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设计任务－关节型机器人腰部结构设计.doc

关节型机器人腰部结构设计【优秀含11张CAD图纸+全套机械人毕业设计】

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固定板.dwg

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小齿轮.dwg

底板.dwg

总体尺寸图-GAI.dwg

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关键词：: 关节机器人腰部结构设计优秀优良 11 十一 cad 图纸全套机械人毕业设计

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设计说明书.doc[14000字，38页]

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目　录

1 前言…………………………………………………………………………………1

1.1 题目来源及分析…………………………………………………………………1

1.2 研究目的…………………………………………………………………………2

1.3国内外发展及研究现状…………………………………………………………2

2 关节型机器人总体设计……………………………………………………………4

2.1 确定基本技术参数………………………………………………………………4

2.1.1机械结构类型的选择…………………………………………………………4

2.1.2 额定负载………………………………………………………………………5

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 控制系统的选择………………………………………………………………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

3 关节型机器人腰部结构设计…………………………………………………… 10

3.1 电动机的选择…………………………………………………………………10

3.2 计算传动装置的总传动比及分配各级传动比………………………………12

3.3 轴的设计计算…………………………………………………………………12

3.3.1 计算各轴转速、转矩和输入功率……………………………………………12

3.3.2 确定三根轴的具体尺寸……………………………………………………13

3.4 确定齿轮的参数………………………………………………………………17

3.4.1 选择材料……………………………………………………………………17

3.4.2 压力角的选择………………………………………………………………17

3.4.3 齿数和模数的选择…………………………………………………………17

3.4.4 齿宽系数的确定……………………………………………………………17

3.4.5 确定齿轮传动的精度………………………………………………………18

3.4.6 齿轮的校核…………………………………………………………………19

3.5 壳体设计………………………………………………………………………22

4 关节型机器人的位姿分析………………………………………………………23

4.1 机器人的位姿与运动的描述…………………………………………………23

4.2 关节型机器人的广义连杆变换矩阵…………………………………………23

4.3 关节型机器人运动方程………………………………………………………26

4.3.1 关节型机器人运动分析……………………………………………………26

4.3.2 关节型机器人运动反解……………………………………………………29

5 结论………………………………………………………………………………34

参考文献……………………………………………………………………………35

附录…………………………………………………………………………………36

设计任务

题目：关节型机器人腰部结构设计

一、设计内容

题目来源于生产实际。设计一个用于焊接的关节型机器人，进行机器人的总体

方案设计、腰部结构设计以及其零件设计。

二、设计依据

　焊接机器人具有六个自由度，腰关节回转，臂关节俯仰，肘关节俯仰，

腕关节仰腕、摆腕和旋腕，腕部最大负荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空间半径

1500mm。

三、技术要求

1、机器人应能满足工作要求，保证焊接精度；

2、工作可靠，结构简单；

3、装卸方便，便于维修、调整；

4、尽量使用通用件，以便降低制造成本。

四.设计物化成果的具体内容及要求

1、图纸工作量及要求

设计图样全部用AutoCAD绘制，总的绘图量达3张A0以上，具体要求：

（1）机器人外形尺寸图一张；

（2）腰部及底座装配图一张；

（3）设计的所有零件的零件图。

主要参考文献：

1、殷际英.何广平.关节型机器人：北京:化学工业出版社，2003.

2、马香峰.工业机器人的操作机设计.北京：冶金工业出版社，1996.

3、费仁元.张慧慧.机器人机械设计和分析.北京：北京工业大学出版社，1998.

4、周伯英.工业机器人设计.北京：机械工业出版社，1995.

5、蔡自兴.机器人学.北京：清华大学出版社，2000.

6、宗光华,刘海波译.机器人技术手册. 北京：科学出版社，1996.

7、徐卫良，钱瑞明译.机器人操作的数学导论. 北京：机械工业出版社，1998.

8、孙迪生，王炎.机器人控制技术.北京：机械工业出版社，1998.

9、徐灏.机械设计手册.第二版.北京：机械工业出版社，2000.

10、成大先.机械设计手册.第4版. 北京：化学工业出版社，2002.

