工业机器人毕业设计

　　工业机器人毕业设计_工学_高等教育_教育专区。摘要 机器人技术是综合了许多学科的知识，例如计算机、控制论、机构学、信息和传感技 术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当今研究领域十分重视的课题，机 器人在很多领域都得到广泛应用。 本毕业

　　摘要 机器人技术是综合了许多学科的知识，例如计算机、控制论、机构学、信息和传感技 术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当今研究领域十分重视的课题，机 器人在很多领域都得到广泛应用。 本毕业设计概述了工业机器人的分类、历史以及发展趋势。重在设计研制国产搬运机 器人的主臂运动机构，该工业机器人由腰部和大小臂组成，腰部和肩部形成肩关节，大臂 和小臂间形成肘关节，使大臂做回转运动和仰俯运动，小臂做回转运动和仰俯摆动。本文 主要阐述了如何设计机器人腰部、肩部以及肘部这三个主要关节，每一个关节选择合适的 驱动方式、传动方式，通过合适的减速装置最终达到所要求的转速。设计具体包括机器人 关节类型确定，谐波减速器的基本结构、工作原理、主要特性介绍与选用以及其减速比的 确定，各关节伺服电机的选择计算以及重要部件的具体设计及其校核，如齿轮的设计及校 核，轴的设计及校核，轴承的选用及校核。 关键词：工业机器人；搬运；机器人关节；谐波减速器 I Abstract Robotic technology is comprehensive knowledge of the many subjects, such as computer, cybernetics, organization learning, information and sensing technology, artificial intelligence, bionics science and the formation of high technology and new technology, it is current research field attach to the subject in many fields, robot used widely. The graduation design summarizes the classification of industrial robot, history and its development trend. Design and develop domestic handling robots on the main arm movement mechanism, the industrial robot composed by the waist and big forearm, the waist and shoulder shoulder, arm formed formed between and forearm, arm elbow turn movement and Yang prone to do exercise, forearm rotation movement and prone to do up swinging. This paper mainly expounds how to design the robot waist, shoulder and elbow the three main joints, every joint choose appropriate drive mode, transmission mode, through appropriate deceleration device finally to reach the required speed. Design specific include robot joints type, the harmonic gear reducer to determine the basic structure, working principle, main characteristic introduction and selection and determination of slowing, each joint than servo motor selection and calculation, and the specific design and an important part of gear check, such as design and check the design and check, shaft, bearing choose and checking. Keywords： industrial robot；Handling；Robot joints；Harmonic gear reducer II 目录 摘要 ------------------------------------------------------- 错误！未定义书签。 Abstract ---------------------------------------------------- 错误！未定义书签。 第 1 章 绪论 ----------------------------------------------- 错误！未定义书签。 1.1 工业机器人概述 -------------------------------------- 错误！未定义书签。 1.2 工业机器人驱动方式 ---------------------------------- 错误！未定义书签。 1.3 工业机器人的分类 ------------------------------------ 错误！未定义书签。 1.4 工业机器人的历史 ------------------------------------ 错误！未定义书签。 1.5 工业机器人的发展趋势 -------------------------------- 错误！未定义书签。 第 2 章 工业机器人机构设计 --------------------------------- 错误！未定义书签。 2.1 工业机器人的设计内容及要求 -------------------------- 错误！未定义书签。 2.2 工业机器人的总体设计 -------------------------------- 错误！未定义书签。 2.3 工业机器人的驱动方式选择 ---------------------------- 错误！未定义书签。 2.4 谐波减速器介绍 -------------------------------------- 错误！未定义书签。 2.4.1 谐波减速器简介 -------------------------------- 错误！未定义书签。 2.4.2 谐波减速器基本结构 ---------------------------- 错误！未定义书签。 2.4.3 谐波减速器工作原理 ---------------------------- 错误！未定义书签。 2.4.4 谐波减速器的主要特性 -------------------------- 错误！未定义书签。 2.4.5 谐波减速器的减速比 ---------------------------- 错误！未定义书签。 2.5 机器人材料的选择 ------------------------------------ 错误！未定义书签。 2.5.1 材料选择的基本要求 ---------------------------- 错误！未定义书签。 2.5.2 结构材料介绍 ---------------------------------- 错误！未定义书签。 第 3 章 机器人腰部关节的设计 ------------------------------- 错误！未定义书签。 3.1 机器人传动机构分析 ---------------------------------- 错误！未定义书签。 3.2 机器人腰部传动方案选择 ------------------------------ 错误！未定义书签。 3.3 腰部交流伺服电机的选择 ------------------------------ 错误！未定义书签。 3.3.1 机器人材料选用和质量估算 ---------------------- 错误！未定义书签。 3.3.2 工业机器人整体受力分析 ------------------------ 错误！未定义书签。 3.3.3 腰部交流伺服电机的选择计算 -------------------- 错误！未定义书签。 III 3.4 腰部谐波减速器的选择 -------------------------------- 错误！未定义书签。 3.4.1 德国 Harmonic 谐波减速器的特点 ----------------- 错误！未定义书签。 3.4.2 腰部谐波减速器的选择计算 ---------------------- 错误！未定义书签。 3.4.3 选用谐波减速器具体尺寸的确定 ------------------ 错误！未定义书签。 3.4.4 选用谐波减速器性能参数确定 -------------------- 错误！未定义书签。 