機械畢業(yè)設計（論文）M40型工業(yè)機器人小車傳動裝置設計（全套圖紙）

1、目錄第一章 緒論11.1工業(yè)機器人及其發(fā)展歷史、現(xiàn)狀分析11.1.1 工業(yè)機器人11.1.2 國外機器人發(fā)展情況21.1.3 我國的工業(yè)機器人31.1.4 工業(yè)機器人發(fā)展趨勢41.2工業(yè)機器人的組成和設計方案51.2.1 工業(yè)機器人的組成51.2.1 自由度和坐標系的選擇71.2.3 機器人驅動裝置和傳動裝置91.2.4 機器人的控制系統(tǒng)9第二章 m40型工業(yè)機器人總體設計102.1機器人的總體結構102.1.1 m40型工業(yè)機器人的總體結構102.1.2 m40型工業(yè)機器人運動分析122.1.3 機器人驅動方式的選擇132.2機器人的操作機構162.2.1 操作機的整體結構162.2.2 操

2、作機的各部分的運動17第三章 小車傳動裝置的設計203.1總體方案的確定203.1.1 傳動方式的確定203.2傳動方案的確定213.2.1 傳動比的確定213.2.2減速器相關數(shù)據的計算223.3減速器齒輪傳動的設計計算233.3.1 高速軸齒輪的設計計算233.3.2 低速軸齒輪的設計計算273.4傳動軸的設計計算313.4.1 傳動軸的設計313.4.2 傳動軸的設計35第四章 總結39參 考 文 獻40致 謝41第一章 緒論 1.1工業(yè)機器人及其發(fā)展歷史、現(xiàn)狀分析1.1.1 工業(yè)機器人工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和控制能力來

3、實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據人工智能技術制定的原則綱領行動。工業(yè)機器人最顯著的特點有以下幾個：（1）可編程。生產自動化的進一步發(fā)展是柔性啟動化。工業(yè)機器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)中的一個重要組成部分。（2）擬人化。工業(yè)機器人在機械結構上有類似人的行走、腰轉、手臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。此外，智能化工業(yè)機器人還有許多類似人類的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等。傳感

4、器提高了工業(yè)機器人對周圍環(huán)境的自適應能力。（3）通用性。除了專門設計的專用的工業(yè)機器人外，一般工業(yè)機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務時具有較好的通用性。比如，更換工業(yè)機器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務。（4）工業(yè)機器技術涉及的學科相當廣泛，歸納起來是機械學和微電子學的結合-機電一體化技術。第三代智能機器人不僅具有獲取外部環(huán)境信息的各種傳感器，而且還具有記憶能力、語言理解能力、圖像識別能力、推理判斷能力等人工智能，這些都是微電子技術的應用，特別是計算機技術的應用密切相關。因此，機器人技術的發(fā)展必將帶動其他技術的發(fā)展，機器人技術的發(fā)展和應用水平也可以驗證一個國家科學技術和工業(yè)技術的

5、發(fā)展水平。當今工業(yè)機器人技術正逐漸向著具有行走能力、具有多種感知能力、具有較強的對作業(yè)環(huán)境的自適應能力的方向發(fā)展。目前，工業(yè)機器人的研究和改進方案主要體現(xiàn)在下面四個方面: ：（1）技術先進工業(yè)機器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應用開發(fā)等先進制造技術于一體，通過對過程實施檢測、控制、優(yōu)化、調度、管理和決策，實現(xiàn)增加產量、提高質量、降低成本、減少資源消耗和環(huán)境污染，是工業(yè)自動化水平的最高體現(xiàn)。（2）技術升級工業(yè)機器人與自動化成套裝備具備精細制造、精細加工以及柔性生產等技術特點，是繼動力機械、計算機之后，出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產工具，是實現(xiàn)生產數(shù)字化、自動化以及智能化的重要手段。（

6、3）應用領域廣泛工業(yè)機器人與自動化成套裝備是生產過程的關鍵設備，可用于制造、安裝、檢測、物流等生產環(huán)節(jié)，并廣泛應用于汽車整車及汽車零部件、工程機械、軌道交通、低壓電器、電力、ic裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應用領域非常廣泛。（4）技術綜合性強工業(yè)機器人與自動化成套技術，集中并融合了多項學科，涉及多項技術領域，包括工業(yè)機器人控制技術、機器人動力學及仿真、機器人構建有限元分析、激光加工技術、模塊化程序設計、智能測量、建模加工一體化、工廠自動化以及精細物流等先進制造技術，技術綜合性強。1.1.2 國外機器人發(fā)展情況機器人首先是從美國開始研制的，1958年美國聯(lián)合控制公司研

