六軸工業(yè)弧焊機器人

1、12344大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計六軸工業(yè)弧焊機器人摘要工業(yè)機器人作為現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展重要標(biāo)志之一和新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)，已被世人所認(rèn)同，并正對現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域以至人們的生活產(chǎn)生了重要的影響。焊接制造工藝由于其工藝的復(fù)雜性、勞動強度、產(chǎn)品質(zhì)量、批量等要求，使得焊接工藝對于自動化、機械化的要求極為迫切，從而焊接機器人的出現(xiàn)時焊接自動化的革命性進步?；『笝C器人是焊接機器人中的一種，本文對弧焊機器人的設(shè)計進行了系統(tǒng)說明。本文簡要介紹了一下目前焊接自動化的發(fā)展情況，焊接機器人的分類、用途等，使大家對弧焊機器人有了整體的認(rèn)識；在第二章中，初步確定了弧焊機器人的設(shè)計方案：弧焊機器人的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動方式以及主要參數(shù)，

2、對機器人性能做了簡要說明；第三章機械設(shè)計部分，包括驅(qū)動元件的選取以及主要構(gòu)件的設(shè)計計算和強度校核；最后，對弧焊機器人的控制部分做了介紹，并編制了實現(xiàn)其運動的PLC程序，便于人們操作控制。關(guān)鍵詞：焊接；工業(yè)機器人；自由度 Six-axis industrial arc welding robotAbstract Industrial robot as an important sign of modern manufacturing technology development and an emerging technology has been recognized by

3、 the world and has a significant impact on various fields of modern high-tech industries as well as people's lives. Manufacturing process of welding process because of their complexity, labor intensity, product quality, volume, etc. making the requirement of welding technology toward automa

4、tion, mechanization urgent. So the emergence of welding robot is a sign of revolutionary advances in automation. Arc welding robot is a kind of robot, this paper, makes systematic descriptions of arc welding robot. This paper briefly introduces the current developments in welding auto

5、mation, welding robot classification, use and so on, so that we can have the whole knowledge of the arc welding robot ; in the second chapter, set the initial design of arc-welding robot : arc welding robot structure, drive pattern, and the main parameters, make a brief description of the robot

6、 performance ; Chapter III mechanical design, including the selection of drive elements and the calculation of the main components and strength check; Finally, the control part of welding robot is introduced and developed a campaign to achieve its PLC program, convenient for people to cont

7、rol.Key word: Welding、industry robot、 Degree of freedom目錄1、緒論11.1、焊接自動化發(fā)展概況11.2、機器人焊接發(fā)展概況21.2.1、焊接機器人發(fā)展歷程21.2.2、焊接機器人國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀21.2.3、焊接機器人分類及組成42、機器人結(jié)構(gòu)方案確定52.1、設(shè)計任務(wù)及要求52.2、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計53、機械設(shè)計部分83.1、手腕1設(shè)計計算83.1.1、手腕1電機選擇93.1.2、聯(lián)軸器設(shè)計93.2、手腕2設(shè)計103.2.1、手腕2驅(qū)動電機選擇103.2.2、錐齒輪設(shè)計計算113.3、小臂旋轉(zhuǎn)自由度設(shè)計173.3.1、小臂電機選擇183.4、

8、小臂擺動自由度設(shè)計193.4.1、小臂擺動電機選擇193.4.2、蝸輪蝸桿設(shè)計203.5、大臂擺動設(shè)計243.5.1、電機選擇243.5.2、蝸輪蝸桿設(shè)計253.6底座旋轉(zhuǎn)臺設(shè)計303.6.1、電機選擇303.6.2輪蝸桿設(shè)計313.6.3、旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計353.7、主要零部件校核373.7.1、底座回轉(zhuǎn)軸及其鍵聯(lián)接校核373.7.2、底座旋轉(zhuǎn)軸上建校核393.7.3、大臂回轉(zhuǎn)臺推力軸承校核40小結(jié)41致謝42參考文獻43遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 第41頁1、 緒論焊接生產(chǎn)是制造業(yè)中與國民經(jīng)濟的發(fā)展密切相關(guān)的重要的工藝技術(shù)，差不多所有工業(yè)生產(chǎn)部門，從航天航空到海洋工程，從發(fā)電設(shè)備到家用電器，從火

9、車、汽車到自行車生產(chǎn)甚至兒童玩具都無不與焊接密切相關(guān)。1.1、 焊接自動化發(fā)展概況焊接是制造業(yè)中最重要的工藝技術(shù)之一。它在機械制造、核工業(yè)、航天航空、能源交通、石油化工及建筑和電子等行業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，焊接已從簡單的構(gòu)件連接方法和毛坯制造手段發(fā)展成為制造業(yè)中一項基礎(chǔ)工藝和生產(chǎn)尺寸精確的制成品的生產(chǎn)手段。傳統(tǒng)的手工焊接已不能滿足現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品制造的質(zhì)量、數(shù)量要求。因此，保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、提高生產(chǎn)率和改善勞動條件已成為現(xiàn)代焊接制造工藝發(fā)展亟待解決的問題。隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)控及機器人技術(shù)的發(fā)展為焊接過程自動化提供了十分有利的技術(shù)基礎(chǔ)，并已滲透到焊接各領(lǐng)域中。近

