吸盘式搬运机械手的设计与研究分析

SHANGqiUJMSTITLTFOFTECIiNOLOGY商丘2016-JX-SJ工学院080202-115本科毕业设计一种吸盘式搬运机械手的设计与研究学院机械工程学院专业机械设计制造及其自动化学号4112020407学生姓名周成指导教师张保恒高威提交日期2016年05月23日诚信承诺书本人郑重承诺和声明：我承诺在毕业论文撰写过程中遵守学校有关规定，恪守学术规范，此毕业设计中均系本人在指导教师指导下独立完成，没有剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，没有篡改研究数据，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，如有违规行为发生我愿承担一切责任，接受学校的处理，并承担相应的法律责任。毕业设计作者签名：年月根据工厂的实际环境和自动化设备的布局，设计了六个自由度的关节型吸盘式搬运机械手，它基本能够到达空间的任意位置，实现物品的准确转移。通过查阅相关资料，结合各方面的因素，确定了机械手的总体设计方案，通过相关的技术参数的查阅，确定了手臂、吸盘等参数的标准化。在此基础上通过采样、分析、计算、校验，确定了各部件的结构尺寸，以及电机、减速器规格的选择。通过solidworks软件，根据相关尺寸的大小，绘制出机械手的三维实体模型,并且绘制出相应的工程图。对吸盘机械手进行运动学分析及手臂的位移、速度、加速度等运动仿真，模拟出机械手的运动轨迹，绘制出机械手的运动参数曲线图，并能够实现物品迅速准确转移到目的地的动作。关键词：吸盘式关节型机械手；机器臂结构分析；结构设计；三维设计；运动学仿真ASTRACTAccordingtothelayoutoftheactualplantenvironmentandautomationequipment,thedesignofthesixdegreesoffreedomarticulatedsuctioncuptypemanipulator,whichcanbasicallyarriveatarbitrarylocationinspace,torealizetheaccuratetransfer.Throughaccesstorelevantinformation,combinedwithvariousaspectsoffactors,todeterminetheoveralldesignschemeofthemanipulator,throughaccesstorelevanttechnicalparameterstodeterminethearm,standardizationofdiskparameters.Onthisbasis,throughsampling,analysis,calculationandvalidation,todeterminethestructuresizeofeachcomponent,andthemotor,decelerationdevicespecification.BySolidWorkssoftware,accordingtothesizerelatedtothesizeofthedrawthethree-dimensionalentitymodelofthemanipulator,anddrawthecorrespondingengineeringdrawings.Themanipulatorsuckerforkinematicsanalysisandarmofthedisplacement,velocityandaccelerationofmotionsimulation.Simulationofthetrajectoryofthemanipulatordrawmanipulatormotionofparametriccurves,andcanrealizethegoodsquicklyandaccuratelytransferredtothedestinationoftheaction.Keywords:Articulatedmanipulator；RobotarmstructureanalysisStructuredesign；Three-dimensionaldesign;Kinematicssimulation1 绪论01.1 引言01.2 关节机械手研究概况11.2.1 国外研究现状11.2.2 国内研究现状11.3 关节机械手的总体结构21.4 主要内容31.5 本章小结42 总体方案设计52.1 机械手工程概述52.2 工业机械手总体设计方案论述52.3 机械手机械传动原理62.4 机械手总体方案设计72.5 本章小结83机械手大臂部结构设计93.1 大臂部结构设计的基本要求93.2 大臂部结构设计93.3 大臂电机及减速器选型93.4 减速器参数的计算103.5 承载能力的计算143.5.1 柔轮齿面的接触强度的计算143.5.2 柔轮疲劳强度的计算153.6 本章小结194小臂结构设计204.1 腕部设计204.1.1 手腕偏转驱动计算204.1.2 手腕俯仰驱动计算314.1.3 电动机的选择314.2 小臂部结构设计334.3 小臂电机及减速器选型334.3.1 