【正文】 總數(shù)的 70%以上，全球正在工作的工業(yè)機(jī)器人共有 74 萬，我國有 3000 臺左右。 制造與自己相似的機(jī)器人是人類長期以來的夢想。當(dāng)時(shí)由于核工業(yè)的興起，為了處理放射性材料采用了機(jī)械手，同時(shí)期還出現(xiàn)了電子計(jì)算機(jī)。大多數(shù)機(jī)器人是用于生產(chǎn)活動(dòng)， 以提高工作效率或產(chǎn)品質(zhì)量的。或者為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變的和可編程的動(dòng)作的專門系統(tǒng) ” 。 工業(yè)機(jī)器人己得到廣泛應(yīng)用。 不管怎樣分類，機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)都是一樣的。用簡化畫法可以將機(jī)器人表示成圖 所示的幾何模型。 圖 機(jī)器人幾何模型 通常工業(yè)上使用的機(jī)器人山大臂和作為末端執(zhí)行器的簡單夾持器組成。 在多指機(jī)器人手的應(yīng)用方面，山于多指機(jī)器人手通常小于所安裝的機(jī)器人本體，所以可以提高機(jī)器人的整體精度。如果能夠有效地減少驅(qū)動(dòng)器的個(gè)數(shù)，減輕了機(jī)械手肴的重量，并且山于炭纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的出現(xiàn)及大量關(guān)于彈性臂研究成果，因此有可能解決輕型機(jī)器人的問題。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或汽缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 3) 臂部運(yùn)動(dòng)要靈活： 為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能 用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 第 二 章 機(jī)器人傳動(dòng)方案 設(shè)計(jì) 機(jī)器人的工作要求 該機(jī)器人的特點(diǎn)是工作范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)較緊湊，能抓取靠近機(jī)座的物體。因?yàn)楸或?qū)動(dòng)件的速度快慢取決于油液的容積變化，所以當(dāng)不考慮油液的溫度變化時(shí)，被驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的滯后也幾乎沒有，而且液壓機(jī)構(gòu)的重量輕、慣性小，因此它的速度反應(yīng)性較好 ； 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 3) 調(diào)速范圍較大，而且可以無級調(diào)速，易于適應(yīng)不同的工作要求 ； 4) 傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實(shí)現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向 ； 5) 在產(chǎn)生相同驅(qū)動(dòng)力的條件下，液壓驅(qū)動(dòng)比其他驅(qū)動(dòng)方式體積小、重量輕、慣性小 ； 6) 定位精度比氣動(dòng)高，但比電機(jī)低 ； 7) 液壓系統(tǒng)的泄漏對機(jī)構(gòu)的工作穩(wěn)定性有一定的影響 ； 8) 油液中如果混入氣體，將降低傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛性 ，影響定位精度 (產(chǎn)生爬行 )； 9) 油液的溫度和粘度變化影響傳動(dòng)性能。 因此，氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，常用于臂力小于 30 公斤、運(yùn)動(dòng)速度較快以及高溫、低溫、高粉塵等工作條件較惡劣的場合。只是把電機(jī)驅(qū)動(dòng)與液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)做一個(gè)比較，從中得到結(jié)論。相對的，液壓與氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成機(jī)構(gòu)繁瑣，維護(hù)不方便，液壓源和氣壓源裝置體積大，對于關(guān)節(jié)機(jī)器人來說也是一個(gè)無 法實(shí)現(xiàn)的問題，對于關(guān)節(jié)機(jī)器人操作機(jī)械手所要求的位置精度，液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)也很難滿足。 ：直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。隨著可關(guān)斷晶閘管 GTO，大功率晶閘管 GTR 和場效應(yīng)管 MOSFET 等電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。但是，其費(fèi)用較高，而且其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，維護(hù)不方便。 現(xiàn)在只考慮行星齒輪減速器和諧波齒輪減速器，現(xiàn)將二者進(jìn)行對比： 行星齒輪傳動(dòng) 1. 行星齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 行星齒輪傳動(dòng)與 普通齒輪傳動(dòng) 相比 ，他具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。尤其是對于那些要求體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊和傳動(dòng)效率高的變速器。一般，行星齒輪傳動(dòng)的外廓尺寸和質(zhì)量約為普通齒輪傳動(dòng)的 1/2～ 1/3（即在承受相同的載荷條件下）。在僅作為傳遞運(yùn)動(dòng)的行星齒輪傳動(dòng)中，其傳動(dòng)比可達(dá)到幾千。同時(shí)，也使參與嚙合的齒數(shù)增多，故星星輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，抵抗沖擊和振動(dòng)的能力較強(qiáng)，工作可靠。