【《某打磨机械臂的手腕关节设计案例》3400字】

某打磨机械臂的手腕关节设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u16719某打磨机械臂的手腕关节设计案例 121884第一章绪论 17581第二章机械臂设计方案 229688第三章手腕关节设计 539033.1手腕摆动参数设计 5169813.1.1手腕俯仰驱动选型设计 5149803.1.2腕部摆动齿轮传动设计 6320203.2腕部回转设计 8219503.2.1腕部回转驱动选型设计 8178263.2.2腕部回转齿轮传动设计 9第一章绪论从2013年起，我国持续多年是需求量最多的工业机器人市场，据统计，2015年我国工业机器人市场销售数量为6万多台，国内品牌机器人占据了2万多台。目前，实力较强的工业机器人公司主要为德国，日本，美国，瑞士等国家，我国对工业机器人的研究主要为大学、研究所和各大企业。工业机器人据综合实力，全球排名前四的品牌为ABB（瑞士）、KUKA（德国）、FANUC（日本）、YASKAWA（日本），我国排名前四的品牌为埃斯顿、埃夫特、广数、佛山华数。工业机器人通过产业链分为三部分。上游产业链是核心零部件制造，包括控制器、驱动器、传感器、伺服电机、人机交互系统、精密减速器、机体、腕部、臂部、精密减速器、机器人软件、腰体、系统软件、执行手和应用软件，目前机器人上游产业链主要被国外公司占据。中游产业链有两点，机械本体制造和系统集成，国内不少企业已进驻机器人中游产业链。下游产业链是产业的应用，包括食品加工、金属加工、电子元器件制造等等，在我国，汽车行业是应用工业机器人最多的行业，占据了百分之三十五，目前我国很多企业处于机器人下游产业链。本文设计课题为多自由度机器人的设计。本次设计首先对六自由度机械手进行了解，掌握了机械手得结构及工作原理。然后自主设计一种控制结构进行优化得机械手，该机械手有六个自由度，包括底座回转机构，大臂弯曲，小臂弯曲和小臂回转和腕部摆动和腕部回转。本设计对机械手得结构和驱动进行了设计计算，确定了机械臂的传动方式，先进行了三维建模，最后绘制了图纸并编纂了说明书。1.4设计技术指标基本功能：要求机器人手臂能到规定位置，并且可以打磨汽车车漆气泡。关键技术指标：定位精度0.1mm，重复定位精度0.1mm。末端运行速度1m/s最大负载10kg。腰部旋转角度：±120o（最大旋转速度：60o/s）肩部俯仰角度：+170o~-60o（最大旋转速度：136o/s）肘部俯仰角度：+82o~-66o（最大旋转速度：137o/s）肘部旋转角度：±150o（最大旋转速度：150o/s）手腕俯仰角度：±122o（最大旋转速度：163o/s）手腕旋转角度：±300o(最大旋转速度：300o/s）第二章机械臂设计方案本课题所设计方案是对打磨机械臂的结构设计，机器人要完成空间作业任务，必须具有六个自由度。机械臂的前三个关节腰部、肩部、肘部用来改变手腕的空间位置，后三个关节在手腕处轴线相交，用来改变柔性打磨头的姿态。根据机器人前三关节的类型的机器人的类型大致有五种：1.直角坐标式机器人，前三个关节都为移动副，分别沿着X轴、Y轴、Z轴移动，这种类型机器人运动学求解简单，但是体积大，占地面积大，可活动的范围小，不够灵活。2.圆柱坐标式机器人，关节1为绕竖直轴的旋转副，关节2为竖直移动副，关节3为水平移动副，通过这三个移动副来确定手腕的空间位置。3.球坐标式机器人，关节1为绕竖直轴的旋转副，关节2为绕水平轴旋转副，关节3为移动副。这类机器人占地面积小，工作空间较大，但关节3不易保护，容易被污染。4.关节式机器人，此类机器人包括底盘回转，大臂俯仰，小臂摆动三个关节，达到对手腕的定位，工作空间大，机械动作灵活，关节易于保护。5.SCARA机器人，关节1和关节2是绕竖直方向轴的旋转副，关节3是竖直方向的移动副。它比较适合同一平面的位置确定，垂直方向完成动作要求。图2-1各类型机器人根据多方面考虑，选择关节式机器人，该结构占地面积小，控制灵活，关节部位易于防尘适合打磨汽车气泡的环境。机器人的手腕是用来调整位姿的重要结构。目前工业六自由度机器人主要是使用3自由度手腕，有BBR、BRR、RRR、RBR四种。上述结构中RBR结构优点多,结构紧凑，易于调整的位姿。图2-2三自由度手腕示意图机械臂的后三个关节分为前驱结构和后驱结构，前驱结构就是三个电机分别装于各个关节处，适用于负载不大的小型机器人。后驱结构是将三个电机都装于肘关节，电机4通过减速机和齿轮带动小臂外侧中心轴进行回转运动，电机5通过减速机和齿轮减速，带动小臂中间的中心轴，以带动手腕处的锥齿轮，完成手腕的俯仰，电机6通过减速机和齿轮带动小臂最内侧的实心轴，再通过手腕处的两对锥齿轮换向，一对齿轮减速，以完成手腕前端的回转，三个中心轴之间通过轴承和套筒隔开，适用于中、大型机器人的结构，本文所设计的打磨机械臂采用后驱传动结构。在汽车喷漆结束后，在汽车四个方位都有一个机械臂，对有气泡的部位进行打磨。该打磨机械臂如下图所示包括底座回转机构，大臂弯曲，小臂弯曲和小臂回转和腕部回转、腕部摆动一共六个自由度。每个关节回转机构均由电机驱动。该机构包括：1.腕部回转2.腕部摆动3.小臂回转4.小臂俯仰5.大臂摆动6.底座回转机构几个部分组成。图2-3打磨机械手臂结构方案图1.腕部回转2.腕部摆动3.小臂回转4.小臂俯仰5.大臂摆动6.底座回转机构第三章手腕关节设计3.1手腕摆动参数设计3.1.1手腕俯仰驱动选型设计腕部自重及负载机构总负载为15kg。则驱动回转力F电机功率转动扭矩

