六自由度工业机器人结构设计

毕 业 设 计（ 论 文 ）题 目六自由度工业机器人结构设计作 者 学 院 机电工程学院专 业 机械设计制造及其自动化学 号 指导教师 毕业设计（论文）任务书机电工程学院 院 机械设计制造及其自动化 系（教研室）系（教研室）主任:（签名） 年月日1 设计（论文）题目及专题： 六自由度工业机器人结构设计 2 学生设计（论文）时间： 3 设计（论文）所用资源和参考资料：工业机器人、机器人学、机器人运动学基础、Solidworks2013 从入门到精通4 设计（论文）应完成的主要内容：（1）介绍工业机器人的发展现状及前景；（2）工业机器人工作空间计算和简单的运动学分析；（3）工业机器人结构设计及关键零部件计算；（4）对关键零部件进行强度校核。5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：（1）相关的计算、设计框图及仿真图；（2）论文不少于 35 页；（3）说明书中必须有与设计（论文）内容或专业相关的不少于 1500 字的外文资料翻译。6 发题时间： 年 3 月 1 日指导教师： 学 生： 毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人： （签名）年 月 日指导人评定成绩：毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人： （签名）年 月 日评阅人评定成绩：毕业设计（论文）答辩记录日期：学生：学号：班级：题目：提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书 共 页2 设计（论文）图 纸 共 页3 指导人、评阅人评语 共 页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名）答辩成绩：总评成绩：摘 要六自由度工业机器人是一种高精度的自动化机械，具有高度的灵活性以及平稳性。所以在设计中我们应当注意其结构工艺的合理性，在材料选择上应当使其具有高强度和轻便的特性。本论文主要对搬运工业机器人的驱动方式及各轴的传动方案进行了设计，并对驱动运动的电动机进行了选型；在对其工作空间分析的基础上，对关键的零部件进行了受力分析及强度校核；根据其基本结构参数，利用Solidworks2013软件进行了三维图形的绘制，并用CAD绘制了装配图及部分关键零件图。关键词：工业机器人；结构设计；传动方案设计；受力分析；强度校核AbstractSix degree of freedom industrial robot is a kind of automatic machine with high accuracy, with high degree of flexibility and stability So in the design we should pay attention to the rationality of the structure and technology, in the choice of materials should be so that it has high strength and lightweight, this paper mainly for the handling of industrial robot total drive way and the axis of the transmission scheme design, and the drive motor selection; in work space analysis based on the kinematics calculation, of key parts were stress analysis and strength check; according to the basic structure parameters using software Solidworks2013 of 3D graphics rendering, and mapping with CAD assembly drawing and part of the key parts of the map.KeyWords：Industrial robots; Structural design; Transmission design; Force analysis；Intensity