【正文】 自由度焊接機器人機座可分成固定式和行走式兩種，一般的工業(yè)機器人大多為固定式的。本課題采用固定式機座。主要包括立柱回轉(zhuǎn)（第一關(guān)節(jié)）的二級齒輪減速傳動，減速箱體即為基座。 圖 37 焊接機器人機座第四章 焊接機器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 41 腕部傳動原理圖表 41 主要規(guī)格參數(shù)手腕回轉(zhuǎn) ?120s/30?手腕擺動 ?9?動作范圍手腕旋轉(zhuǎn) ?36s/?額定載荷 kg4最大速度 sm/2 回轉(zhuǎn)部分 選擇電動機 選擇電動機的類型 由已知可知：手腕的最大負荷重量 m1=4kg，初估腕部的重量 m2=4kg，最大運動速度=2m/s 。因此我選擇 Z 型并勵直流電動機，技術(shù)參數(shù)如下： 表 42 Z 型并勵直流電動機技術(shù)參數(shù) 傳動裝置的總傳動比及各級傳動比分配 傳動裝置的總傳動比先根據(jù)下式求角速度 = ＝ ＝20 r/s （41） ?為角速度(r/s) ，V 為運動速度（ m/s） ， R 為機械接口到轉(zhuǎn)動軸的距離(m)。 ????n為轉(zhuǎn)速(r/min) 。n最后求得總傳動比i 總＝ ＝ 取整 i 總 1=1039。 計算傳動裝置的運動參數(shù)和動力參數(shù) 軸的計算1 軸———電動機軸： kw ? （43）r/min2=nNpT??? 2 軸———高速軸： kw .38=.6 4η P0=2 ? N2= = = 1000 r/min （44）1in mNT????3 軸———低速軸 kw =.9 .8=η3 P13?? N3= = =200 r/min （45）02in5T3=9550 mNⅢ??.表 43 將計算的運動參數(shù)和動力參數(shù)列表：名稱 轉(zhuǎn)速n（ ）mi/r輸入功率/KW 輸入扭矩/ N?材料 傳動比i 效率η0軸 2022 45鋼1軸 1000 45鋼2軸 200 45鋼25 確定軸的具體尺寸兩實心軸的材料均選用45號鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力 = 30MPa，由許用應(yīng)力確???定的系數(shù)為C=120.（1）第一根軸 ①此軸傳遞扭矩 mNT???? WP40?? ?安裝軸承部分軸徑最小,由于整個軸上零件較復(fù)雜,在兩軸承之間有車在軸上的齒輪,還有安裝在軸上的小齒輪,以及軸套和軸承,所以 可取大一點,這里取。表 44 單列角接觸球軸承主要參數(shù)基本尺寸/mm軸承代號基本額定載荷/KN重量/Kg安裝尺寸/mm數(shù)量d D BCr C0rdaminDamaxramax角接觸球軸 承7205AC25 52 15 31 46 1 4表 45 普通平鍵的主要尺寸軸徑/mm 型號 鍵寬/mm 鍵高/mm 鍵長/mm 材料20 B 6 6 28 45 鋼軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，進行校核計算。進行軸的強度校核計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強度條件計算，對于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強度條件計算，兩者都具備的按疲勞強度條件進行精確校核等。 NFTrt ??圖 42 軸畫軸的受力簡圖 見圖 4－3 計算過程如下：在水平面上 （49）???? （410）NFrHRHR ??在垂直面上 （411）畫彎矩圖 見圖 3－3在水平面上， 剖面左側(cè)a— （412） mNlFMHRa ?????剖面右側(cè) mNlFMHRa ?????39。 圖 43 軸的受力分析和彎扭矩圖合成彎矩， 剖面左側(cè)a— （414)mNMaVaH ??????剖面右側(cè)a (415)aVa ?.39。39。軸的彎扭合成強度校核許用彎曲應(yīng)力 ， ， []Mpab601=σ[]pab10=σ[]==bσα同理可得截面左側(cè)a (416) 331205810mdW? （417）????? ?????? MpaTMe .6)6.(4)(222③軸的疲勞強度安全系數(shù)校核查得抗拉強度 ，彎曲疲勞強度 ，剪切疲勞極限 ，paB650=σ301?Mpa15??