机械毕业设计（论文）-M40型工业机器人小车传动装置设计（全套图纸） .pdf

湖南科技大学本科生毕业设计（论文） i i 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 1 1.1 工业机器人及其发展历史、现状分析 1 1.1.1 工业机器人 1 1.1.2 国外机器人发展情况 2 1.1.3 我国的工业机器人 3 1.1.4 工业机器人发展趋势 4 1.2 工业机器人的组成和设计方案 5 1.2.1 工业机器人的组成 5 1.2.1 自由度和坐标系的选择 7 1.2.3 机器人驱动装置和传动装置 9 1.2.4 机器人的控制系统 9 第二章第二章 m40 型工业机器人总体设计型工业机器人总体设计 10 2.1 机器人的总体结构 10 2.1.1 m40 型工业机器人的总体结构 10 2.1.2 m40 型工业机器人运动分析 12 2.1.3 机器人驱动方式的选择 13 2.2 机器人的操作机构 16 2.2.1 操作机的整体结构 16 2.2.2 操作机的各部分的运动 17 第三章第三章 小车传动装置的设计小车传动装置的设计 . 20 3.1 总体方案的确定 20 3.1.1 传动方式的确定 20 3.2 传动方案的确定 21 3.2.1 传动比的确定 21 3.2.2 减速器相关数据的计算. 22 3.3 减速器齿轮传动的设计计算 23 3.3.1 高速轴齿轮的设计计算 23 3.3.2 低速轴齿轮的设计计算 27 3.4 传动轴的设计计算 31 3.4.1 传动轴的设计 31 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） ii ii 3.4.2 传动轴的设计 35 第四章第四章 总结总结 39 参参 考考 文文 献献 40 致致 谢谢 . 41 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 工业机器人及其发展历史、现状分析工业机器人及其发展历史、现状分析 1.1.1 工业机器人工业机器人 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置， 它能自 动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受 人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工 智能技术制定的原则纲领行动。 工业机器人最显著的特点有以下几个： （1）可编程。生产自动化的进一步发展是柔性启动化。工业机器人可随其 工作环境变化的需要而再编程， 因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制 造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。 （2）拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、手臂、手 腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类 的“生物传感器” ，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、 声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。 （3）通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执 行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器 （手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。 （4）工业机器技术涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的 结合- 机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传 感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人 工智能， 这些都是微电子技术的应用， 特别是计算机技术的应用密切相关。 因此， 机器人技术的发展必将带动其他技术的发展， 机器人技术的发展和应用水平也可 以验证一个国家科学技术和工业技术的发展水平。 当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较 强的对作业环境的自适应能力的方向发展。目前，工业机器人的研究和改进方案 主要体现在下面四个方面: ： （1）技术先进工业机器人集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先 进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，实 现增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是工业自动化水 平的最高体现。 （2）技术升级工业机器人与自动化成套装备具备精细制造、精细加工以及 柔性生产等技术特点，是继动力机械、计算机之后，出现的全面延伸人的体力和 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 2 - 智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化以及智能化的重要手段。 （3）应用领域广泛工业机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备， 可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部 件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、ic 装备、军工、烟草、金融、医 药、冶金及印刷出版等众多行业，应用领域非常广泛。 （4）技术综合性强工业机器人与自动化成套技术，集中并融合了多项学科， 涉及多项技术领域，包括工业机器人控制技术、机器人动力学及仿真、机器人构 建有限元分析、激光加工技术、模块化程序设计、智能测量、建模加工一体化、 工厂自动化以及精细物流等先进制造技术，技术综合性强。 1.1.2 国外机器人发展情况国外机器人发展情况 机器人首先是从美国开始研制的，1958 年美国联合控制公司研制出第一台 机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机 构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 当前，对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美国和日本。美国在工业 机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数 量、 种类方面则居世界首位，而欧盟等西方发达国家则在工业机器人和医疗机器 人等领域有较强的竞争力。 现如今，世界各国都推行出结合本国情况的机器人战略部署，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 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 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。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则 为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人已经投入使用，它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、 触觉能力， 甚至听、 想的能力。 研究安装各种传感器， 把感觉到的信息进行反馈， 使机器人具有感觉机能。 第三代机器人则能独立地完成工作过程中的任务，更加智能化和复杂化，能 够实现加工和生产的自动化，它与电子计算机和电视设备保持联系，能够自动检 查工作情况并做出反馈和调整，并逐步发展成为柔性制造系统 fms(flexible manufacturing system)和柔性制造单元 fmc(flexible manufacturing cell)中的重 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 3 - 要一环。 1.1.3 我国的工业机器人我国的工业机器人 我国工业机器人是从二十世纪八十年代开始起步，经过二十多年的努力，已 经形成了一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。 先后研发出弧焊、 电焊、 装配、工业、注塑、冲压及喷漆等工业机器人。近几年，我国工业机器人及含工 业机器人的自动化生产线相关的产品的年销售额已突破 10 亿元。 目前国内市场年需求量在 3000 台左右，年销售额在 20 亿元以上。统计数据 显示，中国市场上工业机器人总共拥有量近万台，占全球总量的 0.56%，其中完 全国产工业机器人(行业规模比较大的前三家工业机器人企业)行业集中度占 30%左右，其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等 20 多个国家引进的。 国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主，年出口量为 100 台左右，年出口 额为 0.2 亿元以上。 国内在机器人的研究方面起步比发达国家要晚很多，但是发展迅速，经过 30 多年的发展，我国机器人数量也达到了一定的规模，目前已基本掌握了机器 人的基本技术，机器人的研究在一些方面也已经达到了世界先进水平，但在整体 水平上与发达国家相比仍然有很大差距。仔细观察，不难发现的事实是：我国在 机器人的研究方面采取的方法主要是借鉴外国的先进技术，然后再进行二次开 发，自主创新开发的技术少，这就造成了我国自身创新技术较少，制约了机器人 产业化的发展。 总体上来说，我国目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、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、铸造、弧焊、电焊、装配、搬运等机器人。也有一些产品的技术水 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。 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。 在我国，工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车及 工程机械的喷涂及焊接。目前，由于机器人技术及研发的落后，工业机器人还主 要应用在制造业，非制造业使用的较少。据不完全统计，近几年国内厂家所生产 工业机器人有超过一半是提供给汽车行业。由此可见，汽车工业的发展是近几年 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 4 - 我国工业机器人增长的原动力之一。 工业机器人在实际的工作中就是一个机械手， 机械手的发展是由于它的积极 作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生 产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、 它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著 的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很 多国家的重视， 投入大量的人力物力来研究和应用。 