【《四自由度关节型搬运机器人结构设计》17000字（论文）】

四自由度关节型搬运机器人结构设计目录TOC\o"1-3"\h\u1绪论 21.1选题背景 21.2选题意义 41.3国内外发展现状 41.3.1国外现状 41.3.2国内现状 61.4设计内容 72设计任务以及参数选择 92.1机器人系统设计任务 92.2机器人系统设计技术参数 93机械手结构方案和驱动方案的对比分析及选择 103.1腰部回转关节 103.2手腕和小臂转动关节 113.3大臂活动关节 123.4机器人驱动方案的对比分析及选择 134电机选型计算 164.1基座电机选型 164.2大臂电机选型 164.3小臂电机选型 174.4手腕电机选型 175底座关节锥齿轮设计 185.1直齿锥齿轮传动的几何计算 185.1.1选取精度等级、材料及齿数 185.1.2按齿面接触强度设计 185.1.3按齿根弯曲强度设计 226大臂驱动关节齿轮传动 246.1高速级直齿圆柱齿轮传动 256.2低速级斜齿圆柱齿轮传动： 287行星减速器结构设计 327.1基本参数要求与选择 327.1.1电动机的参数： 327.1.2基本参数要求 327.2方案设计 327.2.1机构简图 327.2.2齿轮材料及性能 327.2.3传动比分配 337.2.4齿形及精度 337.3齿轮的计算与校核 337.3.1配齿数 337.3.2初步计算齿轮主要参数 347.3.3按弯曲强度初算模数m 357.3.4啮合效率计算 367.3.5齿轮疲劳强度校核 367.4轴上部件的设计计算与校核 427.4.1轴的计算 427.4.2行星架设计 451绪论1.1选题背景工业机器人是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。作为一种高技术含量的机械产品，工业机器人具备其本身所独有的特点，首先工业机器人可以实现自动化控制，并且其控制精度足以完成许多精细重复的工作，其次，工业机器人对环境的适应性好，可以完成一些工人无法或者不方便完成的工作即机器人操作的正确性和在不同环境中工作的能力，这在经济的各个领域都有广阔的发展前景。自从1960年代初期建造了第一个工业机器人以来，机器人发挥了各种各样的作用。仅仅40年的开发后，工业机器人在许多国家地区应用十分广泛，并且应用于各行各业，包括汽车、化工、焊接、电子、车间、食品行业等。工业机器人的主要种类一般可以分为电弧焊接机器人、组装机器人以及操作机器人等。如图1.1所示图1.1工业机器人工作场景而根据相关权威组织的统计，从1960年到2011年底，全世界安装了230万人以上的工业机器人，世界的工业机器人市场迎来了光明的未来。据德国经济周刊2013第一、第二期报道，IFF做过预估，到了2014年中国很有可能会成为亚洲乃至全球最大的最有潜力的工业机器人市场。近年来，川崎，松下以及KUKA这样的老牌的工业机器人公司，看重并开始着手开发中国机器人市场。甚至ABB公司做出了将机器人事业总部迁往中国的决策，也行占领一部分市场。如图1.2所示，它们是由ABB和KUKA生产的机器人。图1.2ABB和KUKA公司生产的机器人几十年来，中国经济和制造产业快速发展，生产产品领域逐渐拓宽，慢慢成为一个涉及全领域全行业的全面化制造工厂，但是在工业机器人方面，中国目前所生产的，所拥有的工业机器人并且已经投入使用的都要远远低于日本，美国以及一些欧洲的发达国家。这对中国的机器人企业是一种挑战和机遇，因为工业机器人毫无疑问未来必定会慢慢替换掉工厂工人成为生产线上最不可或缺的重要设备。这就是自动化生产线可以预见的将来。长时间以来，中国制造业一直以低成本，多人口，劳动密集型产业为主，技术含量不高，技术性人才也有很大的缺口，产品大多是靠更低的价格在国际贸易市场中占据一部分市场，但是机器人发展需要一定的必要专业只是储备，所以工业机器人的发展和普及一直迟滞不前。按绝对值计算，中国使用的机器人数量在日本，德国为40%；但是在有些重要的行业领域例如汽车产业，中国应用的工业机器人数量是日本的1/12，为德国的1/10。但是，随着价格的连续削减和工业机器人性能的提高，劳动成本的上升，劳动环境的变化，市场竞争的多样化，企业面临着重压。家庭作业和机器人的成本也在上升和下降。因此，中国对机器人的需求是非常有可能的。1.2选题意义研究工业机器人的生产效益非常大。1980年代初，与在日，德，美，英四国之中，日本的工业机器人数量最多，且该行业失业率最低，其制造成本比美国平均要低15%左右。可以看出，工业机器人的普及对提高制造业的生产率、减少生产成本、改良工作环境具有重要意义。因此，在焊接、散布、切断、组装、其他产业领域广泛使用，其适用范围进一步扩大到民生、宇宙、深海等领域，适用规模也在扩大。