传动结构形式的选择344.3.2 几何参数的计算344.4 凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算354.4.1 柔轮齿面的接触强度的计算364.4.2 柔轮疲劳强度的计算364.5 轴结构尺寸设计374.6 轴的受力分析及计算384.7 轴承的寿命校核394.8 本章小结415机身设计425.1 步进电机选择425.1.1 计算输出轴的转矩425.1.2 确定各轴传动比445.1.3 传动装置的运动和动力参数445.2 齿轮设计与计算475.2.1 高速级齿轮设计与计算475.2.2 低速级齿轮设计与计算515.3 轴的设计与计算545.3.1 输入轴的设计与计算545.3.2 中间轴的设计与计算575.3.3 输出轴的设计与计算605.4 轴承的校核625.4.1 输入轴上轴承寿命计算625.4.2 中间轴上轴承寿命计算635.4.3 输出轴上轴承寿命计算645.5 键的选择和校核665.5.1 键的选择665.5.2 键的校核665.6 机身结构的设计675.6.1 机身箱体材料的选择675.6.2 机身的结构设计及制造工艺675.7 本章小结676基于solidworks的吸盘式机械手的三维设计与装配仿真686.1 基于solidworks三维建模的介绍686.1.1 主要零件的三维实体模型的创建及装配686.2 基于solidworks运动学仿真部分的操作步骤及仿真结果716.3 本章小结74总结与展望76致谢77参考文献781 绪论1.1 引言机器人，典型的机电一体化产品，多关节型机器人机械手是研究的一个热点领域。在机械、电子、信息理论、人工智能、生物学和计算机等领域中，得到了极大的应用和推广，它具有速度快，效率高，应用范围广等多特点，而且具有广阔的市场和发展空间。1959年，世界上第一台工业机器人的诞生，机器人开辟了新的发展时代。多关节机器人科学技术的飞速发展，研究和应用的发展。世界著名的机器人专家，加藤一郎教授，在早稻田大学说：“一个机器人最大的特点，你有需要它的功能”无论是自动化道路脚下程度有多高，这都是复杂的动态系统。伟大的发明家托马斯爱迪生曾说过这样一句话：“机器人，对环境是有益的。”它有很好的适应性，它具有非常较高的环境要求。可以打开无限广阔的前景，有必要扩大机器人的应用领域。以下主要是设计机械手的原因和目的：代替了人类劳动，解放了人的双手，提高了生产率，而且它们是开发的一种系统，以便它可以在许多结构性和非结构性相配合，更重要的是，使用这些功能，像人性化的服务，需要内在的人性化、系统化。在这方面的研究，可以扩大研究机器人的方向和研究机器人的市场，机器人，如智能机器人，可以起到人工智能和服务人类的重要作用。关节机器人，世界上没有统一的分类，定义是不一样的。对于近期标准化的联合国国际组织已经通过美国协会的定义为关节机械手的机械人：多关节机器人，搬运为主料，转移为目的，为了各种工作完成，通过改变动作程序，还需要再编程的多功能操作装置。外国定义与我们的关节型机器人有不同的参考定义。多关节型机器人，独立的主体可以放在任何地方，动作的自由度，程序可以灵活地改变，高度自动化机器人。它可用于汽车喷漆、涂料、和货物搬运、码垛等方面。关节型机器人的臂与主体，相对于人，可以携带重物，可以有一个较快的移动速度，有非常高的定位精度，它是自动的，可以执行各种操作，它可以是一个外部信号执行单元。多关节型机器人是在计算机控制下的可编程自动化的机器。能够提高产品的质量和劳动生产率，在生产过程，多关节机器人是自动化的，在通过改进，改善工作条件下，它是降低了劳动强度的有效手段。机器人诞生和发展，虽然只有30多年的历史，但是在一个国家经济领域中，机器人已经应用于民用工程中，显示了强大的生命力，未来的发展不可估量，需要我们进一步努力，开创美好的未来。1.2 关节机械手研究概况1.2.1 国外研究现状人类和动物的运动原理的第一个系统研究使迈布里奇发明了照相机跟单，即设定的触发相机，并在1877年他成功地验证了他的假定。后来，使用这种方法的相机是用来研究人体运动Demeny从1933到195孙，苏联也伯恩斯坦也深入研究，从人类和动物动力机制的角度看，并提出的理论非常形象化的描述人类和动物的运动机制。真正研究机构运动的大多是全面研究，系统于1960年推出至今，比较完整的理论体系的形成，并在一些国家，如日本，美国和苏联已成功开发，可以是静态或动态的多臂枢轴原型得到发展。在20世纪60年代和70年代，武装多搬运运动控制理论产生三种类型的控制方法这是非常重要的，这限制了国家控制，控制参考模型和控制算法。这三种控制的方法对所有类型的搬运机械手都是适用的。国家控制是在1961年提出的模型的参考，于197/由美国法恩斯沃思南斯拉夫托莫维奇正式提出，该算法是由著名的南斯拉夫研究所米哈伊尔？罗多搬运运动学专家鲍宾Vukobratovic博士在1969-1972年的教堂中提出。这三种类型的控制方法和他们之间的存在内在关系。有限状态控制实质上是一个控制参考模型，并且该控制算法得到了证实和应用。在搜索步态中，苏联Bessonov口Umno虻义“最佳步态”，Kugushev和美国Jaro-shevskij定义自由的步伐。这两种步态不仅能适应，而且要适应胳膊多和腿多的机器人。在这些中，对于自由路径的步骤，有他的的条件和规则。