工业机器人毕业设计

1、 - 68 -摘要机器人技术是综合了许多学科的知识，例如计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当今研究领域十分重视的课题，机器人在很多领域都得到广泛应用。本毕业设计概述述了工业机器器人的分类、历历史以及发展展趋势。重在在设计研制国国产搬运机器器人的主臂运运动机构，该该工业机器人人由腰部和大大小臂组成，腰腰部和肩部形形成肩关节，大大臂和小臂间间形成肘关节节，使大臂做做回转运动和和仰俯运动，小小臂做回转运运动和仰俯摆摆动。本文主主要阐述了如如何设计机器器人腰部、肩肩部以及肘部部这三个主要要关节，每一一个关节选择择合适的驱动动方式、传动动方式，通过过合适

2、的减速速装置最终达达到所要求的的转速。设计计具体包括机机器人关节类类型确定，谐谐波减速器的的基本结构、工工作原理、主主要特性介绍绍与选用以及及其减速比的的确定，各关关节伺服电机机的选择计算算以及重要部部件的具体设设计及其校核核，如齿轮的的设计及校核核，轴的设计计及校核，轴轴承的选用及及校核。关键词：工业机机器人；搬运运；机器人关关节；谐波减减速器AbstracctRoboticc techhnologgy is comprrehenssive kknowleedge oof thee manyy subjjects, suchh as ccomputter, ccybernneticss, o

3、rgganizaation learnning, inforrmatioon andd senssing ttechnoology, artiificiaal inttelliggence, bionnics ssciencce andd the formaation of hiigh teechnollogy aand neew tecchnoloogy, iit is curreent reesearcch fieeld atttach to thhe subbject in maany fiields, roboot useed widdely. The graaduatiion dee

4、sign summaarizess the classsificaation of inndustrrial rrobot, histtory aand itts devvelopmment ttrend. Desiign annd devvelop domesstic hhandliing roobots on thhe maiin armm moveement mechaanism, the indusstriall roboot commposedd by tthe waaist aand biig forrearm, the waistt and shoullder sshouldde

5、r, aarm foormed formeed bettween and fforearrm, arrm elbbow tuurn moovemennt andd Yangg pronne to do exxercisse, foorearmm rotaation movemment aand prrone tto do up swwinginng. Thhis paaper mmainlyy expoounds how tto dessign tthe roobot wwaist, shouulder and eelbow the tthree main jointts, evvery jj

6、oint choosse apppropriiate ddrive mode, trannsmisssion mmode, throuugh appproprriate decelleratiion deevice finallly too reacch thee requuired speedd. Dessign sspeciffic inncludee roboot joiints ttype, the hharmonnic geear reeducerr to ddetermmine tthe baasic sstructture, workiing prrincipple, mmain

7、 ccharaccterisstic iintrodductioon andd seleectionn and deterrminattion oof sloowing, eachh joinnt thaan serrvo mootor sselecttion aand caalculaation, and the sspeciffic deesign and aan impportannt parrt of gear checkk, succh as desiggn andd checck thee desiign annd cheeck, sshaft, bearring cchoosee

8、 and checkking. Keywordds： induustriaal robbot；Handlling；Robott joinnts；Harmoonic ggear rreduceer目录 HYPERLINK l _Toc292809292 摘要 PAGEREF _Toc292809292 h I HYPERLINK l _Toc292809293 Abstracct PAGEREF _Toc292809293 h II HYPERLINK l _Toc292809294 第1章 绪论论 PAGEREF _Toc292809294 h 1 HYPERLINK l _Toc292809

9、295 1.1工业机器器人概述 PAGEREF _Toc292809295 h 1 HYPERLINK l _Toc292809296 1.2工业机器器人驱动方式式 PAGEREF _Toc292809296 h 1 HYPERLINK l _Toc292809297 1.3工业机器器人的分类 PAGEREF _Toc2928092977 h 2 HYPERLINK l _Toc292809298 1.4工业机器器人的历史 PAGEREF _Toc292809298 h 3 HYPERLINK l _Toc292809299 1.5工业机器器人的发展趋趋势 PAGEREF _Toc292809

10、299 h 3 HYPERLINK l _Toc292809300 第2章 工业业机器人机构构设计 PAGEREF _Toc292809300 h 4 HYPERLINK l _Toc292809301 2.1工业机器器人的设计内内容及要求 PAGEREF _Toc292809301 h 4 HYPERLINK l _Toc292809302 2.2工业机器器人的总体设设计 PAGEREF _Toc292809302 h 4 HYPERLINK l _Toc292809303 2.3工业机器器人的驱动方方式选择 PAGEREF _Toc292809303 h 6 HYPERLINK l _To

11、cc2928009304 2.4谐波波减速器介绍绍 PAGEREF _Toc292809304 h 8 HYPERLINK l _Toc292809305 2.4.1谐波波减速器简介介 PAGEREF _Toc292809305 h 8 HYPERLINK l _Toc292809306 2.4.2谐波波减速器基本本结构 PAGEREF _Toc292809306 h 9 HYPERLINK l _Toc292809307 2.4.3谐波波减速器工作作原理 PAGEREF _Toc292809307 h 9 HYPERLINK l _Toc292809308 2.4.4谐波波减速器的主主要特性

