喷涂机器人的结构设计

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1、喷涂机器人的构造设计1 绪论1.1 机器人的现状和进展趋势机器人是一个在三维空间中具有多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业协会提出的工业机器人定义为：“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机”。英国和日本机器人协会也承受了类似的定义。我国的国家标准 GB/T12643-90 将工业机器人定义为：“机器人是一种能自动定位把握、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业”。而将操作机定义为：“具有和人手臂相像的动作功能，可在空间抓放物体或进展其它操作的机械装置56

2、8”。自从机器人在 20 世纪 50 年月诞生以来，在短短的 50 多年里得到了快速的进展，它经受了第一代工业机器人的争辩、有用化、普及，其次代感知功能机器人的争辩、有用化， 以及第三代智能机器人的争辩等各个阶段。近几年国外机器人领域进展有如下几个趋势：1） 工业机器人性能不断提高高速度、高精度、高牢靠性、便于操作和修理，而单机价格不断下降，平均单机价格从 1991 年的 10.3 万美元降至 1997 年的 6.5 万美元。2） 机械构造向模块化、可重构化进展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块扮装配机器人产品问市

3、。3） 工业机器人把握系统向基于 PC 机的开放型把握器方向进展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，把握柜日见小巧，且承受模块化构造，大大提高了系统的牢靠性、易操作性和可修理性。4)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演进展到用于过程把握。如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。我国的机器人争辩始于 20 世纪 70 年月。经过 30 多年的努力，从80 年月“七五”科技攻关开头起步，在国家的支持下，通过科技人员几十年的科技攻关，目前已根本把握了机器人操作机的设计制造技术、把握系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术， 生产了局部机器人关键元器件，开发出喷漆、

4、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线站上获得规模应用， 弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有肯定的距离，如：牢靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上缘由主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、本钱也不低，而且质量、牢靠性不稳定。因

5、此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进展全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，乐观推动产业化进程。61.2 机器人的构造概述机器人系统一般由操作机、驱动单元、把握装置和为了使机器人进展作业而要求的外部设备组成。1.2.1 操作机操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相像的动作功能。通常由以下局部组成：a. 末端执行器又称手部，是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。b. 手腕 是支承和调整末端执行器姿势的部件，主要用来确定和转变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有 23 个回转自由度以调整末端执行器的姿

6、势。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。c. 手臂 它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿势的变化范围和运动范围。d. 机座 有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的根底部件。可分固定式和移动式两类。1.2.2 驱动单元它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件供给动力和运动的装置。1.2.3 把握装置它是由人对机器人的启动、停机及示教进展操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。1.2.4 人工智能系

7、统它由两局部组成，一局部是感觉系统，另一局部为决策规划智能系统。1.3 课题争辩的目的、意义和主要内容制造业是一国工业之基石，它为技术、产品的开发和现代工业生产供给重要的手段，是不行或缺的战略性产业。即使是兴旺工业化国家，也无不高度重视。机器人在工业生产中被运用的广泛程度正是表达了一个国家的工业自动化程度。从某种意义上讲，也反映了一个国家的工业进展水平状况。每当人们在冲压、安装和整车组装生产线上很屡次地重复同一个取放、安装零件的时候,往往求助于机器人,尤其在喷涂作业那种恶劣的环境中, 机器人的使用大大减轻了工人的体力劳动，改善了工作状况,削减了产品的生产加工本钱。以机器人为代表的现代自动把握科

8、学的进展对装备制造业注入了强劲的动力，同时也对它提出更强要求，更加突出了机械装备制造业作为高技术产业化载体在推动整个社会技术进步和产业升级中无可替代的根底作用。作为国民经济增长和技术升级的原动力，以机器人为标志的机械装备制造业将伴随着高技术和兴产业的进展而共同进步。目前，全世界的机器人保有量为几百万台，其中绝大局部为日、美等工业兴旺国家全部。我国目前拥有机器人 4000 多台，主要在工业兴旺地区应用。在机器人的应用方面， 与兴旺国家还有肯定的差距，所以我国将来的机器人的市场需求将是巨大的，在喷涂行业， 为了避开人在有毒、易燃、易爆的恶劣环境下工作，削减喷涂的废品，提高喷涂质量，提高劳动生产率，

