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20 dof 工业 机器人 结构设计

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20+3-DOF工业机器人的结构设计,20,dof,工业,机器人,结构设计

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目 录 1 引言 . (01) 1. 1 选题的依据和意义 . (02) 1. 2 国内外研究概况 . (03) 1. 3 论文主要内容 . (05) 2 机器人结构分析 . (06) 2. 1 总体结构的概述 . (06) 2. 2 第一轴（大臂）的结构 . (07) 2. 3 第二轴结构 . (09) 2. 4 第三轴结构 . (10) 2. 5 传动方案的确定 . (11) 3 设计计算 . (12) 3. 1 电动机的选择 . (12) 4 传动结构的设计计算 . (16) 4. 1 第一轴的传动结构设计 . (16) 4. 2 轴承的选择 . (31) 4 2 1 斜齿轮传动轴上的轴承 . (31) 5 机器人各零部件的结构设计 . (32) 5. 1 转角范围的控制设计 . (32) 5. 2 主要零部件的结构设计（第一臂与底座） . (33) 5 2 第一轴转臂的结构 . (33) 5 2 底座的结构设计 . (33) 6 总 结 . (34) 参考文献 . (35) 致 谢 . (36) 附录 A . 外文文献翻译 附录 B . 装配图与各零件图 1 动态优化的一种新型高速，高精度的三自由度机械手 彭兰（兰朋） ，鲁 南立 ，孙立宁，丁 倾永 (机械电子工程学院 ，哈尔滨理工学院，哈尔滨 150001，中国 ) ( 50001， P。 R。摘要 介绍了一种 动态优化三自由度 高速、高精度相结合，直接驱动臂平面并联机构和线性驱动器，它可以提高其刚度进行了动力学分析软件 行仿真模拟实验 析了设计变量的近似的敏感性，包括影响参数的每道光束截面和相对位置的线性驱动器上的性能 型可以获得一个轻量级动态优化和小变形的参数。一个平面并联机构不同截面是用来改进机械手的 显的改进后的系统动力学仿真分析和另一个未精制一个几乎是几乎相等 明这种方法更为有效的。 关键词 : 机械手、 优化、 动力学仿真 2 0 简介 并联结构机 械手（ 一个很有前途的机器操作和装配的电子装置，因为他们有一些明显的优势，例如：串行机械手的高负荷承载能力，良好的动态性能和精确定位的优点等 . 一种新型复合 3一 是并联机构为研究对象， 三自由度并联机器人是少自由度并联机器人的重要类型。三自由度并联机器人由于结构简单，控制相对容易，价格便宜等优点，具有很好的应用前景。但由于它们比六自由度并联机器人更复杂的运动特性，增加了这类机构型综合的难度，因此对三自由度并联机器人进行型综合具有理论意义和实际价值。本文利用螺旋理论对三自由度 并联机器人进行型综合，以总结某些规律，进一步丰富型综合理论，并为新机型的选型提供理论依据， 以下对其进行阐述。 如图 机械手组成的平面并联机构 (括平行四边形结构和线性驱动器安装在 线型致动器驱动的声音线圈发动机 作为一个非换直接驱动类，音圈电机可以提供高位置敏感和完美的力量与中风的角色，高精密线性编码作为回馈部分保证在垂直方向可重复性。 另一方面，该产品具有较高的刚度比串行 机械手，因为它的特点和低封闭环惯性转矩。同时，该系统可以克服了柔性耦合力学弹性、齿轮、轴承、被撕咬支持，连接轴和其他零件，包括古典驱动设备，因此该机械手是更容易得到动力学性能好、精度高。 图 3自由度的混合结构的机械手 3 当长度的各个环节的平面并联机时，构决定于运动学分析和综合 4机械优化设计的首要任务，应加大僵硬、降低质量 这是它重要和必要的影响，研究了各参数对模型表现以进一步优化。本文就开展设计研究工具，通过参数分析亚当斯，又要适当的方式来获 得一个轻量级的优化和小变形系统。 1 仿真模型 f 动机械系统动力学分析是一个完美的软件，对机械系统动力学模拟可处理机制包括有刚性和灵活的部分，仿真模型可以创造出机械手的亚当斯环境 如图 个直流驱动电机、交流和 02M 线性驱动器 20kg/众的线性驱动器是 接 、 03梁 用公司和公里，形成一个三角形，也被当作柔性传动长度的链接是决定提前运动学设计为 7J=77 = 它维度，这个数字是 01A = 02M =7D=G=3 虽然总平面并联机构的运动都是在水平、垂直和水平刚度必须在竖向刚度特征通常低于水平僵硬，因为它的角色在垂直悬臂梁的截面尺寸计算每一束平面并联机构和相对位置的线性驱动器是两个非 常僵硬的影响因素的系统。 运动支链可分为三类： 主动链（由驱动器赋予确定独立运动的支链。一般是单驱动器控制一个自由度的运动），从动链（不带驱动器、被迫作确定运动的支链。又分为以下两种：约束链：独立限制机构自由度的从动链。冗余链：重复限制机构自由度的从动链）复合链（有单驱动器、但限制一个以上的机构自由度的支链，实际是主动链与约束链的组合） 链中的约束链除了可以提高机构刚度和作为测量链外，其更主要的作用是用来约束动平台的某一个或几个自由度，以使其实现预期的运动。 