7、制出第一臺機器人。它的結構特點是機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。當前，對全球機器人技術的發(fā)展最有影響的國家是美國和日本。美國在工業(yè)機器人技術的綜合研究水平上仍處于領先地位，而日本生產的工業(yè)機器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位，而歐盟等西方發(fā)達國家則在工業(yè)機器人和醫(yī)療機器人等領域有較強的競爭力?，F(xiàn)如今，世界各國都推行出結合本國情況的機器人戰(zhàn)略部署，美國推行“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，大力發(fā)展工業(yè)機器人，希望重振制造業(yè)。日本2004年5月發(fā)布的“新產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”明確了

8、機器人產業(yè)等7個產業(yè)領域為重點發(fā)展產業(yè)。近兩年又開始重新審視機器人產業(yè)政策。韓國：2009年公布智能機器人基本計劃，2012年10月發(fā)布了“機器人未來戰(zhàn)略展望2022”，將政策焦點放在了擴大韓國機器人產業(yè)并支持國內機器人企業(yè)進軍海外市場方面。歐盟2011年8月通過了一份發(fā)展制造業(yè)計劃，提出新工業(yè)革命概念，以機器人和信息技術為支撐，實現(xiàn)制造模式的變革。目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機器人已經投入使用，它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到

9、的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。第三代機器人則能獨立地完成工作過程中的任務，更加智能化和復雜化，能夠實現(xiàn)加工和生產的自動化，它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，能夠自動檢查工作情況并做出反饋和調整，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)fms(flexible manufacturing system)和柔性制造單元fmc(flexible manufacturing cell)中的重要一環(huán)。1.1.3 我國的工業(yè)機器人我國工業(yè)機器人是從二十世紀八十年代開始起步，經過二十多年的努力，已經形成了一些具有競爭力的工業(yè)機器人研究機構和企業(yè)。先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、工業(yè)、注塑、沖壓及噴漆等工業(yè)機器人。近幾

10、年，我國工業(yè)機器人及含工業(yè)機器人的自動化生產線相關的產品的年銷售額已突破10億元。目前國內市場年需求量在3000臺左右，年銷售額在20億元以上。統(tǒng)計數(shù)據顯示，中國市場上工業(yè)機器人總共擁有量近萬臺，占全球總量的0.56%，其中完全國產工業(yè)機器人(行業(yè)規(guī)模比較大的前三家工業(yè)機器人企業(yè))行業(yè)集中度占30%左右，其余都是從日本、美國、瑞典、德國、意大利等20多個國家引進的。國產工業(yè)機器人目前主要以國內市場應用為主，年出口量為100臺左右，年出口額為0.2億元以上。 國內在機器人的研究方面起步比發(fā)達國家要晚很多，但是發(fā)展迅速，經過30多年的發(fā)展，我國機器人數(shù)量也達到了一定的規(guī)模，目前已基本掌握了機器人的

11、基本技術，機器人的研究在一些方面也已經達到了世界先進水平，但在整體水平上與發(fā)達國家相比仍然有很大差距。仔細觀察，不難發(fā)現(xiàn)的事實是：我國在機器人的研究方面采取的方法主要是借鑒外國的先進技術，然后再進行二次開發(fā)，自主創(chuàng)新開發(fā)的技術少，這就造成了我國自身創(chuàng)新技術較少，制約了機器人產業(yè)化的發(fā)展。總體上來說，我國目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、鑄造、弧焊、電焊、裝配、搬運等機器人。也有一些產品的技術水平已達到國際先進水平，但在總體技術上還有很大差距，僅相當于國外90年代中期的水平。伴隨我國工業(yè)機器人需求

