关节型机器人腕部结构设计

优秀设计单位代码 :学科门类：毕业设计说明书（论文）关节型机器人腕部结构设计学生姓名 所学专业 班级学号指导教师XXXXXXXXX 系二O *年xx月任务书一、设计内容题目来源于生产实际。设计一个用于焊接的关节型机器人，进行机器人的总体 方案设计、腕部及执行器结构设计及其零件设计。二、设计依据焊接关节型机器人具有六个自由度，腰关节回转，臂关节俯仰，肘关节俯仰， 腕关节仰腕、摆腕和旋腕，腕部最大负荷 4kg，最大速度2m/s，最大工作空间半径 1500mm。三、技术要求1、机器人应能满足工作要求，保证焊接精度；2、工作可靠，结构简单；3、装卸方便，便于维修、调整；4、尽量使用通用件，以便降低制造成本。四、主要参考文献：1、殷际英何广平关节型机器人：北京：化学工业出版社，2003.2、马香峰.工业机器人的操作机设计北京：冶金工业出版社，1996.3、费仁元.张慧慧.机器人机械设计和分析.北京：北京工业大学出版社，1998.4、周伯英.工业机器人设计.北京：机械工业出版社，1995.5、蔡自兴.机器人学.北京：清华大学出版社，2000.6宗光华，刘海波译机器人技术手册.北京：科学出版社，1996.7、徐卫良，钱瑞明译.机器人操作的数学导论.北京：机械工业出版社，1998.8、孙迪生，王炎.机器人控制技术.北京：机械工业出版社，1998.9、徐灏.机械设计手册.第二版.北京：机械工业出版社，2000.10、成大先.机械设计手册.第4版.北京：化学工业出版社，2002.开题报告题目来源、题目研究的主要内容及国内外现状综述题目来源：工业机器人是一种机械技术和电子技术相结合的产品。采用 工业机器人是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 条件的一种有效手段。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较高，因此采用机器人技术，实现焊接生产操作的柔性 自动化，以提高生产效率。题目研究的主要内容：机器人的机械设计技术是机器人技术的一个重要 内容，机器人的结构、关节驱动和传动等的设计和伺服控制密切相关。本课 题主要是对焊接用机器人进行机械设计，我主要着重手腕（手腕，夹持器） 部分，该部分由三个回转关节（臂转、手转、腕摆）组合而成。并保证与基 座和手臂部分尺寸和功能的协调。国内外现状综述：从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了 一个长期缓慢的发展过程。到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，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不 断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。目前 国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能 化和多样化方向发展。目前的研究内容主要集中在：工业机器人操作机结构 的优化设计技术、机器人控制技术、多传感技术、机器人遥控及监控技术， 机器人半自主和自主技术、虚拟机器人技术、多智能体调控制技术、软机器 人技术、仿人和仿生技术、微型和微小机器人技术。其中微型和微小机器人 技术是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。在我国对此进行了深入的研究，如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 由度微动机器人机构的设计方法研究了微动机器人机构的设计方法，建立 了并联六自由度微动机器人的空间模型， 并分析了该微动机器人的空间模型， 并分析了该微动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机器人的机 构尺寸，是探讨微动机器人机构设计的有效分析工具。、本题拟解决的问题1. 手腕处于手臂末端，须减轻手臂的载荷，力求手腕部件的结构紧凑，减 少其重量和体积；2. 提高手腕动作的精确性；3. 三个自由度（臂转、手转、腕摆）的实现。三、解决方案及预期效果（一）解决方案：1. 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。2. 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回差， 对分离传动多采用传动轴。3. 驱动电机1经传动轴和一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮带动手腕在壳体上 作偏摆运动。电机2经传动轴驱动圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动，从而 使轴回转，实现手腕的上下摆动。电机 3经传动轴和两对圆锥齿轮传动 带动轴回转，实现手腕机械接口法兰盘的回转运动（二）预期效果：1. 工作可靠，结构简单；2. 能实现准确动作；3. 装卸方便，便于维修、调整；4. 尽量使用通用件，以便降低制造成本。作业范围大，动作灵活并能广泛应用于喷涂、焊接等作业中。关节型机器人腕部结构设计摘要：为了提高生产效率和焊接质量，满足特定的工作要求，本题设计用于焊接的关节型机 器人的手腕和末端执行器。根据机器人的工作要求进行了机器人的总体设计。确定机器人的 外形时，拟定了手腕的传动路径，选用直流电动机，合理布置了电机、轴和齿轮，设计了齿 轮和轴的结构，并进行了强度校核计算。