3.4.5 所选谐波减速器传递效率 ------------------------ 错误！未定义书签。 3.5 选用谐波减速器输出轴承的确定 ------------------------ 错误！未定义书签。 3.5.1 输出轴承参数 ---------------------------------- 错误！未定义书签。 3.5.2 输出轴承公差选择 ------------------------------ 错误！未定义书签。 3.5.3 推荐装配公差 ---------------------------------- 错误！未定义书签。 3.6 齿轮的设计与校核 ------------------------------------ 错误！未定义书签。 3.7 轴的设计与校核 -------------------------------------- 错误！未定义书签。 3.7.1 轴的设计分析 ---------------------------------- 错误！未定义书签。 3.7.2 初步计算轴的直径 ------------------------------ 错误！未定义书签。 3.7.3 按弯扭合成强度计算 ---------------------------- 错误！未定义书签。 3.8 轴承的设计和校核 ------------------------------------ 错误！未定义书签。 第 4 章 机器人肩部关节的设计 ------------------------------- 错误！未定义书签。 4.1 机器人肩部关节的设计分析 ---------------------------- 错误！未定义书签。 4.2 肩部传动机构的设计 ---------------------------------- 错误！未定义书签。 4.3 肩部关节伺服电机的选择 ------------------------------ 错误！未定义书签。 4.4 肩部关节谐波减速器的选择 ---------------------------- 错误！未定义书签。 第 5 章 机器人肘部关节的设计 ------------------------------- 错误！未定义书签。 5.1 机器人肘部关节设计分析 ------------------------------ 错误！未定义书签。 5.2 肘部传动机构的设计 ---------------------------------- 错误！未定义书签。 5.3 肘部关节伺服电机的选择 ------------------------------ 错误！未定义书签。 5.4 肘部关节谐波减速器的选择 ---------------------------- 错误！未定义书签。 参考文献 --------------------------------------------------- 错误！未定义书签。 结束语 ----------------------------------------------------- 错误！未定义书签。 致谢 ------------------------------------------------------- 错误！未定义书签。 附录 ------------------------------------------------------- 错误！未定义书签。 IV 第 1 章 绪论 1.1 工业机器人概述 [5 ] 机器人是一种具有上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结 构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述 特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是 用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进 行加工。 工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成 材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。国际标准化组织 (ISO)在对工业机 器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手， 这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备， 以执行种种任务” 。 1.2 工业机器人驱动方式 [ 2 ] （1）气动式工业机器人 这类工业机器人以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作迅速，结构 简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因气源 压力一般只有 6kPa 左右，所以这类工业机器人抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大百 余牛顿。 （2）液压式工业机器人 液压压力比气压压力高得多，一般为 70kPa 左右，故液压传动工业机器人具有较大的 抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要 求较高，且不宜在高温或低温环境下工作。 （3）电动式工业机器人 这是目前用得最多的一类工业机器人，不仅因为电动机品种众多，为工业机器人设计 提供了多种选择，也因为它们可以运用多种灵活控制的方法。早期多采用步进电机驱动， 后来发展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。这些驱动单元或是 直接驱动操作机，或是通过诸如谐波减速器的装置来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。 -1- 1.3 工业机器人的分类 [ 6 ] 工业机器人按操作机坐标形式分以下几类（坐标形式是指操作机的手臂在运动时所取 的参考坐标系的形式） ： （1）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（即 PPP）组成，其工作空间图形为长方形。 它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编 程计算，定位精度高，控制无耦合，结构简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，灵 活性差，难与其他工业机器人协调工作。 （2）圆柱坐标型工业机器人 其运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的，其工作空间图形为 圆柱，与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运 动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与工业机器人协调工作。 （3）球坐标型工业机器人 又称极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一个直线移动（即 RRP,一个回 转，一个俯仰和一个伸缩运动）所组成，其工作空间为一球体，它可以作上下俯仰动作并 能抓取地面上或较低位置的协调工件，其位置精度高，位置误差与臂长成正比。 （4）多关节型工业机器人 又称回转坐标型工业机器人，这种工业机器人的手臂与上肢类似，其前三个关节 是回转副（即 RRR） ，该工业机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂形成肩关节，大 臂和小臂间形成肘关节，可使大臂做回转运动和俯仰摆动，小臂做仰俯摆动。其结构最紧 凑，灵活性大，占地面积最小，能与其他工业机器人协调工作，但位置精度较低，有平衡 问题，控制耦合，这种工业机器人应用越来越广泛。 （5）平面关节型工业机器人 它采用一个移动关节和两个回转关节（即 PRR） ，移动关节实现上下运动，而两个回转 关节则控制前后、左右运动。这种形式的工业机器人又称 SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)装配机器人。在水平方向则具有柔顺性，而在垂直方向则有较大的 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，如 在电子工业的插接、装配中应用广泛。 -2- 1.4 工业机器人的历史 [ 6 ] 工业机器人的发展通常可以划分为三代： 第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手 部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示 教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操 作。 第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其 控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从 1980 年开始进入了实用阶段， 不久即将普及应用。 