【正文】 式 中， tK 載荷系數(shù) ,取 ?tK ； d? 齒寬系數(shù) ，取 ?d? ， 2?u ； EZ材 料系數(shù) ，取 aE MPZ ? 。 取 P=15W, T=9550P/n。 手腕電機的選擇 ??5 a. 擺腕電機的選擇 手腕的最大負荷重量1 5m kg?初估腕部的重 量 kgm 32 ? ， 最大運動速度V=2m/s，則 功率 8 10 2 160 。 直流伺服電機有很多優(yōu)點，但它的電刷易磨損，且易形成火花 。若為三個百分之百，該手腕就是最靈活的手腕。對一般商用機器人，末桿（即與末端執(zhí)行器相聯(lián)接的桿）都有獨立驅(qū)動的自轉(zhuǎn)功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間取任意姿態(tài)，即達到完全靈活的境地。小臂的結(jié)構(gòu)形式是由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。 垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 4 2 總體方案設(shè)計 機械結(jié)構(gòu)類型的確定 為實現(xiàn)總體機構(gòu)在空間位置提供的 6 個自由度，可以有不同的運動組合，根據(jù)本課題的要求現(xiàn)可以將其設(shè)計成關(guān)節(jié)型機器人。而另一種并聯(lián)機構(gòu)的 NC 機器人，其位置重復(fù)性達 l um。 c. 基于 PC 的開放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于成本低并具有標準現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)功能，己成為一股潮流。 發(fā)展趨勢 ??2 工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用水乳交融。不同的機器人控制系統(tǒng)對這一問題的處理方式不 盡相同。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展狀況 研究現(xiàn)狀 ??1 自上世紀 90 年代以來，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。 此次設(shè)計的垂直多關(guān)節(jié)機器人可以實現(xiàn)大臂小臂的旋轉(zhuǎn) ,手腕的旋轉(zhuǎn)與擺動以及手爪的自動抓取與放松工件運動。此裝 置應(yīng)用在焊接生產(chǎn)線上將大大提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，降低了工人的勞動強度，能夠帶來可觀的經(jīng)濟效益。原本用于生產(chǎn)制造的工業(yè)機器人水平不斷提高，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了長足的進 展。 一般來講，具有 6 個關(guān)節(jié)的機器人基本上能滿足焊槍的位置和空間姿態(tài)的控制要求，其中 3 個自由度 (XYZ)用于控制焊槍端部的空間位置，另外 3 個自由度 (ABC)用于控制焊槍的空間姿態(tài)。在第一代工業(yè)機器人普及的基礎(chǔ) 上，第二代已經(jīng)推廣，成為主流安裝機型，第三代智能機器人已占有一定比重。 C. 驅(qū)動技術(shù) 上世紀 .80 年代發(fā)展起來的 AC 伺服驅(qū)動已成為主流驅(qū)動技術(shù)用于工業(yè)機器人中。 90 年代末的機器人一般都具有兩、三種功能。關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn) 坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。關(guān)節(jié) 4 電機安裝在小臂后面用于帶動傳動軸與齒輪的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)手腕的擺動；關(guān)節(jié) 5 電機也安裝在小臂后面，其后緊跟傳動軸用于實現(xiàn)手腕的旋轉(zhuǎn)；關(guān)節(jié) 6 電機安裝在手腕里，用螺旋傳動來實現(xiàn)手爪的夾緊與放松運動，當電機正轉(zhuǎn)時給杠桿施加一個向上的力來實現(xiàn)放松工件運動，相反，電機反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)夾緊工件運動。對于任一桿件的姿態(tài)（即方向），可用兩個方位角確定，如圖 23所示。一般說來 ? 、 ? 的最大值取 0360 ，而 ? 值可取的更大一些，如果擰螺釘，最好 ? 無上限。 