关节型机器人腕部结构设计全套CAD有图

word文档可自由复制编辑 word文档可自由复制编辑图3－2传动原理图考虑到结构，电机将成三角形布置，具体结构见图。3.4基本参数的确定空间结构和手腕结构的确定，那么手腕回转、手腕摆动、和手腕旋转三个姿态的自由度也得到了实现。表3-1机器人的主要规格参数动作范围手腕回转120s/30手腕摆动90s/30手腕旋转360s/30额定载荷kg4最大速度sm/24手腕详细设计说明4.1机器人驱动方案的分析和选择通常的机器人驱动方式有以下四种: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。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。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。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。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。4.2手腕电机的选择4.2.1提腕电机的选择手腕的最大负荷重量m4kg，初估腕部的重量m4kg，最大运动速度V=2m/s 1 2功率pFVmgV8102160W取安全系数为1.2，p'1.2p1.2160192W考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率p＝200W。选择Z型并励直流电动机，额技术参数如下表4-1Z型并励直流电动机技术参数型型号额定电压（V）额定转矩(N/m)额定转速r/m)(参考功率(W)重量(kg)Z200/20-400200120004005.54.2.2摆腕和转腕电机的选择根据设计要求取相同型号的电机，选择Z型并励直流电动机，型号为200/20-400。4.3传动比的确定4.3.1提腕总传动比的确定先根据下式求角速度=V＝2＝20r/s R 为角速度(r/s，)V为运动速度（m/s），R为机械接口到转动轴的距离(m)。606020再求实际转速n’＝n' 191.1r/min22n'为转速(r/min)。最后求得总传动比 n 2000i总＝＝10.4取整i总1=10n'191.14.3.2转腕和摆腕传动比的确定用同样的方法，可求得转腕总传动比i总2＝20摆腕总传动比i总3＝104.4传动比的分配传动比分配时要充分考虑到各级传动的合理性，以及齿轮的结构尺寸，要做到结构合理。提腕传动比分配提腕总的传动比i总1=10，该传动为两级传动，第一极传动为圆柱齿轮传动，传动比i11=2，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比i12＝5。转腕传动比分配转腕总的传动比i总2＝20，该传动为两级传动，第一极传动为圆锥齿轮传动，传动比i21＝5，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比i21＝4。摆腕传动比分配摆腕总的传动比i总3＝10，该传动为两级传动，第一极传动为圆柱齿轮传动，传动比i31＝2，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比i32＝5。4.5齿轮的设计[13]按照上述传动比配对各齿轮进行设计。4.5.1提腕部分齿轮设计A.第一极圆柱齿轮传动齿轮采用45号钢，锻造毛坯，正火处理后齿面硬度170~190HBS，齿轮精度等级为7极。取z20,则z22040。 1 2a.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设计齿面接触疲劳强度条件的设计表达式ZZZ22KTu1d3HE1（4－1） 1t []u H d其中，0.8，u2，dZ0.90，Z189.8MP，Z1.8， Ea H P 0.2T9.551069.551069550Nmm 1 n 200选择材料的接触疲劳极根应力为：580MPa560MPaH1lim H2lim选择材料的接触疲劳极根应力为：230MPa210MPa F1lim F2lim应力循环次数N由下列公式计算可得N60nat（4-2） 1 16020003008164.23109 N 4.23109则N12.16109 2 u 2接触疲劳寿命系数Z1.1,Z1.02 N1 N2弯曲疲劳寿命系数YY1 N1 N2 接触疲劳安全系数S 1，弯曲疲劳安全系数S 1.5,又Y2.0，试选 Hmin Fmin STK1.3。