工業(yè)機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)

I摘要機(jī)器人技術(shù)是綜合了許多學(xué)科的知識(shí)，例如計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)今研究領(lǐng)域十分重視的課題，機(jī)器人在很多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。本畢業(yè)設(shè)計(jì)概述了工業(yè)機(jī)器人的分類、歷史以及開展趨勢(shì)。重在設(shè)計(jì)研制國(guó)產(chǎn)搬運(yùn)機(jī)器人的主臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該工業(yè)機(jī)器人由腰部和大小臂組成，腰部和肩部形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，使大臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和仰俯運(yùn)動(dòng)，小臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和仰俯擺動(dòng)。本文主要闡述了如何設(shè)計(jì)機(jī)器人腰部、肩部以及肘部這三個(gè)主要關(guān)節(jié)，每一個(gè)關(guān)節(jié)選擇適宜的驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)方式，通過適宜的減速裝置最終到達(dá)所要求的轉(zhuǎn)速。設(shè)計(jì)具體包括機(jī)器人關(guān)節(jié)類型確定，諧波減速器的根本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要特性介紹與選用以及其減速比確實(shí)定，各關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的選擇計(jì)算以及重要部件的具體設(shè)計(jì)及其校核，如齒輪的設(shè)計(jì)及校核，軸的設(shè)計(jì)及校核，軸承的選用及校核。關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；搬運(yùn)；機(jī)器人關(guān)節(jié)；諧波減速器AbstractRobotictechnologyiscomprehensiveknowledgeofthemanysubjects,suchascomputer,cybernetics,organizationlearning,informationandsensingtechnology,artificialintelligence,bionicsscienceandtheformationofhightechnologyandnewtechnology,itiscurrentresearchfieldattachtothesubjectinmanyfields,robotusedwidely.Thegraduationdesignsummarizestheclassificationofindustrialrobot,historyanditsdevelopmenttrend.Designanddevelopdomestichandlingrobotsonthemainarmmovementmechanism,theindustrialrobotcomposedbythewaistandbigforearm,thewaistandshouldershoulder,armformedformedbetweenandforearm,armelbowturnmovementandYangpronetodoexercise,forearmrotationmovementandpronetodoupswinging.Thispapermainlyexpoundshowtodesigntherobotwaist,shoulderandelbowthethreemainjoints,everyjointchooseappropriatedrivemode,transmissionmode,throughappropriatedecelerationdevicefinallytoreachtherequiredspeed.Designspecificincluderobotjointstype,theharmonicgearreducertodeterminethebasicstructure,workingprinciple,maincharacteristicintroductionandselectionanddeterminationofslowing,eachjointthanservomotorselectionandcalculation,andthespecificdesignandanimportantpartofgearcheck,suchasdesignandcheckthedesignandcheck,shaft,bearingchooseandchecking.Keywords：industrialrobot；Handling；Robotjoints；Harmonicgearreducer目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 1 1 1 2 3 3第2章工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 4 4 6 8 8 9 9 11 11 12 12 13第3章機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 15 15 15 18 18 18 19 213.4.1德國(guó)Harmonic諧波減速器的特點(diǎn) 21 23 25 27 28 28 29 29 30 32 39 39 39 40 43第4章機(jī)器人肩部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 44 44 44 44 44第5章機(jī)器人肘部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 46 46 46 46 46參考文獻(xiàn) 48結(jié)束語 49致謝 50附錄 51第1章緒論機(jī)器人是一種具有人體上肢的局部功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。簡(jiǎn)而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。工業(yè)機(jī)器人，一般指的是在工廠車間環(huán)境中，配合自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，代替人來完成材料或零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在對(duì)工業(yè)機(jī)器人所下的定義是“機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用設(shè)備，以執(zhí)行種種任務(wù)〞。〔1〕氣動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人這類工業(yè)機(jī)器人以壓縮空氣來驅(qū)動(dòng)操作機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是空氣來源方便，動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低，無污染，缺點(diǎn)是空氣具有可壓縮性，導(dǎo)致工作速度的穩(wěn)定性較差，又因氣源壓力一般只有6kPa左右，所以這類工業(yè)機(jī)器人抓舉力較小，一般只有幾十牛頓，最大百余牛頓?！?〕液壓式工業(yè)機(jī)器人液壓壓力比氣壓壓力高得多，一般為70kPa左右，故液壓傳開工業(yè)機(jī)器人具有較大的抓舉能力，可達(dá)上千牛頓。這類工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環(huán)境下工作。