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大齿轮.jpg

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内容简介：: 1 前言 1.1 题目来源与分析题目关节型机器人腰部结构设计来源于生产实践中。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基座和腰部的结构。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”。 1.2 研究目的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国内外机器人领域发展近几年有如下几个趋势 a. 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 )，nts而单机价格不断下降。 b. 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。 c. 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。 d. 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；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 e. 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。 f. 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。 g. 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。 nts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。 5 6 13 nts 2 关节型机器人总体设计 2.1 确定基本技术参数 2.1.1 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： a.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。 b.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。 c.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。 d.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。 e.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nts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。图 2-1 运动范围图 2.1.4 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 : a.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。 b.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。 c.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nts(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。 d.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结构型式关节型自由度数 6 运动范围 1 2 3 4 5 6 308 314 292 578 244 534 nts最大速度 2m s 腕部最大负荷 6 续表2-1 项目技术要求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 2.2 关节型机器人本体结构设计图 2-2 关节型机器人传动原理图图 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nts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。所设计的机器人本体结构特点如下： a.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。 b.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。 c. 采用薄壁轴承与滑动铜衬套，以减少结构尺寸，减轻质量。 d. 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。 e. 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。 f. 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。 g. 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。 h. 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nts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。其中，非金属材料有尼龙 6、聚乙烯和碳素纤维等；金属材料以轻合金为主。在我们的设计中为减轻机器人本体的重量选用铸铝材料。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 nts 3 关节型机器人腰部结构设计通过总体分析后 ,确定了机器人的结构。所设计的腰关节部分采用二级齿轮减速传动。图 3-1 关节型机器人腰关节驱动器和齿轮传动机构简图 3.1 电动机的选择 12 设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为 JG1、 JG2、 JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为 : 2333222221111 lmJlmJlmJJ GGG （ 3-1） nts 1m 、2m、3m分别为 10kg、 5kg、 12kg。1l、 2l 、3l分别为重心到第一关节轴的距离，其值分别为 300mm、 700mm、 1500mm，在式（ 3-1）中 2111 lmJ G 、 2222 lmJ G 、2333 lmJG 故 1GJ 、2GJ、2GJ可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动惯量为： 2332222111 lmlmlmJ （ 3-2） = 222 5.1127.053.010 = 225.30 mkg 同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量 : 2532422 lmlmJ = 22 8.0124.05 = 248.8 mkg 式中： 4l 小臂重心距第二关节轴的水平距离 mm 。 5l 腕部重心距第二关节轴的水平距离 mm 。设主轴速度为 219 /s，则旋转开始时的转矩可表示如下 JT （ 3-3）式中： T 旋转开始的转矩 mN w 角加速度 2/srad 使机器人主轴从 00w到0 219w /s所需时间为 : 1ts 则： 01 1 1 1 . 2 23 0 . 2 5 1 1 5 . 61wwT J w J N mt 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为 120Nm 电动机的功率可按下式估算 LPLPmP M)5.25.1( （ 3-4） nts式中：mP 电动机功率 W ； LPM 负载力矩 mN ； LP 负载转速 srad/ ；传动装置的效率，初步估算取 0.9；系数 1.5 2.5为经验数据，取 1.5 1 2 0 3 . 8 21 . 5 0 . 9mP 764Nm 估算mP后就可选取电机，使其额定功率 rP 满足下式 rP mP （ 3-5）选择 QZD-08串励直流电动机表 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）滤磁方式绝缘等级工作制（ min） 800 24 46.2 1750 串励 B 60 3.2 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。传动装置总传动比总i取 48，分二级传动，第一级是加工在轴上的齿轮与小齿轮啮合，传动比 1i =4；第二级传动比为 2i = 4481ii总 =12 (3-6) 3.3 轴的设计计算 3.3.1 计算各轴转速、转矩和输入功率 a.各轴转速轴 min/1750 rn (3-7) 轴 m in/5.43 7417 50 rn (3-8) nts轴 n = m in/46.3612 5.43 7 r(3-9) b.各轴输入功率轴 WPPz 7 6 898.08 0 00 (3-10) z 制动器效率轴 WPPba 9.7 4 89 9 5.098.07 6 8 (3-11) a 齿轮啮合的效率 b 角接触球轴承的效率轴 P =aP =748.9 0.98=733.9 W (3-12) c.各轴输入扭矩轴 mNnpT 4.41 7 5 08.09 5 5 09 5 5 01(3-13) 轴 mNnPT 76.165.437 768.09 5 5 09 5 5 02(3-14) 轴 T3=9550 mNnP 23.19246.36 7339.0(3-15) 3.3.2 确定三根轴的具体尺寸 4 两实心轴的材料均选用 45号钢，查表知轴的许用扭剪应力 = 30MPa，由许用应力确定的系数为 C=120. A. 第一根轴设计及校核 a.此轴传递扭矩 mNT 4.41 min/1750 rn WP 768 mmnPCd 12.91 7 5 07 6 8.01 2 0 33 （ 3-16）因为轴是齿轮轴 ,所以可以将轴的轴径加工的大一点 ,以满足齿轮啮合时强度的要求。齿轮的分度圆直径为 50mm,齿轮两端装有轴承 ,加工一段轴肩来定位轴承 .nts齿轮轴上装型号为滚动轴承 7206AC,内径为 30mm。具体尺寸如图 3-2所示。