工业机器人的结构设计

工业机器人的结构设计1前言1.1工业机器人的概念工业机器人是一个在三维空间中具有较多自由度， 并能实现较多拟人动作和 功能的机器，而工业工业机器人则是在工业生产上应用的工业机器人。美国工业机器人工业协会提出的工业工业机器人定义为：“工业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”。英国和日本工业机器人协 会也采用了类似的定义。我国的国家标准 GB/T12643-90将工业工业机器人定义 为：“工业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”。工业机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使工业机器人进行 作业而要求的外部设备组成。1.1.1操作机操作机是工业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，是工业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。有些专用工业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. 手臂它由工业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。1.1.2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 运动的装置。1.1.3控制装置它是由人对工业机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥工 业机器人按规定的要求动作。1.1.4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。1.2题目来源本题设计的是关节型工业机器人腕部结构，主要是整体方案设计和手腕的结 构设计及其零件设计。此课题来源于生产实际。对于目前手工电弧焊接效率低， 操作环境差，而且对操作员技术熟练程度要求高， 因此采用工业机器人技术，实 现焊接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产率、实现生产过程自动 化、改善劳动条件。1.3技术要求根据设计要达到以下要求a. 工作可靠，结构简单；b. 装卸方便，便于维修、调整；c. 尽量使用通用件，以便降低制造成本。1.4本题要解决的主要问题及设计总体思路本题要解决的问题有以下三个：a. 手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部件的结构紧凑，减少 重量和体积；b. 提高手腕动作的精确性；c. 三个自由度的实现。针对上述问题有了以下设计思路：a. 腕部机构的驱动装置采用分离传动，将 3个驱动器安置在小臂的后端。b. 提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转误差， 对 于分离传动采用传动轴。c. 驱动电机1经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮带动手腕在小臂 壳体上作偏摆运动。电机2经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动，实 现手腕的上下摆动。电机3经传动轴和两对圆锥齿轮带动轴回转， 实现手腕上机械接口的回转运动2国内外研究现状及发展状况2.1研究现状从工业机器人诞生到本世纪80年代初，工业机器人技术经历了一个长期缓 慢的发展过程。至V 90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速 发展，工业机器人技术也得到了飞速发展。 除了工业工业机器人水平不断提高之 外，各种用于非制造业的先进工业机器人系统也有了长足的进展。下面将按工业工业机器人和先进工业机器人两条技术发展路线分述工业机器人的最新进展情 况。2.1.1工业工业机器人工业工业机器人技术是以机械、电机、电子计算机和自动控制等学科领域的 技术为基础融合而成的一种系统技术。a. 工业机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，工业机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUK公司为代表的工业机器人公司，已将工业机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了工业机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了工业机器人的性 能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使工业机器人操作机几乎成为 免维护系统。b. 并联工业机器人：采用并联机构，利用工业机器人技术，实现高精度测 量及加工，这是工业机器人技术向数控技术的拓展， 为将来实现工业机器人和数 控技术一体化奠定了基础。意大利COMA公司，日本FANU（等公司已开发出了此 类产品。c. 控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴工业机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。 人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主， 但在某些领域的离线编程已实现实用化。d. 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在工业机器人系统中已 得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精 密装配作业等，大大提高了工业机器人的作业性能和对环境的适应性。