机器人技术和其产业对将来的国家经济和社会有重要影响，这是一般的国际共识。巨大的机器人市场展望激发了世界性的机器人力量。另外，随着中国的劳动供给模式从供给过剩到平衡供求的逐步变化，劳动密集型企业也逐渐转向技术、资本密集型企业，工业机器人机器的数量逐年增加。随着现代工业的智能化与自动化，工业机器人在实现现代化过程中扮演着非常重要的角色，一般来说工业机器人具有工作范围广、运动灵活迅速，控制方式方便等特点。机器人在示教理论、再生技术理论、轨道计划、优化手段、机械结构学、轨道追溯控制策略等一系列共同的理论与技术。由于对几何形状复杂多样的4自由度串行式机器人实时进行的控制有一定要求,我们开发研究了高精度pid控制方法和示教式学习控制技术,以降低了研究中的机器人主体的工作效率和使用年限、平滑动轨道计划与优化方式的轨道追踪误差,实现高精度的动作。关于连续性机器人系统的研究深入到了机器人理论框架中,不仅有效地证明了实现这一工程目标的手段,而且也有利于找到一种实现中国机器人地理位置确认的计算机划时代解决办法。积累了经验,为对机器人位置的确认奠定了基础。机器人、柔性制造系统和柔性控制器的结合是机器人发展的主要趋势，这将进一步改善现有机械制造系统的手工操作状态。1.3国内外发展现状1.3.1国外发展背景现状目前在国际机器人市场比较出名并受到追捧的可以分为两大类日系和欧系：日系比较著名的公司企业有OTC、发那科、松下、安川、川崎等，日本机器人厂家占据了全国机器人领域的大部分市场，坐拥半壁江山毫不过分。而欧系中比较著名的公司企业主要有优傲、德国的库卡、瑞士的史陶比尔以及瑞典的ABB，这些公司都是一些老牌的企业，实力强厚。近些年来，工业机器人主要日本，韩国等亚洲发达国家以及欧美等国家地区生产销售，在各行各业应用非常广泛，普及程度比较高。在2011年，世界上工业机器人的库存量大概在100万到150万台之间，主要分布在上述国家里。世界经济霸主美国是最先开始研究制造工业机器人的国家。1961年美国研发了第一台正式的工业机器人，如图1.3所示。在工业机器人开发的历史上，美国强调理论研究，忽略应用开发，在一定程度上失去了一般制造领域的特定机会和市场。尽管如此，美国仍旧是世界上第三大的工业机器人生产销售市场。随着美国政府对机械行业以及制造业的扶持和相应的政策支持，美国的工业机器人开始复苏，市场规模逐渐扩大，与机器人有关的技术发明专利数目开始快速增长，高技术含量的机器人被研发出来面世并投入使用，这体现了技术知识产业技术人才的先天优势。另外，美国机器人的智能技术也进展迅速。其各种人工智能技术广泛应用于航空宇宙和汽车产业。目前，高度精密的军用以及航空航天机器人发展迅速，已被用于扫荡，矿区铺设，侦察，岗哨和太空探测。为了雇佣，放过工业机器人的开发机会是课题。虽然美国最先发展机器人工业，但在1960年代到1970年代，美国并没有足够重视工业机器人，对其的研发投入并不多。主要原因有政府认为工业机器人的普及会占领工人的岗位使工厂的失业人口增加。相比美国而言，当时的日本工厂工人劳动力有不小的缺口，很多工作岗位都找不到工人，所以工业机器的出现和发展很好的弥补了这一缺点，工业机器人一直发展到现在，日本技术已经相当成熟，在当今世界市场也占据着领先地位。安川川崎等机器人公司实力雄厚。图1.3Unimation公司研发的第一台工业机器人图1.4川崎公司研制的第一台工业机器人“尤尼曼特”大约在上世纪60年代，日本一些技术人才看上了美国的工业机器人的发展前景，开始着手开展工业机器人项目，也正是在此时，日本川崎公司抓住了机会，开始重视工业机器人的研发，派遣技术人才前往美国机器人公司学习，掌握了一部分相关的机器人研发技术，逐渐模仿改进，不久就开始制造工业机器人，1969年川崎开发了“Unymart”机器人。而一直延续到今天的日本工业机器人的发展，主要受益于第二次世界大战后日本劳动力急剧减少，特别是日本的男性人口，这使的工厂的岗位有很大的缺口。机器人的发展是当时日本的未来和机遇。在这些年生产销售的工业机器人总数中，日本的占比很大，远远超过了中国。尽管目前不是工业机器人的最大制造国家，但至少是销量最大的国家。作为scara工业机器人面向世界的第一个品牌，爱普生企业不久前发布会上推出了新款H8机器人，搬运重量为6kg，但性能有了很大提升。，体积小，结构紧凑，重量也比较轻，节约了不少空间占据体积。爱普生工业机器人大多数会应用在一些工厂产业中生产线的运输、部件组装等地方，以高速、高精度、稳定运行著称。充分吸纳厂商用户的需求并对其工况进行考察，h系列机器人的功能技术参数有了很大的提高。除了包含了该集团本身现有的优秀数字控制技术，集团加了一些新的技术理念，这个系列的机器人装配上了特殊的传感装置。