毕业设计（论文）-汇交型腕部设计

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1、汇交型腕部设计目录摘要4Abstract5第一章 绪论61.1 引言61.2机器人组成81.3机器人分类91.3.1按用途分类91.3.2按控制形式分类101.3.3按驱动方式分类101.4 腕部结构选型101.4.1单自由度手腕121.4.2两自由度手腕121.4.3三自由度手腕131.4.4 通用机器人腕部结构选型141.5 本文主要内容15第二章 汇交型腕部设计方案172.1 腕部的结构特点172.1.1 概述172.1.2单自由度手腕172.1.3二自由度手腕182.1.4三自由度手腕182.1.5柔顺手腕结构192.2 腕部的驱动机构192.3 手腕结构的选择202.4 传动装置的运

2、动和动力参数计算222.4.1.选择电机222.5 传动装置的运动和动力参数252.5.1 各轴的转速25第三章 汇交型腕部相关零件计算及校核273.1 锥齿轮2，8的设计计算274.1.1 选材料并确定初步参数274.1.2 齿面接触疲劳强度计算274.1.3 齿根抗弯疲劳强度验算284.1.4 主要几何尺寸计算293.2锥齿轮4，6的设计304.2.1选材料并确定初步参数304.2.2 齿面接触疲劳强度计算304.2.3 齿根抗弯疲劳强度验算314.2.4 主要几何尺寸计算323.3轴的选用与校核333.4滚动轴承383.5键连接413.6销联接423.7螺纹联接42第四章 汇交型腕部三维

3、建模及仿真444.1 造型软件简介444.2交汇型腕部结构建模464.3交汇型腕部结构运动仿真分析50总结53致谢54参考文献55摘要 在工业上，机器人有着广泛的应用，尤其是在高温，高压，粉尘，噪音，以及带有放射性和污染的场合。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。手腕是连接末端执行器和手臂的关键，是联接手部与臂部的部件，它的作用是调整或改变工件的方位。本设计为三自由度工业机器人手腕，可以在两个方向上旋转在一个方向上弯转的汇交型腕部设计。在设计过程中使用了大量的标准零件以降低成本但是由于大量采用标准零件，使机器人手腕内部剩余空间比较大，如果加入部分非标准零件的话就可以节

4、约部分空间，使结构更加的紧凑，但是相应的成本也会随之提高。汇交型腕部的结构用CAD软件完成从建模到运动学分析。三维造型采用的造型软件为SOLIDWORKS, SOLIDWORKS以其易学易用、功能强大和互连互通的特点，推动了整个产品开发机构中个人效率和过程效率的提高。它既能节省时间和成本，又能提高产品质量。由于零件图是分开绘制，在装配过程中可能产生部分结构与设计不符的情况。如果采用整体设计的思路的话将可以使本设计的参数可调性有比较大的提高。本文的主要内容: （1）确定三自由度腕部的传动方案及传动系统设计； （2）回转力矩计算及其他相关计算； （3）零件设计与校核。轴承校核：设计中所用的所有重要

5、轴承都要经过强度校核。在满足尺寸和强度要求的情况下，尽可能地选用国产轴承，以降低机器人的成本。轴的校核：设计中所用的所有较重要的轴都要经过强度校核和刚度校核。齿轮选用：设计中所用的所有齿轮都要经过强度校核。键及花键：设计中所用的所有较重要的键及花键都要经过强度校核。销与螺钉：设计中所用的所有较重要的销与螺钉都要经过强度校核。 （4）零件图的绘制与三维模型建立； （5）绘制装配图及运动仿真。关键词：机器人 汇交型 腕部设计 SOLIDWORKS 运动仿真Abstract Has been widely used in industry, robot, especially at high tem

6、perature, high pressure, dust, noise, and radioactive pollution occasion. Industrial robots are relatively new electronic devices, it is beginning to change the appearance of modern industry. Wrist is the key to the connection terminal actuator and arm, is to join hand and arm parts, its role is to

7、adjust or change the orientation of the workpiece. This design for three degrees of freedom industrial robot wrist, can rotate in one direction in two directions on the ways of concurrent wrist type design. In use a lot of standard parts in the design process in order to reduce cost but due to the u

8、se of standard parts, makes the robot wrist to the remaining space is larger, if add some non-standard parts can save some space, make the structure more compact, but the cost will increase accordingly. Concurrent type structure of the wrist finish from modeling to kinematics analysis with CAD softw

