碼垛機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要碼垛機(jī)械手是碼垛自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要組成部分,通過它可以完成自動(dòng)、高速、準(zhǔn)確、連續(xù)的碼垛任務(wù)，從而滿足人們對(duì)產(chǎn)品碼垛需求。本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)械手采用四軸鉸鏈?zhǔn)降慕Y(jié)構(gòu)形式，具有四個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)都有驅(qū)動(dòng)其動(dòng)作的伺服電機(jī)和減速機(jī)。為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將驅(qū)動(dòng)小臂動(dòng)作的伺服電機(jī)和減速機(jī)安裝在了主構(gòu)架上。為了滿足各項(xiàng)要求，整體結(jié)構(gòu)采用了三組平行四邊形機(jī)構(gòu)。通過網(wǎng)上查找主流碼垛機(jī)械手的相關(guān)資料，首先確定了碼垛機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用Solidworks繪制其三維造型，初步估算各部分質(zhì)量。之后對(duì)驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)動(dòng)作的伺服電機(jī)以及減速機(jī)進(jìn)行了選型計(jì)算，并利用CAD軟件繪制出各關(guān)鍵部分工程圖。除此之外，還對(duì)關(guān)鍵部分的減速機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、校核，最終達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞：碼垛機(jī)械手；四軸；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)ABSTRACTPalletizingrobotisanimportantpartofthepalletizingautomationproductionline,youcanfinishtheautomatic,highspeed,accurate,continuouspalletizingtasksbyusingit,anditcanmeetthedemandforproductpalletizing.ThisdesignPalletizingrobotintheformoffour-axishingestructure,withfourrotaryjoint,eachjointhasdrivenitsactionservomotorandreducer.Inordertomaintainthestabilityofthesystem,thedriveservomotorandreduceroperationarminstalledonthemainframe.Inordertomeettherequirements,theoverallstructureofthethreesetsofparallelogrammechanism.throughtheInternettofindmainstreamPalletizingrobotrelevantinformation,firstdeterminetheoverallstructureofthePalletizingrobot,anditsthree-dimensionalmodelingusingSolidworksdrawing,preliminaryestimatesofeachpartofthequality.Afterdrivingthejointoperationoftheservomotorandgearselectionhavebeencalculated,andtheuseofCADsoftwaretodrawadiagramofthekeypartoftheproject.Inaddition,alsoakeypartofthegearunithasbeendesigned,checked,andultimatelymeetthedesignrequirements.Keywords:palletizingrobot;four-axis;structuraldesign目錄TOC\o"1-3"\h\u73891緒論 頁(yè)1緒論1.1引言機(jī)器人作為時(shí)代發(fā)展和科技進(jìn)步的產(chǎn)物，全方面應(yīng)用了多種學(xué)科和先進(jìn)技術(shù)。按照使用環(huán)境的不同我們可以把機(jī)器人分為：工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人等。上個(gè)世紀(jì)60年代第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以后，機(jī)器人便得到了廣泛的使用，并在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力穩(wěn)步提升，科學(xué)技術(shù)長(zhǎng)足進(jìn)步的情況下，機(jī)器人被廣泛應(yīng)用在各種不同的領(lǐng)域。碼垛機(jī)械手是機(jī)－電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，它是自動(dòng)化生產(chǎn)線上不可或缺的一部分，通過它能夠快速、高效地完成產(chǎn)品碼垛的任務(wù)。高強(qiáng)度以及高重復(fù)度是人工碼垛所存在的弊端，在一些存放高?；ぎa(chǎn)品以及高粉塵的場(chǎng)所，人工碼垛基本不適用。因此研發(fā)一種碼垛機(jī)械手是非常有必要的，用以減輕生產(chǎn)過程中不良環(huán)境對(duì)碼垛工人的身心傷害。按照工作空間的坐標(biāo)形式我們可以把工業(yè)機(jī)器人分成:圓柱坐標(biāo)形式的機(jī)器人、直角坐標(biāo)形式的機(jī)器人、SCARA機(jī)器人以及類似于關(guān)節(jié)形式的機(jī)器人。圖1-1所示的機(jī)器人分別為關(guān)節(jié)式機(jī)器人和SCARA機(jī)器人。圖1-1關(guān)節(jié)式機(jī)器人和SCARA機(jī)器人關(guān)節(jié)形式的機(jī)器人是通過兩個(gè)肩關(guān)節(jié)和一個(gè)肘關(guān)節(jié)來確定位置的，而腕關(guān)節(jié)則用來確定方向。關(guān)節(jié)形式機(jī)的器人具有以下的特點(diǎn)：活動(dòng)范圍大，構(gòu)型緊密，安裝所需土地面積小，反應(yīng)速度快，手臂造成的干擾小。按照用途我們可以把機(jī)器人分為:碼垛機(jī)械手、焊接機(jī)器人、噴涂機(jī)器人以及特別用途的機(jī)器人等。1.2碼垛機(jī)械手的特點(diǎn)及分類1.2.1碼垛機(jī)械手的特點(diǎn)和其它類型的機(jī)器人相比，碼垛機(jī)械手存有很大的不同。具體表現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：碼垛機(jī)械手主要是實(shí)現(xiàn)物料在環(huán)境內(nèi)的水平移動(dòng)以及物料在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，物料不需要進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，沒有復(fù)雜的動(dòng)作。只需要四個(gè)自由度碼垛機(jī)械手就能夠完成工作要求；“平行四邊形”機(jī)構(gòu)的使用，保證了碼垛機(jī)械手在搬運(yùn)物料過程中的平穩(wěn)狀態(tài)。機(jī)械手末端的腕部關(guān)節(jié)經(jīng)由兩組平行四邊形機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，使其軸線與地面永久保持豎直；自由度的減少，使得碼垛機(jī)械手的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，從而減少了零部件的使用，增加了機(jī)械手的性能，同時(shí)降低了機(jī)械手出現(xiàn)故障的概率，便于對(duì)機(jī)械手進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；占地面積小，集成性較高，使企業(yè)優(yōu)化配置廠房面積更加方便；低功率消耗，使能源的消耗和客戶的生產(chǎn)運(yùn)行成本得以大大降低；高適用性和靈活性，由于末端執(zhí)行器上安裝有控制系統(tǒng)，所以只要在控制器上修改一下程序就能夠可滿足客戶對(duì)不同產(chǎn)品進(jìn)行碼垛要求，對(duì)正常的生產(chǎn)作業(yè)不會(huì)產(chǎn)生影響。相對(duì)于傳統(tǒng)碼垛裝備，這是它們不具備的；示教方式和控制方式簡(jiǎn)單方便；相對(duì)于焊接或裝配任務(wù)，碼垛任務(wù)的精度要求較低。1.2.2碼垛機(jī)械手的分類根據(jù)自身構(gòu)造和傳遞動(dòng)力的方式我們可以把碼垛機(jī)械手分為三種形式，即串聯(lián)形式、并聯(lián)形式以及混聯(lián)形式。歐美國(guó)家主要生產(chǎn)串聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手，比如：庫(kù)卡和ABB。日本不二公司主要生產(chǎn)混聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手。FANUC公司主要生產(chǎn)并聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手。并聯(lián)形式的機(jī)械手特點(diǎn)如下：精確程度比較高，沒有疊加誤差；活動(dòng)關(guān)節(jié)比較輕，反應(yīng)速度快，能夠把電動(dòng)機(jī)安放在平臺(tái)上；構(gòu)型緊密；并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有良好的各向同性。但由于其作業(yè)范圍小，承擔(dān)負(fù)載的能力差，相對(duì)于實(shí)際自動(dòng)化生產(chǎn)線上大負(fù)載的環(huán)境，其適用程度和靈活程度都比較差，所以在一些行業(yè)領(lǐng)域的輕載荷自動(dòng)化生產(chǎn)線上，更容易表現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)。而在高速度重載荷的領(lǐng)域，大部分使用的是串聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手和混聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手。下面就碼垛領(lǐng)域經(jīng)常使用的串聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手和混聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手進(jìn)行對(duì)比。圖1-2為兩種不同形式的碼垛機(jī)械手。