它幾乎可適用于一切功率和轉(zhuǎn)速范圍，故目前行星傳動(dòng)技術(shù)已成為世界各國機(jī)械傳動(dòng)發(fā)展的重點(diǎn)之一。 1. 諧波齒輪傳動(dòng)由三個(gè)基本構(gòu)件組成： 一： 諧波發(fā)生器（簡稱波發(fā)生器） …… 是凸輪（通常為橢圓形）及薄壁軸承組成，隨著凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，薄壁軸承的外環(huán)作橢圓形變形運(yùn)動(dòng)（彈性范圍內(nèi)）。諧波傳動(dòng)工作過程如 圖 ： 圖 諧波減速器構(gòu)件 2. 諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)原理： 當(dāng)波發(fā)生器為主動(dòng)時(shí)，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，就近使柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形（可控的彈性變形），這時(shí)柔輪的齒就在變形的過程中進(jìn)入（嚙合）或退出（嚙離）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處在完全的脫開。 波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時(shí)波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，就使柔輪齒的嚙入 —嚙合 —嚙出 —脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)。依此類推，波發(fā)生器相對剛輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，柔輪相對剛輪的位移為兩個(gè)齒距。 圖 諧波傳動(dòng)的工作原理 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 3. 傳動(dòng)特點(diǎn) ，體積小，重量輕 ； 諧波齒輪傳動(dòng)的主要構(gòu)件只有三個(gè)：波發(fā)生器、柔輪、剛輪。而在普通齒輪傳動(dòng)中，同時(shí)嚙合的齒數(shù)只有 2—7%，對于直齒圓柱漸開線齒輪同時(shí)嚙合的齒數(shù)只有1—2 對。 ； 由于多齒嚙合，一般情況下，諧波齒輪與相同精度的普通齒輪相比，其運(yùn)動(dòng)精度能提高四倍左右。 ； 諧波齒輪減速器的高速軸、低速軸位于同一軸線上。 。目前，機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)有60%70%都是用諧波齒輪，所以本次設(shè)計(jì)也采用諧波齒輪傳動(dòng)。 取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 六自由度機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)即手部又稱末端執(zhí)行器，是工業(yè)機(jī)器人直接進(jìn)行工作的部分，可以是個(gè)中夾持器。外形見圖 。 常用的驅(qū)動(dòng)裝置有步進(jìn)電機(jī)、伺服電 機(jī)和直流 電機(jī)等，根據(jù)要求選用伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置。故腕部旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)方式采用：伺服電機(jī) +諧波減速器。 因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)與腕部旋轉(zhuǎn)類似，故采用同樣的傳動(dòng)方式：伺服電機(jī) +諧波減速器。然而，對于帶強(qiáng)力層材料的改善，如果用鋼絲、尼龍、聚酯纖維峙，帶傳動(dòng)也可以用于某些只有鏈傳動(dòng)才適合的動(dòng)力傳動(dòng)。 a b c 圖 同步帶齒形的變遷 a—梯形齒 b—圓弧齒 c—近似漸開線齒 圖 三種齒形比較 (2) 同步帶傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn) 1）．工作時(shí)無滑動(dòng)，有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比 有在拉力作用下不伸長的特性， 故能保持帶節(jié)距不變，使帶與輪齒槽能正確嚙合，實(shí)現(xiàn)無滑差的同步傳動(dòng)，獲得精確的傳動(dòng)比。因?yàn)橥綆鲃?dòng)是嚙合傳動(dòng)，其帶輪直徑比依靠摩擦力來傳遞動(dòng)力的三角帶帶輪要小得多，此外由于同步帶不需要大的張緊力，使帶輪軸和軸承的尺寸都可減小。 5）．惡劣環(huán)境條件下仍能正常工作 盡管同步帶傳動(dòng)與其它傳動(dòng)相比有以上優(yōu)點(diǎn)，但它對安裝時(shí)的中心距要求等方面極其嚴(yán)格，同時(shí)制造工藝復(fù)雜、制造成本高。 同步齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 由 1 可 知 ，從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速： 2n =740r/min，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速： 12 3 740 222 0 / m inn i n r? ? ? ? ?，同步帶輸入轉(zhuǎn)矩 T= Nm? ，輸入最高工作角速度（主動(dòng)輪） ? =，則同步帶傳遞的名義功 率 P 可表示為： P = T? ω = = （ ） 初設(shè)軸距： 0a =200mm （ 1．） 求設(shè)計(jì)功率 dP 由文獻(xiàn) [14]表 725 查得載荷修正系數(shù) 0k =，因?yàn)槲词褂脧埦o輪，又是減速傳動(dòng)，故表 725 的附加修正系數(shù)均為零。 (4)．實(shí)際軸距 a 設(shè) 128b bPM Z Z Z? ? ?（ 2 ） ?= （ 2 901236）8= ，則： 22211 []8 bP Z ZMM ? ??? （ ）a= 221 5 . 0 8 3 6 2 48 3 . 