70kg工業(yè)機器人手臂、手腕結構設計畢業(yè)論文

1、<p>　　70kg工業(yè)機器人手臂、手腕結構設計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　工業(yè)機器人是機器人的一種，由操作機、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感器裝置構成，是一種仿人操作自動控制，可重復編程，能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化的自動化生產設備，特別適合于多品種，變批量柔性生產。機器人技術是具有前瞻性、戰(zhàn)略性的高技術領域。國

2、際電氣電子工程師協(xié)會IEEE的科學家在對未來科技發(fā)展方向進行預測時提出了4個重點發(fā)展方向，機器人技術就是其中之一。工業(yè)機器人廣泛應用在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務等領域中，尤其是汽車制造業(yè)，是工業(yè)機器人應用最廣泛的行業(yè)，幾乎占到整個工業(yè)機器人的一半以上。</p><p>　　本文主要介紹了70kg工業(yè)機器人手臂及手腕的結構設計，包括電機的選擇、齒輪的選用、R-V減速器簡介、齒輪與軸承的強度校核以及臂膀減

3、速箱體、手、手臂、手腕的結構設計等。</p><p>　　關鍵字：工業(yè)機器人、校核、R-V減速器、結構、設計、齒輪</p><p>　　THE STRUCTURE DESIGN OF 70KG INDUSTRIAL ROBOT’ARM AND WRIST</p><p><b>　　ABSTRACT</b><

4、;/p><p>　　Industrial robot is a robot, it consists of a manipulator. Controller. Servo drive system and detection sensor device composition, it is a kind of humanoid operating automatic control, can repeat prog

5、ramming, can finish all kinds of assignments in three difficulties in authorship space the electromechanical integration automation production equipment, especially suitable for many varieties, become batch flexible prod

6、uction. Robotics is a forward-looking and strategic high-tech fields. The scient</p><p>　　This paper mainly describes the structure design of 70kg industrial robot’ arm and wrist. It includes the choice of m

7、otor, gear selection, brief introduction of R-V reducer, gear and bearing strength check and structure design of arms reduction box, hand, arm, wrist and so on.</p><p>　　KEYWORDS: industrial robots, checki

8、ng, R-V reducer， structure, design, gear</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言5</b></p><p>　　第一章 設計總述7</p><p>　　§1.1 概述7</p><

9、p>　　§1.2 70kg工業(yè)機器人結構設計9</p><p>　　§1.2.1 臂膀減速箱體結構設計10</p><p>　　§1.2.2 手臂結構設計11</p><p>　　§1.2.3 手腕結構設計12</p><p>　　§1.2.4 手結構設計12<

10、/p><p>　　第 2 章 電機選擇和齒輪設計14</p><p>　　§2.1 電機的選擇14</p><p>　　§2.2 齒輪的設計16</p><p>　　§2.2.1 IV軸齒輪的裝配16</p><p>　　§2.2.2 V軸齒輪的裝配17</

11、p><p>　　§2.2.3 VI軸齒輪的裝配18</p><p>　　第三章 軸承19</p><p>　　§3.1 各類軸承的特點19</p><p>　　§3.2 軸承的選用20</p><p>　　第 4 章 R-V減速器簡介21</p><p&

12、gt;　　§4.1 R-V減速器的結構簡介21</p><p>　　§4.2 R-V減速器的傳動特點22</p><p>　　§4.3 R-V減速器的選用22</p><p>　　第5章 強度校核25</p><p>　　§5.1 齒輪的強度校核25</p><p

13、>　　§5.2 軸承的壽命計算28</p><p>　　§5．3 軸校核33</p><p><b>　　總結37</b></p><p><b>　　參考文獻39</b></p><p><b>　　致謝40</b></p>

14、<p><b>　　前言</b></p><p>　　現(xiàn)代大規(guī)模制造業(yè)中，為提高生產效率，保障產品質量，許多企業(yè)普遍重視生產過程的自動化程度，工業(yè)機器人逐步被企業(yè)所認同并采用。目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，因而選擇設計70kg工業(yè)機器人手臂、手腕結構作為畢業(yè)課題有著不同一般的實際生產意義。</p><p>

15、;　　隨著工業(yè)機器人發(fā)展的深度和廣度以及機器人智能水平的提高，工業(yè)機器人已在眾多領域得到了應用。從傳統(tǒng)的汽車制造領域向非制造領域延伸。如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)用于維護維修的機器人等。在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務等領域工業(yè)機器人的應用也越來越多。汽車制造業(yè)是工業(yè)機器人應用最廣泛的行業(yè)，幾乎占到整個工業(yè)機器人的一半以上，近兩年汽車工業(yè)迅猛發(fā)展,汽車制造業(yè)和零部件生產企業(yè)在汽車工業(yè)迅猛發(fā)展的帶動下，進入了前所未有的發(fā)

16、展時期，工業(yè)機器人市場潛力巨大。</p><p>　　工業(yè)機器人是機器人的一種，誕生于20世紀60年代，在20世紀90年代得到迅速發(fā)展，是最先產業(yè)化的機器人技術。它是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。自從美國研制出世界上第一臺工業(yè)機器人以來，已成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）、自動化工廠（FA）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的自動化工具。它的出現(xiàn)是為了提高