9、迫切要求实现喷涂自动化。目前，喷涂机器人主要应用在汽车制造及家电生产领域，在木制品外表裝饰中应用较少。所以今后的市场需求会很大，本课题正是应对这种市场需求成立的。本课题争辩的主要内容是：为了到达喷涂工艺的要求和满足不同外形的外表喷涂要求，设计具有 6 个自由度的喷涂机器人，即腰关节的转动、大臂的摇摆、小臂的摇摆、手腕转动、手腕俯仰以及工具滚动。喷涂机器人的本体构造为：机器人的机座即底部和腰部的固定支撑构造、腰关节传动装置、大臂即大臂支撑架构造及大臂传动装置、小臂即小臂支撑架构造及小臂关节转动装置、手腕即手腕支撑架构造及手腕关节转动装置。主要对机器人的传动系统进展设计计算，机构布局设计、腰关节传

10、动系统的设计、大小臂关节传动系统的设计、腕部传动系统的设计等。以及对组成各个转动关节的传动零部件进展设计、选择、校核、计算。最终，完成机器人整机的设计。2 设计方案确实定2.1 总体方案确实定2.1.1 设计方案的争辩为了到达喷涂工艺的要求和满足不同外形的外表喷涂要求，所以机器人有 6 个自由度， 即腰关节的转动、大臂的摇摆、小臂的摇摆、手腕滚动、手腕俯仰以及工具滚动。能实现上述要求的，可以有不同的运动组合，可供选择、参考的设计方案有以下四种4：2.1.1.1 圆柱坐标型这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在一样的工作空间

11、条件下，机体所占体积小，而运动范围大。2.1.1.2 直角坐标型直角坐标型工业机器人，其运动局部由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿势的编程计算，定位精度高、构造简洁，但机体所占空间体积大、机敏性较差。2.1.1.3 球坐标型又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有构造紧凑、工作空间范围大的特点，但构造简单。2.1.1.4 关节型关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢

12、类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摇摆，小臂作俯仰摇摆。其特点使工作空间范围大，动作机敏，通用性强、能抓取靠进机座的物体。关节型构造的机器人在一样体积条件下比非关节型机器人具有大得多的相对空间和确定空间。按设计要求、经比照分析确定，本课题承受的机器人的构造形式为关节型。2.1.2 本体构造布局设计合理确定机器的布局是机械设计的一个重要环节，它对机械的设计、制造与使用都有很大的影响。本次设计的机器人主要有 5 大局部组成：机座、腰关节立柱、大臂、小臂和手腕。腰关节立柱垂直布置于机座上，

13、大臂联结在立柱上，小臂联结在大臂的另一端，小臂的另一端和手腕联结。本次设计的机器人的布局简图如图 2-1：图 2-1机器人的构造布局简图2.2 传动方案确实定2.2.1 驱动方式目前机器人关节常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动和电动机驱动等多种方式。各种驱动方式有其自身的特点，在工业机器人中液压和气动驱动应用很广泛，有些机器人则同时使用多种驱动方式，这都视不同机器人的特点和要求所定。比较这些驱动方式的特点， 从中选出适合机器人关节的驱动方式9。2.2.1.1 液压驱动液压驱动的特点有：1） 驱动力和驱动力矩较大，臂力可到达 1000N 左右；2） 速度反响性较好。由于被驱动件的速度快慢取决于油

14、液容积的变化，所以当不考虑油液温度的变化时，被驱动系统的滞后也是几乎没有的，而且液压机构的重量轻、惯性小，因此它的速度响应性较好；3） 调速范围大，而且可以无级调速，易于适应不同的工作要求；4） 传动平稳，能吸取冲击力，可以实现较频繁而平稳的换向；5） 在产生一样驱动力的条件下，液压驱动比其他驱动方式体积小、重量轻、惯性小；6） 定位精度比气动高，比电动低；7） 液压系统的漏油对机构的工作稳定性有肯定的影响；8） 油液中假设混入气体，将降低记取的刚性，影响定位精度；9） 油液的温度和黏度的变化影响传动性能；10） 需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。液压驱

15、动方式输出力和功率较大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。2.2.1.2 气压驱动气压驱动的特点有：1） 通过调整气流，就可以实现无级变速；2） 由于压缩空气粘性小，流速大，因此气压驱动的机器人关节速度快；3） 压缩空气可以从大气中猎取，故动力源获得便利、价格低廉、而且废气处理便利；4） 由于压缩空气粘性小，故在管路中的压力损失也很小，一般其阻力损失不到油液在5油路中损失的千分之一，故压缩空气可以集中供给，远距离传输；5） 压缩空气的压缩性较大，因此使得传动平稳性较差，定位精度较低；而且压缩空气排到大气中时噪声较大，另外还需考虑润滑和防锈等；6） 压缩空气的压力较低，致使机器人机构较