第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够 根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自 动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境 的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。 1.5 工业机器人的发展趋势 [ 6 ] 随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的 生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态， 提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和 模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关 节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合； c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等， 用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态 检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控 制。 -3- 第 2 章 工业机器人机构设计 2.1 工业机器人的设计内容及要求 工业机器人在机械制造领域广泛应用，机器人运动机构和机器人控制是机器人的核心 技术。本毕业设计旨在设计研制搬运机器人的主臂运动机构。腕部最大负荷为 60N。 主要研究内容有： （1）各关节轴以交流伺服电机驱动，要求机械传动机构简单、体积小、结构紧凑，减 速比大（100：1） 。 （2）机器人主要运动关节的运动学计算和功率、扭矩计算。 （3）完成机械传动方案设计和机械结构设计，要求绘制机器人整体布局外观图和两个 关节（腰关节和肩关节）的结构装配图。要求绘图量达到 A0 三张。 2.2 工业机器人的总体设计 机器人主臂机构设计主要包括机械本体、伺服电机、减速器等机构的设计，为了实现 机械传动机构简单、体积小、结构紧凑，减速比大（100:1）等要求，整个机器人的结构 大致分成腰部关节、肩部关节、肘部关节、大臂与小臂。各关节之间均采用转动关节，采 用伺服电机驱动，以实现精密控制。为实现大传动比，采用谐波减速器传动，不仅实现大 的传动比，而且是结构更紧凑。 查找[1][3]fanuc robot M-6iB 机器人相关资料，获得以下设计资料和参数： （1）机器人结构图见图 2.1 图 2.1 工业机器人结构图 -4- （2）机器人工作范围见图 2.2 图 2.2 机器人工作范围示意图 （3）机器人主要设计参数 轴数：6 负载：60 N 工作半径：1373 mm 可重复定位精度： ? 0.08 mm 机器人质量：138 Kg 各轴转动范围： J 1 ?340 J 4 ?380 J 2 ?250 J 5 ?280 J 3 ?315 J 6 ?720 各轴转动速率： J 1 150 / s ( 2.62 rad / s ) J 3 170 / s ( 2.97 rad / s ) J 5 400 / s ( 6.98rad / s ) 驱动方式：AC 交流伺服电机驱动 J 2 160 / s ( 2.79 rad / s ) J 4 400 / s ( 6.98rad / s ) J 6 500 / s ( 8.73rad / s ) 安装方式：地装、吊顶（挂壁、斜角） -5- 动作类型：垂直多关节型 驱动电机：伺服电机 2.3 工业机器人的驱动方式选择 [5 ] 现代工业机器人只有三种驱动方式：气动驱动、液压驱动和电机驱动。它们的不同特 点及适用范围如表 2.1 所示。 表2.1 各种驱动系统的特点及适用范围 -6- 机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有： （1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高； （2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起动、 制动，正、反转切换； -7- （3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； （4）安全可靠； （5）操作和维护方便； （6）对环境无污染，噪声要小； （7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。 根据毕业设计任务书要求：设计关节机器人主臂运动机构，腕部最大负荷为 60N，机 械传动机构简单、体积小、结构紧凑，减速比大（100：1）等，基于上述驱动系统的特点 和机器人驱动系统的毕业设计要求，本文选用交流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱 动。选用电机驱动，则需设计减速器。 整个机器人的结构大致分成腰部关节、肩部关节、肘部关节、大臂与小臂。各关节之 间均采用转动关节，采用伺服电机驱动，以实现精密控制。为实现大传动比，采用谐波减 速器传动，不仅实现大的传动比，而且是结构更紧凑。 2.4 谐波减速器介绍 [9 ] 2.4.1 谐波减速器简介 谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。谐波齿轮传动 （简称谐波传动） ，它是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮 传动。主要包括刚轮、柔轮、和波发生器组成。 由于波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的 任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的和谐波，故称之为： “谐 波” 。 谐波减速器实体图见图 2.3 图 2.3 谐波减速器实体图 -8- 2.4.2 谐波减速器基本结构 谐波减速器主要由三个基本构件组成： （1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮） ，带有齿轮的刚性齿环，通常与柔轮相差 2 齿，它 相当于行星系中的中心轮； （2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮） ，他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，可以产生弹性变形，它相当于行星齿轮； （3）波发生器H，具有长短轴通常它的转动迫使柔轮按一定的变形规律产生弹性变形， 它相当于行星架。 作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。 谐波减速器内部结构示意图见图2.4 图 2.4 谐波减速器内部结构图 2.4.3 谐波减速器工作原理 当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就使柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹 性变形） ，这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮离）刚轮的齿间，在 波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开。波发生器通常成椭 圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。此时柔轮由原来的圆形而变 成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与 刚轮的内齿沿齿高啮合。这是啮合区，一般有 30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端 的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿， 沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出。 -9- 波发生器在柔轮内转动时， 迫使柔轮产生连续的弹性变形， 此时波发生器的连续转动， 就使柔轮齿的啮入—啮合—啮出—脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合 状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变 为输出的低速转动。 对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动 1/8 周时，柔轮齿与刚轮齿 就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。