17、產品的數量與質量、保障人身安全、改善勞動環(huán)境、減輕勞動強度、提高勞動生產率、節(jié)約材料消耗以及降低生產成本等。和計算機、網絡技術一樣，工業(yè)機器人的廣泛應用正在日益改變著人類的生產和生活方式。</p><p>　　從2O世紀9O年代初期起，我國的國民經濟進入實現(xiàn)兩個根本轉變期，掀起了新一輪的經濟體制改革和技術進步熱潮，我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進了一大步，先后研制了點焊，弧焊，裝配，噴漆，切割，搬運，碼垛等各種用途

18、的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應用工程，形成了一批工業(yè)機器人產業(yè)化基地，</p><p>　　并促進了我國制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。隨著我國改革開放的逐漸深入，國內的工業(yè)機器人產業(yè)將面對越來越大的競爭與沖擊，因此掌握國內工業(yè)機器人市場的實際情況，把握我國工業(yè)機器人的相關技術與研究進展，顯得十分重要。</p><p>　　工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置

19、構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代

20、替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。</p><p>　　為了認真完成這次設計，我們在參觀調研和收集相關資料的基礎上初步確定方案，然后和同組同學交流探討，改進和完

21、善了方案，最后在老師的糾正和指導下確定最終設計方案。在設計中我們利用三維軟件Inventor來造型，使我們更深的了解了工業(yè)機器人復雜的內部結構和工作原理，減少了設計錯誤，提高了設計質量，同時使我們的設計更加直觀具體，富有樂趣。</p><p><b>　　第一章 設計總述</b></p><p><b>　　§1.1 概述</b>&l

22、t;/p><p>　　工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器人。工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據人工智能技術制定的原則綱領行動，在構造和性能上兼有人和機器人各自的優(yōu)點，尤其是體現(xiàn)了人的智能和適應性，機器作業(yè)的準確性和在各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。因而在國民經濟各個領域中具有廣闊

23、的應用前景。</p><p>　　隨著科技的不斷進步，工業(yè)機器人的發(fā)展過程可分為三代。</p><p>　　第—代為示教再現(xiàn)型機器人，它主要由機器手控制器和示教盒組成，可按預先引導動作記錄下信息重復再現(xiàn)執(zhí)行，當前工業(yè)中應用最多。如圖1-1。</p><p>　　第二代為感覺型機器人，如有力覺觸覺和視覺等，它具有對某些外界信息進行反饋調整的能力，目前已進入應用階段。如

24、圖1-2。</p><p>　　第三代為智能型機器人它具有感知和理解外部環(huán)境的能力，在工作環(huán)境改變的情況下，也能夠成功地完成任務，它尚處于實驗研究階段。如圖1-3。</p><p>　　圖1-1 示教再現(xiàn)型機器人</p><p>　　圖1-2 感覺型機器人</p><p>　　圖1-3 智能型機器人</p><p&g

25、t;　　機器人技術涉及力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感技術和計算機技術等學科領域，是一門跨學科的綜合技術。而機器人機構技術是機器人研究的主要基礎和關鍵技術，也是現(xiàn)代機械原理研究的主要內容。</p><p>　　工業(yè)機器人的應用領域也日漸廣泛，經過四十多年的發(fā)展，工業(yè)機器人已在越來越多的領域得到了應用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產業(yè)中（如圖1-4），工業(yè)機器人得到了廣泛的應用。如在毛坯制造、機械加工、焊

26、接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機器人都已逐步取代了人工作業(yè)。隨著工業(yè)機器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機器人智能化水平的提高，機器人的應用也隨之在不斷地擴大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進而推廣到諸如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)維護維修機器人等各種非制造行業(yè)。此外，在國防軍事（如圖1-5）、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務等領域機器人的應用也越來越多，如無人偵察機、警備機器人、醫(yī)療機器人、家政服務機器人等均有應用

27、實例。機器人正在為提高人類的生活質量發(fā)揮著重要的作用。因而，對工業(yè)機器人的研究也更加需要深入而廣泛的開展。</p><p>　　圖1-4 汽車產業(yè)工業(yè)機器人 圖1-5 軍用機器人“big dog”</p><p>　　介于本設計所用的時間及設計者本人水平有限，本設計僅主要對工業(yè)機器人的結構進行了研究和探討，包括臂膀減速箱體、手臂、手腕、手等四個部分以及齒輪

28、、軸承等傳動和支撐機構。</p><p>　　§1.2 70kg工業(yè)機器人結構設計</p><p>　　工業(yè)機器人主要由四個部分組成，包括操作機、驅動單元、控制裝置和為使工業(yè)機器人進行作業(yè)而要求的外部設備等。</p><p>　　1.操作機 操作機是工業(yè)機器人完成作業(yè)的實體，它具有和人手臂相似的動作功能。通常由以下幾個部分組成：</p>

29、<p>　?。?）末端執(zhí)行器 又稱手部，是工業(yè)機器人直接執(zhí)行工作的裝置，并可設置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機器人直接與工作對象接觸以完成作業(yè)的機構。</p><p>　　（2）手腕 是支承和調整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴大手臂的動作范圍，一般有2—3個回轉自由度以調整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用工業(yè)機器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。</p

30、><p>　　（3）手臂 它由工業(yè)機器人的動力關節(jié)和連接桿件等構成，是用于支承和調整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時包括肘關節(jié)和肩關節(jié)，即手臂與手臂間、手臂與機座間用關節(jié)連接，因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運動范圍。</p><p>　?。?）底座 有時稱為立柱，是工業(yè)機器人機構中相對固定并承受相應的力的基礎部件?？煞譃楣潭ㄊ胶鸵苿邮絻深?。</p><p>

