毕业设计（论文）-真空吸盘式装卸堆垛机器人设计

商丘工学院本科毕业设计PAGE2目录1绪论 11.2关节机械手研究概况 11.2.1国外研究现状 21.2.2国内研究现状 21.3关节机械手的总体结构 31.4主要内容 41.5本章小结 52总体方案设计 62.1机械手工程概述 62.2工业机械手总体设计方案论述 62.3机械手机械传动原理 72.4机械手总体方案设计 72.5本章小结 93机械手大臂部结构设计 103.2真空吸盘 103.3真空泵 153.4机械手臂部计算 173.5电机的选取 183.6齿轮设计与计算 203.7轴承的校核 25第四章小臂结构设计 294.1腕部设计 294.1.1手腕偏转驱动计算 294.1.2手腕俯仰驱动计算 294.2小臂部结构设计 304.3小臂电机及减速器选型 30参考资料 33致谢 341绪论机器人，典型的机电一体化产品，多关节型机器人机械手是研究的一个热点领域。在机械、电子、信息理论、人工智能、生物学和计算机等领域中，得到了极大的应用和推广，它具有速度快，效率高，应用范围广等多特点，而且具有广阔的市场和发展空间。全套图纸加V信153893706或扣33463894111959年，世界上第一台工业机器人的诞生，机器人开辟了新的发展时代。多关节机器人科学技术的飞速发展，研究和应用的发展。世界著名的机器人专家，加藤一郎教授，在早稻田大学说：“一个机器人最大的特点，你有需要它的功能”无论是自动化道路脚下程度有多高，这都是复杂的动态系统。伟大的发明家托马斯·爱迪生曾说过这样一句话：“机器人，对环境是有益的。”它有很好的适应性，它具有非常较高的环境要求。可以打开无限广阔的前景，有必要扩大机器人的应用领域。以下主要是设计机械手的原因和目的：代替了人类劳动，解放了人的双手，提高了生产率，而且它们是开发的一种系统，以便它可以在许多结构性和非结构性相配合，更重要的是，使用这些功能，像人性化的服务，需要内在的人性化、系统化。在这方面的研究，可以扩大研究机器人的方向和研究机器人的市场，机器人，如智能机器人，可以起到人工智能和服务人类的重要作用。关节机器人，世界上没有统一的分类，定义是不一样的。对于近期标准化的联合国国际组织已经通过美国协会的定义为关节机械手的机械人：多关节机器人，搬运为主料，转移为目的，为了各种工作完成，通过改变动作程序，还需要再编程的多功能操作装置。外国定义与我们的关节型机器人有不同的参考定义。多关节型机器人，独立的主体可以放在任何地方，动作的自由度，程序可以灵活地改变，高度自动化机器人。它可用于汽车喷漆、涂料、和货物搬运、码垛等方面。关节型机器人的臂与主体，相对于人，可以携带重物，可以有一个较快的移动速度，有非常高的定位精度，它是自动的，可以执行各种操作，它可以是一个外部信号执行单元。多关节型机器人是在计算机控制下的可编程自动化的机器。能够提高产品的质量和劳动生产率，在生产过程，多关节机器人是自动化的，在通过改进，改善工作条件下，它是降低了劳动强度的有效手段。机器人诞生和发展，虽然只有30多年的历史，但是在一个国家经济领域中，机器人已经应用于民用工程中，显示了强大的生命力，未来的发展不可估量，需要我们进一步努力，开创美好的未来。1.2关节机械手研究概况1.2.1国外研究现状人类和动物的运动原理的第一个系统研究使迈布里奇发明了照相机跟单，即设定的触发相机，并在1877年他成功地验证了他的假定。后来，使用这种方法的相机是用来研究人体运动Demeny。从1930年到1950年，苏联也伯恩斯坦也深入研究，从人类和动物动力机制的角度看，并提出的理论非常形象化的描述人类和动物的运动机制。真正研究机构运动的大多是全面研究，系统于1960年推出至今，比较完整的理论体系的形成，并在一些国家，如日本，美国和苏联已成功开发，可以是静态或动态的多臂枢轴原型得到发展。在20世纪60年代和70年代，武装多搬运运动控制理论产生三种类型的控制方法这是非常重要的，这限制了国家控制，控制参考模型和控制算法。