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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題目 3—DOF工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 0781052 19
學(xué) 生 姓 名 李明明
指 導(dǎo) 教 師 許 瑛
填 表 日 期 2010 年 3 月 3 日
說(shuō) 明
開題報(bào)告應(yīng)結(jié)合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度、參考文獻(xiàn)等內(nèi)容。以下填寫內(nèi)容各專業(yè)可根據(jù)具體情況適當(dāng)修改。但每個(gè)專業(yè)填寫內(nèi)容應(yīng)保持一致。
1、 選題的依據(jù)及意義：
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。
“工業(yè)機(jī)器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國(guó)內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。
機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。
而少自由度工業(yè)機(jī)械人中大多數(shù)為機(jī)械手，而機(jī)械手機(jī)器人主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)（圖1-1）。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6個(gè)自由度（圖1-2）。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。
機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。
圖 1-1 圖 1-2
二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）：
機(jī)器人工程是近二十多年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國(guó)科技界跟蹤國(guó)際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個(gè)國(guó)家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國(guó)家的廣泛重視。
目前，工業(yè)機(jī)器人的定義，世界各國(guó)尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給工業(yè)機(jī)器人下的定義：工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過(guò)改變動(dòng)作程序，來(lái)完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。
據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)盟（IFR）2006年5月發(fā)布的“2006世界機(jī)器人調(diào)查”顯示，2005年世界新安裝工業(yè)機(jī)器人121000臺(tái)，比2004年的97000臺(tái)增長(zhǎng)25%。這是繼2003年工業(yè)機(jī)器人安裝數(shù)量重回增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)后的重大突破，2005年也成為近15年來(lái)世界工業(yè)機(jī)器人新安裝臺(tái)數(shù)最多的年份，比上一個(gè)峰值――2000年的99000臺(tái)增長(zhǎng)22000臺(tái)。
圖2-1： 1991-2005年各年世界新安裝工業(yè)機(jī)器人臺(tái)數(shù)
資料來(lái)源：World Robotics 2006
據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)局預(yù)測(cè)，截至2005年底，全世界在運(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人共有914000臺(tái)，比2004年增加8%。其中，有50%來(lái)源于亞洲地區(qū)；歐洲和美洲分別占1/3和16%；而澳大利亞和非洲地區(qū)大概占1%的比例。
資料來(lái)源：World Robotics 2006
圖2-2： 1991-2005年各年全世界運(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人總數(shù)
就2005年幾大應(yīng)用領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人類型來(lái)看，機(jī)械手的產(chǎn)量遙遙領(lǐng)先于其他類型的工業(yè)機(jī)器人，約達(dá)到43500臺(tái)。其中，亞洲地區(qū)機(jī)械手的產(chǎn)量比2004年增加了27%；美洲地區(qū)機(jī)械手的產(chǎn)量幅度更是高達(dá)53%；雖然歐洲地區(qū)2005年機(jī)械手的產(chǎn)量比上年略有下降，但其產(chǎn)量仍接近14000臺(tái)。接下來(lái)依次是：點(diǎn)焊接機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人和分配機(jī)器人，其產(chǎn)量分別約為20500臺(tái)、17500臺(tái)、13000臺(tái)和4500臺(tái)。表1反映了2005年亞、歐、美三大地區(qū)各類型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)量增幅情況。
表1-1： 2005年亞、歐、美三大地區(qū)各類型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量增幅表
類 型
機(jī)械手
點(diǎn)焊接機(jī)器人
弧焊機(jī)器人
裝配機(jī)器人
分配機(jī)器人
地 增
區(qū) 幅
亞洲地區(qū)
27%
64%
82%
101%
23%
美洲地區(qū)
53%
22%
33%
36%
121%
歐洲地區(qū)
-6%
-27%
6%
1%
-23%
資料來(lái)源：World Robotics 2006
三、研究?jī)?nèi)容及主要特色：
本次設(shè)計(jì)是根據(jù)對(duì)工業(yè)六自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免運(yùn)動(dòng)的干涉。在本次設(shè)計(jì)中主要負(fù)責(zé)第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
3.1課題工作內(nèi)容：
1 開題報(bào)告，外文資料翻譯
2 機(jī)器人本體的組成方案設(shè)計(jì)
3 第一臂、底座的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)
4 Auto CAD平臺(tái)上建立各零部件與裝配圖
5 畢業(yè)論文整理 及答辯準(zhǔn)備
