发动机气门生产工序工业机器人腰部机构及传动设计
发动机气门生产工序工业机器人腰部机构及传动设计,发动机,气门,生产,出产,工序,工业,机器人,腰部,机构,传动,设计
附表4:宁波大红鹰学院毕业设计(论文)任务书所在学院机电学院专业机械设计制造及其自动化班级08机自4班学生姓名臧云锋学号08141010431指导教师朱火美题 目发动机气门生产工序工业机器人腰部机构及传动设计一、毕业设计(论文)工作内容与基本要求:(目标、任务、途径、方法,应掌握的原始资料(数据)、参考资料(文献)以及设计技术要求、注意事项等)(纸张不够可加页)课题简介:随着汽车工业的不断发展,对汽车零部件生产的数量和质量都提出了更高的要求。发动机气门作为汽车中的重要零件,市场需求量大,国内的产量也在不断的增加。为了提高生产效率和产品质量稳定性,自动化生产已经成为发展的必然趋势。而机器人正是自动化生产中的重要工具。本课题的主要任务是对机器人的腰部及传动进行设计,并完成总装配图和零件图的绘制。要求对机器人模型进行静力学分析,估算各关节所需转矩和功率,完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发,设计关节结构,并对机构中的重要连接件进行强度校核。主要任务:(1)机器人腰部机构设计、三维造型(2)机器人腰部受力计算与校核(3)机器人腰关节传动设计(4)重要零件图及装配图绘制(5)伺服电机选型(6)撰写1万字以上设计说明书一份原始数据:气门电镦成型工序电镦机、摩擦压力机与机机器人布置如下图所示。以机机器人为中心,半径为875mm的圆周上,布置三台电镦机和一台摩擦压力机。电镦机工作平面高1500mm,摩擦压力机工作平面高900mm,预留机器人基座高度500mm。电镦机每29秒完成一个毛坯的电镦工作,摩擦压力机6秒可完成压力成型工序。机器人的工作任务是将电镦后的工件及时送入摩擦压力机的工作区域,即每9.6秒需要完成从零件抓取到最后零件释放的一系列动作。相关设备现场布置示意图及机器人机构简图根据以上工作要求,综合考虑机器人的功能实现和通用性,确定采用六自由度关节型结构。整体方案确定各连杆长度(以转动副的中心为端点)数据如下,连杆1(即大臂)长650mm,连杆2(即小臂)长570mm,连杆3(即手爪)长280mm。初定各关节额定转速为20r/min,手爪末端额定负载为5kg。机器人结构简图如上图所示,关节1为腰部旋转关节,关节2为大臂俯仰关节,关节3为小臂俯仰关节,关节4为小臂旋转关节,关节5为手腕俯仰关节,关节6为手腕旋转关节,本课题的任务就是对机器人腰部机构及传动进行设计。参考资料:1殷际英,何广平.关节型机器人.北京:化学工业出版社,2003 2徐元昌.工业机器人.北京:中国轻工业出版社,1999 3郑笑红,唐道武.工业机器人技术及应用.北京:煤炭工业出版社,20044IO.M索罗门采夫.工业机器人图册M.于东英,安永辰译.北京:机械工业出版社,1991 5张铁,谢存禧.机器人学.广州:华南理工大学出版社,20016费仁元,张慧慧.机器人机械设计及分析M.北京:北京工业大学出版社,19987马香峰.机器人机构学M.北京:机械工业出版社,1991 8周伯英.工业机器人设计M.北京:机械工业出版社,19959王光建,梁锡昌,蒋建东.机器人关节的发展现状及趋势.机械传动,2004(4) 10成大先.机械设计手册.化学工业出版社. 二、毕业论文进度计划毕业设计(论文)时间: 2011 年 7 月 1 日至 2012 年 4 月 1 日计 划 答 辩 时 间: 2012 年 4 月 10 日三、专业(教研室)审批意见:审批人(签字):工作任务与工作量要求:原则上查阅文献资料不少于12篇,其中外文资料不少于2篇;文献综述不少于3000字;文献翻译不少于2000字;毕业论文1篇不少于8000字,理工科类论文或设计说明书不少于6000字(同时提交有关图纸和附件),外语类专业论文不少于相当6000汉字。 提交相关图纸、实验报告、调研报告、译文等其它形式的成果。毕业设计(论文)撰写规范及有关要求,请查阅宁波大红鹰学院毕业设计(论文)指导手册。备注:学生一人一题,指导教师对每一名学生下达一份毕业设计(论文)任务书。