水平4关节工业机器人结构设计

水平4关节工业机器人结构设计,水平,关节,工业,机器人,结构设计 本科生毕业设计（论文） 水平4关节工业机器人结构设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 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IIIAbstractRobot 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2AbstractIII目 录1第1章 绪论21.1 机器人概念21.2 课题研究的背景和意义21.3 国内机器人的研究31.4 本课题研究内容5第2章 机器人总体设计72.1 机械结构类型的选择72.2 额定负载82.3 工作范围82.4 操作机的驱动系统设计82.5 控制系统选择9第3章 SCARA机器人的机械结构设计103.1 SCARA机器人的总体设计103.1.1 SCARA机器人的技术参数103.1.2 SCARA机器人外形尺寸与工作空间103.1.3 SCARA机器人的总体传动方案113.2机器人关键零部件设计计算113.2.1减速机的设计计算113.2.2电机的设计计算173.2.3同步齿型带的设计计算183.2.4滚珠丝杠副的设计计算193.3大臂和小臂机械结构设计213.4腕部机械结构设计223.5 腰部机构设计233.6小结26. 总 结27参考文献28致 谢29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。 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。 据日本工业机器人协会统计，早期的日本工业机器人产业年产值约为50亿日元，经过70年代的应用期和80年代的普及期，1981年产值达到1000亿日元，到1991年提高到6000亿日元，到2000年，其产值达到10800亿日元，2005年将达到18500亿日元。 据国际机器人协会统计，2003年工业机器人发货量呈现强劲增长势头。与2002年相比，2003年全球范围内机器人的订货量增长约10%以上。预计，工业机器人的世界市场将从2002年的68600台套增长到2006年的91100多台套，年平均增长7.4%。（2）国外工业机器人的发展趋势 机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述学科发展密切相关。机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术（RT）概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。”目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技 术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化 和智能化等方面。 工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。 1.2.1、工业机器人的发展现状国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10左右。2004年增长率达到创记录的20。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。 图1一1SCARA机器人1.4 本课题研究内容以北301实验室现有的机器人为原型，对其具体结构进行设计。机械手的主要技术参数要求如下：工作半径：800mm；负载：5kg；关节活动范围：轴1旋转+125 -125，速度 250/s轴2旋转+145 -145，速度 250/s轴3手臂200mm，速度 1500mm/s轴4手腕+360 -360，速度 320/s 重复定位精度：0.5mm。完成以下几方面的具体设计：1、 4个关节伺服电机的选型、机械减速驱动方案的确定；2、 整体结构的设计与运动仿真；3、 结构设计需要考虑关节润滑、导线进出等；4、机构整体刚度要进行校核。第2章 机器人总体设计2.1 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4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。