日本 KAWASAKIYASKAWAFANU（和瑞典ABB德国KUKA REIS等公司皆推出了此类 产品。e. 网络通信功能：日本YASKAW和德国KUKA公司的最新工业机器人控制器 已实现了与Canbus Profibus总线及一些网络的联接，使工业机器人由过去的 独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使工业机器人由过去的专用设备向标准 化设备发展。f. 可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使工业机器人系统的可靠性有了很大提高。过去工业机器人系统的可靠性MTBL般为几千小时，而现在已达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求。2.2.2先进工业机器人近年来，人类的活动领域不断扩大，工业机器人应用也从制造领域向非制造 领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等 行业都提出了自动化和工业机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对工业机器人的要求更高，需要工业机器人具有行走功能，对外 感知能力以及局部的自主规划能力等，是工业机器 人技术的一个重要发展方向。a. 水下工业机器人：美国的AUSS俄罗斯的MT-88法国的EPAVLAR等水下工业机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电 缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下工业机器人(remoteoperated vehicle )和无缆水下工业机器人( autonomous under water vehicle ) 两大类。b. 空间工业机器人：空间工业机器人一直是先进工业机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间工业机器人。如美国 NASA勺空 间工业机器人Sojanor等。Sljanor是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸 63048mm有6个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关 注。c. 核工业用工业机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、 反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动工业机器人。已完成的典型系统，如美国 ORM基于工业机器人的放射性储 罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系 统，德国的C7灵巧手等d. 地下工业机器人：地下工业机器人主要包括采掘工业机器人和地下管道 检修工业机器人两大类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位 系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下 管道和石油、天然气等大型管道检修用的工业机器人， 各种采工业机器人及自动 化系统正在研制中。e. 医用工业机器人：医用工业机器人的主要研究内容包括： 医疗外科手术的规划与仿真、工业机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。 美国已开展临场感外科(telepresenee surgery )的研究，用于战场模拟、手术 培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科(telematics )计划、袖珍工业机器人(biomed)计划以及用于外科手术的机电 手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。f. 建筑工业机器人：日本已研制出20多种建筑工业机器人。如高层建筑抹 灰工业机器人、预制件安装工业机器人、室内装修工业机器人、地面抛光工业机 器人、擦玻璃工业机器人等，并已实际应用。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设工业机器人、内墙安装工业机器人等型号的研 制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英、德、法 等国也在开展这方面的研究。g. 军用工业机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能工业机器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、 作战和后勤支援等任 务，在战场上具有看、嗅和触摸能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有 自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。如美国的 Navplab自主导航车、SSV半 自主地面战车，法国的自主式快速运动 侦察车(DARD)，德国MV4爆炸物处理 工业机器人等。目前美国ORN正在研制和开发Abrams坦克、爱国者导弹装电池 用工业机器人等各种用途的军用工业机器人。可以预见，在21世纪各种先进的工业机器人系统将会进入人类生活的各个 领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。