verification-i-目 录第一章 绪论 11.1 工业机器人概述11.2 课题研究背景及意义11.3 国内外研究现状及发展趋势21.3.1 国内研究现状31.3.2 国外发展趋势41.4 工业机器人相关技术51.5 本文主要内容5第二章 总体方案与传动机构设计 62.1 总体方案设计与分析 62.1.1 方案要求 62.1.2 机构选型 72.1.3 驱动方式选择 82.2 传动方案的初步设计 92.2.1 腕关节传动机构设计 102.2.2 小臂传动机构 102.2.3 大臂传动机构 112.2.4 腰身传动机构 122.3 机器人部分技术参数 10第三章 工作空间分析及计算 123.1 工作空间123.2 工作空间与机器人结构尺寸的相关性123.3 分析14-ii-第四章 结构设计 154.1 传动方案的设计 154.2 手腕传动 154.3 腰部164.3.1 腕部的设计要求 164.3.2 腕部结构 164.4 手臂 174.4.1 手臂作用概述 174.4.2 电机选择 174.5 传动结构设计计算 204.5.1 腰部设计 204.5.2 大臂设计 214.5.3 小臂设计 22第五章 关键零部件的校核245.1 腕部中心轴的结构设计与校核245.1.1 腕部中心轴的结构设计 255.1.2 腕部中心轴的强度校核 25 5.2 连杆传动轴的结构设计与校核 285.2.1 连杆传动轴的结构设计 285.2.2 连杆传动轴的强度校核 295.3 手腕齿轮连接轴的结构设计与校核 285.4 手腕齿轮连接轴 2 的结构设计与校核 295.5 回转底盘与腰部主轴连接螺钉的校核 295.6 部分三维图形的绘制 30第六章 总结 35参考文献 36致谢 37- 1 -第一章 绪论1.1 工业机器人概述工业机器人是一种高精度的自动化生产装备，它的设计涉及到了多门学科知识，包括了气动、液压、电路、PLC 以及材料力学，理论力学等等。它最早出现于 20 世纪，人们通常广义的把机器人认为是能模仿人类动作的机器。相较于人具有大脑，手足，和眼睛等功能器官，随着机器人的发展，它也拥有了类似的能力，甚至在功能上远超人类。工业机器人顾名思义，是用于辅助生产的机器人。早在 20 世纪 20 年代就出现了一种能够在生产线上，代替人搬送装卸工件的机械手。而在 40 年代则直接出现了可以由工人操作的机器人。60 年代则出现了可以自动的多操作的机械手。工业机器人发展迅速，功能越来越多，甚至出现了具有智能的机器人。目前，世界上把机械手、机器人等也一并称为工业机器人。我国将其定义为：一种能自动控制，可重复编程、多功能、多自由度的机器人，并能搬运材料工件或者其他工具，用以实现多种作业。1.2 课题研究背景及其意义工业机器人是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。它能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前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，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。制造业属于劳动密集型的行业，除了繁重的体力工作外，几乎每个工序都存在着对人体有害的污染源和潜在的工伤事故:热加工工序烫灼伤的危险，大量易燃易爆燃料- 2 -及消耗材料时时刻刻威胁着操作手的安全;铝液除气除渣产生的有毒烟尘，机加工冷却液的有害蒸汽，以及涂装工序液体漆、粉漆、前处理药液等等都会严重影响工人的健康;无处不在的轰鸣及刺耳的噪音会使你情绪坏到极点。 针对原有生产线存在的劳动强度高，生产效率低，粗加工加工尺寸不稳定等问题，通过工业机器人及新的数控加工设备，不仅有效降低了工人的劳动强度，提高生产效率将近一倍，取得了良好的经济效益。工业机器人由机器人(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。 在工业领域广泛应用着工业机器人。工业机器人一般指在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。工业机器人的定义为：“一种自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的机器人。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。”