12、 PAGEREF _Toc292809308 h 11 HYPERLINK l _Toc292809309 2.4.5谐波波减速器的减减速比 PAGEREF _Toc292809309 h 11 HYPERLINK l _Toc292809310 2.5机器人材材料的选择 PAGEREF _Toc292809310 h 12 HYPERLINK l _Toc292809311 2.5.1材料料选择的基本本要求 PAGEREF _Toc292809311 h 12 HYPERLINK l _Toc292809312 2.5.2结构构材料介绍 PAGEREF _Toc292809312 h 13

13、HYPERLINK l _Toc292809313 第3章 机器器人腰部关节节的设计 PAGEREF _Tocc2928009313 h 15 HYPERLINK l _Toc292809314 3.1机器人传传动机构分析析 PAGEREF _Toc292809314 h 15 HYPERLINK l _Toc292809315 3.2机器人腰腰部传动方案案选择 PAGEREF _Toc292809315 h 15 HYPERLINK l _Toc292809316 3.3腰部交流流伺服电机的的选择 PAGEREF _Toc292809316 hh 18 HYPERLINK l _Toc292

14、809317 3.3.1机器器人材料选用用和质量估算算 PAGEREF _Toc292809317 h 18 HYPERLINK l _Toc292809318 3.3.2工业业机器人整体体受力分析 PAGEREF _Toc292809318 h 18 HYPERLINK l _Toc292809320 3.3.3腰部部交流伺服电电机的选择计计算 PAGEREF _Toc292809320 h 19 HYPERLINK l _Toc292809321 3.4腰部谐波波减速器的选选择 PAGEREF _Toc292809321 h 21 HYPERLINK l _Toc292809322 3.4

15、.1德国国Harmoonic 谐谐波减速器的的特点 PAGEREF _Toc292809322 h 21 HYPERLINK l _Toc292809323 3.4.2腰部部谐波减速器器的选择计算算 PAGEREF _Toc292809323 h 23 HYPERLINK l _Toc292809324 3.4.3选用用谐波减速器器具体尺寸的的确定 PAGEREF _Toc292809324 h 25 HYPERLINK l _Toc292809325 3.4.4选用用谐波减速器器性能参数确确定 PAGEREF _Toc292809325 h 27 HYPERLINK l _Toc292809

16、326 3.4.5所选选谐波减速器器传递效率 PAGEREF _Toc292809326 h 28 HYPERLINK l _Toc292809328 3.5选用谐波波减速器输出出轴承的确定定 PAGEREF _Toc292809328 h 28 HYPERLINK l _Toc292809329 3.5.1输出出轴承参数 PAGEREF _Toc292809329 h 29 HYPERLINK l _Toc292809330 3.5.2输出出轴承公差选选择 PAGEREF _Toc292809330 h 29 HYPERLINK l _Toc292809332 3.5.3推荐荐装配公差 PA

17、GEREF _Toc292809332 h 30 HYPERLINK l _Toc292809333 3.6齿轮的设设计与校核 PAGEREF _Toc292809333 h 32 HYPERLINK l _Toc292809334 3.7轴的设计计与校核 PAGEREF _Toc292809334 h 39 HYPERLINK l _Toc29228093335 3.7.11轴的设计分分析 PAGEREF _Toc292809335 h 39 HYPERLINK l _Toc292809336 3.7.2初步步计算轴的直直径 PAGEREF _Toc292809336 h 39 HYPERL

18、INK l _Toc292809337 3.7.3按弯弯扭合成强度度计算 PAGEREF _Toc292809337 h 40 HYPERLINK l _Toc292809338 3.8轴承的设设计和校核 PAGEREF _Toc292809338 h 43 HYPERLINK l _Toc292809339 第4章 机器器人肩部关节节的设计 PAGEREF _Toc292809339 h 44 HYPERLINK l _Toc292809340 4.1机器人肩肩部关节的设设计分析 PAGEREF _Toc292809340 h 44 HYPERLINK l _Toc292809341 4.2

19、肩部传动动机构的设计计 PAGEREF _Toc292809341 h 44 HYPERLINK l _Toc292809342 4.3肩部关节节伺服电机的的选择 PAGEREF _Toc292809342 h 44 HYPERLINK l _Toc292809343 4.4肩部关节节谐波减速器器的选择 PAGEREF _Toc292809343 h 44 HYPERLINK l _Toc292809344 第5章 机器器人肘部关节节的设计 PAGEREF _Toc292809344 h 46 HYPERLINK l _Toc292809345 5.1机器人肘肘部关节设计计分析 PAGEREF

20、 _Toc292809345 h 46 HYPERLINK l _Toc292809346 5.2肘部传动动机构的设计计 PAGEREF _Toc292809346 h 46 HYPERLINK l _Toc292809347 5.3肘部关节节伺服电机的的选择 PAGEREF _Toc2928099347 h 46 HYPERLINK l _Toc292809348 5.4肘部关节节谐波减速器器的选择 PAGEREF _Toc292809348 h 46 HYPERLINK l _Toc292809349 参考文献 PAGEREF _Toc292809349 h 488 HYPERLINK l