9、are. 3 d modelling using modeling software SOLIDWORKS, SOLIDWORKS with its easy to learn easy to use, powerful functions and the characteristics of interconnection and interflow, promoted the individual efficiency throughout the product development organization and the improvement of process efficie

10、ncy. It can save time and cost, and can improve the quality of products. Because the parts are separate mapping, part of the structure may be produced during the process of assembly does not accord with design. If adopt the overall design train of thought will be able to make this design parameter a

11、djustable there is a big improvement. The main content of this article: (1) to determine the three degrees of freedom the wrist transmission scheme and system design; (2) torque calculation and other related calculation; (3) the component design and checking. Bearing checking: used in the design of

12、all the important bearing through the strength check. In circumstances that could satisfy the requirement of size and strength, as far as possible choose domestic bearing, in order to reduce the cost of the robot. Check shaft: used in the design of all the more important are through intensity and ri

13、gidity of the shaft. All gear used in the design of gear selection: go through strength check. Button and spline is used in the design of all keys and spline is more important to after stress test. Used in the design of pin and screw: all the more important pin and screw through the strength check.

14、(4) parts figure drawing and 3 d model; (5) drawing assembly and motion simulation.Keywords: concurrent type robot wrist design SOLIDWORKS motion simulation第一章 绪论1.1 引言 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要

15、办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵

16、工件进行加工。 机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Han

17、d”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这

18、三部分组成，如图 1-1 所示。图1-1 机器人的一般组成对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。 图1-2 机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动

19、传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习

20、惯用语，对工业机器人作如下定义：工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机

21、构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。1.2机器人组成机器人主要由驱动装置、控制系统和执行机构三大部分组成。1.2.1驱动装置工业机器人的

22、驱动装置包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与执行机构连成一体。传动机构常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮轮系。驱动器通常有电机(直流伺服电机，步进电机，交流伺服电机)，液动和气动装置，目前使用最多的是交流伺服电机。1.2.2控制系统 控制系统一般由控制计算机和驱动装置伺服控制器组成。后者控制各关节的驱动器，使各杆按一定的速度，加速度和位置要求进行运动。前者则是要根据作业要求完成偏差，并发出指令控制各伺服驱动装置使各杆件协调工作，同时还要完成环境状况，周边设备(如电焊机，工卡具等)之间的信息传递和协调工作。1.2.3执行机构执行机构由腰部、基座、手部、腕部和臂部等运动部件组成。1

23、) 腰部 腰部是连接臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动再加上臂部的平面运动，就能使腕部作空间运动。腰部是执行机构的关键部件，它的制造误差，运动精度和平稳性，对机器人的定位精度有决定性影响。2) 基座 基座是整个机器人的支持部分，有固定式和移动式两种。该部件必须具有足够的刚度和稳定性。3)手部 手部它具有人手某种单一动作的功能。由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等形式。 夹持式手部是由手指和传力机构所组成。 手指是直接与物件接触的机构。常用的手指运动形式有回转型和平移型。 吸附式手部有负压吸盘和电磁吸盘两类。 对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的

24、方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。4)腕部 腕部与手部相连，通常有3个自由度，多为轮系结构，主要功用是带动手部完成预订的姿态，是操作机中结构最为复杂的部分。5)臂部 臂部用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆(小臂和大臂)组成，用以带动腕部作平面运动。1.3机器人分类1.3.1按用途分类 1.专用机器人 专用机器人是专为一定设备服务的，简单、实用，目前在生产中运用比较广泛。它一般只能完成一、二种特定的作业，如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种

25、工作程序，适应多种作业的需要。 2.通用机器人 通用机器人是在专用机器人的基础上发展起来的。它能对不同的物件完成多种动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动化装置。它的动作程序可以按照工作需要来改变，大都是采用计算机控制系统。1.3.2按控制形式分类 1.点位控制型机器人 点位控制型机器人的运动轨迹是空间二个点之间的联接。控制点数愈多，性能愈好。它基本能满足于各种要求，结构简单。绝大部分机器人是点位控制型。 2.连续轨迹控制型机器人 这种机器人的运动轨迹是空间的任意连续曲线，它能在三维空间中作极其复杂的动作，工作性能完善，但控制部分比较复杂.1.3.3按驱动方式分类 1.液压机器人:输

