总体方案的确定2.1.1 设计方案的讨论为了达到喷涂工艺的要求和满足不同形状的表面喷涂要求， 所以机器人有 6 个自由度， 即腰关节的转动、大臂的摆动、小臂的摆动、手腕滚动、手腕俯仰以及工具滚动。能实现 上述要求的，可以有不同的运动组合，可供选择、参考的设计方案有以下四种4：2.1.1.1 圆柱坐标型这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间 图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运 动范围大。2.1.1.2 直角坐标型直角坐标型工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图 形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置 和姿态的编程计算，定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性较差。2.1.1.3 球坐标型又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个 伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或 较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。2.1.1.4 关节型关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转 关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形 成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点使工作空 间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取靠进机座的物体。关节型结构的机器人在相同体 积条件下比非关节型机器人具有大得多的相对空间和绝对空间。按设计要求、经对比分析确定，本课题采用的机器人的结构形式为关节型。2.1.2 本体结构布局设计合理确定机器的布局是机械设计的一个重要环节，它对机械的设计、制造与使用都有 很大的影响。本次设计的机器人主要有 5 大部分组成：机座、腰关节立柱、大臂、小臂和手腕。腰 关节立柱垂直布置于机座上，大臂联结在立柱上，小臂联结在大臂的另一端，小臂的另一 端和手腕联结。本次设计的机器人的布局简图如图 2-1：机器人的结构布局简图图2-12.2传动方案的确定2.2.1驱动方式目前机器人关节常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动和电动机驱动等多种方式。各 种驱动方式有其自身的特点，在工业机器人中液压和气动驱动应用很广泛，有些机器人则 同时使用多种驱动方式，这都视不同机器人的特点和要求所定。比较这些驱动方式的特点,从中选出适合机器人关节的驱动方式9 02.2.1.1 液压驱动液压驱动的特点有：1）驱动力和驱动力矩较大，臂力可达到 1000N左右；2）速度反应性较好。因为被驱动件的速度快慢取决于油液容积的变化，所以当不考 虑油液温度的变化时，被驱动系统的滞后也是几乎没有的，而且液压机构的重量轻、惯性 小，因此它的速度响应性较好；3）调速范围大，而且可以无级调速，易于适应不同的工作要求；4）传动平稳，能吸收冲击力，可以实现较频繁而平稳的换向；5）在产生相同驱动力的条件下，液压驱动比其他驱动方式体积小、重量轻、惯性小；6）定位精度比气动高，比电动低；7）液压系统的漏油对机构的工作稳定性有一定的影响；8）油液中如果混入气体，将降低记取的刚性，影响定位精度；9）油液的温度和黏度的变化影响传动性能；10）需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故 障。液压驱动方式输出力和功率较大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。