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1697 _3 DOF 工业 机器人 结构设计

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1697_3-DOF工业机器人结构设计,1697,_3,DOF,工业,机器人,结构设计

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南昌航空大学科技学院学士学位论文1 引言在加速科技进步中，机械制造业的发展起着关键的作用，其任务是在工业生产中迅速将工艺装备的独立单元变为自动化综合体（自动化工段，生产线和自动化车间），将来甚至实现自动化工厂。这种自动化生产最重要的特点是具有柔性，它能预料到，在节省劳力（或无人）情况下，根据工艺条件调整装配，以适应多种产品生产。当代柔性自动化生产的建立和广泛应用，取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机器人技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。工业机器人是多品种的经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中，工业机器人既有效地用于柔性生产系统组成工艺装备的基本工序中，也有效地用于辅助操作中。工业机器人与传统自动化手段不同之处，首先在于它在各种生产功能上的通用性和重新调整的柔性。在柔性生产系统中，工业机器人广泛应用于数控机床、锻压机床、铸造机械和仓储设备上，以完成传送装备和其它操作。工业机器人和基本工艺装备、辅助手段以及控制装置一起形成各种不同形式的机器人技术综合体柔性生产系统基本结构模块。随着工业技术和经济的惊人发展，标志着多品种中、小批量生产最新水平的FMS（柔性制造系统），FA（工厂自动化）技术更加引人注目；作为FMS、FA技术重要组成之一的工业机器人技术也将得到迅速发展。应用工业机器人是提高生产过程自动化，改善劳动环境条件，提高产品质量和生产效率手段之一。本次设计是根据对工业六自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨，进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴（臂）的传动系统的设计以及整体的结构设计，避免运动的干涉。在本次设计中主要负责第一臂与底座的结构设计。在设计中许瑛老师给予了很大的指导和帮助，在此谨致谢意。限于水平，本设计难免有缺点、错误，恳请各位老师批评指正。1.1选题的依据及意义：在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 “工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。 而少自由度工业机械人中大多数为机械手，而机械手机器人主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。1.2 国内外研究概况机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。据国际机器人联盟（IFR）2006年5月发布的“2006世界机器人调查”显示，2005年世界新安装工业机器人121000台，比2004年的97000台增长25%。这是继2003年工业机器人安装数量重回增长态势后的重大突破，2005年也成为近15年来世界工业机器人新安装台数最多的年份，比上一个峰值2000年的99000台增长22000台。 资料来源：World Robotics 2006图1-1： 1991-2005年各年世界新安装工业机器人台数据国际机器人联盟统计局预测，截至2005年底，全世界在运行中的工业机器人共有914000台，比2004年增加8%。其中，有50%来源于亚洲地区；欧洲和美洲分别占1/3和16%；而澳大利亚和非洲地区大概占1%的比例。资料来源：World Robotics 2006图1-2： 1991-2005年各年全世界运行中的工业机器人总数就2005年几大应用领域的工业机器人类型来看，机械手的产量遥遥领先于其他类型的工业机器人，约达到43500台。其中，亚洲地区机械手的产量比2004年增加了27%；美洲地区机械手的产量幅度更是高达53%；虽然欧洲地区2005年机械手的产量比上年略有下降，但其产量仍接近14000台。接下来依次是：点焊接机器人、弧焊机器人、装配机器人和分配机器人，其产量分别约为20500台、17500台、13000台和4500台。表1反映了2005年亚、欧、美三大地区各类型工业机器人的产量增幅情况。类 型机械手点焊接机器人弧焊机器人装配机器人分配机器人地 增区 幅亚洲地区27%64%82%101%23%美洲地区53%22%33%36%121%欧洲地区-6%-27%6%1%-23% 表1-1： 2005年亚、欧、美三大地区各类型工业机器人产量增幅表资料来源：World Robotics 20061.3 论文的主要内容： 在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。