机械课程设计（论文）-焊接机器人说明书.doc

沈阳理工大学课程设计专用纸绪论1946年第一台电子计算机的问世以后，使得机器人这个概念有了从戏剧走向现实的可能，随着大批量生产以及恶劣条件对自动化程度高的操作机械的迫切需求，1954年，美国的戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人，现有的机器人差不多都是采用的这种控制方式。现今，工业机器人的概念是指由操作机(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生产设备。按照机器人从低级到高级的发展程度，可以把机器人分成三代。第一代机器人，主要指只能以“示教再现”方式工作的机器人。这类机器人的本体是一直类似于人的上肢功能的机械手臂，末端是手爪等操作机构。第二代机器人，是指基于传感器来工作的机器人。它依靠简单的感觉装置获取作业环境和对象的简单信息，通过对这些信息的分析、处理，做出一定的判断，对动作进行反馈控制。第三代机器人，既智能机器人，这是一类具有高度适应性的有一定自主能力的机器人。目前世界上90%以上的工业机器人都属于第一代机器人。真正具有只能的、理想的、完整的智能机器人目前还处在研究阶段。本次设计的焊接机器人也属于第一代机器人，设计其腰部的回转台和内部系统。1 传动装置的分析及确定由题目分析得，焊接机器人的腰部做回转运动。本方案是大齿轮与机器人底座由螺栓固定在一起，小齿轮与大齿轮啮合，并带动转台做回转运动，电机相对于转台静止。见图1-1。本系统由电动机提供动力，由谐波减速器减速，带动小齿轮绕固定的大齿轮做回转运动。图1-1 箱体内部传动简图1电动机；2谐波减速器；3小齿轮；4大齿轮已知条件为：焊接机器人腰部底座高300mm，大臂长1000mm，转轴位置在高600mm处，直径200mm，小臂长1500mm处，转轴在300mm处，直径150mm。2 动力装置的的选择2.1 机器人各项参数的确定2.1.1 确定机器人的重量首先确定焊接机器人整体的形状及数据，根据已知条件画出焊接机器人的大致整体图，见图2-1。图2-1 焊接机器人1 机座；2转台；3腰座；4腕部法兰；5小臂；6大臂；7腰转电机腰部上方的大臂为直径200mm，内径180mm，高度为1000mm的箱体，小臂及手部腕部看成直径为150mm，内径为140mm，长度为1500mm的箱体，选用材料为铸钢，密度为。计算重量 （2.1）由公式（2.1）计算其大臂重量为：再整合起内部的零件大概估算一下重量应该在250kg。由公式（2.1）计算起小臂重量为：再整合起内部的零件大概估算一下重量应该在200kg。设电机座的质量为80kg。设其腰部的回转速度为 =30/s。启动时间 。2.1.2 腰部回转运动驱动力矩的计算臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处得摩擦力矩来计算。由于启动过程一般不是等加速运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驱动力矩可按下式计算3： =1.3 （2.2）式中 各支承处德宗摩擦阻力矩； 启动时的惯性力矩，可按下式计算3； （2.3）式中 手臂部件对其回转轴线的转动惯量（）；回转臂的工作角速度（）；回转臂启动时间；图2-2 焊接机器人力学模型根据计算：=252.4=0.16=0.1s=功率公式3 （2.4）轴上的功率由公式（2.4）得算上齿轮的功率损失，轴承的功率损失，轴输出功率；输出转速;输出转矩2.2 谐波减速器的选择根据以上三个数据选择合适的谐波减速器，查得机械设计手册得，选得：C1601602谐波减速器，符合要求，减速比160。由谐波减速器的效率计算得电动机的输出功率；输入转速；则所选择的谐波减速器符合设计要求。2.3 电动机的选择根据以上两个数据选择电动机型号，查得机械设计手册得，选得：Y90L2异步电动机符合要求，额定功率，满载转速，额定转速则电动机的选择符合设计要求。3 齿轮的设计3.1 齿轮中心距的计算模数初步选择：m=6mm;齿轮精度：8级设计中心距公式2： （3.1）式中 节点区域系数，其中=20 弹性系数，因齿轮选用45号钢，所以； 综合系数，选用1.5； 齿宽系数，选用0.3； 齿数比，=3；许用接触应力2： （3.2）式中 试验齿轮的齿面接触疲劳极限。查图得450MPa接触强度计算的最小安全系数。