〔3〕電動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人這是目前用得最多的一類工業(yè)機(jī)器人，不僅因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)品種眾多，為工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了多種選擇，也因?yàn)樗鼈兛梢赃\(yùn)用多種靈活控制的方法。早期多采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，后來開展了直流伺服驅(qū)動(dòng)單元，目前交流伺服驅(qū)動(dòng)單元也在迅速開展。這些驅(qū)動(dòng)單元或是直接驅(qū)動(dòng)操作機(jī)，或是通過諸如諧波減速器的裝置來減速后驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)十分緊湊、簡(jiǎn)單。工業(yè)機(jī)器人按操作機(jī)坐標(biāo)形式分以下幾類〔坐標(biāo)形式是指操作機(jī)的手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所取的參考坐標(biāo)系的形式〕：〔1〕直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人其運(yùn)動(dòng)局部由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)〔即PPP〕組成，其工作空間圖形為長(zhǎng)方形。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各個(gè)坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高，控制無耦合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體所占空間體積大，動(dòng)作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作?！?〕圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人其運(yùn)動(dòng)形式是通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和兩個(gè)移動(dòng)組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人相比，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大，其位置精度僅次于直角坐標(biāo)型機(jī)器人，難與其它工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作?！?〕球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人又稱極坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其手臂的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)〔即RRP,一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)〕所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動(dòng)作并能抓取地面上或較低位置的協(xié)調(diào)工件，其位置精度高，位置誤差與臂長(zhǎng)成正比。〔4〕多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，這種工業(yè)機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副〔即RRR〕，該工業(yè)機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和俯仰擺動(dòng)，小臂做仰俯擺動(dòng)。其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，但位置精度較低，有平衡問題，控制耦合，這種工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用越來越廣泛?！?〕平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人它采用一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)〔即PRR〕，移動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，而兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)那么控制前后、左右運(yùn)動(dòng)。這種形式的工業(yè)機(jī)器人又稱SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)裝配機(jī)器人。在水平方向那么具有柔順性，而在垂直方向那么有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應(yīng)用廣泛。工業(yè)機(jī)器人的開展通常可以劃分為三代：第一代工業(yè)機(jī)器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比擬簡(jiǎn)單，應(yīng)用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時(shí)讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。第二代機(jī)器人是帶感覺的機(jī)器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進(jìn)行反響的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，這種機(jī)器人從1980年開始進(jìn)入了實(shí)用階段，不久即將普及應(yīng)用。第三代工業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人。這種機(jī)器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識(shí)自身和周圍的環(huán)境，識(shí)別對(duì)象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識(shí)別自動(dòng)選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對(duì)象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機(jī)器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用。隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)開展趨勢(shì)：a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人；b)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場(chǎng)合，如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合；c)研制各類傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。第2章工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)器人控制是機(jī)器人的核心技術(shù)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)研制搬運(yùn)機(jī)器人的主臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。腕部最大負(fù)荷為60N。主要研究?jī)?nèi)容有：〔1〕各關(guān)節(jié)軸以交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，要求機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，減速比大〔100：1〕?！?