六轴工业弧焊机器人

1、12344大学本科生毕业设计六轴工业弧焊机器人摘要工业机器人作为现代制造技术发展重要标志之一和新兴技术产业，已被世人所认同，并正对现代高技术产业各领域以至人们的生活产生了重要的影响。焊接制造工艺由于其工艺的复杂性、劳动强度、产品质量、批量等要求，使得焊接工艺对于自动化、机械化的要求极为迫切，从而焊接机器人的出现时焊接自动化的革命性进步。弧焊机器人是焊接机器人中的一种，本文对弧焊机器人的设计进行了系统说明。本文简要介绍了一下目前焊接自动化的发展情况，焊接机器人的分类、用途等，使大家对弧焊机器人有了整体的认识；在第二章中，初步确定了弧焊机器人的设计方案：弧焊机器人的结构形式、驱动方式以及主要参数，

2、对机器人性能做了简要说明；第三章机械设计部分，包括驱动元件的选取以及主要构件的设计计算和强度校核；最后，对弧焊机器人的控制部分做了介绍，并编制了实现其运动的PLC程序，便于人们操作控制。关键词：焊接；工业机器人；自由度 Six-axis industrial arc welding robotAbstract Industrial robot as an important sign of modern manufacturing technology development and an emerging technology has been recognized by

3、 the world and has a significant impact on various fields of modern high-tech industries as well as people's lives. Manufacturing process of welding process because of their complexity, labor intensity, product quality, volume, etc. making the requirement of welding technology toward automa

4、tion, mechanization urgent. So the emergence of welding robot is a sign of revolutionary advances in automation. Arc welding robot is a kind of robot, this paper, makes systematic descriptions of arc welding robot. This paper briefly introduces the current developments in welding auto

5、mation, welding robot classification, use and so on, so that we can have the whole knowledge of the arc welding robot ; in the second chapter, set the initial design of arc-welding robot : arc welding robot structure, drive pattern, and the main parameters, make a brief description of the robot

6、 performance ; Chapter III mechanical design, including the selection of drive elements and the calculation of the main components and strength check; Finally, the control part of welding robot is introduced and developed a campaign to achieve its PLC program, convenient for people to cont

7、rol.Key word: Welding、industry robot、 Degree of freedom目录1、绪论11.1、焊接自动化发展概况11.2、机器人焊接发展概况21.2.1、焊接机器人发展历程21.2.2、焊接机器人国内外应用现状21.2.3、焊接机器人分类及组成42、机器人结构方案确定52.1、设计任务及要求52.2、结构方案设计53、机械设计部分83.1、手腕1设计计算83.1.1、手腕1电机选择93.1.2、联轴器设计93.2、手腕2设计103.2.1、手腕2驱动电机选择103.2.2、锥齿轮设计计算113.3、小臂旋转自由度设计173.3.1、小臂电机选择183.4、

8、小臂摆动自由度设计193.4.1、小臂摆动电机选择193.4.2、蜗轮蜗杆设计203.5、大臂摆动设计243.5.1、电机选择243.5.2、蜗轮蜗杆设计253.6底座旋转台设计303.6.1、电机选择303.6.2轮蜗杆设计313.6.3、旋转轴设计353.7、主要零部件校核373.7.1、底座回转轴及其键联接校核373.7.2、底座旋转轴上建校核393.7.3、大臂回转台推力轴承校核40小结41致谢42参考文献43辽宁科技大学本科生毕业设计 第41页1、 绪论焊接生产是制造业中与国民经济的发展密切相关的重要的工艺技术，差不多所有工业生产部门，从航天航空到海洋工程，从发电设备到家用电器，从火

9、车、汽车到自行车生产甚至儿童玩具都无不与焊接密切相关。1.1、 焊接自动化发展概况焊接是制造业中最重要的工艺技术之一。它在机械制造、核工业、航天航空、能源交通、石油化工及建筑和电子等行业中应用越来越广泛。随着科学技术的发展，焊接已从简单的构件连接方法和毛坯制造手段发展成为制造业中一项基础工艺和生产尺寸精确的制成品的生产手段。传统的手工焊接已不能满足现代高技术产品制造的质量、数量要求。因此，保证焊接产品质量的稳定性、提高生产率和改善劳动条件已成为现代焊接制造工艺发展亟待解决的问题。随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各领域中。近