16、大；7） 空气压缩性大，工作平稳性差，速度把握困难，要到达准确的位置把握很困难； 因此，气压驱动的机器人常用于臂力小于300N、运动速度较快以及高温、高粉尘等工作环境恶劣的场合。2.2.1.3 电动机驱动电动机驱动可分为一般沟通电动机驱动，交、直流伺服电动机和步进电动机驱动。一般交、直流电动机驱动需要加减速装置，输出力矩大，但把握性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。步进电动机输出力矩相对较小，把握性能好，可实现速度和位置的准确把握，适用于中小型机器人。电动机适用简洁，且随着材料性能的提高，电动机性能也渐渐提高。从相关文献及资料得知，电动机驱动可避开电能转换为压力能的中间环节，效率比液压和气

17、压驱动要高；电动机系统将电动机、测速机、编码器、减速器及制动器组装在一次加工的壳体中，使得整个电机系统体积小，牢靠性和通用性也得到大的提高；另为，电动机依据运行距离及电动机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可到达格外高的位姿准确度，这些都是电动机驱动的优点。相对的，液压与气压驱动系统组成机构繁琐，维护不便利，液压源和气压源装置体积较大。所以目前机器人关节驱动渐渐为电动机所取代。在查阅和比照多种机器人的驱动方式后，本次设计的机器人承受直流伺服电机驱动。2.2.2 传动方式传动装置是一种能量转化兼其他作用的装置，它的主要作用有：能量的安排与传递、运动形式的转变、运动速度的转变，传动通常分两类

18、:第一类是机械不发生转变的传动 机械传动；另一类是机械能转变为电能或电能转变为机械能的传动电传动。机械传动又可分为啮合、摩擦传动和流体传动三大类。考虑机器人构造的实际状况，带传动、齿轮传动、链传动、蜗杆传动和谐波齿轮传动是其可能的传动方式。以下将对这几种传动方式进展比较。2.2.2.1 带传动带传动通常是由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的传动带组成。当主动轮回转时依靠带和带轮接触面之间的摩擦力拖动从动轮一起回转，从而传动肯定的运动和动力。带传动具有的优点有：由良好的挠性和弹性，有吸振和缓冲的作用，因而使带传动平稳、噪声小；有过载保护作用，当过载时引起带在带轮上发生相对滑动，可防止其他零件的损毁；

19、制造、安装精度和齿轮传动相比较低，构造简洁，制造、安装、维护均较便利， 适合于两轴之间中心距较大的传动。带传动的主要缺点有：由于弹性滑动的存在，使得传动效率降低，不能保证准确的传动比；由于带传动需要初始张紧，因此当传递一样大的圆周力时，与啮合传动相比，轴上的压力较大；构造尺寸较大，不紧凑；传动带寿命较短；传动带和带轮之间会产生摩擦放电现象；不宜用于有爆炸危急的场合。现在一些型带传动形式，如高速带传动、同步带传动、多楔带传动已经抑制了以上大局部的缺点。2.2.2.2 链传动链传动是由链条和主、从动链轮所组成的。链轮制造有特别齿型的齿，依靠链轮齿和链条的链节来传递运动和动力。链传动是属于带有中间挠

20、性件的啮合传动。与属于摩擦传动的带传动相比，链传动没8有弹性滑动和打滑现象，因而能保证准确的平均传动比，传动效率较高；又由于链条不需要像带那样张得很紧，所以作用在轴上的径向压力较小；在同样使用条件下，链传动构造比较紧凑。与齿轮传动相比，链传动的制造安装要求精度较低，本钱低廉；在远距离传动时，其构造比齿轮传动轻松的多。链传动的主要缺点是：在两根平行轴之间只能用于同向回转的传动；传动时不能保证准确的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪声，不宜在速度变化很大和急速方向的运动中应运。链传动主要用于要求工作牢靠，且两轴距离较远，以及其它不宜用齿轮传动的场合。2.2.2.3 齿轮传动齿轮传动是机械传动

21、中应用最为广泛的一类传动，常用的渐开线齿轮传动具有以下一些主要特点：传动效率高，在常用的机械传动中，齿轮传动的效率是最高的。一级圆柱齿轮传动在正常润滑条件下的效率可到达 99%以上，在大功率传动中，高传动效率是格外重要的；传动比恒定，齿轮传动具有不变的瞬时传动比，因此齿轮传动可用于圆周速度为 200m/s 的以上的高速传动；构造紧凑，在同样使用条件下，齿轮传动所需要的空间尺寸比带传动和链传动小的多；工作牢靠，寿命长，齿轮传动在正确安装、良好润滑和正确维护的条件下， 具有其它机械传动无法比较的高牢靠性和寿命。齿轮传动的主要缺点有：对齿轮制造、安装要求高，齿轮制造常用插齿机和滚齿机等专用机床及专用

