畢業(yè)設(shè)計(jì)44工業(yè)機(jī)器人

目 錄 I 目 錄 摘 要 . Abstract . 2 1 緒論 . 3 1.1 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介 . 3 1.2 工業(yè)機(jī)器手簡(jiǎn)介 . 3 2 工業(yè)機(jī)器人手腕的總體設(shè)計(jì) . 4 2.1 機(jī)器人手腕總體設(shè)計(jì)概述 . 4 2.2 腕部的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) . 6 2.2.1 概述 . 6 2.2.2 單自由度手腕 . 6 2.2.3 二自由度手腕 . 7 2.2.4 三自由度手腕 . 7 2.2.5 柔順手腕結(jié)構(gòu) . 8 2.3 腕部的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) . 9 2.4 設(shè)計(jì)要求 . 10 3 機(jī)器人手腕的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 11 3.1 三個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn) . 11 3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) . 13 3.3 手腕內(nèi)部其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) . 14 4 機(jī) 器人手腕的機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算 . 16 4.1 錐齒輪 12， 13 的設(shè)計(jì)計(jì)算 . 16 4.1.1 選材料并確定初步參數(shù) . 16 4.1.2 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 . 16 4.1.3 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 . 17 4.1.4 主要幾何尺寸計(jì)算 . 18 4.2 錐齒輪 17， 16 的設(shè)計(jì) . 18 4.2.1 選材料并確定初步參數(shù) . 18 目 錄 II 4.2.2 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 . 19 4.2.3 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 . 20 4.2.4 主要幾何尺寸計(jì)算 . 21 4.3 同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) . 22 4.3.1 設(shè)計(jì)功率dP. 22 4.3.2 帶輪的基本尺寸 . 23 5 三維造型的繪制 . 24 5.1 造型軟件簡(jiǎn)介 . 24 5.2 典型零件的繪制 . 27 結(jié) 論 . 53 致 謝 . 54 參考文獻(xiàn) . 55 摘 要 摘 要 在工業(yè)上，機(jī)器人有著廣泛的應(yīng)用，尤其是在高溫，高壓，粉塵，噪音 ，以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合 。而工業(yè)機(jī)器人是相對(duì)較新的電子設(shè)備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。 手腕是連接末端執(zhí)行器和手臂的關(guān)鍵， 是聯(lián)接手部與臂部的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位 。 本設(shè)計(jì)為三自由度工業(yè)機(jī)器人手腕，可以在兩個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)在一個(gè)方向上彎轉(zhuǎn)。三維造型采用的造型軟件為 Pro/ENGINEER, Pro/ENGINEER Wildfire 野火版 2.0 以其易學(xué)易用、功能強(qiáng)大和互連互通的特點(diǎn)，推動(dòng)了整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)機(jī)構(gòu)中個(gè)人效率和過(guò)程效率的提高。它既能節(jié)省時(shí)間和成本，又能提高產(chǎn)品質(zhì)量。 本文是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作 和造型過(guò)程 較全面的介紹和總結(jié)。 關(guān)鍵詞： 三自由度，機(jī)器人 手腕 ， 工業(yè)機(jī)器人 Abstract 2 Abstract Industrially, Industrial robots are found in numerous applications,especially in the place where high temperature, high pressure ,dust,noises,radioativity and infectant. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. Wrist is the key of elemet which connect arm and final implement.Adjust the workpiece is its function.This scheme introduced a industrial robot wrist with three degree of freedom. It is composed of one bend axis and two rotary axes.Use Pro/ENGINEER Wildfire drawing 3D model. The software that the 3D shape adopt is Pro/ENGINEER, the Pro/ENGINEER Wildfire version 2.0 with it easy to learn easily use of characteristics, pushed the exaltation of personal efficiency and the process efficiency in the whole product development organization.It since can save time and cost, and then raise product quality.This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work and the drawing of 3D model. KeyWords： three degrees of freedom, robot wrist, Industrial robot 1 緒論 3 1 緒論 1.1 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介 工業(yè)機(jī)械手（以下簡(jiǎn)稱機(jī)械手）是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一，它能部分的代替人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序，時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大的改善工人的勞動(dòng)條件， 顯著的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的重視，投入大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫，高壓，粉塵，噪音，以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來(lái)也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。 1.2 工業(yè)機(jī)器手簡(jiǎn)介 機(jī)械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序。以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械，記 憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)。它起源于原子，軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)械手來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鑄造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱為 Mechanical Hand，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)外，工程程序一般是固定的，因此是專用的。 機(jī)器人手腕是機(jī)械手的一部分。 手腕是連接末端執(zhí)行器和手臂的關(guān)鍵， 是聯(lián)接手部與臂部的部件， 它的作用是調(diào)整 或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，為使機(jī)器人末端執(zhí)行器能處于空間任意方向，要求腕部能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間三個(gè)坐標(biāo)軸 X、 Y、 Z 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這便是腕部運(yùn)動(dòng)的三個(gè)自由度，分別稱為翻轉(zhuǎn) R（ Roll）、俯仰 P（ Pitch）和偏轉(zhuǎn) Y（ Yaw）。根據(jù)使用要求，手腕的自由度不一定是 3 個(gè)，可以是 1 個(gè)， 2 個(gè)，或比 3 個(gè)更多。手腕自由度的選用與機(jī)器人的通用性，加工工藝性，工件放置方位和定位精度等有關(guān)。 2 工業(yè)機(jī)器人手腕的總體設(shè)計(jì) 4 2 工業(yè)機(jī)器人手腕的總體設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)器人手腕總體設(shè)計(jì)概述 手腕是連接末端執(zhí)行器和手臂的關(guān)鍵， 是聯(lián)接手部與臂部的部件， 它的作用是調(diào)整或 改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，為使機(jī)器人末端執(zhí)行器 能處于空間任意方向，要求腕部能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間三個(gè)坐標(biāo)軸 X、 Y、 Z 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這便是腕部運(yùn)動(dòng)的三個(gè)自由度，分別稱為翻轉(zhuǎn) R（ Roll）、俯仰 P（ Pitch）和偏轉(zhuǎn) Y（ Yaw）。 根據(jù)使用要求，手腕的自由度不一定是 3 個(gè)，可以是 1 個(gè)， 2 個(gè)，或比 3個(gè)更多。手腕自由度的選用與機(jī)器人的通用性，加工工藝性，工件放置方位和定位精度等有關(guān)。 （ a） 腕部坐標(biāo)系 （ b） 手腕的俯仰 （ c） 手腕的偏轉(zhuǎn) （ d） 手腕的回轉(zhuǎn) 圖 1 腕部的坐標(biāo)系 2 工業(yè)機(jī)器人手腕的總體設(shè)計(jì) 5 英文關(guān)鍵詞的每一個(gè)字母均小寫，每個(gè)關(guān)鍵詞之間用半角逗號(hào)分開，最后一個(gè)關(guān)鍵詞后不打標(biāo)點(diǎn)符號(hào)。 不用此信息時(shí)，刪除此框 。 確定末端執(zhí)行器的作業(yè)方法，一般需要 3 個(gè)自由度，由 3 個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組合而成，組合的方式有多種多樣。