毕业设计（论文）-压铸产品取件机器人结构设计及强度分析.docx

分类号密级 UDC 本 科 毕 业 设 计压铸产品取件机器人结构设计及强度分析 学生姓名 学号 指导教师 院、系、中心 工程学院机电工程系 专业年级 机械设计制造及其自动化2011级 论文答辩日期 2015 年 6 月 4 日 中 国 海 洋 大 学压铸产品取件机器人结构设计及强度分析 完成日期： 指导教师签字： 答辩小组成员签字： 摘 要由于压铸车间环境恶劣，对工人身体健康危害极大，因此压铸生产中取件动作通常是由取件机器人完成的。但是传统取件机器人多为三自由度机械手，功能单一，对不同零件的适应能力较差，无法满足多种零件生产的需求。基于此本文借助三维设计软件及有限元分析软件，设计并分析了一台用于压铸车间自动取件的关节式六轴工业机器人。本文所做主要工作为六轴机器人的结构设计及关键部件的强度校核。通过查阅资料以及根据实际工作需要，确定了该机器人的性能参数和初步设计方案。通过设计计算，选定合适的伺服电机和减速器。通过仿真和强度计算，设计出各个零部件模型，并与伺服电机和减速器模型进行整体装配，实现了运动仿真。将机器人腰部关节与大臂模型导入ANSYS软件，对这两个关键部件进行静力校核以分析其强度及变形情况，并根据分析结果对杆件进行优化。在此基础上，运用D-H参数法建立了六轴工业机器人的数学模型，推导了运动学正、反解的方程，并在Matlab中对方程进行了求解，为将来进行轨迹规划奠定理论基础。通过对压铸产品取件机器人进行仿真建模及分析，结果表明机械性能基本满足设计要求。 关键字：工业机器人、结构设计、ANSYS分析、运动学仿真AbstractBecause of the terrible environment of the Die Casting Workshop, the pickup action of the casting production is usually done by the pickup robot. But the traditional robot with three degrees of freedom has poor ability to adapt to pick up different castings unable to meet the needs of a variety of parts production. So with the help of computer-aided design and analysis software, a six-axis industrial robot for automatic pick of castings is designed and analyzed.In this paper, the mechanical system of the robot is designed and the strength of some key components of the six-axis robot are checked. At first, the performance parameters of the robot is determined based on the needs of practical work. Then select the appropriate servo motor and reducer of the robot by calculation. Apart from that, drawing all parts of the industrial robot by means of the SOLIDWORKS software and assembling them into an overall model. Then using ANSYS software to check the strength of key components. On this basis, using D-H parameter method to build a mathematical model of a six-axis industrial robot and establish the kinematic equation. By modeling and analysis of the industrial robot, the results showed that the mechanical properties can basically meet the design