汽車(chē)擋風(fēng)玻璃自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

5根據(jù)主要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)選擇運(yùn)動(dòng)形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。常見(jiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式有五種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)性、關(guān)節(jié)型和SCARA型，同一種運(yùn)動(dòng)形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。所選用的運(yùn)動(dòng)形式，在滿足需要的情況下，應(yīng)使自由度最少、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。在以上這些運(yùn)動(dòng)形式中，關(guān)節(jié)機(jī)器人由2個(gè)肩關(guān)節(jié)和1個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)或3個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。其中，一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸線旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)仰俯。這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線。這種結(jié)構(gòu)形式動(dòng)作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)上相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵。并考慮到汽車(chē)裝配的工作環(huán)境和工作要求，本次設(shè)計(jì)選定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式為關(guān)節(jié)式機(jī)器人。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用來(lái)把驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)傳遞到關(guān)節(jié)和動(dòng)作部位。機(jī)器人中常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有：齒輪傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)、皮帶及鏈傳動(dòng)、流體傳動(dòng)和連桿機(jī)構(gòu)與凸輪傳動(dòng)。1.齒輪傳動(dòng)機(jī)器人中常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)是高轉(zhuǎn)速、小力矩的驅(qū)動(dòng)器，而機(jī)器人通常卻要求低轉(zhuǎn)速、大力矩，因此，常用行星齒輪機(jī)構(gòu)和諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速器來(lái)完成速度和力矩的變換和調(diào)節(jié)。此外，由于諧波傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，重量輕、傳動(dòng)精度高、承載能力大、傳動(dòng)比大，且具有高阻尼特性。因此，在本次的設(shè)計(jì)中選用諧波傳動(dòng)。62.皮帶傳動(dòng)與鏈傳動(dòng)皮帶和鏈傳動(dòng)用于傳遞平行軸間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，或把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人中的皮帶和鏈傳動(dòng)分別通過(guò)皮帶或鏈輪傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有時(shí)還用來(lái)驅(qū)動(dòng)平行軸之間的小齒輪。由于齒形帶具有在傳動(dòng)時(shí)無(wú)滑動(dòng)，初始張力小，被動(dòng)軸的軸承不易過(guò)載。因無(wú)滑動(dòng)，它除了用做動(dòng)力傳動(dòng)外還適用于定位。齒形帶屬于低慣性傳動(dòng)，適合于馬達(dá)和高速比減速器之間使用。皮帶上面安上滑座可完成與齒輪齒條機(jī)構(gòu)同樣的功能。并且慣性小，且有一定的剛度等優(yōu)點(diǎn)，所以適合于機(jī)器人的機(jī)械傳動(dòng)。因此，在本次的設(shè)計(jì)中采用齒形帶傳動(dòng)。2.2.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇直流電機(jī)便于調(diào)速，且具有較好的機(jī)械特性，所以很早就用于機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。但一般的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大，而且輸出轉(zhuǎn)矩相對(duì)過(guò)小，動(dòng)態(tài)特性較差，尤其在低速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下更為突出，因此不是很理想的伺服電機(jī)。