等效系數(shù) ， 截面左側(cè)a— (418) 332458mdWT?查得 ， ；查得絕對尺寸系數(shù) ， ；軸經(jīng)磨削加工，表面1= ???2.??質(zhì)量系數(shù) 。其它軸用相同方法計算，[]～=S[]a—結(jié)果都滿足要求。查機械設(shè)計手冊，選用7級精度的齒輪。 壓力角 的選擇?由機械原理知識可知,增大壓力角,能使輪齒的齒厚和節(jié)點處的齒廓曲率半徑增大,可提高齒輪的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。? 齒數(shù)和模數(shù)的選擇對軟齒面的閉式齒輪傳動,其承載能力主要取決于齒面接觸疲勞強度。因此在滿足彎曲疲勞強度的前提下,宜選擇較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)。 軸上齒輪齒數(shù) 取 25,小齒輪齒數(shù) 取 100, 軸上軸齒輪齒數(shù) 取 25,大齒?1z2z?3z輪齒數(shù) 取 300,模數(shù) m 取 2。但增大齒寬,齒面上的載荷分布不均勻性也將增大。懸臂上的齒輪與小齒輪嚙合時取 為 。d?1db??算結(jié)果圓整為 5 的整數(shù)倍,作為大齒輪的齒寬 ,小齒輪齒寬取 ,以補2bmb)105(21～??償加工裝配誤差。1 b439。m。 （1）設(shè)計準則 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。（4）校核齒根彎曲疲勞強度 查得 ，,.21?FSFSY7.??Y校核兩齒輪的彎曲強度 ??132321 . FFsdF MPamzKT ???? ???? （436）??2122 MPaY??????所以齒輪完全達到要求。齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計與齒輪的幾何尺寸、毛坯、材料、加工方法、使用要求及經(jīng)濟性等因素有關(guān)。通常是先按齒輪的直徑大小，選定合適的結(jié)構(gòu)形式，然后再根據(jù)薦用的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。若 e 值超過上述尺寸時，齒輪與軸以分開制造為合理。當(dāng)齒頂圓直徑 400da1000mm 時，可做成輪輻式截面為“十”字形的輪輻式結(jié)構(gòu)的齒輪。但是“十”字形的輪輻式齒輪的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)計和加工較為煩瑣，加大了成本的消耗，所以不建議采用“十”字形的輪輻式結(jié)構(gòu)。綜合腹板式結(jié)構(gòu)和“十”字形的輪輻式結(jié)構(gòu)所設(shè)計的大齒輪的大體結(jié)構(gòu)尺寸如圖所示。 表 4－11 齒輪的幾何尺寸符號 公式分度圓直徑 d zd4021??? mzd2022??齒頂高 ahmha?齒根高 f cf 6.).()(?齒頂圓直徑 ad hdaa4os21????mhdaa20cos2???齒根圓直徑 f mff 37cff 197?齒頂角 a?0195./tanRha?齒根角 f 23.?ff分度圓錐角 ?6/simz?頂錐角 a ?.10?aa?根錐角 f ??ff錐距 RzR2sin/?齒寬 )35.~20 確定齒輪傳動的精度根據(jù)GB100951988規(guī)定,齒輪精度等級分為12級,1級最高 ,12級最低,常用6～9級。由上述可知，已選定齒輪采用 45 鋼，鍛造毛坯，軟齒面，齒輪滲碳淬火HRC56～62，齒輪精度用 7 級，軟齒表面粗糙度為 ，對于需校核的一對的齒輪，.1?aR齒數(shù)分別為 ， ，模數(shù)為 2，傳動比 ，扭矩 T=第二級嚙合203?z14z 5i齒輪的幾何尺寸（如表 44）所示。若 e 值超過上述尺寸時，齒輪與軸以分開制造為合理。當(dāng)齒頂圓直徑400da1000mm 時，可做成輪輻式截面為“十”字形的輪輻式結(jié)構(gòu)的齒輪。501?i 402?i由上可知計算軸的數(shù)據(jù)軸的主要設(shè)計參數(shù)表 412名稱 轉(zhuǎn)速n（ ）mi/r輸入功率/W 輸入扭矩/ mN?