2.2 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末端能承受的最大载荷是5kg。2.3 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。2.4 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。2.5 控制系统选择对于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。第3章 SCARA机器人的机械结构设计近年来，工业机器人有一个发展趋势:机械结构模块化和可重构化。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;国外己有模块化装配机器人产品问市。本章介绍模块化的设计方法在SCARA机器人的结构设计中的应用。3.1 SCARA机器人的总体设计3.1.1 SCARA机器人的技术参数工作半径：800mm；负载：5kg；关节活动范围：轴1旋转+125 -125，速度 250/s轴2旋转+145 -145，速度 250/s轴3手臂200mm，速度 1500mm/s轴4手腕+360 -360，速度 320/s3.1.2 SCARA机器人外形尺寸与工作空间依据设计要求，SCARA机器人的外形尺寸如图2一1所示，工作空间如图2一2。图2一1 SCARA机器人的结构图3.1.3 SCARA机器人的总体传动方案VR减速器是近几年发展起来的以两级减速和中心圆盘支撑为主的全封闭式摆线针轮减速器，与其它减速方式相比，VR减速器具有减速比大、同轴线传动、传动精度高、刚度大、结构紧凑等优点，适用于重载、高速和高精度场合。谐波减速器也具有传动比大，承载能力大，传动精度高，传动平稳，传动效率高，结构简单、体积小，重量轻等优点，而且相对于VR减速器而一言，其制造成本要低很多，所以在本设计中采用谐波减速机。SCARA机器人大小臂均要承受轴向压力和倾覆力矩，所以大臂和小臂均采用谐波减速机加推力向心交叉短圆柱滚子轴承结构。而推力向心交叉短圆柱滚子轴承刚度高，能承受轴向压力与径向扭矩，与谐波减速机配合正符合SCAAR机器人大小臂高刚性及高的抗倾覆力矩的要求。这样有利于缩短传动链，简化结构设计。机器人的传动系统中主要是使用VR减速器或谐波减速器。由于主轴处于机器人小臂末端，相对线速度大，对重量与惯量特别敏感，所以传动方式要求同时实现Z轴方向直线运动和绕Z轴的回转运动，并要求结构紧凑、重量轻。经过比较，选择同步齿形带加滚珠丝杠来实现Z轴上下运动，而用同步齿形带加带键的滑动轴套来实现Z轴旋转运动。大臂回转:步进电机1一减速器一大臂小臂回转:步进电机2一小臂主轴垂直直线运动:步进电机3一同步齿形带一丝杠螺母一主轴主轴旋转:步进电机4一同步齿形带一花键一主轴3.2机器人关键零部件设计计算3.2.1减速机的设计计算轴1旋转+125- -125，速度 250/s=4pi/3rad/s谐波齿轮传动简介所谓谐波传动是一种靠中间柔性构件弹性变形来实现运动和动力传动的装置的总称。在谐波传动出现后短短的几十年中，世界各工业比较发达的国家都集中了一批研究力量，致力于这类新型传动的研制，几乎对该类传动的整个领域中的全部问题均进行了程度不同的研究。当然，由于谐波传动本身所涉及问题的复杂性和广泛性，因而有不少问题目前尚未作最后定论。图1 谐波齿轮传动系统谐波齿轮传动系统有三个基本构件组成，如图2-1所示：刚轮1(Circular Spline)，柔轮2(Flexspline)和波发生器3(Wave Generator)。谐波齿轮传动的原理就是在柔性齿轮构件中，通过波发生器的作用，产生一个移动变形波，并与刚轮齿相啮合，从而达到传动目的。特点：优点：(1)结构简单，体积小，重量轻 3, 50%, 1/3(2)传动比范围大 50300, 300060000 (3)同时啮合的齿数多 30%,正是由于同时啮合齿数多这一独特的优点，使谐波传动的精度高，齿的承载能力大，进而实现大速比、小体积。