2.2.1.2气压驱动气压驱动的特点有：1）通过调节气流，就可以实现无级变速；2）由于压缩空气粘性小，流速大，因此气压驱动的机器人关节速度快；3）压缩空气可以从大气中获取，故动力源获得方便、价格低廉、而且废气处理方便；4）由于压缩空气粘性小，故在管路中的压力损失也很小，一般其阻力损失不到油液在油路中损失的千分之一，故压缩空气可以集中供应，远距离传输；5）压缩空气的压缩性较大，因此使得传动平稳性较差，定位精度较低；而且压缩空气 排到大气中时噪声较大，另外还需考虑润滑和防锈等；6）压缩空气的压力较低，致使机器人机构较大；7）空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难； 因此，气压驱动的机器人常用于臂力小于 300N、运动速度较快以及高温、高粉尘等工 作环境恶劣的场合。2.2.1.3 电动机驱动 电动机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机和步进电动机驱动。普 通交、直流电动机驱动需要加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中 型或重型机器人。步进电动机输出力矩相对较小，控制性能好，可实现速度和位置的精确 控制，适用于中小型机器人。电动机适用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐 渐提高。从相关文献及资料得知，电动机驱动可避免电能转换为压力能的中间环节，效率比液 压和气压驱动要高；电动机系统将电动机、测速机、编码器、减速器及制动器组装在一次 加工的壳体中，使得整个电机系统体积小，可靠性和通用性也得到大的提高；另为，电动 机根据运行距离及电动机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可达到非常高的位 姿准确度，这些都是电动机驱动的优点。相对的，液压与气压驱动系统组成机构繁琐，维 护不方便，液压源和气压源装置体积较大。 所以目前机器人关节驱动逐渐为电动机所取代。在查阅和对比多种机器人的驱动方式后，本次设计的机器人采用直流伺服电机驱动。2.2.2 传动方式 传动装置是一种能量转化兼其他作用的装置，它的主要作用有：能量的分配与传递、 运动形式的改变、 运动速度的改变， 传动通常分两类 :第一类是机械不发生改变的传动 机械传动；另一类是机械能改变为电能或电能改变为机械能的传动电传动。机械传动 又可分为啮合、摩擦传动和流体传动三大类。考虑机器人结构的实际情况，带传动、齿轮 传动、链传动、蜗杆传动和谐波齿轮传动是其可能的传动方式。以下将对这几种传动方式 进行比较。2.2.2.1 带传动 带传动通常是由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的传动带组成。当主动轮回转时依靠带和带轮接触面之间的摩擦力拖动从动轮一起回转，从而传动一定的运动和动力。带传动具有的优点有：由良好的挠性和弹性，有吸振和缓冲的作用，因而使带传动平 稳、噪声小；有过载保护作用，当过载时引起带在带轮上发生相对滑动，可防止其他零件 的损毁；制造、安装精度和齿轮传动相比较低，结构简单，制造、安装、维护均较方便， 适合于两轴之间中心距较大的传动。带传动的主要缺点有：由于弹性滑动的存在，使得传动效率降低，不能保证准确的传 动比；由于带传动需要初始张紧，因此当传递相同大的圆周力时，与啮合传动相比，轴上 的压力较大；结构尺寸较大，不紧凑；传动带寿命较短；传动带和带轮之间会产生摩擦放 电现象；不宜用于有爆炸危险的场合。现在一些新型带传动形式，如高速带传动、同步带传动、多楔带传动已经克服了以上 大部分的缺点。2.2.2.2 链传动 链传动是由链条和主、从动链轮所组成的。链轮制造有特殊齿型的齿，依靠链轮齿和链条的链节来传递运动和动力。链传动是属于带有中间挠性件的啮合传动。与属于摩擦传动的带传动相比，链传动没 有弹性滑动和打滑现象，因而能保证准确的平均传动比，传动效率较高；又因为链条不需 要像带那样张得很紧，所以作用在轴上的径向压力较小；在同样使用条件下，链传动结构 比较紧凑。与齿轮传动相比，链传动的制造安装要求精度较低，成本低廉；在远距离传动 时，其结构比齿轮传动轻便的多。链传动的主要缺点是：在两根平行轴之间只能用于同向回转的传动；传动时不能保证 准确的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪声，不宜在速度变化很大和急速方向 的运动中应运。链传动主要用于要求工作可靠，且两轴距离较远，以及其它不宜用齿轮传动的场合。