關(guān)節(jié)型機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書

關(guān)節(jié)型機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要為了提高生產(chǎn)效率，滿足一些特定的工作要求，本題設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人的手腕用于焊接、噴漆等方面。通過合理的設(shè)計(jì)計(jì)算，擬定了手腕的傳動(dòng)路徑，選用直流電動(dòng)機(jī)，合理布置了電機(jī)、軸和齒輪，設(shè)計(jì)了齒輪和軸的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了擺腕、轉(zhuǎn)腕和提腕的三個(gè)自由度的要求。設(shè)計(jì)中大多采用了標(biāo)準(zhǔn)件和常用件，降低了設(shè)計(jì)和制造成本。關(guān)鍵詞：自由度，關(guān)節(jié)型機(jī)器人，手腕ABSRACTIn order to improve production efficiency and meet some of the specific requirements, design of ontology of robot wrist joints used for welding, paint, etc. Through the reasonable design calculation, the transmission path, choose the wrist, reasonable decorate a dc motor, gear axle and gear axle, design and realization of the structure, the pendulum wrist, turn the wrist and wrist three degrees of freedom. In the design of the standard and common people, the design and manufacturing cost.Keywords: freedom, Joint robot, The wrist目錄1 緒論11.1 選題背景及意義11.2 文獻(xiàn)綜述（國(guó)內(nèi)外發(fā)展和研究現(xiàn)狀）21.3 機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展32手腕結(jié)構(gòu)的確定73.基本參數(shù)的確定4電機(jī)的選擇83.1提腕電機(jī)的選擇83.2擺腕和轉(zhuǎn)腕電機(jī)的選擇85總傳動(dòng)比的確定及傳動(dòng)比的分配94.1各級(jí)傳動(dòng)比的計(jì)算94.2傳動(dòng)比的分配96齒輪設(shè)計(jì)105.1偏轉(zhuǎn)部分齒輪設(shè)計(jì)5.2擺腕部分齒輪設(shè)計(jì)5.3轉(zhuǎn)腕部分齒輪設(shè)計(jì)7軸的設(shè)計(jì)與校核6.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.2軸的校核計(jì)算8控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.1控制方法的確定7.3 PLC的IO圖繪制7.4 PLC梯形圖設(shè)計(jì)結(jié)論參考文獻(xiàn)致謝1緒論1.1 選題背景及其意義 本題設(shè)計(jì)的是關(guān)節(jié)型機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)，主要是整體方案設(shè)計(jì)和手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，此課題來源于實(shí)際生產(chǎn)，對(duì)于目前手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對(duì)操作員技術(shù)熟練成都要求高，因此采用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件。題目要求是：動(dòng)作范圍：手腕回轉(zhuǎn),擺動(dòng),旋轉(zhuǎn)。各軸最大速度要求：。額定載荷，最大速度。2、腕部最大負(fù)荷：5kg。機(jī)器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個(gè)重要內(nèi)容。自古以來,人們所設(shè)想的機(jī)器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類智能的機(jī)器。特別是在20世紀(jì)20年代前后,捷克和美國(guó)的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關(guān)于未來機(jī)器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學(xué)作品,更使機(jī)器人在人們的思想中成為一種無所不能的“超人”。在現(xiàn)實(shí)生活中,一些民間工匠根據(jù)這些文學(xué)描繪,也制造出一些仿人或仿生的機(jī)器人。然而在當(dāng)時(shí)的科技條件下,要使機(jī)器人具有某種特殊的“智能”而成為“超人”,顯然是不可能的。美國(guó)的戴沃爾設(shè)想了一種可控制的機(jī)械手,他首先突破了對(duì)機(jī)器人的傳統(tǒng)觀點(diǎn),提出機(jī)器人并不一定必須像人,但是必須能做一些人的工作。1954年,他依據(jù)這一想法設(shè)計(jì)制作了世界上第一臺(tái)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置,發(fā)表了適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機(jī)器人一文,并獲得了美國(guó)專利。戴沃爾將遙控操縱器的關(guān)節(jié)型連桿機(jī)構(gòu)與數(shù)控機(jī)床的伺服軸聯(lián)結(jié)在一起,預(yù)定的機(jī)械手動(dòng)作一經(jīng)編程輸入后,機(jī)械等就可以離開人的輔助而獨(dú)立運(yùn)行。