〕機(jī)器人主要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和功率、扭矩計(jì)算?！?〕完成機(jī)械傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求繪制機(jī)器人整體布局外觀圖和兩個(gè)關(guān)節(jié)〔腰關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)〕的結(jié)構(gòu)裝配圖。要求繪圖量到達(dá)A0三張。機(jī)器人主臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械本體、伺服電機(jī)、減速器等機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，減速比大〔100:1〕等要求，整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)大致分成腰部關(guān)節(jié)、肩部關(guān)節(jié)、肘部關(guān)節(jié)、大臂與小臂。各關(guān)節(jié)之間均采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)精密控制。為實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比，采用諧波減速器傳動(dòng)，不僅實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比，而且是結(jié)構(gòu)更緊湊。查找[1][3]fanucrobotM-6iB機(jī)器人相關(guān)資料，獲得以下設(shè)計(jì)資料和參數(shù)：圖2.1工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖圖2.2機(jī)器人工作范圍示意圖〔3〕機(jī)器人主要設(shè)計(jì)參數(shù)軸數(shù)：6負(fù)載：60工作半徑：1373可重復(fù)定位精度：機(jī)器人質(zhì)量：138各軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍：

各軸轉(zhuǎn)動(dòng)速率：

()

()

()

()

()

()驅(qū)動(dòng)方式：AC交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)安裝方式：地裝、吊頂〔掛壁、斜角〕動(dòng)作類型：垂直多關(guān)節(jié)型驅(qū)動(dòng)電機(jī)：伺服電機(jī)所示。表2.1各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)及適用范圍機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有：〔1〕驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；〔2〕反響速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起動(dòng)、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換；〔3〕驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；〔4〕平安可靠；〔5〕操作和維護(hù)方便；〔6〕對(duì)環(huán)境無污染，噪聲要小；〔7〕經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求：設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)機(jī)器人主臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，腕部最大負(fù)荷為60N，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，減速比大〔100：1〕等，基于上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)要求，本文選用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，那么需設(shè)計(jì)減速器。整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)大致分成腰部關(guān)節(jié)、肩部關(guān)節(jié)、肘部關(guān)節(jié)、大臂與小臂。各關(guān)節(jié)之間均采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)精密控制。為實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比，采用諧波減速器傳動(dòng)，不僅實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比，而且是結(jié)構(gòu)更緊湊。諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動(dòng)原理開展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動(dòng)〔簡(jiǎn)稱諧波傳動(dòng)〕，它是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機(jī)械波來傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的一種行星齒輪傳動(dòng)。主要包括剛輪、柔輪、和波發(fā)生器組成。由于波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使柔輪上的一點(diǎn)不斷的改變位置，這時(shí)在柔輪的節(jié)圓的任一點(diǎn)，隨著波發(fā)生器角位移的過程，形成一個(gè)上下左右相對(duì)稱的和諧波，故稱之為：“諧波〞。圖2.3諧波減速器實(shí)體圖諧波減速器主要由三個(gè)根本構(gòu)件組成：〔1〕帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪〔剛輪〕，帶有齒輪的剛性齒環(huán)，通常與柔輪相差2齒，它相當(dāng)于行星系中的中心輪；〔2〕帶有外齒圈的柔性齒輪〔柔輪〕，他是一個(gè)孔徑略小于波發(fā)生器長(zhǎng)軸的薄壁柔性齒輪，在波發(fā)生器的作用下，可以產(chǎn)生彈性變形，它相當(dāng)于行星齒輪；〔3〕波發(fā)生器H，具有長(zhǎng)短軸通常它的轉(zhuǎn)動(dòng)迫使柔輪按一定的變形規(guī)律產(chǎn)生彈性變形，它相當(dāng)于行星架。作為減速器使用，通常采用波發(fā)生器主動(dòng)、剛輪固定、柔輪輸出形式。圖2.4諧波減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖當(dāng)波發(fā)生器為主動(dòng)時(shí)，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，就使柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形〔可控的彈性變形〕，這時(shí)柔輪的齒就在變形的過程中進(jìn)入〔嚙合〕或退出〔嚙離〕剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長(zhǎng)軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處在完全的脫開。波發(fā)生器通常成橢圓形的凸輪，將凸輪裝入薄壁軸承內(nèi)，再將它們裝入柔輪內(nèi)。此時(shí)柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長(zhǎng)軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒那么處于完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的內(nèi)齒沿齒高嚙合。這是嚙合區(qū)，一般有30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態(tài)，簡(jiǎn)稱脫開；在波發(fā)生器長(zhǎng)軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長(zhǎng)的不同區(qū)段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態(tài)，稱之為嚙出。