26、出力大，传动平稳。 2.气压机器人:气源方便，输出力小，气压传动速度快，结构简单，成本低。但工作不太平稳，冲击大。3.电动式机器人:电力驱动是目前机器人使用的最多的一种驱动方式，其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测，传递，处理方便，可以采用多种灵活的控制方案。 4.机械式机器人:工作可靠，动作频率高，结构简单，成本低。但动作固定不可变。1.4 腕部结构选型 手腕是操作机的小臂(上臂)和末端执行器(手爪)之间的连接部件。其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端行器的姿态。故手腕也称作机器人的姿态机构。对一般商用机器人，末杆(即与末端执行器相联结的杆

27、)都有独立的自转功能，若该杆再能在空间取任意方位，那么与之相联的末端执行器就可在空间去任意姿态，即达到完全灵活的境地。对于任一杆件的姿态(即方向)，可用两个方位确定。如图1.1所示图1.1 末杆姿态示意图1大臂 2.小臂 3.末杆(L)在图1.1中，末杆L的图示姿态可以看作是由处于x1方向的原始位置先绕z1在x1 o1 y1平面内转、角，然后在a o1与z1组成的垂直平面内再向上转角得到的。可见是由、两角决定了末杆（L）的方向(姿态)。从理论上讲，如果0360，0360，则L在空间可取任意方向。如果L的自转角也满足0360，我们就说该操作机具有最大的灵活度，即可自任意方向抓取物体并可把抓取的物

28、体在空间摆成任意姿态。为了定量的说明操作机抓取和摆放物体的灵活度，我们定义组合灵活度(dex)为: dex=/360+/360+/360=xx%+xx%+xx% 上式取“加”的形式，但一般不进行加法运算，因为分开更能表现结构的特点。腕结构最重要的评价指标就是dex值。若为3个百分之百，该手腕就是最灵活的手腕。一般说来，、的最大值取360，而值可取的更大一些，如果拧螺钉，最好无上限。 腕结构是操作机中最复杂的结构，而且因转动系统互相干扰，更增加了腕结构的设计难度。腕部的设计要求是:重量轻，dex的组合值必须满足工作要求并留有一定的裕量(约5%10%，转动系统结构简单并有利于小臂对整机的静力平衡。

29、1.4.1单自由度手腕SCARA水平关节装配机器人多采用单自由度手腕，该类机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度。为了减轻操作机的悬臂的重量，手腕的驱动电机固结在机架上。手腕转动的目的在于调整装配件的方位。由于转动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响末端执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕传动的驱动电机。这时确定末端执行器方位的角度(以机座坐标系为基准)将是大小臂转角以及腕转角之和。1.4.2两自由度手腕 两自由度手腕有两种结构:1）汇交式两自由度 手腕两自由度手腕的末杆与小臂中线重合，两个链轮对称分配在两边。200 ,360, dex= 0+80%+100%，如图1.

30、3，2）偏置式两自由度手腕 手腕的末杆偏置在在小臂中线的一边。360,360，dex=0+100%+100%优点是腕部结构紧凑，小臂横向尺寸较小(薄)。两自由度的另两种结构。一种是将谐波减速器这置于碗部，驱动器通过齿形带带动谐波，或经锥齿轮再带动谐波使末杆L获得. 两自由度运动。另一种则是将驱动电机1和谐波减速器连成一体，放于偏置的壳中直接带动L完成角转动，角则是由链传动完成。图1.2 汇交式两自由度1- 法兰 2-锥齿轮组 3-锥齿轮 4-弹簧5、8-链轮 6-轴承 7-壳体1.4.3三自由度手腕 三自由度的手腕形式繁多。三自由度手腕是在两自由度的基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度(

31、用角度参数表示)而形成的。当不考虑结构限制，即、都能在0360范围取值，末端执行器的灵活度dex=100%+100%+100%，也就是说具有百分之百的灵活度。这就是说手爪可自任意方向接进物体，也可将物体转到任意姿势。所以三自由度是“万向”型手腕，可以完成两自由度手腕很多无法完成的作业。近年来，大多数关节型机器人都采用了三自由度手腕。主要有两类: 1)汇交手腕(或称正交手腕)它是、的旋转轴线汇交于一点。 2)偏置式手腕它是、的旋转轴线互相垂直，但不汇交于一点。 这两类手腕都是把、运动的减速器安装在手腕上，可简化小臂结构，但却增加了手腕本身的重量和复杂程度。1.4.4 通用机器人腕部结构选型如图1

