焊接机器人腰部结构设计毕业论文.doc

焊接机器人腰部结构设计 摘 要 工业机器人最大的应用领域是焊接机器人 它占工业机器人总数的 25 左右 由于对 许多构件的焊接精度和速度等提出越来越高的要求 一般工人已难以胜任这一工作 此外 6 自由度焊接机器人还可以减少焊接时的火花及烟雾等对人体造成危害 因而 本课题的提 出就有十分重要的意义 为了提高生产效率和产品的焊接质量 满足实际工作需要 本课题设计了用于焊接的关节型机器人 根据机器人的工作要求和结构特点 进行了机器人的总体设计 确定了机器人的外形尺寸和工作空间 拟定了机器人各关节的总体传动方案 对机器人腰关节结构进行了详细设计 合理布置了电机和齿轮 确定了各级传动参数 进行了齿轮 轴和轴承的设计计算和校核 利用齐次变换矩阵法建立了六自由 度关节机器人的正运动学模型 求出机器人末端相对于各自参考坐标系的齐次坐标值 建立了在直角 坐标空间内机器人末端执行器的位置和姿态与关节变量值的对应关系 基于几何投影原理推导出相应 的逆运动学模型 求出了各个关节的角度值 建立了机器人关节空间与世界空间的映射关系 该机器 人具有刚性好 位置精度高 运行平稳的特点 关键词 关键词 关节型机器人 总体设计 腰部结构设计 6自由度 The waist structural design of articulated robot ABSTRACT The largest industrial robot application is welding robot which accounted for the total number of industrial robots about 25 percent Because of the many components of welding precision and speed to the growing demands the general competence of workers has been difficult this work Moreover the welding robot can also reduce the welding sparks and smoke caused harm to the human body and so therefore the subject The proposal has very great significance In order to improve the efficiency of production and welding quality of products and meet real work s needs this subject has designed the articulated robot used for welding According to the job requirements for the robot and structure characteristic I have carried on the overall design of the robot confirmed the external dimension and workspace of the robot drafted the overall transmission scheme of every joint of the robot I have designed the waist structure of the robot in detail assigned the electrical machinery and gear wheel rationally confirmed at all level transmission parameters carried on the design and calculating of gear wheels shafts and bearings and checking them The kinematic model of robot system has been built up by means of the homogenous transformation of matrix in this thesis and deduces the robot s homogenous coordinate which is relative to its reference coordinate We also make up the position relationship between the robot s end effector and the variable friable of every joint The inverse kinematic model is deduced which based on the projection principle of geometry and the value of angle is worked out What s more the relationship is built up between the joint space of robot and the world space This robot has the characteristics of fine rigidity position precision high