【導(dǎo)讀】作空間大，還能繞過基座周圍的一些障礙物等特點。綜合以上幾點考慮，以及為了。部的旋轉(zhuǎn)與擺動，手爪的自動抓取與放松工件運動。為了使整個機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，合。理布置了電動機、軸和齒輪，設(shè)計了齒輪和軸的結(jié)構(gòu)，并進行了強度校核計算。減小機械手臂的重量，而且還會簡化整個系統(tǒng)的動力學(xué)與運動學(xué)的分析。用了軟軸、波紋管聯(lián)軸器、傳動軸和兩對齒輪傳動。在選材方面,為了使機器人重量。鋁合金中的鋁銅合金。該機器人手臂具有剛性好、傳動精度高、重量輕的特點。計中大多采用了標(biāo)準(zhǔn)件和常用件，降低了設(shè)計和制造的成本。

　　

【正文】 1mm。 圖 43圓錐齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖 畢業(yè)設(shè)計說明書 23 手腕連接軸的設(shè)計 由于此軸傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求，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)電動機的轉(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)鍵槽用來傳遞扭矩其尺寸為 6 22? 。軸段 3處安裝軸承，根據(jù)要求選用 7205 型號的軸承，并在軸的另一段安裝大錐齒輪，也在 此處開設(shè)鍵槽用來傳遞 扭矩其尺寸為 6 28? ， 根據(jù)軸承型號與軸徑的大小同時選擇故取3 25d mm? 。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 5處用來安裝 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 6 22? ，其長度取 2 24l mm? 。軸段 3處裝軸承與大錐齒輪，中間用套筒對其軸向固定，對大錐齒輪進行周向固定的鍵取尺寸為 6 22? ，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? 。 圖 44手腕連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖 垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 24 大臂小臂連接軸的設(shè)計 由于此軸傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求，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 ? 。 度的確定 各軸段長度主要根據(jù)軸上零件的轂長或軸 上 零件配合部分的長度確定。另一些軸段長度，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固定此軸，因此此段軸的長度應(yīng)取長些，故取 mml 1631 ? 。 軸段 2的長度與軸承有關(guān) ,取 mml 222 ? 。 軸段 3 處的選取長度為 mml 1373 ? 。 軸段 4 的長度與軸段 2 處一樣 ,取 mml 224 ? 。 圖 45大臂小臂連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖 畢業(yè)設(shè)計說明書 25 5 軸承的設(shè)計 ??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)工作時接觸面間的摩擦性質(zhì)，分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。滾動軸承依靠元件間的滾動接觸來承受載荷，相對于滑動軸承，滾動軸承具有摩擦阻力小，效率高，起動容易，潤滑簡便等優(yōu)點。因此我在做本課題設(shè)計時所選用的軸承全為滾動軸承。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。保持架有沖壓的和實體的兩種結(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。所以本課題選用的保持架為實體的。從受載荷方面來考慮，我所設(shè)計的機器人承受載荷力不大，且適用在振動與沖擊不大的場合；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；再從經(jīng)濟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。 軸承的壽命計算 圓柱齒輪軸的軸承壽命計算： 經(jīng)查表可知：載荷系數(shù) pf = ，溫度系數(shù)徑 1?tf ，基本額定動載荷KNCr ? ，基本額定靜載荷 NCor 1050? 。 由以上計算可知： 徑向力 1 ? ， 2 ? 。 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=。 計算當(dāng)量動負荷 垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 26 118 .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。 畢業(yè)設(shè)計說明書 27 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，工作時靠鍵與鍵槽側(cè)面間的擠壓來傳遞轉(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)簡單裝拆方便，所以本次設(shè) 計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方面。鍵連接的類型可根據(jù)連接的結(jié)構(gòu)特點使用要求和工作條件來選擇；鍵的尺寸則按符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和強度要求來取定。鍵的主要尺寸為截面尺寸 b、 h和長度 L。 b、 h可根據(jù)軸徑 d由標(biāo)準(zhǔn)中查取；長度 L可參照輪轂長度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 小臂和手腕的外殼是支承整個傳動系統(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、電機后蓋厚度為 6mm。手腕的外框結(jié)構(gòu)厚度為 3mm,機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。 機器人手臂材料的選擇 ??10 機器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計要求，機器人手臂要完成各種運動。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。而另一方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動，這將大大降低它的運動精度。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。 機器人手臂材料應(yīng)先是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要有一定的強度。手臂材料應(yīng)選擇高強度材料，如鋼，鑄鐵，合金鋼等。機器人手臂是運動的，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)計的機器人手臂的材料選擇為鑄造鋁合金中的鋁銅合金。 機器人臂部連接件的選用 ??11 本設(shè)計中采用兩種不同型號的波紋管聯(lián)軸器：小臂部分采用 DIN6885型號，手腕部分選用 。柔性聯(lián)軸器的特點是圓周方向剛度大而軸向彎曲方向柔垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 28 度較大，既能起到可靠的傳動又適合調(diào)整和補償軸之間的偏差。 圖 61 波紋管聯(lián)軸器 畢業(yè)設(shè)計說明書 29 7 關(guān)節(jié)型機器人的位姿分析 ??12 關(guān)節(jié)型機器人實質(zhì)上是依靠各關(guān)節(jié)坐標(biāo)值的改變來運行的。例如以示教再現(xiàn)方式工作的機器人的關(guān)節(jié)在每個位置的轉(zhuǎn)角值是預(yù)先記錄好的。當(dāng)機器人末端手部執(zhí)行工作任務(wù)時 ,控制器依次給出記錄好的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù) ,使機器人末端手部按照預(yù)定的位置有序運動 ,實現(xiàn)給定位姿來完成工作。 從機構(gòu)學(xué)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?zhǔn)竭B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。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)系間的相對位置和姿態(tài)。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。 描述一個連桿與下一個連桿間相對關(guān)系的齊次矩陣通常記為 A 。 A 矩陣描述連桿坐標(biāo)系間相對平移和旋轉(zhuǎn)的齊次變換。如果 1A 表示第一個連桿對于基系 {0}的位置和姿態(tài)， 2A 表示第二個連桿相對于第一個連桿的位置和姿態(tài) ,那么第二個連桿在基系{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)的公式來表示兩個或兩個以上 A矩陣的乘積。 同理 ,若 3A 表示第三個連桿相對于第二個連桿的位置和姿態(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 6關(guān)節(jié) (6 自由度 )機器人從手部到基系｛ 0｝的總齊次變換矩陣 T 為 6T = 65321 AAAAAA 4 (73) 可以將上述 6 關(guān)節(jié)系統(tǒng)擴展為具有 n 個關(guān)節(jié)自由度的系統(tǒng) ,其桿件0,1,… ,i,… ,n(共 n+1 個 )通過關(guān)節(jié) 1,2,… ,i,… ,n(共 n 個 )相連接。 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 30 圖 71 機器人的桿件坐標(biāo)系 根據(jù)機器人的各桿坐標(biāo)系確定機器人的桿件坐標(biāo)參數(shù)如表 71。 表 71 機器人的桿件坐標(biāo)參數(shù) 關(guān) 節(jié) i i? i? ia id 關(guān)節(jié)變量范圍 1 90 90 0 0 180 到 180 2 0 0 2a 2d 45 到 135 3 90 90 3a 0 90 到 90 4 0 90 0 4d 90 到 90 5 0 90 0 0 90 到 270 6 0 0 0 6d 90 到 90 2 569a mm? ， 2 173d mm? ， 3 40a mm?? ， 4 430d mm? ， 6 140d mm? 。 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