机器人定义为：“具有和人的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。”一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通讯接口等几部分组成。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 生产线改造设计是一个实际应用课题。通过本设计可以使学生在实际课题设计中对生产加工，机械系统设计，机械手及其控制等知识得到切实的锻炼。1.3 国内外研究现状及发展趋势1.3.1 国内研究现状及面临的挑战1、发展现状（1）市场需求快速增长，但严重依赖国外进口- 3 -我国工业机器人市场已呈现出蓬勃发展的态势。从 2010 年开始我国工业机器人需求量激增，但目前我国新增工业机器人中超过 70%依赖国外进口。（2）产业化初步取得进展，但程度较低近年来，在需求快速扩张及国家自主创新政策作用下，国内一大批企业或自主研制或与科研院所合作，进入工业机器人研制和生产行列，我国工业机器人进入了初步产业化阶段。一些产品已开始产业化生产应用，但由于在精度、速度等方面不如进口的同类产品，因此这些产品产业化应用程度较低，缺乏品牌认知度，市场份额小（3）掌握了一些先进技术，但整体技术水平仍然较低我国目前已基本掌握了机器人机器人的设计制造技术、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、电焊、装配、搬运等机器人。一些产品的技术水平已达到国际先进水平，但在总体技术上还有很大差距，仅相当于国外 90 年代中期的水平。2、面临挑战（1）外资品牌占国内市场绝对份额瑞典的 ABB、日本的 FANUC（发那科）、日本的 YASKAWA（安川电机）、德国的KUKA（库卡）等知名企业产品在中国市场的占有率达到近 90%，仅 FANUC 一家，就在我国占有 23%的市场份额。（2）关键核心部件受制于人（3）产业化发展有待规范伴随我国工业机器人需求的迅猛增长，实力良莠不齐的企业纷纷进入工业机器人生产市场，势必造成质低价廉的恶性竞争；虽然我国有近百家从事工业机器人研究生产的高校院所和企业，但现行的体制造成研究形式上过于独立封闭、内容上较为分散，难以形成合力，造成重复研究与时间、经费的浪费；多数企业热衷于大而全，一些关键部件研发生产的企业纷纷转入整机的生产，难以形成研发、生产、制造、销售、集成、服务等有序、细化的产业链。因此，工业机器人的产业化发展有待规范。（4）研发及产业化方面的激励政策尚需完善尽管“十一五”及“十二五”期间，国家有多个项目涉及机器人领域，但行业仍未建立起有效的公共技术平台以加强关键共性技术和核心功能部件的研究与突破，产业化进程也难以推进，研发与产业化方面的激励政策尚需细化完善。图 1.1 为沈阳自动化研究所研制的雪豹10 排爆机器人。1.3.2 国外发展趋势（1）市场需求呈现快速增长态势- 4 -受技术快速发展、劳动力资源不断稀缺、生产效率要求近一步提高等因素影响，全球工业机器人将迎来更为广阔的发展空间和更高的发展速度。在区域分布上，随着亚洲地区制造业的发展，各项产业对于工业机器人的需求量增加，使得工业机器人市场需求逐渐由欧美地区转移到亚洲地区。（2）技术日益智能化、模块化和系统化从近几年世界推出的机器人产品来看，新一代工业机器人正在向智能化、模块化和系统化方向发展。（3）西方工业化发达国家纷纷进行战略部署美国：推行“再工业化”战略，大力发展工业机器人，希望重振制造业。日本：日本可以称得上是“机器人大国”。2004 年 5 月发布的“新产业发展战略”明确了机器人产业等 7 个产业领域为重点发展产业。近两年又开始重新审视机器人产业政策。韩国：2009 年公布智能机器人基本计划，2012 年 10 月发布了“机器人未来战略展望 2022”，将政策焦点放在了扩大韩国机器人产业并支持国内机器人企业进军海外市场方面。欧盟：欧盟 2011 年 8 月通过了一份发展制造业计划，提出新工业革命概念，以机器人和信息技术为支撑，实现制造模式的变革。图 1.2 为德国 KUKA 防爆机器人。图 1.1 雪豹10 排爆机器人图 1.2 德国 KUKA 防爆机器人1.4 工业机器人相关技术工业机器人按坐标系统可分为以下五种：(1)圆柱坐标型这 种 机 器 人 只 有 一 个 转 动 关 节 ， 其 余 都 是 移 动 关 节 ， 它 的 空 间 定 位 较 为直 观 ， 但 其 移 动 副 不 易 防 护 ， 手 臂 伸 缩 的 时 候 ， 可 能 与 其 他 物 体 相 碰 撞 。