31、;　?。?）回轉臺 有一個回轉自由度，是連接底座和手臂即上臂的回轉部件，回轉臺的作用主要是擴大了上臂的動作范圍。</p><p>　?。?）臂膀座 是連接上臂和前臂的關節(jié)部件，主要是固定前臂的位置，其上裝配電機，是連接前端機械手的基礎部件。</p><p>　　2.驅動單元 驅動單元是由驅動器、檢測單元等組成的部件，是用來為操作機各部件提供動力和運動的裝置，在本設計中主要體現(xiàn)為伺服電

32、機和轉速傳感器。</p><p>　　3.控制裝置 它是由人對工業(yè)機器人的啟動、停機及示教進行操作的一種裝置，它指揮工業(yè)機器人按規(guī)定的要求動作，在此設計中主要體現(xiàn)為控制柜。</p><p>　　4.人工智能系統(tǒng) 它由兩部分組成，一部分是感覺系統(tǒng)，另一部分是決策-規(guī)劃智能系統(tǒng)。</p><p>　　§1.2.1 臂膀減速箱體結構設計</p>

33、;<p>　　臂膀減速箱體作為連接臂膀座與前臂的一個部件，其主要作用是為前臂及末端執(zhí)行器提供支撐，其結構如圖1-6所示。臂膀減速箱體上裝有三個電機，是工業(yè)機器人結構中裝入電機最多的一個部件，三個電機帶動前臂和末端執(zhí)行器運動。為了減輕整個機身的重量，但又不減弱其強度，臂膀減速箱體的材料選用Zl101A，又考慮到臂膀減速箱體為鑄件，為避免鑄造過程中出現(xiàn)縮孔、縮松等鑄造缺陷，因此將底座設計成內部中空的結構，這樣又節(jié)省了材料，降低

34、了制造成本。臂膀減速箱體剖視圖如圖1-7所示。</p><p>　　圖1-6 臂膀減速箱體裝配圖 圖1-7 臂膀減速箱體剖視圖</p><p>　　§1.2.2 手臂結構設計</p><p>　　工業(yè)機器人手臂的設計主要考慮機器人的承重、散熱、節(jié)省材料、合理裝配等設計出此種結構，作為連接臂膀減速箱體與手腕的一個部件

35、，如圖1-8，它由工業(yè)機器人的動力關節(jié)和連接桿件等構成，并用于支承和調整手腕和末端執(zhí)行器的位置，手臂與手腕連接如圖1-9。手臂有時包括肘關節(jié)和肩關節(jié)，即手臂與手臂間、手臂與機座間用關節(jié)連接，因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運動范圍。通過選用一定減速比的RV-減速器可以使手臂獲得合適的速度，以便于末端執(zhí)行器的順利操作。</p><p>　　圖1-8 手臂裝配圖</p><p>　　圖1

36、-9 手臂與手腕連接圖</p><p>　　§1.2.3 手腕結構設計</p><p>　　手腕是用來連接手臂與手部以及支承和調整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴大手臂的動作范圍，有2個回轉自由度以調整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。圖1-10中,V軸錐齒輪帶動R-V減速器上的錐齒輪，太陽輪為一正齒輪，太陽輪與減速器中的三個行星輪嚙合，實現(xiàn)一級減速，而另一級減速

37、則通過擺線針輪減速器實現(xiàn)，手腕的結構也為薄壁式中空結構，其材料仍選用Zl101A。手腕與手腕連接如圖1-11。</p><p>　　圖1-10 手腕結構 圖1-11 手腕與手連接圖</p><p>　　§1.2.4 手結構設計</p><p>　　機器手是工業(yè)機器人直接執(zhí)行工作的裝置，如圖1-12，并可

38、設置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機器人直接與工作對象接觸以完成作業(yè)的機構，可以通過選用一定減速比的RV-減速器可以使機器手獲得合適的速度，以便于作業(yè)的順利完成。圖1-13為手結構剖視圖。機器手的動力從VI軸電機開始傳輸，經VI軸裝配電機齒輪與VI軸裝配齒輪嚙合傳動，VI軸裝配齒輪與內軸通過花鍵連接，內軸通過花鍵與VI軸裝配斜錐齒輪也通過花鍵配合，隨后以1：1正齒輪傳遞，最后又以斜錐齒輪嚙合將動力傳遞給機器手。</p>&

39、lt;p>　　圖1-12 手結構 圖1-13 手結構剖視圖</p><p>　　第 2 章 電機選擇和齒輪設計</p><p>　　§2.1 電機的選擇</p><p>　　由于本設計中工業(yè)機器人總重500kg，機械手可搬運的最大負載為70kg，最大展臂距離為1706mm

40、,經粗略估算，初步選定4軸裝配、5軸裝配、6軸裝配中電機分別為法拉克旋轉型伺服電機αM6/3000（A06B-0162-B675）、αM6/3000（A06B-0162-B675）、α2/3000（A06B-0373-B675），電機額定輸出分別為1.4kw、1.4kw、0.5kw，保持轉矩分別為6.0N?m、6.0N?m、2.0N?m,列FANNC電機樣本、FANNCαM系列電機參數、FANNCα系列電機參數、FANNCαM系列電機轉

41、矩轉速特性、FANNCα系列電機轉矩轉速特、電機FANNCαM6形狀及尺寸參數圖如下：</p><p>　　圖2-1 FANNC電機樣本</p><p>　　表2-1 FANNCαM系列電機參數圖表</p><p>　　表2-2 FANNCα系列電機參數圖表</p><p>　　圖2-2 FANNCαM系列電機轉矩轉速特性 圖