尤其是在高温、 高压、 粉尘、 噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的 发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手的结构形式开始比较 简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重 复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手” ，简称通用机械手。由于通 用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中 小批量生产中获得广泛的引用。 国内机器人研究存在问题: 1.市场需求量激增，但大部分(尤其是高精尖设备)仍只能靠进口。 2.拥有自主创新技术的产品少，普遍沿用国外落后和淘汰的技术。 3.整体技术水平低，缺乏核心技术，没有拥有核心竞争力的技术和产品。 4.机器人行业缺乏规范，没有合适的技术交流和共享平台，抄袭现象严重。 1.1.4 工业机器人发展趋势工业机器人发展趋势 随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当 机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合， 从而改变目前机械制造 的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： （1) 提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部 件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构 不同的机器人； （2) 开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精 度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场 合； （3) 研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测 距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息 以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时， 越来越多的系统采用微机进行控制。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 5 - 1.2 工业机器人的组成和设计方案工业机器人的组成和设计方案 1.2.1 工业机器人的组成工业机器人的组成 工业机器人通常由执行机构、驱动一传动装置和控制系统三部分组成(如图 1.1所示)。这些部分之间的相互作用可用图1.2所示的方框图表示 图图 1.1 机器人的组成机器人的组成 图图1.2 机器人各组成部分之间的关系机器人各组成部分之间的关系 执行机构(也称操作机)是机器人赖以完成工作任务的实体， 通常由杆件和关 节组成。从功能的角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部和基座等部 分，如图 1.3 所示。 （1）手部 手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其 结构简单） 。手部多为两指（也有多指） ；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也 可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板 零件）和电磁吸盘。 传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 6 - 轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择夹持类回转型结 构手部。 本次设计的工业机器人手部执行部件如图 1.3。 图图 1.3 工业机器人手部执行部件示意图工业机器人手部执行部件示意图 如图 1.3 的机构简图，手部执行依靠杆的伸缩运动来实现其张合运动，杆的 动力源来自后续驱动源的液压缸，该液压缸采用的是伸缩式液压缸，该液压缸能 够节省横向的工作空间。 （2）腕部 腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械 手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有 回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 7 - 可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕 部，而直接用臂部运动驱动手部工业工件。 目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧 凑，灵巧但回转角度小（一般小于 270） ，并且要求严格密封，否则就难保证 稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮 系结构。 设计的工业机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动， 运动参数是实现 手部回转的角度控制在 0-180范围内。 腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须 设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。 机器人手部的张合是由双作用单柱塞 液压缸驱动的；而手腕的回转运动则由回转液压缸实现。将夹紧活塞缸的外壳与 摆动油缸的动片连接在一起； 当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕 不同方向的回转。 （3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作 或夹具） ，并带动他们做空间运动。 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。因此，一般来说臂部具有三个自由度 才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实 现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷， 而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重 大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。 （4）机座 机座是机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在 地面上，对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平 移、回转和俯仰）机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、 回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身 的结构和受力越复杂。 1.2.1 自由度和坐标系的选择自由度和坐标系的选择 机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有 的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各 运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。 机器人的手部要像人手一样完成各 种动作是比较困难的，因为人的手指、掌、腕、臂由 19 个关节组成，共有 27 个自由度。而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为 3- 6 个。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 8 - 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、 关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下： （1）直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图 1.4 所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有 可能达到很高的位置精度（m 级） 。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对 机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐 标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多2。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。 直角坐标机器人主要用于装配 作业及工业作业，直角坐标机器人有悬臂式、龙门式、天车式三种结构。 （2）圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的， 如 图 1.4（b） 。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于工业作业。其工作 空间是一个圆柱状的空间。 （3）球坐标机器人结构 球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的， 如图 1.4（c） 。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于工业作 业。其工作空间是一个类球形的空间。 （4）关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 1.4（d） 。关节型 机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比 较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、工业、装配等作业， 都广泛采用这种类型的机器人。 关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。 根据要求及在实际生产中的用途，本次设计的工业机器人采用圆柱坐标。 图 1.4 四种机器人坐标形式 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 9 - 1.2.3 机器人驱动装置和传动装置机器人驱动装置和传动装置 工业机器人的驱动一传动装置包括驱动器和传动机构两个部分， 它们通常与 执行机构连成一体。传动机构常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种 齿轮轮系。驱动器通常有电机(直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机)、液动 或气动装置，目前使用最多的是交流伺服电机。 1.机器人驱动类型 （1）气动式工业机器人 这类工业机器人以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作迅 速，结构简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定 性较差，又因气源压力一般只有 6kpa 左右，所以这类工业机器人抓举力较小。 （2）液压式工业机器人 液压压力比气压压力高得多，一般为 70kpa 左右，故液压传动工业机器人具 有较大的抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作 灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温或低温环境下工作。 （3）电动式工业机器人 这是目前用得最多的一类工业机器人，不仅因为电动机品种众多，也因为它 们可以运用多种灵活控制的方法。早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺 服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。这些驱动单元或是直接驱动 操作机，或是通过谐波减速器等装置来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。 2.传动方式的选择： 机械设备中常用的传动方式主要有带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动四 种传动方式。 带传动：挠性传动，结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，传 动中有弹性滑动，传动比不能保持恒定，传动中心距较大。 链传动：挠性传动，与摩擦型带传动相比，链传动无弹性打滑和整体打滑现 象，但其瞬时速度不均匀，有冲击，动载和噪声。 齿轮传动：适用功率和速度范围广，效率高、结构紧凑、传动比稳定、工作 可靠、寿命长。但其对制造和安装精度要求较高，成本较高。 蜗杆传动：传动比大、结构紧凑、传动平稳，噪声小。但其传动效率低，不 适用于低速大功率传动。且其制造和安装精度要求也高，成本较高。 1.2.4 机器人的控制系统机器人的控制系统 控统一般由控制计算机和伺服控制器组成。 前者发出指令协调各关节驱动器 之间的运动，同时还要完成编程、示教/再现以及和其他环境状况(传感器信息)、 工艺要求、外部相关设备(如电焊机)之间的信息传递和协调工作。后者控制各关 节驱动器，使各杆按一定的速度、加速度和位置要求进行运动。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 10 - 第二章第二章 m40 型工业机器人总体设计型工业机器人总体设计 2.1 机器人的总体结构机器人的总体结构 2.1.1 m40 型工业机器人的总体结构型工业机器人的总体结构 m40 型专用工业机器人是一款拥有 5 个自由度搬运机器人，它用于各种工 艺设备上，其中包括组成柔性自动化系统的数控金属切削机床。 工业机器人装备有定位式数控装置和电气自动控制装置， 使之能够实现沿三 个坐标轴的给定程序的位移， 并且完成大量控制机器人本身及其看管的工艺装备 的工作循环指令。 工业机器人装备有自动可换夹持器的装置， 其中双夹持器的装置用来保证同 时操作毛坯和在机床上的加工。 工业机器人操作机结构还可以在其上安装附加机 构和装置。例如：为毛坯定基准面的检验、测量在机床上加工零件的直径、清洗 机床和工艺装备的基准表面。 图图 2.1 m40 型机器人的总体结构正视图型机器人的总体结构正视图 门架 1，小车 2，滑板 3，手臂 4，手腕 5，夹持器 6，单轨 7，电气控制机 8， 数控装置柜 9。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 11 - 图图 2.2 m40 型机器人的总体结构左视图型机器人的总体结构左视图 工业机器人的技术参数： 1. 承载能力 40kg 2. 自由度数 5 个 3. 最大位移:小车沿单轨 10800mm，手臂在垂直方向的位移 420mm，手臂 转动 100，手腕转动 90，手腕相对纵轴转动 90，180。 4. 小车位移最大速度 0.8m/s。手臂在垂直方向最大速度 0.8m/s 手腕及手转 动 90/s。 5. 定位精度1mm 6. 重量(数控装置除外)3000kg。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 12 - 2.1.2 m40 型工业机器人运动分析型工业机器人运动分析 图图 2.3 m40 型机器人的运动学简图型机器人的运动学简图 小车 1，单轨 2，滑板 6，手臂 7，手腕 8，夹持器 9，滑板机体 13，连杆 14， 线性电液步进式驱动装置，15，齿轮条 16 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 13 - 如图机器人运动学简图 2.3 示，m40 型机器人主要的运动元件有：带动操作 机（机械手）横向移动的小车 1，以及由滑板 6，手臂 7，手腕 8，和夹持器 9 组成的操作机，以及小车运动的轨道单轨 2，以及负责驱动和控制机器人各部分 运动的液压元件和电气控制机和数控装置柜。 m40 型工业机器人一共有五个自由度：小车 1 带动操作机的 x 轴方向上横 向左右移动，滑板 6 带动操作机在 z 轴方向的上下移动，手臂 7 相对其纵轴在 的摆动，手腕 8 相对其纵轴的摆动，以及手腕 8 相对纵轴的转动。 为了方便实现自动化控制和提高操作精度， 操作机各杆件的驱动方式是液压 式的， 机器人设有液压站，然后由多个液压马达或者液压缸驱动和控制各个部分 （手臂 6、手腕 7、夹持器 8 等）的运动，小车装置中的传动装置也是用液压马 达驱动。 m40 型工业机器人的操作机是可以移动的，并为其在 x 轴方向上的运动设 计有门架结构，使之能够在一组带有水平主轴的金属切削机床上工作。在门架上 装有可以移动的小车 1，它支撑着手臂垂直缩进机构滑板 6，小车沿国定在门架 上的单轨 2 移动。 m40型工业机器人的工作方式是小车1带动操作机在安装在门架上的导轨2 沿 x 轴移动，当操作机在 x 轴方向上移动到指定的位置时，操作机通过滑板 6 在 z 轴方向上垂直上下移动、 以及在手臂 7 和手腕 8 在 yz 平面内完成手臂 7 的 摆动 7、手腕 8 的摆动，以及手腕相对纵轴转动等运动的组合从而完成工件的抓 取或者摆放等工作。 