波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時(shí)波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，就使柔輪齒的嚙入—嚙合—嚙出—脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，正是這一錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，作為減速器就可將輸入的高速轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動(dòng)。

對(duì)于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動(dòng)，當(dāng)波發(fā)生器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)1/8周時(shí)，柔輪齒與剛輪齒就由原來的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來脫開狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。同樣道理，嚙出變?yōu)槊撻_，嚙合變?yōu)閲С?，這樣柔輪相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)動(dòng)〔角位移〕了1/4齒；同理，波發(fā)生器再轉(zhuǎn)動(dòng)1/8周時(shí)，重復(fù)上述過程，這時(shí)柔輪位移一個(gè)齒距。依此類推，波發(fā)生器相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，柔輪相對(duì)剛輪的位移為兩個(gè)齒距。柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個(gè)純滾動(dòng)〔無滑動(dòng)〕的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過的弧長(zhǎng)必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長(zhǎng)上少了兩個(gè)齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)過兩個(gè)齒距的角位移，這個(gè)角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了減速的目的。諧波傳動(dòng)的工作原理圖見圖2.5；諧波減速器工作過程例如圖見圖圖2.5諧波傳動(dòng)的工作原理圖2.6諧波減速器工作過程例如〔1〕傳動(dòng)比大：?jiǎn)渭?jí)傳動(dòng)比可達(dá)50—320。〔2〕側(cè)隙?。河捎谄鋫鲃?dòng)原理不同于一般齒輪傳動(dòng)，側(cè)隙很小，甚至可以實(shí)現(xiàn)無側(cè)隙傳動(dòng)?！?〕精度高：同時(shí)嚙合齒數(shù)可達(dá)總齒數(shù)的20%左右，并在相差180度的兩個(gè)對(duì)稱方向上同時(shí)嚙合，因此誤差被均勻化，到達(dá)高運(yùn)動(dòng)精度。〔4〕零件數(shù)少、安裝方便：僅有三個(gè)根本部件，且輸入與輸出軸為同軸線，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便?！?〕體積小、重量輕：與一般減速器比擬，輸出力矩相同時(shí)，通常體積可以減小2/3，重量可減小1/2?！?〕承載能力大：因?yàn)橥瑫r(shí)嚙合齒數(shù)多，柔輪又采用特殊材料鋼材，從而獲得了高的承載能力?！?〕效率高：在齒的嚙合局部滑移量極小，摩擦損失少。即使在高速比情況下，仍能維持高效率?！?〕運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)：周向速度低，有實(shí)現(xiàn)了李德平衡，故噪聲低、振動(dòng)小?！?〕可向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)：利用其柔性的特點(diǎn)、可向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)。這一點(diǎn)是其他任何機(jī)械無法實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)波發(fā)生器回轉(zhuǎn)時(shí)，它迫使柔輪的齒順序的與剛輪的齒嚙合，當(dāng)波發(fā)生器順轉(zhuǎn)一周時(shí)，柔輪倒轉(zhuǎn)個(gè)齒，亦即反轉(zhuǎn)了周，因此波發(fā)生器和柔輪的傳動(dòng)比為:式中：、和、分別為柔輪和剛輪的齒數(shù)和分度圓直徑。有時(shí)柔輪固定不轉(zhuǎn)而剛輪為從動(dòng)件。在這種情形下，當(dāng)波發(fā)生器順轉(zhuǎn)一周時(shí)，剛輪相對(duì)柔輪順轉(zhuǎn)個(gè)齒，亦即順轉(zhuǎn)了周，因此波發(fā)生器和柔輪的傳動(dòng)比為:式中：、和、分別為柔輪和剛輪的齒數(shù)和分度圓直徑。因?yàn)樵谝粋€(gè)波的區(qū)間內(nèi)，剛輪與柔輪應(yīng)當(dāng)相差一個(gè)或幾個(gè)齒，所以諧波齒輪傳動(dòng)的齒數(shù)差應(yīng)等于波數(shù)或波數(shù)的整數(shù)倍。因此，波數(shù)相同且剛輪齒數(shù)也相同的諧波傳動(dòng)，其傳動(dòng)比可以相差假設(shè)干整數(shù)倍。但實(shí)際上大局部諧波齒輪傳動(dòng)的齒數(shù)差等于波數(shù)。在這種情況下，諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比等于活動(dòng)輪的齒數(shù)除以波數(shù)。結(jié)構(gòu)件材料選擇是工業(yè)機(jī)器人材料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要問題之一，正確選擇結(jié)構(gòu)材料不僅可以降低工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)本錢，更重要的是可適應(yīng)工業(yè)機(jī)器人的高速化、高載荷化及高精度化，滿足其靜力及動(dòng)力特性要求。與一般的機(jī)械設(shè)備相比，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是十分重要的，這是選擇材料的出發(fā)點(diǎn)。材料選擇的根本要求如下：〔1〕強(qiáng)度高。機(jī)器人的臂是直接受力的構(gòu)件，高強(qiáng)度材料不僅能滿足機(jī)器人臂的強(qiáng)度條件，而且可望減少臂桿的截面尺寸，減輕重量?！?〕彈性模量大。從材料力學(xué)的公式可知，構(gòu)件剛度〔或變形量〕與材料的彈性E、G有關(guān)，彈性模量越大，變形量越小，剛度越大。不同材料的彈性模量的差異比擬大，而同一種材料卻沒有多大差異。〔3〕重量輕。在機(jī)器人手臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形很大程度上是由于慣性力引起的，與構(gòu)件的質(zhì)量有關(guān)。也就是說，為了提高構(gòu)件剛度選用彈性模量E大而密度ρ也大的材料是不合理的，因此提出了選用高彈性模量、低密度的材料要求，可用E/ρ來衡量，表2.2列出幾種材料的E、ρ和E/ρ值，供參考。表2.2材料的彈性模量/密度〔E/ρ〕值〔4〕阻尼大。工業(yè)機(jī)器人在選材時(shí)不僅要求剛度大、重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能大。機(jī)器人的臂經(jīng)過運(yùn)動(dòng)后，要求能平穩(wěn)地停下來。