【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(jī)的選擇 ??5 a. 擺腕電機(jī)的選擇 手腕的最大負(fù)荷重量1 5m kg?初估腕部的重 量 kgm 32 ? ， 最大運(yùn)動(dòng)速度V=2m/s，則 功率 8 10 2 160 。 直流伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的電刷易磨損，且易形成火花 。若為三個(gè)百分之百，該手腕就是最靈活的手腕。對(duì)一般商用機(jī)器人，末桿（即與末端執(zhí)行器相聯(lián)接的桿）都有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)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(dá)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(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 4 2 總體方案設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的確定 為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間位置提供的 6 個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題的要求現(xiàn)可以將其設(shè)計(jì)成關(guān)節(jié)型機(jī)器人。而另一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的 NC 機(jī)器人，其位置重復(fù)性達(dá) l um。 c. 基于 PC 的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于成本低并具有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)功能，己成為一股潮流。 發(fā)展趨勢(shì) ??2 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用水乳交融。不同的機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)這一問(wèn)題的處理方式不 盡相同。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r 研究現(xiàn)狀 ??1 自上世紀(jì) 90 年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。 此次設(shè)計(jì)的垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)大臂小臂的旋轉(zhuǎn) ,手腕的旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)以及手爪的自動(dòng)抓取與放松工件運(yùn)動(dòng)。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(dòng)強(qiáng)度，能夠帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。原本用于生產(chǎn)制造的工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長(zhǎng)足的進(jìn) 展。 一般來(lái)講，具有 6 個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)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(gè)自由度 (XYZ)用于控制焊槍端部的空間位置，另外 3 個(gè)自由度 (ABC)用于控制焊槍的空間姿態(tài)。在第一代工業(yè)機(jī)器人普及的基礎(chǔ) 上，第二代已經(jīng)推廣，成為主流安裝機(jī)型，第三代智能機(jī)器人已占有一定比重。 C. 驅(qū)動(dòng)技術(shù) 上世紀(jì) .80 年代發(fā)展起來(lái)的 AC 伺服驅(qū)動(dòng)已成為主流驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于工業(yè)機(jī)器人中。 90 年代末的機(jī)器人一般都具有兩、三種功能。關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn) 坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類(lèi)似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)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(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)。關(guān)節(jié) 4 電機(jī)安裝在小臂后面用于帶動(dòng)傳動(dòng)軸與齒輪的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)手腕的擺動(dòng)；關(guān)節(jié) 5 電機(jī)也安裝在小臂后面，其后緊跟傳動(dòng)軸用于實(shí)現(xiàn)手腕的旋轉(zhuǎn)；關(guān)節(jié) 6 電機(jī)安裝在手腕里，用螺旋傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的夾緊與放松運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)給杠桿施加一個(gè)向上的力來(lái)實(shí)現(xiàn)放松工件運(yùn)動(dòng)，相反，電機(jī)反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)夾緊工件運(yùn)動(dòng)。對(duì)于任一桿件的姿態(tài)（即方向），可用兩個(gè)方位角確定，如圖 23所示。一般說(shuō)來(lái) ? 、 ? 的最大值取 0360 ，而 ? 值可取的更大一些，如果擰螺釘，最好 ? 無(wú)上限。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)交流伺服電機(jī)正逐漸取代直流伺服電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)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(qiáng)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(jì)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(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 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(hào) 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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2020 15 4 軸的設(shè)計(jì) ??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(lèi)型和尺寸、軸的毛坯，制造和裝配工藝、以及運(yùn)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(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 16 即軸段 2 處 的直徑應(yīng)與軸承型號(hào)的選擇同時(shí)進(jìn)行。 根據(jù)聯(lián)軸器 選 取 軸段一的長(zhǎng)度，此時(shí)又要考慮此段軸長(zhǎng)不應(yīng)與大臂和小臂連接處的軸在工作時(shí)相互干涉，因此選取此段軸長(zhǎng) 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(huà)轉(zhuǎn)矩圖 ,見(jiàn)圖 42 447 9 .5 5 1 7 5 022t dT F N mm? ? ? ? ? f. 判斷危險(xiǎn)截面 aa— 截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為 T，則判斷左側(cè)為 危險(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿足強(qiáng)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(duì)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(kāi)設(shè)鍵槽以便于對(duì)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(kāi)設(shè)鍵槽用來(lái)傳遞扭矩其尺寸為 6 22? 。由于軸承應(yīng)成對(duì)使用，所以軸段 5處裝軸承，其類(lèi)型代號(hào)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(lái)固定此軸，因此此段軸的長(zhǎng)度應(yīng)取長(zhǎng)些，故 取 mml 1631 ? 。軸承的內(nèi)外圈和滾動(dòng)體，一般是用軸承鉻鋼（如 GCr GCr15SiMn） 制造，熱處理后硬度應(yīng)達(dá)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(jì)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(zhǎng)度 L。因此對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)部件，它應(yīng)是輕型材料。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。 從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來(lái)看 ,關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)械本體實(shí)際上是一個(gè)由轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)關(guān)節(jié)連接起來(lái)的開(kāi)鏈?zhǔn)竭B桿系統(tǒng) ,每個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)決定著機(jī)器人的一個(gè)自由度。 n 個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)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(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 28 圖 71 機(jī)器人的桿件坐標(biāo)系 根據(jù)機(jī)器人的各桿坐標(biāo)系確定機(jī)器人的桿件坐標(biāo)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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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(jì)中只用了轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié) ,所以只討論轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的情況。所以我所設(shè)計(jì)的機(jī)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(shí)，需要對(duì)質(zhì)量，剛度，阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。經(jīng)以上設(shè)計(jì)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(jì)算軸承壽命 33 2500115001666716667 ?????? ????????????Pf CfnL pth （ 54） = 根據(jù)以上計(jì)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(dòng)體間有較大間隙 ,工作時(shí)噪聲大；實(shí)體保持架常用銅合金，鋁合金或酚醛樹(shù)脂等高分子材料制成 ，有較好的隔離和定心作用 ,又因?yàn)閷?shí)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(zhǎng)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(kāi)始逐段確定直徑。軸段 4 用作軸肩以此來(lái)用于對(duì)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(duì)軸上安裝的軸承進(jìn)行軸向固定故取mmd 235 ? 。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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 。 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