同样道理，啮出变 为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了 1/4 齿；同理，波发生器再 转动 1/8 周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转 动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。 柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在 任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距， 所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器 输出轴的转动，从而实现了减速的目的。 谐波传动的工作原理图见图 2.5；谐波减速器工作过程示例图见图 2.6 图 2.5 谐波传动的工作原理 图 2.6 谐波减速器工作过程示例 - 10 - 2.4.4 谐波减速器的主要特性 （1）传动比大：单级传动比可达 50—320。 （2）侧隙小：由于其传动原理不同于一般齿轮传动，侧隙很小，甚至可以实现无侧隙 传动。 （3）精度高：同时啮合齿数可达总齿数的 20%左右，并在相差 180 度的两个对称方向上 同时啮合，因此误差被均匀化，达到高运动精度。 （4）零件数少、安装方便：仅有三个基本部件，且输入与输出轴为同轴线，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，通常体积可以减小 2/3， 重量可减小 1/2。 （6）承载能力大：因为同时啮合齿数多，柔轮又采用特殊材料钢材，从而获得了高的 承载能力。 （7）效率高：在齿的啮合部分滑移量极小，摩擦损失少。即使在高速比情况下，仍能 维持高效率。 （8）运动平稳：周向速度低，有实现了李德平衡，故噪声低、振动小。 （9）可向密闭空间传递运动：利用其柔性的特点、可向密闭空间传递运动。这一点是 其他任何机械无法实现的。 2.4.5 谐波减速器的减速比 当波发生器回转时， 它迫使柔轮的齿顺序的与刚轮的齿啮合， 当波发生器顺转一周时， （Z1 ? Z 2） / Z 2 周，因此波发生器和柔轮的传动比为: 柔轮倒转 ( Z1 ? Z 2 ) 个齿，亦即反转了 iH 2 ? nH Z2 d2 1 ?? ?? ?? n2 (Z1 ? Z 2 ) / Z 2 (Z1 ? Z 2 ) (d1 ? d2 ) （ 2.1） 式中： Z 2 、 d 2 和 Z 1 、 d1 分别为柔轮和刚轮的齿数和分度圆直径。 有时柔轮固定不转而刚轮为从动件。在这种情形下，当波发生器顺转一周时，刚轮相 对柔轮顺转 ( Z1 ? Z 2 ) 个齿，亦即顺转了 (Z1 ? Z 2 ) / Z1 周，因此波发生器和柔轮的传动比为: iH 1 ? nH Z1 d1 1 ?? ?? ?? n1 (Z1 ? Z 2 ) / Z1 ( Z1 ? Z 2 ) (d1 ? d2 ) （ 2.2） - 11 - 式中： Z 2 、 d 2 和 Z 1 、 d1 分别为柔轮和刚轮的齿数和分度圆直径。 因为在一个波的区间内，刚轮与柔轮应当相差一个或几个齿，所以谐波齿轮传动的齿 数差应等于波数或波数的整数倍。因此，波数相同且刚轮齿数也相同的谐波传动，其传动 比可以相差若干整数倍。 但实际上大部分谐波齿轮传动的齿数差等于波数。 在这种情况下， 谐波齿轮传动的传动比等于活动轮的齿数除以波数。 2.5 机器人材料的选择 [13] 结构件材料选择是工业机器人材料系统设计中的重要问题之一，正确选择结构材料不 仅可以降低工业机器人的结构成本，更重要的是可适应工业机器人的高速化、高载荷化及 高精度化，满足其静力及动力特性要求。 2.5.1 材料选择的基本要求 与一般的机械设备相比，机器人结构的动力特性是十分重要的，这是选择材料的出发 点。材料选择的基本要求如下： （1）强度高。机器人的臂是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人臂的强度 条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。 （2）弹性模量大。从材料力学的公式可知，构件刚度（或变形量）与材料的弹性 E、G 有关，弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料的弹性模量的差异比较大，而同 一种材料却没有多大差别。 （3）重量轻。在机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由于惯性力引起的，与构 件的质量有关。也就是说，为了提高构件刚度选用弹性模量 E 大而密度ρ 也大的材料是不 合理的，因此提出了选用高弹性模量、低密度的材料要求，可用 E/ρ 来衡量，表 2.2 列出 几种材料的 E、ρ 和 E/ρ 值，供参考。 表 2.2 材料的弹性模量/密度（E/ρ）值 - 12 - （4）阻尼大。工业机器人在选材时不仅要求刚度大、重量轻，而且希望材料的阻尼尽 可能大。机器人的臂经过运动后，要求能平稳地停下来。可是由于在构件终止运动的瞬时， 构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生“残余振动” 。从提高 定位精度和传动平稳性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收 能量。 （5）材料价格低。材料价格是工业机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如硼 纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，用来作为机器人臂的材料是很理想的，但价格昂 贵。 2.5.2 结构材料介绍 （1）碳素结构钢、合金结构钢：强度好，特别是合金结构钢强度增大了 4-5 倍，弹性 模量 E 大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。 （2）铝、铝合金及其他轻合金材料：这类材料的共同特点是重量轻，弹性模量 E 并不 大，但是材料密度小，故 E/ρ 值仍可和钢材相比。有些稀贵铝金属的品质得到了更明显的 改善，例如添加了 3.2%重量的锂的铝合金，弹性模量增加了 14%，E/ρ 值增加了 16%。 （3）纤维增强合金：如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，其 E/ρ 值分别达到 11.4 ? 10 7 m 2 /s 2 和 8.9 ? 10 7 m 2 /s 2 。这种纤维增强金属材料具有非常高的 E/ρ 值 ，而且 没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。 （4）陶瓷：陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，与 金属零件连接的结合部需特殊设计。然而，日本已经试制了在小型工业机器人上使用的陶 瓷人臂的样品。 （5）纤维增强复合材料：这类材料具有极好的 E/ρ 值，但存在老化、蠕变、高温热膨 胀、与金属件连接困难等问题。这种材料不但重量轻、刚度大，而且还具有十分突出的阻 尼大优点，传统金属材料不可能具有这么大的阻尼。所以，在高速机器人上应用复合材料 的实例越来越多。层叠复合材料的制造工艺还允许用户进行优化，改进叠层厚度、纤维倾 斜角、最佳横断面尺寸等，使其具有最大阻尼比。 （6）粘弹性大阻尼材料：增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。 目前有许多方法来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人结构采用的一种方法是用粘 弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。吉林工大和西安交大进行了粘弹性大阻尼 材料在柔性机械臂振动控制中实验，结果表明：机械臂的重复定位精度在处理前为 - 13 - ? 0.30mm，处理后为 ? 0.16mm；残余振动时间在阻尼处理前、后分别为 0.9s 和 0.5s。 杆件的约束层处理示意图见图 2.7 图 2.7 杆件的约束层处理示意图 - 14 - 第 3 章 机器人腰部关节的设计 3.1 机器人传动机构分析 [ 4 ] 由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负 载能力。对机器人的传动机构的一般要求有： （1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻； （2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变量最 小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动； （3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度； （4）寿命长，价格低。 