這種機(jī)器人也可以接受示教而完成各種簡(jiǎn)單任務(wù)。示教過程中操作者用手帶動(dòng)機(jī)械手依次通過工作任務(wù)的各個(gè)位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲(chǔ)器中，任務(wù)的執(zhí)行過程中，機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動(dòng)下再現(xiàn)出那些位置序列。1.2 文獻(xiàn)綜述（國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)） 隨著全球能源短缺、環(huán)境污染以及溫室效應(yīng)等問題的日益突顯。尋找可持續(xù)的能源近年來，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，種種跡象表明工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代已經(jīng)到來，工業(yè)機(jī)器人極有可能成為下一個(gè)迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)的新興產(chǎn)業(yè)。另一方面，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正處于前所未有的機(jī)遇期，政策紅利、工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)需求釋放等機(jī)遇疊加，但中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展卻不盡如人意，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程發(fā)展緩慢。工業(yè)機(jī)器人是生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，可用于安裝、制造、檢測(cè)、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件、電氣電子、化工、工程機(jī)械、軌道交通、低壓電器、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。產(chǎn)業(yè)具備加速發(fā)展條件，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的規(guī)模、分布、技術(shù)、應(yīng)用是產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展的基礎(chǔ)和條件?？傮w來看，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)處于起步期，整體規(guī)模較?。皇墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展階段影響，龍頭企業(yè)多分布在研發(fā)集中的東北地區(qū)；技術(shù)投入雖逐年增長(zhǎng)，但核心技術(shù)尚未產(chǎn)業(yè)化；人力替代需求旺盛，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。國(guó)際工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)資料顯示，20082012年，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人平均每年安裝量約15000臺(tái)，2012年新安裝量24800臺(tái)。工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)經(jīng)過20多年發(fā)展，基本實(shí)現(xiàn)了從試驗(yàn)、引進(jìn)到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變。中國(guó)目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人。但我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的差距，主要體現(xiàn)在：產(chǎn)品可靠性、精確度低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域較窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比仍有差距；自主創(chuàng)新不足，諸多技術(shù)方面停留在仿制層面，關(guān)鍵零部件依賴進(jìn)口，特別是在高性能交流伺服電機(jī)和高精密減速器方面的差距尤為明顯；在加工工藝方面，國(guó)內(nèi)廠商的熱處理技術(shù)較弱，直接影響工業(yè)機(jī)器人的控制精度。當(dāng)前，我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本高，而且質(zhì)量、可靠性都不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于內(nèi)外部機(jī)遇疊加的重要發(fā)展期，工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)推動(dòng)裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人口增長(zhǎng)趨勢(shì)有利于釋放市場(chǎng)容量、商業(yè)模式創(chuàng)新活躍。