在本次设计是根据对工业六自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨，进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴（臂）的传动系统的设计以及整体的结构设计，避免运动的干涉。在本次设计中的要求,主要负责第一臂与底座的结构设计。这次设计的机器人主要部位为第一轴与底座，设计一个第一轴转动角速度为90/s,转角范围为0270。底座能够实现第一臂转角 （0270）转角范围控制的 3-DOF工业机器人。 第一步，查阅资料，工业机器人原理，了解工业机器人在国内的发展状况和生存问题。了解3-DOF工业机器人的特点以及在日常生产生活中的用途。根据其运用的场合不同，适当选择合适的方案，以达到实用、经济、可靠的目的。 第二步，在对所选课题有个初步的了解之后，在确定3-DOF工业机器人的结构设计内容。 第三步，机器人的总体方案设计，进行系统的方案的设计、比较与确定，依据对选择的传动方案，查阅相关参考文献，从而完成，第一、第二、第三轴的传动选择。设计好了之后，确定出总体的结构及整体方案。 第四步，选择电动机，通过计算出第一轴上的转动惯量，选择合适的电动机，从而进行第一轴的传动结构的设计及计算。根据齿轮轴径值，查阅机械设计手册，选择底座的轴承。 第五步，根据方案，画出装配图，装配图画好后，从装配图中设计选择第一轴零部件以及完成对零部件图的初步绘制。2 机器人的结构分析2.1总体结构的概述目前，世界上已有许多工业机器人，其中大部分属于“示教再现”型。如果将这类机器人称作第一代，那么，具有一定程度的视觉、触觉、或某种分析、判断能力的工业机器人就属于第二代了。不少国家正在积极研制具有观觉、触觉等功能的工业机器人，并取得了不少成果，但是，真正将这些成果应用于生产实际的还为数不多。在实际生产（如喷漆、焊接、装配等）中被广泛应用的工业机器人，示教再现型还是较多。一般的机器人，它由机器人的机构部分、传感器组、控制部分及信息处理部分构成。机构部分有机械手和移动机构两部分组成；传感器有测量机器人自身位置姿态和速度、加速度的内传感器和了解外部环境及作业对象工作情况的外传感器；控制器是直接控制机器人运动的装置，只要不是自主型移动机器人，它通常放在与机器人不同的地方，通过导线连接。在工业机器人的控制装置中，有电动机驱动电路、PTP运动目标点和CP运动轨迹数据的记忆装置和定位控制电路等。信息处理装置通过信息传输装置与机器人本体相连，多用于智能机器人。机器人具有六自由度，即大臂的回转、臂的左右摆动、臂的上下摆动、手腕的回转、手腕的伸缩和手爪的抓取。当然，图中没有表示出控制系统及手爪抓取的那一部分。该六自由度机器人运动的情况说明如下：首先，由电动机M1经过传动系统带动大臂的回转运动，且与大臂相连的所有其它手臂、手腕及机械构件也随大臂一起作回转运动；而后另一手臂由电动机M2驱动作左右摆动；还有，第三臂由电动机M3驱动作上下摆动；最后，手腕的回转、伸缩及手爪的抓取由其它三个电动机驱动。南昌航空大学科技学院学士学位论文2.2第一轴（大臂）的结构大臂的结构图（图2-1）及其传动原理简图（图2-1）： 图2-1图2-2第一臂，也即大臂，该手臂实现工业机器人的回转运动，整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求，整个减速系统采用了三级斜齿轮传动，且所有的斜齿轮都装在一个箱体（减速箱）里面。然而，与一般情况不同的是，第三级斜齿轮直接固定在机座上，从而使其它的（上级的斜齿轮）传动机构绕着它转动，且电动机又固定在大臂上，所以导致大臂带着电动机、减速箱一起作回转运动。2.3 第二轴的结构 第二轴的结构图（图2-2）： 图2-2 第二轴，该手臂实现工业机器人的左右摆动，整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求，整个减速系统采用了一级齿轮传动。由电动机上的一个齿轮和轴承右侧的一个齿轮啮合，轴承通过定位销与第二大臂固定，电动机带动齿轮，把动力传给与第二臂固定的轴承，使得第二臂实现水平线上的前后摆动。2.4第三轴的结构 第三轴的结构图（图2-3）：图2-3 第三轴，该手臂实现工业机器人的上下摆动，整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求，整个系统采用了一级齿轮内啮合传动。由电动机上的一个齿轮和第三臂上的一个大齿轮内啮合，电动机带动小齿轮，小齿轮带动第三臂上的大齿轮使得第三臂整个做上下摆动。从而实现第三臂实际操作。 2.5 传动方案的确定根据工业机器人的总体结构分析可知，工业机器人的三轴的传动结构并不复杂。第一轴采用的是齿轮传动，第二轴、第三轴则采用的是摆线针轮行星齿轮传动。当然，参照以上的传动结构分析，现拟定如下三种传动方案：方案一：第一轴：齿轮传动（直齿或斜齿） 第二轴、第三轴：齿轮传动（直齿或斜齿） 方案二：第一轴：蜗杆蜗轮传动 第二轴、第三轴：蜗杆蜗轮传动 方案三：第一轴：蜗杆蜗轮传动第二轴、第三轴：齿轮传动（直齿或斜齿）方案比较论证首先，已知各种传动的传动比u:直齿圆柱齿轮传动，u4；斜齿轮传动，u6；蜗杆蜗轮传动，5u70，常用15u50；摆线针轮行星齿轮传动， 11u87（单级）。然后估算各轴的传动比，初选转速为1500r/min的原动机，则u1=1500/15=100,u2=1500/20=75。 三轴传动的确定：蜗杆蜗轮传动的特点：1）传动平稳，振动冲击和噪声均很小；2）传动比也较大，结构比较紧凑。