22、工具；通常的齿轮传动为闭式传动，需要良好的维护保养，因此齿轮传动的本钱和费用高；并且齿轮传动不适合中心距较大的两轴之间的动力传递。2.2.2.4 蜗杆传动蜗杆传动一种空间齿轮传动，能实现穿插角为 90的两轴间的运动和动力的传递。蜗杆传动与圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动相比具有构造紧凑、传动比大、传动平稳和可以自锁等显著优点。蜗杆传动的主要缺点是：齿面摩擦大、发热量高，传动效率低。蜗杆传动通常用于中、小功率非长时间连续工作的应用场合。2.2.2.5 谐波齿轮传动谐波传动包括三个根本构件：柔轮、刚轮和波发生器。如图 2-2 所示。三个构件中可以任意固定一个，其余两个一个固定，一个从动，可以实现减速或增

23、速固定传动比， 也可以换成两个输入、一个输出，组成差动传动。谐波传动主要用于军工、周密仪器生产、医疗器械、起重机、机器人等。刚轮波发生器柔轮图 2-2谐波减速器构造图谐波齿轮传动的特点如下：1） 构造简洁，重量轻、体积小。由于谐波齿轮传动比一般齿轮传动的零件数目大大削减，其体积可比一般齿轮传动体积小 20%50%。2） 传动比范围大，一般单级谐波齿轮传动，传动比为 60500；当承受行星发生器时， 传动比为 1504000；而承受复波传动时，传动比可达10 7 。3） 承载力量高。由于谐波齿轮传动同时啮合齿数多，即同时承受载荷的齿数多，在材料的力学性能和传动比一样的状况下，齿的强度保持肯定时，

24、其承载力量比其他形式的传动可大大的提高。4） 损耗小，效率高。这是由于齿的相对滑动速度极低，因此它可在加工粗糙度和润滑条件差的状况下工作。5） 齿的磨损小且均匀。由于齿的啮合是面接触，啮合齿数多，齿面比压小，滑动速度，所以对于齿的磨损小且均匀。6） 运动平稳，无冲击。由于柔轮和刚轮啮合时，齿与齿间均匀接触，同时齿的啮入和啮出是随柔轮的变形渐渐进入和退出刚轮齿间的。7） 可以向密封空间传递运动。由于弹性件柔轮被固定后，它既可以作为封闭传动的壳体，又可以产生弹性变形，即产生错齿运动，从而到达传递运动的目的。因此，它可用在操纵高温、高压的管道以及用来驱开工作在高真空、有原子辐射和有害介质空间的机构。

25、在谐波齿轮传动中，柔轮加工较困难，对柔轮轴承的材料及制造精度要求较高。表2-1 列出了各种传动形式的传动效率：2.2.3 传动方案表 2-1 主要传动形式的效率传动方式传动效率带传动0.90.98链传动0.930.97圆柱齿轮传动0.90.99圆锥齿轮传动0.880.98蜗杆传动0.40.98谐波齿轮传动0.70.9丝杠传动0.850.95依据本设计的要求，参考国内外工业机器人的典型构造，初步对各个回转关节的构造和驱动方案单独分析。2.2.3.1 腰关节传动方案方案一：如图2-3 所示，电机安装在底座上面，其输出轴经过二级圆柱齿轮减速后， 由第一关节输出轴带动整个腰部在基座上回转。方案二：如图

26、 2-4 所示，电机安装在底座上面，其输出轴先经谐波减速器减速后， 再经过圆柱齿轮减速，带动第一关节输出轴，使整个腰部在基座上回转。两种方案在传动实现上，都是可行的。方案一全部用齿轮来到达减速的目的，传动构造略简单一点，造成腰部的转动惯量大，机构尺寸大，影响机器人的响应性。方案二承受了减速比大、体积小、重量轻、精度高、回差小、承载力大、噪音小、效率高、定位安装便利的杯型谐波减速器，再经过一对直齿圆柱齿轮来到达传动要求，构造紧凑。所以， 方案二的构造紧凑性优于方案一，而且构造简洁，适用于计算机把握。故综合考虑，选择方案二。图 2-3腰关节回转方案一示意图图 2-4 腰关节回转方案二示意图2.2.