that operate steadily KeyKey words words Articulated robot Design overallly Waist articulated structural design of the robot 6 目 录 第一章 绪论 1 1 1 题目来源与分析 1 1 1 21 2 研究目的研究目的 2 2 第二章 6 自由度焊接机器人结构设计 4 2 1 确定基本技术参数 4 4 2 1 1 机械结构类型的选择 4 2 1 2 额定负载 4 2 1 3 工作范围 5 2 1 4 操作机的驱动系统设计 5 2 1 5 控制系统选择 6 2 1 6 确定关节型机器人手臂的配置形式 6 2 2 关节型机器人本体结构设计 7 7 第三章 6 自由度焊接机器人腰部结构设计 10 3 1 电动机的选择 1010 3 2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比 1010 3 3 轴的确定 1111 3 4 齿轮的参数 1111 3 5 自由度焊接机器人立柱设计 1212 3 6 自由度焊接机器人基座设计 1313 第四章 焊接机器人腕部结构设计 14 4 1 回转部分 1414 4 1 1 选择电动机 1414 4 1 1 选择电动机的类型 14 4 1 2 传动装置的总传动比及各级传动比分配 15 4 1 3 传动装置的总传动比 15 4 1 4 分配各级传动比 15 4 1 5 计算传动装置的运动参数和动力参数 1515 4 1 6 轴的计算 15 4 1 7 确定齿轮传动的精度 21 4 1 8 确定齿轮的参数 2222 4 1 9 选择材料 22 4 1 10 压力角的选择 22 4 1 11 齿数和模数的选择 22 4 4 12确定齿宽系数 22 4 3 摆腕部分 2626 4 3 1 传动装置的总传动比及各级传动比分配 26 4 3 1 确定三根轴的具体尺寸 26 4 3 2 确定齿轮的参数 27 4 3 3 确定齿轮传动的精度 28 4 4 转腕 2929 4 4 1 传动装置的总传动比及各级传动比分配 2929 4 4 2 齿轮参数 30 第五章 结论 33 参考文献 34 致 谢 35 附录 A INTRODUCTION TO ROBOTICS MECHANICS AND CONTROL 36 附录 B 机器人学导论 39 第一章第一章 绪论绪论 1 1 题目来源与分析题目来源与分析 题目 6 自由度焊接机器人 来源于生产实践中 要求设计的机器人具有 6 个自由度 腰关节回转 臂关节俯仰 肘关节俯仰 腕关节仰腕 摆腕 旋腕 其中要详细地设计机器人腕部回转部分的结构 整体机器人要实现腕部最大负荷 6kg 最 大速度 2m s 最大工作空间半径 1500mm 机器人一词不仅可以在科幻小说 动画片中看到和听到 在电视中我们也可以看到 在工厂进行作业的机器人 在实际生活中同样有机会看到机器人的展示 在现实生活中 机器人并不是在简单意义上代替人工劳动 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 这种装置既有人对环境状态的快速反映和分析判 断能力 又有机器可个时间持续工作 精确度高 抗恶劣环境的能力 从某种意义上说 机器人是机器进化的产物 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 机器人是近 30 年发展起来的一种典型的 机电一体化的 独立的自动化生产工具 在制造工业中 应用工业机器人技术是提高生产过程自动化 改善劳动条件 提高产品 质量和生产效率的有效手段之一 也是新技术革命的一个重要内容 自古以来 人们所设想的机器人一般是一种在外形和功能上均能模拟人类智能的机器 特别是在 20 世纪 20 年代前后 捷克和美国的一些科幻作家创作了一批关于未来机器人与 人类共处中可能发生的故事之类的文学作品 更使机器人在人们的思想中成为一种无所不 能的 超人 在现实生活中 一些民间工匠根据这些文学描绘 也制造出一些仿人或仿生 的机器人 然而在当时的科技条件下 要使机器人具有某种特殊的 智能 而成为 超人 显然是不可能的 美国的戴沃尔设想了一种可控制的机械手 他首先突破了对机器人的 传统观点 提出机器人并不一定必须像人 但是必须能做一些人的工作 1954 年 他依据这 一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装置 发表了 适用于重复作业的通用性工业 机器人 一文 并获得了美国专利 戴沃尔将遥控操纵器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴联结在一起 预定的机械 手动作一经编程输入后 机械等就可以离开人的辅助而独立运行 这种机器人也可以接受 示教而完成各种简单任务 示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个 位置 这些位置序列记录在数字存储器中 任务的执行过程中 机器人的各个关节在伺 服驱动下再现出那些位置序列 因此 这种机器人的主要技术就是 可编程 以及 示 教再现 机器人技术是综合了计算机 控制论 机构学 信息和传感技术 人工智能 仿生 学等多种学科而形成的高新技术 是当代研究十分活跃 应用日益广泛的领域 所以 机器人应用情况是一个国家工业自动化水平的重要标志 随着现代科技的迅速发展 机器人正在经历着一个从初级到高级的飞跃 