requirements.Keywords: Industrial robot; Mechanical design; ANSYS analysis; Kinematics目录1 绪论11.1 背景及研究意义11.2 工业机器人国内外研究现状11.3 论文主要研究工作和内容21.4 本章小结32 取件机器人设计思路42.1 取件机器人主要参数42.2 取件机器人的传动方案42.3 取件机器人动态静力学建模52.4 取件机器人驱动系统选型计算62.5 本章小结163 取件机器人结构设计173.1 取件机器人整体结构173.2 关节轴5结构形式183.3 其他关节轴的结构形式183.4 驱动电机和减速器选型校核203.5 本章小结264 主要部件设计计算及校核274.1 同步带选型计算274.2 减速器输入轴的设计与计算284.3 SGMJV-01电机接长轴的设计计算304.4 主要螺栓组校核计算314.5 本章小结355 取件机器人关键部件有限元分析及优化365.1 腰部关节和大臂有限元模型的建立365.2 腰部关节和大臂有限元模型网格划分365.3 腰部关节和大臂有限元分析及优化375.4 本章小结426 取件机器人运动学分析436.1 取件机器人D-H参数法建模436.2 压铸产品取件机器人运动学分析456.3 本章小结50总结与展望51参考文献52致谢54III1绪论1 绪论1.1 背景及研究意义工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备1。伴随着近年来国内制造业升级的需求及工业自动化的发展，工业机器人在越来越多的领域得到了广泛应用。压力铸造由于其生产效率高，生产出的产品表面粗糙度好，结构强度大等优点，在我国制造业中应用广泛2。但是在压铸生产过程中，会产生诸如有害气体、噪声和热辐射等对生产一线的工人们身体健康造成极大危害的污染物。压铸车间环境如图1-1所示。除此之外，人工取件不仅生产效率低，人工成本高，而且每天数千次的重复动作极易导致工人出现健康问题。图11 传统压铸车间图12 采用机器人后的压铸车间因此为了保障工人的身体健康和降低工人的劳动强度，采用压铸取件机器人替代工人具有重要的应用价值。本文正是基于此目的研制了一款可用于压铸车间自动取件的六轴关节式工业机器人。如图12所示为采用工业机器人之后的压铸车间，采用机器人取代人工之后，生产效率提高，所需工人数量减少，并且工人现在只需要操纵机器人完成工作即可，大大减轻了劳动强度。1.2 工业机器人国内外研究现状自上世纪60年代，世界上第一台工业机器人在美国诞生之日起，至今已有五十余年的发展历史3。在过去的五十多年里，得益于伺服电机及精密减速器的发展，工业机器人制造水平突飞猛进。目前,市场上工业机器人产品种类很多，大部分市场被日本生产的机器人与欧洲生产的机器人所瓜分，国产机器人所占比重很小。为满足其经济发展需要，日本在上个世纪70年代便开始了工业机器人的研发工作，目前日本国内已经产生了安川、爱普生、松下、FANUC等蜚声海内外的机器人生产厂家。欧洲机器人发展起步也较早，并且占有巨大市场份额。在工厂中，我们随处可见瑞典ABB公司出产的产品。除此之外，德国的KUKA、CLOOS等也具有极高的市场地位。我国工业机器人研究工作起步于上世纪八十年代，虽然起步较晚，但是近年来发展迅速，2013年已经超越日本成为全球机器人第一大市场4。也正是因为我国机器人市场的巨大潜力以及工业机器人对未来制造业重要的支柱作用，我国政府已经把发展工业机器人列入国家战略。目前，国内比较著名的机器人生产企业主要有沈阳新松机器人、安徽埃夫特智能装备有限公司等企业。2011年富士康提出三年时间里用一百万台工业机器人取代人工作业，虽然计划仍未完成，但是也从侧面反映了我国机器人市场的发展前景以及未来工业机器人取代人工的必然性。但是同时应看到，国产机器人与国外同类型产品相比仍缺乏竞争性。同时工业机器人配套产业如精密减速器、控制系统等仍然发展缓慢，核心技术被国外企业所垄断5。国内企业应抓住中国制造业转型的历史机遇，加快国内机器人及相关产业的开发，争取早日达到乃至超越国际先进水平。1.3 论文主要研究工作和内容本课题主要研究内容为压铸产品取件机器人结构设计及强度分析，并实际制作样机。本文主要从结构设计、关键部件有限元分析、运动学分析这三部分对工业机器人系统进行研究。主要内容如下所示：（1）通过查阅与工业机器人有关的资料，初步了解工业机器人的结构及运动原理。（2）研究现有典型工业机器人（如ABB、安川工业机器人）的参数，及考虑到工厂实际应用时所需满足的条件，确定压铸产品取件机器人的相关性能参数，如关节运动速度等。 