机械毕业设计113机器人腰转传动中消隙设计演示文稿.ppt
机械毕业设计113机器人腰转传动中消隙设计演示文稿
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机械毕业设计113机器人腰转传动中消隙设计演示文稿,毕业设计
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河南科技学院机电学院 2009届毕业生 论文 答辩 nts机器人腰转传动中消隙设计 学生姓名：师光 所在院系：机电学院 所学专业：机电技术教育 指导老师：牛爱青 nts 摘要 为了提高机器人的传动精度，满足实际工作需要 ,本课题对其腰部传动进行了消隙设计。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，分别对齿轮和轴进行了详细的设计计算并进行了校核。最后用双片薄齿轮错齿调隙法对其腰部传动进行了消隙设计，保证传动的精确性。其在结构上的简便、经济性也为其在以后的推广和应用中提供了便利条件。 关键词：机器人，总体设计，腰部结构设计，消隙设计 nts Abstract In order to increase robots transmission precision, meets the practical work needs, this topic carried on to his/her the waist transmission has disappeared the crack design. According to robots work requirement and the unique feature, have carried on robots system design, had determined robots external dimensions and the working space, have drawn up the robot various joints overall transmission plan, has carried on the detailed design to the robot waist joint structure, has arranged the electrical machinery and the gear reasonably, had determined all levels of transmission parameter, distinguished the counter gear and the axis has carried on the detailed design calculation and has carried on the examination. Finally used the biplate thin gear wrong tooth to adjust the crack law to carry on to his/her the waist transmission has disappeared the crack design, the guarantee transmission accuracy. It in the structure simple, the efficiency also has provided the convenient condition for it in the later promotion and the application。 Key word: robot, system design, waist structural design, disappears the crack to design nts 目录 1 绪论 2 机器人总体结构设计 2.1 确定基本技术参数 2.2 机器人本体结构设计 3 机器人腰部结构设计 3.1 电机的选择 3.2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比 3.3 轴的设计计算 3.4 确定齿轮的参数 4 拉簧消隙设计 4.1 消隙拉簧设计原则 4.2 设计步骤 5 结论与展望 nts1 绪论 机器人是现代一种典型的光机电一体化产品，机器人学也是当今世界极为活跃的研究领域之一，它涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多个学科。 机器人从出现到现在的短短几十年中，已经广泛应用于国民经济的各个领域，在现代工业生产中，机器人已经人类不可缺少的好帮手；在航空航天、海底探险中，机器人更是能完成人类难以完成的工作。随着计算机、人工智能和光机电一体化技术的迅速发展，机器人已不仅仅局限于工业领域的应用，它还将发展成具有人类智能的智能型机器人，具有一定的感觉思维能力和自主决策能力。 毕竟它发展的时间还太短，所以不可避免的存在一些缺陷，比如在机器人要腰部传动中，理论上一对齿轮在啮合时应该无侧隙，但实际上为了补偿由于制造、安装误差及温度变化而引起的尺寸变化，以防止被卡死，在轮齿非工作面间必须有一定的齿侧间隙，此间隙在进给系统反向时就会产生空程误差 .