70年代研制成的大慣量調(diào)速伺服電動(dòng)機(jī)，它在結(jié)構(gòu)上采取了一些措施，盡量提高轉(zhuǎn)矩，改善了動(dòng)態(tài)特性，它既具有一般直流電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，又具有小慣量直流電動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)性能，易與較大的負(fù)載慣量匹配，能較好地滿足伺服驅(qū)動(dòng)的要求，因此在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：1、電動(dòng)機(jī)輸出力矩大2、電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力大3、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好4、低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)5、易于調(diào)試由于直流伺服電機(jī)具有以上優(yōu)點(diǎn)，因此在本次的設(shè)計(jì)中采用直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。第3章裝配機(jī)器人各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、結(jié)構(gòu)形式：關(guān)節(jié)式2、自由度數(shù)：63、驅(qū)動(dòng)方式：直流伺服電機(jī)4、各軸運(yùn)動(dòng)范圍、速度、功率、轉(zhuǎn)矩(圖2-1)1軸：±135。74軸：±180。5軸：±100。6軸：±180。5、最大持重：100Kg6、環(huán)境溫度：0～50·C根據(jù)機(jī)器人的工作條件和工作對(duì)象，經(jīng)對(duì)多種車(chē)輛前擋風(fēng)玻璃的實(shí)際測(cè)量，和設(shè)計(jì)的通用性原則，取玻璃為矩形結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)a=1500mm,寬b=1000mm,厚因此，確定機(jī)器人的工作載荷為30kg3.3手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)手部按夾持原理分手指式和吸盤(pán)式，手指式和吸盤(pán)式按不同發(fā)方式又可進(jìn)手指式手爪按夾持方式分外夾持式、內(nèi)撐式、內(nèi)夾持式。手指按運(yùn)動(dòng)形式可分為：回轉(zhuǎn)型、平動(dòng)型和平移型。(1)回轉(zhuǎn)型：當(dāng)手爪夾緊和松開(kāi)物體時(shí)，手指作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)被抓取物體的直徑大小變化時(shí)，需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。(2)平動(dòng)型：手指由平行四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，當(dāng)手爪夾緊和松開(kāi)物體時(shí)，手指姿態(tài)不變，作平動(dòng)和回轉(zhuǎn)型手爪一樣，夾持中心隨被夾物體直徑的大小而改變。(3)平移型：當(dāng)手爪夾緊和松開(kāi)工件時(shí)，手指作平移運(yùn)動(dòng)，并保持中心固定不變，不受工件直徑變化的影響。2.吸盤(pán)式手爪它由吸盤(pán)、吸盤(pán)架及氣路系統(tǒng)組成?？捎糜谖狡秸饣?、不漏氣的各種板材和薄壁零件，如玻璃、陶瓷等制品。當(dāng)吸盤(pán)內(nèi)抽成負(fù)壓時(shí)，吸盤(pán)外部的大氣壓力將把吸盤(pán)緊緊地壓在被吸附的物體上。吸盤(pán)負(fù)壓的產(chǎn)生方法有如下方法：(1)擠壓排氣式靠外力將吸盤(pán)皮碗壓向被吸物體表面，吸盤(pán)內(nèi)腔空氣被擠壓出去，形成內(nèi)8腔負(fù)壓，吸盤(pán)從而吸住物體。這種方式所形成的吸力不大，而且也不可靠。當(dāng)控制閥將吸盤(pán)與真空泵聯(lián)通時(shí)，真空泵將盤(pán)內(nèi)空氣抽出，形成吸盤(pán)內(nèi)腔負(fù)壓，吸盤(pán)吸住物體，當(dāng)控制閥將吸盤(pán)與大氣聯(lián)通時(shí)，吸盤(pán)失去吸力，被吸物體脫離吸盤(pán)?？刂崎y將來(lái)自氣泵的壓縮空氣接通至噴嘴，壓縮空氣通過(guò)形成高速射流，吸盤(pán)腔內(nèi)的空氣被帶走，在吸盤(pán)內(nèi)腔形成負(fù)壓，吸盤(pán)吸住物體。當(dāng)控制閥切斷通往噴嘴的壓縮空氣，并使吸盤(pán)內(nèi)腔與大氣相通，吸盤(pán)便釋放物體。吸盤(pán)的吸力F要大于被吸附物體的重力，其所需吸盤(pán)的面積S,可用一個(gè)吸盤(pán)或數(shù)個(gè)吸盤(pán)實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用于進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類(lèi)很多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求。在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)該注意事項(xiàng)：1、機(jī)器人的末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)要求來(lái)設(shè)計(jì)的。根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機(jī)器人末端執(zhí)行器，將不斷擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。2.、機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量，被抓取物體的重量及操作力的總合不應(yīng)超過(guò)機(jī)器人允許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)器人末端器重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。3、機(jī)器人末端執(zhí)行器的萬(wàn)能性與專(zhuān)用性是矛盾的。從工業(yè)實(shí)際出發(fā)，應(yīng)著重開(kāi)發(fā)各種各樣專(zhuān)用的、高效的末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的多種多樣的作業(yè)功能。