这些新型理念知识使机器人性能更加的优越，结构更加的紧凑合理，满足厂商要求的同时也给机器人带来了更高速和低振动的特性。由于紧靠日本，并大力引进日本机器人研发技术和人才，韩国机器人产业在上世纪九十年代发展迅速，目前工业机器人的研制数量居世界第三。韩国工业机器人在汽车领域比较普及，涉及全行业的各个领域，几乎覆盖整个工业领域。从上世纪80年开使，韩国就开始重视工业机器人的研发，并且发展速度非常迅速。国家政府也有意扶持机器人行业发展，技术人才和科研知识的不断积累使韩国飞速追赶日美，在机器人领域拥有多个关键的机器人发明专利。21世纪初期韩国研发的液晶机器人面世，向世界各国展现了韩国多年以来研发掌握的尖端机器人技术，这次亮相受到了世界各国的广泛关注，同时也确定了韩国在机器人领域的尖端地位，技术实力的展示使得韩国机器人销量大幅度增加并且韩国有意扬长避短继续扩大这种技术优势。2003年韩国再次指定了一系列国家发展政策，其中包括了关于韩国未来工业机器人的主要研发方向和发展思路，毫无疑问，该方案将指引韩国工业机器人的前进方向，并进一步扩大技术领先的优势。之后几年韩国制定了促进机器人技术发展的一系列政策。在2009年颁布的“韩国第一机器人的基本计划”为韩国机器人产业发展并在2018年成为机器人大国做了一系列规划。韩国政府在机器人领域的研发和突破非常有信心，并且规划很明确也很详细。1.3.2国内发展背景及现状国内机器人研究时间比较晚，技术水平落后国外不少。1972年，沈阳自动化研究所，中国科学院开始了机器人的研究。1985年，作为“第七五年”科学技术研究计划的研究焦点，列出了工业机器人。其目的是研究开发工业机器人的基础技术、基本部件、操作、喷雾和旋转机器人。上世纪90年代起，由于国家制定了863计划，在一系列政策支持下，上海交通大学研制出国内第一个高精密度高性能智能机器人“精密1号”。如图1.5所示，在第九个五年计划期间，中国在Shenyaxinsong机器人自动化有限公司HalHaboxi自动化设备co.之间具有成熟的技术，着手研发第二代工业机器人。作为智能机器人主题工业化基地，10年5期计划对国内机器人领域的发展具有不可磨灭的重要作用，但可惜国内企业没有很好的把握住这个发展机会。图1.5我国研制的第一台工业机器人“精密一号”中国的机器人研究缺乏基本产业的支持，智能机器人需要很多伺服电动机和各种传感器，各种各样的电子零件和特殊材料等，现在中国只有20%的机器人是在中国制造的，剩下的都是从国外的一些机器人生产大国例如日本、韩国购买的。“十二五年计划”的推动实施，对国内工业机器人市场造成巨大冲击，国内工业机器人生产厂家产品难以售出，国外高性能高技术含量的工业机器人占据了国内机器人市场。到2015年，中国的年安装能力将达到35000台。在国内，目前只有少数几家中国工业机器人企业能够在国际市场中有点声音，勉强和欧洲和日本的一些知名的机器人公司竞争。但是，从整体来看，国内工业机器人的技术水平与国外还是有一定差距，毕竟发展时间和环境都处于劣势。中国的工业机器人公司还需要在技术改革和创新方面多下功夫。中国是工业机器人最大的消费者，也是工业机器人最快速成长的消费者。2010年世界上安装的工业机器人总数接近12万台，2009年几乎翻了一番。汽车产业和电磁场是主要原因。在设备总数之间，亚洲第一，排名第一，达到70000。工业机器人的开发前景非常明朗。1.4设计内容以四自由度关节型机器人为设计对象，如图1.6所示，机械结构部分一般可以分成6个部分，分别是手爪、手腕、小臂、大臂、腰部、基座，如图1.6所示。图1.64自由度关节机器人主要技术参数：(1)自由度：一般对于机器人自由度的定义是指机器人相对于机器人坐标系进行独立运动的数目，不包括手爪（末端执行器）的开合，自由度数目的多少与机械手能完成工作任务的复杂程度息息相关，所以自由度数目的确定一般根据机器人的作业任务来决定。虽然机器人所拥有的自由度与人类的手相近，但更为复杂。在产业生产中，要根据实际要求生产情况来选择机器人的自由度。通常情况下工业机器人自由度数目为4至6。⑵工作范围：也叫工作区域，是指机器人手臂或手部安装点所能达到的空间区域。通常情况下，机械手手部的形状和结构尺寸不是固定的，工作环境和工作要求不同，手部也会不一样，所以机械手工作范围不包括机械手手部，这样可以统一标准，方便生产。在机械手工作过程中，工作范围的形状和大小对工作完成度有很大影响，不同的工况环境对工作范围有硬性指标，因为机械手在进行某工作任务或许会有执行手爪触及不到的作业死区，而不能够正常完成工作。⑶最大工作速度：对于最大工作速度的定义，不同地区，不同国家，不同厂家都有所区别。