垂直多关节机器人臂部和手部设计机械注塑模具毕业设计（论文）

1、目 录 TOC o 1-3 h z * MERGEFORMAT HYPERLINK l _Toc171240417 1 前言 PAGEREF _Toc171240417 h 1 HYPERLINK l _Toc171240418 1.1课题来源 PAGEREF _Toc171240418 h 1 HYPERLINK l _Toc171240419 1.2 技术要求及预期效果 PAGEREF _Toc171240419 h 1 HYPERLINK l _Toc171240420 1.3 本课题要解决的主要问题及设计总体思路 PAGEREF _Toc171240420 h 1 HYPERLINK

2、l _Toc171240421 1.4 国内外研究现状及发展状况 PAGEREF _Toc171240421 h 1 HYPERLINK l _Toc171240422 1.4.1 研究现状 PAGEREF _Toc171240422 h 1 HYPERLINK l _Toc171240423 1.4.2 发展趋势 PAGEREF _Toc171240423 h 2 HYPERLINK l _Toc171240424 2 总体方案设计 PAGEREF _Toc171240424 h 4 HYPERLINK l _Toc171240425 2.1 机械结构类型的确定 PAGEREF _Toc17

3、1240425 h 4 HYPERLINK l _Toc171240426 2.2 传动方案的确定 PAGEREF _Toc171240426 h 4 HYPERLINK l _Toc171240427 2.3 工作空间的确定 PAGEREF _Toc171240427 h 5 HYPERLINK l _Toc171240428 2.4 手腕结构的确定 PAGEREF _Toc171240428 h 5 HYPERLINK l _Toc171240429 2.5 驱动装置的选择 PAGEREF _Toc171240429 h 6 HYPERLINK l _Toc171240430 2.5.1

4、机器人驱动方案的分析和选择 PAGEREF _Toc171240430 h 6 HYPERLINK l _Toc171240431 2.5.2 手腕电机的选择 PAGEREF _Toc171240431 h 7 HYPERLINK l _Toc171240432 2.5.3 传动比的确定及分配 PAGEREF _Toc171240432 h 8 HYPERLINK l _Toc171240433 3 齿轮的设计 PAGEREF _Toc171240433 h 9 HYPERLINK l _Toc171240434 3.1齿轮强度的设计与校核 PAGEREF _Toc171240434 h 9

5、HYPERLINK l _Toc171240435 3.1.1第一级圆柱齿轮传动设计 PAGEREF _Toc171240435 h 9 HYPERLINK l _Toc171240436 3.1.2 第二级圆锥齿轮传动设计 PAGEREF _Toc171240436 h 12 HYPERLINK l _Toc171240437 4 轴的设计 PAGEREF _Toc171240437 h 15 HYPERLINK l _Toc171240438 4.1 转腕传动轴的选择 PAGEREF _Toc171240438 h 15 HYPERLINK l _Toc171240439 4.2 摆腕传动

6、轴的设计 PAGEREF _Toc171240439 h 15 HYPERLINK l _Toc171240440 4.2.1 圆柱齿轮轴的设计 PAGEREF _Toc171240440 h 15 HYPERLINK l _Toc171240441 4.2.2 轴的强度校核 PAGEREF _Toc171240441 h 16 HYPERLINK l _Toc171240442 4.2.3 圆锥齿轮轴的设计 PAGEREF _Toc171240442 h 20 HYPERLINK l _Toc171240443 4.2.4 手腕连接轴的设计 PAGEREF _Toc171240443 h 2

7、1 HYPERLINK l _Toc171240444 4.2.5 大臂小臂连接轴的设计 PAGEREF _Toc171240444 h 22 HYPERLINK l _Toc171240445 5 轴承的设计 PAGEREF _Toc171240445 h 23 HYPERLINK l _Toc171240446 5.1 轴承的选择 PAGEREF _Toc171240446 h 23 HYPERLINK l _Toc171240447 5.2轴承的寿命计算 PAGEREF _Toc171240447 h 23 HYPERLINK l _Toc171240448 6 其它零部件的选用25 H