32、.3所示，是汇交式手腕(或正交手腕)，即、的旋转轴线汇交于一点。可以看出，电机(1)经锥齿轮副(3, 4)和齿型带传动(9, 10, 13),再经锥齿轮副(5, 6)和谐波减速器(16)带动法兰(17、机械接口)转动，完成末杆(法兰)的运动。电机2经锥齿轮副(7, 8)和齿型带传动(11, 12, 14), 通过谐波减速器带动腕壳摆动，完成末杆p的运动。整个手腕又由置于小臂后部的电机(上图未画)，经过谐波传动，带动小臂作绕自身轴线的转动，即运动。 图1.3 正交式手腕 减速器的配置可以分为前置式和后置式。后置式有利于小臂的平衡。前置式加大了腕部的复杂程度和重量，对小臂乃至整机的平衡不利，但可简

33、化整个小臂的结构，而且当腕部使用同步齿形带时，只能采用这种布置，因为齿形带只能用于高速级。这种布置还可简化后面三个驱动系统的结构。对于平行轴转动，减速器前置可以匹配小臂与手腕的几何尺寸。如图1.3所示，选用减速器的配置为前置式是把、两自由度的减速器装在手腕内。电机配置也可以分为前置式和后置式。前置式有一个电机配置在手腕中，其最大优点是大大简化了小臂的结构和传动过程的轴线干扰，但加重了腕部。这种结构较适合于小负荷操作机。必须指出，这种结构的手腕也属于非汇(正)交式，由它构成的六自由度操作机无解析解。电机后置式的驱动电机都布置在腕的后面。对于中小负载的操作机，电机可布置在臂的空腔中，而对于大负载操

34、作机，由于电机重而且大，电机多布置在臂的后端，以减少臂的尺寸和前部重量，并与减速器一起对小臂起平衡作用。如图1.3所示。1.5 本文主要内容 机器人技术涉及机械学、力学、自动控制技术、传感技术、电气液压技术，计算机可编程技术等，是一门跨学科综合技术。但它更是机电一体化技术的总合和表现。本文中所涉及的是其中的一部分，即机械手汇交型碗部的设计和建模运动仿真。 手腕是连接末端执行器和手臂的关键，是联接手部与臂部的部件，它的作用是调整或改变工件的方位。本设计为三自由度工业机器人手腕，可以在两个方向上旋转在一个方向上弯转的汇交型腕部设计。在设计过程中使用了大量的标准零件以降低成本但是由于大量采用标准零件

35、，使机器人手腕内部剩余空间比较大，如果加入部分非标准零件的话就可以节约部分空间，使结构更加的紧凑，但是相应的成本也会随之提高。汇交型腕部的结构用CAD软件完成从建模到运动学分析。三维造型采用的造型软件为SOLIDWORKS, SOLIDWORKS以其易学易用、功能强大和互连互通的特点，推动了整个产品开发机构中个人效率和过程效率的提高。它既能节省时间和成本，又能提高产品质量。由于零件图是分开绘制，在装配过程中可能产生部分结构与设计不符的情况。如果采用整体设计的思路的话将可以使本设计的参数可调性有比较大的提高。本文的主要内容: （1）确定三自由度腕部的传动方案及传动系统设计； （2）回转力矩计算及

36、其他相关计算； （3）零件设计与校核。轴承校核：设计中所用的所有重要轴承都要经过强度校核。在满足尺寸和强度要求的情况下，尽可能地选用国产轴承，以降低机器人的成本。轴的校核：设计中所用的所有较重要的轴都要经过强度校核和刚度校核。齿轮选用：设计中所用的所有齿轮都要经过强度校核。键及花键：设计中所用的所有较重要的键及花键都要经过强度校核。销与螺钉：设计中所用的所有较重要的销与螺钉都要经过强度校核。 （4）零件图的绘制与三维模型建立； （5）绘制装配图及运动仿真。第二章 汇交型腕部设计方案2.1 腕部的结构特点2.1.1 概述 腕部结构通常只采用转动方式，但也有的腕部可作短距离平移。 根据转动特点的不