t求许用接触应力和许用弯曲应力：H1limZ5801.1638MPa H1S N1 1HminHlimZ5801.02591.6MPa H2S N2 1 Hmin F1limYSTY23021MPa306.67MPa F1 S N1 1.5FminF2limYSTY21021MPa280MPa F2 S N2 1.5将有关值代入（4－1：ZZZ22KTu1d3HEtd1u1tH21.8189.80.9221.3955021 3 mm 591.6 0.8 241.3mm dn 41.32000则v1t14.32m/s1601000601000 zv 204.3211m/s0.86m/s100 100动载荷系数Kv1.0；使用系数K1；动载荷分布不均匀系数K1.02；齿 A 间载荷分配系数Ka1，则KKKvKKa1.011.01.021.01.03 H A 1.03KKt3修正dd H41.3338.1mmKKt3 1 1t1.3 d 38.1m1mm1.9mmz 201取标准模数m2mm。c.计算基本尺寸dmz22040mmdmz24080mm2z2z4080 am1 2 60mm 1 1 2 2bd0.84032mmd1取b32mm1b22mm2d.校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数Y4.1，Y3.8 FS1 FS2取Y0.7校核两齿轮的弯曲强度2KT 1YY（4－3）F1z2m3FS1d121.0395504.10.7MPa0.820223110.02MPaF1 Y 3.8 FS2110.02MPa101.97MPa F2 F1Y 4.1 F2FS1所以齿轮完全达到要求。表4－2齿轮的几何尺寸由于小齿轮分度圆直径较小，考虑到结构，小齿轮将做成齿轮轴。B.第二极圆锥齿轮传动齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180~190HBS，齿轮精度等级为7极。取z20,则z5201001 2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。按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度的设计表达式 ZZ2 4KT d3[H E]0.85R(101.5R)2u（4－4）1tH其中，0.8，u5，dZ189.8MP，Z1.8， Ea H P 0.2T9.551069.551069550Nmm 1 n 200选择材料的接触疲劳极根应力为：580MPa560MPaH1lim H2lim选择材料的接触疲劳极根应力为：230MPa210MPaF1lim F2lim应力循环次数N由下式计算可得N60nat（4-5） 1 16020003008164.23109 N 4.23109则N10.846109 2 u 5接触疲劳寿命系数Z1.1,Z1.02N1 N2弯曲疲劳寿命系数YY1 N1 N2 接触疲劳安全系数S 1，弯曲疲劳安全系数S 1.5,又Y2.0，试选 Hmin Fmin STK1.3。t求许用接触应力和许用弯曲应力：H1limZ5801.1638MPa H1S N1 1HminHlimZ5801.02591.6MPa H2S N2 1 Hmin F1limYSTY23021MPa306.67MPa F1 S N1 1.5FminF2limYSTY21021MPa280MPaF2 S N2 1.5将有关值代入（4－4：ZZ24KTdHE1 1t 3[]0.85R(10.5R)2uH 1.8189.82 41.39550 3 mm591.60.850.3(10.50.3)2243.3mmdn 43.32000则v 1t1 4.53m/s 1601000 601000 zv 204.5311m/s0.96m/s100 100动载荷系数Kv1.0；使用系数K1；齿向载荷分布不均匀系数K1.02；KKt3A 齿间载荷分配系数取Ka1，则KKt3 H A 修正dd H43.3339.1mm 1 1t1.3 d 39.1m1mm1.95mmz 201取标准模数m2mm。