圖1-2兩種不同形式的碼垛機(jī)械手串聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手和混聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手的不同主要表現(xiàn)在：混聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手的兩個(gè)關(guān)節(jié)做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，剩下的兩個(gè)關(guān)節(jié)做水平或垂直運(yùn)動(dòng)；而串聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手的所有關(guān)節(jié)都做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。為了使機(jī)械手末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)軸線能夠和地面始終保持豎直，它們都采用了四連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式。圖1-3為混聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意。圖1-3混聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖混聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手和串聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手的1、4關(guān)節(jié)都做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。但混聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手第2關(guān)節(jié)做水平運(yùn)動(dòng)，第3關(guān)節(jié)做豎直運(yùn)動(dòng)。第2、3關(guān)節(jié)由不同的電機(jī)以及減速機(jī)帶動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)，使滑塊在上面來回動(dòng)作，最終完成大臂的上下動(dòng)作以及小臂的前后動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)足以適應(yīng)要求。世界上有名的機(jī)械手制造企業(yè)，在對(duì)4軸碼垛機(jī)械手進(jìn)行研究開發(fā)時(shí)，都選取了4個(gè)關(guān)節(jié)做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的機(jī)構(gòu)形式。相比于混聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手，串聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手存在下列優(yōu)點(diǎn)：外形美觀，結(jié)構(gòu)緊湊，是如今四軸碼垛機(jī)械手發(fā)展的主要方向；故障率低，維護(hù)方便，相比于其它傳統(tǒng)類型的傳動(dòng)方式，RV減速機(jī)的傳動(dòng)方式簡(jiǎn)單，能夠長(zhǎng)時(shí)間使用，維修和防護(hù)也比較方便，并且具有簡(jiǎn)單的密封與潤(rùn)滑的方式；花費(fèi)相差無幾，并且它們的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用的主要部件一樣多，但混聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手還需要額外的零部件；串聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手控制的精確程度要比混聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手高；串聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手的構(gòu)型比較簡(jiǎn)單，而混聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手的構(gòu)型較為繁雜，同時(shí)還得考慮驅(qū)動(dòng)裝置以及傳動(dòng)裝置的布局分配；串聯(lián)形式的碼垛機(jī)械手的工作范圍比較大。1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的廠商現(xiàn)在主要分布在日本以及歐洲國(guó)家等發(fā)達(dá)國(guó)家。2011年世界工業(yè)機(jī)器人的銷售額為82億美元。主要銷售的產(chǎn)品是關(guān)節(jié)形式的機(jī)器人，其中的2/3是使用在載荷≧15千克條件下的機(jī)器人。2011年底，世界工業(yè)機(jī)器人的存有量約為115萬至140萬臺(tái)。美國(guó)是最早開發(fā)出機(jī)器人的國(guó)家。上個(gè)世紀(jì)60年代第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人就被美國(guó)開發(fā)出來，如圖1-4所示。在發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的道路上，美國(guó)選擇了重視鉆研理論的發(fā)展方向，忽視了對(duì)工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)普及，這使得美國(guó)錯(cuò)過了發(fā)展工業(yè)機(jī)器人最好時(shí)機(jī)，同時(shí)也丟掉了一部分市場(chǎng)。但是在理論研究方面，美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)依然處在全球一流的水平。相比于其他國(guó)家，美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)更加超前、完善，應(yīng)用范圍更加廣泛。主要體現(xiàn)在下列方面：機(jī)器人定位精準(zhǔn)，功能齊全，性能穩(wěn)定；機(jī)器人的語(yǔ)言種類繁多，適用范圍廣，研發(fā)速度快，其技術(shù)列于全球第一。另外，機(jī)器人智能技術(shù)發(fā)展也快，已被廣泛應(yīng)用在一些重要的技術(shù)領(lǐng)域，同時(shí)軍用機(jī)器人技術(shù)也在快速發(fā)展，并且已經(jīng)取得了一些不錯(cuò)的成果。政府擔(dān)心工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展會(huì)對(duì)就業(yè)產(chǎn)生影響，進(jìn)而不支持發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的例子已經(jīng)有前車之鑒。美國(guó)作為工業(yè)機(jī)器人的誕生地，在機(jī)器人技術(shù)發(fā)展初期并沒有將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展作為重點(diǎn)。這是因?yàn)檎ε聶C(jī)器人的發(fā)展會(huì)導(dǎo)致失業(yè)問題變得嚴(yán)重，所以并不支持工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。戰(zhàn)后的日本，勞動(dòng)力大量缺失，為了解決這個(gè)問題，日本大規(guī)模引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人用以充當(dāng)勞動(dòng)力，從而保證國(guó)家的正常發(fā)展。圖1-4Unimation公司于1961年生產(chǎn)的全球第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人上世紀(jì)60年代末，日本引進(jìn)美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)，并在短短的一年時(shí)間便試制成第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人“尤尼曼特”，如圖1-5所示。日本經(jīng)過短短十幾年的努力，自80年代中期，開始成為全球機(jī)器人技術(shù)最成熟的國(guó)家，并延續(xù)至今。戰(zhàn)后勞動(dòng)力驟減，以及汽車在全球的普及導(dǎo)致了日本工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。21世紀(jì)初期全球工業(yè)機(jī)器人的銷量中，日系產(chǎn)品占七成。日本的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量還有銷量都位居全球首位。精工愛普生是全球SCARA工業(yè)機(jī)器人的知名品牌，2013年旗下的新款H8機(jī)器人在日本東京問世，它主要用在零件的自動(dòng)化輸送以及裝配方面，最大負(fù)載可達(dá)8千克。愛普生工業(yè)機(jī)器人被廣泛使用在汽車和電子行業(yè)零件裝配以及自動(dòng)化輸送方面，具有精確程度高、性能穩(wěn)定可靠、反應(yīng)速度快的特點(diǎn)。為了滿足廠家對(duì)產(chǎn)量提升的要求，H系列機(jī)器人的性能參數(shù)達(dá)到了一個(gè)新的高度。H系列機(jī)器人不僅具有先進(jìn)的智能運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，還具有先進(jìn)的傳感技術(shù)。通過這些技術(shù)，使得機(jī)器人的機(jī)身設(shè)計(jì)更加精巧，工作能力也更加高速有效，同時(shí)讓機(jī)器人具有了振動(dòng)小、速度快的特點(diǎn)。圖1-5川崎公司于1969年研發(fā)的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人“尤尼曼特”韓國(guó)工業(yè)機(jī)器人的保有量位居全球第三。工業(yè)機(jī)器人被廣泛使用在不同的行業(yè)領(lǐng)域。上世紀(jì)80年代中期，是現(xiàn)代重工獨(dú)立研制全球超前技術(shù)難度工業(yè)機(jī)器人的開端，通過自身的不斷努力，如今公司已擁有多項(xiàng)核心技術(shù)專利。2000年，現(xiàn)代重工自主研制的LCD機(jī)器人問世，該產(chǎn)品主要用于電子行業(yè)，是該類型機(jī)器人中的高端品。該機(jī)器人在工作過程中時(shí)刻保持穩(wěn)定狀態(tài)，超大型產(chǎn)品更新?lián)Q代快，其超大型機(jī)器人的更新已超過10代。為了促進(jìn)本國(guó)機(jī)器人技術(shù)水平的提高，韓國(guó)確立了一系列有利于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。1.3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代初期是我國(guó)探索工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的開端。1972年，中科院下設(shè)的沈陽(yáng)自動(dòng)化所著手對(duì)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行研究?！