45kg工业机器人底座及上臂结构设计 毕业论文.doc

45kg 工业机器人底座及上臂结构设计 摘要 自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制功能来实现各种功能的一种 机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器 人还可以根据人工智工业机器人是面向工业领域的多机械手或多自由度的机器人。 工业机器人是能技术制定的原则纲领行动。机器人技术是具有前瞻性、战略性的 高技术领域。国际电气电子工程师协会 IEEE 的科学家在对未来科技发展方向进 行预测中提出了 4 个重点发展方向，机器人技术就是其中之一。 本文主要介绍了 45kg 工业机器人底座及上臂的结构设计，包括电机的选择、 齿轮的选用、R-V 减速器简介、齿轮与轴承的强度校核以及底座、回转台、上臂、 臂膀座的结构设计等。 关键字：工业机器人、结构、设计、齿轮、校核、R-V 减速器 THE STRUCTURE DESIGN OF 45KG INDUSTRIAL ROBOTBASE AND ARM ABSTRACT Industrial robots are robots, which usually consist several mechanical arms or multiple degrees of freedom, generally used in industrial areasIndustrial robot is a kind of machine,which usually achieves its purpose relying on its own power and control functions, works automatically.Not only can it work under humancommand, but also it can run according to pre-arranged procedure. The modern industrial robot can also run under the principles developed according to artificial intelligence technique.Robotics is a forward-looking and strategic high-tech fields. The scientists of International Electrical and Electronics Engineers(IEEE) propose four key development directions in the prediction of technological development in the future. Robotics is one of them. This paper mainly describes the structure design of 45kg industrial robot base and arm.It includes the choice of motor, gear selection, brief introduction of R-V reducer, gear and bearing strength check and structure design of base,rotary table, arm,arm seat and so on. Keywords: industrial robots, structure, design, gear, checking, R-V reducer 目 录 前言 1 第 1 章 设计总述 §.1 概述2 § 1.2 工业机器人结构简述2 § 1.2.1 底座.4 § 1.2.2 回转台.5 § 1.2.3 上臂.6 § 1.2.4 臂膀座.7 第 2 章 电机与齿轮的选择.8 § 2.1 电机的选择8 § 2.2 齿轮的选择10 § 2.2.1 1 轴齿轮10 § 2.2.2 2 轴齿轮11 § 2.2.3 3 轴齿轮12 第 3 章 R-V 减速器简介13 § 3.1 R-V 减速器的结构简介13 § 3.2 R-V 减速器的传动特点14 § 3.3 R-V 减速器的选用14 第 4 章 强度校核.17 § 4.1 齿轮的强度校核.17 § 4.2 轴承的寿命计算.18 结论.20 参考文献 21 致谢.22 前言 工业机器人（Industrial robot )诞生于2 0世纪6 0年代，在 20世纪90年代得到迅 速发展，是最先产业化的机器人技术。它是综合了计算机、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，是当代研究十分 活跃、应用日益广泛的领域。它的出现是为了适应制造业规模化生产，解决单调、 重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工 作 业 。 在 我 国 工业机器人的真正 使用到现在已经接近20多年了， 已 经 基 本 实 现 了 试 验 、 引 进 到 自 主 开 发 的 转 变 ， 促 进 了 我 国 制 造 业 、 勘 探 业 等 行 业 的 发 展 。 