同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)經(jīng)過初期的技術(shù)積累和產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，正逐步接近產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展的臨界點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人是我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)必不可少的高端裝備，是我國(guó)“十二五”規(guī)劃中重點(diǎn)發(fā)展的七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，也是其他新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。隨著我國(guó)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的逐步推進(jìn)，對(duì)以工業(yè)機(jī)器人為代表的智能裝備的需求，將呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。 工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展與商業(yè)模式的創(chuàng)新密不可分。工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具備了基礎(chǔ)技術(shù)條件，足以支撐產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展。商業(yè)模式的建立有利于加快形成工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)體系，改變?cè)械漠a(chǎn)業(yè)形態(tài)。在信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上積累的商業(yè)模式創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)，為工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了可資借鑒的良好經(jīng)驗(yàn)。機(jī)器人的應(yīng)用，是從特種作業(yè)領(lǐng)域，逐漸向工業(yè)裝備領(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模市場(chǎng)拓展的，目前在眾多領(lǐng)域已呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。同時(shí)，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人面臨巨大挑戰(zhàn)。產(chǎn)業(yè)發(fā)展缺乏戰(zhàn)略層面規(guī)劃，難以適應(yīng)現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)化加速發(fā)展的要求；技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱，關(guān)鍵零部件仍難以走出實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，缺乏核心競(jìng)爭(zhēng)力；在國(guó)外企業(yè)壟斷全球市場(chǎng)的格局下，傳統(tǒng)模仿跟隨的發(fā)展路徑與加速做大總量的現(xiàn)實(shí)需求不匹配。產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策與產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段不協(xié)調(diào)。眾多國(guó)家級(jí)重大項(xiàng)目涉及機(jī)器人領(lǐng)域，各地方政府也在大力投資機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。但目前工業(yè)機(jī)器人還沒有建立起產(chǎn)業(yè)體系，管理缺失，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、政策研究、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)等行業(yè)重點(diǎn)工作存在缺位。2手腕結(jié)構(gòu)的確定手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件，處于機(jī)器人操作機(jī)的最末端，其功能是在手臂和腰部實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)坐標(biāo)位置的基礎(chǔ)上，再由手腕來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)姿態(tài)坐標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度。如下圖所示，三個(gè)電機(jī)成三角形分布。 圖21 傳動(dòng)原理圖基本參數(shù)的確定空間結(jié)構(gòu)和手腕結(jié)構(gòu)的確定，那么手腕回轉(zhuǎn)、手腕擺動(dòng)、和手腕旋轉(zhuǎn)三個(gè)姿態(tài)的自由度也得到了實(shí)現(xiàn)。表3-2 機(jī)器人的主要規(guī)格參數(shù)動(dòng)作范圍手腕回轉(zhuǎn)手腕擺動(dòng)手腕旋轉(zhuǎn)額定載荷最大速度4手腕詳細(xì)設(shè)計(jì)說明 本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。4.1手腕電機(jī)的選擇4.1.1提腕電機(jī)的選擇手腕的最大負(fù)荷重量，初估腕部的重量，最大運(yùn)動(dòng)速度V=3m/s 功率取安全系數(shù)為1.2，考慮到傳動(dòng)損失和摩擦，最終的電機(jī)功率。