同时考虑压铸机的尺寸及运动路径，在此基础上，大致确定机器人各杆件的几何参数。（3）在初步完成工业机器人的机械本体设计的基础上，进行驱动方式的选择，为保证机器人的运动精度，采用安川伺服电机与RV减速机和谐波减速机的组合。通过对工作行程的确定及各关节加速度、转动惯量等的计算初步选定伺服电机及减速器的型号。（4）根据电机与减速的结构，对机器人的零部件内部空间做出了调整，完善了机器人本体结构的设计并绘制草图。（5）采用Solidwoks软件进行各零部件三维建模并进行装配，并进行动态仿真来检查各零部件之间是否发生干涉。（6）运用ANSYS软件对机器人关键部件（如腰部关节、大臂）进行有限元分析，并根据分析结果对机器人杆件优化，以确保设计参数符合实际需求。（7）运用D-H参数法建立六轴工业机器人的数学模型，确定各连杆的参数，并推导出运动学正、反解的方程。在此基础上，运用Matlab软件验证正、反解方程的正确性。 1.4 本章小结本章主要对本课题研究背景及工业机器人的发展现状做了阐述，并且在了解现有产品原理结构的基础上提出了自己的研究思路和主要工作，为后续工作安排及研究内容奠定了基础。552取件机器人设计思路2 取件机器人设计思路2.1 取件机器人主要参数通过对国际上众多著名机器人生产厂商（如ABB）的产品进行分析并结合压铸车间取件工作要求确定压铸产品取件机器人的性能参数，如表21所示。该工业机器人有效荷载3kg 。表21 压铸产品取件机器人主要性能参数关节i关节角i变化范围（）关节运动速度（/s）S-轴（腰部回转）+90 -90240L-轴（大臂俯仰）+90 -90240U-轴（小臂俯仰）+90 -20240R-轴（小臂扭转）+160 -160360B-轴（腕部俯仰）+120 -120300T轴（腕部回转）+360 -3603602.2 取件机器人的传动方案目前，市场上主流机器人产品的传动方案主要有两种类型：一是各关节采用多级齿轮传动。二是电机与精密减速器直接相连方式传动。多级齿轮传动方式成本较低，但是多级齿轮传动误差容易累积，所占空间也较大。除此之外，单件生产工艺复杂性会大大提高。电机与精密减速器组合的传动方式，虽然成本较高，但是结构紧凑，传动精确，且加工件数量大大减少。综合考虑两种传动方式的优劣，确定采用电机与精密减速器组合的传动方式。对于六轴工业机器人的各关节来说，通常是一台伺服电机带动一个减速器，再带动一个运动的部件进行运动。关节1、2、3、4均为电机经减速器减速并进行力矩放大后，驱动杆件运动。关节5、6位于工业机器人末端，为保证机器人手臂整体刚度，应尽量减轻机器人手臂末端重量，故考虑将机器人关节5、6的电机后置。但是此种方案将导致关节6的传动链增加同步带传动和一对锥齿轮传动，此举不但使传动方案复杂性增加，而且在有限的生产条件下精度很难保证。考虑到关节6所用电机及减速器质量较轻，故权衡利弊之后，决定采用关节5处电机后置，经同步带传动之后驱动减速器运动；关节6处电机置于此关节轴线上，与减速器直接相连。2.3 取件机器人动态静力学建模根据达朗贝尔原理，将惯性力作为假想的外力作用在构件上，然后用静力学方法进行分析，这种分析方法称为动态静力分析6。为方便分析，将工业机器人简化成由多根连杆组成的连杆系统，运用动态静力分析方法，求解各个关节处的约束力。受力简图如图 21所示由于机器人由很多构件组成，为简化受力分析，忽略质量很小的构件及一些较小的零部件所引起的惯性力，只计入那些尺寸大、质量大的构件所引起的惯性力。从压铸产品取件机器人的末端关节开始，对压铸产品取件机器人的每个关节列出力矩衡方程和力平衡方程，运用动态静力学方法将其简化转化为静力系，通过求解整体及其各部分的力系平衡方程来求出各个关节处的约束力或力矩，这些参数是选择伺服电机及减速器的重要依据，同时也可作为关节、连杆等其他零件设计和校核的基础。图 21 机械系统受力简图腰部回转关节S、腕部扭转关节R和腕部回转关节T处的驱动力矩MS,R,T等于其角加速度与负载的转动惯量的乘积。由于其计算比较直观，所以不在动态静力学模型中求解这三个关节的驱动力矩。腕部俯仰关节动态静力学平衡方程为： 小臂俯仰关节动态静力学平衡方程为：大臂俯仰关节动态静力学平衡方程为： 式中：ML大臂俯仰关节L处伺服电机驱动力矩；MU小臂俯仰关节U处伺服电机驱动力矩；MB腕部俯仰关节B处伺服电机驱动力矩。2.4 取件机器人驱动系统选型计算本文中选用直角坐标式工作循环图，将各执行构件的运动次序和时间绘制在直角坐标系中，横坐标表示执行构件的运动时间，纵坐标表示各杆件的位移，各区段间均用直线连接。根据查找资料得知，压铸机每完成一次压铸时间大约在7秒左右，则机器人完成一次取件并回复至初始位置约4.8秒左右。