(4)承载能力大 (5)运动精度高 (6)运动平稳，无冲击，噪声小 (7)齿侧间隙可以调整 (8)齿面磨损小而均匀，传动效率高 (9)同轴性好 (10)可实现向密闭空间传递运动及动力 缺点：(1)柔轮周期性变形，易于疲劳损坏(2)柔轮和波发生器的制造难度较大(3)传动比的下限值高，齿数不能太少(4)起动力矩大，且速比越小越严重；(5)谐波齿轮传动没有中间轴，因而不能获得中间速度(6)如果结构参数选择不当或结构时机不良，发热过大，降低传动承载能力齿形几何参数 传动啮合参数 结构尺寸表1 谐波齿轮齿形几何参数计算公式名称代号计算公式备注波数n双波时，n=2波高d模数m齿距p柔轮齿数刚轮固定：柔轮固定：刚轮齿数刚轮固定： 柔轮固定： 齿顶高齿根高顶隙分度圆齿厚刚轮分度圆直径刚轮齿顶圆直径刚轮齿压力角双波时，柔轮分度圆直径柔轮齿顶圆直径柔轮齿压力角双波时，刚轮齿根圆直径柔轮齿根圆直径表2 谐波齿轮传动的啮合参数选择及几何计算名称代号计算公式备注齿顶高系数顶隙系数柔轮变位系数对于柔性轴承已按标准选定的，-柔性轴承的外径；-壁厚；对于动力传动和传递运动的传动，可按照谐波齿轮传动的理论和设计（沈允文.1985）图4-9选择刚轮变位系数大致可取；对于齿啮式输出联接的刚轮，大致取：； 根据具体情况可作适当调整柔轮齿根圆直径为了防止齿顶变尖和啮入瞬时产生齿顶干涉，因而采用缩短齿顶高的办法柔轮齿顶圆直径径向变形系数一般可取：最大啮入深度（又称齿廓工作段高）从提高传动承载能力的角度出发，必须保证对于的传动，受到齿顶变尖的限制，同时受到用插齿刀能否加工出所需刚轮齿根圆直径的条件限制刚轮齿顶圆直径刚轮的齿顶圆和齿根圆直径是根据在齿轮啮入深度处保证有必要的径向间隙以及消除过度曲线干涉的条件下确定的刚轮齿根圆直径基准齿形角当时，与相对应的柔轮之节圆压力角应为采用压力角时，柔轮中应力有所减小柔轮基圆直径柔轮分度圆直径柔轮分度圆齿厚刚轮基圆直径刚轮分度圆直径刚轮分度圆齿厚测量用圆柱直径柔轮分度圆齿厚改变系数刚轮分度圆齿厚改变系数测量柔轮时量柱中心所在远上的渐开线压力角测量刚轮时量柱中心所在远上的渐开线压力角测量柔轮时用的量柱测量距测量刚轮时用的量柱测量距表3 圆柱形柔轮结构尺寸名称代号参数计算备注柔轮长度一般，；对于齿式联接结构的柔轮，可取；对于短筒柱形柔轮，对于整体式柔轮，取偏大值；轻载时d值可适当减小，重载时可适当增大；塑性柔轮壁厚为钢制柔轮的23倍柔轮壁厚或者：柔轮光滑筒体部分的壁厚或者齿圈宽度其中，-齿宽系数，对于动力传动，对于传递运动的传动，联接齿圈的宽度3.2.2电机的设计计算轴(机座旋转轴)的等效转动惯量为 式中:初拟机座的外径为150mm，内径为100mm，带轮直径60mm，宽40mm.设谐波减速器转动惯量为： 电机的转子惯量86BYG250B一0402电机的转子惯量1540因此自由度弓传动系统上所有惯量折算到电机轴1上的等效惯量为电机轴扭矩为： T=因为所选材料的摩擦系数f=0.002取响应时间T=o.045，则T=1.0 N.m所选两相混合式步进电机YCT132-4A电机在1230rpm时扭矩为1.1N.m，满足要求，其余几个电机的选择计算类似，型 号Model标称功率Momical PowerKw额定转矩Rated torqueNm调速范围Adjustableapeed ranger/min转速变化率Speedvariationratio%噪音NoisedB（A）（)重量WeightKgYCT90-4A0.372.31200120 2.57333YCT112-4A0.553.61230125 7555YCT112-4B0.754.912301257560YCT132-4A1.17.1123012575853.2.3同步齿型带的设计计算考虑到整体结构，选择一对直径40mm左右的带轮（1）确定同步齿轮型的设计功率同步齿型带传递的设计功率随载荷性质、速度增减和张紧轮的配置而变化。令K1为考虑载荷性质和运转时间的工况修正系数，K2为考虑增速的修正系数，K3为考虑张紧轮的修正系数。设计功率为:(2) 选择带型和带轮节径及齿数 参照“同步带选型图”选择带型为L型，则选择带轮20L050，节径40.64mm，外径39.88mm，齿数为20，节距P。=9.525mm。接下来验算带速，(3)同步带的节线长度Lp，齿数Zb及传动中心距初选中心距取圆整为370mm，则选择长度代号为143的同步带型，齿数为38，计算实际中心距C =89.7702(4)确定实际啮合齿数Zm (5)确定实际同步带宽度选取同步带的宽度为12.7mm，带轮宽度为14+2mm3.2.4滚珠丝杠副的设计计算(1)最大工作载荷计算。工作最大负载Fz =15N，沿Z轴方向，即丝杠轴向。