關(guān)節(jié)型機器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計全套CAD有圖

word文檔可自由復(fù)制編輯 word文檔可自由復(fù)制編輯圖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)120s/30手腕擺動90s/30手腕旋轉(zhuǎn)360s/30額定載荷kg4最大速度sm/24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: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。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。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。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m4kg，初估腕部的重量m4kg，最大運動速度V=2m/s 1 2功率pFVmgV8102160W取安全系數(shù)為1.2，p'1.2p1.2160192W考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率p＝200W。選擇Z型并勵直流電動機，額技術(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=V＝2＝20r/s R 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)。606020再求實際轉(zhuǎn)速n’＝n' 191.1r/min22n'為轉(zhuǎn)速(r/min)。最后求得總傳動比 n 2000i總＝＝10.4取整i總1=10n'191.14.3.2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。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。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。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[13]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z20,則z22040。 1 2a.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ZZZ22KTu1d3HE1（4－1） 1t []u H d其中，0.8，u2，dZ0.90，Z189.8MP，Z1.8， Ea H P 0.2T9.551069.551069550Nmm 1 n 200選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：580MPa560MPaH1lim H2lim選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：230MPa210MPa F1lim F2lim應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計算可得N60nat（4-2） 1 16020003008164.23109 N 4.23109則N12.16109 2 u 2接觸疲勞壽命系數(shù)Z1.1,Z1.02 N1 N2彎曲疲勞壽命系數(shù)YY1 N1 N2 接觸疲勞安全系數(shù)S 1，彎曲疲勞安全系數(shù)S 1.5,又Y2.0，試選 Hmin Fmin STK1.3。t求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：H1limZ5801.1638MPa H1S N1 1HminHlimZ5801.02591.6MPa H2S N2 1 Hmin F1limYSTY23021MPa306.67MPa F1 S N1 1.5FminF2limYSTY21021MPa280MPa F2 S N2 1.5將有關(guān)值代入（4－1：ZZZ22KTu1d3HEtd1u1tH21.8189.80.9221.3955021 3 mm 591.6 0.8 241.3mm dn 41.32000則v1t14.32m/s1601000601000 zv 204.3211m/s0.86m/s100 100動載荷系數(shù)Kv1.0；使用系數(shù)K1；動載荷分布不均勻系數(shù)K1.02；齒 A 間載荷分配系數(shù)Ka1，則KKKvKKa1.011.01.021.01.03 H A 1.03KKt3修正dd H41.3338.1mmKKt3 1 1t1.3 d 38.1m1mm1.9mmz 201取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m2mm。c.計算基本尺寸dmz22040mmdmz24080mm2z2z4080 am1 2 60mm 1 1 2 2bd0.84032mmd1取b32mm1b22mm2d.校核齒根彎曲疲勞強度復(fù)合齒形系數(shù)Y4.1，Y3.8 FS1 FS2取Y0.7校核兩齒輪的彎曲強度2KT 1YY（4－3）F1z2m3FS1d121.0395504.10.7MPa0.820223110.02MPaF1 Y 3.8 FS2110.02MPa101.97MPa F2 F1Y 4.1 F2FS1所以齒輪完全達到要求。表4－2齒輪的幾何尺寸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z20,則z5201001 2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。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 ZZ2 4KT d3[H E]0.85R(101.5R)2u（4－4）1tH其中，0.8，u5，dZ189.8MP，Z1.8， Ea H P 0.2T9.551069.551069550Nmm 1 n 200選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：580MPa560MPaH1lim H2lim選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：230MPa210MPaF1lim F2lim應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下式計算可得N60nat（4-5） 1 16020003008164.23109 N 4.23109則N10.846109 2 u 5接觸疲勞壽命系數(shù)Z1.1,Z1.02N1 N2彎曲疲勞壽命系數(shù)YY1 N1 N2 接觸疲勞安全系數(shù)S 1，彎曲疲勞安全系數(shù)S 1.5,又Y2.0，試選 Hmin Fmin STK1.3。