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大轉(zhuǎn)速為n=r/min經(jīng)查表按推薦的傳動(dòng)比合理范圍i=,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍是n=1988到11440r/min選擇Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，技術(shù)參數(shù)如下 表4-1 Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)型 號(hào)額定電壓 （V）額定轉(zhuǎn)矩(N/m)額定轉(zhuǎn)速 (r/m)參考功率 (W)重量 (kg)Z200/20-400 200 2.86 2000 600 5.54.1.2擺腕和轉(zhuǎn)腕電機(jī)的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求取相同型號(hào)的電機(jī)，選擇Z型并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為Z200/20-400。 4.2傳動(dòng)比的確定4.2.1總傳動(dòng)比的確定 轉(zhuǎn)腕傳動(dòng)比的確定 由上面算的n=286。47r/min最后求得總傳動(dòng)比i總8 取整i總=8同理：提腕腕傳動(dòng)比的確定i總16 擺腕腕的傳動(dòng)比：i總144.3傳動(dòng)比的分配a轉(zhuǎn)腕傳動(dòng)比的分配 b提腕傳動(dòng)比的分配 C擺腕傳動(dòng)比的分配 5.齒輪的設(shè)計(jì)5.1提腕部分齒輪設(shè)計(jì) A. 第一極圓柱齒輪傳動(dòng)齒輪采用45號(hào)鋼，鍛造毛坯，正火處理后齒面硬度170190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取 。a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。b.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件的設(shè)計(jì)表達(dá)式 （41）其中， ， 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計(jì)算可得 （4-2） 則 接觸疲勞壽命系數(shù),彎曲疲勞壽命系數(shù)接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：將有關(guān)值代入（41）得：則 動(dòng)載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動(dòng)載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則修正 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 c.計(jì)算基本尺寸d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度復(fù)合齒形系數(shù)， 取 校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度 （43） 所以齒輪完全達(dá)到要求。 表51 齒輪的幾何尺寸名稱符號(hào)公式分度圓直徑齒頂高齒根高齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距齒厚齒槽寬中心距頂隙由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，小齒輪將做成齒輪軸。B. 第二極圓柱齒輪傳動(dòng) 齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取.在上面已經(jīng)算出模數(shù)m=2,所以第二級(jí)齒輪的參數(shù)如下： 表52 齒輪的幾何尺寸名稱符號(hào)公式分度圓直徑齒頂高齒根高齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距齒厚齒槽寬中心距頂隙 a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)表達(dá)式 （44）其中， ，選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下式計(jì)算可得 （4-5） 則 接觸疲勞壽命系數(shù),彎曲疲勞壽命系數(shù)接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：將有關(guān)值代入（44）得：則 動(dòng)載荷系數(shù)；使用系數(shù)；齒向載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)取，則修正 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 c.計(jì)算基本尺寸d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度復(fù)合齒形系數(shù)， 取 校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度 （4-6） 所以齒輪完全達(dá)到要求。表53齒輪的幾何尺寸符號(hào)公式分度圓直徑 齒頂高齒根高齒頂圓直徑 齒根圓直徑齒頂角齒根角分度圓錐角頂錐角根錐角錐距齒寬由于小齒輪的分度圓直徑較小，所以作成齒輪軸。5.2提腕腕部分齒輪設(shè)計(jì)第一極圓柱齒輪傳動(dòng)：齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。b.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件的設(shè)計(jì)表達(dá)式 （41）其中， ，P=mgV=10*10*3=300w/s n=150r/s 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計(jì)算可得 （4-2） 則 接觸疲勞壽命系數(shù),彎曲疲勞壽命系數(shù)接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：將有關(guān)值代入（41）得：則 動(dòng)載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動(dòng)載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則修正 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 c.