【正文】 構(gòu)設(shè)計(jì)草圖 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2020 21 手腕連接軸的設(shè)計(jì) 由于此軸傳遞的功率不大，對(duì)其重量和尺寸也無(wú)特殊要求，故選常用材料 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。軸段 7處作軸肩，取 mml 77 ? 。軸段 2處裝齒輪，其長(zhǎng)度與齒輪的寬度相同，故取 mml 322 ? 。軸段 5 處用于安裝套筒以便對(duì)軸上安裝的軸承進(jìn)行軸向固定故取mmd 235 ? 。 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 20 圓錐齒輪軸的設(shè)計(jì) 由于此軸傳遞的功率不大，對(duì)其重量和尺寸也無(wú)特殊要求，故選常用材料 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2020 19 aa— 截面左側(cè) 333 mmdW ???? ? ? ? ? ? ?2222 2 5 6 6 0 . 6 1 7 5 0 0 . 3 58 5 1 8 . 4cacaMTMWW ???? ? ?? ? ? ? ? h. 軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核 查得抗拉強(qiáng)度 MpaB 650=σ ，彎曲疲勞強(qiáng)度 Mpa3001 ?? ，剪切疲勞極限Mpa1551 ?? ，等效系數(shù) =σψ ， =τψ 。 39。 c． 計(jì)算軸的支撐反力 在水平面上 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 18 31 23 2 8 .9 5 7 3 1 9 .3 83 7 7 2NH Fr lFNll ?? ? ??? 21 2 8 .9 5 1 9 .3 8 9 .5 7N H N HF F r F N? ? ? 在垂直面上 21 7 9 .5 5 3 9 .7 822tN V N V FF F N? ? ? ? d． 畫彎矩圖 彎矩 圖如 圖 42 所示。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2020 17 圖 42軸的受力分析和彎扭矩圖 a． 軸上的轉(zhuǎn)矩 T 主軸上的傳遞的功率： kwPP ??? ?傳 5 10 PT n? ? ?電 （ 42） 6 5 10 1500? ? ? ? 求作用在齒輪上的力： 39。 根據(jù)結(jié)構(gòu) mml 63 ? ， mml 425 ? 。 c. 各軸段長(zhǎng)度的確定 各軸段長(zhǎng)度主要根據(jù)軸上零件的轂長(zhǎng)或軸 上 零件配合部分的長(zhǎng)度確定。通常一根軸上的兩個(gè)軸承取相同型號(hào)，故取軸段 6 的直徑 6d ＝25mm。這次選用的是波紋管連軸器。 c. 軟軸接頭用以連接動(dòng)力輸出軸及工作部件 d. 軟管接口用以連接傳動(dòng)裝置及工作部件的機(jī)體，有時(shí)也是軟軸接頭的軸承座。 a. 鋼絲軟軸由幾層彈簧鋼絲緊繞在一起構(gòu)成的。對(duì)于要求剛度大的軸，還應(yīng)該從結(jié)構(gòu)上考慮減少軸的變形。 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 14 校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度 23212 111 1)(4 umzYKTRRFSF ??? ??? （ 36） MP a2322 51220)( ????? ???? ? ?121 FMPa ??? ? ?21212 FFSFSFF MP aMP aYY ??? ?????? 所以齒輪完全達(dá)到要求。 b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)表達(dá)式 3 2121 )(4][ uKTZZdRRHEHt ??? ?????????? (35) 其中， 取 ? ? ， 5?u ； aE MPZ ? ， ?HZ ； mmNnPT ?????? 9550200 661 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： MPaH 580lim1 ?? ； MPaH 560lim2 ?? 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： MPaF 230lim1 ?? ； MPaF 210lim2 ?? 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 由下式計(jì)算可得 atnN 11 60? 168300202060 ????? ?? 則 9912 ????? uNN 接觸疲勞壽命系數(shù) ?NZ , ?NZ ； 彎曲疲勞壽命系數(shù) 121 ?? NN YY ； 接觸疲勞安全系數(shù) 1min ?HS ， 彎曲疲勞安全系數(shù) ?FS ,又 ?STY ， 試選?tK 。 表 31圓柱齒輪的幾何尺寸 名稱 符號(hào) 公式 分度圓直徑 d mmmzd 4020211 ???? mmmzd 8040222 ???? 齒頂高 ah mmmhah a 221 ???? ? 齒根高 fh mmmChh af )()( ?????? ?? 齒全高 h mmhhh fa ????? 齒頂圓直徑 1ad mmhdd aa 44211 ??? mmhdd aa 84222 ??? 齒根圓直徑 1fd mmhdd ff 35211 ??? mmhdd ff 75222 ??? 基圓直徑 1bd mmdd b o s11 ?? ? mmdd b o s22 ?? ? 齒距 p mmmp ???? ? 齒厚 s mmms ?? ? 齒槽寬 e mmme ?? ? 中心距 a mmdda 602/)( 21 ??? 頂隙 c mmmcc ???? ? 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 12 第二級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 齒輪 材料 采用 45 號(hào)鋼， 小齒輪調(diào)質(zhì)處理表面硬度為 210HBS；大齒輪正火處理后齒面硬度為 180HBS， 齒輪精度等級(jí)為 7 級(jí)。 修正 mmKKdd tHt 3311 ???? ； mmmmzdm ??? ； 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) mmm 2? 。 a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。 b. 