21、 _Toc292809350 结束语 PAGEREF _Toc292809350 h 49 HYPERLINK l _TToc29228093551 致谢 PAGEREF _Toc292809351 h 50 HYPERLINK l _Toc292809352 附录 PAGEREF _Toc292809352 h 51第1章 绪论1.1工业机器器人概述机器人是一种具具有人体上肢肢的部分功能能，工作程序序固定的自动动化装置。机机器人具有结结构简单、成成本低廉、维维修容易的优优势，但功能能较少，适应应性较差。目目前我国常把把具有上述特特点的机器人人称为专用机机器人，而把把工业机械人人称为通用机机器

22、人。简而而言之，机器器人就是用机机器代替人手手，把工件由由某个地方移移向指定的工工作位置，或或按照工作要要求以操纵工工件进行加工工。工业机器人，一一般指的是在在工厂车间环环境中，配合合自动化生产产的需要，代代替人来完成成材料或零件件的搬运、加加工、装配等等操作的一种种机器人。国国际标准化组组织(ISOO)在对工业业机器人所下下的定义是“机器人是一一种自动的、位位置可控的、具具有编程能力力的多功能机机械手，这种种机械手具有有几个轴，能能借助于可编编程序操作来来处理各种材材料、零件、工工具和专用设设备，以执行行种种任务”。1.2工业机器器人驱动方式式 （1）气动动式工业机器器人 这类工业机器人人以

23、压缩空气气来驱动操作作机，其优点点是空气来源源方便，动作作迅速，结构构简单造价低低，无污染，缺缺点是空气具具有可压缩性性，导致工作作速度的稳定定性较差，又又因气源压力力一般只有66kPa左右右，所以这类类工业机器人人抓举力较小小，一般只有有几十牛顿，最最大百余牛顿顿。 （2）液压压式工业机器器人 液压压力比气压压压力高得多多，一般为770kPa左左右，故液压压传动工业机机器人具有较较大的抓举能能力，可达上上千牛顿。这这类工业机器器人结构紧凑凑，传动平稳稳，动作灵敏敏，但对密封封要求较高，且且不宜在高温温或低温环境境下工作。 （3）电动动式工业机器器人 这是目前用得最最多的一类工工业机器人，不不

24、仅因为电动动机品种众多多，为工业机机器人设计提提供了多种选选择，也因为为它们可以运运用多种灵活活控制的方法法。早期多采采用步进电机机驱动，后来来发展了直流流伺服驱动单单元，目前交交流伺服驱动动单元也在迅迅速发展。这这些驱动单元元或是直接驱驱动操作机，或或是通过诸如如谐波减速器器的装置来减减速后驱动，结结构十分紧凑凑、简单。1.3工业机器器人的分类工业机器人按操操作机坐标形形式分以下几几类（坐标形形式是指操作作机的手臂在在运动时所取取的参考坐标标系的形式）： （1）直角角坐标型工业业机器人其运动部分由三三个相互垂直直的直线移动动（即PPPP）组成，其其工作空间图图形为长方形形。它在各个个轴向的移

25、动动距离，可在在各个坐标轴轴上直接读出出，直观性强强，易于位置置和姿态的编编程计算，定定位精度高，控控制无耦合，结结构简单，但但机体所占空空间体积大，动动作范围小，灵灵活性差，难难与其他工业业机器人协调调工作。 （2）圆柱柱坐标型工业业机器人其运动形式是通通过一个转动动和两个移动动组成的运动动系统来实现现的，其工作作空间图形为为圆柱，与直直角坐标型工工业机器人相相比，在相同同的工作空间间条件下，机机体所占体积积小，而运动动范围大，其其位置精度仅仅次于直角坐坐标型机器人人，难与其它它工业机器人人协调工作。 （3）球坐坐标型工业机机器人又称极坐标型工工业机器人，其其手臂的运动动由两个转动动和一个直

26、线线移动（即RRRP,一个个回转，一个个俯仰和一个个伸缩运动）所所组成，其工工作空间为一一球体，它可可以作上下俯俯仰动作并能能抓取地面上上或较低位置置的协调工件件，其位置精精度高，位置置误差与臂长长成正比。 （4）多关关节型工业机机器人又称回转坐标型型工业机器人人，这种工业业机器人的手手臂与人体上上肢类似，其其前三个关节节是回转副（即即RRR），该该工业机器人人一般由立柱柱和大小臂组组成，立柱与与大臂形成肩肩关节，大臂臂和小臂间形形成肘关节，可可使大臂做回回转运动和俯俯仰摆动，小小臂做仰俯摆摆动。其结构构最紧凑，灵灵活性大，占占地面积最小小，能与其他他工业机器人人协调工作，但但位置精度较较低，

27、有平衡衡问题，控制制耦合，这种种工业机器人人应用越来越越广泛。 （5）平面面关节型工业业机器人它采用一个移动动关节和两个个回转关节（即即PRR），移移动关节实现现上下运动，而而两个回转关关节则控制前前后、左右运运动。这种形形式的工业机机器人又称SSCARA(Selecctive Complliancee Asseembly Robott Arm)装配机器人人。在水平方方向则具有柔柔顺性，而在在垂直方向则则有较大的刚刚性。它结构构简单，动作作灵活，多用用于装配作业业中，特别适适合小规格零零件的插接装装配，如在电电子工业的插插接、装配中中应用广泛。1.4工业机器器人的历史工业机器人的发发展通常可以