取1；接触强度计算的寿命系数。查表得1.15；接触强度计算的尺寸系数。计算得1.01；工作硬化系数。计算得1.0；润滑油膜影响系数。取1.0；由公式(3.2)由公式（3.1）由于焊接机器人腰部的外部结构和电机的摆放尺寸，最终选定的中心距为360mm。3.2 齿轮宽度的确定齿轮宽度计算公式2 （3.3）取0.2由公式（3.3）得应为小齿轮的宽度要大于大齿轮宽度5mm，所以确定小齿轮的齿宽，大齿轮的齿宽3.3 大小齿轮的各项系数分度圆的计算1齿顶圆计算1齿顶压力角计算1齿顶压力角，由下式计算齿轮的重合度计算1（3.4） 4 轴的设计4.1 轴的物理数据轴的材料：该轴无特殊要求，因而选用45钢调至处理。查得 确定轴最小直径公式：3 （4.1）查表得A=107118由公式（4.1）得，30.6mm根据轴的设计准测：1.轴应便于加工，轴上零件便于安装，调整和拆卸。2.轴的手里要合理，应力集中小。3.轴上零件应定位准确，固定可靠。4.轴的加工工艺性好。4.2 轴具体尺寸及确定ab轴段连接谐波减速器的输出端，由于谐波减速器的型号已经选定，所以该轴段的直径已确定，基孔制，查表得，。bc轴段因为要与谐波减速器用螺栓连接，所以直径也已经确定，差得，。cd轴段作用为了减小应力集中，。de轴段作用为了减小应力集中，。ef轴段上安装轴承，基孔制，选定轴承后，轴段直径确定，并留有r=1mm的圆角，。fg轴段上加工螺纹，轴上安装薄螺母，用于对轴承的预紧，。gh轴段上安装小齿轮，并有键槽，并在轴端装配轴端挡圈。首先确定轴段的直径和长度，再确定键槽的尺寸。，。再根据国标确定键的尺寸为5 重要零件的校核5.1 轴的校核轴的材料：该轴无特殊要求，因而选用45钢调至处理。查得 许用应力 查得 计算小齿轮的圆周力2 (5.1) (5.2)由公式（5.1）（5.2）得 计算小齿轮的径向力2 （5.3）由公式（5.3）得 在水平面支反力，在垂直面支反力，画弯矩扭矩图 （见图5-1）水平面和垂直面的弯矩都是B点最大，所以计算B点的弯矩 （见图5-1）2 (5.4)水平弯矩，由公式（5.4）得垂直弯矩，由公式（5.4）得合成弯矩图 （见图5-1）合成弯矩B处，2扭矩图 （见图5-1）可见B处弯矩最大，校核改棉强度；弯扭合成 校核2由校核公式该轴B处的强度足够，符合设计指标要求。图5-1 弯扭合成图由于轴是竖直摆放，轴的下端安装一个小齿轮，所以轴还收到等同于小齿轮重量的拉力，根据小齿轮的数据，可计算出小齿轮的重量为由于受到拉力过小，则不需要校核。根据计算，本次设计中轴的各项数据符合设计指标要求。5.2 齿轮的校核5.2.1 齿面接触疲劳强度的校核大小齿轮的材料均选用45号钢。由下式计算齿面接触强度2 （5.1）式中 计算接触强度的重合度系数，可按下式计算2； （5.2）由公式（5.2）得=0.87； 载荷系数，可按下式计算； （5.3）式中 使用系数，查表得动载荷系数，查表得齿间载荷分布系数，查表得齿向载荷分布系数，查表得由公式（5.3）得，上面已经计算出 由公式（5.1）得根据校核，齿面接触强度足够，符合设计指标要求5.2.2 齿根弯曲疲劳强度的校核弯曲疲劳许用应力按下式计算2 (5.4)式中 试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限，查得 弯曲疲劳强度计算的最小安全系数， 试验齿轮的应力修正系数， =2 弯曲疲劳强度计算的寿命系数，查得=1.2 弯曲疲劳强度计算的尺寸系数，查得=0.985由公式（5.4）得 齿面弯曲疲劳强度公式2： （5.5）式中 齿形系数，查图得 应力修正系数，查图得 计算齿根弯曲强度的重合度系数，可按下式计算；由公式（5.5）计算得通过校核，齿轮弯曲疲劳强度足够。符合设计指标要求。根据校核，本次设计中齿轮的各项数据符合设计指标要求。5.3 轴承寿命的计算首先要确定系统中哪个轴承有可能寿命最短，因为腰部转台的转轴处要承受几乎手臂的所有重量，所以预测该处的推力球轴承寿命较短。寿命根据公式2 （5.5）式中 轴承的基本额定寿命； 温度系数，小于120的时候为1； 轴承的基本额定动载荷；查机械设计手册得到51228，C=190000N 当量动载荷； 寿命指数。球轴承=3； 确定当量动载荷P，因为竖直放置的推力轴承只收轴向力，本机构中的轴向力即为转台和转台上的一切物体的重量，根据以上的计算，估算出P=5500N，由公式（5.5）得，根据