6自由度多关节工业机器人图纸++

湖南科技大学 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 二 一六年五月二十日 湖南科技大学 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 学生姓名 学号 专业 机械设计制造及其自动化 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 自 2015 年 3 月 1 日开始至 2015 年 5 月 29 日止 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 2015 年 3 月 1 日 指导教师 学生 湖南科技大学 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 湖南科技大学 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 湖南科技大学 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 Abstract Sixdegreeoffreedomindustrialrobotisakindofautomaticmachinewithhighaccuracy withhig hdegreeofflexibilityandstability Sointhedesignweshouldpayattentiontotherationalityofthestruc tureandtechnology inthechoiceofmaterialsshouldbesothatithashighstrengthandlightweight this papermainlyforthehandlingofindustrialrobottotaldrivewayandtheaxisofthetransmissionscheme design andthedrivemotorselection inworkspaceanalysisbasedonthekinematicscalculation ofke ypartswerestressanalysisandstrengthcheck accordingtothebasicstructureparametersusingsoftw areSolidworks2013of3Dgraphicsrendering andmappingwithCADassemblydrawingandpartofth ekeypartsofthemap KeyWords Industrialrobots Structuraldesign Transmissiondesign Forceanalysis Intensity verification i 目录 第一章绪论 1 1 1 工业机器人概述 1 1 2 课题研究背景及意义 1 1 3 国内外研究现状及发展趋势 2 1 3 1 国内研究现状 3 1 3 2 国外发展趋势 4 1 4 工业机器人相关技术 5 1 5 本文主要内容 5 第二章总体方案与传动机构设计 6 2 1 总体方案设计与分析 6 2 1 1 方案要求 6 2 1 2 机构选型 7 2 1 3 驱动方式选择 8 2 2 传动方案的初步设计 9 2 2 1 腕关节传动机构设计 10 2 2 2 小臂传动机构 10 2 2 3 大臂传动机构 11 2 2 4 腰身传动机构 12 2 3 机器人部分技术参数 10 第三章工作空间分析及计算 12 3 1 工作空间 12 3 2 工作空间与机器人结构尺寸的相关性 12 3 3 分析 14 ii 第四章结构设计 15 4 1 传动方案的设计 15 4 2 手腕传动 15 4 3 腰部 16 4 3 1 腕部的设计要求 16 4 3 2 腕部结构 16 4 4 手臂 17 4 4 1 手臂作用概述 17 4 4 2 电机选择 17 4 5 传动结构设计计算 20 4 5 1 腰部设计 20 4 5 2 大臂设计 21 4 5 3 小臂设计 22 第五章关键零部件的校核 24 5 1 腕部中心轴的结构设计与校核 24 5 1 1 腕部中心轴的结构设计 25 5 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 28 5 2 1 连杆传动轴的结构设计 28 5 2 2 连杆传动轴的强度校核 29 5 3 手腕齿轮连接轴的结构设计与校核 28 5 4 手腕齿轮连接轴 2 的结构设计与校核 29 5 5 回转底盘与腰部主轴连接螺钉的校核 29 5 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 5 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 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 6 第二章总体方案与传动机构设计 7 第三章工作空间分析及计算 3 1 工作空间 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 8 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 90 130 2 小臂旋转偏离 0 位的角度 顺时针为正 本文定为 65 65 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 L1sin 1min L2cos 1min 2min 665 sin 65 630 cos 155 1173 67 ZA L1cos 1min L2sin 1min 2min 665 