毕业设计（论文）-带谐波齿轮机械手臂回转机构设计

摘要机器人是典型的机电产品，机械臂回转机构是机器人研究领域的热点。研究具有谐波齿轮的臂式回转机构不仅需要机械学科的知识，还需要生物学，人工智能和计算机等许多其他学科的知识。本文设计了谐波齿轮减速器的臂式回转机构。合理选择臂式回转机构的动力传递方案，根据实际对关节的转矩和功率进行估算，通过对机器人的传动计算对电机进行选型。其次是设计关节结构，并对机构中的重要连接件、传动件，列如传动齿轮、传动轴进行强度校核。最后绘制总装配图和零件图。关键词：结构设计，机器臂，回转机构，结构分析AbstractTherobotisatypicalelectromechanicalproduct,andtherobotarmslewingmechanismisahotspotinthefieldofrobotresearch.Thestudyofarm-typeslewingmechanismswithharmonicgearsrequiresnotonlyknowledgeofmechanicaldisciplines,butalsoknowledgeofmanyotherdisciplinessuchasbiology,artificialintelligenceandcomputers.Thispaperdesignsthearmtypeslewingmechanismoftheharmonicgearreducer.Reasonablyselectthepowertransmissionschemeofthearmtypeslewingmechanism,estimatethetorqueandpowerofthejointaccordingtotheactualsituation,andselectthemotorbycalculatingthetransmissionoftherobot.Thesecondistodesignthejointstructure,andtocheckthestrengthoftheimportantconnectingpartsandtransmissionpartsinthemechanism,suchasthetransmissiongearandthetransmissionshaft.Finally,drawthetotalassemblydrawingandpartdrawing.Keywords：StructuralDesign,RobotArm,RotaryMechanism,StructuralAnalysis1绪论1.1引言在当今的制造业中，如何使设备制造和装配更加智能化已成为一个非常重要的问题。技术的进步正在慢慢地解决生产过程中的难题。然而，装配和加工生产不是长期可行的。特殊机床必须具有生产质量和速度，因此机床可以大规模使用，自动化使机床能够更好，更有效地加工各种小型产品。由于科学和技术问题，机械装配行业仍未机械化。今天的广泛开发使用自动化机器人。它为自动化生产的发展提供了坚实的基础。“机械臂”：通常是根据人为控制命令执行各种复杂动作的设备，例如抓取和移动物体。机器人通常是可以执行至少一个动作并被编程的设备。与不停机械设备相比，机械手的结构应尽可能简单，以避免后期装配过程中出现无法预料的问题。由于其单一的功能，机器人无法适应工厂的复杂性。在中国，适应其环境和优势的生产设备被称为机器人。根据上文的叙述，我们使用搬运机器人就是把产品从一个地方搬运到下一个位置，使其代替人类提高生产力解放双手。有几个简单的元件设计制造自动化机器人：把产品夹住移动的手臂装置——执行，非常类似于肌肉，驱动臂——输送；一个控制和命令系统——计算中心。