捌呶濉逼陂g，我國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行了著重研究，主要目的在于基礎(chǔ)零部件開發(fā)、基礎(chǔ)技術(shù)的研究以及不同用途工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)研制?！?63”計(jì)劃的扶持，使得我國(guó)第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人在上海交通大學(xué)研制成功，如圖1-6，這個(gè)結(jié)構(gòu)意味著我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步?！熬盼濉逼陂g，通過自身的不斷努力使得國(guó)產(chǎn)機(jī)器人技術(shù)不斷向先進(jìn)水平靠攏。但是由于種種原因，我國(guó)卻錯(cuò)過了機(jī)器人發(fā)展的最好時(shí)機(jī)，致使機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展陷入困難的局面，從而失去了一次千載難逢的機(jī)遇。我國(guó)的機(jī)器人研究缺少基礎(chǔ)工業(yè)的支持，機(jī)器人的研制需要各種傳感器和許多伺服電機(jī)，需要特殊材料和許多電子元件等，目前我國(guó)還主要依靠國(guó)外進(jìn)口。我國(guó)擁有的機(jī)器人中，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人僅占兩成，剩下的都是外購(gòu)進(jìn)口的。有關(guān)專家估計(jì)，我國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的使用量將在“十二五”期間直線上升，機(jī)器人產(chǎn)品的使用數(shù)量會(huì)以一種前所未有的態(tài)勢(shì)快速增加。有關(guān)專家估測(cè)，用不了多久，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的份額會(huì)超過40億人民幣。但從整體上來說，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人技術(shù)仍有欠缺，在工業(yè)機(jī)器人的自主開發(fā)和更新?lián)Q代方面有待進(jìn)步。圖1-6我國(guó)研發(fā)的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人“精密一號(hào)”我國(guó)既是工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)的第一大國(guó)，同時(shí)也是工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)水平增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家之一。2010年全球工業(yè)機(jī)器人安裝數(shù)量將近12萬臺(tái)，幾乎是2009年安裝數(shù)量的2倍，電磁行業(yè)與汽車工業(yè)的發(fā)展是其主要驅(qū)動(dòng)因素。安裝總數(shù)中，亞洲增長(zhǎng)最多，排第1位，安裝數(shù)量達(dá)到7萬臺(tái)。而中國(guó)、韓國(guó)和東盟國(guó)家的增長(zhǎng)數(shù)量已接近3倍。所以，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展前景是非常光明的。1.4課題來源及其意義所選課題來自指導(dǎo)老師自擬的題目。我國(guó)碼垛、包裝等物流產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，導(dǎo)致市場(chǎng)需求與生產(chǎn)效率之間的矛盾也隨之不斷增長(zhǎng)，這就要求碼垛設(shè)備要具有更高的碼垛效率。我國(guó)的碼垛設(shè)備大部分都是國(guó)外公司的產(chǎn)品，我國(guó)每年的碼垛設(shè)備的進(jìn)口額接近5億元，所以我國(guó)目前在碼垛設(shè)備領(lǐng)域亟待解決的問題是研究開發(fā)具有高技術(shù)水平以及低成本的國(guó)產(chǎn)碼垛設(shè)備。碼垛設(shè)備能夠自主完成工作任務(wù)，把物料堆垛齊整，并且能夠減輕對(duì)物料的損壞，最主要的是能夠保障員工的的人身安全。同時(shí)，碼垛設(shè)備能夠代替人工碼垛，解放了勞動(dòng)力，減少了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)率，同時(shí)保證了產(chǎn)品的品質(zhì)。1.5設(shè)計(jì)內(nèi)容下圖所示的碼垛機(jī)械手選取了四軸鉸鏈?zhǔn)降恼w構(gòu)造，通過四個(gè)關(guān)節(jié)完成碼垛機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作，四個(gè)關(guān)節(jié)的位置如圖1-7所示。位于底座和主構(gòu)架之間的關(guān)節(jié)JT1，主要用于實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)械手整體的回轉(zhuǎn)動(dòng)作；位于主構(gòu)架和大臂之間的關(guān)節(jié)JT2，主要用于實(shí)現(xiàn)大臂大俯仰動(dòng)作；位于大臂和小臂之間的關(guān)節(jié)JT3，主要用于實(shí)現(xiàn)小臂的俯仰動(dòng)作；位于腕部和法蘭盤之間的關(guān)節(jié)JT4，主要用于實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)物料的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。圖1-7四軸碼垛機(jī)械手結(jié)構(gòu)四軸碼垛機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)。自由度：機(jī)械手能夠自主動(dòng)作的坐標(biāo)軸個(gè)數(shù)，反映動(dòng)作的靈敏程度。機(jī)械手的自由度越多，它的機(jī)構(gòu)性能就越與人手接近，相應(yīng)地結(jié)構(gòu)將會(huì)更加繁雜。工業(yè)生產(chǎn)中主要根據(jù)生產(chǎn)需要選擇機(jī)器人的自由度，用以避免這種矛盾性。工作范圍：主要指機(jī)械手腕部可以到達(dá)的位置在空間內(nèi)形成的區(qū)域?，F(xiàn)實(shí)生產(chǎn)作業(yè)條件下，機(jī)械手的末端執(zhí)行器或因到達(dá)工作死區(qū)而不能正常工作，所以碼垛機(jī)械手對(duì)工作范圍的要求是極其嚴(yán)格的。工作速度：包括機(jī)器人工作狀態(tài)下，各關(guān)節(jié)在單位時(shí)間內(nèi)的位移和角速度。同時(shí)還要考慮角加速度的問題，因?yàn)樘斓募?、減速度，會(huì)對(duì)機(jī)械手的關(guān)節(jié)造成振動(dòng)，從而導(dǎo)致定位不精確，承載能力：指機(jī)械手在動(dòng)作區(qū)間的任何位置和姿態(tài)上能夠負(fù)擔(dān)的最大載荷。通?？梢杂觅|(zhì)量、力矩、慣性力矩表示。精度：精度是實(shí)際與目標(biāo)之間的差異。驅(qū)動(dòng)方式：驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的方式主要有液體驅(qū)動(dòng)、氣體驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？刂品绞剑褐饕菍?duì)機(jī)械手的軸進(jìn)行操控，以得到真確的末端運(yùn)動(dòng)，對(duì)末端運(yùn)動(dòng)的控制主要有伺服和非伺服控制兩種形式。1.6本章小結(jié)這一章，主要對(duì)工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)以及分類，碼垛機(jī)械手的特點(diǎn)以及分類進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說明，對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概括，之后說明了課題的來源及其意義，最后對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。2碼垛機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.1引言碼垛機(jī)械手是碼垛自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要組成部分，其整體構(gòu)造是碼垛機(jī)械手設(shè)計(jì)的重要部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專業(yè)性和有效性直接關(guān)系到碼垛機(jī)械手的實(shí)際制造以及使用，這一章將重點(diǎn)研究碼垛機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)，以建立機(jī)械手的3D模型。2.2碼垛機(jī)械手本體的構(gòu)型分析本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)械手選取了四軸鉸鏈?zhǔn)降恼w構(gòu)造，其本體結(jié)構(gòu)由六個(gè)關(guān)鍵部分組成，詳細(xì)構(gòu)造可參看下圖的標(biāo)注。參照主流的碼垛設(shè)備，所設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)械手具有四個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，通過它們來實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)的具體位置參照下圖：位于底座和主構(gòu)架之間的關(guān)節(jié)JT1，主要用于實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)械手整體的回轉(zhuǎn)動(dòng)作；位于主構(gòu)架和大臂之間的關(guān)節(jié)JT2，主要用于實(shí)現(xiàn)大臂的俯仰動(dòng)作；位于大臂和小臂之間的關(guān)節(jié)JT3，主要用于實(shí)現(xiàn)小臂的俯仰動(dòng)作；位于腕部和法蘭盤之間的關(guān)節(jié)JT4，主要用于實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)物料的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。的末端執(zhí)行器能夠調(diào)整負(fù)載在空間內(nèi)的位姿；大臂對(duì)小臂起到支撐作用，大臂的動(dòng)作能夠在水平方向上改變末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)距離，而小臂的動(dòng)作則能夠在豎直方向上改變末端執(zhí)行器的位置；主構(gòu)架安裝底座上，其上裝有大臂，起到的支撐大臂的作用，并且能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)動(dòng)作；底座固定在地面或者支架上，承擔(dān)碼垛機(jī)械手的全部重量。