- 5 -(2)直角坐标型 只 具 有 移 动 关 节 ， 其 运 动 部 分 看 起 来 是 由 三 个 相 互垂 直 的 直 线 组 成 ， 其 工 作 空 间 图 形 为 矩 形 。 控 制 算 法 简 单 ， 没 有 耦 合 ； 占 地 面 积 大 ，工 作 空 间 较 小 ， 结 构 刚 度 高 ， 操 作 类 似 于 数 控 机 床 。(3)球坐标型 这是有 两 个 转 动 关 节 、 其 余 为 移 动 关 节 的 机 器 人 ， 有 着 占 地 面 积 大 ，工 作 空 间 大 具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。(4)关节型 具 有 三 个 转 动 关 节 的 机 器 人 ， 其 动 作 灵 活 ， 工 作 空 间 大 ， 结 构 紧 凑 ， 占地 面 积 也 小 ， 但 是 其 运 动 学 复 杂 ， 计 算 困 难 ， 计 算 量 大(5)SCARA 型 平 行 的 肩 关 节 和 肘 关 节 ， 关 节 轴 线 共 面 垂 直 平 面 刚 度 好 ， 水 平 面 柔 顺 性好 结 构 轻 便 ， 响 应 快 ， 适 用 于 平 面 定 位 ， 垂 直 装 配 作 业1.5 本文主要内容（1）通过阅读学习工业机器人的相关书籍和论文，确定了工业机器人使用方式，完成工作方案的初步设计；（2）设计了腰部、大小臂和腕部的传动方案，并总结出其总体设计方案；（3）运用数学知识，作图计算其工作空间，根据 D-H 对其进行运动学分析，计算主要结构尺寸要素； （4）设计各轴结构样式，进行三维建模，并利用 Solidworks 软件，选择其驱动电机类型；（5）对关键的零部件进行校核。第二章 总体方案与传动机构设计- 6 -第三章 工作空间分析及计算3.1 工作空间- 7 -该机器人的结构参数应该根据一定的工作空间要求来确定，工作空间是指机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有点的集合，也叫做工作区域。描述工作空间的手腕参考点可以选在手部中心、手腕中心或手指指尖，参考点不同，工作空间的大小、形状也不同。工作空间是机器人的一个重要性能指标，是机器人机构设计要研究的基本问题之一。当给定机器人结构尺寸时，要研究如何确定其工作空间，而当给定工作空间时，则要研究机器人应具有什么样结构。本文所讨论的搬运机器人主要用于装配线末端产品的搬运，本文将用一种根据工件尺寸确定机器人位置机构参数的简便方法确定该搬运机器人的主要结构参数，包括大小臂的长度尺寸及其极限摆角。3.2 工作空间与机器人结构尺寸的相关性工作空间的形状取决于机器人的结构型式，直角坐标型机器人的工作空间为长方体；圆柱坐标型机器人的工作空间为中空的圆柱体；球坐标型机器人的工作空间为球体的一部分；关节型机器人的工作空间比较复杂，一般为多个空间曲面拼合的回转体的一部分。直角坐标型机器人工作空间的大小取决于沿 X、Y、Z 三个方向机器人行程的大小。圆柱坐标型机器人工作空间的大小取决于立柱的尺寸和水平臂沿立柱的上下行程，还取决于水平臂尺寸及水平伸缩行程。球坐标型机器人工作空间的大小取决于工作臂的尺寸、工作臂绕垂直轴转动的角度及绕水平轴俯仰的角度。关节型机器人工作空间的大小取决于大小臂的尺寸、大小臂关节转角的角度以及大臂绕垂直轴转动的角度。图 3.1 位置简化模型L1：大臂的长度，根据总体方案设定条件确定为 665mm L2：小臂的长度，根据总体方案设定条件确定为 630mm 1：大臂旋转偏离立柱 0 位的角度，顺时针为正，本文定为-90130 - 8 -2：小臂旋转偏离 0 位的角度，顺时针为正，本文定为-6565 如图 3.1 所示，手端部的运动轨迹简易描述：以 AD、BC、CD、DA 四弧段在 XOZ 面组成机器人工作空间截面。AB 弧段和 CD 弧段的圆心为大臂的起始点，即坐标原点。E点为 AD 弧段的圆心，F 点为 BC 弧段的圆心。