如果地形是非常粗糙的，所以运动臂多搬运，下一步应放在哪里脚不能基于对步骤序列来加以考虑，但应通过步骤以便攀登者去通过一些优化标准来确定哪个是所谓的自由速度。稳定性研究手臂动作的多搬运，美国Hemam,i该提议的稳定性和系统的控制的简化模型作为振荡器，反转（倒立摆），它可以被解释为在换能器存在的问题中为了向前运动。此外，为了减少考虑，Hemamfc研究手臂运动的多搬运“减少型”问题上进行了复杂性研究。此前我们指出了系统的Vukobratovic还能进行能量分析，但它的力量是有限的，搬运随时间的整个系统的变化，并没有太多涉及这个问题。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一个有用的结论，即平滑的姿态，人型系统所消耗的功率就越少。随着社会的发展，需求的增加，和实际问题的待解决，国外相继研究出各种机器人，并且已经很好地应用于各个领域，得到了很好地发展。1.2.2 国内研究现状国内目前机器人起步较晚，我国自1980年以来，在体育领域的多臂机器人的共同研究和应用下。1986年，国家启动了“规划纲要”的研究多动搬运臂，中国的高科技“863”研究项目中的水平运动臂产生于1987年。目前也在积极研发，中国移动手臂的研究和开发主要与高校和科研院所合作。由于我国机器人产业还很薄弱，机器人研究仍然任重而道远。我国市场上机器人总共拥有量近万台，仅占全球总量的0.56%,其中完全国产机器人行业集中度仅为占30%其余皆为从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进。究其原因，很大程度在于自主品牌不够，发展壮大自主品牌及其自动化成套装备产业成为当务之急，由于机器人是最典型的机电一体化、数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进装备制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车.计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。随着我国企业自动化水平的不断提高、人民生活需求水平的提高，机器人市场也会越来越大，这就给机器人研究、开发、生产者带来巨大商机，目前中科院常州中心常州机械电子工程研究所致力于机器人及智能装备技术的开发。我国机器人市场竞争越来越激烈，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，加快机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个机遇的机会。目前，国际制造业中心正向中国转移，用信息化带动工业化、用高新技术改造传统产业已成为中国制造工业发展的必由之路。我国要大力发展制造业，必须科技创新，与时俱进，开创美好的未来，未来机器人的发展是不可估量的，具有非常好的广阔前景。这次研究的吸盘式搬运机械手主要由类似人的手和臂组成，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。1.3 关节机械手的总体结构关节机械手的组成及各部分关系概述如图所示:1.3机械手的组成和相互关系它主要由机械系统（执行系统，牵引系统），探测系统和智能控制系统组成。1 .执行系统：共用部分的执行系统部门，机械零件最全面的定义，以必要的各种运动，包括手，手腕，来获得身体。A.末端执行用于执行，并且配置的零件直接用于执行动作。8 .手腕，手和臂的连接，具有安排作为任务或工作的端部的方向的改变。C.臂和连接的手匹配，手腕支撑身体时，执行负荷管理块，手的空间位置，臂操作空间的变化可以满足多个搬运，基座里电动机可以提供动力传输。D:机身，多较接臂，支撑辗，由臂部件支承，并具有使臂转动，起重或倾斜运动的特性。2 .驱动系统：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动，用作机械传动，3 .控制系统：驱动控制系统，根据该系统的工作，可以把故障报警或错误的信号通过显示器显示出来，并能及时作出反应控制机器正常运行。4 .检测系统：经由各种传感装置，控制运动检测装置，反馈给系统，保证运动无误，实践证明，该关节机器人可以取代繁重的体力劳动，可以显著减轻劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平，也可以提高我们工业化水平，并且符合我们国家“工业10.0”的政策。1.4 主要内容第1章绪论主要介绍机械手的相关知识和本课题研究的任务和要求.第2章总体方案设计，介绍该机械手各部分的相关知识和总体设计.第3章机械手各部分设计的介绍第4章机械手结构设计第5章机身合理参数的选择第6章基solidworks进行三维模型设计及运动分析与装配仿真1.5 本章小结介绍了国内外机器人的发展史，阐述了关节机器人的总体结构。随时代进步各国展开研究机器人的浪潮，比如德国工业4.0,我国随后也提出了符合我国国情的”工业10.0”的政策。2总体方案设计2.1 机械手工程概述它是一个技术集成的学科，涉及计算机技术和自动化技术等领域，在机制，机械，气动，液压技术，检测技术等领域有了发展。