图 3-2 第一级齿轮轴结构图 b.轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准则是满足轴的强度或刚度要求。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的方法，并恰当地选取其许用应力，对于用于传递转矩的轴应按扭转强度条件计算，对于只受弯矩的轴（心轴）应按弯曲强度条件计算，两者都具备的按疲劳强度条件进行精确校核等。 nts 图 3 3 轴的受力分析和弯扭矩图求作用在齿轮上的力： )(07.8020t a n220t a n)(220404 4 0 022)(50252NFFNdTFmmzmdtrtt(3-17) 画轴的受力简图见图 3 3 计算轴的支承反力在水平面上 NllF r lFHR 72.4030293007.803231 (3-18) NFFrF HRHR 35.3972.40-8 0 . 0 7- 12 (3-19) 在垂直面上 nts NFFF tVRVR 1 1 0212 (3-20) 画弯矩图见图 3 3 在水平面上， aa 剖面左侧 mmNlFMHRaH 9.1 1 8 02972.4011(3-21) aa 剖面右侧 mmNlFMHRaH 15.1 1 4 12935.39 22(3-21) 在垂直面上 mmNlFMMVRavaV 3 1 9 02911011(3-22) 合成弯矩， aa 剖面左侧 mmNMMMaaVaH 7.340431909.1189 2222(3-23) aa 剖面右侧 mmNMMaMaVaH 9.3387319015.1141 2222(3-24) 画转矩图见图 3 3 mmNdFTt 5 5 002502202(3-25) 判断危险截面 aa 截面左右的合成弯矩左侧相对右侧大些，扭矩为 T，则判断左侧为危险截面，只要左侧满足强度校核就行了。轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力 M pab 601 = ， Mpab 1000 =， 6.010 06001 = bb aa 截面左侧 333 1 2 5 0 0105010 mmdW nts(3-26) M paWTMe 379.012500)55006.0(7.3404)( 2222 (3-27) c.轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度 MpaB 650= ，弯曲疲劳强度 Mpa3001 ，剪切疲劳极限Mpa1551 ，等效系数 2.0= ， 1.0= aa 截面左侧 333 2 5 0 0 05505 mmdW T (3-28) 查得 1=K ， 8.1=K ；查得绝对尺寸系数 95.0， 92.0；轴经磨削加工，表面质量系数 0.1= 。则弯曲应力 MPaWM Tb 54.02 5 0 0 0 7.3 4 0 4 ， (3-29) 应力幅 Mpaba 66.1 平均应力 0=m切应力 M p aWT TT 22.02 5 0 0 05 5 0 0 (3-30) M paTma 11.02 安全系数 7.18002.066.195.00.1 13001 maKS (3-31) 10073.01.073.092.00.1 8.11551 maKS (3-32) 15.881007.180 1007.180 2222 SSSSS nts(3-33) 查许用安全系数 5.13.1 =S ，显然 SS ，则 aa 剖面安全。其它轴用相同方法计算，结果都满足要求。 B.中间轴设计此轴传递扭矩 mNT 76.162 , 转速 min/5.437 rn , 传递功率为WP 9.748 ,则 mmnPCd 35.145.4377 4 8 9.0120 33 （ 3-34）安装轴承部分轴径最小 ,由于整个轴上零件较复杂 ,在两轴承之间有车在轴上的齿轮 ,还有安装在轴上的小齿轮 ,以及轴套和轴承 ,所以 d 可取大一点 ,这里取mmd 30 ,轴承部分 mm30 ,轴承选为单列角接触球轴承 ,轴承型号为滚动轴承 7206AC,其余根据结构确定 .由于载荷不大 ,轴承选的较大 ,强度足够 ,这里不再详算。中间轴大体结构及尺寸如图 3-4 所示。图 3-4 中间轴结构图 C. 主轴的设计主轴是连接腰关节与大臂的结构，因结构体积比较大 ,为节省材料减轻重量 ,故需设计成空心轴 ,主要承受轴向拉力 ,取内径 mm81 ,外径 mmd 114 ,用圆锥滚子轴承支承 ,轴承型号为滚动轴承 30205。主轴材料选用型号为 ZAlCu5Mn的铸铝合金。 3.4 确定齿轮的参数 3.4.1 选择材料 4 根据表 7-1,选择齿轮的材料为 45钢 ,经调质硬度 HBS可达 229 286。 3.4.2 压力角的选择 nts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。 3.4.3 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 1z 取 25,小齿轮齿数 2z 取 100, 轴上轴齿轮齿数3z取 25,大齿轮齿数 4z 取 300,模数 m 取 2。 3.4.4 齿宽系数d 4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。