而在这里采用此传动，则需要两级传动才能满足要求，蜗杆蜗轮的传动是两轴交错的，这样一来也就增加了结构的复杂性，且同时也增加了转动时的负荷；3）由于蜗杆蜗轮啮合轮齿间相对滑动速度大，使得摩擦损耗大，因而传动效率较低。因此，第一轴采用齿轮传动。要实现设计要求，如采用圆柱直齿轮传动则需要四级传动，而采用斜齿轮则需要三级就可以，并且知道在相同的条件下，采用斜齿轮传动比圆柱齿轮传动，在结构上尺寸要小得多，由此可知，采用斜齿轮传动。斜齿传动有如下优点：1）啮合性能好；2）重合度大，传动平稳；3）结构紧凑，并且在总体结构上也是合理的。总上所述，选择方案一为最佳。三轴都采用齿轮传动。 3 设计计算3.1电动机的选择 第一轴的电动机的选择根据设计方案可知，第二轴、第三轴的所有重量都是第一轴的负荷，所以说，第一轴的转动惯量是很大的，必须计算各零部件的转动惯量，计算出最终动力源轴上所需要的最大的转动惯量，再根据动力源轴上的转动惯量进行选择电动机。下面计算第一轴上的转动惯量：如图3-1-1，该轴的转动轴与第二轴的转动轴不同，该转动轴的轴线为ob线，则在这种情况下， 图3-1-1第三臂的转动惯量： Kgm2第二轴的转动惯量： （3-1-1） Kgm2两电动机的转动惯量： Kgm2两个齿轮的转动惯量： Kgm2减速箱的转动惯量： Kgm2第一轴本身的转动惯量： Kgm2所以，总的转动惯量为： Kgm2而转动角加速度为： 1/s2则输出轴的转矩为由式（3-1-7）得： Nm转换到电动机上的转矩为： Nm根据要求，选P=3KW，n=1000r/min的MGMA型伺服电机，为28.4Nm。 第二轴的电动机的选择 根据设计方案可知，第三轴的所有重量都是第二轴的负荷，所以说，第二轴的转动惯量也是很大的，必须计算各零部件的转动惯量，计算出最终动力源轴上所需要的最大的转动惯量，再根据动力源轴上的转动惯量进行选择电动机。下面计算二轴上的转动惯量： 第二轴的转动惯量： J2=M/12（a+b+c+d）+mp=5.742Kgm电动机的转动惯量： J2=8.5*0.4=1.366 Kgm齿轮的转动惯量 J轮2=50*0.25=3.125 Kgm减速箱的转动惯量： J减=150*0.45=30.375 Kgm第二轴的总惯量： J总=5.742+1.36+3.125+30.375 =40.602 Kgm第三臂的转动惯量： J3=34*0.2=1.36Kgm 电动机的转动惯量： J轮3=100*0.5=25Kgm 减速箱的转动惯量： J减+150*0.45=30.375Kgm 总的转动惯量为： J总=23.43+1.36+25+30.375 =80.165Kg转换到电动机上的转矩为： M电=14.17N*M根据要求M电M额，选P=2.5(KW), n=1000r/min的GY2.5型电动机第三轴的电动机的选择 第三臂的转动惯量： J3=34*0.2=1.36Kgm 电动机的转动惯量： J轮3=100*0.5=25Kgm 减速箱的转动惯量： J减+150*0.45=30.375Kgm 总的转动惯量为： J总=23.43+1.36+25+30.375 =80.165Kg 转换到电动机上： M电=1.3m/u=9.45N*m 根据要求M电M额，选P=2.2（KW），P=2.2 Y-H2.2系列 n=800r/min4 传动结构的设计计算4.1 第一轴的传动结构设计第一轴的传动方案已确定，采用三级斜齿轮传动，且电动机的功率为P=3KW，n=1000r/min，则传动比u=1000/15=66.67。一 、传动比的分配：已知斜齿轮的传动比u6，再根据传动减速时前面降得慢，而后面降得快的原则，三级降速的传动比分配如下： u=2.44.875.7二 、各级的传动设计第一级斜齿轮的传动设计计算：已知电动机的功率P=3KW，n=1000r/min，传动比u=2.4，则选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1) 按照传动方案的设计要求，选用斜齿圆柱齿轮传动。2) 考虑减速设计的要求，故大、小齿轮都选用硬齿面。由查表(常用齿轮材料及其机械特性表)选得大、小齿轮的材料均为40Cr，并经调质及表面淬火，齿面硬度为4855HRC。3) 选用精度等级。 因采用表面淬火，轮齿的变形不大，不需磨削，故初选7级精度(GB10095-88)。4) 选小齿轮齿数Z1=35，大齿轮齿数Z2=uZ1=2.435=84。5) 选取螺旋角。初选螺旋角。按齿面接触强度设计由设计计算公式进行计算，即mm （4-2-1）1) 确定公式内的各计算值（1）.试选。（2）.由区域系数分布图，选取区域系数 。（3）.由标准圆柱齿传动的端面重合度图表，查得 ， ，则 =（4）.计小齿轮传递转矩 N（5）.由下表3-2-1（圆柱齿轮齿宽系数d表）装置状况两支承相对小齿轮作对称布置两支承相对小齿轮作对称布小齿轮作悬臂布置d0.91.4（1.21.9）0.71.15（1.11.65）0.40.6选取齿宽系数d=0.9； (6).由材料的弹性影响系数表，查得=189.8 ； (7).齿轮接触疲劳强度图表，按齿面硬度中间值52HRC查得大、小的接触疲劳强度极限=Mpa； (8).计算应力循环次数 (9).由接触疲劳寿命系数图表，查得； (10).计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系S=1,由下式得 = MPa = MPa 则取H=(+)/2=1012 Mpa 2).