2.2发展趋势目前国际工业机器人界都在加大科研力度，进行工业机器人共性技术的研 究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下10个方面：a. 工业工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材 料，进一步提高负载自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。b. 工业机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更 加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。工业机器人控制器的标准化和网络 化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线 编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。c. 多传感系统：为进一步提高工业机器人的智能和适应性，多种传感器的 使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别 是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。 另一问题就是 传感系统的实用化。d. 工业机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发 展。e. 工业机器人遥控及监控技术，工业机器人半自主和自主技术，多工业机 器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的工业机器人遥控系统， 在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。f. 虚拟工业机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技 术，实现工业机器人的虚拟遥操作和人机交互。g. 多智能体(multi-age nt)调控制技术：这是目前工业机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。h. 微型和微小工业机器人技术（micro/miniature robotics）:这是工业机器人 研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该 领域研究的进展将会引起工业机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型工业机器人技术的研究主要集中在 系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。我国对此进行了深入的研究。徐卫平和张玉茹发表的六自由度微动机构的 运动分析对六自由度微动机构进行了位移分析并为其结构设计提供了计算依 据。还有刘辛军、高峰和汪劲松发表的并联六自由度微动工业机器人机构的设 计方法研究了微动工业机器人机构的设计方法，建立了并联六自由度微动工业机器人的空间模型，并分析了该微动工业机器人的空间模型， 并分析了该微动工 业机器人的机构尺寸与各向同性、刚度等性能指标的关系得到了一系列性能图 谱，从各图谱中可以看出各项性能指标在空间模型设计参数空间中的分布规律， 这有助于设计者根据性能指标来设计该微动工业机器人的机构尺寸，是探讨微动工业机器人机构设计的有效分析工具。第二章手部结构设计3.1夹持式手部结构夹持式手部结构由手指（或手爪）和传力机构所组成。其传力结构形式比较 多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。3.1.1手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式：按手指夹持工件的部位又可分为内卡式（或内涨式）和外夹式两种：按模仿人手手 指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型（或称直进型），其中以二支点回转型为基本型式。 当二支点回转型手指的两个回转支点的距离 缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指；同理，当二支点回转型手指的 手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单， 制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指 夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。3.1.2设计时考虑的几个问题（一）具有足够的握力（即夹紧力）在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中 所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。（二）手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径 的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。（三）保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置， 必须根据被抓取工件的形状， 选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“ V形面的手指，以便自动定 心。