cos 65 630 sin 155 547 29 B 点 大臂到达正极限值 1max 小臂达到负极限值 2min XB L1sin 1max L2cos 1min 2min 665 sin65 630 cos 155 31 72 ZB L1cos 1max L2sin 1min 2min 665 cos65 630 sin 155 547 29 C 点 大臂到达正极限值 1max 小臂达到正极限值 2max XC L1sin 1max L2cos 1max 2max 665 sin65 630 cos 155 5 84 ZC L1cos 1max L2sin 1max 2max 665 cos65 630 sin195 117 98 D 点 大臂负极限指 1min 小臂达到正极限值 2max XD L1sin 1min L2cos 1min 2max 665 sin 65 630 cos65 336 45 ZD L1cos 1min L2sin 1min 2max 665 cos 65 630 sin65 852 02 E 点 XE L1sin 1min 665 sin 65 602 29 ZE L1cos 1min 665 cos 65 281 04 F 点 XF L1sin 1max 665 sin65 602 69 ZF L1cos 1max 665 cos65 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 10 第四章结构设计 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 5 i 70 常用 15 i 50 摆线针轮行星齿轮传动 11 i 87 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 11 由此计算力矩得 T J 0 043N m 功率 P Tw 2 48 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 742kg m2 两电动机的转动惯量 J 电 J 电 1 J 电 2 340 22 8 50 42 2 72kg m2 减速箱的转动惯量 J 减 150X0 452 30 375kg m2 腰部本身的转动惯量 J1 mp2 2500 252 40kg 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 392kg m2 而转动角加速度为 7 854 s2 输出轴的转矩为 12 M J 总 150 392 7 854 1181 179N m 转换到电机上的转矩为 M 电 17 71N m 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 4N m 4 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 8 0 352 5 742kg m2 电动机转动惯量 J 电 2 8 5 0 42 1 366kg m2 摆线减速器转动惯量 J 减 150 0 452 30 375kg m2 大手臂总惯量 J 总 5 742 1 366 30 375 40 602kg 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 J3 34 0 22 1 36kg m2 13 电动机转动惯量 J 电 3 100 0 52 25kg m2 摆线减速器转动惯量 J 减 3 150 0 452 30 375kg m2 所以小手臂总的转动惯量为 J 总 23 43 1 36 25 30 375 80 165kg m2 对应在电动机上 M 电 9 45N m 根据要求 M 电 M 额 选 P 2 2KW Y H 系列电机 转速 n 800r min 4 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 min 4 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 5 20 100 大齿轮齿数 Z2 100 根据齿面接触疲劳强度 1 T 9 55 10 9 55 10 3 75 0 99 378180N mm16 1 Pn 6 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 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 1150MPa 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 60 75 15 250 16 2 7 810 大齿轮的应力循环次数 N2 N1 5 5 7 70 14 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 180mm12 301 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 d 1b2b 齿顶高 3mm 齿根高 3 75mmah2a fh2f 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 1150MPa 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 56 81060n 3t t 15 小齿轮的应力循环次数 N1 60n1jLh 60 75 15 250 16 2 7 810 大齿轮的应力循环次数 N2 N1 5 5 7 70 4 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 5 24 120 大齿轮齿数 Z2 120 