10、20年来，在自动焊接、专机设备以及自动焊接技术方面已取得了许多研究和应用成果，表明焊接过程自动化已成为焊接技术新的生长点之一。从21世纪先进制造技术的发展要求看，焊接自动化生产已是必然趋势。焊接作为一项与新兴学科发展紧密相关的综合性先进工艺技术，其自动化技术涉及材料、机械、电子、信息、控制等多学科交叉领域。其自动化生产过程包括从备料、切割、装配、焊接、检验等工序组成的一个焊接产品全过程的自动化。只有实现了这一全过程的机械化和自动化才能得到稳定的焊接产品质量和均衡的生产节奏，同时获得较高的劳动生产率。焊接自动化是未来焊接技术发展的方向，而计算机在这一过程中发挥着不可缺少的作用，利用计算机而发展起

11、来的专家系统也得到了广泛重视。焊接过程控制系统的智能化、焊接生产系统的柔性化以及焊接生产系统的集成化作为焊接自动化的三个主要技术领域，标志着焊接先进制造技术水平和发展方向。1.2、机器人焊接发展概况1.2.1、焊接机器人发展历程自从世界上第一台工业机器人UNIMATE于1959年在美国诞生以来，机器人的应用和技术发展经历了三个阶段：第一代是示教再现型机器人。这类机器人操作简单，不具备外界信息的反馈能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生产中的应用受到很大限制。 第二代是具有感知能力的机器人。这类机器人对外界环境有一定的感知能力，具备如听觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获得的信息，灵活

12、调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。 第三代是智能型机器人。这类机器人不但具有感觉能力，而且具有独立判断、行动、记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加复杂的动作，智能机器人还具备故障自我诊断及修复能力。焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。早期的焊接机器人缺乏“柔性”，焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展。1.2.2、焊接机器人国内外应用现状中国作为亚

13、洲第三大的工业机器人需求国，市场发展稳定，汽车及其零部件制造仍然是工业机器人的主要应用领域，随着我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场会进一步加大，市场扩展的速度也会进一步提高。焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领域。估计全世界在役工业机器人约为100万套，其中日本装备的工业机器人总量达到了50万台以上，成为“机器人王国”，其次是美国和德国；在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工

14、业机器人数量居世界前三位。近几年，全球机器人的数量还在迅速增加。我国自上个世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。据不完全统计，最近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均每年的增长率都超过40%,焊接机器人的增长率超过了60%；这其中的绝大多数都应用于焊接领域；虽然增长势头强劲，但仅占亚洲新增数量的6%，远小于韩国所占的 15%，更远小于日本所占的69%。这样的增长速度相对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我

15、国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制。 当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。弧焊机器人在汽车制造业中发挥着越来越重要的作用，而其本体又是其重要的组成部分，对机器人的性能有着极其重要的影响。 弧焊机器人是一种仿人操作、自动控制、可重复编程的机电一体化自动化生产设备，在汽车制造业高质高效的焊接生产中发挥了极其重要的作用。弧焊机器人本体是影响弧焊机器人性能的关键部分之一，随着弧焊机器人在汽车制造业的广泛应用，掌握弧焊机器人的机械结构和工作原理，可为以后的应用研发和二次开发做好铺垫。焊接机器人目前已广泛应用在汽车制造业，汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力

16、变矩器等焊接，尤其在汽车底盘焊接生产中得到了广泛的应用。丰田公司已决定将点焊作为标准来装备其日本国内和海外的所有点焊机器人。用这种技术可以提高焊接质量，因而甚至试图用它来代替某些弧焊作业。在短距离内的运动时间也大为缩短。该公司最近推出一种高度低的点焊机器人，用它来焊接车体下部零件。这种矮小的点焊机器人还可以与较高的机器人组装在一起，共同对车体上部进行加工，从而缩短了整个焊接生产线长度。国内生产的桑塔纳、帕萨特、别克、赛欧、波罗等后桥、副车架、摇臂、悬架、减振器等轿车底盘零件大都是以MIG焊接工艺为主的受力安全零件，主要构件采用冲压焊接，板厚平均为1.54mm，焊接主要以搭接、角接接头形式为主，

17、焊接质量要求相当高，其质量的好坏直接影响到轿车的安全性能。应用机器人焊接后，大大提高了焊接件的外观和内在质量，并保证了质量的稳定性和降低劳动强度，改善了劳动环境。1.2.3、焊接机器人分类及组成焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人，是一种高度自动化的焊接设备，焊接机器人可分为弧焊机器人和电焊机器人。弧焊机器人在诸多行业中得到普及，是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统。汽车工业是点焊机器人系统的一个典型应用领域，汽车装配中大约60%焊点由点焊机器人完成。焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊

18、接电源，（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。2、机器人结构方案确定2.1、设计任务及要求六轴工业弧焊机器人共有六个自由度，分别由六个步进电动机控制其对应自由度的运动。结构上有机器人底座、手臂回转台、手臂、手腕等结构，采用全关节型坐标系形式，类似于人的腰部、手臂和手腕，其位置和姿态全部由旋转运动实现；各个自由度运动控制采用PLC来实现。设计参数：结构形式：垂直关节自由度：6负载;6kg腕部摆动角度：120°腕部转动角度：360°小臂回转角度：360°大臂摆动角度：160°

19、腰部转动角度：360°2.2、结构方案设计焊接机器人是焊接机器人系统的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人手臂、关节以及内部传感器（编码盘）等组成。它的任务是精确地保证末端操作小臂、手腕执行机构几大部分组成。其结构简图如下图2-1所示：图2-1、弧焊机器人结构简图1、底座和手臂机器人的手臂由动力关节和连接件构成，用以支撑和调整手腕和末端执行器的位置。手臂部件具有3个自由度，包括驱动装置、传动机构、支撑连接件等。机器人手臂安装在回转台上，机器人机座部分根据整个机器人本体所受全部重量和工作载荷，采用了回转机座的结构，实现了机器人主体的整体回转。手臂用于连接手腕和底座并且支撑和控制其运动

20、。工作原理：底座和大臂电机都经过蜗轮蜗杆传动，带动小臂运动，小臂电机直接驱动手腕旋转。机器人底座内的电机驱动手臂回转台进行回转运动，使手臂转动，大臂下端电机驱动小臂进行前后摆动，上端电机驱动小臂摆动，小臂电机直接驱动手腕部分旋转。2、手腕    机器人的手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其主要功能是当手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标后，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，即实现另外三个自由度。通过机械接口，联接并支撑末端执行器。工作原理：手腕2由前臂电机直接驱动旋转，手腕2电机经过锥齿轮驱动手腕1及前端执行机构摆动，手腕1直接通过联

21、轴器联接执行末端驱动其实现旋转运动。3、机械设计部分 设计一台机械设备，除了要考虑设备各部件的结构能够合理安装和方便维修外，还要对各部件的受力情况正确分析，从而选出符合性能要求的材料和构件。如构件的强度、硬度、尺寸以及构件各位置所要承受的最大外力，避免机械设备在有效工作期内出现故障。机器人本体的分析，了解到其在本体设计及选型应用时遵循以下几个原则： （1）最小运动惯量原则：由于机器人本体运动部件较多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动。采用最小运动惯量原则，尽量减小运动部件的质量，可增加本体运动平稳性，提高本体动力学特性。 （2）尺寸优化原则：当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺寸优化以

22、选定最小的臂杆尺寸，这将有利于本体刚度的提高，使运动惯量进一步降低。 （3）高强度材料选用原则：由于机器人本体从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的，在经济合理的前提下，选用高强度材料以减轻零部件的质量，减少运转的动载荷与冲击，减小驱动装置的负载，提高运动部件的响应速度是十分必要的。 （4）刚度设计的原则：要使刚度最大，必须恰当地选择杆件截面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。 （5）可靠性原则：机器人本体因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。一般来说，元器件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整机的可靠性。

23、（6）工艺性原则：机器人本体是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。该六轴工业弧焊机器人采用全关节型结构形式，设计中重点考虑的是各自由度处所需的转矩的大小，从而选出能够满足要求的驱动元件。同时对部分零件加以计算，如键的校核、轴承的选择、锥齿轮、蜗轮蜗杆的计算等等。3.1、手腕1设计计算手腕1传动方案：转动幅度 360°，手腕1经由步进电机驱动，依靠联轴器联接输出轴，输出轴端接执行器件焊枪，由电机旋转直接带动焊枪旋转。3.1.1、手腕1电机选择已知焊枪质量不大于6Kg，假设手腕一侧的最大质量为6Kg，重心到转动轴的距离大约为25，则机械