传动中采用了软轴、波纹管联轴器和行星齿轮机构， 实现了摆腕、转腕和提腕的三个自由度的要求。设计中大多采用了标准件和常用件，降低了 设计和制造成本。关键词：自由度；焊接；手腕1 前言1I口J 1=1 JJJ J J J J J J JJJJJJ J J J J J J J J J J J J JJJI1.1 机器人的含义，112早题目来源21 2- II/1、1/vCJ' J111jjj jjjjjj jjjj jjjjjjJ 11Jjj1 3'技术j要求2*/ |"J V jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjj1.4本题要解决的主要问题和设计思路，2 2国内外发展状况及现状的介绍，22. 1 研究现状，22 2 发展趋势4厶厶/H-丿 J JJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJ3 总体方案论证，53. 1机械结构类型的确定，53.2 工作空间的确定，63.3 手腕结构的确定73.4 基本参数的确定84 手腕详细设计说明，84. 1机器人驱动方案的分析和选择，84. 2 手腕电机的选择，9 4.3 传动比的确定，94. 4 传动比的分配，10 4. 5 齿轮的设计，1 0 4. 6 轴的设计和校核，1 8 4. 7 夹持器的设计，23 4. 8 壳体的设计，235 纟口 ？匕，24参考文献2 5二-V /、丨吵jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjj1刖言1.1机器人的概念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”。机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使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。1.1.2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。1.1.4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。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研究现状从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。 到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，机器人技术也 得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机 器人系统也有了长足的进展。下面将按工业机器人和先进机器人两条技术发展路线 分述机器人的最新进展情况。2.1.1工业机器人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. 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，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUK公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，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，使机器人操作机几乎成为免维护系统。b. 并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这 是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现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，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKYASKAWAANUC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公司的最新机器人控制器已实现 了与Can bus Profibus总线及一些网络的联接，使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，使机器人系 统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF-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先进机器人近年来，人类的活动领域不断扩大，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，因而对机器人的要求更高，需要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，是机器人技术的一个重要发展方向。a. 水下机器人：美国的AUSS俄罗斯的MT-88法国的EPAVLAR等水下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，形成了有缆水下机器人(remote operated vehicle )和无缆 水下机器人(autonomous under water vehicle)两大类。b. 