隨著技術(shù)的進步，近年來交流伺服電機正逐漸取代直流伺服電機而成為機器人的主要驅(qū)動器 。P FV m gV W? ? ? ? ? ? 取安全系數(shù)為 ， 39。 求得 n= ??? = r/min 。 小齒輪傳遞扭矩 mmNnPT ??????? 12401500/ 661 (32) 大小齒輪的接觸疲勞強度極根應(yīng)力為： MPaH 5801lim ?? ； MPaH 5602lim ?? 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： MPaF 2301lim ?? ； MPaF 2102lim ?? 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 由下列公式計算可得 hjlnN 11 60? （ 33） 168300150060 ????? ?? 則 9912 ????? uNN 接觸疲勞壽命系數(shù) ?NHK , ?NHK ； 垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 10 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 。 。 表 32圓錐齒輪的幾何參數(shù) 名稱 符號 公式 分度圓直徑 d mmmzd 4020211 ???? mmmzd 202000222 ???? 齒頂高 ah mmmhah a 221 ???? ? 齒根高 fh mmmchah f )()( ?????? ?? 齒頂圓直徑 ad mmhdd aa 44c o s211 ??? ? mmhdd aa 202c o s222 ??? ? 齒根圓直徑 fd mmhdd ff 37c os211 ??? ? mmhdd ff 197c os222 ??? ? 齒頂角 a? ?? Rh aa? 齒根角 f? ?? Rh ff? 分度圓錐角 ? ?? Rmz? 頂錐角 a? ???? aa ??? 根錐角 f? ?10??? ff ??? 錐距 R mmmzR 102s in2/ ?? ? 齒寬 b mmRb )~( ?? 鹽城工學院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2020 15 4 軸的設(shè)計 ??7 軸的結(jié)構(gòu)決定于受力情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類型和尺寸、軸的毛坯，制造和裝配工藝、以及運輸、安裝等條件。相鄰鋼絲層的纏繞方向相反。 在軸段 2上要安裝軸承，其直徑 應(yīng)該便于軸承安裝，又應(yīng)該符合軸承內(nèi)徑系列，垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 16 即軸段 2 處 的直徑應(yīng)與軸承型號的選擇同時進行。 根據(jù)聯(lián)軸器 選 取 軸段一的長度，此時又要考慮此段軸長不應(yīng)與大臂和小臂連接處的軸在工作時相互干涉，因此選取此段軸長 mml 1021 ? 。39。 3 5 4 .1 2 3 0 7 2 3 3 4a H a VM a M M N m m? ? ? ? ? e． 畫轉(zhuǎn)矩圖 ,見圖 42 447 9 .5 5 1 7 5 022t dT F N mm? ? ? ? ? f. 判斷危險截面 aa— 截面左右的合成彎矩左側(cè)相對右側(cè)大些，扭矩為 T，則判斷左側(cè)為 危險截面，只要左側(cè)滿足強度校核就行了。軸段 1為外螺紋部分此段螺紋用于安裝擋板與螺栓，以便于對齒輪作軸向固定故取mmd 121 ? ，軸段 2 安裝齒輪，根據(jù)齒輪的幾何尺寸故取 mmd 202 ? 并在此段軸上開設(shè)鍵槽以便于對軸上齒輪作周向固定 。軸段 4與軸段 6處裝軸承，取 mml 164 ? ， mml 236 ? 。軸段 1為外螺紋部分此段螺紋用于安裝擋板與螺栓，以便于作軸向固定故取 1 12d mm? ，取軸段 2 處 2 20d mm? ， 并在此處開設(shè)鍵槽用來傳遞扭矩其尺寸為 6 22? 。由于軸承應(yīng)成對使用，所以軸段 5處裝軸承，其類型代號與軸段 3處一樣，因此故取 5 17l mm? 。 軸段 1 處要安裝壓板和齒輪用來固定此軸，因此此段軸的長度應(yīng)取長些，故 取 mml 1631 ? 。軸承的內(nèi)外圈和滾動體，一般是用軸承鉻鋼（如 GCr GCr15SiMn） 制造，熱處理后硬度應(yīng)達到 60～ 65HRC。 派生軸向力 11 3 19. 38 3srF e F N? ? ? ? （ 51） 22 3 7 2SrF e F N? ? ? ? 1122asF F NF F N???? ? ? ? ? ? ? ? ?2 2 2 21 2 1 2 8 . 3 3 4 . 1 2 9 . 