计算 (1).试算小齿轮分度圆直径，由计算公式（4-2-1）得 mm 根据计算的结果及电动机的输出轴径，取=50 mm； (2).计算圆周速度 m/s (3).计算齿宽及摸数 mm mm (4).计算纵向重合度 （5）计算载荷系数 已知使用系数 。 根据，7级精度，由动载荷系数值分布图，查得动载荷系数KV=1.07； 由接触强度计算用的齿向载荷分布系数()表，查得=2.728，由弯曲强度计算的齿向载荷分布系数()图，查得 =2.45。 由齿向载荷分配系数(、),查得=1.2，故载荷系数 =11.071.22.728=3.5 (6).按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式得 mm (7).计算模数= mm2. 按齿根弯曲强度设计由式 mm （3-2-2）1) 确定计算参数(1) 计算载荷系数 11.071.22.45=3.2(2) 根据纵向重合度，从螺旋角影响系数图表查得=0.88。(3) 计算当量齿数 (4) 查取齿形系数由齿形系数及应力校正系数 表查得 =2.44；=2.196(5) 查取应力校正系数由齿形系数应力校正系数表查得 =1.654；=1.782(6) 由齿轮的弯曲疲劳强度极限图,查得 Mpa。(7) 由弯曲疲劳寿命系数=0.86，=0.87；(8) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由下式得 417.714 MPa422.571 MPa (9) 计算大、小齿轮的 并加以比较 = =小齿轮的数值大。2）设计计算 mm对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的法向模数小于由齿根弯曲疲劳强度计算的法向模数,根据满足弯曲强度及接触疲劳强度,最后取 =2mm。 4.几何尺寸计算1) 计算中心距a mm将中心距圆整为=122.5 mm2) 按圆整后的中心距修正螺旋角 因值改变不大,故参数等不必修正。3) 计算大小齿轮的分度圆直径 mm mm4) 计算齿轮宽度 mm圆整后取 B2=65 mm；B1=70 mm。第二级的传动条件：电机的功率为P=4.5KW，n=416.7r/min，传动比u=4.87，具体设计计算如下：选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数考虑减速设计的要求，故大、小齿轮都选用硬齿面。由查表(常用齿轮材料及其机1) 械特性表)选得大、小齿轮的材料均为40Cr，并经调质及表面淬火，齿面硬度为4855HRC。2) 选用精度等级。 因采用表面淬火，轮齿的变形不大，不需磨削，故初选7级精度(GB10095-88)。3) 选小齿轮齿数Z1=24，大齿轮齿数Z2=uZ1=4.8724=117。4) 选取螺旋角。初选螺旋角。按齿面接触强度设计由设计计算公式（3-2-1）进行计算。1）确定公式内的各计算值（1）.试选。（2）.由区域系数分布图，选取区域系数 。（3）.由标准圆柱齿传动的端面重合度图表，查得 ， ，则 =（4）.计小齿轮传递转矩 N（5）.由表（圆柱齿轮齿宽系数d表）选取齿宽系数d=0.9； (6).由材料的弹性影响系数表，查得=189.8 ； (7).齿轮接触疲劳强度图表，按齿面硬度中间值52HRC查得大、小的接触疲劳强度极限=Mpa； (8).计算应力循环次数 (9).由接触疲劳寿命系数图表，查得；(10).计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系S=1,由下式得 = MPa= MPa 则取H=(+)/2=1017.5 Mpa 2).计算 (1).试算小齿轮分度圆直径，由计算公式得 mm (2).计算圆周速度 m/s (3).计算齿宽及摸数 mm mm (4).计算纵向重合度 (5).计算载荷系数 已知使用系数 。 根据，7级精度，由动载荷系数值分布图，查得动载荷系数KV=1.05； 由接触强度计算用的齿向载荷分布系数()表，查得 =1.41，由弯曲强度计算的齿向载荷分布系数()图，查得 =1.37。 由齿向载荷分配系数(、),查得=1.2，故载荷系数 =11.071.21.41=1.78 (6).按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式得 mm (7).计算模数= mm3. 按齿根弯曲强度设计根据设计计算公式（3-2-2）来计算：1) 确定计算参数（1） 计算载荷系数 11.071.21.37=1.726（2） 根据纵向重合度，从螺旋角影响系数图表查得 =0.8。（3） 计算当量齿数 （4） 取齿形系数由齿形系数及应力校正系数 表查得 =2.592； =2.158（5） 取应力校正系数由齿形系数应力校正系数表查得 =1.596；=1.792（6） 齿轮的弯曲疲劳强度极限图,查得 Mpa。（7） 由弯曲疲劳寿命系数=0.87，=0.9；（8） 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由下式得 422.571 MPa437.143 MPa （9） 计算大、小齿轮的 并加以比较 = =小齿轮的数值大。