常用的如圖 1 所示，腕關(guān)節(jié)配置一般由臂轉(zhuǎn)、腕擺、手轉(zhuǎn)三部分組成。 （ 1） 臂轉(zhuǎn) 繞小臂軸線方向的旋轉(zhuǎn)稱為臂轉(zhuǎn)。 （ 2） 腕擺 使末端執(zhí)行器相對(duì)于手臂進(jìn)行的擺動(dòng)稱腕擺。 （ 3） 手轉(zhuǎn) 使末端執(zhí)行器（手部）繞自身軸線方向的旋轉(zhuǎn)稱為手轉(zhuǎn)。 圖 2（ a）所示的腕部關(guān)節(jié)配置為臂轉(zhuǎn)、腕擺、手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，圖 2（ b）所示的為臂轉(zhuǎn)、雙腕擺、手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。 圖 2 腕部的偏轉(zhuǎn)軸線 手腕的設(shè)計(jì)除應(yīng)滿足起動(dòng)和傳遞過(guò)程 中所需的輸出力矩外，還要求滿足以下要求： （ 1） 由于腕部處于手臂末端，為減輕手臂的載荷，應(yīng)力求腕部結(jié)構(gòu)緊湊、減少重量和體積。腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置多采用分離傳動(dòng)，將驅(qū)動(dòng)器安置在手臂的后端。 （ 2） 手腕部件的自由度越多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍越大，動(dòng)作靈活性越高，但會(huì)使手腕結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)控制難度加大。因此不應(yīng)盲目增加手腕的自由度。通用的機(jī)器人手腕多配置 3 個(gè)自由度，某些專用工業(yè)機(jī)器人的手腕，根據(jù)實(shí)際需要，可減少其自由度。 （ 3） 為提高腕部動(dòng)作的精確性，應(yīng)提高傳動(dòng)的剛度，盡量減少機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)回差。 （ 4） 對(duì)手腕各回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸上要設(shè)置限位開關(guān)，以防止關(guān)節(jié)超限造成事故。 2 工業(yè)機(jī)器人手腕的總體設(shè)計(jì) 6 2.2 腕部的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 2.2.1 概述 腕部結(jié)構(gòu)通常只采用轉(zhuǎn)動(dòng)方式，但也有的腕部可作短距離平移。 根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)特點(diǎn)的不同，用于手腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)又可細(xì)分為彎轉(zhuǎn)（用 B 來(lái)標(biāo)記）和滾轉(zhuǎn)（用 R 來(lái)標(biāo)記） ，分別如圖 3 中（ a）和（ b）所示。 圖 3 腕部的運(yùn)動(dòng)形式 2.2.2 單自由度手腕 可以由一個(gè) R 關(guān)節(jié)和一個(gè) B 關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成 BR 關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，或由兩個(gè) B 關(guān)節(jié)組成BB 關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，但不能由兩個(gè) RR 關(guān)節(jié)構(gòu)成二自由度手腕，因?yàn)閮蓚€(gè) R 關(guān)節(jié)的功能是重復(fù)的，實(shí)際上只起到 單自由度的作用 。 相鄰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸具有平行或垂直關(guān)系的手腕稱為簡(jiǎn)單手腕，是目前工業(yè)機(jī)器人用的最多的手腕結(jié)構(gòu) 。 2 工業(yè)機(jī)器人手腕的總體設(shè)計(jì) 7 圖 4 單自由度手運(yùn)動(dòng)形式 2.2.3 二自由度手腕 可以由一個(gè) R 關(guān)節(jié)和一個(gè) B 關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成 BR 關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，或由兩個(gè) B 關(guān)節(jié)組成BB 關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，但不能由兩個(gè) RR 關(guān)節(jié)構(gòu)成二自由度手腕，因?yàn)閮蓚€(gè) R 關(guān)節(jié)的功能是重復(fù)的，實(shí)際上只起到單自由度的作用 。 相鄰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸具有平行或垂直關(guān)系的手腕稱為簡(jiǎn)單手腕，是目前工業(yè)機(jī)器人用的最多的手腕結(jié)構(gòu) 。 圖 5 二自由度手腕運(yùn)動(dòng)形式 2.2.4 三自 由度手腕 有 R 關(guān)節(jié)和 B 關(guān)節(jié)的組合構(gòu)成的三自由度手腕可以有多種型式，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)功能。 其中 BBR 型的手腕最為流行。 2 工業(yè)機(jī)器人手腕的總體設(shè)計(jì) 8 （ c） （ d） （ e） （ f） 圖 6 三自由度手腕運(yùn)動(dòng)形式 2.2.5 柔順手腕結(jié)構(gòu) 在用機(jī)器人進(jìn)行精密裝配作業(yè)中，當(dāng)被裝配零件之間的配合精度相當(dāng)高，工件的定位夾具，機(jī)器人手部的定位精度無(wú)法滿足裝配要 求時(shí)，會(huì)導(dǎo)致裝配困難，因此就提出了裝配動(dòng)作的柔順性要求。 