3.2 机器人腰部传动方案选择 机器人腰部关节即 J1 轴是机器人关节中最大，承载最多，内部机构最为复杂的关节。 J 1轴的转动范围为 340 ( 5.93rad )，转速拟定为 150 / sec ( 2.62rad / sec )即 25r / min ,伺服 电机额定转速暂选为 3000r / min ，额定功率为 1.0 kW ,减速比即为 100。 J1 轴的转动范围示意图见图 3.1 图 3.1 J1 轴的转动范围示意图 - 15 - 方案一：J1 轴通过采用一对外啮合齿轮（减速比为 2） ，后接谐波减速器（减速比为 50）来减速，则可以实现总传动比为 100。 腰关节传动方案一见图 3.2 图 3.2 腰关节传动方案一 方案二：J1 轴通过采用一对内啮合齿轮（减速比为 2） ，后接谐波减速器（减速比为 50）来减速，则可实现传动比为 100。 腰关节传动方案二见图 3.3 图 3.3 腰关节传动方案二 - 16 - 方案三：电机安装在底座下面，J1 轴直接接谐波减速器（减速比 100） ，则可实现传动 比为 100 的减速。 腰关节传动方案三见图 3.4 图 3.4 腰关节传动方案三 传动方案比较：这三种方案在传动实现上都是可行的，均采用了减速比大、体积小、 重量轻、精度高、回差小、承载力大、噪音小、效率高、定位安装方便的谐波减速器。方 案二采用内啮合齿轮传动，结构上是比方案一更加紧凑，但安装时会使腰部电机与肩部电 机发生干涉，影响机器人的运动范围。方案三的传动结构最为简单，但电机轴和腰部回转 轴无法错开。则最终机器人腰关节传动方案选择方案一。 对于方案一： 由于 J 1 轴的输出转速为： n3 ? 25r / min ，又有 i谐波 =n波发生器 / n刚轮 =n2 / n3 ? z1 / ( z1 ? z2 ) ? 50 式中： z1 为刚轮齿数， z 2 为柔轮齿数 (3.1) 则 n2 ? 1250r / min ，又有 i齿轮 =n1 / n2 ? z2 / z1 ? 2 式中： z1 为小齿轮齿数， z 2 为大齿轮齿数 则电机输出转矩： T1 ? 9550P 1 / n1 ? 9550 ? 0.77 / 2500 ? 2.94N ? m - 17 - (3.2) 取齿轮的精度等级为 8 级，查[7] P217 表 16 ? 4 得： ?齿轮 =0.98 ?轴承 =0.99 3 3 则P 2 =P 1 ??齿轮 ??轴承 =0.77 ? 0.98 ? 0.99 =0.73kW T2 ? 9550P 2 / n2 ? 9550 ? 0.73 / 1250 ? 5.58N ? m 3 3 P 3 ? P 2 ??齿轮 ??轴承 =0.73 ? 0.98 ? 0.99 =0.69kW T3 ? 9550P 3 / n3 ? 9550 ? 0.69 / 25 ? 263.58N ? m 3.3 腰部交流伺服电机的选择 3.3.1 机器人材料选用和质量估算 机器人材料选用 45 号钢，则查表 2.2 可得密度 ? ? 7.8 ? 10?3 kg / m3 ，根据机器人各部 分体积，估算机器人质量如下： 腕部：8kg 大臂：52kg 小臂：36kg 肩部：13kg 肘部：11kg 腰部：18kg 3.3.2 工业机器人整体受力分析 [ 4 ] 机器人整体受力示意图见图 3.5 图 3.5 机器人整体受力示意图 - 18 - 3.3.3 腰部交流伺服电机的选择计算 [ 4 ] 当大臂、小臂与末端执行器均处于水平状态时，如上图所示，各部分对回转中心产生 的转动惯量最大。其代数和为： J腰部 ? m ? r 2 ? J物 +J腕部 +J小臂 +J肘部 +J大臂 +J肩部 代入数据得： J 腰部 =6 ?1.4652 +8 ?1.3652 +36 ? 1.05752 ? 11? 0.752 ? 52 ? 0.452 ? 13 ? 0.152 =85.052 N ? m 则工作时的最大扭矩： M max ? J 腰部 ? ? (3.3) 式中： ? 为机器人的角加速度。 设机器人各关节运动的加速度为 at ? 0.5 g ， 则 ? =a t / r ? 0.5g / 1.465 ? 3.34rad / s 2 则 M max ? 85.052 ? 3.34 ? 284.07 N ? m 由于 J 1 轴的转动速率为 150? / s ，即 ?1 ? 2.62 rad / s ， 则 n1 ? (150 / 360) ? 60 ? 25r / min 查[8] P 107 式5-2 得 T1 =9550P 1 / n1 则P 1 =T 1n1 / 9550 ? M max n 1 / 9550 ? 284.07 ? 25 / 9550 ? 0.74kW 由电机到底座传动总效率 ?总 =?1?2 式中：?1 为外啮合齿轮的传动效率，? 2 为谐波减速器的传动效率 取?1 =0.98（齿轮的精度等级为 8 级） 则?总 =0.98 ? 0.98=0.9604 则腰部伺服电机所需功率为： P 腰 =P1 / ?总 =0.74 / 0.9604 ? 0.77kW 查[10]德国博美特 BONMET 伺服电机资料：如表 3.1 所示 - 19 - (3.4) ? 2 =0.98 表 3.1 德国博美特 BONMET 伺服电机参数表 经比较电机型号选用 BONMET SM 系列 80 系列 SM 80-033-30 LFB 表 3.2 德国博美特 BONMET 80 系列电机 - 20 - 查表 3.2 得伺服电机 SM 80-033-30 LFB 主要参数如下： 额定功率：1.0 Kw 额定电流：4.2 A 机械时间常数:0.85 Ms 额定转矩：3.3 N ? m 额定转速：3000 Rpm 转子惯量： 1.37 ? 10?4 Kgm 2 电机重量：3.2 Kg 伺服电机 SM 80-033-30 LFB 外形尺寸图见图 3.6 图 3.6 伺服电机 SM 80-033-30 LFB 外形尺寸图 3.4 腰部谐波减速器的选择 谐波减速器选用德国的 Harmonic Drive AG（和谐驱动）公司的 CGS-2UH Units 系列 产品。 3.4.1 德国 Harmonic 谐波减速器的特点 [12] （1）Harmonic 减速器结构简单，体积小，重量轻。HD 减速器谐波齿轮传动的主要构件 只有三个：波发生器、柔轮、刚轮。它与传动比相当的普通减速器比较，其零件减少 50%， 体积和重量均减少 1/3 左右或更多。 （2）Harmonic 减速器传动比范围大。单级 HD 谐波减速器传动比可在 50—300 之间，优 选在 75—250 之间；双级谐波减速器传动比可在 3000—60000 之间；复波谐波减速器传动 比可在 200—140000 之间。 - 21 - （3）Harmonic 减速机啮合的齿数多。双波谐波减速器同时啮合的齿数可达 30%，甚至 更多些。而在普通齿轮传动中，同时啮合的齿数只有 2—7%，对于直齿圆柱渐开线齿轮同 时啮合的齿数只有 1—2 对。Harmonic 减速器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 HD 减速器实现大速比、小体积。 （4）Harmonic 减速器承载能力大。谐波齿轮传动同时啮合齿数多，即承受载荷的齿数 多，在材料和速比相同的情况下，受载能力要大大超过传动。HD 减速器其传递的功率 范围可为几瓦至几十千瓦。 （5）Harmonic 减速机运动精度高。HD 减速器由于多齿啮合，一般情况下，谐波齿轮与 相同精度的普通齿轮相比，其运动精度能提高四倍左右。 （6）Harmonic 减速器运动平稳，无冲击，噪声小。HD 减速器齿的啮入、啮出是随着柔 轮的变形，逐渐进入和逐渐退出刚轮齿间的，啮合过程中齿面接触，滑移速度小，且无突 然变化。 （7）HD 减速器齿侧间隙可以调整。谐波齿轮传动在啮合中，柔轮和刚轮齿之间主要取 决于波发生器外形的最大尺寸，及两齿轮的齿形尺寸，因此 Harmonic 减速器可以使传动 的回差很小，某些情况甚至可以是零侧间隙。 （8）Harmonic 减速器传动效率高。与相同速比的传动相比，谐波传动由于运动部 件数量少， 而且啮合齿面的速度很低， 因此效率很高， 随速比的不同 （u=60-250)， Harmonic 减速器效率约在 65—96%左右（谐波复波传动效率较低），齿面的磨损很小。 （9）Harmonic 减速机同轴性好。谐波齿轮减速器的高速轴、低速轴位于同一轴线）Harmonic 减速器可实现向密闭空间传递运动及动力。HD 减速器采用密封柔轮谐 波传动减速装置，可以驱动工作在高真空、有腐蚀性及有害介质空间的机构，谐波传 动这一独特优点是传动机构难于达到的。 （11）Harmonic 减速器（HD 减速器）可实现高增速运动。Harmonic 减速器由于谐波齿 轮传动的效率高及机构本身的特点，加之体积小、重量轻的优点，因此是理想的高增速装 置。对于手摇发电机、风力发电机等需要高增速的设备有广阔的应用前景。 （12）Harmonic 减速机（HD 减速器）方便的实现差速传动。Harmonic 减速器由于谐波 齿轮传动的三个基本构件中，可以任意两个主动，第三个从动，那么如果让波发生器、刚 轮主动，柔轮从动，就可以构成一个差动传动机构，从而方便的实现快慢速工作状况。这 一点对许多机床的走刀机构很有实用价值，经适当设计，可以大大改变机床走刀部分的结 构性能。 - 22 - （13）Harmonic 减速器（HD 减速器）免维护。