12、的迅猛增長，實力良莠不齊的企業(yè)紛紛進入工業(yè)機器人生產市場，勢必造成質低價廉的惡性競爭；雖然我國有近百家從事工業(yè)機器人研究生產的高校院所和企業(yè)，但現(xiàn)行的體制造成研究形式上過于獨立封閉、內容上較為分散，難以形成合力，造成重復研究與時間、經費的浪費；多數(shù)企業(yè)熱衷于大而全，一些關鍵部件研發(fā)生產的企業(yè)紛紛轉入整機的生產，難以形成研發(fā)、生產、制造、銷售、集成、服務等有序、細化的產業(yè)鏈。因此，工業(yè)機器人的產業(yè)化發(fā)展有待規(guī)范。在我國，工業(yè)機器人的最初應用是在汽車和工程機械行業(yè)，主要用于汽車及工程機械的噴涂及焊接。目前，由于機器人技術及研發(fā)的落后，工業(yè)機器人還主要應用在制造業(yè)，非制造業(yè)使用的較少。據不完全統(tǒng)計，

13、近幾年國內廠家所生產工業(yè)機器人有超過一半是提供給汽車行業(yè)。由此可見，汽車工業(yè)的發(fā)展是近幾年我國工業(yè)機器人增長的原動力之一。工業(yè)機器人在實際的工作中就是一個機械手，機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年

14、也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。國內機器人研究存在問題:1.市場需求量激增，但大部分(尤其是高精尖設備)仍只能靠進口。2.擁有自主創(chuàng)新技術的產品少，普遍沿用國外落后和淘汰的技術。3.整體技術水平低，缺乏核心技術，沒有擁有核心競爭力的技術和產品。4.機器人行業(yè)缺乏規(guī)范，沒有合適的技術交流和共享平臺，抄襲現(xiàn)象嚴重。1

15、.1.4 工業(yè)機器人發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代化生產技術的提高，機器人設計生產能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產效率。就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢：（1) 提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結構不同的機器人；（2) 開發(fā)各種新型結構用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構用以保證精度；開發(fā)多關節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合；（3) 研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺

16、、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。1.2工業(yè)機器人的組成和設計方案1.2.1 工業(yè)機器人的組成工業(yè)機器人通常由執(zhí)行機構、驅動一傳動裝置和控制系統(tǒng)三部分組成(如圖1.1所示)。這些部分之間的相互作用可用圖1.2所示的方框圖表示 圖1.1 機器人的組成圖1.2 機器人各組成部分之間的關系執(zhí)行機構(也稱操作機)是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由桿件和關節(jié)組成。從功能的角度，執(zhí)行機構可分為：手部、腕部、臂部、腰部和基座等部分，如圖1.3所示。（1）手

17、部手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據需要分為外抓式和內抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳力機構形式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設計的手部選擇夾持類回轉型結構手部。本次設計的工業(yè)機器人手部執(zhí)行部件如圖1.3。圖1.3工業(yè)機器人手部執(zhí)行部件示意圖如圖1.3的機構簡圖，手部執(zhí)行依靠桿的伸縮運動來實現(xiàn)其張合運動，桿的動力源來自后續(xù)驅動源的液壓缸，該液壓缸采用的是伸縮式液壓缸，該液壓缸能夠節(jié)省橫向

18、的工作空間。（2）腕部腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部工業(yè)工件。目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度?。ㄒ话阈∮?70），并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。設計的工業(yè)機器人的腕部的運動為一個自由度的回轉運動

19、，運動參數(shù)是實現(xiàn)手部回轉的角度控制在0-180范圍內。腕部的驅動方式采用直接驅動的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設計的十分緊湊可以把驅動源裝在手腕上。機器人手部的張合是由雙作用單柱塞液壓缸驅動的；而手腕的回轉運動則由回轉液壓缸實現(xiàn)。將夾緊活塞缸的外殼與擺動油缸的動片連接在一起；當回轉液壓缸中不同的油腔中進油時即可實現(xiàn)手腕不同方向的回轉。（3）臂部手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基

20、本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運動。手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。（4）機座機座是機身機器人的基礎部分，起支撐作用。對固定式機器人，直接聯(lián)接在地面上，對可移動式機器人，則安裝在移動結構上。機身由臂部運動（升降、平移、回轉和俯仰）機構及其相關的導向裝置、支撐件等組成。并且，臂部的升降、回轉或俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上。臂部的運動越多，機身的結構和受力越