42、2-3 FANNCα系列電機轉矩轉速特</p><p>　　（a） 電機 FANUCαM6的形狀參數</p><p>　?。╞） 電機FANUCαM6的尺寸參數</p><p>　　圖2-4 電機FANNCαM6形狀及尺寸參數</p><p>　　FANNCα2電機尺寸與αM6電機尺寸選擇類似。</p><p>

43、　　§2.2 齒輪的設計</p><p>　　§2.2.1 IV軸齒輪的裝配</p><p>　　IV軸裝配，也就是連接臂膀減速箱體與IV軸R-V減速器的所有部件的總稱，其中包括電機齒輪、IV軸太陽輪及一個R-V減速器，本節(jié)討論電機齒輪和IV軸太陽輪的選擇。</p><p>　　考慮到IV軸電機軸線與R-V減速器中心軸線的實際間距，選定電機齒

44、輪m=1，z=61，IV軸太陽輪，大齒輪m=1，z=108，小齒輪m=2,z=18。IV軸電機齒輪如圖2-5所示、IV軸太陽輪如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-5 IV軸電機齒輪</p><p>　　圖2-6 IV軸太陽輪</p><p>　　§2.2.2 V軸齒輪的裝配</p><p>　　V軸裝配，也就是連接臂

45、膀減速箱體與V軸R-V減速器的所有部件的總稱，電機經過一系列傳動帶動V軸太陽輪與R-V減速器相連，R-V減速器外殼與手轉蓋相連，從而帶動手腕轉動。</p><p>　　V軸的電機齒輪選擇m=1，z=21；太陽輪為一個正齒輪，m=1.25,z=57,太陽輪與3個行星輪嚙合，實現(xiàn)傳動。V軸電機齒輪如圖2-7所示,，V軸太陽輪如圖2-8，V軸太陽輪上的花鍵用來與V軸輸入軸連接，以傳輸速度和動力。</p>

46、<p>　　圖2-7 V軸電機齒輪</p><p>　　圖2-8 V軸太陽輪</p><p>　　§2.2.3 VI軸齒輪的裝配</p><p>　　由于VI軸裝配中R-V減速器與V軸裝配中R—V減速器的型號一致，所以VI軸裝配中電機齒輪與太陽輪和V軸裝配中的齒輪基本一致，其各方面尺寸都一樣，所有尺寸參數參照V軸齒輪的裝配。</p&g

47、t;<p><b>　　第三章 軸承</b></p><p>　　§3.1 各類軸承的特點</p><p>　　1.角接觸球軸承的特點 </p><p>　　可同時承受徑向負荷和軸向負荷，轉速較高，接觸角越大，軸向承載能力越高。單列軸承只能承受一個方向的軸向負荷，在承受徑向負荷時，將引起附加軸向力。并且只能限制軸或

48、外殼在一個方向的軸向位移。若是成對雙聯(lián)安裝，使一對軸承的外圈相對，即寬端面對寬端面，窄端面對窄端面。這樣即可避免引起附加軸向力，而且可在兩個方向使軸或外殼限制在軸向游隙范圍內。角接觸球軸承的變型結構多達70多種。</p><p>　　2.深溝球軸承的特點： </p><p>　?。?）在結構上深溝球軸承的每個套圈均具有橫截面大約為球周長的三分之一的連續(xù)溝型滾道。它主要用于承受徑向載荷，也可

49、承受一定的軸向載荷。（2）在軸承的徑向游隙增大時，具有角接觸球軸承的性質，可承受兩個方向交變的軸向載荷。（3）摩擦小，轉速高。（4）結構簡單，制造成本低，容易達到較高的制造精度。（5）一般采用沖壓浪形保持架，內徑大于200mm或高速運轉的軸承，采用車制實體保持架。深溝球軸承的變型結構多達60多種。</p><p>　　3.圓柱滾子軸承的特點 </p><p>　?。?）滾子與滾道為線接觸

50、，徑向承載能力大，適用于承受重負荷與沖擊負荷。（2） 摩擦系數小，適合高速，極限轉速接近深溝球軸承。（3） N型及NU型可軸向移動，能適應因熱膨脹或安裝誤差引起的軸與外殼相對位置的變化，可作自由端支承使用。內圈或外圈可分離，便于安裝和拆卸。（4）對軸和座孔的加工要求較高，軸承安裝后內外圈軸線相對偏斜要嚴加控制，以免造成接觸應力集中。（5）內孔帶1：12錐度的雙列圓柱滾子軸承，徑向游隙可以調整，徑向剛度高，適應于機床主軸。</p&g

51、t;<p>　　4.滾針軸承的特點 </p><p>　　將滾子長度（l）與滾子直徑（Dw）之比L/Dw＞2.5及滾子直徑（Dw）＜6的滾子軸承稱為滾針軸承。（1）滾針軸承徑向尺寸小，但徑向承載能力很高，不能承受軸向載荷，僅作為自由端支承使用。有利于設備的小型化、輕量化。（2）使用不帶內圈或不帶外圈的滾針軸承，只有帶保持架的滾針組件時，要求相配的軸頸或軸承座孔的加工精度、表面硬度應與軸承套圈滾道相