2）设计计算 mm对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的法向模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法向模数,根据满足弯曲强度及接触疲劳强度,最后取 =1.5 mm4.几何尺寸计算1) 计算中心距 mm将中心距圆整为=108.52) 按圆整后的中心距修正螺旋角 因值改变不大,故参数等不必修正。2） 大小齿轮的分度圆直径 mm mm4) 计算齿轮宽度 mm 圆整后取 B2=35 mm；B1=40 mm。第三级的传动条件：电动机的功率为P=0.9KW，n=85.565，传动比u=5.7，设计计算如下：选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1) 考虑减速设计的要求，故大、小齿轮都选用硬齿面。由查表(常用齿轮材料及其机械特性表)选得大、小齿轮的材料均为40Cr，并经调质及表面淬火，齿面硬度为4855HRC。2) 选用精度等级。 因采用表面淬火，轮齿的变形不大，不需磨削，故 初选7级精度(GB10095-88)。3) 选小齿轮齿数Z1=24，大齿轮齿数Z2=uZ1=5.724=137。4) 选取螺旋角。初选螺旋角。按齿面接触强度设计由设计计算公式（3-2-1）计算：1) 确定公式内的各计算值（1）.试选。（2）.由区域系数分布图，选取区域系数 。（3）.由标准圆柱齿传动的端面重合度图表，查得 ， ，则 =（4）.计小齿轮传递转矩 N（5）.由下表（圆柱齿轮齿宽系数d表）选取齿宽系数d=0.8； （6）.由材料的弹性影响系数表，查得=189.8 ；（7）.齿轮接触疲劳强度图表，按齿面硬度中间值52HRC查得大、小的接触疲劳强度极限=Mpa； （8）.计算应力循环次数 （9）.由接触疲劳寿命系数图表，查得； ； （10）.计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系S=1,由下式得 = MPa= MPa 则取H=( +)/2=1070.6 Mpa 2).计算 (1).试算小齿轮分度圆直径，由计算公式（3-2-1）得 mm (2).计算圆周速度 m/s (3).计算齿宽及摸数 mm mm (4).计算纵向重合度 (5).计算载荷系数 已知使用系数 。 根据，7级精度，由动载荷系数值分布图，查得动载荷系数KV=1.04； 由接触强度计算用的齿向载荷分布系数()表，查得 =1.2877，由弯曲强度计算的齿向载荷分布系数()图，查得 =1.27。 由齿向载荷分配系数(、),查得=1.2，故载荷系数 =11.041.21.2877=1.61 (6).按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式得 mm (7).计算模数= mm3.按齿根弯曲强度设计由式 mm1) 确定计算参数(1)计算载荷系数 11.041.21.27=1.585(2) 根据纵向重合度，从螺旋角影响系数图表查得 =0.8。(3)计算当量齿数 (4)查取齿形系数由齿形系数及应力校正系数 表查得 =2.592； =2.14(5)查取应力校正系数由齿形系数应力校正系数表查得 =1.596；=1.83(6)由齿轮的弯曲疲劳强度极限图,查得 MPa(7)由弯曲疲劳寿命系数=0.88，=0.91；(8)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由下式得 427.43 MPa442.0 MPa (9)计算大、小齿轮的 并加以比较 = =小齿轮的数值大。2）设计计算 mm 对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的法向模数小于由齿根弯曲疲劳强度计算的法向模数,根据满足弯曲强度及接触疲劳强度,最后取 =2.5 mm 4.几何尺寸计算1) 计算中心距 mm 将中心距圆整为=207 mm2) 按圆整后的中心距修正螺旋角 因值改变不大,故参数等不必修正。3) 计算大小齿轮的分度圆直径 mm mm4) 计算齿轮宽度 mm圆整后取 B2=49 mm；B1=55 mm。 4. 转臂轴承的选择计算1） 估计摆线轮内孔半径 =(0.40.5) =4050mm2） 择轴承型号尺寸经查表选用502310E C=105000 N C0=71000 N D1=97 mm d=50mm b=27 mm da=60 mm Da=89.6 mm a=5 mm3） 名义径向载荷 RR= =5776.698 N4） 当量动载荷 PP=1.35776.698=7509.71 N动载荷系数，一般取 =1.21.5。5） 轴承相对转速 n n=+=1000+=1015r/min6） 轴承寿命 h 因为所求得的轴承寿命15000 h ,所以满足要求。4. 转臂轴承的选择计算1）估计摆线轮内孔半径 =(0.40.5) =5265mm2）择轴承型号尺寸经查表选用502313 C=114600 N C0=85200 N D1=121.5 mm d=65mm b=33mm da=77mm Da=114.6mm a=7 mm3）名义径向载荷 RR= =12830.82 N4）当量载荷 PP=1.312830.82=16680.1 N5）轴承相对转速 n n=+=1000+=1020r/min1） 承的寿命 h 因为所求得的轴承寿命15000 h ,所以满足要求。5. 