10、20年來，在自動焊接、專機設(shè)備以及自動焊接技術(shù)方面已取得了許多研究和應(yīng)用成果，表明焊接過程自動化已成為焊接技術(shù)新的生長點之一。從21世紀(jì)先進制造技術(shù)的發(fā)展要求看，焊接自動化生產(chǎn)已是必然趨勢。焊接作為一項與新興學(xué)科發(fā)展緊密相關(guān)的綜合性先進工藝技術(shù)，其自動化技術(shù)涉及材料、機械、電子、信息、控制等多學(xué)科交叉領(lǐng)域。其自動化生產(chǎn)過程包括從備料、切割、裝配、焊接、檢驗等工序組成的一個焊接產(chǎn)品全過程的自動化。只有實現(xiàn)了這一全過程的機械化和自動化才能得到穩(wěn)定的焊接產(chǎn)品質(zhì)量和均衡的生產(chǎn)節(jié)奏，同時獲得較高的勞動生產(chǎn)率。焊接自動化是未來焊接技術(shù)發(fā)展的方向，而計算機在這一過程中發(fā)揮著不可缺少的作用，利用計算機而發(fā)展起

11、來的專家系統(tǒng)也得到了廣泛重視。焊接過程控制系統(tǒng)的智能化、焊接生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性化以及焊接生產(chǎn)系統(tǒng)的集成化作為焊接自動化的三個主要技術(shù)領(lǐng)域，標(biāo)志著焊接先進制造技術(shù)水平和發(fā)展方向。1.2、機器人焊接發(fā)展概況1.2.1、焊接機器人發(fā)展歷程自從世界上第一臺工業(yè)機器人UNIMATE于1959年在美國誕生以來，機器人的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：第一代是示教再現(xiàn)型機器人。這類機器人操作簡單，不具備外界信息的反饋能力，難以適應(yīng)工作環(huán)境的變化，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用受到很大限制。 第二代是具有感知能力的機器人。這類機器人對外界環(huán)境有一定的感知能力，具備如聽覺、視覺、觸覺等功能，工作時借助傳感器獲得的信息，靈活

12、調(diào)整工作狀態(tài)，保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作。 第三代是智能型機器人。這類機器人不但具有感覺能力，而且具有獨立判斷、行動、記憶、推理和決策的能力，能適應(yīng)外部對象、環(huán)境協(xié)調(diào)地工作，能完成更加復(fù)雜的動作，智能機器人還具備故障自我診斷及修復(fù)能力。焊接機器人就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機器人。早期的焊接機器人缺乏“柔性”，焊接路徑和焊接參數(shù)須根據(jù)實際作業(yè)條件預(yù)先設(shè)置，工作時存在明顯的缺點。隨著計算機控制技術(shù)、人工智能技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展，焊接機器人也由單一的單機示教再現(xiàn)型向以智能化為核心的多傳感、智能化的柔性加工單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展。1.2.2、焊接機器人國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀中國作為亞

13、洲第三大的工業(yè)機器人需求國，市場發(fā)展穩(wěn)定，汽車及其零部件制造仍然是工業(yè)機器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域，隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級不斷深入和國際制造業(yè)中心向中國的轉(zhuǎn)移，我國的機器人市場會進一步加大，市場擴展的速度也會進一步提高。焊接機器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率等特點，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機械、通用機械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有一半用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。估計全世界在役工業(yè)機器人約為100萬套，其中日本裝備的工業(yè)機器人總量達到了50萬臺以上，成為“機器人王國”，其次是美國和德國；在亞洲，日本、韓國和新加坡的制造業(yè)中每萬名雇員占有的工

14、業(yè)機器人數(shù)量居世界前三位。近幾年，全球機器人的數(shù)量還在迅速增加。我國自上個世紀(jì)70年代末開始進行工業(yè)機器人的研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長足的發(fā)展，對國民經(jīng)濟尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動作用。據(jù)不完全統(tǒng)計，最近幾年我國工業(yè)機器人呈現(xiàn)出快速增長勢頭，平均每年的增長率都超過40%,焊接機器人的增長率超過了60%；這其中的絕大多數(shù)都應(yīng)用于焊接領(lǐng)域；雖然增長勢頭強勁，但僅占亞洲新增數(shù)量的6%，遠小于韓國所占的 15%，更遠小于日本所占的69%。這樣的增長速度相對于我國的經(jīng)濟發(fā)展速度以及經(jīng)濟總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(yè)的自動化程度有待進一步提高，另一方面也反映了我

15、國勞動力成本的低廉，制造業(yè)自動化水平以及工業(yè)機器人應(yīng)用程度的提高受到限制。 當(dāng)前焊接機器人的應(yīng)用迎來了難得的發(fā)展機遇。弧焊機器人在汽車制造業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，而其本體又是其重要的組成部分，對機器人的性能有著極其重要的影響。 弧焊機器人是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備，在汽車制造業(yè)高質(zhì)高效的焊接生產(chǎn)中發(fā)揮了極其重要的作用?；『笝C器人本體是影響弧焊機器人性能的關(guān)鍵部分之一，隨著弧焊機器人在汽車制造業(yè)的廣泛應(yīng)用，掌握弧焊機器人的機械結(jié)構(gòu)和工作原理，可為以后的應(yīng)用研發(fā)和二次開發(fā)做好鋪墊。焊接機器人目前已廣泛應(yīng)用在汽車制造業(yè)，汽車底盤、座椅骨架、導(dǎo)軌、消聲器以及液力

