機器人腰轉傳動中消隙設計.doc

摘要為了提高機器人的傳動精度,滿足實際工作需要,本課題對其腰部傳動進行了消隙設計。根據(jù)機器人的工作要求和結構特點，進行了機器人的總體設計，確定了機器人的外形尺寸和工作空間，擬定了機器人各關節(jié)的總體傳動方案，對機器人腰關節(jié)結構進行了詳細設計，合理布置了電機和齒輪，確定了各級傳動參數(shù)，分別對齒輪和軸進行了詳細的設計計算并進行了校核。最后用雙片薄齒輪錯齒調隙法對其腰部傳動進行了消隙設計，保證傳動的精確性。其在結構上的簡便、經(jīng)濟性也為其在以后的推廣和應用中提供了便利條件。關鍵詞：機器人，總體設計，腰部結構設計，消隙設計ThewaiststructuraldesignofarticulatedrobotAbstractInordertoincreaserobotstransmissionprecision,meetsthepracticalworkneeds,thistopiccarriedontohis/herthewaisttransmissionhasdisappearedthecrackdesign.Accordingtorobotsworkrequirementandtheuniquefeature,havecarriedonrobotssystemdesign,haddeterminedrobotsexternaldimensionsandtheworkingspace,havedrawnuptherobotvariousjointsoveralltransmissionplan,hascarriedonthedetaileddesigntotherobotwaistjointstructure,hasarrangedtheelectricalmachineryandthegearreasonably,haddeterminedalllevelsoftransmissionparameter,distinguishedthecountergearandtheaxishascarriedonthedetaileddesigncalculationandhascarriedontheexamination.Finallyusedthebiplatethingearwrongtoothtoadjustthecracklawtocarryontohis/herthewaisttransmissionhasdisappearedthecrackdesign,theguaranteetransmissionaccuracy.Itinthestructuresimple,theefficiencyalsohasprovidedtheconvenientconditionforitinthelaterpromotionandtheapplication.Keyword:robot,systemdesign,waiststructuraldesign,目錄1緒論.12機器人總體結構設計.12.1確定基本技術參數(shù).12.1.1機械結構類型的選擇.12.1.2額定負載.22.1.3工作范圍.22.1.4操作機的驅動系統(tǒng)設計.32.2機器人本體結構設計.43機器人腰部結構設計.63.1電機的選擇.73.2計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比.83.3軸的設計計算.83.3.1計算各軸轉速、轉矩和輸入功率.93.3.2確定三根軸的具體尺寸.93.4確定齒輪的參數(shù).143.4.1選擇材料.143.4.2壓力角的選擇.143.4.3齒數(shù)和模數(shù)的選擇.143.4.4齒寬系數(shù)d.143.4.5確定齒輪傳動的精度.153.4.6齒輪的校核.164拉簧消隙設計.194.1消隙拉簧設計原則.204.2設計步驟.205結論.23致謝.24參考文獻.241緒論機器人是現(xiàn)代一種典型的光機電一體化產(chǎn)品，機器人學也是當今世界極為活躍的研究領域之一，它涉及計算機科學、機械學、電子學、自動控制、人工智能、等多個學科。機器人從出現(xiàn)到現(xiàn)在的短短幾十年中，已經(jīng)廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領域，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，機器人已經(jīng)人類不可缺少的好幫手；在航空航天、海底探險中，機器人更是能完成人類難以完成的工作。隨著計算機、人工智能和光機電一體化技術的迅速發(fā)展，機器人已不僅僅局限于工業(yè)領域的應用，它還將發(fā)展成具有人類智能的智能型機器人，具有一定的感覺思維能力和自主決策能力。在機器人要腰部傳動中，理論上一對齒輪在嚙合時應該無側隙，但實際上為了補償由于制造、安裝誤差及溫度變化而引起的尺寸變化，以防止被卡死，在輪齒非工作面間必須有一定的齒側間隙，此間隙在進給系統(tǒng)反向時就會產(chǎn)生空程誤差.因此通過對彈簧消隙方法的分析，明確了齒輪消隙機構的本質，即給嚙合齒輪加載力矩?；谶@一原理下從而減小或消除空程誤差，提高機器人傳動精度。2機器人總體結構設計2.1確定基本技術參數(shù)2.1.1機械結構類型的選擇為實現(xiàn)總體機構在空間的位置提供的6個自由度，可以有不同的運動組合，根據(jù)本課題可以將其設計成以下五種方案：a.圓柱坐標型這種運動形式是通過一個轉動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標型比較，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。b.直角坐標型直角坐標型工業(yè)機器人，其運動部分由三個相互垂直的直線移動組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離，可在各坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高、結構簡單，但機體所占空間體積大、靈活性較差。c.球坐標型又稱極坐標型，它由兩個轉動和一個直線移動所組成，即一個回轉，一個俯仰和一個伸縮運動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結構緊湊、工作空間范圍大的特點，但結構復雜。d.關節(jié)型關節(jié)型又稱回轉坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關節(jié)都是回轉關節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關節(jié)，大臂和小臂間形成肘關節(jié)，可使大臂作回轉運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取靠進機座的物體。e.平面關節(jié)型采用兩個回轉關節(jié)和一個移動關節(jié)；兩個回轉關節(jié)控制前后、左右運動，而移動關節(jié)則實現(xiàn)上下運動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉體，縱截面高為移動關節(jié)的行程長，兩回轉關節(jié)轉角的大小決定回轉體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。對以上五種方案進行比較：方案一不能夠完全實現(xiàn)本課題所要求的動作；方案二體積大，靈活性差；方案三結構復雜；方案五無法實現(xiàn)本課題的動作。結合本課題綜合考慮決定采用方案四：關節(jié)型機器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動作靈活，工藝操作精度高。2.1.2額定負載目前,國內外使用的工業(yè)機器人中,其負載能力的范圍很大,最小的額定負載在5N以下,最大可達9000N。負載大小的確定主要是考慮沿機器人各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應包括機器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務要求是保證手腕部能承受的最大載荷是6kg。2.1.3工作范圍工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中的操作范圍和運動的軌跡來確定的,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機器人的機械結構坐標型式、自由度數(shù)和操作機各手臂關節(jié)軸線間的長度和各關節(jié)軸轉角的大小及變動范圍的選擇。圖1運動范圍圖2.1.4操作機的驅動系統(tǒng)設計關節(jié)型機器人本體驅動系統(tǒng)包括驅動器和傳動機構，它們常和執(zhí)行機構聯(lián)成一體，驅動臂桿和載荷完成指定的運動。通常的機器人驅動方式有以下四種:a.步進電機：可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結構簡單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運動精度較差，負載和沖擊震動過大時會造成“失步”現(xiàn)象。b.直流伺服電機：直流伺服電機具有良好的調速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應等特點，并且控制技術成熟。其安裝維修方便，成本低。c.交流伺服電機：交流伺服電機結構簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進電機相比價格要貴一些。隨著可關斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場效應管MOSFET等電力電子器件、脈沖調寬技術(PWM)和計算機控制技術的發(fā)展，使交流伺服電機在調速性能方面可以與直流電機媲美。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率，提供很高的響應速度。d.液壓伺服馬達：液壓伺服馬達具有較大的功率/體積比，運動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負載能力也比較大，能夠抓住重負載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅動功率這幾項關鍵技術考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅動方式