【導讀】針對焊接機器人產(chǎn)業(yè)化中涉及到的新型結(jié)構(gòu)本體設(shè)計、高性能機器人控。統(tǒng)的精度，減少維護，同時也簡化了生產(chǎn)工藝，降低了生產(chǎn)成本。汽車是焊接機器人的最大用戶，也是最早用戶。于上海牌轎車底盤的焊接。我國到1997年底僅有焊接機器人500臺，多為弧焊。接機器人的發(fā)展應(yīng)首先擴大應(yīng)用數(shù)量和應(yīng)用領(lǐng)域。同時也要盡快建立有我國自主

　　

【正文】 器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計 （ 2）．按彎扭合成強度條件計算 一、軸的受力分析，將軸簡化為簡支梁，受力分析如圖 向 受 力 分 析 如 圖 （ b）， 其 中 Fa2 ??Fr1 ?? ， Fr 2 Ft ??2545N 計算 FHd 和 FHc ： Ft ??FH c ??FHd ??2Ft1 c 解得： c （ a）。水平方 ??Fa1 ?? ， 圖 水平方向受力分析圖 計算分析得軸各截面所受得剪切力和彎 矩，分別畫出水平方向受剪力 Fs 圖和彎 矩 MH 圖，如圖 （ c）和圖 （ d）所示。 22 F ??20 ??F ?10 ??F ??65 ??F ??85 F ?? F ??? 本科機械畢業(yè)設(shè)計論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計 圖 水平方向受剪力和彎矩圖 二、 分析畫出豎直方向所受剪切力 Fvs 和彎矩 Mv， 豎直方向受力如圖 （ e） c 2 對 C 點受彎矩計算： Fr 2 ??55 ??M 2 ??FVd ??65 解得： FVc ??? FVd ?? 式中負號表示與圖中所示力的方向相反 畫 出豎直方向受力的剪力 FVs、彎矩 MV 圖，分別如圖 （ f）、圖 （ g） 圖 豎直方的剪力彎矩圖 23 計算力 F 和 F ： d 2 F ??F ??F M ??F ?? 本科機械畢業(yè)設(shè)計論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計 由公式 M ? M 2 H ? M 2 V 計算總彎矩 M，并畫出總彎矩圖 M。如圖 （ h） 扭矩 T 如圖 （ i）所示 圖 總彎矩圖 （ 3）．由第三強度理論進行彎扭合成校核 由彎矩圖 M 可知 e 處為危險截面，對 e 截面進行強度校核計算 。 W 由于扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對稱循環(huán)應(yīng)力取 ????1， W 為抗彎截面系數(shù)，由抗彎截面系數(shù) 32 帶入公式計算得 ??ca ?? 24 2 2 M ????T 2 2 由公式 ????????????????4????? 3 ?d W ??????????????d ??60mm 本科機械畢業(yè)設(shè)計論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計 由軸的常用力學性能表查得 ?? ?1 ????170 ~ 217 所以由計算可知 ? ca ???? ?1 ?，滿足強度要求。 （手腕仰擺處軸） （ 1） 結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)如圖 所示，選取圓錐滾子軸承支撐 ,為便于軸承的裝配 ,取裝軸承處 的直徑 d1=47mm。材料選擇為 45 鋼。 圖 手腕仰擺軸 （ 2）受力分析，畫出彎矩、扭矩圖 將此軸簡化為簡支梁，如圖 （ a）所示 圖 彎矩圖 25 本科機械畢業(yè)設(shè)計論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計 由于腕部轉(zhuǎn)矩很小，因此忽略腕部對此軸的轉(zhuǎn)矩和力。 Ft1 為鏈輪所受的切 向力，經(jīng)分析可知軸在豎直方向不受力，因此只進行水平方向的受力分析，如圖 （ b）所示。 計算 FVa 和 FVb ： 2Ft1 ??FVa ??FVb Ft1 ??21 ??FVb ??66 ??Ft1 ??87 解得： FVa ?? FV 2 ?? 畫出剪力 Fs、彎矩 MH 圖，如圖 （ c）、 （ d） 圖 剪力彎矩圖 （ 2） 由第三強度理論進行彎扭合成校核 由彎矩圖 M 可知由彎矩圖可知， ab 段為危險截面，對 ab 段截面進行強度校核計 算。 W 由于扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對稱循環(huán)應(yīng)力取 ????1， W 為抗彎截面系數(shù)，由抗彎截面系數(shù) 26 2 2 M ????T 由公式 ????????????????4????????????????????????????????其中 T＝ 0 本科機械畢業(yè)設(shè)計論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計 計算公式 W ? ?d 3 ，其中 d ?? 32 帶入公式計算得 ? ca ????? M W ?? 由軸的常用力學性能表查得 ?? ?1 ????170 ~ 217 [11][12] 所以由計算可知 ? ca ???? ?1 ?，滿足強度要求 。 （驅(qū)動小臂旋轉(zhuǎn)處的軸） （ 3） 結(jié)構(gòu)設(shè)計 軸的結(jié)構(gòu)如圖 所示，此軸主要承受扭矩，由電機參數(shù)可查出扭矩 T T＝ 圖 小臂手部旋轉(zhuǎn)軸 （ 4） 強度校核 經(jīng)分析可知，軸上有鍵槽處為危險截面，以直徑較小的軸處來校核強度。 WT 查抗扭截面系數(shù)表可計算 16 2d 16 2 ?18 WT 27 T ???????????????? ????????????????????滿足強度要求 。 T 由計算公式 ???????????????式中 W 為抗扭截面系數(shù) 3 3 3 3 ?d bt(d ??t) ?18 6??(18 ??) W ???????????????????????????????????????????????? 本科機械畢業(yè)設(shè)計論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計 第三章 諧波減速器 諧波減速器的發(fā)展 諧波傳動的出現(xiàn)是隨著五十年代空間科學，宇航尖端技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的。 它是在一九五三年由美國 發(fā)明的，一九五九年得到批準美國專利， 一九六零年在紐約展出實 物，并開始應(yīng)用在許多領(lǐng)域上。一九六一年開始介紹到 我國。諧波傳動的原理與建立在剛體力學基礎(chǔ)上的傳動的齒輪傳動不同。諧波傳 動時間里在薄殼彈性變形理論基礎(chǔ)上的一種新型傳動，它的出現(xiàn)被認為是機械傳 動中的重大革命，諧波傳動的發(fā)展必將推動許多工業(yè)產(chǎn)品的革新和革命。因而引 起了人們的重視，國外已建立了許多專門研究中心。 據(jù)資料介紹，美國有大量研究中心從事諧波傳動的研制工作，如國家航空、 宇航局，空軍，陸軍、海軍研究中心，尤其是著名的美國聯(lián)合制鞋機械公司（簡 稱 ）等。此外世界其它工業(yè)發(fā)達國家，如德國 、英國、瑞士都開展了諧 波傳動的研制工作及推廣應(yīng)用這項技術(shù)。 我國自一九六一年開始從事了這項技術(shù)的研究。長期以來，雖然從事諧波傳 動研制的單位很多，但由于人力的分散，沒有固定的專業(yè)隊伍，又無專門從事諧 波傳動的研究機構(gòu)和專門生產(chǎn)的廠家，又無系列化，標準化諧波傳動減速器作為 商品提供用戶使用，因而影響了這項技術(shù)的推廣應(yīng)用及發(fā)展。近年來，隨著四化 建設(shè)需要，國民經(jīng)濟各部門需要應(yīng)用這項新型傳動技術(shù)越來越普遍，諧波傳動技 術(shù)在我國有了較快的發(fā)展。一九八零年在電子工業(yè)部領(lǐng)導組織下，北京機械工程 學會諧波傳動組協(xié)助下 ，成立了電子工業(yè)部通用諧波傳動減速器標準化工作組， 并擬定了“中小功率通用諧波減速器標準草案”，其低速軸輸出力矩從 到 200kgm 至 650kgm。并與機械工業(yè)部洛陽軸承廠聯(lián)合研制為通用諧波減速器用的 標準化柔性軸承系列。其柔性軸承的最小外徑為 25 毫米，到最大外徑為 200 毫 米（至 315 毫米）。目前正在研制中。并且確定了具有先進小模數(shù)齒輪加工設(shè)備 和檢測設(shè)備的專業(yè)化生產(chǎn)諧波減速器的工廠。這一切將有益于進一步推動諧波傳 動在我國的發(fā)展及應(yīng)用。 諧波減速器的應(yīng)用 諧 波減速器 在國內(nèi)于 六七十年 代才開始 研制，到 目前已有 不少廠家 專門生 28 本科機械畢業(yè)設(shè)計論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計 產(chǎn)，并形成系列化。廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海、艦船、軍工、數(shù)控機床、加 工中心、機器人、機械臂、假肢、紡織機械、化纖機械、化工機械、石油機械、 冶金機械、礦山機械、輕工機械、食品機械、印刷噴繪機械、紙箱包裝機械、橡 塑機械、能源機械、節(jié)能設(shè)備、農(nóng)林牧漁機械、醫(yī)療設(shè)備、通訊設(shè)備、電子產(chǎn)品 制造設(shè)備、雷達設(shè)備、衛(wèi)星地面接收設(shè)備、氣象設(shè)備、真空制造設(shè)備、半導體制 造設(shè)備、玻璃制 造設(shè)備、晶體制造設(shè)備、自動控制設(shè)備、建材機械、電動工具、 自動焊接設(shè)備、電纜制造設(shè)備、電動閥門、高級儀器儀表、計量儀器、分析儀器、 電工工具、光學制造設(shè)備、核設(shè)施、高能物理實驗研究設(shè)備、空氣動力實驗研究 設(shè)備等行業(yè) 。 諧波減速器組成及工作原理 諧波傳動主要由波發(fā)生器、柔輪和剛輪三部分組成，如圖 所示。 圖 諧波減速器主要組成部分 柔輪常見的結(jié)構(gòu)型式 柔輪的結(jié)構(gòu)型式與諧波傳動的結(jié)構(gòu)類型選擇有關(guān)。柔輪和輸出軸的聯(lián)結(jié)方式 直接影響諧波傳動的穩(wěn)定性和工作性能。 1．