8、YPERLINK l _Toc171240449 6.1 键连接的选用25 HYPERLINK l _Toc171240450 6.2 壳体的设计25 HYPERLINK l _Toc171240451 6.3 机器人手臂材料的选择25 HYPERLINK l _Toc171240452 6.4 机器人臂部连接件的选用25 HYPERLINK l _Toc171240453 7 关节型机器人的位姿分析27 HYPERLINK l _Toc171240454 8结论31 HYPERLINK l _Toc171240455 参 考 文 献32 HYPERLINK l _Toc171240456 致

9、谢33 HYPERLINK l _Toc171240457 附 录341 前言 1.1课题来源本课题设计的是垂直多关节型机器人臂部与手部的设计，主要是臂部和腕部的结构设计及其零件设计。此课题来源于生产实际，是针对目前手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练程度要求高，因此采用机器人技术，可以实现焊接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程的自动化和改善劳动条件。1.2 技术要求及预期效果根据设计要达到以下要求：a. 最大搬运重量：5kg；b. 最大工作范围：850mm；c. 标准周期：0.59sec； d. 重复定位精度：mm；e. 生产纲领：大批大量。此次设计

10、的垂直多关节机器人可以实现大臂小臂的旋转,手腕的旋转与摆动以及手爪的自动抓取与放松工件运动。此装置应用在焊接生产线上将大大提高生产效率和加工质量，降低了工人的劳动强度，能够带来可观的经济效益。1.3 本课题要解决的主要问题及设计总体思路 本课题要解决的问题有以下三个：a. 手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部的结构紧凑，减少重量和体积；b. 提高手腕动作的精确性；c. 三个自由度的实现。 针对上述问题有了以下设计思路：a.对于分离传动采用传动轴。b. 腕部机构的驱动装置采用分离传动，将2个驱动器安置在小臂的后端。c. 驱动电机1经联轴器与传动轴来驱动小臂壳体的回转运动。驱动电机2经传

11、动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动来带动手腕作偏摆运动。d.手部的驱动电机安装在手腕内部，以此来减轻手部的重量，让手爪能够作灵活的运动，此传动装置采用螺旋传动来带动手爪的抓取与放松工件运动。1.4 国内外研究现状及发展状况1.4.1 研究现状自上世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛发展，机器人技术也得到了飞速发展。原本用于生产制造的工业机器人水平不断提高，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人的各种功能被相继开发并得到不断增强，机器人的种类不断增多，机器人的应用领域也从最初的工业控制拓展到各行各业，从军事到民用，从天上到地下，从工业到农业、林、牧、

12、渔，从科研探索到医疗卫生行业，从生产领域到娱乐服务行业，甚至还进入寻常百姓家。工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中。焊接机器人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使焊枪的空间位置和姿态调至任意状态，以满足焊接需要。理论上讲，机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。因为焊接过程中往往需要把以空间直角坐标表示的工件上的

13、焊缝位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态，再通过机器人逆运动学计算转换为对机器人每个关节角度位置的控制，而这一变换过程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何选取最合适的解对机器人焊接过程中运动的平稳性很重要。不同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽相同。 一般来讲，具有6个关节的机器人基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求，其中3个自由度(XYZ)用于控制焊枪端部的空间位置，另外3个自由度(ABC)用于控制焊枪的空间姿态。因此，目前的焊接机器人多数为6关节式的。进入21世纪，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，但制造业依然是世界各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的

14、重要途径。 我国是一个制造业大国，尚处于工业化进程之中，在未来相当长的时期里，制造业仍将在国民经济中占主导地位。在新一轮国际产业结构调整中，我国正逐步成为世界最重要的制造业基地之一。 然而目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距，尤其是在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等方面差距更大，这种差距又主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差，成套与系统集成、优化能力差，技术创新和集成创新能力差。这些差距已经成为制约我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。1.4.2 发展趋势工业机器人技术发展与应用水乳交融。在第一代工业机器人普及的基础