計(jì)算基本尺寸d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度復(fù)合齒形系數(shù)， 取 校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度 （43） 所以齒輪完全達(dá)到要求。名稱符號(hào)公式分度圓直徑齒頂高齒根高齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距齒厚齒槽寬中心距頂隙 表54齒輪的幾何尺寸第二級(jí)傳動(dòng)使用圓柱齒輪傳動(dòng)，齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。經(jīng)計(jì)算齒輪滿足要求。名稱符號(hào)公式分度圓直徑齒頂高齒根高齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距齒厚齒槽寬中心距頂隙 表55齒輪的幾何尺寸5.3擺腕腕部分齒輪設(shè)計(jì)第一極圓柱齒輪傳動(dòng)：齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。經(jīng)計(jì)算齒輪滿足要求。小齒輪作成齒輪軸。a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。b.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件的設(shè)計(jì)表達(dá)式 （41）其中， ，P=mgV=10*10*3=300w/s n=150r/s 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計(jì)算可得 （4-2） 則 接觸疲勞壽命系數(shù),彎曲疲勞壽命系數(shù)接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：將有關(guān)值代入（41）得：則 動(dòng)載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動(dòng)載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則修正 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 c.計(jì)算基本尺寸d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度復(fù)合齒形系數(shù)， 取 校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度 （43） 所以齒輪完全達(dá)到要求。 表56齒輪的幾何尺寸名稱符號(hào)公式分度圓直徑齒頂高齒根高齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距齒厚齒槽寬中心距頂隙第二極圓錐齒輪傳動(dòng)：齒輪采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度180190HBS，齒輪精度等級(jí)為7極。取。經(jīng)計(jì)算齒輪滿足要求。小齒輪作成齒輪軸。 a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)表達(dá)式 （44）其中， ，P=w/s n=143r/min選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下式計(jì)算可得 （4-5） 則 接觸疲勞壽命系數(shù),彎曲疲勞壽命系數(shù)接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：將有關(guān)值代入（44）得：則 動(dòng)載荷系數(shù)；使用系數(shù)；齒向載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)取，則修正 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 c.計(jì)算基本尺寸d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度復(fù)合齒形系數(shù)， 取 校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度 （4-6） 所以齒輪完全達(dá)到要求。表57齒輪的幾何尺寸名稱符號(hào)公式分度圓直徑 齒頂高齒根高齒頂圓直徑 齒根圓直徑齒頂角齒根角分度圓錐角頂錐角根錐角錐距齒寬6軸的設(shè)計(jì)和校核軸的結(jié)構(gòu)決定于受力情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類型和尺寸、軸的毛坯，制造和裝配工藝、以及運(yùn)輸、安裝等條件。軸的結(jié)構(gòu)，應(yīng)使軸受力合理，避免或減輕應(yīng)力集中，有良好的工藝性，并使軸上零件定位可靠、裝配方便。對(duì)于要求剛度大的軸，還應(yīng)該從結(jié)構(gòu)上考慮減少軸的變形。6.1擺腕輸入軸的設(shè)計(jì)a:軸的材料為45號(hào)剛，調(diào)制處理。（1）求輸入功率，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。根據(jù)電機(jī)的基本參數(shù)可以知道p1=0.6kwn1=2000r/min T1=95500002860N/mm2初步確定軸的最小直徑。 取A0=112，于是得dmin=A0=112=10mm根據(jù)聯(lián)軸器的型號(hào)選軸的最小直徑是12mmb: 各段軸徑和長(zhǎng)度的確定初估軸徑后，就可按照軸上零件的安裝順序從處開始逐段確定軸徑，上面計(jì)算的是軸段1的直徑d1=12mm，L1=10mm。 軸段2要起到過度作用，所以取d2=22mm,L2=33mm。軸段3的d3=30mm,L3=5mm。軸段4要做成齒輪軸所以取d4=44mm,L4=42mm。