空间机器人：空间机器人一直是先进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机器人。如美国NASA勺空间机器人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机器人。 已完成的典型系统，如美国ORM基于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. 地下机器人：地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两大 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 型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。e. 医用机器人：医用机器人的主要研究内容包括：医疗外科手术的规划与仿真、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 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. 建筑机器人：日本已研制出20多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器人、 预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，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机器人、 内墙安装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. 军用机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。 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机器人等各种用途的军用机器人。可以预见，在21世纪各种先进的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发展趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行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. 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。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. 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. 机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多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 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. 微型和微小机器人技术(micro/miniature robotics):这是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机器人机构的设计方法研究 了微动机器人机构的设计方法，建立了并联六自由度微动机器人的空间模型，并分 析了该微动机器人的空间模型，并分析了该微动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 机器人的机构尺寸，是探讨微动机器人机构设计的有效分析工具。3总体方案设计3.1机械结构类型的确定为实现总体机构在空间的位置提供的6个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题可以将其设计成以下五种方案：3.1.1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。3.1.2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。3.1.3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。3.1.4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。3.1.5平面关节型采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移 动关节则实现上下运动，其工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形的同转体，纵 截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形 状。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多 用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配。对以上五种方案进行比较：方案一不能够完全实现本课题所要求的动作；方案 二体积大，灵活性差；方案三结构复杂；方案五无法实现本课题的动作。结合本课题综合考虑决定采用方案四：关节型机器人。此方案所占空间少，工作空间范围大,动作灵活，工艺操作精度高。