机器人各机构工作时间分配如下：机器人工作行程时间（共3s）:手爪抓取工件（0.5s），腰部关节回转30度（0.2s），手臂抬举动作（0.5s），腰部回转60度（0.4s），手臂放下动作（0.5s），手腕转动90度（0.4s），手抓松开放件（0.5s）。空行程时间（共1.8s）：手臂抬举动作（0.5s），腰部回转90度动作（0.5s），手腕回转90度（0.3s），手臂放下动作（0.5s）。手抓在完成抓取工件动作之后，为配合压铸机的顶出工件作用，机器人腰部关节需旋转一定角度，待手臂抬起之后，再完成剩余行程的回转。各机构工作循环图如图 22所示：图 22 各机构工作循环图2.4.1 角加速度计算抓取工件时位置复位时位置建立力学模型所用杆件尺寸根据ABB公司相同荷载的IRB120工业机器人初定。图 23 杆件运动简图按照压铸产品取件机器人工作时的工作行程及姿态建立工业机器人的运动路径图象，如图 23所示：a) b) c)采用梯形图法求解角加速度，假设停止角加速度与启动角加速度相等。腰部关节角加速度计算如图 24所示。由工作行程可知，腰部关节在0.5s内转过90度左右，此关节平稳运行时角速度为，故 0.5s+x240/s12=90解得，由此可知加速时间为 因此 同理可通过计算得知大臂俯仰关节（关节2）角加速度为，小臂俯仰关节（关节3）角加速度为 ，手腕旋转（关节6）角加速度为，由于小臂旋转（关节4）及手腕俯仰（关节5）在此过程中无动作，根据其他关节运动情况确定小臂旋转关节及手腕俯仰关节角加速度为。图 24 梯形图求解加速度法2.4.2 转动惯量及重力矩计算在对压铸产品取件机器人进行受力分析时，为简化计算，忽略那些较轻，对机器人受力影响不大的构件。只考虑各主要杆件及末端负载所引起的惯性力。表示机械手抓和压铸产品的质量。其他关节根据ABB机器人IRB120质量初步分配各连杆质量为m5=2kg，m4=6kg，杆3及其附属部分质量之和等效为m3=10kg，杆2及其附属部分质量等效为m2=5kg。1) 手腕回转关节转动惯量计算压铸产品质量按照压铸产品取件机器人最大荷载确定，质量3kg。根据查阅现有产品可知，机械手抓质量在1kg左右。为简化其模型方便计算，将机械手抓及压铸产品整体简化为的薄板，其转动惯量计算公式为:，则。考虑到摩擦力矩及重力矩影响，取安全系数1.5则2) 手腕俯仰关节转动惯量及重力矩计算前端机械手抓及其负载等效为的薄板，手腕整体部分近似为长度为，半径的圆柱体，前端机械手抓及其负载重心简化到其中心位置，其重心距离关节5轴线210mm。则绕关节5轴线的转动惯量为惯性力矩 重力矩取安全系数1.5，总力矩3) 小臂扭转关节转动惯量及力矩计算小臂关节及手腕、前端负载绕关节4轴线旋转，可分为三部分分别计算其绕关节4轴线旋转的转动惯量小臂部分简化为长方体，端面尺寸手腕部分简化为长度为，半径的圆柱体由1）得，4) 小臂俯仰关节转动惯量及重力矩计算将连杆3、连杆4部分共同简化为端面为的长方体，总重量约为kg ，重心简化至杆件中心。其他各部分简化同上。其中质量m5的杆件距关节3轴线l1=335mm，质量为的杆件距关节3轴线l=510mm。重心位置如图 25所示取安全系数为1.55) 将大臂简化为的长方体，各关节轴线距关节2轴线的距离可通过4）中内容及大臂长度推算得知质量为的杆件距关节3轴线，质量为的杆件距关节3轴线。重心位置如图 25所示由于在计算时已经考虑重力矩影响，故取安全系数为1.26) 大臂支座部分简化为的圆柱体。连杆2中心轴线与关节1轴线距离为，连杆3、4组合部分中心轴线距关节1轴线距离为，连杆5中心轴线与关节1轴线距离为，机械手抓与负载轴线与关节1轴线距离为。则 考虑重力及摩擦影响，取摩擦系数为1.5，则 图 25 重心位置示意图图 26 杆件长度示意图 2.4.3 腕部回转关节驱动电机和减速器选型计算通过计算得知输出端需求转矩，转速。伺服电机选用安川系列的SGMJV-A5ADA61，功率为，额定转速为，最高转速，额定转矩为，最大加速扭矩为，转子的转动惯量为，重量为。减速器选用CSG的CSG-14谐波减速器，减速比为50:1，最大加速扭矩，最大输入转速，输入端转动惯量为，质量为。输出功率为 假定传动效率为0.95，则输入功率为 电机输出端所需转矩 经过计算得出，腕选型满足设计要求。2.4.4 腕部俯仰关节驱动电机和减速器选型计算通过计算得知输出端需求转矩，转速。伺服电机选用安川系列的SGMJV-01ADA61，功率为，额定转速为，最高转速，额定转矩为，最大加速扭矩为，转子的转动惯量为，重量为。减速器选用CSG的CSG-20谐波减速器，减速比50:1，最大加速扭矩，最大输入转速，输入端转动惯量为，质量为。