機器人腕關(guān)節(jié)的設(shè)計說明書

關(guān)節(jié)型機器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計PAGE20PAGE211前言1.1機器人的概念機器人是一個在三維空間中具有較多自由度，并能實現(xiàn)較多擬人動作和功能的機器，而工業(yè)機器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機器人。美國機器人工業(yè)協(xié)會提出的工業(yè)機器人定義為：“機器人是一種可重復(fù)編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機”。英國和日本機器人協(xié)會也采用了類似的定義。我國的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643-90將工業(yè)機器人定義為：“機器人是一種能自動定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機。能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。而將操作機定義為：“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置”。機器人系統(tǒng)一般由操作機、驅(qū)動單元、控制裝置和為使機器人進行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。1.1.1操作機是機器人完成作業(yè)的實體，它具有和人手臂相似的動作功能。通常由下列部分組成：a.末端執(zhí)行器又稱手部，是機器人直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機器人直接與工作對象接觸以完成作業(yè)的機構(gòu)。b.手腕是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴大手臂的動作范圍，一般有2～3個回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。c.手臂它由機器人的動力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時包括肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)，即手臂與手臂間。手臂與機座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運動范圍。d.機座有時稱為立柱，是工業(yè)機器人機構(gòu)中相對固定并承受相應(yīng)的力的基礎(chǔ)部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿邮絻深?。1.1.它是由驅(qū)動器、檢測單元等組成的部件，是用來為操作機各部件提供動力和運動的裝置。1.1.它是由人對機器人的啟動、停機及示教進行操作的一種裝置，它指揮機器人按規(guī)定的要求動作。1.1.它由兩部分組成，一部分是感覺系統(tǒng)，另一部分為決策－規(guī)劃智能系統(tǒng)。1.2設(shè)計來源本設(shè)計的是關(guān)節(jié)型機器人腕部結(jié)構(gòu)，主要是整體方案設(shè)計和手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其零件設(shè)計。此課題來源于生產(chǎn)實際。對于目前手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對操作員技術(shù)熟練程度要求高，因此采用機器人技術(shù)，實現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)率、實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件。1.3技術(shù)要求根據(jù)設(shè)計要達到以下要求a.工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單；b.裝卸方便，便于維修、調(diào)整；c.盡量使用通用件，以便降低制造成本。1.4本設(shè)計要解決的主要問題及設(shè)計總體思路本設(shè)計要解決的問題有以下三個：a.手腕處于手臂末端，需減輕手臂的載荷，力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減少重量和體積；b.提高手腕動作的精確性；c.三個自由度的實現(xiàn)。針對上述問題有了以下設(shè)計思路：a.腕部機構(gòu)的驅(qū)動裝置采用分離傳動，將3個驅(qū)動器安置在小臂的后端。b.提高傳動的剛度，盡量減少機械傳動系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)誤差，對于分離傳動采用傳動軸。c.驅(qū)動電機1經(jīng)傳動軸驅(qū)動一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪帶動手腕在小臂殼體上作偏擺運動。電機2經(jīng)傳動軸驅(qū)動一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪傳動，實現(xiàn)手腕的上下擺動。電機3經(jīng)傳動軸和兩對圓錐齒輪帶動軸回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)手腕上機械接口的回轉(zhuǎn)運動。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r2.1研究現(xiàn)狀從機器人誕生到本世紀(jì)80年代初，機器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到90年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。下面將按工業(yè)機器人和先進機器人兩條技術(shù)發(fā)展路線分述機器人的最新進展情況。2.1工業(yè)機器人技術(shù)是以機械、電機、電子計算機和自動控制等學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)為基礎(chǔ)融合而成的一種系統(tǒng)技術(shù)。

a.機器人操作機：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。

b.并聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機器人技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。

c.控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離線編程已實現(xiàn)實用化。

d.傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德國KUKA、REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。

e.網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。

f.可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達到5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求。2.2.2先進機器人