这些元件使机器人具有其特定功能。通常我们将其分为执行部分，下图1-1主要是机器人的运动控制图。图1-1：结构组成表1.2机器人的发展及技术1.2.1机器人的发展机器人起源于USA。她的结构特点是机器上配有长回转臂，通过底部安装产品抓取装置，并右电磁机构让其运动，程序的控制部分为演示模式。观世界各国，日本很重视自己国家工业化发展，领先与世界各国。美国人不甘于落后，花重金买了2台有代表性的工业机器人后，并研发自己的自动化机器人。当下企业还广泛使用比较落后第一代机器人产品。大部分工作仍由工人手工完成；和上代机器人相比，我们主要研究如何改进机器人来降低运行制造成本。当前正在开发第二代机器人中。有一类微型计算机起着控制系统的作用，他有着人类的思维方式。并且他有人一样的听、看、说等多种感知功能，使我们有了加快研究其功能芯片的动力，机器人通过传感器将感知信息反馈给控制器。当前最先进的是第三代机器人，他不需要二级控制就可以自行工作，慢慢衍生成更多的科技形式出现。工业机器人的广泛使用和科学技术的紧迫发展迫在眉睫。世界各国科技文化交流的交流日益增多，科技共享提高了研发能力。机器人的发展越来越明显，功能也越来越完善。计算机控制的机器人控制车间的自动化设备。封闭的系统修改需要大量的财务支持。时代进步，技术发展。工业机器人的设计和生产能力不断提高，尤其是工业机器人制造与柔性生产系统的互联互通。这些技术可能导致手动机械的当前工作形式的变化，从而提高生产率并降低工人事故的风险。从实际情况来看，现代工业机器人的发展趋势是：小而精确，功能齐全，服务和人类生产，工作和人性化机器人的研发。1.3带谐波齿轮机械手臂回转机构研究概况1.3.1国内研究现状在现代应用于工业机器人领域的减速器主要有RV减速器，与谐波减速器。RV减速器因为具备较高的刚度和旋转精度，因此用在负载较大的地方上比如底座，而谐波减速器则放置在手臂、手腕或手上。具有谐波减速器的工业机器人在过去20年中发展迅速。德国，日本，美国和其他国家通过传输原理和结构形式的创新，垄断了谐波减压器的工业机器人市场。这对中国机器人市场非常不利。目前，中国谐波减速器工业机器人的性能仅相当于20世纪80年代中期的日本水平。年总产量不足5万台，其中大部分是低端产品。在国内，新松是中国工业机器人的巨人。其SIASON-GRC机器人控制器拥有独立的著作权，其商用机器人控制器为自主开发的。该系统整体性能达到国际领先水准，也是国内第一台小批量生产的商用机器人控制器。广州数控机床在机床数控技术上积累了多年，进而掌握了机器人控制器、伺服驱动和伺服电机的完整知识产权。其中广州数控的自主研发和生产的GSK-RC控制器具有独立知识产权。我国在控制精度、功能等方面技术不落后国外。但在制造工艺、产品、品牌等方面与国外仍存在差距。核心部件永远是差距的关键，其中伺服电机、高精度齿轮、减速器、轴承等核心部件目前普遍采用进口。减速器作为核心部件也是是机器人进步和发展的关键，也是制约我国机器人发展的重要瓶颈。1.3.2国外研究现状在国外，ABB开发的IRC5控制器，它是由驱动模块和控制模块两部分组成。如果需要定制设备和接口，如点焊、弧焊和胶合等，可以通过选增一个过程模块以容纳、适应。配备了这三个模块的IRC5控制器具备控制带有伺服驱动工件定位器以及类似设备的六轴工业机器人的能力。为了增加工业机器人的数量，每个新工业机器人仅需要一个驱动模块，并且可以安装一个过程模块来控制多达四个以多移动模式工作的工业机器人。每个模块之间只有安全信号传输电缆以及以太网连接电缆这两条电缆连接，可用于模块之间的通信。