分 类 号 密 级 宁宁波大红鹰学院毕业设计(论文)发动机气门生产工序工业机器人腰部机构及传动设计所在学院专 业班 级姓 名臧云锋学 号指导老师朱火美 年 月 日诚 信 承 诺我谨在此承诺:本人所写的毕业论文发动机气门生产工序工业机器人腰部机构及传动设计均系本人独立完成,没有抄袭行为,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,若有不实,后果由本人承担。 承诺人(签名): 年 月 日摘 要机器人既有人对环境的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。如今,机器人工业已成为世界各国备受关注的产业。关键词:机器人;工业;传动;强度29AbstractRobot people on the environment both rapid reaction and analytical skills, but also the machine can continue to work long hours,High accuracy, ability to resist bad environmental,In a sense it is a product of the evolution of the machine,It is the industrial and non-industrial sector, an important production and service equipment,Advanced manufacturing technology is indispensable automation equipment。Today, the robot industry has become the industry closely watched around the world.Key Words: Robot; industry; transmission; strength目 录摘 要3Abstract4目 录5第1章绪论71.1 机器人概念71.2 课题研究的背景和意义71.3 国内机器人的研究81.4 本课题研究内容9第2章机器人总体设计102.1 确定基本技术参数102.1.1 机械结构类型的选择102.1.2 额定负载112.1.3 工作范围112.1.4 操作机的驱动系统设计122.1.5 控制系统选择122.1.6 确定机器人手臂的配置形式132.2 机器人本体结构设计14第3章机器人腰部结构设计163.1 电动机的选择163.2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比183.3 轴的设计计算183.3.1 计算各轴转速、转矩和输入功率183.3.2 确定三根轴的具体尺寸193.4 确定齿轮的参数233.4.1选择材料233.4.2 压力角的选择233.4.3 齿数和模数的选择233.4.4齿宽系数243.4.5 确定齿轮传动的精度243.4.6 齿轮的校核253.5 壳体设计283.6小结28总 结29参考文献30宁波大红鹰学院本科生毕业设计第1章 绪论1.1 机器人概念机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥,又可以运行预先编排的程序,也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作,例如生产业、建筑业,或是危险的工作。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 本田公司ASIMO机器人现在,国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说,人们都可以接受这种说法,即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义:“一种可编程和多功能的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便之处。机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。在制造工业中,应用工业机器人技术是提高生产过程自动化,改善劳动条件,提高产品质量和生产效率的有效手段之一,也是新技术革命的一个重要内容。1.2 课题研究的背景和意义机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要,是科学技术发展和生产工具进化的必然。