小车 1 在 x 轴方向上的移动距离是 10800mm，小车 1 在 x 方向轴上移动的 最大速度为 0.8m/s；操作机在 z 轴方向上下移动由滑板 6 带动，z 轴方向上下移 动的行程是 420mm，滑板 6 在 z 轴上下移动的最大移动是 0.8m/s；此外手臂 4 和手腕 8 可以在 yz 平面内摆动，手臂 4 摆动的角度为 100，手腕 8 摆动的角 度为 90，这两个摆动角的中心线都是同一条与 z 轴平行的线；手腕 8 相对纵 轴传动的角度 90和 180， 所有手臂 7 和手腕 8 转动和摆动运动的角速度都是 90/s。 2.1.3 机器人驱动方式的选择机器人驱动方式的选择 目前所采用的的方式有电动机、液压和气压驱动三种类型，三种方式的特点 比较见表 2.1 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 14 - 表 2.1 工业机器人主要驱动方式性能特点比较工业机器人主要驱动方式性能特点比较 驱动方式 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 寸将过大只适于 中小型，快速驱动 油压高，可获 得较大的输出功 率，传动平稳，无 冲击，适用于重 型，低速驱动 适合中小功 率传动，传动平 稳，灵活，速度快 控制性能 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 液体不可以 压缩，压力、流量 易控制，反应灵 敏，可无级调速， 能实现速度、位置 的精确控制，传动 平稳，泄漏会污染 环境 交、直流普通 电动机控制比较 简单，控制效果较 差，步进、伺服电 动机控制比较复 杂，速度和位置都 可以控制到精确 值 快速响应性 能 较高 很高 很高 效率 效率低 (0.15-0.2) 效率中等 (0.5-0.6) 效率中等 0.5 左右 安全性能 防爆性能好 防爆性能好， 液压油泄漏后有 发生火灾的危险 交流电机防 爆性能好，直流电 动机电刷产生火 花，不防爆结构 结构性能 执行机构(直 线气缸、气压马 达)可做成独立的 标准件，易于实现 直接驱动；压力 小，输出力小；密 封问题不突出，泄 漏对环境无污染， 需要气压供给系 统 执行机构(直 线缸、摆动缸)可 单独做成标注案 件，易于实现直接 驱动；相同输出条 件下，重量轻、惯 量小；密封间隙比 较重要，泄漏会影 响工作性能和污 染环境；需要油 电机是标准 件，结构性能好， 除特殊电机(直接 驱动电机、大力矩 电机)外；电机都 要加减速器，不能 直接驱动，加减速 器后体积、惯量变 大 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 15 - 源，单独油源占面 积大 安装维护 安装要求不 高，能在高温、多 粉尘条件下工作； 无发热、爆炸、火 灾等问题；维护简 单；要求过滤水分 及注意系统润滑， 防锈问题。 安装维护要 求高，温度升高 时，油液粘度降 低，影响工作性 能，需要冷却装 置；油液需要定期 过滤，更换；油液 的泄漏会影响工 作性能，易发生火 灾 安装要求随 传动方式而不同， 无管路系统，维护 方便；对直流电机 要求定时调整、更 换电刷及注意防 爆问题。 成本 低 高 高 应用 适用于小负 荷(200n 左右)的 有限点位控制的 上下料(搬运)机 器人，如冲床上的 快道上下料；手爪 上的应用尤其广 泛。 适用于重负 荷(1000n 以上)的 搬运，点焊等机器 人，以及连续轨迹 伺服控制喷漆机 器人(需要防爆性 能)等。 适用于中小 负荷(几十牛顿到 几千牛顿)的搬 运、 焊接、 喷漆(限 交流电动机)、装 配、涂胶等各种伺 服型机器人。 机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人驱动系统的要求有: (1) 驱动系统的质量要尽可能轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高。 (2) 反应速度要快，能够进行频繁的启动、制动，正、反转。 (3) 驱动尽可能要灵活，位移偏量和速度偏差要小。 (4) 安全可靠，操作和维护方便。 (5) 对环境无污染，噪声要小。 (6) 经济上要合理，尤其要减少占地面积。 根据 m40 型工业机器人的设计参数和工作条件: 最大承载能力 40kg,并且能 组成柔性自动化系统的数控金属切削机床， 完成大量控制工业机器人本身以及其 看管的工艺装备的循环指令。 由此可知机器人要求方便实现自动化， 机器人的控制要灵敏且要能适应不同 的机床和最大承载能力内的不同载荷的工作，并且操作机位移精度要求比较高 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 16 - (1mm)，液压驱动传动平稳载荷也能达到最大载荷需要的驱动力，且能够实现 无级调速，能够实现位置和速度的精确控制，本次设计液压驱动的方式对机器人 进行驱动。 机器人可以搭配不同的机床和搬用不同载荷的物体， 所以操作机移动需要不 同的运动速度，所以小车机构不能使用液压马达直接驱动，小车传动装置里面应 该有减速器。 2.2 机器人的操作机构机器人的操作机构 2.2.1 操操作作机的机的整整体结构体结构 工业机器人的操作机（机械手）主要由手臂、手腕、夹持器以及驱动这些部 件运动的驱动机构组成。其机械简图如图 2.4 所示 图 2.4 操操作作机的机的整整体结构图体结构图 小车 1，单轨 2，滑板 6，手臂 7，手腕 8，夹持机构 9，连杆 14，滑板机体 13，齿轮条 16 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 17 - 2.2.2 操作机的各部分的运动操作机的各部分的运动 （1）滑板(手臂)的上下运动 如图 2.4 所示，在小车 1 上固定着滑板的机体 13，滑板 6 固定在滑板机体 13 上，它与线性电液步进式驱动装置的连杆 14 相连，连杆 14 滑板控制滑板 6 的上下运动。 滑板 6 上下运动的最大行程是 420mm，滑板 6 上下移动时速度最大值为 0.8m/s。 （2）手臂的摆动 在滑板 6 的下端轴上连接安装有手臂 7，它可以完成相对此轴的摆动运动， 此运动由线性电液步进式驱动装置 15 来实现，它铰接在滑板 6 的支架上，驱动 装置 15 中液压缸的活塞杆与手臂 7 的肩部相铰接。 手臂摆动的最大角度为 100，最大摆角的角平分线与地平面垂直，手臂转 动的角速度为 90/s。 图图 2.5 平移机构平移机构 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 18 - 为保证手臂 7 摆动时手腕 8 在空间位置的固定性，采用一种专用平移机构， 它由手臂的上铰链中齿轮副 z17/z18 齿轮条 16 以及手臂下铰链中同样的齿轮副 z19/z20 所组成，并且上齿轮 z17，装在手臂的摆动轴上，而下齿轮 z20 装在手 腕 8 的转动轴上。若上齿轮 z17 保持不动，则在手臂摆动时，手腕 8 的轴将保 持在空间的固定位置。 （3）手腕的摆动(相对纵轴的转动) 如图 2.5， 手腕相对其纵轴的转动的液压驱动装置包括液压马达 10 和传动比 为 17/3015/3015/54 的三级减速器。 手腕摆动的最大角度为 90，其轴线是其最大摆角的角平分线，手臂转动 的角速度为 90/s。 图图 2.5 手腕和夹持器控制原理图手腕和夹持器控制原理图 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 19 - （4）手腕的转动 手腕的转动由随动阀控制，其压杆 17 的滚轮沿装在手腕转动部分法兰上的 靠模滚动，按所需的转角(90或者 180)来选择杠杆 17 轴的位置。 （5）夹持器的控制 如图 2.5 所示，夹持器 9 钳口的驱动装置为液压缸 12，其活塞杆与夹持器的 夹紧机构拉杆相连。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 20 - 第三章第三章 小车传动装置的设计小车传动装置的设计 3.1 总体方案的总体方案的确定确定 3.1.1 传动方式的传动方式的确定确定 目前机械设备减速器中常见的传动方式主要有四种：带传动、链传动、齿轮 传动、蜗杆传动。 （1）带传动： 挠性传动，结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，传动中有弹 性滑动，传动比不能保持恒定，传动中心距较大，有些类型的带传动，传动中不 产生震动，但传递功率较小。 （2）链传动： 挠性传动，与摩擦型带传动相比，链传动无弹性打滑和整体打滑现象，但其 瞬时速度不均匀，传动比不能保持恒定，传动速度较低，有冲击，动载和噪声。 （3）齿轮传动： 适用功率和速度范围广，效率高、结构紧凑、适用于近距离的传动，瞬时传 动比稳定、工作可靠、寿命长。但其对制造和安装精度要求较高，成本较高，无 过载保护作用。 （4）蜗杆传动：传动比大、结构紧凑、传动平稳，噪声小。但其摩擦损失 较大，传动效率低，不适用于低速大功率传动。且其制造和安装精度要求也高， 成本较高。 与齿轮传动相比，带传动和链传动都没有确定的瞬时传动比，而蜗杆差传动 效率低，摩擦损失传递功率且为传动带来危害。结合机器人的设计参数要求，机 器人定位精度要求高，故应该选择传动比准确可靠的传动； 综上所述， 本次减速器设计传动方式选择最稳定可靠齿轮传动为小车传动装 置的减速器的传动方式。 而对于齿轮传动，常用于减速器的常见齿轮类型有直齿圆柱齿轮，斜齿圆柱 齿轮，圆锥齿轮。因为不需要力矩传递方向的改变，所以不需要使用使用圆锥齿 轮，而斜齿圆柱齿轮与直齿圆柱齿轮相比，斜齿圆柱齿轮传动时有轴向分力，传 递效率不如直齿圆柱齿轮。所以，选择直齿圆柱齿轮。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 21 - 3.2 传动方案的确定传动方案的确定 3.2.1 传动比的传动比的确定确定 图图 3.1 减速减速器的运动简图器的运动简图 减速器的运动简图如图 3.1 所示，液压马达经减速器后，在减速器输出轴通 过模数 m=2.5，齿数 z=24 的齿轮 5 与齿轮齿条 6 连接。 已知小车驱动力 f=2000n，小车由型号为 jm21- d0.02 的液压马达驱动，传 动的最大位移速度 v=0.8m/s。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 22 - 表表 3.1 液压马达参数液压马达参数 由表 3.1 可知，液压马达的输出转速为 1000 / minnr= ，又已知小车传动最 大的位移速度 0.8/vm s= 。由此可知与齿轮条 4 啮合的齿轮 5 的线速度 0.8/vm s= 。 已知齿轮 5 的模数 m=2.5,齿数 z=24,所以可知 齿轮 5 的半径 11 2.5 2429 22 rmzmm= 齿轮 5 的转速 5 0.8 6060263.43 / min 220.029 v nr r = 所以减速器的总传动比 5 1000 3.80 263.43 n i n = 为了不超过液压马达的额定转速，取减速器总传动比 4i = 拟定初级传动比 1i =3.3，二级传动比为 1.18 3.2.2 减速减速器器相相关关数据数据的计的计算算 （1）各传动轴的转速 轴: 1 1000 303.03 / min 3.3 n nr i = = 轴: 1 2 303.03 256.80 / min 1.18 n nr i = （2）各轴的功率 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 23 - 液压马达输出功率 1 32 2000 0.8 1.77 10001000 0.990.980.97 a fv pkw = 32 123 0.90a= ， 1 ， 2 ， 3 分别为轴承，齿轮传动，齿条传动的效 率，分别取 1 =0.99， 2 =0.98， 3 =0.97。 