28、以划分为三代代：第一代工业机器器人就是目前前工业中大量量使用的示教教再现型工业业机器人，它它主要由手部部、臂部、驱驱动系统和控控制系统组成成。它的控制制方式比较简简单，应用在在线编程，即即通过示教存存贮信息，工工作时读出这这些信息，向向执行机构发发出指令，执执行机构按指指令再现示教教的操作。第二代机器人是是带感觉的机机器人。它具具有寻力觉、触触觉、视觉等等进行反馈的的能力。其控控制方式较第第一代工业机机器人要复杂杂得多，这种种机器人从11980年开开始进入了实实用阶段，不不久即将普及及应用。第三代工业机器器人即智能机机器人。这种种机器人除了了具有触觉、视视觉等功能外外，还能够根根据人给出的的指

29、令认识自自身和周围的的环境，识别别对象的有无无及其状态，再再根据这一识识别自动选择择程序进行操操作，完成规规定的任务。并并且能跟踪工工作对象的变变化，具有适适应工作环境境的功能。这这种机器人还还处于研制阶阶段，尚未大大量投入工业业应用。1.5工业机器器人的发展趋趋势随着现代化生产产技术的提高高，机器人设设计生产能力力进一步得到到加强，尤其其当机器人的的生产与柔性性化制造系统统和柔性制造造单元相结合合，从而改变变目前机械制制造的人工操操作状态，提提高了生产效效率。 就目前前来看，总的的来说现代工工业机器人有有以下几个发发展趋势： a)提提高运动速度度和运动精度度，减少重量量和占用空间间，加速机器

30、器人功能部件件的标准化和和模块化，将将机器人的各各个机械模块块、控制模块块、检测模块块组成结构不不同的机器人人； b)开开发各种新型型结构用于不不同类型的场场合，如开发发微动机构用用以保证精度度；开发多关关节多自由度度的手臂和手手指；开发各各类行走机器器人，以适应应不同的场合合；c)研制各类传传感器及检测测元器件，如如，触觉、视视觉、听觉、味味觉、和测距距传感器等，用用传感器获得得工作对象周周围的外界环环境信息、位位置信息、状状态信息以完完成模式识别别、状态检测测。并采用专专家系统进行行问题求解、动动作规划，同同时，越来越越多的系统采采用微机进行行控制。第2章 工业机机器人机构设设计2.1工业

31、机器器人的设计内内容及要求工业机器人在机机械制造领域域广泛应用，机机器人运动机机构和机器人人控制是机器器人的核心技技术。本毕业业设计旨在设设计研制搬运运机器人的主主臂运动机构构。腕部最大大负荷为600N。主要研究内容有有： （1）各关关节轴以交流流伺服电机驱驱动，要求机机械传动机构构简单、体积积小、结构紧紧凑，减速比比大（1000：1）。 （2）机器器人主要运动动关节的运动动学计算和功功率、扭矩计计算。 （3）完成成机械传动方方案设计和机机械结构设计计，要求绘制制机器人整体体布局外观图图和两个关节节（腰关节和和肩关节）的的结构装配图图。要求绘图图量达到A00三张。2.2工业机器器人的总体设设计

32、机器人主臂机构构设计主要包包括机械本体体、伺服电机机、减速器等等机构的设计计，为了实现现机械传动机机构简单、体体积小、结构构紧凑，减速速比大（1000:1）等等要求，整个个机器人的结结构大致分成成腰部关节、肩肩部关节、肘肘部关节、大大臂与小臂。各各关节之间均均采用转动关关节，采用伺伺服电机驱动动，以实现精精密控制。为为实现大传动动比，采用谐谐波减速器传传动，不仅实实现大的传动动比，而且是是结构更紧凑凑。查找133fanuuc robbot M-6iB机器器人相关资料料，获得以下下设计资料和和参数： （1）机器器人结构图见见图2.1图2.1 工工业机器人结结构图 （2）机器器人工作范围围见图2.

33、22图2.2 机机器人工作范范围示意图 （3）机器器人主要设计计参数轴数：6负载：60工作半径：13373可重复定位精度度：0.088机器人质量：1138各轴转动范围： 各轴转动速速率： () () () () () ()驱动方式：ACC交流伺服电电机驱动安装方式：地装装、吊顶（挂挂壁、斜角）动作类型：垂直直多关节型驱动电机：伺服服电机2.3工业机器器人的驱动方方式选择现代工业机器人人只有三种驱驱动方式：气气动驱动、液液压驱动和电电机驱动。它它们的不同特特点及适用范范围如表2.1所示。表2.1 各各种驱动系统统的特点及适适用范围机器人驱动系统统各有其优缺缺点，通常对对机器人的驱驱动系统的要要求

34、有： （1）驱动动系统的质量量尽可能要轻轻，单位质量量的输出功率率要高，效率率也要高； （2）反应应速度要快，即即要求力矩质质量比和力矩矩转动惯量比比要大，能够够进行频繁地地起动、制动，正、反转转切换； （3）驱动动尽可能灵活活，位移偏差差和速度偏差差要小； （4）安全全可靠； （5）操作作和维护方便便； （6）对环环境无污染，噪噪声要小； （7）经济济上合理，尤尤其要尽量减减少占地面积积。 根据毕毕业设计任务务书要求：设计计关节机器人人主臂运动机机构，腕部最最大负荷为660N，机械械传动机构简简单、体积小小、结构紧凑凑，减速比大大（100：1）等，基基于上述驱动动系统的特点点和机器人驱驱动系