机器人一词最早出现于1920年捷克作家Karel Capek的剧本罗萨姆的万能机器人中,在该剧中,机器人“Robota”这个词的本意是指苦力,是剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器,是一种人造的劳动力。随着现代科技的发展,机器人技术已经广泛应用于人类生活领域,研制具有人类外观特征、可模拟人类行走和其他动作的机器人一直是人类的梦想之一。机器人是一门综合性很强的科学,有着极其广泛的研究和应用领域。机器人技术是综合了计算机技术、信息融合技术、机构学、传感技术、仿生科学以及人工智能等多学科而形成的高新技术,它不仅涉及到线性、非线性、基于多种传感器信息控制以及实时控制技术,而且还包括复杂机电系统的建模、数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的技术。机器人是机器人技术中的一个重要研究课题,而双足机器人是机器人研究的前奏。步行技术是人与大多数动物所具有的移动方式,是一种高度自动化的运动,双足步行系统具有非常复杂的动力学特性,对于环境具有很强的适应性,它相对轮式、履带式机器人具有无可比拟的优越性,它可以进入狭窄的作业空间,也可跨越障碍、上下台阶、斜坡及在不平整地面上工作,可以护理老人、康复医学以及在一般家庭的家政服务都可以应用。它适应环境的能力更强,因此具有更加广泛的应用前景。在机器人的研制中,机器人仿真是机器人研究的一项重要的内容,它涉及机器人机构学、机器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人的运动控制,是一项综合性有创新意义和实用价值的研究课题。仿真利用计算机可视化和面向对象的手段,模拟机器人的动态特性,帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限,提示机构的合理运动方案及有效的控制算法,从而解决在机器人设计、制造以及运行过程中的问题,避免了直接操作实体可能会造成的事故或者不必要的损失。仿真也为机器人本体结构方案设计提供参考依据,并在这台机器上模拟能都实现的功能,使用户直接看到设计效果,及时找出缺点和不足进行改进,避免了大量的物力、人力的浪费1,2。1.3 国内机器人的研究我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容,拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程,全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来,相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前,示教再现型机器人技术已基本成熟,并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看,我们应从生产和应用的角度出发,结合我国国情,加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。国内机器人的研究也在863计划和自然科学基金的支持下持续开展了多年,如国防科技大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、清华大学、上海交通大学、中国科学技术大学等,都先后开始研制机器人样机4。1.4 本课题研究内容本课题的主要任务是对机器人的腰部及传动进行设计,并完成总装配图和零件图的绘制。要求对机器人模型进行静力学分析,估算各关节所需转矩和功率,完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发,设计关节结构,并对机构中的重要连接件进行强度校核。主要任务:(1)机器人腰部机构设计、三维造型(2)机器人腰部受力计算与校核(3)机器人腰关节传动设计(4)重要零件图及装配图绘制(5)伺服电机选型(6)撰写1万字以上设计说明书一份原始数据:气门电镦成型工序电镦机、摩擦压力机与机机器人布置如下图所示。以机机器人为中心,半径为875mm的圆周上,布置三台电镦机和一台摩擦压力机。电镦机工作平面高1500mm,摩擦压力机工作平面高900mm,预留机器人基座高度500mm。电镦机每29秒完成一个毛坯的电镦工作,摩擦压力机6秒可完成压力成型工序。