Harmonic 减速机主要产品：CSG 系列,CSD 系列,CSF 系列,SHG 系列,SHF 系列,SHD 系列,CSF 系列,CSF-GH 系列,HPG 系列,HPG-RA 系 列,HPG-U1 系列谐波减速机。 CGS-2UH Units 系列产品外观图见图 3.7 图 3.7 CGS-2UH Units 系列产品外观图 3.4.2 腰部谐波减速器的选择计算 腰部关节承受较大的载荷，并且采用柔轮固定刚轮输出的形式，或刚轮固定柔轮输出 的形式，且传递的功率为 0.73 kW ,并且要求传动比为 50。 谐波减速器型号的选择主要取决于减速器的输入功率和输出扭矩 由以上计算可得： 减速器额定输入功率： P ? 0.73kW 减速器输出扭矩： T ? 263.58 N ? m 谐波减速器工作时的实际输入功率和输出扭矩为 P =P ? K A 实际 T实际 =T ? K A 式中： K A 为工况系数 查[8] P 108 表 5-3 取 K A =1.25 则P =0.73 ?1.25=0.91kW 实际 (3.5) (3.6) T实际 =263.58 ?1.25=329.475N ? m 查 CGS-2UH Units 系列产品资料 [12] ，即表 3.3 - 23 - 表 3.3 CGS-2UH Units 系列产品资料 查 表 3.3 CSG 系 列 资 料 选 取 谐 波 减 速 器 的 型 号 ， 腰 部 谐 波 减 速 器 的 型 号 选 择 CSG-45-50-2UH-SP。 查谐波减速器 CSG-2UH Size 参数表 [12] ，即表 3.4 表 3.4 谐波减速器 CSG-2UH Size 参数表 - 24 - 得谐波减速器 CSG-45-50-2UH-SP 具体参数如下： 重复峰值极限转矩： TR ? 650 N ? m 平均极限转矩： TA ? 345N ? m 2000 r / min 的额定转矩： TN ? 229 N ? m 瞬时峰值的极限转矩： TM ? 1235N ? m 最大输入转速：油润滑 5000 r / min 脂润滑 3800 r / min 脂润滑 3000 r / min 平均输入极限转速： 油润滑 3300 r / min 瞬时惯量： 8.68 ?10?4 kgm2 重量：7 kg 3.4.3 选用谐波减速器具体尺寸的确定 [12] 谐波减速器 CSG-45-50-2UH-SP 内部结构如图 3.8 图 3.8 谐波减速器 CSG-45-50-2UH-SP 内部结构图 查表 3.5 确定各个尺寸 - 25 - 表 3.5 CSG-2UH 系列尺寸表 可得各尺寸： ? A ? 180mm F ? 16mm C ? 74mm B ? 7 9 .0 ?5 1 . 2m m 0 D?5.5 m m E ? 58mm ?0 . 6 G ? 4 m m H ? 6 m m I ? 27 mm J ? 7 m m K ? 20mm L ? 1mm 0 M ? 6 m m N? 7? 148 m m ? P ? 147mm ?30.5 m m ?O h 0. 1 ?0.1 ? R H7 ? 3 2m m ?T h 7? 124 m m ?U H7 ? 1 9m mV ? 21.80 mm ? Q ? 127mm Wjs9 ? 6mm ? X =82mm Y ? 8mm Z ? M 12 ? 18 ? a ? 164mm b ? 12mm ? c ? 9 m m f ? 12mm g ? M 8 h( O? R i n) g ? 9 9 .? 5 2 i( O? R i n) g ? 1 4 4 .?5 ? k 2 ? 107mm ? m ? 36mm r ? 45.5mm t ? 3.5mm u ? 15.5mm - 26 - ? v ? 25mm ? y ? 32mm 则谐波减速器 CSG-45-50-2UH-SP 具体的尺寸结构如图 3.9 图 3.9 谐波减速器 CSG-45-50-2UH-SP 具体的尺寸结构图 3.4.4 选用谐波减速器性能参数确定 [12] 谐波减速器的空载启动力矩、空载返回驱动力矩、谐波减速器扭矩传输能力分别如表 3.6、表 3.7、表 3.8 所示。 表 3.6 谐波减速器空载启动力矩参数表 表 3.7 谐波减速器空载返回驱动力矩参数表 - 27 - 表 3.8 谐波减速器扭矩传输能力【Nm】 由以上表可得： 谐波减速器 CSG-45-50-2UH-SP， 查表 3.6 和表 3.7 知该型号足够的空载启动力矩和空 载返回驱动力矩，分别为 77Ncm 和 47Ncm。查表 3.8 知该型号有足够的输出扭矩，伺服电 机的额定扭矩为 3.3N.m，输出扭矩可达 2624Nm。考虑到结构特性，选用脂润滑。 3.4.5 所选谐波减速器传递效率 [12] 谐波减速器的传动效率见图 3.10 图 3.10 谐波减速器传动效率图 3.5 选用谐波减速器输出轴承的确定 [11] CSG-2UH 系列产品结合了一个高刚度轴承支持输出负载，这个专门开发的轴承承受很 高的轴向和径向力量以及高倾斜时刻。 - 28 - 3.5.1 输出轴承参数 表 3.9 输出轴承参数表 由表 3.9 查得： 轴承类型为 C 型 节圆直径 d p ? 0.111m 偏移量 R ? 15.5mm 许用动力矩 M ? 686 N ? m 额定动载荷 C ? 23000 N 额定静载荷 C0 ? 42600N 许用静力矩 M 0 ? 1182 N ? m 许用轴向载荷 Fa ? 12174 N 3.5.2 输出轴承公差选择 输出轴承公差图见图 3.11 即时刚度 K B ? 410[ Nm / arc min] 许用径向载荷 Ft ? 9368N 图 3.11 输出轴承公差图 - 29 - 查表 3.10 确定各字母代号的数值 表 3.10 输出轴承公差参数表 由表 3.10 查得： a ? 0.018mm b ? 0.015mm c ? 0.068mm d ? 0.015mm e ? 0.065mm 3.5.3 推荐装配公差 为了使 CSG-2UH 系列产品的新特性得到充分发挥，按表 3.11 选取装配公差 （1）装配公差图见图 3.12 图 3.12 装配公差图 表 3.11 装配公差参数表 [注：括号中的数值为推荐值] 由表 3.11 查得： a ? 0.026mm b ? 0.032 mm c ? 0.063mm - 30 - （2）壳体与法兰盘的装配图见图 3.13 图 3.13 壳体与法兰盘装配示意图 法兰盘装配参数按表 3.12 选择 表 3.12 法兰盘装配参数表 则由表 3.12 可查得：螺钉个数： 8 螺钉预紧力： 89N ? m 螺钉尺寸： M10 联轴器节圆直径： 68mm 扭矩传输能力： 1510 N ? m 壳体装配参数按表 3.13 选择 表 3.13 壳体装配参数表 - 31 - 则由表 3.13 可查得：螺钉个数： 10 螺钉预紧力： 37N ? m 螺钉尺寸： M 8 联轴器节圆直径： 144mm 扭矩传输能力：2100 N ? m 3.6 齿轮的设计与校核 [14] 齿轮的设计与校核通过机械设计手册（新编软件版）2008 完成，具体设计过程如下： 渐开线圆柱齿轮传动设计报告 一、设计信息 设计者 Name=张国飞 设计单位 Comp=宁夏理工学院 设计日期 Date=2011-3-25 设计时间 Time=PM 08:20:14 二、设计参数 传递功率 P=0.77(kW) 传递转矩 T=2.94(N·m) 齿轮 1 转速 n1=2500(r/min) 齿轮 2 转速 n2=1250(r/min) 传动比 i=2.00 原动机载荷特性 SF=均匀平稳 工作机载荷特性 WF=均匀平稳 预定寿命 H=10000(小时) 三、布置与结构 结构形式 ConS=闭式 齿轮 1 布置形式 ConS1=悬臂布置 齿轮 2 布置形式 ConS2=非对称布置（轴钢性较大） 四、材料及热处理 齿面啮合类型 GFace=软齿面 热处理质量级别 Q=MQ 齿轮 1 材料及热处理 Met1=40Cr调质 齿轮 1 硬度取值范围 HBSP1=235～275 - 32 - 齿轮 1 硬度 HBS1=265 齿轮 1 材料类别 MetN1=0 齿轮 1 极限应力类别 MetType1=5 齿轮 2 材料及热处理 Met2=45正火 齿轮 2 硬度取值范围 HBSP2=162～217 齿轮 2 硬度 HBS2=200 齿轮 2 材料类别 MetN2=0 齿轮 2 极限应力类别 MetType2=7 五、齿轮精度 齿轮 1 第Ⅰ组精度 JD11=8 齿轮 1 第Ⅱ组精度 JD12=8 齿轮 1 第Ⅲ组精度 JD13=8 齿轮 1 齿厚上偏差 JDU1=F 齿轮 1 齿厚下偏差 JDD1=L 齿轮 2 第Ⅰ组精度 JD21=8 齿轮 2 第Ⅱ组精度 JD22=8 齿轮 2 第Ⅲ组精度 JD23=8 齿轮 2 齿厚上偏差 JDU2=F 齿轮 2 齿厚下偏差 JDD2=L 六、齿轮基本参数 模数(法面模数) Mn=3(mm) 端面模数 Mt=3.00000(mm) 螺旋角 β =0.000000(度) 基圆柱螺旋角 β b=0.0000000(度) 齿轮 1 齿数 Z1=19 齿轮 1 变位系数 X1=0.00 齿轮 1 齿宽 B1=25.00(mm) 齿轮 1 齿宽系数 Φ d1=0.439 齿轮 2 齿数 Z2=38 齿轮 2 变位系数 X2=0.00 - 33 - 齿轮 2 齿宽 B2=20.00(mm) 