因此，滚珠丝杠的进给抗力，即最大工作载荷Fm为设横向工作载荷为： Fy=0.5Fz=7.5N 为导杆和轴套之间的摩擦系数，=0.15。因此，丝杠最大工作载荷为 (2)最大动负载C校核滚珠丝杠最大动负载L为工作寿命，;n为丝杠转速，T为额定使用寿命(h)，取T=1500则L=60x3000x15000/=2700. 为运转状态系数，无冲击，=1.2，因此，查表知FF1204-3的额定动负载，安全裕度为：。静载校核因工作载荷很小，肯定满足条件。因此，对于该自由度的传动系统的计算及校核可以省略。(3)刚度验算丝杠的拉压变形量为1=式中:L为滚珠丝杠在支撑间的受力长度，取L=1mm;E=20.6x MPa;丝杠底径dl近似为外径和滚珠直径之差，即=d-，丝杠外径d=-(0.2一0.25) ，丝杠名义直径已知12mm，查表知滚珠直径=2.38lmm，因此丝杠底径为=9.5mm,A=，于是拉压变形量为1=16.125x120/(20.6x x70.84)=1.326x 该变量可以忽略不计，因工作载荷很小，滚道接触变形量从略。(4)压杆稳定性验算。失稳时的临界载荷为采用两端固定的支承方式，查表知支承方式系数f=0.25;I为截面惯性矩，I=/64=1091.18 L=12Omm。因此稳定安全裕度为因工作负载很小，压杆不会失稳。(5)传动效率计算=tg入/tg(入十)根据初选滚珠丝杠型号查表只知螺旋升角入=4033，摩擦角一般约为10，则=tg4033/tg4043=0.96，传动效率高。3.3大臂和小臂机械结构设计如图2一5大臂装配结构图所示，机器人大臂8的驱动电机1和谐波减速器2直联后安装在机器人大臂内部。谐波减速器7的输出轴铣成方形插入底座14内，底座14通过螺栓13固定在机座1上。同时推力向心交叉短圆柱滚子轴承的内圈通过螺栓n与连接板5联结在一起，连接板通过螺栓6联结在大臂上，推力向心交叉短圆柱滚子轴承的外圈通过螺栓2与机座1联结在一起。当电机轴旋转时，受到固定限制的减速器输出轴不能转动，从而电机和减速器以及大臂反向旋转。这样机器人大臂就可以绕机座中心轴相对固定机座转动，但转动方向与减速机输出轴转向相反。同时在圆周方向，固定基座应该安装两个极限行程开关4和两个限位挡块，而运动体则要安装压板和行程触发块12，以限制大臂在规定范围内转动，以免机器人小臂部分在运动空间之外与其他设备或部件碰撞【g。采用模块化设计方法，小臂与大臂装配结构类似。机器人小臂电机也安装在小臂内部，这样虽然增加了小臂惯量，但有利于简化结构设计和零部件制造工艺。传动原理及结构设计与大臂类似，小臂装配结构图略。由于三四关节所有导线都要通过关节二外壳罩，所以在小臂与三四关节壳罩之间增加一段导线管用来通三四关节导线73.4腕部机械结构设计图2一7腕部装配结构图1.下端盖 2.滑块 3.轴承套 4.丝杆 5.导杆 6.步进电机 7.滚珠螺母及导轨滑块 8.腕部机壳 9.步进电机 10.同步齿形带 11.腕部上端机壳 12.制动块 13.导杆 14.同步齿形带 15.轴承套 16.密封圈 17.主轴腕部装配结构图如图2一7所示。为了便于加工及保证精度，把安装滚珠丝杠一端的端盖3及支撑上端盖的壳体(图中未标出)设计成分离式结构，依靠壳体两端面与小臂及上端盖配合面来保证丝杠与主轴平行度。由于同步齿形带要能调整中心距及带张紧力，因此电机6先安装在电机连接板上，然后再把连接板及上端盖固定在一起，上端盖用来连接电机连接板的四个孔，螺栓在两个带轮中心线方向上可以进行微调。这样在装配时可对两带轮中心距及带张紧力进行调整。对于电机13直接连接在滚珠螺母与导杆滑套上，这样电机可随着主轴一起做直线运动。由于滚珠丝杠没有自锁功能，Z轴方向又是负载作用力主方向，受结构尺寸限制无法在电机6上加抱闸，因此在滚珠丝杠顶端安装一个制动器来锁住滚珠丝杠，断电时自动锁死，避免滚珠丝杠在断电时发生滑动。滚珠丝杠两端都选用向心推力球轴承，此类轴承存在轴向游隙，可以防止丝杠轴向跳动，提高主轴传动精度。滚珠螺母与滚珠螺母支架相连接，主轴通过两个推力球轴承安装在滚珠螺母支架上，主轴顶端用两个小圆螺母加以锁紧。导柱2,是否需要还有待实验进一步验证。主轴升降通过限位开关控制其行程，所以在螺母支架上安装有一挡块，在上端相应位置安装有接近开关，这样主轴离端盖一定距离时就有信号通知运动控制器，限制该方向运动。在滚珠丝杠下端添加一个防撞的橡胶垫圈，避免滚珠螺母与小臂上表面发生刚性碰撞。