六自由度焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 中文摘要題 目:六自由度焊接機(jī)器人摘要：機(jī)器人焊接機(jī)，又稱焊接機(jī)器人，是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。焊接機(jī)器人有下列主要意義：穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證其均一性；改善了工人的勞動(dòng)條件；提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量；可縮短產(chǎn)品改型換代的周期,減小相應(yīng)的設(shè)備投資。本文通過(guò)結(jié)合圖形，詳細(xì)闡述了關(guān)節(jié)型六自由度焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)的主要過(guò)程， 進(jìn)行整體方案確定，選擇驅(qū)動(dòng)方式，明確各關(guān)節(jié)的具體傳動(dòng)方案，并且介紹了確 定各技術(shù)參數(shù)、零件尺寸、詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法與過(guò)程，最后進(jìn)行各主要零部件 的校核計(jì)算。通過(guò)各個(gè)步驟的詳細(xì)設(shè)計(jì)和計(jì)算，最終得出了六自由度焊接機(jī)器人最終設(shè)計(jì)

2、的整體方案，實(shí)現(xiàn)了焊接機(jī)器人的具體工作范圍要求。關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)型、六自由度、焊接機(jī)器人、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)、校核畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 外文摘要TitleSix Degrees of Freedom Welding RobotAbstractRobot welding machines, also known as welding robots, is engaged in industrial robots(including cutting and spraying). Welding robot has big important meanings as the followings:

3、stability and improve the welding quality and to ensure its homogeneity; improve the working conditions of workers; improve labor productivity; product life cycle is clear, easy to control the product yield; shorten the replacement cycle of product modifications, reducing the corresponding investmen

4、t in equipment.Through a combination of graphics, the paper elaborate on the six degrees of freedom articulated welding robot design process, to conduct an overall program to identify, select the drive mode, clear the joint transmission scheme, and determine the technical parameters, part size, deta

5、iledstructural design methods and process, the final check of all major components of the calculation.Through the various steps of the detailed design and calculation, the paper ultimately come to the final design of the overall program of six degrees of freedom of welding robots, welding robot spec

6、ific scope of work requirements.Keywords：Polyarticular,sixdegreesoffreedom,weldingrobots, structural design, drive, drive, check目錄1緒論21.1課題研究的目的和意義41.2本課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)51.3本次設(shè)計(jì)主要完成的工作72焊接機(jī)器人總體方案確定72.1總體傳動(dòng)方案72.2驅(qū)動(dòng)方式選擇72.3各關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案83技術(shù)參數(shù)的確定及詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)123.1主要技術(shù)參數(shù)確定123.2傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)163.3詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)184零部件的計(jì)算及校核264.1直齒圓錐齒輪的

7、校核計(jì)算264.2直齒圓柱齒輪的校核計(jì)算294.3軸的校核計(jì)算36結(jié)論38參考文獻(xiàn)39致謝401緒論“機(jī)器人”一詞最早出現(xiàn)于 1920 年捷克作家 Karel Capek 的劇本羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人中。1984 年，ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）的建議，給機(jī)器人下了個(gè)定義，即“機(jī)器人是一種可反復(fù)編程和多功能的用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作工具，為了執(zhí)行不同任務(wù)而具有可改變和可編程的動(dòng)作的專門(mén)系統(tǒng)（A reprogrammable and multifunctional manipulator,devised for the transport of materials,p

8、arts,tools or specialized systems,with varied and programmed movements,with the aim of carring out varied tasks）”。1工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展重要標(biāo)志之一和新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)，已為世人所認(rèn)同，并正對(duì)現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域以至人們的生活產(chǎn)生重要影響。機(jī)器人是柔性自動(dòng)化的集中體現(xiàn)。自從美國(guó)推出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人Unimate 以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)的研究和發(fā)展過(guò)程經(jīng)歷了三個(gè)階段：（1）第一代是示教再現(xiàn)型的機(jī)器人，這類機(jī)器人不具備外界信息反饋能力，很難適應(yīng)變化的環(huán)境。目前這類機(jī)器人仍在一些工業(yè)

9、生產(chǎn)線上應(yīng)用著；（2）第二代是具有一定的感知能力的機(jī)器人，它們對(duì)外界環(huán)境有一定的感知能力，具備聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等功能，根據(jù)傳感器獲得的信息靈活調(diào)整自己的工作狀態(tài)，保證能夠在簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)環(huán)境中完成預(yù)期的任務(wù)。（3）第三代是智能機(jī)器人，它不僅具有很強(qiáng)的感知能力，而且具有獨(dú)立的判斷、行動(dòng)、記憶、推理和決策的能力，甚至具有任務(wù)級(jí)的編程能力，因而操作者可以通過(guò)非常簡(jiǎn)單的操作使之完成更加復(fù)雜的任務(wù)。焊接是制造業(yè)中重要的加工工藝方法之一，由于諸多飛速發(fā)展著的因素的推動(dòng)，焊接制造工藝正經(jīng)歷著從手工焊到自動(dòng)焊的過(guò)渡。焊接過(guò)程自動(dòng)化、機(jī)器人化以及智能化已成為焊接行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，智能化焊接技術(shù)已成為焊接界研究的新熱點(diǎn)

10、。機(jī)器人焊接機(jī)，又稱焊接機(jī)器人，是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）工業(yè)機(jī)器人術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)的定義，工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)（Manipulator），具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機(jī)器人最后一個(gè)軸的機(jī)械接口，通常是一個(gè)連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂，是一個(gè)機(jī)電一體化設(shè)備。2（a）（b）圖 1焊接機(jī)器人產(chǎn)品（a）（b）圖 2焊接機(jī)器人加工狀態(tài)焊接機(jī)器人分類按用途來(lái)分類，可以分為：（1）弧焊機(jī)器人（2）點(diǎn)焊機(jī)

11、器人。按結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系特點(diǎn)分為：（1）直角坐標(biāo)型（2）圓柱坐標(biāo)型（3）球坐標(biāo)型（4）全關(guān)節(jié)型。根據(jù)受控運(yùn)動(dòng)方式分為：（1）點(diǎn)位控制（PTP）型（2）連續(xù)軌跡控制（CP）型。安驅(qū)動(dòng)方式分為：（1）氣壓驅(qū)動(dòng)（2）液壓驅(qū)動(dòng)（3） 電器驅(qū)動(dòng)。3智能化焊接機(jī)器人（IWR）系統(tǒng)由 6 自由度弧焊機(jī)器人本體外加一個(gè)自由度的攝像機(jī)、熔透控制計(jì)算機(jī)、含及接口控制和、電焊機(jī)和送絲機(jī)等部分構(gòu)成。3焊接機(jī)器人的基本組成4：1.1課題研究目的和意義傳統(tǒng)的焊接工藝實(shí)施主要依靠手工操作和人工經(jīng)驗(yàn)，在我國(guó)，人工焊接仍 然占據(jù)著焊接作業(yè)的主導(dǎo)地位，其具有環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率低、 產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)高精度的焊接