15、上，第二代已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重。以应用为龙头拉动工业机器人技术的发展，其重点发展领域与技术特点体现在下述方面：A机械结构 a. 以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的l3(目前世界工业机器人总数约为750000台)，90年代初开发的适用于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上、下料。 b. 应3K(炼钢、炼铁、铸锻)行业和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。如焊接数十米长、l0吨以上大构件的弧焊机器人群；采取蚂蚁啃骨头的协作机构。c. 己普遍采用CAD、CAE等技术用于设计

16、、仿真与制造中。B. 控制技术a. 大多数采用32位CPU，控制轴多达27轴，NC技术和离线编程技术大量采用。b. 协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。c. 基于PC的开放式结构控制系统由于成本低并具有标准现场网络功能，己成为一股潮流。C. 驱动技术上世纪.80年代发展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。日本23家机器人公司于1998年生产的167种型号机器人产品，其中采用AC伺服驱动的有156种，占93.4。直接驱动技术则广泛用于装配机器人中。新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合，已由日本FANUC 公

17、司开发并用于工业机器人中；在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。D. 智能化的传感器多有应用在上述167种机型中，装有视觉传感器的有94种，占56.3，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留下了多种传感器接口。E. 高速、高精度、多功能化目前所知最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s;高精度机器人的位置重复性为正负0.01mm.有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度达80m/s;而另一种并联机构的NC机器人，其位置重复性达l um。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能。最近瑞典Neos公司开发出一种高精度、高可靠性的可切割、钻孔、铣削、磨削、装配、搬运的多功能机器人，用于多家

18、著名汽车厂和飞机公司。F. 集成化与系统化1998年ABB公司推出IRbl400系列小机器人，其循环时间只有0.4s，控制器包括软件、高压电、驱动器、用户接口等皆集成于一柜，只有洗衣机变换器那样大小。FANUC公司2000年9月宣称它的控制器为世界最小。工业机器人的应用从单机、单元向系统发展。多达百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体(多智能体)。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。2 总体方案设计2.1 机械结构类型的确定为实现总体机构在空间位置提供的6个自由度，可

19、以有不同的运动组合，根据本课题的要求现可以将其设计成关节型机器人。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。其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取近距离的物体，工艺操作精度高。2.2 传动方案的确定 图2-1是机器人小臂与腕部机械传动系统的简图。机械传动系统共有4个齿轮，为了实现在同一平面改变传递方向90,有2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,

20、就不利于简化系统运动方程式的结构形式。其中有2个齿轮为直齿圆柱齿轮，用于减速。小臂的结构形式是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。关节4电机安装在小臂后面用于带动传动轴与齿轮的旋转来实现手腕的摆动；关节5电机也安装在小臂后面，其后紧跟传动轴用于实现手腕的旋转；关节6电机安装在手腕里，用螺旋传动来实现手爪的夹紧与放松运动，当电机正转时给杠杆施加一个向上的力来实现放松工件运动，相反，电机反转来实现夹紧工件运动。图2-1小臂腕部传动原理图2.3 工作空间的确定 工作空间是机器人学中一个重要的研究领域。但在实际应用中，可以简化这一问题，把工作空间看作是机器人操作机正常运行时，手腕

21、参考点（如定位机构的轴线正交，取交点为参考点）在空间的活动范围，或者说该点可达位置在空间所占有的体积。根据关节型机器人的结构确定工作空间，工作空间是指机器人正常工作运行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数。图2-2 机器人的工作空间位置图2.4 手腕结构的确定手腕是操作机的小臂（上臂）和末端执行器（手爪）之间的联接部件。其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端执行器的姿态。故手腕也称作机器人的姿态机构。对一般商用机器人，末杆（即与末端执行器相联接的杆）都有独立驱动的自转功能，若该杆再能在空间取任意方位，那么与之相联的末端执行器就可在