4、通用性和完能性是兩個(gè)概念，萬(wàn)能性是指一機(jī)多能的概念，而通用性是指功能有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機(jī)器人，這就要求末端執(zhí)行器有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口。在本次設(shè)計(jì)中，末端執(zhí)行器采用吸盤(pán)式手爪，吸盤(pán)采用噴氣式吸盤(pán)，吸盤(pán)的吸力是由吸盤(pán)皮碗的內(nèi)、外壓力差造成的吸盤(pán)的吸力F可根據(jù)下式求得：S——吸盤(pán)負(fù)壓腔在工件表面上的吸附面積k;——工作情況系數(shù)，一般取k,=1—3K,——姿態(tài)系數(shù)：當(dāng)吸盤(pán)表面處于水平位置時(shí)，取19當(dāng)吸附表面處于垂直位置時(shí)，取f為吸盤(pán)與被吸取物體的摩擦系數(shù)，玻璃和橡膠的摩擦系數(shù)f=0.53。已知載荷的重量G=300N,大氣的壓力為p,=1.01×1o3pa,內(nèi)腔壓力在0.15—1Mpa之間，取P=0.2MPa。由以上條件計(jì)算吸盤(pán)的吸附面積S。初步選定由四個(gè)吸盤(pán)完成玻璃的吊裝，因此，所需每個(gè)吸盤(pán)的面積為S=100.1cm2,考慮到工作環(huán)境的變化，取每個(gè)吸盤(pán)的面積S=120cm2。因此吸盤(pán)的直徑D=12.36cm。取D=13.00cm,即D=130mm。吸盤(pán)式手爪與機(jī)器人的連接采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭盤(pán)結(jié)構(gòu)，支撐架與法蘭盤(pán)的連接采用焊接結(jié)構(gòu)。末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)：圖(3-1)圖3-1末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)考慮到在計(jì)算中的誤差和工作中的不確定因素，機(jī)器人手爪和載荷的總體質(zhì)量載荷的設(shè)定在100Kg。3.4腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.4.1腕部的概況及設(shè)計(jì)要求腕部是臂部與手部的連接部件，起支撐手部和改變手部姿態(tài)的作用。為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間三個(gè)坐標(biāo)X、Y、Z的轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有偏轉(zhuǎn)、俯仰和回轉(zhuǎn)三個(gè)自由度。手腕是機(jī)器人操作機(jī)的最末端，它與機(jī)器人手臂配合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手腕上安裝的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。手腕按自由度個(gè)數(shù)可分為但自由度手腕，二自由度手腕和三自由度手腕。采用幾個(gè)自由度的手腕應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的工作性能來(lái)確定。在有些情況下，腕部具有二個(gè)自由度：回轉(zhuǎn)和俯仰或回轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)。一些專(zhuān)用機(jī)器人甚至沒(méi)有腕部，但有的腕部為了特殊要求還有橫向移動(dòng)的自由度。其設(shè)計(jì)要求如下：1、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。2、動(dòng)作靈活、平穩(wěn)，定位精度高。3、強(qiáng)度、剛度高。4、設(shè)計(jì)合理的與臂和手部的連接部位以及傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的布局和安5、機(jī)器人手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來(lái)設(shè)計(jì)。6、機(jī)器人腕部安裝在機(jī)器人手臂的末端，在設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕時(shí)，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。并選用高強(qiáng)度鋁合金制造。7、機(jī)器人手腕要與末端執(zhí)行器相連，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的連接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。8、機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動(dòng)的傳遞。9、要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減少空回間隙，提高傳動(dòng)精度。10、手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)要有限位開(kāi)關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)器損壞。3.4.2腕部結(jié)構(gòu)的確定在本次設(shè)計(jì)中，腕擺和腕轉(zhuǎn)均采用齒形帶傳動(dòng)和諧波減速器傳動(dòng)。腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)與腕部分別安置在小臂關(guān)節(jié)軸的兩端，使小臂達(dá)到質(zhì)量平衡。小臂和腕關(guān)節(jié)為4R機(jī)構(gòu)，具有4個(gè)自由度，三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)均集中布置在小臂的后端，在其三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)過(guò)程中，均采用了諧波減速器，其動(dòng)力輪與傳動(dòng)軸和回轉(zhuǎn)套聯(lián)在一起，帶動(dòng)腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)。