查表 7-7,中间轴上的齿轮与大齿轮啮合时取齿宽系数d为 1.0;悬臂上的齿轮与小齿轮啮合时取 d为 0.5。根据公式1db d,计算结果圆整为 5 的整数倍 ,作为大齿轮的齿宽 2b ,小齿轮齿宽取 mmbb )105(21 ,以补偿加工装配误差。所以轴上齿轮 mmb 301 与之啮合的小齿轮齿宽 mmb 252 轴上的齿轮齿宽 mmb 551 ,与之啮合的大齿轮齿宽 mmb 452 3.4.5 确定齿轮传动的精度 4 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。根据表 7-8 选用 7级精度的齿轮。表 3-2 第一级啮合齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径 d mmmzd 5025211 mmmzd 200100222 齿顶高 ahmmmhaha 221 齿根高 fhmmmchahf 5.22)25.01()( 齿全高 h mmhhhfa 5.45.22 齿顶圆直径 1admmhddaa 54211 mmhddaa 2 0 4222 齿根圆直径 1fdmmhdd ff 45211 mmhdd ff 1 9 5222 基圆直径 1bdmmdd b 98.46c o s11 mmdd b 94.1 8 7c o s22 齿距 p mmmp 28.6214.3 齿厚 s mmms 14.32/ 齿槽宽 e mmme 14.32/ nts 表 3-3 第二级啮合齿轮的几何尺寸 3.4.6 齿轮的校核 4 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 6.1aR，对于需校核的一对的齿轮，齿数分别为 253 z， 3004 z ，模数为 2，传动比 12i ，扭矩 T=16.76N m。 a.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。 b.按齿面接触疲劳强度计算中心距 a mmdda 1252/)( 21 顶隙 c mmmcc 5.0225.0 名称符号公式分度圆直径 d mmmzd 5025211 mmmzd 6 0 03 0 0222 齿顶高 ahmmmhaha 221 齿根高 fhmmmchahf 5.22)25.01()( 齿全高 h mmhhhfa 5.45.22 齿顶圆直径 1admmhddaa 54211 mmhddaa 6 0 4222 齿根圆直径 1fdmmhdd ff 45211 mmhdd ff 595222 基圆直径 1bdmmdd b 98.46c o s11 mmdd b 82.5 6 3c o s22 齿距 p mmmp 28.6214.3 齿厚 s mmms 14.32/ 齿槽宽 e mmme 14.32/ 中心距 a mmdda 3 2 52/)( 21 顶隙 c mmmcc 5.0225.0 nts 3 12112 dHEHtKTZZZd 。（ 3-35）式中： HZ 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 HZ =2.5； EZ 材料系数，单位为 MPa ，查表 7-5，取 189.8 MPa ； Z 重合度系数，取Z=0.90； d 齿宽系数，取d=1； u 齿数比，其值为大齿轮齿数与小齿轮齿数之比， u=12。选择材料的接触疲劳极限应力为： MPaH 580lim1 MPaH 560lim2 选择齿根弯曲疲劳极限应力为： MPaF 230lim1 MPaF 210lim2 应力循环次数 N计算可得 6060 11 atnN 437.5 16 300 8=10.08 810 （ 3-36）则 8812 1084.0121008.10 NN （ 3-37）查得接触疲劳寿命系数为 02.1,01.121 NN ZZ查得弯曲疲劳寿命系数为 121 NN YY查得接触疲劳安全系数 1min HS ，弯曲疲劳安全系数 5.1min FS ，又STY为试验齿轮的应力修正系数，按国家标准取 2.0，试选 tK1.3，求许用接触应力和许用弯曲应力： M P aZS NHHH 8.58501.115801m i nl i m11 （ 3-38） M P aZS NHHH 57102.115601m i nl i m22 （ 3-39） nts 1 l i m11m i n2 3 0 2 1 3 0 6 . 6 71 . 5F S TFNFY Y M P aS （ 3-40） M P aYS Y NFSTFF 28015.1 22102m i nl i m22 （ 3-41）将有关值带入公式（ 3-35）得： 3 122112uuTKZZZddtHEHt= 32121121167603.125719.08.1895. =29.78mm 则 smndv t /68.0100060 5.43778.29100060 111 （ 3-42） smvz /17.01 0 0 68.0251 0 0 13 （ 3-43）查图得 05.1vK；查得 6.1AK ，查得 17.1K，取 2.1aK，则 359.22.117.105.16.1 aVAH KKKKK （ 3-44）修正 mmKKddtHt 32.363.1 359.278.29 3311 ， 5.125 32.3631 zdmmm 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。 