筒形底端聯(lián)接式： 29 本科機械畢業(yè)設(shè)計論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計 結(jié)構(gòu)簡單，聯(lián)接方便，制造容易，剛性較大，應(yīng)用較普遍。 2．筒形花鍵聯(lián)接式： 軸向尺寸較小，扭轉(zhuǎn)剛性好，傳動精度較高，聯(lián)接方便，承載能力較大。 3．筒形銷軸聯(lián)接式： 軸向尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，但載荷沿齒寬分布不均勻。 波發(fā)生器常見的結(jié)構(gòu)型 波發(fā)生器是迫使柔輪發(fā)生彈性變形的重要元件，按變形的波數(shù)不同，常用的 有雙波和三波兩種。雙波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)型式主要有滾輪式、凸輪式、偏心盤式和 行星式，如圖 所示。 滾輪式又分為： 雙滾輪式： 圖 雙波發(fā)生器種類圖例 結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，形成波峰容易，但柔輪變形未被積極控制，承載能力 較低，多用于不重要的低精度輕載傳動。 多滾輪式： 柔輪變形全周被積極控制，承載能力較高，多用于不宜采用偏心盤式或凸輪 式波發(fā)生器的特大型傳動。 諧波減速器的工作原理 柔輪輪體很簿，其上有一段為特制的完整的 (360 度 )齒圈。波發(fā)生器的徑向 最大尺寸稍大于柔輪內(nèi)孔直徑，裝配時把它放人柔輪內(nèi)孔，使柔輪齒圈段變?yōu)闄E 圓形，并使橢圓長軸處兩點 的輪齒和剛輪相嚙合，而短軸處的輪齒脫開，若發(fā)生 器旋轉(zhuǎn)，則柔輪和剛輪嚙合區(qū)也隨著變化，輪齒依次助進人嚙合和脫離。對于雙 波 ( 如圖 )的傳動規(guī)律是：波發(fā)生 器轉(zhuǎn)一圈，柔輪相對于剛輪 在圓周方向轉(zhuǎn)過 30 本科機械畢業(yè)設(shè)計論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計 兩個齒距的弧長，它有兩個嚙合區(qū)。一般波數(shù) n 可寫成： n=Z2一 Z1 式中： Z2— 剛輪齒數(shù) Z1— 柔輪齒數(shù) 對于剛輪固定的諧波傳動的減速比 i 為： i ??? Z1 Z 2 ??Z1 圖 諧波減 速器原理圖 當波發(fā)生器為主動時，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動，就近使柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形 （可控 的彈性變形），這時柔輪的齒就在變形的過程 中進入（嚙合）或退出（嚙 離）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處在完 全的脫開。 波發(fā)生器通常成橢圓形的凸輪，將凸輪裝入薄壁軸承內(nèi)，再將它們裝入柔輪 內(nèi)。此時柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長軸兩端的柔輪與之配合的剛輪 齒則處于完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的內(nèi)齒沿齒高嚙合。這是嚙合區(qū)， 一般有 30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫 開狀態(tài)，簡稱脫開；在波發(fā)生器長軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區(qū) 31 本科機械畢業(yè)設(shè)計論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計 段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態(tài)，稱之為嚙出。 波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動時，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時波發(fā)生器的 連續(xù)轉(zhuǎn)動，就使柔輪齒的嚙入 — 嚙合 — 嚙出 — 脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復不斷地改 變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之錯齒運動，正是這一錯齒運動，作為減速 器就可將輸入的高速轉(zhuǎn)動變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動。 對于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動，當波發(fā)生器順時針轉(zhuǎn)動 1/8 周時，柔輪齒 與剛輪齒就由原來的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來脫開狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。