自动生产线装卸工件机械手设计 毕业论文.doc

摘 要从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。而工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛兴趣。在新的世纪，机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。我的毕业设计选择的题目是“自动生产线装卸工件机械手设计”，由于该机械手是用于生产线上，所以要求它的工作范围完全符合生产线。技术指标要求五自由度，所以要先选择圆柱型坐标机械手，确定坐标方向，以及实现各个自由度部件的初步传动方案，然后进行分析校核，最后要考虑机械手的空间问题来布置机械手的内部结构，在考虑结构的同时还要注意各部件之间的固定连接问题。由于时间仓促和作者的知识水平及设计经验有限，论文中的错误和不足在所难免，请各位老师给予批评指正。关键词：机器人；计算机；微电子；自动化iabstractborn from the robot to the early 1980s, robotics has experienced a long slow process of development. into the 1990s, as computer technology, electronics technology, network technology, rapid development, robot technology has been developing rapidly. in addition to the standard industrial robot, a variety of non-manufacturing sector advanced robotics system also had improved significantly. in recent years, human activity sectors continued to expand, robot application also from manufacturing to the non-manufacturing business development. like the ocean development, space exploration, mining, construction, health care, agriculture, forestry, industry, services, and entertainment industry have raised automation and robotization of requirements. these industries and manufacturing industry compared to its main characteristic is the working environment of unstructured and uncertainty to robot requires higher, need robots have walking function, external perception and local autonomous planning ability, and so on, is a robotic technology important direction of development. while industrial robot in many production using proven and improve production automation level, improve productivity and product quality and economic efficiency, improve workers working conditions, etc., was astonished, concern and social strata is a lot of interest. in the new century, robot industry will get more rapidly and more widely used. my design choice of topic is automatic production line of the loader component manipulator design, since the robot is used for the production line, hence the scope of work of the request it fully complies with the production line. specification requires five degrees of freedom, so you want to select a cylindrical coordinates manipulator, determine the direction of the coordinates and implements various degrees of freedom, part of the project, and then analyze verification, the last thing to consider manipulator space problems to the internal structure of the layout of the robotic arm, in considering the need to pay attention to the various