21、復雜。1.2.1 自由度和坐標系的選擇機器人的運動自由度是指各運動部件在三維空間相當于固定坐標系所具有的獨立運動數(shù)，對于一個構件來說，它有幾個運動坐標就稱其有幾個自由度。各運動部件自由度的總和為機器人的自由度數(shù)。機器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的，因為人的手指、掌、腕、臂由19個關節(jié)組成，共有27個自由度。而生產實踐中不需要機器人的手有這么多的自由度一般為3-6個。工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構、圓柱坐標結構、球坐標結構、關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下：（1）直角坐標機器人結構直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖1.4所

22、示。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（m級）。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸大得多2。直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及工業(yè)作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結構。（2）圓柱坐標機器人結構圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖1.4（b）。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于工業(yè)作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。（3）球坐標機器人結

23、構球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖1.4（c）。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于工業(yè)作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。（4）關節(jié)型機器人結構關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的，如圖1.4（d）。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、工業(yè)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。關節(jié)型機器人結構，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。根據要求及在實際生產中的用途，本次設計的工業(yè)機器人采用圓柱坐標。圖1.4四種機器人坐標形式1.2.3 機器人驅動裝置

24、和傳動裝置工業(yè)機器人的驅動一傳動裝置包括驅動器和傳動機構兩個部分，它們通常與執(zhí)行機構連成一體。傳動機構常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪輪系。驅動器通常有電機(直流伺服電機、步進電機、交流伺服電機)、液動或氣動裝置，目前使用最多的是交流伺服電機。1.機器人驅動類型（1）氣動式工業(yè)機器人這類工業(yè)機器人以壓縮空氣來驅動操作機，其優(yōu)點是空氣來源方便，動作迅速，結構簡單造價低，無污染，缺點是空氣具有可壓縮性，導致工作速度的穩(wěn)定性較差，又因氣源壓力一般只有6kpa左右，所以這類工業(yè)機器人抓舉力較小。（2）液壓式工業(yè)機器人液壓壓力比氣壓壓力高得多，一般為70kpa左右，故液壓傳動工業(yè)機器人具

25、有較大的抓舉能力，可達上千牛頓。這類工業(yè)機器人結構緊湊，傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環(huán)境下工作。（3）電動式工業(yè)機器人這是目前用得最多的一類工業(yè)機器人，不僅因為電動機品種眾多，也因為它們可以運用多種靈活控制的方法。早期多采用步進電機驅動，后來發(fā)展了直流伺服驅動單元，目前交流伺服驅動單元也在迅速發(fā)展。這些驅動單元或是直接驅動操作機，或是通過諧波減速器等裝置來減速后驅動，結構十分緊湊、簡單。2.傳動方式的選擇：機械設備中常用的傳動方式主要有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動四種傳動方式。帶傳動：撓性傳動，結構簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉和緩沖吸振等特點，傳動中有彈性滑動，傳

26、動比不能保持恒定，傳動中心距較大。鏈傳動：撓性傳動，與摩擦型帶傳動相比，鏈傳動無彈性打滑和整體打滑現(xiàn)象，但其瞬時速度不均勻，有沖擊，動載和噪聲。齒輪傳動：適用功率和速度范圍廣，效率高、結構緊湊、傳動比穩(wěn)定、工作可靠、壽命長。但其對制造和安裝精度要求較高，成本較高。蝸桿傳動：傳動比大、結構緊湊、傳動平穩(wěn)，噪聲小。但其傳動效率低，不適用于低速大功率傳動。且其制造和安裝精度要求也高，成本較高。1.2.4 機器人的控制系統(tǒng)控統(tǒng)一般由控制計算機和伺服控制器組成。前者發(fā)出指令協(xié)調各關節(jié)驅動器之間的運動，同時還要完成編程、示教/再現(xiàn)以及和其他環(huán)境狀況(傳感器信息)、工藝要求、外部相關設備(如電焊機)之間的信

27、息傳遞和協(xié)調工作。后者控制各關節(jié)驅動器，使各桿按一定的速度、加速度和位置要求進行運動。第二章 m40型工業(yè)機器人總體設計2.1機器人的總體結構2.1.1 m40型工業(yè)機器人的總體結構m40型專用工業(yè)機器人是一款擁有5個自由度搬運機器人，它用于各種工藝設備上，其中包括組成柔性自動化系統(tǒng)的數(shù)控金屬切削機床。工業(yè)機器人裝備有定位式數(shù)控裝置和電氣自動控制裝置，使之能夠實現(xiàn)沿三個坐標軸的給定程序的位移，并且完成大量控制機器人本身及其看管的工藝裝備的工作循環(huán)指令。工業(yè)機器人裝備有自動可換夾持器的裝置，其中雙夾持器的裝置用來保證同時操作毛坯和在機床上的加工。工業(yè)機器人操作機結構還可以在其上安裝附加機構和裝置