這種傳動(dòng)方案的優(yōu)點(diǎn)是：1、腕部尺寸較小，重量較輕；2、由于腕部屬于3R球腕機(jī)構(gòu)，故便于調(diào)整姿態(tài)，進(jìn)行編程；3、因腕關(guān)節(jié)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)均放在小臂后端，有利于小臂自身的重力平衡；4、有利于迅速制動(dòng)，保證安全。腕關(guān)節(jié)二個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為司服電機(jī)，為保證制動(dòng)迅速，在電機(jī)輸出軸上均裝有電磁制動(dòng)器；當(dāng)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可保證關(guān)節(jié)軸牢固不動(dòng)，以避免控制系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)。腕部結(jié)構(gòu)圖如下：圖(3-2)圖3-2腕部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.腕部輸出軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇設(shè)定腕部Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為：w=100°/s=1.92rad/s整體尺寸為矩形。矩形繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算如下式：設(shè)定腕部繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為：w=100°/s=1.92rad/s=18.34由平移軸定理得：載荷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J,=J+m載荷的因此，載荷繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為：(假定重心無(wú)偏移)軸承為圓錐滾子軸承，軸承直徑D?=D?=0.035m,已知此軸的轉(zhuǎn)速為：w=115.2rad/min=1.92rad/s,假設(shè)軸的加速過(guò)程為勻加速，取勻加速啟動(dòng)時(shí)間：t=0.5s(2)對(duì)軸進(jìn)行受力分析此軸受重力和兩個(gè)軸承的支撐力的作用，其受力圖如下：圖(3-3)圖3-3輸出軸的受力分析根據(jù)軸的受力平衡得：選擇直流伺服電機(jī)負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速單位是rad/s所以：電機(jī)的所需功率是：由輸出軸的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)速比為u=160,選取諧波減速器XB3100,其傳n=3000r/min(半流體潤(rùn)滑脂)。2.腕部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇Y軸是腕部的擺動(dòng)軸，它在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，可以帶動(dòng)載荷繞Y軸的擺動(dòng)。(1)腕部自身相對(duì)于Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算把腕部看作一設(shè)定腕部擺動(dòng)的角速度w=100°/s=1.92rad/s=18.34r/min,把腕部看作一個(gè)繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱體，圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式如下：初步估測(cè)腕部的質(zhì)量m:腕部圓柱體的幾何尺寸：R=85mm,p=7.8g/m2,h=185mmm=πR2hpm=3.14×8.52×18.45×7.8=32.5載荷繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：由平移軸定理得：J=J,+md載荷繞與Y軸平行自身軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，:因此，在載荷對(duì)Y軸總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：所以作用在Y軸的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：摩擦力矩：慣性力矩：對(duì)軸進(jìn)行受力分析得：圖(3-4)圖3-4腕部擺動(dòng)軸的受力分析擺動(dòng)軸在載荷作用下的彎矩：M=mgxL取載荷到擺動(dòng)軸的作用力距：L=255mm,N?x147.6mm=M=>N?=1727.M。=1.2(5.74+106.64)=13電機(jī)的類(lèi)型為直流司服電機(jī)，選取電機(jī)的型號(hào)為：130SYX其額定功率為Pa=1.2Kw,額定轉(zhuǎn)速n=3000r/min由輸出軸的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)速比為u=160,選取諧波減速器XB3100,其傳n=3000r/min(半流體潤(rùn)滑脂)。1.腕部輸出軸錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算在錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算當(dāng)中，以錐齒輪大端為標(biāo)準(zhǔn)值，以中徑尺寸為計(jì)算量。設(shè)錐齒輪的傳動(dòng)比：分度圓直徑d=74mm,模數(shù)m=2,齒數(shù)：錐距：平均分度圓直徑：傳動(dòng)齒寬系數(shù)：其中φ。=0.25—0.35取。=1/3齒寬取b=17mm因此，錐齒輪的平均分度圓直徑a。