3.2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 空间为1500mm图3 1机器人的机座坐标系3.3手腕结构的确定手腕是联接手臂和末端执行器的部件，处于机器人操作机的最末端，其功能是 在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个坐标位置的基础上，再由手腕来 实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，即实现三个自由度。图3-2传动原理图考虑到结构，电机将成三角形布置，具体结构见图。3.4基本参数的确定空间结构和手腕结构的确定，那么手腕回转、手腕摆动、和手腕旋转三个姿态 的自由度也得到了实现。表3-1机器人的主要规格参数动作范围手腕回转120 =30 7 s手腕摆动9030=/s手腕旋转360 ：30：/s额定载荷4 kg最大速度2m/s4手腕详细设计说明4.1机器人驱动方案的分析和选择通常的机器人驱动方式有以下四种：a. 步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低 廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。但是由于采用开环控制，没有误 差校正能力，运动精度较差，负载和冲击震动过大时会造成“失步”现象。b. 直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对 功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。其安装维修方便，成本低。c. 交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管GTO大功率晶闸管 GTR和场效应管MOSFE等电力电子器件、脉冲调宽技术（PWM和计算机控制技术的发展，使交流伺服 电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用16位CPU+32位DSP三环（位置、速度、电流）全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可 以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。d. 液压伺服马达：液压伺服马达具有较大的功率 /体积比，运动比较平稳，定 位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及 要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用 较高，其液压系统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前 提下，本系统将尽量避免使用该种驱动方式。本课题的机器人将采用直流伺服电动机。因为它具有体积小、转矩大、输出力 矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。4.2手腕电机的选择4.2.1提腕电机的选择手腕的最大负荷重量m 4kg，初估腕部的重量m2 = 4kg，最大运动速度V=2m/s功率 p 二 FV 二 mgV=8 10 2 =160W取安全系数为 1.2， p'=1.2p=1.2 160 = 192W考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率p额二200W。选择Z型并励直流电动机， 技术参数如下表4-1 Z型并励直流电动机技术参数型 号额定电压(V)额定转矩(N/m)额定转速(r/m)参考功率(W)重量(kg)Z200/20-400200120004005.54.2.2摆腕和转腕电机的选择根据设计要求取相同型号的电机，选择Z型并励直流电动机，型号为200/20-400。4.3传动比的确定4-3-1提腕总传动比的确定V2先根据下式求角速度- = 一 = 20 r/sR0.1蛍为角速度(r/s), V为运动速度(m/s), R为机械接口到转动轴的距离(m)。再求实际转速 n'= n' =60= 60 20 = I91.1r/min2兀2兀n'为转速(r/min)。最后求得总传动比n2000亓曲i总=10.4取整i总仁10n' 191.14.3.2转腕和摆腕传动比的确定用同样的方法，可求得转腕总传动比i总2=20摆腕总传动比i总3= 104.4传动比的分配传动比分配时要充分考虑到各级传动的合理性，以及齿轮的结构尺寸，要做到结构合理。a. 提腕传动比分配提腕总的传动比i总1=10,该传动为两级传动，第一极传动为圆柱齿轮传动，传动比i1仁2,第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比i12= 5。b. 转腕传动比分配 转腕总的传动比i总2 = 20,该传动为两级传动，第一极传 动为圆锥齿轮传动，传动比i21 = 5,第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比i21 = 4。c. 摆腕传动比分配摆腕总的传动比i总3= 10,该传动为两级传动，第一极传动为圆柱齿轮传动，传动比i31 = 2,第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比i32 = 5。4.5齿轮的设计13按照上述传动比配对各齿轮进行设计。4.5.1提腕部分齿轮设计A.第一极圆柱齿轮传动齿轮采用45号钢，锻造毛坯，正火处理后齿面硬度170190HBS,齿轮精度等级为7极。