手臂多搬运运动的设计，例如系统工程，应作为一个综合的方法来设计系统，共同致力于系统的研发和创新。一个复杂机械系统，可结合多个子系统，它是一个不可分割的整体。系统必须具有以下特征：1 .完整的机械系统由几个子系统并且具有不同的整体性能的特定功能。2 .子系统之间要有机联系，不可独立。3 .每个目标系统必须具有明确的目标和系统的功能，结构，功能，目标和手段，把系统的各个子系统结合起来。4 .系统对环境的适应在某些情况下，我们必须能够适应外部环境中的变化。所以，在设计机器人时，不仅要注重搬运机器人系统的整个部件设计，还要考虑到单个部件的设计，要把他们紧密联系起来。2.2 工业机械手总体设计方案论述（一）确定负载目前，国内工业多用运动搬运臂，负载能力最小额定负载5N或更小范围，最多的为9000No这次设计白机械手为5公斤负荷。负载的大小主要取决于运动的作用力和机械接口上多搬运臂的运动方向。下臂应该包括端部执行器，根据相关参数和计算得出，这是一个小负荷的机械手。（二）驱动系统由于伺服电机具有良好的控制性能，具有灵活性好，体积小，效率高，适用于运动控制没有影响的精确控制小臂运动的机器人，因此，我采用了伺服电机。（三）传动系统臂传递机构的机械运动通常使用齿轮，蜗杆，滚珠丝杠，皮带，链条传动，行星齿轮，齿轮和谐波传动等作为传动载体，由于齿轮传动具有效率高，准确，结构紧凑，工作可靠，寿命长等优点，因此选用齿轮传动。（四）工作范围操作过程中的工业手臂动作的工作范围是与工作空间的大小相关，其每个臂的自由操纵器公共轴线的长度和所传动轴的相适应。（五）运动速度每个较接机械臂的最大行程，按照循环时间来确定每个操作的时间的，可以进一步确定每个动作的速度，单位为米/秒（m/s）的，每个运动时间分配考虑到许多因素，如每个操作序列之间的周期的总时间长度。操作时间的分配也必须考虑惯性的大小以及驱动控制，定位和精度要求2.3 机械手机械传动原理该方案结构设计与分析该关节机械手的本体结构组成如图所示:1-底座2-大臂3-小臂4-手腕5-吸盘6-工件所描述的为下列方式的组件和功能：基本单位：基座构件包括底座，齿轮传动件，轴承，步进马达。基本作用是支持构件，所述支承构件旋转臂，能够承受的工作负载，所述臂必须具有足够的强度，刚度和负荷能力。止匕外，该臂也需要一个足够大的安装基础，以确保在工作场所搬运机器人的稳定运行。搬运机器人臂，通常会导致驱动臂运动（例如，液压，气动或一个马达）和一个驱动源（例如，燃料箱，燃料箱，齿轮齿条机构，连杆机构，螺旋机构或凸轮机构等各种运动臂组成的组件）。手臂分为大臂和小臂。组成如下：动臂、齿轮件，驱动电机。在臂构件中：臂,驱动轴，皮带等，固定到步进电动机的一端。腕部分：包含壳体，传动齿轮和轴，和所需机械接口。2.4 机械手总体方案设计它是机器人形结构，并调整圆柱形结构，球面坐标的结构，该多接头结构和它们的相应特征中的每一个一致，如下所述。1 .直角坐标结构运动空间直角坐标机器人，它是落实到闭环位置控制的线性运动，由如图2-1所示，直角坐标机器人可以达到非常高的位置，实现各有三个其他存在的垂直的直线运动精度。然而，直角坐标机器人相对于其他机器人的结构，还算比较小的。因此，为了实现恒定的空间运动，必须调整好其内部架结构。直角坐标机器人的工作区是矩形空间。直角坐标机器人主要用于组装和搬运，直角坐标机器人它具有悬臂门，起重机等类型的结构。2 .圆柱坐标结构如在图2-1(b)中，如图所示，调整直线运动并实现旋转运动。这种机器人的结构相对简单，并且能够在一般精度操作中使用。它的工作空间是圆柱形的空间。3 .球坐标结构如图2-1(c)中，该空间的运动是球形坐标机器人的运动，实现两个旋转运动的。这个简单的机器人结构，成本低，精度不高。但他们的工作空间是球形的空间。4 .搬运型结构如图2-1(d)所示，为了实现一个空间移动搬运机器人包括三个旋转运动。搬运机器人的运动是灵活，结构紧凑，占地面积小的运动方式。这种机械手是广泛焊接，涂装，搬运，组装，它是在工业中使用。(b)圆柱坐标型(c) 球坐标型 (d) 关节型搬运型机械手结构，有水平搬运型和垂直搬运型两种。(a)直角坐标型图2-2四种机械手坐标形式根据任务书和具体要求，我选择了关节型(d)。机器人的工作范围是很大的，并且运动灵活，通用性好，结构更紧凑，其特征如下：用途：物料搬运自由度数目：6(腰部回转、大臂转动、小臂转动、小臂回转、腕部摆动、腕部回转)坐标形式：垂直关节坐标型额定负荷质量(不含末端执行器)：10kg(15kg)最大工作半径1450mm(1500)手臂最大中心高1200mm(1000)本体自重小于160kg(200)表2-1各关节回转范围和最大工作转速围(o)工作转速r/minrad/so/s腰部回转关节士150(300)101.0560大臂转动关节110(150)101.0560小臂转动关节+170,-150(180)101.0560小臂回转关节士180(360)202.1120腕部摆动关节士130(120)202.1120腕部回转关节360303.141802.5 本章小结为了确定解决方案，提出多种方案并验证后，确定了机器人系统的各个部件，包括：机器人机身、大臂、小臂、手腕、和端部的执行器，并做了详细的分析和设计。3机械手大臂部结构设计3.1 大臂部结构设计的基本要求臂部件的主要作用是联接着手，带领他们腾出运动。