它正沿着 达尔文的 进化论 逐渐发展自己 壮大自己 完善自己 研制具有人类外观特征 可 以模拟人类行走与基本操作功能的类人型机器人 一直是人类机器人研究的梦想之一 类人型机器人研究是一门综合性很强的学科 代表着一个国家的高科技发展水平 1997 年 日本本田公司率先研制出第一台类人型步行机器人样机 目前 机器人正在进入 类人机器人 的高级发展阶段 即无论从相貌到功能还是从思维能力和创造能力方面 都向人类 进化 甚至在某些方面大大超过人类 如计算能力和特异功能等 类人型机 器人技术 集自动控制 体系结构 人工智能 视觉计算 程序设计 组合导航 信息 融合等众多技术于一体 专家指出 未来的机器人在外形方面将大有改观 如目前的机 器人大都为方脑袋 四方身体以及不成比例的粗大四肢 行进时要靠轮子或只作上下 前后左右的机械运动 而未来的机器人从相貌上来看与人无区别 它们将靠双腿行走 其上下坡和上下楼梯的平衡能力也与人无异 有视觉 有嗅觉 有触觉 有思维 能与 人对话 能在核反应堆工作 能灭火 能在所有危险场合工作 甚至能为人治病 还可 克隆自己和自我修复自己 总之 它们能在各种非常艰难危险的工作中 代替人甚至超 过人类去从事各种工作 1 2 研究目的研究目的 6 自由度焊接机器人是最大的工业机器人应用领域 它占工业机器人总数的 25 左右 由于对许多构件的焊接精度和速度等提出越来越高的要求 一般工人已难以胜任这一工作 此 外 焊接时的火花及烟雾等 对人体造成危害 因而 此课题的提出就有十分重要的意义 1 3 国内外发展及研究现状 随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展 使机器人在功能和技术层次上有了很 大的提高 移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表 由于这些技术的 发展 推动了机器人概念的延伸 20 世纪 80 年代 将具有感觉 思考 决策和动作能力 的系统称为智能机器人 这是一个概括的 含义广泛的概念 这一概念不但指导了机器 人技术的研究和应用 而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间 水下机器人 空间机器人 空中机器人 地面机器人 微小型机器人等各种用途的机器人相继问世 许多梦想成为了现实 将机器人的技术扩散和渗透到各个领域 便形成了各式各样的新 机器 机器人化机器 当前 与信息技术的交互和融合又产生了 软件机器人 网络 机器人 的名称 这也说明了机器人所具有的创新活力 美国的机器人技术一直处于世界领先水平 在 1967 1974 年的几年时间里 因为政 府对机器人发展不够 且机器人处于发展初期 价格昂贵 适用性不强 所以发展缓慢 此后 由于美国机器人协会 制造工程师协会积极主动地进行机器人技术推广工作 切 美国为了高效生产 适应时常多变的需要 以机器人为核心的柔性自动化生产线恰好具 有这些优点 所以机器人技术得以迅猛发展 国内外机器人领域发展近几年有如下几个趋势 1 工业机器人性能不断提高 高速度 高精度 高可靠性 便于操作和维修 而单 机价格不断下降 2 机械结构向模块化 可重构化发展 例如关节模块中的伺服电机 减速机 检测 系统三位一体化 由关节模块 连杆模块用重组方式构造机器人整机 国外已有模块化 装配机器人产品问市 3 工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展 便于标准化 网络化 器件集成度提高 控制柜日见小巧 且采用模块化结构 大大提高了系统的可靠性 易 操作性和可维护性 4 机器人中的传感器作用日益重要 除采用传统的位置 速度 加速度等传感器外 装配 焊接机器人还应用了视觉 力觉等传感器 而遥控机器人则采用视觉 声觉 力 觉 触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制 5 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真 预演发展到用于过程控制 如使遥控 机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人 6 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统 而是治理于操作者于机器 人的人机交互控制 即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统 使智能机器 人走出实验室进入实用化阶段 美国发射到火星上的 索杰纳 机器人就是这种系统成 功应用的最著名实例 7 机器人化机械开始兴起 从 94 年美国开发出 虚拟轴机床 以来 这种新型装置 已成为国际研究的热点之一 纷纷探索开拓其实际应用的领域 国际机器人研究在经过了 80 年代的低潮之后 呈现出复苏和继续发展的形势 我国的 机器人研究在国家七五 八五及 863 计划的推动下也取得了很大的发展 在 70 年代的机 器人浪潮相比 现在的机器人研究有两个特点 一是对机器人智能的定位有了更加符合实 际的标准 也就是不要求机器人具有像人类一样的高智商 而只是要求机器人在某种程度 上具有自主处理问题的能力 我国的工业机器人从 80 年代 七五 科技攻关开始起步 在国家的支持下 通过 七五 八五 科技攻关 目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术 