37、同，用于手腕关节的转动又可细分为弯转（用B来标记）和滚转（用R来标记），分别如图3中（a）和（b）所示。图3 腕部的运动形式2.1.2单自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR关节实现，或由两个B关节组成BB关节实现，但不能由两个RR关节构成二自由度手腕，因为两个R关节的功能是重复的，实际上只起到单自由度的作用。相邻关节的转轴具有平行或垂直关系的手腕称为简单手腕，是目前工业机器人用的最多的手腕结构。 图2.1 单自由度手运动形式2.1.3二自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR关节实现，或由两个B关节组成BB关节实现，但不能由两个RR关节构成二自由度手腕，因为两个R关节的

38、功能是重复的，实际上只起到单自由度的作用。相邻关节的转轴具有平行或垂直关系的手腕称为简单手腕，是目前工业机器人用的最多的手腕结构。 图2.2 二自由度手腕运动形式2.1.4三自由度手腕 有R关节和B关节的组合构成的三自由度手腕可以有多种型式，实现翻转、俯仰和偏转功能。其中BBR型的手腕最为流行。（c） （d） （e） （f）图2.3 三自由度手腕运动形式2.1.5柔顺手腕结构在用机器人进行精密装配作业中，当被装配零件之间的配合精度相当高，工件的定位夹具，机器人手部的定位精度无法满足装配要求时，会导致装配困难，因此就提出了装配动作的柔顺性要求。柔顺性装配技术分为两种：（1）主动柔顺装配：从检测、

39、控制的角度，采取各种不同的搜索方法，实现边校正边装配。一般手爪要配有检测元件如视觉传感器、力传感器等。如图（2）被动柔顺装配（Remote Center Compliance）：从结构的角度在手腕配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要。两种柔顺手腕的比较：主动柔顺手腕：（1）需要装配一定功能的传感器，价格较贵；由于反馈控制响应能力的限制，装配速度较慢。（2）可以在较大范围内进行对中校正，装配间隙可少至几个微米，通用性强。被动柔顺手腕：（1）允许的校正补偿量受到限制，轴孔间隙不能太小。（2）结构比较简单，价格便宜，装配相对速度快。2.2 腕部的驱动机构 腕部关节可以采用远程驱动或直接驱动。 由于

40、作业要求的不同，手腕的自由度数及其配置也会有不同，因此手腕的驱动机构大体分为两类：（1）直接驱动手腕： 驱动源直接装在手腕上。这种直接驱动手腕的关键是能否设计和加工出尺寸小、重量轻而驱动扭矩大、驱动性能好的驱动电机或液压马达。图2.4 手腕驱动机构（2）远距离传动手腕：有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现三个自由度的运动。图2.5 手腕的传动机构2.3 手腕结构的选择 本课题所设计的是一个三自由度的机器人手腕，由法兰固定在机器人小臂上，分别用三个直流伺服电机对其进行驱动。手腕主要分三部分：一部分是通过法兰和小臂固结在

41、一起，可实现腕部的回转运动；一部分是围绕轴的摆动；另外一部分就是手爪的回转运动。汇交型腕部的主要技术参数为：自由度3最大持重10Kg 轴180144()/s200Nm 轴115136()/s150Nm 轴180138()/s100Nm本课题对机器人的汇交型腕部进行设计，通用机器人的手腕是三自由度的，图2.6是其传动原理图，关节配置形式为臂转、腕摆、腕转结构。其传动链分成两部分，一部分在机器人小臂壳内，三个电机的输出通过齿形带传动分别传递到同轴传动的心轴、中间套、外套筒上。另一部分传动链安排在手腕部。（1）臂转运动 臂部外套筒与手腕壳体通过端面法兰联结，外套筒直接带动整个手腕旋转完成臂转运动。（

42、2）腕摆运动 臂部输出的空心轴1通过一组锥齿轮组2、8带动固定在套筒上的端盖一起摆动。（3）手转运动 如图2.1,臂部心轴3通过键联结带动锥齿轮组4、6转动，然后通过带动套筒的内部中心轴7，中心轴7的另一端，带动固定套筒中心轴端面的法兰盘9转动，实现法兰盘的手转运动。896542137图2.1 汇交型腕部系统传动简图2.4 传动装置的运动和动力参数计算2.4.1.选择电机 电动机是常用的原动机，并且是系列化和标准化的产品。机械设计中需要根据工作机的工作情况和运动，动力参数，合理选择电动机类型，结构形式，传递的功率和转速，确定电动机的型号。电动机有交流电动机和直流电动机之分，工业上采用交流电动机