2.2.2.3 齿轮传动齿轮传动是机械传动中应用最为广泛的一类传动，常用的渐开线齿轮传动具有以下一 些主要特点：传动效率高，在常用的机械传动中，齿轮传动的效率是最高的。一级圆柱齿轮传动在 正常润滑条件下的效率可达到 99%以上，在大功率传动中，高传动效率是十分重要的；传 动比恒定，齿轮传动具有不变的瞬时传动比， 因此齿轮传动可用于圆周速度为 200m/s 的以 上的高速传动；结构紧凑，在同样使用条件下，齿轮传动所需要的空间尺寸比带传动和链 传动小的多；工作可靠，寿命长，齿轮传动在正确安装、良好润滑和正确维护的条件下， 具有其它机械传动无法比拟的高可靠性和寿命。齿轮传动的主要缺点有：对齿轮制造、安装要求高，齿轮制造常用插齿机和滚齿机等 专用机床及专用工具；通常的齿轮传动为闭式传动，需要良好的维护保养，因此齿轮传动 的成本和费用高；并且齿轮传动不适合中心距较大的两轴之间的动力传递。2.2.2.4 蜗杆传动蜗杆传动一种空间齿轮传动，能实现交错角为 90的两轴间的运动和动力的传递。蜗杆传动与圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动相比具有结构紧凑、传动比大、传动平稳和 可以自锁等显著优点。蜗杆传动的主要缺点是：齿面摩擦大、发热量高，传动效率低。蜗杆传动通常用于中、 小功率非长时间连续工作的应用场合。2.2.2.5 谐波齿轮传动谐波传动包括三个基本构件：柔轮、刚轮和波发生器。如图 2-2 所示。三个构件中可 以任意固定一个，其余两个一个固定，一个从动，可以实现减速或增速（固定传动比） ， 也可以换成两个输入、 一个输出， 组成差动传动。 谐波传动主要用于军工、 精密仪器生产、 医疗器械、起重机、机器人等。图2-2谐波减速器结构图谐波齿轮传动的特点如下：1）结构简单，重量轻、体积小。由于谐波齿轮传动比普通齿轮传动的零件数目大大减 少，其体积可比普通齿轮传动体积小 20%50%。2） 传动比范围大，一般单级谐波齿轮传动，传动比为60500；当采用行星发生器时， 传动比为1504000;而采用复波传动时，传动比可达107。3）承载能力高。由于谐波齿轮传动同时啮合齿数多，即同时承受载荷的齿数多，在材 料的力学性能和传动比相同的情况下，齿的强度保持一定时，其承载能力比其他形式的传 动可大大的提高。4）损耗小，效率高。这是因为齿的相对滑动速度极低，因此它可在加工粗糙度和润滑 条件差的情况下工作。5）齿的磨损小且均匀。由于齿的啮合是面接触，啮合齿数多，齿面比压小，滑动速度， 所以对于齿的磨损小且均匀。6）运动平稳，无冲击。由于柔轮和刚轮啮合时，齿与齿间均匀接触，同时齿的啮入和 啮出是随柔轮的变形逐渐进入和退出刚轮齿间的。7）可以向密封空间传递运动。由于弹性件（柔轮）被固定后，它既可以作为封闭传动 的壳体，又可以产生弹性变形，即产生错齿运动，从而达到传递运动的目的。因此，它可 用在操纵高温、高压的管道以及用来驱动工作在高真空、有原子辐射和有害介质空间的机 构。在谐波齿轮传动中，柔轮加工较困难，对柔轮轴承的材料及制造精度要求较高。表 2-1 列出了各种传动形式的传动效率：表2-1主要传动形式的效率传动方式传动效率带传动0.90.98链传动0.930.97圆柱齿轮传动0.90.99圆锥齿轮传动0.880.98蜗杆传动0.40.98谐波齿轮传动0.70.9丝杠传动0.850.95223传动方案根据本设计的要求， 参考国内外工业机器人的典型结构，初步对各个回转关节的结构和驱动方案单独分析。223.1腰关节传动方案方案一：如图2-3所示，电机安装在底座上面，其输出轴经过二级圆柱齿轮减速后, 由第一关节输出轴带动整个腰部在基座上回转。方案二：如图2-4所示，电机安装在底座上面，其输出轴先经谐波减速器减速后， 再经过圆柱齿轮减速，带动第一关节输出轴，使整个腰部在基座上回转。图2-4腰关节回转方案二示意图两种方案在传动实现上，都是可行的。方案一全部用齿轮来达到减速的目的，传动 结构略复杂一点，造成腰部的转动惯量大，机构尺寸大，影响机器人的响应性。方案二采 用了减速比大、体积小、重量轻、精度高、回差小、承载力大、噪音小、效率高、定位安 装方便的杯型谐波减速器，再经过一对直齿圆柱齿轮来达到传动要求，结构紧凑。所以， 方案二的结构紧凑性优于方案一，而且结构简单，适用于计算机控制。故综合考虑，选择图2-3腰关节回转方案一示意图2.2.3.2大小臂关节传动方案方案一：如图2-5所示，大臂和小臂转动都是先通过谐波减速器减速，再经过锥齿轮换向带动来实现的。