c.计算基本尺寸dmz22040mmdmz2100200mm 2z2z40200 1 1 am1 2 120mm 2 2d.校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数Y4.1，Y3.8 FS1 FS2取Y0.7校核两齿轮的弯曲强度4KTY 1FS1 （4-6）F1(10.5)z2m1u232 R R141.0395504.1MPa0.8(10.50.8)22022315221MPaF1 Y 3.8 FS221MPa19MPaF2 F1Y 4.1 F2FS1所以齿轮完全达到要求。表4－3齿轮的几何尺寸由于小齿轮的分度圆直径较小，所以作成齿轮轴。4.5.2转腕部分齿轮设计第一极圆锥齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180~190HBS，齿轮精度等级为7极。取z20,则z520100。经计算齿轮满足要求 1 2表4－4齿轮的几何尺寸第二极圆锥齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180~190HBS，齿轮精度等级为7极。取z20,则z42080。经计算齿轮满足要求。 1 2表4－5齿轮的几何尺寸4.5.3摆腕部分齿轮设计第一极圆柱齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180~190HBS，齿轮精度等级为7极。取z20,则z22040。经计算齿轮满足要求。小齿轮作成1 2齿轮轴。表4－6齿轮的几何尺寸第二极圆锥齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180~190HBS，齿轮精度等级为7极。取z20,则z520100。经计算齿轮满足要求。小齿轮作1 2成齿轮轴。表4－6齿轮的几何尺寸4.6轴的设计和校核轴的结构决定于受力情况、轴上零件的布置和固定方式、轴承的类型和尺寸、轴的毛坯，制造和装配工艺、以及运输、安装等条件。轴的结构，应使轴受力合理，避免或减轻应力集中，有良好的工艺性，并使轴上零件定位可靠、装配方便。对于要求刚度大的轴，还应该从结构上考虑减少轴的变形。4.5.1输出轴的设计摆腕的传动轴根据连轴器选：轴径d=18mm，根据结构取轴长l=135mm。由于要实现摆腕，工作时要求彼此有相对运动的空间传动所以提腕和转腕的传动轴采用软轴。软轴通常由钢丝软轴、软管、软轴接头和软管接头等几部分组成。钢丝软轴由几层弹簧钢丝紧绕在一起构成的。每层又由若干根钢丝组成。相邻钢丝层的缠绕方向相反。软管用来保护钢丝软轴，以免与外界的机件接触，并保存润滑剂和防止尘垢侵入；工作时软管还起支撑作用。软轴接头用以连接动力输出轴及工作部件软管接口用以连接传动装置及工作部件的机体，有时也是软轴接头的轴承座。在使用软轴的时候要注意钢丝软轴必须定时涂润滑脂，不得使软轴的弯曲半径小于允许最小半径。4.5.2传动轴的设计轴的材料为45号钢，调制处理a.初估轴径，c=106~117,取c=106则3nPdc（4-7）3nP0.02200010632.28mmb.各段轴径的确定初估轴径后，就可按照轴上零件的安装顺序从d处开始逐段确定轴径，上面计算的d是轴段1的直径，由于轴段1上安装连轴器因此轴段1直径的确定和连轴器型号时进行。这次选用的是波纹管连轴器。故轴段1直径d＝20mm。右端用轴肩固定，考虑到在轴段2上装套筒，故取轴径d22mm。2在轴段3上要安装轴承，其直径应该便于轴承安装，又应该符合轴承内径系列，即轴段3的直径应与轴承型号的选择同时进行。现取角接触球轴承型号为7205，其内径d＝25mm。通常一根轴上的两个轴承取相同型号，故取轴段7的直径d＝ 3 725mm。轴段4上用轴肩固定轴承，故取d＝30mm。轴段5上作成齿轮轴，尺寸与齿相同。根据结构确定轴段6的直径d＝30mm。6c.各轴段长度的确定各轴段长度主要根据轴上零件的毂长或轴长零件配合部分的长度确定。另一些轴段长度，除与轴上零件有关外，还与箱体及轴承盖等零件有关。根据联轴器取l24mm。考虑到套筒长取l21mm。根据轴承宽度取l15mml。7根据结构l6mml42mm。6图4－1轴的结构设计草图4.5.3轴的强度校核[13]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4－2轴的受力分析和弯扭矩图a．