柔順性裝配技術(shù)分為兩種： （ 1） 主動(dòng)柔順裝配：從檢測(cè)、控制的角度，采取各種不同的搜索方法，實(shí)現(xiàn)邊校正邊裝配。一般手爪要配有檢測(cè)元件如視覺(jué)傳感器、力傳感器等。如圖 2 工業(yè)機(jī)器人手腕的總體設(shè)計(jì) 9 （ 2） 被動(dòng)柔順裝配（ Remote Center Compliance）：從結(jié)構(gòu)的角度在手腕配置一個(gè)柔順環(huán)節(jié)，以滿足柔順裝配的需要。 兩種柔順手腕的比較 ： 主動(dòng)柔順手腕 ： （ 1） 需要裝配一定功能的傳感器，價(jià)格較貴；由于反饋控制響應(yīng)能力的限制，裝配速度較慢。 （ 2） 可以在較大范圍內(nèi)進(jìn)行對(duì)中校正， 裝配間隙可少至幾個(gè)微米，通用性強(qiáng)。 被動(dòng)柔順手腕 ： （ 1） 允許的校正補(bǔ)償量受到限制，軸孔間隙不能太小。 （ 2） 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，裝配相對(duì)速度快。 2.3 腕部的 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 腕部關(guān)節(jié)可以采用遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)或直接驅(qū)動(dòng) 。 由于作業(yè)要求的不同，手腕的自由度數(shù)及其配置也會(huì)有不同，因此手腕的 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大體分為兩類 ： （ 1） 直接驅(qū)動(dòng)手腕： 驅(qū)動(dòng)源直接裝在手腕上。這種直接驅(qū)動(dòng)手腕的關(guān)鍵是能否設(shè)計(jì)和加工出尺寸小、重量輕而驅(qū)動(dòng)扭矩大、驅(qū)動(dòng)性能好的驅(qū)動(dòng)電機(jī)或液壓馬達(dá)。 圖 7 手腕驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) （ 2） 遠(yuǎn)距離傳動(dòng)手腕 ： 有時(shí)為了保證具有足 夠大的驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)裝置又不能做得足夠小，同時(shí)也為了減輕手腕的重量，采用遠(yuǎn)距離的驅(qū)動(dòng)方式，可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。 2 工業(yè)機(jī)器人手腕的總體設(shè)計(jì) 10 圖 8 手腕的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 2.4 設(shè)計(jì)要求 本課題所設(shè)計(jì)的是一個(gè)三自由度的機(jī)器人手腕，由法蘭固定在機(jī)器人小臂上，分別用三個(gè)直流伺服電機(jī)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。手腕主要分三部分：一部分是通過(guò)法蘭和小臂固結(jié)在一起，可實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；一部分是圍繞軸的擺動(dòng)；另外一部分就是手爪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。3 機(jī)器人手腕的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 3 機(jī)器人手腕的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 三個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn) 第一個(gè)自由度是繞圖中所示的軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該自由度的實(shí)現(xiàn)是由臂部 帶動(dòng)整個(gè)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。如圖 9 圖 9 第一個(gè)自由度的軸線 第二個(gè)自由度是手部的旋轉(zhuǎn)，繞圖中所示的軸線旋轉(zhuǎn)。如圖 10 第三個(gè)自由度為手腕沿圖示軸線腕部的彎轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。如圖 11 3 機(jī)器人手腕的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 圖 10 第二個(gè)自由度的軸線 圖 11 第三個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn) 3 機(jī)器人手腕的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 初步設(shè)計(jì)擬定如下圖的設(shè)計(jì)方案。 本手腕可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向上的旋轉(zhuǎn)和一個(gè)方向上的彎轉(zhuǎn)。 第一個(gè)自由度是由電機(jī) M1 帶動(dòng)齒型帶帶動(dòng)空心軸 5，實(shí)現(xiàn)整個(gè)腕部的旋轉(zhuǎn)。 第二個(gè)自由度是由電機(jī) M2 帶動(dòng)齒型帶帶動(dòng)空心軸 6，通過(guò)斜齒輪 8 和 18 的嚙合傳動(dòng)，再通過(guò)諧波 減速器 10 帶動(dòng)機(jī)體旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。 