12、要求。隨著計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化技 術(shù)的滲透，焊接作業(yè)已經(jīng)由傳統(tǒng)的手工作業(yè)逐步發(fā)展成一定規(guī)模的機(jī)械化、自 動(dòng)化以及機(jī)器人焊接制造。由于焊接機(jī)器人具有高效率、質(zhì)量穩(wěn)定、通用性強(qiáng)、工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，受到人們?cè)絹?lái)越多的重視。采用機(jī)器人焊接已成為焊接自動(dòng) 化技術(shù)現(xiàn)代化的主要標(biāo)志。焊接機(jī)器人之所以能夠占據(jù)整個(gè)工業(yè)機(jī)器人總量的 40%以上，與焊接這個(gè)特殊的行業(yè)有關(guān)，焊接作為工業(yè)“裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，同時(shí)由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣，焊接質(zhì)量的好壞對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起決定性的影響。歸納起來(lái)采用焊接機(jī)器人有下列主要意義：1穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證其均一性。2改善了工人的勞動(dòng)條

13、件。3提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。4產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。5可縮短產(chǎn)品改型換代的周期,減小相應(yīng)的設(shè)備投資。1.2本課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)4-11自從世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人 UNIMATE 于 1959 年在美國(guó)誕生以來(lái)，機(jī)器人的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代是示教再現(xiàn)型機(jī)器人；第二代 是具有感知能力的機(jī)器人；第三代是智能型機(jī)器人。在國(guó)際范圍內(nèi)，工業(yè)機(jī)器 人作為現(xiàn)代制造業(yè)主要的自動(dòng)化設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、工程機(jī)械、電子信息、家電、化工等行業(yè)，主要用于完成焊接、裝配、搬運(yùn)、加工、噴涂 和碼垛等復(fù)雜作業(yè)。日本、北美、歐洲、韓國(guó)等工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)是工 業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)和應(yīng)用的主要

14、地區(qū)。目前，國(guó)內(nèi)外大量應(yīng)用的焊接機(jī)器人系統(tǒng)，從整體上看基本都屬于示教再現(xiàn)型的焊接機(jī)器人。這類焊接機(jī)器人對(duì)焊接作業(yè)條件的穩(wěn)定性要求嚴(yán)格，焊接過(guò)程中缺乏“柔性”和適應(yīng)性，表現(xiàn)出明顯的缺點(diǎn)。為了克服機(jī)器人焊接過(guò)程中各種不確定性因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，提高機(jī)器人作業(yè)的智能化水平和工作的可靠性，研究探索智能化焊接機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)已成為必需。為了改進(jìn)示教再現(xiàn)型焊接機(jī)器人的適應(yīng)功能，需要從模仿焊工觀察感覺(jué)、思考決策、以及協(xié)調(diào)操作等人工智能行為入手，研究智能焊接機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，并發(fā)展智能型的焊接機(jī)器人，推進(jìn)機(jī)器人焊接的智能化水平提高。我國(guó)開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人晚于美國(guó)和日本，起于 20 世紀(jì) 70 年代。到 80 年

15、代中期，全國(guó)沒(méi)有一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世。而在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)是個(gè)非常熟悉 的工業(yè)產(chǎn)品。鑒于國(guó)內(nèi)外形勢(shì)，國(guó)家先后將工業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)計(jì)劃納入“七五” 計(jì)劃和“863”計(jì)劃，以及后來(lái)的“八五”、“九五”計(jì)劃。在國(guó)家的組織和支持下，經(jīng)過(guò)幾十年的努力，我國(guó)焊接機(jī)器人的研究在基礎(chǔ)技術(shù)、控制技術(shù)、關(guān)鍵 元器件等方面取得了重大進(jìn)展，并已進(jìn)入使用化階段，形成了點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器 人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。我國(guó)目前應(yīng)用的機(jī)器人主要分日系、歐系和國(guó)產(chǎn)三種，但是其中國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的數(shù)量不足 100 臺(tái)。日系主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系主要有德國(guó)的 KUKA、CLOOS，瑞典的 A

16、BB，意大利的COMAU 及奧地利的 IGM 公司的產(chǎn)品。國(guó)產(chǎn)的主要是沈陽(yáng)新松機(jī)器人公司的產(chǎn)品。我們應(yīng)該承認(rèn)，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人無(wú)論從控制水平還是可靠性等方面與國(guó)外公司還存在一定的差距。國(guó)外工業(yè)機(jī)器人是個(gè)非常成熟的產(chǎn)品，經(jīng)歷了 30 多年的發(fā)展歷程，而且在實(shí)際生產(chǎn)中不斷地完善和提高。而我國(guó)處于一種單件小批量的生產(chǎn)狀態(tài)，沒(méi)有進(jìn)入成熟期，還需要政府政策和資金的支持。焊接機(jī)器人是個(gè)機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，單靠企業(yè)自身能力是不夠的，需要政府對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)及使用國(guó)產(chǎn)機(jī)器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國(guó)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的發(fā)展。為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向大型、復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和開(kāi)放方向發(fā)展的需要，發(fā)達(dá)國(guó)家都在加大力

17、度，對(duì)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深入研究。從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，智能化控制技術(shù)將是焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的主要方向。焊接機(jī)器人在高質(zhì)量、高效率的焊接生產(chǎn)中，發(fā)揮了極其重要的作用。近年來(lái)，焊接機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用在焊縫跟蹤、信息傳感、離線編程與路徑規(guī)劃、智能控制、電源技術(shù)、仿真技術(shù)、焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等方面取得了許多突出的成果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)、人工智能理論以及工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域還有很多亟待我們?nèi)パ芯康膯?wèn)題，特別是焊接機(jī)器人的視覺(jué)控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、智能化控制技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等將是未來(lái)研究的主要方向。在“十五”期間，我國(guó)曾把

