三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-12-11 18:00 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 驅(qū)動(dòng)。 第一軸（大臂）的結(jié)構(gòu) 大臂的結(jié)構(gòu)圖（圖 21）及其傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖（圖 21）： 圖 21 圖 22 第一臂，也即大臂，該手臂實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，整個(gè)減速系統(tǒng)采用了三級(jí)斜齒輪傳動(dòng)，且所有的斜齒輪都裝在一 個(gè)箱體（減速箱）里面。然而，與一般情況不同的是，第三級(jí)斜齒輪直接固定在機(jī)座上，從而使其它的（上級(jí)的斜齒輪）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)，且電動(dòng)機(jī)又固定在大臂上，所以導(dǎo)致大臂帶著電動(dòng)機(jī)、減速箱一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 傳動(dòng)方案的確定 根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)分析可知，工業(yè)機(jī)器人的三軸的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。第一軸采用的是齒輪傳動(dòng)，第二軸、第三軸則采用的是擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)。當(dāng)然，參照以上的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析，現(xiàn)擬定如下三種傳動(dòng)方案： 方案一：第一軸：齒輪傳動(dòng)（直齒或斜齒） 第二軸、第三軸：擺線針輪 行星齒輪傳動(dòng) 方案二：第一軸：蝸桿蝸輪傳動(dòng) 第二軸、第三軸：蝸桿蝸輪傳動(dòng) 方案三：第一軸：蝸桿蝸輪傳動(dòng) 第二軸、第三軸：擺線針輪行星齒輪傳動(dòng) 方案比較論證 首先，已知各種傳動(dòng)的傳動(dòng)比 u:直齒圓柱齒輪傳動(dòng)， u≤ 4；斜齒輪傳動(dòng)， u≤ 6；蝸桿蝸輪傳動(dòng)， 5≤ u≤ 70，常用 15≤ u≤ 50；擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)， 11≤ u≤ 87（單級(jí)）。然后估算各軸的傳動(dòng)比，初選轉(zhuǎn)速為 1500r/min 的原動(dòng)機(jī)，則 u1=1500/15=100, u2=1500/20=75。 第一軸傳動(dòng)的確定： 蝸桿蝸輪傳動(dòng)的特點(diǎn)： 1）傳動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)沖擊和噪聲均很??； 2）傳動(dòng)比也較大，結(jié)構(gòu)比較緊湊。而在這里采用此傳動(dòng)，則需要兩級(jí)傳動(dòng)才能滿足要求，蝸桿蝸輪的傳動(dòng)是兩軸交錯(cuò)的，這樣一來也就增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且同時(shí)也增加了轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的負(fù)荷； 3）由于蝸桿蝸輪嚙合輪齒間相對(duì)滑動(dòng)速度大，使得摩擦損耗大，因而傳動(dòng)效率較低。因此，第一軸采用齒輪傳動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，如采用圓柱直齒輪傳動(dòng)則需要四級(jí)傳動(dòng)，而采用斜齒輪則需要三級(jí)就可以，并且知道在相同的條件下，采用斜齒輪傳動(dòng)比圓柱齒輪傳動(dòng)，在結(jié)構(gòu)上尺寸要小得多，由此可知，采用斜齒輪傳動(dòng)。斜 齒傳動(dòng)有如下優(yōu)點(diǎn)：1）嚙合性能好； 2）重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)； 3）結(jié)構(gòu)緊湊，并且在總體結(jié)構(gòu)上也是合理的。 第二軸傳動(dòng)的確定：由各傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比可知，第二軸的傳動(dòng)應(yīng)該采用擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)。擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)有如下優(yōu)點(diǎn)： 1）傳動(dòng)比大。一級(jí)傳動(dòng)比為 11～ 87，二級(jí)傳動(dòng)比為 121～ 7569，三級(jí)傳動(dòng)比可達(dá) 446571； 2）結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。如將擺線針輪行星減速器與同功率的兩級(jí)普通圓柱齒輪減速器相比，體積可減小 1/2～ 2/3，重量約減輕 1/2～ 1/3 以上； 3）效率較高。一般效率為 ～ ，最高可 達(dá) ； 4）傳動(dòng)平穩(wěn)，過載能力較大，承受沖擊和振動(dòng)的性能較好； 5）工作可靠，壽命長(zhǎng)。但是這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造較困難。 總上所述，選擇方案一為最佳。第一軸采用三級(jí)斜齒輪傳動(dòng)，第二、第三軸采用擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)。 第三章 設(shè)計(jì)計(jì)算 電動(dòng)機(jī)的選擇 第一軸的電動(dòng)機(jī)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)方案可知，第二軸、第三軸的所有重量都是第一軸的負(fù)荷，所以說，第一軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是很大的，必須計(jì)算各零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算出最終動(dòng)力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，再根據(jù)動(dòng)力源軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行選擇電動(dòng)機(jī)。下面計(jì)算第一軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 如圖 311，該軸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與第二軸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸不同，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸線為 ob線，則在這種情況下， FG 2G 1G 3 NMOb 圖 311 第三臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： )15c o s15( 223 ?????? ??mJJ O Kgm2 第二軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 222222 )(12 ?mdcbamJ ????? （ 311） 22222 )(12 ?????? ? Kgm2 兩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 2221 ??????? 電電電 JJJ Kgm2 兩個(gè)行星輪系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 221 ??????? 輪輪輪 JJJ Kgm2 減速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 3 7 5 0 2 ???減J Kgm2 第一軸本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 5 0 221 ???? ?mJ Kgm2 所以，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： ???????總J ? Kgm2 而轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度 ? 為： ???????? ?? tvtV 1/s2 則輸出軸的轉(zhuǎn)矩為 M 由式（ 317）得： 1 8 ???? ?總JM
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