近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴大，機器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機器人技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。

a.水下機器人：美國的AUSS、俄羅斯的MT-88、法國的EPAVLARD等水下機器人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機器人（remoteoperatedvehicle）和無纜水下機器人（autonomousunderwatervehicle）兩大類。

b.空間機器人：空間機器人一直是先進機器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機器人。如美國NASA的空間機器人Sojanor等。Sljanor是一輛自主移動車，重量為11.5kg，尺寸630~48mm，有6個車輪，它在火星上的成功應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān)注。

c.核工業(yè)用機器人：國外的研究主要集中在機構(gòu)靈巧，動作準(zhǔn)確可靠、反應(yīng)快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動機器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國ORML基于機器人的放射性儲罐清理系統(tǒng)、反應(yīng)堆用雙臂操作器，加拿來大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，德國的C7靈巧手等

d.地下機器人：地下機器人主要包括采掘機器人和地下管道檢修機器人兩大類。主要研究內(nèi)容為：機械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機器人，各種采機器人及自動化系統(tǒng)正在研制中。

e.醫(yī)用機器人：醫(yī)用機器人的主要研究內(nèi)容包括：醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、機器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場感外科手術(shù)等。美國已開展臨場感外科（telepresencesurgery）的研究，用于戰(zhàn)場模擬、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。法、英、意、德等國家聯(lián)合開展了圖像引導(dǎo)型矯形外科（telematics）計劃、袖珍機器人（biomed）計劃以及用于外科手術(shù)的機電手術(shù)工具等項目的研究，并已取得一些卓有成效的結(jié)果。

f.建筑機器人：日本已研制出20多種建筑機器人。如高層建筑抹灰機器人、預(yù)制件安裝機器人、室內(nèi)裝修機器人、地面拋光機器人、擦玻璃機器人等，并已實際應(yīng)用。美國卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進行管道挖掘和埋設(shè)機器人、內(nèi)墻安裝機器人等型號的研制、并開展了傳感器、移動技術(shù)和系統(tǒng)自動化施工方法等基礎(chǔ)研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。

g.軍用機器人：近年來，美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機器人。其特點是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場上具有看、嗅和2.2發(fā)展趨勢目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下10個方面：

a.工業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負(fù)載.自重比，同時機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。

b.機器人控制技術(shù)：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點。編程技術(shù)除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。

c.多傳感系統(tǒng)：為進一步提高機器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。

d.機器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。

e.機器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機器人半自主和自主技術(shù)，多機器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進行遙控等。

f.虛擬機器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙操作和人機交互。

g.多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。

h.微型和微小機器人技術(shù)（micro/miniaturerobotics）:這是機器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進展將會引起機器人技術(shù)的一場革命，并且對社會進步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。