方案二：如图2-6所示，大臂和小臂的转动都是通过谐波减速器减速后直接带动来 实现的。两个关节的电机和减速器均布置在同一轴线上。两种方案在传动实现上，都是不错的。方案二的结构设计简单一些，可以减轻臂部的 重量，但整体的尺寸相对方案一加大了。方案一的结构较方案二复杂，但布局较方案二更 合理。结合本课题的实际条件，选择方案二。图2-5大臂和小臂转动方案一示意图2.233腕关节传动方案图2-6大臂和小臂转动方案二示意图手腕关节的传动如图2-7所示，三个关节的转动都是通过谐波减速器，再经过齿轮的减速或者改变方向来实现的。这样设计的腕部结构紧凑而且刚性较大，关节活动范围大。谐波2.3机器人的基本参数确定2.3.1工作空间的确定根据关节型机器人的结构确定工作空间。工作空间是指机器人正常工作运行时，手腕 参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数。此机器人的工作空间1800mm 如下图2-8 :图2-8机器人的工作空间简图2.3.2机器人的工作要求该机器人的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，结构较紧凑，能抓取靠近机座 的物体。根据其用途和特点提出如下技术参数：自由度数目：6个 坐标形式：垂直关节型 额定负载质量：5Kg最大活动半径：1800mm本体重量：w 120Kg 各关节回转范围和最大工作转速见下表 2-2。表2-2各关节转动范围和最大工作转速各关节部件最大工作范围（）最大工作转速（rad/s）腰部回转关节 1701.96大臂转动关节+150、-90 1.57小臂转动关节 1701.57小臂转动关节 3603.93腕部摆动关节 1202.94工具滚动关节 3603.933机器人主要零部件的设计、计算3.1腰关节传动系统的设计腰关节的传动是由电机通过谐波减速器减速，再通过齿轮传动带动腰部及整个机器人本体转动。总的传动比i=160,其中h =80，i2 =2。3.1.1腰关节驱动电机的选择初选电机：选择直流伺服电机，型号为SYX-130、额定功率 P=1.5kW、额定转矩Tn =7.5N *m、额定转速 nN =3000r/min、峰值转矩 Tmax=60 N *m。谐波减速器选择：型号为XB-100、输出转矩T=200nm、i2=80、输出转速n=37.5r/min.机器人的受力情况如图3-1所示：J = J1 + J 谐 + J 小 + J 大 +J3 + J4(3-1)12#外部负载的转动惯量：J1即大小臂、手腕、夹持重物的转动惯量(3-2)#式中1、2分别表示谐波减速器和齿轮传动的效率。1 =0.8、2 =0.98把数字代入公式（3-2）得：2 2 2, 20 0.6 10 1.1 10 1.8J1 20.8 汉 0.98 汉 160=0.002576 kg *m2内部结构及传动系统的转动惯量谐波减速器的转动惯量：J谐=0.000546（查文献14）24小齿轮的转动惯量：J小二0.5mi=0.5 ；巴（3-3）ni *iiS J4=0.0000028 kg.tf=0.5 x 7900 x 3.14 x 0.036 x 0.07520.8 80式中：mi :小齿轮质量（kg） , r :小齿轮分度圆半径（m）, P :密度（kg/ m3） , d :小齿轮宽度（m）。大齿轮的转动惯量：J大240.5 mbL _0.5 厲b222 21 2 訂21 2 i213#=40.5 7900 3.14 0.032 0.152=0.00001 kktf0.8 0.98 1602立柱的转动惯量：2 2 2 2 2 2,mg)Ph兀(a a )(A)(3 4)J3-2=- 2-(3-4)2 1 2i22 1 2i2=2700 x 0.104 x 3.14(0.052 0.04252)(0.052 +0.04252) 22 0.8 0.98 1602=0.000000065kktf式中：m :立柱质量（kg） , r,:立柱外半径（m）, r2:立柱内半径（m）, P :密度（kg / m3）,h :立柱高度（m。大臂关节传动系统的转动惯量：估算得 J4 =0.000035 kg tf由公式（3-1。得 J=0.0032 kktf假设电机从0加速到3000 r/min所用的时间为0.25s，则角加速度二-2t 60t2 3.14 300060 0.252=1256rad / s(3-5)负载折算到电机轴上的转矩T =（J * J） :（3-6）=（0.00082+0.0032） X 1256=5.05 N *m因此折算到电机轴上的负载转矩T=5.05 N *m V电机的额定转矩T7.5N *m。