这三种控制的方法对所有类型的搬运机械手都是适用的。国家控制是在1961年提出的模型的参考，于1975年由美国法恩斯沃思南斯拉夫托莫维奇正式提出，该算法是由著名的南斯拉夫研究所米哈伊尔•罗多搬运运动学专家鲍宾Vukobratovic博士在1969-1972年的教堂中提出。这三种类型的控制方法和他们之间的存在内在关系。有限状态控制实质上是一个控制参考模型，并且该控制算法得到了证实和应用。在搜索步态中，苏联Bessonov和Umnov定义“最佳步态”，Kugushev和美国Jaro-shevskij定义自由的步伐。这两种步态不仅能适应，而且要适应胳膊多和腿多的机器人。在这些中，对于自由路径的步骤，有他的的条件和规则。如果地形是非常粗糙的，所以运动臂多搬运，下一步应放在哪里脚不能基于对步骤序列来加以考虑，但应通过步骤以便攀登者去通过一些优化标准来确定哪个是所谓的自由速度。稳定性研究手臂动作的多搬运，美国Hemami，该提议的稳定性和系统的控制的简化模型作为振荡器，反转（倒立摆），它可以被解释为在换能器存在的问题中为了向前运动。此外，为了减少考虑，Hemami在研究手臂运动的多搬运“减少型”问题上进行了复杂性研究。此前我们指出了系统的Vukobratovic还能进行能量分析，但它的力量是有限的，搬运随时间的整个系统的变化，并没有太多涉及这个问题。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一个有用的结论，即平滑的姿态，人型系统所消耗的功率就越少。随着社会的发展，需求的增加，和实际问题的待解决，国外相继研究出各种机器人，并且已经很好地应用于各个领域，得到了很好地发展。1.2.2国内研究现状国内目前机器人起步较晚，我国自1980年以来，在体育领域的多臂机器人的共同研究和应用下。1986年，国家启动了“规划纲要”的研究多动搬运臂，中国的高科技“863”研究项目中的水平运动臂产生于1987年。目前也在积极研发，中国移动手臂的研究和开发主要与高校和科研院所合作。由于我国机器人产业还很薄弱，机器人研究仍然任重而道远。我国市场上机器人总共拥有量近万台，仅占全球总量的0.56%，其中完全国产机器人行业集中度仅为占30%，其余皆为从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进。究其原因，很大程度在于自主品牌不够，发展壮大自主品牌及其自动化成套装备产业成为当务之急，由于机器人是最典型的机电一体化、数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进装备制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车．计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。随着我国企业自动化水平的不断提高、人民生活需求水平的提高，机器人市场也会越来越大，这就给机器人研究、开发、生产者带来巨大商机，目前中科院常州中心常州机械电子工程研究所致力于机器人及智能装备技术的开发。我国机器人市场竞争越来越激烈，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，加快机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个机遇的机会。目前，国际制造业中心正向中国转移，用信息化带动工业化、用高新技术改造传统产业已成为中国制造工业发展的必由之路。我国要大力发展制造业，必须科技创新，与时俱进，开创美好的未来，未来机器人的发展是不可估量的，具有非常好的广阔前景。1.3关节机械手的总体结构关节机械手的组成及各部分关系概述如图所示：1.3机械手的组成和相互关系它主要由机械系统（执行系统，牵引系统），探测系统和智能控制系统组成。