3.5 腰部机构设计（含齿轮计算校核）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）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。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（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。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。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。3.6小结SCARA机器人大臂和小臂结构相同，基本上实现模块化设计，符合发展趋势; 三个模块相互独立、结构简单、零部件少、精度高、可靠性高，不仅适用于S以AR平面关节式装配机器人设计，其一二关节模块结构同样适用于其他关节式机器人前端转动关节设计。三四关节模块结构紧凑，充分利用结构空间，能同时实现高速旋转运动与直线运动，主轴直线运动距离为100mm，而整个模块在主轴方向高度约为4O0mm左右。同时，三四关节的电机轴与主轴不在同一直线上，也有利于结构布局，所以该模块也可应用在一些对精度和结构尺寸都有要求的组合运动结构设计中。. 总 结进行了机器人总体设计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4自由度的结构，由机身、大臂、小臂、腕部组成，充分利用了大臂和小臂的空间，结构紧凑。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: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 马香峰.工业机器人的操作机设计M.冶金工业出版社.29致 谢毕业设计是将大学所学的知识融合在一起，综合运用所有的相关专业知识，是课本知识在实际中的应用。通过这次毕业设计，使我的专业知识在原有的基础上得到更加的巩固和提高，这离不开老师和同学们的帮助。本设计分析是在老师的指导下完成的，在分析的过程中，尹长城老师给了我很大的鼓励，在设计分析中引导我去思考了更多的设计思路，增强了我的学习能力，与我们一起讨论问题，使我对分析有了更清晰明确的认识，使我受益非浅。毕业设计是我们专业知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会、从事职业工作前一个必不可少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古言的真正含义。我今天认真地进行课程设计，学会脚踏实地地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。说实话，毕业设计真是有点累。然而一着手清理自己的设计结果，仔细回味毕业设计的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使我倦意顿消。虽然这是我刚学会走完的第一部，是我人生中的一点小小的胜利，然而它令我感到自己成熟了许多。通过毕业设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心、细致。课程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱；有时应为不小心计算出错，只能毫不留情地重做。但一想起老师平时多耐心的教导，想到今后自己应当承担的社会责任，想到世界上因为某些细小失误而出现的令世人无比震惊的事故，我不禁时刻提醒自己，一定要养成一种高度负责、一丝不苟的良好习惯。经历了毕业设计，使我我发现了自己所掌握的知识是真正的贫乏，自己综合运用所学专业知识的能力是如此的不足，几年来学习了那么多的课程，今天才知道自己并不会用。想到这里，我真的有点心急了。由于毕业时间的仓促，很多本来应该弄懂弄透的地方都没有时间去细细追究来源，比如网格划分的控制、坐标系的理解、求解器的选择等，这使我明白了大学里学的只是一个大体上的方向，离实际应用还有太远的距离。但我相信方向才是最重要的，因为方向确定了，就会用最少的精力做好事情，这对于我以后的工作至关重要。因为在实际生产生活中，要从事的工种是千差万别的，只有从中找到自己最拿手，最有发展前途的岗位，个人才有更多的热情，也最可能在自己的岗位做出一些贡献。