各个点的坐标分别为： A 点：大臂负极限值 1min、小臂达到负极限值 2min XA=L1sin1min+L2cos（ 1min+2min）=665sin（-65）+630cos（-155）=-1173.67ZA=L1cos1min-L2sin（ 1min+2min）=665cos （-65）+630sin（-155）=-547.29B 点：大臂到达正极限值 1max，小臂达到负极限值 2min XB=L1sin1max+L2cos（ 1min+2min）=665sin65+630cos-155=-31.72ZB=L1cos1max-L2sin（ 1min+2min）=665cos65 -630sin-155=-547.29C 点：大臂到达正极限值 1max，小臂达到正极限值 2max XC=L1sin1max+L2cos（ 1max+2max）=665sin65 +630cos（-155）=-5.84ZC=L1cos1max+L2sin（ 1max+2max）=665cos65+630sin195=-117.98D 点：大臂负极限指 1min，小臂达到正极限值 2max XD=L1sin1min+L2cos（ 1min+2max）=665sin（-65）+630cos65=-336.45 ZD=L1cos1min-L2sin（ 1min+2max）=665cos（-65）-630sin65=-852.02E 点： XE=L1sin1min=665sin（ -65）=-602.29ZE=L1cos1min=665cos（ -65）=-281.04F 点： XF=L1sin1max=665sin65=602.69ZF=L1cos1max=665cos65=281.04可得坐标 A=(-1173.67,547.29),B=(31.72,547.29),C=(-5.84,117.98),D=(-336.45,852.02)，E(-602.69,281.04),F(602.69,281.04)，由此可以作出机器人大臂小臂组成的截面（XZ 面）工作空间，同机器人的安装机座（X ,Y,Z 坐标）的高度叠加后，可以绘制出机器人的截面（XZ 面）工作空间，如图 3.2。- 9 -图 3.2 机器人工作空间3.3 分析经过上面的计算和分析可证明小臂的末端可达的覆盖范围大于作图空间。由于论证时的前提条件是把搬运机器人的最大覆盖范围一分为二。所以满足一半覆盖范围时，必然能够达到搬运机器人搬运工件的范围。所以搬运机器人足可满足要求的最大覆盖范围，证明方案正确，小臂和大臂的长度和俯仰角度确定的合适。第四章 结构设计- 10 -4.1 传动方案的确定根据第二章的总体分析可知，搬运机器人前三个轴的传动机构并不复杂，第一个用的是蜗轮蜗杆传动，第二轴和第三轴则是用摆线针轮行星齿轮传动。四五六轴皆为手腕部分，都是采用远距离传动，将电机装在小臂关节处，通过同轴套筒接到手腕关节处，减轻手腕重量。蜗轮蜗杆的优点在于传动比较大，结构也紧凑。蜗轮蜗杆传动比 5i70，常用15i50；摆线针轮行星齿轮传动，11i87，圆锥齿轮传动效率高，一般可达98%，两齿轮轴线组成直角的锥齿轮副应用最广泛。由机械设计手册可得，其传动比范围为 2-3，4.2 手腕传动手腕是机器人小臂与末端执行器之间的联接部件，其功能是利用自身的活动使末端执行器能够达到确定的工作空间姿态，因此手腕可以称为机器人的姿态机构，是机器人中极为重要也是结构最为复杂的部件。手腕的灵活度直接决定了机器人能够完成任务的种类和复杂程度，对机器人手腕结构的研究有着重要意义。4.2.1 腕部的设计要求由前文可知，本课题所设计的是一个三自由度的机器人手腕，由法兰固定在机器人小臂上，分别用三个直流伺服电机对其进行驱动。手腕主要分三部分：一部分是通过法兰和小臂固结在一起，可实现腕部的回转运动；一部分是围绕轴的摆动；另外一部分就是手爪的回转运动。4.2.2 腕部电机的选择由于腕部具有三个自由度，故对应每个自由度都有一个电机。电机 1 带动手爪转动，电机 2 则带动手腕左右摆动，电机 3 带动整个手腕绕小手臂中心轴线转动。由前文的总体方案设计可知，工件为 30X30X30cm 的立方体，重为 5kg。工件的转动惯量为 J=0.00075kg.m2已知它的转动速度为 w=330/s取启动时间为 0.1s，转动角加速度 =3300/s2 由此计算力矩得：T=J=0.043N.m功率 P=Tw=2.48 - 11 -.所以定做的电机额定电压 220V，输出功率至少 3W，输出转矩至少为 1N.m，转速为 1400r/min，减速箱的减速比为 23。电机输出轴端进行适当的加粗加长。4.3 腰部4.3.1 底座及腰部设计要求工业机器人底座的设计主要考虑机器人的承重、散热、节省材料及合理装配等。由于底座基本上承担了工业机器人的所有重量，因此在材料的选取上要选取强度高，抗震性强，耐疲劳的材料。本文中选用 ZG200 作为底座材料。