机器人的工作任务是将电镦后的工件及时送入摩擦压力机的工作区域,即每9.6秒需要完成从零件抓取到最后零件释放的一系列动作。相关设备现场布置示意图及机器人机构简图根据以上工作要求,综合考虑机器人的功能实现和通用性,确定采用六自由度结构。整体方案确定各连杆长度(以转动副的中心为端点)数据如下,连杆1(即大臂)长650mm,连杆2(即小臂)长570mm,连杆3(即手爪)长280mm。初定各关节额定转速为20r/min,手爪末端额定负载为5kg。机器人结构简图如上图所示,关节1为腰部旋转关节,关节2为大臂俯仰关节,关节3为小臂俯仰关节,关节4为小臂旋转关节,关节5为手腕俯仰关节,关节6为手腕旋转关节,本课题的任务就是对机器人腰部机构及传动进行设计。第2章 机器人总体设计2.1 确定基本技术参数2.1.1 机械结构类型的选择为实现总体机构在空间的位置提供的6个自由度,可以有不同的运动组合,根据本课题可以将其设计成以下五种方案:a.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,在相同的工作空间条件下,机体所占体积小,而运动范围大。b.直角坐标型 直角坐标型工业机器人,其运动部分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,易于位置和姿态的编程计算,定位精度高、结构简单,但机体所占空间体积大、灵活性较差。c.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,具有结构紧凑、工作空间范围大的特点,但结构复杂。d. 又称回转坐标型,这种机器人的手臂与人体上肢类似,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摆动,小臂作俯仰摆动。其特点使工作空间范围大,动作灵活,通用性强、能抓取靠进机座的物体。 e.平面 采用两个回转关节和一个移动关节;两个回转关节控制前后、左右运动,而移动关节则实现上下运动,其工作空间的轨迹图形,它的纵截面为矩形的同转体,纵截面高为移动关节的行程长,两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形状。在水平方向有柔顺性,在垂直方向有较大的刚性。它结构简单,动作灵活,多用于装配作业中,特别适合小规格零件的插接装配。对以上五种方案进行比较:方案一不能够完全实现本课题所要求的动作;方案二体积大,灵活性差;方案三结构复杂;方案五无法实现本课题的动作。结合本课题综合考虑决定采用方案四:机器人。此方案所占空间少,工作空间范围大,动作灵活,工艺操作精度高。2.1.2 额定负载目前,国内外使用的工业机器人中,其负载能力的范围很大,最小的额定负载在5N以下,最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和在规定速度和加速度条件下,产生的惯性力矩。本课题的任务要求是保证手腕部能承受的最大载荷是5kg。2.1.3 工作范围工业机器人的工作范围是根据工业机器人作业过程中的操作范围和运动的轨迹来确定的,用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机器人的机械结构坐标型式、自由度数和操作机各手臂关节轴线间的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择。2.1.4 操作机的驱动系统设计机器人本体驱动系统包括驱动器和传动机构,它们常和执行机构联成一体,驱动臂杆和载荷完成指定的运动。通常的机器人驱动方式有以下四种: a.步进电机:可直接实现数字控制,控制结构简单,控制性能好,而且成本低廉;通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。但是由于采用开环控制,没有误差校正能力,运动精度较差,负载和冲击震动过大时会造成“失步”现象。 b.直流伺服电机:直流伺服电机具有良好的调速特性,较大的启动力矩,相对功率大及快速响应等特点,并且控制技术成熟。其安装维修方便,成本低。c.