【導(dǎo)讀】空間大，還能繞過(guò)基座周圍的一些障礙物等特點(diǎn)。綜合以上幾點(diǎn)考慮，以及為了提高生。產(chǎn)效率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足特定的工作要求，課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人為垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人，采用了直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)一系列的軸和齒輪傳動(dòng)順利實(shí)現(xiàn)了腕部的旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)，手爪的自動(dòng)抓取與放松工件運(yùn)動(dòng)。為了使整個(gè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，合理布置了電動(dòng)機(jī)、軸和。齒輪，設(shè)計(jì)了齒輪和軸的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了強(qiáng)度校核計(jì)算。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的個(gè)數(shù)與手臂自。簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析。傳動(dòng)中采用了軟軸、波紋管聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸和。在選材方面,為了使機(jī)器人重量較輕,以及腕部能夠靈活的運(yùn)動(dòng),故選取。輕型材料,我所設(shè)計(jì)的機(jī)器人的材料為鑄造鋁合金中的鋁銅合金。性好、傳動(dòng)精度高、重量輕的特點(diǎn)。導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。明并表示了謝意。以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。律后果由本人承擔(dān)。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。

　　

【正文】 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。 a. 初估軸徑， C=106~117,取 C=106 根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和額定功率可知與圓柱齒輪軸相嚙合的大齒輪的轉(zhuǎn)速為 201 5 0 0 7 5 0 / m in40nr? ? ? 則 根據(jù)公式 41 可得： 3min PdCn? 3 750?? = 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 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 ? 并在此段軸上開設(shè)鍵槽以便于對(duì)軸上齒輪作周向固定 。軸段 3 作為軸肩，對(duì)軸段 2 處安裝的齒輪作軸向固定，故取mmd 243 ? 軸段 4,6 處安裝軸承，根據(jù)要求選用 7205 型號(hào)的軸承，根據(jù)軸承型號(hào)與軸徑的大小同時(shí)選擇故確定軸段 4和軸段 6的直徑為 mmdd 2564 ?? 。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 ? 。軸段 7用作軸肩以此來(lái)用于對(duì)軸承作軸向固定故取 mmd 327 ? 。軸段 8處為錐齒輪部分，根據(jù)以上的設(shè)計(jì)計(jì)算可知此處軸徑 mmd 408 ? 。 c. 各軸段長(zhǎng)度的確定 軸 段 1上裝 M12的螺栓和擋板，故取 mml 201 ? 。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 3處利用軸肩作軸向固定，取 mml 213 ? 。軸段 4與軸段 6處裝軸承，取 mml 164 ? ， mml 236 ? 。軸段 5處裝套筒，其長(zhǎng)度為套筒的長(zhǎng)度，故取mml 305 ? 。軸段 7處作軸肩，取 mml 77 ? 。軸段 8處為錐齒輪部分，其長(zhǎng)度 mml 1078 ? 。為保證軸承 7205內(nèi)圈端面緊靠定位軸肩的端面，根據(jù)軸承手冊(cè)推薦，取軸肩圓角半徑為。為方便加工，其它軸肩圓角半徑均取 1mm。 圖 43圓錐齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖 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。 a. 初估軸徑， C=106~117,取 C=106 根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和額定 功率可知與手腕箱體連接軸的轉(zhuǎn)速為 2 0 2 01 5 0 0 1 5 0 / m i n4 0 1 0 0nr? ? ? ? 則 根據(jù)公式 41 可得： 3min PdCn? ＝ 106 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 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(lái)傳遞扭矩其尺寸為 622? 。