28、。例如：為毛坯定基準面的檢驗、測量在機床上加工零件的直徑、清洗機床和工藝裝備的基準表面。圖2.1 m40型機器人的總體結構正視圖 門架1，小車2，滑板3，手臂4，手腕5，夾持器6，單軌7，電氣控制機8，數(shù)控裝置柜9。圖2.2 m40型機器人的總體結構左視圖工業(yè)機器人的技術參數(shù)：1. 承載能力40kg2. 自由度數(shù)5個3. 最大位移:小車沿單軌10800mm，手臂在垂直方向的位移420mm，手臂轉動100，手腕轉動90，手腕相對縱軸轉動90，180。4. 小車位移最大速度0.8m/s。手臂在垂直方向最大速度0.8m/s手腕及手轉動90/s。5. 定位精度1mm6. 重量(數(shù)控裝置除外)3000k

29、g。2.1.2 m40型工業(yè)機器人運動分析圖2.3 m40型機器人的運動學簡圖小車1，單軌2，滑板6，手臂7，手腕8，夾持器9，滑板機體13，連桿14，線性電液步進式驅動裝置，15，齒輪條16如圖機器人運動學簡圖2.3示，m40型機器人主要的運動元件有：帶動操作機（機械手）橫向移動的小車1，以及由滑板6，手臂7，手腕8，和夾持器9組成的操作機，以及小車運動的軌道單軌2，以及負責驅動和控制機器人各部分運動的液壓元件和電氣控制機和數(shù)控裝置柜。m40型工業(yè)機器人一共有五個自由度：小車1帶動操作機的x軸方向上橫向左右移動，滑板6帶動操作機在z軸方向的上下移動，手臂7相對其縱軸在的擺動，手腕8相對其縱軸

30、的擺動，以及手腕8相對縱軸的轉動。為了方便實現(xiàn)自動化控制和提高操作精度，操作機各桿件的驅動方式是液壓式的，機器人設有液壓站，然后由多個液壓馬達或者液壓缸驅動和控制各個部分（手臂6、手腕7、夾持器8等）的運動，小車裝置中的傳動裝置也是用液壓馬達驅動。m40型工業(yè)機器人的操作機是可以移動的，并為其在x軸方向上的運動設計有門架結構，使之能夠在一組帶有水平主軸的金屬切削機床上工作。在門架上裝有可以移動的小車1，它支撐著手臂垂直縮進機構滑板6，小車沿國定在門架上的單軌2移動。m40型工業(yè)機器人的工作方式是小車1帶動操作機在安裝在門架上的導軌2沿x軸移動，當操作機在x軸方向上移動到指定的位置時，操作機通過

31、滑板6在z軸方向上垂直上下移動、以及在手臂7和手腕8在yz平面內完成手臂7的擺動7、手腕8的擺動，以及手腕相對縱軸轉動等運動的組合從而完成工件的抓取或者擺放等工作。小車1在x軸方向上的移動距離是10800mm，小車1在x方向軸上移動的最大速度為0.8m/s；操作機在z軸方向上下移動由滑板6帶動，z軸方向上下移動的行程是420mm，滑板6在z軸上下移動的最大移動是0.8m/s；此外手臂4和手腕8可以在yz平面內擺動，手臂4擺動的角度為100，手腕8擺動的角度為90，這兩個擺動角的中心線都是同一條與z軸平行的線；手腕8相對縱軸傳動的角度90和180，所有手臂7和手腕8轉動和擺動運動的角速度都是90