取乙=20,则z2 =2 20 = 40。a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b. 按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度条件的设计表达式d1t/ 、2ZhZeZ j 2KT1 u+1I皿丿 u(4- 1)其中，d =0.8 , u =2 ,Z，0.90 , Ze = 189.8、MPa , Zh =1.8 ,6 p6 0 2h =9.55 1069.55 1069550N * mmn200选择材料的接触疲劳极根应力为：=580MPa二 H2lim = 560MPa选择材料的接触疲劳极根应力为:F1lim =230MPaF2lim 二 210MPa应力循环次数N由下列公式计算可得(4-2)叫=60n 1at=60 2000 300 8 16= 4.23 1099Q= 2.16 10“ Ni4.23x10N2u2接触疲劳寿命系数 Zn1=1.1, Zn2 =1.02弯曲疲劳寿命系数 YN1 =Yn2 - 1接触疲劳安全系数SH min =1,弯曲疲劳安全系数SFmin -1.5，又Yst = 2.0，试选Kt =1.3。求许用接触应力和许用弯曲应力:LH2H1limSH minZ N1580 1.1=638MPa1H limSH minZ N2580 1.02 =591.6MPa1I二 f1 _ ；"F1limYsTSf minYN1230 21MPa =306.67MPa1.5F2lim YSTSF minYn2210 2 1MPa =280MPa1.5将有关值代入（41）得:ZhZeZ；"2KJ1 u±1'-H2 1卢、2'1.8汇189.8江0.9 ' 2乂1.3乂9550 * 2+1i 汇m m2591.60.8=41.3m m则V1©t n160 1000:41.3 2000= 4.32m/s60 1000100Sm/sn/m/s100动载荷系数Kv =1.0 ;使用系数Ka =1 ;动载荷分布不均匀系数 K =1.02 ;齿间载荷分配系数 Ka =1，则 Kh 二KAKvQKa=1.01 1.0 1.02 1.0 = 1.03修正d1-dit二 38.1mmZi38.1"20mm = 1.9mm取标准模数m =2mmc.计算基本尺寸di = mz = 2 20 = 40mm d2 二mz2 = 2 40 = 80mmZi - Z240 802 " 2b = dd1 = 0.8 40 = 32mmb2 = 22mmd. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数Yfs1 =4.1，Yfs2 =3.8取 Y；=0.7校核两齿轮的弯曲强度2KT1A 23d Z1 mYfs1Y；(4 3)2 1.03 95500.8 202 234.1 0.7MPa= 110.02MPa 一 t-'F1 1匚 F2 -；F1 经=110.02 MPa =101.97MPa - !： F2 1Yfs14.1所以齿轮完全达到要求。表42齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径dd = mz = 2 20 = 40mm d? = mz? = 2 工 40 = 80mm齿顶咼dha = ham = 1 汉 2 = 2mm齿根高hfhf = (ha tcjm = (1 +0.25H 2 = 2.5mm齿全冋hh = ha + hf =2 + 2.5 = 4.5mm齿顶圆直径da1da1 = di 十 2ha = 44mm da2 = d2 + 2ha = 84mm齿根圆直径d f 1d f1 = a 2hf = 35mm d f 2 = d22hf = 75mm基圆直径db1db1 = d1 cos。= 37.56mm db2 = d2 co资=75.17mm齿距Pp =n:m = 3.14x2 = 6.28mm齿厚ss = nm/ 2 = 3.14mm齿槽宽ee = nm/ 2 = 3.14mm中心距aa = © + d2)/ 2 = 60mm顶隙cc = cm = 0.25x 2 = 0.5mm由于小齿轮分度圆直径较小，考虑到结构，小齿轮将做成齿轮轴B.第二极圆锥齿轮传动齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS齿轮精度等级为7极。取 乙=20,则Z2 =5 20 =100a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b. 按齿面接触疲劳强度设计 齿面接触疲劳强度的设计表达式(4 4)ZZe V4KI J丿 0.85©r(1-0.5©r)2u其中，；=0.8， u =5，Ze =189.8 . MPa，Zh -1.8，6 P6 0.2=9.55 106=9.55 106=9550N * mmn200选择材料的接触疲劳极根应力为：；H1iim =580MPa；H2iim = 560MPa选择材料的接触疲劳极根应力为：；F1lim =230MPa；F 2 lim = 210MPa应力循环次数N由下式计算可得Ni =60 nt（ 4-5）=60 2000 300 8 169= 4.23 10K1N194.23 10-“9N 20.846 10u5Z N2 1.02接触疲劳寿命系数Zn1 =1.1,弯曲疲劳寿命系数Yn1 =Yn2 =1接触疲劳安全系数Sh min = 1，弯曲疲劳安全系数Sf min =1.5 ,又Yg 2.0，试选'-H1- H1lim zZ N1SH minKt =1.3。