52、同。（3）滾針軸承的摩擦系數大，不適合較高的轉速。</p><p>　　5.圓錐滾子軸承的特點 </p><p>　　屬分離型軸承，軸承內、外圈均具有錐形滾道，滾子為圓臺形。滾子與滾道為線接觸，可承受較重的徑向和軸向聯(lián)合負荷，也可承受純軸向負荷。接觸角越大，軸向承載能力越高。圓錐滾子的設計應使?jié)L子與內外滾道的接觸線延長后交于軸承軸線上同一點，以實現(xiàn)純滾動。新設計的圓錐滾子軸承采用加強型結

53、構，滾子直徑加大，滾子長度加長，滾子數目增多，采用帶凸度滾子，使軸承的承載能力和疲勞壽命顯著提高。滾子大端面與大擋邊之間采用球面與錐面接觸，改善了潤滑。</p><p>　　該類軸承按所裝滾子的列數可分為單列、雙列和四列圓錐滾子軸承等不同的結構型式。該類軸承還多使用英制系列產品。</p><p>　　§3.2 軸承的選用</p><p>　　在工業(yè)機器人

54、V軸與VI軸輸入軸傳動中，軸承受到的力大部分為徑向和軸向聯(lián)合負荷且安裝配合要求合理，此二處選擇圓錐滾子軸承。在工業(yè)機器人其他結構傳動中，軸承受到的力大部分為徑向載荷，且軸承要求的制造精度較高，摩擦還要小，因此選擇深溝球軸承。</p><p>　　根據機械設計結構即軸的外徑和孔的直徑選擇軸承分別為圓錐滾子軸承ANSI/AFBMA 19.2 TS 0.5906×1.3775×0.433和ANSI/

55、AFBMA 19.2 TS 0.4992×1.3775×0.433 成對用于V軸輸入軸裝配和VI輸入軸裝配。</p><p>　　第 4 章 R-V減速器簡介</p><p>　　§4.1 R-V減速器的結構簡介</p><p>　　R-V（Rotate Vector）傳動機構是一種新型的二級封閉行星輪系，是在擺線針輪傳動基礎上發(fā)展

56、起來的一種新型傳動，經常作為各種需要具有緊密運動的裝置牽系減速器，在機器人領域占著主導地位。</p><p>　　R-V傳動裝置是由第一級漸開線圓柱齒輪行星減速機構和第二級擺線針輪行星減速機構兩部分組成，為一封閉差動輪系如圖4-1為其結構示意圖。主動的太陽輪1與輸入軸相連，如果漸開線中心輪1順時針方向旋轉，它將帶動三個呈120°布置的行星輪2在繞中心輪軸心公轉的同時還有逆時針方向自轉，三個曲柄軸3與行星

57、輪2相固連而同速轉動，兩片相位差180°的擺線輪4鉸接在三個曲柄軸上，并與固定的針輪相嚙合，在其軸線繞針輪軸線公轉的同時，還將反方向自轉，即順時針轉動。輸出機構(即行星架)6由裝在其上的三對曲柄軸支撐軸承來推動，把擺線輪上的自轉矢量以1:1的速比傳遞出來。R-V減速器減速原理圖如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-1 R-V減速器結構示意圖 圖4-2 R-V減速器減速原理

58、圖</p><p>　　§4.2 R-V減速器的傳動特點</p><p>　　R-V傳動是新興起的一種傳動，它是在傳統(tǒng)針擺行星傳動的基礎上發(fā)展出來的，不僅克服了一般針擺傳動的缺點，而且因為具有體積小、重量輕、傳動比范圍大、壽命長、精度保持穩(wěn)定、效率高、傳動平穩(wěn)等一系列優(yōu)點，日益受到國內外的廣泛關注。它較機器人中常用的諧波傳動具有高得多的疲勞強度、剛度和壽命，而且回差精度穩(wěn)定，不

59、像諧波傳動那樣隨著使用時間增長運動精度就會顯著降低，故世界上許多國家高精度機器人傳動多采用R-V減速器，因此，該種R-V減速器在先進機器人傳動中有逐漸取代諧波減速器的發(fā)展趨勢。其傳動特點如下：</p><p>　　(l)傳動比范圍大；</p><p>　　扭轉剛度大，輸出機構即為兩端支承的行星架，用行星架左端的剛性大圓盤輸出，大圓盤與工作機構用螺栓聯(lián)結，其扭轉剛度遠大于一般擺線針輪行星減速

60、器的輸出機構。在額定轉矩下，彈性回差小；</p><p>　　(3)只要設計合理，制造裝配精度保證，就可獲得高精度和小間隙回差；</p><p><b>　　(4)傳動效率高；</b></p><p>　　(5)傳遞同樣轉矩與功率時的體積小(或者說單位體積的承載能力小)，RV減速器由于第一級用了三個行星輪，特別是第二級，擺線針輪為硬齒面多齒嚙合

61、，這本身就決定了它可以用小的體積傳遞大的轉矩，又加上在結構設計中，讓傳動機構置于行星架的支承主軸承內，使軸向尺寸大大縮小，所有上述因素使傳動總體積大為減小。</p><p>　　§4.3 R-V減速器的選用</p><p>　　根據本章前兩節(jié)所述R-V減速器的結構特點、工作原理以及傳動特點，依據本設計的實際需要，選定IV軸、V軸、VI軸所用R-V減速器分別為RV-50C、RV-