我这次设计成一般臂的基本要求如下。1 .手臂，要刚度好，重量轻2 .在臂的速度高时，也有小的惯性为了减小转动惯量，必须采取以下措施。3 A)降低臂的重量通过使用铝等轻质高强度材料。4 B)减少手臂运动部件的总体尺寸5 C)减少转弯半径6 D)驱动系统中设有缓冲装置7 .运动的臂是灵活的。为了运动平稳，运动臂部件之间的摩擦力尽可能减小。8 .位置精度要高。为了减少电机负载的底部接头，减少了臂的重量，以确保它能够提高机器人手臂的动态响应，一方面，采用薄铝合金构件设计。二是采用砂型铸造设计，“最小厚度可以是浇铸，取决于不同类型的尺寸和合金铸件，具体见表3-1所示：表3-1砂型铸造铸件最小壁厚(mm铸件尺寸铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金铜合金2005835463533.5352002005005001012410812684668500X500152010151220它是简单地砂铸造结构设计，铸造结构对应于每个不同的铸件应根据各个特性来设计。在这次设计中，使用铸铝外壳手臂。具体尺寸，请参阅总装图。3.2 大臂部结构设计大臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大3.3 大臂电机及减速器选型假设小臂及腕部绕第二搬运轴的重量：M2=2KgM3=4KgJ2=M2L42M3L52=10.097240.19422=0.16kg.m大臂速度是10r/min,则旋转开始时的转矩用以下式表达：T=Jm-式子里，T-旋转开始时转矩N.mJ-转动惯量kg.m2-角加速度rad/s2使机械手大臂从。0=0至上1=60s需要的用时：M=0.1s则：/3(3.4)10N.m为起动(3.5)T1=J1-J10=1.46=7.64N.mt0.1鉴于机器人手臂的转动惯量的摩擦转矩轴的各个部分，开始转动转矩，可以假设安全指数为2,输出的谐波减速器最小转矩为：T01=2T=215=20N.m设得谐波减速器：型号：XB3-50-120（XB3型扁平式谐波减速器）额定输出转矩：20N.m减速比：i1=120设谐波减速器的的传递效率为：n=90%,步进电机应输出力矩为：Tout1=01=0.185N.m（3.6）i1200.9设得BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.53.4减速器参数的计算刚轮、柔轮的材料都是锻钢，小齿轮用45#的材质，硬度250HBS。刚轮材料为45钢（调质），硬度220HBS。1 .齿数的确定柔轮齿数：Zr=ui=2100=200刚轮齿数：Zq=uZr=2-200=202g1已知模数：m=0.5mm,则柔轮分度圆直径：dr=mZr=0.5200-100mm钢轮分度圆直径：dg=mZg=0.5202=101mm柔轮齿圈处的厚度：、1=(75Zr4)dr104=(752004)100104=1.25mm重载时，为了增大柔轮的刚性，允许将61计算值增加20%,即、.1-1.251.20-1.5mm柔轮筒体壁厚：-=0.7:1=0.71.5=1.05mm为了提高柔轮的刚度，取、：=1.2mm轮齿宽度：B=0.15dr=0.15100=5mm轮毂凸缘长度：C=(0.20.3)B=(0.20.3/15=34.5mm取C=4mm柔轮筒体长度：L=(0.81.2)dr=(0.81.2)父100=80120mm，取L=100mm轮齿过渡圆角半径：rm=0.5mm为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取r=3mm2.啮合参数的计算由于采用压力角4=20,的渐开线齿廓，传动的啮合参数请看以下式子。因齿轮扭矩的因素，使齿轮间隙减小的值为：Cnm=MmaxLdrB=野生(扭转弹性模数G=80GPa)jG2LDrG式子里，：Mmax_2M=2250=500Nm-500103NmC 7nm=0.00781mm5001031510021.280103W。/m=0.89+8X10-5X乙+2Cnmax/m为了消除在Mmax的情况下进入啮合的齿顶干涉，则必须使最大侧隙Cnmax大于齿轮扭转减小的侧隙Cnm,还应保证存在有侧隙值Cn0式子里，：Cn0=4104(i-60)mc=ccJnmaxnmv-,n0n max04c径向变形系数：=0.898104Zr2mM：Cn0=4104(100-60)0.5=0.008mmCnmax=CnmCn0=0.007810.008=0.0158mm径向变形系数:0$0,0158=0.8981020020.9692m0.5柔轮的变位系数：xr o1.35 - 0 m0.850.043乙1.35 -0.9692二 3.610.853- 0.043 200刚轮的变位系数:.，0Xg=Xr(-0-1)=3.61(0.9692-1)=3.58m验算相对啮入深度：hn-0-0J3n=4-2.48-(4.6-40)10Zrmmm_3_=40.9692-2.48-(4.6-40.9692)102001.2521如果计算找出的生下2,继续计算，设得2。如果出现生1,为了传递动力，应适mm当增加Cnm值重新计算，使1。