齿轮 2 齿宽系数 Φ d2=0.175 总变位系数 Xsum=0.000 标准中心距 A0=85.50000(mm) 实际中心距 A=85.50000(mm) 中心距变动系数 yt=0.00000 齿高变动系数 △yt=0.00000 齿数比 U=2.00000 端面重合度 ε α =1.62357 纵向重合度 ε β =0.00000 总重合度 ε =1.62357 齿轮 1 分度圆直径 d1=57.00000(mm) 齿轮 1 齿顶圆直径 da1=63.00000(mm) 齿轮 1 齿根圆直径 df1=49.50000(mm) 齿轮 1 基圆直径 db1=53.56248(mm) 齿轮 1 齿顶高 ha1=3.00000(mm) 齿轮 1 齿根高 hf1=3.75000(mm) 齿轮 1 全齿高 h1=6.75000(mm) 齿轮 1 齿顶压力角 α at1=31.766780(度) 齿轮 2 分度圆直径 d2=114.00000(mm) 齿轮 2 齿顶圆直径 da2=120.00000(mm) 齿轮 2 齿根圆直径 df2=106.50000(mm) 齿轮 2 基圆直径 db2=107.12496(mm) 齿轮 2 齿顶高 ha2=3.00000(mm) 齿轮 2 齿根高 hf2=3.75000(mm) 齿轮 2 全齿高 h2=6.75000(mm) 齿轮 2 齿顶压力角 α at2=26.784471(度) 齿轮 1 分度圆弦齿厚 sh1=4.70702(mm) 齿轮 1 分度圆弦齿高 hh1=3.09734(mm) 齿轮 1 固定弦齿厚 sch1=4.16114(mm) - 34 - 齿轮 1 固定弦齿高 hch1=2.24267(mm) 齿轮 1 公法线(mm) 齿轮 2 分度圆弦齿高 hh2=3.04869(mm) 齿轮 2 固定弦齿厚 sch2=4.16114(mm) 齿轮 2 固定弦齿高 hch2=2.24267(mm) 齿轮 2 公法线 公法线(mm) 齿顶高系数 ha*=1.00 顶隙系数 c*=0.25 压力角 α *=20(度) 端面齿顶高系数 ha*t=1.00000 端面顶隙系数 c*t=0.25000 端面压力角 α *t=20.0000000(度) 端面啮合角 α t=20.0000001(度) 七、检查项目参数 齿轮 1 齿距累积公差 Fp1=0.05981 齿轮 1 齿圈径向跳动公差 Fr1=0.04475 齿轮 1 公法线 齿距极限偏差 fpt(±)1=0.02211 齿轮 1 齿形公差 ff1=0.01594 齿轮 1 一齿切向综合公差 fi1=0.02283 齿轮 1 一齿径向综合公差 fi1=0.03120 齿轮 1 齿向公差 Fβ 1=0.02000 齿轮 1 切向综合公差 Fi1=0.07575 齿轮 1 径向综合公差 Fi1=0.06265 齿轮 1 基节极限偏差 fpb(±)1=0.02078 齿轮 1 螺旋线 轴向齿距极限偏差 Fpx(±)1=0.02000 - 35 - 齿轮 1 齿向公差 Fb1=0.02000 齿轮 1x 方向轴向平行度公差 fx1=0.02000 齿轮 1y 方向轴向平行度公差 fy1=0.01000 齿轮 1 齿厚上偏差 Eup1=-0.08844 齿轮 1 齿厚下偏差 Edn1=-0.35375 齿轮 2 齿距累积公差 Fp2=0.07941 齿轮 2 齿圈径向跳动公差 Fr2=0.05241 齿轮 2 公法线 齿距极限偏差 fpt(±)2=0.02309 齿轮 2 齿形公差 ff2=0.01708 齿轮 2 一齿切向综合公差 fi2=0.02410 齿轮 2 一齿径向综合公差 fi2=0.03260 齿轮 2 齿向公差 Fβ 2=0.01000 齿轮 2 切向综合公差 Fi2=0.09649 齿轮 2 径向综合公差 Fi2=0.07337 齿轮 2 基节极限偏差 fpb(±)2=0.02169 齿轮 2 螺旋线 轴向齿距极限偏差 Fpx(±)2=0.01000 齿轮 2 齿向公差 Fb2=0.01000 齿轮 2x 方向轴向平行度公差 fx2=0.01000 齿轮 2y 方向轴向平行度公差 fy2=0.00500 齿轮 2 齿厚上偏差 Eup2=-0.09235 齿轮 2 齿厚下偏差 Edn2=-0.36939 中心距极限偏差 fa(±)=0.02355 八、强度校核数据 齿轮 1 接触强度极限应力 σ Hlim1=719.4(MPa) 齿轮 1 抗弯疲劳基本值 σ FE1=588.8(MPa) 齿轮 1 接触疲劳强度许用值 [σ H]1=813.6(MPa) 齿轮 1 弯曲疲劳强度许用值 [σ F]1=1051.4(MPa) 齿轮 2 接触强度极限应力 σ Hlim2=550.0(MPa) - 36 - 齿轮 2 抗弯疲劳基本值 σ FE2=433.3(MPa) 齿轮 2 接触疲劳强度许用值 [σ H]2=622.1(MPa) 齿轮 2 弯曲疲劳强度许用值 [σ F]2=773.8(MPa) 接触强度用安全系数 SHmin=1.00 弯曲强度用安全系数 SFmin=1.40 接触强度计算应力 σ H=234.5(MPa) 接触疲劳强度校核 σ H≤[σ H]=满足 齿轮 1 弯曲疲劳强度计算应力 σ F1=13.7(MPa) 齿轮 2 弯曲疲劳强度计算应力 σ F2=12.6(MPa) 齿轮 1 弯曲疲劳强度校核 σ F1≤[σ F]1=满足 齿轮 2 弯曲疲劳强度校核 σ F2≤[σ F]2=满足 九、强度校核相关系数 齿形做特殊处理 Zps=不处理 齿面经表面硬化 Zas=表面硬化 齿形 Zp=一般 润滑油粘度 V50=120(mm^2/s) 有一定量点馈 Us=不允许 小齿轮齿面粗糙度 Z1R=Rz＞6μ m(Ra≤1μ m) 载荷类型 Wtype=静强度 齿根表面粗糙度 ZFR=Rz＞16μ m (Ra≤2.6μ m) 刀具基本轮廓尺寸 圆周力 Ft=103.158(N) 齿轮线(m/s) 使用系数 Ka=1.000 动载系数 Kv=10.629 齿向载荷分布系数 KHβ =0.170 综合变形对载荷分布的影响 Kβ s=0.000 安装精度对载荷分布的影响 Kβ m=0.170 齿间载荷分布系数 KHα =1.262 节点区域系数 Zh=2.495 - 37 - 材料的弹性系数 ZE=189.800 接触强度重合度系数 Zε =0.890 接触强度螺旋角系数 Zβ =1.000 重合、螺旋角系数 Zε β =0.890 接触疲劳寿命系数 Zn=1.30000 润滑油膜影响系数 Zlvr=0.87000 工作硬化系数 Zw=1.00000 接触强度尺寸系数 Zx=1.00000 齿向载荷分布系数 KFβ =0.170 齿间载荷分布系数 KFα =1.404 抗弯强度重合度系数 Yε =0.712 抗弯强度螺旋角系数 Yβ =1.000 抗弯强度重合、螺旋角系数 Yε β =0.712 寿命系数 Yn=2.50000 齿根圆角敏感系数 Ydr=1.00000 齿根表面状况系数 Yrr=1.00000 尺寸系数 Yx=1.00000 齿轮 1 复合齿形系数 Yfs1=4.42487 齿轮 1 应力校正系数 Ysa1=1.53717 齿轮 2 复合齿形系数 Yfs2=4.04723 齿轮 2 应力校正系数 Ysa2=1.66419 设计结果见表 3.14 表 3.14 齿轮设计与校核结果 - 38 - 3.7 轴的设计与校核 [8 ] 3.7.1 轴的设计分析 轴的类型很多，按轴线形状可以分为直轴、曲轴和软轴，该机器人腰部是一根直轴， 而直轴按其承载情况不同，又可以分为三类：转轴、传动轴、心轴。经分析该腰部轴既传 递转矩又承受弯矩，是一根转轴，则需按弯扭合成强度条件计算。 3.7.2 初步计算轴的直径 按扭转强度条件计算 这种方法对只承受转矩作用或主要承受转矩作用的传动轴，其强度条件为 9550 ? 103 P / n ? T ? T / WT ? ? [? T ]MPa WT 式中： ? T 为轴的扭剪应力， MPa ； (3.7) T 为轴传递的转矩， N ? mm ； WT 为轴的抗扭截面模量， mm3 ； P 为轴传递的功率， kW ； n 为轴的转速， r / min ； [ ? T ]为轴材料的许用扭剪应力， MPa 。 对于既传递转矩又承受弯矩的转轴，可用上式初步估算轴的直径，但必须将轴的许用 扭剪应力[ ? T ]适当降低，以补偿弯矩对轴的影响。将降低后的[ ? T ]代入上式，可改写为设 计计算公式。 由于腰部轴是一根实心轴， 对于实心圆轴 W T ? ? d 3 / 16 ? 0.2d 3 ， 则轴的直径计算式为： 9550 ? 103 P d? ? A0 3 P / n 0.2[? T ]n (3.8) 式中： A0 由轴的材料及承载情况确定的系数 查[8] P 191 表 8 ? 2 常用轴材料的[ ? T ]和 A0 值，取轴的材料为 45，则查表得: [ ? T ]= 30~40 MPa A0 = 118~107 。取 A0 =110 ，则代入式 3.8 可得： d ? 110 ? 3 0.73 / 1250 ? 9.19mm - 39 - 根据谐波减速器 CSG-45-50-2UH-SP 内部具体尺寸并查[7] P 114 表 9-5 角接触球轴承，考 虑键槽等因素最终选取 dmin ? 17mm 。 则轴各部分的几何形状和尺寸如图 3.14 所示 图 3.14 轴具体尺寸图 3.7.3 按弯扭合成强度计算 在初估轴径，完成结构设计后，轴上载荷的大小、方向及作用位置即可确定。