32、/s。2.1.3 機器人驅動方式的選擇目前所采用的的方式有電動機、液壓和氣壓驅動三種類型，三種方式的特點比較見表2.1表2.1 工業(yè)機器人主要驅動方式性能特點比較驅動方式氣壓驅動液壓驅動電動機驅動輸出功率和使用范圍氣壓較低，輸出功率小，當輸出功率增大時，結構尺寸將過大只適于中小型，快速驅動油壓高，可獲得較大的輸出功率，傳動平穩(wěn)，無沖擊，適用于重型，低速驅動適合中小功率傳動，傳動平穩(wěn)，靈活，速度快控制性能壓縮性大，對速度、位置的精確控制困難，阻尼效果差，低速不易控制，排氣有噪聲，泄漏對環(huán)境無影響液體不可以壓縮，壓力、流量易控制，反應靈敏，可無級調速，能實現(xiàn)速度、位置的精確控制，傳動平穩(wěn)，泄漏會污

33、染環(huán)境交、直流普通電動機控制比較簡單，控制效果較差，步進、伺服電動機控制比較復雜，速度和位置都可以控制到精確值快速響應性能較高很高很高效率效率低(0.15-0.2)效率中等(0.5-0.6)效率中等0.5左右安全性能防爆性能好防爆性能好，液壓油泄漏后有發(fā)生火災的危險交流電機防爆性能好，直流電動機電刷產生火花，不防爆結構結構性能執(zhí)行機構(直線氣缸、氣壓馬達)可做成獨立的標準件，易于實現(xiàn)直接驅動；壓力小，輸出力??；密封問題不突出，泄漏對環(huán)境無污染，需要氣壓供給系統(tǒng)執(zhí)行機構(直線缸、擺動缸)可單獨做成標注案件，易于實現(xiàn)直接驅動；相同輸出條件下，重量輕、慣量?。幻芊忾g隙比較重要，泄漏會影響工作性能和污

34、染環(huán)境；需要油源，單獨油源占面積大電機是標準件，結構性能好，除特殊電機(直接驅動電機、大力矩電機)外；電機都要加減速器，不能直接驅動，加減速器后體積、慣量變大安裝維護安裝要求不高，能在高溫、多粉塵條件下工作；無發(fā)熱、爆炸、火災等問題；維護簡單；要求過濾水分及注意系統(tǒng)潤滑，防銹問題。安裝維護要求高，溫度升高時，油液粘度降低，影響工作性能，需要冷卻裝置；油液需要定期過濾，更換；油液的泄漏會影響工作性能，易發(fā)生火災安裝要求隨傳動方式而不同，無管路系統(tǒng)，維護方便；對直流電機要求定時調整、更換電刷及注意防爆問題。成本低高高應用適用于小負荷(200n左右)的有限點位控制的上下料(搬運)機器人，如沖床上的快

35、道上下料；手爪上的應用尤其廣泛。適用于重負荷(1000n以上)的搬運，點焊等機器人，以及連續(xù)軌跡伺服控制噴漆機器人(需要防爆性能)等。適用于中小負荷(幾十牛頓到幾千牛頓)的搬運、焊接、噴漆(限交流電動機)、裝配、涂膠等各種伺服型機器人。機器人驅動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人驅動系統(tǒng)的要求有:(1) 驅動系統(tǒng)的質量要盡可能輕，單位質量的輸出功率要高，效率也要高。(2) 反應速度要快，能夠進行頻繁的啟動、制動，正、反轉。(3) 驅動盡可能要靈活，位移偏量和速度偏差要小。(4) 安全可靠，操作和維護方便。(5) 對環(huán)境無污染，噪聲要小。(6) 經濟上要合理，尤其要減少占地面積。根據m40型工業(yè)機器

36、人的設計參數(shù)和工作條件: 最大承載能力40kg,并且能組成柔性自動化系統(tǒng)的數(shù)控金屬切削機床，完成大量控制工業(yè)機器人本身以及其看管的工藝裝備的循環(huán)指令。由此可知機器人要求方便實現(xiàn)自動化，機器人的控制要靈敏且要能適應不同的機床和最大承載能力內的不同載荷的工作，并且操作機位移精度要求比較高(1mm)，液壓驅動傳動平穩(wěn)載荷也能達到最大載荷需要的驅動力，且能夠實現(xiàn)無級調速，能夠實現(xiàn)位置和速度的精確控制，本次設計液壓驅動的方式對機器人進行驅動。機器人可以搭配不同的機床和搬用不同載荷的物體，所以操作機移動需要不同的運動速度，所以小車機構不能使用液壓馬達直接驅動，小車傳動裝置里面應該有減速器。2.2機器人的操