（四）具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生 的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应 尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手 腕的扭转力矩最小为佳。（五）考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支 点，两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 V型，其结构如附 图所示。3.1.3手部夹紧气缸的设计1、手部驱动力计算本课题气动机械手的手部结构如图3-1所示：图3-1齿轮齿条式手部其工件重量G=5公斤，V形手指的角度，,摩擦系数为(1) 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:2bR(2) 根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:N = 0.5tg (q - j )=0.55 tg(60 - 5o 42)=25( N )所以1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取h =0.94，并取K =1.5。若被抓取工件的最大加速度取a = 3g时,所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563 N2、气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出 推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为：FipD 2 P4式中：Fi -活塞杆上Gf =Gdi43_8Di n式中：G f-弹簧刚度，N/m1-弹簧预压缩量，ms-活塞行程，mdi-弹簧钢丝直径，mD1-弹簧平均直径，.n-弹簧有效圈数.G -弹簧材料剪切模量，一般取 G = 79.4109 Pa在设计中，必须考虑负载率h的影响，则:F1pD 2 ph4Ft由以上分析得单向作用气缸的直径:4(Fi + Ft )Vpph代入有关数据，可得44GfGdi = 79.4 109 (3.5 10-3 )8D1 3n8 ( 30 10 - 3 ) 3 15= 3677.46( N/ m)Ft =G f(1 + s)d = 18mm 校核，按公式 R/(p /4d 2 ) s =3677.466010- 3=220.6( N)有：d 3 (4F1/ps ) 05其中，S = 120MPa , F1 = 750N贝则：d 3 (4490/ p 120)0.5=2.28 18满足实际设计要求。3、缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之 比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算：d = DPp/2s 式中:6-缸筒壁厚，mmD -气缸内径，mmPp -实验压力，取Pp = 1.5P , Pa材料为:ZL3, s =3MPa第四章手腕结构设计4.1手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而 它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与 机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。 由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕 X轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最 多的为回转油（气）缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小 于360，并且要求严格的密封。4.2手腕的驱动力矩的计算4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩 必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力 矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中 心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。1.工件2.手部3.手腕图4-1手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算M驱=M惯+ M偏+ M摩+ M封式中：M驱-驱动手腕转动的驱动力矩（N m ）；M惯-惯性力矩（N cm）;M偏-参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸的动片转动轴线所产生的偏重力矩（N Cm）.M封-手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力 矩（N Em ）;下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算：式中：J -参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 （N.cms2）;Ji-工件对手腕转动轴线的转动惯量（N.cm s2）。