【導(dǎo)讀】針對(duì)焊接機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化中涉及到的新型結(jié)構(gòu)本體設(shè)計(jì)、高性能機(jī)器人控。統(tǒng)的精度，減少維護(hù)，同時(shí)也簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，降低了生產(chǎn)成本。汽車是焊接機(jī)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(guó)到1997年底僅有焊接機(jī)器人500臺(tái)，多為弧焊。接機(jī)器人的發(fā)展應(yīng)首先擴(kuò)大應(yīng)用數(shù)量和應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)也要盡快建立有我國(guó)自主

　　

【正文】 器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì) （ 2）．按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算 一、軸的受力分析，將軸簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)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(jì)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(jì)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(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機(jī)器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(duì) C 點(diǎn)受彎矩計(jì)算： Fr 2 ??55 ??M 2 ??FVd ??65 解得： FVc ??? FVd ?? 式中負(fù)號(hào)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(jì)算力 F 和 F ： d 2 F ??F ??F M ??F ?? 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機(jī)器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由公式 M ? M 2 H ? M 2 V 計(jì)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(qiáng)度理論進(jìn)行彎扭合成校核 由彎矩圖 M 可知 e 處為危險(xiǎn)截面，對(duì) e 截面進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算 。 W 由于扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對(duì)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(jì)算得 ??ca ?? 24 2 2 M ????T 2 2 由公式 ????????????????4????? 3 ?d W ??????????????d ??60mm 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機(jī)器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由軸的常用力學(xué)性能表查得 ?? ?1 ????170 ~ 217 所以由計(jì)算可知 ? ca ???? ?1 ?，滿足強(qiáng)度要求。 （手腕仰擺處軸） （ 1） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，如圖 （ a）所示 圖 彎矩圖 25 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機(jī)器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由于腕部轉(zhuǎn)矩很小，因此忽略腕部對(duì)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(jìn)行水平方向的受力分析，如圖 （ b）所示。 計(jì)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(qiáng)度理論進(jìn)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(xiǎn)截面，對(duì) ab 段截面進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì) 算。 W 由于扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對(duì)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(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機(jī)器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 計(jì)算公式 W ? ?d 3 ，其中 d ?? 32 帶入公式計(jì)算得 ? ca ????? M W ?? 由軸的常用力學(xué)性能表查得 ?? ?1 ????170 ~ 217 [11][12] 所以由計(jì)算可知 ? ca ???? ?1 ?，滿足強(qiáng)度要求 。 （驅(qū)動(dòng)小臂旋轉(zhuǎn)處的軸） （ 3） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸的結(jié)構(gòu)如圖 所示，此軸主要承受扭矩，由電機(jī)參數(shù)可查出扭矩 T T＝ 圖 小臂手部旋轉(zhuǎn)軸 （ 4） 強(qiáng)度校核 經(jīng)分析可知，軸上有鍵槽處為危險(xiǎn)截面，以直徑較小的軸處來(lái)校核強(qiáng)度。 WT 查抗扭截面系數(shù)表可計(jì)算 16 2d 16 2 ?18 WT 27 T ???????????????? ????????????????????滿足強(qiáng)度要求 。 T 由計(jì)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(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機(jī)器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第三章 諧波減速器 諧波減速器的發(fā)展 諧波傳動(dòng)的出現(xiàn)是隨著五十年代空間科學(xué)，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(guó) 發(fā)明的，一九五九年得到批準(zhǔn)美國(guó)專利， 一九六零年在紐約展出實(shí) 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(guó)。諧波傳動(dòng)的原理與建立在剛體力學(xué)基礎(chǔ)上的傳動(dòng)的齒輪傳動(dòng)不同。諧波傳 動(dòng)時(shí)間里在薄殼彈性變形理論基礎(chǔ)上的一種新型傳動(dòng)，它的出現(xiàn)被認(rèn)為是機(jī)械傳 動(dòng)中的重大革命，諧波傳動(dòng)的發(fā)展必將推動(dòng)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(guó)外已建立了許多專門研究中心。 據(jù)資料介紹，美國(guó)有大量研究中心從事諧波傳動(dòng)的研制工作，如國(guó)家航空、 宇航局，空軍，陸軍、海軍研究中心，尤其是著名的美國(guó)聯(lián)合制鞋機(jī)械公司（簡(jiǎn) 稱 ）等。此外世界其它工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如德國(guó) 、英國(guó)、瑞士都開展了諧 波傳動(dòng)的研制工作及推廣應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。 