18、包括焊接機(jī)器人在內(nèi)的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人 的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一，其中包括焊接機(jī)器人(把弧焊與點(diǎn)焊 機(jī)器人作為負(fù)載不同的一個(gè)系列機(jī)器人，可兼作弧焊、點(diǎn)焊、搬運(yùn)、裝配、切 割作業(yè))產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；弧焊機(jī)器人用激光視覺(jué) 焊縫跟蹤裝置的開(kāi)發(fā)，激光發(fā)射器的選用，CCD 成象系統(tǒng)，視覺(jué)圖象處理技術(shù)， 視覺(jué)跟蹤與機(jī)器人協(xié)調(diào)控制；焊接機(jī)器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿 真等。在新的歷史時(shí)期，面對(duì)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，只有一方面緊跟世界科技發(fā)展的潮流，研究與開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)制造裝備；另一方面，仍然通過(guò)引進(jìn)和消化，吸收一些現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，踩在別人的肩膀上，盡快縮短

19、和別人的差距。并通過(guò)應(yīng)用研究和二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，提高我國(guó)制造業(yè)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)舞臺(tái)上的地位。1.3本次設(shè)計(jì)主要完成的工作本次設(shè)計(jì)主要完成工作有：確定焊接機(jī)的傳動(dòng)原理方案，進(jìn)行相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定焊接機(jī)的結(jié)構(gòu)方案、整體布局，進(jìn)行相關(guān)零、部件設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。具體相關(guān)工作包括：焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的確定、動(dòng)力裝置的選取、各個(gè)傳動(dòng)關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、減速機(jī)構(gòu)選取、機(jī)器人詳細(xì)設(shè)計(jì)（手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）、前中期報(bào)告及設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的編寫(xiě)。所有的設(shè)計(jì)過(guò)程，遵循著二維三維二維的設(shè)計(jì)流程，即先擬出系統(tǒng)二維平面結(jié)構(gòu)草圖，確定方案后進(jìn)行三維實(shí)體建模并虛

20、擬裝配，進(jìn)行部件、零件間的干涉檢查；待檢查無(wú)誤后，再次進(jìn)行圖紙的繪制。2焊接機(jī)器人總體方案確定2.1總體傳動(dòng)方案焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)歸結(jié)為機(jī)器手（臂）的設(shè)計(jì)。綜合考慮了焊接機(jī)器人的動(dòng)作位姿及對(duì)軌跡的要求，最終決定選用關(guān)節(jié)型機(jī)器人。因?yàn)殛P(guān)節(jié)型機(jī)器人的工作范圍大，運(yùn)動(dòng)靈活，避障能 力好。這樣，本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人共包括五個(gè)部分， 即：底座、腰部、大臂、小臂、手腕。總體傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 包括六個(gè)自由度，分別為：腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕繞小臂的回轉(zhuǎn)、手腕端部俯仰和手腕端部回轉(zhuǎn)。（詳見(jiàn)圖 4）2.2驅(qū)動(dòng)方式選擇圖 4機(jī)構(gòu)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)三種方式。12.2.1液壓驅(qū)動(dòng)液壓

21、驅(qū)動(dòng)輸出功率大機(jī)器人有很大的抓取能力，可高達(dá)上百公斤，液壓力可達(dá) 7Mpa。液壓傳動(dòng)平穩(wěn)可靠，響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)定位伺服，易與 CPU 連接。但液壓驅(qū)動(dòng)需要配置液壓系統(tǒng)，難以小型化，液壓源和液壓油要求嚴(yán)格， 容易產(chǎn)生泄漏而影響運(yùn)動(dòng)精度。2.2.2氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓傳動(dòng)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，價(jià)格低廉，氣壓驅(qū)動(dòng)氣源方便， 容易達(dá)到高速傳動(dòng)，氣源系統(tǒng)簡(jiǎn)單、清潔無(wú)污染。但氣動(dòng)系統(tǒng)體積大，功率小， 而且由于空氣可壓縮，因而運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性差，位置精度底，遠(yuǎn)距離傳輸困難，難 于伺服。2.2.3電動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)是目前在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域中應(yīng)用最多的一種驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的位置精度高，控制簡(jiǎn)單，編程容易，動(dòng)作響應(yīng)快，停

22、止性好，能實(shí)現(xiàn)定位伺服，體積小，動(dòng)力大，易與 CPU 連接。缺點(diǎn)主要是在傳輸功率較大是過(guò)載差， 易受外部噪聲影響。通過(guò)上面敘述，不難發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，并且具有較高的位置精度，控制簡(jiǎn)單，動(dòng)作響應(yīng)快，停止性好等優(yōu)點(diǎn)，而在本次焊接機(jī)器人主要是傳動(dòng)，功率不是很大，故設(shè)計(jì)中采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式，電機(jī)選用伺服電動(dòng)機(jī)。本次焊接機(jī)器人所選用的伺服電機(jī)，全部采用安川伺服電機(jī)，通過(guò)安川伺 服電機(jī)數(shù)據(jù)手冊(cè)-系列 SGMH/SGDM 用戶手冊(cè) 伺服的選型與數(shù)據(jù)表來(lái)進(jìn)行選取。主要選取 SGMAH 系列和 SGMPH 系列伺服電機(jī)。2.3各關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案系統(tǒng)傳動(dòng)方案，各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，互不影響，每個(gè)

23、關(guān)節(jié)都由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。動(dòng)力由伺服電機(jī)輸出后，經(jīng)由齒輪傳動(dòng)或同步帶傳動(dòng)到達(dá)關(guān)節(jié)軸，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而滿足關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)、俯仰要求。在這六個(gè)關(guān)節(jié)中，有兩個(gè)個(gè)關(guān)節(jié)應(yīng)用了直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，以改變動(dòng)力傳遞的方向；三個(gè)關(guān)節(jié)使用了直齒圓柱齒輪傳動(dòng)；四個(gè)關(guān)節(jié)使用了同步帶輪傳動(dòng)。下面對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)給于詳細(xì)說(shuō)明。說(shuō)明：為了簡(jiǎn)化記憶，現(xiàn)將各個(gè)關(guān)節(jié)予以編號(hào)如下：A 關(guān)節(jié)（手腕端部回轉(zhuǎn)）、B 關(guān)節(jié)（手腕端部俯仰）、C 關(guān)節(jié)（手腕繞小臂回轉(zhuǎn)）、D 關(guān)節(jié)（小臂俯仰）、E 關(guān)節(jié)（大臂俯仰）、F 關(guān)節(jié)（腰部回轉(zhuǎn)）2.3.1A-B 關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案（手腕端部回轉(zhuǎn)及手腕端部俯仰關(guān)節(jié)）（詳見(jiàn)圖 5），動(dòng)力的具體傳動(dòng)路線是：A