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度：
4.1 3—DOF工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
以3自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)要求如下：
第一軸：轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為 90/s，轉(zhuǎn)角范圍為0～270
底 座：能夠?qū)崿F(xiàn)第一臂轉(zhuǎn)角(0-270度)轉(zhuǎn)角范圍控制
圖4-1
4.2 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作進(jìn)度的時(shí)間：
1 開題報(bào)告，外文資料翻譯 第01周-第02周
2 機(jī)器人本體的組成方案設(shè)計(jì) 第03周-第04周
3 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) 第05周-第08周
4 虛擬平臺(tái)的建立與裝配 第09周-第12周
5 機(jī)器人抓取作業(yè)的運(yùn)動(dòng)模擬 第13周-第15周
6 畢業(yè)論文整理 及答辯準(zhǔn)備 第16周-第17周
5、 參考文獻(xiàn)
1 孫桓 等主編.機(jī)械原理(第六版) .高等教育出版社，2001
2 馬香峰 主編.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì). 冶金工業(yè)出版社 ,1996
3 宗光華 張慧慧譯.機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制. 科學(xué)出版社 ， 2004
4鄭笑級(jí) 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2004
5 Y.Fujimoto and A.kawamura.Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation walking Robot Incuding Environmental Force Interaction. IEEE Robbtics and Automnation Magzuine,1998,5(2):33～42
學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明
本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含法律意義上已屬于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他學(xué)位申請(qǐng)的論文或成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。
作者簽名： 日期：
學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書
本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。
作者簽名： 日期：
導(dǎo)師簽名： 日期：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 3-DOF工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系 別 航空工程系
專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)學(xué)號(hào) 078105219
學(xué)生姓名 李 明 明
指導(dǎo)教師 許 瑛
二O一一 年 五 月
3-DOF工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：李明明 班級(jí)：0781052 19
指導(dǎo)老師：許 瑛
摘要：在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。
本設(shè)計(jì)介紹了關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的一些基本常識(shí)和原理，包括工業(yè)機(jī)器人的組成、分類、主要技術(shù)性能參數(shù)和工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析，并參考通用型工業(yè)六自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。根據(jù)對(duì)工業(yè)六自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免運(yùn)動(dòng)的干涉，在本次設(shè)計(jì)中主要負(fù)責(zé)第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其傳動(dòng)原理，對(duì)第一臂與底座的各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：三自由度 機(jī)器人 傳動(dòng)原理 控制
指導(dǎo)老師簽名：
3-DOF Structural Design of Industrial Robots
Srudent name: LiMingming Class:0781052 19
Supervisor: Xu Ying
Abstract?： In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.
The Design of industrial robots on some basic common sense and principles, including the composition of industrial robots, classification, main technical performance parameters and the movement of industrial robots, with reference to general-purpose industrial 6-DOF robot's structure, conduct three degrees of freedom industrial robot structural design, based on the industry overall structure of six degrees of freedom robot and transmission system analysis and discussion of the 3-DOF industrial robot for structural design. The key lies in the fact that three axis (arm) transmission system design and the whole structure design, avoid the interference in the sports, mainly responsible for the design of the arm and base structure design and its transmission principle of first arm and the base of the parts of the structure design.