parts of the fixed connection problems. because of the haste and the authors knowledge level and design experience limited, papers in error and not inevitable, teachers give humour. key words: robot; computers; microelectronics; automation目 录第一章 概述.11.1机械手在生产中的作用.11.2机械手的组成和分类.11.3机械手的发展趋势.3第二章 总体设计方案.52.1设计的主要内容.52.2设计要求.52.3设计的主要参数.5第三章 机械部分设计.63.1传动系统简图.63.2底座旋转设计部分.73.3x方向直线运动设计部分.113.4三自由度手腕设计部分.153.5手部设计部分.18结论.22致谢.23参考文献.24- 23 -第1章 概述1.1 机械手在生产中的作用 随着工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、运输或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工，装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。机械手的结构型式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，使用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快地改变工作程序，适应性比较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛应用。1.2 机械手的组成和分类1.2.1 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互间的关系如方框图1.1所示。图1.1 机械手结构框图(1) 执行机构 包括手部、手腕、手臂和立拄等部件，有的还增设行走机构。1) 手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成，手指是与物件直接接触，而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务；吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生电磁力）吸附物件。2) 手腕 是连接手部和手腕的部件，起调整或改变工件方位的作用。3) 手臂 支撑手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。4) 立柱 是支撑手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5) 行走机构 机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮机构则应另外增设机械传动机构。6) 机座 它是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支承和连接的作用。(2) 驱动系统 机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。(3) 控制系统 有电气控制和射流控制两种，一般常见的为电气控制。它是机械手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(4) 位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调查，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。122 机械手的分类 由于机械手还没有统一的分类标准，暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(1) 按用途分机械手可分为专用和通用机械手两种：1) 专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、实用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。2) 通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种：简易型以“开关”式控制定位，只能是定位控制；伺服型具有伺服定位控制系统，可以是点定位，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(2) 按驱动方式分1) 液压传动机械手 是以油液的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄露对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2) 气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是介质来源极方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，而且起源压力较低。抓重一般在30公斤以下，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3) 机械传动机械手 即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠、动作频率高，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于为工作主机的上、下料。