24、 關(guān)節(jié)電機(jī)位于小臂的末端位置動(dòng)力從電機(jī)軸輸出后，經(jīng)過(guò)一個(gè)聯(lián)軸器由長(zhǎng)軸傳動(dòng)到手腕部位，圖 5A-B 關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案然后經(jīng)過(guò)一組 1：1 錐齒輪改變傳動(dòng)方向，動(dòng)力被傳遞到一組 12：16 的同步帶輪上，然后再經(jīng)過(guò)一組 1：1 錐齒輪改變動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方向，最終將動(dòng)力傳遞到手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。B 關(guān)節(jié)電機(jī)同樣位于小臂的末端，動(dòng)力從電機(jī)軸輸出后，經(jīng)過(guò)一組 18：28 的同步帶輪傳到一長(zhǎng)軸上，經(jīng)長(zhǎng)軸傳遞到手腕前部，再由一組 1：1 錐齒輪改變運(yùn)動(dòng)方向，經(jīng)一組 18：24 的同步帶輪， 最終將動(dòng)力傳送到手腕的俯仰關(guān)節(jié)。其中，A、B 關(guān)節(jié)兩個(gè)長(zhǎng)軸為空心嵌套結(jié)構(gòu)，手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳動(dòng)長(zhǎng)軸為心軸，俯仰關(guān)節(jié)傳動(dòng)長(zhǎng)軸為空心軸，兩軸動(dòng)

25、力方向各不干預(yù)?？傊谑滞?A、B 關(guān)節(jié)處，最終安排了三對(duì)錐齒輪傳動(dòng)，其中 A 關(guān)節(jié)兩對(duì)，B 關(guān)節(jié)一對(duì)；三組同步帶傳動(dòng)，其中 A 關(guān)節(jié)一對(duì)，B 關(guān)節(jié)兩對(duì)。兩個(gè)電機(jī)均放在小臂末端，這主要是考慮到配重的問(wèn)題，電機(jī)可以充當(dāng)一定的平衡配重，有利于增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)的易控性。A 關(guān)節(jié)動(dòng)力的最終傳遞路線為：伺服電機(jī) A聯(lián)軸器長(zhǎng)軸（心軸）錐齒輪（1：1）同步帶輪（12：16）錐齒輪（1：1）手腕端部回轉(zhuǎn)軸B 關(guān)節(jié)動(dòng)力的最終傳遞路線為：伺服電機(jī) B同步帶輪（18：28）長(zhǎng)軸（空心軸）錐齒輪（1：1）同步帶輪（18：24）手腕端部俯仰軸。2.3.2C 關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案（手腕繞小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）（詳見(jiàn)圖 6）電機(jī)放置在小臂后方，

26、同兩個(gè)腕部電機(jī)一樣安放在了小臂的最末端。這樣可以安排的作用是可以平衡配重，使機(jī)器人具有更好的運(yùn)動(dòng)性能。動(dòng)力由電機(jī)輸出后，經(jīng)過(guò)一組 24：40 的同步帶輪傳遞到小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處。從軸的安放位置上來(lái)考慮，將軸與傳遞手腕動(dòng)力的兩個(gè)長(zhǎng)軸同軸配置，三根軸成為互相包容的空心軸結(jié)構(gòu)。這樣不僅解決了三根軸的結(jié)構(gòu)安置，而且節(jié)省了空間， 使結(jié)構(gòu)的安排更加簡(jiǎn)潔合理。同步帶輪與小臂回轉(zhuǎn)軸的連接選用花鍵連接，在花鍵端部空心軸圖 6C 關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案端部做出固定擋板的螺紋孔，用以軸向固定。C 關(guān)節(jié)動(dòng)力的最終傳遞路線為：伺服電機(jī) C同步帶輪（24：40）手腕繞小臂回轉(zhuǎn)軸2.3.3 關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案（小臂俯仰關(guān)節(jié)）（詳見(jiàn)圖 7） 動(dòng)

27、力經(jīng)由電動(dòng)機(jī)輸出后，經(jīng)過(guò)一組 24：28 的同步帶輪傳遞到齒輪組小齒輪上，然后經(jīng)由25：75 漸開(kāi)線圓柱直齒齒輪將動(dòng)力最終傳遞到小臂-大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸上。通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使得上述傳遞結(jié)構(gòu)非常緊湊，這樣不僅減少了系統(tǒng)復(fù)雜程度， 而且減輕了重量。由 D 關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案圖可以看出，D 關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)、同步帶輪及齒輪組均安置在了大臂上，這樣不僅使得系統(tǒng)重心下移，而且使小臂不用再增加多余的零件，僅靠?jī)蓚€(gè)法蘭盤(pán)與大臂連接，減輕了小臂的重量與復(fù)雜度，使小臂專門(mén)負(fù)責(zé)提供手腕的動(dòng)圖 7D 關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案力，安置手腕的結(jié)構(gòu)。D 關(guān)節(jié)的這種配置，直接為手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及小臂設(shè)計(jì)提供了方便。D 關(guān)節(jié)動(dòng)力的最終傳遞路線為：伺服電機(jī)

28、 D同步帶輪（24：28）漸開(kāi)線圓柱直齒齒輪（25：75）小臂俯仰軸2.3.4E 關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案（大臂俯仰關(guān)節(jié)）（詳見(jiàn)圖 8）類似小臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的動(dòng)力傳動(dòng)包括一組同步帶輪和一組漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪。具體的傳動(dòng)路線是：E 關(guān)節(jié)電機(jī)位于腰部基體上，動(dòng)力從電動(dòng)機(jī)軸輸出后，經(jīng)由一組 24：28 的同步帶輪傳遞到一組 25：100 的直齒圓柱齒輪上， 然后再由直齒圓柱齒輪組的大齒輪傳遞到大臂俯仰關(guān)節(jié)軸上。通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使得上述傳遞結(jié)構(gòu)非常緊湊，而且將中間環(huán)節(jié)考慮到的增加二級(jí)齒輪減速箱（詳見(jiàn)中期報(bào)告）進(jìn)行了簡(jiǎn)化，減少了系統(tǒng)復(fù)雜程度，減輕了重量。由 E 關(guān)節(jié)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖可以看出，E 關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)、同步帶輪及