4 图 仿真模型 2 仿真模拟结果 在本节中，平均位移的末端是用来描述动态刚度，这是在不同的配置在不同的线性驱动器向前，从最初的位置的目的地，一般的竖向位移的机械手是作为目标来研究竖向刚度，平均差别的横坐标、纵坐标点之间有一个刚性数学模型，模型，作为目标来研究水平刚度。 并联机器人的构型设计即型综合是并联机器人设计的首要环节，其目的是在 给定所需自由度和运动要求条件下，寻求并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局等的各种可能组合。国内的许多学者正致力于这方面的研究，其中比较有代表性的有如下几种方法：黄真为代表的约束综合法；杨廷力等人的结构综合法；代表的李代数综合法。以上各种方法自成体系，各有特点，都缺乏理论的完备性。本文提出添加约束法，是从限制自由度的角度出发，增加约束，去除不需要的自由度，因每条主动链只有一个驱动装置，让其控制一个自由度，其余自由度通过纯约束链去除，这样可以使主、从动运动链的作用分离，运动解耦，有利于控制。具有三自由度的并联 机床，当采用条主动支链作为驱动时，机构就需要约束另三个自由度，通过选择无驱动装置的从动链来完成，则整个机构成为有确定运动的三自由度的并联机构。黄真等提出的约束综合法对完全对称的少自由度并联机器人机构进行了型综合，完全对称的支链结构相同，都属于复合链，每条支链除都有一个单驱动器，控制一个自由度外，还应约束一个以上自由度才能使机构的六个自由度全部受控，使机构有确定的运动。 5 面效应 扭转变形位移的连结将会引起的，所以，扭转常数的横截面，重力是研究装系统来研究，采取扭转刚度的垂直切片 梁作为设计变量的变化，从 x 105 3.5 x 105 图 断的效果在垂直变形扭转 图 据它的变化速率的环节，是最大的， 他的仿真结果表明，水平位移之间的差异进行比较，结果表明该模型体育智力 是水平位移的变化，这意味着在这种模拟竖向变形的生产水平位移系统机械手。注意端面 线性驱动器的主要原因是水平变形、线性驱动器机器人是由两个节点 . 所以，我们计算了不同的 图所示，在图 4 次是最有效的通用和连接梁，连接 因此，应采取 向刚度较大并行扭转不变的链接德也使较少的均匀性，降低线性驱动器不可以降低水平变形。 6 图 在不影响扭不变 如图 6所展示的影响是区域惯性转矩的设计变量是区域刚度和惯性转矩的各个环节和梁 显示增加 个 B、梁的链接，链接 图 示 链接的 公里，连接 03同的分析结果表明， 有至少两个垂直和水平刚度，这意味着这种结构，具有足够的水平，降低 B、梁的链接，链接 化系统。 图 瞬间的惯性效应对垂直位移 7 图 转动惯量不平衡的影响 线性执行器的惯性是主要载荷之一，在机械手的运动，不同的相对应的垂直位置产生不同的变形，图 7 显示了绝对平均的最终效应垂直位移时驱动马达以恒定的加速度旋转，我们可以看到，过低或过高的相对位置会造成比格变形，最好的位置是一对 Z = 24毫米的地方大概是从中间环节连接 图 影响线性驱动器的相对位置 8 3 分析改进的机械手 根据上述模拟结果，所有改进的机械手的设计，时间如下 ：链接截面 3010 毫米的厚度 ;链接 矩形空心梁 与 30基础和高度 工型钢 ， 兰和 6 ;梁竞，通用汽车与 8坚实基础和 30的矩形。 图 梯形运动姿态 图 回应的是机械手，相比之下，图 提高初始的反应，在其中所有的链接和机械手的矩形截面梁的坚实基础，用 30 毫米，高度的差异是曲线， C 和 H 的曲线积分，二是垂直位移的末端，改进系统中最大位移 初的 比，争论的振动激励后仍 停留在 s比的初始变形改善系统的初始小于前者具有较少的惯性，因为在相同的步伐不断加快，保持振动瓣膜差不多一样，它对这整个系统中来说，仍然改善系统的刚度，几乎相当于初始制度，针对大规模的平面并联机构在该系统相比下降了 30%，这样的初始优化是有效的。 9 图 图 动态响应 10 4 结论 本文设计了一种新型三自由度机械手变量的敏感性进行了研究在 境 中，可以得出以下结论： 1） 机器人具有较大的水平刚度，最终水平位移，效应主要是由机械手垂直变形造成的，因此，更重要的是增加的幅度比刚度竖向刚度。 2） 参数 链接 截面刚度 不同的效应， 经对垂直刚度的影响最大，第二位的是， 有在垂直刚度的影响最小，他们都较少对水平比垂直刚度刚度。 3） 横截面的不同环节都有不同的影响 ，连线 竖向刚度 德应该使用区扭转常数和惯性力矩大 ， 如 变形、 长方形 、横梁 线 03F 应该使用区段 形梁 等重大时刻转动惯量 、横梁 和 以使用尽可能的一小 部分 ， 从而降低了质量。 4） 最佳的线性驱动器的相对位置可以减少变形 ， 最好的位置是垂直的平行结构。 5） 改进的机械手的动态分析表明该优化设计方法研究的基础上的效率。 11 参考文献 l ， T S。 a m 200o。 35 (1)： 15 40 2 ， ， ， et A on u ts 2003， 43(7)： 721 730 3 ， M。 of 000 2001， 174 188 4 C M， 。 A of 113(3)： 220 226 5 ， I， ， 。 33(6)： 661 6 ， ， X， et - by a 2004， 20， (3)： 538 543 7 M， 。 