4) 电力传动机械手 即由特殊机构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械机构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便，此类机械手目前还不多，但有发展前途。(3) 按控制方式分1) 点位控制 它的运动为空间到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点越多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前多数机械手属于点位控制。2) 连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和真确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。1.3 机械手的发展趋势 目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能在不断提高。由于发展时间较短，人们对它有一个逐步认识的过程，机械手在技术上还有一个逐步完善的过程，其目前的发展趋势是：(1) 扩大机械手在热处理加工行业的应用目前国内机械手应用在机械工业冷加工作业中的较多，而在铸、锻、焊、热处理等热加工以及装配作业等方面的应用较少。因热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带来不少困难，这就需要解决技术上的难点，使机械手更好地为热加工作业服务。同时，在其他行业和工业部门，也将随着工业技术水平的不断提高，而逐步扩大机械手的使用。(2) 提高工业机械手的工作性能机械手工作性能的优劣，决定着它能否正常地适应于生产中。机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机械手能否保证质量地完成操作任务的关键因素。因此要解决好机械手的工作平稳性和快速性的要求，除了从解决缓冲定位措施入手外，还应发展满足机械手性能要求廉价的电液伺服阀，将伺服控制系统应用于机械手上。(3) 发展组合式机械手从机械手本身的特点来说，可变程序的机械手更适应产品改型、设备更新、多品种小批量的要求，但是它的成本高，专用机械手价廉，但适用范围又受到限制。因此，对一些特殊用途的场合，就需要专门设计、专门加工，这样就提高了产品成本。为了适应应用领域分门别类的要求，可将机械手的结构设计成可以组合的形式。组合式机械手是将一些通用部件（如手臂伸缩部件、升降部件、回转部件和腕部回转、俯仰部件等）根据作业的要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。它可以简化结构，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性，便于标准化、系列化设计和组织专业化生产，有利于提高机械手的质量和降低造价，是一种有发展前途的机械手。(4) 研制具有“视觉”和“触觉”的所谓“智能机器人”处于需要人工进行灵巧操作及需要进行判断的工作场合，工业机械手很难代替人的劳动。如在工作过程中出现事故、障碍和情况变化等，机械手不能自动分辨纠正，而只能停机，待人们排除意外事故后才能继续工作。因此，人们对机械手提出了更高的要求，希望使其有“视觉”、“触觉”等功能，使之对物体进行判断、选择，能连续调节以适应变化的条件，并能进行“手眼”协调动作。这样需要一个能处理大量信息的计算机，要求人与机器“对话”进行信息交流。这种带“视觉”、“触觉”反馈的，由计算机控制的，具有人的部分“智能”的机械装置称为“智能机械人”。所谓“智能”是包括：识别、学习、记忆、分析判断的功能。而识别功能是通过“视觉”、“触觉”和“听觉”等感觉“器官”认识对象的。具有感觉功能的机器人，其工作性能是比较完善的，能够准确地夹持任意方位的物件，判断物件重量，越过障碍物进行工作，自动测出加紧力大小，并能自动调节，适用于从事复杂、精密的操作，如装配作业（国外研制的装配机器人，能将活塞装入间隙仅20微米的气缸内），它有着一定的发展前途。智能机器人是一种新兴的技术，对它的研究将涉及到电子技术、控制论、通讯技术、电视技术、空间机构和仿生机械学等学科。它是当代自动控制技术的一个新兴的领域。随着科学技术的发展，智能机器人将会代替人做更多的工作。第2章 总体方案设计2.1 设计的主要内容工业机器人是一门跨学科的综合性技术，包含的设计主要有机械系统的设计、电力驱动设计、控制系统的设计。为实现自动控制和操作简便，本次设计的主要内容是对工业机器人控制系统的设计和能够实现此自动控制的机械部分设计，此机电控制系统是以自动控制为核心的控制系统，由于plc在工业控制方面具有独特的优点，因此本设计采用plc控制作为机电控制的核心。2.2 设计要求：(1) 拟定整体设计方案，特别是传感、控制方式与机械本体的有机结合的设计方案。(2) 根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部，腕部，臂部和机身的结构。(3) 部分结构的设计计算。(4) 工业机器人总装配图及底座旋转结构的设计与部分结构零件设计。(5) 编写设计计算说明书（1.5万字）。(6) 完成开题报告及科技译文（3000字以上）。2.3设计的主要技术参数(1) 自由度数 5(2) 运动范围 x轴横向移动 100mm手臂绕x轴俯仰100手腕回转90底座回转360手夹持(3) 最大速度 0.2m/s(4) 腕部最大负荷 1.5kg(5) 驱动方式 直流伺服电机(6) 定位方式 闭环控制(7) 用途装卸工件(8) 存储容量 rom 32kb ram 32kb(9) 电源110130v直流 5060hz 0.6kw(10) 安装环境+546c第3章 机械部分设计3.1 传动系统简图图3.1 机械人传动系统框图图3.1是机械手臂的平移，三自由度手腕和手部的夹持机构的传动系统简图，该图表示手臂的平移运动是通过电机1作用使z26z27圆柱齿轮转动从而带动锥齿轮z25 z24传动，通过滚珠丝杠从而实现x方向的运动。