29、齒輪組小齒輪均安置在了腰部的基體上，這樣不僅使得系統(tǒng)的重心下移，而且使大臂不用再增加多余的零件，僅靠?jī)蓚€(gè)法蘭盤(pán)與腰部連接，通過(guò)齒輪組的大齒輪傳遞俯仰動(dòng)力。這樣不僅減輕了大臂的重量，而且降低了大臂的復(fù)雜度，使大臂專門(mén)負(fù)責(zé)提供小臂與手腕的支撐與動(dòng)力。E 關(guān)節(jié)的這種配置，也為小臂及手腕等下級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了方便。E 關(guān)節(jié)動(dòng)力的最終傳遞路線為：伺服電機(jī) E同步帶輪（24：28）漸開(kāi)線圓柱直齒齒輪（25：100）大臂俯仰軸2.3.5F 關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案（腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）（詳見(jiàn)圖 9）圖 8E 關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案動(dòng)力由電機(jī)軸輸出后經(jīng)由一組蝸輪蝸桿直接傳動(dòng)到關(guān)節(jié)軸上。在本關(guān)節(jié)中， 動(dòng)力的傳輸很簡(jiǎn)單，由電機(jī)軸輸出的動(dòng)力，通

30、過(guò)一組蝸輪蝸桿傳輸?shù)窖炕剞D(zhuǎn) 軸上?；剞D(zhuǎn)軸的支撐采取推力球軸承+深溝球軸承的組合，這樣設(shè)計(jì)的原因是由于手腕、小臂、大臂及腰部的所有重量都要加在回轉(zhuǎn)軸上，即載荷方向垂直水平面向下。在腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的傳 動(dòng)系統(tǒng)中，通過(guò) 推力軸承來(lái)承擔(dān) 全部的垂直方向 載荷（主要是機(jī) 器人自身的重力）。而由于水平方向載荷較少，故只用一個(gè)深溝球軸承來(lái)承擔(dān)回轉(zhuǎn)軸的徑向載荷。3技術(shù)參數(shù)的確定及詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1主要技術(shù)參數(shù)的確定主要技術(shù)參數(shù)主要是指電機(jī)功率的確定及電機(jī)型號(hào)的選取。在最終比較并確定了傳動(dòng)方案后，就要對(duì)各軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選取。前面已經(jīng)提到，本次設(shè)計(jì)中所涉及到的伺服電機(jī)，全部從安川伺服電機(jī)數(shù)據(jù)手冊(cè)-系列SGMH/

31、SGDM 用戶手冊(cè) 伺服的選型與數(shù)據(jù)表中來(lái)進(jìn)行選取。選取過(guò)程如下：根據(jù)已有各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)要求可確定各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率及轉(zhuǎn)速。（各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)要求詳見(jiàn)表 1）表 1各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)參數(shù)關(guān)節(jié)軸序號(hào)關(guān)節(jié)軸名稱最大動(dòng)作速度要求許用扭矩A 軸腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)9.08rad/s520/s2.9 NmB 軸腕部俯仰關(guān)節(jié)5.93rad/s340/s8.8 NmC 軸小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5.93rad/s340/s8.8 NmD 軸小臂關(guān)節(jié)2.97rad/s170/sE 軸大臂關(guān)節(jié)2.79rad/s160/sF 軸腰關(guān)節(jié)2.62rad/s150/s下面分別對(duì)各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選取。3.1.1A 關(guān)節(jié)（手腕端部回轉(zhuǎn)）驅(qū)動(dòng)電機(jī)：

32、根據(jù)已有設(shè)計(jì)要求參數(shù)，A 關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)速度為 9.08rad/s （520/s），即86.67r/min；許用扭矩為 2.9 Nm ，根據(jù)公式 P=T 可得到最終的輸出功率為P=T=2.99.08=26.332W由輸出功率，并綜合考慮轉(zhuǎn)速及外形尺寸，A 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最終選取安川SGMAH-A5-AJC 型伺服電機(jī)。部分電機(jī)參數(shù)如下：輸出功率 PN=50W，自帶 1/21 減速器，額定轉(zhuǎn)速 nN=3000r/min，額定扭矩TN=0.159Nm電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為：n1=21(1612)86.67=2427r/min 電機(jī)軸的實(shí)際扭矩為：T1=2.9/(211612)=0.104 Nm TNT1nN

33、n1PNP 滿足條件。3.1.2B 關(guān)節(jié)（手腕端部俯仰）驅(qū)動(dòng)電機(jī)：根據(jù)已有設(shè)計(jì)要求參數(shù)，B 關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)速度為 5.93rad/s （340/s），即56.67r/min；許用扭矩為 8.8 Nm ，根據(jù)公式 P=T 可得到最終的輸出功率為P=T=8.85.93=52.184W由輸出功率，并綜合考慮轉(zhuǎn)速及外形尺寸，B 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最終選取安川SGMAH-01-AJ7 型伺服電機(jī)。部分電機(jī)參數(shù)如下：輸出功率 PN=100W，自帶 1/33 減速器，額定轉(zhuǎn)速 nN=3000r/min，額定扭矩 TN=0.318Nm電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為：n1=33(28/18)56.67=2909r/min電機(jī)軸的實(shí)際

34、扭矩為：T1=8.8/(33281824/18)=0.129 Nm TNT1nNn1PNP 滿足條件。3.1.3C 關(guān)節(jié)（手腕繞小臂回轉(zhuǎn)）驅(qū)動(dòng)電機(jī)：根據(jù)已有設(shè)計(jì)要求參數(shù)，C 關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)速度為 5.93rad/s （340/s），即56.67r/min；許用扭矩為 8.8 Nm ，根據(jù)公式 P=T 可得到最終的輸出功率為P=T=8.85.93=52.184W由輸出功率，并綜合考慮轉(zhuǎn)速及外形尺寸，C 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最終選取安川SGMAH-01-AJ7 型伺服電機(jī)，與 B 關(guān)節(jié)相同。部分電機(jī)參數(shù)如下：輸出功率 PN=100W，自帶 1/33 減速器，額定轉(zhuǎn)速 nN=3000r/min，額定扭矩 TN

35、=0.318Nm電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為：n1=33(40/26)56.67=2877r/min 電機(jī)軸的實(shí)際扭矩為：T1=8.8/(3340/26)=0.173 Nm TNT1nNn1PNP 滿足條件。3.1.4D 關(guān)節(jié)（小臂俯仰）驅(qū)動(dòng)電機(jī)：D 關(guān)節(jié)為小臂俯仰關(guān)節(jié)，驅(qū)動(dòng)的負(fù)載包括 A、B、C 三個(gè)關(guān)節(jié)及附屬結(jié)構(gòu)。現(xiàn)估取 D 關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載為 25kg，傳遞扭矩為克服重力做功的繞 D 關(guān)節(jié)力矩T=mgl=25100.6=150 Nm (估取力臂為 0.6m)D 關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)速度為 2.97rad/s（170/s），即 28.33r/min，根據(jù)公式P=T 可得到最終的輸出功率為 P=T=1502.97