1997， 2l(4)： 377 398 8 K， ， H， et on 203766 3771 9 。 ie of 2004， 39(6)： 583 60l 10 a A A。 270-3 l0 999 宝藏网 9 9 9 漑蠀 Q w w w . i n 9 . c n - & , b B 999 宝藏网 9 9 9 漑蠀 Q w w w . i n 9 . c n - & , b B 999 宝藏网 9 9 9 漑蠀 Q w w w . i n 9 . c n - # , b B 999 宝藏网 9 9 9 漑蠀 Q w w w . i n 9 . c n - & , b B 999 宝藏网 9 9 9 漑蠀 Q w w w . i n 9 . c n - , b B 999 宝藏网 9 9 9 漑蠀 Q w w w . i n 9 . c n - & , b B 毕业设计（论文）外文翻译 题目 动态优化的一种新型高速，高精度的三自由度 机械手 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 0781052 19 学 生 姓 名 李明明 指 导 教 师 许 瑛 日 期 2011 年 3 月 15 日 学士学位论文原创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果 ,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学 科技学院 可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 毕业设计（论文）开题报告 题目 3 业机器人的结构设计 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 0781052 19 学 生 姓 名 李明明 指 导 教 师 许 瑛 填 表 日 期 2010 年 3 月 3 日 说 明 开题报告应结合自己课题而作，一般包括：课题依据及 课题的意义、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）、研究内容及实验方案、目标、主要特色及工作进度、参考文献等内容。 以下填写内容各专业 可根据具体情况适当 修改 。 但每个专业填写内容应保持一致。 一、 选 题的依据及意义： 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 “工业机器人”（ 多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。 而少自由度工业机械人中大多数为 机械手 ，而机械手机器人 主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势 （图 1。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称 为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6 个自由度 （图 1。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 2 3 个自由度。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 图 1 图 1、 国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）： 机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。 目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种 可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。 据国际机器人联盟（ 2006年 5月发布的 “2006世界机器人调查 ”显示， 2005年世界新安装工业机器人 121000台，比 2004年的 97000台增长 25%。这是继 2003年工业机器人安装数量重回增长态势后的重大突破， 2005年也成为近 15年来世界工业机器人新安装台数最多的年份，比上一个峰值 2000 年的 99000台增长22000台。 图 2 1991工业机器人台数 资料来源： 006 据国际机器人联盟统计局预测，截至 2005年底，全世界在运行中的工业机器人共有 914000台，比 2004年增加 8%。其中，有 50%来源于亚洲地区；欧洲和美洲分别占 1/3和 16%；而澳大利亚和非洲地区大概占 1%的比例。 资料来源： 006 图 2 1991就 2005年几大应用领域的工业机器人类型来看，机械手的产量遥遥领先于其他类型的工业机器人，约 达到 43500台。其中，亚洲地区机械手的产量比 2004年增加了 27%；美洲地区机械手的产量幅度更是高达 53%；虽然欧洲地区 2005年机械手的产量比上年略有下降，但其产量仍接近 14000台。