軸段5，d5=d3=30mm,L5=20mm。軸段6考慮要安裝軸承，內(nèi)徑要符合軸承安裝條件，所以取d6=25mm,L6=16mm。（2）軸的強(qiáng)度校核 軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對(duì)于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，對(duì)于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算，兩者都具備的按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核等。 圖42軸的受力分析和彎扭矩圖a 軸上的轉(zhuǎn)矩T：主軸上的傳遞的功率：P軸kw （4-8）求作用在齒輪上的力：Nb 畫軸的受力簡(jiǎn)圖 見圖42c 計(jì)算軸的支撐反力在水平面上FNH2在垂直面上d 畫彎矩圖 見圖42在水平面上，剖面左側(cè)剖面右側(cè)在垂直面上 合成彎矩，剖面左側(cè) 剖面右側(cè) e 畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖42 f. 判斷危險(xiǎn)截面 截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為T，則判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。g.軸的彎扭合成強(qiáng)度校核許用彎曲應(yīng)力， 截面左側(cè) h. 軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 截面左側(cè)查得，；查得絕對(duì)尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則彎曲應(yīng)力 ，應(yīng)力幅 平均應(yīng)力 切應(yīng)力 安全系數(shù) 查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。 6.2提腕的輸入軸的設(shè)計(jì)與校核。a:軸的材料為45號(hào)剛，調(diào)制處理。 1 求輸入功率，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)電機(jī)的基本參數(shù)可以知道p1=0.6kw n1=2000r/min T1=95500002860N/mm 2初步確定軸的最小直徑。 取A0=112，于是得dmin=A0=112=10mm 根據(jù)聯(lián)軸器的型號(hào)選軸的最小直徑是12mm。所以軸段1d1=12mm,L1=39mm.軸段2是齒輪軸，根據(jù)齒輪的尺寸確定d2=40mm,L2=33mm。2.2軸的強(qiáng)度校核a 軸上的轉(zhuǎn)矩T：主軸上的傳遞的功率：P軸kw （4-8）求作用在齒輪上的力： N Nb 畫軸的受力簡(jiǎn)圖 見圖42c 計(jì)算軸的支撐反力在水平面上FNH1在垂直面上d 畫彎矩圖 見圖42在水平面上，剖面左側(cè)剖面右側(cè)在垂直面上 合成彎矩，剖面左側(cè) 剖面右側(cè) e 畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖42 f. 判斷危險(xiǎn)截面 截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為T，則判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。g.軸的彎扭合成強(qiáng)度校核許用彎曲應(yīng)力， 截面左側(cè) h. 軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 截面左側(cè)查得，；查得絕對(duì)尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則彎曲應(yīng)力 ，應(yīng)力幅 平均應(yīng)力 切應(yīng)力 安全系數(shù) 查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。6.3提腕的輸出軸的設(shè)計(jì)。a:軸的材料為45號(hào)剛，調(diào)制處理。 （1）. 求輸出軸上的功率P3，轉(zhuǎn)速n3和轉(zhuǎn)矩T3 取每級(jí)齒輪傳動(dòng)的效率（包括軸承效率在內(nèi)），則KW r/min （2）初步確定軸的最小直徑 取A0=112，于是得dmin=A0=112=18mm輸出軸的最小直徑顯然是安裝軸承的直徑d1=20mm,L1=16mm。軸段2的直徑d2根據(jù)齒輪的尺寸選擇d2=39mm,L2=36mm。軸段3由于軸段3要固定在箱體上而且要起到連接轉(zhuǎn)腕部分的箱體，所以考慮下來選擇d3=20mm,L3=65mm。（3）軸的強(qiáng)度校核a 軸上的轉(zhuǎn)矩T：主軸上的傳遞的功率：KW r/min 求作用在齒輪上的力： N Nb 畫軸的受力簡(jiǎn)圖 見圖42c 計(jì)算軸的支撐反力在水平面上FNH2在垂直面上d 畫彎矩圖 見圖42在水平面上，剖面左側(cè)剖面右側(cè)在垂直面上 合成彎矩，剖面左側(cè) 剖面右側(cè) e 畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖42 f. 判斷危險(xiǎn)截面 截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為T，則判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。g.軸的彎扭合成強(qiáng)度校核許用彎曲應(yīng)力， 截面左側(cè) h. 軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 截面左側(cè)查得，；查得絕對(duì)尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則彎曲應(yīng)力 ，應(yīng)力幅 平均應(yīng)力 切應(yīng)力 安全系數(shù) 查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。