碼垛機(jī)械手的腕部連接有法蘭盤，所以根據(jù)不同的要求可以選用不同的夾持工具，其整體構(gòu)造如圖2-1所示：腕部水平腕部水平保持連桿水平保持連桿小臂三角保持架小臂傳動(dòng)連桿底座主構(gòu)架大臂水平保持連桿小臂三角保持架小臂傳動(dòng)連桿底座主構(gòu)架大臂腕部圖2-1碼垛機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)主構(gòu)架安裝在底座上，它們之間存在一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線豎直向下。大臂、小臂以及腕部水平保持連桿均放置在主構(gòu)架上，主構(gòu)架承擔(dān)整個(gè)臂部的重量。碼垛機(jī)械手結(jié)構(gòu)中的平行四邊形機(jī)構(gòu)由大、小臂以及相應(yīng)連桿組成，能夠增加大、小臂的強(qiáng)度。碼垛機(jī)械手的工作范圍直接受到各連桿參數(shù)選擇的影響。我們把驅(qū)動(dòng)小臂運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)以及減速機(jī)安放在主構(gòu)架上，使整體結(jié)構(gòu)變得緊湊，從而減低了整體的運(yùn)動(dòng)慣量，讓整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。腕部安放在小臂前段，它們之間存在一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。腕部和水平保持桿相連，與小臂以及三角架共同構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)，并通過三角架與另一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)相連。腕部聯(lián)接法蘭盤，根據(jù)需求的不同，可以聯(lián)接不同的夾持工具。2.3碼垛機(jī)械手平行四邊形機(jī)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)2.3.1驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)如下圖所示，圖中長(zhǎng)度500代表連桿軸的長(zhǎng)度，相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；豎直長(zhǎng)度1280代表大臂以及小臂驅(qū)動(dòng)連桿的長(zhǎng)度，上端長(zhǎng)度1850則代表整個(gè)小臂的長(zhǎng)度，這三部分都屬于從動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖2-2為驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖2-2驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.3.2從動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)械手中包含兩組從動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)，一組由驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)中的小臂1850作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，另一組由驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)中的大臂1280作為驅(qū)機(jī)構(gòu)。圖2-3為從動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)A的簡(jiǎn)圖；圖2-4為從動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)B的簡(jiǎn)圖。圖2-3從動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)A的簡(jiǎn)圖圖2-4從動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)B的簡(jiǎn)圖2.4碼垛機(jī)械手腰部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)碼垛機(jī)械手腰部關(guān)節(jié)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)動(dòng)作，它的設(shè)計(jì)原則如下：（1）碼垛機(jī)械手的底座固定在地面或鋼架上，腰部關(guān)節(jié)則安放在底座上，底座承擔(dān)了機(jī)械手的所有重量。為了保證機(jī)械手能夠穩(wěn)定工作，在設(shè)計(jì)底座時(shí)，應(yīng)使底座面積滿足承擔(dān)碼垛機(jī)械手整體重量的要求；（2）保證機(jī)械手基座軸承的承載能力足夠大；（3）保證腰部關(guān)節(jié)擁有較高的傳動(dòng)精度；（4）腰部關(guān)節(jié)要選用相匹配的驅(qū)動(dòng)裝置和減速裝置。本文所設(shè)計(jì)的腰部關(guān)節(jié)，底座選用鑄鋼材料進(jìn)行制作，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)底座的嚴(yán)苛要求。腰部驅(qū)動(dòng)形式選用伺服電機(jī)帶動(dòng)RV減速機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)動(dòng)作。圖2-5為碼垛機(jī)械手腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的三維圖。圖2-5碼垛機(jī)械手腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)三維圖2.5碼垛機(jī)械手大、小臂的設(shè)計(jì)在空間中，除了腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)外，碼垛機(jī)械手末端執(zhí)行器的位置還主要由大臂和小臂來決定。碼垛機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)原則如下：（1）碼垛機(jī)械手大臂和小臂的長(zhǎng)度在很大程度上決定了機(jī)器人末端執(zhí)行器能達(dá)到的范圍，所以大臂和小臂的尺寸要根據(jù)工作空間嚴(yán)格計(jì)算得出。（2）為了便于對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行正逆運(yùn)算求解以及方便地控制機(jī)械手，應(yīng)使機(jī)械手手臂的關(guān)節(jié)軸線盡可能平行或是交于一點(diǎn)。（3）機(jī)械手的手臂要盡可能選擇輕質(zhì)，強(qiáng)度大的材料，以保證臂部的正常動(dòng)作，這樣有利于提高機(jī)械手的工作速度以及精確程度。在機(jī)械手設(shè)計(jì)完成后，可使用有限元分析軟件校核小臂的強(qiáng)度，優(yōu)化設(shè)計(jì)。（4）設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂時(shí)，盡可能采取質(zhì)量相互平衡的方式減少電機(jī)的負(fù)載。碼垛機(jī)械手的手臂選用回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和手臂安置在驅(qū)動(dòng)臂座上的形式。電機(jī)通過RV減速器輸出轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動(dòng)大、小臂的動(dòng)作。本文設(shè)計(jì)的大、小臂均采用了空心矩形的形式來增加大、小臂的強(qiáng)度。其上裝有限位裝置。圖2-6為碼垛機(jī)械手大臂的三維圖。圖2-6碼垛機(jī)械手大臂三維圖小臂的動(dòng)作是通過四連桿機(jī)構(gòu)完成的。這樣設(shè)計(jì)的好處是可以將小臂的伺服電機(jī)以及減速機(jī)安放在主構(gòu)架上，使結(jié)構(gòu)變得緊湊，同時(shí)可以降低小臂伺服電機(jī)和減速機(jī)帶給大臂及驅(qū)動(dòng)臂座的彎矩，有利于提高整體的穩(wěn)定性。連桿與機(jī)械手大臂的長(zhǎng)度相同并且相互平行，與連桿軸、小臂后半部分構(gòu)成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，有利于對(duì)小臂轉(zhuǎn)角的控制。驅(qū)動(dòng)小臂的伺服電機(jī)通過RV減速機(jī)將運(yùn)動(dòng)傳遞到連桿軸上，進(jìn)而由連桿軸帶動(dòng)小臂的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)小臂的動(dòng)作。平行四邊形機(jī)構(gòu)如下圖所示：圖2-7平行四邊形機(jī)構(gòu)三維圖碼垛機(jī)械手小臂的三維圖如圖2-8所示。為了減輕小臂重量，同時(shí)保證小臂的強(qiáng)度，小臂采用了空心矩形的結(jié)構(gòu)形式，尾部?jī)啥松斐龅碾A梯軸用來安裝緩沖裝置以及三角架。圖2-8碼垛機(jī)械手小臂三維圖2.6碼垛機(jī)械手腕部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)械手腕部關(guān)節(jié)采用了兩組平行四邊形機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)S軸的軸線始終與地面保持垂直。一組由腕部、小臂、三角架以及水平保持桿組成，另一組水平連桿、主構(gòu)架、大臂以及三角架組成。兩組平行四邊形機(jī)構(gòu)的三維圖如圖2-9所示。兩組平行四邊形機(jī)構(gòu)通過安裝在小臂上的三角架相互連接，這里用到了“平行四邊形”原理。圖2-9兩組平行四邊形機(jī)構(gòu)的三維圖本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)械手腕部關(guān)節(jié)將驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)S軸的伺服電機(jī)和減速機(jī)置于腕部上，這樣設(shè)計(jì)的好處是能夠?qū)⑼蟛拷Y(jié)構(gòu)變得緊湊，提高末端執(zhí)行器的定位精度。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)S軸能夠?qū)崿F(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，工作空間大。減速機(jī)下端連接有法蘭盤，通過法蘭盤可以連接不同的夾持工具，方便對(duì)不同物料的搬運(yùn)碼垛。碼垛機(jī)械手腕部關(guān)節(jié)的三維圖如下圖所示：圖2-10碼垛機(jī)械手腕部關(guān)節(jié)三維圖2.7本章小結(jié)這一章，首先對(duì)碼垛機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求，完成了對(duì)一組驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)和兩組從動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)。通過Solidworks建模得出了碼垛機(jī)械手主要部件的尺寸。最后參照主流碼垛機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了碼垛機(jī)械手的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)及其主要部件，并對(duì)各部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的說明。