24、手转动所需的转矩为：T1=mgl=6×10×25=1500Nmm=1.5Nm电机转矩略比负载转矩大约 0.30.5 倍，故TC1.31.5T1=1.952.25Nm 选75系列混合式步进电机 75BYG250B 型步进电动机，机身长L=100mm，驱动电源输入（VDC）24-110 ，保持转矩 TC=2.4N.m，输出轴径D电机=11mm，输出端长 E=30mm，步距角 =1.8°。电机基本参数如下：型号相数电压V电流A电阻电感mH保持转矩N.m转动惯量kg.cm3长度mm重量kg75BYG250B224-11040.7542.41.081002.23.1.2、联

25、轴器设计手腕1负载不大，故为了节省空间和转动惯量，可以设计为套筒联轴器。初步估定所连轴外伸段轴径:d=0.81.0D电机=0.81.0×11=(8.811)mm选套筒轴器： 套筒外径： D0=1.51.7D电机=(16.518.7)mm，取D0=18mm；套筒长度： L=2.53.5D电机=(27.538.5)mm，取L=38mm；紧定螺钉直径 d1=0.150.25D电机=(1.652.75) mm，取d1=2.5mm 。紧定螺钉至套筒端面距离 l=0.60.8D电机=（6.68.8）mm，取 l=8 mm。3.2、手腕2设计手腕2驱动手腕1摆动，第二关节手腕最大摆动幅度120&#

26、176;，手腕1、焊枪同时作为负载作用于手腕2，此处负载重量不大，转速不高。可采用步进电机驱动经锥齿轮改变转动方向，带动手腕1及执行端摆动。3.2.1、手腕2驱动电机选择假设机械手1其他零部件总质量为 4kg ,在该机构中，焊枪到摆动点的距离L大约为200mm。由此，可以简单估算出机械手摆动所需的转矩T2： T2=(m焊枪+m手1）gL =6+4×10×200=20000Nmm =20Nm传动电机经过一对锥齿轮、一对圆锥滚子轴承、一个联轴器传递驱动手腕摆动，电机转矩为 T电机2 ，初取齿轮传动比i齿轮=2.0T电机2=T2/i齿轮22=轴承联轴器齿轮此处轴承=0.98，联轴

27、器=0.99，齿轮 =0.940.97，取齿轮 =0.95 。T电机2=T2轴承联轴器齿轮i齿轮=10.85Nm手腕2处驱动电机选择，为保证驱动力矩足够，选择电机的转矩应该大于0.30.5倍计算所需的转矩T电机2，即TC21.31.5T电机2=（1.31.5）×10.8514.1016.28Nm根据TC2选取110BYGH两相混合式步进电机系列110BYGH150-001型号机长mm步距角°相电压 V相电流 A静转矩 Nm相电阻转动惯量 kg.cm3质量kg110BYGH150-0011501.8°5.446.8210.810.98.43.2.2、锥齿轮设计计算

28、2.1、锥齿轮参数计算，假设寿命为15年，两班制。1）、 由于锥齿轮传动速度不高，故选用7级精度。2）、 材料选择：选择大小齿轮材料均为20r经渗碳、淬火，硬度 5662HRC 。3）、按接触强度估计d1=11722K联轴器T电机2/（1-0.5R）2RHP2 载荷系数 K=1.5；齿宽系数 R=0.250.3,取0.25；齿数比 =i齿轮 ， 取 i齿轮=2 ；de1 小齿轮大端分度圆直径（mm）；HP 许用接触应力（MP），摆动速度假设为72r/min，N1=60n电机2jLh=60 i齿轮n电机2jLh=60×2×72×1×15×300&

29、#215;16=6.22×108 N2=N1i齿轮=3.11×108查图 10-19 接触疲劳强度表取 KHN1KHN2=1.0。查图10-21（d）取Hlim1Hlim2=1100MPa ，假设失效概率1%，安全系数 S=1.0 ，则：HP1=HP2=KHN1Hlim1S=1.0×12001.0=1100MPa ，HP=HP1+HP22=1200MPa代入式中：d111723K联轴器T电机2/（1-0.5R）2RHP2117231.5×0.99×10.85/1-0.5×0.252×0.25×2×1100

30、238.258mm2.2、主要尺寸：齿数 Z1=19 ，Z2=38 ；分锥角 1=arctanZ1Z2=arctan12=26.5650°=26°33'54''2=90°-1=90°-26°33'54''=63.435°=63°26'06''大端模数 metd1Z1=38.25819=2.01 mm ,取标准模数me=2.5mm 。大端分度圆直径 d=mezd1=2.5×19=47.5mmd2=2.5×38=95.0mm变位系数x t