针齿销弯曲强度计算1）针齿结构尺寸mmmm （） mm2) 最大弯矩 Nmm 3) 许用弯曲应力 MPa4) 校核弯曲应力 MPa 因为，所以满足要求。4.2轴承的选择4.2.1斜齿轮传动轴上的轴承 根据齿轮轴径值，差滚动轴样本或机械设计手册得，第二轴上选用圆锥混子轴承7204，C=15500N；第三轴上选用圆锥云子轴承7205，C=19520N。5 机器人各零部件的结构设计5.1 转角范围的控制设计控制系统是工业机器人的重要组成部分，在某种意义上讲，控制系统起着与人脑相似的作用，工业机器人的手部、腕部、臂部、行走机构等的动作以及与相关机械的协调动作都是通过控制系统来实现的。主要控制内容有动作的顺序、动作的位置与路径、动作的时间。按设计要求要实现的转角范围，可以直接由控制系统来完成，控制动作的位置或动作的时间，从而控制转角。这里用挡块结构设计来实现控制转角范围。第一轴的控制转角（0270）的挡块结构示意图如图5-1 图5-1 5.2主要零部件的结构设计（第一臂与底座）5.2.1 第一轴转臂的结构：如图5-2，具体尺寸见附图（零件图）。5.2.2底座的结构设计：如图5-3 图5-2 图5-3总 结通过这次设计，使我对工业机器人有了感性的认识，同时对国内外的工业机器人的发展也有所了解。根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动态，结合当前国内经济发展的具体情况，机器人技术重点应在开展智能机器人、机器人化及其相当技术的开发及应用。经过努力，我国已研制了许多示教再现型工业机器人以及喷涂、焊接装配等机器人。而国外，工业机器人的发展更迅速，机器人化机械已经兴起。通过这次设计，使我综合运用机械设计的理论和实际知识，结合生产实际知识，培养分析和解决一般工程实际问题的能力，并使所学的知识得到进一步巩固、深化和扩展；通过设计，使我掌握机械设计的一般规律，树立正确的设计思想，培养独立分析和解决实际问题的能力；学会从机器功能的要求出发，合理选择传动机构类型，制定设计方案，正确计算零件的工作能力，确定它的尺寸、形状、结构及材料，并考虑制造工艺、使用、维护、经济和安全等问题，培养独立设计能力。当然在设计过程中，也碰到了许多问题。在老师的指导和一些同学的帮助下，我也尽自己的努力去克服困难，最后顺利地完成了整个设计。由于本人缺乏经验及水平有限，设计仍存在一些问题，如机器人的动力学分析以及缺少机器人的动作模拟仿真，望老师给予指正。参考文献1.孙桓 等主编.机械原理(第六版) .高等教育出版社，20012.马香峰 主编.工业机器人的操作机设计. 冶金工业出版社 ,19963.宗光华 张慧慧译.机器人设计与控制. 科学出版社 ， 20044. 郑笑级 工业机器人技术及应用M. 北京：煤炭工业出版社，20045.Y.Fujimoto and A.kawamura.Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation walking Robot Incuding Environmental Force Interaction. IEEE Robbtics and Automnation Magzuine,1998,5(2):33426.刘庆国，刘力 编著计算机绘图高等教育出版社， 2003 7.濮良贵 主编， 机械设计（第八版）. 高等教育出版社， 20068.马香峰 等编著， 工业机械手的操作机设计. 冶金工业出版， 1995 9.日本机器人学 会编， 机器人技术手册. 科学出版社， 1996 10.付京逊、CSG李 编，机器人学. 中国科学技术出版社， 1989 11.张建民 主编， 工业机器人. 北京理工大学出版社， 1987 12.俄IOM索尔 编，工业机器人图册. 机械工业出版社， 1991 13.Huang Z.Wang J Identification of principal screw of 3-DOF parallel manipulators by quadric degeneration 200114.Herve J M The lie group of rigid body displacements,a fundamental tool for mechanism design 199915.Cai G Q.Hu M.Guo C Development and study of a new kind of 3-DOF tripod 1999(1)16.Hunt K H Structural kinematics of in-parallel actuated robot-arms 1983(11)17.Siciliano B Tricept robot:inverse kinematics,manipulability analysis and closed-loop direct kinematics algorithm 1999(4)18.Romdhane L Design and analysis of a hybrid serial-parallel manipulator 1999(7) 10 19.熊有伦. 机器人学M. 北京:机械工业出版社, 1993. 20. John J Craig 著. 机器人学导论(原书第3 版)M. 贠超等(译) 北京:机械工业出版社, 2006.21.