22、空间取任意姿态，即达到完全灵活的境地。对于任一杆件的姿态（即方向），可用两个方位角确定，如图2-3所示。图2-3末杆姿态示意图 -大臂-小臂-末杆 在图2-3中末杆Ln的图示姿态可以看作是由处于方向的原始位置先绕在平面内转角，然后再向上转角得到的。可见是由两角决定了末杆的方向（姿态）。从理论上讲，如果，则末杆在空间取任意方向。如果末杆的自转角（即）也满足，就说该操作机具有最大的灵活度，即可自任意方向抓取物体并可把抓取的物体在空间摆成任意姿态。为了定量的说明操作机抓取和摆放物体的灵活程度，定义组合灵度（dex)为： (2-1)上式取加的形式但一般不进行加法运算，因为分开更能表示机构的特点。腕结构

23、最重要的评价指标就是dex值。若为三个百分之百，该手腕就是最灵活的手腕。一般说来、的最大值取，而值可取的更大一些，如果拧螺钉，最好无上限。 腕结构是操作机中最为复杂的结构，而且因传动系统互相干扰，更增加了腕结构的设计难度。腕部的结构设计要求是：重量轻，dex的组合值必须满足工作要求并留有一定的裕量（约5%-10%），传动系统结构简单并有利于小臂对整机的静力平衡。2.5 驱动装置的选择2.5.1 机器人驱动方案的分析和选择通常的机器人驱动方式有以下三种：a. 电动驱动电动驱动器是目前使用最广泛的驱动器。它的能源简单，速度变化范围大，效率高，但它们多与减速装置相连，直接驱动比较困难。电动驱动器又分

24、为直流（DC）、交流（AC）伺服电机驱动。后者多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。b. 液压驱动器液压驱动的主要优点是功率大，结构简单，可省去减速装置，能直接与被驱动的杆件相连，响应快，伺服驱动具有较高的精度，但需要增设液压源，而且易产生液体泄露，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。c. 气动驱动器气动驱动器的能源，结构都比较简单，但与液压驱动器相比，同体积条件下功率较小（因压力低），而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点

25、位控制系统 。通过比较以上三种驱动方式，因此本课题的机器人将采用电动驱动器中的直流伺服电动机与步进电动机。因为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。而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。2.5.2 手腕电机的选择a. 摆腕电机的选择手腕的最大负荷重量初估腕部的重量，最大运动速度V=2m/s，则功率取安全系数为1.2，考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率又因为标准周期T=0.59sec，即；则所需电机的输入转速为；所以选取宽调速永磁直流伺服电动机其技术参数见表2-1。表2-1 S

26、ZYX82宽调速永磁直流伺服电机技术参数规格型号额定功率额定转矩额定电压SZYX820.2KW1.35N.M48V最高电流最高转速允许转速差10%转动惯量5.4A1500r/min150292kg .s该电机具有精度高，响应快，调速范围宽，加速度大，力矩波动小，线性度好，过载能力强等特点。b. 转腕及腕部内电机的选择根据设计要求转腕部分的电机后紧跟输出轴和联轴器，直接带动手腕旋转，故在此应选择转速较低的型号电机，又由于要求手腕的重量较轻，便于灵活的实现运动，因此要求腕部内电机较小，故选SH直流伺服电动机型，其安装尺寸为42mm，电机重量仅为0.35Kg，可容许速度范围为0 250r/min，详

27、细参数见表2-2。表2-2.SH直流伺服电机技术参数单转轴保持转矩转动惯量额定电流电压线圈电阻PK243A1-SG7.21.2N.M35x10kgm2.4A12V5基本步距角减速比容许转矩容许速度范围电机重量0.251:7.20.8N.M0-250r/min0.35kg电枢电阻：Rs=0.5(Un/In-Pn/In) ，求得：Pn=13.8W。取P=15W, T=9550P/n。求得n=119.4 r/min 。2.5.3 传动比的确定及分配a. 传动比的确定由电动机的转速可知所需的总传动比为i=10。b. 传动比的分配传动比分配时要充分考虑到各级传动的合理性，以及齿轮的结构尺寸，要做到结构合