m柔轮齿根圆直径：Dfr=Dr-2m(haC-Xr)=100-20.5(10.35-3.61)=102.26mm式子里，齿顶高系数ha*=1;径向间隙系数C*=0.35柔轮齿顶圆直径：_hcpDar=Dfr2()m=102.262(1.2520.25)0.5=103.76mmmmCc式子里，（找到相应表格设出上=0.25）m相对啮入深度和轮齿过渡曲线深度系数之和应符合两个不等式验算公式。hnCpn2hacmm(生4-mm1252+0.25=1.50221+0.35=2.35即:(1.252+0.25)父0.5=1.125E1.5刚轮齿顶圆直径：hDag=Dar2()m2()m=103.7620.96920.5-21.2520.5=103.48mmmm刚轮齿根圆直径：1设出插齿刀齿数Zc定-Zg%101,插齿刀变位系数Xc=0,插齿刀原始齿形压力2g角a0=20:WJtan20即：1 (105.36 -103.76)-0.9692 0.5 =0.32 0.15 0.5 =0.075可见沿波发生器长轴，在刚轮齿根圆与柔轮齿顶圆之间存在径向间隙。3.凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算滚珠直径：d0 =(0.008 0.10)Dn=0.3640,cos20=0.9397,inv20=0.0149刚轮和插齿刀的制造啮合角：Xg-Xc-.3.58-0-f.cccrinv：cq=2tan：0inv：0=2tan20inv20=0.0407Zg-400202-101gc找到渐开线函数表和三角函数的表格设出acq=27.521cos27.52:=0.8868cg那么刚轮和插齿刀的制造中心距：m(Zg-Zc)cos：00.5(202-101)0.9397=26.76mm2cos：cg20.8868插齿刀的齿顶圆直径:Dac=mzc2m(hac)=0.510120.5(10.35)=51.85mm刚轮齿根圆直径：Dfq=2%,Dac=226.76,51.85=105.36mmgcgac验算刚轮齿根圆和柔轮齿顶圆的径向间隙：1 ff0-(Dfg-Dar)-()m-0.15m2 m柔轮齿圈处的内径：Dn=Dr=100mm那么：Dn=Dr=100mm轴承外环厚度：由于工艺上的要求，可将外环做成无滚道的ai161-几%=O.O5d0=0.058=0.4mma1M1.6、1-几=1.61.5-0.4=2mm轴承内环厚度：a2H1.8、1=1.81.5=2.7mm内环滚道深度：h2=0.1d00.5bl=0.180.50.4=1mm式子里的0.5几是考虑到外环无滚道而内环滚道加深量。轴承内外环宽度：所用为滚珠轴承，近似等于齿宽B=15mm轴承外环外径：Dn=Dr=100mmd=Dn-2伯仇）d1轴承内环内径：,1100-21.2(2.7-0.8)8.1-76mm为了便于制造，采用双偏心凸轮波发生器。_二d-4e则凸轮圆弧半径：Rt=式子里，e是偏心距：e =dg -dr3.14101-1002-二X3.14-2=1.38mm(dg-刚轮分度圆直径，dr-柔轮分度圆直径)3.1476-41.382 3.14贝U凸轮圆弧半径：Rr=二37.1237mm凸轮短半轴：b=Rt=37mm3.5 承载能力的计算3.5.1 柔轮齿面的接触强度的计算按照柔轮直线的谐波传动齿轮和刚性轮的特性。因此，通过工作表面齿侧的最大接触应力，主要的负载能力的实际谐波驱动的限制软。因此，谐波传动齿轮齿的软边，应符合下列条件的接触强度：接触强度计算公式：8Mtan:r2bkM输出转矩r-柔轮节圆半径b柔轮轮齿宽中一刚轮压力角k-接触系数（0.40.91）对于一般双波传动，轮齿宽b0.2r许用接触应力oj49MP则：38M tan 250 103 8 tan 20二 r2bk23.14 502 15 0.5=12.36MP : - j所以满足齿面的接触强度要求。3.5.2 柔轮疲劳强度的计算柔轮材料采用38CrMoAlA调制硬度229269。计算柔轮在反复弹性变形状态下工作时所产生的交变应力幅和平均应力为7E截面处正应力:CT a2Dm切应力:oE。DmL由扭矩产生的剪切应力：.m2MDm?其中：(Dm%dr=100mm,L=100mm,co0=m=0.5mm,E=200GPa)_3_9_370.510200101.251032(10010)工_920.510200101.2510=87.5106Pa=87.5MPa10010飞10010“_2250-M_J32_J33.14(10010)1.2510=12.5106Pa=12.5MPa=12.74106pa=12.7MPa则：a=m=0.5(m)=0.5(12.512.7)=12.6MPa验算安全系数:nn/二一、n(L=;)；ncna疲劳极限应力:应力安全系数:二4=450MPak；一2450-n2.57287.5k2 a 02 m（.二0.37；%=0.37850=314.5MPa）其中,抗拉屈服极限：Cs=850MPa剪切应力集中系数:k2=0.7314.5n2=0.712.60.212.6=27.73MPa2.57 27.73= 2.56 n = 2rrrnTTT用rrrrrnTTnTTTrrrTTrnTrnninT235S0N.snm图3-1轴的受力分析图n二2.57227.732则满足疲劳强度条件。