又考虑到底座为铸件，为避免铸造过程中出现缩松、缩孔等铸造缺陷，因此可将底座设计成内部中空的结构。这样既节省了材料，又降低了制造成本。腰部承受了较大的转矩，在进行校核的时候，要特别注意其抗弯抗扭的能力。因为回转台同样为铸件，因此其材料选用 ZG200-400，外形设计为薄壁结构，以减少其自身的重量。4.3.2 电机选择小手臂转动惯量：J3=J0+mp2=0.80+9.5X(15Xcos15)2 =23.43kg.m2大手臂转动惯量：J2=（a 2+b2+c2+d2）+mp 2 = （0.2 2+0.12+0.122+0.062）+44.8X0.35 2 =5.742 kg.m2两电动机的转动惯量：J 电 = J 电 1 +J 电 2=340.22+8.50.42=2.72 kg.m2减速箱的转动惯量：J 减 =150X0.452=30.375 kg.m2腰部本身的转动惯量：J1=mp2=2500.252=40 kg.m2所以，总的转动惯量为J 总 =23.4+5.742+20+2.72+28.125+40+30.375=150.392 kg.m2而转动角加速度为=7.854 /s2输出轴的转矩为- 12 -M=J 总 =150.3927.854=1181.179Nm转换到电机上的转矩为M 电 =17.71Nm根据要求 M 电 M 额 ，选 P=3KW，n=1000r/min 的 MGMA 型伺服电机，额定转矩为 28.4 Nm4.4 手臂4.4.1 手臂作用概述手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。4.4.2 电机选择由上可知，自大手臂往后的各轴，其重量都算在大手臂的负荷上。所以，大手臂的转动惯量也不小。必须仔细计算往后的零部件的转动惯量再来选择电动机。大手臂的转动惯量;J2=（a 2+b2+c2+d2）+mp 2 = （0.2 2+0.12+0.122+0.062）+44.80.35 2 =5.742 kg.m2电动机转动惯量J 电 2=8.50.42=1.366 kg.m2摆线减速器转动惯量：J 减 =1500.452=30.375kg.m2大手臂总惯量：J 总 =5.742+1.366+30.375=40.602 kg.m2所以电动机的转矩为M 电 =14.17N.m根据要求 M 电 M 额 ，选 P=2.5kw，n=1000r/min 的 GY2.5 型电机小手臂的转动惯量- 13 -J3=340.22=1.36 kg.m2电动机转动惯量J 电 3=1000.52=25 kg.m2摆线减速器转动惯量J 减 3=1500.452=30.375 kg.m2所以小手臂总的转动惯量为J 总 =23.43+1.36+25+30.375=80.165 kg.m2对应在电动机上M 电 =9.45 N.m根据要求 M 电 M 额 ，选 P=2.2KW，Y-H 系列电机，转速 n=800r/min4.5 传动结构设计计算机器人传动方案已经确定为直流力矩电机传动，电动机功率为 P=3KW，转速为1000r/min4.5.1 大臂设计因为伺服电机是经过了调速的，所以输出端的速度很低，因此低速级选用直齿圆柱齿轮传动。 小齿轮材料选用了 40Cr，调质处理，硬度 241-286HBS。大齿轮材料ZG35CrMo，调制处理，硬度 190-240HBS，精度 8 级。 取小齿轮齿数 Z1=20，则 Z2=i，Z 1=520=100，大齿轮齿数 Z2100。 根据齿面接触疲劳强度（1） T =9.5510 =9.5510 (3/75) 0.99=378180N mm161/Pn6 （2）初选载荷系数为 =1.4tK（3）查表取齿宽系数为 =1d（4）查表取弹性系数为 ZE=188.912aMP（5）查表取节点区域系数为 =2.5H（6）根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为 =1150 MPa，大齿lim1H轮的接触疲劳强度极限为 =1120MPa。lim2（7）取工作寿命为 15 年，每年工作 250 天，2 班制小齿轮的应力循环次数 N1=60n1jLh=60751525016=2.7 810- 14 -大齿轮的应力循环次数 N2=N1/5=5.7 70确定传动尺寸 （1） 初算小齿轮分度圆直径 d1t，代入【 H】中较小值d1t=29.04mm（2）按 K 值对 进行修正1t由圆周速度 v= 4.46m/s查表取动载荷系数为 =1.20v查表取齿间载荷分布系数为 =1.2K查表取齿向载荷分布系数为 =1.07查表取使用系数为 =1.00A所以载荷系数 K= =1.54v按 K 值对 进行修正1td= =58.68mm31.546.8（4）确定模数 m 以及主要尺寸m= =2.93mm，取整 m=3mm。