2总体方案设计2.1运动方案分析该方案结构设计与分析该回转机构的本体结构组成如图图2-1手臂回转机构原理图由驱动电机提供驱动力，通过联轴器连接转递动力至输入齿轮，通过一级齿轮传动转递动力到谐波减速器，谐波减速器输出端由锥齿轮传动将运动方向由水平方向的旋转转换为垂直方向的转动，以实现手臂在水平面的回转运动。2.2结构方案确定谐波齿轮传动与涡轮蜗杆传动的特点：谐波齿轮传动：1.结构简单，空间结构紧凑；2.传动比范围大，单机谐波齿轮传动传动比可达60-500；3.损耗小，效率高；4.运动平稳，无冲击；5.柔轮周期性地发生变化，易产生疲劳破坏；6.不能用于传动比小于35的场合；7.散热条件差蜗轮蜗杆传动：1.有较大的传动比，结构紧凑；2.传动平稳，噪音小；3.传动摩擦损失较大，效率较低，不适合长时间工作的情况；4.成本较大3传动部分设计计算3.1电机选型3.1.1臂部结构设计的基本要求臂构件的功能是支撑手并驱动它们在空间中移动。手臂运动的目的：手柄被发送到空间运动范围内的任何点。如果改变手的姿势（方向），则难以实现手臂的自由度。因此，一般来说，手臂设计的基本要求是：（1）手臂应具有较大的承载能力，良好的刚性和重量轻。手臂通常是弯曲的（不仅在一个方向上）而且也是扭曲的。应使用具有高弯曲和扭转刚度的横截面形状。（2)手臂运动速度高，惯性小。在正常情况下，手臂需要均匀运动，但在手臂开始和结束时，运动会发生变化。为了减少冲击，启动时间所需的加速度和终止前的减速度不会太大，否则会引起冲击和振动。为减少转动惯量，应采取以下措施:(a)减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料;(b)减少手臂运动件的轮廓尺寸(c)减少回转半径(d)驱动系统中设有缓冲装置(3)手臂动作应灵活。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。3.1.2手臂电机及减速器选型假设小臂及腕部绕第二关节轴的重量：M1=5Kg，M2=10+60=70KgJ1=M1L12+M2L22=5×0.0972+70×0.1942=2.68kg.m2设大臂速度为，则旋转开始时的转矩可表示如下：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：考虑绕机器人各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，启动转矩可选取15N.m，取安全系数为2，则手臂整个传动机构所需输出的最小转矩为：选择手臂最终输出的转速n=10r/min，电机类型为直流电机，额定转速为，则总传动比。该手臂的传动系统包含一级齿轮减速+谐波减速+圆锥齿轮传动。选择一级齿轮传动比，谐波减速传动比，圆锥齿轮传动比设传动系统的总传递效率为：，则直流电机应输出力矩为：选择直流无刷电机型号：ZYTD-80SRZ-9F额定转速：3000r/min额定功率：0.09KW额定转矩：0.3N.m

3.2一级齿轮传动设计1齿轮材料、热处理及精度：材料：高速级小齿轮选用45号钢调质处理，齿面硬度为：229-286HBS。高速级大齿轮选用45号钢正火处理，齿面硬度为：169-217HBS。取小齿轮齿面硬度为250HBS，大齿轮齿面硬度为200HBS；取小齿齿数：，则：Z2=i12×Z1=2×26=52取：Z2=522按齿面接触强度设计：确定各参数的值:1)试选Kt=1.22)3)选取齿宽系数4)查表可得材料的弹性影响系数5)查图可得节点区域系数ZH=2.56)查得小齿轮的接触疲劳强度极限：Hlim1=610MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限：Hlim2=560MPa。