电机的选择符合要求。3.1.2腰关节传动齿轮的设计、计算（1）使用条件分析主动轮转速：n1 =37.5r/min （谐波减速器的输出转速）齿数比u=2由于谐波减速器输出的转矩Ti为200000 Nmm ,所以主动轮的转矩也为 200000N mm。(2)设计任务确定一种能满足功能要求和设计约束的较好的设计方案，包括：一组基本参数：m、zi、z、Xi、X2、d，主要几何尺寸：di、d2、a 等。1)选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力 按使用条件选用软齿面齿轮。小齿轮：45号钢，调质处理，硬度为230-255HBS 大齿轮：45号钢，正火处理，硬度为190-217HBS 确定许用应力a.确定极限应力:二h lim和 :丁 Plim齿面硬度：小齿轮按 230HBS大齿轮按 190 HBS。查文献1得Hlim1 =580MPa,二h iim2 =550 MPa;查文献1得二 plim 1 =220 MPa,Plim 2 =210 MPab. 计算应力循环次数N,确定寿命系数Zn、YnN1=60and=60 X 1 X 37.5 X (10 X 300X 16)=1.08 X 108(3-7)8=0.54 X 108(3-8)2 _1.08 102 = =u 2查文献1得 Zn1 = Zn2=1； Yn1=Yn2=1。c. 计算许用应力查文献1取 F min4H min =1， SF min =1.4。+ =电归二58SH min1MPa=580MPa(3-9)HP 2H lim 2Zn 2SH min=550=1MPa=550 MPa1516FP 2二 Flim2YsTYN2 _21021MPa=300 MPaSF min1.4Y Y 2202 1二FP1= Flim1丫stYn1 =220 2 1 MPa=314.28 MPa(3-10)#初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸#a. 选择齿轮类型根据齿轮传动的工作条件，选用直齿圆柱齿轮b. 选择齿轮精度等级初步选用6级精度。c. 初选参数初选：z1=100 z2=2O0 x1 = x2 =0 d =0.2d. 初步计算齿轮的主要尺寸由于选用软齿面齿轮方案，其齿面强度相对较弱些，故按接触强度设计较合理，即按 下式（文献1）设计。d1 =32(ZhZeZ；) 2KTi(u 1)G HP d U(3-11)17#所以需要先确定系数：K、Zh、Ze、Z .取 Ka=1、Kv=1.05、K ：=1.13、K： =1.2，则 K= Ka Kv K ： K=1.424。查文献1得 Zh=2.45、ZE =189.8-.MPa、Z -0.8。代入公式(3-11)得:d1 =3 2 1.424 200000V 0.23 2.45 189.8 0.8 2 半550)=125.03mmm =虫=125.03 = 1.250mm 取标准模数 m =1.5mm Z1100 d1 = m z1 =1.5 x 100=150mm d2 = m z2 =1.5 x 200=300mm a=0.5 m(z1 + z2) =0.5X 1.5(100+200)=225b= d d1 =0.2 x 150=30mm取 b2 =32mmd =b2+（5 10）=32+6=38mme. 验算齿轮弯曲强度条件(3-12)按弯曲强度条件及下式验算：二 F =YFaYsaY ； e119#由查文献1，并用线性插值法求得： X1=0.56, 丫1=1.96。由此可得:R= fp(X1 &1 + Y1 Fa1 )=1.0 ( 0.56 1 388+1.96 6 86) =2120.8 N轴承II:=0.03118C0 2200#查文献1，用线性插值法求得：e2=0.2245。由e2查文献1，并用线性插值法求得:Fa2 = 686Fr2 417.4=1.64 仓X 2 =0.56, Y2=1.96。由此可得:#P2= fp ( X2 Fr2 + Y2 Fa2 ) =1.0 (0.56 417.4+1.96686) =1577.3 N2)轴承寿命Lh计算：(3-15)因R P2，故按轴承I计算轴承的寿命：-(-)60n P106 2010060 18.75(2120.8)3 =756722 h Lh =50000 h所选轴承61820合格。