62、10C、RV-10C。關于RV-10C、RV-50C兩種R-V減速器的結構和尺寸參數和性能如圖4-3、4-4、4-5、4-6所示如下：</p><p>　　圖4-3 RV-10C結構尺寸示意圖</p><p>　　圖4-4 RV-50C結構尺寸示意圖</p><p>　　圖4-5 RV減速器無負載轉矩輸出圖</p><p>　　圖

63、4-6 RV減速器傳動效率與輸出轉矩關系圖</p><p><b>　　第5章 強度校核</b></p><p>　　§5.1 齒輪的強度校核</p><p>　　校核IV軸電機齒輪與IV軸齒輪嚙合，IV軸電機齒輪與IV軸齒輪嚙合圖如圖5-1所示。</p><p>　　圖5-1 IV軸電機齒輪與IV軸

64、齒輪嚙合圖</p><p>　　1.根據實際調研結果，考慮到本次設計的具體要求定義齒輪模數 m=1。</p><p>　　2.選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數</p><p>　　（1）選用直齒圓柱齒輪傳動，</p><p>　　（2）選用7級精度（GB10095—88）；</p><p>　　（3）材料選擇。由文獻

65、[6]表10—1,選擇小齒輪材料為40Cr（調質），硬度為260HBS，大齒輪材料為45鋼（調質），硬度為240HBS，二者材料硬度差為20HBS。</p><p>　　(4)初選小齒齒數=61，大齒輪齒數為=108。</p><p>　　3.校核齒面接觸疲勞強度</p><p>　　式中: K-載荷系數；</p><p>　　-小齒輪傳遞

66、的轉矩，N?mm；</p><p>　　u-嚙合齒輪副傳動比；</p><p><b>　　-齒寬系數；</b></p><p>　　-小齒輪的分度圓直徑，mm；</p><p><b>　　-區(qū)域系數；</b></p><p>　　-彈性影響系數，MP；</p>

67、<p>　　-許用接觸應力，MPa； </p><p>　　(1) 試選載荷系數Kt=1.6，由文獻[6]圖10—30選取節(jié)點區(qū)域系數ZH=2.5</p><p>　　(2) 計算載荷系數 K</p><p>　　已知使用系數KA=1，根據v=0.120m/s ，7級精度，由文獻[6]圖10-8查得動載系數Kv=1.030；由文獻[6]表10-4查得

68、 </p><p>　　查文獻[6]圖10-13得；查文獻[6]表10-3得，</p><p>　　所以載荷系數 </p><p><b>　　K ==1.118</b></p><p>　　式中： -齒間載荷分配系數； </p><p>　　-齒向載

69、荷分布系數；</p><p>　?。?）外嚙合齒輪傳動的齒寬系數 =0.13</p><p>　　（4）查文獻[6]表10—6得材料的彈性影響系數 =189.8</p><p>　?。?）由文獻[6]圖10—21d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限為 = 600；大齒輪的接觸疲勞強度極限為 = 550</p><p>　　468.5MP

70、a550MPa</p><p>　　因為接觸強度相等，因此只需</p><p>　　即可，故齒面接觸強度合格。</p><p>　　4.校核齒根彎曲觸疲勞強度</p><p><b>　　齒根合格應滿足公式</b></p><p>　　式中： m-模數；</p><p>

71、<b>　　-齒形系數；</b></p><p><b>　　-應力校正系數；</b></p><p><b>　　（1）查取齒形系數</b></p><p>　　由文獻[6]表10-5查得齒形系數；，</p><p><b>　　應力校正系數；。</b>

72、</p><p>　?。?）由文獻[6]圖10-20C查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；。</p><p>　?。?）計算應力循環(huán)次數</p><p>　　齒數比u=1.77,設工作壽命15年（每年工作300天），兩班制。</p><p>　　由文獻[6]圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數 ；</p><p>　?。?）計算

73、彎曲疲勞許用應力。</p><p>　　取彎曲疲勞安全系數S=1.4；則</p><p><b>　?。?</b></p><p><b>　　同理</b></p><p><b>　　=257.86</b></p><p>　　計算小齒輪傳遞的轉矩，設

74、小齒輪轉速</p><p><b>　　=1.393×</b></p><p><b>　　故齒根合格。</b></p><p>　　§5.2 軸承的壽命計算</p><p>　　校核V軸輸入軸圓錐滾子軸承ANSI/AFBMA 19.2 TS。V軸輸入軸圓錐滾子軸承安裝圖如圖5-

75、2所示。</p><p>　　圖5-2 V軸輸入軸圓錐滾子軸承安裝圖</p><p>　　由文獻[7]表15-7查得圓錐滾子軸承ANSI/AFBMA 19.2 TS的主要性能參數如下：</p><p>　　基本額定動載荷： </p><p>　　基本額定靜載荷： </p><p><b>　

76、　接觸角α==</b></p><p>　　e =1.5tgα=0.345 </p><p>　　Y=0.4ctgα=1.739 ， X=0.4</p><p><b>　　a =11mm</b></p><p>　　L=34+2a=56mm</p><p&

77、gt;　　=31-a=20mm</p><p>　　斜錐齒輪平均分度圓直徑=45mm，齒面上的圓周力=227N</p><p>　　徑向力 = 105N 軸向力=52N</p><p>　　軸承-斜錐齒輪受力分析圖如圖5-3所示。</p><p>　　該軸的轉速n=2600r/min,運轉中有輕微沖擊載荷,載荷

78、系數</p><p><b>　　L+</b></p><p><b>　　16.6N</b></p><p><b>　　121.6N</b></p><p><b>　　113.5N</b></p><p><b>　