3碼垛機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型和計(jì)算3.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型相比于傳統(tǒng)的液壓以及氣壓驅(qū)動(dòng)的方式，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)效率高；運(yùn)動(dòng)速度快；定位精度高；溫度變化對(duì)其影響不大；產(chǎn)生的噪聲和污染不大。所以，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，碼垛機(jī)械手選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式。目前，工業(yè)機(jī)器人采用的電機(jī)主要有以下幾種：步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化調(diào)控，操控性能高，操作方便，能夠自鎖以及保持轉(zhuǎn)矩。大多使用在小功率和低傳動(dòng)效率的小型機(jī)器人上。直流伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)單位時(shí)間內(nèi)輸出功率大，變速性能好，調(diào)控技術(shù)成熟，能夠快速響應(yīng)，并且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，但構(gòu)造復(fù)雜，花費(fèi)較大。直流伺服電機(jī)的功率范圍在500W以內(nèi)。交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)的花費(fèi)雖大，但構(gòu)造簡(jiǎn)單，能夠快速響應(yīng)，可靠性高，便于維護(hù)，可以不斷改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及加速減速，短時(shí)間內(nèi)承擔(dān)過載的能力優(yōu)異。碼垛機(jī)械手驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)動(dòng)作的電機(jī)應(yīng)具有大功率，大扭矩的特點(diǎn)外，還要具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、速度調(diào)節(jié)范圍廣的特點(diǎn)。尤其是碼垛機(jī)械手的腕部關(guān)節(jié)，由于需要快速響應(yīng)，所以采用重量輕，體積小巧的伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而且要求工作狀態(tài)平穩(wěn)、短時(shí)間內(nèi)承擔(dān)過載的能力優(yōu)異。所以，選用交流伺服電機(jī)。用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的電機(jī)交流伺服系統(tǒng)大部分使用永磁同步的形式，這些電機(jī)主要從國(guó)外進(jìn)口。相比于其他公司的電機(jī)，安川電機(jī)的性能最優(yōu)。所以，最終選用安川公司生產(chǎn)的交流伺服電機(jī)作為碼垛機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。3.2減速機(jī)的選型碼垛機(jī)械手所使用的伺服電機(jī)以及減速機(jī)的精度決定了末端執(zhí)行器的定位精度。用于碼垛機(jī)械手的減速機(jī)要具備下列優(yōu)點(diǎn)：具有較高的輸出轉(zhuǎn)矩以及較小的回程間隙，同時(shí)要保證強(qiáng)度以及潤(rùn)滑性能等。目前，工業(yè)機(jī)器人采用的減速機(jī)主要有以下幾種：行星減速機(jī)行星減速機(jī)的主要通過太陽(yáng)輪、行星輪以及外齒圈三部分進(jìn)行傳動(dòng)，其構(gòu)造簡(jiǎn)單，極數(shù)一般≦3，減速比一般≦10。行星減速機(jī)的減速比范圍大，傳動(dòng)效率高，同時(shí)具有較高的制造精度，同軸輸入、輸出，剛度較好。行星減速機(jī)大部分使用在伺服電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)上，由于對(duì)制造精度的嚴(yán)苛要求，將其大多使用在構(gòu)型緊密的場(chǎng)合。諧波減速機(jī)諧波傳動(dòng)是一種新型傳動(dòng)，它是上個(gè)世紀(jì)五十年代太空技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。經(jīng)過多年的發(fā)展，諧波減速機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不僅僅局限于太空技術(shù)，現(xiàn)已被應(yīng)用在其它技術(shù)領(lǐng)域。諧波減速器的實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。諧波減速機(jī)具有以下特點(diǎn)：傳動(dòng)范圍廣，傳動(dòng)速比大。諧波減速機(jī)的單級(jí)傳動(dòng)比在70到320之間。傳動(dòng)精確程度高。和其它減速機(jī)比較，在同等的制造精度條件下，諧波減速機(jī)的傳動(dòng)精度要高1級(jí)，并且它的回差率小，能夠出現(xiàn)零回差。傳動(dòng)效率高。在傳動(dòng)比相同的條件下，諧波傳動(dòng)的效率和行星齒輪傳動(dòng)的效率基本一致。傳動(dòng)比在100時(shí)，其傳動(dòng)效率約為0.85。同一時(shí)間嚙合的齒輪齒數(shù)多。在運(yùn)行狀況下，諧波減速機(jī)同一時(shí)間嚙合的齒輪齒數(shù)占總齒數(shù)的三到五成。具有柔性的特點(diǎn)。能夠在封閉的空間里傳動(dòng)，其它機(jī)械傳動(dòng)無法實(shí)現(xiàn)這種傳動(dòng)方式。柔輪的制造難度大，承擔(dān)載荷的能力差，故將其主要應(yīng)用在大傳動(dòng)比、小功率的場(chǎng)合。圖3-1諧波減速機(jī)的實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)圖RV減速機(jī)擺線針輪傳動(dòng)是RV減速機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)。RV減速機(jī)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)速比大、體積小巧、質(zhì)量輕等幾方面。圖3-2為RV減速機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖以及原理圖。圖3-2RV減速機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及其原理圖RV減速機(jī)的減速原理為：第一級(jí)減速：直齒輪減速直齒輪與輸入齒輪嚙合并隨之旋轉(zhuǎn)，并與曲柄軸相連接。這里按齒數(shù)差減速，為第一級(jí)減速。第二級(jí)減速：行星齒輪減速直齒輪驅(qū)動(dòng)曲柄軸，使兩個(gè)RV齒輪做偏心運(yùn)動(dòng)，為了提供平衡負(fù)載RV齒輪相轉(zhuǎn)180°；位于外殼內(nèi)的圓柱形針齒與擺線輪因?yàn)镽V齒輪做偏心運(yùn)動(dòng)而互相嚙合；曲柄軸旋轉(zhuǎn)360°，RV齒輪逆向旋轉(zhuǎn)1個(gè)齒數(shù)距離。輪齒與針齒由于RV齒輪的偏心運(yùn)動(dòng)而緊密接觸，許多輪齒共同承擔(dān)負(fù)載。輸出方式既可以是軸也可以是外殼，若外殼固定，則軸為輸出；若軸固定，則外殼為輸出。下圖為RV減速機(jī)立體剖視結(jié)構(gòu)圖。圖3-3RV減速機(jī)立體剖視結(jié)構(gòu)圖碼垛機(jī)械手的關(guān)節(jié)需要承受較大的傾覆力矩，尤其是第一軸的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)械手的臂展越大，基座承受的傾覆力矩就越大。相比于其它減速機(jī)，RV減速機(jī)自身配有主軸承，與減速機(jī)集成一體。它的優(yōu)點(diǎn)足以滿足碼垛機(jī)械手在工作狀況下對(duì)其傳動(dòng)裝置的要求。所以我們選用RV減速機(jī)作為碼垛機(jī)械手的傳動(dòng)裝置。3.3碼垛機(jī)械手各關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1碼垛機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)按照碼垛機(jī)械手設(shè)計(jì)任務(wù)書上面的要求，碼垛機(jī)械手能夠完成堆放碼垛的任務(wù)，機(jī)械手整體能夠靈活運(yùn)動(dòng)，末端需連接執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)物料的抓取功能。根據(jù)要求，表2-1列出了碼垛機(jī)械手的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)。表3-1碼垛機(jī)械手主要技術(shù)參數(shù)表3.3.2回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)T軸的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械手的腕部關(guān)節(jié)（即T軸）位于碼垛機(jī)械手手臂的最前端，起到驅(qū)動(dòng)夾持裝置旋轉(zhuǎn)的作用。夾持裝置和搬運(yùn)物料共同組成末端負(fù)載，將其看作一個(gè)長(zhǎng)、寬、高分別為a、b、c的長(zhǎng)方體，利用慣量計(jì)算公式計(jì)算慣量：上式中，m為腕部載荷的質(zhì)量，根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知機(jī)械手末端承受負(fù)載≦180kg，取最大值為180kg，適用棧板L1200mm×W1200mm，代入上式得：碼垛機(jī)械手在工作過程中，速度與加速度隨著空間位姿的變化而不斷變化。假定啟動(dòng)加速時(shí)間為0.1s，則回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的速度與加速度分別為：上式中，為回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的額定轉(zhuǎn)速，為回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角加速度。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生的慣性力矩與角加速度成正比，由公式得：初步選擇安川公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，型號(hào)為：SGMSV－30A，其額定輸出功率為3.0KW，額定轉(zhuǎn)矩為9.80，瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩為29.4，額定轉(zhuǎn)速3000，最高轉(zhuǎn)速5000，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為。