1Z21iZ 按齿面接触疲劳强度设计 确定各个参数数值 1 T 9 55 10 9 55 10 0 4 0 75 16 1 Pn 6 0 99 5 04 10 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 1150MPa 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 60 75 15 250 16 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 1242MPa 1H lim1 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1td H 29 04mm 24312 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 9mm13ttk 3 814 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 dZ m 3mm 中心距 a m 2 216mm12 34120 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 75mmah2a fh2f acm 3 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 710MPalim1F lim2F 4 取弯曲疲劳系数 1 25S 可得 539 6MPa 1F lim1 NFY 556 64MPa2li2 29 04156016dn 18 5 验算齿根弯曲疲劳强度 58 48MPa1F 1 tFSKYbm 112 FSKTYbmd 1F 54 61MPa221S 2F 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 55 10611 Pn 9 55 106 3 75 0 99 378180N mm 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 2HFrF 138 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 tF1VF 138 52 68 52 tF 68 51 F 97 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 6 378180 226908N mm22 eMTW 10 37MPa 查表知 1b 70MPa 所以 e 1b 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 22 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 型号是 7217C 固定轴承的轴肩高度为 3 5mm fg 段为过渡段 长度为 80mm 直径 92mm 固定齿轮的轴肩高度为 6 5mm 由 于大齿轮的齿宽为 75mm 轴头的长度应该小于轮毂的长度 所以 de 段的长度为 60mm 直径为 90mm 为了齿轮的周向定位 这段轴上还要开有键槽 来安装平键 根 据这段轴的直径和长度 键槽的宽度为 25mm 长度为 50mm 键槽的键槽深为 7mm cd 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的轮毂比轴头多出的长度 这段轴颈的长度为 45mm 直径 为 85mm 装配的轴承为角接触球轴承 型号是 7217C bc 段为过渡段 长度为 40 6mm 直径为 80mm ab 段与铰链四杆机构的底杆相连 并且穿过大臂末端的通孔 大臂在此处的厚度 为 39mm 孔径为 95mm 底杆的厚度为 40mm 孔径为 90mm 这段轴与底杆的连接方 式是胀紧联结 通过胀紧套使大轴 2 与底杆连接在一起 根据以上条件这段轴的长度 为 104 4mm 直径为 60mm 胀紧套选用 Z2 型胀紧套 5 2 2 腕部中心轴 2 的强度校核 腕部中心轴是带动手腕实现俯仰运动的轴 腕部中心轴 2 是带动手腕旋转运动的 轴 从第三章可知腕部中心轴受到的转矩是 378180N mm 而且同时承受大臂和小臂 的总重量 腕部中心轴 2 受到的转矩是 50400N mm 但是只承受底杆的重量 两根轴 的主体机构和材料以及热处理方式一样 腕部中心轴 2 的受力比腕部中心轴的受力小 得多 当腕部中心轴满足强度条件时 腕部中心轴 2 必然满足强度条件 5 3 手腕齿轮连接轴的结构设计与校核 图 5 3 手腕齿轮连接轴 5 3 1 手腕齿轮连接轴的结构设计 1 确定手腕齿轮连接轴的材料以及各段直径和长度 该轴的材料为 40Cr 调制处理 23 ab 段的主要用处是与电机相连 电机输出端的轴径是 24mm 再根据凸缘轴器的 宽度 ab 段的长度为 35mm 直径为 24mm 这一段由于和联轴器连接 所以开有键槽 具体尺寸和电机输出端的一样 bc 段是过渡段 长度为 40mm 直径为 28mm 由于密封箱的壁厚为 45mm 孔径为 62mm 因为外部还要装端盖 这段轴颈上还 要装配轴承 所以 cd 段的长度为 25mm 直径为 30mm 装配的轴承为角接触球轴承 型号是 7206C 固定轴承的轴肩高度为 4mm 由于小齿轮的齿宽为 70mm 轴头的长度应该小于轮毂的长度 为了齿轮的周向定 位 这段轴上还要开有键槽 来安装平键 根据这段轴的直径和长度 键槽的宽度为 12mm 长度为 56mm 键槽的键槽深为 5mm 5 3 2 手腕齿轮连接轴的强度校核 1 计算齿轮的受力 转矩 T 9 55 10 9 55 10 3 75 0 99 378180N mm6 1 Pn 6 圆周力 12606NtF12 d 径向力 4588 2Nrat 2 