16、變矩器等焊接，尤其在汽車底盤焊接生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。豐田公司已決定將點焊作為標(biāo)準(zhǔn)來裝備其日本國內(nèi)和海外的所有點焊機器人。用這種技術(shù)可以提高焊接質(zhì)量，因而甚至試圖用它來代替某些弧焊作業(yè)。在短距離內(nèi)的運動時間也大為縮短。該公司最近推出一種高度低的點焊機器人，用它來焊接車體下部零件。這種矮小的點焊機器人還可以與較高的機器人組裝在一起，共同對車體上部進行加工，從而縮短了整個焊接生產(chǎn)線長度。國內(nèi)生產(chǎn)的桑塔納、帕薩特、別克、賽歐、波羅等后橋、副車架、搖臂、懸架、減振器等轎車底盤零件大都是以MIG焊接工藝為主的受力安全零件，主要構(gòu)件采用沖壓焊接，板厚平均為1.54mm，焊接主要以搭接、角接接頭形式為主，

17、焊接質(zhì)量要求相當(dāng)高，其質(zhì)量的好壞直接影響到轎車的安全性能。應(yīng)用機器人焊接后，大大提高了焊接件的外觀和內(nèi)在質(zhì)量，并保證了質(zhì)量的穩(wěn)定性和降低勞動強度，改善了勞動環(huán)境。1.2.3、焊接機器人分類及組成焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人，是一種高度自動化的焊接設(shè)備，焊接機器人可分為弧焊機器人和電焊機器人?；『笝C器人在諸多行業(yè)中得到普及，是包括各種電弧焊附屬裝置在內(nèi)的柔性焊接系統(tǒng)。汽車工業(yè)是點焊機器人系統(tǒng)的一個典型應(yīng)用領(lǐng)域，汽車裝配中大約60%焊點由點焊機器人完成。焊接機器人主要包括機器人和焊接設(shè)備兩部分。機器人由機器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接裝備，以弧焊及點焊為例，則由焊

18、接電源，（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。對于智能機器人還應(yīng)有傳感系統(tǒng)，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等。2、機器人結(jié)構(gòu)方案確定2.1、設(shè)計任務(wù)及要求六軸工業(yè)弧焊機器人共有六個自由度，分別由六個步進電動機控制其對應(yīng)自由度的運動。結(jié)構(gòu)上有機器人底座、手臂回轉(zhuǎn)臺、手臂、手腕等結(jié)構(gòu)，采用全關(guān)節(jié)型坐標(biāo)系形式，類似于人的腰部、手臂和手腕，其位置和姿態(tài)全部由旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)；各個自由度運動控制采用PLC來實現(xiàn)。設(shè)計參數(shù)：結(jié)構(gòu)形式：垂直關(guān)節(jié)自由度：6負載;6kg腕部擺動角度：120°腕部轉(zhuǎn)動角度：360°小臂回轉(zhuǎn)角度：360°大臂擺動角度：160°

19、腰部轉(zhuǎn)動角度：360°2.2、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計焊接機器人是焊接機器人系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，它由驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、機器人手臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器（編碼盤）等組成。它的任務(wù)是精確地保證末端操作小臂、手腕執(zhí)行機構(gòu)幾大部分組成。其結(jié)構(gòu)簡圖如下圖2-1所示：圖2-1、弧焊機器人結(jié)構(gòu)簡圖1、底座和手臂機器人的手臂由動力關(guān)節(jié)和連接件構(gòu)成，用以支撐和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器的位置。手臂部件具有3個自由度，包括驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)、支撐連接件等。機器人手臂安裝在回轉(zhuǎn)臺上，機器人機座部分根據(jù)整個機器人本體所受全部重量和工作載荷，采用了回轉(zhuǎn)機座的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了機器人主體的整體回轉(zhuǎn)。手臂用于連接手腕和底座并且支撐和控制其運動

20、。工作原理：底座和大臂電機都經(jīng)過蝸輪蝸桿傳動，帶動小臂運動，小臂電機直接驅(qū)動手腕旋轉(zhuǎn)。機器人底座內(nèi)的電機驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)臺進行回轉(zhuǎn)運動，使手臂轉(zhuǎn)動，大臂下端電機驅(qū)動小臂進行前后擺動，上端電機驅(qū)動小臂擺動，小臂電機直接驅(qū)動手腕部分旋轉(zhuǎn)。2、手腕    機器人的手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，其主要功能是當(dāng)手臂和機座實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個位置坐標(biāo)后，再由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個姿態(tài)坐標(biāo)，即實現(xiàn)另外三個自由度。通過機械接口，聯(lián)接并支撐末端執(zhí)行器。工作原理：手腕2由前臂電機直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，手腕2電機經(jīng)過錐齒輪驅(qū)動手腕1及前端執(zhí)行機構(gòu)擺動，手腕1直接通過聯(lián)

21、軸器聯(lián)接執(zhí)行末端驅(qū)動其實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。3、機械設(shè)計部分 設(shè)計一臺機械設(shè)備，除了要考慮設(shè)備各部件的結(jié)構(gòu)能夠合理安裝和方便維修外，還要對各部件的受力情況正確分析，從而選出符合性能要求的材料和構(gòu)件。如構(gòu)件的強度、硬度、尺寸以及構(gòu)件各位置所要承受的最大外力，避免機械設(shè)備在有效工作期內(nèi)出現(xiàn)故障。機器人本體的分析，了解到其在本體設(shè)計及選型應(yīng)用時遵循以下幾個原則： （1）最小運動慣量原則：由于機器人本體運動部件較多，運動狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和振動。采用最小運動慣量原則，盡量減小運動部件的質(zhì)量，可增加本體運動平穩(wěn)性，提高本體動力學(xué)特性。 （2）尺寸優(yōu)化原則：當(dāng)設(shè)計要求滿足一定工作空間要求時，通過尺寸優(yōu)化以