7)查图可得接触疲劳寿命系数：KHN1=0.89，KHN2=0.928)计算接触疲劳许用应力,取失效概率为1%，安全系数S=1，得:[H]1=eq\f(K\s(,HN1)σ\s(,Hlim1),S)=0.89×610=542.9MPa[H]2=eq\f(K\s(,HN2)σ\s(,Hlim2),S)=0.92×560=515.2MPa许用接触应力:3设计计算:小齿轮的分度圆直径:d1t:4修正计算结果：1)确定模数：取为标准值：1mm。2)中心距：3)计算齿轮参数：b圆整为整数为：，。

3.3谐波减速器设计3.3.1谐波减速器参数的计算柔轮选择锻钢，小齿轮使用45钢调质处理，硬度为250HBS刚轮材料为45钢调质处理，硬度为220HBS。1.齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数：已知模数：，则柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时，为了增大柔轮的刚性，将δ1计算值增加20%，即柔轮筒体壁厚：为了提高柔轮的刚度，取轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：为提高柔轮抗疲劳能力，取2.啮合参数的计算由于采用压力角的渐开线齿廓，传动的啮合参数可按考虑到构件柔度的计算公式，即按如下公式进行计算。考虑到轮齿扭矩，使轮齿间隙减小的值为：（扭转弹性模数G=80GPa）其中：为了消除在的情况下进入啮合的齿顶干涉，则必须使最大侧隙大于由于齿轮扭转减小的侧隙后，还应保证存在有侧隙值。其中：径向变形系数：则：径向变形系数：柔轮的变位系数：刚轮的变位系数：验算相对啮入深度：如果计算得到的，为了继续进行计算，可取2。如果出现，为了传递动力，应适当增加值重新计算，使。柔轮齿根圆直径：其中（齿顶高系数，径向间隙系数）柔轮齿顶圆直径：其中（查表得）相对啮入深度和轮齿过渡曲线深度系数之和应符合两个不等式验算公式。即：刚轮齿顶圆直径：刚轮齿根圆直径：选取插齿刀齿数，插齿刀变位系数（中等磨损程度的插齿刀），插齿刀原始齿形压力角，则刚轮和插齿刀的制造啮合角：查渐开线函数表和三角函数表得则刚轮和插齿刀的制造中心距：插齿刀的齿顶圆直径：刚轮齿根圆直径：验算刚轮齿根圆和柔轮齿顶圆的径向间隙：即：刚轮与柔轮配合存在径向间隙。3.凸轮波发生器的计算为了便于制造，采用双偏心凸轮波发生器。则凸轮圆弧半径：其中ｅ是偏心距：（—刚轮分度圆直径，—柔轮分度圆直径）则凸轮圆弧半径：凸轮长半轴：凸轮短半轴：3.3.2承载能力的计算柔轮齿面的接触强度的计算：根据谐波传动传动比大的特点，其柔轮和刚轮的齿数较多，齿形很接近于直线。故实际谐波齿轮传动的载荷能力主要应由柔轮齿侧工作表面的最大接触应力所限制。因此，谐波齿轮传动的柔轮齿侧面应满足如下接触强度条件：接触强度计算公式：—输出转矩—柔轮节圆半径—柔轮轮齿宽—刚轮压力角—接触系数（0.4~0.9）对于一般双波传动，轮齿宽许用接触应力则：所以满足齿面的接触强度要求。柔轮疲劳强度的计算：柔轮材料采用38CrMoAlA调制硬度229~269。计算柔轮在反复弹性变形状态下工作时所产生的交变应力幅和平均应力为截面处正应力：切应力：由扭矩产生的剪切应力：其中：则：验算安全系数：疲劳极限应力：应力安全系数：其中，抗拉屈服极限：剪切应力集中系数：则满足疲劳强度条件。