1.执行系统：共用部分的执行系统部门，机械零件最全面的定义，以必要的各种运动，包括手，手腕，来获得身体。A.末端执行用于执行，并且配置的零件直接用于执行动作。B.手腕，手和臂的连接，具有安排作为任务或工作的端部的方向的改变。C.臂和连接的手匹配，手腕支撑身体时，执行负荷管理块，手的空间位置，臂操作空间的变化可以满足多个搬运，基座里电动机可以提供动力传输。D：机身，多铰接臂，支撑辊，由臂部件支承，并具有使臂转动，起重或倾斜运动的特性。驱动系统：，用作机械传动，控制系统：驱动控制系统，根据该系统的工作，可以把故障报警或错误的信号通过显示器显示出来，并能及时作出反应控制机器正常运行。检测系统：经由各种传感装置，控制运动检测装置，反馈给系统，保证运动无误，实践证明，该关节机器人可以取代繁重的体力劳动，可以显著减轻劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平，也可以提高我们工业化水平，并且符合我们国家“工业10.0”的政策。1.4主要内容第1章绪论主要介绍机械手的相关知识和本课题研究的任务和要求.第2章总体方案设计,介绍该机械手各部分的相关知识和总体设计.第3章机械手各部分设计的介绍第4章机械手结构设计第5章机身合理参数的选择第6章基solidworks进行三维模型设计及运动分析与装配仿真1.5本章小结介绍了国内外机器人的发展史，阐述了关节机器人的总体结构。随时代进步各国展开研究机器人的浪潮，比如德国工业4.0，我国随后也提出了符合我国国情的“工业10.0”的政策。商丘工学院本科毕业设计2总体方案设计2.1机械手工程概述它是一个技术集成的学科，涉及计算机技术和自动化技术等领域，在机制，机械，气动，液压技术，检测技术等领域有了发展。手臂多搬运运动的设计，例如系统工程，应作为一个综合的方法来设计系统，共同致力于系统的研发和创新。一个复杂机械系统，可结合多个子系统，它是一个不可分割的整体。系统必须具有以下特征：1.完整的机械系统由几个子系统并且具有不同的整体性能的特定功能。2.子系统之间要有机联系，不可独立。3.每个目标系统必须具有明确的目标和系统的功能，结构，功能，目标和手段，把系统的各个子系统结合起来。4.系统对环境的适应在某些情况下，我们必须能够适应外部环境中的变化。所以，在设计机器人时，不仅要注重搬运机器人系统的整个部件设计，还要考虑到单个部件的设计，要把他们紧密联系起来。2.2工业机械手总体设计方案论述（一）确定负载目前，国内工业多用运动搬运臂，负载能力最小额定负载5N或更小范围，最多的为9000N。这次设计的机械手为5公斤负荷。负载的大小主要取决于运动的作用力和机械接口上多搬运臂的运动方向。下臂应该包括端部执行器，根据相关参数和计算得出，这是一个小负荷的机械手。（二）驱动系统由于伺服电机具有良好的控制性能，具有灵活性好，体积小，效率高，适用于运动控制没有影响的精确控制小臂运动的机器人，因此，我采用了伺服电机。（三）传动系统臂传递机构的机械运动通常使用齿轮，蜗杆，滚珠丝杠，皮带，链条传动，行星齿轮，齿轮和谐波传动等作为传动载体，由于齿轮传动具有效率高，准确，结构紧凑，工作可靠，寿命长等优点，因此选用齿轮传动。（四）工作范围操作过程中的工业手臂动作的工作范围是与工作空间的大小相关，其每个臂的自由操纵器公共轴线的长度和所传动轴的相适应。（五）运动速度每个铰接机械臂的最大行程，按照循环时间来确定每个操作的时间的，可以进一步确定每个动作的速度，单位为米/秒（m/s）的，每个运动时间分配考虑到许多因素，如每个操作序列之间的周期的总时间长度。操作时间的分配也必须考虑惯性的大小以及驱动控制，定位和精度要求。2.3机械手机械传动原理该方案结构设计与分析该关节机械手的本体结构组成如图所示：图2.1关节机械手本体组成所描述的为下列方式的组件和功能:基本单位：基座构件包括底座，齿轮传动件，轴承，步进马达。