可是由于在構(gòu)件終止運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)，構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，構(gòu)件自身又具有彈性，因而會(huì)產(chǎn)生“剩余振動(dòng)〞。從提高定位精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性來考慮，希望能采用大阻尼材料或采取增加構(gòu)件阻尼的措施來吸收能量?！?〕材料價(jià)格低。材料價(jià)格是工業(yè)機(jī)器人本錢價(jià)格的重要組成局部。有些新材料如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金，用來作為機(jī)器人臂的材料是很理想的，但價(jià)格昂貴。〔1〕碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼：強(qiáng)度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增大了4-5倍，彈性模量E大，抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料?！?〕鋁、鋁合金及其他輕合金材料：這類材料的共同特點(diǎn)是重量輕，彈性模量E并不大，但是材料密度小，故E/ρ值仍可和鋼材相比。有些稀貴鋁金屬的品質(zhì)得到了更明顯的改善，例如添加了3.2%重量的鋰的鋁合金，彈性模量增加了14%，E/ρ值增加了16%?！?〕纖維增強(qiáng)合金：如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金，其E/ρ10m/s10m/s。這種纖維增強(qiáng)金屬材料具有非常高的E/ρ值，而且沒有無機(jī)復(fù)合材料的缺點(diǎn)，但價(jià)格昂貴?！?〕陶瓷：陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工成具有長(zhǎng)孔的連桿，與金屬零件連接的結(jié)合部需特殊設(shè)計(jì)。然而，日本已經(jīng)試制了在小型工業(yè)機(jī)器人上使用的陶瓷人臂的樣品。〔5〕纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：這類材料具有極好的E/ρ值，但存在老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎?、與金屬件連接困難等問題。這種材料不但重量輕、剛度大，而且還具有十分突出的阻尼大優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼。所以，在高速機(jī)器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實(shí)例越來越多。層疊復(fù)合材料的制造工藝還允許用戶進(jìn)行優(yōu)化，改良疊層厚度、纖維傾斜角、最正確橫斷面尺寸等，使其具有最大阻尼比?！?〕粘彈性大阻尼材料：增大機(jī)器人連桿件的阻尼是改善機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法來增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對(duì)原構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理。吉林工大和西安交大進(jìn)行了粘彈性大阻尼材料在柔性機(jī)械臂振動(dòng)控制中實(shí)驗(yàn)，結(jié)果說明：機(jī)械臂的重復(fù)定位精度在處理前為0.30mm，處理后為0.16mm；剩余振動(dòng)時(shí)間在阻尼處理前、后分別為0.9s和0.5s。桿件的約束層處理示意圖見圖2.7圖2.7桿件的約束層處理示意圖第3章機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)由于一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一般要求有：〔1〕結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動(dòng)功率和傳動(dòng)比時(shí)體積最小，重量最輕；〔2〕傳動(dòng)剛度大，即由驅(qū)動(dòng)器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)角度變量最小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減輕整機(jī)的低頻振動(dòng)；〔3〕回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度；〔4〕壽命長(zhǎng)，價(jià)格低。機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)即J1軸是機(jī)器人關(guān)節(jié)中最大，承載最多，內(nèi)部機(jī)構(gòu)最為復(fù)雜的關(guān)節(jié)。軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為()，轉(zhuǎn)速擬定為()即,伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速暫選為,減速比即為100。J1軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍示意圖圖3.1J1軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍示意圖方案一：J1軸通過采用一對(duì)外嚙合齒輪〔減速比為2〕，后接諧波減速器〔減速比為50〕來減速，那么可以實(shí)現(xiàn)總傳動(dòng)比為100。圖3.2腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案一方案二：J1軸通過采用一對(duì)內(nèi)嚙合齒輪〔減速比為2〕，后接諧波減速器〔減速比為50〕來減速，那么可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比為100。圖3.3腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案二方案三：電機(jī)安裝在底座下面，J1軸直接接諧波減速器〔減速比100〕，那么可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比為100的減速。圖3.4腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案三傳動(dòng)方案比擬：這三種方案在傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)上都是可行的，均采用了減速比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載力大、噪音小、效率高、定位安裝方便的諧波減速器。方案二采用內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)上是比方案一更加緊湊，但安裝時(shí)會(huì)使腰部電機(jī)與肩部電機(jī)發(fā)生干預(yù)，影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍。方案三的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，但電機(jī)軸和腰部回轉(zhuǎn)軸無法錯(cuò)開。那么最終機(jī)器人腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案選擇方案一。對(duì)于方案一：由于軸的輸出轉(zhuǎn)速為：，又有式中：為剛輪齒數(shù)，為柔輪齒數(shù)那么，又有式中：為小齒輪齒數(shù)，為大齒輪齒數(shù)那么電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩：取齒輪的精度等級(jí)為8級(jí)，查[7]表得：那么機(jī)器人材料選用45號(hào)鋼，那么查表可得密度，根據(jù)機(jī)器人各局部體積，估算機(jī)器人質(zhì)量如下：腕部：8kg小臂：36kg肘部：11kg大臂：52kg肩部：13kg腰部：18kg圖3.5機(jī)器人整體受力示意圖當(dāng)大臂、小臂與末端執(zhí)行器均處于水平狀態(tài)時(shí)，如上圖所示，各局部對(duì)回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大。