交流伺服电机:交流伺服电机结构简单,运行可靠,使用维修方便,与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管GTO,大功率晶闸管GTR和场效应管MOSFET等电力电子器件、脉冲调宽技术(PWM)和计算机控制技术的发展,使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用16位CPU+32位DSP三环(位置、速度、电流)全数字控制,增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率,提供很高的响应速度。d.液压伺服马达:液压伺服马达具有较大的功率/体积比,运动比较平稳,定位精度较高,负载能力也比较大,能够抓住重负载而不产生滑动,从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑,不失为一个合适的选择方案。但是,其费用较高,其液压系统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题,在可能的前提下,本系统将尽量避免使用该种驱动方式。常用的驱动器有电机和液压、气动驱动装置等。其中采用电机驱动是最常用的驱动方式。电极驱动具有精度高,可靠性好,能以较大的变速范围满足机器人应用要求等特点。所以在这次设计中我选择了直流电机作为驱动器。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大,稳定性好等优点。本课题的机器人将采用直流伺服电动机。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大,稳定性好等优点。2.1.5 控制系统选择对于焊接机器人这种精度要求不高的工业机器人,大多采用示教再现编程。示教方式作为一种成熟的技术,易被熟悉工作任务的人员掌握。无论是手把手示教或示教盒示教,都是以在线编程,由示教操作人员操作移动末端执行器和手臂到所需的位置。然后记录(存储)下这些操作和数据。示教过程完成后,即可应用,机器人以再现方式重复进行示教时存于存储器的点位、轨迹和各种操作。再现过程的速度可以与示教时速度不同。利用示教手柄由人工引导末端执行器经过所要求的轨迹,此时位置传感器就检测出机器人操作机上各关节处的坐标(或转角)值,控制系统的装置记录(储存)下这些数字化的数据信息。再现时,机器人控制系统重复再现示教者示教的轨迹和操作技能。手把手示教也能实现点位控制,所不同的是它只记录各轨迹程序段的两端位置。轨迹运动速度则按各轨迹程序段对应的功能数据输入。2.1.6 确定机器人手臂的配置形式手臂的配置形式反映了机器人操作机的总体布局。根据任务要求,要实现机器人焊接功能,则机器人的工作范围要广,所以我选择了立柱式的配置方式。其特点是占地面积小,工作范围大,机器人手臂可绕立柱回转。根据分析,可将机器人的参数列在表2-1中:表2-1机器人的主要参数项目技术要求结构型式自由度数6运动范围308314 292 578 244 534最大速度2ms腕部最大负荷5续表2-1项目技术要求驱动方式直流电机重复定位精度0.05mm2.2 机器人本体结构设计图2-2 机器人传动原理图图2-2是整个机器人本体机械传动系统的简图。机械传动系统共有30个齿轮,为了实现在同一平面改变传递方向90,有10个齿轮为圆锥齿轮,有利于简化系统运动方程式的结构形式。如果采用蜗轮蜗杆结构,则必然以空间交叉方式变向,就不利于简化系统运动方程式的结构形式。机器人主要由立柱与基座组成的回转基座以及大臂、小臂、手腕组成。基座是一个铝制的整体铸件,其上装有关节1的驱动电机,在基座内安置了关节1的回转轴及其轴承、轴承座等。大臂和小臂的结构形式相似,都由内部铝制的整体铸件骨架与外表面很薄的铝板壳相互胶接而成。内部铸件既作臂的承力骨架,又作内部齿轮组的轮壳与轴的支承座。大臂上装有关节2,3的驱动电机,内部装有对应的传动齿轮组。关节2,3都采用了三级齿轮减速,其中第一级采用锥齿轮,以改变传动方向90。第二、三级均采用圆柱直齿轮进行减速。关节2传动的最末一个大齿轮固定在立柱上;关节3传动的最末一个大齿轮固定在小臂上。小臂端部连接具有3R手腕,在臂的根部装有关节4,5的驱动电机,在小臂的中部,靠近手腕处,装有关节6的驱动电机。关节4,5均采用两级齿轮传动,不同的是关节4采用两级圆柱直齿轮,而关节5采用第一级圆柱直齿轮,第二级锥齿轮,使传动轴线改变方向90。关节6采用三级齿轮传动,第一级与第二级为锥齿轮,第三级为圆柱直齿轮,关节4,5,6的齿轮组除关节4第一级齿轮装在小臂内以外,其余的均装在手腕内部。