六自由度工业机器人设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 六自由度工业机器人是一种高精度的自动化机械，具有高度的灵活性以及平稳性。所以在设计中我们应当注意其结构工艺的合理性，在材料选择上应当使其具有高强度和轻便的特性。本论文主要对搬运工业机器人的驱动方式及各轴的传动方案进行了设计，并对驱动运动的电动机进行了选型；在对其工作空间分析的基础上，对关键的零部件进行了受力分析及强度校核；根据其基本结构参数，利用 用 关键词 ： 工业机器人；结构设计；传动方案设计；受力分 析；强度校核 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 ix of is a of of So in we to of in of be so it of of in on of to D AD of of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 录 第一章 绪论 1 工业机器人概述 1 课题研究背景及意义 1 国内外研究现状及发展趋势 2 内研究现状 3 外发展趋势 4 工业机器人相关技术 5 本文主要内容 5 第二章 总体方案与传动机构设计 6 总体方案设计与分析 6 案要求 6 构选型 7 驱动方式选择 8 传动方案的初步设计 9 腕关节传动机构设计 10 小臂传动机构 10 大臂传动机构 11 腰身传动机构 12 机器人部分技术参数 10 第三章 工作空间分析及计算 12 工作空间 12 工作空间与机器人结构尺寸的相关性 12 分析 14 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 四章 结构设计 15 传动方案的设计 15 手腕传动 15 腰部 16 部的设计要求 16 部结构 16 手臂 17 臂作用概述 17 机选择 17 传动结构设计计算 20 部设计 20 臂设计 21 臂设计 22 第五章 关键零部件的校核 24 腕部中心轴 的结构设计与校核 24 部中心轴 的结构设计 25 部中心轴 的强度校核 25 连杆传动轴的结构设计与校核 28 杆传动轴的结构设计 28 杆传动轴的强度校核 29 手腕齿轮连接轴的结构设计与校核 28 手腕齿轮连接轴 2 的结构设计与校核 29 回转底盘与腰部主轴连接螺钉的校核 29 部分三维图形的绘制 30 第六章 总结 35 参考文献 36 致谢 37 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 1 - 第一章 绪论 业机器人概述 工业机器人是一种高精度的自动化生产装备，它的设计涉及到了多门学科知识，包括了气动、液压、电路、 论力学等等。 它最早出现于 20 世纪，人们通常广义的把机器人认为是能模仿人类动作的机器。相较于人具有大脑，手 足，和眼睛等功能器官，随着机器人的发展，它也拥有了类似的能力，甚至在功能上远超人类。 工业机器人顾名思义，是用于辅助生产的机器人。早在 20 世纪 20 年代就出现了一种能够在生产线上，代替人搬送装卸工件的机械手。而在 40 年代则直接出现了可以由工人操作的机器人。 60 年代则出现了可以自动的多操作的机械手。 工业机器人发展迅速，功能越来越多，甚至出现了具有智能的机器人。目前，世界上把机械手、机器人等也一并称为工业机器人。我国将其定义为：一种能自动控制，可重复编程、多功能、多自由度的机器人，并能搬运材料工件或者其他工具， 用以实现多种作业。 题研究背景及其意义 工业机器人是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。它能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、 装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 柔性制造单元 一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生 产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 制造业属于劳动密集型的行业，除了繁重的体力工作外，几乎每个工序都存在着对人体有害的污染源和潜在的工伤事故 :热加工工序烫灼伤的危险，大量易燃易爆燃料买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 2 - 及消耗材料时时刻刻威胁着操作手的安全 ;铝液除气除渣产生的有毒烟尘，机加工冷却液的有害蒸汽，以及涂装工序液体漆、粉漆、前处理药液等等都会严重影响工人的健康 ;无处不在的轰鸣及刺耳的噪音会使你情绪坏到极点。 