但通常情况下，最大工作速度是指机械手手臂末端能够达到的最大转动速度，如果有特殊定义，一般会在产品的相关技术参数中做出解释说明。最大工作速度对工业机器人的影响为工作效率通常随着转动速度的增加或减少而进行增减。但是需要注意的是转速越大的话，如果加速度大小不变，达到目标速度的时间就越长，如果要求加速时间不发生大的变化，那么机器人回转部位的加速度大小就要做出相应的调整，来满足实际情况要求。⑷承载能力：指机械手在作业范围内的所有位置上可以负载的最大重量。工业机器人的负载水平一般来说与机械本体的质量，机器人各转动部位的最大工作速度和达到目标速度的时间即响应时间相关。从实际情况考虑，承载能力是指机械手正常的运行时的最大负载水平。一般来说，工业机器人的承载能力由两部分组成，一是机械手部的质量，这部分一般是不固定的，另一部分是指实际所要求的最大负载。定位精度：定位精度是指工业机器人手部运行之后实际的工作位置与理想目标位置之间的偏差。这其中还包含一个重要技术参数：重复定位精度。重复定位精度指的是，在机械手重复进行多次运行后，统计的位置数据之间的偏差，重复定位精度不以负载大小的变化而变化。驱动方式：目前机器人行业领域内对工业机器人的驱动方式主要分为三种：电机驱动，气压驱动以及液压驱动。根据实际要求选择合适的驱动方式。(7)控制方式：主要对机器人的轴进行控制，从而得到正确的手部运动，对手部的运动控制又主要分为伺服和非伺服控制两种。2设计任务以及方案选择2.1机器人系统设计任务由于在该设计中实现的机器人需要在三维空间自由灵活地旋转、移动，因此满足机器人运动要求的自由度为4自由度，因此无需增加自由度，不需要复杂的设计和控制。为了使机器人随时保持独特的位置和姿势，需要提供电源以减少其自由度。4使用可自由度对机器人自由旋转的4台步进电机和伺服电机，只要按照步进电机和伺服电机的控制规则进行控制，就可以实现机器人的4轴链接。另外，可以实现机器人在三维空间中末端执行器的移动请求。随着工业机器人的高精度化、高速化、高负荷化、智能化的进展，机器人的设计和控制要求很高，特别是在控制方面，自动化智能智能控制在工业机器人行业越发受到重视。这对于工业机器人的运动控制精度有更高的要求和标准。本次设计任务是关于用于皮带运输的搬运机械手，要求负载0～3千克，搬运机械手的最大工作半径为500毫米，即要求当机械手大臂、小臂、手腕、手爪处于水平位置即与地面平行时的臂展为500毫米。2.2机器人系统设计技术参数该机械手的特点是负载小，结构紧凑，用于在皮带输送机上搬运物件。具体技术参数如下：自由度数目：4个最大负荷质量（含末端执行器）：3kg最大活动半径：500mm本体重量：25kg重复定位精度：正负0.05mm工作范围和最大工作转速如下表2-1所示:表2.1方案信息工艺描述动作范围最大速度长度分配1轴（腰部回转）360°240°/s50mm2轴（大臂俯仰）130°150°/s150mm3轴（小臂俯仰）220°180°/s150mm4轴（手腕俯仰）360°180°/s150mm2.3机械手结构方案和驱动方案的对比分析及选择按照设计任务书的要求，比较各种经典结构，初步对各个关节的结构布置以及驱动方案进行相应的分析。布置在底座的电机先通过锥齿轮件改变其传动方向，再通过齿轮减速实现减速，并使底座回转。大臂驱动关节的传动为两级齿轮减速。小臂驱动关节的传动为行星轮减速加锥齿轮传动，手腕驱动关节传动方案和小臂驱动相同，机械手部为气压缸带动齿轮齿条传动从而控制机械手爪的开合。底座关节在减速器和电机之间的锥齿轮传动不起减速作用，它们有相同的尺寸和齿数，锥齿轮传动仅起到改变方向的作用，并将动力传递到底座齿轮减速器。小臂驱动关节以及手腕驱动关节处的锥齿轮传动在改变方向的同时又有一定的减速传动比。2.3.1腰部回转关节腰部回转关节相当于人的腰部，很明显，相比于其他关节，腰部关节结构尺寸和承受载荷更大。本次设计任务要求为用于皮带输送的搬运机械手，最大负载仅为3千克，属于小型工业机器人。所以各关节所受载荷差值不大，所以本次设计优先考虑机械结构布置和尺寸大小是否更加合理。传动方案(1)：电机安装在底座下面，横着安装，其输出轴先经一对锥齿轮传动改变方向，再经一对齿轮减速后，带动整个腰部在基座上回转。传动方案(2)：电机竖直安装在底座下面，电机轴与底座回转中心重合，电机的输出轴通过谐波减速器减速后，带动输出轴旋转，从而实现腰部的回转。分析比较：尽管谐波减速器减速比范围大、效率高，但谐波减速器柔轮一般比较脆弱，在工作中容易受到损坏，寿命有限，考虑到寿命与成本之间的关系，应选择结构相对简单的方案一更加合适。2.3.2手腕和小臂转动关节传动方案(1)：如图3-1所示，小臂转动先通过行星减速器减速，然后通过锥齿轮传动转换方向带动小臂摆动，手腕摆动与之相似。