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 Ji为：Ji = J c+ G g式中：J c -工件对过重心轴线的转动惯量（N.cm s2）:Gi-工件的重量（N）;ei -工件的重心到转动轴线的偏心距（cm）,w-手腕转动时的角速度（弧度/s）;Dt -起动过程所需的时间（s）;Dj 起动过程所转过的角度（弧度）。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏M 偏二 Ge +Gse3 （;f -摩擦系数，对于滚动轴承f = 0.01，对于滑动轴承f =0.1;Ra , Rb -处的支承反力（N），可按手腕转动轴的受力分析求解， 根据？ M a（F） = 0,得：RB l + G3I3 = G2I 2 + G1 lRb =Gili + G2l 2 -G3 l 3同理，根据？ Mb （F） = 0,得:Ra =Gi(l + li) + G 2(l + I 2 ) + G3 (I - I3 )式中：G2 -的重量(N)l,h ,123,如图4-1所示的长度尺寸(cm).4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩卜封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。4.2.2回转气缸的驱动力矩计算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理 如图4-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分 隔成两个当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气 从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压力P驱动力矩M勺关系为：423手腕回转缸的尺寸及其校核1. 尺寸设计气缸长度设计为b = 100mm ,气缸内径为D1 =96mm半径R = 48mm ,轴径D2 = 26mm D2 =26mm半径R = 13mm ,气缸运行角速度 w =90o / s，加速度时间Dt=0.1s, 压强 P = 0.4MPa , 则力矩：2.尺寸校核(1) 测定参与手腕转动的部件的质量 ml = 10kg ,分析部件的质量分布情况, 质量密度等效分布在一个半径r = 50 mm的圆盘上，那么转动惯量：2grJ =2=10 / 0.05222=0.0125 ( kg.m)工件的质量为5kg ,质量分布于长I二100mm的棒料上，那么转动惯量:ml1212=0 .0042 ( kg .m 2 )假如工件中心与转动轴线不重合，对于长 丨二100mm的棒料来说，最大偏心距ei = 50mm，其转动惯量为：2J = Jc + m1el=0.0042+ 50.052=0.0167( kg.m2 )(2) 手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，e = 0，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线 e3 = 50mm ,则：M 偏二 G +Gse3=10 10 0 + 510 0.05=2.5(N.m)(3) 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩，对于滚动轴承f = 0.01，对于滑动轴承f =0.1 , di , d2为手腕转动轴的轴颈直径，di = 30mm , d? = 20mm,Ra , Rb为轴颈处的支承反力，粗略估计 Ra = 300N , Rb = 150N ,M 摩=2 ( RAd 2 + RB di )=001 (300 0.02 + 150 0.03)=0.05( N.m)4回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计 M封为M摩的3 倍，M封=3 M摩=3 0.05=0.15( N.m) M 驱=M 惯 + M 偏 + M 摩 + M 封 =29(N.m)M M设计尺寸符合使用要求，安全第三章吸浆管与排浆管的选择与直径计算3.1吸浆管直径计算 1/2 1/2 dx=(4Q/nvx)=4 X 90.90/ (3.14 X 13X 60) =0.180mm取 0 20mm式中：v X液流在吸入管中的流速取VX=1.3 m/S=13 dm/SQ 一计算流量 Q= Q/n V=75/0.825=90.90L/min3.2排浆管直径计算 1/2 1/2dp= (4Q/nvp)= (4X 90.90/ (3.14 X 20X 60) )=0.272mm取 0 30mm式中：v p液流在排水管中的流速 取Vp=2m/S=20 dm/S 3.3浆管的选择根据工作压力和按上式求得的管子的内径，选择胶管的尺寸规格。 对于频繁，经常扭者要降低40%胶管在使用及设计中应注意下列事项：（1）胶管的弯曲半径不宜过小， 胶管与管接头的连接处应留有一段直的部分，此段长度不应小于关外半径的两倍。（2）胶管的长度应考虑到胶管在通入压力液后，长度方向将发生收缩变形，一般收缩 量为管长的3-4%。因此，胶管安装时应避免处于拉紧状态。（3）胶管在安装时应保证不发生扭转变形，为了便于安装，可沿管长涂以色纹，以便检查。（4） 胶管的管接头轴线，应尽量放置在运动的平面内，避免两端互相运动时胶管收扭。（5）胶管应避免与机械上尖角部分相接触和摩擦，以免管子损坏。第四章 工业工业机器人零件选择及其强度的计算工业工业机器人零件强度的计算是按皮带传动，电机功率5.5KW,工业工业机器人的额定压力P=3500N/cmf ，流量q二75cm3/ min，柱塞D=8 0mm来进行的。4.1机架机架是由8#槽钢、平垫板、撑管、加固筋等结构件焊接而成。4.2工业工业机器人体工业工业机器人体可实现吸、排水泥浆功能。