27、3.2 大小臂关节传动方案方案一：如图 2-5 所示，大臂和小臂转动都是先通过谐波减速器减速，再经过锥齿轮换向带动来实现的。方案二：如图 2-6 所示，大臂和小臂的转动都是通过谐波减速器减速后直接带动来实现的。两个关节的电机和减速器均布置在同一轴线上。两种方案在传动实现上，都是不错的。方案二的构造设计简洁一些，可以减轻臂部的重量，但整体的尺寸相对方案一加大了。方案一的构造较方案二简单，但布局较方案二更合理。结合本课题的实际条件，选择方案二。9图 2-5 大臂和小臂转动方案一示意图图 2-6 大臂和小臂转动方案二示意图2.2.3.3 腕关节传动方案手腕关节的传动如图 2-7 所示，三个关节的转动

28、都是通过谐波减速器，再经过齿轮的减速或者转变方始终实现的。这样设计的腕部构造紧凑而且刚性较大，关节活动范围大。图 2-7 腕关节传动示意图2.3 机器人的根本参数确定2.3.1 工作空间确实定依据关节型机器人的构造确定工作空间。工作空间是指机器人正常工作运行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数。此机器人的工作空间 1800mm。如以下图 2-8：10图 2-8 机器人的工作空间简图2.3.2 机器人的工作要求该机器人的特点是工作范围大，动作机敏，通用性强，构造较紧凑，能抓取靠近机座的物体。依据其用途和特点提出如下技术参数：自由度数目：6 个坐标形式：垂直关节型额定负载质

29、量：5Kg最大活动半径：1800mm 本体重量：120Kg各关节回转范围和最大工作转速见下表 2-2。表 2-2 各关节转动范围和最大工作转速各关节部件最大工作范围最大工作转速rad/s腰部回转关节1701.96大臂转动关节+150、-901.57小臂转动关节1701.57小臂转动关节3603.93腕部摇摆关节1202.94工具滚动关节3603.93113 机器人主要零部件的设计、计算3.1 腰关节传动系统的设计腰关节的传动是由电机通过谐波减速器减速，再通过齿轮传动带动腰部及整个机器人本体转动。总的传动比 i =160,其中i1= 80 ， i2= 2 。3.1.1 腰关节驱动电机的选择初选电

30、机：选择直流伺服电机，型号为SYX-130、额定功率 P=1.5kW、额定转矩T= 7.5N m 、额定转速nNN=3000r/min、峰值转矩Tmax=60 N m 。谐波减速器选择：型号为 XB-100、输出转矩 T=200n m、i2机器人的受力状况如图 3-1 所示：=80、输出转速 n=37.5r/min.图 3-1 机器人的受力简图腰关节的负载转动惯量 J以下所计算的转动惯量均为折算到电机轴上的转动惯量J = J + J+ J+ J+ J+ J(3-1)1谐小大34外部负载的转动惯量: J21即大小臂、手腕、夹持重物的转动惯量m r 2 + m r 2 + m r 2J=111h

31、h1223 i 23(3-2)式中h、h 分别表示谐波减速器和齿轮传动的效率。h12=0.8、h12=0.98把数字代入公式(3-2)得:J= 20 0.62 + 10 1.12 + 10 1.8210.8 0.98 1602=0.002576 m 212内部构造及传动系统的转动惯量15谐波减速器的转动惯量: J=0.000546 查文献14谐0.5m r 20.5rpb r 4小齿轮的转动惯量: J=小11=h i 21 1h i 2(3-3)1111= 0.5 7900 3.14 0.036 0.07540.8 802=0.0000028 式中： m1：小齿轮质量， r ：小齿轮分度圆半径

32、 m， r ：密度(/ m 3)， b ：小1齿轮宽度(m)。大齿轮的转动惯量: J0.5 m r 2=2 20.5 rpb r 4=2 2大h h12 i 2h h12 i 2= 0.5 7900 3.14 0.032 0.1542120.8 0.98 1602=0.00001 m(r 2 + r 2 )rhp(r 2- r 2 )(r 2 + r 2 )121立柱的转动惯量：J=3=2h h i 2122h h i 212(3-4)= 2700 0.104 3.14(0.052 - 0.04252 )(0.052 + 0.04252 )2 0.8 0.98 1602=0.000000065

33、 式中：m ：立柱质量，r1：立柱外半径m，r2：立柱内半径m，r ：密度(/ m3 )，h ：立柱高度m。大臂关节传动系统的转动惯量：估算得 J4由公式3-1得 J=0.0032 =0.000035 假设电机从 0 加速到 3000 r/min 所用的时间为 0.25s，则角加速度a = w =2pnN2 3.14 3000=1256 rad / s 2(3-5)t60t60 0.25负载折算到电机轴上的转矩T = (J+ J ) a(3-6)0=(0.00082+0.0032)1256=5.05 N m因此折算到电机轴上的负载转矩 T=5.05 N m 电机的额定转矩T= 7.5N m 。