求许用接触应力和许用弯曲应力:5801.1 =638MPa1“2严Zn2SH min1.02 =591.6MPa1F1lim YST vY N“丄SSF min宀2丄7丫SF min210 2 1MPa =280MPa1.5将有关值代入（4 4）得:d1t =3ZhZe4KT1Yih丿 0.85忆(10.5©r)2u*1.8 "89.8 ¥4 1.3 9550=3|认 591.6 丿 0.85汉 0.3(10.5汉 0.3)2 汉 2mm=43.3mmMt n160 1000二 43.3 20004.53m/s60 1000ZiVi10020 4.53m/s = 0.96m/s100动载荷系数Kv =1.0 ;使用系数Ka =1 ;齿向载荷分布不均匀系数0=1.02 ;齿间载荷分配系数取 Ka =1，则 Kh 二K aKvK Ka =1.01 1.0 1.02 1.0=1.03修正 d1 = d1t 3= 43.3 x 第103 = 39.1mm1 计 KtV 1.3d139.1mmm 二 1.95mmZ120取标准模数m = 2mmc. 计算基本尺寸d1 = m = 2 20 = 40mm d2 二 mz2 = 2 100 = 200mmZ240 200 = 120mmd.校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数Yfs1 =4.1，Yfs2 =3.8取 Y；=0.7校核两齿轮的弯曲强度(4-6)4KTMs1F1 :$r(1 -0.5%)2乙务311 +u24汇1.03沃9550汉4.10.8(1 -0.5 0.8)2 202 23 1 52=21MPa 一 t-'F1 1YFS23.8r 1二F2JF1 -=21 MPa =19MPa =F2Yfs14.1所以齿轮完全达到要求。表43齿轮的几何尺寸符号公式分度圆直径dd1 = mzj = 2 父 20 = 40mm d2 = mz2 = 2 汇 100 = 200mm齿顶咼haha = ha"m = 1 汉 2 = 2mm齿根高hfh(h-)(0.2p< 1.6mm齿顶圆直径dadai =d<i +2ha cos6 = 44mm da2 = d2 +2ha cos6 = 202mm齿根圆直径dfd f1 = d! 2hf cos6 = 37mm d f2 = d2 2hf cos6 = 197mm齿顶角日atanTa = ha / R = 0.01959齿根角BftanTf = hf /R = 0.0235分度圆锥角5sin 6 = mz/2R = 0.196顶锥角爲6a = 6 -&a = 10.3根锥角§f =6 Tf =10锥距RR = mz/ 2 si n 6 = 102mm齿宽bb = 0.2 0.35) R = 20.4mm由于小齿轮的分度圆直径较小，所以作成齿轮轴。4.5.2转腕部分齿轮设计第一极圆锥齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS齿轮精度等级为7极。取乙=20,则Z2 =5 20 = 100。经计算齿轮满足要求表4 4齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径dd1 = mZ| = 2 汉 20 = 40mm d2 = mz2 = 2 汉 100 = 200mm齿顶咼haha = ha"m = 1 汇 2 = 2mm齿根高hfhf =(ha*cjm = (10.2) x 2 = 1.6mm齿顶圆直径dada1 =d<i +2ha cos6 = 44mm da2 = d2 +2ha cos§ = 202mm齿根圆直径dfd f1 = d1 -2hf cos6 = 37mm d f2 = d2 -2hf cos6 = 197mm齿顶角dtanTa = ha / R = 0.01959齿根角tan % =hf / R = 0.0235分度圆锥角5sin 6 = mz/2R = 0.196顶锥角610.3：根锥角66f =6 =10：锥距RR = mz/ 2 si n 6 = 102mm齿宽bb = (0.2 0.35)R = 20.4mm第二极圆锥齿轮传动：齿轮采用 45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS 齿轮精度等级为7极。取乙=20,则Z2 =4 20 = 80。经计算齿轮满足要求。表45齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径ddi = mw = 2 x 20 = 40mm d? = mz? = 2 汉 80 = 160mm齿顶咼haha = ham = 1 汇 2 = 2mm齿根高hfhf = (ha* cm = (1 0.2)x 2 =1.6mm齿顶圆直径dadai = 4 +2ha cos§ = 44mm da2 = d2 + 2ha cos§ = 161.5mm齿根圆直径dfd f1 = d! - 2hf cos6 = 36mm d f 2 = d2 - 2hf cos6 = 158mm齿顶角包tanTa = ha / R = 0.0244齿根角tan日f = hf / R = 0.0293分度圆锥角5sin 5 = mz/2R = 0.196顶锥角爲6a = 6 - Ba =10.3根锥角6f =5-0f =10锥距RR = mz/ 2 si n 6 = 82mm齿宽bb =(0.2 0.35)R = 16.4mm4.5.3摆腕部分齿轮设计第一极圆柱齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS齿 轮精度等级为7极。