式中；为寿命指数，对于球轴承；=3;对于滚子轴承 =10/33.2大臂关节传动系统的设计大臂关节的传动是由电动机通过谐波减速器直接带动大臂转动。总的传动比i =100。3.2.1大臂关节驱动电机的选择初选电机：选择直流伺服电机，型号为 SYX-176额定功率 P=2.4kW 额定转矩Tn =16N *m、额定转速 nN =1500r/min、峰值转矩 Tmax=128N *m。谐波减速器选择：型号为XB-120、输出转矩T=560N、i =100、输出转速n=15r/min折算到电机轴上的负载静转矩Ti :见图3-1Ti =(3-16)= 20x9.80.6 +109.8x1.1 +10x9.8x1.80.8 100=5.0225 n折算到电机轴上的负载加速转矩T-,:(3-17)T=(J1 J2 J0) :由公式（3-2）得 J1 =2 2 220#2 2 2=20x0.6 +10U1 +10x1.8=0.8 10022=0.00646 kg *mJ2为谐波减速器的转动惯量：J2 =0.0018 k *m2J0为电机电枢的转动惯量：J0=0.0012 kg *m2假设电机从0加速到1500 r/min所用的时间为0.25s，则角加速度t 60t2 3.14 150060 0.252=628rad / s#T： = (0.00646+0.0018+0.0012 )x 628 = 5.9425 N *m折算到电机轴上的总的转矩 T =Tl +T =5.0225+5.9425=10.965 N *m V电机额定转矩Tn =16N。电机的选择符合要求。3.2.2大臂关节谐波减速器的计算#初选谐波减速器：谐波减速器选择型号为 出转速 n=15r/min。XB-120、输出转矩 T=560N *m、i=100、输#负载静转矩 Tl = m1gr1 m2ga m3ga=20x 9.8 x 0.6+10 x 9.8 x 1.1+10 x 9.8 x 1.8=401.8 N *m负载转动惯量 JLgr； m2r22 m3r32=20x 0.62 +10x 1.12+10x 1.82=51.7 Nm假设大臂关节从0加速到90所用的时间为0.6s，则角加速度90兀T _180t90 3.14180 0.6=2.62 rad /s2负载加速转矩T：=Ji八=51.7 X 2.62=135.45 n总的负载转矩 T=Ti +=401.8+135.45 =537.25 Nv谐波减速器的输出转矩T=560 N。所以谐波减速器的选择符合要求。3.3小臂关节传动系统的设计小臂关节的传动是由电动机通过谐波减速器直接带动大臂转动。总的传动比i=100。3.3.1小臂关节驱动电机的选择初选电机：选择直流伺服电机，型号为 SYX-176额定功率 P=2.4kW 额定转矩Tn =16N m、额定转速 nN =1500r/min、峰值转矩 Tmax=128N *m。谐波减速器选择：型号为XB-120、输出转矩T=560Nm、i =100、输出转速n=15r/min折算到电机轴上的负载静转矩T :见图3-1m2gr2 m3gr3 _11 =l. i=10 98 10 988=3.55Nm0.8 100折算到电机轴上的负载加速转矩 T:T=(J1 J2 J0) :2222J1 =0.00556 kg m2m2r2 +m3r3 = 10勺.1 +10江1.8 i20.8 1002J2为谐波减速器的转动惯量：J2 =0.00055 k * m2Jo为奠机电枢的转动惯量：J0=0.0012 kg *m2假设电机从0加速到1500 r/min所用的时间为0.25s，则角加速度t2 二 nN60t2 3.14 150060 0.25=628rad / s2T= (0.00556+0.0018+0.0012 ) X628 = 5.3757 N *m所以折算到电机轴上的总的转矩T=Tl +T. =3.55+5.3757 =8.9257 N *m v电机额定转矩Tn =16Nm。电机的选择符合要求3.3.2小臂关节谐波减速器的计算初选谐波减速器：谐波减速器选择型号为XB-120、输出转矩T=560Nm、i=100、输出转速 n=15r/min。