控制技术 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 点焊 装配 搬运等机器人 其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企 业的近 30 条自动喷漆生产线 站 上获得规模应用 弧焊机器人已应用在汽车制造厂的 焊装线上 但总的来看 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 如 可靠性低于国外产品 机器人应用工程起步晚 应用领域窄 生产线系统 技术与国外比有差距 在应用规模上 我国已安装的国产工业机器人约 200 台 约占全 球已安装台数的万分之四 以上原因主要是没有形成机器人产业 当前我国的机器人生 产都是应用户的要求 一客户 一次重新设计 品种规格多 批量小 零部件通用化 程度低 供货周期长 成本也不低 而且质量 可靠性不稳定 因此迫切需要解决产业 化前期的关键技术 对产品进行全面规划 搞好系列化 通用化 模块化设计 积极推 进产业化进程 从 20 世纪 90 年代初期起 我国的国民经济进入实现两个根本转变时期 掀起了新 一轮的经济体制改革和技术进步热潮 我国的工业机器人又在实践中迈进了一大步 先 后研制出了点焊 弧焊 装配 喷漆 切割 搬运 包装等各种用途的工业机器人 并 实施了一批机器人应用工程 形成了一批机器人产业化基地 为我国机器人产业的腾飞 奠定了基础 我国的智能机器人和特种机器人在 863 计划的支持下 也取得了不少成果 其中 最为突出的是水下遥控机器人 6000m 水下无缆机器人的成果居世界领先水平 还开发出 直接遥控机器人 双臂协调控制机器人 爬壁机器人 管道机器人等机种 在机器人视 觉 力觉 声觉 触觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作 有了一定的发展基础 但是在多传感器信息融合控制技术 遥控加局部自主系统遥控机器人 智能装配机器人 机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步 与国外先进水平差距较大 需要在原有成 绩的基础上 有重点地系统攻关 才能形成系统配套可供实用的技术和产品 以期在 十五 后期立于世界先进行列之中 第二章第二章 6 自由度焊接机器人结构设计自由度焊接机器人结构设计 2 1 确定基本技术参数确定基本技术参数 2 1 1 机械结构类型的选择机械结构类型的选择 为实现总体机构在空间的位置提供的 6 个自由度 可以有不同的运动组合 根据本 课题可以将其设计成以下五种方案 1 圆柱坐标型 这种运动形式是通过一个转动 两个移动 共三个自由度组成的运 动系统 工作空间图形为圆柱型 它与直角坐标型比较 在相同的工作空间条件下 机 体所占体积小 而运动范围大 2 直角坐标型 直角坐标型工业机器人 其运动部分由三个相互垂直的直线移动组 成 其工作空间图形为长方体 它在各个轴向的移动距离 可在各坐标轴上直接读出 直观性强 易于位置和姿态的编程计算 定位精度高 结构简单 但机体所占空间体积 大 灵活性较差 3 球坐标型 又称极坐标型 它由两个转动和一个直线移动所组成 即一个回转 一个俯仰和一个伸缩运动组成 其工作空间图形为一个球形 它可以作上下俯仰运动并 能够抓取地面上或较低位置的工件 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 关节型又称回转坐标型 这种机器人的手臂与人体上肢类似 其前三个 关节都是回转关节 这种机器人一般由立柱和大小臂组成 立柱与大臂间形成肩关节 大臂和小臂间形成肘关节 可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动 小臂作俯仰摆动 其特点使工作空间范围大 动作灵活 通用性强 能抓取靠进机座的物体 5 平面关节型 采用两个回转关节和一个移动关节 两个回转关节控制前后 左右 运动 而移动关节则实现上下运动 其工作空间的轨迹图形 它的纵截面为矩形的同转 体 纵截面高为移动关节的行程长 两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小 形状 在水平方向有柔顺性 在垂直方向有较大的刚性 它结构简单 动作灵活 多用 于装配作业中 特别适合小规格零件的插接装配 对以上五种方案进行比较 方案一不能够完全实现本课题所要求的动作 方案二体 积大 灵活性差 方案三结构复杂 方案五无法实现本课题的动作 结合本课题综合考 虑决定采用方案四 关节型机器人 此方案所占空间少 工作空间范围大 动作灵活 工艺操作精度高 2 1 2 额定负载额定负载 目前 国内外使用的工业机器人中 其负载能力的范围很大 最小的额定负载在 5N 以 下 最大可达 9000N 负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处 的力和扭矩 其中应包括机器人末端执行器的重量 抓取工件或作业对象的重量和在规 定速度和加速度条件下 产生的惯性力矩 本课题的任务要求是保证手腕部能承受的最 大载荷是 6kg 2 1 3 工作范围工作范围 工业机器人的工作范围是根据工业机器人作业过程中的操作范围和运动的轨迹来确 定的 用工作空间来表示的 工作空间的形状和尺寸则影响机器人的机械结构坐标型式 自由度数和操作机各手臂关节轴线间的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择 