=d×0.833=61.64mm,圓柱齒輪的分度圓半徑與平均分度圓直徑：錐齒輪的當(dāng)量直齒當(dāng)量齒數(shù)：取當(dāng)量齒輪的齒數(shù)比：垂直分度圓錐母線的力：F1=Ftga徑向分力：F,=F'cosδ=F,選取齒輪的齒合角a=20°,己知作用在齒輪上的力矩T=125.8Nm因此，NN①齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算：應(yīng)力校正系數(shù)γ=1.75故齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度是安全的。②齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算：設(shè)在正常工作情況下，工作齒寬為錐齒輪齒寬b=17mm。=60×18.34×1×(2×8×300×10)接觸疲勞壽命系數(shù)：K-1.03齒輪的安全系數(shù)：S=1③錐齒輪的基本尺寸：分度圓直徑：d=Zm=50×2=100mm2.腕部擺動(dòng)傳動(dòng)錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算初設(shè)原始條件：傳動(dòng)比u=1,椎角。-45°,齒型角α,=20分度圓直徑取：d=56mm平均分度圓直徑：(3-22)當(dāng)量直齒輪分度圓半徑，:當(dāng)量齒輪的齒數(shù)比：齒輪傳遞的扭矩為：T=1.65Nm垂直于分度圓錐母線的力：徑向分力：軸向力：發(fā)向載荷：F1=Fg20°=70.74tg20°NN,=-95.02①齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)：齒輪的彈性影響系數(shù)：z=189.8材料的許用應(yīng)力：0nHm=1100Mp=60×18.34×1×(2×8×300×10)=載荷系數(shù)：取d=56≥26.3,,故齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度是安全的②輪齒彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算：載荷系數(shù)：查表得：動(dòng)載荷系數(shù)：齒向載荷分布系數(shù)：齒間載荷分配系數(shù)：載荷系數(shù)：齒形系數(shù)：應(yīng)力校正系數(shù)：彎曲疲勞強(qiáng)度極限：因齒輪模數(shù)m=2≥0.765,故齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度是安全的。3.腕部輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)第二錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算已知同步帶所傳遞的力矩：初設(shè)初始參數(shù)：傳動(dòng)比為：u=1,錐角：8=45°初設(shè)分度圓直徑：d=44mm則齒數(shù)平均分度圓直徑：dt=0.833d=0.833×44=25.92mm當(dāng)量直齒輪分度圓半徑，:當(dāng)量齒輪模數(shù)m。當(dāng)量齒數(shù)=已知錐齒輪傳遞的力矩為：T=1.54Nm圓周力：垂直于分度圓錐母線的力：F1=F,Iga=52.03×rg20°發(fā)向載荷：①齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算：彈性影響系數(shù)：z,=189.8材料的許用應(yīng)力：Gwim=1100Mp應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N=60njLh=60×18.34×1×(2×8×300×10)接觸疲勞壽命系數(shù)：Kμ=0.9錐齒輪傳動(dòng)的安全系數(shù)：S=1載荷系數(shù)：K取d=44mm≥25.72mm,所以錐齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度是安全的。②齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算：應(yīng)力校正系數(shù)：Y=1.57因齒輪的設(shè)計(jì)模數(shù)m=2≥0.906,故齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度是安全的。1.腕部輸出軸的強(qiáng)度校核圖3-5腕部輸出軸的受力簡(jiǎn)圖(1)在徑向力作用下的受力分析：圖(3-6)圖3-6腕部輸出軸在徑向力作用下的受力分析根據(jù)軸的手力平衡得：(2)在圓周力作用下的受力分析：圖(3-7)圖3-7腕部輸出軸在圓周力作用下的受力分析由軸的受力平衡得：(3)力矩圖如下：圖(3-8)圖3-8腕部輸出軸的力矩圖按照第三強(qiáng)度理論對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核：由上知，軸的最大作用應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力值，所以軸的強(qiáng)度是安全2.腕部擺動(dòng)第二錐齒輪軸的強(qiáng)度校核對(duì)其進(jìn)行受力分析得受力圖：圖(3-9)P圖3-9腕部擺動(dòng)第二錐齒輪軸的受力圖其在徑向力作用下的受力分析：圖(3-10)圖3-10腕部擺動(dòng)第二錐齒輪軸徑向力作用下的受力分析根據(jù)軸的受力平衡原則得：軸在周向力作用下的受力分析：圖(3-11)圖3-11腕部擺動(dòng)第二錐齒輪軸圓周力作用下的受力分析根據(jù)軸的受力平衡得：其力矩圖如下：圖(3-12)圖3-12腕擺第二錐齒輪軸的力矩圖在第一軸承作用點(diǎn)的和力矩為：其和力矩小于第二軸承處的作用力矩T=2152Nmm,故選取第二軸承處的作用力矩作為軸承的校核力矩。根據(jù)第三強(qiáng)度理論得：計(jì)算應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，故軸的強(qiáng)度是符合強(qiáng)度理論的。3.腕部輸出第二錐齒輪軸的強(qiáng)度校核軸的受力圖如下：圖(3-13)圖3-13腕部輸出軸第二錐齒輪軸的受力分析其在徑向力作用下的受力分析：圖(3-14)N2N1圖3-14腕部輸出軸第二錐齒輪軸徑向受力分析根據(jù)軸的受力平衡原則：29.84F-45.5N?+(29.52+45.