接下来依次是：点焊接机器人、弧焊机器人、装配机器人和分配机器人，其产量分别约为 20500台、 17500台、 13000台和 4500台。表 1反映了 2005年亚、欧、美三大地区各类型工业机器人的产量增幅情况。 表 1 2005年亚、欧、美三大地区各类型工业机器人产量增幅表 类 型 机械手 点焊接机器人 弧焊机器人 装配机器人 分配机器人 地 增 区 幅 亚洲地区 27% 64% 82% 101% 23% 美洲地区 53% 22% 33% 36% 121% 欧洲地区 6% 1% 资料来源： 006 三、研究内容及主要特色： 本次设计是根据对工业六自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨，进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴（臂）的传动系统的设计以及整体的结构设计，避免运动的干涉。在本次设计中主要负 责第一臂与底座的结构设计。 题工作内容： 开题报告，外文资料翻译 机器人本体的组成方案设计 第一臂、底座的结构分析与设计 台上建立各零部件与装配图 毕业论文整理 及答辩准备 四、目标、主要特色及工作进度： 3 业机器人结构设计： 以 3 自由度机器人的 结构设计，主要设计要求如下： 第一轴：转动角速度为 90 /s，转角范围为 0 270 底 座：能够实现第一臂转角 (0 )转角范围控制 图 4业设计（论文）工作进度的时间： 开题报告，外文资料翻译 第 01 周 2 周 机器人本体的组成方案设计 第 03 周 4 周 结构分析与设计 第 05 周 8 周 虚拟平台的建立与装配 第 09 周 2 周 机器人抓取作业的运动模拟 第 13 周 5 周 毕业论文整理 及答辩准备 第 16 周 7 周 五、 参考文献 1 孙桓 等主编 第六版 ) 2001 2 马香峰 主编 冶金工业出版社 ,1996 3 宗光华 张慧慧译 科学出版社 ， 2004 4 郑笑级 工业机器人技术及应用 M. 北京：煤炭工业出版社， 2004 5 D 998,5(2):33 42 3业机器人的结构设计 学生姓名： 李明明 班级： 0781052 19 指导老师： 许 瑛 摘要 ： 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强 度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本设计介绍了关于工业机器人的一些基本常识和原理，包括工业机器人的组成、分类、主要技术性能参数和工业机器人的运动分析，并参考通用型工业六自由度机器人的结构。根据对工业六自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨，进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴（臂）的传动系统的设计以及整体的结构设计，避免运动的干涉，在本次设计中主要负责第一臂与底座的结构设计及其传动原理，对第一臂与底座的各零部件的结构设计。 关键词 ： 三自由度 机器人 传动原理 控制 指导老师签名： 南昌航空大学科技学院学士学位论文 1 引言 在加速科技进步中，机械制造业的发展起着关键的作用，其任务是在工业生产中迅速将工艺装备的独立单元变为自动化综合体（自动化工段，生产线和自动化车间），将来甚至实现自动化工厂。这种自动化生产最重要的特点是具有柔性，它能预料到，在节省劳力（或无人）情况下，根据工艺条件调整装配，以适应多种产品生产。 当代柔性自动化生产的建立和广泛应用，取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机器人技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。工业机器人是多品种的经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中， 工业机器人既有效地用于柔性生产系统组成工艺装备的基本工序中，也有效地用于辅助操作中。工业机器人与传统自动化手段不同之处，首先在于它在各种生产功能上的通用性和重新调整的柔性。在柔性生产系统中，工业机器人广泛应用于数控机床、锻压机床、铸造机械和仓储设备上，以完成传送装备和其它操作。工业机器人和基本工艺装备、辅助手段以及控制装置一起形成各种不同形式的机器人技术综合体 柔性生产系统基本结构模块。 随着工业技术和经济的惊人发展，标志着多品种中、小批量生产最新水平的 性制造系统）， 厂自动化）技术更加引人 注目；作为 术重要组成之一的工业机器人技术也将得到迅速发展。应用工业机器人是提高生产过程自动化，改善劳动环境条件，提高产品质量和生产效率手段之一。 本次设计是根据对工业六自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨，进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴（臂）的传动系统的设计以及整体的结构设计，避免运动的干涉。在本次设计中主要负责第一臂与底座的结构设计。 