因此通过对弹簧消隙方法的分析，明确了齿轮消隙机构的本质，即给啮合齿轮加载力矩。基于这一原理下从而减小或消除空程误差，提高机器人传动精度。 nts2机器人总体结构设计 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。 nts 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 2.1.3 工作范围 nts2.1.4 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 (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。 nts 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。 nts 2.2机器人本体结构设计 3 机器人腰部结构设计 3.1 电机的选择 3.2计算传动装置的总传动比和分配各级传动比 3.3轴的设计计算 3.4确定齿轮的参数 nts4 拉簧消隙设计 消隙齿轮传动中的间隙是指消除齿轮传动中的齿侧间隙，理论上一对齿轮在啮合时应该无侧隙，但实际上为了补偿由于制造、安装误差及温度变化而引起的尺寸变化，以防止被卡死，在轮齿非工作面间必须有一定的齿侧间隙，此间隙在进给系统反向时就会产生空程误差，为了减小或消除空程误差，可以在结构上采取措施。目前常用的方法有调整中心距法、轴向调整法和双片薄齿轮错齿调隙法。其中双片薄齿轮错齿调隙法是目前实践中行之有效的方法。该方法将一对齿轮的从动轮做成二个薄片（见图 4-1），其中片 1固定在轴上，另片 2套在该齿轮的轮毂上，两片薄齿轮上分别装有凸耳 4和 5，应用拉簧 3，把拉簧的一端钩在凸耳 4上，另一端钩在螺钉 6上，螺母 7用来调节螺钉 6的伸出长度和锁紧，此结构利用了拉簧的张力，使薄片齿轮的齿左侧和另一个薄片齿轮的齿右侧，分别贴紧在宽齿轮的齿槽左、右两侧。这样错齿后就消除了齿侧间隙，反向时不会产生空程误差。 nts图 4-1 双片薄齿轮消隙结构示意图 1， 2 双片薄齿轮； 3 消隙拉簧 :4,5 凸耳； 6 螺钉； 7 螺母 nts4.1 消隙拉簧设计原则 消隙拉簧在双片薄齿轮消隙结构中的作用是，利用拉簧在变形后所产生的张紧力使得主、从动齿轮在正、反转时都能互相贴紧。由于消隙拉簧在结构中所处的位置被局限在一个环形区域内，并且固定拉簧的零件也是处在这个环形区域内。因此在设计中必须满足上述要求。除此之外，拉簧设计还应满足强度条件及其他弹簧设计时应满足的条件。 消隙拉簧的设计应从安装拉簧的齿轮结构上入手，先要使拉簧满足结构上的要求，然后根据设计张紧力的要求来验算拉簧的强度条件并达到设计要求。 nts4.2设计步骤 已知条件： QZD-08串励直流电动机，功率 800W,转速 1750r min，主动轮： =25， b =30mm，m=2mm；轮毂直径为 34mm，材料 45号钢；从动轮： =100， b=24mm，齿根圆直径 =195mm， 具体设计如下： 拉簧的外径 D应控制在（ 195-34） 2=80.5mm范围内，拉簧轴线至齿轮轴线距离应为 H=34 2+80.5 2=57.25mm左右，定 H=57mm。 1Z2Z2fdnts按国 GBB5878标准，初步选定几何尺寸： d=2mm， D=10mm， =15mm， C=6 拉簧的工作圈数考虑拉簧安装及环形面积限制，按标准初步定为 n=8圈。 拉簧的材料选择：考虑拉簧工作条件，所以选用 类 C级碳素钢丝琴钢丝，其许用应力 =0.4 ，查表得 =1710Mpa。 如果拉簧选用 4根，确定张紧力 F: =77N (4-1) 故单根拉簧设计张紧力 F定为 80N。 p b12zzNHTF 2Dbnts根据弹簧的强度计算公式： (4-2) =1.253 (4-3) =684Mpa (4-4) 可知选用数据符合要求。 有效圈数 n的验算，由设计手册有： (4-5) 式中： f工作载荷作用下的变形量， G切变模数，查手册 。 pdF D K 38CCCK 615.04414 MP a3192 253.110808 3 p348 FDfGdn 78500G MPa81400nts 变形量考虑，则 =5.86.1 (4-6) 在拉簧变形量为 3mm时，工作圈数约为 6.1圈，选圈 n=8合适。 此时变形量 3.94.0（ mm） (4-7)考虑安装拉簧的环形区域限制拉簧的长度，拉簧选为 L 型弹簧，其自由长度 mm (4-8) 安装长度 (4-9) 工作变形量取 4.0mm， =38+4.0=42mm 34108082)8140078500(3n 438GdnFDf382)1(0 DdnHnn fHH 0nHnts此时，单根拉簧张紧力 F为： (4-10) 满足设计张紧力要求。 此外，由 =767.8N F满足 弹簧载荷要求 校核齿轮强度 ,由设计手册可查得 (4-11) 式中： 弹性影响系数， ；
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