31、1= t2=0， 1= 2=0齿宽中点分度圆直径 dm=de(1-0.5R) dm1=de11-0.5R=47.5×1-0.5×0.25=41.5625mm41.563mm dm2=de21-0.5R=95.0×1-0.5×0.25=83.125mm平均模数 mm=me1-0.5R=2.5×1-0.5×0.25=2.1875 mm2.188mm外锥距 Re=de12sin1=47.52sin26°33'54''=53.107mm齿宽 b=RRe=0.25×53.107=13.277mm，取

32、b=14.0mm大端齿顶高 hae=1+1me=2.5 mm大端齿根高 hfe1=1+c*-1me=1+0.2-0×2.5=3.0 mm hfe2=1+c*-2me=1+0.2-0×2.5=3.0 mm齿根角 f1=arctanhfe1Re=arctan3.053.107=3.2332°=3°13'59'' f2=f1=3°13'59''齿顶角 a1=f2 ，a2=f1顶锥角 a1=1+a1=26°33'54''+3°13'59''

33、;=29°47'53'' a2=2+a2=63°26'06''+3°13'59''=66°40'05''根锥角 f1=1-f1=26°33'54''+3°13'59''=23°19'55'' f2=2-f2=63°26'06''-3°13'59''=60°12'07'

34、'大端齿顶圆直径da1=d1+2ha1cos1=47.5+2×2.5cos26°33'54''=51.972mmda2=d2+2ha2cos2=90.0+2×2.5cos63°26'06''=92.236mm大端分度圆齿厚s1=me2+21tan+t1=2.5×2=3.925 mms2=me-s1=3.14=3.925 mm当量齿数 zv=zicosizv1=z1cos1=19cos26°33'54''=21.24zv2=z2cos2=38cos63

35、76;26'06''=84.97端面重合度 v=12zv1tanva1-tan+zv2tanva2-tanva1=arccoszv1coszv1+2ha*+21=arccos21.24cos20°21.24+2×1=30.8152°=30°48'55''va2=arccoszv2coszv2+2ha*+22=arccos84.97cos20°84.97+2×1=23.3526°=23°21'09''v=12zv1tanva1-tan+zv2ta

36、nva2-tan= 1221.24tan30.8152°-tan20°+84.97tan23.3526°-tan2°0=1.704齿宽中点分度圆圆周速度：mt=i齿轮n2dm160×1000=3.14×2×72×41.56360000=0.313ms2.3、接触强度校核H=FtKAKVKHKH2+10.85 b dm1 ZEZHZeZkHP分度圆切向力Ft=2000联轴器T电机2dm1=2000×0.99×1241.563=572 N使用系数 KA 由表10-2查取 ：KA=1.25由齿宽中点分

37、度圆圆周速度 mt=0.313ms查图10-8 取Kv=1.0查机械设计手册三，表23.4-24 有一轮悬臂支撑，支撑情况系数 KHbe=1.25载荷分布系数 KH=1.5KHbe=1.5×1.25=1.875查表 10-3 取齿间载荷分布系数 KH=KF=1.4查机械设计手册三，图 23.4-21未变位锥齿轮节点区域系数图，取 ZH=2.5查表10-6 弹性影响系数表 ZE=189.8MPa12重合度、螺旋角系数Z=4-va3=4-1.7043=0.875取锥齿轮系数 KZ=1故H=572×1.25×1.0×1.875×1.422+10.85

38、×14×41.563×2×189.8×2.5×0.875×1=855MPa许用接触应力 ：HP=HlimSHlimZNZLRZXZW试验齿轮接触疲劳极限 Hlim=1100MPa寿命系数取 ZN=1.0油膜影响系数 ZLR=0.90接触强度计算尺寸系数 ZX=1.0工作硬化系数 ZW=1.0最小安全系数 SHlim=1.0则 HP=11001.0×1.0×0.90×1.0×1.0=990 MPa H=855MPa<HP=990MPa故符合接触强度要求。2.4、齿根弯曲强度校核F1

39、=FtKAKKFKF0.85bmm YFS1Y zv1=21.24 、 zv2=84.97由 zv1=21.24 、 zv2=84.97查机械设计手册三图 23.4-19取 YFS1=4.75 ,YFS2=4.42查机械设计手册三图 23.2-28由 v=1.704 取弯曲强度计算重合度与螺旋角系数 Y=0.69KF=KH =1.875 , KF=KH=1.4 、KA=1.25、Kv=1.0故 F1=FtKAKKFKF0.85bmm YFS1Y=572×1.25×1.0×1.875×1.40.85×14×2.188×4.75