随 着 我 国 改 革 开放的逐渐深入，国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击， 因此掌握国内工 业 机 器 人 市 场 的 实 际 情 况 把 握 我 国 工 业 机 器 人 的 相 关 技 术 与 研 究 进 展 ， 显 得 十 分 重 要。 工业机器人由操作机（机械本体） 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置 构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的 机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、 提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重 要的作用。机器人技术是综合了计算机、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，是当代研究十分活跃，应用日益广 泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并 不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人 的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长 时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进 化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技 术领域不可缺少的自动化设备。 第 1 章 设计总述 1.1 概述 机器人是近40年来发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机器人是机 器人的一个重要分支，它的特点是可通过编程完成各种预期的作业任务，在构造 和性能上兼有人和机器人各自的优点，尤其是体现了人的智能和适应性，机器作 业的准确性和在各种环境中完成作业的能力。因而在国民经济各个领域中具有广 阔的应用前景。 机器人技术涉及力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感技术和 计算机技术等学科领域，是一门跨学科的综合技术。而机器人机构技术是机器人 研究的主要基础和关键技术，也是现代机械原理研究的主要内容。 工业机器人的应用领域也日渐广泛，经过四十多年的发展，工业机器人已在 越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得 到了广泛的应用。如在毛坯制造、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、 装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。随着工业机 器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用也随之 在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、 建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。此外，在国防军 事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机、警备 机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类 的生活质量发挥着重要的作用。因而，对工业机器人的研究也更加需要深入而广 泛的开展。 介于本设计所用的时间及设计者本人水平有限，本设计仅主要对工业机器人 的结构进行了研究和探讨，包括底座、回转台、上臂、臂膀座等四个部分，以及 齿轮、轴承等传动和支撑机构。由于作者水平有限，设计中难免出现一定的疏漏 和错误，不当之处还请读者批评指正，不吝赐教。 1.2 工业机器人结构简述 工业机器人主要由四个部分组成，包括操作机、驱动单元、控制装置和为 使工业机器人进行作业而要求的外部设备等。 操作机 操作机时工业机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作 功能。通常由以下几个部分组成： 1.末端执行器 又称手部，是工业机器人直接执行工作的装置，并可设置夹 持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。 2.手腕 是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端 执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有23个回转自由度以调整末端执行 器的姿态。有些专用工业机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的 端部。 3.手臂 它由工业机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调 整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂 间、手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范 围。 