22、選定最小的臂桿尺寸，這將有利于本體剛度的提高，使運動慣量進一步降低。 （3）高強度材料選用原則：由于機器人本體從手腕、小臂、大臂到機座是依次作為負載起作用的，在經(jīng)濟合理的前提下，選用高強度材料以減輕零部件的質(zhì)量，減少運轉(zhuǎn)的動載荷與沖擊，減小驅(qū)動裝置的負載，提高運動部件的響應(yīng)速度是十分必要的。 （4）剛度設(shè)計的原則：要使剛度最大，必須恰當(dāng)?shù)剡x擇桿件截面形狀和尺寸，提高支承剛度和接觸剛度，合理地安排作用在臂桿上的力和力矩，盡量減少桿件的彎曲變形。 （5）可靠性原則：機器人本體因機構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)較多，可靠性問題顯得尤為重要。一般來說，元器件的可靠性應(yīng)高于部件的可靠性，而部件的可靠性應(yīng)高于整機的可靠性。

23、（6）工藝性原則：機器人本體是一種高精度、高集成度的自動機械系統(tǒng)，良好的加工和裝配工藝性是設(shè)計時要體現(xiàn)的重要原則之一。該六軸工業(yè)弧焊機器人采用全關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計中重點考慮的是各自由度處所需的轉(zhuǎn)矩的大小，從而選出能夠滿足要求的驅(qū)動元件。同時對部分零件加以計算，如鍵的校核、軸承的選擇、錐齒輪、蝸輪蝸桿的計算等等。3.1、手腕1設(shè)計計算手腕1傳動方案：轉(zhuǎn)動幅度 360°，手腕1經(jīng)由步進電機驅(qū)動，依靠聯(lián)軸器聯(lián)接輸出軸，輸出軸端接執(zhí)行器件焊槍，由電機旋轉(zhuǎn)直接帶動焊槍旋轉(zhuǎn)。3.1.1、手腕1電機選擇已知焊槍質(zhì)量不大于6Kg，假設(shè)手腕一側(cè)的最大質(zhì)量為6Kg，重心到轉(zhuǎn)動軸的距離大約為25，則機械

24、手轉(zhuǎn)動所需的轉(zhuǎn)矩為：T1=mgl=6×10×25=1500Nmm=1.5Nm電機轉(zhuǎn)矩略比負載轉(zhuǎn)矩大約 0.30.5 倍，故TC1.31.5T1=1.952.25Nm 選75系列混合式步進電機 75BYG250B 型步進電動機，機身長L=100mm，驅(qū)動電源輸入（VDC）24-110 ，保持轉(zhuǎn)矩 TC=2.4N.m，輸出軸徑D電機=11mm，輸出端長 E=30mm，步距角 =1.8°。電機基本參數(shù)如下：型號相數(shù)電壓V電流A電阻電感mH保持轉(zhuǎn)矩N.m轉(zhuǎn)動慣量kg.cm3長度mm重量kg75BYG250B224-11040.7542.41.081002.23.1.2、聯(lián)

25、軸器設(shè)計手腕1負載不大，故為了節(jié)省空間和轉(zhuǎn)動慣量，可以設(shè)計為套筒聯(lián)軸器。初步估定所連軸外伸段軸徑:d=0.81.0D電機=0.81.0×11=(8.811)mm選套筒軸器： 套筒外徑： D0=1.51.7D電機=(16.518.7)mm，取D0=18mm；套筒長度： L=2.53.5D電機=(27.538.5)mm，取L=38mm；緊定螺釘直徑 d1=0.150.25D電機=(1.652.75) mm，取d1=2.5mm 。緊定螺釘至套筒端面距離 l=0.60.8D電機=（6.68.8）mm，取 l=8 mm。3.2、手腕2設(shè)計手腕2驅(qū)動手腕1擺動，第二關(guān)節(jié)手腕最大擺動幅度120&#

26、176;，手腕1、焊槍同時作為負載作用于手腕2，此處負載重量不大，轉(zhuǎn)速不高?？刹捎貌竭M電機驅(qū)動經(jīng)錐齒輪改變轉(zhuǎn)動方向，帶動手腕1及執(zhí)行端擺動。3.2.1、手腕2驅(qū)動電機選擇假設(shè)機械手1其他零部件總質(zhì)量為 4kg ,在該機構(gòu)中，焊槍到擺動點的距離L大約為200mm。由此，可以簡單估算出機械手?jǐn)[動所需的轉(zhuǎn)矩T2： T2=(m焊槍+m手1）gL =6+4×10×200=20000Nmm =20Nm傳動電機經(jīng)過一對錐齒輪、一對圓錐滾子軸承、一個聯(lián)軸器傳遞驅(qū)動手腕擺動，電機轉(zhuǎn)矩為 T電機2 ，初取齒輪傳動比i齒輪=2.0T電機2=T2/i齒輪22=軸承聯(lián)軸器齒輪此處軸承=0.98，聯(lián)軸

27、器=0.99，齒輪 =0.940.97，取齒輪 =0.95 。T電機2=T2軸承聯(lián)軸器齒輪i齒輪=10.85Nm手腕2處驅(qū)動電機選擇，為保證驅(qū)動力矩足夠，選擇電機的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于0.30.5倍計算所需的轉(zhuǎn)矩T電機2，即TC21.31.5T電機2=（1.31.5）×10.8514.1016.28Nm根據(jù)TC2選取110BYGH兩相混合式步進電機系列110BYGH150-001型號機長mm步距角°相電壓 V相電流 A靜轉(zhuǎn)矩 Nm相電阻轉(zhuǎn)動慣量 kg.cm3質(zhì)量kg110BYGH150-0011501.8°5.446.8210.810.98.43.2.2、錐齒輪設(shè)計計算