79、　340.5N</b></p><p><b>　　115N</b></p><p><b>　　362N</b></p><p>　　由文獻[6]表13-7知， </p><p><b>　　33N</b></p><p>&l

80、t;b>　　104N</b></p><p><b>　　,</b></p><p><b>　　=2232697h</b></p><p>　　軸承預期工作壽命20年（每年工作300天），兩班制</p><p>　　L=20×300×8×2=9600

81、0h</p><p><b>　　顯然：</b></p><p>　　即低于預算壽命，所選軸承合格。</p><p>　　圖5-3 軸承-斜錐齒輪受力分析圖</p><p><b>　　§5．3 軸校核</b></p><p>　　校核V軸輸入軸，V軸輸入軸裝配

82、圖像見圖5-2。</p><p>　　1.材料選擇。由文獻[6]表15-1，選擇軸材料為45鋼（調質），軸的許用彎曲應力 </p><p>　　2.由于軸承的設計中已求出支反力，則軸受力為：</p><p>　　齒面上的圓周力=227N， 徑向力 = 105N </p><p>　　軸向力=52N

83、， 斜錐齒輪平均分度圓直徑=45mm</p><p>　　3．軸的載荷分析圖如圖5-4所示，注：A、B處為圓錐滾子軸承。</p><p><b>　　, </b></p><p><b>　　, </b></p><p>　　由軸的載荷分析圖可知軸的

84、危險截面為靠近斜錐齒輪一端， 與 過渡處(軸階)。由于扭轉切應力為對稱循環(huán)變應力，故取α=1。</p><p><b>　　按彎扭合成強度計算</b></p><p><b>　　48MPa MPa</b></p><p>　　式中： -軸的計算應力，MPa;</p><p>　　M-軸所受的彎矩

85、，N ?mm; M=4630N ?mm</p><p>　　T-軸所受的扭矩，N ?mm; T=5142N ?mm</p><p>　　W-軸的抗彎截面系數， ; W=142 </p><p>　　-對稱循環(huán)變應力時軸的許用彎曲應力；</p><p><b>　　故軸合格。</b></p>

86、<p>　　(a) 軸的受力分析圖</p><p>　　（b） 軸的彎矩-扭矩圖</p><p>　　圖5-4 軸的載荷分析圖</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　在大學的學習過程中，畢業(yè)設計是一個重要的環(huán)節(jié)，是我們步入社會參與實際項目的規(guī)劃建設的一次極好的演示。畢業(yè)設計是四年

87、學習的總結和提高，和做科研開發(fā)工作一樣，要有嚴謹求實的科學態(tài)度。從最初的選題，開題到分析調查、繪圖直到完成設計。其間，查找資料，老師指導，與同學交流，反復修改圖紙，每一個過程都是對自己能力的一次檢驗和充實。就我而論，在本次畢業(yè)設計中表現(xiàn)出了這樣或那樣的不足和漏洞，說明了基本功的不扎實。</p><p>　　在此次畢業(yè)設計中，我主要負責的是70kg工業(yè)機器人手臂、手腕結構設計。先期深入現(xiàn)場，了解70kg工業(yè)機器人手

88、臂、手腕的結構,熟悉設計軟件Auto- desk Inventor，接著通過查閱資料，向老師請教，加上和同學的密切合作，基本上完成了學校布置下來的畢業(yè)設計任務：</p><p>　?。?）手臂、手腕部件傳動方案的選擇：傳動方式的選擇、傳動件位置的合理布置、各軸軸承的選擇。</p><p>　?。?）完成了機器人的各部分零件的設計，如手臂、電機及電機齒輪、太陽輪、R-V減速器、手腕、臂膀減速

89、箱體等。</p><p>　?。?）主要參數的確定：機器人的主要外形尺寸、軸徑估算、內孔徑的確定、孔徑的確定</p><p>　　畢業(yè)設計期間也遇到了許多問題：</p><p>　?。?）因曾經未用過繪圖軟件inventor，剛開始用此軟件時許多功能不熟識，導致走了不少彎路。</p><p>　　（2）由于畢業(yè)設計過程中需要用到不少資料，其中

90、有些資料涉及到一些公司不易公開的技術，不便得到，例如FANUC電機、R-V減速器相關資料，對于我們畢業(yè)設計的繼續(xù)是極大的障礙。</p><p>　?。?）由三維inventor圖生成二維inventor圖紙后，需要對其中的一些細節(jié)做修改，例如齒輪，二維inventor圖修改比較困難。</p><p>　　以上出現(xiàn)的問題在查閱資料和老師、同學的幫助下都解決了。</p><

91、p>　　在此次畢業(yè)設計中，未實現(xiàn)的是沒用inventor軟件實現(xiàn)工業(yè)機器人的模擬仿真。</p><p>　　通過這次認真而又細致的畢業(yè)設計，我對待事情的態(tài)度更加嚴謹更加有耐心，并且我更希望把所做的事情做好做完美，我想這將是一種很重要的財富。感謝本次設計，感謝遇見了麻煩和難題，感謝老師們的指導以及同學們的幫助，畢業(yè)設計的結束也是另一種開始，相信本次畢業(yè)設計會令我走得更遠也能取得更大的成就。畢業(yè)設計的完成代表著