输出功率为 假定传动效率为0.95，则输入功率为 电机输出端所需转矩 经过计算得出选型满足设计要求。2.4.5 小臂扭转关节驱动电机和减速器选型计算通过计算得知输出端需求转矩，转速。伺服电机选用安川系列的SGMJV-A5ADA61，功率为，额定转速为，最高转速，额定转矩为，最大加速扭矩为，转子的转动惯量为，重量为，减速器选用CSG的CSG-14谐波减速器，减速比为50:1，最大加速扭矩，最大输入转速，输入端转动惯量为， 质量为。输出功率为 假定传动效率为0.95，则输入功率为 电机输出端所需转矩 经过计算得出选型满足设计要求。2.4.6 小臂俯仰关节驱动电机和减速器选型计算通过计算得知输出端需求转矩，转速。伺服电机选用安川系列的SGMJV-06ADA61，功率为，额定转速为，最高转速，额定转矩为，最大加速扭矩为，转子的转动惯量为，重量为。减速器选用日本帝人公司的RV-20E减速器，减速比为81:1，启动、停止时的允许转矩，允许力矩，瞬时最大允许转矩，质量为 。输出功率为 假定传动效率为0.95，则输入功率为 电机输出端所需转矩 经过计算得出选型满足设计要求。2.4.7 大臂俯仰关节驱动电机和减速器选型计算通过计算得知输出端需求转矩，转速。伺服电机选用安川系列的SGMAV-10ADA61，功率为，额定转速为，最高转速，额定转矩为，最大加速扭矩为，转子的转动惯量为，重量为。速器选用日本帝人公司的RV-20E减速器，减速比为81:1，启动、停止时的允许转矩，允许力矩，瞬时最大允许转矩，质量为。输出功率为 假定传动效率为0.95，则输入功率为 电机输出端所需转矩 经过计算得出选型满足设计要求。2.4.8 腰部回转关节驱动电机和减速器选型计算通过计算得知输出端需求转矩，转速。伺服电机选用安川系列的SGMJV-06ADA61，功率为，额定转速为，最高转速，额定转矩为，最大加速扭矩为，转子的转动惯量为，重量为。减速器选用日本帝人公司的RV-20E减速器，减速比为81:1，启动、停止时的允许转矩，允许力矩，瞬时最大允许转矩，质量为。输出功率为 假定传动效率为0.95，则输入功率为 电机输出端所需转矩 经过计算得出选型满足设计要求。2.5 本章小结本章主要阐述了六轴工业机器人的设计思路。首先根据已有产品及实际工作需要确定工业机器人的性能参数，完成六轴工业机器人的初步设计方案。其次在此基础上选择机器人的传动方案，并且对机器人各关节电机、减速器进行初步选型。3取件机器人结构设计3 取件机器人结构设计3.1 取件机器人整体结构压铸产品取件机器人三维模型如图 31所示。根据实际工作需求及借鉴市场上比较著名的机器人公司（如ABB、KUAK）的产品结构，确定各杆件参数并根据初选电机、减速器等标准件尺寸规范各杆件内部结构。机器人模型主要由底座、腰部关节、大臂、肘关节、小臂、手腕及所带负载组成。为简化机器人结构，尽量选用标准件。所选减速器内部已集成交叉滚子轴承，大大简化了机器人结构设计的难度。图 31 压铸产品取件机器人整体模型1-基座，2-腰关节，3-大臂，4-肘关节，5-小臂，6-手腕，7-负载1234567底座由无缝钢管与法兰焊接而成，电机采用垂直安装方式，与减速器直接相连，进而驱动腰部关节转动。大臂支座由无缝钢管、法兰及肋板焊接成型，通过联接件与底座减速器输出法兰相连。大臂上下两端对称，且开有止口，与关节2减速器的输出法兰直接相连，结构简单、稳定性好。为方便加工制造，肘关节由两块板材焊接而成，关节3的减速器输出法兰直接安装在大臂的固定面上，安装方便，结构稳定。为节省空间，小臂扭转关节电机安装在肘关节中，同时小臂与肘部减速器的输出法兰相连，由肘关节中的电机直接驱动。腕部俯仰关节驱动电机安装在小臂的内部，通过同步带将动力传递给腕部。为保证传动精度及简化结构，腕部回转关节电机前置，直接与减速器相连。3.2 关节轴5结构形式为减轻压铸产品取件机器人末端重量，故采用了将关节5电机后置的形式。由于伺服电机自身输出轴较短，故通过一接长轴与同步带轮相连。同步带轮型号3M-40，同步带选用圆弧齿同步带，实现了电机动力的远距离输出，同时保证了传动精度。谐波减速器减速并放大力矩之后，通过输出法兰带动手腕实现俯仰动作。图 32 关节轴5传动总图图 33 关节轴5传动剖视图12345671.伺服电机2.轴承座13.电机接长轴4.同步带轮5.减速器输入轴6.轴承座27.减速器3.3 其他关节轴的结构形式关节轴1、2、3、4、6的结构形式类似，其各关节主要结构形式为一台电机与一个减速器相连，减速器驱动运动部件进行运动。除此之外还包括轴承座、联接件等部件。电机轴直接减速器转动，经过减速器减速并放大力矩之后，驱动各杆件运动。