傳動(dòng)比的分配 傳動(dòng)比分配時(shí)要充分考慮到各級(jí)傳動(dòng)的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。 表 機(jī)技術(shù)參數(shù) 單轉(zhuǎn)軸 保持轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 額定電流 電壓 線圈電阻 35x10 7? kgm 12V 5? 基本步距角 減速比 容許轉(zhuǎn)矩 容許速度范圍 電機(jī)重量 1: 0250r/min 電樞電阻 ： Rs= (Un/InPn/In) 310 ， 求得 ： Pn=。P P W? ? ? ? 考慮到傳動(dòng)損失和摩擦，最終的電機(jī)功率 200 。而交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。 c. 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源，結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單 ， 但與液壓驅(qū)動(dòng)器相比，同體積條件下功率較小（因壓力低），而且速度不易控制，所以多 用于精度不高的點(diǎn)位控制系統(tǒng) 。 后者多為開環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單但功率不大， 多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng) 。腕部的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)要求是：重量輕， dex 的組合值必須滿足工作要求并留有一定的裕量（約 5%10%），傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并有利于小臂對(duì)整機(jī)的靜力平衡。 腕結(jié)構(gòu)最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是 dex 值?？梢娛怯??? 兩角決定了末桿的方向（姿態(tài)）。故手腕也稱作機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。但在實(shí)際應(yīng)用中， 可以簡(jiǎn)化這一問(wèn)題，把工作空間看作是機(jī)器人操作機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，手腕參考點(diǎn)（如定位機(jī)構(gòu)的軸線正交，取交點(diǎn)為參考點(diǎn)）在空間的活動(dòng)范圍，或者說(shuō)該點(diǎn)可達(dá)位置在空間所占有的體積。其中有 2 個(gè)齒輪為直齒圓柱齒輪，用于減速。 傳動(dòng)方案的確定 圖 21 是機(jī)器人小臂與腕部機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。跨國(guó)大集團(tuán)的壟斷和全球化的生產(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化的 “虛擬制造 ”，為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。 F. 集成化與系統(tǒng)化 1998 年 ABB 公司推出 IRbl400 系列小機(jī)器人，其循環(huán)時(shí)間只有 ，控制器包括軟件、高壓電、驅(qū)動(dòng)器、用戶接口等皆集成于一柜，只有洗衣機(jī) 變換器那樣大小。高精度機(jī)器人的位置重復(fù)性為正負(fù) ，其最大合成速度達(dá) 80m/s。直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)則廣泛用于裝配機(jī)器人中。 b. 協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實(shí)現(xiàn)了多手與變位機(jī)、多機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制，正逐步實(shí)現(xiàn)多智能體的協(xié)調(diào)控制。 b. 應(yīng) 3K(煉鋼、煉鐵、鑄鍛 )行業(yè)和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)需求，超大型機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。這些差距已經(jīng)成為制約我國(guó)制造業(yè)乃至其他行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題之一。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，世界經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生重大而深刻的變革，但制造業(yè)依然是世界各發(fā)達(dá)與發(fā)展中國(guó)家加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高國(guó)家綜合競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。如何選取最合適的解對(duì)機(jī)器人焊接過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性很重要。 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直角坐標(biāo)式、柱面坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、伸縮式、爬行式等等，根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展之中。 ，以此來(lái)減輕手部的重量，讓手爪能夠作靈活的運(yùn)動(dòng)，此傳動(dòng)裝置采用螺旋傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)手爪的抓取與放松工件運(yùn)動(dòng)。 針對(duì)上述問(wèn)題有了以下設(shè)計(jì)思路： 。 技術(shù)要求及預(yù)期效果 根據(jù)設(shè)計(jì)要達(dá)到以下要求： a. 最大搬運(yùn)重量： 5kg； b. 最大工作范圍： 850mm； c. 標(biāo)準(zhǔn)周期： ； d. 重復(fù)定位精度： ? mm； e. 生產(chǎn)綱領(lǐng)： 大批大量。