35、统的毕毕业设计要求求，本文选用用交流伺服电电机驱动的方方式对机器人人进行驱动。选用电机驱动，则需设计减速器。整个机器人的结结构大致分成成腰部关节、肩肩部关节、肘肘部关节、大大臂与小臂。各各关节之间均均采用转动关关节，采用伺伺服电机驱动动，以实现精精密控制。为为实现大传动动比，采用谐谐波减速器传传动，不仅实实现大的传动动比，而且是是结构更紧凑凑。2.4谐波减速速器介绍2.4.1谐波波减速器简介介谐波齿轮减速器器是利用行星星齿轮传动原原理发展起来来的一种新型型减速器。谐谐波齿轮传动动（简称谐波波传动），它它是依靠柔性性零件产生弹弹性机械波来来传递动力和和运动的一种种行星齿轮传传动。主要包包括刚轮、

36、柔柔轮、和波发发生器组成。由于波发生器的的连续转动，迫迫使柔轮上的的一点不断的的改变位置，这这时在柔轮的的节圆的任一一点，随着波波发生器角位位移的过程，形形成一个上下下左右相对称称的和谐波，故故称之为：“谐波”。谐波减速器实体体图见图2.3 图2.3 谐谐波减速器实实体图2.4.2谐波波减速器基本本结构谐波减速器主要要由三个基本本构件组成： （1）带有有内齿圈的刚刚性齿轮（刚刚轮），带有有齿轮的刚性性齿环，通常常与柔轮相差差2齿，它相相当于行星系系中的中心轮轮； （2）带有有外齿圈的柔柔性齿轮（柔柔轮），他是是一个孔径略略小于波发生生器长轴的薄薄壁柔性齿轮轮，在波发生生器的作用下下，可以产生生

37、弹性变形，它相当于行星齿轮； （3）波发发生器H，具具有长短轴通通常它的转动动迫使柔轮按按一定的变形形规律产生弹弹性变形，它它相当于行星星架。作为减速器使用用，通常采用用波发生器主主动、刚轮固固定、柔轮输输出形式。谐波减速器内部部结构示意图图见图2.44图2.4 谐谐波减速器内内部结构图2.4.3谐波波减速器工作作原理当波发生器为主主动时，凸轮轮在柔轮内转转动，就使柔柔轮及薄壁轴轴承发生变形形（可控的弹弹性变形），这这时柔轮的齿齿就在变形的的过程中进入入（啮合）或或退出（啮离离）刚轮的齿齿间，在波发发生器的长轴轴处处于完全全啮合，而短短轴方向的齿齿就处在完全全的脱开。波波发生器通常常成椭圆形的

38、的凸轮，将凸凸轮装入薄壁壁轴承内，再再将它们装入入柔轮内。此此时柔轮由原原来的圆形而而变成椭圆形形，椭圆长轴轴两端的柔轮轮与之配合的的刚轮齿则处处于完全啮合合状态，即柔柔轮的外齿与与刚轮的内齿齿沿齿高啮合合。这是啮合合区，一般有有30%左右右的齿处在啮啮合状态；椭椭圆短轴两端端的柔轮齿与与刚轮齿处于于完全脱开状状态，简称脱脱开；在波发发生器长轴和和短轴之间的的柔轮齿，沿沿柔轮周长的的不同区段内内，有的逐渐渐退出刚轮齿齿间，处在半半脱开状态，称称之为啮出。 波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入啮合啮出脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来

39、的啮合状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。 对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动1/8周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4齿；同理，波发生器再转动1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。柔轮齿和刚轮齿齿在节圆处啮啮合过程就如如同两个纯滚滚动（无滑动动）的圆环一一样，两者在在任何瞬间，在在节圆上转过过的弧长必须须相等。由于于柔轮

40、比刚轮轮在节圆周长长上少了两个个齿距，所以以柔轮在啮合合过程中，就就必须相对刚刚轮转过两个个齿距的角位位移，这个角角位移正是减减速器输出轴轴的转动，从从而实现了减减速的目的。谐波传动的工作作原理图见图图2.5；谐谐波减速器工工作过程示例例图见图2.6 图2.5 谐波传动的的工作原理图2.6 谐谐波减速器工工作过程示例例2.4.4谐波波减速器的主主要特性 （1）传动动比大：单级级传动比可达达50320。 （2）侧隙隙小：由于其其传动原理不不同于一般齿齿轮传动，侧侧隙很小，甚甚至可以实现现无侧隙传动动。 （3）精度度高：同时啮啮合齿数可达达总齿数的220%左右，并并在相差1880度的两个个对称方向

41、上上同时啮合，因因此误差被均均匀化，达到到高运动精度度。 （4）零件件数少、安装装方便：仅有有三个基本部部件，且输入入与输出轴为为同轴线，因因此结构简单单、安装方便便。 （5）体积积小、重量轻轻：与一般减减速器比较，输输出力矩相同同时，通常体体积可以减小小2/3，重重量可减小11/2。 （6）承载载能力大：因因为同时啮合合齿数多，柔柔轮又采用特特殊材料钢材材，从而获得得了高的承载载能力。 （7）效率率高：在齿的的啮合部分滑滑移量极小，摩摩擦损失少。即即使在高速比比情况下，仍仍能维持高效效率。 （8）运动动平稳：周向向速度低，有有实现了李德德平衡，故噪噪声低、振动动小。 （9）可向向密闭空间传传