轴: 1 12 1.77 0.99 0.981.72ppkw= 轴: 12 1.72 0.99 0.981.67ppkw= （3）各轴的转矩 液压马达的输出转矩 11.77 9550955016.90 1000 d p tn m n = 轴: 11 1 2 16.90 3.3 0.99 0.9854.12dtt in m= 轴: 1 2 12 541200 8200 2132 t fn d = 表表 3.2 减速减速器各器各数据数据 项目 液压马达 轴 轴 转速(r/min) 1000 303.03 256.80 功率(kw) 1.77 转矩(nm) 16.90nm 54.12nm 61.96nm 传动比 3.3 1.18 效率 0.97 0.97 3.3 减速减速器器齿轮齿轮传动的设计计传动的设计计算算 3.3.1 高速轴齿轮高速轴齿轮的设计计的设计计算算 1.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 （1）根据之前传动方式的选择，选用直齿圆柱齿轮。 （2）机器人要求传动平稳，速度不高，选用 7 级精度(gb 10095- 88)。 （3）材料选择。由机械设计表 10- 1，选择小齿轮材料为 40gr(调质)， 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 24 - 硬度为 280hbs，大齿轮材料为 45 钢(调质)，硬度为 240hbs，二者材料硬度差 为 40hbs。 （4）初选小齿轮齿数 1 z =20，大齿轮齿数 211 66zzi= 。 2.按齿面接触强度设计 （1）由设计计算公式 3.1 进行试算 2 1 3 1 1 2.32 e t dh ktzu d u + (式 3.1) （2）选定载荷系数 t k =1.3 （3）小齿轮传递的转矩 1 0.9916.90 0.9916.73 d ttn m= （4）由机械设计表 10- 7,选取齿宽系数 d =0.5 （5）由机械设计表 10- 6 表查得材料的弹性影响系数 e z =189.8m 1 2 pa （6）由机械设计图 10- 21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 lim1 600 h mpa= ；大齿轮的接触疲劳强度极限 lim2 550 h mpa= 。 （7）由机械设计10- 13 计算应力循环次数 9 11 6060 1000 1 (8 300 15)2.16 10 h nn jl= = 8 1 2 6.45 10 3.3 n n = （8）由机械设计图 10- 19 取接触疲劳系数 1 0.92 hn k= ； 2 0.94 hn k= 。 （9）计算接触疲劳许应力。 取失效概率为 1，安全系数 s=1， 1 1lim1 0.92 600552 hnh h k mpampa s = 2lim2 20.94 550517 hnh h k mpampa s = 3.计算 （1）试计算小齿轮分度圆直径 1t d ,代入 h 中较小的值。 2 2 4 1 33 1 11.3 1.673 10 4.3 189.8 2.322.3235.688 0.53.3517 h te t d k tzu dmmmm u + = 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 25 - 计算圆周速度 o v 11 35.668 960 /1.8/ 60 100060 1000 t d n vm sm s = 计算齿宽 1 0.5 35.66817.834 odt bdmm= =g （2）计算齿宽与齿高之比 b h 模数 1 1 35.688 1.78 20 t t d m z = 2.252.25 1.784.01 35.688/ 4.018.90 nt hmmm b h = = （3）计算载荷系数，根据 v=1.8m/s,7 级精度，由机械设计图 10- 8 查得 动载荷系数 1.11 v k = ，直齿轮 h k =f k =1 由机械设计表 10- 2 查得使用系数 1 a k = 由机械设计表 10- 4 查得 7 级精度，小齿轮相对支撑做悬臂布置时 1.35 h k = 。 由 35.688/ 4.018.90 b h = ， 1.31 h k = ， 查 机械设计 图 10- 13 得 1.35 f k = ; 故载荷系数 1 1.11 1 1.3.11.454 avhh kk k kk = = （4）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 3 3 11 1.454 35.66837.036 1.3 t t k dd k = （5）计算模数 n m 1 1 37.036 1.85 20 n d mmm z = 4按齿根弯曲强度设计 由式 10- 5， 1 3 2 1 2 fs n df kty y y m z 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 26 - （1）由图 10- 20c 查得，小齿轮的弯曲疲劳强度极限 mpa fe 500 1 = ，大齿 轮的弯曲疲劳强度极限 mpa fe 380 2 = 。 （2）由图 10- 18 查得弯曲疲劳强度寿命系数 85 . 0 1 = fn k ， 88 . 0 2 = fn k （3）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 s1.4，由式 10- 12 得 mpa s k fefn f 57.303 4 . 1 50085 . 0 11 1 = = mpa s k fefn f 86.238 4 . 1 38088 . 0 22 2 = = （4）计算大小齿轮的 f safay y 11 1 22 2 2.592 1.596 0.01363 303.57 2.172 1.798 0.01635 238.86 fasa f fasa f yy yy = = 大齿轮的数据大 设计计算 4 3 2 2 1.454 1.673 10 0.016351.58 0.5 20 n mmm = 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数