计算支撑反力 水平面受力图如图 5 5 a 所示 1HFr2 153 67 153 r 故 1397 32N 3190 88N1H2HF 垂直面受力图如图 4 5 b 所示 1VF2t 67 153 67t 故 3839 10N 8766 90N1V2VF 3 画轴弯矩图 水平面弯矩图见图 5 2 c 图 垂直面弯矩图见图 5 2 d 图 合成弯矩图HMVM 见图 4 5 e 图 合成弯矩 M 2V 4 画轴转矩图 轴受转矩 T T 转矩图见图 5 2 f 图 1 1T 24 a b c d e f 图 5 4 手腕齿轮连接轴的受力分析 25 5 按弯扭合成应力进行强度校核 fg 段的中间截面为危险截面 取 0 6 当量转矩 0 6 378180 226908N mmT 60 28MPa 查表知 70MPa 所以 因此小 22 eMW 1b e 1b 轴 1 的强度满足要求 故安全 5 4 手腕齿轮连接轴 2 的结构设计与校核 手腕齿轮连接轴 2 的结构与手腕齿轮连接轴一样 但驱动元件的输出转矩较小 上面校核的手腕齿轮连接轴的强度满足要求 故手腕齿轮连接轴 2 的强度必然满足要 求 5 5 驱动臂座与腰部主轴连接螺钉的校核 腰部回转所需转矩 T 421 63N m 选取的螺钉材料为 Q235 直径为 12mm 固定用的螺栓数目为 6 取可靠系数 C 1 1 结合面摩擦系数 f 0 16 r i 65mm 预紧力 F0 CT f r i 421 63 103 1 1 0 16 6 65 7432 58N 查表取材料屈服极限 S 240MPa 查表取安全系数 S 1 5 故需用应力 S S 160MPa 由此螺钉的直径 d 1 3F 0 4dF 8 77mm 所以预选取的螺钉满足强度要求 5 6 部分三维图 图 5 5 腕部中心轴 26 图 5 6 腕部中心轴 2 图 5 7 手腕齿轮连接轴 27 图 5 8 手腕齿轮连接轴 2 28 第六章总结 本设计对自动装配线末端工件的搬运问题 设计了一个六自由度搬运工业机器人 在设计过程中 搜集资料 向导师请教 与同学讨论 为完成设计奠定了基础 所完成的任务有 1 根据设计要求完成了六自由度工业机器人的总体设计和结构设计 首先 确 定了总体的设计方案 选择了合适的传动方式 驱动方式 设计了机器人的腰部 大 臂 小臂和腕部的具体结构 并且对机器人的传动结构进行设计 机器人为六自由度 关节型机器人 有回转关节 也有摆动关节 在关节处安装减速器和电动机 使用了 齿轮传动机构和直流力矩电机来实现各个自由度 从而实现空间任意位置的运动 2 用 SolidWorks 绘制出机器人的部分零件 更为直观的了解机器人结构 方 便了设计计算 由于本人能力和时间有限 没有做更深入的研究 可以从以下几方面进一步开展 工作 1 进一步优化结构设计 将电动机与减速器合二为一 采用减速电机 简化结 构 减轻机器人重量 2 可以做运动仿真 运用 Matlab 软件和 Adams 软件对机器人系统进行运动学 仿真 3 用 Ansys 软件进行有限元分析 29 参考文献 1 张铁 谢存禧 机器人学 M 广州 华南理工大学出版社 2005 2 肖银玲 机械制图 M 北京 高等教育出版社 2007 3 潘存云 机械原理 M 长沙 中南大学出版社 2012 4 乔兰东 机械手 理论与应用 M 中国铁道出版社 1985 5 郭宇光 机器人发展的历史 现状 趋势 M 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社 1989 6 李月景 工业机械手设计基础 M 天津 天津人民出版社 1980 7 日 藤森洋三 机构设计实例构思图册 M 北京 机械工业出版社 1985 8 高志 黄纯颖 机械创新设计 M 北京 高等教育出版社 2010 9 王三民 机械设计计算手册 J 北京 化学工业出版社 2012 10 高为国 机械工程材料 M 长沙 中南大学出版社 2012 11 熊腊森 彭振国 陈一坚 曹东杰 IR761 125 型点焊机器人在平头驾驶室总装生产线上的应用 J 电焊机 1998 5 11 13 36 12 杨宜明 章云 林汉荣 柯燕娇 MR 2 型微机器人的研究 J 高技术通讯 1995 4 13 14 13 汤祥州 谢存禧 于江 SMA 微型机器人的结构设计与分析 J 机械科学与技术 1997 16 6 992 996 14 徐锦康 群涛 刘启芬 XZ I 型弧焊机器人 J 机械工业自动化 1994 16 3 24 27 15 关慧贞 冯辛安 机械制造装备设计 M 北京 机械工业出版社 2014 30 致谢 在本设计的开题论证 课题研究 论文撰写整个过程中 得到了胡小平老师的耐 心指导 使得本设计得以顺利完成 其中无不饱含着老师的汗水和心血 胡老师敏锐 的学术思想 严谨踏实的治学态度 渊博的学识 精益求精的工作作风 诲人不倦的 育人精神 将永远铭记在学生心中 使学生终生受益 他在本设计的构思 框架和理 论运用等方面 给予了我们深入的指导和帮助 使得设计得以顺利完成 在此谨向尊 敬的胡老师表示衷心的感谢和崇高的敬意 这次毕业设计 使我们的理论知识与实际相结合 巩固和深化了我们的专业理论 知识 在设计的过程中我不断探索 不断学习 并自学了许多相关的内容 请教了专 业老师 在图书馆以及网络查阅了大量的相关资料 丰富了我的专业知识 通过此次设计 一方面让我认识到自己的不足 发现了学习中的错误之处 另一 方面又积累丰富的知识 吸取别人好的方法和经验 增强对复杂问题的解决能力 摸 索出一套解决综合问题的方法 为自己以后的工作和学习打下坚实的基础 再一方面 也加强了我和老师的交流 认识到知识的渊博度 这次毕业设计 大大的提高了我们 的自主学习和认真思考的能力 增强了我们对学术态度严谨性的认识 我相信在以后 的学习和工作过程中 我们一定会牢记老师的教诲 努力提升自己的能力 以适应工 作和社会激烈的竞争 再次感谢所有支持和帮助过我的老师 同学们