T根据技术指标要求最大旋转速度为163度/秒。所以旋转一圈需要360/163=2.2秒。所以腕部俯仰速度

n电机选择机械伺服电机，伺服电机额定转速nm=1500rpm。所以总的减速比i=1500/27.3=54.9。所以根据速比和扭矩要求选择电机和减速器型号如下，伺服电机选择60型，电机输出扭矩T=2.8大于工作所需1.5N.m，所以满足要求。电机功率P电机选择伺服电机，转速每分钟1500转，所以减速器减速比i=1500/27.3=54.9。所以根据速比和扭矩要求选择电机和减速器型号如下，伺服电机选择60型，型号为60HBM00630CBM，电机功率0.2KW电机扭矩T=1.9N.m。分配速比取减速器速比i1=27.5，则齿轮速比i2=2。所以选择精密行星减速机PF60-30型伺服减速机。3.1.2腕部摆动齿轮传动设计3.1.2.1选择材料齿轮传动效率不大，速度一般，小齿轮材料为40Cr钢，热处理为调质处理。为了减少胶合危险，并且使两齿轮使用时长接近，所以大齿轮材料为45钢，热处理为调质处理。大齿轮与小齿轮硬度差为40HBS。3.1.2.2设计腕部摆动齿轮由齿面接触疲劳强度设计计算公式进行计算，即d1．确定公式内的各计算数值。1）选用直齿圆柱齿轮传动。2）选z1=16，3）试选Kt4）小齿轮传递的转矩T=31483N∙mm。5）则∅d6）由文献查得材料的ZE7）查得小齿轮的σHlim1查得大齿轮的σHlim28）由下式计算：NN9）取KHN1=0.90；10）计算。取大部分情况下稳定，失效概率为1%，，低可靠度最小安全系数S=1，由式得[[2．计算1）试算d1t，代入[d2）计算v。v=3）计算b。b=4）计算K。根据v=0.27m/s，齿轮装置精度等级为7，查得Kv查得KHα由表查得KA查得调质齿轮装置精度等级为7、结构布局为非对称布置的情况下，KHβ=1.411。由b/h=9.83KHβK=6）计算d1d17）计算m。m=3.1.2.3计算齿轮几何尺寸1．计算dd1d22．计算aa=3．计算b=取B2=20mm，3.2腕部回转设计3.2.1腕部回转驱动选型设计腕部回转机构负载为10kg。则驱动回转力F回转半径r=30mm转动扭矩

T根据技术指标要求最大旋转速度为300度/秒。所以旋转一圈需要360/300=1.2秒。所以腕部回转速度

n电机选择机械手常用伺服电机，伺服电机额定转速nm=1500rpm。所以总得减速比i=1500/50=30。所以根据速比和扭矩要求选择电机和减速器型号如下，伺服电机选择60型电机功率P电机选择机械臂伺服电机，型号为60HBM00630CBM,伺服电机额定转速nm=1500rpm。所以减速器减速比i=1500/50=30。所以根据速比和扭矩要求选择电机和减速器型号如下，伺服电机选择60型，电机功率0.2KW电机扭矩T=1.9N.m。分配速比取减速器速比i1=24，则齿轮速比i2=1.25。所以选择减速机PF60-25型伺服减速机。3.2.2腕部回转齿轮传动设计3.2.2.1选择材料齿轮传动效率不大，速度一般，小齿轮材料为40Cr钢，热处理为调质处理。为了减少胶合危险，并且使两齿轮使用时长接近，所以大齿轮材料为45钢，热处理为调质处理。大齿轮与小齿轮硬度差为40HBS。3.2.2.2设计腕部回转传动齿轮由齿面接触疲劳强度设计计算公式进行计算，即d1．确定公式内的各计算数值。1）选用直齿圆柱齿轮传动。2）选z1=16，3）试选Kt4）小齿轮传递的转矩T=11460N∙mm。5）则∅d6）由文献查得ZE7）查得σHlim1σHlim28）由下式计算：NN9）取KHN1=0.90；10）计算。取大部分情况下稳定，失效概率为1%，低可靠