37、作機構2.2.1 操作機的整體結構工業(yè)機器人的操作機（機械手）主要由手臂、手腕、夾持器以及驅動這些部件運動的驅動機構組成。其機械簡圖如圖2.4所示圖2.4操作機的整體結構圖小車1，單軌2，滑板6，手臂7，手腕8，夾持機構9，連桿14，滑板機體13，齒輪條162.2.2 操作機的各部分的運動（1）滑板(手臂)的上下運動如圖2.4所示，在小車1上固定著滑板的機體13，滑板6固定在滑板機體13上，它與線性電液步進式驅動裝置的連桿14相連，連桿14滑板控制滑板6的上下運動?；?上下運動的最大行程是420mm，滑板6上下移動時速度最大值為0.8m/s。（2）手臂的擺動在滑板6的下端軸上連接安裝有手臂7

38、，它可以完成相對此軸的擺動運動，此運動由線性電液步進式驅動裝置15來實現(xiàn)，它鉸接在滑板6的支架上，驅動裝置15中液壓缸的活塞桿與手臂7的肩部相鉸接。手臂擺動的最大角度為100，最大擺角的角平分線與地平面垂直，手臂轉動的角速度為90/s。圖2.5平移機構為保證手臂7擺動時手腕8在空間位置的固定性，采用一種專用平移機構，它由手臂的上鉸鏈中齒輪副z17/z18齒輪條16以及手臂下鉸鏈中同樣的齒輪副z19/z20所組成，并且上齒輪z17，裝在手臂的擺動軸上，而下齒輪z20裝在手腕8的轉動軸上。若上齒輪z17保持不動，則在手臂擺動時，手腕8的軸將保持在空間的固定位置。（3）手腕的擺動(相對縱軸的轉動)如

39、圖2.5，手腕相對其縱軸的轉動的液壓驅動裝置包括液壓馬達10和傳動比為17/3015/3015/54的三級減速器。手腕擺動的最大角度為90，其軸線是其最大擺角的角平分線，手臂轉動的角速度為90/s。圖2.5手腕和夾持器控制原理圖（4）手腕的轉動 手腕的轉動由隨動閥控制，其壓桿17的滾輪沿裝在手腕轉動部分法蘭上的靠模滾動，按所需的轉角(90或者180)來選擇杠桿17軸的位置。（5）夾持器的控制 如圖2.5所示，夾持器9鉗口的驅動裝置為液壓缸12，其活塞桿與夾持器的夾緊機構拉桿相連。第三章 小車傳動裝置的設計 3.1總體方案的確定3.1.1 傳動方式的確定目前機械設備減速器中常見的傳動方式主要有四

40、種：帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動。（1）帶傳動：撓性傳動，結構簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉和緩沖吸振等特點，傳動中有彈性滑動，傳動比不能保持恒定，傳動中心距較大，有些類型的帶傳動，傳動中不產生震動，但傳遞功率較小。（2）鏈傳動：撓性傳動，與摩擦型帶傳動相比，鏈傳動無彈性打滑和整體打滑現(xiàn)象，但其瞬時速度不均勻，傳動比不能保持恒定，傳動速度較低，有沖擊，動載和噪聲。（3）齒輪傳動：適用功率和速度范圍廣，效率高、結構緊湊、適用于近距離的傳動，瞬時傳動比穩(wěn)定、工作可靠、壽命長。但其對制造和安裝精度要求較高，成本較高，無過載保護作用。（4）蝸桿傳動：傳動比大、結構緊湊、傳動平穩(wěn)，噪聲小。但其摩擦損失較

41、大，傳動效率低，不適用于低速大功率傳動。且其制造和安裝精度要求也高，成本較高。與齒輪傳動相比，帶傳動和鏈傳動都沒有確定的瞬時傳動比，而蝸桿差傳動效率低，摩擦損失傳遞功率且為傳動帶來危害。結合機器人的設計參數(shù)要求，機器人定位精度要求高，故應該選擇傳動比準確可靠的傳動；綜上所述，本次減速器設計傳動方式選擇最穩(wěn)定可靠齒輪傳動為小車傳動裝置的減速器的傳動方式。而對于齒輪傳動，常用于減速器的常見齒輪類型有直齒圓柱齒輪，斜齒圓柱齒輪，圓錐齒輪。因為不需要力矩傳遞方向的改變，所以不需要使用使用圓錐齒輪，而斜齒圓柱齒輪與直齒圓柱齒輪相比，斜齒圓柱齒輪傳動時有軸向分力，傳遞效率不如直齒圓柱齒輪。所以，選擇直齒圓