针对原有生产线存在的劳动强度高，生产效率低，粗加工加工尺寸不稳定等问题，通过工业机器人及新的数控加工设备，不仅有效降低了工人的劳动强度，提高生产效率将近一倍，取得了良好的经济效益。 工业机器人由机器人 (机械本体 )、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度 、保证产品质量、实现安全生产 ;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。 在工业领域广泛应用着工业机器人。工业机器人一般指在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。工业机器人的定义为：“一种自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的机器人。能搬运材料、零件或操持工 具，用以完成各种作业。”机器人定义为：“具有和人的手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。”一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通讯接口等几部分组成。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺 少的自动化设备。 生产线改造设计是一个实际应用课题。通过本设计可以使学生在实际课题设计中对生产加工，机械系统设计，机械手及其控制等知识得到切实的锻炼。 内外研究现状及发展趋势 内研究现状及面临的挑战 1、 发展现状 （ 1）市场需求快速增长，但严重依赖国外进口 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 3 - 我国工业 机器人市场 已呈现出蓬勃发展的态势。从 2010年开始我国工业机器人需求量激增，但目前我国新增工业机器人中超过 70%依赖国外进口。 （ 2）产业化初步取得进展，但程度较低 近年来，在需求快速扩张及国家自主创新政策作用下，国内一大批企业或自主研制或 与科研院所合作，进入工业机器人研制和生产行列，我国工业机器人进入了初步产业化阶段。一些产品已开始产业化生产应用，但由于在精度、速度等方面不如进口的同类产品，因此这些产品产业化应用程度较低，缺乏品牌认知度，市场份额小 （ 3）掌握了一些先进技术，但整体技术水平仍然较低 我国目前已基本掌握了 机器人 机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、电焊、装配、搬运等机器人。一些产品的技术水平已达到国际先进水平，但在总体技术上还有很大差距，仅相当于国 外 90年代中期的水平。 2、面临挑战 （ 1）外资品牌占国内市场绝对份额 瑞典的 本的 那科）、日本的 川电机）、德国的卡）等知名企业产品在中国市场的占有率达到近 90%，仅 在我国占有 23%的市场份额。 （ 2） 关键核心部件受制于人 （ 3）产业化发展有待规范 伴随我国 工业机器人 需求的迅猛增长，实力良莠不齐的企业纷纷进入工业机器人生产市场，势必造成质低价廉的恶性竞争；虽然我国有近百家从事工业机器人研究生产的高校院所和企业，但现行的 体制造成研究形式上过于独立封闭、内容上较为分散，难以形成合力，造成重复研究与时间、经费的浪费；多数企业热衷于大而全，一些关键部件研发生产的企业纷纷转入整机的生产，难以形成研发、生产、制造、销售、集成、服务等有序、细化的产业链。因此，工业机器人的产业化发展有待规范。 （ 4）研发及产业化方面的激励政策尚需完善 尽管 “ 十一五 ” 及 “ 十二五 ” 期间，国家有多个项目涉及机器人领域，但行业仍未建立起有效的公共技术平台以加强关键共性技术和核心功能部件的研究与突破，产业化进程也难以推进，研发与产业化方面的激励政策尚需 细化完善。 图 沈阳自动化研究所研制的 雪豹 10排爆机器人。 外发展趋势 （ 1） 市场需求呈现快速增长态势 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 4 - 受技术快速发展、劳动力资源不断稀缺、生产效率要求近一步提高等因素影响，全球工业机器人将迎来更为广阔的发展空间和更高的发展速度。在区域分布上，随着亚洲地区制造业的发展，各项产业对于工业机器人的需求量增加，使得工业 机器人市场 需求逐渐由欧美地区转移到亚洲地区。 （ 2） 技术日益智能化、模块化和系统化 从近几年世界推出的 机器人 产品来看，新一代 工业机器人 正在向智能化、模块化和系统化方向 发展。 （ 3） 西方工业化发达国家纷纷进行战略部署 美国：推行 “ 再工业化 ” 战略，大力发展工业机器人，希望重振制造业。 日本：日本可以称得上是 “ 机器人大国 ” 。 