第三個(gè)自由度是由電機(jī) M3 帶動(dòng)齒型帶帶動(dòng)芯軸 7，通過(guò)斜齒輪 16， 17 的嚙合傳動(dòng)，再通過(guò) 14， 15 之間的帶傳動(dòng)，再經(jīng)由 12， 13 嚙合，通過(guò)諧波減速器 11 實(shí)現(xiàn)的。 圖 12 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)平面圖 3 機(jī)器人手腕的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 圖 13 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維圖 3.3 手腕內(nèi)部其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 腕部的彎轉(zhuǎn)關(guān)結(jié)內(nèi)部軸承采用兩個(gè)圓錐滾子軸承背靠背布置得結(jié)構(gòu)，這種布局主要是因?yàn)榇瞬糠謱⒊惺茌^大的軸向力，當(dāng)手腕旋轉(zhuǎn)到此部分朝下的方向時(shí)，整個(gè)手腕包括手部的軸向負(fù)載都將作用在此對(duì)軸承上。所以本手腕采用了兩個(gè)圓錐滾子軸承背靠背布置的結(jié)構(gòu)如圖 14。 圖 14 腕部垂直剖面圖 當(dāng)手腕處于垂直位置時(shí)，腕部與手聯(lián)結(jié)的部分也將承受較大的軸向力，故采用了相似的結(jié)構(gòu)。 3 機(jī)器人手腕的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 圖 15 腕部水平剖面圖 傳動(dòng)過(guò)程中采用的是圓弧形齒形帶傳動(dòng)，它具有很多優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)比準(zhǔn)確；傳動(dòng)效率高達(dá) 98%；傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸收振動(dòng)，噪聲?。唤Y(jié)構(gòu)緊湊，速度可達(dá) 50m/s。傳動(dòng)功率可達(dá) 300kw；維護(hù)保養(yǎng)方便，能在高溫、灰塵、水及腐蝕截至的惡劣環(huán)境中工作，不需潤(rùn)滑。 該腕部結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)： （ 1）傳動(dòng)比分配采取先小后大的原則，諧波減速器放在最末一級(jí)，減少了傳動(dòng)零件的尺寸和重量； （ 2）對(duì) 大質(zhì)量零件均采用鋁材，從而大大減輕了腕部的自重。為解決鋁件和鋼螺紋連接問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用了壓入鋼螺母法。 因此，該 手腕設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊輕巧，避免干涉，傳動(dòng)靈活，多數(shù)將腕部結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分安排在小臂上，使外形整齊，設(shè)法使幾個(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞到同軸旋轉(zhuǎn)的心軸和多層套筒上去，運(yùn)動(dòng)傳入腕部后再分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)動(dòng)作。 它具有傳動(dòng)精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)輕便、靈活、平穩(wěn)、速度快、起動(dòng)時(shí)間短、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，組裝成整機(jī)后可用于點(diǎn)焊、弧焊、搬運(yùn)等工作。 4 機(jī)器人手腕的機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算 16 4 機(jī)器人手腕的機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 計(jì)算 4.1 錐齒輪 12， 13 的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1.1 選材料并確定初步參數(shù) （ 1）選材料 齒輪 8： 40Cr 調(diào)質(zhì)，平均取齒面硬度為 260HBS。 齒輪 18： 40Cr 調(diào)質(zhì)，平均取齒面硬度為 260HBS。 （ 2）初選參數(shù) 取齒輪 8 齒數(shù)為8Z=30，則齒輪 18 齒數(shù)18Z=8Z*1=30 齒數(shù)比 U= （ 3）選擇齒寬系數(shù) 取齒寬系數(shù)為 3.0r （ 4）確定齒寬的等 級(jí) 初取平均切線速度 smVmt /6表 9-5，選擇傳動(dòng)精度等級(jí)為 7 級(jí)。 （ 5）計(jì)算齒輪 8 的轉(zhuǎn)矩 （ 6）確定載荷系數(shù) K 1）使用系數(shù)。查表 9-9，取 1AK 2）初載系數(shù)。由圖 9-6，取 18.1VK3）齒向載荷分布系數(shù)。按錐齒輪的懸臂考慮，取 8.1K4）載荷系數(shù) 124.28.1*18.1*1 KKKVAK 4.1.2 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 （ 1）確定許用硬力 H 1) 壽命系數(shù)NZ。取 1188 Z NNZ2) 安全系數(shù) HS 。參照表 9-13.選取 3.1188 S HHS3) 接觸疲勞極限8limH， 18limH. 