宋伟刚机器人机械系统原理、理论方法和算法M沈阳：东北大学出版社，2001致 谢 时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。离校日期已日趋临近，毕业论文的的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!本课题及论文是在我的指导老师许瑛博士的悉心指导下完成的。课题从实施到论文撰写、修改，无不倾注着许老师的智慧合心血。许老师渊博的学识、严谨的态度、开拓创新的工作作风和对学术执着不虞的追求精神给我留下了深刻的印象，并使我终身受益。时至今日，在此论文完成之际，作为桃中一李，我想向我的指导老师许老师致以我由衷的谢意和崇高的敬意。 由于受时间和水平的限制，现代机器人的结构设计还存在着不够完善的方面甚至有些错误，恳请老师和专家指教，能使本设计更完善并能付诸于实际，制造出所设计的机器人，将是很欣慰的事情。目 录1 引言(01)1. 1 选题的依据和意义(02)1. 2 国内外研究概况(03)1. 3 论文主要内容(05)2 机器人结构分析(06)2. 1 总体结构的概述(06)2. 2 第一轴（大臂）的结构(07)2. 3 第二轴结构(09)2. 4 第三轴结构(10)2. 5 传动方案的确定(11)3 设计计算(12)3. 1 电动机的选择(12)4 传动结构的设计计算(16)4. 1 第一轴的传动结构设计(16)4. 2 轴承的选择(31)421 斜齿轮传动轴上的轴承(31)5 机器人各零部件的结构设计(32)5. 1 转角范围的控制设计(32)5. 2 主要零部件的结构设计（第一臂与底座）(33)52 .1 第一轴转臂的结构(33)52 .2 底座的结构设计(33)6 总 结(34)参考文献(35)致 谢(36)附录 A外文文献翻译附录 BCAD图A1总装配图与各零件图 动态优化的一种新型高速，高精度的三自由度机械手彭兰（兰朋），鲁南立，孙立宁，丁倾永(机械电子工程学院，哈尔滨理工学院，哈尔滨 150001，中国)( Robotics Institute。Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，P。R。China) 摘要介绍了一种动态优化三自由度高速、高精度相结合，直接驱动臂平面并联机构和线性驱动器，它可以提高其刚度进行了动力学分析软件ADAMS仿真模拟环境中，进行仿真模拟实验.设计调查是由参数分析工具完成处理的，分析了设计变量的近似的敏感性，包括影响参数的每道光束截面和相对位置的线性驱动器上的性能.在适当的方式下，模型可以获得一个轻量级动态优化和小变形的参数。一个平面并联机构不同截面是用来改进机械手的.结果发生明显的改进后的系统动力学仿真分析和另一个未精制一个几乎是几乎相等.但刚度的改进的质量大大降低，说明这种方法更为有效的。关键词: 机械手、 ADAMS、 优化、 动力学仿真0 简介并联结构机械手（PKM）是一个很有前途的机器操作和装配的电子装置，因为他们有一些明显的优势，例如：串行机械手的高负荷承载能力，良好的动态性能和精确定位的优点等. 一种新型复合3一DOF臂的优点和串行机械手，也是并联机构为研究对象，三自由度并联机器人是少自由度并联机器人的重要类型。三自由度并联机器人由于结构简单，控制相对容易，价格便宜等优点，具有很好的应用前景。但由于它们比六自由度并联机器人更复杂的运动特性，增加了这类机构型综合的难度，因此对三自由度并联机器人进行型综合具有理论意义和实际价值。本文利用螺旋理论对三自由度并联机器人进行型综合，以总结某些规律，进一步丰富型综合理论，并为新机型的选型提供理论依据，以下对其进行阐述。如图-1所示 机械手组成的平面并联机构(PPM)包括平行四边形结构和线性驱动器安装在PPM.两直接驱动电机c整合交流电高分辨率编码器的一部分作为驱动平面并联机械装置.线型致动器驱动的声音线圈发动机.这被认为是理想的驱动短行程的一部分.作为一个非换直接驱动类，音圈电机可以提供高位置敏感和完美的力量与中风的角色，高精密线性编码作为回馈部分保证在垂直方向可重复性。另一方面，该产品具有较高的刚度比串行机械手，因为它的特点和低封闭环惯性转矩。同时，该系统可以克服了柔性耦合力学弹性、齿轮、轴承、被撕咬支持，连接轴和其他零件，包括古典驱动设备，因此该机械手是更容易得到动力学性能好、精度高。图-1 3自由度的混合结构的机械手当长度的各个环节的平面并联机时，构决定于运动学分析和综合4-7，机械优化设计的首要任务，应加大僵硬、降低质量.关于几个参数模型.这是它重要和必要的影响，研究了各参数对模型表现以进一步优化。本文就开展设计研究工具，通过参数分析亚当斯，又要适当的方式来获得一个轻量级的优化和小变形系统。1 仿真模型ADAMS(Automatic Dynamic Analysis 0f Mechanical System)自动机械系统动力学分析是一个完美的软件，对机械系统动力学模拟可处理机制包括有刚性和灵活的部分，仿真模型可以创造出机械手的亚当斯环境 如图-2。OXYz是全球性的参考帧，并OXYz局部坐标系，两个直流驱动电机、交流和02M O1A表示，与线性驱动器CH被视为刚性转子转动惯量电机传动的120kg/cm2。大众的线性驱动器是1.5kg，连接AB、德、03F和LJ被视为柔性体立柱、横梁GK，通用公司和公里，形成一个三角形，也被当作柔性传动长度的链接是决定提前运动学设计为AB =O3F = 7cm，DE=IJ=7cm，GK= 7cm，GM =11.66cm， = 8.338cm。