34、电机N的选择符合要求。3.1.2 腰关节传动齿轮的设计、计算(1) 使用条件分析主动轮转速: n1=37.5r/min谐波减速器的输出转速齿数比 u=2由于谐波减速器输出的转矩 T为 202200 N mm , 所以主动轮的转矩也为1202200 N mm 。2设计任务确定一种能满足功能要求和设计约束的较好的设计方案，包括：一组根本参数： m 、z 、 z12、 x 、 x12、f，主要几何尺寸： d 、dd12、a 等。1选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力 按使用条件选用软齿面齿轮。小齿轮：45 号钢，调质处理，硬度为 230-255HBS； 大齿轮：45 号钢，正火处理，硬度为 190

35、-217HBS。 确定许用应力a. 确定极限应力s和sH limP lim齿面硬度:小齿轮按 230HBS，大齿轮按 190 HBS。查文献1得s=580MPa,H lim1s=550 MPa; 查文献1得s=220 MPa, s=210 MPa。H lim 2P lim1P lim 2b. 计算应力循环次数 N，确定寿命系数Z、YNNN =60a n11t=60137.5(1030016)=1.08108(3-7)N1.08108N= 1 =0.54108(3-8)2u2查文献1得Z= Z=1； Y= Y=1。N 1N 2N1N 2c. 计算许用应力查文献1取S=1， S=1.4。H min

36、F minsHP1sZ= H lim1N 1SH min= 580 11MPa=580 MPa(3-9)sHP2sZ=H lim 2N 2SH min= 550 1 MPa=550 MPa1ss= FYYN1 = 220 2 1MPa=314.28 MPa(3-10)FP1lim1 STSF min1.4sFP 2sYY= F lim 2 STN 2SF min= 210 2 1 1.4MPa=300 MPa 初步确定齿轮的根本参数和主要尺寸a.选择齿轮类型依据齿轮传动的工作条件，选用直齿圆柱齿轮。b.选择齿轮精度等级初步选用 6 级精度。c.初选参数初选： z1=100、 z2=200、 x

37、 = x12=0、fd=0.2d.初步计算齿轮的主要尺寸由于选用软齿面齿轮方案，其齿面强度相对较弱些，故按接触强度设计较合理，即按下式(文献1)设计。(Z3HEsZZe)2 2KT (u +1)21f uHPdd =3-111所以需要先确定系数：K、ZH 、ZE 、Ze 。取 K=1、 K =1.05、 K=1.13、 K=1.2，则 K= KKKK=1.424。AvbaAvbaMPa查文献1得Z=2.45、Z=189.8HE、Ze =0.8。代入公式3-11得：2.45 189.8 0.83 (55032 1.424 2022000.232 +12d =)21=125.03mmm = d1z

38、= 125.03 =1.250mm。取标准模数m =1.5mm。1001 d = m z11=1.5100=150mm、d2= m z2=1.5200=300mma=0.5 m ( z + z12) =0.51.5(100+200)=225b=fdd =0.2150=30mm,取b12=32mm, b = b12+(510)=32+6=38mme.验算齿轮弯曲强度条件按弯曲强度条件及下式验算：2KTs=1 YYY s3-12Fbd m1FaSa eFP查文献1得YFa1=2.21， YFa 2=2.18， YSa1=1.78， YSa 2=1.85，取Ye=0.7。计算弯曲应力：sF1= 2

39、1.424 202200 2.211.78 0.7 =183.45 MPas38150 1.5FP1s=sYYFa 2 Sa 2=183.45 2.181.85 =188.07 MPasF 2F1 YY2.211.78FP 2Fa1 Sa1计算结果说明该设计满足强度要求。3.1.3 腰关节立柱轴承的校核依据腰关节的传动状况得知轴承的转速n =18.75 r/min,立柱与轴承的受力状况如图 3-2所示：图 3-2腰关节立柱与轴承的受力简图（1） 轴的受力分析： 立柱传递的最大转矩：T =400000 N mm 由谐波减速器输出的转矩打算 大齿轮的圆周力：2TF =td23-13大齿轮的径向力：

40、= 2 400000 =2666.7 N300F = Frt tanan3-14（2） 轴承的校核：=2666.7 tan 20 =970.6 N依据工况，选择轴承的型号为 61820。 预期轴承的寿命 L =50000 h。查文献14得：hC =20220NrC=22022 N0r由文献1查得： f=1.0 轴承所受载荷平稳p通过计算轴承I 所承受的径向力 Fr1=1388 N，轴承 II 所承受的径向力 Fr 2=417.4 N。轴承承受的轴向力主要是机器人大小臂及外部载荷的重力，假设总的质量 W 为 70kg,则轴向力：Fa1计算当量动载荷：= F= Fa1a 2=70 9.8=686