基本作用是支持构件，所述支承构件旋转臂，能够承受的工作负载，所述臂必须具有足够的强度，刚度和负荷能力。此外，该臂也需要一个足够大的安装基础，以确保在工作场所搬运机器人的稳定运行。搬运机器人臂，通常会导致驱动臂运动（例如，液压，气动或一个马达）和一个驱动源（例如，燃料箱，燃料箱，齿轮齿条机构，连杆机构，螺旋机构或凸轮机构等各种运动臂组成的组件）。手臂分为大臂和小臂。组成如下：动臂、齿轮件，驱动电机。在臂构件中：臂，驱动轴，皮带等，固定到步进电动机的一端。腕部分：包含壳体，传动齿轮和轴，和所需机械接口。2.4机械手总体方案设计它是机器人形结构，并调整圆柱形结构，球面坐标的结构，该多接头结构和它们的相应特征中的每一个一致，如下所述。1.直角坐标结构运动空间直角坐标机器人，它是落实到闭环位置控制的线性运动，由如图2-1所示，直角坐标机器人可以达到非常高的位置，实现各有三个其他存在的垂直的直线运动精度。然而，直角坐标机器人相对于其他机器人的结构，还算比较小的。因此，为了实现恒定的空间运动，必须调整好其内部架结构。直角坐标机器人的工作区是矩形空间。直角坐标机器人主要用于组装和搬运，直角坐标机器人它具有悬臂门，起重机等类型的结构。2.圆柱坐标结构如在图2-1（b）中，如图所示，调整直线运动并实现旋转运动。这种机器人的结构相对简单，并且能够在一般精度操作中使用。它的工作空间是圆柱形的空间。3.球坐标结构如图2-1（c）中，该空间的运动是球形坐标机器人的运动，实现两个旋转运动的。这个简单的机器人结构，成本低，精度不高。但他们的工作空间是球形的空间。4.搬运型结构如图2-1（d）所示，为了实现一个空间移动搬运机器人包括三个旋转运动。搬运机器人的运动是灵活，结构紧凑，占地面积小的运动方式。这种机械手是广泛焊接，涂装，搬运，组装，它是在工业中使用。搬运型机械手结构，有水平搬运型和垂直搬运型两种。(a)直角坐标型(b)圆柱坐标型(c)球坐标型(d)关节型图2-2四种机械手坐标形式根据任务书和具体要求，我选择了关节型（d）。机器人的工作范围是很大的，并且运动灵活，通用性好，结构更紧凑，其特征如下：用途：物料搬运自由度数目：6（腰部回转、大臂转动、小臂转动、小臂回转、腕部摆动、腕部回转）坐标形式：垂直关节坐标型额定负荷质量（不含末端执行器）：大于等于100kg最大工作半径1450mm（1500）手臂最大中心高1200mm（1000）本体自重小于160kg（200）表2-1各关节回转范围和最大工作转速最大工作范围（º）工作转速r/minrad/sº/s腰部回转关节±150（300）101.0560大臂转动关节±110（150）101.0560小臂转动关节+170，-150（±180）101.0560小臂回转关节±180（360）202.1120腕部摆动关节±130（120）202.1120腕部回转关节±360303.141802.5本章小结为了确定解决方案，提出多种方案并验证后，确定了机器人系统的各个部件，包括：机器人机身、大臂、小臂、手腕、和端部的执行器，并做了详细的分析和设计。3机械手大臂部结构设计3.2真空吸盘3.2.1真空吸盘的作用真空吸盘是真空系统中的执行元件，用于将表面光滑而且平整的工件吸起并保持住，柔软又有弹性的吸盘确保不会损坏工件。3.2.2吸盘的材料吸盘材料：丁腈橡胶（黑色）(N)，硅橡胶（白色）(S)，聚氨脂橡胶（褐色）(U)，氟化橡胶（带绿色标记的黑色)(F)。3.2.3吸盘的型号表示方法图3-1吸盘的型号表示方法3.2.4理论吸吊力真空吸盘的外径称为公称直径，其吸持工件被抽空的直径称为有效直径D。真空吸盘的理论吸吊力（水平提升升力）F为：（式3.1）其中：-真空度，-真空吸盘的有效直径（吸盘的内径），-吸盘的有效吸着面积，在真空状态下，气体的稀薄程度通常用气体的压力值来表示，显然，该压力值越小则表示气体越稀薄。