此課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際，是針對(duì)目前手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差 ，而且對(duì)操作員技術(shù)熟練程度要求高，因此采用機(jī)器人技術(shù)， 可以 實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率 ， 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化和 改善勞動(dòng)條件。 本課題要解決的主要問(wèn)題及設(shè)計(jì)總體思路 本課題要解決的問(wèn)題有以下三個(gè)： a. 手腕處于手臂末端，需減輕手臂的載荷，力求手腕部的結(jié)構(gòu)緊湊，減少重量和體積； b. 提高手腕動(dòng)作的精確性； c. 三個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2 經(jīng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)一對(duì)圓柱齒輪和一對(duì)圓錐齒輪傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)手腕作偏擺運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的各種功能被相繼開垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 2 發(fā)并得到不斷增強(qiáng)，機(jī)器人的種類不斷增多，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的工業(yè)控制拓展到各行各業(yè)，從軍事到民用，從天上到地下，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，從科研探索到醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，從生產(chǎn)領(lǐng)域到娛樂(lè)服務(wù)行業(yè)，甚至還進(jìn)入尋常百姓家。因?yàn)楹附舆^(guò)程中往往需要把以空間直角坐標(biāo)表示的工件上的焊縫位置轉(zhuǎn)換為焊槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過(guò)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)換為對(duì)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)角度位置的控制，而這一變換過(guò)程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。因此，目前的焊接機(jī)器人多數(shù)為 6 關(guān)節(jié)式的。 然而目前我國(guó)裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚有較大的差距，尤其是在戰(zhàn)略必爭(zhēng)裝備技術(shù)與競(jìng)爭(zhēng)前核心技術(shù)、基礎(chǔ)制造裝備與成套關(guān)鍵裝備制造技術(shù)等方面差距更大，這種差距又主要體現(xiàn)在先進(jìn)裝備的自主設(shè)計(jì)與獨(dú)立制造能力差，成套與系統(tǒng)集成、優(yōu)化能力差，技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力差。以應(yīng)用為龍頭拉動(dòng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其 重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域與 技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在下述方面： A． 機(jī)械結(jié)構(gòu) a. 以關(guān)節(jié)型為主流， 80 年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人約占總量的 l／ 3(目前世界工業(yè)機(jī)器人總數(shù)約為 750000 臺(tái) )， 90 年代初開發(fā)的適用于窄小空間、快節(jié)奏、 360 度全工作空間范圍的垂直關(guān)節(jié)型機(jī)器人大量用于焊接和上、下料。 B. 控制技術(shù) a. 大多數(shù)采用 32 位 CPU，控制軸多達(dá) 27 軸， NC 技術(shù)和離線編程技術(shù)大量采用。日本 23 家機(jī)器人公司于 1998 年生產(chǎn)的 167 種型號(hào)機(jī)器人產(chǎn)品，其中采用 AC伺服驅(qū)動(dòng)的有 156 種，占 ％。 E. 高速、高精度、多功能化 目前所知最快的裝配機(jī)器人最大合成速 度為 。最近瑞典 Neos 公司開發(fā)出一種高精度、高可靠性的可切割、鉆孔、銑削、磨削、裝配、搬運(yùn)的多功能機(jī)器人，用于多家著名汽車廠和飛機(jī)公司。多達(dá)百臺(tái)以上的機(jī)器人群與微機(jī)及周邊智能設(shè)備和操作人員形成一個(gè)大群體 (多智能體 )。其特點(diǎn)是工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取 近距離 的物體，工藝操作精度高。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu) ,則必然以空 間交叉方式變向 ,就不利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。 圖 21小臂腕部傳動(dòng)原理圖 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2020 5 工作空間的確定 工 作空間是機(jī)器人學(xué)中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。其功用是利用自身的活動(dòng)度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說(shuō)是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 6 圖 23末桿姿態(tài)示意圖 １ 大臂 ２ 小臂 ３ 末桿 在圖 23中末桿 Ln的圖示姿態(tài)可以看作是由處于 oX 方向的原始位置先繞 oZ 在ooo YOX 平面內(nèi)轉(zhuǎn) ? 角，然后再向上轉(zhuǎn) ? 角得到的。為了定量的說(shuō)明操作機(jī)抓取和擺放物體的靈活程度， 定義組合靈度（ dex)為：