Keywords: 3-DOF Robots Transmission principle Control
Signature of Supervisor:
目 錄
1 引言 (01)
1. 1 選題的依據(jù)和意義 (02)
1. 2 國(guó)內(nèi)外研究概況 (03)
1. 3 論文主要內(nèi)容 (05)
2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析 (06)
2. 1 總體結(jié)構(gòu)的概述 (06)
2. 2 第一軸（大臂）的結(jié)構(gòu) (07)
2. 3 第二軸結(jié)構(gòu) (09)
2. 4 第三軸結(jié)構(gòu) (10)
2. 5 傳動(dòng)方案的確定 (11)
3 設(shè)計(jì)計(jì)算 (12)
3. 1 電動(dòng)機(jī)的選擇 (12)
4 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 (16)
4. 1 第一軸的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (16)
4. 2 軸承的選擇 (31)
4．2．1 斜齒輪傳動(dòng)軸上的軸承 (31)
5 機(jī)器人各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (32)
5. 1 轉(zhuǎn)角范圍的控制設(shè)計(jì) (32)
5. 2 主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（第一臂與底座） (33)
5．2 .1 第一軸轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu) (33)
5．2 .2 底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (33)
6 總 結(jié) (34)
參考文獻(xiàn) (35)
致 謝 (36)
附錄 A 外文文獻(xiàn)翻譯
附錄 B CAD圖A1總裝配圖與各零件圖
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
1 引言
在加速科技進(jìn)步中，機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵的作用，其任務(wù)是在工業(yè)生產(chǎn)中迅速將工藝裝備的獨(dú)立單元變?yōu)樽詣?dòng)化綜合體（自動(dòng)化工段，生產(chǎn)線和自動(dòng)化車間），將來(lái)甚至實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工廠。這種自動(dòng)化生產(chǎn)最重要的特點(diǎn)是具有柔性，它能預(yù)料到，在節(jié)省勞力（或無(wú)人）情況下，根據(jù)工藝條件調(diào)整裝配，以適應(yīng)多種產(chǎn)品生產(chǎn)。
當(dāng)代柔性自動(dòng)化生產(chǎn)的建立和廣泛應(yīng)用，取決于作為科技進(jìn)步的催化劑的機(jī)床制造、機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、儀器制造等技術(shù)的加速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人是多品種的經(jīng)常更換產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的通用手段。在機(jī)械制造中，工業(yè)機(jī)器人既有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)組成工藝裝備的基本工序中，也有效地用于輔助操作中。工業(yè)機(jī)器人與傳統(tǒng)自動(dòng)化手段不同之處，首先在于它在各種生產(chǎn)功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性。在柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中，工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、鍛壓機(jī)床、鑄造機(jī)械和倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備上，以完成傳送裝備和其它操作。工業(yè)機(jī)器人和基本工藝裝備、輔助手段以及控制裝置一起形成各種不同形式的機(jī)器人技術(shù)綜合體—柔性生產(chǎn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)模塊。
隨著工業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的驚人發(fā)展，標(biāo)志著多品種中、小批量生產(chǎn)最新水平的FMS（柔性制造系統(tǒng)），F(xiàn)A（工廠自動(dòng)化）技術(shù)更加引人注目；作為FMS、FA技術(shù)重要組成之一的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也將得到迅速發(fā)展。應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人是提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)環(huán)境條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率手段之一。
本次設(shè)計(jì)是根據(jù)對(duì)工業(yè)六自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免運(yùn)動(dòng)的干涉。在本次設(shè)計(jì)中主要負(fù)責(zé)第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
在設(shè)計(jì)中許瑛老師給予了很大的指導(dǎo)和幫助，在此謹(jǐn)致謝意。
限于水平，本設(shè)計(jì)難免有缺點(diǎn)、錯(cuò)誤，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。
1.1選題的依據(jù)及意義：
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。
“工業(yè)機(jī)器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國(guó)內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。
機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。
而少自由度工業(yè)機(jī)械人中大多數(shù)為機(jī)械手，而機(jī)械手機(jī)器人主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。
機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究概況