在设计中许瑛老师给予了很大的指导和帮助，在此谨致谢意。 限于水平，本设计难免有缺点、错误，恳请各位老师批评指正。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 题的依据及意义： 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 “工业机器人”（ 多数是指程序可变（编） 的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。 而少自由度工业机械人中大多数为 机械手 ，而机械手机器人 主要由手部和 运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6 个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 2 3 个自由度。 机械手的种类，按驱动方式 可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 内外研究概况 机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。 目 前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。 据国际机器人联盟（ 2006年 5月发布的 “2006世界机器人调查 ”显示， 2005年世界新安装工业机器人 121000台，比 2004年的 97000台增长 25%。这是继 2003年工业机器人安装数量重回增长态势后的重大突破， 2005年也成为近 15年来世界工业机器人新安装台数最多的 年份，比上一个峰值 2000 年的 99000台增长 22000台。 资料来源： 006 图 1 1991南昌航空大学科技学院学士学位论文 据国际机器人联盟统计局预测，截至 2005年底，全世界在运行中的工业机器人共有914000台，比 2004年增加 8%。其中，有 50%来源于亚洲地区；欧洲和美洲分别占 1/3和 16%；而澳大利亚和非洲地区大概占 1%的比例。 资料来源： 006 图 1 1991就 2005年几大应用领域的工业机器人类型来看，机械手的产量遥遥领先于其他类型的工业机器人，约达到 43500台。其中，亚洲地区机械手的产量比 2004年增加了 27%；美洲地区机械手的产量幅度更是高达 53%；虽然欧洲地区 2005年机械手的产量比上年略有下降，但其产量仍接近 14000台。接下来依次是：点焊接机器人、弧焊机器人、装配机器人和分配机器人，其产量分别约为 20500台、 17500台、 13000台和 4500台。表 1反映了 2005年亚、欧、美三大地区各类型工业机器人 的产量增幅情况。 类 型 机械手 点焊接机器人 弧焊机器人 装配机器人 分配机器人 地 增 区 幅 亚洲地区 27% 64% 82% 101% 23% 美洲地区 53% 22% 33% 36% 121% 欧洲地区 6% 1% 表 1 2005 年亚、欧、美三大地区各类型工业机器人产量增幅表 资料来源： 006 南昌航空大学科技学院学士学位论文 文的主要 内容： 在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制， 计算机系统，机器人等。在 本次设计是根据对工业六自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨，进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴（臂）的传动系统的设计以及整体的结构设计，避免运动的干涉。在本次设计中的要求 ,主要负责第一臂与底座的结构设计。 这次设计的机器人主要部位为第一轴与底座，设计一个第一轴转动角速度为 90 /s,转角范围为 0270。底座能够实现第一臂转角 （ 0270）转角范围控制的 3业机器人。 第一步，查阅资料，工业机器人原理，了解工业机器人在国内的发展状况和生存问题。了 解 3业机器人的特点以及在日常生产生活中的用途。根据其运用的场合不同，适当选择合适的方案，以达到实用、经济、可靠的目的。 第二步，在对所选课题有个初步的了解之后，在确定 3业机器人的结构设计内容。 第三步，机器人的总体方案设计，进行系统的方案的设计、比较与确定，依据对选择的传动方案，查阅相关参考文献，从而完成，第一、第二、第三轴的传动选择。设计好了之后，确定出总体的结构及整体方案。 第四步，选择电动机，通过计算出第一轴上的转动惯量，选择合适的电动机，从而进行第一轴的传动结构的设计 及计算。根据齿轮轴径值，查阅机械设计手册，选择底座的轴承。 第五步，根据方案，画出装配图，装配图画好后，从装配图中设计选择第一轴零部件以及完成对零部件图的初步绘制。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 2 机器人的结构分析 目前，世界上已有许多工业机器人，其中大部分属于“示教再现”型。如果将这类机器人称作第一代，那么，具有一定程度的视觉、触觉、或某种分析、判断能力的工业机器人就属于第二代了。