4.底座 有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的 基础部件。可分为固定式和移动式两类。 5.回转台 有一个回转自由度，是连接底座和手臂即上臂的回转部件，回转 台的作用主要是扩大了上臂的动作范围。 6.臂膀座 是连接上臂和前臂的关节部件，主要是固定前臂的位置，其上装 配电机，是连接前端机械手的基础部件。 驱动单元 驱动单元是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机 各部件提供动力和运动的装置，在本设计中主要体现为伺服电机和转速传感器。 控制装置 它是由人对工业机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装 置，它指挥工业机器人按规定的要求动作，在此设计中主要体现为控制柜。 人工智能系统 它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分是决策-规 划智能系统，在本设计中不涉及。 1.2.1 底座 图1-1 底座回转台装配 图1-2 底座回转台剖视图 工业机器人底座的设计主要考虑机器人的承重、散热、节省材料、合理装 配等设计出此种结构，此底座为固定式底座，通过底座四个角上的螺钉孔固定于 地面，底座上端有凸台，通过凸台上的螺钉孔与 R-V 减速器固定，起到了对 R-V 减速器的固定作用。底座上还固定一个限位块，与回转台上另一限位块配合，主 要是限定 R-V 减速器在底座上的空间位置，防止其在运转过程中偏离原来的位置 而影响整个系统的运行。 由于底座基本承担了工业机器人的所有重量，因此在材料的选取上要选取 强度高，抗震性强，耐疲劳的材料，本设计中选用 HT250作为底座材料。又考虑 到底座为铸件，为避免铸造过程中出现缩孔、缩松等铸造缺陷，因此将底座设计 成内部中空的结构，这样又节省了材料，降低了制造成本。 1.2.2 回转台 图 1-3 底座回转台剖视图 回转台中包含两个电机，图 1-3 中所示电机为其 1 轴电机，电机通过齿轮 带动 R-V 减速器的中心太阳轮，太阳轮为一双联齿轮，其中大齿轮与电机齿轮啮 合，小齿轮与减速器中的三个行星轮啮合，实现一级减速，而另一级减速则通过 摆线针轮减速器实现，在第三章中将做详细介绍，这里不再赘述。总之，电机通 过电机齿轮、中心太阳轮、R-V 减速器将转速传给回转台（R-V 减速器的外壳通 过螺钉连接与回转台相连） ，回转台带动整个机身转动。因此，回转台的齿轮和 轴承受了较大的转矩，在进行齿轮和轴承的校核时要特别注意其抗弯、抗扭的能 力。 因回转台为铸件，因此其材料选用 HT250，外形设计为薄壁式结构，以减少 其自身的重量。 1.2.3 上臂 图 1-4 上臂 上臂作为连接回转台与臂膀座的一个部件，其主要作用是为前臂及末端执行 器提供了更加广阔的姿态变化范围和动作范围，其结构如图 1-4 所示。为了减轻 整个机身的重量，但又不减弱其强度，上臂的材料选用铝-6061.回转台与上臂的 连接图如图 1-5. 图 1-5 回转台与上臂连接图 1.2.4 臂膀座 图 1-6 上臂与前臂连接图 臂膀座主要是为前臂提供的一个回转机座，是一个关节机构，起连接上臂与 前臂的作用。臂膀座上装有四个电机，是工业机器人结构中装入电机最多的一个 部件。其中一个电机带动臂膀座回转，另外三个电机带动前臂和末端执行器运动。 如此，可知本工业机器人一共包含六个电机，为六自由度工业机器人。臂膀座的 结构也为薄壁式中空结构，其材料仍选用铝-6061 . 图 1-7 臂膀座与前臂连接图 第 2 章 齿轮和电机的选择 2.1 电机的选择 由于本设计中工业机器人总重 500kg，机械手可搬运的最大负载为 45kg，最大展臂距离为 1706mm,经粗略估算，初步选定 1 轴、2 轴、3 轴电机为分 别为安川旋转型伺服电机 SGMSV-30A、SGMSV-40A、 SGMSV-30A，电机额定输出分别为 3.0kw、4.0kw、3.0kw，保持转矩均为 20Nm， 额定转矩分别为 9.8Nm、12.6Nm、9.8Nm，列图如下： 图 2-1 安川电机样本 图 2-2 安川电机参数图表 图 2-3 安川电机转矩转速特性 图 2-4 安川电机尺寸参数 2.2 齿轮的选择 2.2.1 1 轴齿轮的选择 1 轴，也就是连接底座与回转台的所有部件的总称，其中包括电机齿轮， 回转台太阳轮及一个 R-V 减速器，RV 减速器在第 3 章中将着重讨论，这里不再 赘述，本节只讨论电机齿轮和回转台太阳轮的选择。 考虑到 1 轴电机轴线与 R-V 减速器中心轴线的实际间距，选定电机齿轮 m=2mm，z=45，回转台太阳轮 m=2mm，大齿轮 z=134，小齿轮 z=43. 图 2-5 1 轴电机齿轮 图 2-6 回转台太阳轮 2.2.2 2 轴齿轮的选择 2 轴，也就是回转台与上臂通过 R-V 减速器连接的那个轴，与 1 轴类似，仍 然是通过电机带动太阳轮与 R-V 减速器相连，R-V 减速器外壳与上臂相连，从而 带动上臂转动。 2 轴的电机齿轮选择 m=2mm，z=29；太阳轮仍为双联齿轮，其中大齿轮与电 机齿轮啮合，实现传动，其中 m=2，大齿轮 z=89，小齿轮 z=31. 