28、2.1、錐齒輪參數(shù)計算，假設(shè)壽命為15年，兩班制。1）、 由于錐齒輪傳動速度不高，故選用7級精度。2）、 材料選擇：選擇大小齒輪材料均為20r經(jīng)滲碳、淬火，硬度 5662HRC 。3）、按接觸強度估計d1=11722K聯(lián)軸器T電機2/（1-0.5R）2RHP2 載荷系數(shù) K=1.5；齒寬系數(shù) R=0.250.3,取0.25；齒數(shù)比 =i齒輪 ， 取 i齒輪=2 ；de1 小齒輪大端分度圓直徑（mm）；HP 許用接觸應(yīng)力（MP），擺動速度假設(shè)為72r/min，N1=60n電機2jLh=60 i齒輪n電機2jLh=60×2×72×1×15×300&

29、#215;16=6.22×108 N2=N1i齒輪=3.11×108查圖 10-19 接觸疲勞強度表取 KHN1KHN2=1.0。查圖10-21（d）取Hlim1Hlim2=1100MPa ，假設(shè)失效概率1%，安全系數(shù) S=1.0 ，則：HP1=HP2=KHN1Hlim1S=1.0×12001.0=1100MPa ，HP=HP1+HP22=1200MPa代入式中：d111723K聯(lián)軸器T電機2/（1-0.5R）2RHP2117231.5×0.99×10.85/1-0.5×0.252×0.25×2×1100

30、238.258mm2.2、主要尺寸：齒數(shù) Z1=19 ，Z2=38 ；分錐角 1=arctanZ1Z2=arctan12=26.5650°=26°33'54''2=90°-1=90°-26°33'54''=63.435°=63°26'06''大端模數(shù) metd1Z1=38.25819=2.01 mm ,取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)me=2.5mm 。大端分度圓直徑 d=mezd1=2.5×19=47.5mmd2=2.5×38=95.0mm變位系數(shù)x t

31、1= t2=0， 1= 2=0齒寬中點分度圓直徑 dm=de(1-0.5R) dm1=de11-0.5R=47.5×1-0.5×0.25=41.5625mm41.563mm dm2=de21-0.5R=95.0×1-0.5×0.25=83.125mm平均模數(shù) mm=me1-0.5R=2.5×1-0.5×0.25=2.1875 mm2.188mm外錐距 Re=de12sin1=47.52sin26°33'54''=53.107mm齒寬 b=RRe=0.25×53.107=13.277mm，取

32、b=14.0mm大端齒頂高 hae=1+1me=2.5 mm大端齒根高 hfe1=1+c*-1me=1+0.2-0×2.5=3.0 mm hfe2=1+c*-2me=1+0.2-0×2.5=3.0 mm齒根角 f1=arctanhfe1Re=arctan3.053.107=3.2332°=3°13'59'' f2=f1=3°13'59''齒頂角 a1=f2 ，a2=f1頂錐角 a1=1+a1=26°33'54''+3°13'59''

33、;=29°47'53'' a2=2+a2=63°26'06''+3°13'59''=66°40'05''根錐角 f1=1-f1=26°33'54''+3°13'59''=23°19'55'' f2=2-f2=63°26'06''-3°13'59''=60°12'07'

34、'大端齒頂圓直徑da1=d1+2ha1cos1=47.5+2×2.5cos26°33'54''=51.972mmda2=d2+2ha2cos2=90.0+2×2.5cos63°26'06''=92.236mm大端分度圓齒厚s1=me2+21tan+t1=2.5×2=3.925 mms2=me-s1=3.14=3.925 mm當(dāng)量齒數(shù) zv=zicosizv1=z1cos1=19cos26°33'54''=21.24zv2=z2cos2=38cos63

35、76;26'06''=84.97端面重合度 v=12zv1tanva1-tan+zv2tanva2-tanva1=arccoszv1coszv1+2ha*+21=arccos21.24cos20°21.24+2×1=30.8152°=30°48'55''va2=arccoszv2coszv2+2ha*+22=arccos84.97cos20°84.97+2×1=23.3526°=23°21'09''v=12zv1tanva1-tan+zv2ta

36、nva2-tan= 1221.24tan30.8152°-tan20°+84.97tan23.3526°-tan2°0=1.704齒寬中點分度圓圓周速度：mt=i齒輪n2dm160×1000=3.14×2×72×41.56360000=0.313ms2.3、接觸強度校核H=FtKAKVKHKH2+10.85 b dm1 ZEZHZeZkHP分度圓切向力Ft=2000聯(lián)軸器T電機2dm1=2000×0.99×1241.563=572 N使用系數(shù) KA 由表10-2查取 ：KA=1.25由齒寬中點分

37、度圓圓周速度 mt=0.313ms查圖10-8 取Kv=1.0查機械設(shè)計手冊三，表23.4-24 有一輪懸臂支撐，支撐情況系數(shù) KHbe=1.25載荷分布系數(shù) KH=1.5KHbe=1.5×1.25=1.875查表 10-3 取齒間載荷分布系數(shù) KH=KF=1.4查機械設(shè)計手冊三，圖 23.4-21未變位錐齒輪節(jié)點區(qū)域系數(shù)圖，取 ZH=2.5查表10-6 彈性影響系數(shù)表 ZE=189.8MPa12重合度、螺旋角系數(shù)Z=4-va3=4-1.7043=0.875取錐齒輪系數(shù) KZ=1故H=572×1.25×1.0×1.875×1.422+10.85