40、×0.69=236MPaF2=F1YFS2YFS1=236×4.424.75=220MPa许用弯曲应力FP=FESFminYNYrelTYRrelTYX查机械设计手册三图23.2-29，取 FE1 FE2=350MPa寿命系数取 YN=1.0相对齿根圆角敏感系数，查机械设计手册三表23.2-30 取 YrelT=1.0相对齿根表面状况系数，取 YRrelT=1.0尺寸系数由机械设计手册三图 23.2-31 ，取 YX=1.0最小安全系数 SFmin=1.4则有 FP=FESFminYNYrelTYRrelTYX=3501.4×1.0=250MPa FP=250MP

41、aF1=236MPaF2=220MPa故齿根弯曲强度合格3.3、小臂旋转自由度设计 小臂电机直接驱动手腕部分旋转，旋转最大转动幅度360°。3.3.1、小臂电机选择小臂驱动手腕旋转，在该机构中，对转轴产生转矩的部分为手腕1部分及焊枪，有效转动重量为10kg假设摆动重心到转轴最大距离L3大约为170mm。由此，可以简单估算出机械手摆动所需的转矩T3： T3=(m焊枪+m手腕1）gL3 =6+4×10×170=17000Nmm =17Nm传动电机经过一对圆锥滚子轴承、一个套筒联轴器传递驱动手腕转动，电机转矩为 T电机3 T电机3=T3/33=轴承联轴器此处轴承=0.9

42、8，联轴器=0.99，T电机3=T3轴承联轴器=170.98×0.99=17.5Nm小臂内驱动电机选择时，为保证驱动力矩足够，选择电机的转矩应该大于0.30.5倍计算所需的转矩T电机3，即TC31.31.5T电机322.7526Nm根据TC3选取雷赛110系列两相步进电机系列110HSB28。输出轴径19mm，长度40mm。型号机长mm步距角°额定电流 A相电感A保持转矩 Nm相电阻转动惯量 kg.cm3质量kg110HSB282011.86.522281.216.211.73.4、小臂摆动自由度设计小臂由大臂上端电机经过蜗轮蜗杆驱动其摆动，小臂摆动最大转动幅度100

43、76;，假设最大转速3=432°/s （n3=72r/min）。3.4.1、小臂摆动电机选择手腕、小臂围绕大臂摆动，根据结构，假设摆动有效重量为23kg，摆动重心离转轴距离L4大约为400mm。由此，可以简单估算出机械手摆动所需的转矩T4： T4=30gL4 =23×10×400=92000Nmm =92Nm传动电机经过两对圆锥滚子轴承、一个联轴器传递驱动手腕3转动，电机转矩为 T电机4 T电机4=T4/4i蜗轮4=轴承2联轴器蜗轮此处轴承=0.98，联轴器=0.99，蜗轮=0.82，i蜗轮取20.5T电机4=T4轴承2联轴器蜗轮i蜗轮=920.982×

44、0.99×0.82×20.5=5.76Nm大臂内驱动电机选择，为保证驱动力矩足够，选择电机的转矩应该大于0.30.5倍计算所需的转矩T电机4，即TC4=1.31.5T电机4=1.5×5.76=7.488.64Nm根据TC4选取85BYG450混合式步进电机系列85BYG450c-012。输出轴径13mm，长度37mm。型号机长mm步距角°相电压 V相电流A静转矩 Nm相电阻转动惯量 kg.cm3质量kg85BYG450C-0121511.85.73.09.31.93.653.4.2、蜗轮蜗杆设计2.1、蜗轮负载转矩T4=92Nm，根据GB/T10085-

45、1988推荐，采取渐开线蜗杆（ZI）。2.2、考虑到蜗杆传动功率不大，速度不高，故蜗杆选用45钢；希望传动效率高，耐磨性好，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度45-55HRC。蜗轮用铸锡青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。2.3、按齿面接触强度设计按照闭式蜗杆传动设计准则，传动中心距a3KT(ZEZH)2(1)、确定传动参数，按照Z1=2，蜗轮=0.82，则T=T4轴承蜗轮=920.98×0.82=114.48Nm假设工作载荷稳定，故取载荷分布不均系数K=1.0，由表11-5选取使用系数KA=1.15，由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数KV=1.0K=KAKVK=1.15×1