43、。交流电动机有异步电动机和同步电动机两类，异步电动机又分笼型和绕线型两种，其中以普通笼型异步电动机应用最广泛。如无特殊需要，一般忧先选用Y型笼型三相异步电动机，因其具有高效，节能，噪音小，振动小，安全可靠的特点，且安装尺寸和功率等级符合国际标准，适用于无特殊要求的各种机械设备。假设手部的末端的持重是10Kg,腕心距机械输出借口长度为200mm，腕转的旋转半径为100mm。 轴为腕转运动（1） 轴为腕转运动电动机的功率按所需的（单位：kW）计算公式（3-1）： （3-1）式中 工作机所需工作效率由电动机到工作机的总效率工作机的有效功率： （2-2）代入数据得：w1= 2.512rad/sR=10

44、0mm F = 10x10 =100NT=FR P = FRW1=100x2.512x100=25.12W（2）从电动机到腕转轴间的总效率为： （2-3）其中分别为轴套、锥齿轮传动、轴承1、滚筒、轴承2的传动效率。由文献4表2-2取 则：（3）故电动机所需的工作效率为： 因载荷平稳，电动机额定功率1只需略大于即可，由文献4表16-1选电动机的额定功率为1=0.55kW。 轴为腕摆运动（1）轴为腕摆运动电动机的功率按所需的（单位：kW）计算公式（3-1）： （3-1）式中 工作机所需工作效率由电动机到工作机的总效率工作机的有效功率： （2-12）代入数据得：L=200mm F=100NT=FL=

45、20.0NmW2=2.372rad/sP=T=47.44W（2）从电动机到腕摆轴间的总效率为： （2-13）其中分别为轴套、锥齿轮传动、轴承1、滚筒、轴承2的传动效率。由文献4表2-2取 则：（3）故电动机所需的工作效率为： 因载荷平稳，电动机额定功率2只需略大于即可，由文献4表16-1选电动机的额定功率为2=0.75kW。考虑到系统传动过程中，同步齿形带传动所需的功率，以及要求腕部的结构要求紧凑，所以轴传动所需电机5和轴传动所需电机6如下：型 号功 率 (KW)转 速（r/min）转 矩（Nm）额定电流（A）额定电压（V）0.7530002.43.082200.5520002.32.2220

46、2.4.2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比2.4.2.1 总传动比 （2-16）代入数据得：2.4.2.2 分配各级传动比由，为使锥带传动的外部尺寸不致过大，取传动比则 （2-7）代入数据得：2.5 传动装置的运动和动力参数2.5.1 各轴的转速I轴： r/minII轴： r/min2.5.2 各轴的输入功率I轴： kWII轴： kW2.5.3 各轴的输入转矩I轴： II轴： 第三章 汇交型腕部相关零件计算及校核3.1 锥齿轮2，8的设计计算4.1.1 选材料并确定初步参数（1）选材料齿轮2：40Cr调质，平均取齿面硬度为260HBS。齿轮8：40Cr调质，平均取齿面硬度为260HBS

47、。（2）初选参数 取齿轮8齿数为 =30，则齿轮2齿数 =*1=30 齿数比U=（3）选择齿宽系数 取齿宽系数为（4）确定齿宽的等级 初取平均切线速度 表9-5，选择传动精度等级为7级。（5）计算齿轮8的转矩 （6）确定载荷系数K 1）使用系数。查表9-9，取 2）初载系数。由图9-6，取 3）齿向载荷分布系数。按锥齿轮的悬臂考虑，取 4）载荷系数4.1.2 齿面接触疲劳强度计算（1）确定许用硬力1) 寿命系数。取2) 安全系数。参照表9-13.选取3) 接触疲劳极限， .由图9-13，取，4) 许用应力 =423.08MPa5) 弹性系数 由表9-11，取6) 节点区域系数 由图9-12，取

48、=2.57) 求齿轮8所需大端分度圆直径 由式（9-44） =8) 验算速度，由式（9-40），平均直径 于是平均切线速度 初估值基本符合。9) 确定模数M，由式（9-33）取标准值m=3mm.4.1.3 齿根抗弯疲劳强度验算（1）确定弯曲应力 1) 寿命系数 取2) 安全系数，由表9-13，取安全系数3) 尺寸系数 由图9-26，取4) 极限应力 由图9-21，取齿轮8 ，齿轮18 5) 求许用弯曲应力 由式（9-20）， （2）齿形系数1) 分锥角 ，由式（9-34） ，2) 当量齿数 ，由式（9-48），由图9-19，取3) 应力修正系数，由图9-20取4) 校核齿根抗弯疲劳强度抗弯疲劳