圓周力作用下的受力分析：圖(3-15)圖3-15腕部輸出軸第二錐齒輪軸周向受力分析根據(jù)軸的受力平衡原則：軸的力矩圖：圖(3-16)圖3-16腕部輸出軸第二錐齒輪軸的力矩圖作用在第二軸承處的和力矩是：根據(jù)第三強(qiáng)度理論得：是符合強(qiáng)度理論的軸的計(jì)算應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力值，因此，軸的強(qiáng)度3.4.6傳動(dòng)同步帶的選擇選擇同步帶的型號(hào)為L(zhǎng)型，采用標(biāo)準(zhǔn)的帶輪和標(biāo)準(zhǔn)1.腕部擺動(dòng)同步帶的選擇初選標(biāo)準(zhǔn)帶輪直徑：d=84.89mm傳動(dòng)比為：u=1所以帶速：初定軸間距：ao=221mm實(shí)際軸間距：(當(dāng)軸間距可以調(diào)整時(shí))作用在軸上的力：帶寬：基本帶寬功率：所以帶寬：取標(biāo)準(zhǔn)帶寬：b=14mm2.腕部輸出軸同步帶選擇標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)：L,=635mm考慮他們傳動(dòng)力矩相差不大，且都取同樣的帶輪所以其帶寬同上作用在軸上力的計(jì)算：3.5手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利于機(jī)器人的控制。2.機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)與尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。3.為保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度與剛度的條件下，盡可能從結(jié)構(gòu)與材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常采用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。4.機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙應(yīng)盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)5.機(jī)器人的手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對(duì)減小電機(jī)負(fù)荷和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是有益的。6.機(jī)器人手臂在機(jī)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開(kāi)關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及內(nèi)部電纜等的安裝。3.5.2小臂的結(jié)構(gòu)確定機(jī)器人是手臂結(jié)構(gòu)采用電機(jī)和執(zhí)行器的分端布置，這樣使小臂達(dá)到重量的平衡。如圖(3-17)圖3-17小臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3.5.3電機(jī)的選擇(1)當(dāng)載荷的軸線和小臂的軸線同軸時(shí)：載荷對(duì)Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz=27.08Kgm2,(2)當(dāng)載荷的軸線和小臂的軸線垂直時(shí)：載荷對(duì)Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz?=27.75Kgm2(3)小臂自身對(duì)Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：小臂繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：選擇較大的載荷計(jì)算值對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算：所以總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是：J=J?+J.=27.75+18.8=46.55Kgm1已知參量：平均加速時(shí)間：],-v…旋轉(zhuǎn)角速度：w=110°/s=1.92ad/s對(duì)軸進(jìn)行受力分析得：選擇軸承為深溝球軸承，軸承直徑初選D=180mm其受力圖如下：圖(3-18)圖3-18小臂繞Z軸旋轉(zhuǎn)軸的受力分析根據(jù)軸的受力平衡的原則得：所以小臂的摩擦力矩是：由公式(3-7)得：總的驅(qū)動(dòng)力矩為：由公式(3-6)得：選取電機(jī)的型號(hào)為：130SYX,額定功率為P,=1.5Kw,額定轉(zhuǎn)速n=3000r/min由于在減速器的前一級(jí)經(jīng)過(guò)同步帶的減速，且同步帶的傳動(dòng)比為：u=2,故輸入減速器的轉(zhuǎn)速為n=1500r/min。由輸出軸的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)速比為u=80,2.小臂擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇對(duì)小臂采用重力平衡機(jī)構(gòu)，初步估算小臂加載荷的重量為1000Kg,小臂的取小臂的長(zhǎng)度：L=2000mm(因?yàn)椴捎昧酥亓ζ胶鈾C(jī)構(gòu)，軸只有一個(gè)，N,=G=10000N,D=260mm所以摩擦力矩為：手臂擺動(dòng)的速度：w=102°/s=1.78ad/s初選電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：n=1500r/min,取標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)比u=100,小臂的慣性力矩為：其中：J,為慣性矩，其計(jì)算公式如下：因此，實(shí)際小臂因此，此軸的慣性力矩為：所以小臂需要的總的驅(qū)動(dòng)力矩為：由公式(3-39)得：選取電機(jī)的型號(hào)為：176SYX,額定功率為Pa=2.4Kw,額定轉(zhuǎn)速n=1500r/min,額定轉(zhuǎn)矩W=16Nm。