负载静转矩 T=m2gr2=10X 9.8 X 1.1+10 X 9.8 X 1.8=284.2 N m负载转动惯量 J| = m2r2讥3 =10X 1.1 +10X 1.8 =44.5 N * m假设小臂关节从0加速到90所用的时间为0.6s，则角加速度90 3.14180 0.62=2.62 rad /s23#负载加速转矩 T . = J|=44.5 X2.62 =116.59 N *m总的负载转矩 T=Ti +.=284.2 +116.59 =400.79 Nm v谐波减速器的输出转矩T=560 N *m。所以谐波减速器的选择符合要求。3.4手腕关节传动系统的设计、计算3.4.1手腕转动关节的设计、计算手腕转动关节的传动是由电动机通过谐波减速器，再通过齿轮来实现传动要求。总的 传动比i=80，其中i80,i2 =1。3.4.1.1手腕转动关节驱动电机的选择初选电机：选择直流伺服电机，型号为SYX-70、额定功率 P=0.1kW、额定转矩Tn = 0.33N m、额定转速 nn =3000r/min、峰值转矩 Tmax=2.4 N *m。谐波减速器选择：型号为XB-40、输出转矩T=16 N m、h=80、输出转速n=37.5 r/min 设法兰及重物的最大回转半径r=150mm。折算到电机轴上的腕部负载静转矩T:T = mhg *rT|=10 9.8 0.150.8 0.98 80=0.234N *m折算到电机轴上的转动惯量J12| =吋_1i212i210 0.1522 =0.000045 kg m0.8 0.98 80其它传动系统的转动惯量相对于腕部负载的转动惯量很小，所以忽略不计 假设电机从0加速到3000r/min所用的时间为0.25s，则角加速度2 二 nN2 3.14 30002N=1256rad/s2t 60t60 0.25折算到电机轴上的腕部负载加速转矩T :T =J: =0.000045X 1256=0.0565 N *m所以这算到电机轴上的总的腕部负载转矩T =Ti +T =0.234+0.0565=0.29 N *m v电机额定转矩Tn =0.33N。电机的选择符合要求。3.4.1.2手腕转动关节谐波减速器的计算初选谐波减速器：谐波减速器选择型号为XB-40、输出转矩T=16Nm、i =80、输出转速 n=37.5r/min。腕部负载静转矩 T| = m3gr=10X9.8 X 0.15=14.7 N *m腕部负载转动惯量Jl = m3 = 10X 0.152 =0.225 N假设小臂关节从0加速到90所用的时间为0.4s，则角加速度90 3.14180 0.4=3.925 rad /s2负载加速转矩 T =Jl=0.225X 3.925=0.883 N总的负载转矩T=Tl +=14.7 + 0.883 = 15.58 N m v谐波减速器的输出转矩T=16N *m。所以谐波减速器的选择符合要求。3.4.1.3手腕转动关节传动齿轮的设计由于在3.1.2节里对齿轮设计过程进行详细的说明，这里不再重复，只进行简单的说明。(1) 要求分析主动轮转速：n1 =37.5r/min (谐波减速器的输出转速)齿数比u=1由于谐波减速器输出的转矩 T1为16000N mm,所以主动轮的转矩也为16000N *mm。(2) 选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力主动齿轮：45号钢，调质处理，硬度为230-255HBS从动齿轮：45号钢，调质处理， 硬度为 230-255HBS确定许用应力：a.确定极限应力-h lim和 ；Plim齿面硬度：主动齿轮按 230HBS从动齿轮按 230HBS查文献1得h吋=巧 咧=580MPa,、- piim1=，Plim 2 =220 MPab.计算应力循环次数N,确定寿命系数ZN、Yn8Ni = N2=60anit=60X 1 X 37.5 X (10 X 300X 16)=1.08 X 10查文献1得 Zn1 = Zn2=1； Yn1=Yn2=1c.计算许用应力查文献1取 SH min =1 , SFmin =1.4。