图 2-7 2 轴电机齿轮 图 2-8 2 轴太阳轮 2.2.3 3 轴齿轮的选择 由于 3 轴 R-V 减速器与 1 轴 RV 减速器的型号一致，所以 3 轴电机齿轮与 太阳轮和 1 轴的齿轮基本一致，其各方面尺寸都一样，所以在此不再赘述，所有 尺寸参数参照 1 轴即可。 第 3 章 R-V 减速器简介 3.1 R-V 减速器的结构简介 R-V（Rotate Vector）传动机构是一种新型的二级封闭行星轮系，是在摆线 针轮传动基础上发展起来的一种新型传动，经常作为各种需要具有紧密运动的装 置牵系减速器，在机器人领域占着主导地位。 R-V 传动装置是由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行 星减速机构两部分组成，为一封闭差动轮系如图 2.2 为其结构示意图。主动的太 阳轮 1 与输入轴相连，如果渐开线中心轮 1 顺时针方向旋转，它将带动三个呈 120°布置的行星轮 2 在绕中心轮轴心公转的同时还有逆时针方向自转，三个曲 柄轴 3 与行星轮 2 相固连而同速转动，两片相位差 180°的摆线轮 4 铰接在三个 曲柄轴上，并与固定的针轮相啮合，在其轴线绕针轮轴线公转的同时，还将反方 向自转，即顺时针转动。输出机构(即行星架)6 由装在其上的三对曲柄轴支撑轴 承来推动，把摆线轮上的自转矢量以 1:1 的速比传递出来。 图 3-1 R-V 减速器结构示意图 图 3-2 R-V 减速器减速原理图 3.2 R-V 减速器的传动特点 R-V 传动是新兴起的一种传动，它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来 的，不仅克服了一般针摆传动的缺点，而且因为具有体积小、重量轻、传动比范 围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点，日益受到国内 外的广泛关注。它较机器人中常用的谐波传动具有高得多的疲劳强度、刚度和寿 命，而且回差精度稳定，不像谐波传动那样随着使用时间增长运动精度就会显著 降低，故世界上许多国家高精度机器人传动多采用 R-V 减速器，因此，该种 R-V 减速器在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的发展趋势。其传动特点如下： (l)传动比范围大； (2)扭转刚度大，输出机构即为两端支承的行星架，用行星架左端的刚性大 圆盘输出，大圆盘与工作机构用螺栓联结，其扭转刚度远大于一般摆线针轮行星 减速器的输出机构。在额定转矩下，弹性回差小； (3)只要设计合理，制造装配精度保证，就可获得高精度和小间隙回差； (4)传动效率高； (5)传递同样转矩与功率时的体积小(或者说单位体积的承载能力小)，RV 减 速器由于第一级用了三个行星轮，特别是第二级，摆线针轮为硬齿面多齿啮合， 这本身就决定了它可以用小的体积传递大的转矩，又加上在结构设计中，让传动 机构置于行星架的支承主轴承内，使轴向尺寸大大缩小，所有上述因素使传动总 体积大为减小。 3.3 R-V 减速器的选用 根据本章前两节所述 R-V 减速器的结构特点、工作原理以及传动特点，依据 本设计的实际需要，选定 1 轴、2 轴、3 轴所用 R-V 减速器分别为 RV-200C、RV- 320C、RV-200C。关于 RV-200C、RV-320C 两种 R-V 减速器的结构和尺寸参数介绍 如图 3-3、3-4 所示如下： 图 3-3 RV-200C 结构尺寸示意图 图 3-4 RV-320C 结构尺寸示意图 图 3-5 RV 减速器无负载转矩输出图 图 3-6 RV 减速器传动效率与输出转矩关系图 第 4 章 强度校核 4.1 齿轮的强度校核 1.根据实际调研结果，考虑到本次设计的具体要求定义齿轮模数 m=2mm。 2.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 选用直齿圆柱齿轮传动， (2)选用 7 级精度（GB1009588）； (3)材料选择。由文献6表 101,选择小齿轮材料为 40Cr（调质），硬度 为 280HBS，大齿轮材料为 45 钢（调质），硬度为 240HBS，二者材料硬度差为 40HBS。 (4)初选小齿齿数 =24，大齿轮齿数为 =104。1Z2Z 3.校核齿面接触疲劳强度 )1(233HEdZuKT (1) 载荷系数 Kt=1.6，由文献6图 1030 选取节点区域系数 ZH=2.433 (2) 计算载荷系数 K 已知使用系数 KA=1，根据 v=0.935m/s ，7 级精度，由文献6图 10-8 查得 动载系数 Kv=1.042；由文献6表 10-4 查得 29.1*23.802bdH 查文献6图 10-13 得 ；查文献6表 10-3 得F 4.1FaHK 所以载荷系数 K = =1.866AvHa （3）外啮合齿轮传动的齿宽系数 =0.1d （4）查文献6表 106 得材料的弹性影响系数 =189.8EZMPa （5）由文献6图 1021d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限为 = 600 ；大齿轮的接触疲劳强度极限为 = 5501limHMPa 2limHaPZudKTEHH 509.1)(2331 因为接触强度相等，因此只需 minH 即可，故齿面接触强度合格 9。 4.校核齿根弯曲触疲劳强度 齿根合格应满足公式 231FdSaFmzYKT （1）查取齿形系数 由文献6表 10-5 查得齿形系数 ； ，60.1Fa20.Fa 应力校正系数 ； =1.779。