若所测设备内的压强低于大气压强，其压力测量需要真空表。从真空表所读得的数值称真空度。真空度数值是表示出系统压强实际数值低于大气压强的数值，即：真空度=(大气压强—绝对压强）。这样，若已有一个真空吸盘，只需要设定真空度，就可以计算吸盘的理论吸吊力（水平提升升力）如图3-2所示；吸盘水平提升升力表3-1所示。图3-2吸盘的理论吸吊力吸盘水平提升力=所需提升重量X安全系数（3.2）其中：（安全系数：4）表3-1吸盘水平提升升力表3.4.5吸盘的外形尺寸吸盘按照外形来分，可以分为三种：平形吸盘、平形带肋吸盘、深形吸盘。具体结构及尺寸见下图：图4平形吸盘具体结构表2平形吸盘尺寸参数表图5平形带肋吸盘具体结构表3平形带肋吸盘尺寸参数表图6深形吸盘具体结构表4深形吸盘尺寸参数表3.2.6真空吸盘的选用根据设计要求，被吸持石板的重量为130kg的石板，带入（式3.2中）故实际所需水平吸吊力为（安全系数取4）：本设计选用18个平形吸盘，材料选用丁腈橡胶（N），则每个吸盘所需提供的吸吊力为84N。根据上述实际所需吸吊力，查吸盘水平提升升力表，真空度为500mmHg，选取吸盘直径为40mm。综上，吸盘型号确定为：ZP40UN3.3真空泵3.3.1真空泵的定义真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置。真空泵可以定义为：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分为两种类型，即气体传输泵和气体捕集泵。随着真空应用技术在生产和科学研究领域中对其应用压强范围的要求越来越宽，大多需要由几种真空泵组成真空抽气系统共同抽气后才能满足生产和科学研究过程的要求，由于真空应用部门所涉及的工作压力的范围很宽，因此任何一种类型的真空泵都不可能完全适用于所有的工作压力范围，只能根据不同的工作压力范围和不同的工作要求，使用不同类型的真空泵。为了使用方便和各种真空工艺过程的需要，有时将各种真空泵按其性能要求组合起来，以机组型式应用。3.3.2真空泵的分类真空泵分类广泛，按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分为两种类型，即气体传输泵和气体捕集泵。气体传输泵是一种能使气体不断的吸入和排出，借以达到抽气目的的真空泵。气体捕集泵是一种使气体分子被吸附或凝结在泵的内表面上，从而减小了容器内的气体分子数目而达到抽气目的的真空泵。气体输送泵包括：1、液环真空泵（水环式真空泵）2、往复式真空泵3、旋片式真空泵4、定片式真空泵5、滑阀式真空泵6、余摆线真空泵7、干式真空泵8、罗茨真空泵9、分子真空泵10、牵引分子泵11、复合式真空泵12、水喷射真空泵13、气体喷射泵14、蒸汽喷射泵15、扩散泵等。气体捕集泵包括：吸附泵和低温泵等。工业中应用最多的是水环式真空泵和旋片式真空泵等。按其真空度可以分为：粗真空、高真空、超高真空三大类。3.3.3真空泵选取的注意事项真空泵的作用就是从真空室中抽除气体分子，降低真空室内的气体压力，使之达到要求的真空度。概括地讲从大气到极高真空有一个很大的范围，至今为止还没有一种真空系统能覆盖这个范围。因此，为达到不同产品的工艺指标、工作效率和设备工作寿命要求、不同的真空区段需要选择不同的真空系统配置。为达到最佳配置，选择真空系统时，应考虑下述各点：1.确定工作真空范围首先必须检查确定每一种工艺要求的真空度。因为每一种工艺都有其适应的真空度范围，必须认真研究确定之。2.确定极限真空度在确定了工艺要求的真空度的基础上检查真空泵系统的极限真空度，因为系统的极限真空度决定了系统的最佳工作真空度。一般来讲，系统的极限真空度比系统的工作真空度低20%，比前级泵的极限真空度低50%。3.被抽气体种类与抽气量检查确定工艺要求的抽气种类与抽气量。因为如果被抽气体种类与泵内液体发生反应，泵系统将被污染。同时必须考虑确定合适的排气时间与抽气过程中产生的气体量。