t求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：H1limZ5801.1638MPa H1S N1 1HminHlimZ5801.02591.6MPa H2S N2 1 Hmin F1limYSTY23021MPa306.67MPa F1 S N1 1.5FminF2limYSTY21021MPa280MPaF2 S N2 1.5將有關(guān)值代入（4－4：ZZ24KTdHE1 1t 3[]0.85R(10.5R)2uH 1.8189.82 41.39550 3 mm591.60.850.3(10.50.3)2243.3mmdn 43.32000則v 1t1 4.53m/s 1601000 601000 zv 204.5311m/s0.96m/s100 100動載荷系數(shù)Kv1.0；使用系數(shù)K1；齒向載荷分布不均勻系數(shù)K1.02；KKt3A 齒間載荷分配系數(shù)取Ka1，則KKt3 H A 修正dd H43.3339.1mm 1 1t1.3 d 39.1m1mm1.95mmz 201取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m2mm。c.計算基本尺寸dmz22040mmdmz2100200mm 2z2z40200 1 1 am1 2 120mm 2 2d.校核齒根彎曲疲勞強度復(fù)合齒形系數(shù)Y4.1，Y3.8 FS1 FS2取Y0.7校核兩齒輪的彎曲強度4KTY 1FS1 （4-6）F1(10.5)z2m1u232 R R141.0395504.1MPa0.8(10.50.8)22022315221MPaF1 Y 3.8 FS221MPa19MPaF2 F1Y 4.1 F2FS1所以齒輪完全達到要求。表4－3齒輪的幾何尺寸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z20,則z520100。經(jīng)計算齒輪滿足要求 1 2表4－4齒輪的幾何尺寸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z20,則z42080。經(jīng)計算齒輪滿足要求。 1 2表4－5齒輪的幾何尺寸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z20,則z22040。經(jīng)計算齒輪滿足要求。小齒輪作成1 2齒輪軸。表4－6齒輪的幾何尺寸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z20,則z520100。經(jīng)計算齒輪滿足要求。小齒輪作1 2成齒輪軸。表4－6齒輪的幾何尺寸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。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。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。軟軸接頭用以連接動力輸出軸及工作部件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3nPdc（4-7）3nP0.02200010632.28mmb.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d處開始逐段確定軸徑，上面計算的d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時進行。這次選用的是波紋管連軸器。故軸段1直徑d＝20mm。右端用軸肩固定，考慮到在軸段2上裝套筒，故取軸徑d22mm。2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d＝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d＝ 3 725mm。軸段4上用軸肩固定軸承，故取d＝30mm。軸段5上作成齒輪軸，尺寸與齒相同。根據(jù)結(jié)構(gòu)確定軸段6的直徑d＝30mm。6c.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l24mm?？紤]到套筒長取l21mm。根據(jù)軸承寬度取l15mml。7根據(jù)結(jié)構(gòu)l6mml42mm。6圖4－1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖4.5.3軸的強度校核[13]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：P0.2主軸上的傳遞的功率：P0.25kw傳0.8PT9.55106（4-8）n0.25 9.55106 20001193Nmm求作用在齒輪上的力：d'mz'22040(mm)t2T21193F59.65(N) td' 40b．畫軸的受力簡圖FF見圖tg4－259.65tg2021.71(N) r tc．計算軸的支撐反力在水平面上 Frl 21.7173 F 314.55N R1Hll 3772 2 3 F Fr-F 21.71-14.557.16N R2H R1H在垂直面上F F F t29.825N R2V R1V 2d．畫彎矩圖見圖4－2在水平面上，a—a剖面左側(cè)MFl14.5541596.55NmmaHR1H1a—a剖面右側(cè)M'Fl7.1637264.92NmmaHR2H2在垂直面上 M M'F l29.825411222.825N aV av R1V 1mm合成彎矩，a—a剖面左側(cè)MaM2M2596.5521222.82521360.57Nmm aH aVa—a剖面右側(cè)M'aM'2M'2264.9221222.82521251.19Nmm aH aVe．畫轉(zhuǎn)矩圖見圖4－2 d 44TF59.651312.3Nmmt2 2f.判斷危險截面a—a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 [σ] 60 許用彎曲應(yīng)力[σ]=[σ]=60Mpa，[σ]=100Mpa，α= 1b= =0.6 1b 0b [σ]1000ba—a截面左側(cè) bl(dt)2 5070(44-3)2 W0.1d3-0.1443-818.4mm3 2d 244 M2(T)2 1360.572(0.61193)2 e W 818.4h.軸的疲勞強度安全系數(shù)校核查得抗拉強度σ=650Mpa，彎曲疲勞強度300Mpa，剪切疲勞極限 B 1155Mpa，等效系數(shù)ψ=0.2，ψ=0.11 σ τa—a截面左側(cè) bl(dt)2 4270(44-3)2W0.2d3-0.2443-1462.9mm3 2d 244查得K=1，K=1.8；查得絕對尺寸系數(shù)0.95，ε= σ τ τ0.92；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)β=1.0。則M 1360.57彎曲應(yīng)力1.66MPa，bW 818.4應(yīng)力幅1.66Mpa a b平均應(yīng)力σ=0m T 1193切應(yīng)力1.46MpaTW818.4TT0.73Mpa a m 2 300 安全系數(shù)S 180.71 K 11.660.20 a m1.00.95 155S 1 100 K 1.80.730.10.73 a m1.00.92SS 180.7100S2S2 180.721002S 88.15 查許用安全系數(shù)[S]=1.3～1.5，顯然S>[S]，則a—a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)用于噴漆等工作中。設(shè)備制造成本合理，拆裝方便，便于維護。參考文獻劉辛軍,汪勁松,高峰.并聯(lián)六自由度微動機器人機構(gòu)的設(shè)計方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001,41.(8):16-20.徐衛(wèi)平,張玉茹,六自由度微動機構(gòu)的運動分析[J].機器人ROBOT,1995,17.(5):298-302.李明利,楊利華.磁性輪式球罐焊接機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)