轴上的转矩T：P0.2主轴上的传递的功率：P0.25kw传0.8PT9.55106（4-8）n0.25 9.55106 20001193Nmm求作用在齿轮上的力：d'mz'22040(mm)t2T21193F59.65(N) td' 40b．画轴的受力简图FF见图tg4－259.65tg2021.71(N) r tc．计算轴的支撑反力在水平面上 Frl 21.7173 F 314.55N R1Hll 3772 2 3 F Fr-F 21.71-14.557.16N R2H R1H在垂直面上F F F t29.825N R2V R1V 2d．画弯矩图见图4－2在水平面上，a—a剖面左侧MFl14.5541596.55NmmaHR1H1a—a剖面右侧M'Fl7.1637264.92NmmaHR2H2在垂直面上 M M'F l29.825411222.825N aV av R1V 1mm合成弯矩，a—a剖面左侧MaM2M2596.5521222.82521360.57Nmm aH aVa—a剖面右侧M'aM'2M'2264.9221222.82521251.19Nmm aH aVe．画转矩图见图4－2 d 44TF59.651312.3Nmmt2 2f.判断危险截面a—a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。g.．轴的弯扭合成强度校核 [σ] 60 许用弯曲应力[σ]=[σ]=60Mpa，[σ]=100Mpa，α= 1b= =0.6 1b 0b [σ]1000ba—a截面左侧 bl(dt)2 5070(44-3)2 W0.1d3-0.1443-818.4mm3 2d 244 M2(T)2 1360.572(0.61193)2 e W 818.4h.轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度σ=650Mpa，弯曲疲劳强度300Mpa，剪切疲劳极限 B 1155Mpa，等效系数ψ=0.2，ψ=0.11 σ τa—a截面左侧 bl(dt)2 4270(44-3)2W0.2d3-0.2443-1462.9mm3 2d 244查得K=1，K=1.8；查得绝对尺寸系数0.95，ε= σ τ τ0.92；轴经磨削加工，表面质量系数β=1.0。则M 1360.57弯曲应力1.66MPa，bW 818.4应力幅1.66Mpa a b平均应力σ=0m T 1193切应力1.46MpaTW818.4TT0.73Mpa a m 2 300 安全系数S 180.71 K 11.660.20 a m1.00.95 155S 1 100 K 1.80.730.10.73 a m1.00.92SS 180.7100S2S2 180.721002S 88.15 查许用安全系数[S]=1.3～1.5，显然S>[S]，则a—a剖面安全。其它轴用相同方法计算，结果都满足要求。4.7夹持器的设计根据焊枪的轴径和机械接口的结构设计了夹持器。本次设计使用的焊枪直径为50mm。用螺栓固定焊枪。通过螺栓与机械接口联接。4.8壳体的设计机座部分采用铸铝材料，方形结构，臂厚8～12mm。机身部分采用铸铝材料，圆筒形结构，臂厚7～8。大臂外壳和大臂箱体采用铸铝材料，方形结构，厚度均为6～8。小臂箱体和小臂外壳采用铸铝材料，结构为方形，侧面为铸件其它三面为铸铝板材。手腕外壳和手腕箱体采用铸铝材料，结构为方形，两侧面、背面、底面为铸件，端面和正面为铸铝板材，臂厚5～8mm。其它部分具体尺寸由结构决定，详见图纸。5结论本次设计的焊接机器人采用了直流电机驱动，通过一系列的轴和齿轮传动顺利实现了三个自由度：摆腕、提腕、转腕。应用于焊接生产线上将大大提高生产效率，和加工质量，降低工人劳动强度，能够带来可观的经济效益。本机器人设计结构合理，通用性强。除了应用于焊接外，还可以应用于喷漆等工作中。设备制造成本合理，拆装方便，便于维护。参考文献刘辛军,汪劲松,高峰.并联六自由度微动机器人机构的设计方法[J].清华大学学报(自然科学版),2001,41.(8):16-20.徐卫平,张玉茹,六自由度微动机构的运动分析[J].机器人ROBOT,1995,17.(5):298-302.李明利,杨利华.磁性轮式球罐焊接机器人机械结构设