由圖 9-13 ，取8limH，MPaH 55018lim 4 機(jī)器人手腕的機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算 17 4) 許用應(yīng)力 8H 18H= 3.1/1*600181818l i m SHZ NH=423.08MPa 5) 彈性系數(shù)sZ由表 9-11，取 MPaZs 1906) 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) HZ 由圖 9-12，取 HZ =2.5 7) 求齒輪 8 所需大 端分度圓直徑8d由式（ 9-44） 2828 )()5.01(41*71.43HHs ZZuRRkTd = mmmm 33.78)08.423/5.2*190()3.0*5.01(*3.0*28.8*124.2*71.43 22310 8) 驗(yàn)算速度mtV，由式（ 9-40），平均直徑 mmdRm d 58.66)3.0*5.01(*33.78)*5.01(88 于是平均切線速度 smVmt /15.61000*60 1500*87.62* 初估m(xù)tV值基本符合 。 9) 確定模數(shù) M，由式（ 9-33） mmm Zd 6 1 1.230/33.78/88 取標(biāo)準(zhǔn)值 m=3mm. 4.1.3 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 （ 1）確定彎曲應(yīng)力 8F18F 1) 壽命系數(shù)188, NN YY取 11312 NN YY 2) 安全系數(shù) FS ，由表 9-13，取安全系數(shù) 6.1188 FF SS3) 尺寸系數(shù) 由圖 9-26，取 1Yx 4) 極限應(yīng)力18lim8lim , FF 由圖 9-21，取齒輪 8 MPaF 2308lim ，齒輪 18 MPaF 23018lim 5) 求許用彎曲應(yīng)力 由式（ 9-20）， M P as YYF xNFFlF 5.2876.1 1*1*230*2*2 1818l i m188 4 機(jī)器人手腕的機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算 18 （ 2）齒形系數(shù)188 , FlF YY1) 分錐角188,，由式（ 9-34） o451a r c ta na r c ta n18 u， ooo 45459018 2) 當(dāng)量齒數(shù)188, VlV ZZ，由式（ 9-48） 6.4745c o s30c o s888 oZVZ ， 6.47818 Z VvZ 由圖 9-19，取 37.2188 FlF YY3) 應(yīng)力修正系數(shù)188, SS YY，由圖 9-20 取 67.1188 SS YY4) 校核齒根抗彎疲勞強(qiáng)度 13167.1*37.2*11*3*30*)3.0*5.01(*3.0*28.8*124.2*71.411)5.01(*71.41332238823228810FSFRRF YYUmZTK抗彎疲勞強(qiáng)度足夠。 4.1.4 主要幾何尺寸計(jì)算 （ 1）大端分度圓直徑 1d ， 2d 齒輪8d=18d= mmmmmZ 903*30*18 （ 2）分錐角 1 ， 2 ，由式 9-35 1 = 451 arctgarctgu ， 2 = 1 =45 （ 3）錐距 R 由式 9-35 R= mmdd 64.6390902/121 222221 （ 4）齒寬 b 由式 9-38 b= mmRR 09.1964.63*3.0* 取齒寬 b=20mm. 4.2 錐齒輪 17， 16 的設(shè)計(jì) 4.2.1 選材料并確定初步參數(shù) （ 1）選材料 4 機(jī)器人手腕的機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算 19 齒輪 17： 40Cr 調(diào)質(zhì)，平均取齒面硬度為 260HBS。 齒輪 16： 40Cr 調(diào)質(zhì)，平均取齒面硬度為 260HBS。 （ 2）初 選參數(shù) 取齒輪 17 齒數(shù)為17Z=25，則齒輪 16 齒數(shù)16Z=17Z*1=25 齒數(shù)比 U=zz 1716=1 （ 3）選擇齒寬系數(shù) 取齒寬系數(shù)為 3.0r （ 4）確定齒寬的等級(jí) 初取平均切線速度 smVmt /5.4表 9-5，選擇傳動(dòng)精度等級(jí)為 7 級(jí)。 （ 5）計(jì)算齒輪 17 的轉(zhuǎn)矩 mmNPT n *41.5*1500/85.0*55.9/*55.9 101010 3617617 （ 6）確定載荷系數(shù) K 1）使用系數(shù)。查表 9-9，取 1AK 2）初載系數(shù)。由圖 9-6，取 17.1VK3）齒向載荷分布系數(shù)。按錐齒輪的懸臂考慮，取 8.1K4）載荷系數(shù) 11.28.1*17.1*1 KKKVAK 4.2.2 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 （ 1）確定許用硬力 H 1) 壽命系數(shù)NZ。取 11617 Z NNZ2) 安全系數(shù) HS 。參照表 9-13.選取 3.11617 S HHS3) 接觸疲勞極限16limH， 17limH.由圖 9-13，取 M PaH 60016lim ，MPaH 60017lim 4) 許用應(yīng)力 17H 17H= 3.1/1*600171717l i m SHZ NH=461.54MPa 5) 彈性系數(shù)sZ由表 9-11，取 MPaZs 1906) 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) HZ 由圖 9-12，取 HZ =2.5 4 機(jī)器人手腕的機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算 20 7) 求齒輪 17 所需大端分度圓直徑46d由式（ 9-44） 217217 )()5.01(41*71.43HHs ZZuRRkTd = mmmm 05.64)62.384/5.2*190()3.0*5.01(*3.0*4.5*11.2*71.43 22310 8) 驗(yàn)算速度mtV，由式（ 9-40），平均直徑 mmdRm d 44.54)3.0*5.01(*05.64)*5.01(1717 于是平均切線速度 smVmt /83.41000*60 1500*47.61* 初估m(xù)tV值基本符合。 