38、×14×41.563×2×189.8×2.5×0.875×1=855MPa許用接觸應(yīng)力 ：HP=HlimSHlimZNZLRZXZW試驗齒輪接觸疲勞極限 Hlim=1100MPa壽命系數(shù)取 ZN=1.0油膜影響系數(shù) ZLR=0.90接觸強度計算尺寸系數(shù) ZX=1.0工作硬化系數(shù) ZW=1.0最小安全系數(shù) SHlim=1.0則 HP=11001.0×1.0×0.90×1.0×1.0=990 MPa H=855MPa<HP=990MPa故符合接觸強度要求。2.4、齒根彎曲強度校核F1

39、=FtKAKKFKF0.85bmm YFS1Y zv1=21.24 、 zv2=84.97由 zv1=21.24 、 zv2=84.97查機械設(shè)計手冊三圖 23.4-19取 YFS1=4.75 ,YFS2=4.42查機械設(shè)計手冊三圖 23.2-28由 v=1.704 取彎曲強度計算重合度與螺旋角系數(shù) Y=0.69KF=KH =1.875 , KF=KH=1.4 、KA=1.25、Kv=1.0故 F1=FtKAKKFKF0.85bmm YFS1Y=572×1.25×1.0×1.875×1.40.85×14×2.188×4.75

40、×0.69=236MPaF2=F1YFS2YFS1=236×4.424.75=220MPa許用彎曲應(yīng)力FP=FESFminYNYrelTYRrelTYX查機械設(shè)計手冊三圖23.2-29，取 FE1 FE2=350MPa壽命系數(shù)取 YN=1.0相對齒根圓角敏感系數(shù)，查機械設(shè)計手冊三表23.2-30 取 YrelT=1.0相對齒根表面狀況系數(shù)，取 YRrelT=1.0尺寸系數(shù)由機械設(shè)計手冊三圖 23.2-31 ，取 YX=1.0最小安全系數(shù) SFmin=1.4則有 FP=FESFminYNYrelTYRrelTYX=3501.4×1.0=250MPa FP=250MP

41、aF1=236MPaF2=220MPa故齒根彎曲強度合格3.3、小臂旋轉(zhuǎn)自由度設(shè)計 小臂電機直接驅(qū)動手腕部分旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)動幅度360°。3.3.1、小臂電機選擇小臂驅(qū)動手腕旋轉(zhuǎn)，在該機構(gòu)中，對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的部分為手腕1部分及焊槍，有效轉(zhuǎn)動重量為10kg假設(shè)擺動重心到轉(zhuǎn)軸最大距離L3大約為170mm。由此，可以簡單估算出機械手?jǐn)[動所需的轉(zhuǎn)矩T3： T3=(m焊槍+m手腕1）gL3 =6+4×10×170=17000Nmm =17Nm傳動電機經(jīng)過一對圓錐滾子軸承、一個套筒聯(lián)軸器傳遞驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動，電機轉(zhuǎn)矩為 T電機3 T電機3=T3/33=軸承聯(lián)軸器此處軸承=0.9

42、8，聯(lián)軸器=0.99，T電機3=T3軸承聯(lián)軸器=170.98×0.99=17.5Nm小臂內(nèi)驅(qū)動電機選擇時，為保證驅(qū)動力矩足夠，選擇電機的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于0.30.5倍計算所需的轉(zhuǎn)矩T電機3，即TC31.31.5T電機322.7526Nm根據(jù)TC3選取雷賽110系列兩相步進電機系列110HSB28。輸出軸徑19mm，長度40mm。型號機長mm步距角°額定電流 A相電感A保持轉(zhuǎn)矩 Nm相電阻轉(zhuǎn)動慣量 kg.cm3質(zhì)量kg110HSB282011.86.522281.216.211.73.4、小臂擺動自由度設(shè)計小臂由大臂上端電機經(jīng)過蝸輪蝸桿驅(qū)動其擺動，小臂擺動最大轉(zhuǎn)動幅度100

43、76;，假設(shè)最大轉(zhuǎn)速3=432°/s （n3=72r/min）。3.4.1、小臂擺動電機選擇手腕、小臂圍繞大臂擺動，根據(jù)結(jié)構(gòu)，假設(shè)擺動有效重量為23kg，擺動重心離轉(zhuǎn)軸距離L4大約為400mm。由此，可以簡單估算出機械手?jǐn)[動所需的轉(zhuǎn)矩T4： T4=30gL4 =23×10×400=92000Nmm =92Nm傳動電機經(jīng)過兩對圓錐滾子軸承、一個聯(lián)軸器傳遞驅(qū)動手腕3轉(zhuǎn)動，電機轉(zhuǎn)矩為 T電機4 T電機4=T4/4i蝸輪4=軸承2聯(lián)軸器蝸輪此處軸承=0.98，聯(lián)軸器=0.99，蝸輪=0.82，i蝸輪取20.5T電機4=T4軸承2聯(lián)軸器蝸輪i蝸輪=920.982×

44、0.99×0.82×20.5=5.76Nm大臂內(nèi)驅(qū)動電機選擇，為保證驅(qū)動力矩足夠，選擇電機的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于0.30.5倍計算所需的轉(zhuǎn)矩T電機4，即TC4=1.31.5T電機4=1.5×5.76=7.488.64Nm根據(jù)TC4選取85BYG450混合式步進電機系列85BYG450c-012。輸出軸徑13mm，長度37mm。型號機長mm步距角°相電壓 V相電流A靜轉(zhuǎn)矩 Nm相電阻轉(zhuǎn)動慣量 kg.cm3質(zhì)量kg85BYG450C-0121511.85.73.09.31.93.653.4.2、蝸輪蝸桿設(shè)計2.1、蝸輪負載轉(zhuǎn)矩T4=92Nm，根據(jù)GB/T10085-