所设计的机器人本体结构特点如下:a.内部铝铸件形状复杂,既用作内部齿轮安装壳体与轴的支承座,又兼作承力骨架,传递集中载荷。这样不仅节省材料,减少加工量,又使整体质量减轻。手臂外壁与铸件骨架采用胶接,使连接件减少,工艺简单,减轻了质量。b.轴承外形环定位简单。一般在无轴向载荷处,载荷外环采用端面打冲定位的方法。c. 采用薄壁轴承与滑动铜衬套,以减少结构尺寸,减轻质量。d. 有些小尺寸齿轮与轴加工成一体,减少连接件,增加了传递刚度。e. 大、小臂,手腕部结构密度大,很少有多余空隙。如电机与臂的外壁仅有0.5mm间隙,手腕内部齿轮传动安排亦是紧密无间。这样使总的尺寸减少,质量减少。f. 工作范围大,适应性广。PUMA除了自身立柱所占空间以外,它的工作空间几乎是他的长臂所能达到的全球空间。再加之其手腕轴的活动角度大,因此使它工作时位姿的适应性强。譬如用手腕拧螺钉,手腕关节4,6配合,一次就能转1112。g. 由于结构上采用了刚性齿轮传动,调整齿轮间隙机构,弹性万向联轴器,工艺上加工精密,多用整体铸件,使得重复定位精度高。h. 机器人手臂材料的选择:机器人手臂的材料应根据手臂的工作状况来选择。根据设计要求,机器人手臂要完成各种运动。因此,对材料的一个要求是作为运动的部件,它应是轻型材料。而另一方面,手臂在运动过程中往往会产生振动,这将大大降低它的运动精度。因此,在选择材料时,需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑,以便有效地提高手臂的动态性能。机器人手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时,不应有变形和断裂。从力学角度看,即要具有一定的强度。手臂材料应选择高强度材料,如钢、铸铁、合金钢等。机器人手臂是运动的,又要具有很好的受控性,因此,要求手臂比较轻。综合而言,应该优先选择强度大而密度小的材料做手臂。其中,非金属材料有尼龙6、聚乙烯和碳素纤维等;金属材料以轻合金为主。在我们的设计中为减轻机器人本体的重量选用铸铝材料。第3章 机器人腰部结构设计通过总体分析后,确定了机器人的结构。所设计的腰关节部分采用二级齿轮减速传动。图3-1 机器人腰关节驱动器和齿轮传动机构简图3.1 电动机的选择设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3,根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为: (3-1) 、分别为10kg、5kg、12kg。、分别为重心到第一关节轴的距离,其值分别为300mm、700mm、1500mm,在式(3-1)中、故、可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动惯量为: (3-2) = =同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量: = =式中:小臂重心距第二关节轴的水平距离 。 腕部重心距第二关节轴的水平距离 。设主轴速度为219/s,则旋转开始时的转矩可表示如下 (3-3)式中:旋转开始的转矩 角加速度 使机器人主轴从到/s所需时间为:则: 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩,则旋转开始时的启动转矩可假定为 电动机的功率可按下式估算 (3-4)式中: 电动机功率 ; 负载力矩 ; 负载转速 ; 传动装置的效率,初步估算取0.9; 系数1.52.5为经验数据,取1.5估算后就可选取电机,使其额定功率满足下式 (3-5)选择QZD-08串励直流电动机表3-1 QZD-08串励直流电动机技术数据功率(W)额定电压(V)额定电流(A)额定转速(r/min)滤磁方式绝缘等级工作制(min)8002446.21750串励B603.2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比根据经验取主轴的转速4rad/s。传动装置总传动比取48,分二级传动,第一级是加工在轴上的齿轮与小齿轮啮合,传动比=4;第二级传动比为=12 (3-6)3.3 轴的设计计算3.3.1 计算各轴转速、转矩和输入功率a.各轴转速轴 (3-7)轴 (3-8)轴 n= (3-9)b.