我國對此進行了深入的研究。徐衛(wèi)平和張玉茹發(fā)表的《六自由度微動機構(gòu)的運動分析》對六自由度微動機構(gòu)進行了位移分析并為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了計算依據(jù)。還有劉辛軍、高峰和汪勁松發(fā)表的《并聯(lián)六自由度微動機器人機構(gòu)的設(shè)計方法》研究了微動機器人機構(gòu)的設(shè)計方法，建立了并聯(lián)六自由度微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的機構(gòu)尺寸與各向同性、剛度等性能指標(biāo)的關(guān)系得到了一系列性能圖譜，從各圖譜中可以看出各項性能指標(biāo)在空間模型設(shè)計參數(shù)空間中的分布規(guī)律，這有助于設(shè)計者根據(jù)性能指標(biāo)來設(shè)計該微動機器人的機構(gòu)尺寸，是探討微動機器人機構(gòu)設(shè)計的有效分析工具。3總體方案設(shè)計3.1機械結(jié)構(gòu)類型的確定為實現(xiàn)總體機構(gòu)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(shè)計成以下五種方案：3.1.1圓柱坐標(biāo)型這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)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(biāo)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。3.1.2直角坐標(biāo)型直角坐標(biāo)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(biāo)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(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大、靈活性較差。3.1.3球坐標(biāo)型又稱極坐標(biāo)型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，即一個回轉(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。3.1.4關(guān)節(jié)型關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)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(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)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。3.1.5平面關(guān)節(jié)型采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運動，而移動關(guān)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(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實現(xiàn)本課題的動作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)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。3.2工作空間的確定根據(jù)關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間。工作空間是指機器人正常工作運行時，手腕參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術(shù)參數(shù)。此機器人的工作空間為1500mm。圖3－1機器人的機座坐標(biāo)系3.3手腕結(jié)構(gòu)的確定手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件，處于機器人操作機的最末端，其功能是在手臂和腰部實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個坐標(biāo)位置的基礎(chǔ)上，再由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個姿態(tài)坐標(biāo)，即實現(xiàn)三個自由度。圖3－2傳動原理圖考慮到結(jié)構(gòu)，電機將成三角形布置，具體結(jié)構(gòu)見圖。3.4基本參數(shù)的確定空間結(jié)構(gòu)和手腕結(jié)構(gòu)的確定，那么手腕回轉(zhuǎn)、手腕擺動、和手腕旋轉(zhuǎn)三個姿態(tài)的自由度也得到了實現(xiàn)。表3-1機器人的主要規(guī)格參數(shù)動作范圍手腕回轉(zhuǎn)手腕擺動手腕旋轉(zhuǎn)額定載荷最大速度4手腕詳細(xì)設(shè)計說明4.1機器人驅(qū)動方案的分析和選擇通常的機器人驅(qū)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(jié)構(gòu)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(fù)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(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點，并且控制技術(shù)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(jié)構(gòu)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(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機在調(diào)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(yīng)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(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)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(qū)動方式。