42、递运动：利利用其柔性的的特点、可向向密闭空间传传递运动。这这一点是其他他任何机械无无法实现的。2.4.5谐波波减速器的减减速比当波发生器回转转时，它迫使使柔轮的齿顺顺序的与刚轮轮的齿啮合，当当波发生器顺顺转一周时，柔柔轮倒转个齿齿，亦即反转转了周，因此此波发生器和和柔轮的传动动比为: 式中：、和、分分别为柔轮和和刚轮的齿数数和分度圆直直径。有时柔轮固定不不转而刚轮为为从动件。在在这种情形下下，当波发生生器顺转一周周时，刚轮相相对柔轮顺转转个齿，亦即即顺转了周，因因此波发生器器和柔轮的传传动比为: 式中：、和、分分别为柔轮和和刚轮的齿数数和分度圆直直径。因为在一个波的的区间内，刚刚轮与柔轮应应当

43、相差一个个或几个齿，所所以谐波齿轮轮传动的齿数数差应等于波波数或波数的的整数倍。因因此，波数相相同且刚轮齿齿数也相同的的谐波传动，其其传动比可以以相差若干整整数倍。但实实际上大部分分谐波齿轮传传动的齿数差差等于波数。在在这种情况下下，谐波齿轮轮传动的传动动比等于活动动轮的齿数除除以波数。2.5机器人材材料的选择结构件材料选择择是工业机器器人材料系统统设计中的重重要问题之一一，正确选择择结构材料不不仅可以降低低工业机器人人的结构成本本，更重要的的是可适应工工业机器人的的高速化、高高载荷化及高高精度化，满满足其静力及及动力特性要要求。2.5.1材料料选择的基本本要求与一般的机械设设备相比，机机器人

44、结构的的动力特性是是十分重要的的，这是选择择材料的出发发点。材料选选择的基本要要求如下： （1）强度度高。机器人人的臂是直接接受力的构件件，高强度材材料不仅能满满足机器人臂臂的强度条件件，而且可望望减少臂杆的的截面尺寸，减减轻重量。 （2）弹性性模量大。从从材料力学的的公式可知，构构件刚度（或或变形量）与与材料的弹性性E、G有关关，弹性模量量越大，变形形量越小，刚刚度越大。不不同材料的弹弹性模量的差差异比较大，而而同一种材料料却没有多大大差别。 （3）重量量轻。在机器器人手臂构件件中产生的变变形很大程度度上是由于惯惯性力引起的的，与构件的的质量有关。也也就是说，为为了提高构件件刚度选用弹弹性模

45、量E大大而密度也大的材料料是不合理的的，因此提出出了选用高弹弹性模量、低低密度的材料料要求，可用用E/来衡量，表表2.2列出出几种材料的的E、和E/值，供参考考。表2.2 材材料的弹性模模量/密度（E/）值（4）阻尼大。工工业机器人在在选材时不仅仅要求刚度大大、重量轻，而而且希望材料料的阻尼尽可可能大。机器器人的臂经过过运动后，要要求能平稳地地停下来。可可是由于在构构件终止运动动的瞬时，构构件会产生惯惯性力和惯性性力矩，构件件自身又具有有弹性，因而而会产生“残余振动”。从提高定定位精度和传传动平稳性来来考虑，希望望能采用大阻阻尼材料或采采取增加构件件阻尼的措施施来吸收能量量。（5）材料价格格低

46、。材料价价格是工业机机器人成本价价格的重要组组成部分。有有些新材料如如硼纤维增强强铝合金、石石墨纤维增强强镁合金，用用来作为机器器人臂的材料料是很理想的的，但价格昂昂贵。2.5.2结构构材料介绍 （1）碳素素结构钢、合合金结构钢：强度好，特特别是合金结结构钢强度增增大了4-55倍，弹性模模量E大，抗抗变形能力强强，是应用最最广泛的材料料。 （2）铝、铝铝合金及其他他轻合金材料料：这类材料料的共同特点点是重量轻，弹弹性模量E并并不大，但是是材料密度小小，故E/值仍可和钢钢材相比。有有些稀贵铝金金属的品质得得到了更明显显的改善，例例如添加了33.2%重量量的锂的铝合合金，弹性模模量增加了114%，

47、E/值增加了116%。 （3）纤维维增强合金：如硼纤维增增强铝合金、石石墨纤维增强强镁合金，其其E/值分别达到到11.4110m/s和8.9910m/s。这种纤纤维增强金属属材料具有非非常高的E/值 ，而且且没有无机复复合材料的缺缺点，但价格格昂贵。 （4）陶瓷瓷：陶瓷材料料具有良好的的品质，但是是脆性大，不不易加工成具具有长孔的连连杆，与金属属零件连接的的结合部需特特殊设计。然然而，日本已已经试制了在在小型工业机机器人上使用用的陶瓷人臂臂的样品。 （5）纤维维增强复合材材料：这类材材料具有极好好的E/值，但存在在老化、蠕变变、高温热膨膨胀、与金属属件连接困难难等问题。这这种材料不但但重量轻、