如图 2 1 2 1 4 操作机的驱动系统设计操作机的驱动系统设计 关节型机器人本体驱动系统包括驱动器和传动机构 它们常和执行机构联成一体 驱动臂杆和载荷完成指定的运动 通常的机器人驱动方式有以下四种 图 2 1 运动范围图 图 2 1 工作运动范围 1 步进电机 可直接实现数字控制 控制结构简单 控制性能好 而且成本低廉 通 常不需要反馈就能对位置和速度进行控制 但是由于采用开环控制 没有误差校正能力 运动精度较差 负载和冲击震动过大时会造成 失步 现象 2 直流伺服电机 直流伺服电机具有良好的调速特性 较大的启动力矩 相对功率 大及快速响应等特点 并且控制技术成熟 其安装维修方便 成本低 3 交流伺服电机 交流伺服电机结构简单 运行可靠 使用维修方便 与步进电机 相比价格要贵一些 随着可关断晶闸管 GTO 大功率晶闸管 GTR 和场效应管 MOSFET 等电力电子器件 脉冲调宽技术 PWM 和计算机控制技术的发展 使交流伺服电机在调 速性能方面可以与直流电机媲美 采用 16 位 CPU 32 位 DSP 三环 位置 速度 电流 全 数字控制 增量式码盘的反馈可达到很高的精度 三倍过载输出扭矩可以实现很大的启 动功率 提供很高的响应速度 4 液压伺服马达 液压伺服马达具有较大的功率 体积比 运动比较平稳 定位精度 较高 负载能力也比较大 能够抓住重负载而不产生滑动 从体积 重量及要求的驱动 功率这几项关键技术考虑 不失为一个合适的选择方案 但是 其费用较高 其液压系 统经常出现漏油现象 为避免本系统也出现同类问题 在可能的前提下 本系统将尽量 避免使用该种驱动方式 常用的驱动器有电机和液压 气动驱动装置等 其中采用电机驱动是最常用的驱动 方式 电极驱动具有精度高 可靠性好 能以较大的变速范围满足机器人应用要求等特 点 所以在这次设计中我选择了直流电机作为驱动器 因为它具有体积小 转矩大 输 出力矩和电流成比例 伺服性能好 反应快速 功率重量比大 稳定性好等优点 本课 题的机器人将采用直流伺服电动机 因为它具有体积小 转矩大 输出力矩和电流成比 例 伺服性能好 反应快速 功率重量比大 稳定性好等优点 2 1 5 控制系统选择控制系统选择 对于焊接机器人这种精度要求不高的工业机器人 大多采用示教再现编程 示教方 式作为一种成熟的技术 易被熟悉工作任务的人员掌握 无论是手把手示教或示教盒示 教 都是以在线编程 由示教操作人员操作移动末端执行器和手臂到所需的位置 然后 记录 存储 下这些操作和数据 示教过程完成后 即可应用 机器人以再现方式重复 进行示教时存于存储器的点位 轨迹和各种操作 再现过程的速度可以与示教时速度不 同 利用示教手柄由人工引导末端执行器经过所要求的轨迹 此时位置传感器就检测出 机器人操作机上各关节处的坐标 或转角 值 控制系统的装置记录 储存 下这些数 字化的数据信息 再现时 机器人控制系统重复再现示教者示教的轨迹和操作技能 手 把手示教也能实现点位控制 所不同的是它只记录各轨迹程序段的两端位置 轨迹运动 速度则按各轨迹程序段对应的功能数据输入 2 1 6 确定关节型机器人手臂的配置形式确定关节型机器人手臂的配置形式 手臂的配置形式反映了机器人操作机的总体布局 根据任务要求 要实现机器人焊接 功能 则机器人的工作范围要广 所以我选择了立柱式的配置方式 其特点是占地面积小 工 作范围大 机器人手臂可绕立柱回转 根据分析 可将机器人的参数列在表 2 1 中 表 2 1 关节型机器人的主要参数 项目技术要求 2 2 关节型机器人本体结构设计关节型机器人本体结构设计 图 2 2 是整个机器人本体机械传动系统的简图 机械传动系统共有 30 个齿轮 为了 实现在同一平面改变传递方向 90 有 10 个齿轮为圆锥齿轮 有利于简化系统运动方程式 的结构形式 如果采用蜗轮蜗杆结构 则必然以空间交叉方式变向 就不利于简化系统运动 方程式的结构形式 机器人主要由立柱与基座组成的回转基座以及大臂 小臂 手腕组成 基座是一个铝制的整体铸件 其上装有关节 1 的驱动电机 在基座内安置了关节 1 的回转轴及其轴承 轴承座等 大臂和小臂的结构形式相似 都由内部铝制的整体铸件骨架与外表面很薄的铝板壳 相互胶接而成 内部铸件既作臂的承力骨架 又作内部齿轮组的轮壳与轴的支承座 大臂上装有关节 2 3 的驱动电机 内部装有对应的传动齿轮组 关节 2 3 都采用 了 结构型式关节型 自由度数6 1 2 3 4 5 6 运动范围 308 314 292 578 244 534 最大速度 2m s 腕部最大负荷6 驱动方式直流电机 重复定位精度0 05mm 控制方式PTP CP 操作方式示教再现 存储容量19kw 质量机械本体 13 2kg 控制柜 36 33kw 输入 输出32 32 位 电源110 130V 交流 50 60Hz 1 2kW 安装环境5 46 20 90 RH 图 2 2 关节型机器人传动原理图 三级齿轮减速 其中第一级采用锥齿轮 以改变传动方向 90 第二 三级均采用 圆柱直齿轮进行减速 关节 2 传动的最末一个大齿轮固定在立柱上 关节 3 传动的最末 一个大齿轮固定在小臂上 小臂端部连接具有 3R 手腕 在臂的根部装有关节 4 5 的驱动电机 在小臂的中部 靠近手腕处 装有关节 6 的驱动电机 关节 4 5 均采用两级齿轮传动 不同的是关节 4 采用两级圆柱直齿轮 而关节 5 采用第一级圆柱直齿轮 第二级锥齿轮 使传动轴线改 变方向 90 关节 6 采用三级齿轮传动 