42、柱齒輪。 3.2傳動方案的確定3.2.1 傳動比的確定圖3.1減速器的運動簡圖減速器的運動簡圖如圖3.1所示，液壓馬達經減速器后，在減速器輸出軸通過模數(shù)m=2.5，齒數(shù)z=24的齒輪5與齒輪齒條6連接。已知小車驅動力f=2000n，小車由型號為jm21-d0.02的液壓馬達驅動，傳動的最大位移速度v=0.8m/s。表3.1 液壓馬達參數(shù)由表3.1可知，液壓馬達的輸出轉速為，又已知小車傳動最大的位移速度。由此可知與齒輪條4嚙合的齒輪5的線速度。已知齒輪5的模數(shù)m=2.5,齒數(shù)z=24,所以可知齒輪5的半徑齒輪5的轉速所以減速器的總傳動比為了不超過液壓馬達的額定轉速，取減速器總傳動比擬定初級傳動比

43、=3.3，二級傳動比為1.183.2.2減速器相關數(shù)據的計算（1）各傳動軸的轉速軸: 軸: （2）各軸的功率液壓馬達輸出功率，分別為軸承，齒輪傳動，齒條傳動的效率，分別取=0.99，=0.98，=0.97。軸:軸:（3）各軸的轉矩 液壓馬達的輸出轉矩軸:軸:表3.2 減速器各數(shù)據項目 液壓馬達軸軸轉速(r/min)1000303.03 256.80 功率(kw)1.77轉矩(nm) 16.90nm 54.12nm 61.96nm 傳動比 3.3 1.18效率 0.97 0.97 3.3減速器齒輪傳動的設計計算3.3.1 高速軸齒輪的設計計算1.選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)（1）根據之前傳

44、動方式的選擇，選用直齒圓柱齒輪。（2）機器人要求傳動平穩(wěn)，速度不高，選用7級精度(gb 1009588)。（3）材料選擇。由機械設計表10-1，選擇小齒輪材料為40gr(調質)，硬度為280hbs，大齒輪材料為45鋼(調質)，硬度為240hbs，二者材料硬度差為40hbs。（4）初選小齒輪齒數(shù)=20，大齒輪齒數(shù)。2.按齒面接觸強度設計（1）由設計計算公式3.1進行試算 (式3.1)（2）選定載荷系數(shù)=1.3（3）小齒輪傳遞的轉矩（4）由機械設計表10-7,選取齒寬系數(shù)=0.5（5）由機械設計表10-6表查得材料的彈性影響系數(shù)=189.8m（6）由機械設計圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸

45、疲勞強度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限。（7）由機械設計10-13計算應力循環(huán)次數(shù)（8）由機械設計圖10-19取接觸疲勞系數(shù)；。（9）計算接觸疲勞許應力。取失效概率為1，安全系數(shù)s=1，3.計算（1）試計算小齒輪分度圓直徑,代入中較小的值。 計算圓周速度計算齒寬（2）計算齒寬與齒高之比模數(shù) （3）計算載荷系數(shù)，根據v=1.8m/s,7級精度，由機械設計圖10-8查得動載荷系數(shù)，直齒輪=1 由機械設計表10-2查得使用系數(shù)由機械設計表10-4查得7級精度，小齒輪相對支撐做懸臂布置時。由，查機械設計圖10-13得;故載荷系數(shù)（4）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑（5）計算模數(shù)4按齒根彎曲強度

46、設計由式10-5，（1）由圖10-20c查得，小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪的彎曲疲勞強度極限。（2）由圖10-18查得彎曲疲勞強度壽命系數(shù)，（3）計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數(shù)s1.4，由式10-12得（4）計算大小齒輪的大齒輪的數(shù)據大設計計算對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的法面模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的法面模數(shù)，取2.0mm，已可滿足彎曲強度。但為了同時滿足接觸疲勞強度，須按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑來計算應有的齒數(shù)。為了避免因齒輪齒數(shù)過小而發(fā)生根切，所以小齒輪齒數(shù)應取20-40，所以取小齒輪齒數(shù)=20。這樣設計出來的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并且做到結構緊湊，避免浪費。5齒輪幾何尺