軸段 3 處安裝軸承，根據(jù)要求選用 7205 型號(hào)的軸承，并在軸的另一段安裝大錐齒輪，也在 此處開設(shè)鍵槽用 來(lái)傳遞扭矩其尺寸為 628? ， 根據(jù)軸承型號(hào)與軸徑的大小同時(shí)選擇故取 3 25d mm? 。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 5處用來(lái)安裝 7205軸承 ,軸承內(nèi)徑與軸徑的大小取同一尺寸，故取 5 25d mm? 。 c. 各軸段長(zhǎng)度的確定 軸段 1上裝 M12的螺栓和擋板，故取 1 20l mm? 。軸段 2處裝鍵槽，用于傳遞扭矩，其鍵槽尺寸為 622? ，其長(zhǎng)度取 2 24l mm? 。軸段 3處裝軸承與大錐齒輪，中間用套筒對(duì)其軸向固定，對(duì)大錐齒輪進(jìn)行周向固定的鍵取尺寸為 622? ，故取 3 61l mm? 。軸段 4處利用軸肩作軸向固定，取 4 5l mm? 。由于軸承應(yīng)成對(duì)使用，所以軸段 5處裝軸承，其類型代號(hào)與軸段 3處一樣，因此故取 5 17l mm? 。 圖 44手腕連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖 大臂小臂連接軸的設(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。 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 1 處要安裝壓板和齒輪用來(lái)固定此軸 .故 mmd 251 ? 。軸段 2 處與 4 處安裝 7208 類型軸承 ,其軸徑大小應(yīng)與軸承內(nèi)徑大小一致 ,故取 mmd 402 ? , mmd 404 ? 。軸段 3 處取mmd 463 ? 。 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。另一些軸段長(zhǎng)度，除與軸上零件有關(guān)外，還與箱體及軸承蓋等零件有關(guān)。 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 ? 。 軸段 2的長(zhǎng)度與軸承 有關(guān) ,取 mml 222 ? 。 軸段 3 處的選取長(zhǎng)度為 mml 1373 ? 。 軸段 4 的長(zhǎng)度與軸段 2 處一樣 ,取 mml 224 ? 。 圖 45大臂小臂連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖 5 軸承的設(shè)計(jì) ??9 軸承的選擇 軸承是支承軸或軸上回轉(zhuǎn)體的部件。根據(jù)工作時(shí)接觸面間的摩擦性 質(zhì)，分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類。滾動(dòng)軸承依靠元件間的滾動(dòng)接觸來(lái)承受載荷，相對(duì)于滑動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承具有摩擦阻力小，效率高，起動(dòng)容易，潤(rùn)滑簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。因此我在做本課題設(shè)計(jì)時(shí)所選用的軸承全為滾動(dòng)軸承。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。保持架有沖壓的和實(shí)體的兩種結(jié)構(gòu)。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。所以本課題選用的保持架為實(shí)體的。從受載荷方面來(lái)考慮，我所設(shè)計(jì)的機(jī)器人承受載荷力不大，且適用在振動(dòng)與沖擊不大的場(chǎng)合；而且球軸承比滾子軸承有較高的極限轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)精度；再?gòu)慕?jīng)濟(jì)性方面考慮球軸承比滾子軸承便宜。綜合以上因素，所以選取 7205C 系列的角接觸球軸承。 軸承的壽命計(jì)算 圓柱齒輪軸的軸承壽命計(jì)算： 經(jīng)查表可知：載荷系數(shù) pf = ，溫度系數(shù)徑 1?tf ，基本額定動(dòng)載荷 KNCr ? ，基本額定靜載荷 NCor 1050? 。 由以上計(jì)算可知：徑向力 1 ? ， 2 ? 。 派生軸向力 11 0. 43 19 .3 8 8. 33srF e F N? ? ? ? （ 51） 22 0. 43 9. 57 4. 12SrF e F N? ? ? ? 1122asF F NF F N???? ? ? ? ? ? ? ? ?2 2 2 21 2 1 2 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=。 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷 118 .3 3 0 .4 2 91 9 .3 8arF eF ? ? ? 224 .1 2 0 .4 3 19 .5 7arF eF ? ? ? 查表可得：徑向載荷系數(shù) X=,軸向載荷系數(shù) Y=。 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。 6 其它零部件的選用 鍵連接的選用 鍵連接分為平鍵連接、半圓鍵連接、楔鍵連接和切向鍵連接。由于平鍵的兩側(cè)面是工作面，工作時(shí)靠鍵與鍵槽側(cè)面間的擠壓來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩。鍵的上表面與輪轂間留有間隙，因此，平鍵連接定心性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單裝拆方便，所以本次設(shè)計(jì)我選用的是平鍵連接中的圓頭平鍵。 