图3-1小臂转动示意图图3-2小臂转动示意图传动方案(2)：如图3-2所示，小臂和手腕转动都是只用谐波减速器减速从而带动小臂和手腕摆动。方案二的结构设计相较方案一简单，但是整体的结构尺寸变大了，不够紧凑。方案一布局较方案二更加合适，故选择方案一。2.3.3大臂活动关节传动方案(1)：电机先经过同步带传动减速，再通过锥齿轮传动换向后带动大臂摆动。传动方案(2)：电机直接经过两级齿轮传动减速，带动大臂上下摆动。两种方案在传动实现上，都是可行的。对于方案一：采用步进电机时，如果传动比取大时，齿轮轴距就偏大，不宜布置；而当传动比取小时，电机尺寸又偏大。采用交流伺服电机时，成本偏高。方案二虽然重量比方案一要大一些，可是结构布置更加紧凑合理，也更加美观。故选择方案二。2.3.4工业机器人驱动方式一般来讲，目前市场上工业机器人的驱动方式主要分成4类：步进电机:步进电机按功能来说是一种将接受脉冲信号转变为角位移的机械部件，其转动方向会随着脉冲顺序的改变而发生变化，电机转速只与脉冲信号的频率相关。它是开环控制，但是与传感器配合可以实现闭环控制。又因为步进电机在工作运行时只产生周期性误差却没有累计误差，这些特点使得步进电机在如今的工业机械手控制领域应用十分广泛。（2）伺服电机:伺服电机包括交流和直流两种，又称执行电动机，是指在机械系统中控制机械元件运动的发动机。在机器人控制系统中，伺服电机对运转速度和位置精度的控制十分精准，可以使得每一个关节能产生精确的输出位置和力矩。对于高精度要求的工作任务，普遍使用伺服电机。气压驱动:气压驱动是以气体为运动介质通过气体压缩和膨胀时压力的变化来传递动力。气压驱动一般适用于小功率的传动，也可以用于高速的运动，但是在速度较高时会有波动，速度不是很稳定。相比于电机驱动，气压传动的控制要更加简单，但精度不是很理想。其次，气压传动的效率比较低，一般为0.15左右，但安全性能好，安装和维护都很简单方便，最关键的时成本低，通常用于小型工业机器人的手爪部分。液压伺服驱动:液压驱动是以油液为运动介质通过油液的流动性传递控制压力的变化来传递动力。由于油液的压缩性远远低于气体，所以相比气压传动，液压传动比较的平稳，使用于低速、大功率的机械传动，同样，相比于电机驱动，液压传动的控制要更加简单，但控制精度比较高，具有很好的快速响应性能。但是液压传动存在油液泄露的隐患，对装备的密封性能要求很高，而且出现故障后不易排除。一般用在负载比较大的工业机器人身上。根据设计任务书要求可以看出本次设计的四轴搬运机械手的负载比较小，最大为3千克，所以对于结构尺寸和质量都要求比较小，而且对位移点的控制不多，所以比较上述四种驱动方式后，底座、大臂、小臂、手腕可以选择步进电机驱动，手爪部分采用气压驱动。图1.3EMMS-ST系列步进电机3电机选型计算 根据启动时产生的惯性力矩和关节回转部为产生的摩擦力矩之和乘以一个系数来求出机械手关节部位回转运动所需的驱动力矩。因为通常情况下，关节转动的启动增速并不是纯粹的恒加速过程，所以考虑到计算与实际之间的误差，在计算力矩时要加上一个合适的安全系数1.3，因为实际的大小应该比计算驱动力矩要大一些。实际按下式计算：Mq=1.3(Mm指的是Mg指的是开始启动加速时的惯性力矩，单位是牛每米。 MMJ指的是悬臂机械部位的总转动惯量，单位是千克每平方米。ω指的是转动过程中的角速度，单位是弧度每秒。Δt指的是响应时间，单位是秒。计算出力矩后再根据设计要求课选取EMMS-ST系列电机。3.1基座部位电机选择可以根据任务要求自行选择基座的角速度是240MM 设计传动比为u因此，步进电机保持扭矩至少为：M从上面的计算可知，可以选用电机EMMS-ST-57-M-S-G2，其参数为：最大转速为1940r/min保持扭矩为1.4N⋅m，其质量为1.1kg。3.2大臂部位电机选择可以根据任务要求自行选择大臂的角速度为150MM 设计传动比是：u因此，步进电机保持扭矩至少为：M从上面的计算可知，可以选用电机EMMS-ST-57-M-S-G2，其参数为：最大转速为1940r/min保持扭矩为1.4N⋅m，其质量为1.1kg。3.3小臂部位电机选择可以根据任务要求自行选择小臂的角速度为180∘MM 设计传动比是：u因此，步进电机保持扭矩至少为：M从上面的计算可知，可以选用电机EMMS-ST-57-M-S-G2，其参数为：最大转速为1940r/min保持扭矩为1.4N⋅m，其质量为1.1kg。3.4手腕部位电机选择可以根据任务要求自行选择手腕的角速度为240MM 设计传动比是：u因此，步进电机保持扭矩至少为：M从上面的计算可知，可以选用电机EMMS-ST-42-S-S-G2，其参数为：最大转速为1740r/min保持扭矩为0.5N⋅m，其质量大约为0.36kg。