各轴输入功率轴 (3-10) 制动器效率轴 (3-11) 齿轮啮合的效率 角接触球轴承的效率轴 P=748.90.98=733.9 W (3-12)c.各轴输入扭矩轴 (3-13)轴 (3-14)轴 T3=9550 (3-15)3.3.2 确定三根轴的具体尺寸两实心轴的材料均选用45号钢,查表知轴的许用扭剪应力= 30MPa,由许用应力确定的系数为C=120.A. 第一根轴设计及校核a.此轴传递扭矩 (3-16)因为轴是齿轮轴,所以可以将轴的轴径加工的大一点,以满足齿轮啮合时强度的要求。齿轮的分度圆直径为50mm,齿轮两端装有轴承,加工一段轴肩来定位轴承.齿轮轴上装型号为 滚动轴承7206AC,内径为30mm。具体尺寸如图3-2所示。图3-2 第一级齿轮轴结构图b.轴在初步完成结构设计后,进行校核计算。计算准则是满足轴的强度或刚度要求。进行轴的强度校核计算时,应根据轴的具体受载及应力情况,采取相应的方法,并恰当地选取其许用应力,对于用于传递转矩的轴应按扭转强度条件计算,对于只受弯矩的轴(心轴)应按弯曲强度条件计算,两者都具备的按疲劳强度条件进行精确校核等。 图33轴的受力分析和弯扭矩图求作用在齿轮上的力: (3-17) 画轴的受力简图 见图33计算轴的支承反力在水平面上 (3-18) (3-19)在垂直面上 (3-20)画弯矩图 见图33在水平面上,剖面左侧 (3-21)剖面右侧 (3-21)在垂直面上 (3-22)合成弯矩,剖面左侧 (3-23)剖面右侧 (3-24)画转矩图 见图33 (3-25)判断危险截面 截面左右的合成弯矩左侧相对右侧大些,扭矩为T,则判断左侧为危险截面,只要左侧满足强度校核就行了。轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力, 截面左侧 (3-26) (3-27)c.轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度 ,弯曲疲劳强度,剪切疲劳极限,等效系数, 截面左侧 (3-28)查得,;查得绝对尺寸系数,;轴经磨削加工,表面质量系数。则弯曲应力 , (3-29) 应力幅 平均应力 切应力 (3-30) 安全系数 (3-31) (3-32) (3-33)查许用安全系数,显然,则剖面安全。其它轴用相同方法计算,结果都满足要求。B.中间轴设计此轴传递扭矩,转速,传递功率为,则 (3-34)安装轴承部分轴径最小,由于整个轴上零件较复杂,在两轴承之间有车在轴上的齿轮,还有安装在轴上的小齿轮,以及轴套和轴承,所以可取大一点,这里取,轴承部分,轴承选为单列角接触球轴承,轴承型号为 滚动轴承7206AC,其余根据结构确定.由于载荷不大,轴承选的较大,强度足够,这里不再详算。中间轴大体结构及尺寸如图3-4所示。图3-4中间轴结构图C. 主轴的设计主轴是连接腰关节与大臂的结构,因结构体积比较大,为节省材料减轻重量,故需设计成空心轴,主要承受轴向拉力,取内径,外径,用圆锥滚子轴承支承,轴承型号为 滚动轴承30205。主轴材料选用型号为ZAlCu5Mn的铸铝合金。3.4 确定齿轮的参数3.4.1选择材料根据表7-1,选择齿轮的材料为45钢,经调质硬度HBS可达229286。3.4.2 压力角的选择由机械原理知识可知,增大压力角,能使轮齿的齿厚和节点处的齿廓曲率半径增大,可提高齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。此处,压力角可取20。3.4.3 齿数和模数的选择 对软齿面的闭式齿轮传动,其承载能力主要取决于齿面接触疲劳强度。而齿面接触应力的大小与小齿轮的分度圆直径有关,即与齿数和模数的积有关。因此在满足弯曲疲劳强度的前提下,宜选择较小的模数和较多的齿数。这样除能增大重合度,改善传动的平稳性外,还因模数的减小而降低齿高,从而减小金属的切削量,减少滑动速度,减少磨损,提高抗胶合能力。轴上齿轮齿数取25,小齿轮齿数取100,轴上轴齿轮齿数取25,大齿轮齿数取300,模数m取2。3.4.4齿宽系数 由强度公式可知,当载荷一定时,增大齿宽可以减小齿轮直径,降低齿轮圆周速度。但增大齿宽,齿面上的载荷分布不均匀性也将增大。查表7-7,中间轴上的齿轮与大齿轮啮合时取齿宽系数为1.0;悬臂上的齿轮与小齿轮啮合时取为0.5。根据公式 ,计算结果圆整为5的整数倍,作为大齿轮的齿宽,小齿轮齿宽取,以补偿加工装配误差。