46、.0×1.0=1.15由选用的材料铸锡青铜和钢配合，故ZE=160MPa12 假设蜗杆分度圆直径和中心距之比 d1a=0.4，查图11-18取Z=2.74。根据铸锡青铜ZCuSn10P10，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，从表11-7中查得涡轮基本许用应力H'=268MPa应力循环次数：前臂最大摆动幅度360°，最大转速4=225°/s （n4=37.5r/min）N=60n4jLh=60n4jLh=60×37.5×1×15×300×16=16.2×107,寿命系数KHN=810716.2

47、×107=0.706H=KHNH'=0.706×268189MPa2.4、计算中心距a3KTZEZH2=31.15×114.48×103160×2.741892=89.142mm选取中心距a=100mm，因i蜗轮=20.5，故从表11-2中取模数m=4mm，z1=2，直径系数q=10mm，分度圆直径d1=40mm，分度圆导程角=11.3099°=11°18'35''，蜗轮齿数z2=41，变位系数x2=-0.500 。此时d1a=40100=0.40，查图11-18得接触系数z'=2.7

48、4，因为z'=z因此计算结果可用。2.5、主要参数及尺寸蜗轮分度圆直径d2=mz2=4×41=164mm蜗轮喉圆直径da2=d2+2ha2=164+2×(1-0.5)×4=168mm蜗轮外圆直径de2=da2+1.5m=168+6=174mm蜗轮齿根圆直径df2=d2-2hf=d2-2mha*-x2+c*=164-2×41+0.5+0.2=150.4mm蜗轮咽喉母圆半径rg2=a-da22=100-1682=16mm蜗杆分度圆直径d1=mq=4×10=40mm蜗杆齿顶圆直径da1=d1+2ha1=40+8=48蜗杆齿根圆直径df1=d1

49、-2hf1=40-2×1.2×4=30.4mm蜗轮齿宽 B0.75da1=0.75×48=36mm ，取 B=36mm蜗杆齿宽b8+0.06z2m=41.84mm，取b=50mm蜗杆节圆直径d1'=d1+2x2m=40+6=36mm蜗轮节圆直径d2'=d2=164mm2.6、齿根弯曲疲劳强度校核F=1.53KTd1d2mYFaYF当量齿数zv2=z2cos3=41cos311°18'35''=41.8据zv2=41.8，x2=-0.500 查图11-19取YFa=2.95螺旋角系数Y=1-140°=1-1

50、1°18'35''140°=0.919许用弯曲应力F=F'KFN查表11-8由ZCuSn10P1制造蜗轮基本许用弯曲应力为F'=56MPa寿命系数KFN=910616.2×107=0.568故 F=F'KFN=56×0.568=31.8MPaF=1.53KTd1d2mYFaY=1.53×1.15×11448040×164×4×2.95×0.919=20.81MPaF<F满足要求。2.7、验算效率=0.950.96tantan（+v）已知=11

51、°18'35''，v=arctanfv，fv与相对滑动速度vs有关vs=d1n1i蜗轮60×1000cos=3.14×40×60×20.560000cos11°18'35''=2.626ms由vs=2.626ms查表11-18取fv=0.029，v=1.6611°则=0.950.96tantan+v=0.950.96tan11°18'35''tan(11°18'35''+1°39'40'

52、;')=0.8250.834大于估计值0.82，故合格3.5、大臂摆动设计大臂由其内部下端电机经蜗轮蜗杆驱动其摆动，大臂最大转动幅度160°，假设最大转速5=225°/s （n5=37.5r/min）3.5.1、电机选择假设摆动有效重量为30kg，摆动重心离转轴距离L5大约为500mm。由此，可以简单估算出机械手摆动所需的转矩T5： T5=30gL4 =30×10×500=150000Nmm =150Nm传动电机经过两对圆锥滚子轴承、一个联轴器传递驱动手腕3转动，电机转矩为 T电机5 T电机5=T5/5i蜗轮5=轴承2联轴器蜗轮此处轴承=0.98

53、，联轴器=0.99，蜗轮=0.80，i蜗轮取20.5T电机5=T5轴承2联轴器蜗轮i蜗轮=1500.982×0.99×0.80×20.5=9.6Nm大臂内驱动电机选择，为保证驱动力矩足够，选择电机的转矩应该大于0.30.5倍计算所需的转矩T电机5，即TC51.31.5T电机5=（1.31.5）×9.38512.514.4Nm根据TC5选取110BYGH三相混合式步进电机系列110BYG3502，输出轴径19mm,长35mm型号机长mm步距角°电压 V电流 A静转矩 Nm相电阻转动惯量 kg.cm3质量kg110BYG35021820.6