3a a a aF F F F N? ? ? ? ? ? 計算oraCF 并確定 e值 ， orFC ?? 根據(jù) ?oraCF ， 查表可得 e=。鍵的主要尺寸為截面尺寸 b、 h和長度 L。因此對材料的一個要求是作為運動部件，它應(yīng)是輕型材料。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料做手臂。 從機構(gòu)學的角度來看 ,關(guān)節(jié)型機器人的機械本體實際上是一個由轉(zhuǎn)動和移動關(guān)節(jié)連接起來的開鏈式連桿系統(tǒng) ,每個獨立驅(qū)動的關(guān)節(jié)決定著機器人的一個自由度。 n 個關(guān)節(jié)機器人從手部到基系的總齊次變換矩陣 T 為 1 2 3n nT A A A A? (74) 垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 28 圖 71 機器人的桿件坐標系 根據(jù)機器人的各桿坐標系確定機器人的桿件坐標參數(shù)如表 71。 根據(jù)表 71 所示的參數(shù)可求得 iA 為： 11 0 1 01 0 1 00 1 0 00 0 0 1csscA????? ????? 22222 2 0 22 2 0 20 0 10 0 0 1c s a cs c a sAd?????????? 3333 0 3 33 0 3 30 1 0 00 0 0 1c s a cs c a sA?????????? 鹽城工學院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2020 29 444 0 4 04 0 4 00 1 00 0 0 1csscAd?????? ????? 55 0 5 05 0 5 00 1 0 00 0 0 1csscA?????????? 666 6 0 06 6 0 00 0 10 0 0 1csscAd?????????? 式中， cosiic ?? ， siniis ?? 。由于我在設(shè)計中只用了轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié) ,所以只討論轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的情況。所以我所設(shè)計的機器人手臂的材料選擇為鑄造鋁合金中的鋁銅合金。因此在選擇材料時，需要對質(zhì)量，剛度，阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。經(jīng)以上設(shè)計可知此段軸徑 d＝ 20mm，即 B=()d =?20=36mm L=B(510)=368=28mm 經(jīng)查表可知 b=6 mm。 1 1 1 0 .4 4 1 9 .3 8 1 .4 3 9 .7 8 6 4 .2 2rp X F Y F N? ? ? ? ? ? ? (52) 2 2 2 0 .4 4 9 .5 7 1 .4 3 9 .7 8 5 9 .9 1rp X F Y F N? ? ? ? ? ? ? （ 53） 取 1 p N?? 計算軸承壽命 33 2500115001666716667 ?????? ????????????Pf CfnL pth （ 54） = 根據(jù)以上計算可知 ， 其余幾跟軸上的軸承也完全滿足工 作要求。沖壓保持架一般用低碳鋼板沖壓制成 ,它與滾動體間有較大間隙 ,工作時噪聲大；實體保持架常用銅合金，鋁合金或酚醛樹脂等高分子材料制成 ，有較好的隔離和定心作用 ,又因為實體保持架比沖壓保持架允許更高的轉(zhuǎn)速。 軸段 3 處的選取長度為 mml 1373 ? 。 a. 初估軸徑， c=106~117,取 c=106 則根據(jù)公式 41 得 3min nPcd ? 3 ?? = b. 各段軸徑的確定 初估軸徑后，就可按軸上零件的安裝順序，從 dmin處開始逐段確定直徑。軸段 4 用作軸肩以此來用于對大錐齒輪作軸向固 定故取 4 30d mm? 。軸段 7處作軸肩，取 mml 77 ? 。軸段 5 處用于安裝套筒以便對軸上安裝的軸承進行軸向固定故取mmd 235 ? 。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 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. 軸的疲勞強度安全系數(shù)校核 查得抗拉強度 MpaB 650=σ ，彎曲疲勞強度 Mpa3001 ?? ，剪切疲勞極限Mpa1551 ?? ，等效系數(shù) =σψ ， =τψ 。 c． 計算軸的支撐反力 在水平面上 垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 18 31 23 2 8 .9 5 7 3 1 9 .3 83