不少国家正在积极研制具有观觉、触觉等功能的工业机器人，并取得了不少成果，但是，真正将这些成果应用于生产实际的还 为数不多。在实际生产（如喷漆、焊接、装配等）中被广泛应用的工业机器人，示教再现型还是较多。 一般的机器人，它由机器人的机构部分、传感器组、控制部分及信息处理部分构成。机构部分有机械手和移动机构两部分组成；传感器有测量机器人自身位置姿态和速度、加速度的内传感器和了解外部环境及作业对象工作情况的外传感器；控制器是直接控制机器人运动的装置，只要不是自主型移动机器人，它通常放在与机器人不同的地方，通过导线连接。在工业机器人的控制装置中，有电动机驱动电路、 P 运动轨迹数据的记忆装置和定位控制电路等。 信息处理装置通过信息传输装置与机器人本体相连，多用于智能机器人。 机器人具有六自由度，即大臂的回转、臂的左右摆动、臂的上下摆动、手腕的回转、手腕的伸缩和手爪的抓取。当然，图中没有表示出控制系统及手爪抓取的那一部分。该六自由度机器人运动的情况说明如下：首先，由电动机 过传动系统带动大臂的回转运动，且与大臂相连的所有其它手臂、手腕及机械构件也随大臂一起作回转运动；而后另一手臂由电动机 有，第三臂由电动机 后，手腕的回转、伸缩及手爪的抓取由其它三个电动机驱动。 南昌航空大学科技学院学士 学位论文 一轴（大臂）的结构 大臂的结构图（图 2其传动原理简图（图 2 图 2昌航空大学科技学院学士 学位论文 图 2一臂，也即大臂，该手臂实现工业机器人的回转运动，整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求，整个减速系统采用了三级斜齿轮传动，且所有的斜齿轮都装在一个箱体（减速箱）里面。然而，与一般情况不 同的是，第三级斜齿轮直接固定在机座上，从而使其它的（上级的斜齿轮）传动机构绕着它转动，且电动机又固定在大臂上，所以导致大臂带着电动机、减速箱一起作回转运动。 南昌航空大学科技学院学士 学位论文 二 轴的结构 第二轴 的结构图（图 2 图 2 二轴 ，该手臂实现工业机器人的 左右摆动 ，整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求，整个减速系统采用了 一 级齿轮传动。由电动机上的一个齿轮和轴承右侧的一个齿轮啮合，轴承通过定位销与第二大臂固定，电 动机带动齿轮，把动力传给与第二臂固定的轴承，使得第二臂实现水平线上的前后摆动。 南昌航空大学科技学院学士 学位论文 三 轴的结构 第三轴 的结构图（图 2 图 2 三轴 ，该手臂实现工业机器人的 上下摆动 ，整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求，整个系统采用了 一 级齿轮 内啮合 传动。由电动机上的一个齿轮和第三臂上的一个大齿轮内啮合， 电动机带动小齿轮，小齿轮带动第三臂上的大齿轮使得第三臂整个做上下摆动。从而实现第三臂实际操作。 南昌航空大学科技学院学士 学位论文 动方案的确定 根据工业 机器人的总体结构分析可知，工业机器人的三轴的传动结构并不复杂。第一轴采用的是齿轮传动，第二轴、第三轴则采用的是摆线针轮行星齿轮传动。当然，参照以上的传动结构分析，现拟定如下三种传动方案： 方案一：第一轴：齿轮传动（直齿或斜齿） 第二轴、第三轴：齿轮传动（直齿或斜齿） 方案二：第一轴：蜗杆蜗轮传动 第二轴、第三轴：蜗杆蜗轮传动 方案三：第一轴：蜗杆蜗轮传动 第二轴、第三轴：齿轮传动（直齿或斜齿） 方案比较论证 首先，已知各种传动的传动比 u:直齿 圆柱齿轮传动， u 4；斜齿轮传动， u 6；蜗杆蜗轮传动， 5 u 70，常用 15 u 50；摆线针轮行星齿轮传动， 11 u 87（单级）。然后估算各轴的传动比，初选转速为 1500r/ 500/15=100, 500/20=75。 三 轴传动的确定：蜗杆蜗轮传动的特点： 1）传动平稳，振动冲击和噪声均很小； 2）传动比也较大，结构比较紧凑。而在这里采用此传动，则需要两级传动才能满足要求，蜗杆蜗轮的传动是两轴交错的，这样一来也就增加了结构的复杂性，且同时也增加了转动时的负荷； 3）由 于蜗杆蜗轮啮合轮齿间相对滑动速度大，使得摩擦损耗大，因而传动效率较低。因此，第一轴采用齿轮传动。要实现设计要求，如采用圆柱直齿轮传动则需要四级传动，而采用斜齿轮则需要三级就可以，并且知道在相同的条件下，采用斜齿轮传动比圆柱齿轮传动，在结构上尺寸要小得多，由此可知，采用斜齿轮传动。斜齿传动有如下优点： 1）啮合性能好； 2）重合度大，传动平稳； 3）结构紧凑，并且在总体结构上也是合理的。 总上所述，选择方案一为最佳。 三 轴 都 采用齿轮传动。 南昌航空大学科技学院学士 学位论文 3 设计计算 第一轴的 电动机的选择 根据设计方案可知，第二轴、第三轴的所有重量都是第一轴的负荷，所以说，第一轴的转动惯量是很大的，必须计算各零部件的转动惯量，计算出最终动力源轴上所需要的最大的转动惯量，再根据动力源轴上的转动惯量进行选择电动机。