其它维度，这个数字是01A = 02M =7cm，CB=CD=HJ 2.5cm。EF=EG=JK= 3cm。 虽然总平面并联机构的运动都是在水平、垂直和水平刚度必须在竖向刚度特征通常低于水平僵硬，因为它的角色在垂直悬臂梁的截面尺寸计算每一束平面并联机构和相对位置的线性驱动器是两个非常僵硬的影响因素的系统。运动支链可分为三类：主动链（由驱动器赋予确定独立运动的支链。一般是单驱动器控制一个自由度的运动），从动链（不带驱动器、被迫作确定运动的支链。又分为以下两种：约束链：独立限制机构自由度的从动链。冗余链：重复限制机构自由度的从动链）复合链（有单驱动器、但限制一个以上的机构自由度的支链，实际是主动链与约束链的组合）-并联机构是由这几种支链用不同形式组合起来的。动链中的约束链除了可以提高机构刚度和作为测量链外，其更主要的作用是用来约束动平台的某一个或几个自由度，以使其实现预期的运动。 图-2 仿真模型2 仿真模拟结果在本节中，平均位移的末端是用来描述动态刚度，这是在不同的配置在不同的线性驱动器向前，从最初的位置的目的地，一般的竖向位移的机械手是作为目标来研究竖向刚度，平均差别的横坐标、纵坐标点之间有一个刚性数学模型，模型，作为目标来研究水平刚度。并联机器人的构型设计即型综合是并联机器人设计的首要环节，其目的是在给定所需自由度和运动要求条件下，寻求并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局等的各种可能组合。国内的许多学者正致力于这方面的研究，其中比较有代表性的有如下几种方法：黄真为代表的约束综合法；杨廷力等人的结构综合法；代表的李代数综合法。以上各种方法自成体系，各有特点，都缺乏理论的完备性。本文提出添加约束法，是从限制自由度的角度出发，增加约束，去除不需要的自由度，因每条主动链只有一个驱动装置，让其控制一个自由度，其余自由度通过纯约束链去除，这样可以使主、从动运动链的作用分离，运动解耦，有利于控制。具有三自由度的并联机床，当采用条主动支链作为驱动时，机构就需要约束另三个自由度，通过选择无驱动装置的从动链来完成，则整个机构成为有确定运动的三自由度的并联机构。黄真等提出的约束综合法对完全对称的少自由度并联机器人机构进行了型综合，完全对称的支链结构相同，都属于复合链，每条支链除都有一个单驱动器，控制一个自由度外，还应约束一个以上自由度才能使机构的六个自由度全部受控，使机构有确定的运动。2.1 截面效应扭转变形位移的连结将会引起的，所以，扭转常数的横截面，重力是研究装系统来研究，采取扭转刚度的垂直切片lxx不变的各个环节和梁作为设计变量的变化，从 0.1 x 105mm4 与 3.5 x 105 mm4。图-3 不断的效果在垂直变形扭转图-3显示了平均位移与截面扭转常数末端的各个环节和梁，根据它的变化速率的环节，是最大的，AB是链接，LJ依次分别GK梁和KM有在竖向刚度性能。其他的仿真结果表明，水平位移之间的差异进行比较，结果表明该模型体育智力H和刚性模型变化小就改变了恒定不变的时候扭加载惯性力的线性驱动器，但是水平位移的变化，这意味着在这种模拟竖向变形的生产水平位移系统机械手。注意端面线性驱动器的主要原因是水平变形、线性驱动器机器人是由两个节点C和H . 所以，我们计算了不同的Z-coordinate摄氏度之间，如图所示，在图4 -扭转常数的影响差别的链接德。其次是最有效的通用和连接梁，连接O3F，梁GK有效果。因此，应采取AB和连接区段大扭常数的免疫力，竖向刚度较大并行扭转不变的链接德也使较少的均匀性，降低线性驱动器不可以降低水平变形。图-4 在不影响扭不变如图-5、6所展示的影响是区域惯性转矩的设计变量是区域刚度和惯性转矩的各个环节和梁lz，图显示增加lw卡尔减少的速度高于垂直位移的不断增加Ixx扭转。这个Yxx AB、梁的链接，链接O3F是Iyy三个主要因素决定了竖向刚度。图-6 所示 链接的AB、梁公里，连接03F也是其中的三个主要因素决定的均匀性线性传动装置、不同的分析结果表明，Izz效果好，具有至少两个垂直和水平刚度，这意味着这种结构，具有足够的水平，降低Izz刚度的链接和增加Iyy AB、梁的链接，链接O3F公里的好方法，优化系统。图-5 瞬间的惯性效应对垂直位移图-6 转动惯量不平衡的影响2.2影响的线性驱动器的相对位置线性执行器的惯性是主要载荷之一，在机械手的运动，不同的相对应的垂直位置产生不同的变形，图7显示了绝对平均的最终效应垂直位移时驱动马达以恒定的加速度旋转，我们可以看到，过低或过高的相对位置会造成比格变形，最好的位置是一对Z = 24毫米的地方大概是从中间环节连接O3F到 AB.图-7 影响线性驱动器的相对位置3 分析改进的机械手根据上述模拟结果，所有改进的机械手的设计，时间如下：链接截面AB，DE，lJ 与30mm的基础和高度，10毫米的厚度;链接O3F和矩形空心梁与30mm的基础和高度工型钢，l0mm法兰和6mm网;梁竞，通用汽车与8mm的坚实基础和30mm高的矩形。图-8 梯形运动姿态图-9中回应的是机械手，相比之下，图-10中提高初始的反应，在其中所有的链接和机械手的矩形截面梁的坚实基础，用30毫米，高度的差异是曲线，C和H的曲线积分，二是垂直位移的末端，改进系统中最大位移0.7Um最初的0.12Um相比，争论的振动激励后仍停留在O.06Um0.15% sO.05Um相比的初始变形改善系统的