工业工业机器人体由主轴、偏心套、连杆、 滑套、十子头、活塞销等组成。工业工业机器人头由拉杆、柱塞、浆缸、阀座、阀盖、球阀、进浆室、排浆室、进浆胶 管接头、空气室等组成。行星轴和主轴均安有圆锥滚子轴承，既能承受向心力又能承受斜齿轮产生的轴向分力， 有较高的抗弯强度。柱塞和拉杆都采用两道 C形滑环组合密封，能承受高压，高温度2500c , 低温-100 C,耐磨，自润滑，适用于水、水泥浆、砂浆、矿物油、酸、碱等各类介质。柱 塞通过一套冷却装置降低温升，只需要把胶皮水管一端接近直通管接头，冷却水即可进入冷却水管，冷却拉杆、柱塞。工业工业机器人的进口为 f 25mm，设置在进浆室的右侧、内孔为 f 50mm，有胶管一 端接进浆胶管接头，另一端接水泥浆搅拌桶出口。 搅拌机的出浆口必须高于或等于进浆胶管 接头孔的高度，使浆涂顺利的被工业工业机器人吸入。工业工业机器人的出口为 f 30mm ,纤维编织两层高压胶管制 25mm ,接排浆室胶管接 头。4.3连杆十字头连接处销子强度的计算销的类型可根据工作要求选定，用于联结的销，其直径可根据联结的结构特点按经验确定，必要时再作强度较核。定位销通常不受载荷或只受很小的载荷，数目不能少于两个。销在每一个被联结的件内的长度约为销直径的1-2倍，定位销的材料通常选 35、45钢，并进行硬化处理，根据工作 需要也可以选用 30CrMnSiA 1Cr13、2Cr13、H62和1Cr18Ni9Ti等材料；弹性圆柱销多采用 65Mn其槽口位置不应装在销子受压的一面，要在装配图上表示出槽口的方向。设计安全销时，应考虑销剪断后要不易飞出和要易于更换。安全销的材料可选用 35、45、50钢或T8A T10A等，热处理后硬度为 30-36HRC销套材料可选用 45钢、35SiMn 40Cr 等，热处理后的硬度为40-50HRC安全销的直径应按销的抗剪强度tb进行计算，一般可取T b = ( 0.6-0.7 ) (T b。根据本设计的实际情况，选择45钢d=16mml的圆柱销。号钢材料：45机械性能：2t s=36000N/cmt b=61000N/ cm 22t = t s/1.5=24000N/ cm外加负荷 P=n D2P/4= nx 5.5 2200/4=4749.25N各支点反力Fa Fb刀Z=0Fa+ F B= P=4749.25N刀Ma=O18 P 36 F b=0解得:Fb=2374.625NFa =2374.625N各支点弯矩如图4.1MA=M=OM=18FA=4274.3N.cm(4)按弯曲强度计算从图4.1的弯矩图可知危险短面为 C处截面，截面C处的抗弯摸量 WW=0.1cf =0.1 x 1.6 3=0.41 cm 3截面C处的弯曲应力T Wt w=MC/W=4274.3/0.41=10425 N/ cm安全系数n2n= t / t w=24000/10425=2.3安全剪应力t2 2=Q/F=2374.625X4/1.6n =1182 N/ cm(5)按剪切强度计算 由于此销为双剪切故剪力 Q=P/2=2374.625N安全系数 n= t / t =8150/1182=6.9 安全式中：t 许用剪应力t =8150 N/ cm 2 (6)按挤压强度计算挤压应力 b jyP/Fjy=4749.25/1.6X2.4=1237 N/ cm 安全系数 n = b jy / b jy=5100/1237=4.12安全2图4.1弯矩图式中：b jy挤压剪应力b jy=5100 N/ cm综上所叙连杆小头销子直径为16mnt满足强度要求。4.4柱塞上螺纹强度计算4.4.1螺纹的选择和强度校核螺纹强度校核是假定螺纹只沿螺纹中径传力，而不受径向力的影响。而且只有半数螺纹参加工作，螺纹工作圈数之间载荷均匀分配，内螺纹之间没有间隙。 此外，本柱塞螺纹是当作松联接，及受剪切载荷作用的联接来计算的。图4.2螺纹计算简图材料：45号钢 机械性能:er s=36000 N/ cm o- b=61000 N/ cmo- s /1.5=24000 N/ cm计算简图见图4.2主要尺寸 公称尺寸d =2 cm内径 d 1= 1.7835 cm螺 距s=0.2工作高度 h=0.10825 螺纹梯形宽度b=2htg30 0 =0.15旋上差宽1=2.2 cm旋入等容 Z =2.2/0.2=11(1) 按弯曲强度计算弯曲应力：b =2M/2W=2X257/11X0.021=2225 N/ cm式中：M弯矩M=h P /2=0.10825 X 4749.25/2=257 N. cmW圈的抗弯摸量2/6=0.021 cm2Wnd 1b /6= n 1.7835 X 0.15安全系数 n= b / b =24000/2225=10.7(2) 按剪切强度计算剪切应力：t =2Q/ (ZF t) =2X 4749.25/ (11X 0.84 ) =1028N/cm式中：Ft圈的剪切面积Ft = nd 1b=3.14 X 1.7835 X 0.15=0.84 cm安全系数 n= t / t =72000/1028=7式中：t 许用剪切应力2t = b s/5=36000/5=7200 N/ cm(3) 按挤压强度计算式中：F jy一圈的挤压面积Fjy= n挤压应力 b jy =2Q/ (ZFjy) =2X 4749.25/ (11X 0.643) =1343 N/ cm2 2 2 2(d d 1 ) /4= n(2 1.7835 ) /4=0.634cm安全安全系数 n= b jy / b jy=28800/1343=21.45b jy许用挤压应力b jy= b s/1.25=36000/1.25=28800 N/ cm4.4.2螺纹连接的防松方式的选择连接螺纹通常均能满足自锁条件（QVp）,且拧紧后螺母和螺栓头部支撑面存在着摩擦力。因此，在静载荷且工作温度变化不大时，可保证连接自锁而不松退。但在冲击、振动或变载荷的作用下，或在高温、温度变化较大的情况下，仍会出现联结松动甚至松退，使机器不能正常工作甚至造成严重事故。