1/dZ中心距 a=m( )/2= =180mm12301/2分度圆直径 = =60mm， = =300mmdZ齿宽 b= =60mm，取小齿轮齿宽 =70mm，大齿轮齿宽 =65mm1.d1b2b齿顶高 = = =3mm，齿根高 = = =3.75mmah2afh2f.acm确定各个参数数值（1）查表取弯曲疲劳寿命系数 =0.95， =0.981NY2N（2）查表取齿形系数和应力校正系数（3）查表取齿宽系数为 =1d（4）查表取弹性系数为 ZE=188.9 12aMP（5）查表取节点区域系数为 =2.5H（6）根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为 =1150 MPa，大lim1H齿轮的接触疲劳强度极限为 =1120MPa。lim256.81060n31tt- 15 -（7）取工作寿命为 15 年，每年工作 250 天，2 班制小齿轮的应力循环次数 N1=60n1jLh=60751525016=2.7 810大齿轮的应力循环次数 N2=N1/5=5.7 704.5.2 小臂设计（1）四杆机构设计计算搬运机器人的小臂的俯仰动作是通过铰链四杆机构来完成的，安装在驱动力臂上的直流伺服电机通过铰链四杆机构驱动小臂实现俯仰运动。采用铰链四杆机构的目的是把直流伺服电机放到驱动力臂上，减轻小臂的重量，也降低了大臂驱动装置的负载，减少运动过程中产生的动载荷与冲击，提高整个搬运机器人的响应速度。这个铰链四杆机构共有三种设计方案，分别是双曲柄机构、双摇杆机构、曲柄摇对于双曲柄机构来说机架为最短边，又因为大臂为机架而且长度为 665mm，如果采用双曲柄机构，其它杆的杆长太长，而且上一章确定小臂的长度为 630mm，因此双曲柄机构不符合要求。对于双摇杆机构来说机架为最短边的对边，既大臂与最短杆相对。如果采用双摇杆机构，会导致其他两杆的长度过长，在一定方向上占有的空间太大，而且小臂的俯仰角度不好确定，势必会增加设计难度。综合以上分析，在这里采用曲柄摇杆机构具体如图 4.1 所示。ab 边代表大臂，长度为 1000mm，ad 边代表底杆,长度为 400mm，dc 边代表后杆，长度为 1000mm，bc 边代表小臂长两个连接点间的部分，长度为 200mm。ab 边为机架，ad 边为摇杆，bc 边为曲柄。这种结构首先满足了 bc 边长度小于小臂长度这一条件，而且所占的空间小，底杆和后杆的质量比其他两种方案要小.图 4.1 四杆机构示意图(2)齿轮的设计与校核计算电磁式直流伺服电机经调速后要通过一个齿轮组来传递动力，再通过齿轮带动铰链四杆机构运动，从而实现小臂的俯仰运动。- 16 -选定材料、热处理方式、精度等级及齿数因为电磁式直流伺服电机是经过调速的，所以输出端的速度较低，因此低速级选用直齿圆柱齿轮传动。选择小齿轮材料 40Cr，调质处理，硬度 241-286HBS。大齿轮材料 ZG35CrMo，调制处理，硬度 190-240HBS，精度 8 级。取小齿轮齿数 =24，则 =524=120，大齿轮齿数 Z2120。1Z21iZ按齿面接触疲劳强度设计确定各个参数数值（1） T =9.5510 =9.5510 (0.4/0.75) 161/Pn60.99=5.0410 N mm4（2）初选载荷系数为 =1.4tK（3）查表取齿宽系数为 =1d（4）查表取弹性系数为 ZE=188.9（5）查表取节点区域系数为 =2.5H（6）根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为 =1150 MPa，大lim1H齿轮的接触疲劳强度极限为 =1120MPa。lim2（7）取工作寿命为 15 年，每年工作 250 天，2 班制小齿轮的应力循环次数 N1=60n1jLh=60751525016=2.7 810大齿轮的应力循环次数 N2=N1/5=5.7 710（8）查表取接触疲劳寿命系数为 =1.08， =1.19NZ2N（9）取安全系数为 =1HS= =1242MPa1Hlim1.NZ= =1332.8MPa2li2S确定传动尺寸（1）初算小齿轮分度圆直径 ，代入 中较小的值1tdH=29.04mm24312.508.95154td（2）按 K 值对 进行修正1td- 17 -由圆周速度 =2.28m/s查表取动载荷系数为 =1.075vK查表取齿间载荷分布系数为 =1.2查表取齿向载荷分布系数为 =1.07查表取使用系数为 =1.00A所以载荷系数 K= =1.38vK按 K 值对 进行修正1td= =29.04 =28.9mm13ttk3.84（4）确定模数 m 以及主要尺寸m= =1.2mm 为了防止轮齿太小引起的意外折断，m 一般不小于 1.5-2mm，故1/dZm=3mm。