2004 年 5月发布的 “ 新产业发展战略 ” 明确了机器人产业等 7个产业领域为重点发展产业。近两年又开始重新审视机器人产业政策。 韩国： 2009年公布智能机器人基本计划， 2012年 10月发布了 “ 机器人未来战略展望 2022” ，将政策焦点放在了扩大韩国机器人产业并支持国内机器人企业进军海外市场方面。 欧盟：欧盟 2011年 8月通过了一份发展制造业 计划，提出新工业革命概念，以机器人和信息技术为支撑，实现制造模式的变革。 图 国 图 雪豹 10排爆机器人 图 德国 业机器人相关技术 工业机器人按坐标系统可分为以下五种： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 5 - (1)圆柱坐标型 这种机器人只有一个转动关节，其余都是移动关节，它的空间定位较为直观，但其移动副不易防护，手臂伸缩的时候，可能与其他物体相 碰撞。 (2)直角坐标型 只具有移动关节，其运动部分看起来是由三个相互垂直的直线组 成，其工作空间图形为矩形。控制算法简单，没有耦合；占地面积大，工作空间较小，结构刚度高，操作类似于数控机床。 (3)球坐标型 这是 有两个转动关节、其余为移动关节的机器人，有着占地面积大，工作空间大 具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。 (4)关节型 具有三个转动关节的机器人，其动作灵活，工作空间大，结构紧凑，占地面积也小，但是其运动学复杂，计算困难，计算量大 (5) 平行的肩关节和肘关 节，关节轴线共面垂直平面刚度好，水平面柔顺性好结构轻便，响应快，适用于平面定位，垂直装配作业 文主要内容 （ 1）通过阅读学习工业机器人的相关书籍和论文，确定了工业机器人使用方式，完成工作方案的初步设计； （ 2） 设计了腰部、大小臂和腕部的传动方案，并总结出其总体设计方案； （ 3） 运用数学知识，作图计算其工作空间，根据 算主要结构尺寸要素； （ 4） 设计各轴结构样式，进行三维建模，并利用 择其驱动电机类型； （ 5） 对关键的零部件进行校核。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 6 - 第二章 总体方案与传动机构设计 总体方案设计与分析 方案要求 机器人用于生产车间两条自动装配线中，将产品搬运至输送车上。要求其搬运动作灵活，手臂工作空间大，被夹持的工件可能具有多种形状，结构紧凑，重量轻便。动力源采用电动机驱动，假设工件负重为 5 公斤，形状为边长 30立方体盒状，因此手爪开合范围定为 5100条装配线距离 1000臂最大伸长量约为 1300 360度转动；底座固定在地面上。 设想的工作方式如图 图 设想的工作方式 机构选型 由第一章可知，工业机器人按坐标系统可分为直角坐标机器人，圆柱坐标机器人，球面坐标机器人，关节型机器人和 中关节型机器人使用范围广，用途多样，其优点如下： （ 1） 工作空间范围大，占地面积小。 （ 2） 灵活性高，能够做到其他种类机器人所无法做到的动作，用途广泛。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 7 - （ 3） 没有移动关节，所以不需要设计导轨。转动关节容易密封，由于轴承件是大量生产的标准件，则摩擦小，惯量小，可靠性好。 （ 4） 驱动各轴运动时转矩较小，耗能少 综上所述，我们决定采用 关节型机 器人 。 手臂由动力关节和连接杆件构成，用以调整手腕和末端执行器的位置。由于本设计要求能达到工作空间的任意位置，因此采用三自由度手臂。机座则采用回转机座。 手腕是连接手臂和末端执行器的部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。手腕按自由度数目可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。由于本机器人对要求的动作多样，灵活性高，故选用三自由度手腕。 三自由度手腕由 关节组成，可实现翻转、俯仰和旋转功能。 关节排列的次序不同，也会产生不同的效果，因此其结构形式也多种多样，如图 15： 图 自由度手腕的几种形式 B 关节是一种俯仰、摆动关节，关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直，旋转角度小； R 关节是一种回转关节，它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴形式，这种关节旋转角度大，可达到 360以上。 构由于采用了两个弯曲结构使结构尺寸增加了， 前者相比结构紧凑。工业机器人的自由度越多，灵活性越好，但过多买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 8 - 的自由度也会使得设计与结构复杂化。