图 35 手腕结构形式图图 34 底座结构形式图图 36 大臂支座结构形式图图 37 肘关节结构形式图3.4 驱动电机和减速器选型校核图 3-8 机器人整体结构简图各关节电机、减速器的初选工作是以瑞士ABB公司的IRB120机器人为模板进行的，而实际所设计出来的机器人模型与IRB120机器人有一定的差异，故需要对初步所选的电机、减速器进行校核，以确保所选电机、减速器符合要求。机器人三维模型建立之后，可以在SOLIDWORKS软件中直接读取负载绕某一轴的转动惯量。实际机器人结构图如图3-8所示：3.4.1 手腕回转关节电机和减速器选型校核如图 39所示手腕回转关节最恶劣工况。图 39 手腕回转关节极限负载图将机械手抓与负载看成一个整体来计算其转动惯量。在三维模型中固定如图所示的坐标系，机械手抓与负载整体绕坐标系的X轴转动。通过SOLIDWORKS质量属性功能读取绕坐标系X轴的转动惯量为 ，而初步选择电机、减速器时转动惯量按照 计算，经过比较得知，初步选择电机、减速器时使用的转动惯量较大。故经校核，初步选择的电机、减速器符合要求。3.4.2 手腕俯仰关节电机和减速器选型校核如图3-10所示为手腕俯仰关节最恶劣工况。腕部俯仰关节轴线与图示坐标系的Z轴重合，绕Z轴的转动惯量，整个组件的重心位置，整体的质量，可通过SOLIDWORKS质量属性功能获取。绕Z轴的转动惯量 ，组件质量，重心位置，分别为: 从上式可以看出，腕部俯仰关节的转动惯量为，总的质量为，转动时由重力引起的阻力矩为。由上面计算可知，此关节转动时角加速度为，计算得此关节转动时所需总力矩为。初选电机、减速器时计算所得扭矩为。通过比较得知实际算得扭矩比初选时所用扭矩小，所以所选电机、减速器符合要求。图 310 手腕回转关节极限负载图3.4.3 小臂扭转关节电机和减速器选型校核如图3-11所示为小臂扭转关节最恶劣工况。小臂扭转关节轴线与图示坐标系的X轴重合，绕X轴的转动惯量 ，整体的质量，可通过SOLIDWORKS质量属性功能获取。绕X轴的转动惯量 ，组件质量分别为: 从上式可以看出，小臂扭转关节的转动惯量为，总的质量为。由上面计算可知，此关节转动时角加速度为，计算得此关节转动时所需扭矩为。初选电机、减速器时计算所得扭矩为，由于实际计算所得小臂扭转时所需输出扭矩大于初选时计算所得扭矩，故需要进行校核。初步所选减速器为CSG的CSG-14谐波减速器，减速比为50:1，最大加速扭矩，最大输入转速，输入端转动惯量为，质量为。初选伺服电机为安川系列的SGMJV-A5ADA61，功率为，额定转速为，最高转速，额定转矩为，最大加速扭矩为，转子的转动惯量为，重量为。输出功率为 假定传动效率为0.95，则输入功率为 电机输出端所需扭矩 图 311 小臂扭转关节极限负载图经过计算得出选型满足设计要求。3.4.4 小臂俯仰关节电机和减速器选型校核图 312 小臂俯仰关节极限负载图如图 312所示小臂俯仰关节最恶劣工况。小臂俯仰关节轴线与图示坐标系Z轴重合，绕Z轴的转动惯量，整个组件的重心位置，整体的质量，可通过SOLIDWORKS质量属性功能获取。绕Z轴的转动惯量 ，组件质量，重心位置，分别为: 从上式可以看出，小臂俯仰关节的转动惯量为，总的质量为，转动时由重力引起的阻力矩为。由上面计算可知，此关节转动时角加速度为，计算得此关节转动时所需要总力矩为。初选电机、减速器时计算所得扭矩为，通过比较可知，校核时计算所得扭矩小于初选电机、减速器时计算所得扭矩，故所选电机、减速器符合要求。 3.4.5 大臂俯仰关节电机和减速器选型校核如图 3所示为大臂俯仰关节最恶劣工况。大臂俯仰关节轴线与图示坐标系Z轴重合，绕Z轴的转动惯量，整个组件的重心位置，整体的质量，可通过SOLIDWORKS质量属性功能获取。绕Z轴的转动惯量 ，组件质量，重心位置，分别为： 图 313 大臂俯仰关节极限负载图从上式可以看出，大臂俯仰关节的转动惯量为，总的质量为，转动时由重力引起的阻力矩为。由上面计算可知，此关节转动时角加速度为，计算得此关节转动时所需总力矩为。初选电机、减速器时计算所得扭矩为，通过比较可知，校核时计算所得扭矩小于初选电机、减速器时计算所得扭矩，故所选电机、减速器符合要求。3.4.6 腰部回转关节电机和减速器选型校核图 314 腰部回转关节极限负载图如图 3所示腰部回转关节最恶劣工况。腰部回转关节轴线与图示坐标系的Y轴重合，绕Y轴的转动惯量，整体的质量，可通过SOLIDWORKS质量属性功能获取。绕Y轴的转动惯量 ，组件质量分别为: 从上式可以看出，腰部回转关节的转动惯量为，总的质量为。由上面计算可知，此关节转动时角加速度为。计算得此关节转动时所需总力矩为。