因此，对螺纹联结必须采取有效的防松措施，以保证正常的工作。按防松原理，螺纹联结的防松方法可分为摩擦防松、机械防松和破坏螺纹副防松等 几种。根据本设计的实际情况，选择摩擦防松中的防松螺母来拧紧防松。此处用 GB/T6170-2000六角头防松螺母琐定于被联结件上，防松可靠。4.5工业工业机器人体壁厚强度计算和选择 材料：蠕墨铸铁机械性能：2d b=330 N/ cm2d s=230 N/ cm许用安全系数S=2 3.5取S =3.5则d = d /S =23000/3.5=6571.429 N/ cm 2 实际壁厚3 =8 mm=0.8cm(1) 按经验公式计算3 = r i P/( d - 0.6p)+C=200 X 2/(6571.43-0.6 X 200)+0.8=0.662cm0.8 cm式中：r 1_缸的内半径r1=2 cm0考虑腐蚀和铸造偏心的壁厚附加量C=0.1 0.8 cm取 C=0.4 cm(2) 按承压强度计算1/23 =0.5D (d +0.4P) / (d 1.3P) 1+a1/23 =0.8 X 4 (d +0.4 X 200) / (d 1.32 X 200) 1+0.4解得 d =1960 N/ cm 2式中：D工业工业机器人体最大内径 a考虑腐蚀和铸造偏心的壁厚附加量a=0.4 cm安全系数 n= d / d =657143/1960=3.35 801.44 cm即空气室的容积合适(3) 强度计算材料:蠕墨铸铁实际厚度：S =0.8 cm按经验公式计算S =Fy /( 0 卜0.6P)+C=200X 2/(6571.429-0.6 X 200)+0.4=0.43 cm v 0.8 cm按承压强度计算S =0.5d (d +0.4PVd - 1.3P -1)+2S =0.5 X 9 (d +0.4200 d - 1.3 200-1+22解得S =1478N/cm安全系数 n= S / S =6571.429/1478=4.446故取3 =0.8cm是可以的。4.7减速器的选择和计算减速器是指原动机与工作机之间独立的闭式传动装置，用来降低转速并相应地增大转 矩。减速器的种类很多，这里近讨论由齿轮传动、蜗轮传动以及由它们组成的减速器。如果按照传动和结构特点来划分，这类减速器有下述六种：1齿轮减速器主要有圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器。2 蜗杆减速器主要有圆柱蜗杆减速器、环面蜗杆减速器和蜗杆减速器。3. 蜗杆-齿轮减速器及齿轮-蜗杆减速器。4. 行星齿轮减速器5 摆线针轮减速器6.谐波齿轮减速器其中，各类的减速器还有其各自的特点和应用，圆柱齿轮减速器的应用广泛，结构简单,精度容易保证，齿轮可做成直齿、斜齿或人字齿。可用于低速重载，也可用于高速传动。圆 锥-圆柱齿轮减速器可制成直齿、斜齿或曲线齿。适用于输入轴和输出轴两轴线垂直相交的 传动中。可为水平式或立式。其制造安装复杂，成本高，仅在设备布置必要时才采用。蜗杆 -齿轮减速器，当蜗杆布置在蜗轮的下边时，啮合处的冷却和润滑较好，蜗杆轴承润滑也方 便。但当蜗杆圆周速度太大时，油的搅动损失较大，一般用于蜗杆圆周速度大于5m/s。而当蜗杆布置在蜗轮的上边是，装拆方便，蜗杆的圆周速度允许高一些，但蜗杆轴承润滑不方 便，当蜗杆放在蜗轮侧面， 蜗轮轴应是竖直的。 渐开线行星齿轮减速器，其体积小，重量轻,承载能力大，效率高，传动比大，结构紧凑，工作平稳。与普通圆柱齿轮减速器比较，体积 和重量可减少50%右，效率可提高 3%但其制造精度要求较高， 结构复杂。摆线针轮减速 器，其传动比大，传动效率较高，单级传动效率为90%-94%运转平稳，噪声低，结构紧凑,体积小，重量轻。在相同情况下，它的体积和重量约为普通减速器的50%-80%过载和耐冲击能力较强，故障少，寿命长。但制造工艺复杂，需用专用机床加工，宜专业化生产。三环 减速器的结构紧凑，体积小，重量轻，传动比大，效率单级为92%-98%噪声低，过载能力强，承载能力高，传递功率不受限制，输出转矩高达400Kw不用输出机构，轴承直径不受限制。使用寿命长。零件种类少，齿轮精度要求不高，无特殊材料且不采用特殊加工方法就 能制造，造价低，适应性广，派生系列多。谐波齿轮减速器的传动比大，范围宽，元件少， 体积小，重量轻。在相同情况下，比一般齿轮减速器体积和重量减少20%-25%双波传动中在受载时同时啮合齿数可达总齿数的20%-40%承载能力大，传动效率高。但制造的工艺较复杂。选择减速器：考虑到此工业工业机器人需经常在野外工作，要求利于搬运和输送，因 此其体积应该尽量轻便，所以选用行星齿轮减速器，因其可用小的体积，就可完成大 的传动比，可将其置于大皮带轮的内部，使整个工业工业机器人的结构紧凑，体积轻便。“丁丁 IT 带体i丄 “一！-匚f 图4.41.传动比的分配因为电机轴的转速门电=1440r/min，柱塞工业工业机器人往复次数为175次/分，即n 二 175r / min ，n 电=12.9729 ；n柱i 带=2.16，=6；1. 按照减速器机械强度限制的承载能力P1选定;P1c = P1 S A K A =1 x 5.5 X 1.4=7.7Kw其中，一一为计算功率（Kw）;为使用系数，考虑使用工况的影响，选取1;为安全系数，选取 1.4 ;当i=4.5 , n=1440r/min，根据参考文献16查表3-4知NAD2O0P1c=111.11Kw7.7Kw。2. 由于环境温度的影响，应验算热平衡时临界功率pG 1 pt 1,按已知条件查表2-8、表2-9、表 3-17、得 f 1=1 , f 2=1，因为=5.5/111.11=4.9%，用插值法得f 3=1P1 pp1t = p1 f 1 f 2 f 3=5.5 X 1 X 1 X 1=5.5Kw通过查表 3-15 得 pG1=21Kw5.5Kw.工作状态的热功率小于减速器热平衡功率，因此无需增加冷却措施。3. 