41、N16轴承 I：F 1 =686=0.03118由文献1得aC22022030查文献1，用线性插值法求得： e1F=0.2245。686a1 =0.497 eF13881r1由e 查文献1，并用线性插值法求得： X11=0.56， Y1=1.96。由此可得：P = f X1p1F+ Y Fr11a1F=1.00.56 1388+1.96 686=2120.8 N686轴承 II：a 2 =0.03118C22000查文献1，用线性插值法求得： e =0.2245。2F686F2a 2 = 417.4 =1.64 er 2由e 查文献1，并用线性插值法求得： X=0.56， Y =1.96。由此

42、可得：222P = f X2p2F+ Yr 22F=1.00.56 417.4+1.96 686=1577.3 Na 22轴承寿命 Lh计算：因 P P，故按轴承I 计算轴承的寿命 ：12e106CL =()3-15h60nP310620220=() =756722 h L =50000 h 所选轴承 61820 合格。60 18.75 2120.8h式中e 为寿命指数，对于球轴承e =3；对于滚子轴承e =10/3。3.2 大臂关节传动系统的设计大臂关节的传动是由电动机通过谐波减速器直接带动大臂转动。总的传动比i =100。3.2.1 大臂关节驱动电机的选择初选电机：选择直流伺服电机，型号为

43、SYX-176、额定功率 P=2.4kW、额定转矩T= 16N m 、额定转速nNN=1500r/min、峰值转矩Tmax=128 N m 。谐波减速器选择：型号为 XB-120、输出转矩 T=560 N m 、i =100、输出转速 n=15r/min。折算到电机轴上的负载静转矩Tl：见图 3-1m grT =11+ m gr22+ m gr333-16lh i= 20 9.8 0.6 + 10 9.8 1.1 + 10 9.8 1.8 0.8 100=5.0225 n m折算到电机轴上的负载加速转矩TaT：= (J+ J+ J ) a3-17由公式3-2得 Jm r 2=1 1+ m r

44、22 2a120+ m r 23 31h i2= 20 0.62 +10 1.12 +10 1.820.81002=0.00646 m 2J为谐波减速器的转动惯量： J=0.0018 m 222J 为电机电枢的转动惯量： J =0.0012 m 200假设电机从 0 加速到 1500 r/min 所用的时间为 0.25s，则角加速度a = w = 2pnN= 2 3.14 1500=628 rad / s 2t60t60 0.25T =0.00646+0.0018+0.0012628 =5.9425 N ma折算到电机轴上的总的转矩 T = T + Tla矩T= 16N m 。电机的选择符合要

45、求。N=5.0225+5.9425=10.965 N m 电机额定转3.2.2 大臂关节谐波减速器的计算初选谐波减速器：谐波减速器选择型号为XB-120、输出转矩T=560 N m 、i=100、输出转速 n=15r/min。负载静转矩Tl= m gr11+ m gr22+ m gr33=209.80.6+109.81.1+109.81.8=401.8 N m负载转动惯量 Jl= m r 21 1+ m r 22 2+ m r 2 =20 0.62 +101.12 +101.82 =51.7 N m 3 3假设大臂关节从 0 加速到 90所用的时间为 0.6s，则角加速度a = w =t90p

46、 = 90 3.14180t180 0.6=2.62 rad / s 2负载加速转矩T = Jala =51.72.62=135.45 n m 总的负载转矩 T= Tl+ T=401.8+135.45=537.25 N m 谐波减速器的输出转矩aT=560 N m 。所以谐波减速器的选择符合要求。3.3 小臂关节传动系统的设计小臂关节的传动是由电动机通过谐波减速器直接带动大臂转动。总的传动比i =100。3.3.1 小臂关节驱动电机的选择初选电机：选择直流伺服电机，型号为SYX-176、额定功率 P=2.4kW、额定转矩T= 16N m 、额定转速nNN=1500r/min、峰值转矩Tmax=

47、128 N m 。谐波减速器选择：型号为 XB-120、输出转矩 T=560 N m 、i =100、输出转速 n=15r/min。折算到电机轴上的负载静转矩Tl：见图 3-12T = m2 gr+ m gr33= 10 9.81.1+10 9.81.8 =3.55 N mlh i0.8100折算到电机轴上的负载加速转矩T ：aT = (J+ Ja12+ J ) a022J =m2 r+ m r 23 310 1.12 +10 1.82=0.00556 m 21h i20.81002J为谐波减速器的转动惯量： J=0.00055 m 222J 为奠机电枢的转动惯量： J =0.0012 m 2