48、刚刚度大，而且且还具有十分分突出的阻尼尼大优点，传传统金属材料料不可能具有有这么大的阻阻尼。所以，在在高速机器人人上应用复合合材料的实例例越来越多。层层叠复合材料料的制造工艺艺还允许用户户进行优化，改改进叠层厚度度、纤维倾斜斜角、最佳横横断面尺寸等等，使其具有有最大阻尼比比。 （6）粘弹弹性大阻尼材材料：增大机机器人连杆件件的阻尼是改改善机器人动动态特性的有有效方法。目目前有许多方方法来增加结结构件材料的的阻尼，其中中最适合机器器人结构采用用的一种方法法是用粘弹性性大阻尼材料料对原构件进进行约束层阻阻尼处理。吉吉林工大和西西安交大进行行了粘弹性大大阻尼材料在在柔性机械臂臂振动控制中中实验，结果

49、果表明：机械械臂的重复定定位精度在处处理前为0.30mm，处处理后为0.16mm；残余振动时时间在阻尼处处理前、后分分别为0.99s和0.55s。 杆件的约束层层处理示意图图见图2.77 图2.7 杆件的约约束层处理示示意图第3章 机器人人腰部关节的的设计3.1机器人传传动机构分析析由于一般的电机机驱动系统输输出的力矩较较小，需要通通过传动机构构来增加力矩矩，提高带负负载能力。对对机器人的传传动机构的一一般要求有： （1）结构构紧凑，即具具有相同的传传动功率和传传动比时体积积最小，重量量最轻； （2）传动动刚度大，即即由驱动器的的输出轴到连连杆关节的转转轴在相同的的扭矩时角度度变量最小，这这样

50、可以提高高整机的固有有频率，并大大大减轻整机机的低频振动动； （3）回差差要小，即由由正转到反转转时空行程要要小，这样可可以得到较高高的位置控制制精度； （4）寿命命长，价格低低。3.2机器人腰腰部传动方案案选择机器人腰部关节节即J1轴是是机器人关节节中最大，承承载最多，内内部机构最为为复杂的关节节。轴的转动动范围为()，转速拟拟定为()即,伺服电电机额定转速速暂选为，额额定功率为11.0,减速速比即为1000。J1轴的转动范范围示意图见见图3.1图3.1 JJ1轴的转动动范围示意图图方案一：J1轴轴通过采用一一对外啮合齿齿轮（减速比比为2），后接谐谐波减速器（减减速比为500）来减速，则则可

51、以实现总总传动比为1100。腰关节传动方案案一见图3.2图3.2 腰腰关节传动方方案一方案二：J1轴轴通过采用一一对内啮合齿齿轮（减速比比为2），后后接谐波减速速器（减速比比为50）来来减速，则可可实现传动比比为100。腰关节传动方案案二见图3.3图3.3 腰腰关节传动方方案二方案三：电机安安装在底座下下面，J1轴直接接接谐波减速器器（减速比1100），则则可实现传动动比为100的减速速。腰关节传动方案案三见图3.4图3.4 腰腰关节传动方方案三传动方案比较：这三种方案案在传动实现现上都是可行行的，均采用用了减速比大大、体积小、重重量轻、精度度高、回差小小、承载力大大、噪音小、效效率高、定位位

52、安装方便的的谐波减速器器。方案二采采用内啮合齿齿轮传动，结结构上是比方方案一更加紧紧凑，但安装装时会使腰部部电机与肩部部电机发生干干涉，影响机机器人的运动动范围。方案案三的传动结结构最为简单单，但电机轴轴和腰部回转转轴无法错开开。则最终机机器人腰关节节传动方案选选择方案一。对于方案一：由于轴的输出转转速为：，又又有 式中：为刚轮齿齿数，为柔轮轮齿数则，又有 式中：为小齿轮轮齿数，为大大齿轮齿数则电机输出转矩矩：取齿轮的精度等等级为8级，查查7表得： 则 3.3腰部交流流伺服电机的的选择3.3.1机器器人材料选用用和质量估算算机器人材料选用用45号钢，则则查表2.22可得密度，根根据机器人各各部

53、分体积，估估算机器人质质量如下：腕部：8kg 小小臂：36kkg 肘肘部：11kkg 大臂：52kgg 肩肩部：13kkg 腰腰部：18kkg3.3.2工业业机器人整体体受力分析机器人整体受力力示意图见图图3.5图3.5 机机器人整体受受力示意图3.3.3腰部部交流伺服电电机的选择计计算当大臂、小臂与与末端执行器器均处于水平平状态时，如如上图所示，各各部分对回转转中心产生的的转动惯量最最大。其代数数和为： 代入数据得：则工作时的最大大扭矩： 式中：为机器人人的角加速度度。设机器人各关节节运动的加速速度为，则则由于轴的转动速速率为，即2.622，则查8得则由电机到底座传传动总效率 式中：为外啮合