由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和工作傳遞力矩的需要，選擇減速器的類(lèi)型為杯型減速器，其型號(hào)為XB-160-100B,傳動(dòng)比為：u=100,額定輸出轉(zhuǎn)矩W=1000Nm,轉(zhuǎn)速很高，在各種型號(hào)的聯(lián)軸器中，膜片聯(lián)軸器易平衡，且易保持平衡精度，不需潤(rùn)滑，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，且具有較好的補(bǔ)償兩軸相對(duì)位移的性能，徑向載荷能力大，可在很高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，但扭轉(zhuǎn)剛度大，緩沖減振效果差，通常使用于高速傳動(dòng)及伺服傳動(dòng)膜片聯(lián)軸器采用一種厚度很薄的彈簧片，制成各種形狀，用螺栓分別與主從動(dòng)軸上兩半聯(lián)軸器聯(lián)接，其中彈性元件為若干多邊形的膜片，在膜片的圓周上有若干螺栓孔。為防止膜片在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)發(fā)生的微動(dòng)磨損，導(dǎo)致膜片螺栓孔出現(xiàn)微裂紋而損壞，可在膜片之間涂上二硫化鉬等固體潤(rùn)滑劑，或?qū)δて砻孢M(jìn)行減磨涂層處理。因?yàn)橥綆У膫鲃?dòng)比u=2,且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)帶輪直徑的尺寸系列，所以大同步帶輪的尺寸d?=133.4mm因此，實(shí)際傳動(dòng)比：u=2.18帶長(zhǎng)：由公式(3-34)得：作用在軸上的力：帶速：所以同步帶的帶寬是：其中k,=1由于第二同步帶的驅(qū)動(dòng)電機(jī)相對(duì)中心軸的位置和第一同步帶的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置象同，即兩軸對(duì)中心軸的距離相同。又因他所傳遞的力矩略小于第一同步帶，此第二同步帶采用第一同步帶的寬度，其強(qiáng)度是可以保證的。1.小臂1軸的強(qiáng)度校核軸原始尺寸的確定：軸徑初選d=20mm,長(zhǎng)度為L(zhǎng)=1350mm,材料選擇45鋼作用在軸上的力：錐齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生的作用在軸上的軸向力F.,由安裝在錐齒輪一端的滾動(dòng)軸承所承受，因此，軸的受力僅為扭矩和在重力。如圖：圖圖3-19小臂第一傳動(dòng)軸的受力簡(jiǎn)圖由受力分析得：對(duì)軸主要進(jìn)行扭曲應(yīng)力和彎曲變形的校和。已知：軸所傳遞的扭矩T=1.54Nm軸的最大切應(yīng)力：(3-42)實(shí)心軸的抗扭截面系數(shù)：所以軸的最大切應(yīng)力為：45鋼材料的許用應(yīng)力：[r]=40MPar…≤[r]計(jì)算應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值，所以軸的抗扭強(qiáng)度是可靠的。單位長(zhǎng)度上的扭轉(zhuǎn)角：[]-1.5m由公式：所以軸的扭曲變形在允許的范圍內(nèi)是合格的。估算軸的重力：(3-45)重力在軸上的平均作用力為：平均作用力下的軸的最大撓度：鋼材的彈性模量：E=210MPa所以，軸的最大撓度為：由公式(3-36)得：計(jì)算得，小臂軸1的撓度非常小，以至可以忽略不考慮，因此重力作用下的彎曲變形在允許的情況下是安全。長(zhǎng)度設(shè)定為L(zhǎng)=1200mm,其受力和上一軸相似。對(duì)其進(jìn)行受力分析：如圖：圖(3-20)圖3-20小臂2軸的受力分析其所傳遞的力矩為：T=1.65Nm最大切應(yīng)力：空心軸的抗扭截面系數(shù)：(3-47)由公式(3-47):軸的最大切應(yīng)力為：安全的?？古偠葹椋篏r,其中空心軸：軸在單位長(zhǎng)度上的扭轉(zhuǎn)角為：[0]=1.5°/s最大扭轉(zhuǎn)角為：所以軸的切應(yīng)力強(qiáng)度是軸的初始直徑D大于計(jì)算直徑9.7mm,所以軸的變形在允許的范圍內(nèi)是安全的?？招妮S所承受的重力：軸上的平均作用力為：在重力作用下的軸的最大撓度為：最大撓度是：軸在重力作用下的撓度很小，一致可以忽略不記，因此軸在重力作用下的彎曲變形是不影響其工作的。此軸不僅承受傳遞扭矩的作用，同時(shí)也對(duì)其它兩個(gè)軸提供支撐，因此對(duì)它的校核需要從強(qiáng)度方面進(jìn)行計(jì)算：初設(shè)軸的內(nèi)外徑分別為：d=160mm,D=180mm其所傳遞的扭矩為：T=249.76Nm對(duì)其進(jìn)行受力分析得：如圖(3-21)NlN2其力矩和彎矩圖如下：圖(3-22)圖3-22小臂3軸的彎矩圖按照第三強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算得：因，材料的最大應(yīng)力值為60Mpa,其值大于計(jì)算值，所以軸的強(qiáng)度在交變應(yīng)力的作用下是安全的。1.彎曲變形計(jì)算小臂幾何尺寸的規(guī)范話：取小臂較長(zhǎng)的一端進(jìn)行校核，初始取其長(zhǎng)度為：假設(shè)質(zhì)心的位置在距回轉(zhuǎn)軸1000mm處。小臂可簡(jiǎn)化為一懸臂梁切載荷分布均勻。其平均載荷為：在重力作用下的最大撓度為：設(shè)小臂在支點(diǎn)處的截面為空心矩形，壁厚取H=15mm,截面的高b=250mm,所以：所以在重力作用下的懸臂梁的最大撓度為：由于撓度在零點(diǎn)幾毫米級(jí)的范圍內(nèi)，其變形不影響小臂的工作精度，所以在重力作用下的小臂是精確的。2.小臂切應(yīng)力的計(jì)算小臂的截面積為：A=(0.25×0.24-0.235×0.225)=0.00所以在重力作用下的最大切應(yīng)力為：最大切應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用切應(yīng)力，所以軸的剪切強(qiáng)度是安全的。3.小臂彎曲應(yīng)力的計(jì)算由最大彎曲應(yīng)力公式得：(3-50)材料的許用彎曲應(yīng)力為：[o]=60Mpa計(jì)算彎曲應(yīng)力小于許用應(yīng)力值，所以小臂在滿載荷的情況下是安全的。3.6.1大臂的結(jié)構(gòu)確定考慮到裝配的需要和重量的要求，大臂加工成兩個(gè)分割的部分，中間用隔板連接，大臂的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)定為：如圖：圖(3-23)大臂的材料選擇高強(qiáng)度鋁圖3-23大臂的結(jié)構(gòu)3.6.