考虑到本机器人的实际用途，故采用六自由度，依次为腰部回转，大臂俯仰，小臂俯仰，手腕回转，手腕俯仰，手腕侧摆。 驱动方式选择 工业机器人的驱动方式可以分为气压驱动、液压驱动及电动机驱动等多种类型。它们各有优缺点，且适应的工作场合也不同。三种驱动方式的特点比较见表 2 表 驱动方式比较 特性 气压驱动 液压驱动 电动机驱动 输出功率和使用范围 气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，结构尺寸将过大。 油压高，可获得较大的输出功率，适于重型，低速驱动 适用于运动控制严格的中、小型机器人，输出功率较大 控制性能和安全性 压缩性大，对速度位置的精确控制困难，阻尼效果差，低速不易控制，排气有噪声 ，泄漏对环境无影响 液体不可压缩，压力、流量易控制，反应灵敏，可无极调速，能实现速度、位置的精确控制，传动平稳，泄漏污染环境 控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，伺服特性好，控制系统复杂，对环境无影响 结构性能 结构体积较大，结构易于标准化，易实现直接驱动，密封问题不突出 结构尺寸较气动要小，易于标准化，易实现直接驱动，密封问题显得重要 结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题 效率和制造成本 效率低（为 源方便 ，结构简单，成本低 效率中等（管理结构较复杂，成本高 成本较高，根据上述驱动系统特点，本文最终选择电机驱动的方式。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 9 - 传动方案的初步设计 腕关节的传动结构设计 图 腕传动机构 如图 示，我们采用的是三自由度手腕，也被叫做万向型手腕，它一部分与小臂相连，随小臂转动而转动，中间锥齿轮 动手腕做俯仰运动，轴 1 则带动手爪转动。为了使手腕能实现三个自由度并减轻手腕重量，必须用远距离传动，故将电动机装在小手臂的关节处。 小臂传动机构 图 臂结构 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 10 - 小臂关节的传动机构简图如图 示。小臂做 +130至 而调节整个腕部的空间位置。其驱动电机装在驱动臂座上，即大手臂的关节处，通过大臂底部的通孔，使用两根连杆与小手臂座相连。通过连杆的动作，实现小手臂座的俯仰动作。底部使用平键连接，大臂与底杆则使用涨紧套连接。 大臂传动机构 图 臂结构 如图 臂和小臂的俯仰动作将共同决定手腕在平面中的位置，其底部有通孔，大臂与减速器通过通孔相连，电动 机在减速器旁边并列安装。 腰身传动机构 腰部旋转和大臂小臂的俯仰动作共同决定手腕在空间中的位置。腰部采用力矩电机来传递转矩， 腰部主轴是空心轴， 通过键与力矩电机相连。因此， 力矩电机带动腰部主轴旋转， 从而使腰部回转盘旋转 。 机器人部分技术参数 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 11 - 表 方案信息 工艺描述 六轴动作顺序 动作范围 最大速度 驱动功率 1轴（回转） 360 160 /s 2轴（大臂俯仰） 130 160 /s 3轴（小臂俯仰） 220 220 /s 4轴 （手腕回转） 360 500 /s 5轴（手腕俯仰） 220 330 /s 6轴（手腕偏转） 220 330 /s 该机器人固定于两条自动装配线末端中间，同时负责两条装配线的工件搬运，因此，该机器人必须具有动作灵活的特点。 本设计中该搬运机器人本体由底座、腰部、大臂小臂、手腕和末端执行器组成。共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。 机器人采用电动机驱动。这种驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这 也是现代机器人应用最广泛的驱动方式。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 12 - 第三章 工作空间分析及计算 工作空间 该机器人的结构参数应该根据一定的工作空间要求来确定，工作空间是指机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有点的集合，也叫做工作区域。 描述工作空间的手腕参考点可以选在手部中心、手腕中心或手指指尖，参考点不同，工作空间的大小、形状也不同。工作空间是机器人的一个重要性能指标，是机器人机构设计要研究的基本问题之一。当给定机器人结构尺寸时，要研究如何确定其工作空间，而当给定工作空间时，则要研究机器人应具有什么样结构。 