我國(guó)自一九六一年開始從事了這項(xiàng)技術(shù)的研究。長(zhǎng)期以來(lái)，雖然從事諧波傳 動(dòng)研制的單位很多，但由于人力的分散，沒(méi)有固定的專業(yè)隊(duì)伍，又無(wú)專門從事諧 波傳動(dòng)的研究機(jī)構(gòu)和專門生產(chǎn)的廠家，又無(wú)系列化，標(biāo)準(zhǔn)化諧波傳動(dòng)減速器作為 商品提供用戶使用，因而影響了這項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用及發(fā)展。近年來(lái)，隨著四化 建設(shè)需要，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門需要應(yīng)用這項(xiàng)新型傳動(dòng)技術(shù)越來(lái)越普遍，諧波傳動(dòng)技 術(shù)在我國(guó)有了較快的發(fā)展。一九八零年在電子工業(yè)部領(lǐng)導(dǎo)組織下，北京機(jī)械工程 學(xué)會(huì)諧波傳動(dòng)組協(xié)助下 ，成立了電子工業(yè)部通用諧波傳動(dòng)減速器標(biāo)準(zhǔn)化工作組， 并擬定了“中小功率通用諧波減速器標(biāo)準(zhǔn)草案”，其低速軸輸出力矩從 到 200kgm 至 650kgm。并與機(jī)械工業(yè)部洛陽(yáng)軸承廠聯(lián)合研制為通用諧波減速器用的 標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)小模數(shù)齒輪加工設(shè)備 和檢測(cè)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(jìn)一步推動(dòng)諧波傳 動(dòng)在我國(guó)的發(fā)展及應(yīng)用。 諧波減速器的應(yīng)用 諧 波減速器 在國(guó)內(nèi)于 六七十年 代才開始 研制，到 目前已有 不少?gòu)S家 專門生 28 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機(jī)器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jī)床、加 工中心、機(jī)器人、機(jī)械臂、假肢、紡織機(jī)械、化纖機(jī)械、化工機(jī)械、石油機(jī)械、 冶金機(jī)械、礦山機(jī)械、輕工機(jī)械、食品機(jī)械、印刷噴繪機(jī)械、紙箱包裝機(jī)械、橡 塑機(jī)械、能源機(jī)械、節(jié)能設(shè)備、農(nóng)林牧漁機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、通訊設(shè)備、電子產(chǎn)品 制造設(shè)備、雷達(dá)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(dǎo)體制 造設(shè)備、玻璃制 造設(shè)備、晶體制造設(shè)備、自動(dòng)控制設(shè)備、建材機(jī)械、電動(dòng)工具、 自動(dòng)焊接設(shè)備、電纜制造設(shè)備、電動(dòng)閥門、高級(jí)儀器儀表、計(jì)量?jī)x器、分析儀器、 電工工具、光學(xué)制造設(shè)備、核設(shè)施、高能物理實(shí)驗(yàn)研究設(shè)備、空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)的穩(wěn)定性和工作性能。 1．筒形底端聯(lián)接式： 29 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機(jī)器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)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(jiǎn)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(jiǎn)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(dòng)。 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(dòng)。 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(shí)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(zhǎng)軸處兩點(diǎn) 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(jìn)人嚙合和脫離。對(duì)于雙 波 ( 如圖 )的傳動(dòng)規(guī)律是：波發(fā)生 器轉(zhuǎn)一圈，柔輪相對(duì)于剛輪 在圓周方向轉(zhuǎn)過(guò) 30 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機(jī)器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 兩個(gè)齒距的弧長(zhǎng)，它有兩個(gè)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(duì)于剛輪固定的諧波傳動(dòng)的減速比 i 為： i ??? Z1 Z 2 ??Z1 圖 諧波減 速器原理圖 當(dāng)波發(fā)生器為主動(dòng)時(shí)，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，就近使柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形 （可控 的彈性變形），這時(shí)柔輪的齒就在變形的過(guò)程 中進(jìn)入（嚙合）或退出（嚙 離）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長(zhǎng)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(shí)柔輪由原來(lái)的圓形而變成橢圓形，橢圓長(zhǎng)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(jiǎn)稱脫開；在波發(fā)生器長(zhǎng)軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長(zhǎng)的不同區(qū) 31 本科機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 CAD 圖紙 401339828 焊接機(jī)器人腕小臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(dòng)時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時(shí)波發(fā)生器的 連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(fù)不斷地改 變各自原來(lái)的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，正是這一錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，作為減速 器就可將輸入的高速轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動(dòng)。 對(duì)于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動(dòng)，當(dāng)波發(fā)生器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 1/8 周時(shí)，柔輪齒 與剛輪齒就由原來(lái)的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來(lái)脫開狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。