4底座回转关节锥齿轮设计布置安装的一对底座锥齿轮只是改变了传动方向，即传动比i=1，它的轴交角∑为90°。两个锥齿轮材料都选择45号钢，进行调质处理，其强度范围为229∼286HB，平均值取260HB。齿轮的加工精度等级为6表4-2齿轮参数mdzbRδ底座回转锥齿轮传动2.026mm1315mm8mm45如图5.1所示是直齿圆锥齿轮和弧齿圆锥齿轮传动啮合的简图，选用标准直齿锥齿轮齿轮传动。图5.1锥齿轮4.1直齿锥齿轮传动的几何计算4.1.1选取精度等级、材料及齿数（1）工业机器人一般情况下底座关节载荷不大，但是要做到在高速下传动稳定，所以可以选取精度等级为5级精度。（2）主动轮的材料可以选择40Cr，材料经过调质处理后能够达到280HBS的硬度，从动齿轮的材料可以选择45号，材料经过调质处理后能够达到240HBS的硬度，通常齿轮传动中两软齿面之间应该要有硬度差，此处差值可以取40（3）按照国家标准规定，根据任务要求选择压力角大小α=20o，其他机械参数例如齿顶高系数可选择ha∗=1，顶隙系数可选择c∗=0.2z按照上式计算结果自行选择z4.1.2按齿面接触强度设计在锥齿轮传动中，锥齿轮的大端和小端机械参数有所不同，国家标准是按照大端参数为直齿锥齿轮传动的标准值，其中的分锥角δ和锥距R用下式表示。一般在进行强度计算时，按照国家标准规定要以齿轮齿宽中点处的当量齿轮的机械参数为标准作为传动设计计算模型。令分度圆直径为d1和d2，令平均分度圆直径为d令当量直齿圆柱齿轮分度圆直径为dv1如图5.2锥齿轮参数所示：图5.2直齿锥齿轮的几何参数i=zR=d以ϕR=b/R来表示齿宽系数，一般令ϕR在0.25−0.35drmv表示的是锥齿轮齿宽中点处的当量直尺圆柱齿轮的分度圆半径，dm表示的是rmm表示的是锥齿轮齿宽中点处的当量直齿圆柱齿轮的模数，脚标m表示齿宽中点，当量齿数zz当量齿轮的齿数比uvu要避免锥齿轮在传动时产生根切现象，必须对齿轮的齿数有一定要求，查阅资料可以得出要使直齿圆柱齿轮不会产生根切现象时最低的齿轮齿数≥两个锥齿轮当量圆柱齿轮的齿数，只要满足这个条件，锥齿轮的根切现象就能够被避免从而进行正常传动工作。除此之外，锥齿轮大端模数m和平均模数mm(脚标m表示齿宽中点)m试算小齿轮分度圆直径，即：d1）确定上述计算不等式各个数值：根据设计要求选择载荷系数为Kt2）按照转矩公式算出主动轮的转矩：TP1表示的是所需的传递功率，可以用步进电机的额定输出功率数值来代替，P1=0.0T3）根据《机械设计》齿轮传动部分表10−7可以按照实际设计要求确定选择齿宽系数ϕd4）根据《机械设计》齿轮传动部分表10−6可以按照实际设计要求确定选择弹性影响系数ϕ5）根据《机械设计》齿轮传动部分图10−21（d）可以按照实际设计要求确定主动锥齿轮材料接触疲劳强度极限σHlim6）可以按照实际设计要求确定计算应力循环次数：N7）根据《机械设计》齿轮传动部分图10−19自行选择接触疲劳寿命系数KHN18）根据公式计算接触疲劳许用应力：可以选择失效概率是百分之一，可以选择安全系数是S=1，所以可以求得许用应力为：[σ（2）各个计算参数的确定：1）根据上式可以求出主动锥齿轮的d1t，其中[d2）根据公式可以求出齿轮圆周速度v：v=3）根据公式可以求出齿宽b：b=4）根据公式可以求出齿宽和齿高的比值b/h：根据公式可以求出模数：m根据公式可以求出齿高：h=2.2b5）根据实际设计要求和上述计算结果可以选取载荷系数：v=0.166m/s，齿轮为四级精度，根据《机械设计》齿轮传动部分图10−8选择动载荷系数K锥齿轮类型是直齿轮，KHα=KFα=1，根据《机械设计》齿轮传动部分表10−2选择使用系数KA=1，根据《机械设计》齿轮传动部分表10−4选择齿向载荷分布系数为K=6）将上述求得的d1t根据d7）根据公式可以求出模数：m=4.1.3按齿根弯曲强度设计查《机械设计》齿轮传动部分齿轮弯曲强度的设计计算公式为：m≥（1）上式各个参数的选择确定：根据《机械设计》齿轮传动部分图10−20（c）可以得到主动锥齿轮弯曲疲劳强度极限为σFE1=500MPa，2）根据《机械设计》齿轮传动部分图10−18选择直齿锥齿轮弯曲疲劳寿命系数为KFN13）根据公式可以求出弯曲疲劳许用应力：根据《机械设计》齿轮传动部分选择弯曲疲劳安全系数为S=1.4[σ4）根据公式可以求出载荷系数K：K=上述式子中各参数数值为：KFα=1所以，K=5）根据《机械设计》齿轮传动部分图10−17可以选择齿形系数为YFa1=2.85，6）根据《机械设计》齿轮传动部分图10−18可以选择应力校正系数YSa1=1.54、7）根据公式可以求出主动轮和从动轮的YFaYFa1从上述计算结果可以看出从动齿轮更大。