三自由度手腕的驱动电机安装在手臂后端，同步带减速后将运动和力矩传给三个旋转轴，产生手爪回转、手腕偏摆和俯仰的三个运动。手爪回转运动是当m2转动，其他电机不转动时带动轴旋转，经齿轮1、3、2、4、5、6、7将回转运动传给手抓8轴上的锥齿轮7，实现手爪得回转运动。手腕偏摆运动及其诱导运动是当m3转动，其他电机不转动的情况下带动轴旋转，直接驱动回转壳体10绕轴转动，实现手腕的偏摆运动。由于壳体10转动，则齿轮2、14成为行星齿轮，壳体10成为行星架（转臂），齿轮2和3、13和14连同行星架10，构成两行星轮系。因而由行星轮2和14的自传运动诱导出附加的手爪回转运动和手腕的俯仰运动。手腕俯仰运动及其诱导运动是当m4转动，其他电机不转动的情况下带动轴转动，经齿轮15、13、14、12将运动传给圆锥齿轮11，驱动壳体9实现俯仰运动。由于壳体9的转动，也将引起圆锥齿轮7作行星运动，从而诱导出齿轮7的自传运动。手部的夹持机构是通过电机m5经锥齿轮传动从而带动两个旋向相反的丝杠实现夹紧的动作。3.2 底座旋转设计部分 工业机器人底座，就是圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人在第一个回转关节。机器人在运动部分全部安装在底座上，它承受了机器人的全部重量。3.2.1设计要求(1) 底座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。(2) 底座要承受机器人的全部重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。(3) 机器人的底座是机器人的第一个回转关节，它归机器人末端的运动精度影响最大，因此在设计时特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。(4) 为了保证机器人在外部电缆不随机器人的运动而摆动，所以，机器人的外部电缆（机器人与控制器的联接电缆），都是安装在不运动的机器人的基座上，并通过机器人底部结构要便于电缆的通过，并要解决固定端与运动端的联接问题。(5) 底部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器。驱动器一般都带有速度与位置传感器，以及制动闸。(6) 底部结构要便于安装、调整。底部与机器人手臂的联接要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。(7) 为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般底部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。3.2.2 谐波减速器的特点及原理底座的主要部件是谐波发生器，谐波发生器是一种依靠弹性变形运动来实现传动的新型传动，它突破了机械传动采用刚性结构模式，而是使用了一个柔性构件来实现机械传动。由于它具有一系列其他传动所难以达到的特殊性能，因而已广泛用于空间技术，能源，机器人，雷达，通讯，机床，仪表。(1) 谐波齿轮传动的主要特点有以下几个方面：1) 传动比大 单级传动比为70-320。2) 侧隙小 由于其啮合原理不同于一般齿轮传动，侧隙很小，甚至可实现无侧隙传动。3) 精度高 同时啮合齿数可达到总齿数的20%左右，在相隔180的两个对称方向上同时啮合，因此误差被平均化，从而达到高运动精度。4) 件数少，安装方便，只有三个基本部件，且输入轴与输出轴同轴线，因此结构简单，安装方便。5) 体积小，重量轻，与一般减速器比较，输出力矩相同时，通常其体积可减少2/3，重量可减少1/2。6) 承载能力大，同时啮合齿数多，柔轮又采用了高疲劳强度的特殊钢材，从而获得了高的承载能力，可承受径向力、轴向力和倾覆力矩，刚度也特别大。7) 效率高 在齿的啮合部分滑移两极小，摩擦损失小。即使在高速比条件下，还能维持高的效率。8) 平稳，周向速度低，又实现了力的平衡，故噪音小，振动小。9) 可向封闭空间传递运动，这一点是其他任何机械传动无法实现的。 在机器人研制中，很多传动都采用谐波减速器，因为它有以上很多比齿轮减速器、蜗杆减速器等常规减速装置更好的优点，由于本次设计的底座需要承受机械手手部、腕部、x横向等部件所有的支撑，尺寸也比较大，如果采用其他减速装置，虽然制造简单、成本低，但底座的轴向尺寸过大的缺点却非常突出，外形显得非常笨拙，机械手的空间布置和利用就明显不足。并且机械手的精度要求非常高，底座必须满足一定的精度，而且稳定性也要好，故本次设计采用谐波减速器，另一方面还可减轻机械手的整体质量，以达到效率高、使用方便的目的。(2) 构成谐波齿轮传动的三个主要部件有：1) 波发生器，它具有长短轴，通过它的转动迫使柔轮按一定的变形规律产生弹性变形。2) 柔轮，它是一个孔径略小于波发生器长轴的薄壁柔性齿轮，在波发生器的作用下，可产生弹性变形。3) 刚轮 ，带有轮齿的刚性齿环，通常与柔轮相差2齿。(3) 谐波发生器的工作原理：当波发生器装入柔轮孔内后，迫使柔轮在波发生器长轴处产生径向变形成椭圆状，椭圆的长轴两端，柔轮外齿与刚轮内齿沿全齿高相啮合，短轴两端则处于完全脱开状态，其他各点处于啮合与脱开的过度阶段。设刚轮固定，波发生器进行逆时针转动，啮合处的齿牙移动，迫使柔轮进行顺时针旋转。当长轴不断旋转时，柔轮齿相继由啮合转向啮出，由啮出转向脱开，由脱开转向啮合，由啮入转向啮合，从而迫使柔轮进行连续旋转。