48、00假设电机从 0 加速到 1500 r/min 所用的时间为 0.25s，则角加速度a = w = 2pnN= 2 3.14 1500=628 rad / s 2t60t60 0.25T =0.00556+0.0018+0.0012628 =5.3757 N ma所以折算到电机轴上的总的转矩 T = Tl+ T =3.55+5.3757=8.9257 N m 电机额定转a矩T= 16N m 。电机的选择符合要求。N3.3.2 小臂关节谐波减速器的计算初选谐波减速器：谐波减速器选择型号为XB-120、输出转矩T=560 N m 、i =100、输出转速 n=15r/min。负载静转矩Tl= m

49、 gr22+ m gr33=109.81.1+109.81.8=284.2 N m负载转动惯量 Jl= m r2 22 + m3r 2 =101.12 +101.82 =44.5 N m3假设小臂关节从 0 加速到 90所用的时间为 0.6s，则角加速度w90p90 3.14a =t180t180 0.6=2.62 rad / s 2负载加速转矩T = Jala =44.52.62=116.59 N m 总的负载转矩 T= Tl+ T=284.2+116.59=400.79 N m 谐波减速器的输出转矩aT=560 N m 。所以谐波减速器的选择符合要求。3.4 手腕关节传动系统的设计、计算3

50、.4.1 手腕转动关节的设计、计算手腕转动关节的传动是由电动机通过谐波减速器，再通过齿轮来实现传动要求。总的传动比i =80，其中i1= 80,i2= 1。3.4.1.1 手腕转动关节驱动电机的选择初选电机：选择直流伺服电机，型号为SYX-70、额定功率 P=0.1kW、额定转矩T= 0.33N m 、额定转速nNN=3000r/min、峰值转矩Tmax=2.4 N m 。谐波减速器选择：型号为 XB-40、输出转矩 T=16 N m 、i1=80、输出转速 n=37.5r/min。设法兰及重物的最大回转半径 r=150mm。折算到电机轴上的腕部负载静转矩T ：lmT =3g r= 10 9.

51、8 0.15 =0.234 N mlh h12 i0.8 0.9880折算到电机轴上的转动惯量 J1mJ =3r 210 0.152=0.000045 m 21h h12 i20.8 0.98 802其它传动系统的转动惯量相对于腕部负载的转动惯量很小，所以无视不计。假设电机从 0 加速到 3000 r/min 所用的时间为 0.25s，则角加速度a = w =2pnN= 2 3.14 3000=1256 rad / s 2t60t60 0.25折算到电机轴上的腕部负载加速转矩T ：aT = Ja a =0.0000451256=0.0565 N m1所以这算到电机轴上的总的腕部负载转矩 T =

52、 Tl+ T=0.234+0.0565=0.29 N m a电机额定转矩TN= 0.33N m 。电机的选择符合要求。3.4.1.2 手腕转动关节谐波减速器的计算初选谐波减速器：谐波减速器选择型号为XB-40、输出转矩T=16 N m 、i =80、输出转速 n=37.5r/min。腕部负载静转矩Tl= m gr =109.80.15=14.7 N m3腕部负载转动惯量 J = m r 2 =10 0.152 =0.225 N ml3假设小臂关节从 0 加速到 90所用的时间为 0.4s，则角加速度w90p90 3.14a =t180t180 0.4=3.925 rad / s 2负载加速转矩

53、T = Jala =0.2253.925=0.883 N m 总的负载转矩 T= Tl+ T=14.7+0.883=15.58 N m 谐波减速器的输出转矩aT=16 N m 。所以谐波减速器的选择符合要求。3.4.1.3 手腕转动关节传动齿轮的设计由于在 3.1.2 节里对齿轮设计过程进展具体的说明，这里不再重复，只进展简洁的说明。（1） 要求分析主动轮转速: n1=37.5r/min谐波减速器的输出转速齿数比 u=1由于谐波减速器输出的转矩T1为16000 N mm ,所以主动轮的转矩也为16000 N mm 。（2） 选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力主动齿轮：45 号钢，调质处理，硬度为230-255HBS；从动齿轮：45 号钢，调质处理， 硬度为 230-255HBS。确定许用应力：a. 确定极限应力s和sH limP lim齿面硬度:主动齿轮按 230HBS，从动齿轮按 230HBS。查文献1得s=s=580H lim1H lim 2MPa;s=sP lim1P lim 2=220 MPa。b. 计算应力循环次数 N，确定寿命系数Z、YNNN = N12