36、=445.5W由輸出功率，并綜合考慮轉(zhuǎn)速及外形尺寸，D 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最終選取安川SGMPH-08A-AJC 型伺服電機(jī)。部分電機(jī)參數(shù)如下：輸出功率 PN=750W，自帶 1/21 減速器，額定轉(zhuǎn)速 nN=3000r/min，額定扭矩 TN=2.39Nm傳動(dòng)系統(tǒng)還包括一組 24：28 的同步帶輪及一組 25：75 的漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪，故：電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為：n1=21(28/24)(75/25)28.33=2082r/min 電機(jī)軸的實(shí)際扭矩為：T1=150/(21(28/24)(75/25)=2.04Nm TNT1 nNn1 PNP 滿足條件。3.1.5E 關(guān)節(jié)（大臂俯仰）驅(qū)動(dòng)電機(jī)：E 關(guān)節(jié)為

37、大臂俯仰關(guān)節(jié)，驅(qū)動(dòng)的負(fù)載包括 A、B、C、D 四個(gè)關(guān)節(jié)及附屬結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)估取 E 關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載為 60kg，傳遞扭矩為克服重力做功的繞 E 關(guān)節(jié)力矩 T=mgl=60100.6=360 Nm (估取力臂為 0.6m)E 關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)速度為 2.79rad/s（160/s），即 26.67r/min，根據(jù)公式P=T 可得到最終的輸出功率為 P=T=3602.79=1004W由輸出功率，并綜合考慮轉(zhuǎn)速及外形尺寸，E 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最終選取安川SGMPH-15A-AJC 型伺服電機(jī)。部分電機(jī)參數(shù)如下：輸出功率 PN=1500W，自帶 1/21 減速器，額定轉(zhuǎn)速 nN=3000r/min，額定扭矩 TN=

38、4.77Nm傳動(dòng)系統(tǒng)還包括一組 24：24 的同步帶輪及一組 25：100 的漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪， 故：電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為：n1=21(100/25)26.67=2800r/min 電機(jī)軸的實(shí)際扭矩為：T1=360/(21(100/25)=3.43Nm TNT1 nNn1 PNP 滿足條件。3.1.6F 關(guān)節(jié)（腰）驅(qū)動(dòng)電機(jī)：F 關(guān)節(jié)為腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，驅(qū)動(dòng)的負(fù)載包括 A、B、C、D、E 五個(gè)關(guān)節(jié)及附屬結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)估取 F 關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載為 100kg，傳遞扭矩為克服重力做功的繞 E 關(guān)節(jié)力矩 T=mgl=100100.4=400 Nm (估取力臂為 0.4m)F 關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)速度為 2.62rad/s（

39、150/s），即 25r/min，根據(jù)公式P=T 可得到最終的輸出功率為 P=T=4002.62=1048W由輸出功率，并綜合考慮轉(zhuǎn)速及外形尺寸，E 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最終選取安川SGMPH-15A-AJC 型伺服電機(jī)(與 E 關(guān)節(jié)相同)。部分電機(jī)參數(shù)如下：輸出功率 PN=1500W，自帶 1/21 減速器，額定轉(zhuǎn)速 nN=3000r/min，額定扭矩 TN=4.77Nm傳動(dòng)系統(tǒng)還包括一組 6：31 的蝸輪蝸桿，故：電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為：n1=21(31/6)25=2712.5r/min電機(jī)軸的實(shí)際扭矩為：T1=400/(21(31/6)=3.67Nm TNT1nNn1PNP 滿足條件。（各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)

40、選取結(jié)果詳見(jiàn)表 2）表 2各關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)選取表A 軸B 軸C 軸D 軸E 軸F 軸電機(jī)參數(shù)電機(jī)型號(hào)SGMAH-A5-AJCSGMAH-01-AJ7SGMPH-08A-AJCSGMPH-15A-AJC輸出功率(W)501007501500額定轉(zhuǎn)速(r/min)3000300030003000額定扭矩(Nm)0.1590.3182.394.77自帶減速器參數(shù)減速比1/211/331/211/21額定扭矩/效率(Nm)/%2.67/808.40/8040.2/8080.1/80瞬時(shí)最大扭矩(Nm)9.0728.4134270額定轉(zhuǎn)速(r/min高轉(zhuǎn)速(r/min)190121

41、190190大致重量(kg)1.32.414.221.6附加齒輪減速器無(wú)無(wú)無(wú)1/31/56/313.2傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于各個(gè)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方案已經(jīng)在方案比較論證中確定下來(lái),所以在此只是對(duì)齒輪組予以設(shè)計(jì)。同步帶輪由于是標(biāo)準(zhǔn)件，可以直接選用。3.2.1錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，一共有三組錐齒輪（手腕端部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)兩組，手腕端部俯仰關(guān)節(jié)一組）。由于這三組錐齒輪傳遞負(fù)載相當(dāng)，尺寸相近，故為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)，減少工作量，將這三組錐齒輪采用同樣的齒數(shù)、模數(shù)、材料及加工方法， 只是局部結(jié)構(gòu)予以修改。每對(duì)錐齒輪兩軸之間的交角 =90齒數(shù)比 Z1:Z2=20：20=1：1（其他幾何尺寸詳見(jiàn)表 3）：表 3錐齒輪參數(shù)名稱

42、代號(hào)計(jì)算公式及結(jié)果分錐角d1d1 = d2 = arctan(z1 / z2 )= 45齒頂高h(yuǎn)ah = h*m = m = 2.5aa齒根高h(yuǎn) fh = (h* + c* )m = 1.2m = 3fa分度圓直徑dd1 = d 2 = mz1 = 50齒頂圓直徑dada1 = da 2 = d + 2ha cosd1 = 53.54齒根圓直徑d fd f 1 = d f 2 = d - 2hf cosd1 = 45.76錐距RR = m z 2 + z 2 / 2 = 35.3412齒根角qfq = arctan(hR)= 4.85ff頂錐角dada1 = da 2 = d1 +qf = 4