45、1988推薦，采取漸開線蝸桿（ZI）。2.2、考慮到蝸桿傳動功率不大，速度不高，故蝸桿選用45鋼；希望傳動效率高，耐磨性好，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度45-55HRC。蝸輪用鑄錫青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造。2.3、按齒面接觸強度設(shè)計按照閉式蝸桿傳動設(shè)計準(zhǔn)則，傳動中心距a3KT(ZEZH)2(1)、確定傳動參數(shù)，按照Z1=2，蝸輪=0.82，則T=T4軸承蝸輪=920.98×0.82=114.48Nm假設(shè)工作載荷穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)K=1.0，由表11-5選取使用系數(shù)KA=1.15，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載荷系數(shù)KV=1.0K=KAKVK=1.15×1

46、.0×1.0=1.15由選用的材料鑄錫青銅和鋼配合，故ZE=160MPa12 假設(shè)蝸桿分度圓直徑和中心距之比 d1a=0.4，查圖11-18取Z=2.74。根據(jù)鑄錫青銅ZCuSn10P10，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度45HRC，從表11-7中查得渦輪基本許用應(yīng)力H'=268MPa應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：前臂最大擺動幅度360°，最大轉(zhuǎn)速4=225°/s （n4=37.5r/min）N=60n4jLh=60n4jLh=60×37.5×1×15×300×16=16.2×107,壽命系數(shù)KHN=810716.2

47、×107=0.706H=KHNH'=0.706×268189MPa2.4、計算中心距a3KTZEZH2=31.15×114.48×103160×2.741892=89.142mm選取中心距a=100mm，因i蝸輪=20.5，故從表11-2中取模數(shù)m=4mm，z1=2，直徑系數(shù)q=10mm，分度圓直徑d1=40mm，分度圓導(dǎo)程角=11.3099°=11°18'35''，蝸輪齒數(shù)z2=41，變位系數(shù)x2=-0.500 。此時d1a=40100=0.40，查圖11-18得接觸系數(shù)z'=2.7

48、4，因為z'=z因此計算結(jié)果可用。2.5、主要參數(shù)及尺寸蝸輪分度圓直徑d2=mz2=4×41=164mm蝸輪喉圓直徑da2=d2+2ha2=164+2×(1-0.5)×4=168mm蝸輪外圓直徑de2=da2+1.5m=168+6=174mm蝸輪齒根圓直徑df2=d2-2hf=d2-2mha*-x2+c*=164-2×41+0.5+0.2=150.4mm蝸輪咽喉母圓半徑rg2=a-da22=100-1682=16mm蝸桿分度圓直徑d1=mq=4×10=40mm蝸桿齒頂圓直徑da1=d1+2ha1=40+8=48蝸桿齒根圓直徑df1=d1

49、-2hf1=40-2×1.2×4=30.4mm蝸輪齒寬 B0.75da1=0.75×48=36mm ，取 B=36mm蝸桿齒寬b8+0.06z2m=41.84mm，取b=50mm蝸桿節(jié)圓直徑d1'=d1+2x2m=40+6=36mm蝸輪節(jié)圓直徑d2'=d2=164mm2.6、齒根彎曲疲勞強度校核F=1.53KTd1d2mYFaYF當(dāng)量齒數(shù)zv2=z2cos3=41cos311°18'35''=41.8據(jù)zv2=41.8，x2=-0.500 查圖11-19取YFa=2.95螺旋角系數(shù)Y=1-140°=1-1

50、1°18'35''140°=0.919許用彎曲應(yīng)力F=F'KFN查表11-8由ZCuSn10P1制造蝸輪基本許用彎曲應(yīng)力為F'=56MPa壽命系數(shù)KFN=910616.2×107=0.568故 F=F'KFN=56×0.568=31.8MPaF=1.53KTd1d2mYFaY=1.53×1.15×11448040×164×4×2.95×0.919=20.81MPaF<F滿足要求。2.7、驗算效率=0.950.96tantan（+v）已知=11

51、°18'35''，v=arctanfv，fv與相對滑動速度vs有關(guān)vs=d1n1i蝸輪60×1000cos=3.14×40×60×20.560000cos11°18'35''=2.626ms由vs=2.626ms查表11-18取fv=0.029，v=1.6611°則=0.950.96tantan+v=0.950.96tan11°18'35''tan(11°18'35''+1°39'40'

52、;')=0.8250.834大于估計值0.82，故合格3.5、大臂擺動設(shè)計大臂由其內(nèi)部下端電機經(jīng)蝸輪蝸桿驅(qū)動其擺動，大臂最大轉(zhuǎn)動幅度160°，假設(shè)最大轉(zhuǎn)速5=225°/s （n5=37.5r/min）3.5.1、電機選擇假設(shè)擺動有效重量為30kg，擺動重心離轉(zhuǎn)軸距離L5大約為500mm。由此，可以簡單估算出機械手?jǐn)[動所需的轉(zhuǎn)矩T5： T5=30gL4 =30×10×500=150000Nmm =150Nm傳動電機經(jīng)過兩對圓錐滾子軸承、一個聯(lián)軸器傳遞驅(qū)動手腕3轉(zhuǎn)動，電機轉(zhuǎn)矩為 T電機5 T電機5=T5/5i蝸輪5=軸承2聯(lián)軸器蝸輪此處軸承=0.98