28、理。因此摆腕传动比分配为：摆腕总的传动比10，该传动为两级传动，第一级传动为圆柱齿轮传动，传动比2，第二级传动为圆锥齿轮传动，传动比。3 齿轮的设计3.1齿轮强度的设计与校核3.1.1第一级圆柱齿轮传动设计齿轮材料采用45号钢，锻造毛坯，小齿轮调质处理，表面硬度为210HBS；大齿轮正火处理后齿面硬度为180HBS，因载荷平稳，齿轮速度不高，初选齿轮精度等级为7级。取。a. 设计准则先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设计齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 (3-1)式中，-载荷系数,取；-齿宽系数，取，；-材料系数，取。小齿轮传递扭矩 (3-2)大小齿轮

29、的接触疲劳强度极根应力为： ；选择材料的接触疲劳极根应力为： ；应力循环次数N由下列公式计算可得 （3-3） 则 接触疲劳寿命系数,；弯曲疲劳寿命系数；接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数。 许用接触应力和许用弯曲应力：将有关值代入（3-1）得：计算圆周速度: 计算载荷系数:动载荷系数Kv=1.0；使用系数；动载荷分布不均匀系数；齿间载荷分配系数，则。修正 ； ；取标准模数。 c. 计算基本尺寸取 d. 校核齿根弯曲疲劳强度齿形系数，取，校核两齿轮的弯曲强度 （3-4） =3.7MPa所以齿轮完全达到要求。由于小齿轮分度圆直径较小，考虑到结构，将小齿轮做成齿轮轴。圆柱齿轮的几何参数见表3-1。表

30、3-1圆柱齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙3.1.2 第二级圆锥齿轮传动设计齿轮材料采用45号钢，小齿轮调质处理表面硬度为210HBS；大齿轮正火处理后齿面硬度为180HBS，齿轮精度等级为7级。取。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设计齿面接触疲劳强度的设计表达式 (3-5)其中， 取，；，；选择材料的接触疲劳极根应力为： ； 选择材料的接触疲劳极根应力为： ； 应力循环次数N由下式计算可得 则 接触疲劳寿命系数,；弯曲疲劳寿命系数；接触疲劳安全系数，弯曲疲

31、劳安全系数,又，试选。许用接触应力和许用弯曲应力：将有关值代入（3-5）得：则 动载荷系数；使用系数；齿向载荷分布不均匀系数；齿间载荷分配系数取，则。修正 取标准模数。 c.计算基本尺寸d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数，取。校核两齿轮的弯曲强度 （3-6） 所以齿轮完全达到要求。由于小齿轮的分度圆直径较小，所以作成齿轮轴。表3-2圆锥齿轮的几何参数名称符号公式分度圆直径 齿顶高齿根高齿顶圆直径 齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽4 轴的设计轴的结构决定于受力情况、轴上零件的布置和固定方式、轴承的类型和尺寸、轴的毛坯，制造和装配工艺、以及运输、安装等条件。轴的结构，应使轴

32、受力合理，避免或减轻应力集中，有良好的工艺性，并使轴上零件定位可靠、装配方便。对于要求刚度大的轴，还应该从结构上考虑减少轴的变形。4.1 转腕传动轴的选择转腕的传动轴根据联轴器选：轴径d=20 mm ，根据结构取轴长l=255mm。由于要实现转腕，工作时要求彼此有相对运动的空间传动所以转腕的传动轴采用软轴。软轴通常由钢丝软轴、软管、软轴接头和软管接头等几部分组成。a. 钢丝软轴由几层弹簧钢丝紧绕在一起构成的。每层又由若干根钢丝组成。相邻钢丝层的缠绕方向相反。b. 软管用来保护钢丝软轴，以免与外界的机件接触，并保存润滑剂和防止尘垢侵入；工作时软管还起支撑作用。c. 软轴接头用以连接动力输出轴及工