其代數(shù)和為：代入數(shù)據(jù)得：那么工作時(shí)的最大扭矩：式中：為機(jī)器人的角加速度。設(shè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的加速度為，那么那么由于軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速率為，即，那么查[8]得那么由電機(jī)到底座傳動(dòng)總效率式中：為外嚙合齒輪的傳動(dòng)效率，為諧波減速器的傳動(dòng)效率取=0.98〔齒輪的精度等級(jí)為8級(jí)〕那么那么腰部伺服電機(jī)所需功率為：查[10]表3.1德國(guó)博美特BONMET伺服電機(jī)參數(shù)表經(jīng)比擬電機(jī)型號(hào)選用BONMETSM系列80系列SM80-033-30LFB表3.2德國(guó)博美特BONMET80系列電機(jī)SM80-033-30LFB主要參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速：3000轉(zhuǎn)子慣量：伺服電機(jī)圖3.6伺服電機(jī)SM80-033-30LFB外形尺寸圖諧波減速器選用德國(guó)的HarmonicDriveAG〔和諧驅(qū)動(dòng)〕公司的CGS-2UHUnits系列產(chǎn)品。3.4.1德國(guó)Harmonic諧波減速器的特點(diǎn)〔1〕Harmonic減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕。HD減速器諧波齒輪傳動(dòng)的主要構(gòu)件只有三個(gè)：波發(fā)生器、柔輪、剛輪。它與傳動(dòng)比相當(dāng)?shù)钠胀p速器比擬，其零件減少50%，體積和重量均減少1/3左右或更多。〔2〕Harmonic減速器傳動(dòng)比范圍大。單級(jí)HD諧波減速器傳動(dòng)比可在50—300之間，優(yōu)選在75—250之間；雙級(jí)諧波減速器傳動(dòng)比可在3000—60000之間；復(fù)波諧波減速器傳動(dòng)比可在200—140000之間?！?〕Harmonic減速機(jī)嚙合的齒數(shù)多。雙波諧波減速器同時(shí)嚙合的齒數(shù)可達(dá)30%，甚至更多些。而在普通齒輪傳動(dòng)中，同時(shí)嚙合的齒數(shù)只有2—7%，對(duì)于直齒圓柱漸開線齒輪同時(shí)嚙合的齒數(shù)只有1—2對(duì)。Harmonic減速器正是由于同時(shí)嚙合齒數(shù)多這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使諧波傳動(dòng)的精度高，齒的承載能力大，進(jìn)而HD減速器實(shí)現(xiàn)大速比、小體積?！?〕Harmonic減速器承載能力大。諧波齒輪傳動(dòng)同時(shí)嚙合齒數(shù)多，即承受載荷的齒數(shù)多，在材料和速比相同的情況下，受載能力要大大超過其它傳動(dòng)。HD減速器其傳遞的功率范圍可為幾瓦至幾十千瓦?！?〕Harmonic減速機(jī)運(yùn)動(dòng)精度高。HD減速器由于多齒嚙合，一般情況下，諧波齒輪與相同精度的普通齒輪相比，其運(yùn)動(dòng)精度能提高四倍左右?！?〕Harmonic減速器運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無沖擊，噪聲小。HD減速器齒的嚙入、嚙出是隨著柔輪的變形，逐漸進(jìn)入和逐漸退出剛輪齒間的，嚙合過程中齒面接觸，滑移速度小，且無突然變化?！?〕HD減速器齒側(cè)間隙可以調(diào)整。諧波齒輪傳動(dòng)在嚙合中，柔輪和剛輪齒之間主要取決于波發(fā)生器外形的最大尺寸，及兩齒輪的齒形尺寸，因此Harmonic減速器可以使傳動(dòng)的回差很小，某些情況甚至可以是零側(cè)間隙?！?〕Harmonic減速器傳動(dòng)效率高。與相同速比的其它傳動(dòng)相比，諧波傳動(dòng)由于運(yùn)動(dòng)部件數(shù)量少，而且嚙合齒面的速度很低，因此效率很高，隨速比的不同〔u=60-250)，Harmonic減速器效率約在65—96%左右〔諧波復(fù)波傳動(dòng)效率較低〕，齒面的磨損很小。〔9〕Harmonic減速機(jī)同軸性好。諧波齒輪減速器的高速軸、低速軸位于同一軸線上。〔10〕Harmonic減速器可實(shí)現(xiàn)向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力。HD減速器采用密封柔輪諧波傳動(dòng)減速裝置，可以驅(qū)開工作在高真空、有腐蝕性及其它有害介質(zhì)空間的機(jī)構(gòu)，諧波傳動(dòng)這一獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)難于到達(dá)的?！?1〕Harmonic減速器〔HD減速器〕可實(shí)現(xiàn)高增速運(yùn)動(dòng)。Harmonic減速器由于諧波齒輪傳動(dòng)的效率高及機(jī)構(gòu)本身的特點(diǎn)，加之體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，因此是理想的高增速裝置。對(duì)于手搖發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等需要高增速的設(shè)備有廣闊的應(yīng)用前景?！?2〕Harmonic減速機(jī)〔HD減速器〕方便的實(shí)現(xiàn)差速傳動(dòng)。Harmonic減速器由于諧波齒輪傳動(dòng)的三個(gè)根本構(gòu)件中，可以任意兩個(gè)主動(dòng)，第三個(gè)從動(dòng)，那么如果讓波發(fā)生器、剛輪主動(dòng)，柔輪從動(dòng)，就可以構(gòu)成一個(gè)差動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而方便的實(shí)現(xiàn)快慢速工作狀況。這一點(diǎn)對(duì)許多機(jī)床的走刀機(jī)構(gòu)很有實(shí)用價(jià)值，經(jīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)，可以大大改變機(jī)床走刀局部的結(jié)構(gòu)性能。〔13〕Harmonic減速器〔HD減速器〕免維護(hù)。Harmonic減速機(jī)主要產(chǎn)品：CSG系列,CSD系列,CSF系列,SHG系列,SHF系列,SHD系列,CSF系列,CSF-GH系列,HPG系列,HPG-RA系列,HPG-U1系列諧波減速機(jī)。CGS-2UHUnits系列產(chǎn)品外觀圖圖3.7CGS-2UHUnits系列產(chǎn)品外觀圖,并且要求傳動(dòng)比為50。諧波減速器型號(hào)的選擇主要取決于減速器的輸入功率和輸出扭矩由以上計(jì)算可得：減速器額定輸入功率：減速器輸出扭矩：諧波減速器工作時(shí)的實(shí)際輸入功率和輸出扭矩為式中：為工況系數(shù)查[8]表取那么查CGS-2UHUnits系列產(chǎn)品資料，表3.3CGS-2UHUnits系列產(chǎn)品資料查表3.3CSG系列資料選取諧波減速器的型號(hào)，腰部諧波減速器的型號(hào)選擇CSG-45-50-2UH-SP。查諧波減速器CSG-2UHSize參數(shù)表表3.4諧波減速器CSG-2UHSize參數(shù)表得諧波減速器CSG-45-50-2UH-SP具體參數(shù)如下：重復(fù)峰值極限轉(zhuǎn)矩：平均極限轉(zhuǎn)矩：2000的額定轉(zhuǎn)矩：瞬時(shí)峰值的極限轉(zhuǎn)矩：最大輸入轉(zhuǎn)速：油潤(rùn)滑5000脂潤(rùn)滑3800平均輸入極限轉(zhuǎn)速：油潤(rùn)滑3300脂潤(rùn)滑3000瞬時(shí)慣量：重量：7圖3.8諧波減速器CSG-45-50-2UH-SP內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖表3.5CSG-2UH系列尺寸表可得各尺寸：那么諧波減速器CSG-45-50-2UH-SP具體的尺寸結(jié)構(gòu)如圖圖3.9諧波減速器CSG-45-50-2UH-SP具體的尺寸結(jié)構(gòu)圖確定諧波減速器的空載啟動(dòng)力矩、空載返回驅(qū)動(dòng)力矩、諧波減速器扭矩傳輸能力分別如表3.6、表3.7、表3.8所示。