第一级与第二级为锥齿轮 第三级为圆柱直齿 轮 关节 4 5 6 的齿轮组除关节 4 第一级齿轮装在小臂内以外 其余的均装在手腕内 部 关节型机器人总体结构如图 2 3 所示 图 2 3 关节型机器人的总体结构 所设计的机器人本体结构特点如下 1 内部铝铸件形状复杂 既用作内部齿轮安装壳体与轴的支承座 又兼作承力骨架 传递集中载荷 这样不仅节省材料 减少加工量 又使整体质量减轻 手臂外壁与铸件 骨架采用胶接 使连接件减少 工艺简单 减轻了质量 2 轴承外形环定位简单 一般在无轴向载荷处 载荷外环采用端面打冲定位的方法 3 采用薄壁轴承与滑动铜衬套 以减少结构尺寸 减轻质量 4 有些小尺寸齿轮与轴加工成一体 减少连接件 增加了传递刚度 5 大 小臂 手腕部结构密度大 很少有多余空隙 如电机与臂的外壁仅有 0 5mm 间隙 手腕内部齿轮传动安排亦是紧密无间 这样使总的尺寸减少 质量减少 6 工作范围大 适应性广 PUMA 除了自身立柱所占空间以外 它的工作空间几乎 是他的长臂所能达到的全球空间 再加之其手腕轴的活动角度大 因此使它工作时位姿 的适应性强 譬如用手腕拧螺钉 手腕关节 4 6 配合 一次就能转 1112 7 由于结构上采用了刚性齿轮传动 调整齿轮间隙机构 弹性万向联轴器 工艺上 加工精密 多用整体铸件 使得重复定位精度高 8 机器人手臂材料的选择 机器人手臂的材料应根据手臂的工作状况来选择 根据设计要求 机器人手臂要完 成各种运动 因此 对材料的一个要求是作为运动的部件 它应是轻型材料 而另一方 面 手臂在运动过程中往往会产生振动 这将大大降低它的运动精度 因此 在选择材 料时 需要对质量 刚度 阻尼进行综合考虑 以便有效地提高手臂的动态性能 机器人手臂材料首先应是结构材料 手臂承受载荷时 不应有变形和断裂 从力学 角度看 即要具有一定的强度 手臂材料应选择高强度材料 如钢 铸铁 合金钢等 机器人手臂是运动的 又要具有很好的受控性 因此 要求手臂比较轻 综合而言 应 该优先选择强度大而密度小的材料做手臂 第三章第三章 6 自由度焊接机器人腰部结构设计自由度焊接机器人腰部结构设计 通过总体分析后 确定了 6 自由度焊接机器人的结构 所设计的腰关节部分采用二级 齿轮减速传动 Z4 Z3 Z2 Z1 图 3 1 大齿轮结构图 3 1电动机的选择电动机的选择 表3 1 QZD 08串励直流电动机技术数据 功率 W 额定电压 V 额定电流 A 额定转速 r min 滤磁方式绝缘等级 8002446 21750串励B 3 2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比计算传动装置的总传动比和分配各级传动比 根据经验取主轴的转速 4rad s 传动装置总传动比取 48 分二级传动 第一级是加 总 i 工在轴上的齿轮与小齿轮啮合 传动比 4 第二级传动比为 1 i 12 3 6 2 i 4 48 1 i i总 3 3 轴的确定轴的确定 表 3 2 名称转速输入功率 W输入扭矩 mN 材料 n min r 轴17507684 445钢 轴437 5748 916 7645钢 轴36 46733 9192 2337SiMn2MoV 3 4 齿轮的参数齿轮的参数 表 3 4 第二级啮合齿轮的几何尺寸 通过齿轮传动的强度计算 只能确定出齿轮的主要尺寸 如齿数 模数 齿宽 螺旋角 分度圆直径等 而齿圈 轮辐等的结构形式及尺寸大小 通常都有结构设计而 定 齿轮的结构设计与齿轮的几何尺寸 毛坯 材料 加工方法 使用要求及经济性等 因素有关 进行齿轮的结构设计时 必须综合地考虑上述各方面的因素 通常是先按齿 轮的直径大小 选定合适的结构形式 然后再根据荐用的经验数据进行结构设计 对于直径很小的钢制齿轮 当为圆柱齿轮时 若齿根圆到键槽底部的距离 e 2mt当为 锥齿轮时 按齿轮小端尺寸计算而得的 e 1 6m 时 均应将齿轮和轴做成一体 叫做齿轮 轴 如图 3 2 图 3 4 若 e 值超过上述尺寸时 齿轮与轴以分开制造为合理 当齿顶圆直径 da 160mm 时 可以做成实心结构的齿轮 当齿顶圆直径 da 500mm 事 可以做成腹板式结构 腹板上开孔的数目按结构尺寸大小及需要而定 当齿顶圆直 径 400 daaa 结果都满足要求 3 第三根轴 此轴传递扭矩 mNT 67 17 1 min 200rn WP370 mm n P Cd 7 14 200 37 0 1203 3 因此该轴的尺寸具体如下 图 4 4 轴 3 的尺寸 4 1 7 确定齿轮传动的精度确定齿轮传动的精度 根据GB10095 1988规定 齿轮精度等级分为12级 1级最高 12级最低 常用6 9级 查机械 设计手册 选用7级精度的齿轮 4 1 8 确定齿轮的参数确定齿轮的参数 4 1 9 选择材料选择材料 查机械设计手册 选择齿轮的材料为45钢 经调质硬度HBS可达229 286 4 1 104 1 10 压力角压力角的选择的选择 由机械原理知识可知 增大压力角 能使轮齿的齿厚和节点处的齿廓曲率半径增大 可提高 齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度 此处 压力角可取 20 4 1 114 1 11 齿数和模数的选择齿数和模数的选择 对软齿面的闭式齿轮传动 其承载能力主要取决于齿面接触疲劳强度 而齿面接触应 力的大小与小齿轮的分度圆直径有关 即与齿数和模数的积有关 因此在满足弯曲疲劳强 度的前提下 宜选择较小的模数和较多的齿数 这样除能增大重合度 