33、作部件d. 软管接口用以连接传动装置及工作部件的机体，有时也是软轴接头的轴承座。在使用软轴的时候要注意钢丝软轴必须定时涂润滑脂，不得使软轴的弯曲半径小于允许最小半径。4.2 摆腕传动轴的设计4.2.1 圆柱齿轮轴的设计由于主轴传递的功率不大，对其重量和尺寸也无特殊要求，故选常用材料45钢，调质处理。a. 初估轴径， C=106117,取C=106则 （4-1） =5.4mmb. 各段轴径的确定 初估轴径后，就可按照轴上零件的安装顺序从处开始逐段确定轴径，上面计算的是轴段1的直径，由于轴段1上安装联轴器，因此轴段1处直径的确定和联轴器型号同时进行。这次选用的是波纹管连轴器。故取轴径22mm。在轴

34、段2上要安装轴承，其直径应该便于轴承安装，又应该符合轴承内径系列，即轴段2处的直径应与轴承型号的选择同时进行。现取角接触球轴承型号为7205，其内径25mm。通常一根轴上的两个轴承取相同型号，故取轴段6的直径25mm。轴段3上用轴肩固定轴承，故取30mm。轴段4上作成齿轮轴，尺寸与齿轮相同。根据结构确定轴段5的直径30mm。c. 各轴段长度的确定各轴段长度主要根据轴上零件的毂长或轴上零件配合部分的长度确定。另一些轴段长度，除与轴上零件有关外，还与箱体及轴承盖等零件有关。根据联轴器选取轴段一的长度，此时又要考虑此段轴长不应与大臂和小臂连接处的轴在工作时相互干涉，因此选取此段轴长。根据轴承宽度取

35、。根据结构 ， 。图4-1圆柱齿轮轴的结构设计草图4.2.2 轴的强度校核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。图4-2轴的受力分析和弯扭矩图a 轴上的转矩T主轴上的传递的功率： （4-2） 求作用在齿轮上的力： b 画轴的受力简图 轴的受力如图4-2所示。c 计算轴的支撑反力在水平面上 在垂直面上 d 画弯矩图 弯矩图如图4-2所示。在水

36、平面上，剖面左侧剖面右侧在垂直面上 合成弯矩，剖面左侧 剖面右侧 e 画转矩图,见图4-2f. 判断危险截面 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。g.轴的弯扭合成强度校核 ，则 。截面左侧 h. 轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度 ，弯曲疲劳强度，剪切疲劳极限，等效系数， 。 截面左侧查得，；查得绝对尺寸系数，；轴经磨削加工，表面质量系数 。则弯曲应力 应力幅 平均应力 切应力 安全系数 查许用安全系数，显然，则剖面安全。其它轴用相同方法计算，结果都满足要求。4.2.3 圆锥齿轮轴的设计由于此轴传递的功率不大，对其重量和尺寸也无特殊

37、要求，故选常用材料45钢，调质处理。a. 初估轴径， C=106117,取C=106根据电动机的转速和额定功率可知与圆柱齿轮轴相啮合的大齿轮的转速为则根据公式4-1可得： =6.8mmb. 各段轴径的确定初估轴径后，就可按轴上零件的安装顺序，从dmin处开始逐段确定直径。轴段1为外螺纹部分此段螺纹用于安装挡板与螺栓，以便于对齿轮作轴向固定故取，轴段2安装齿轮，根据齿轮的几何尺寸故取并在此段轴上开设键槽以便于对轴上齿轮作周向固定。轴段3作为轴肩，对轴段2处安装的齿轮作轴向固定，故取轴段4,6处安装轴承，根据要求选用7205型号的轴承，根据轴承型号与轴径的大小同时选择故确定轴段4和轴段6的直径为。