HP1 =；- HP 2二 H lim1ZN1SH min= 580 01MPa=580 MPa匚 FP1 =r = Flim1Y3TYN122 汉 2 汇 1FP2SF minMPa=314.28 MPa1.427（3）初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸选用直齿圆柱齿轮，齿轮精度等级选用6级初选参数：z-i = z2 =50 x1 = x2 =0 d =0.2由于选用软齿面齿轮，所以按接触强度设计，由公式（3-11 ）得:=57.23mm(2.45 189.8 0.8)2(2 1.424 16000) (1 1)5802 0.2 1m =虫=57.23 =1.145mm 取标准模数 m =1.5mmZ150d1 = d2 = m z1 =1.5 X 50=75 mma=0.5 m (z1 +z2)=75 mm, b= d d1 =0.18 X 75=13.5mm取b =15mmb1 =b2 =15mim（4）验算齿轮弯曲强度条件 按弯曲强度条件及公式（3-12 ）验算：查文献得 YFa1 = YFa2 =2.37, Ysa1 = Ysa2 =1.68，取 Y ；=0.75o计算弯曲应力:2 1.424 1600015 75 1.52.37 1.68 0.75=80.64 MPav二fp1 fp2。计算结果表明该设计满足强度要求3.4.2手腕摆动关节的设计、计算手腕摆动关节的传动是由电动机通过谐波减速器，再经过两对齿轮来实现传动要求。总的传动比i =120,其中i80,i0.75,i2。第一对齿轮为直齿圆柱齿轮，第二对齿轮 为直齿圆锥齿轮。342.1手腕摆动关节驱动电机的选择初选电机：选择直流伺服电机，型号为SYX-70、额定功率 P=0.1kW、额定转矩Tn =0.33N *m、额定转速 nn =3000r/min、峰值转矩 Tmax=2.4Nm。谐波减速器选择：型号为XB-40、输出转矩T=16Nm、h=80、输出转速n=37.5r/min设法兰及重物的最大回转半径r=150mm。m3g r折算到电机轴上的腕部负载静转矩T:=0.159 N * m10 9.8 0.150.8 0.98 0.98 120=10X0.152= 0.8 0.98 0.98 1202折算到电机轴上的转动惯量J1 :=0.000020 kg m2其它传动系统的转动惯量相对于腕部负载的转动惯量很小，所以忽略不计 假设电机从0加速到3000 r/min所用的时间为0.25s，则角加速度灼 2兀nNa =t 60t2 3.14 300060 0.25=1256 rad / s2折算到电机轴上的腕部负载加速转矩 T-:T： =J1 厂=0.000020X 1256=0.0251 N *m所以折算到电机轴上的总的腕部负载转矩T:T =T +T =0.159+0.0251=0.184 N *m V电机额定转矩 TN=0.33Nm。电机的选择符 合要求。3.4.2.2手腕摆动关节谐波减速器的计算手腕摆动关节的谐波减速器的计算和 3.4.1.2里所说的内容非常相似，这里不再详细计 算。谐波减速器选择：谐波减速器选择型号为 XB-40、输出转矩T=16N m、i =80、输出 转速n=37.5r/min。经过计算符合使用要求。3.4.2.3手腕摆动关节传动齿轮的设计(1) 齿轮的设计在3.1.2节里有详细的设计过程，这里不再详细计算，只给出设计结 果。见表3-1:表3-1齿轮参数mdzxBa第一级齿轮1.5mm60mm40015mm52.5mm第二级齿轮1.5mm45mm30015mm直齿圆锥齿轮的设计。圆锥齿轮起到换向作用，传动比i3 =2,轴交角刀=120。两齿轮均选用45号钢并 调质处理，强度230-255HBS取硬度为230HBS齿轮加工精度为6级。通过计算得出下列结果，见表3-2:表3-2锥齿轮参数mdzbR手腕回转传动锥齿轮一2.0mm60mm3012m67.1mm手腕回转传动锥齿轮二2.0mm120mm6012mm3.4.3工具滚动关节的设计、计算工具滚动关节的传动是由电动机通过谐波减速器，再经过两对圆锥齿轮来实现传动要 求。总的传动比i =80，其中h = 80, i2 =髭i3 =1。两对锥齿轮只起换向的作用。3.4.3.1工具滚动关节驱动电机的选择初选电机：选择直流伺服电机，型号为SYX-50、额定功率 P=0.06kW、额定转矩Tn =0.2N *m、额定转速 nn =3000r/min、峰值转矩 Tmax=1.6N *m。谐波减速器选择：型号为XB-32、输出转矩T=6n.m i1=80输出转速n=37.5r/min设重物的最大回转半径 r=50mm。折算到电机轴上的腕部负载静转矩T:10 9.8 0.05m3g r0.8 0.98 0.98 80=0.08 N *m30#折算到电机轴上的转动惯量J1 :J1 =12m3=10汉0.052= 20.8 0.98 0.98 802=0.0000051 kg m#其它传动系统的转动惯量相对于负载的转