53、，聯(lián)軸器=0.99，蝸輪=0.80，i蝸輪取20.5T電機5=T5軸承2聯(lián)軸器蝸輪i蝸輪=1500.982×0.99×0.80×20.5=9.6Nm大臂內(nèi)驅(qū)動電機選擇，為保證驅(qū)動力矩足夠，選擇電機的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于0.30.5倍計算所需的轉(zhuǎn)矩T電機5，即TC51.31.5T電機5=（1.31.5）×9.38512.514.4Nm根據(jù)TC5選取110BYGH三相混合式步進電機系列110BYG3502，輸出軸徑19mm,長35mm型號機長mm步距角°電壓 V電流 A靜轉(zhuǎn)矩 Nm相電阻轉(zhuǎn)動慣量 kg.cm3質(zhì)量kg110BYG35021820.6

54、6;1103160.81510.53.5.2、蝸輪蝸桿設(shè)計1、蝸輪負載轉(zhuǎn)矩T5=150Nm，根據(jù)GB/T10085-1988推薦，采取漸開線蝸桿（ZI）。2、考慮到蝸桿傳動功率不大，速度不高，故蝸桿選用45鋼；希望傳動效率高，耐磨性好，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度45-55HRC。蝸輪用鑄錫青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造。3、按齒面接觸強度設(shè)計按照閉式蝸桿傳動設(shè)計準(zhǔn)則，傳動中心距a3KT(ZEZH)2(1)、確定傳動參數(shù)，按照Z1=2，蝸輪=0.80，則T=T4軸承蝸輪=1500.98×0.80=191.327Nm假設(shè)工作載荷穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)K=1.0，由表11-5選取

55、使用系數(shù)KA=1.15，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載荷系數(shù)KV=1.0K=KAKVK=1.15×1.0×1.0=1.15由選用的材料鑄錫青銅和鋼配合，故ZE=160MPa12 假設(shè)蝸桿分度圓直徑和中心距之比 d1a=0.4，查圖11-18取Z=2.74。根據(jù)鑄錫青銅ZCuSn10P10，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度45HRC，從表11-7中查得渦輪基本許用應(yīng)力H'=268MPa應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60n5jLh=60n5jLh=60×37.5×1×15×300×16=16.2×107,壽命系數(shù)KHN=810

56、716.2×107=0.706H=KHNH'=0.67×268189MPa4、計算中心距a3KTZEZH2=31.15×191.327×103160×2.741892=105.787mm選取中心距a=125mm，因i蝸輪=20.5，故從表11-2中取模數(shù)m=5mm，z1=2，直徑系數(shù)q=10mm，分度圓直徑d1=40mm，分度圓導(dǎo)程角=11.31°=11°18'36''，蝸輪齒數(shù)z2=41，變位系數(shù)x2=-0.500 。此時d1a=40100=0.40，查圖11-18得接觸系數(shù)z'=2

57、.74，因為z'=z因此計算結(jié)果可用。5、主要參數(shù)及尺寸蝸輪分度圓直徑d2=mz2=5×41=205mm蝸輪喉圓直徑da2=d2+2ha2=205+2×(1-0.5)×5=210mm蝸輪外圓直徑de2da2+1.5m=210+7.5=217.5mm 取 de2=217mm蝸輪齒根圓直徑df2=d2-2hf=d2-2mha*-x2+c*=205-2×51+0.5+0.2=188mm蝸輪咽喉母圓半徑rg2=a-da22=125-2102=20mm蝸桿分度圓直徑d1=mq=5×10=50mm蝸桿齒頂圓直徑da1=d1+2ha1=50+10=6

58、0mm蝸桿齒根圓直徑df1=d1-2hf1=50-2×1.2×5=38mm蝸輪齒寬 B0.75da1=0.75×60=45mm ，取 B=36mm蝸桿齒寬b8+0.06z2m=52.3mm，取b=60mm蝸桿節(jié)圓直徑d1'=d1+2x2m=50-5=45mm蝸輪節(jié)圓直徑d2'=d2=205mm5、齒根彎曲疲勞強度校核F=1.53KTd1d2mYFaYF當(dāng)量齒數(shù)zv2=z2cos3=41cos311°18'36''=41.8據(jù)zv2=41.8，x2=-0.500 查圖11-19取YFa=2.95螺旋角系數(shù)Y=1-14

59、0°=1-11°18'36''140°=0.919許用彎曲應(yīng)力F=F'KFN查表11-8由ZCuSn10P1制造蝸輪基本許用彎曲應(yīng)力為F'=56MPa壽命系數(shù)KFN=910616.2×107=0.568故 F=F'KFN=56×0.568=31.8MPaF=1.53KTd1d2mYFaY=1.53×1.15×19132750×205×5×2.95×0.919=17.81MPaF<F滿足要求。6、驗算效率=0.950.96tantan

60、（+v）已知=11°18'36''，v=arctanfv，fv與相對滑動速度vs有關(guān)vs=d1n1i蝸輪60×1000cos=3.14×50×37.5×20.560000cos11°18'36''=2.051ms由vs=2.051ms查表11-18取fv=0.0345，v=1.9759°則=0.950.96tantan+v=0.950.96tan11°18'36''tan(11°18'36''+1°58'33'')=0.800.81大于估計值0.80，故合格3.6底座旋轉(zhuǎn)臺設(shè)計機器人手臂手腕由底座旋轉(zhuǎn)臺驅(qū)動繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，最大轉(zhuǎn)動幅度360°，最大轉(zhuǎn)速5=180°/s （n5=30r/min）。3.6.1、電機選擇假設(shè)轉(zhuǎn)動重心距離轉(zhuǎn)軸最大距離600mm,轉(zhuǎn)動有效重