54、合齿轮的传动动效率，为谐谐波减速器的的传动效率取=0.98（齿齿轮的精度等等级为8级） =0.998则则腰部伺服电机机所需功率为为：查10德国国博美特BOONMET伺伺服电机资料料：如表3.1所示表3.1 德德国博美特BBONMETT伺服电机参参数表经比较电机型号号选用BONNMET SSM系列 880系列SMM 80-0033-300 LFB表3.2 德德国博美特BBONMETT 80系列列电机查表3.2得伺伺服电机SMM 80-0033-300 LFB主主要参数如下下：额定功率：1.0 额定转转矩：3.33 额定转速速：30000额定电流：4.2 转转子惯量：机械时间常数:0.85 电机重

55、重量：3.22伺服电机SM 80-0333-30 LFB外形形尺寸图见图图3.6图3.6 伺伺服电机SMM 80-0033-300 LFB外外形尺寸图3.4腰部谐波波减速器的选选择谐波减速器选用用德国的Haarmoniic Driive AGG（和谐驱动）公司的CGSS-2UH Unitss系列产品。3.4.1德国国Harmoonic 谐谐波减速器的的特点 （1）Haarmoniic减速器结结构简单，体体积小，重量量轻。HD减减速器谐波齿齿轮传动的主主要构件只有有三个：波发发生器、柔轮轮、刚轮。它它与传动比相相当的普通减减速器比较，其其零件减少550%，体积积和重量均减减少1/3左左右或更多。

56、 （2）Haarmoniic减速器传传动比范围大大。单级HDD谐波减速器器传动比可在在503000之间，优优选在75250之间间；双级谐波波减速器传动动比可在30000600000之间间；复波谐波波减速器传动动比可在20001400000之间间。 （3）Haarmoniic减速机啮啮合的齿数多多。双波谐波波减速器同时时啮合的齿数数可达30%，甚至更多多些。而在普普通齿轮传动动中，同时啮啮合的齿数只只有27%，对于直齿齿圆柱渐开线线齿轮同时啮啮合的齿数只只有12对对。Harmmonic减减速器正是由由于同时啮合合齿数多这一一独特的优点点，使谐波传传动的精度高高，齿的承载载能力大，进进而HD减速速

57、器实现大速速比、小体积积。 （4）Haarmoniic减速器承承载能力大。谐谐波齿轮传动动同时啮合齿齿数多，即承承受载荷的齿齿数多，在材材料和速比相相同的情况下下，受载能力力要大大超过过其它传动。HHD减速器其其传递的功率率范围可为几几瓦至几十千千瓦。 （5）Haarmoniic减速机运运动精度高。HHD减速器由由于多齿啮合合，一般情况况下，谐波齿齿轮与相同精精度的普通齿齿轮相比，其其运动精度能能提高四倍左左右。 （6）Haarmoniic减速器运运动平稳，无无冲击，噪声声小。HD减减速器齿的啮啮入、啮出是是随着柔轮的的变形，逐渐渐进入和逐渐渐退出刚轮齿齿间的，啮合合过程中齿面面接触，滑移移速

58、度小，且且无突然变化化。 （7）HDD减速器齿侧侧间隙可以调调整。谐波齿齿轮传动在啮啮合中，柔轮轮和刚轮齿之之间主要取决决于波发生器器外形的最大大尺寸，及两两齿轮的齿形形尺寸，因此此Harmoonic减速速器可以使传传动的回差很很小，某些情情况甚至可以以是零侧间隙隙。 （8）Haarmoniic减速器传传动效率高。与与相同速比的的其它传动相相比，谐波传传动由于运动动部件数量少少，而且啮合合齿面的速度度很低，因此此效率很高，随随速比的不同同（u=600-250)，Harmmonic减减速器效率约约在65996%左右（谐谐波复波传动动效率较低），齿齿面的磨损很很小。 （9）Haarmoniic减速

59、机同同轴性好。谐谐波齿轮减速速器的高速轴轴、低速轴位位于同一轴线线上。 （10）HHarmonnic减速器器可实现向密密闭空间传递递运动及动力力。HD减速速器采用密封封柔轮谐波传传动减速装置置，可以驱动动工作在高真真空、有腐蚀蚀性及其它有有害介质空间间的机构，谐谐波传动这一一独特优点是是其它传动机机构难于达到到的。（11）Harrmonicc减速器（HHD减速器）可可实现高增速速运动。Haarmoniic减速器由由于谐波齿轮轮传动的效率率高及机构本本身的特点，加加之体积小、重重量轻的优点点，因此是理理想的高增速速装置。对于于手摇发电机机、风力发电电机等需要高高增速的设备备有广阔的应应用前景。

60、（12）HHarmonnic减速机机（HD减速速器）方便的的实现差速传传动。Harrmonicc减速器由于于谐波齿轮传传动的三个基基本构件中，可可以任意两个个主动，第三三个从动，那那么如果让波波发生器、刚刚轮主动，柔柔轮从动，就就可以构成一一个差动传动动机构，从而而方便的实现现快慢速工作作状况。这一一点对许多机机床的走刀机机构很有实用用价值，经适适当设计，可可以大大改变变机床走刀部部分的结构性性能。（13）Harrmonicc减速器（HHD减速器）免免维护。Harmoonic减速速机主要产品品：CSG系系列,CSDD系列,CSSF系列,SSHG系列,SHF系列列,SHD系系列,CSFF系列,C