中心距 a=m( )/2= =216mm1234120/分度圆直径 = =72mm， = =360mmddZ齿宽 b= =72mm，取小齿轮齿宽 =80mm，大齿轮齿宽 =75mm1.1b2b齿顶高 = = =3mm，齿根高 = = =3.75mmah2afh2f.acm3、按齿根弯曲疲劳强度校核 .tFFSKYbm确定各个参数数值（1）查表取弯曲疲劳寿命系数 =0.95， =0.981NY2N（2）查表取齿形系数和应力校正系数=2.65， =1.581FY1S=2.16， =1.8122（3）查表取弯曲疲劳极限 =710MPa， =710MPalim1Flim2F（4）取弯曲疲劳系数 =1.25S可得 = =539.6MPa1Flim1(.)/NFY= =556.64MPa2li229.04156016dn- 18 -（5）验算齿根弯曲疲劳强度= = =58.48MPa1F1/tFSKYbm 112/FSKTYbmd 1F= =54.61MPa221S2F弯曲疲劳强度足够了。第五章 关键零部件的校核- 19 -5.1 腕部中心轴的结构设计与校核图 5.1 腕部中心轴5.1.1 确定腕部中心轴的材料以及各段直径和长度 腕部中心轴的材料为 40Cr，调制处理。 由于密封箱的壁厚为 45mm，孔径为 150mm，因为外部还要装端盖，这段轴颈上还要装配轴承，所以 ab 段的长度为 20mm，直径为 85mm,装配的轴承为角接触球轴承，型号是 7217C。固定轴承的轴肩高度为 3.5mm。 bc 段为过渡段，长度为 35mm，直径 92mm，固定齿轮的轴肩高度为 6.5mm。 由于大齿轮的齿宽为 65mm，轴头的长度应该小于轮毂的长度，所以 de 段的长度为300mm，直径为 90mm。ef 段要安装用于齿轮的轴向固定和轴承的轴向固定的轴套，考虑到另一半的密封箱的壁厚和孔径以及大齿轮轮毂比轴头多出的长度，这段轴颈的长度为 60mm，直径为85mm。装配的轴承为角接触球轴承，型号是 7217C。 fg 段为过渡段，长度为 45mm，直径为 80mm。 gh 段与手腕相连，大臂在此处的厚度为 39mm，孔径为 90mm。因此这段轴的长度为 60mm，直径为 60mm。胀紧套选用 Z2 型胀紧套。5.1.2 腕部中心轴的强度校核 （1）计算齿轮的受力 大齿轮和小齿轮的受力大小相等，方向相反。故在这里只计算小齿轮的受力。 转矩 T1=9.5510611/Pn=9.55106(3/75) 0.99=378180Nmm圆周力 tF=112/Td=12606N 径向力 rF=tantF=4588.2N （2）计算支撑反力 水平面受力图如图 5.2(a)所示。1HF+rF=2HF rF138.52=2HF(68.52+138.52)故 1HF=1518.46N，2HF=3069.73N 垂直面受力图如图 5.2(b)所示。 1VF+2VF+F=tF 1VF(138.52+68.52)-tF68.51-F97.72=0 故 1VF=4312.14N，2VF=7893.04N （3）画轴弯矩图 - 20 -水平面弯矩图见图 5.2(c)HM 图。垂直面弯矩图见图 5.2(d)VM 图。合成弯矩图见图 5.2(e)图，合成弯矩 M=22VHMM。 （4）画转矩图 轴受转矩 T= T1，转矩图见图 5.2(f)1T 图。- 21 -图 5.2 转矩图（5）按弯扭合成应力进行强度校核 de 段的中间截面为危险截面。取 a=0.6。 当量转矩 T=0.6378180=226908Nmm22/eMTW=10.37MPa，查表知 1b=70MPa，所以 e1b。因此大轴 1 的强度满足要求，故安全。5.2 腕部中心轴 2 的结构设计与校核 5.2.1 腕部中心轴 2 的结构设计腕部中心轴 2 的材料为 40Cr，调制处理。 由于密封箱的壁厚为 45mm，孔径为 150mm，因为外部还要装端盖，这段轴颈上还要装配轴承，所以 gh 段的长度为 41mm，直径为 85mm,装配的轴承为角接触球轴承，