改善传动的平稳性 外 还因模数的减小而降低齿高 从而减小金属的切削量 减少滑动速度 减少磨损 提高抗 胶合能力 轴上齿轮齿数取 25 小齿轮齿数取 100 轴上轴齿轮齿数取 25 大齿 1 z 2 z 3 z 轮齿数取 300 模数 m 取 2 4 z 4 4 12确定齿宽系数确定齿宽系数 由强度公式可知 当载荷一定时 增大齿宽可以减小齿轮直径 降低齿轮圆周速度 但增大 齿宽 齿面上的载荷分布不均匀性也将增大 查机械设计手册 中间轴上的齿轮与大齿轮 啮合时取齿宽系数为 1 0 悬臂上的齿轮与小齿轮啮合时取为 0 5 根据公式 计 d d 1 db d 算结果圆整为 5 的整数倍 作为大齿轮的齿宽 小齿轮齿宽取 以补 2 bmmbb 105 21 偿加工装配误差 所以 轴上齿轮 与之啮合的小齿轮齿宽 mmb30 1 mmb25 2 轴上的齿轮齿宽 与之啮合的大齿轮齿宽 mmb55 1 mmb45 2 表 4 6 第一级啮合齿轮的几何尺 名称符号公式 分度圆直径 d mmmzd40202 11 mmmzd80402 22 齿顶高 a hmmmhaha221 齿根高 f hmmmchahf5 22 25 0 1 齿全高 h mmhhh fa 5 45 22 齿顶圆直径 1a d mmhdd aa 442 11 mmhdd aa 842 22 齿根圆直径 1f d mmhdd ff 352 11 mmhdd ff 752 22 基圆直径 1b d mmddb56 37cos 11 mmddb17 75cos 22 齿距 pmmmp28 6 214 3 齿厚 smmms14 3 2 齿槽宽 emmme14 3 2 中心距 a mmdda602 21 顶隙 cmmmcc5 0225 0 表 4 7 齿轮的几何尺寸 符号公式 分度圆直径 d mmmzd40202 11 mmmzd2001002 22 齿顶高 a hmmmhaha221 齿根高 f hmmmchahf6 12 2 01 齿顶圆直径 a d mmhdd aa 44cos2 11 mmhdd aa 202cos2 22 齿根圆直径 f dmmhdd ff 37cos2 11 mmhdd ff 197cos2 22 齿顶角 a 01959 0 tan Rha a 齿根角 f 0235 0 tan Rhf f 分度圆锥角 196 0 2 sin Rmz 顶锥角 a 3 10 aa 根锥角 f 10 ff 锥距 RmmmzR102sin2 齿宽 bmmRb 4 20 35 0 2 0 已选定齿轮采用 45 钢 锻造毛坯 软齿面 齿轮渗碳淬火 HRC56 62 齿轮精度用 7 级 软齿表面粗糙度为 对于需校核的一对的齿轮 齿数分别为 6 1 a R25 3 z 模数为 2 传动比 扭矩 T 16 76N m 第二级啮合齿轮的几何尺寸表所300 4 z12 i 示 1 设计准则 按齿面接触疲劳强度设计 再按齿根弯曲疲劳强度校核 2 按齿面接触疲劳强度计算 4 26 3 1 2 1 12 dH EH t KTZZZ d 式中 节点区域系数 用来考虑节点齿廓形状对接触应力的影响 取 2 5 H Z H Z 材料系数 单位为 查机械设计手册 取 189 8 E ZMPaMPa 重合度系数 取 0 90 Z Z 齿宽系数 取 1 d d 选择材料的接触疲劳极限应力为 MPa H 580 lim1 MPa H 560 lim2 选择齿根弯曲疲劳极限应力为 MPa F 230 lim1 MPa F 210 lim2 应力循环次数 N 计算可得 437 5 16 300 8 10 08 4 27 6060 11 atnN 8 10 则 4 8 8 1 2 1084 0 12 1008 10 N N 28 查得接触疲劳寿命系数为02 1 01 1 21 NN ZZ 查得弯曲疲劳寿命系数为1 21 NN YY 查得接触疲劳安全系数 弯曲疲劳安全系数 又为试验齿1 min H S5 1 min F S ST Y 轮的应力修正系数 按国家标准取 2 0 试选1 3 t K 求许用接触应力和许用弯曲应力 4 29 MPaZ S N H H H 8 58501 1 1 580 1 min lim1 1 4 30 MPaZ S N H H H 57102 1 1 560 1 min lim2 2 4 31 1lim 11 min 230 2 1306 67 1 5 FST FN F Y YMPa S 4 32 MPaY S Y N F STF F 2801 5 1 2210 2 min lim2 2 将有关值带入公式得 3 1 2 2 1 12 u uTKZZZ d d t H EH t 3 2 12 112 1 167603 12 571 9 0 8 1895 2 29 78mm 4 33 则 4 34 sm nd v t 68 0 100060 5 43778 29 100060 11 1 4 35 sm vz 17 0 100 68 0 25 100 13 查图得 查得 05 1 v K6 1 A K 查得 取 则 17 1 K2 1 a K359 2 2 117 1 05 1 6 1 aVAH KKKKK 修正 mmmm K K dd t H t 32 36 3 1 359 2 78 29 3 3 11 5 1 25 32 36 3 1 z d m 取标准模数 m 2mm 与前面选定的模数相同 所以 m 2mm 符合要求 4 校核齿根弯曲疲劳强度 查得 取08 4 0 4 21 FSFS YY7 0 Y 校核两齿轮的弯曲强度 