（2）将上述确定的各参数数值带入公式可以求得模数要求：m≥选择模数是0.30mm；上述选取的模数为平均模数mm（脚标表示齿宽中点）m=圆整上述计算结果后可以选择大端模数为m=2。（3）直齿锥齿轮传动几何参数的确定：图5.3直齿锥齿轮的几何参数根据图5.3：1）两锥齿轮的分锥角选择δ12）根据公式可以求出分度圆直径d=mz=2×13=26mm3）根据公式可以求出分度圆锥距R=d/(2sin4）根据实际设计要求选择齿宽系数ϕR，由于锥齿小端齿顶过隙太小会影响锥正常传动，所以一般齿宽系数大小要有限制，不能太大，由于齿根的应力集中会影响齿轮传动的寿命，所以对于齿根圆角的半径大小也有一定要求，通常ϕR=1/4∼1/35）根据公式可以求出齿宽b=ϕRR=18.38/3=6.13mm6）根据公式可以求出齿顶高ha7）根据公式可以求出齿高h=(2h8）根据公式可以求出齿根高hf9）根据公式可以求出齿顶圆直径da10）根据公式可以求出齿根角θf，由tanθf=h11）根据公式可以求出齿顶角θa，根据等顶隙收缩齿的特点，则θ12）根据公式可以求出顶锥角δa13）根据公式可以求出根锥角δf14）根据公式可以求出外锥高Ak15）根据公式可以求出齿距p=πm=6.28mm16）根据公式可以求出当量齿数zv17）根据上述计算结果，端面重合度可由图5.4选择：εα图5.4锥齿轮端面重合度5大臂驱动关节齿轮传动大臂驱动电机经调速后要通过一个二级齿轮组来传递动力，从而实现小臂的俯仰运动。5.1高速级直齿圆柱齿轮传动选取精度等级、材料及齿数：主动小齿轮的材料可以选择40Cr，材料经过调质处理后能够达到280HBS的硬度，从动大齿轮的材料可以选择ZG35CrMo5，材料经过调质处理后最高能够达到240HBS的硬度，通常齿轮传动中两软齿面之间应该要有硬度差，此处差值可以取根据设计要求可以主动小齿轮齿数为Z1=20，Z2=5.1.1按齿面接触疲劳强度设计各个计算参数的确定：（1）根据公式可以求出计算转矩：T（2）根据实际设计要求选择载荷系数：K（3）根据《机械设计》齿轮传动部分表10−7可以按照实际设计要求确定选择齿宽系数：φ（4）根据《机械设计》齿轮传动部分表10−6可以按照实际设计要求确定选择弹性系数：Z（5）根据实际设计要求选择节点区域系数：Z（6）根据《机械设计》齿轮传动部分图10−23可以按照实际设计要求确定主动锥齿轮材料接触疲劳强度极限σHlim1（7）按照任务要求设定机械手基本寿命十五年，每年运行时间天数为二百五十，每天工作十二小时。根据公式可以求出小齿轮应力循环次数为：N1=60×550×15×250×16=1.98×1根据公式可以求出大齿轮应力循环次数为：N2=N1/5=6.6×（8）根据《机械设计》齿轮传动部分图10−19自行选择接触疲劳寿命系数：ZN1（9）选择安全系数：SHσHσ各个传动尺寸的确定：（1）根据公式可以求出小齿轮分度圆直径d1t，公式中σHd1t（2）按载荷系数K值对d1t根据公式可以求出圆周速度为：v=根据《机械设计》齿轮传动部分选取动载荷系数为K根据《机械设计》齿轮传动部分选取齿间载荷分布系数为K根据《机械设计》齿轮传动部分选取齿向载荷分布系数为K根据《机械设计》齿轮传动部分选取使用系数为KA故可以求出载荷系数为K=按载荷系数K值对d1td1=d1t×（4）根据公式可以求出模数m、中心距a以及分度圆直径d；m=d1a=m（=1×=40分度圆直径：d1d2根据公式求出齿宽b=ϕd×d1=20mm根据公式求出齿顶高ha1根据公式求出齿根高hf15.1.2按齿根弯曲疲劳强度校核σ计算参数数值大小的确定:根据《机械设计》齿轮传动部分图10-22选择弯曲疲劳寿命系数YN1=0.95，（2）根据《机械设计》齿轮传动部分图10-17和10-18选择齿形系数以及应力修正系数：YF1YF2根据《机械设计》齿轮传动部分图10-24选择弯曲疲劳极限：σ（4）选择齿轮弯曲疲劳系数为SF根据公式求出：σF1=(σF2=（5）校核齿根弯曲疲劳强度：σF1σF2根据计算结果得出弯曲疲劳强度足够。5.2低速级斜齿圆柱齿轮传动选取精度等级、材料及齿数：主动小齿轮的材料可以选择40Cr，材料经过调质处理后能够达到280HBS的硬度，从动大齿轮的材料可以选择ZG35CrMo5，材料经过调质处理后最高能够达到240HBS的硬度，通常齿轮传动中两软齿面之间应该要有硬度差，此处差值可以取取小齿轮齿数Z1=16，则Z2初选螺旋角β=175.2.1按齿面接触疲劳强度设计各个计算参数的确定：（1）根据公式可以求出计算转矩：T（2）根据实际设计要求选择载荷系数：K（3）根据《机械设计》齿轮传动部分表10−7可以按照实际设计要求确定选择齿宽系数：φ（4）根据《机械设计》齿轮传动部分表10−6可以按照实际设计要求确定选择弹性系数：Z（5）根据《机械设计》齿轮传动部分图10−20可以按照实际设计要求选择节点区域系数为：Z（6）根据《机械设计》齿轮传动部分图10−23可以按照实际设计要求确定主动锥齿轮材料接触疲劳强度极限σHlim1（7）按照任务要求设定机械手基本寿命十五年，每年运行时间天数为二百五十，每天工作十二小时。