38、轴段5处用于安装套筒以便对轴上安装的轴承进行轴向固定故取。轴段7用作轴肩以此来用于对轴承作轴向固定故取。轴段8处为锥齿轮部分，根据以上的设计计算可知此处轴径。c. 各轴段长度的确定轴段1上装M12的螺栓和挡板，故取。轴段2处装齿轮，其长度与齿轮的宽度相同，故取。轴段3处利用轴肩作轴向固定，取。轴段4与轴段6处装轴承，取，。轴段5处装套筒，其长度为套筒的长度，故取。轴段7处作轴肩，取。轴段8处为锥齿轮部分，其长度。为保证轴承7205内圈端面紧靠定位轴肩的端面，根据轴承手册推荐，取轴肩圆角半径为0.6mm。为方便加工，其它轴肩圆角半径均取1mm。图4-3圆锥齿轮轴的结构设计草图4.2.4 手腕连接

39、轴的设计由于此轴传递的功率不大，对其重量和尺寸也无特殊要求，故选常用材料45钢，调质处理。a. 初估轴径，C=106117,取C=106根据电动机的转速和额定功率可知与手腕箱体连接轴的转速为则根据公式4-1可得： 106=11.6mmb. 各段轴径的确定初估轴径后，就可按轴上零件的安装顺序，从dmin处开始逐段确定直径。轴段1为外螺纹部分此段螺纹用于安装挡板与螺栓，以便于作轴向固定故取，取轴段2处，并在此处开设键槽用来传递扭矩其尺寸为。轴段3处安装轴承，根据要求选用7205型号的轴承，并在轴的另一段安装大锥齿轮，也在此处开设键槽用来传递扭矩其尺寸为，根据轴承型号与轴径的大小同时选择故取。轴段4

40、用作轴肩以此来用于对大锥齿轮作轴向固定故取。轴段5处用来安装7205轴承,轴承内径与轴径的大小取同一尺寸，故取。c. 各轴段长度的确定轴段1上装M12的螺栓和挡板，故取。轴段2处装键槽，用于传递扭矩，其键槽尺寸为，其长度取。轴段3处装轴承与大锥齿轮，中间用套筒对其轴向固定，对大锥齿轮进行周向固定的键取尺寸为，故取。轴段4处利用轴肩作轴向固定，取。由于轴承应成对使用，所以轴段5处装轴承，其类型代号与轴段3处一样，因此故取。图4-4手腕连接轴的结构设计草图4.2.5 大臂小臂连接轴的设计由于此轴传递的功率不大，对其重量和尺寸也无特殊要求，故选常用材料45钢，调质处理。a. 初估轴径， c=1061

41、17,取c=106则根据公式4-1得 =14.03mmb. 各段轴径的确定 初估轴径后，就可按轴上零件的安装顺序，从dmin处开始逐段确定直径。轴段1处要安装压板和齿轮用来固定此轴.故。轴段2处与4处安装7208类型轴承,其轴径大小应与轴承内径大小一致,故取,。轴段3处取。c.各轴段长度的确定各轴段长度主要根据轴上零件的毂长或轴上零件配合部分的长度确定。另一些轴段长度，除与轴上零件有关外，还与箱体及轴承盖等零件有关。轴段1处要安装压板和齿轮用来固定此轴，因此此段轴的长度应取长些，故取。轴段2的长度与轴承有关,取。轴段3处的选取长度为。轴段4 的长度与轴段2 处一样,取。图4-5大臂小臂连接轴的

42、结构设计草图5 轴承的设计5.1 轴承的选择轴承是支承轴或轴上回转体的部件。根据工作时接触面间的摩擦性质，分为滚动轴承和滑动轴承两大类。滚动轴承依靠元件间的滚动接触来承受载荷，相对于滑动轴承，滚动轴承具有摩擦阻力小，效率高，起动容易，润滑简便等优点。因此我在做本课题设计时所选用的轴承全为滚动轴承。轴承的内外圈和滚动体，一般是用轴承铬钢（如GCr GCr15SiMn）制造，热处理后硬度应达到6065HRC。保持架有冲压的和实体的两种结构。冲压保持架一般用低碳钢板冲压制成,它与滚动体间有较大间隙,工作时噪声大；实体保持架常用铜合金，铝合金或酚醛树脂等高分子材料制成，有较好的隔离和定心作用,又因为实