下面计算第一轴上的转动惯量： 如图 3轴的转动轴与第二轴的转动轴不同，该转动轴的轴线为 在这种情况下， G 1G 3 三臂的转动惯量： 5co 223 二轴的转动惯量： 222222 )(12 （ 3 22222 2 电动机的转动惯量： 221 电电电 个 齿轮 的转动惯量： 21 轮轮轮 速箱的转动惯量： 3 7 0 2 减昌航空大学科技学院学士 学位论文 第一轴本身的转动惯量： 0 221 以，总的转动惯量为： 3 7 转动角加速度 为： 输出轴的转矩为 M 由式（ 3： 8 总换到电动机上的转矩为： u 据要求电M额M，选 P=3n=1000r/ 南昌航空大学科技学院学士 学位论文 第 二 轴的电动机的选择 根据设计方案可知，第三轴的所有重量都是第 二 轴的负荷，所以说 ，第 二 轴的转动惯量 也 是很大的，必须计算各零部件的转动惯量，计算出最终动力源轴上所需要的最大的转动惯量，再根据动力源轴上的转动惯量进行选择电动机。下面计算 二 轴上的转动惯量： 第二轴的转动惯量： （ a+b+c+d） +电动机的转动惯量： 齿轮的转动惯量 =50*减速箱的转动惯量： 150*第二轴的总惯量： 第三臂的转动惯量： 4*电动机的转动惯量： =100*25减速箱的转动惯量： 150*总的转动惯量为： 5+转换到电动机上的转矩为： 根据要求 M 额，选 P=W), n=1000r/ 南昌航空大学科技学院学士 学位论文 第 三 轴的电动机的选择 第三臂的转动惯量： 4*电动机的转动惯量： =100*25减速箱的转动惯量： 150*总的转动惯量为： 5+转换到电动机上： u=m 根据要求 P= P=n=800r/昌航空大学科技学院学士 学位论文 4 传动结构的设计计算 一轴的传动结构设计 第一轴的传动方案已确定，采用三级斜齿轮传动，且电动机的功率为 P=3KW，n=1000r/传动比 u=1000/15= 一 、传动比的分配：已知斜齿轮的传动比 u 6，再根据传动减速时前面降得慢，而后面降得快的原则，三级降速的传动比分配如下： u= 、各级的传动设计 第一级斜齿轮的传动 设计计算：已知电动机的功率 P=3n=1000r/动比 u= 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1) 按照传动方案的设计要求，选用斜齿圆柱齿轮传动。 2) 考虑减速设计的要求，故大、小齿轮都选用硬齿面。由查表 (常用齿轮材料及其机械特性表 )选得大、小齿轮的材料均为 40经调质及表面淬火，齿面硬度为 4855 3) 选用精度等级。 因采用表面淬火，轮齿的变形不大，不需磨削，故初选 7 级精度 ( 4) 选小齿轮齿数 5，大齿轮齿数 Z2=35=84。 5) 选取螺旋角。初选螺旋角 14 。 按齿面接触强度设计 由设计计算公式进行计算，即 21 )(12 （ 4 1) 确定公式内的各计算值 （ 1） .1 （ 2） 取区域系数 Z 。 （ 3） 图表，查得 ， ，则 = 南昌航空大学科技学院学士 学位论文 （ 4） 411108 6 0 039 5 5 09 5 5 0 N （ 5） 柱齿轮齿宽系数 装置状况 两支承相对小齿轮作对称布置 两支承相对小齿轮作对称布 小齿轮作悬臂布置 d 取齿宽系数 d= (6)Z 表，查得 (7)齿面硬度中间值 52 得大、小的接触疲劳强度极限1 2=1170 (8) 911 530082(110006060 09 1 (9)得 (10)取失效概率为 1%，安全系 S=1,由下式得 1H = 0 61 1 1 7 i 2H = i 取 H=( 1H + 2H )/2=1012 )(1)计算公式（ 4 4 d 据计算的结果及电动机的输出轴径，取0 南昌航空大学科技学院学士 学位论文 (2) 0 060 1 0 0 0501 0 0 060 11 nd tm/s (3)b 及摸数 td (4) （ 5）计算载荷系数 K 已知使用系数 1 根据 ， 7级精度，由动载荷系数值分布图，查 得动载荷系数 由接触强度计算用的齿向载荷分布系数 (，查得 弯曲强度计算的齿向载荷分布系数 (， 查得 由齿向载荷 分配系数 ( ,查得 故载荷系数 =1 6)式得 311 7)7 9 . 按齿根弯曲强度设计 南昌航空大学科技学院学士 学位论文 由式 2121co （ 3 1) 确定计算参数 (1) 计算载荷系数 2) 根据纵向重合度 ，从螺旋角影响系数图表查 得Y= (3) 计算当量齿数 s 3311 s 3322 ) 查取齿形系数 由齿形系数表查得 15) 查取应力校正系数 由齿形系数16) 由齿轮的弯曲疲劳强度极限图 ,查得 68021 (7) 由弯曲疲劳寿命系数1 (8) 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S=下式得 11 22 (9) 计算大、小齿轮的 并加以比较 111= 0 0 9 7 6 5 南昌航空大学科技学院学士 学位论文 222Y= 0 0 9 2 7 8 小齿轮的数值大。 2）设计计算 4( c 比计算结果 ,由齿面接触疲劳强度计算的法向模数小于由齿根弯曲疲劳强度计算的法向模数 ,根据满足弯曲强度及接触疲劳强度 ,最后取 1) 计算中心距 a 214co )8435(co 21 中心距圆整为 a =122.5 ) 按圆整后的中心距修正螺旋角 )8435(a r c c o (a r c c o s 21 a n因 值改变不大 ,故参数、 等不必修正。 