4.真空容积检查确定达到要求的真空度所需要的时间、真空管道的流阻与泄漏。考虑达到要求真空度后在一定工艺要求条件下维持真空需要的抽气速率。5.主真空泵的选择计算s=2.303v/tlog(p1/p2)(3.3)其中：s为真空泵抽气速率(l/s)v为真空室容积(l)t为达到要求真空度所需时间(s)p1为初始真空度p2为要求真空度。3.3.4真空泵的选取本次设计采用2XZ-0.25型真空泵，具体信息及参数如表3-2所示。2XZ系列真空泵为双级直联结构，它的工作性能由高压级与低压级二部分组成，它的吸入口与真空设备连接，在运转时容器内的气体将大量吸入与排出，当设备获得真空时，高压级排气阀封闭，高压级吸入的气体将转送到第二级，并经第二级吸入与排出，这样真空设备可获得一定的真空，泵与电机连轴，高转速，外型小，结构紧凑，流动性工作方便。表3-22XZ-4真空泵性能电机型号额定功率/kw抽气速率L/S进气孔直径mm2XZ-40.554193.4机械手臂部计算因为将臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生步进电机的转矩不足。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：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32（3.4）其中：M1，M2，M3分别为负载和腕部的重量为45Kg，小臂15Kg，大臂20Kg；L1，L2，L3分别其长度。JG1〈〈M1L12、JG2〈〈M2L22、JG3〈〈M3L32，故可忽略不计，以绕第一关节轴的转动惯量为：J1=M1L12+M2L22+M3L32+M4L42(3.5)=45×2.1242+15×1.6782+20×0.6162=252.8kg.m2则旋转开始时的转矩可表示如下：(3.6)式中：T-旋转开始时转矩N.mJ–转动惯量kg.m2-角加速度rad/s2使机械手大臂从到所需的时间为：则：(3.7)同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量：M1=45Kg，L1=0.892m；M2=15Kg，L2=0.446mm。J2=M1L12+M2L22(3.8)=45×0.8922+15×0.4462=38.8kg.m2设小臂转速，角速度从0加到所需加速时间，则输出转矩为：3.5电机的选取 （3.9） （3.10） （3.11）（3.12）（3.13）（3.14）——惯性力矩——摩擦力矩——输出轴转动角速度——大臂转动惯量——小臂转动惯量——机身自身转动惯量——启动时间=0.1s=0.8m/s=1.2m0.67rad/s当大小臂的位置关系如图3.1所示位置时，大小臂处于动作可以达到的极限位置，此时需要的数值最大。图3.1大小臂处于极限位置由同组成员计算出的大臂质量及相关大臂相对中心线oa的垂直距离得出：=600mm，=20kg，代入式（3.13）得：=2.4kgm同理小臂质量及相关小臂相对oa线的垂直距离得出： =800mm，m=15kg，代入式（3.5）得：=3.2kgmm计算数值得出：==7.2Nm选择二级圆柱齿轮减速器i=3（3.15）=0.99——联轴器传动效率=0.96——齿轮传动效率=0.98——轴承传动效率代入式（3.7）得到：0.807综上，查设计手册[2]可选伺服电机型号为86HB250-118BJ，其具体参数如表3-2所示：表3-286HB250-118BJ电机性能电机型号静力矩/Nm机身长/mm额定电流/A86HB250-118BJ8.511853.6齿轮设计与计算小齿轮材料选用40Cr(调质)，表面硬度为280HBS,大齿轮材料选用40Cr调质），表面硬度为240HBS。