43、9.85根錐角dadf 1 = df 2 = d1 -qf = 40.15頂隙cc = c*m = 0.5分度圓齒厚ss = pm / 2 = 4.71當(dāng)量齒數(shù)zvzv1 = zv 2 = z1 / cosd1 = 28.28齒寬BB R / 3 = 103.2.2漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)本次焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)中一共涉及到了三組漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪，分別是 D 關(guān)節(jié)（小臂俯仰關(guān)節(jié)）漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪和 E 關(guān)節(jié)（大臂俯仰關(guān)節(jié)）漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪。（各齒輪組的參數(shù)詳見(jiàn)表 4）表 4漸開(kāi)線直齒輪參數(shù)名稱代號(hào)D 關(guān)節(jié)齒輪組E 關(guān)節(jié)齒輪組小齒輪大齒輪小齒輪大齒輪齒數(shù)zn257525100模數(shù)m46中心距a20

44、0375壓力角a2020分度圓直徑d100300150600齒頂高h(yuǎn)a46齒根高h(yuǎn) f57.25齒全高h(yuǎn)913.25齒頂圓直徑da108308162612齒根圓直徑d f90290135.5585.5基圓直徑pb94.0281.9140.95563.82齒距p12.5618.84齒厚s6.289.423.2.3蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)本次焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)中 F 關(guān)節(jié)（腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)。（蝸輪蝸桿參數(shù)詳見(jiàn)表 5）表 5蝸輪蝸桿參數(shù)名稱代號(hào)蝸輪蝸桿中心距a200齒數(shù)（頭數(shù)）zn316模數(shù)m10蝸輪齒形角a20蝸桿導(dǎo)程角334124分度圓直徑dn31090齒頂圓直徑dan330110齒寬bn7016

45、0齒頂高h(yuǎn)an1010齒根高h(yuǎn)fn1212齒全高h(yuǎn)n2222齒厚sn9.6512.56蝸輪齒頂圓弧半徑Ra235蝸輪齒根圓弧半徑Rf2573.3詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.3.1手腕部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)已經(jīng)確定的手腕部件傳動(dòng)方案，手腕部分一共包括三個(gè)自由度：手腕 繞小臂的回轉(zhuǎn)、手腕端部的俯仰及手腕端部的回轉(zhuǎn)。其中，手腕端部的俯仰和 手腕端部的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)十分緊湊，需要在手腕基體上布置兩對(duì)同步帶、三對(duì)錐齒 輪和至少 6 根軸加上這些相應(yīng)部件的輔助零件，如端蓋、軸承、鍵、擋板、各種型號(hào)的螺釘，使得手腕的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜緊湊。而同時(shí)，手腕關(guān)節(jié)的靈活性 又要求手腕關(guān)節(jié)整體尺寸不能過(guò)大，過(guò)大不僅行動(dòng)不便，而且對(duì)于整個(gè)焊接機(jī) 器

46、人整體而言，過(guò)重的端部負(fù)載（包括手腕的自重和負(fù)載重量）會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中心上移（和前移），對(duì)于機(jī)器人的控制、安裝、機(jī)器人其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都起著至關(guān)重要的決定作用，影響著機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)的 40%?？梢哉f(shuō)，機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成功與否，直接取決于手腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和尺寸。由手腕傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖可以確定，手腕的結(jié)構(gòu)可以細(xì)分為兩個(gè)部分：一部 分是手腕端部的俯仰關(guān)節(jié)，它是一個(gè)單獨(dú)的小子裝配體，主要包括手腕的端部 回轉(zhuǎn)軸、端部俯仰軸、傳遞端部回轉(zhuǎn)動(dòng)力的傳動(dòng)軸、傳遞端部俯仰動(dòng)力的傳動(dòng) 軸及相應(yīng)的同步帶輪、改變動(dòng)力方向的錐齒輪等組件；另一個(gè)是手腕主體部分， 用以安置其余的部件兩組錐齒輪、一對(duì)同步帶輪和至少三根軸及相應(yīng)的配 套組

47、件。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將手腕的端部俯仰關(guān)節(jié)獨(dú)立出來(lái)，單獨(dú)設(shè)計(jì)了一個(gè)手 腕端部俯仰基體，用以安置上述的手腕端部回轉(zhuǎn)軸、端部俯仰軸、傳遞端部回 轉(zhuǎn)動(dòng)力的傳動(dòng)軸及相應(yīng)組件。圖 10手腕端部基體圖 11手腕端部裝配體手腕端部俯仰基體為一個(gè)箱體（如圖 10 所示）。手腕端部俯仰軸和傳遞端部回轉(zhuǎn)動(dòng)力的傳動(dòng)軸都安置在這個(gè)箱體中，通過(guò)一對(duì)錐齒輪輪來(lái)進(jìn)行動(dòng)力的傳遞。為了裝配的方便，箱體上下面均設(shè)有大孔，由密封氈圈和端蓋密封。這樣設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)主要是考慮回轉(zhuǎn)軸的安裝問(wèn)題，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)軸在箱體內(nèi)部有一個(gè)固定端蓋，如果箱體只設(shè)有一端開(kāi)口，則端蓋無(wú)法順利裝配。將軸、軸承、齒輪等零件裝配到基體上便為端部的裝配體（如圖 11 所示）

48、。手腕基體設(shè)計(jì)為圖 12 圖示結(jié)構(gòu)，特別要注意的是在端部俯仰關(guān)節(jié)處的連接設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)的目的主要是考慮到裝配時(shí)手腕端部俯仰基體的放入。同時(shí)與之相配合的手腕基體固定部 件由兩個(gè)固定板條與一個(gè)基體固定 件通過(guò)內(nèi)六角螺釘相連接。裝配時(shí)， 相將手腕基體與手腕端部俯仰基體及相關(guān)軸承等輔件安放至指定位置， 然后將固定部件裝配上，最后再進(jìn)圖 12 手腕基體行俯仰件端蓋的固定。至此，手腕基體設(shè)計(jì)結(jié)束，可以進(jìn)行手腕內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。腕內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，端部俯仰部分已經(jīng)基本完成，余下主要是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè) 計(jì)從上面的說(shuō)明中可以看出，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括兩部分：手腕基體箱體內(nèi)的齒 輪-軸傳動(dòng)部分和箱體外側(cè)傳遞動(dòng)力到手腕端部俯仰關(guān)節(jié)的同