鍵連接的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個(gè)方面。鍵連接的類型可根據(jù)連接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使用要求和工作條件來(lái)選擇；鍵的尺寸則按符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和強(qiáng)度要求來(lái)取定。鍵的主要尺寸為截面尺寸 b、 h和長(zhǎng)度 L。 b、 h可根據(jù)軸徑 d由標(biāo)準(zhǔn)中查 取；長(zhǎng)度 L可參照輪轂長(zhǎng)度Ｂ從標(biāo)準(zhǔn)中選取，一般取 L=B(510)mm， B=()d。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。 殼體的設(shè)計(jì) 小臂和手腕的外殼是支承整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的框架，采用鑄鋁材料，質(zhì)量輕，剛度大，小臂的外框結(jié)構(gòu)的厚度為 6mm、蓋子厚度為 6 mm、電機(jī)后蓋厚度為 6mm。手腕的外框結(jié)構(gòu)厚度為 3mm,機(jī)器人手爪為鑄造 鋁合金。其他部分的具體尺寸由結(jié)構(gòu)定，詳見裝配圖。 機(jī)器人手臂材料的選擇 ??10 機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來(lái)選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。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。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。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。 機(jī)器人手臂材料應(yīng)先是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要有一 定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼，鑄鐵，合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。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。其中，非金屬材料有尼龍 6，聚乙烯（ PEH）和碳素纖維等；金屬材料以輕合金（特別是鋁合金）為主。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。 機(jī)器人臂部連接件的選用 ??11 本設(shè)計(jì)中采用兩種不同型號(hào)的波紋管聯(lián)軸器：小臂部分采用 DIN6885型號(hào)，手腕部分選用 。柔性聯(lián)軸器的特點(diǎn)是圓周方向剛度大而軸向彎曲方向柔度較大，既能起到可靠的傳動(dòng)又適合調(diào)整和補(bǔ)償軸之間的偏差。 圖 61 波紋管聯(lián)軸器 7 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的位姿分析 ??12 關(guān)節(jié)型機(jī)器人實(shí)質(zhì)上是依靠各關(guān)節(jié)坐標(biāo)值的改變來(lái)運(yùn)行的。例如以示教再現(xiàn)方式工作的機(jī)器人的關(guān)節(jié)在每個(gè)位置的轉(zhuǎn)角值是預(yù)先記錄好的。當(dāng)機(jī)器人末端手部執(zhí)行工作任務(wù)時(shí) ,控制器依次給出記錄好的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù) ,使機(jī)器人末端手部按照預(yù) 定的位置有序運(yùn)動(dòng) ,實(shí)現(xiàn)給定位姿來(lái)完成工作。 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。為了便于描述這些連桿之間的相互關(guān)系 ,在每一連桿關(guān)節(jié)上設(shè)立一個(gè)坐標(biāo)系 ,利用齊次變換就可以方便地描述這些坐標(biāo)系間的相對(duì)位置和姿態(tài)。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。 描述一個(gè)連桿與下一個(gè)連桿間相對(duì)關(guān)系的齊次矩陣通常記為 A 。 A 矩陣描述連桿坐標(biāo)系間相對(duì)平移和旋轉(zhuǎn)的齊次變換。如果 1A 表示第一個(gè)連桿對(duì)于基系 {0}的位置和姿態(tài)，2A 表示第二個(gè)連桿相對(duì)于第一個(gè)連桿的位置和姿態(tài) ,那么第二個(gè)連桿在基系 {0}的位置和姿態(tài)可由下列矩陣的乘積給出 2T = 21AA (71) 一般 T 加相應(yīng)前置或后置上下標(biāo)的公式來(lái)表示兩個(gè)或兩個(gè)以上 A 矩陣的乘積。 同理 ,若 3A 表示第三個(gè)連桿相對(duì)于第二個(gè)連桿的位置和姿態(tài) ,則有 3T = 321 AAA (72) 稱這些 A 矩陣的乘積為 T 矩陣 ,其前置上標(biāo)若為 0 (既以基坐標(biāo)系｛ 0｝為參照 ),則可略去不寫。于是 ,一個(gè) 6 關(guān)節(jié) (6自由度 )機(jī)器人從手部到基系｛ 0｝的總齊次變換矩陣T 為 6T =