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇初始條件設(shè)定，大臂的長(zhǎng)度定為：L=1000mm,與基座連接軸承D=360mm經(jīng)計(jì)算大臂的質(zhì)量為：m=70.8Kg總的驅(qū)動(dòng)力矩：M=M+M作用在軸承上的總的作用力N:N=G,+G?=10000+708=10708N所以摩擦力矩為：由平移軸定理得：小臂對(duì)大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J,=J,+md2=47.59+1000=104大臂自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：所以機(jī)器人手臂對(duì)機(jī)座總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J=J,+J,=1047.59+23.6=1071.2Kgm2初定大臂的擺動(dòng)速度為：w=80*1s=1.4rad/s平均啟動(dòng)時(shí)間：At=1s所以大臂的慣性力矩為：大臂總的驅(qū)動(dòng)力矩為：M,=M+M,=38.54+1499.6電機(jī)的選擇：選取電機(jī)的型號(hào)為：176SYX,額定功率為P=7.5Kw,額定轉(zhuǎn)速n=1500/min,額定轉(zhuǎn)矩W=48.8Nm由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和工作傳遞力矩的需要，選擇減速器的類(lèi)型為杯型減速器，其型號(hào)為XB-200-200B,傳動(dòng)比為：u=200,額定輸出轉(zhuǎn)矩W=2000Nm,3.6.3平衡汽缸的選擇大臂上裝有氣缸平衡機(jī)構(gòu)，使驅(qū)動(dòng)力矩減小，氣缸平衡裝置產(chǎn)生與大臂轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的平衡力矩，從而使大臂關(guān)節(jié)得以平衡。大臂平衡氣缸的選擇計(jì)算：其原理如圖：圖(3-24)圖3-24大臂平衡汽缸的工作原理圖平衡力矩按下式計(jì)算：其中：c,——臂的靜不平衡力矩c,——臂的慣性力矩當(dāng)這時(shí)平衡條件為Fe-mgl由公式(3-52)所以：2、動(dòng)平衡條件：c1=C?+C:由上計(jì)算所得：在靜平衡條件下所需的氣缸支持力最大，所以以靜平衡條件下的作用力作為選擇氣缸的條件，氣缸選擇SG1系列，氣缸內(nèi)徑D=80mm,工作壓強(qiáng)為P=16Mpa,工作行程在3.7工業(yè)機(jī)器人底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.7.1底座的結(jié)構(gòu)確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分全部安裝在腰部上，它承受了機(jī)器人的全部重量。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的腰部結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意以下原則：1、腰座要有足夠的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。2、腰座要承受機(jī)器人的全部重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。3、機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對(duì)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度的保證。4、為保證機(jī)器人的外部電纜不隨機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而擺動(dòng)，所以，機(jī)器人的外部電纜都是安裝在不運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人基座上，并通過(guò)機(jī)器人腰部傳到機(jī)器人的各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)。因此，機(jī)器人的基座與腰部結(jié)構(gòu)要便于電纜的通過(guò)，并要解決固定端與運(yùn)動(dòng)端的連接問(wèn)題。5、腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括驅(qū)動(dòng)器及減速器。驅(qū)動(dòng)器一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動(dòng)閘。6、腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的連接要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來(lái)調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動(dòng)間隙。7、為了減輕機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分的殼體是由比較小的鋁合金材料制成的，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成的。腰部的支撐結(jié)構(gòu)：腰部回轉(zhuǎn)由一級(jí)齒輪傳動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)組成。在結(jié)構(gòu)布置上，電機(jī)、諧波減速器和小齒輪均固定在腰部座上，隨腰座一起回轉(zhuǎn)；而大齒輪固定在機(jī)座上。這樣的布局對(duì)裝修、潤(rùn)滑方便，但增加了腰部回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。采用了環(huán)形軸承，該軸承精度高、剛度大、負(fù)荷力大、裝配方便，可以承受徑向力，軸向力及傾覆力矩，許多機(jī)器人都采用了這種支撐方式，但環(huán)形軸承的價(jià)格較高。腰部電纜的