3) 计算大小齿轮的分度圆直径 o s 235c o 27 2 s 284co ) 计算齿轮宽 度 8 5 db d整后取 5 0 南昌航空大学科技学院学士 学位论文 第二级的传动条件： 电机的功率为 P=n=动比 u=体设计计算如下： 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 考虑减速设计的要求，故大、小齿轮都选用硬齿面。由查表 (常用齿轮材料及其机 1) 械特性表 )选得大、小齿轮的材料均为 40经调质及表面淬火，齿面硬度为48 55 2) 选用精度等级。 因采用表面淬火，轮齿的变形不大，不 需磨削，故初选 7 级精度 ( 3) 选小齿轮齿数 4，大齿轮齿数 Z2=24=117。 4) 选取螺旋角。初选螺旋角 14 。 按齿面接触强度设计 由设计计算公式（ 3行计算。 1）确定公式内的各计算值 （ 1） .1 （ 2） 取区域系数 Z 。 （ 3） 图表，查得 ， ，则 = （ 4） 5 09 5 5 0 N （ 5） 柱齿轮齿宽系数 选取齿宽系数 d= (6)Z 表，查得 (7)齿面硬度中间值 52 得大、小的接触疲劳强度极限1 2=1170 (8) 911 530082( 位论文 8912 (9)得 (10)取失效概率为 1%，安全系 S=1,由下式得 1H = 10531 i 2H = i 取 H=( 1H + 2H )/2=)(1)直径计算公式得 4 2)7 1 0 060 69 2 0 060 11 nd tm/s (3)b 及摸数 td 3 (4)7 1 (5) 已知使用系数 1 根据 ， 7级精度，由动载荷系数值分布图，查得 南昌航空大学科技学院学士 学位论文 动载荷系数 由接触强度计算用的齿向载荷分布系数 (，查得 弯曲强度计算的齿向载荷分布系数 (，查得 由齿向载荷分配系数 ( ,查得 载荷系数 =1 6)式 得 311 7). 按齿根弯曲强度设计 根据设计计算公式（ 3计算： 1) 确定计算参数 （ 1） 计算载荷系数 2） 根据纵向重合度 ，从螺旋角影响系数图表查得 Y= （ 3） 计算当量齿数 s 3311 814co 7co s 3322 4） 取齿形系数 由齿形系数表查得 1 2 5） 取应力校正系数 由齿形系数1昌航空大学科技学院学士 学位论文 （ 6） 齿轮的弯曲疲劳强度极限图 ,查得 68021 （ 7） 由弯曲疲劳寿命系数1 （ 8） 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S=下式得 11 22 （ 9） 计算大、小齿轮的并加以比较 111 0 0 9 2 5 9 222Y= 0 0 8 7 7 9 小齿轮的数值大。 2）设计计算 4( c 比计算结果 ,由齿面接触疲劳强度计算的法向模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法向模数 ,根据满足弯曲强度及接触疲劳强度 ,最后取 1) 计算中心距 9 8 814co 1 724(co 21 中心距圆整为 a =) 按圆整后的中心距修正螺旋角 )11724(a r c c o (a r c c o s 21 a n南昌航空大学科技学院学士 学位论文 因 值改变不大 ,故参数、 等不必修正。 2） 大小齿轮的分度圆直径 9 3 o s o 6 s ) 计算齿轮宽度 2 4 3 db d整后取 5 0 第三级的传动条件： 电动机的功率为 P=n=动比 u=计计算如下： 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1) 考虑减速设计的要求，故大、小齿轮都选用硬齿面。由查 表 (常用齿轮材料及其机械特性表 )选得大、小齿轮的材料均为 40经调质及表面淬火，齿面硬度为 48 55 2) 选用精度等级。 因采用表面淬火，轮齿的变形不大，不需磨削，故 初选 7级精度 ( 3) 选小齿轮齿数 4，大齿轮齿数 Z2=24=137。 4) 选取螺旋角。初选螺旋角 14 。 按齿面接触强度设计 由设计计算公式（ 3算： 1) 确定公式内的各计算值 （ 1） .1 （ 2） 取区域系数 Z 。 （ 3） 图表，查得 ， ，则 = （ 4） 南昌航空大学科技学院学士 学位论文 51211 5 09 5 5 0 N （ 5） 柱齿轮齿宽系数 d 表） 选取 齿宽系数 d= （ 6） Z 表，查得 （ 7） 齿面硬度中间值 52得大、小的接触疲劳强度极限1 2=1170 （ 8） 811 530082( （ 9） 得 （ 10） 取失效概率为 1%，安全系 S=1,由下式得 1H = 2H = 8 81 1 1 7 i 取 H=( 1H + 2H )/2=)(1)计算公式（ 3 5 2)1 nd tm/s (3)b 及摸数9 6 td 昌航空大学科技学院学士 学位论文 9 (4)5 2 (5) 已知使用系数 1 根据 ， 7级精度，由动载荷系数值分布图，查 得动载荷系数 由接触强度计算用的齿向载荷分布系数 (，查得 弯曲强度计算的齿向载荷分布系数 (，查得 由齿向载荷分配系数 ( ,查得 载荷系数 =1 6)式得 311 7)由式 2121co 1) 确定计算参数 (1)