轴的计算校核画轴的受力分析图，轴的受力分析图如图所示:已知：作用在刚轮上的圆周力F于箕如径向力Fr=Ftan1=943.2tan200=343.3NV轴向力= 1003.7NF943.2t-cosjcos201）算出垂直面的支撑反力：LdFr2-Fa2343244.35-1003.725F1v二二L88.7=-111.3NF2V=FrF1V=343.3-111.3=454.6N2）水平面的支撑反力:F = F1H 2H旦=471.6N 23）F在支撑点产生的反力:F1F744.2110.588.7=927.1NF2F=FF1F=744.2927.1=1671.3N不利的情况考外力F作用方向与传动的布置有关，在具体位置尚未确定前，可按虑，见（7）的计算4）垂直面的弯矩：LMav=F2V=454.644.35=20.1NM2Mav=F1VL=-111.344.35=-4.9N.M25）水平面的弯矩：Mah=EhL=23644.35=10.5N.M26）F产生的弯矩：LMAF=F1F=927.144.35=41.1N.M27）算出合成弯矩：按最坏的状态，把Maf与JmAv+mAh直接相加Ma=mAvmAh+Maf=20.1220.92+41.1=70.1N.mMa=,MAvMAH+Maf=4.9220.92+41.1=62.57N.m8）算出轴传递的转矩：T=2.358104N.mm9）算出危险截面的当量转矩其当量转矩为：Me=Jm；+（uTf如认为轴的扭切应力是脉动循环应变力，设折合系数a=0.6,带入式子得出:Me=JM；：T2”0.120.623.582=71.51N.m10）算出危险截面处轴的直径轴是45#钢材，调质处理，从表格14-1找到并设出6B=650Mp,从表格14-3找到并设出、.b=60Mpa，则:d_3_._371.511022.8mm0.1Jbl-0.160Me考虑到键槽对轴的消弱，将d值加大5%,由此得出:d=22.8*1.05=24mm32mm满足条件因a-a处剖面左侧弯矩大，同时作用有转矩，且有键槽，故a-a左侧为危险截面。它的弯曲截面系数是:二d3btd-t2二5036650-62W322d3225043=1.2510mm抗扭截面系数为：_叼3bt(d-12i5036M6(50-62T162d162M50弯曲应力为:=2.5104mm33Mb70.110一_4W1.2510=5.608Mpa扭切应力为:Ti2.358104=ZW2.510=0.94Mpa按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向转动的转轴，转矩按脉动循环处理,故取折合系数a=0.6则当量应力为:、.e、b24:.2=5.608240.60.942=5.721Mpa从表格找到并设出45钢，调质处理，抗拉强度极限瓦=640Mpa,则从表格找到并设出轴的许用弯曲应力b=60Mpa,&降为,强度满足要求。3.6 本章小结分析了大臂机构设计，通过计算，合理的选择了大臂主要结构的技术参数：电机：55BF003型；谐波减速器：XB3-50-120;凸轮波发生器：双偏心校核了刚轮、柔轮的接触强度和疲劳强度，并满足设计要求。4小臂结构设计4.1 腕部设计手腕和手，并支持机械臂连接，改变手的姿态。手腕的设计要求如下。结构紧凑，重量轻，动作灵活，平稳，定位精度高，材料强度，高刚度，手臂和搬运的手结构合理，传感器和执行器和设备的合理布局安装。按自由度分类，工业用机器人手腕分为两个自由度和三个自由度。所有的手腕不大，但具有三个自由度，必须根据用于工业机器人的性能要求来确定实际使用。如图4-1所示，根据设计要求，实现了手腕俯仰。在这个阶段，研究国内步进电机产品的开发，在生产技术上，这是不可能实现的，为了减轻手臂的总重量，腕部采取间接步进电机为一个吊杆锥齿轮，另一条通过链联接，如图所示4-1:图4-1BB型手腕示意图研究设计吸盘机器人，在工作空间中，吸盘手腕的动作，是用于搬运的工作,有时为了满足手腕部结构要求，在狭小的空间的动作紧凑即必须插入，且重量轻,并且在操作灵活性如图4-2的尺寸所示：/门/$120图4-2手腕外形尺寸示意图4.1.1 手腕偏转驱动计算腕偏转来实现偏压的变化，通过步进电动机的驱动器，它设置在后臂的下方，并通过一个锥齿轮传动接合两个链条驱动滑轮。根据步进电动机驱动的手腕力，需要的扭矩偏转计算的第一腕部，并计算马达的输出转矩，和各个设计参数后，判定相关尺寸如下。(1)选择步进电机腕偏转，摩擦力矩，以克服的工作负载电阻扭矩和手腕的启动的转动惯量。按转矩的式子15:M总=M摩+M负+M惯（3.1）M摩=0.1M总（3.2）(3.(3)(3.(4)(3.(5)(3.(6)(3.(7)(3.