減速機(jī)選用納博特斯克公司生產(chǎn)的RV－80E，減速比為110:1，輸出轉(zhuǎn)矩為784，啟動(dòng)、停止容許轉(zhuǎn)矩為1960，最大容許轉(zhuǎn)矩為3920，減速機(jī)輸入軸慣性力矩為3.53×。通過轉(zhuǎn)換，可以得到電機(jī)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：根據(jù)下面的公式，求出相應(yīng)的比值：機(jī)械手系統(tǒng)對(duì)慣量匹配的要求是上式比值小于15，上式比值為3.92，符合要求，即慣量得到匹配。轉(zhuǎn)速為時(shí)，所選減速機(jī)的傳動(dòng)效率為0.9，根據(jù)公式計(jì)算，可得：伺服電機(jī)能夠提供到減速機(jī)末端的轉(zhuǎn)速為：通過比較伺服電機(jī)供給到減速機(jī)末端的角速度和腕部關(guān)節(jié)額定角速度的大小，以及伺服電機(jī)供給到減速機(jī)末端的最大轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，我們可以得到下面的結(jié)果：所選擇的伺服電機(jī)以及減速機(jī)是匹配的。表2-2給出了T軸電機(jī)和減速機(jī)的參數(shù)。表3-2T軸電機(jī)及減速機(jī)的參數(shù)伺服電機(jī)RV減速機(jī)型號(hào)SGMSV－30ARV－80E額定功率3.0－額定轉(zhuǎn)速3000－轉(zhuǎn)動(dòng)慣量9.20.353減速比－110最大轉(zhuǎn)速500070額定轉(zhuǎn)矩9.80784最大轉(zhuǎn)矩29.43920RV減速機(jī)對(duì)安裝精度、裝配密封以及養(yǎng)護(hù)等方面有著嚴(yán)格的要求?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)處RV減速機(jī)的安裝如下圖所示：電機(jī)安裝座的設(shè)計(jì)必須在公差范圍內(nèi)，要確保軸承擋圈碰不到電機(jī)安裝座。安裝時(shí)要精準(zhǔn)，保證能夠穩(wěn)定工作；安裝減速機(jī)時(shí)，提前加入規(guī)定型號(hào)和規(guī)定量的潤(rùn)滑脂；固定減速機(jī)的時(shí)候，要保證減速機(jī)兩輸出軸的緊密連接；將輸出軸的螺栓擰緊時(shí)，要按照要求選擇緊固扳手，以保證減速機(jī)的精度；裝配腕部關(guān)節(jié)時(shí)，為了保證伺服電機(jī)和減速機(jī)之間能夠密封，我們選擇使用唇形密封圈，以達(dá)到裝配要求。按照輸出軸形式的不同，我們可以把伺服電機(jī)分為：直軸、不帶鍵槽的伺服電機(jī)和直軸、帶鍵槽以及螺孔的伺服電機(jī)。第一種伺服電機(jī)要配套使用相應(yīng)的聯(lián)軸器，因?yàn)闃?gòu)型松散，所以維護(hù)起來有一定的難度，并不適合在碼垛機(jī)械手上使用。所以我們選擇第二種伺服電機(jī)，這種伺服電機(jī)不需要額外的聯(lián)軸器來傳遞轉(zhuǎn)矩，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。為了保證電機(jī)能夠正常工作，我們要定期更換電機(jī)的潤(rùn)滑油，所以設(shè)置了更換潤(rùn)滑油的裝置。在RV減速機(jī)中裝有主軸承，它的作用相當(dāng)于其它減速機(jī)在連接關(guān)節(jié)時(shí)使用到的交叉滾子軸承，這種結(jié)構(gòu)使得RV減速機(jī)的體型變得小巧、緊湊。圖3-4為伺服電機(jī)和減速機(jī)在關(guān)節(jié)處的安裝示意圖。圖3-4回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)T軸電機(jī)和減速機(jī)的安裝示意圖3.3.3旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)S軸的設(shè)計(jì)計(jì)算腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)所承載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是整個(gè)機(jī)械手工作時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以只需求出機(jī)械手最大負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量即可。我們?nèi)≈鳂?gòu)架、大臂、小臂和腕部在各關(guān)節(jié)軸心處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為、、、，由平行軸定理，求得：其中，、、、分別為上述各部件的大致重量，它們的重量可以通過在Solidworks中建模初步計(jì)算出來。主構(gòu)架上還裝有大臂和小臂的驅(qū)動(dòng)裝置以及傳動(dòng)裝置，腕部還裝有回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置以及傳動(dòng)裝置，同時(shí)還有載荷的重量，所以必須把它們都考慮進(jìn)來。通過計(jì)算，我們得到：，，，。、、、是上述各部分的質(zhì)量中心到腰部旋轉(zhuǎn)軸線的距離。查閱相關(guān)資料，可知：，，，所以我們可以把、、忽略不計(jì)。腰部的質(zhì)量中心在其關(guān)節(jié)的軸線上，所以。在Solidworks中我們可以得到各部件質(zhì)量中心的位置，其中、、；同時(shí)還能夠得到各部件繞各自質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的速度與加速度的分別為：上式中，為S軸的額定轉(zhuǎn)速，為S軸的角加速度。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生的慣性力矩與角加速度成正比，由公式得：初步選擇安川公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)，型號(hào)為：SGMSV－50A，瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩為47.6，額定轉(zhuǎn)矩為15.8，最高轉(zhuǎn)速5000，額定轉(zhuǎn)速3000，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為，額定輸出功率為5.0KW。減速機(jī)選用納博特斯克公司生產(chǎn)的RV－320C，減速比為35.61:1，輸出轉(zhuǎn)矩為3538，啟動(dòng)、停止容許轉(zhuǎn)矩為，最大容許轉(zhuǎn)矩為39200，減速機(jī)輸入軸慣性力矩為68×。通過轉(zhuǎn)換，可以得到電機(jī)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：根據(jù)下面的公式，求出相應(yīng)的比值：機(jī)械手系統(tǒng)對(duì)慣量匹配的要求是上式比值小于15，上式比值為12.9，符合要求，即慣量得到匹配。轉(zhuǎn)速為時(shí)，所選減速機(jī)的傳動(dòng)效率為0.99，根據(jù)公式計(jì)算，可得：伺服電機(jī)能夠提供到減速機(jī)末端的轉(zhuǎn)速為：通過比較伺服電機(jī)供給到減速機(jī)末端的角速度和腕部關(guān)節(jié)額定角速度的大小，以及伺服電機(jī)供給到減速機(jī)末端的最大轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，我們可以得到下面的結(jié)果：所選擇的伺服電機(jī)以及減速機(jī)是匹配的。表3-3給出了S軸電機(jī)和減速機(jī)的參數(shù)。表3-3腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的電機(jī)及減速機(jī)的參數(shù)伺服電機(jī)RV減速機(jī)型號(hào)SGMSV－50ARV－320C額定功率5－額定轉(zhuǎn)速3000－轉(zhuǎn)動(dòng)慣量14.568減速比－35.61最大轉(zhuǎn)速500025額定轉(zhuǎn)矩15.83538最大轉(zhuǎn)矩47.639200本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)械手在選擇腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)裝置時(shí)，選用了RV減速機(jī)的C系列。相比于E系列RV減速機(jī)，C系列的RV減速機(jī)具有以下特點(diǎn)：C系列的RV減速機(jī)采用特殊的中空構(gòu)造，減速機(jī)內(nèi)部能夠放置電纜，這樣可以充分利用多余的部分，使減速機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造變得更加緊密；C系列的RV減速機(jī)將壓力角球軸承安放在里面，和E系列的RV減速機(jī)比較，C系列減速機(jī)選用的軸承級(jí)別要大，這種構(gòu)造優(yōu)化了減速機(jī)承擔(dān)載荷的能力，同時(shí)也提高了減速機(jī)自身的剛性強(qiáng)度，使用更加可靠。采用這種結(jié)構(gòu)，減少了內(nèi)部所需組件的數(shù)量，從而降低了生產(chǎn)成本，便于減速機(jī)的安裝和維護(hù)。圖3-5旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)S軸減速機(jī)的安裝示意圖上面我們已經(jīng)對(duì)碼垛機(jī)械手腰部關(guān)節(jié)和腕部關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置以及傳動(dòng)裝置的選型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是相比于上面兩個(gè)關(guān)節(jié)的選型，大臂關(guān)節(jié)和小臂關(guān)節(jié)的選型就顯得繁瑣。利用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量求取驅(qū)動(dòng)力矩的辦法并不適用在這兩個(gè)關(guān)節(jié)的選型上。為了保證選型的準(zhǔn)確性，達(dá)到設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，同時(shí)為了降低選型計(jì)算的難度，所以下一節(jié)我們將通過牛頓-歐拉公式遞推的辦法來選取大、小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)裝置以及減速裝置。3.3.4旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)L軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型計(jì)算通過牛頓-歐拉公式遞推的原理，我們得到大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的最大驅(qū)動(dòng)力矩為。通過得到的力矩可以選擇出大臂關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)和減速機(jī)。表2-4給出了L軸電機(jī)和減速機(jī)的參數(shù)。表3-4L軸電機(jī)及減速機(jī)的參數(shù)由上表可得：減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為：減速機(jī)輸出額定轉(zhuǎn)速：通過比較伺服電機(jī)供給到減速機(jī)末端的角速度和腕部關(guān)節(jié)額定角速度的大小，以及伺服電機(jī)供給到減速機(jī)末端的最大轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，我們可以得到下面的結(jié)果：所選擇的伺服電機(jī)以及減速機(jī)是匹配的。