所以轴上齿轮 与之啮合的小齿轮齿宽 轴上的齿轮齿宽 ,与之啮合的大齿轮齿宽3.4.5 确定齿轮传动的精度 根据GB10095-1988规定,齿轮精度等级分为12级,1级最高,12级最低,常用69级。根据表7-8 选用7级精度的齿轮。表3-2 第一级啮合齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙表3-3 第二级啮合齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙3.4.6 齿轮的校核已选定齿轮采用45钢,锻造毛坯,软齿面,齿轮渗碳淬火HRC5662,齿轮精度用7级,软齿表面粗糙度为,对于需校核的一对的齿轮,齿数分别为,模数为2,传动比,扭矩T=16.76Nm。a.设计准则 按齿面接触疲劳强度设计,再按齿根弯曲疲劳强度校核。b.按齿面接触疲劳强度计算 。 (3-35)式中:节点区域系数,用来考虑节点齿廓形状对接触应力的影响,取=2.5; 材料系数,单位为,查表7-5,取189.8; 重合度系数,取=0.90; 齿宽系数,取=1; u齿数比,其值为大齿轮齿数与小齿轮齿数之比,u=12。选择材料的接触疲劳极限应力为: 选择齿根弯曲疲劳极限应力为: 应力循环次数N计算可得 437.5163008=10.08 (3-36)则 (3-37)查得接触疲劳寿命系数为查得弯曲疲劳寿命系数为查得接触疲劳安全系数,弯曲疲劳安全系数,又为试验齿轮的应力修正系数,按国家标准取2.0,试选1.3,求许用接触应力和许用弯曲应力: (3-38) (3-39) (3-40) (3-41)将有关值带入公式(3-35)得:= =29.78mm则 (3-42) (3-43)查图得;查得,查得,取,则 (3-44)修正,mm取标准模数m=2mm,与前面选定的模数相同,所以m=2mm符合要求。c.计算几何尺寸 , (3-45) , (3-46)d.校核齿根弯曲疲劳强度 查得,取校核两齿轮的弯曲强度 (3-47) (3-48) 所以齿轮完全达到要求。图3-5 大齿轮结构图图3-6 小齿轮结构图3.5 壳体设计基座部分采用球墨铸铁材料,方形结构,壁厚在15mm左右。立柱采用铸铝,空心圆柱形状,起固定轴承外圈的作用。其他部分具体尺寸由结构确定,这里不一一叙述,详见图纸。 3.6小结本章针对腰部的齿轮、大齿轮轴、小齿轮轴进行了设计和校核,另外还表述了设计上的见解。通过校核可知设计的齿轮、轴均符合强度要求。总 结我国机器人的研究和应用起步较晚,但是随着国内外机器人的快速发展、社会需求的增大和技术的进步,焊接机器人得到了迅速的发展,多品种、少批量生产方式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求,是推动装焊接机器人发展的直接动力。机器人在轻型、较简单且要求机器人价格较低的焊接作业中大显了身手。本课题正是在这种背景下提出来的,这是一项具有重要意义的课题。本文主要完成了如下工作:进行了机器人总体设计及腰关节的详细设计机器人应该具有外形简单、传动原理简单等特点,为此机器人设计成具有六自由度的结构,由机身、大臂、小臂、腕部组成。六个自由度均为旋转关节。机器人六个关节均选直流电机驱动。第一个关节采用二级齿轮传动,这种传动方式具有精度高、定位安装方便等优点;其他五个关节都采用了锥齿轮与直齿轮的传动结构,充分利用了大臂和小臂的空间,结构紧凑。参考文献1 汪恺. 机械设计标准应用手册M. 机械工业出版社. 1997.8.2 成大先. 机械设计手册M. 化学工业出版社 2002.1.3 徐灏. 机械设计手册M. 北京:机械工业出版社 2002.4 徐锦康. 机械设计M .机械工业出版社 2001.5 殷际英,何广平.机器人M. 北京:化学工业出版社 2003.6 周伯英. 工业机器人设计M. 北京:机械工业出版社 1995.7 陈秀宁,施高义.机械设计课程设计M.浙江大学出版社 1995.8.8 王宗荣.工程图学M.机械工业出版社 2001.9.9 费仁元,张慧慧.机器人设计和分析M.北京工业大学出版社 1998.9.10 龚振邦.机器人机械设计M.北京:电子工业出版社 1995.11.11 吴相宪,王正为,黄玉堂.实用机械设计手册M.中国矿业大学出版社 1993.5.12 庞启淮.小功率电动机应用技术手册M.机械工业出版社.13 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