6.4轉(zhuǎn)腕的輸入軸的設(shè)計(jì)與校核。a:軸的材料為45號(hào)剛，調(diào)制處理。 1 求輸入功率，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)電機(jī)的基本參數(shù)可以知道p1=0.6kw n1=2000r/min T1=95500002860N/mm 2初步確定軸的最小直徑。 取A0=112，于是得dmin=A0=112=10mm 根據(jù)聯(lián)軸器的型號(hào)選軸的最小直徑是10mm。所以軸段1d1=10mm,L1=21mm.軸段2是齒輪軸，根據(jù)齒輪的尺寸確定d2=56mm,L2=32mm。a 軸上的轉(zhuǎn)矩T：主軸上的傳遞的功率：P軸kw （4-8）求作用在齒輪上的力： N N b 畫軸的受力簡(jiǎn)圖 見圖42c 計(jì)算軸的支撐反力在水平面上FNH139.6N 在垂直面上d 畫彎矩圖 見圖42在水平面上，剖面左側(cè)剖面右側(cè)在垂直面上 合成彎矩，剖面左側(cè) 剖面右側(cè) e 畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖42 f. 判斷危險(xiǎn)截面 截面左右的合成彎矩右側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為T，則判斷右側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要右側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。g.軸的彎扭合成強(qiáng)度校核許用彎曲應(yīng)力， 截面右側(cè) h. 軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 截面右側(cè)查得，；查得絕對(duì)尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則彎曲應(yīng)力 ，應(yīng)力幅 平均應(yīng)力 切應(yīng)力 安全系數(shù) 查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全6.5轉(zhuǎn)腕的輸出軸的設(shè)計(jì)與校核。a:軸的材料為45號(hào)剛，調(diào)制處理。（ 1）. 求輸出軸上的功率P3，轉(zhuǎn)速n3和轉(zhuǎn)矩T3 取每級(jí)齒輪傳動(dòng)的效率（包括軸承效率在內(nèi)），則KW r/min （2）初步確定軸的最小直徑 取A0=112，于是得dmin=A0=112=14.68mm輸出軸的最小直徑顯然是安裝軸承的直徑d1=20mm,L1=16mm。軸段2的直徑d2根據(jù)齒輪和鍵的的尺寸選擇d2=40mm,L2=33mm。軸段3由于軸段3要固定在箱體上而且要起到連接外部，也需要連接軸承，所以考慮下來選擇d3=20mm,L3=78mm。（3）軸的校核a 軸上的轉(zhuǎn)矩T：主軸上的傳遞的功率：KW r/min 求作用在齒輪上的力： N Nb 畫軸的受力簡(jiǎn)圖 見圖42c 計(jì)算軸的支撐反力在水平面上FNH2在垂直面上d 畫彎矩圖 見圖42在水平面上，剖面左側(cè)剖面右側(cè)在垂直面上 合成彎矩，剖面左側(cè) 剖面右側(cè) e 畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖42 f. 判斷危險(xiǎn)截面 截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為T，則判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。g.軸的彎扭合成強(qiáng)度校核許用彎曲應(yīng)力， 截面左側(cè) h. 軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 截面左側(cè)查得，；查得絕對(duì)尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則彎曲應(yīng)力 ，應(yīng)力幅 平均應(yīng)力 切應(yīng)力 安全系數(shù) 查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。7.電氣控制7.1控制方法的選擇。 系統(tǒng)在本課題中，選擇PLC進(jìn)行系統(tǒng)的控制，由于本課題設(shè)計(jì)的只是關(guān)節(jié)型機(jī)器人的手腕部分，并不是整個(gè)手臂的設(shè)計(jì)，所以無法通過運(yùn)動(dòng)仿真來建立數(shù)學(xué)模型。相對(duì)于單片機(jī)來說，PLC有編程方便，控制原理方便等優(yōu)勢(shì)，所以在本課題中采用PLC來控制。7.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于本課題采用的是直流電機(jī)，所以在控制方面采用的是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖7-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖從圖7-1中可見PLC要從外部輸入電流反饋和轉(zhuǎn)速信號(hào)，輸出觸發(fā)脈沖信號(hào)，其工作均在PLC內(nèi)部完成，數(shù)字給定也是用軟件方法在PLC內(nèi)設(shè)定。（1）轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)速度給定信號(hào)是調(diào)速系統(tǒng)的主令控制信號(hào)，模擬系統(tǒng)中常用電位器調(diào)節(jié)給出：在PLC構(gòu)成的DDC系統(tǒng)中，則可以用FX2的功能指令傾斜指令來完成。（2）轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)本系統(tǒng)速度檢測(cè)采用主軸脈沖發(fā)生器作為速度反饋檢測(cè)元件，它可將轉(zhuǎn)速換成頻率信號(hào)，以脈沖的方式輸入PLC，通過計(jì)數(shù)器定時(shí)計(jì)數(shù)即可測(cè)出電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，根據(jù)工程實(shí)際情況一般轉(zhuǎn)速環(huán)的采樣周期取10ms，為此使用10ms定時(shí)計(jì)數(shù)方法來測(cè)量速度。