92.1SaY2SY （2）由文献6图 10-20C 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ；MPaFE51 。MPFE380 （3）由文献6图 10-18 查得弯曲疲劳寿命系数 ；90.1FNK9.2N （4）计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4；则 ； MPaSKFENF43.211 同理 =257.862FMPa43.16.732 111 FdSaFmzYKT86.257.41322dSaF a 故齿根合格。 4.2 轴承的寿命计算 以底座轴轴承 6007 为例。 6007（从计算机调取代号为 JIS B 1521 SKF 6205）的主要性能参数如下： （可查阅相关手册） 基本额定动载荷： 12.5rCKN 基本额定静载荷： 086 轴承面对面安装，由于轴的设计中已求出支反力，则轴承受力为： 12870rFN12a 由于 20/arFCN 由表 13-5 得：e=0.4 2/;1,0areXY 当量动载荷 P 为：（由表 13-6，取 ）.pf1111223.87praprfFfNN 轴承寿命计算： 由于 21P 只需验算 2 处轴承即可 663h210102.510L()493.47rChnP 轴承预期使用五年寿命为： 561290h 显然： Lh 即低于预算寿命，所选轴承合格。 河南科技大学毕业论文 结论 毕 业 设 计 作 为 大 学 教 育 的 一 个 重 要 环 节 ， 不 仅 是 对 我 们 大 学 四 年 学 习 的 综 合 检 查 ， 更 是 对 我 们 作 为 一 名 技 术 设 计 人 员 素 质 的 基 本 训 练 。 在 这 两 个 多 月 的 毕 业 设 计 中 ， 我 运 用 所 学 过 的 基 础 课 、 技 术 基 础 课 和 专 业 课 的 理 论 知 识 ， 生 产 实 习 和 实 验 等 实 践 知 识 ， 努 力 做 到 理 论 和 实 践 相 结 合 ， 不 仅 达 到 了 巩 固 、 加 深 和 扩 大 所 学 知 识 的 目 的 ， 而 且 也 拓 宽 了 我 的 知 识 面 ， 提 高 了 思 想 认 识 。 在 设 计 学 习 的 过 程 中 ， 遇 到 困 难 虚 心 向 老 师 和 同 学 请 教 ， 认 真 对 待 每 一 个 环 节 ， 不 仅 增 强 了 我 刻 苦 钻 研 、 认 真 学 习 的 能 力 ， 也 培 养 了 我 的 团 队 合 作 精 神 。 通 过 这 次 设 计 ， 使 我 对 加 工 中 心 的 设 计 有 了 一 个 更 深 刻 的 认 识 和 提 高 ， 我 从 中 掌 握 了 机 械 设 计 的 方 法 和 要 领 ， 培 养 了 我 的 创 新 和 竞 争 意 识 ， 提 高 了 分 析 问 题 和 解 决 问 题 的 能 力 ， 为 即 将 走 上 工 作 岗 位 的 我 提 供 了 一 个 良 好 的 开 端 。 同 时 ， 通 过 这 次 设 计 ， 也 使 我 更 清 醒 地 认 识 到 自 己 作 为 一 个 工 程 技 术 人 员 对 知 识 和 经 验 的 匮 乏 与 欠 缺 。 理 论 基 础 的 不 扎 实 和 实 践 经 验 的 不 足 ， 为 我 敲 响 了 警 钟 ， 我 必 在 以 后 的 工 作 学 习 中 努 力 弥 补 这 些 方 面 的 缺 陷 ， 做 一 名 合 格 的 工 程 技 术 设 计 人 员 。 河南科技大学毕业论文 参 考 文 献 1、吴瑞详机器人技术与应用北京：北京航空航天大学出版社，1994 2、朱世强，王宣银机器人技术及其应用杭州：浙江大学出版社，2000 3、徐元宣工业机器人北京：中国轻工业出版社，1999 4、蒋新松机器人与工业自动化石家庄：河北教育出版社，2003 5、王田苗走向产业化的先进机器人技术中国制造业信息化，2005（10）： 2425世界工业机器人产业发展动向今日科技，2001，11,41 6、王握文. 世界机器人发展历程J . 国防科技, 2001, (01) 7、 陈爱珍. 日本工业机器人的发展历史及现状J . 机械工程师, 2008, (07) 8、 陈爱珍. 国内外机器人的发展现状J . 机械工程师, 2008, (07) 9、 陈佩云. 日本振兴工业机器人的政策J . 机器人技术与应用, 1994, (01) 10、 陈佩云. 我国工业机器人技术发展的历史_现状与展望J. 机器人技术与 应用, 1994, (02) 11、李红. 日本的工业机器人为什么发展特别快J . 机器人技术与应用, 1995, (02) 12、 吕学诗. 工业机器人在生产和生活中的应用J . 机械制造, 1980, (07) 13、 顾振宇. 全球工业机器人产业现状与趋势J . 机电一体化, 2006, (02) 14、 刘进长. 日本工业机器人协会J . 机器人技术与应用, 1994, (01) 15、 李湘洲等. 机器人趣谈M. 北京：新时代出版社 2000.1 16、 杜祥瑛，工业机器人及其应用M，机械工业出版社，2004。 17、王峻峰，何松龄，一种基于 SCARA机器人机械结构设计J，机械工程师2005 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同 时 ， 也 对 周 围 同 学 给 予 的 极 大 鼓 励 和 支 持 表 示 深 深 的 感 谢 ！