8 2 8 3 . 8 2 [ ]8 ? ?? ? ? （ ） = 取整，則 a =205 ㎜ (5)．嚙合齒數(shù) mZ 11 21[]22 bm PZZZ en t Z Z?? ? ?（ ）a 21 2 5 .0 8 1 2[]22en t ??? （ 3612 ）205 （ ） 56?? 則嚙 合齒數(shù)系數(shù)： 1 ?? （ 6 ） = (6)．帶寬 sb 由文獻(xiàn) [14]表 732 可查得該 XL 型帶的基準(zhǔn)額定功率為 0P =48W，由表 729 可查該 XL 型同步帶的基準(zhǔn)寬度為 0sb = ㎜，則： 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 00 9 . 54 8 0 . 8zPK?? ?11d 1 . 1 4 1 . 1 4ssP （ ） b （ ） （ ） ? 查表 730 的帶寬的標(biāo)準(zhǔn)值，為安全可靠，取帶寬 sb = ㎜，代號為 025。同步帶、 錐齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)效率均取 η =（下同）。 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法進(jìn)行最小直徑估算，即 3mind nPC??。 ： （ 1）確定軸的各段直徑和長度 為使半聯(lián)軸器軸向定位， AB 軸段左端需制出一軸肩，并考慮緊固螺母的尺寸，故取 BC 段的直徑為 10mmBCd ? ? ，因半聯(lián)軸器與軸配合部分的孔長度為10mm，為保 證軸端檔圈之壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，故 AB 軸段的長度應(yīng)略小于半聯(lián)軸器相應(yīng)的長度，取 20mmABl ? ? 。而軸承的左側(cè)選用軸承端蓋固定軸承，參照軸承的尺寸取 10DEl mm? ? ， 15mmDEd ? ? 。 圖 3. 5 軸的結(jié)構(gòu)圖 3. 計(jì)算軸上的作用力： 畫出軸的計(jì)算簡圖（圖 3. 6a）： 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 圖 3 .6 軸的受力計(jì)算圖 為了方便計(jì)算，將軸上的作用力分解到水平面（圖 3 . 6b）和垂直面（圖 3 . 6c）內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。 軸的校 核 按疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)校核計(jì)算 （ 1）判斷危險(xiǎn)截面 危險(xiǎn)截面的位置應(yīng)是彎矩和轉(zhuǎn)矩較大及截面面積較小且應(yīng)力集中較嚴(yán)重處。 計(jì)算綜合影響系數(shù)值為： 2 .2 4 3 .1 70 .7 6 0 .9 3kK ?????? ? ?? （ ） 1 . 5 2 2 . 2 10 . 7 4 0 . 9 3kK ?? ???? ? ?? （ ） 截面右側(cè)由于鍵槽引起的有效應(yīng)力集中系數(shù)是 k? 及 k? ，按文獻(xiàn) [15]附圖 附圖 4 查得： ?? ， ?? 故得綜合影響系數(shù)值為： 1 . 8 1 2 . 5 60 . 7 6 0 . 9 3kK ?? ???? ? ?? 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 1 . 6 0 2 . 3 20 . 7 4 0 . 9 3kK ?? ???? ? ?? 取上面綜合影響系數(shù) K? 。 軸的工作圖 圖 3 . 7 軸的工作圖 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 關(guān)節(jié) 軸軸承 的計(jì)算 校核 由于軸徑 d=12mm，則選擇軸承型號為 7001AC 的 角接觸球軸承，其主要尺寸和參數(shù)為 d=12mm D=28mm B=8mm rC = orC =[15]。根據(jù)表 83，取 0 100A? 。 C 值由文獻(xiàn) [15] 表 83：知 C=100.若取聯(lián)軸器的效率為 1 ?? ，滾動(dòng)軸承的效率為 2 ? ? （一對），則： 1 1 2 8 0 .9 9 0 .9 9 7 .8 4PP ??? ? ? ? ? ? ?W （ ） 初步估算軸的最小直徑為： 13 3m i n 7 . 8 4d 1 0 0 1 5n 2 4 0 0PC? ? ? ?mm （ ） 則 1d 為： 1 m ind d ? ? ?（ 1+6% ） =15mm 考慮與聯(lián)軸器的配合取直徑值為 16mm。而軸承的右側(cè)選用軸承端蓋固定軸承，參照軸承的尺寸取 25CDl mm? ? ， 25mmCDd ? ? 。 ??T? －軸的許用扭 轉(zhuǎn)切應(yīng)力， 2/N mm ； A －取決于軸材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 ??T? 的系數(shù)，其值可查表 得 . 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33 6633 7 . 8 49 . 5 5 1 0 9 . 5 5 1 00 . 2 0 . 2 1 6 2 4 0 0TTTPW d n? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?223 8 .0 8 / 4 0 /TTN m m N m m??? ? ? 2. 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 （ 1）選擇危險(xiǎn)截面 危險(xiǎn)截面的位置應(yīng)是彎矩和轉(zhuǎn)矩較大及截面面積較小且應(yīng)力集中較嚴(yán)重處。 表面狀況系數(shù) ?? ，根據(jù) b? ，表面加工方法查得 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 34 ?????? 軸肩處的綜合影響。根據(jù)軸的的結(jié)構(gòu)尺寸及裝配圖，截面 DE 處屬于最危險(xiǎn)截面，應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)計(jì)算。各軸肩處的圓角半徑及軸端的倒角均為01 45? ， 軸的結(jié)構(gòu)圖見圖 3 . 8 東南 大學(xué)學(xué)