3.2.3 谐波减速器的设计计算参数拟订：底座的输出转速为10r/min，电机的转速为1000r/min，则(1) 柔轮的设计并校核：估算减速器的效率为：输出电机转速为1000r/min。1) 柔轮的分度圆直径与波高：因为无冲击载荷，每天工作8小时，由图24.4-411注可知，承载能力修正系数为1.0，并由此图查出柔轮分度圆直径及波高为dr=150mm,d=1.5mm。2) 柔轮与刚轮齿数的确定由传动比，并选定发生器输入，刚轮固定，柔轮输出，波数n=2时，查表24.4-411有,。3) 计算齿形几何参数采用谐波齿轮刀具加工，则由表24.4-4求得齿形的几种几何参数 4) 柔轮结构参数确定由表24.4-611可求得柔轮臂厚，柔轮壳体中性层半径及柔轮长度，分别如下：,取h1=2mm 5) 选择波发生器的形式选用凸轮廓线的滚球薄壁轴承式波发生器6) 确定系数 由表24.4-711查得 由表24.4-811查得 因为转速为1000r/min，精度较高，所以取 (动载系数)。7) 计算柔轮应力按式24.4-1411，有 (3.1)式中： 所以，又有h=2mm， w0=0.75所以 又有 (3.2）因为， 所以又 其中 所以 又由式（24.4-5）11有： 8) 选择材料，确定许用应力柔轮承受较大的交变应力，在启动时冲击负荷较大，为此，对材料的选择提出了更高的要求。一般推荐才用含碳量为35-40的铬钼系列的钢种。查表24.4-911及表24.4-1011取如下的材料：选取柔轮材料为40crnimoa 选取刚轮材料为40cr； 选取中间环材料为60si 。9) 求安全系数s由式24.4-611及24.7-711得： (3.3) 式中： 所以柔轮的疲劳强度满足要求。(2) 刚轮的设计查表24.4-411及表24.4-511设计刚轮的基本尺寸，在柔轮的设计中已经有所涉及，即：刚轮的齿数zg=202， 分度圆直径dg=151.5mm齿顶圆直径dgi=150.1875mm 轮齿压力角齿根圆直径材料为40cr，其热处理硬度略低于柔轮。(3) 波发生器设计计算1) 根据传动比与承载要求由图24.4-611查得薄壁轴承外径尺寸如下：；查图24.4-711有轴承滚球直径；查表24.4-1111有轴承外圈最大厚度：轴承内圈最大厚度：轴承宽度 ： 轴承外圈滚道深度：轴承内圈滚道深度：滚道曲率半径： 轴承内径： 2) 抗弯环材料的选择：为了改善柔轮内壁的磨损情况，增加柔轮的刚性提高的承载能力及寿命在柔轮内壁与波发生器之间加一个抗弯环。由于抗弯环承受很大的弯曲应力和接触应力，所以取硬度hrc60材料为60si2，厚度约为柔轮厚度的1.5倍，即3mm。3.3 x方向直线运动设计部分为了机器人在工作期间可以平稳的运动,我们采用20mm/s。为了实现电机的灵活性和机械人的灵活性，本设计采用直流伺服电动机，由表29-724选，电机m1型号90sz01，机长为127mm，直径90mm，重量6kg，功率50w ，最高回转数1500r/min。此设计应用转数为500r/min，总传动比i=1500/500=3，传动比分配为21.5 ，第一级减速采用圆柱齿轮传动，传动比为2，第二级为圆锥齿轮传动，传动比为1.5。3.3.1 x方向基本设计计算(1) 各轴转速电动机轴n1=1500r/min 小圆柱齿轮轴 n2=1500/2=750r/min 大圆柱齿轮轴 n3=750/1.5=500r/min 小锥齿轮750 r/min 大锥齿轮500 r/min(2) 各轴功率圆柱齿轮的传动效率为0.98，圆锥齿轮的传动效率为0.95,所以p1=p0=0.05kw p2=0.050.98=0.049kwp3=0.0490.95=0.04655kw(3) 各轴的最小直径由表15-38选择轴的材料为45，a0=126-103, 取110=110=3.54mm 选8mm =110=4.43mm 选12mm=110=5mm 选30mm(4) 各轴转矩t1=9550p1/n1=95500.05/1500=0.32nmt2=9550p2/n2=95500.049/7550=0.62nmt3=9550p3/n3=95500.04655/500=0.89nm3.3.2 圆柱齿轮减速传动设计计算传动比i=2=40/20=z2/z1, 齿轮模数m=2, 小齿轮的齿数z1=20，大齿轮齿数z2=40。所以齿轮的基本尺寸为：分度圆直径 d1=mz1=220=40mm d2=mz2=240=80mm齿顶圆直径 da1=m(z1+2)=222=40mm da2=m(z2+2)=242=84mm齿根圆直径 df1=m(z1-2.5)=2(20-2.5)=35mm df2=m(z2-2.5)=2(40-2.5)=75mm标准中心距 a=m(z1+z2)/2=2(20+40)/2=60mm齿距 p=3.142=6.28mm齿宽(公式10-118) u=z2/z1=2, 取0.5 =0.5(1+u)=0.540.5=1, b=d181=8mm, 齿宽取b=12mm3.3.3 直齿圆锥齿轮设计计算 (1) 选择齿轮材料：小轮传递的额定转矩t1=0.62nm，n1=750r/min；大轮，t2=0.89nm n2=500r/min，两齿轮舟线相交成90，小齿轮用45调制, 齿面硬度200-230hbs 大齿轮用45调制,齿面硬度170-200hbs,根据齿面硬度中值,按图10-20c8与10-21d8中mq线查得: 小齿轮 , 大齿轮 , (2) 选定齿轮精度等级 根据工作情况,选用8级精度(3) 按接触疲劳强度设计小齿轮分度圆直径 (3.4) 式中: 为和中最小的。由表10-68查得z,，取0.3；载荷系数k=1.5， s；n=602508215300=，查图10-128取k, u=1.5。由公式10-128， =565mpa所以，,取60mm。(4) 计算齿主要尺寸与参数1) 选定小齿轮齿数由图17-188,并根据小齿轮直径,齿面硬度选定=22 则=1.5=33。