本課題的機器人將采用直流伺服電動機。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。4.2手腕電機的選擇4.2.1提腕電機的選擇手腕的最大負(fù)荷重量，初估腕部的重量，最大運動速度V=2m/s功率取安全系數(shù)為1.2，考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率。選擇Z型并勵直流電動機，技術(shù)參數(shù)如下表4-1Z型并勵直流電動機技術(shù)參數(shù)型號額定電壓（V）額定轉(zhuǎn)矩(N/m)額定轉(zhuǎn)速(r/m)參考功率(W)重量(kg)Z200/20-400200120004005.54.2.2擺腕和轉(zhuǎn)腕電機的選擇根據(jù)設(shè)計要求取相同型號的電機，選擇Z型并勵直流電動機，型號為200/20-400。4.3傳動比的確定4.3.1提腕總傳動比的確定先根據(jù)下式求角速度=＝＝20r/s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)。再求實際轉(zhuǎn)速n’＝為轉(zhuǎn)速(r/min)。最后求得總傳動比i總＝＝10.4取整i總1=104.3.2轉(zhuǎn)腕和擺腕傳動比的確定用同樣的方法，可求得轉(zhuǎn)腕總傳動比i總2＝20擺腕總傳動比i總3＝104.4傳動比的分配傳動比分配時要充分考慮到各級傳動的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。a.提腕傳動比分配提腕總的傳動比i總1=10，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比i11=2，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i12＝5。b.轉(zhuǎn)腕傳動比分配轉(zhuǎn)腕總的傳動比i總2＝20，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i21＝5，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i21＝4。c.擺腕傳動比分配擺腕總的傳動比i總3＝10，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比i31＝2，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比i32＝5。4.5齒輪的設(shè)計按照上述傳動比配對各齒輪進行設(shè)計。4.5.1提腕部分齒輪設(shè)計A.第一極圓柱齒輪傳動齒輪采用45號鋼，鍛造毛坯，正火處理后齒面硬度170~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。a.設(shè)計準(zhǔn)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。b.按齒面接觸疲勞強度設(shè)計齒面接觸疲勞強度條件的設(shè)計表達式（4－1）其中，，，，，，選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計算可得（4-2）則接觸疲勞壽命系數(shù),彎曲疲勞壽命系數(shù)接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：將有關(guān)值代入（4－1）得：則動載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則修正取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。c.計算基本尺寸取d.校核齒根彎曲疲勞強度復(fù)合齒形系數(shù)，取校核兩齒輪的彎曲強度（4－3）所以齒輪完全達到要求。表4－2齒輪的幾何尺寸名稱符號公式分度圓直徑齒頂高齒根高齒全高齒頂圓直徑齒根圓直徑基圓直徑齒距齒厚齒槽寬中心距頂隙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。B.第二極圓錐齒輪傳動齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取a.設(shè)計準(zhǔn)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。b.按齒面接觸疲勞強度設(shè)計齒面接觸疲勞強度的設(shè)計表達式（4－4）其中，，，，，選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下式計算可得（4-5）則接觸疲勞壽命系數(shù),彎曲疲勞壽命系數(shù)接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：將有關(guān)值代入（4－4）得：則動載荷系數(shù)；使用系數(shù)；齒向載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)取，則修正取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。c.計算基本尺寸d.校核齒根彎曲疲勞強度復(fù)合齒形系數(shù)，取校核兩齒輪的彎曲強度（4-6）所以齒輪完全達到要求。表4－3齒輪的幾何尺寸·符號公式分度圓直徑齒頂高齒根高齒頂圓直徑齒根圓直徑齒頂角齒根角分度圓錐角頂錐角根錐角錐距齒寬由于小齒輪的分度圓直徑較小，所以作成齒輪軸。4.5.2轉(zhuǎn)腕部分齒輪設(shè)計第一極圓錐齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。經(jīng)計算齒輪滿足要求表4－4齒輪的幾何尺寸名稱符號公式分度圓直徑齒頂高齒根高齒頂圓直徑齒根圓直徑齒頂角齒根角分度圓錐角頂錐角根錐角錐距齒寬第二極圓錐齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。經(jīng)計算齒輪滿足要求。