材料 傳動比i 效率η1軸 2022 400 45鋼2軸 400 380 45鋼3軸 100 360 45鋼54表413 單列角接觸球軸承主要參數(shù)基本尺寸/mm 基本額定載荷/KN安裝尺寸/mm軸承代號 d D BCr C0r重量/Kg daminDamaxramax數(shù)量角接觸球軸 承 7204AC 20 47 14 26 41 1 4表 414 普通平鍵的主要尺寸軸徑/mm 型號 鍵寬/mm 鍵高/mm 鍵長/mm 材料20 B 8 6 20 45 鋼軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，進行校核計算。進行軸的強度校核計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強度條件計算，對于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強度條件計算，兩者都具備的按疲勞強度條件進行精確校核等。齒輪的分度圓直徑為 40mm,齒輪兩端裝有軸承,上裝型號為 滾動軸承 7206AC,內(nèi)徑為 30mm 齒輪參數(shù)表 415 第一級嚙合齒輪的幾何尺寸名稱 符號 公式分度圓直徑 dmzd4021???m82齒頂高 ahha?齒根高 f cf ).01()( ?????齒全高 h ?齒頂圓直徑 1ad da1 mhdaa8422齒根圓直徑 f hff 352??ff 75??基圓直徑 ? .52?齒距 pp2843???齒厚 ss1./齒槽寬 eme中心距 ada60)(21??頂隙 cc5..???由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，小齒輪將做成齒輪軸。m。 圖 47 圓錐齒輪結(jié)構(gòu)示意圖圖 48 腕部裝配總圖第五章 結(jié)論我國機器人的研究和應(yīng)用起步較晚，但是隨著國內(nèi)外機器人的快速發(fā)展、社會需求的增大和技術(shù)的進步，焊接機器人得到了迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，是推動裝焊接機器人發(fā)展的直接動力。本課題正是在這種背景下提出來的，這是一項具有重要意義的課題。六個自由度均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。第一個關(guān)節(jié)采用二級齒輪傳動，這種傳動方式具有精度高、定位安裝方便等優(yōu)點。運用 DH 方法建立了桿件坐標(biāo)系，完成了機器人的運動學(xué)分析，包括正運動學(xué)方程的推導(dǎo)和逆運動學(xué)解的求取。能引導(dǎo)我們將理論知識運用于實踐中，并給我們講解在實踐中可能遇到的問題幾該如何解決此問題，有助于我們對理論的進一步鞏固與運用。在這次畢業(yè)設(shè)計中，我不但鞏固了以前所學(xué)的知識，并從中學(xué)到了很多新的東西，尤其是《機械原理》和《機械設(shè)計》這兩門課程。在這一期間，讓我們體會到團隊精神的重要性，我也感謝我的同組人員胡文斌、胡兵、翟明明、袁君給予我的幫助。最后感謝我們機械 06 的所有同學(xué)，謝謝他們四年以來對我的關(guān)心和幫助，希望我們機械06 的所有同學(xué)在將來的日子里能夠蒸蒸日上，工作順心。謝謝！附錄 A Introduction to Robotics Mechanics and ControlThe history of industrial automation is characterized by periods of rapid change in popular methods. Either as a cause or, perhaps, an effect, such periods of change in automation techniques seem closely tied to world economics. Use of the industrial robot, which became identifiable as a unique device in the 1960s [1], along with puteraided design (CAD) systems and puteraided manufacturing (CAM) system