行星减速器各齿轮参数行星减速器选用WW型双联机构，行星轮 n=3, i=6 ;1）中心轮Z1参数Z1 =30; m = 3; d1 = f 94.63mm ; B = 24.5mm, X n = - 0.26; b =18;旋向向左。2）行星轮z 2参数Z 2=3; m = 3; d2 = 54mm； B = 24mm； x n = 0.26; b =18 ；旋向向左;a12 = 80.44 0.027 ；3) 行星轮Z2參数Z2 18； m= 3; d 2= f 94.63mm? B = 20mm? X n =0.8 ； b = 18;旋向右旋。a23=80.44 ).0274.8 V带传动的计算带传动是由固联于主动轴上的带轮、固联于从动轴上的带轮和紧套在两轮上的传动带组成的。当原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦(或啮合)，便拖动从动轮一起转动，并传动一定动力。带传动具有结构简单、传动平稳、造价低廉以及缓冲吸振等特点， 所以此次设计中选用了带传动。在带传动中，常用的有平带传动，V带传动，多楔带传动和同步带传动等。在一般机械中，应用最广的是带传动。V带传动较其它带传动能产生更大的摩擦力。这是V带传动的主要优点。因此，我选用了V带传动。(1) 计算功率P =N=1.1 X 5.5=6.05kw式中：K g=工作情况系数Kg = 1.1(2) 胶带型号的选择根据 R=6.05kw 及 n1=1440r/mi n 由参考文献1图8-8选定B型胶带(3) 传动比为i=2.16 ;(4) 小带轮直径D的确定根据参考文献1图8-8选 d d1=123mm(5) 大带轮直径D2的计算d d 2=i d d1 ( 1- e ) =2.16 100 (1-0.01 ) =265.74mm其中，d d1 小带轮直径(mm ；i传动比；e 弹性滑动率；由表8-9可查得，大带轮直径 d d 2为266mm(6) 带速VV=n dd1 n/(60 X 1000)=3.14 X 100X 1440/ (60X 1000) =7.536m/s速度在525 m/s的范围内，合适(7) 初定轴间距30.7( dd1 + dd 2)waow2( dd1 + dd 2)0.7(123+266) Wa o(9) 实际中心距aa=ao+(L p-L o)/2=3oo+(125o-1219.85)/2=398mm(10) 小带轮包角a 1a 1=180o -60X( dd 2- dd1)/a=180O 60 X (266-123)/398 =143.52 120 合适(11) 单根胶带传递的功率N0根据：n 1=1440r/mind d1 =100mm查得P0=1.32kw查参考文献1表 8-5a (12) 单根胶带传递功率的增量APo根据 i=n 1/n 2=960/255=3.76m=960r/min查得AP o=o.15 kw查参考文献1表 8-5b (13) 胶带根数Z= 巴(Po+ dPo ) K a K L=2.96(1.32+0.15)0.910.91取Z=3式中Ka 包角系数 Ka =o.91Kl查参考文献1表8-8 Kl 长度系数 Kl =0.91查参考文献1表8-8 (14) 单根胶带的预紧力 FoF0=500 ( 25 - 1 ) Pd+mv2KaZV/ 2.5,6.052=500 ( 1 )+0.1 X 7 5320.91)57.53=146.05N式中：q皮带每米长的重量 q=0.1kg/m查参考文献1表 8-4 (15) 带轮的结构和尺寸1. 小带轮的结构尺寸确定由所选电机的类型，Y132S-4型三向异步电动机。起轴伸直径d=38mm长度L=88mm故小带轮轴孔的直径应取d 0=38mm毂长应小于 88mm由表14-18查得，小带轮应为实心轴。轮槽尺寸及轮宽应按表 14-16计算，可得bd =11mm，ha =3mm， h f =11mm e=15mmmin=10mm，?min=6mm。B = (z - 1)e + 2 f =80mm 取j = 38。2. 大带轮的结构尺寸确定根据小带轮尺寸的选定，以及以上关于带轮传动的计算和减速器的结构尺寸，可得,bd =14mm , ha =3mm , hf =15mm , e=19mm, fmin =12mm，?min=7.5mm。B = (z-1)e + 2f =120mm 取j = 384.9轴的设计和强度校核材料：40Cr 机械性能：调质后2cr b=7500N/cm(T s=5200 N/ cmE=210 E= 37000N/cm4.9.1估算轴径d1/3331/3d A ( P/W)=5 X 10- (5.5 X 10 /255) =0.0453m式中:A与材料有关的系数A =5 X 10-3考虑开键槽应增大1015%然后将轴径圆整，取轴径 d=48cm4.9.2轴的受力分析(1) 由于皮带传动产生的作用力QQ=1781.8N Q=QcosB =1781.8cos19.5 =1679.6NQ=Qsin 0 =1781.8sin19.5=594.8N(2) 由于缸内压力对轴的作用假设条件：(a) 只计算缸内的作用力，其它构件的惯性力忽略不计，因轴的转速较低.图4.5轴受力图(b) 由于法向力所引起的产生应力，切向力所引起的切向应力及起扭转 产生的切应力是同时存在.(c) 偏心装置上产生的力如图4.5所示(d) 切向力T:T=Psin( a +B )/cos B法向力Z:Z=Pcos(a +B )/cos B式中：a偏心角度B连杆的偏角由于缸内压力所引起的连杆偏心机构的力是变化的，通过对工业工业机器人轴的受力分析，可知当a E=360时ZE=Zmax,Tz=O,缸正处于排液状态，轴受力最恶劣，其中L/sin60 = y /sin B即 sin B =y sin 60 /L=25 .3/ (190X 2) =0.11395B =6.54 B f= B d= B高压缸:Z E= nX 5.5 X 200/4=4749.25NTe=02Zd= n D P cos( a d+ B