选择7级精度，，（2）按齿面接触疲劳强度计算根据设计计算公式（10-9a）试算小齿轮分度圆直径，即： （3.16）——载荷系数——输入轴承受扭矩——齿宽系数——重合度系数——弹性影响系数——接触疲劳许用应力确定上式中各参数：试选载荷系数=1.3，小齿轮传递的扭矩为=6.27Nm查表10-7，选齿宽系数=1；查表10-6，得弹性影响系数=189.8，查图10-21d，查得小齿轮接触疲劳强度极限为MPa；大齿轮接触疲劳强度极限为MPa。计算应力循环:（3.17）——输入轴转速——工作时间137.7r/min=10000h双向转动，取=2代入式（3.17）得：=1.65×108次=4.96×108次查图10-19，得接触疲劳寿命系数1.15，1.26；计算接触疲劳许用应力：取安全系数S=1，则=690MPa，=693MPa计算设计公式中代入中较小值，得21.74mm计算小齿轮分度圆圆周速度0.17m/s 计算齿宽b=21.74mm计算齿宽与齿高之比：b/h（3.18）模数0.91mm 齿高=2.04mm代入式（3.18）得：=10.67计算载荷系数（3.19）查图10-8，由v=0.17m/s，7级精度，得：=1.0查表10-4，得：1.2查表10-2，得：=1.25查表10-3，得：=1.30查图10-13，得：=1.28以上代入式（3.19）得：1.95 按实际载荷系数修正24.87mm（3.20）计算模数m：1.04mm按弯曲强度设计由公式（10-5）（3.21）——弯曲疲劳寿命系数——弯曲疲劳需用应力——齿形系数——应力校正系数由图10-20c查得小齿轮弯曲疲劳强度极限=500MPa；大齿轮弯曲强度极限=380MPa；由图10-18取弯曲疲劳寿命系数=0.93，=0.97计算载荷系数==1.92计算弯曲疲劳需用应力，取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：=332.1MPa=263.3MPa查取齿形系数，由表10-5得：=2.65；=2.226查取应力校正系数，由表10-5查得：=1.58；=1.764=0.013=0.015大齿轮对应数值大，将以上数值代入得：1.86对比计算结果，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度的承载能力仅与齿轮直径有关，所以取由弯曲疲劳强度算得的m=1.86，并取圆整为标准值m=2，前面计算得=24.87mm,得小齿轮的齿数：23.8724=72几何尺寸计算：分度圆直径（3.22)将模数、齿数代入式（3.22）得：48mm；144mm中心距（3.23）将，代入式（3.23）得：96m3.7轴承的校核3.7.1输入轴上轴承寿命计算查阅资料得到轴承的预期寿命为，考虑其承受齿轮轴和联轴器的重量，所以选择圆锥滚子轴承30203，e=0.35，=1.7，1，Cr=20.8kN、Cor=21.8kN。求出各力即可算出强度。轴上所受的支反力：657.2N1031.5N （3.24）193.3N，303.2N（3.25）式中：——径向支反力——轴向支反力193.3N，303.2N193.3N，303.2N，查表13-5得：0.4，，查表13-5得：1，0查表13-6载荷系数=1.2，将以上代入式（3.24）、（3.25），轴承当量动载荷为750.5N （3.26）1237.8N （3.27）（3.28）式中：——轴承所在轴的转速——温度系数——额定动载荷——轴承所在轴的传动功率计算轴承寿命。137.7r/min=25000N 10/3查表13-7，温度系数=1代入式（3.35）得：h，满足使用要求。3.7.1输出轴上轴承寿命计算轴承受力如图所示，轴安装出直径为35mm，由于轴向要承受大小臂的重力，所以选择圆锥滚子轴承2007907E，Cr=54.2kN，Cor=63.5kN，e=0.37，1.6，0.9，求出各力大小，即可算出强度。图中R有两部分组成，第一部分为轴上所受的支反力：1452N，508.8N 第二部分为大臂和小臂工作时产生的偏心力，如图3.12所示。