初选电机、减速器时计算所得扭矩为，通过比较可知，校核时计算所得扭矩小于初选电机、减速器时计算所得扭矩，故所选电机、减速器符合要求。3.5 本章小结本章主要介绍了各关节的结构形式，对各关节结构原理进行细致剖析。除此之外，借助SOLIDWORKS三维软件建立压铸产品取件机器人的三维模型，并通过质量属性功能求解各部分转动惯量以完成各关节所选电机、减速器的校核。4主要部件设计计算及校核4 主要部件设计计算及校核4.1 同步带选型计算1. 电机额定输出功率电机选用安川系列伺服电机，电机型号SGMJV-01A，额定输出功率100w。2. 确定计算功率假定电机每天工作12小时，选择工况系数=1.5。则kw 3. 小带轮转速计算参照工作需求得知，电机输出转速4000r/min。4. 选定同步带带型和节距为满足高速需要，选择圆弧齿同步带。根据设计功率选择圆弧齿同步带带型为3M。5. 选取主动轮齿数 3M型圆弧齿同步带在转速4000r时最小齿数为22，根据实际工作需要选取带轮齿数40。6. 确定小带轮节圆直径节径为38.2mm，外径37.44mm。7. 确定另一带轮参数因为传动比为，所以两个带轮参数完全相同。齿数，节距8. 带速v的确定9. 初定中心距根据公式得现在选取中心距为80mm。10. 带节线长度及齿数 =()+ = =280mm规整之后选择同步带节线长 =420mm，齿数=14011. 实际中心距计算12. 计算啮合齿数因为传动比为1，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即。13. 基本额定功率的计算，查表得额定功率为14. 带宽b圆弧齿带宽计算公式为 ，其中，。，根据规格要求选定。4.2 减速器输入轴的设计与计算1. 已知条件SGMJV-01A伺服电机输出功率为，同步带传动效率约为，故减速器输入轴输入功率，转速=4000r/min。2. 选择轴的材料因所受载荷较小且无特殊要求，所以选择45号钢作为轴的材料，热处理方式调质。3. 初算最小轴径取A0=112，初算轴的最小直径。图 41 减速器输入轴结构图4. 轴的结构设计(1) 确定装配方案减速器输入轴一端与减速器输入轴孔配合，带动减速器进行运动，另一端安装同步带轮，作为轴运动的输入端。轴承安装在-段。(2) 确定各段直径和长度减速器选用CSG-20谐波减速器，减速比80：1，输入轴孔的直径为8mm，故轴的最小直径应该按照减速器输入轴孔的直径来确定，所以左端部分直径为8mm。-段为定位轴肩，根据配合需要确定。轴承主要承受径向力作用且载荷较小，故选用深沟球轴承，初选深沟球轴承6800zz，其尺寸为，故-段直径为10mm，考虑到右端安装同步带定位需求，将此段长度定为10mm。为方便同步带轮轴向定位，设计定位轴肩进行定位，故，同步带轮轮毂宽度为19mm，则确定。(3) 轴上零件的周向定位减速器与轴采用平键连接，根据-段的直径查得平键截面，长为18mm。轴承与轴的配合以及同步带轮与轴的配合均采用基孔制过渡配合以实现周向定位。轴所受载荷较小，所选最小直径远大于所计算出的，故无需进行校核。4.3 SGMJV-01电机接长轴的设计计算1. 已知条件SGMJV-01A伺服电机输出功率为，转速=4000r/min。2. 选择轴的材料因所受载荷较小且无特殊要求，所以选择45号钢作为轴的材料，热处理方式调质。3. 初算轴径取A0=112，初算轴的最小直径 4. 结构设计轴的结构如图 42所示(1) 确定装配方案装配方案如图 42所示，由于轴整体较短且所受载荷较小，故采用一端与电机输出轴通过孔轴配合相连，一端通过轴承支撑，并且在轴的末端安装同步带轮。(2) 确定各段直径和长度因减速器输入轴与电机接长轴相差不大，为方便标准件的选购及装配，故电机接长轴的尺寸参照减速器输入轴进行设计。电机接长轴-段与-段与减速器输入轴-段与-段选用相同的尺寸，电机接长轴， ，轴承选用6800-zz，其尺寸为，所选同步带轮型号为40-3M，内孔直径为8mm，轮毂宽度19mm。轴承左端通过轴肩定位，故。电机输出轴与电机接长轴通过轴孔配合，故孔径为8mm。减速器输入轴轴承安装左端面距离小臂端22.5mm，同时考虑到电机接长轴与电机输出轴配合的刚度问题，取-段长度为27.5mm。(3) 轴上零件的周向定位轴孔与电机输出轴、滚动轴承与轴、同步带轮与轴均采用基孔制过渡配合以实现其周向定位。图 42 电机接长轴结构图4.4 主要螺栓组校核计算4.4.1 大臂支座与大臂支座联接件螺栓连接校核当压铸产品取件机器人大臂及小臂水平伸直且绕腰关节转动时，此时此组螺栓受力最大，故取此工况对螺栓组进行校核。此工况下，螺栓组主要受转矩与倾覆力矩作用，首先应对螺栓组进行受力分析，求出受力最大的螺栓，之后再对受力最大的螺栓进行强度校核。