3.3.5U軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型計(jì)算通過牛頓-歐拉公式遞推的原理，我們得到大臂關(guān)節(jié)的最大驅(qū)動(dòng)力矩為。通過得到的力矩可以選擇出大臂關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)和減速機(jī)。表2-5給出了U軸電機(jī)和減速機(jī)的參數(shù)。表3-5U軸電機(jī)及減速機(jī)的參數(shù)伺服電機(jī)RV減速機(jī)型號(hào)SGMGV－44ARV－160E額定功率4.4－額定轉(zhuǎn)速1500－轉(zhuǎn)動(dòng)慣量760.151減速比－101最大轉(zhuǎn)速300045額定轉(zhuǎn)矩28.41568最大轉(zhuǎn)矩71.17840由上表可得：減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為：減速機(jī)輸出額定轉(zhuǎn)速：通過比較伺服電機(jī)供給到減速機(jī)末端的角速度和腕部關(guān)節(jié)額定角速度的大小，以及伺服電機(jī)供給到減速機(jī)末端的最大轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，我們可以得到下面的結(jié)果：所選擇的伺服電機(jī)以及減速機(jī)是匹配的。下圖為L(zhǎng)軸和U軸的電機(jī)和減速機(jī)的安裝示意圖。圖3-6L軸和U軸關(guān)節(jié)電機(jī)減速機(jī)的安裝示意圖3.4本章小結(jié)這一章主要確定了碼垛機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)，簡(jiǎn)要介紹了用于工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)的類型以及特點(diǎn)，同時(shí)選擇了適合碼垛機(jī)械手的類型。之后對(duì)碼垛機(jī)械手的整體構(gòu)造進(jìn)行了說明，通過采用平行四邊形機(jī)構(gòu)來使末端執(zhí)行器的軸線能夠永久與地面保持豎直。最后對(duì)碼垛機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算。4RV減速機(jī)的設(shè)計(jì)4.1RV減速機(jī)的傳動(dòng)原理RV傳動(dòng)是由兩部分組成的：一部分是漸開線齒輪傳動(dòng)，另一部分是擺線針輪傳動(dòng)。采用RV傳動(dòng)的傳動(dòng)方式可以使減速機(jī)的構(gòu)造變得緊密，有利于減小減速機(jī)的整體尺寸，降低減速機(jī)的質(zhì)量。此外，RV傳動(dòng)具有傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)范圍大的優(yōu)點(diǎn)。目前，RV傳動(dòng)在工業(yè)機(jī)器人行業(yè)非常受歡迎，受到國(guó)內(nèi)為工業(yè)機(jī)器人制造商的重視。RV減速機(jī)在碼垛機(jī)械手的腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以及大、小臂的驅(qū)動(dòng)等精密傳動(dòng)的地方起著尤為重要的作用。下圖為RV減速機(jī)的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。1.太陽(yáng)輪2.行星輪3.偏心軸4.擺線輪5.針齒6.輸出軸7.針齒外殼圖4-1RV減速機(jī)的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4-1所示，輸入軸驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，太陽(yáng)輪反向自轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)行星輪繞輸入軸公轉(zhuǎn)。行星輪與曲柄軸相互連接，從而帶動(dòng)擺線輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)擺線輪的相位相差180°。擺線輪與固定的針輪嚙合，同時(shí)帶動(dòng)三根安裝在擺線輪上的曲柄軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)輸出機(jī)構(gòu)向外輸出動(dòng)力。RV減速機(jī)的傳動(dòng)比為：上式中，－中心齒輪數(shù)；－行星齒輪數(shù)；－針輪齒數(shù)。4.2RV傳動(dòng)的特點(diǎn)傳動(dòng)效率高；傳動(dòng)比范圍大；傳動(dòng)精度高，間隙??；扭轉(zhuǎn)剛度大。4.3傳動(dòng)比的分配RV減速機(jī)由圓柱齒輪減速裝置和擺線針輪行星減速裝置兩部分構(gòu)成。將4-1的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可得下圖：圖4-2RV傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖計(jì)算RV減速機(jī)的傳動(dòng)比：當(dāng)RV減速機(jī)剛輪固定，輸出盤6輸出時(shí)：聯(lián)立以上三式，即得RV傳動(dòng)的傳動(dòng)比計(jì)算公式：式中，—漸開線中心輪齒數(shù)；—漸開線行星輪齒數(shù)；—擺線輪齒數(shù)；—針輪齒數(shù)本文設(shè)計(jì)的RV減速機(jī)減速比為50，初步分配齒數(shù)如下：4.4中心輪和行星齒輪的設(shè)計(jì)（1）零件材料以及熱處理方法的選擇：中心輪：40Cr調(diào)質(zhì)，硬度為240～280HBW；行星輪：40Cr調(diào)質(zhì)，硬度為220～250HBW；齒輪齒數(shù)的確定（3）齒輪模數(shù)的確定根據(jù)齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)：上式中各計(jì)算數(shù)值的確定如下：查閱資料，得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度：查閱資料，得彎曲疲勞壽命系數(shù)：彎曲疲勞許用應(yīng)力的計(jì)算查閱資料，取彎曲疲勞應(yīng)力安全系數(shù):得：載荷系數(shù)的計(jì)算查閱資料，得：使用系數(shù)動(dòng)載系數(shù)齒間分布系數(shù)齒向分布系數(shù)所以載荷系數(shù)：查閱資料，得齒形系數(shù)：查閱資料，得應(yīng)力校正系數(shù)：計(jì)算的值并比較大小行星輪傳遞轉(zhuǎn)矩的計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算取m=1.5。得行星輪的分度圓直徑:齒寬：齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核查閱資料，得齒面接觸應(yīng)力：上式中，-材料彈性系數(shù)-節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)-載荷系數(shù)-行星輪間載荷分配不均勻系數(shù)-行星輪分度愿直徑-行星輪傳遞的轉(zhuǎn)矩-齒寬-齒數(shù)比查閱資料，得：材料的彈性系數(shù)：節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)：載荷系數(shù)：K=1.566載荷分配不均系數(shù)：KHp=1.85易得：查閱資料，得許用接觸應(yīng)力：查閱資料，得：接觸疲勞強(qiáng)度極限σH1im=600MPa壽命系數(shù)工作硬化系數(shù)尺寸系數(shù)Zx=1安全系數(shù)S=1.05得許用接觸應(yīng)力：由于：所以，接觸疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。齒輪幾何尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算分度圓直徑d=m×=1.5×39=58.5mm=m×=1.5×61=91.5mm計(jì)算齒頂圓直徑=×m=1.5mm=+2=58.5+3=61.5mm=+2=91.5+3=94.5mm計(jì)算齒根高=（+）*m=1.25m=1.875mm計(jì)算齒根圓直徑=-2=58.5-3.75=54.75mm=-2=91.5-3.75=87.75m計(jì)算齒寬=×=0.34×58.5=20mm=+5=20+5=25mm計(jì)算中心距=m/2(+)=1.5/2×(61+39)=75mm4.5本章小結(jié)本章主要介紹了RV傳動(dòng)的原理以及特點(diǎn)，初步分配了傳動(dòng)比，之后對(duì)RV減速器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算說明。最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，確定了最終的參數(shù)。5旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)行星齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算5.1旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)行星齒輪的方案設(shè)計(jì)為了滿足設(shè)計(jì)和使用的要求，這里我們選用立式一齒差行星齒輪減速器（不帶電機(jī)）作為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)裝置。因?yàn)闇p速機(jī)的傳動(dòng)比，所以采用N型減速器的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。使用條件為連續(xù)傳動(dòng)，而且對(duì)傳動(dòng)效率有較高的要求，所以輸出機(jī)構(gòu)采用孔銷式輸出機(jī)構(gòu)－類似于平行四邊形機(jī)構(gòu)。由行星輪輸出，內(nèi)齒輪固定不動(dòng)。5.2少齒差內(nèi)齒輪副的設(shè)計(jì)計(jì)算（1）內(nèi)、外齒輪齒數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算作為太陽(yáng)輪與底座固連的內(nèi)齒輪2不做轉(zhuǎn)動(dòng)，在結(jié)構(gòu)上對(duì)稱布置的兩個(gè)外齒輪1作為行星輪自轉(zhuǎn)，并且繞著內(nèi)齒輪2做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。行星架作為高速軸輸入，繞其轉(zhuǎn)動(dòng)中心自轉(zhuǎn)的行星輪作為低速軸輸出。上一節(jié)的設(shè)計(jì)方案中，少齒差行星齒輪減速器的齒差數(shù)為1，傳動(dòng)比。查閱資料，行星齒輪的傳動(dòng)比：取齒輪2和齒輪1的齒數(shù)差為1，那么由上面的行星齒輪傳動(dòng)比的計(jì)算公式可得，，。（2）壓力角的選取。按照標(biāo)準(zhǔn)壓力角選取。（3）齒頂高系數(shù)的選取。。（4）變位系數(shù)的選取。初選外齒輪1的變位系數(shù)為。查閱資料，可知：上式中，那么：化簡(jiǎn)，得內(nèi)齒輪變位系數(shù)：初步選取，那么：下列各項(xiàng)均按進(jìn)行試算。