機(jī)器人腰轉(zhuǎn)傳動(dòng)中消隙設(shè)計(jì).doc

摘要為了提高機(jī)器人的傳動(dòng)精度,滿(mǎn)足實(shí)際工作需要,本課題對(duì)其腰部傳動(dòng)進(jìn)行了消隙設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)器人的工作要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)，確定了機(jī)器人的外形尺寸和工作空間，擬定了機(jī)器人各關(guān)節(jié)的總體傳動(dòng)方案，對(duì)機(jī)器人腰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，合理布置了電機(jī)和齒輪，確定了各級(jí)傳動(dòng)參數(shù)，分別對(duì)齒輪和軸進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算并進(jìn)行了校核。最后用雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)隙法對(duì)其腰部傳動(dòng)進(jìn)行了消隙設(shè)計(jì)，保證傳動(dòng)的精確性。其在結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)性也為其在以后的推廣和應(yīng)用中提供了便利條件。關(guān)鍵詞：機(jī)器人，總體設(shè)計(jì)，腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，消隙設(shè)計(jì)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(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).12.1確定基本技術(shù)參數(shù).12.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇.12.1.2額定負(fù)載.22.1.3工作范圍.22.1.4操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì).32.2機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).43機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).63.1電機(jī)的選擇.73.2計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比.83.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算.83.3.1計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)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(dòng)的精度.153.4.6齒輪的校核.164拉簧消隙設(shè)計(jì).194.1消隙拉簧設(shè)計(jì)原則.204.2設(shè)計(jì)步驟.205結(jié)論.23致謝.24參考文獻(xiàn).241緒論機(jī)器人是現(xiàn)代一種典型的光機(jī)電一體化產(chǎn)品，機(jī)器人學(xué)也是當(dāng)今世界極為活躍的研究領(lǐng)域之一，它涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、自動(dòng)控制、人工智能、等多個(gè)學(xué)科。機(jī)器人從出現(xiàn)到現(xiàn)在的短短幾十年中，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器人已經(jīng)人類(lèi)不可缺少的好幫手；在航空航天、海底探險(xiǎn)中，機(jī)器人更是能完成人類(lèi)難以完成的工作。隨著計(jì)算機(jī)、人工智能和光機(jī)電一體化技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人已不僅僅局限于工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，它還將發(fā)展成具有人類(lèi)智能的智能型機(jī)器人，具有一定的感覺(jué)思維能力和自主決策能力。在機(jī)器人要腰部傳動(dòng)中，理論上一對(duì)齒輪在嚙合時(shí)應(yīng)該無(wú)側(cè)隙，但實(shí)際上為了補(bǔ)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(cè)間隙，此間隙在進(jìn)給系統(tǒng)反向時(shí)就會(huì)產(chǎn)生空程誤差.因此通過(guò)對(duì)彈簧消隙方法的分析，明確了齒輪消隙機(jī)構(gòu)的本質(zhì)，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(jī)器人傳動(dòng)精度。2機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1確定基本技術(shù)參數(shù)2.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的6個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計(jì)成以下五種方案：a.圓柱坐標(biāo)型這種運(yùn)動(dòng)形式是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)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(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。b.直角坐標(biāo)型直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)組成，其工作空間圖形為長(zhǎng)方體。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體所占空間體積大、靈活性較差。c.球坐標(biāo)型又稱(chēng)極坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)所組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)組成，其工作空間圖形為一個(gè)球形，它可以作上下俯仰運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。d.關(guān)節(jié)型關(guān)節(jié)型又稱(chēng)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類(lèi)似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)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(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)使工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取靠進(jìn)機(jī)座的物體。e.平面關(guān)節(jié)型采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)；兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，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(dòng)關(guān)節(jié)的行程長(zhǎng)，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(jiǎn)單，動(dòng)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(duì)以上五種方案進(jìn)行比較：方案一不能夠完全實(shí)現(xiàn)本課題所要求的動(dòng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)本課題的動(dòng)作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機(jī)器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，工藝操作精度高。2.1.2額定負(fù)載目前,國(guó)內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)器人中,其負(fù)載能力的范圍很大,最小的額定負(fù)載在5N以下,最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對(duì)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(wù)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(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中的操作范圍和運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái)確定的,用工作空間來(lái)表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。圖1運(yùn)動(dòng)范圍圖2.1.4操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動(dòng)臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種:a.步進(jìn)電機(jī)：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。但是由于采用開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過(guò)大時(shí)會(huì)造成“失步”現(xiàn)象。b.直流伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，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(jī)：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)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(pán)的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過(guò)載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。d.液壓伺服馬達(dá)：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動(dòng)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(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)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(lèi)問(wèn)題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式