根据力矩平衡可得 则所需的预紧力为 式中： 防滑系数，； 转矩； 接合面的摩擦系数； 螺栓数目； 螺栓轴线到对称中心的距离。同时，螺栓组受倾覆力矩作用，则螺栓所受的最大工作载荷为 式中： 中最大的值； 总的螺栓个数； 各螺栓轴线到底板轴线的距离。螺栓危险截面的拉伸强度条件为 故符合强度要求。4.4.2 关节3处螺栓组校核对此螺栓组在最恶劣情况下的受力情况进行校核。由受力分析可知，此组螺栓主要受转矩与横向载荷的作用，故只需要对螺钉挤压与剪切强度进行校核。根据力矩平衡条件得 则每个螺栓的工作剪力为 同时受重力作用，假设每个螺钉所受载荷相等，则螺钉杆与孔壁的挤压强度条件为 螺钉杆的剪切强度条件为 故符合强度要求。4.4.3 关节4处螺栓组校核对此螺栓组在最恶劣情况下的受力情况进行校核。由受力分析可知，此组螺栓主要受倾覆力矩与横向载荷的作用。根据横向载荷求出螺钉连接时所需预紧力及根据倾覆力矩作用求出螺栓的工作拉力。假设各螺栓所需预紧力为，螺栓数目为，平衡条件 由此得预紧力为 式中： 防滑系数； 接合面的摩擦系数； 接合面数。同时，螺栓组受倾覆力矩作用，则螺栓所受的最大工作载荷为 式中： 中最大的值； 总的螺栓个数； 各螺栓轴线到底板轴线的距离。螺栓危险截面的拉伸强度条件为 故符合强度要求。4.4.4 小臂与关节4处减速器连接校核对此螺栓组在最恶劣情况下的受力情况进行校核。由受力分析可知，此组螺栓主要受倾覆力矩与横向载荷的作用。根据横向载荷求出螺钉连接时所需预紧力及根据倾覆力矩作用求出螺栓的工作拉力。假设各螺栓预紧力为，螺栓数目为，则其平衡条件为 由此得预紧力为 式中： 接合面的摩擦系数； 接合面数； 防滑系数。同时，螺栓组受倾覆力矩作用，则螺栓所受的最大工作载荷为 式中： 总的螺栓个数； 各螺栓轴线到底板轴线的距离； 中最大的值。螺栓危险截面的拉伸强度条件为 故符合强度要求。4.5 本章小结本章主要是对一些标准件的选型及校核。关节5传动形式较复杂，所涉及的零件也较多，包括同步带以及为了满足传动需要所设计的两根轴。同时，对机器人各关节处受力较大的螺栓组进行了校核以确保能够满足工作需要。5取件机器人关键部件有限元分析5 取件机器人关键部件有限元分析及优化六自由度工业机器人机械特性取决于其整体结构的强度、刚度及稳定性，故需要对压铸产品取件机器人的关键部件的变形及受力进行分析。对机器人整体结构分析可知，其腰部关节与大臂所受载荷较大，且对整体机构的机械特性影响较大，但是采用传统方式分析难度较大，因此采用ANSYS软件分析其极限情况下的变形及应力情况。5.1 腰部关节和大臂有限元模型的建立由于之前已经在SOLIDWORKS中建立了腰部关节及大臂的三维模型，而且ANSYS为弥补其自身几何建模能力的不足，提供了与SOLIDWORKS软件的接口，因此选择直接将CAD模型导入ANSYS中的方法。由于过多的特征和细节结构可能会导致丢失信息，使实体模型网格划分变得困难，因此将与分析意图影响不大的零件特征（如圆角、倒角等）去除，以简化分析。5.2 腰部关节和大臂有限元模型网格划分建立实体模型之后，对实体模型进行网格划分。网格划分主要分为以下几个步骤：1. 定义单元类型腰部关节和大臂均为实体，选用十节点四面体三维实体单元（solid187）划分网格。2. 定义材料特性腰部关节材料为45号钢，大臂的材料为2024合金，材料详细信息如表 51 所示表 51 材料详细信息材料名称密度Density(g/cm3)杨氏弹性模量EX（GPa）泊松比PRXY屈服强度s（MPa）45#钢7.82100.335520242.82700.33253. 网格划分采用智能控制自由网格划分，智能尺寸规格为4。5.3 腰部关节和大臂有限元分析及优化网格划分完成之后，对其施加载荷及约束，开始进行有限元分析。5.3.1 工况及载荷的确定机器人在运动过程中极限状态如图5-1所示，在此状态下机器人受力最危险、变形最大，选取此时状态进行有限元静力分析图 51 机器人载荷工况计算模型(1) 腰关节载荷计算根据空间力与力矩平衡条件得： 具体可表示为： 式中：F0机器人大臂及大臂前端所有零部件的重力施加到腰关节上的力；M0力等效平移到腰关节时施加的力矩；G1腰关节自身的重力。通过SOLIDWOKS自身所带的质量属性功能，可以方便的测出各部分的重量及中心位置，腰关节自重m0=5.903kg，重心位置为（0，0.059，-0.004），大臂及大臂前端所有零部件质量为m1=30.330kg，重心位置为（0.323，.0203，-0.040）。由此可得上式中一些关键参数的值， 解得 图 52 腰关节载荷计算模型(2) 大臂载荷