92、本科學習階段的最終結束，也為我們在校理論知識的學習畫上了句號。寶貴的大學學習生活轉瞬即逝，無論如何，我們的畢業(yè)設計已經結束了，我們要好好利用已經學到的知識并且要繼續(xù)學習掌握新的知識，以便更新我們的知識系統(tǒng)。重要的是，我們要將所獲取的各種知識運用于實踐，并用實踐來休整我們的不足和缺陷，使我們真正成為一名理論扎實而又具有很強的實踐能力的機電工作者。</p><p><b>　　參考文獻</b>&

93、lt;/p><p>　　[1] 吳瑞詳．機器人技術與應用．北京：北京航空航天大學出版社，1994</p><p>　　[2] 朱世強，王宣銀．機器人技術及其應用．杭州：浙江大學出版社，2000</p><p>　　[3] 徐元宣．工業(yè)機器人．北京：中國輕工業(yè)出版社，1999</p><p>　　[4] 蔣新松．機器人與工業(yè)自動化．石家莊：河北教育

94、出版社，2003</p><p>　　[5] 王田苗．走向產業(yè)化的先進機器人技術．中國制造業(yè)信息化，2005（10）：24～25世界工業(yè)機器人產業(yè)發(fā)展動向．今日科技，2001，11,41</p><p>　　[6] 濮良貴，紀名剛. 機械設計. 北京：高等教育出版社，2006[7] 王昆，何小柏，汪信遠. 機械設計/機械設計基礎課程基礎. 北京：高等教 </p>

95、;<p>　　育出版社，1995[8] 陳愛珍. 國內外機器人的發(fā)展現(xiàn)狀[J] . 機械工程師, 2008, (07)[9] 陳佩云. 日本振興工業(yè)機器人的政策[J] . 機器人技術與應用, 1994, (01)[10] 陳佩云. 我國工業(yè)機器人技術發(fā)展的歷史_現(xiàn)狀與展望[J]. 機器人技術與 </p><p>　　應用, 1994, (02)[11] 李紅. 日本的工業(yè)機器人為什么發(fā)展特別

96、快[J] . 機器人技術與應用, </p><p>　　1995, (02)[12] 呂學詩. 工業(yè)機器人在生產和生活中的應用[J] . 機械制造, 1980, (07)[13] 顧振宇. 全球工業(yè)機器人產業(yè)現(xiàn)狀與趨勢[J] . 機電一體化, 2006, (02)[14] 劉進長. 日本工業(yè)機器人協(xié)會[J] . 機器人技術與應用, 1994, (01)[15] 李湘洲等. 機器人趣談[M]. 北京：新時代

97、出版社 2000.1</p><p>　　[16] 杜祥瑛，工業(yè)機器人及其應用[M]，機械工業(yè)出版社，2004。</p><p>　　[17] 王峻峰，何松齡，一種基于SCARA機器人機械結構設計[J]，機械工程師2005</p><p><b>　　年第4期。 </b></p><p>　　[18] 馬光，申桂英，工業(yè)

98、機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]，組合機床與自動加工技</p><p>　　術，2004年第4期。</p><p>　　[19] 吳振彪，工業(yè)機器人[M]，華中科技大學出版社，2002。</p><p>　　[20] 孫兵，趙武，施永輝，物料搬運機械手的研制[J]，南通紡織職業(yè)技術學報，</p><p>　　2005年第8期。 </p>

99、;<p><b>　　致謝</b></p><p>　　人生的成長歷程始終是向前的。當一個階段快要結束即將邁入另一個階段時，自然需要對即將過去的進行思考和小結。自己一直在思考學業(yè)、職業(yè)、事業(yè)的哲學關系，也許本來就沒有固定的答案和模式。需要的是對自己對時間、對生命的尊重和珍惜，同樣需要對在我成長歷程中、在人生某個階段一直給予我?guī)椭?、指導、鼓勵、支持、信任、愛護的人，表達真<

100、/p><p>　　正的感謝。可以用客套、冠冕堂皇的話，也可以選擇樸實。后者才更真摯，更深入心靈。</p><p>　　經過兩個多月的認真學習，在**老師的悉心指導和同組同學的大力幫助下，我終于完成了本次畢業(yè)設計的任務——70kg工業(yè)機器人手臂及手腕結構設計。</p><p>　　畢業(yè)設計是一名合格的大學本科畢業(yè)生必須完成的一個重要學習環(huán)節(jié)，它是對我們大學期間所學知識的綜

101、合檢驗，也是對我們實際動手能力的考察，更是對我們作為一名技術設計人員素質的基本訓練。對我們畢業(yè)生來說，它是我們邁向工作崗位的一個重要的過渡環(huán)節(jié)?；仡櫞舜萎厴I(yè)設計，困難、艱辛以及隨之的喜悅同在，到圖書館搜集素材，去工廠實習參觀，熟悉已有設備，研究前人的理論成果的忙忙碌碌，使我在各個方面都有了提高。</p><p>　　由于條件的限制，此課題是在借助于前人的理論成果，認真聽取導師的指導，廣泛搜集有關論文和文獻，并熟悉

102、已有工業(yè)機器人結構的基礎上，進行一些理論知識的探討和機械結構的改造創(chuàng)新。</p><p>　　本次設計是在老師的指導幫助下完成的，導師淵博的科學知識，嚴謹的治學態(tài)度，活躍的學術思想和隨和的生活態(tài)度，使我受益匪淺。在此次畢業(yè)設計完成之際，向**老師表示衷心的感謝！</p><p>　　同時，也對周圍同學給予的極大鼓勵和支持表示深深的感謝，最后感謝我的母校**大學和機電工程學院四年來對我的大力