54、6;1103160.81510.53.5.2、蜗轮蜗杆设计1、蜗轮负载转矩T5=150Nm，根据GB/T10085-1988推荐，采取渐开线蜗杆（ZI）。2、考虑到蜗杆传动功率不大，速度不高，故蜗杆选用45钢；希望传动效率高，耐磨性好，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度45-55HRC。蜗轮用铸锡青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。3、按齿面接触强度设计按照闭式蜗杆传动设计准则，传动中心距a3KT(ZEZH)2(1)、确定传动参数，按照Z1=2，蜗轮=0.80，则T=T4轴承蜗轮=1500.98×0.80=191.327Nm假设工作载荷稳定，故取载荷分布不均系数K=1.0，由表11-5选取

55、使用系数KA=1.15，由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数KV=1.0K=KAKVK=1.15×1.0×1.0=1.15由选用的材料铸锡青铜和钢配合，故ZE=160MPa12 假设蜗杆分度圆直径和中心距之比 d1a=0.4，查图11-18取Z=2.74。根据铸锡青铜ZCuSn10P10，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，从表11-7中查得涡轮基本许用应力H'=268MPa应力循环次数N=60n5jLh=60n5jLh=60×37.5×1×15×300×16=16.2×107,寿命系数KHN=810

56、716.2×107=0.706H=KHNH'=0.67×268189MPa4、计算中心距a3KTZEZH2=31.15×191.327×103160×2.741892=105.787mm选取中心距a=125mm，因i蜗轮=20.5，故从表11-2中取模数m=5mm，z1=2，直径系数q=10mm，分度圆直径d1=40mm，分度圆导程角=11.31°=11°18'36''，蜗轮齿数z2=41，变位系数x2=-0.500 。此时d1a=40100=0.40，查图11-18得接触系数z'=2

57、.74，因为z'=z因此计算结果可用。5、主要参数及尺寸蜗轮分度圆直径d2=mz2=5×41=205mm蜗轮喉圆直径da2=d2+2ha2=205+2×(1-0.5)×5=210mm蜗轮外圆直径de2da2+1.5m=210+7.5=217.5mm 取 de2=217mm蜗轮齿根圆直径df2=d2-2hf=d2-2mha*-x2+c*=205-2×51+0.5+0.2=188mm蜗轮咽喉母圆半径rg2=a-da22=125-2102=20mm蜗杆分度圆直径d1=mq=5×10=50mm蜗杆齿顶圆直径da1=d1+2ha1=50+10=6

58、0mm蜗杆齿根圆直径df1=d1-2hf1=50-2×1.2×5=38mm蜗轮齿宽 B0.75da1=0.75×60=45mm ，取 B=36mm蜗杆齿宽b8+0.06z2m=52.3mm，取b=60mm蜗杆节圆直径d1'=d1+2x2m=50-5=45mm蜗轮节圆直径d2'=d2=205mm5、齿根弯曲疲劳强度校核F=1.53KTd1d2mYFaYF当量齿数zv2=z2cos3=41cos311°18'36''=41.8据zv2=41.8，x2=-0.500 查图11-19取YFa=2.95螺旋角系数Y=1-14

59、0°=1-11°18'36''140°=0.919许用弯曲应力F=F'KFN查表11-8由ZCuSn10P1制造蜗轮基本许用弯曲应力为F'=56MPa寿命系数KFN=910616.2×107=0.568故 F=F'KFN=56×0.568=31.8MPaF=1.53KTd1d2mYFaY=1.53×1.15×19132750×205×5×2.95×0.919=17.81MPaF<F满足要求。6、验算效率=0.950.96tantan

60、（+v）已知=11°18'36''，v=arctanfv，fv与相对滑动速度vs有关vs=d1n1i蜗轮60×1000cos=3.14×50×37.5×20.560000cos11°18'36''=2.051ms由vs=2.051ms查表11-18取fv=0.0345，v=1.9759°则=0.950.96tantan+v=0.950.96tan11°18'36''tan(11°18'36''+1°58'33'')=0.800.81大于估计值0.80，故合格3.6底座旋转台设计机器人手臂手腕由底座旋转台驱动绕其转轴旋转，最大转动幅度360°，最大转速5=180°/s （n5=30r/min）。3.6.1、电机选择假设转动重心距离转轴最大距离600mm,转动有效重