表3.6諧波減速器空載啟動(dòng)力矩參數(shù)表表3.7諧波減速器空載返回驅(qū)動(dòng)力矩參數(shù)表表3.8諧波減速器扭矩傳輸能力【Nm】由以上表可得：諧波減速器CSG-45-50-2UH-SP，查表3.6和表3.7知該型號(hào)足夠的空載啟動(dòng)力矩和空載返回驅(qū)動(dòng)力矩，分別為77Ncm和47Ncm。查表3.8知該型號(hào)有足夠的輸出扭矩，伺服電機(jī)的額定扭矩為3.3N.m，輸出扭矩可達(dá)2624Nm?？紤]到結(jié)構(gòu)特性，選用脂潤(rùn)滑。圖3.10諧波減速器傳動(dòng)效率圖CSG-2UH系列產(chǎn)品結(jié)合了一個(gè)高剛度軸承支持輸出負(fù)載，這個(gè)專門開發(fā)的軸承承受很高的軸向和徑向力量以及高傾斜時(shí)刻。表3.9輸出軸承參數(shù)表由表3.9查得：軸承類型為型節(jié)圓直徑偏移量額定動(dòng)載荷額定靜載荷許用動(dòng)力矩許用靜力矩即時(shí)剛度許用軸向載荷許用徑向載荷圖3.11輸出軸承公差圖表3.10輸出軸承公差參數(shù)表由表3.10查得：圖3.12裝配公差圖表3.11裝配公差參數(shù)表[注：括號(hào)中的數(shù)值為推薦值]由表3.11查得：圖3.13殼體與法蘭盤裝配示意圖表3.12法蘭盤裝配參數(shù)表那么由表3.12可查得：螺釘個(gè)數(shù)：螺釘尺寸：聯(lián)軸器節(jié)圓直徑：螺釘預(yù)緊力：扭矩傳輸能力：表3.13殼體裝配參數(shù)表那么由表3.13可查得：螺釘個(gè)數(shù)：螺釘尺寸：聯(lián)軸器節(jié)圓直徑：螺釘預(yù)緊力：扭矩傳輸能力：2100齒輪的設(shè)計(jì)與校核通過機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)〔新編軟件版〕2021完成，具體設(shè)計(jì)過程如下：漸開線圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)報(bào)告一、設(shè)計(jì)信息設(shè)計(jì)者Name=張國(guó)飛設(shè)計(jì)單位Comp=寧夏理工學(xué)院設(shè)計(jì)日期Date=2021-3-25設(shè)計(jì)時(shí)間Time=PM08:20:14二、設(shè)計(jì)參數(shù)傳遞功率P=0.77(kW)傳遞轉(zhuǎn)矩T=2.94(N·m)齒輪1轉(zhuǎn)速n1=2500(r/min)齒輪2轉(zhuǎn)速n2=1250(r/min)原動(dòng)機(jī)載荷特性SF=均勻平穩(wěn)工作機(jī)載荷特性WF=均勻平穩(wěn)預(yù)定壽命H=10000(小時(shí))三、布置與結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式ConS=閉式齒輪1布置形式ConS1=懸臂布置齒輪2布置形式ConS2=非對(duì)稱布置〔軸鋼性較大〕四、材料及熱處理齒面嚙合類型GFace=軟齒面熱處理質(zhì)量級(jí)別Q=MQ齒輪1材料及熱處理Met1=40Cr<調(diào)質(zhì)>齒輪1硬度取值范圍HBSP1=235～275齒輪1硬度HBS1=265齒輪1材料類別MetN1=0齒輪1極限應(yīng)力類別MetType1=5齒輪2材料及熱處理Met2=45<正火>齒輪2硬度取值范圍HBSP2=162～217齒輪2硬度HBS2=200齒輪2材料類別MetN2=0齒輪2極限應(yīng)力類別MetType2=7五、齒輪精度齒輪1第Ⅰ組精度JD11=8齒輪1第Ⅱ組精度JD12=8齒輪1第Ⅲ組精度JD13=8齒輪1齒厚上偏差JDU1=F齒輪1齒厚下偏差JDD1=L齒輪2第Ⅰ組精度JD21=8齒輪2第Ⅱ組精度JD22=8齒輪2第Ⅲ組精度JD23=8齒輪2齒厚上偏差JDU2=F齒輪2齒厚下偏差JDD2=L六、齒輪根本參數(shù)模數(shù)(法面模數(shù))Mn=3(mm)端面模數(shù)Mt=3.00000(mm)螺旋角β=0.000000(度)基圓柱螺旋角βb=0.0000000(度)齒輪1齒數(shù)Z1=19齒輪1齒寬B1=25.00(mm)齒輪1齒寬系數(shù)Φ齒輪2齒數(shù)Z2=38齒輪2齒寬B2=20.00(mm)齒輪2齒寬系數(shù)Φ標(biāo)準(zhǔn)中心距A0=85.50000(mm)實(shí)際中心距A=85.50000(mm)齒高變動(dòng)系數(shù)△端面重合度εα縱向重合度εβ總重合度ε齒輪1分度圓直徑d1=57.00000(mm)齒輪1齒頂圓直徑da1=63.00000(mm)齒輪1齒根圓直徑df1=49.50000(mm)齒輪1基圓直徑db1=53.56248(mm)齒輪1齒頂高h(yuǎn)a1=3.00000(mm)齒輪1齒根高h(yuǎn)f1=3.75000(mm)齒輪1全齒高h(yuǎn)1=6.75000(mm)齒輪1齒頂壓力角αat1=31.766780(度)齒輪2分度圓直徑d2=114.00000(mm)齒輪2齒頂圓直徑da2=120.00000(mm)齒輪2齒根圓直徑df2=106.50000(mm)齒輪2基圓直徑db2=107.12496(mm)齒輪2齒頂高h(yuǎn)a2=3.00000(mm)齒輪2齒根高h(yuǎn)f2=3.75000(mm)齒輪2全齒高h(yuǎn)2=6.75000(mm)齒輪2齒頂壓力角αat2=26.784471(度)齒輪1分度圓弦齒厚sh1=4.70702(mm)齒輪1分度圓弦齒高h(yuǎn)h1=3.09734(mm)齒輪1固定弦齒厚sch1=4.16114(mm)齒輪1固定弦齒高h(yuǎn)ch1=2.24267(mm)齒輪1公法線跨齒數(shù)K1=3齒輪1公法線長(zhǎng)度Wk1=22.93930(mm)齒輪2分度圓弦齒厚sh2=4.71105(mm)齒輪2分度圓弦齒高h(yuǎn)h2=3.04869(mm)齒輪2固定弦齒厚sch2=4.16114(mm)齒輪2固定弦齒高h(yuǎn)ch2=2.24267(mm)齒輪2公法線跨齒數(shù)K2=5齒輪2公法線長(zhǎng)度Wk2=41.45041(mm)壓力角α*=20(度)端面壓力角α*t=20.0000000(度)端面嚙合角αt'=20.0000001(度)七、檢查工程參數(shù)齒輪1齒距極限偏差fpt(±齒輪1齒向公差Fβ齒輪1基節(jié)極限偏差fpb(±齒輪1螺旋線波度公差ffβ齒輪1軸向齒距極限偏差Fpx(±齒輪2齒距極限偏差fpt(±齒輪2齒向公差Fβ齒輪2基節(jié)極限偏差fpb(±齒輪2螺旋線波度公差ffβ齒輪2軸向齒距極限偏差Fpx(±中心距極限偏差fa(±八、強(qiáng)度校核數(shù)據(jù)齒輪1接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力σHlim1=719.4(MPa)齒輪1抗彎疲勞根本值σFE1=588.8(MPa)齒輪1接觸疲勞強(qiáng)度許用值[σH]1=813.6(MPa)齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度許用值[σF]1=1051.4(MPa)齒輪2接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力σHlim2=550.0(MPa)齒輪2抗彎疲勞根本值σFE2=433.3(MPa)齒輪2接觸疲勞強(qiáng)度許用值[σH]2=622.1(MPa)齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度許用值[σF]2=773.8(MPa)接觸強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力σH=234.5(MPa)接觸疲勞強(qiáng)度校核σH≤[σH]=滿足齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力σF1=13.7(MPa)齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力σF2=12.6(MPa)齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度校核σF1≤[σF]1=滿足齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度校核σF2≤[σF]2=滿足九、強(qiáng)度校核相關(guān)系數(shù)齒形做特殊處理Zps=不處理齒面經(jīng)外表硬化Zas=外表硬化齒形Zp=一般潤(rùn)滑油粘度V50=120(mm^2/s)有一定量點(diǎn)饋Us=不允許小齒輪齒面粗糙度Z1R=Rz＞6μm(Ra≤1μm)載荷類型Wtype=靜強(qiáng)度齒根外表粗糙度ZFR=Rz＞16μm(Ra≤μm)刀具根本輪廓尺寸圓周力Ft=103.158(N)齒輪線速度V=7.461(m/s)齒向載荷分布系數(shù)KHβ綜合變形對(duì)載荷分布的影響Kβ安裝精度對(duì)載荷分布的影響Kβ齒間載荷分布系數(shù)KHα接觸強(qiáng)度重合度系數(shù)Zε接觸強(qiáng)度螺旋角系數(shù)Zβ重合、螺旋角系數(shù)Zεβ齒向載荷分布系數(shù)KFβ齒間載荷分布系數(shù)KFα抗彎強(qiáng)度重合度系數(shù)Yε抗彎強(qiáng)度螺旋角系數(shù)Yβ抗彎強(qiáng)度重合、螺旋角系數(shù)Yεβ設(shè)計(jì)結(jié)果見表表3.14齒輪設(shè)計(jì)與校核結(jié)果軸的類型很多，按軸線形狀可以分為直軸、曲軸和軟軸，該機(jī)器人腰部是一根直軸，而直軸按其承載情況不同，又可以分為三類：轉(zhuǎn)軸、傳動(dòng)軸、心軸。