2）确定模数mm=/=2.873mm由表14-34取标准值m=2.75 计算分度圆直径、： 2.7522=60.5mm 2.7533=90.75mm计算分锥角 33.69 90-33.69=56.31 计算锥距r r=54.53mm 计算轮齿宽度 齿宽系数 =0.33 b=54.530.33=18mm 取b=20mm 计算齿顶圆直径 =60.5+23cos33.69=62.16mm =90.75+23cos56.31=94.08mm 计算平均圆周速度 =1.98m/s式中3.3.4 滚珠丝杠的设计计算(1) 滚珠丝杠的特点：1) 传动效率高 效率高达90%95%，耗费的能量仅为滑动丝杠的1/32) 运动具有可逆性 既可将回转运动变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，且逆传动效率几乎与正传动效率相同。3) 系统刚度好 通过给螺母足见内施加预压来获得较高的系统刚度，可满足各种机械传动要求，无爬行现象，始终保持运动的平稳性和灵敏性。4) 传动精度高 经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有很高的制造精度，又由于摩擦小，丝杠副工作时温升和热变形小，容易获得较高的传动精度。5) 使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动，磨损极小，长期使用后仍能保持其精度，因而寿命长，且具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠要高56倍。6) 不能自锁 特别的垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下滑，故常需设置制动装置。7) 制造工作复杂 滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价，因而已成为数控机床、精密机械、各种省力机械设备及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。(2) 设计计算参数拟订：已知平均工作载荷fm=1000n，丝杠工作长度100mm，平均转速nm=500r/min，最大转速nmax=1000r/min，使用寿命左右，丝杠材料为crwmn钢，滚道硬度为5862hrc，传动精度要求。1) 计算最大动载荷 c= (3.5)式中：l为工作寿命，单位是10r,l=60nt/,n=1000v/l=500r/min, t=1500h,l=450,基本导程是40mm； f为运转状态系数，取1； f为滚珠丝杠工作载荷1000n。所以最大动负载荷为9195.7n。故由表17-314上选择cbt型精密滚珠丝杠，型号cbt4005-5，d=40mm。其他参数为d=3.175mm,循环圈数2.5。2) 刚度验算 丝杠的拉压变形量 (3.6)式中：l=200mm,e=20.6mpa,内径d=36.7mm,截面积a=所以=0.00023mm。 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量有预紧时， (3.7)式中：d=3.175mm, 外循环，故z=，f=1200n，z圈数列数=39.56 所以，。 滚珠丝杠副刚度的验算，故合格，可以使用。3) 压杆稳定性验算 (3.8)式中：e=20.6，丝杠最大工作长度l=200mm,由表2-76可知，丝杠支撑方式系数f取4.0，截面惯性矩i=89004.9。所以n 临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于许用稳定性安全系数，则该滚珠丝杠不会失稳。因此滚珠的丝杠的压杆稳定条件是 一般取=2.5-4，考虑到丝杠自重对水平滚珠的丝杠的影响可取。故该死杠合格，可以采用。3.4 三自由度手腕的设计部分参数拟定：为了机器人在工作期间可以平稳的运动,手腕的俯仰运动我们采用18r/min。为了实现电机的灵活性和机械人的灵活性，本设计采用直流伺服电动机，为了节省空间和整体质量故电机选用36sz01，转矩为，转速为300r/min,功率为5w，总传动比，传动比分配为同步带降速比为3，圆柱齿轮降速比为2.5，两圆锥齿轮降速比都为1.5。3.4.1 手腕的基本设计计算(1) 各轴转速电动机轴n0=300r/min 小圆柱齿轮轴n1=300/3=100r/min大圆柱齿轮轴n2=100/2.5=40r/min 一级小锥齿轮轴 n2=40r/min 一级大锥齿轮轴 n3=40/1.5=27r/min二级大锥齿轮轴n4=27/1.5=18r/min(2) 各轴功率p0=0.005kw p1=0.0050.98=0.0049kw p2=0.00490.9=0.0044kwp3=0.00440.9=0.004kwp4=0.0040.9=0.0036kw(3) 各轴的最小直径由表15-38选择轴的材料为45，a0=126-103, 取110 =110=4.03mm 选8mm=110=5.27mm 选10mm =110=5.84mm 选12mm=110=6.43mm 选10mm4) 各轴转矩t1=9550p1/n1=(95500.0049/100=0.468nm t2=9550p2/n2=95500.0044/40=1.051nm t3=9550p3/n3=95500.004/27=1.415nmt4=9550p4/n4=95500.0036/18=1.91nm3.4.2 同步带设计计算 (1) 计算设计功率： pc=kap 其中ka工况系数 查表机械设计手册表14.1-55得ka为1.40，p传递的功率 得pd=0.0051.4=0.007kw。(2) 选定带型、节距：根据设计功率和转数查图10-184，表10-354，同步带选型图得同步带类型为xl,pb=5.08mm。(3) 确定小带轮齿数：根据表10-404，小带轮的最小齿数zmin