49、步帶輪部分。其中， 手腕基體箱體內(nèi)的齒輪-軸傳動(dòng)部分是這樣設(shè)計(jì)的：第一組負(fù)責(zé)傳遞手腕俯仰動(dòng) 力的錐齒輪，其中之一要設(shè)計(jì)為空心的錐齒輪軸，該齒輪軸通過(guò)一對(duì)錐齒輪嚙 合，將動(dòng)力傳遞到帶輪上，形成端部俯仰裝置；另一根軸上裝配錐齒輪，通過(guò) 錐齒輪嚙合傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞到另一組同步帶輪，進(jìn)而向前傳遞，形成端部回 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在這兩組錐齒輪傳動(dòng)中，最細(xì)軸與空心的齒輪軸相互嵌套，形成互不干擾的獨(dú)立傳動(dòng)。至此，手腕零部件的造型已經(jīng)基本完成，只差將手腕端部俯仰部件與手腕基體部件組裝上就可以完成手腕的裝配。按手腕端部俯仰部件裝配順圖 13手腕部件裝配體手腕部分（如圖 13 所示）。序，最后裝配完成手腕部件是機(jī)器人設(shè)計(jì)中

50、相當(dāng)重要的一個(gè)部件，詳細(xì)的手腕部件裝配圖將在最后繪制出。3.3.2小臂部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)前面已經(jīng)確定下來(lái)的小臂傳動(dòng)路線圖，我們可以清楚的發(fā)現(xiàn)，雖然小臂在傳動(dòng)簡(jiǎn)圖上只負(fù)責(zé)了一個(gè)自由度（小臂俯仰關(guān)節(jié)），但其實(shí)在實(shí)際上，手腕繞小臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要也是在小臂關(guān)節(jié)得以實(shí)現(xiàn)的。手腕繞小臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)， 基本上全部結(jié)構(gòu)均位于小臂上，靠螺釘與手腕連接。不僅如此，小臂還肩負(fù)著裝置手腕部件的動(dòng)力源伺服電機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。應(yīng)該說(shuō)，手腕的動(dòng)力系統(tǒng)全部基于小臂，小臂的設(shè)計(jì)，大部分是設(shè)計(jì)手腕的動(dòng)力傳動(dòng)裝置在小臂上的布局安置。圖 14 為手腕繞小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)鍵部位：小臂軸 1 組件。它由小臂軸 1、兩個(gè)圓錐滾子軸承及一個(gè)同步帶輪

51、組成。其中同步帶輪靠鍵與小臂軸 1 徑向固定，在軸端部有彈性擋圈固定同步帶輪軸向方向。在小臂軸 1 的另一端，有 12 個(gè) M6 的內(nèi)六角螺釘沉孔，靠 12 個(gè)內(nèi)六角螺釘與手腕相固連。小臂軸 1 組件固定在小臂基體上。下面考慮小臂基體的布局安排。前面已經(jīng)提到，小臂基體沒(méi)有特圖 14手腕繞小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸別的機(jī)構(gòu)，其所實(shí)現(xiàn)的功能也只是為手腕的三個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)安置電機(jī)并提供支撐。需要在小臂上安置的部件包括：手腕端部俯仰關(guān)節(jié)電機(jī)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)（包括同步 帶輪組、軸系）、手腕端部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)（包括同步帶輪組、軸系、聯(lián)軸器）、手腕繞小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)（包括同步帶輪組、軸系）。由 于已經(jīng)確定了手腕

52、端部?jī)蓚€(gè)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)軸為空心軸嵌套結(jié)構(gòu)，故應(yīng)該有一個(gè)電 機(jī)與空心軸同軸配置，依靠 聯(lián)軸器與空心軸的心軸連接；另一個(gè)電機(jī)配置在空心軸軸側(cè)，通過(guò)同步帶輪傳遞動(dòng)力。手腕繞小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)也配置在軸側(cè)； 由于考慮到小臂圖 15小臂部件裝配體的整體長(zhǎng)度，不可能將連個(gè)軸側(cè)電機(jī)形成前后配置，故將兩個(gè)電機(jī)水平配置在小臂軸向下方。這樣，小臂的徑向尺寸即將超過(guò) 200mm，但這是必要的。徑向尺寸同樣也影響著后面大臂的結(jié)構(gòu)。（如圖 15 所示）圖中，裝配體軸線位置為三根相互嵌套的空心軸系。由里至外，分別為小臂軸 3、小臂軸 2、小臂軸 1。分別傳遞手腕端部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)動(dòng)力、手腕端部俯仰關(guān)節(jié)動(dòng)力和手腕繞小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)動(dòng)力。三

53、個(gè)伺服電機(jī)，分別安置在小臂基體后部的隔板上。隔板一共有三個(gè)，從前至后，分別位置為手腕繞小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)、手腕端部俯仰關(guān)節(jié)電機(jī)、手腕端部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)。其中，中間隔板還擔(dān)負(fù)著同步帶輪的定位。在小臂裝配體中我們可以發(fā)現(xiàn)，在小臂后方布置的電機(jī)已經(jīng)不可能再布置一根通軸來(lái)實(shí)現(xiàn)小臂的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)如果非要這么設(shè)計(jì)，小臂的軸向高度將會(huì)再次的提高，尺寸也會(huì)大大增加。于是，在大臂-小臂連接處，我使用了兩個(gè)法蘭盤(pán)，通過(guò) 12 個(gè) M10 內(nèi)六角螺釘與小臂固連。圖 16手腕-小臂裝配體至此，手腕-小臂組件已經(jīng)可以完成。圖 16 為手腕- 小臂部件的三 維模型，為了 能完全顯示其 結(jié)構(gòu)，其中部分零件設(shè)計(jì)為半透性。應(yīng)該說(shuō)，這一

54、部分是機(jī)器人的關(guān)鍵部位。手腕-小臂的尺寸及性能，影響著機(jī)器人性能的很大一部分。3.3.3大臂部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由已經(jīng)確定的小臂-大臂傳動(dòng)路線方案可以看出，小臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及傳動(dòng)部件安置在了大臂上；大臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及傳動(dòng)部件安置在了腰部上。前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，這樣布置可以降低機(jī)器人的重心，而且可以預(yù)留出手腕電機(jī)及傳動(dòng)裝置在小臂中布局的空間。將兩個(gè)空軸孔，安置兩對(duì)圓錐滾子軸承來(lái)承受小臂的全部重量。（如圖 17所示）剛才已經(jīng)說(shuō)過(guò)，小臂俯仰關(guān)節(jié)動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)均布局在大臂基體上，故作為大臂設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)在來(lái)討論小臂俯仰關(guān)節(jié)的動(dòng)力及傳動(dòng)配置。大小齒輪相互嚙合，動(dòng)力從電機(jī)軸輸出后經(jīng)由一組同步帶傳動(dòng)傳遞到齒輪組上。在設(shè)計(jì)的初始階段，中間軸（齒輪-帶輪中間軸）的安置一度 成為困擾我的問(wèn)題。在二維圖紙上增加 了一