本文 所讨论的搬运机器人主要用于装配线末端产品的搬运，本文将用一种根据工件尺寸确定机器人位置机构参数的简便方法确定该搬运机器人的主要结构参数，包括大小臂的长度尺寸及其极限摆角。 工作空间与机器人结构尺寸的相关性 工作空间的形状取决于机器人的结构型式，直角坐标型机器人的工作空间为长方体；圆柱坐标型机器人的工作空间为中空的圆柱体；球坐标型机器人的工作空间为球体的一部分；关节型机器人的工作空间比较复杂，一般为多个空间曲面拼合的回转体的一部分。 直角坐标型机器人工作空间的大小取决于沿 X、 Y、 器人行程的大小。圆柱坐标型机器人工作空间的大小取决于立柱的尺寸和水平臂沿立柱的上下行程，还取决于水平臂尺寸及水平伸缩行程。球坐标型机器人工作空间的大小取决于工作臂的尺寸、工作臂绕垂直轴转动的角度及绕水平轴俯仰的角度。关节型机器人工作空间的大小取决于大小臂的尺寸、大小臂关节转角的角度以及大臂绕垂直轴转动的角度。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 13 - 图 位置简化模型 臂的长度，根据总体方案设定条件确定为 665臂的长度，根据总体方案设定条件确定为 6301：大臂旋转偏离立柱 0位的角度，顺时针为正，本文 定为 30 2：小臂旋转偏离 0位的角度，顺时针为正，本文定为 5 如图 示，手端部的运动轨迹简易描述：以 弧段在 组成机器人工作空间截面。 段和 段的圆心为大臂的起始点，即坐标原点。 各个点的坐标分别为： 臂负极限值 1臂达到负极限值 21212=665+630=A=12=665+630=点：大臂到达正极限值 1臂达到负极限值 21212=665+630=B=12=665=点：大臂到达正极限值 1臂达到正 极限值 21212=665+630 =C=212=665+630=点：大臂负极限指 1臂达到正极限值 21212=665） +630= 112=665） =点： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 14 - 165 =E=65 =点： 165=F=65=得坐标 A=(B=(C=(D=( E(F(由此可以作出机器人大臂小臂组成的截面（ ）工作空间，同机器人的安装机座（ X,Y,Z 坐标）的高度叠加后，可以绘制出机器人的截面（ ）工作空间，如图 图 机器人工作空间 析 经过上面的计算和分析可证明小臂的末端可达的覆盖范围大于作图空间。由于论证时的前提条件是把搬运机器人的最大覆盖范围一分为二。所以满足一半覆盖范围时，必然能够达到搬运机器人搬运 工件的范围。所以搬运机器人足可满足要求的最大覆盖范围，证明方案正确，小臂和大臂的长度和俯仰角度确定的合适。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 15 - 第四章 结构设计 传动方案的确定 根据第二章的总体分析可知，搬运机器人前三个轴的传动机构并不复杂，第一个用的是蜗轮蜗杆传动，第二轴和第三轴则是用摆线针轮行星齿轮传动。四五六轴皆为手腕部分，都是采用远距离传动，将电机装在小臂关节处，通过同轴套筒接到手腕关节处，减轻手腕重量。 蜗轮蜗杆的优点在于传动比较大，结构也紧凑。蜗轮蜗杆传动比 5 i 70，常用15 i 50；摆线针 轮行星齿轮传动， 11 i 87，圆锥齿轮传动效率高，一般可达98%，两齿轮轴线组成直角的锥齿轮副应用最广泛。由机械设计手册可得，其传动比范围为 2 手腕传动 手腕是机器人小臂与末端执行器之间的联接部件，其功能是利用自身的活动使末端执行器能够达到确定的工作空间姿态，因此手腕可以称为机器人的姿态机构，是机器人中极为重要也是结构最为复杂的部件。手腕的灵活度直接决定了机器人能够完成任务的种类和复杂程度，对机器人手腕结构的研究有着重要意义。 腕部的设计要求 由前文可知，本课题所设计的是一个 三自由度的机器人手腕，由法兰固定在机器人小臂上，分别用三个直流伺服电机对其进行驱动。手腕主要分三部分：一部分是通过法兰和小臂固结在一起，可实现腕部的回转运动；一部分是围绕轴的摆动；另外一部分就是手爪的回转运动。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 16 - 腕部电机的选择 由于腕部具有三个自由度，故对应每个自由度都有一个电机。电机 1 带动手 爪转动，电机 2则带动手腕左右摆动，电机 3带动整个手腕绕小手臂中心轴线转动。 由前文的总体方案设计可知，工件为 30立方体，重为 5 工件的转动惯量为 J=知它的转动速度为 w=330 /s 取启动时间为 转动角加速度 =3300 /由此计算力矩得： T=m 功率 P= 20V，输出功率至少 3W， 输出转矩至少为 速为 1400r/速箱的减速比为 23。电机输出轴端进行适当的加粗加长。 腰部 底座及腰部设计要求 工业机器人底座的设计主要考虑机器人的承重、散热、节省材料及合理装配等。