轴的计算校核画轴的受力分析图，轴的受力分析分析图如图所示：图3.1轴的受力分析图已知：作用在刚轮上的圆周力径向力法向力求垂直面的支撑反力：水平面的支撑反力：画弯矩图绘垂直面的弯矩图：绘水平面的弯矩图：求合成弯矩图：画转矩图：求危险截面的当量转矩：如认为轴的扭切应力是脉动循环应变力，取折合系数a=0.6，带入上式可得：计算危险截面处轴的直径轴的材料选用45钢，调质处理，查得δB=650Mp，[δ-1b]=60Mpa，则：考虑到键槽的影响，将d值加大5%，故：d=18.26*1.05=19.17mm<32mm满足条件因a-a处剖面左侧弯矩大，同时作用有转矩，且有键槽，故a-a左侧为危险截面其弯曲截面系数为：弯曲应力为：由表查得45钢调质处理抗拉强度极限δb=640Mpa，则由表查得轴的许用弯曲应力[δ-1b]=60Mpa，δe<[δ-1b]，强度满足要求。

3.4锥齿轮设计3.4.1锥齿轮选型及其参数确定（1）本次设计的设备作为常用工作设备，运转速度较低，采用8级精度制造即可。该设计齿轮组齿轮的齿形角选用，对应齿轮的齿顶高系数选用，对应齿轮的顶隙系数选用。（2）对该设计齿轮的制造材料进行选择确定该齿轮组中大齿轮选用20CrMnTi钢，进行调质处理方式进行处理，小齿轮也选用20CrMnTi钢，进行调质处理方式进行处理，硬度均为210-240HBW。3.4.2根据齿轮齿面的接触疲劳强度进行齿轮设计得：1、确定各个参数数值；2、齿轮制造材料对应的弹性影响系数是，对应节点区域系数是。3、该齿轮组中小齿轮对应的接触疲劳极限的极限数值是；该齿轮组中大齿轮对应的接触疲劳极限数值是。4、确定载荷系数的数值大小；5、对相应的应力循环次数进行计算确定n——齿轮转速；J——齿轮旋转一周，同一齿面啮合次数；L——齿轮工作寿命；该齿轮组中对应的小齿轮：该齿轮组中对应的大齿轮：齿轮齿面对应的接触疲劳寿命系数为：该齿轮组齿轮对应的齿宽系数是：8、确定该齿轮组齿轮对应的疲劳强度与之相应的安全系数是S=1；9、对该齿轮组中齿轮对应的接触疲劳的许用应力进行计算：1）对该齿轮组中的小齿轮对应的分度圆直径d进行试算，许用应力选用较小值为：；2）对该齿轮组中的齿轮对应的圆周速度v进行设计计算：该齿轮组中的齿轮对应的齿数，可以得到该齿轮组中的大齿轮相应的齿数为：，故=56.91圆整得，故圆整得，故该齿轮组对应的齿数比为：，满足要求。4）对该齿轮组中的齿轮模数(m)的进行计算可得：根据标准模数取。5）对该齿轮组中的齿轮大端分度圆直径进行计算可得：6）对该齿轮组中的齿轮对应的节锥顶距（R）进行计算可得：7）对该齿轮组中的齿轮节圆锥角度数进行计算可得，在未变位的情况下，和其分度圆锥角的数值大小是相等的21.80°=21°48′0″68°12′0″8）对该齿轮组中的齿轮对应大端的齿顶圆直径尺寸进行计算可得：该齿轮组中的小齿轮为：该齿轮组中的大齿轮为：9）对该齿轮组中齿轮对应的齿宽进行计可得：令10）对该齿轮组中的齿轮进行强度校核：检验得该齿轮组中的齿轮强度符合要求。3.4.3按齿根弯曲疲劳强度的校核设计公式如下：YFa——齿轮齿形系数；Ysa——齿轮应力校正系数；Yβ——螺旋角的影响系数； 已知：，。该齿轮组中齿轮对应的齿形系数为：，；该齿轮组中齿轮对应的应力校正系数为：，；3）对该齿轮组中齿轮对应的弯曲疲劳相应许用应力进行计算可得：取该齿轮组中齿轮对应的弯曲疲劳系数：6)对该齿轮组中的大齿轮以及小齿轮进行计算可得：；；由于该齿轮组中小齿轮的数值相对较大，故取0.01025；7）对该齿轮组中齿轮对应的载荷系数K进行计算可查设计经验手册，取；由，按照7级精度进行设计制造，相应的动载荷系数为；得：因为，符合。

3.5轴承选型输入齿轮轴4输入齿轮轴4的承受载荷以径向载荷为主，轴向载荷较小，故选用代号6001的深沟球轴承。（2）中间轴9中间轴9的承受载荷以径向载荷为主，轴向载荷较小，故选用代号6001的深沟球轴承。（3）输出锥齿轮轴16输出锥齿轮轴16的承受载荷以径向载荷为主，轴向载荷较小，故选用代号6206的深沟球轴承。轴18轴18垂直布局，承受轴向载荷和径向载荷较大，故选用代号30205的圆锥滚子轴承。