在FX2系列PLC中，設(shè)有“速度檢測(cè)”功能指令，它可測(cè)出10ms內(nèi)的脈沖數(shù)，并將其送給PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)寄存器用于速度檢測(cè)。調(diào)速系統(tǒng)中檢測(cè)碼盤裝在電機(jī)主軸上，以速度N (rmin)轉(zhuǎn)動(dòng)，接近開頭將轉(zhuǎn)速換成脈沖信號(hào)送至FX2的高速計(jì)數(shù)輸入端X0號(hào)端子。（3）電流檢測(cè)環(huán)節(jié)本系統(tǒng)電流檢測(cè)采用VFC電壓頻率轉(zhuǎn)換器將電流反饋電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，通過測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，可計(jì)算出反饋電壓Ui大小。此處選用NS公司的31系列VFC典型器件。工程上電流環(huán)采樣周期為13 ms，此處選采樣周期為2 ms，由于電流反饋電壓已轉(zhuǎn)換成脈沖頻率信號(hào)，可采用類似于轉(zhuǎn)速檢測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)電流反饋檢測(cè)，將電流脈沖送入PLC的X1高速計(jì)數(shù)端7.3 PLC的IO圖繪制做具體的IO接線圖如下圖7-2，此處選擇的可編程控制器為三菱公司的FX系列，此種可編程控制器具有性價(jià)比高，應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。具體型號(hào)為FX2N-64MR.圖7-27.4 PLC梯形圖設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)要求，PLC梯形圖如下圖7-3梯形圖PLC語句表如下圖7-4圖7-4728夾持器的設(shè)計(jì)根據(jù)焊槍的軸徑和機(jī)械接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了夾持器。本次設(shè)計(jì)使用的焊槍直徑為50mm。用螺栓固定焊槍。通過螺栓與機(jī)械接口聯(lián)接。9.殼體的設(shè)計(jì)機(jī)座部分采用鑄鋁材料，方形結(jié)構(gòu)，臂厚812mm。機(jī)身部分采用鑄鋁材料，圓筒形結(jié)構(gòu)，臂厚78。大臂外殼和大臂箱體采用鑄鋁材料，方形結(jié)構(gòu)，厚度均為68。小臂箱體和小臂外殼采用鑄鋁材料，結(jié)構(gòu)為方形，側(cè)面為鑄件其它三面為鑄鋁板材。手腕外殼和手腕箱體采用鑄鋁材料，結(jié)構(gòu)為方形，兩側(cè)面、背面、底面為鑄件，端面和正面為鑄鋁板材，臂厚58mm。 其它部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)決定，詳見圖紙。10結(jié)論本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人采用了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過一系列的軸和齒輪傳動(dòng)順利實(shí)現(xiàn)了三個(gè)自由度：擺腕、提腕、轉(zhuǎn)腕。應(yīng)用于焊接生產(chǎn)線上將大大提高生產(chǎn)效率，和加工質(zhì)量，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。本機(jī)器人設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，通用性強(qiáng)。除了應(yīng)用于焊接外，還可以應(yīng)用于噴漆等工作中。設(shè)備制造成本合理，拆裝方便，便于維護(hù)。參 考 文 獻(xiàn)1 劉辛軍,汪勁松,高峰.并聯(lián)六自由度微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法J.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2001,41.(8):16-20.2 徐衛(wèi)平,張玉茹,六自由度微動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析J.機(jī)器人ROBOT,1995,17.(5):298-302.3 李明利,楊利華. 磁性輪式球罐焊接機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析J.機(jī)械,2001,28:83-84.4 潘沛霖,楊宏,高波,吳微光.四自由度折疊式機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析J.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1994,26.(4):90-95.5 殷際英,何廣平.關(guān)節(jié)型機(jī)器人M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.6 馬香峰.工業(yè)機(jī)器人的操作設(shè)計(jì)和分析M .北京：冶金工業(yè)出版社, 1996.7 費(fèi)仁元,張慧慧.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析M .北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社,19988 周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)M .北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 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