由于底座基本上承担了工业机器人的所有重量，因此在材料的选取上要 选取强度高，抗震性强，耐疲劳的材料。本文中选用 为底座材料。又考虑到底座为铸件，为避免铸造过程中出现缩松、缩孔等铸造缺陷，因此可将底座设计成内部中空的结构。这样既节省了材料，又降低了制造成本。 腰部承受了较大的转矩，在进行校核的时候，要特别注意其抗弯抗扭的能力。因为回转台同样为铸件，因此其材料选用 形设计为薄壁结构，以减少其自身的重量。 电机选择 小手臂转动惯量 ： 0+52 =手臂转动 惯量： a2+b2+c2+= （ +电动机的转动惯量： J 电 = J 电 1 +J 电 2=2=文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 17 - 减速箱的转动惯量： J 减 =部本身的转动惯量： J1=0 以，总的转动惯量为 J 总 =0+0+转动角加速度为 = /出轴的转矩为 M=J 总 =m 转换到电机上的转矩为 M 电 =m 根据要求 M 电 M 额 ， 选 P=3n=1000r/ 伺服电机 ， 额定转矩为 m 手 臂 手臂作用概述 手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方 位），则用腕部的自由度加以实现。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。 电机选择 由上可知，自大手臂往后的各轴，其重量都算在大手臂的负荷上。所以，大手臂的转动惯量也不小。必须仔细计算往后的零部件的转动惯量再来选择电动机。 大手臂的转动惯量 ; a2+b2+c2+= （ +动机转动惯量 J 电 2=文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 18 - 摆线减速器转动惯量： J 减 =150手臂总惯量： J 总 =以电动机的转矩为 M 电 =据要求 M 电 M 额 ，选 P=n=1000r/ 电机 小手臂的转动惯量 4动机转动惯量 J 电 3=1005 线减速器转动惯量 J 减 3=150以小手臂总的转动惯量为 J 总 =5+应在电动机上 M 电 =据要求 M 电 M 额 ，选 P=列电机，转速 n=800r/传动结构设计计算 机器人传动方案已经确定为直流力矩电机传动，电动机功率为 P=3速为1000r/ 大臂设计 因为伺服电机是经过了调速的，所以输出端的速度很低，因此低 速级选用直齿圆柱齿轮传动。 小齿轮材料选用了 40质处理，硬度 241齿轮材料制处理，硬度 190度 8 级。 取小齿轮齿数 0，则 Z2=i， 20=100 ，大齿轮齿数 100。 根据齿面接触疲劳强度 （ 1） 106 11/106 (3/75) 78180N 2） 初选载荷系数为文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 19 - （ 3）查表取齿宽系数为 1 （ 4）查 表取 弹性系数为 25） 查表取节点区域系数为 6） 根据齿轮的硬度 查 表取小 齿轮的接触疲劳强度极限 为1150 齿轮的接触疲劳强度极限为1120 （ 7）取工作寿命 为 15年，每年工作 250天， 2班制 小齿轮的应力循环次数 00751525016=10 大齿轮的应力循环次数 1/5=10 确定传动尺寸 （ 1） 初算小齿轮分度圆直径 入【 H】中较小值 2）按 由圆周速度 v= s 查表取动载荷系数为表取齿间载荷分布系数为 K=表取齿向载荷分布系数为 K=表取使用系数为以载荷系数 K= K K = =3 4） 确定模数 m 以及主要尺寸 m=11/取整 m=3 中心距 a=m(12 3 2 0 1 0 0 / 2 =180分度圆直径1d=160d=2300宽 b=60小齿轮齿宽1b=70齿轮齿宽2b=65顶高1ah=3根高1 c m=定各个参数数值 （ 1）查表取弯曲疲劳寿命系数1 6 . 8 5 1 5 0 06 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0 311买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 20 - （ 2）查表取齿形系数和应力校正系数 （ 3）查表取齿宽系数为 （ 4）查 表取 弹性系数为 25） 查表取节点区域系数为 6） 根据齿轮 的硬度 查 表取小 齿轮的接触疲劳强度极限 为1150 齿轮的接触疲劳强度极限为1120 （ 7）取工作寿命为 15年，每年工作 250天， 2班制 小齿轮的应力循环次数 00751 525016 =810 大齿轮的应力循环次数 1/5=710 小臂设计 （ 1）四杆机构设计计算 搬运机器人的小臂的俯仰动作是通过铰链四杆机构来完成的，安装在驱动力