3.6花键设计3.6.1花键基本尺寸键的宽度：键的大径：键的小径：键数：3.6.2花键强度校核花键连接的主要失效形式分为两种：1.齿面的压溃，即静连接；2.齿面的磨损，即动连接。计算时，假定载荷在键的工作面上均匀分布，并引入系数来考虑实际载荷在各花键齿上分配不均的影响，则花键连接的强度条件为静连接：式中：传递转矩，；齿间载荷不均匀系数，取0.75；花键齿数，；平均圆直径，；键齿高度，；键齿配合长度，。齿面经热处理后齿面动连接许用挤压应力，故强度足够。

4箱体结构设计该手臂回转机构的齿轮箱体采用铸造方式加工，材料选择HT200。为了保证加工精度，箱体采用整体式，外形为圆柱形。箱体的设计原则为：1.机体应该具有足够的刚度机体是安装整个齿轮机构的基础，其结构必须牢固，并且箱体应具备足够的刚度，以保证运动时整个机构的稳定性。2.考虑到箱体内零件的润滑，密封散热因其传动件速度小于12m/s，故采用浸油润滑，同时为了避免油搅得沉渣溅起，齿顶到油池底面应保证一定的距离。为了保证机盖与机座连接处的密封，联接处应设计有凸缘，并且凸缘的面积应足够的大，并且需要精加工处理，其表面粗糙度一般是Ra6.3。3.箱体的壁厚至少应在6mm以上才能保证足够的刚度。铸造圆角半径为R3。机体外形简单，铸造方便。4.放油螺塞位于油池最底处，并安排在箱体与其他部件不靠近的地方，以便放油操作的方便性。放油孔用螺塞堵住，因此油孔处的箱体外壁应设计成凸起一块，由后期机械加工成螺塞头部的安装面，并配合密封圈使用，以达到密封的目的。由于该手臂回转机构的减速机箱体尺寸较小，并且结构也不复杂。不同于一般的齿轮减速机，该箱体不需要加工复杂的结构，如视窗口、油标位、通气孔等。箱体结构尺寸计算如下：名称符号计算公式结果箱体壁厚5.8mm箱体轴承盖壁厚4.64mm轴承盖与箱体连接螺栓尺寸M6凸缘厚度1.74mm

5装配图说明1-直流电机2-减速机箱体3-联轴器4-输入齿轮轴5-齿形带6-测速发电机7-回转机构机体8-齿轮9-轴10-波发生器11-齿轮12-角位置编码器13-刚轮14-箱体15-薄壁筒形柔轮16-齿轮轴图4.1装配图直流电动机1安装在齿轮减速器箱体2的支架上。并通过联轴器3连接到输入齿轮轴4上。此外减速器的输入轴通过齿形带传动5与测速发电机6相连，而测速发电机则用托架固定在回转机构机体7上。减速器的齿轮8固定在轴9上，在轴的前端装有谐波减速器的波发生器10，而后端做成小齿轮，使其与角位置编码器12的传动齿轮11啮合。为消除传动间隙而将齿轮11做成剖分式。谐波齿轮传动的刚轮13固定在箱体14的内孔中，薄壁筒形柔轮15装在减速器输出齿轮轴16的花键轴套上，轴16通过锥齿轮传动将水平传动转换为垂直转动。总结该设计专为带有谐波齿轮臂的机械机构而设计，因此其结构可满足大多数实际要求。然后利用二维软件对其结构进行二维绘图，以便可以在视觉上表达他的结构。通过分析和设计设计结构，自由度可以适应实际应用，并对该设计的动力传递进行针对性设计。阐述了产品的具体使用范围，设计了重要部件的传动结构，并完成了必要的检查，以确保设计的安全性和可靠性。这种设计完善了带谐波齿轮的回转机构的设计，使我对谐波齿轮的回转机构有了更深入的了解。通过整个设计过程，我将整合我学到的所有知识进行综合的使用。同时，设计需要绘制图纸并练习我的绘图设计和二维绘图的水平。通过学习，我看到了国内外设计上的差距，这使我有动力提高自身素质，为祖国的机械制造做出贡献。虽然这种设计的设计初步完成了带谐波齿轮的回转机