图3.12工作时大、小臂质量产生偏心力简图大小臂重力分别为：200N,1500N经计算得：2400N3852N，2908.8N1203.8N，909N，1753.9N，909N1753.9N，=909N，查表13-5得0.4，1.6，查表13-5得1，0查表13-6载荷系数=1.2，轴承当量动载荷为5108.2N 2949.6N 由公式13-10a，因为，所以带入进行校核计算轴承寿命。15.3r/min=73200N10/3查表13-7，温度系数=1代入得h，满足使用要求。

第四章小臂结构设计4.1腕部设计手腕和手，并支持机械臂连接，改变手的姿态。手腕的设计要求如下。结构紧凑，重量轻，动作灵活，平稳，定位精度高，材料强度，高刚度，手臂和搬运的手结构合理，传感器和执行器和设备的合理布局安装。按自由度分类，工业用机器人手腕分为两个自由度和三个自由度。所有的手腕不大，但具有三个自由度，必须根据用于工业机器人的性能要求来确定实际使用。如图4-1所示，根据设计要求，实现了手腕俯仰。在这个阶段，研究国内步进电机产品的开发，在生产技术上，这是不可能实现的，为了减轻手臂的总重量，腕部采取间接步进电机为一个吊杆锥齿轮，另一条通过链联接，如图所示4-1：图4-1BB型手腕示意图研究设计吸盘机器人，在工作空间中，吸盘手腕的动作，是用于搬运的工作，有时为了满足手腕部结构要求，在狭小的空间的动作紧凑即必须插入，且重量轻，并且在操作灵活性如图4-2的尺寸所示：图4-2手腕外形尺寸示意图4.1.1手腕偏转驱动计算腕偏转来实现偏压的变化，通过步进电动机的驱动器，它设置在后臂的下方，并通过一个锥齿轮传动接合两个链条驱动滑轮。根据步进电动机驱动的手腕力，需要的扭矩偏转计算的第一腕部，并计算马达的输出转矩，和各个设计参数后，判定相关尺寸如下。（1）选择步进电机腕偏转，摩擦力矩，以克服的工作负载电阻扭矩和手腕的启动的转动惯量。按转矩的式子[15]：因为腕部传动是通过两级带轮和一级锥齿轮实现的，所以找到对应书本得：弹性联轴器传动效率：；滚子链传动效率：；滚动轴承传动效率：（一对）；锥齿轮传动效率：；计算得传动的装置的总效率：。电机在工作中实际要求转矩：（3.9）根据计算得出的手腕偏转所需力矩，结合90系列的五相混合型步进电机的技术数据和矩频特性曲线，如图4-3和图4-4所示,设得90BYG5200B-SAKRML-0301型号的步进电机。4.1.2手腕俯仰驱动计算通过步进电机的相反侧悬臂的底部和手腕两个滑轮带传动来实现。然后将相同的驱动方法和偏转来计算手腕，确定带传动传输参数和步进电机选择的相关尺寸。经过设计计算，手腕俯仰驱动设得与手腕偏转驱动的步进电机型号90BYG5200B-SAKRML-0301相同。带传动参数与相关尺寸计算结果如下：带轮参数：，，，，。带轮尺寸：4.2小臂部结构设计小臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。4.3小臂电机及减速器选型这次设计的关节型机器人轴承是光滑的，静转矩小且旋转需要相对小的转动。因为直线的惯性最大。，如图3-1所示手腕各惯性中心轴的转动惯量分别为、、，根据平行轴定理可得绕第一搬运轴的转动惯量为：（3.1）式子里：，，分别为负载，手臂，腕部；，，分别其长度。、、，忽略不计，以绕第一搬运轴的转动惯量为：J1=M1L12+M2L22+M3L32(3.2)=4×0.1432+1×0.4452+4×0.5422=1.46同理可得小臂及腕部绕第二搬运轴的转动惯量：，；，。J2=M2L42+M3L52(3.3)=1×0.0972+4×0.1942=0.16设小臂转速，角速度从0加到所需加速时间，则同步带应输出转矩为：(3.7)鉴于围绕旋转惯性摩擦转矩轴的机器人手臂的重心的各个部分，扭矩可以假定在起动时，开始旋转，输出所需的谐波减速器最小扭矩：