43、体保持架比冲压保持架允许更高的转速。所以本课题选用的保持架为实体的。从受载荷方面来考虑，我所设计的机器人承受载荷力不大，且适用在振动与冲击不大的场合；而且球轴承比滚子轴承有较高的极限转速和旋转精度；再从经济性方面考虑球轴承比滚子轴承便宜。综合以上因素，所以选取7205C系列的角接触球轴承。5.2轴承的寿命计算圆柱齿轮轴的轴承寿命计算：经查表可知：载荷系数=1.2 ，温度系数径，基本额定动载荷，基本额定静载荷。由以上计算可知：径向力，。派生轴向力 （5-1） 计算并确定e值，根据0.05，查表可得e=0.4。计算当量动负荷查表可得：径向载荷系数X=0.44,轴向载荷系数Y=1.4。 (5-2)

44、（5-3）取计算轴承寿命 （5-4） =3413.8h根据以上计算可知，其余几跟轴上的轴承也完全满足工作要求。6 其它零部件的选用6.1 键连接的选用 键连接分为平键连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。由于平键的两侧面是工作面，工作时靠键与键槽侧面间的挤压来传递转矩。键的上表面与轮毂间留有间隙，因此，平键连接定心性好，结构简单装拆方便，所以本次设计我选用的是平键连接中的圆头平键。键连接的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键连接的类型可根据连接的结构特点使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来取定。键的主要尺寸为截面尺寸b、h和长度L。b、h可根据轴径d由标准中查取；

45、长度L可参照轮毂长度从标准中选取，一般取L=B-(5-10)mm， B=(1.5-2)d。经以上设计可知此段轴径d20mm，即B=(1.5-2)d =1.820=36mmL=B-(5-10)=36-8=28mm经查表可知b=6 mm。6.2 壳体的设计小臂和手腕的外壳是支承整个传动系统的框架，采用铸铝材料，质量轻，刚度大，小臂的外框结构的厚度为6mm、盖子厚度为6 mm、电机后盖厚度为6mm。手腕的外框结构厚度为3mm,机器人手爪为铸造铝合金。其他部分的具体尺寸由结构定，详见装配图。6.3 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。

46、因此对材料的一个要求是作为运动部件，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。机器人手臂材料应先是结构材料。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（PEH）和碳素纤维等；金属材料以轻合金（特别是铝合金）为主。所以我所设计的机器人手臂的材料选择为铸造铝

47、合金中的铝铜合金。6.4 机器人臂部连接件的选用本设计中采用两种不同型号的波纹管联轴器：小臂部分采用DIN6885型号，手腕部分选用BL-12-02.5型号。柔性联轴器的特点是圆周方向刚度大而轴向弯曲方向柔度较大，既能起到可靠的传动又适合调整和补偿轴之间的偏差。图6-1 波纹管联轴器7 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。 从机构学的角度来看,关节型机器人

48、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之间的相互关系,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。由于我在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矩阵描述连杆坐标系间相对平移和旋转的齐次变换。如果表示第一个连杆对于基系0的位置和姿态，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= (7-1)一般T加相应前置或后置上下标的公式来表示两个或两

49、个以上A矩阵的乘积。同理,若表示第三个连杆相对于第二个连杆的位置和姿态,则有= (7-2) 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= (7-3)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 (7-4) a.末杆位姿分析 图7-1 机器人的杆件坐标系根据机器人的各杆坐标系确定机器人的杆件坐标参数如表7-1。 表7-1 机器人的杆件坐标参数关节i 关节变量范围190-9000-180到180200-45到135390900-90到9040-900 -90到90509000 -90到2706000-90到-90，。根据表7-1所示的参数可求得为： 式中，。b.求末杆的位姿矩阵求得机器人连杆全部坐标矩阵后，把前三个相乘求得，在使后三个相乘，构成。然后计算表示和的各元素，得到要求的末杆矩阵。机器人为机器人矩阵为如图7-1所示机器人末杆矩阵可写成为式中，作为一次校核，若令，并将给定的等代入，则矩阵为 结果与图7-1中建立的坐标系一致。8