9) 確定模數(shù) M，由式（ 9-33） mmm Zd 56.225/25.64/11 取標(biāo)準(zhǔn)值 m=2.5mm. 4.2.3 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 （ 1）確定彎曲應(yīng)力 17F16F 6) 壽命系數(shù)1617, NN YY取 11617 NN YY7) 安全系數(shù) FS ，由表 9-13，取安全系數(shù) 6.11617 FF SS8) 尺寸系數(shù) 由圖 9-26，取 1Yx 9) 極限應(yīng)力16lim17lim , FF 由圖 9-21，取齒輪 16 MPaF 23016lim ，齒輪 17 MPaF 23017lim 10) 求許用彎曲應(yīng)力 由式（ 9-20）， MP as YYF xNFFlF 5.2876.1 1*1*230*2*2 1717l i m1617 （ 2）齒形系數(shù)1716 , FlF YY5) 分錐角1716,，由式（ 9-34） o451a r c ta na r c ta n17 u， ooo 45459016 6) 當(dāng)量齒數(shù)1716, VV ZZ，由式（ 9-48） 4.3545c o s 25c o s171717 oZVZ ， 4.351716 Z VvZ 4 機(jī)器人手腕的機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算 21 由圖 9-19，取 48.21716 FlF YY7) 應(yīng)力修正系數(shù)4645, SS YY，由圖 9-20 取 64.14645 SS YY8) 校核齒根抗彎疲勞強(qiáng)度 12764.1*46.2*11*3*25*)3.0*5.01(*3.0*41.5*11.2*71.411)5.01(*71.4222317172222171710FSFRRF YYUmZTK抗彎疲勞強(qiáng)度足夠。 4.2.4 主要幾何尺寸計(jì)算 （ 1）大端分度圓直徑 1d ， 2d 齒輪 1d = 2d = mmmmmZ 5.625.2*25*46 （ 2）分錐角 1 ， 2 ，由式 9-35 1 = 451 arctgarctgu ， 2 = 1 =45 （ 3）錐距 R 由式 9-35 R= mmdd 194.445.625.622/121 222221 （ 4）齒寬 b 由式 9-38 b= mmRR 3.13194.44*3.0* 取齒寬 b=15mm. 4 機(jī)器人手腕的機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算 22 4.3 同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 4.3.1 設(shè)計(jì)功率dP （ 1）功率 P wP NT VV 14.81355.9 1500*177.555.9 工況系數(shù) AK 由表 12-1-67 取 2.1AK 設(shè)計(jì)功率 wwPP KAd 77.97514.813*2.1* （ 2）帶型 根據(jù)dP和 n1由圖 12-1-9，選用圓弧齒 5M 系列的帶 選帶輪齒數(shù) 1Z ZZmin1由表 12-1-68 查得 24min Z 取 321 Z 小帶輪節(jié)圓半徑 1d mmd ZP b 93.5032*5* 11 帶速 V smV nd /41 0 0 0*60 1 5 0 0*93.50*1 0 0 0*60* 11 傳動(dòng)比 i 121 nni 大帶輪齒數(shù) 2Z mmZiZ 3232*1* 12 大帶輪節(jié)圓半徑 2d mmd d 93.5012 初定中心矩 0.7*（ 1d + 2d ） 0a2（ 1d + 2d ） 0.7*（ 50.93+50.93） 0a2（ 50.93+50.93） 取 mma 1600 初 定帶的節(jié)線長(zhǎng)度 Lop mmaadddd 480*4)()(22 0212210 初定 bZ查表 11-1-57 取 95,475 ZbP mmL實(shí)際中心距 a 可調(diào)整 a20 LL lopPa 基準(zhǔn)額定功率0P由表 12-1-74 取 kwP 559.00 帶寬sb查表 12-1-51 取 mmbs 154 機(jī)器人手腕的機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算 23 作用在軸上的力 rF 1500*VF Pk dFr 查表 12-1-12 取 96.0FK NFr 74.9361500*1500 77.975*96.0 4.3.2 帶輪的基本尺寸 槽型 5M 齒形角 2 2 =14 節(jié)距 PbmmPb 5齒槽深ghmmhg 16.2齒槽圓弧半徑 R R=1.56mm 齒頂圓角半徑 r1mmr 5.01 齒槽寬 S S=3.25mm 兩倍節(jié)頂距 2 mm144.12 節(jié)徑 d d=50.93 外徑 dommdo 79.49齒數(shù) Z Z=32 帶輪寬度 bfmmbf 3.265 三 維造型的繪制 24 5 三維造型的繪制 5.1 造型軟件簡(jiǎn)介 本設(shè)計(jì)采用的造型軟件是 Pro/ENGINEER 野火版 2.0， Pro/ENGINEER Wildfire野火版 2.0 以其易學(xué)易用、功能強(qiáng)大和互連互通的特點(diǎn)，推動(dòng)了整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)機(jī)構(gòu)中個(gè)人效率和過(guò)程效率的提高。它既能節(jié)省時(shí)間和成本，又能提高產(chǎn)品質(zhì)量。Pro/ENGINEER 野火版 2.0 構(gòu)建于 Pro/ENGINEER 野火版的成熟技術(shù)之上，包括了400 多個(gè)增強(qiáng)功能，它使 CAD 系統(tǒng)的互連互通性能又上了一個(gè)新的臺(tái)階。 第一 滿足“ 3D 制圖”需求 如最近發(fā)布的 ASME Y14.41 標(biāo)準(zhǔn)和制訂中的 ISO 16792 標(biāo)準(zhǔn)所描述的那樣，越來(lái)越多的制造商希望從 3D 模型中獲取制造、監(jiān)測(cè)和采 購(gòu)所需的信息。造成這一需求的主要原因是繪制 2D 制圖成本較高，且經(jīng)常會(huì)因誤解圖紙而帶來(lái)諸多問(wèn)題。