根据公式可以求出小齿轮应力循环次数为：N1=60×550/3×15×250×16=6.6×根据公式可以求出大齿轮应力循环次数为：N2=N1（8）根据《机械设计》齿轮传动部分图10−19选择接触疲劳寿命系数：ZN1=1.08（9）选择安全系数：S则：σσ各个传动尺寸的确定：（1）根据公式可以求出小齿轮分度圆直径d1t，公式中σHd（2）按载荷系数K值对d1t根据公式可以求出圆周速度为：v=根据《机械设计》齿轮传动部分选取动载荷系数为Kv根据《机械设计》齿轮传动部分选取齿间载荷分布系数为Kα根据《机械设计》齿轮传动部分选取齿向载荷分布系数为Kβ根据《机械设计》齿轮传动部分选取使用系数为KA故可以求出载荷系数为k=KA按载荷系数K值对d1td1=d（4）根据公式可以求出模数m、中心距a以及分度圆直径dm=d1a=m×=1×=40mm,d1d2根据公式求出齿宽b=ϕd×d1=16mm，可以选择主动小齿轮齿宽为根据公式求出齿顶高ha1根据公式求出齿根高hf1=5.2.2按齿根弯曲疲劳强度校核σ计算参数数值大小的确定：根据《机械设计》齿轮传动部分图10-22选择弯曲疲劳寿命系数:YN1=0.95（2）根据《机械设计》齿轮传动部分图10-17和10-18选择齿形系数以及应力修正系数:YF1=2.65，YF2=2.16，（3）根据《机械设计》齿轮传动部分图10-24选择弯曲疲劳极限：σFlim选择齿轮弯曲疲劳系数为:S根据公式求出:σFσF（5）校核齿根弯曲疲劳强度:σF1σF2根据计算结果得出弯曲疲劳强度足够。6小臂驱动行星减速器设计6.1行星减速器参数计算6.1.1步进电机参数：额定功率：P=8W最大转速：n=1940r/min6.1.2基本参数要求总减速比：3运行时长：工作年数十五年，每年三百天，每天运行时长十二小时。6.2整体结构设计6.2.1机构简图图7−1机构简图设计减速器的传动比为3Za=64，Zb=128，Zc=326.2.2齿轮材料选择为了提高行星减速器的负载水平，太阳轮和行星轮为硬齿面，最外圈的内齿轮为软齿面，软齿面可以方便进行加工切齿。各齿轮材料选取如表7−1所示。表7−1行星减速齿轮材料选择和性能齿轮材料热处理бHlim(N/mm)бFlim(N/mm)加工精度太阳轮20CrMnTi渗碳淬火HRC58~6214003756行星轮267.5内齿轮40Cr调质HBS262~28665027576.2.3两级减速比分配根据传动要求分配第级与第级的传动比，第级传动比i=0.5,第二级传动比i=4。6.2.4齿形及精度因属于低速运动，采用压力角=20的直齿轮传动，精度等级为6级。6.3齿轮的计算与校核6.3.1配齿数依照标准传动选配齿数：选Za=64,由传动比条件可知：Y==0.564=32,为满足安装条件==CY=192计算内齿轮和行星轮齿数Z=Y-Z=192-64=128Z==32实际传动比：i=1+=1+=3配齿结果：=64，Z=128，Z=32,i=36.3.2初步计算齿轮主要参数（1）计算式中系数，KA、ϕu=32/64=0.5ϕ电机与输入轴间联轴器之间的效率为。则输入功率：=则太阳轮的传递扭矩为T==直齿轮算式系数，则太阳轮分度圆直径表7−2接触强度有关系数代号名称说明取值K使用系数轻微冲击1.25K行星轮间载荷分配不均系数行星架浮动，6级精度1.20K综合系数n1.80齿宽系数0.76.3.3按弯曲强度初算模数m因为取和中的较小值=则=293.25N/mm则齿数模数的计算公式为：取模数m=0.5mm.则m=0.5，32mm与初算结果接近，故取进行接触和弯曲疲劳强度校核计算几何尺寸计算：将计算结果列于表7−3表7−3高速级齿轮基本几何尺寸单位：mm齿轮分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径齿宽太阳轮323330.7522行星轮161714.7522内齿轮646562.7522表7−4接触强度有关系数代号名称说明取值算式系数直齿轮12.1行星轮间载荷分布系数1.3综合系数1.6齿形系数2.842.546.3.4啮合效率计算转化为机构传动比：则6.3.5齿轮疲劳强度校核（1）外啮合计算接触应力,并计算其许用应力,参数和数值如表7−4表7−4代号名称说明取值使用系数1.25动载