表4－5齒輪的幾何尺寸名稱符號公式分度圓直徑齒頂高齒根高齒頂圓直徑齒根圓直徑齒頂角齒根角分度圓錐角頂錐角根錐角錐距齒寬4.5.3擺腕部分齒輪設(shè)計第一極圓柱齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。經(jīng)計算齒輪滿足要求。小齒輪作成齒輪軸。表4－6齒輪的幾何尺寸名稱符號公式分度圓直徑齒頂高齒根高齒全高齒頂圓直徑齒根圓直徑基圓直徑齒距齒厚齒槽寬中心距頂隙第二極圓錐齒輪傳動：齒輪采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180~190HBS，齒輪精度等級為7極。取。經(jīng)計算齒輪滿足要求。小齒輪作成齒輪軸。表4－6齒輪的幾何尺寸名稱符號公式分度圓直徑齒頂高齒根高齒頂圓直徑齒根圓直徑齒頂角齒根角分度圓錐角頂錐角根錐角錐距齒寬4.6軸的設(shè)計和校核軸的結(jié)構(gòu)決定于受力情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類型和尺寸、軸的毛坯，制造和裝配工藝、以及運輸、安裝等條件。軸的結(jié)構(gòu)，應(yīng)使軸受力合理，避免或減輕應(yīng)力集中，有良好的工藝性，并使軸上零件定位可靠、裝配方便。對于要求剛度大的軸，還應(yīng)該從結(jié)構(gòu)上考慮減少軸的變形。4.5.1輸出軸的設(shè)計擺腕的傳動軸根據(jù)連軸器選：軸徑d=18mm，根據(jù)結(jié)構(gòu)取軸長l=135mm。由于要實現(xiàn)擺腕，工作時要求彼此有相對運動的空間傳動所以提腕和轉(zhuǎn)腕的傳動軸采用軟軸。軟軸通常由鋼絲軟軸、軟管、軟軸接頭和軟管接頭等幾部分組成。a.鋼絲軟軸由幾層彈簧鋼絲緊繞在一起構(gòu)成的。每層又由若干根鋼絲組成。相鄰鋼絲層的纏繞方向相反。b.軟管用來保護鋼絲軟軸，以免與外界的機件接觸，并保存潤滑劑和防止塵垢侵入；工作時軟管還起支撐作用。c.軟軸接頭用以連接動力輸出軸及工作部件d.軟管接口用以連接傳動裝置及工作部件的機體，有時也是軟軸接頭的軸承座。在使用軟軸的時候要注意鋼絲軟軸必須定時涂潤滑脂，不得使軟軸的彎曲半徑小于允許最小半徑。4.5.2傳動軸的設(shè)計軸的材料為45號鋼，調(diào)制處理a.初估軸徑，c=106~117,取c=106則（4-7）b.各段軸徑的確定初估軸徑后，就可按照軸上零件的安裝順序從處開始逐段確定軸徑，上面計算的是軸段1的直徑，由于軸段1上安裝連軸器，因此軸段1直徑的確定和連軸器型號同時進行。這次選用的是波紋管連軸器。故軸段1直徑＝20mm。右端用軸肩固定，考慮到在軸段2上裝套筒，故取軸徑＝22mm。在軸段3上要安裝軸承，其直徑應(yīng)該便于軸承安裝，又應(yīng)該符合軸承內(nèi)徑系列，即軸段3的直徑應(yīng)與軸承型號的選擇同時進行?，F(xiàn)取角接觸球軸承型號為7205，其內(nèi)徑＝25mm。通常一根軸上的兩個軸承取相同型號，故取軸段7的直徑＝25mm。軸段4上用軸肩固定軸承，故?。?0mm。軸段5上作成齒輪軸，尺寸與齒輪相同。根據(jù)結(jié)構(gòu)確定軸段6的直徑＝30mm。c.各軸段長度的確定各軸段長度主要根據(jù)軸上零件的轂長或軸長零件配合部分的長度確定。另一些軸段長度，除與軸上零件有關(guān)外，還與箱體及軸承蓋等零件有關(guān)。根據(jù)聯(lián)軸器取?？紤]到套筒長度取。根據(jù)軸承寬度取。根據(jù)結(jié)構(gòu)。圖4－1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖4.5.3軸的強度校核軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，進行校核計算。計算準(zhǔn)則是滿足軸的強度或剛度要求。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。圖4－2軸的受力分析和彎扭矩圖a．軸上的轉(zhuǎn)矩T：主軸上的傳遞的功率：（4-8）求作用在齒輪上的力：b．畫軸的受力簡圖見圖4－2c．計算軸的支撐反力在水平面上在垂直面上d．畫彎矩圖見圖4－2在水平面上，剖面左側(cè) 剖面右側(cè)在垂直面上合成彎矩，剖面左側(cè)剖面右側(cè)e．畫轉(zhuǎn)矩圖見圖4－2f.判斷危險截面截面左右的合成彎矩左側(cè)相對右側(cè)大些，扭矩為T，則判斷左側(cè)為危險截面，只要左側(cè)滿足強度校核就行了。g.．軸的彎扭合成強度校核許用彎曲應(yīng)力，，截面左側(cè)h.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，等效系數(shù)，截面左側(cè)查得，；查得絕對尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則彎曲應(yīng)力，應(yīng)力幅平均應(yīng)力切應(yīng)力安全系數(shù)查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。其它軸用相同方法計算，結(jié)果都滿足要求。4.7夾持器的設(shè)計根據(jù)焊槍的軸徑和機械接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計了夾持器。本次設(shè)計使用的焊槍直徑為50mm。用螺栓固定焊槍。通過螺栓與機械接口聯(lián)接。4.8殼體的設(shè)計機座部分采用鑄鋁材料，方形結(jié)構(gòu)，臂厚8～12mm。機身部分采用鑄鋁材料，圓筒形結(jié)構(gòu)，臂厚7～8。大臂外殼和大臂箱體采用鑄鋁材料，方形結(jié)構(gòu)，厚度均為6～8。小臂箱體和小臂外殼采用鑄鋁材料，結(jié)構(gòu)為方形，側(cè)面為鑄件其它三面為鑄鋁板材。手腕外殼和手腕箱體采用鑄鋁材料，結(jié)構(gòu)為方形，兩側(cè)面、背面、底面為鑄件，端面和正面為鑄鋁板材，臂厚5～8mm。其它部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)決定，詳見圖紙。5結(jié)論本次設(shè)計的焊接機器人采用了直流電機驅(qū)動，通過一系列的軸和齒輪傳動順利實現(xiàn)了三個自由度：擺腕、提腕、轉(zhuǎn)腕。應(yīng)用于焊接生產(chǎn)線上將大大提高生產(chǎn)效率，和加工質(zhì)量，降低工人勞動強度，能夠帶來可觀的經(jīng)濟效益。本機器人設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，通用性強。除了應(yīng)用于焊接外，還可以應(yīng)用于噴漆等