經(jīng)分析該腰部軸既傳遞轉(zhuǎn)矩又承受彎矩，是一根轉(zhuǎn)軸，那么需按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算。按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算這種方法對(duì)只承受轉(zhuǎn)矩作用或主要承受轉(zhuǎn)矩作用的傳動(dòng)軸，其強(qiáng)度條件為式中：為軸的扭剪應(yīng)力，；為軸傳遞的轉(zhuǎn)矩，；為軸的抗扭截面模量，；為軸傳遞的功率，；為軸的轉(zhuǎn)速，；[]為軸材料的許用扭剪應(yīng)力，。對(duì)于既傳遞轉(zhuǎn)矩又承受彎矩的轉(zhuǎn)軸，可用上式初步估算軸的直徑，但必須將軸的許用扭剪應(yīng)力[]適當(dāng)降低，以補(bǔ)償彎矩對(duì)軸的影響。將降低后的[]代入上式，可改寫為設(shè)計(jì)計(jì)算公式。由于腰部軸是一根實(shí)心軸，對(duì)于實(shí)心圓軸，那么軸的直徑計(jì)算式為：式中：由軸的材料及承載情況確定的系數(shù)查[8]表常用軸材料的[]和值，取軸的材料為45，那么查表得:[]==。取=110，那么代入式3.8可得：根據(jù)諧波減速器CSG-45-50-2UH-SP內(nèi)部具體尺寸并查[7]表角接觸球軸承，考慮鍵槽等因素最終選取。圖3.14軸具體尺寸圖在初估軸徑，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，軸上載荷的大小、方向及作用位置即可確定。通常把軸當(dāng)作鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點(diǎn)與軸承的位置和布置方式有關(guān)，在做剪力圖和彎矩圖時(shí)，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷，并將其分解為軸向分力和徑向分力，然后便可求出各支承處的支反力。最終繪制出彎扭合成圖并按彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行校核。軸上齒輪輪齒受力分析一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪在標(biāo)準(zhǔn)中心距安裝條件下的受力情況如以下列圖所示，假設(shè)忽略齒面間的摩擦力，那么只有沿嚙合線作用于齒面上的正壓力。可分解為圓周力和徑向力。圖3.15直齒圓柱齒輪的受力分析由圖中可知各力的大小關(guān)系為：式中：為齒輪間傳遞的扭矩，；為大齒輪的節(jié)圓直徑，；為傳動(dòng)角，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，。那么圖3.14軸的載荷受力分析圖由水平面受力圖可解得由垂直面受力圖可解得那么水平面所受最大彎矩垂直面內(nèi)所受最大彎矩那么軸所受的最大彎矩為軸所受的彎矩和扭矩，便可以針對(duì)某些危險(xiǎn)截面進(jìn)行彎扭合成強(qiáng)度校核計(jì)算。對(duì)于一般鋼制的軸，危險(xiǎn)截面上的計(jì)算應(yīng)力可按第三強(qiáng)度理論〔最大剪應(yīng)力理論〕計(jì)算。查[8]式可得校核公式為：式中：為計(jì)算彎矩，；為軸的抗彎截面模量，對(duì)于實(shí)心軸，〔為危險(xiǎn)截面直徑〕；為根據(jù)轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生應(yīng)力的性質(zhì)而定的應(yīng)力校正系數(shù)，對(duì)于不變化的轉(zhuǎn)矩，；為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力，一般轉(zhuǎn)軸的為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。那么由上式可得：軸的材料選用45號(hào)鋼，查[8]表軸的常用材料及其主要機(jī)械性能以及表軸的許用彎曲應(yīng)力得=55那么<,滿足設(shè)計(jì)要求。因?yàn)檩S豎直放置，支撐軸的軸承采用角接觸球軸承，承當(dāng)少許軸向力。整個(gè)腰部關(guān)節(jié)的軸承選用雙列深溝球軸承承當(dāng)徑向載荷，另外一止推軸承承受軸向載荷，軸承均采用脂潤(rùn)滑，一般情況下，軸的設(shè)計(jì)滿足要求，軸承不會(huì)出現(xiàn)問題，因此，軸承的校核在此就不在贅述。第4章機(jī)器人肩部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)機(jī)器人肩部關(guān)節(jié)是聯(lián)接機(jī)器人腰部和大臂的重要部位，固定件為肩關(guān)節(jié)，執(zhí)行件為大臂。軸的運(yùn)動(dòng)范圍為，運(yùn)動(dòng)速度為，即為。肩部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)比擬簡(jiǎn)單，直接采用諧波減速器減速即可。圖4.1肩部關(guān)節(jié)傳動(dòng)原理圖肩部伺服電機(jī)的選用參照腰部伺服電機(jī)的計(jì)算過程，查德國(guó)博美特BONMET伺服電機(jī)資料。經(jīng)比擬選用的伺服電機(jī)型號(hào)為BONMETSM系列80系列SM80-024-30LFB查80系列電機(jī)參數(shù)表得伺服電機(jī)SM80-024-30LFB主要參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速：3000轉(zhuǎn)子慣量：肩部諧波減速器的選用參照腰部諧波減速器的選用過程，查德國(guó)的HarmonicDriveAG〔和諧驅(qū)動(dòng)〕公司的CGS-2UHUnits系列產(chǎn)品資料。經(jīng)比擬選用諧波減速器的型號(hào)為HarmonicCSG-45-100-2UH-SP查諧波減速器CSG-2UHSize參數(shù)表得諧波減速器CSG-45-100-2UH-SP主要參數(shù)如下：重復(fù)峰值極限轉(zhuǎn)矩：平均極限轉(zhuǎn)矩：2000的額定轉(zhuǎn)矩：瞬時(shí)峰值的極限轉(zhuǎn)矩：最大輸入轉(zhuǎn)速：油潤(rùn)滑5600脂潤(rùn)滑4000平均輸入極限轉(zhuǎn)速：油潤(rùn)滑3600脂潤(rùn)滑3000瞬時(shí)慣量：重量：5第5章機(jī)器人肘部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)機(jī)器人肘部關(guān)節(jié)是聯(lián)接大臂和小臂的重要部位，固定件為大臂，執(zhí)行件為肘關(guān)節(jié)。軸的運(yùn)動(dòng)范圍為，運(yùn)動(dòng)速度為，即為。肘部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)比擬簡(jiǎn)單，直接采用諧波減速器減速即可。圖5.1肘部關(guān)節(jié)傳動(dòng)原理圖肘部伺服電機(jī)的選用參照腰部伺服電機(jī)的計(jì)算過程，查德國(guó)博美特BONMET伺服電機(jī)資料。經(jīng)比擬選用的伺服電機(jī)型號(hào)為BONMETSM系列80系列SM80-0