(8)M惯=mgl+J切/t启M负=m负gl+J负8/t启22m=Pv=pYr-R2】J负=41负12,ml2m_2_2JR1R232二v/1式子里,M总一-手腕偏转所需力矩（Nm）；M摩-摩擦阻力矩（Nm）；M负-负载阻力矩（Nm）；M惯-手腕偏转启动时惯性阻力矩（Nm）；J负-工件负载对手腕回转轴线的转动惯量（kgm2）;J-手腕部分对回转轴线的转动惯量（kgm2）;0-手腕偏转角速度（rad/s）;m-手腕质量（kg）;m负-负载质量（kg）;t启一启动时间（s）；P-手腕部分材料密度（kg/m3）;,R2-手腕部分外径和内径（m）；l-手腕的长度（m）；v-手腕偏转末端的线速度（m/s）前面已提到：m负=2.5kg,v=0.8m/s,R1=0.035m,R2=0.025m,l=0.12m,3=0.2s,手腕部分采用的材料假定为铸钢，密度P=7.8x103kg/m3把数值代到式子算出：m=Pv=P4Ri2R22l=7.81033.140.0352一0.02520.12=1.76kgv 0.8l 一 0.12= 6.67 r/s一222J负=m负l=2.5x0.12=0.036kgm2,mlm_2_2JR1R221.76 0.122332176oo0.0350.0252=9.63104kgm2M负=mgl+J负8/t启=2.5100.120.0366.67/0.2=4.5NmM惯=mgl+J。/t启=1.76100.129.6310，6.67/0.2=2.4NmM总=乂摩+M负+M惯=0.1M总+4.5+2.4M总=7.7Nm因为腕部传动是通过两级带轮和一级锥齿轮实现的，所以找到对应书本得:弹性联轴器传动效率：”1=0.99；滚子链传动效率：1=0.96;滚动轴承传动效率：=3=0.99(一对)；锥齿轮传动效率：=0.97；计算得传动的装置的总效率：=0.8501。电机在工作中实际要求转矩：M电=M总/ia=4.53Nm(3.9)根据计算得出的手腕偏转所需力矩，结合90系列的五相混合型步进电机的技术数据和矩频特性曲线，如图4-3和图4-4所示，设得90BYG5200B-SAKRML-03I号的步进电机。规艇号1*步”f*)由地词f1144MMt皿闻短林M同毓股斛城出th播琥908YG550A-SAKRML-030T5明帮/0.77J0.2工口JJ32.290SYS550e-5AKRML-口；S巾都小由？27J.i90SYGSS0C-SAKftML-03015&.3670.7ZJ及逋24G.&究&YG52008-SAf5&(?/(?那3&se口，5J.49阳65郊0P-3心KRn-口第f5(JGE/口.烟as4?75S图4-390BYG步进电机技术数据90BYG52OGBTAKRML03010.6配060.0G0O.O6000,0转速(rpm)图4-490BYG5200B-SAKRML-0301型步进电机矩频特性曲线2.设计链传动(a)计算、分配传动比对照电机的数据，所选步进电机工作转矩：4.5Nm,对应的转速：n1=130r/min。由于腕部偏转的角速度6=工=28=6.67r/s,已经算出，所以腕部末端偏转l0.12转速n2=-m60=63.7r/min,由此推出总的传动比i=01=13=2.02冗n263.7手腕的偏转是由驱动滑轮的链条驱动的。鉴于滑轮臂的内部空间的大小和结构,设小臂链传动比ii=1.35,大臂链传动比i2=1,锥齿轮传动比i3=1.5,i二iii213=2(b)算出小臂链传动功率(3.10)p=7.713=0.11kW95509550(c)设得链轮的齿数为使小臂中的两个链轮结构更加紧凑，设得小链轮齿数乙=17,大链轮齿数Z2=i1父乙=1.35父17=23,乙、Z2取奇数，链节数为偶数，可使链条和链轮轮齿磨损均匀=932-0.002 952-930 mm(3.18)Lp(d)设得链条类型从相关书本进行链传动计算：Pd=KaP=0.11kW-Pd0.11P)=0.08kWKzKp11.34p=15.875mma0=(3050)p,i=23a0a60P=6015.875=930mm,i1.5乙Z22-2apacp二U260照260=140mmL=LpP/1000=14015875=2222.5mm%=p2Lp-Z1-Z2Ka=15.8752140-17-230.2499=932mma=ac-0.0020.004accc(3.11)(3.(12)(3.(13)(3.(14)(3.(15)(3.(16)(3.(17)乙RPv二6010001713015.875=0.63m/s601000匚1000PFt二V10000.11=174.6N0.63F，1.15-1.2KAFt=1.21174.6=20952N式子里，Ka工况系数Ka1；Kz-主动带轮齿数系数Kz=1.34;Kp-单排链系数Kp=1；Ka-中心距计算系数Ka=0.2499;Pd-设计功率（kW）；(3.(19)(3.(20)(3.21)P0-特定条件下单排链条传递功率（kW）;p-节距（mm）；a0-初定中心距（mm）;Lp-链条节数；L-链条长度（mm）;ac-计算中心距（mm）;a-实际中心距（mm）；v-链条速度（m/s）;Ft-有效圆周力（N）；F-作用在轴上的力（水平或倾斜传动）（N）。经过上述计算，设得链号10B,节距P=15.875mm的链条。（e）算出带轮主要尺寸根据所选滚子链的型号规格确定一对带轮基本参数：Z1=17,Z2=23,p=15.875mm,d1=10.16mm,P=16.59mm。(3.22)带轮主要尺寸：,180sinda=p0.54+cot180(3.23)(3.24)(3.25)df=d-d1ha=0.27p式子里,d-分度圆直径;da齿顶圆直径;df-齿根圆直径;ha分度圆弦齿图;dg-齿侧凸缘直径。g把数值代到式子算出:dgd1d2=da1pcot180-1.04h2-0.76z15.875sin18017(3.26