通常把 轴当作铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的位置和布置方式有关，在做剪力图和弯 矩图时，应先求出轴上受力零件的载荷，并将其分解为轴向分力和径向分力，然后便可求 出各支承处的支反力。最终绘制出弯扭合成图并按弯扭合成强度进行校核。 轴上齿轮轮齿受力分析 一对标准直齿圆柱齿轮在标准中心距安装条件下的受力情况如下图所示，若忽略齿面 间的摩擦力，则只有沿啮合线作用于齿面上的正压力 Fn 。 Fn 可分解为圆周力 Ft 和径向力 Fr 。 直齿轮圆柱齿轮受力分析图见图 3.15 图 3.15 直齿圆柱齿轮的受力分析 - 40 - 由图中可知各力的大小关系为： Ft ? 2T1 / d1 Fr ? Ft tan ? Fn ? F t / cos ? 式中： T1 为齿轮间传递的扭矩， N ? mm ； d 1 为大齿轮的节圆直径， mm ； (3.9) (3.10) (3.11) ? 为传动角，对于标准直齿圆柱齿轮， ? ? 20 。 则 Ft ? 2T1 / d1 ? 2 ? 5580 / 114 ? 97.89N Fr ? Ft tan ? ? 97.89 ? tan 20 ? 35.63N Fn ? F t / cos ? ? 97.89 / cos 20 ? 104.17N 对腰部轴进行受力分析并画出载荷受力分析图如图 3.14 - 41 - 图 3.14 轴的载荷受力分析图 由水平面受力图可解得 FH 1 ? 81.2 N 由垂直面受力图可解得 FV 1 ? 29.55N FH 2 ? 16.69 N FV 2 ? 6.08N 则水平面所受最大弯矩 M H ? 81.2 ? 22 ? 1786.4N ? mm 垂直面内所受最大弯矩 MV ? 29.55 ? 22 ? 650.1N ? mm 2 2 ? MV ? 1786.42 ? 650.12 ? 1901N ? mm 则轴所受的最大弯矩为 M ? M H 已知轴所受的弯矩和扭矩，便可以针对某些危险截面进行弯扭合成强度校核计算。对 于一般钢制的轴，危险截面上的计算应力 ? ca 可按第三强度理论（最大剪应力理论）计算。 - 42 - 查[8] P 192 式 (8 ? 6) 可得校核公式为： ? ca ? M ca ? W M 2 ? (?T )2 ? [? b ]?1 W (3.12) 式中： M ca 为计算弯矩， Mca ? M 2 ? (?T )2 ； W 为轴的抗弯截面模量，对于实心轴， W ? 0.1d 3 （ d 为危险截面直径）； 对于不变化的转矩， ? 为根据转矩所产生应力的性质而定的应力校正系数， ? ? 0.3 ； [? b ]?1 为对称循环应力状态下的许用弯曲应力，一般转轴的 ? b 为对称循环变应力。 则由上式可得： ? ca ? 19012 ? (0.3 ? 5580)2 ? 3.69MPa 0.1? 193 轴的材料选用 45 号钢，查[8] P 184 表 8 ? 1 轴的常用材料及其主要机械性能以及 P 192 表 8 ? 3 轴的许用弯曲应力得 [? b ]?1 =55 MPa 则 ? ca [? b ]?1 ,满足设计要求。 3.8 轴承的设计和校核 [11] 因为轴竖直放置，支撑轴的轴承采用角接触球轴承，承担少许轴向力。整个腰部关节 的轴承选用双列深沟球轴承承担径向载荷，另外一止推轴承承受轴向载荷，轴承均采用脂 润滑，一般情况下，轴的设计满足要求，轴承不会出现问题，因此，轴承的校核在此就不 在赘述。 - 43 - 第 4 章 机器人肩部关节的设计 4.1 机器人肩部关节的设计分析 机器人肩部关节是联接机器人腰部和大臂的重要部位，固定件为肩关节，执行件为大 J 2 轴的运动范围为 250 (4.36rad ) ， 臂。 运动速度为 160 / sec (2.79rad / sec) ， 即为 27 r / min 。 4.2 肩部传动机构的设计 肩部关节结构比较简单，直接采用谐波减速器减速即可。 肩部关节传动原理图见图 4.1 图 4.1 肩部关节传动原理图 4.3 肩部关节伺服电机的选择 [10] 肩部伺服电机的选用参照腰部伺服电机的计算过程，查德国博美特 BONMET 伺服电机 资料。 经表 3.1 比较选用的伺服电机型号为 BONMET SM 系列 80 系列 SM 80-024-30 LFB 查表 3.2 德国博美特 80 系列电机参数表得伺服电机 SM 80-024-30 LFB 主要参数如下： 额定功率：0.75 kW 额定电流：4.2 A 机械时间常数:0.95 ms 额定转矩：2.4 N ? m 额定转速：3000 rpm 转子惯量： 1.06 ? 10?4 kgm2 电机重量：2.7 kg 4.4 肩部关节谐波减速器的选择 [12] 肩部谐波减速器的选用参照腰部谐波减速器的选用过程，查表 3.3 德国的 Harmonic - 44 - Drive AG（和谐驱动）公司的 CGS-2UH Units 系列产品资料。 经比较选用谐波减速器的型号为 Harmonic CSG-45-100-2UH-SP 查表 3.4 谐波减速器 CSG-2UH Size 参数表得谐波减速器 CSG-45-100-2UH-SP 主要参 数如下： 重复峰值极限转矩： TR ? 738N ? m 平均极限转矩： TA ? 484 N ? m 2000 r / min 的额定转矩： TN ? 345N ? m 瞬时峰值的极限转矩： TM ? 1400 N ? m 最大输入转速：油润滑 5600 r / min 脂润滑 4000 r / min 脂润滑 3000 r / min 平均输入极限转速： 油润滑 3600 r / min 瞬时惯量： 4.5 ? 10?4 kgm2 重量：5 kg - 45 - 第 5 章 机器人肘部关节的设计 5.1 机器人肘部关节设计分析 机器人肘部关节是联接大臂和小臂的重要部位，固定件为大臂，执行件为肘关节。 J 3 轴的运动范围为 315 (5.50rad ) ，运动速度为 170 / sec (2.97rad / sec) ，即为 28r / min 。 5.2 肘部传动机构的设计 肘部关节结构比较简单，直接采用谐波减速器减速即可。 肘部关节传动原理图见图 5.1 图 5.1 肘部关节传动原理图 5.3 肘部关节伺服电机的选择 [10] 肘部伺服电机的选用参照腰部伺服电机的计算过程，查表 3.1 德国博美特 BONMET 伺 服电机资料。 经比较选用的伺服电机型号为 BONMET SM 系列 80 系列 SM 80-024-30 LFB 查表 3.2 德国博美特 80 系列电机参数表得伺服电机 SM 80-024-30 LFB 主要参数如下： 额定功率：0.75 kW 额定电流：4.2 A 机械时间常数:0.95 ms 额定转矩：2.4 N ? m 额定转速：3000 rpm 转子惯量： 1.06 ? 10?4 kgm2 电机重量：2.7 kg 5.4 肘部关节谐波减速器的选择 [12] 肩部谐波减速器的选用参照腰部谐波减速器的选用过程，查表 3.3 德国的 Harmonic - 46 - Drive AG（和谐驱动）公司的 CGS-2UH Units 系列产品资料。 经比较选用谐波减速器的型号为 Harmonic CSG-40-100-2UH-SP 查表 3.4 谐波减速器 CSG-2UH Size 参数表得谐波减速器 CSG-40-100-2UH-SP 主要参 数如下： 重复峰值极限转矩： TR ? 738N ? m 平均极限转矩： TA ? 484 N ? m 2000 r / min 的额定转矩： TN ? 345N ? m 瞬时峰值的极限转矩： TM ? 1400 N ? m 最大输入转速：油润滑 5600 r / min 脂润滑 4000 r / min 脂润滑 3000 r / min 平均输入极限转速： 油润滑 3600 r / min 瞬时惯量： 4.5 ? 10?4 kgm2 重量：5 kg - 47 - 参考文献 [1] 日本 FANUC 工业机器人说明[J]上海交通大学学报,2009,10(1)； [2] 赵成,.我国工业机器人产业[J].天津大学学报,2010,6(2)； [3] 张兴国,徐海黎.FANUC M-6iB 型工业机器人结构及运动学分析 [J].南通大学学报（自然科学 版）,2009,8(1)； [4] 胡惊涛.六自由度工业机器人结构设计[D].上海,交通大学，2010； [5] 郭洪红.工业机器人技术[M].西安电子科技大学出版社； [6] 杨公仆.工业机器人与机器人学[M].西安交通大学出版社； [7] 东北大学《机械零件设计手册》编写组.机械零件设计手册 上册[M].北京冶金工业出版社； [8] 濮良贵,纪名刚.机械设计[M].西北工业大学机械原理及机械零件教研室； [9] 张有成.减速器的分类及其应用[M].高等教育出版社； [10 李兆勇.德国博美特 BONMET 伺服电机选型手册[J].华中理工大学出版社； [11]刘成斌.工业机器人轴承的研究与应用[J].机器人技术与应用； [12]谐波减速器 Product Description CSG-2UH 德文资料； [13]王璞德.新阳机械人[M]. 西安交通大学出版社. [14]机械设计手册（新编软件版）2008. - 48 - 结束语 这次毕业设计,最大的难点就在于谐波减速。