49、强度足够。4.1.4 主要几何尺寸计算（1）大端分度圆直径， 齿轮=（2）分锥角，由式9-35 =，=45（3）锥距R 由式9-35 R=（4）齿宽b 由式9-38 b= 取齿宽b=20mm.3.2锥齿轮4，6的设计4.2.1选材料并确定初步参数（1）选材料齿轮4：40Cr调质，平均取齿面硬度为260HBS。齿轮6：40Cr调质，平均取齿面硬度为260HBS。（2）初选参数 取齿轮4齿数为 =25，则齿轮6齿数 =*1=25 齿数比U=1（3）选择齿宽系数 取齿宽系数为（4）确定齿宽的等级 初取平均切线速度 表9-5，选择传动精度等级为7级。（5）计算齿轮4的转矩 （6）确定载荷系数K 1）使

50、用系数。查表9-9，取 2）初载系数。由图9-6，取 3）齿向载荷分布系数。按锥齿轮的悬臂考虑，取 4）载荷系数4.2.2 齿面接触疲劳强度计算（1）确定许用硬力1) 寿命系数。取2) 安全系数。参照表9-13.选取3) 接触疲劳极限， .由图9-13，取，4) 许用应力 =461.54MPa5) 弹性系数 由表9-11，取6) 节点区域系数 由图9-12，取=2.57) 求齿轮4所需大端分度圆直径 由式（9-44） =8) 验算速度，由式（9-40），平均直径 于是平均切线速度 初估值基本符合。9) 确定模数M，由式（9-33）取标准值m=2.5mm.4.2.3 齿根抗弯疲劳强度验算（1）确

51、定弯曲应力6) 寿命系数 取7) 安全系数，由表9-13，取安全系数8) 尺寸系数 由图9-26，取9) 极限应力 由图9-21，取齿轮16 ，齿轮4 10) 求许用弯曲应力 由式（9-20）， （2）齿形系数5) 分锥角 ，由式（9-34） ，6) 当量齿数 ，由式（9-48），由图9-19，取7) 应力修正系数，由图9-20取8) 校核齿根抗弯疲劳强度抗弯疲劳强度足够。4.2.4 主要几何尺寸计算（1）大端分度圆直径， 齿轮=（2）分锥角，由式9-35 =，=45（3）锥距R 由式9-35 R=（4）齿宽b 由式9-38 b= 取齿宽b=15mm.3.3轴的选用与校核 轴的材料主要采用碳素

52、钢和合金钢，碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性小，所以应用较为广泛。常用的碳素钢有3050钢，最常用的为45钢。为保证其力学性能，应进行调质或正火处理。此处轴的材料为45钢，进行调质处理。在一般情况下，轴的工作能力约定于它的强度和刚度，对于机床主轴，后者尤为重要。高速转轴则还决定于它的震动稳定性。在设计轴时，除应按工作能力准则进行设计计算或校核计算外，在结构设计上还须满足其他一系列的要求，例如：1）多数轴上零件不允许在轴上作轴向移动，需要轴向固定的方法使它们在轴上有确定的位置；2）为传递转矩，轴上零件还应作周向固定；3)对轴与其他零件间有相对滑动的表面应有耐磨性的要求；4）轴的加工、热处理

53、装配、检验、维修等都应有良好的工艺性；5）对重型轴还须考虑毛坯制造、探伤、起重等问题。轴的强度校核主要有三种方法：许用切应力计算、许用弯曲应力计算；安全系数校核计算。此处用安全系数计算法来校核轴：a) 轴结构图b) 垂直面受力图d)水平面受力图e)垂直面弯矩图f) 水平面弯矩图g) h) i）当量弯矩图N.mm校核过程：计算项目 计算内容 计算结果判断危险截面 初步分析、 四个 截面有较大的应力和应力集中，下 面校核截面进行安全系数校核。对称循环疲劳极限 轴材料选用45钢调质，b=650MPa， s=360MPa，由手册可求得疲劳极限： -1b=0.44b=0.44*650 -1b=286MPa -1=0.30b=0.30*650 -1=312MPa脉动循环疲劳极限 ob=1.7-1b=1.7*286 ob=486MPa o=1.6 -1=1.6*1.95 o=312MPa等效系数