Pro/ENGINEER 野火版 2.0 通過(guò)提供注解功能（ Annotation Features）來(lái)滿足這種需求，它能讓用戶在 3D 模型中獲取和管理傳統(tǒng) 2D 制圖的信息。這樣就確保了尺寸、公差、曲面光潔度、 GD&T 以及其它關(guān)鍵設(shè)計(jì)信息的交換更加準(zhǔn)確。 第二 處理其它 CAD 數(shù)據(jù)的能力更強(qiáng) 作為 PTC 全面致力于 CAD 系統(tǒng)間數(shù)據(jù)公開交換的又一證據(jù)， Pro/ENGINEER野火版 2.0 新增了與三套應(yīng)用系統(tǒng)之間的 CAD 數(shù)據(jù)交換 ?，F(xiàn)在， Unigraphics Release 18、 Unigraphics NX 和 CATIA V5 可以通過(guò) PTC 的相關(guān)拓?fù)淇偩€（ Associative Topology Bus）專利技術(shù)與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這進(jìn)一步擴(kuò)大了 Pro/ENGINEER 與非原生工具之間的連通范圍。另外， Pro/ENGINEER 野火版 2.0 還支持從 SDRC I-DEAS 中導(dǎo)入數(shù)據(jù)。這些改進(jìn)再加上原有對(duì)許多直接轉(zhuǎn)換工具和通用建模核心的支持，使 Pro/ENGINEER 野火版 2.0 成為目前最開放的 CAD 系統(tǒng)。 第三 常用用戶界面工具更加普 及 Pro/ENGINEER 野火版 2.0 提供了許多用戶一直期望的常用桌面工具。 現(xiàn)在，所有對(duì)特征、組件和制圖的操作都具有多級(jí)撤銷 /重復(fù)（ Undo/Redo）功能。這意味著，如果用戶錯(cuò)誤地刪除、重定義或修改了某些內(nèi)容，只需一個(gè)簡(jiǎn)單的“撤銷”操作就能恢復(fù)原狀。另外，像其它桌面應(yīng)用一樣， Pro/ENGINEER 野火版 2.0 還提供了復(fù)制和粘貼（ Copy and Paste）功能。用戶可以使用非常熟悉的復(fù)制 (CTRL+C) 5 三 維造型的繪制 25 和粘貼 (CTRL+V)命令和組合鍵來(lái)方便快捷地把特征和幾何體復(fù)制到模型的其它區(qū)域。 Pro/ENGINEER 野火版 2.0 還為特征的建立提供了更優(yōu)秀的基準(zhǔn)曲線。當(dāng)使用基準(zhǔn)曲線來(lái)建立一個(gè)或多個(gè)特征時(shí)，如果用戶不有意打破關(guān)聯(lián)，則這些特征仍然與原曲線關(guān)聯(lián)。這一功能改進(jìn)了模型中的自頂向下設(shè)計(jì)方法。 第四 Pro/ENGINEER 應(yīng)用系統(tǒng)界面的持續(xù)新穎 PTC 對(duì) Pro/ENGINEER 野火版軟件中最常用的一些用戶界面進(jìn)行了大幅的改進(jìn)。 Pro/ENGINEER 野火版 2.0 與時(shí)俱進(jìn)。例如，大多數(shù)常用的詳細(xì)設(shè)計(jì)操作都已摒棄了傳統(tǒng)的菜單管理器（ Menu Manager）。所有的制圖新建和編輯操作現(xiàn)在都可以 通過(guò)一個(gè)直觀、統(tǒng)一的圖形界面來(lái)完成。另外，絕大多數(shù)的鈑金設(shè)計(jì)命令都已全面更新，它們充分利用了 Pro/ENGINEER 野火版中的儀表板概念和圖形化預(yù)覽技術(shù)。所有結(jié)構(gòu)和熱仿真命令都從菜單管理器移植到頂層菜單欄上，從而使用戶更方便更快捷地找到命令。其它方面的改進(jìn)包括：全新的測(cè)量和分析工具、增強(qiáng)的搜索工具、制造和仿真功能區(qū)的 HTML 報(bào)告功能。 第五 更輕松地建立更高質(zhì)量的設(shè)計(jì) 使用 Pro/ENGINEER 野火版 2.0，用戶比以往任何時(shí)候都更容易建立更高質(zhì)量的設(shè)計(jì)。首先，它提供了一個(gè)全新的故障檢修工具，使用它，可 以更清楚地了解特征失敗的原因。它能讓用戶快速診斷故障發(fā)生的原因和區(qū)域，并提供了可能的故障處理方案。另外，這一故障檢修工具還能把故障信息作為模型注釋記錄在文檔中，或者作為以后故障處理的參考資料。 ModelCHECK 是 Pro/ENGINEER 中一套獨(dú)特的系統(tǒng)，它不僅能大大提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度，還能確保模型質(zhì)量和一致性。但到目前為止，卻有許多企業(yè)回避使用ModelCHECK，因?yàn)樗淖畛跖渲帽容^繁瑣。 Pro/ENGINEER 野火版 2.0 提供了一個(gè)全新的圖形界面來(lái)配置 ModelCHECK，從而使用戶能夠輕而易舉地建 立、查找和編輯配置，以達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和最佳方法。另外，這一新的用戶界面還提供了在線幫助的直接鏈接，從而使這一操作更加簡(jiǎn)單。 第六 更強(qiáng)大的高級(jí)設(shè)計(jì)工具 Pro/ENGINEER 野火版 2.0 包含了許多提高復(fù)雜設(shè)計(jì)開發(fā)速度的新功能和新工具。例如，新的模板（ Pattern）功能可以讓用戶圍繞任意軸或在任何方向上摹制特征，而不用考慮原特征是怎樣建立的，也不必局限于原特征的任何尺寸。以前，要集成帶角模型，必須首先“準(zhǔn)備軸模型的資料”。另外，圓特征也更加強(qiáng)大，可以5 三 維造型的繪制 26 更好地處理較小的邊緣。此外，該系統(tǒng)現(xiàn)在能夠自動(dòng)把模型的 所有凸面或所有凹下去的邊緣變得圓滑。 Pro/ENGINEER 野火版 2.0 還提供了許多處理翹曲（ Warp）特征的強(qiáng)大功能，并增強(qiáng)了對(duì)裁剪（ Trim）、延伸（ Extend）、鏡像（ Mirror）、和移動(dòng)（ Move）等各種操作過(guò)程的控制。 第七 方便靈活的管理 Pro/ENGINEER 野火版 2.0 提供了一個(gè)令人振奮的新功能，它能讓用戶從許可服務(wù)器中“借”用 Pro/ENGINEER 許可，并在斷開服務(wù)器后繼續(xù)使用這些許