c.计算几何尺寸 mmmzd 502523 ， mmmzd 6 0 03 0 024 （ 3-45） mmzzmA 3252 )30025(22 )( 43 ，（ 3-46） d.校核齿根弯曲疲劳强度 nts 查得 08.4,0.421 FSFS YY，取 7.0Y校核两齿轮的弯曲强度 132321103.317.00.42251 1 6 7 6 06 5 3.122 FFsdFMPaYYmzKT （ 3-47） 21222 42.3008.4 0.403.31 FFSFSFF M P aYY （ 3-48）所以齿轮完全达到要求。图 3-5 大齿轮结构图图 3-6 小齿轮结构图 3.5 壳体设计基座部分采用球墨铸铁材料 ,方形结构 ,壁厚在 15mm 左右。立柱采用铸铝 ,nts空心圆柱形状 ,起固定轴承外圈的作用。其他部分具体尺寸由结构确定 ,这里不一一叙述 ,详见图纸。 4 关节型机器人的位姿分析关节型机器人实质上是依靠各关节坐标值的改变来运行的。例如以示教再现方式工作的机器人的关节在每个位置的转角值是预先记录好的。当机器人末端手部执行工作任务时 ,控制器依次给出记录好的各关节转角数据 ,使机器人末端手部按照预定的位置有序运动 ,实现给定位姿来完成工作。 4.1 机器人的位姿与运动的描述从机构学的角度来看 ,关节型机器人的机械本体实际上是一个由转动和移动关节连接起来的开链式连杆系统 ,每个独立驱动的关节决定着机器人的一个自由度。为了便于描述这些连杆的相互关系 ,在每一连杆关节上设立一个坐标系 ,利用齐次变换就可以方便地描述这些坐标系间的相对位置和姿态。由于在我的设计中只用了转动关节 ,所以只讨论转动关节的情况。描述一个连杆与下一个连杆间相对关系的齐次矩阵通常记为 A 。 A 矩阵描述nts连杆坐标系间相对平移和旋转的齐次变换。如果1A表示第一个连杆对于基系 0的位置和姿态，2A表示第二个连杆相对于第一个连杆的位置和姿态 ,那么第二个连杆在基系 0的位置和姿态可由下列矩阵的乘积给出 2T = 21AA 一般 T 加相应前置或后置上下标的公式来表示两个或两个以上 A矩阵的乘积。同理 ,若 3A 表示第三个连杆相对于第二个连杆的位置和姿态 ,则有 3T = 321 AAA 称这些 A 矩阵的乘积为 T 矩阵 ,其前置上标若为 0 (既以基坐标系 0为参照 ),则可略去不写。于是 ,一个 6关节 (6自由度 )机器人从手部到基系 0的总齐次变换矩阵 T为 6T = 65321 AAAAAA 4 (4-1) 可以将上述 6 关节系统扩展为具有 n 个关节自由度的系统 ,其杆件0,1, ,i, ,n(共 n+1个 )通过关节 1,2, ,i, ,n(共 n个 )相连接。 n个关节机器人从手部到基系的总齐次变换矩阵 T 为 AnAAAT n 321 (4-2) 4.2 关节型机器人的广义连杆变换齐次矩阵从最一般的情况来考虑 ,可以设想关节型机器人是由一系列具有空间弯曲轴线的杆件 (即广义连杆 )连接在一起构成的 ,而直线轴线的杆件只是广义杆件的特例 ,广义连杆的齐次矩阵只要经适当简化就可以直接用于各种特例情况。对于一个 n 关节广义连杆系统 ,为了研究其任意两个相邻广义连杆之间的齐次变换矩阵 ,可以取出任意杆件 i-1与相邻杆件 i,以及与这两个杆件相连的关节i-1,和 i来研究其几何关系。首先建立连杆 i-1和 i的参考坐标系 i ,然后再确定两个坐标系之间的位置和姿态关系。 nts 图 4-1 广义连杆变换的 4个特征参数如图 4-1所示 ,连杆 i的参考坐标系 i 的原点位于关节 i-1和关节 i两轴的公共法线与关节 i 的交点上 ,参考坐标系 i 的 iz 轴就是关节 i 的轴线 , ix 轴沿关节 i和关节 i+1两轴线的公共法线 ,方向由关节 i指向关节 i+1。类似地，也可以定义出参考坐标系 1i 和 1i 。接下来，定义广义连杆 i-1的 4个特征参数：广义连杆 i-1两端关节转轴之间的公共法线距离 1ia 为连杆 1i 的（法线）长度；在垂直于 1ia 的平面内两端关节轴线投影的夹角 1i 为连杆 i-1 的扭角； i 和 i-1 两杆公共法线之间在 iz 轴上的相对位置差 id 为连杆距离 ;两连杆法线长度 ia 与 1ia 的夹角i (由 1ia 方向绕 iz 轴逆时针转向 ia 方向 )为连杆夹角。类似地，也可以定义连杆出广义连杆 i 的四个特征参数。使用坐标变换的方法可以从其中一个坐标系转换出另一个坐标系的位置和姿态。为此，按照下列顺序由两个旋转和两个平移来将连杆 i-1的坐标系转换到连杆 i的坐标系上。 a. 绕 iz 轴旋转 i 角 ,使 1ix 轴转到与 ix 轴同一直线上 ; b. 沿 iz 轴平移一距离 id 把 1ix 移到与 ix 同一高度上 ; c. 沿 ix 轴平移距离 1ia ，把连杆 1ii 的坐标系原点移到 iz 上； d. 绕 ix 轴旋转 1i 角 ,使 1iz 转到与 iz 同一平面内。这种关系可由四个齐次变换 iA 矩阵来描述，此关系为 iA = iiiiii dzT ransaxT ransxR ot ,1,1, iizRot , nts = 10000 11111i1

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