1 3232 1 1 03 317 00 4 2251 16760653 1 22 FFs d F MPaYY mz KT 4 36 2 1 2 22 42 30 08 4 0 4 03 31 F FS FS FF MPa Y Y 所以齿轮完全达到要求 图 4 4 圆锥齿轮结构图 通过齿轮传动的强度计算 只能确定出齿轮的主要尺寸 如齿数 模数 齿宽 螺 旋角 分度圆直径等 而齿圈 轮辐等的结构形式及尺寸大小 通常都有结构设计而定 齿轮的结构设计与齿轮的几何尺寸 毛坯 材料 加工方法 使用要求及经济性等因素 有关 进行齿轮的结构设计时 必须综合地考虑上述各方面的因素 通常是先按齿轮的 直径大小 选定合适的结构形式 然后再根据荐用的经验数据进行结构设计 对于直径很小的钢制齿轮 当为圆柱齿轮时 若齿根圆到键槽底部的距离 e 2mt当为 锥齿轮时 按齿轮小端尺寸计算而得的 e 1 6m 时 均应将齿轮和轴做成一体 叫做齿轮 轴 如图 3 2 图 3 4 若 e 值超过上述尺寸时 齿轮与轴以分开制造为合理 当齿顶圆直径 da 160mm 时 可以做成实心结构的齿轮 当齿顶圆直径 da 500mm 事 可以做成腹板式结构 腹板上开孔的数目按结构尺寸大小及需要而定 当齿顶圆直 径 400 da 1000mm 时 可做成轮辐式截面为 十 字形的轮辐式结构的齿轮 本课题的大齿轮齿顶圆直径 da 604mm 初步选择 十 字形的轮辐式结构 但是 十 字形的 轮辐式齿轮的结构比较复杂 设计和加工较为烦琐 加大了成本的消耗 所以不建议采用 十 字形 的轮辐式结构 由于齿顶圆直径过大 如果采用腹板式齿轮结构 则设计出来的大齿轮腹板比较单薄 容易断裂 综合腹板式结构和 十 字形的轮辐式结构所设计的大齿轮的大体结构尺寸如图所示 4 3 摆腕部分摆腕部分 4 3 1 传动装置的总传动比及各级传动比分配传动装置的总传动比及各级传动比分配 传动装置分二级传动 第一级 i1 设为 2 则第二级 i2 i 总 i1 10 2 5 由上可知轴的各项数据可得 表 4 8 轴的主要设计参数 名 称转速 n r min 输入功率 W 输入扭矩 N m 材 料 轴2000196 0 94 45 钢 轴 1000191 12 1 82445 钢 轴 200187 3 89 4445 钢 4 3 1 确定三根确定三根轴轴的具体尺寸的具体尺寸 表4 9 单列角接触球轴承主要参数 基本尺寸 mm 基本额 定载荷 KN 安装尺寸 mm 名称轴承 代号 dDB CrC0r 重 量 Kgda min Da max ra max 数 量 角接触球轴 承 7206AC30621622 014 20 19365614 图4 5 第一级齿轮轴结构图 4 3 2 确定齿轮的参数 表 4 10 齿轮的几何尺寸 名称符号公式 分度圆直径dmmmzd40202 11 mmmzd80402 22 齿顶高 a hmmmhaha221 齿根高 f hmmmchahf5 22 25 0 1 齿全高 h mmhhh fa 5 45 22 齿顶圆直径 1a d mmhdd aa 442 11 mmhdd aa 842 22 齿根圆直径 1f d mmhdd ff 352 11 mmhdd ff 752 22 基圆直径 1b d mmddb56 37cos 11 mmddb17 75cos 22 齿距pmmmp28 6 214 3 齿厚smmms14 3 2 齿槽宽emmme14 3 2 中心距ammdda602 21 顶隙cmmmcc5 0225 0 由于小齿轮分度圆直径较小 考虑到结构 小齿轮将做成齿轮轴 表 4 11 齿轮的几何尺寸 符号公式 分度圆直径d mmmzd40202 11 mmmzd2001002 22 齿顶高 a hmmmhaha221 齿根高 f hmmmchahf6 12 2 01 齿顶圆直径 a d mmhdd aa 44cos2 11 mmhdd aa 202cos2 22 齿根圆直径 f dmmhdd ff 37cos2 11 mmhdd ff 197cos2 22 齿顶角 a 01959 0 tan Rha a 齿根角 f 0235 0 tan Rhf f 分度圆锥角 196 0 2 sin Rmz 顶锥角 a 3 10 aa 根锥角 f 10 ff 锥距 RmmmzR102sin2 齿宽bmmRb 4 20 35 0 2 0 4 3 3 确定齿轮传动的精度确定齿轮传动的精度 根据GB10095 1988规定 齿轮精度等级分为12级 1级最高 12级最低 常用6 9级 查机 械设计手册 选用7级精度的齿轮 由上述可知 已选定齿轮采用 45 钢 锻造毛坯 软齿面 齿轮渗碳淬火 HRC56 62 齿轮精度用 7 级 软齿表面粗糙度为 对于需校核的一对的齿轮 6 1 a R 齿数分别为 模数为 2 传动比 扭矩 T 1 824N m 第二级啮合20 3 z100 4 z5 i 齿轮的几何尺寸 如表 4 4 所示 对于直径很小的钢制齿轮 当为圆柱齿轮时 若齿根圆到键槽底部的距离 e 2mt当为 锥齿轮时 按齿轮小端尺寸计算而得的 e 1 6m 时 均应将齿轮和轴做成一体 叫做齿轮 轴 如图 3 2 图 3 4 若 e 值超过上述尺寸时 齿轮与轴以分开制造为合理 当齿顶圆直径 da 160mm 时 可以做成实心结构的齿轮 当齿顶圆直径 da 500mm 事 可以做成腹板式结构 腹板上开孔的数目按结构尺寸大小及需要而定 当齿顶圆直径 400 da 1000mm 时 可做成轮辐式截面为 十 字形的轮辐