取乙=20,则Z2 = 2 20 =40。经计算齿轮满足要求。小齿轮作成 齿轮轴。表4 6齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径dd m = 2沢 20 = 40mm d2 = mz2 = 2汉 40 = 80mm齿顶高haha = ha"m = 1 沃 2 = 2mm齿根高hfhf = (ha+£)口 = (1 + 0.2) N 2 = 2.5mm齿全冋hh = ha + hf =2 + 2.5 = 4.5mm齿顶圆直径da1da1 =d<i+2ha = 44mm da2 = d2 + 2ha = 84mm齿根圆直径d f 1d f1 = a 2hf = 35mm d f 2 = d22hf = 75mm基圆直径db1db1 =d1 cos。= 37.56mm db2 = d2 cos。= 75.17mm齿距Pp = nm = 3.14汉2 = 6.28mm齿厚ss =兀 m/ 2= 3.14mm齿槽宽ee =兀 m/ 2 = 3.14mm中心距aa = © 十d2)/2 = 60mm顶隙cc = fm = 0.25汉 2 = 0.5mm第二极圆锥齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS齿 轮精度等级为7极。取乙=20,则Z2 =5 20 = 100。经计算齿轮满足要求。小齿轮作 成齿轮轴。表4 6齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径dd1=mw=2x20 = 40mmd2=mz2=2>d00 = 200mm齿顶咼haha = ham = 1 x 2 = 2mm齿根高hfhf =5&讯一疋)口 = (10.2) x 2 = 1.6mm齿顶圆直径dada1 =d<i +2ha cos6 = 44mm da2 = d2 +2ha cos6 = 202mm齿根圆直径dfd f1 = d1 2hf cos6 = 37mm d f2 = d2 2hf cos6 = 197mm齿顶角Batan 日a =ha/R = 0.01959齿根角%tan % = hf / R = 0.0235分度圆锥角6sin 6 = mz/2R = 0.196顶锥角每6a = 6 -日a = 10.3根锥角6f =6 =10 =锥距RR = mz/ 2 si n 6 = 102mm齿宽bb = (0.2 0.35)R = 20.4mm4.6轴的设计和校核轴的结构决定于受力情况、轴上零件的布置和固定方式、轴承的类型和尺寸、 轴的毛坯，制造和装配工艺、以及运输、安装等条件。轴的结构，应使轴受力合理， 避免或减轻应力集中，有良好的工艺性，并使轴上零件定位可靠、装配方便。对于 要求刚度大的轴，还应该从结构上考虑减少轴的变形。4.5.1输出轴的设计摆腕的传动轴根据连轴器选：轴径 d=18mm,根据结构取轴长l=135mm由于要实现摆腕，工作时要求彼此有相对运动的空间传动所以提腕和转腕的传 动轴采用软轴。软轴通常由钢丝软轴、软管、软轴接头和软管接头等几部分组成。a. 钢丝软轴由几层弹簧钢丝紧绕在一起构成的。每层又由若干根钢丝组成。相 邻钢丝层的缠绕方向相反。b. 软管用来保护钢丝软轴，以免与外界的机件接触，并保存润滑剂和防止尘垢 侵入；工作时软管还起支撑作用。c. 软轴接头用以连接动力输出轴及工作部件d. 软管接口用以连接传动装置及工作部件的机体，有时也是软轴接头的轴承 座。在使用软轴的时候要注意钢丝软轴必须定时涂润滑脂，不得使软轴的弯曲半径小于允许最小半径。4.5.2传动轴的设计轴的材料为45号钢，调制处理a. 初估轴径，c=106117,取c=106则dmin 二 C3 P（ 4-7）- n= 106二 2.28mmb. 各段轴径的确定初估轴径后，就可按照轴上零件的安装顺序从dmin处开始逐段确定轴径，上面计 算的dmin是轴段1的直径，由于轴段1上安装连轴器，因此轴段1直径的确定和连轴 器型号同时进行。这次选用的是波纹管连轴器。故轴段 1直径d1 = 20mm右端用轴肩固定，考虑到在轴段 2上装套筒，故取轴径d2 = 22mm在轴段3上要安装轴承，其直径应该便于轴承安装，又应该符合轴承内径系列， 即轴段3的直径应与轴承型号的选择同时进行。现取角接触球轴承型号为7205, 其内径d3 = 25mm通常一根轴上的两个轴承取相同型号，故取轴段7的直径d?=25mm轴段4上用轴肩固定轴承，故取d4 = 30mm轴段5上作成齿轮轴，尺寸与齿轮相同。根据结构确定轴段6的直径d6 = 30mmc. 各轴段长度的确定各轴段长度主要根据轴上零件的毂长或轴长零件配合部分的长度确定。另一些 轴段长度，除与轴上零件有关外，还与箱体及轴承盖等零件有关。根据联轴器取h =24mm。考虑到套筒长度取l2 =21mm 0根据轴承宽度取 13 = 15mm = 17。根据结构 14 = 6mm l6 = 42mm。图41轴的结构设计草图4.5.3轴的强度校核13轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准则是满足轴的强度或刚度要 求。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的方法, 并恰当地选取其许用应力，对于用于传递转矩的轴应按扭转强度条件计算，对于只 受弯矩的轴（心轴）应按弯曲强度条件计算，两者都具备的按疲劳强度条件进行精 确校核等。b叫JI TTrrii-s图4 2轴的受力分析和弯扭矩图a. 轴上的转矩T：主轴上的传递的功率：P"竺嚣心阪(4-8)6 PT =