（5）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中心距查閱資料，可得：（6）計(jì)算中心距根據(jù)中心距公式，求得：（7）計(jì)算嚙合角根據(jù)中心距公式：求得：（8）計(jì)算中心距分離系數(shù)根據(jù)中心距分離系數(shù)公式，求得：（9）計(jì)算反變位系數(shù)根據(jù)反變位系數(shù)公式，求得：(10)計(jì)算內(nèi)、外齒輪的分度圓半徑計(jì)算外齒輪分度圓半徑：計(jì)算內(nèi)齒輪分度圓半徑：（11）計(jì)算內(nèi)、外齒輪的基圓半徑計(jì)算行星外齒輪1的基圓半徑：計(jì)算內(nèi)齒輪2的基圓半徑：（12）計(jì)算內(nèi)、外齒輪的齒頂圓半徑計(jì)算行星外齒輪1的齒頂圓半徑：計(jì)算內(nèi)齒輪2的齒頂圓半徑：（13）計(jì)算內(nèi)、外齒輪的齒頂壓力角根據(jù)下列公式，計(jì)算外齒輪的齒頂壓力角：根據(jù)下列公式，計(jì)算外齒輪的齒頂壓力角：（14）計(jì)算重合度根據(jù)重合度計(jì)算公式，可得因?yàn)?，所以不需要重新?jì)算。（15）齒廓重疊干涉的驗(yàn)算根據(jù)公式，可得：上式中，由計(jì)算結(jié)果可知：不會(huì)發(fā)生齒廓重疊干涉，即滿足齒廓重疊干涉的條件。（16）模數(shù)m的設(shè)計(jì)計(jì)算漸開線少齒差行星齒輪減速器中相互嚙合的兩個(gè)內(nèi)外齒輪，它們的齒廓曲率中心位于同一方向。因?yàn)閮蓚€(gè)齒輪的齒廓曲率半徑幾乎相等，所以它們有比較大的接觸面積，它們的接觸應(yīng)力就相對(duì)的小。相比于其它減速器，這種就不需要驗(yàn)算接觸應(yīng)力，只要對(duì)彎曲強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，這里根據(jù)彎曲強(qiáng)度公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。齒輪為直齒時(shí)，根據(jù)計(jì)算得到的齒根彎曲應(yīng)力，可以得出輪齒彎曲的強(qiáng)度條件：上式中，—齒根彎曲應(yīng)力，MPa—齒寬，mm—分度圓上的圓周力，N—模數(shù)，mm—齒寬載荷分配系數(shù)—輪齒載荷分配系數(shù)—齒形系數(shù)—?jiǎng)虞d系數(shù)—使用系數(shù)內(nèi)齒輪2和行星外齒輪1在傳動(dòng)過程中的許用齒根彎曲應(yīng)力，可以通過下面的公式進(jìn)行計(jì)算：上式中，—實(shí)驗(yàn)齒輪的彎曲極限應(yīng)力，MPa—應(yīng)力集中系數(shù)—齒根彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)—尺寸系數(shù)—壽命系數(shù)—齒根圓角表面狀況系數(shù)根據(jù)上面的驗(yàn)算公式，設(shè)齒寬系數(shù)為齒寬與小齒輪的分度圓直徑的比值，即，其中代入上面的驗(yàn)算公式，得：上式中，—傳動(dòng)過程中行星外齒輪1所傳遞的轉(zhuǎn)矩，?！X寬系數(shù)，這里取0.1~0.2?！恺X輪的齒數(shù)齒形系數(shù)的確定齒形系數(shù)出現(xiàn)在載荷作用在齒頂時(shí)，采用霍菲30o切線法來確定齒根彎曲強(qiáng)度的危險(xiǎn)截面位置，因此可以用簡(jiǎn)單的作圖法來求出任何漸開線齒形（標(biāo)準(zhǔn)的或特殊的）的齒形系數(shù)。根據(jù)下面的公式求出齒形系數(shù)：當(dāng)行星外齒輪1的齒頂高系數(shù)為時(shí)，查閱資料，可得：。當(dāng)內(nèi)齒輪2的齒頂高系數(shù)為時(shí)，查閱資料，可得：。2）確定載荷分配系數(shù)涉及總圓周力能否均等分配在幾對(duì)相嚙合齒輪上的問題時(shí)要使用載荷分配系數(shù)。因?yàn)樯冽X差行星齒輪減速器的側(cè)隙很小，所以當(dāng)齒輪受力時(shí)會(huì)發(fā)生彈性變形，此時(shí)多對(duì)齒輪同時(shí)接觸，進(jìn)行傳動(dòng)。在計(jì)算強(qiáng)度的時(shí)候，可以假設(shè)實(shí)際的重合度為2，且由兩對(duì)齒輪承擔(dān)載荷，這里可以取。3）確定使用系數(shù)涉及外部附加動(dòng)載荷對(duì)齒輪強(qiáng)度的影響以及工作條件的問題時(shí)要用到使用系數(shù)。工作機(jī)械和原動(dòng)機(jī)的質(zhì)量、特性、工作條件以及聯(lián)軸器等關(guān)系到使用系數(shù)的大小。所設(shè)計(jì)的減速器動(dòng)力源為電動(dòng)機(jī)，且在正常狀態(tài)下能夠平穩(wěn)工作，查閱相關(guān)資料，選取使用系數(shù)。4）確定動(dòng)載系數(shù)保持瞬時(shí)傳動(dòng)比是常數(shù)的前提是：齒廓是理想漸開線，并且要求嚙合尺寸絕對(duì)準(zhǔn)確。在實(shí)際制造齒輪的過程中難免會(huì)產(chǎn)生各種不希望有的變形以及制造誤差等。其結(jié)果是，會(huì)使齒輪在嚙合的過程中承受附加動(dòng)載荷?？紤]到在齒輪傳動(dòng)的過程中，附加動(dòng)載荷會(huì)對(duì)輪齒齒根彎曲應(yīng)力產(chǎn)生影響，進(jìn)而引入了動(dòng)載荷系數(shù)。周節(jié)誤差、齒輪的剛度、齒形誤差、圓周速度、整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)以及內(nèi)外齒輪的額定載荷、質(zhì)量及軸承的剛度等是影響傳動(dòng)過程中動(dòng)載荷系數(shù)的主要因素。這里我們初步設(shè)定圓周速度為：。并且由設(shè)計(jì)需要和相關(guān)要求我們選取傳動(dòng)過程中齒輪的平穩(wěn)性精度為7級(jí)。查閱相關(guān)資料，選取。5）確定齒寬載荷分布系數(shù)齒寬載荷分布系數(shù)是考慮到齒寬上載荷分布對(duì)齒根彎曲應(yīng)力所造成的影響而引入的，目的是用來修正它對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)影響。影響齒寬載荷分布系數(shù)的主要因素有：齒輪的剛度、軸心線的不平行度及歪斜度、齒向誤差、齒輪的相對(duì)寬度、安裝精度、箱體、軸和齒輪體的變形等。由于在齒數(shù)差為1的少齒差行星齒輪減速器中，齒輪布置在兩個(gè)軸承之間，并且齒寬系數(shù)，因此我們近似的選取。6）計(jì)算許用齒根彎曲應(yīng)力根據(jù)下面的公式計(jì)算許用齒根彎曲應(yīng)力：根據(jù)需求選用行星外齒輪1的材料為40Cr，熱處理方法為：經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行表面淬火，其布氏硬度可以達(dá)到241-286HBS，根據(jù)設(shè)計(jì)的需要這里我們?nèi)⌒行峭恺X輪1的布氏硬度為280HBS；根據(jù)設(shè)計(jì)要求和傳動(dòng)的需要選用內(nèi)齒輪2的制造材料為45鋼，熱處理方法為：經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行表面淬火，其布氏硬度可以達(dá)到217-255HBS，在這我們選取外齒輪的布氏硬度為240HBS。根據(jù)調(diào)質(zhì)處理鋼的彎曲疲勞強(qiáng)度圖，分析可得：行星外齒輪1的彎曲極限應(yīng)力，內(nèi)齒輪的彎曲疲度極限應(yīng)力為。，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們選取。選取尺寸系數(shù)，考慮實(shí)驗(yàn)齒輪齒根圓角的表面狀況與實(shí)際齒輪的不同對(duì)齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力系數(shù)的影響時(shí)，要用到齒根圓角表面狀況系數(shù)。通常狀況下，取齒差數(shù)為1的少齒差行星齒輪減速器的。考慮設(shè)計(jì)壽命與齒根彎去疲勞強(qiáng)度值之間的關(guān)系時(shí)，要用到壽命系數(shù)。通常狀況下取齒差數(shù)為1的少齒差行星齒輪減速器的。那么：7）模數(shù)m的計(jì)算計(jì)算外齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：由上面的計(jì)算結(jié)果，參照標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)表，我們選取。（17）計(jì)算實(shí)際中心距（18）計(jì)算內(nèi)、外齒輪的實(shí)際齒頂圓半徑外齒輪的實(shí)際齒頂圓半徑：內(nèi)齒輪的實(shí)際齒頂圓半徑：（19）計(jì)算內(nèi)、外齒輪的實(shí)際分度圓半徑外齒輪的實(shí)際分度圓半徑：內(nèi)齒輪的實(shí)際分度圓半徑：（20）選擇插齒刀1）插制外齒輪插齒刀的選用a.查閱相關(guān)資料，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，初步選定最小變位系數(shù)。當(dāng)選定的插齒刀齒數(shù)時(shí)，??；當(dāng)選定的插齒刀齒數(shù)時(shí)，??；通過這種方式選擇的插齒刀最小變位系數(shù)，在制造齒輪的過程中，不會(huì)發(fā)生插制的行星外齒輪1根切的狀況。b.外齒輪不發(fā)生切頂狀況所要求最少齒數(shù)的確定。查閱相關(guān)資料，可知：當(dāng)，，時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求所選插齒刀的最少齒數(shù)為18；當(dāng)，，時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求所選插齒刀的最少齒數(shù)≧20。C.根據(jù)插齒刀最少齒數(shù)的要求，查閱相關(guān)資料，可得：當(dāng)模數(shù)時(shí)，選用插齒刀的齒數(shù)為22。d.插齒刀刃磨后，工作狀態(tài)下的刀刃是否發(fā)生根切的驗(yàn)算。查閱相關(guān)資料，可知：當(dāng)插齒刀的齒數(shù)選取為22，變位系數(shù)選取為-0.315或-0.263時(shí)，會(huì)發(fā)生根切的狀況。不過只要在插制過程中插齒刀切削工作部分不發(fā)生根切，依然能夠加工出需要的齒廓。所以選取插齒刀的齒數(shù)為22時(shí)，只要刃磨到變位系數(shù)為-0.315或-0.263，根切就不會(huì)發(fā)生。e.選用結(jié)果通過上面的計(jì)算和分析，確定的插齒刀齒數(shù)和最小變位系數(shù)如下表所示：表5-1插制外齒輪的插齒刀參數(shù)2）插制內(nèi)齒輪插齒刀的選用A內(nèi)齒輪不發(fā)生切頂狀況所要求最少齒數(shù)的確定。查閱相關(guān)資料，可知：當(dāng)，，，時(shí)，所選插齒刀的齒數(shù)及相應(yīng)的最大變位系數(shù)分別為：22和0.126。B.內(nèi)齒輪不發(fā)生漸開線干涉頂切所要求最少齒數(shù)的確定。查閱相關(guān)資料，可知：當(dāng)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求所選的插齒刀的齒數(shù)≧16；當(dāng)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求所選的插齒刀的齒數(shù)≧17。C.選用結(jié)果。根據(jù)上面的分析和驗(yàn)算，可知選用的插齒刀齒數(shù)，以及最小和最大變位系數(shù)分別為：。3）利用同一把插齒刀來完成加工行星外齒輪1以及內(nèi)齒輪2的加工任務(wù)，其前提