機(jī)器人工程是近二十多年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國(guó)科技界跟蹤國(guó)際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個(gè)國(guó)家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國(guó)家的廣泛重視。
目前，工業(yè)機(jī)器人的定義，世界各國(guó)尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給工業(yè)機(jī)器人下的定義：工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過(guò)改變動(dòng)作程序，來(lái)完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。
據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)盟（IFR）2006年5月發(fā)布的“2006世界機(jī)器人調(diào)查”顯示，2005年世界新安裝工業(yè)機(jī)器人121000臺(tái)，比2004年的97000臺(tái)增長(zhǎng)25%。這是繼2003年工業(yè)機(jī)器人安裝數(shù)量重回增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)后的重大突破，2005年也成為近15年來(lái)世界工業(yè)機(jī)器人新安裝臺(tái)數(shù)最多的年份，比上一個(gè)峰值――2000年的99000臺(tái)增長(zhǎng)22000臺(tái)。
資料來(lái)源：World Robotics 2006
圖1-1： 1991-2005年各年世界新安裝工業(yè)機(jī)器人臺(tái)數(shù)
據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)局預(yù)測(cè)，截至2005年底，全世界在運(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人共有914000臺(tái)，比2004年增加8%。其中，有50%來(lái)源于亞洲地區(qū)；歐洲和美洲分別占1/3和16%；而澳大利亞和非洲地區(qū)大概占1%的比例。
資料來(lái)源：World Robotics 2006
圖1-2： 1991-2005年各年全世界運(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人總數(shù)
就2005年幾大應(yīng)用領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人類型來(lái)看，機(jī)械手的產(chǎn)量遙遙領(lǐng)先于其他類型的工業(yè)機(jī)器人，約達(dá)到43500臺(tái)。其中，亞洲地區(qū)機(jī)械手的產(chǎn)量比2004年增加了27%；美洲地區(qū)機(jī)械手的產(chǎn)量幅度更是高達(dá)53%；雖然歐洲地區(qū)2005年機(jī)械手的產(chǎn)量比上年略有下降，但其產(chǎn)量仍接近14000臺(tái)。接下來(lái)依次是：點(diǎn)焊接機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人和分配機(jī)器人，其產(chǎn)量分別約為20500臺(tái)、17500臺(tái)、13000臺(tái)和4500臺(tái)。表1反映了2005年亞、歐、美三大地區(qū)各類型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)量增幅情況。
類 型
機(jī)械手
點(diǎn)焊接機(jī)器人
弧焊機(jī)器人
裝配機(jī)器人
分配機(jī)器人
地 增
區(qū) 幅
亞洲地區(qū)
27%
64%
82%
101%
23%
美洲地區(qū)
53%
22%
33%
36%
121%
歐洲地區(qū)
-6%
-27%
6%
1%
-23%
表1-1： 2005年亞、歐、美三大地區(qū)各類型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量增幅表
資料來(lái)源：World Robotics 2006
1.3 論文的主要內(nèi)容：
在工業(yè)上，自動(dòng)控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化機(jī)床控制，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)器人等。在本次設(shè)計(jì)是根據(jù)對(duì)工業(yè)六自由度機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行三自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免運(yùn)動(dòng)的干涉。在本次設(shè)計(jì)中的要求,主要負(fù)責(zé)第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這次設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要部位為第一軸與底座，設(shè)計(jì)一個(gè)第一軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為90°/s,轉(zhuǎn)角范圍為0~270°。底座能夠?qū)崿F(xiàn)第一臂轉(zhuǎn)角 （0~270°）轉(zhuǎn)角范圍控制的 3-DOF工業(yè)機(jī)器人。
第一步，查閱資料，工業(yè)機(jī)器人原理，了解工業(yè)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r和生存問(wèn)題。了解3-DOF工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)以及在日常生產(chǎn)生活中的用途。根據(jù)其運(yùn)用的場(chǎng)合不同，適當(dāng)選擇合適的方案，以達(dá)到實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、可靠的目的。
第二步，在對(duì)所選課題有個(gè)初步的了解之后，在確定3-DOF工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容。
第三步，機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)的方案的設(shè)計(jì)、比較與確定，依據(jù)對(duì)選擇的傳動(dòng)方案，查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)，從而完成，第一、第二、第三軸的傳動(dòng)選擇。設(shè)計(jì)好了之后，確定出總體的結(jié)構(gòu)及整體方案。
第四步，選擇電動(dòng)機(jī)，通過(guò)計(jì)算出第一軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇合適的電動(dòng)機(jī)，從而進(jìn)行第一軸的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算。根據(jù)齒輪軸徑值，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇底座的軸承。
第五步，根據(jù)方案，畫出裝配圖，裝配圖畫好后，從裝配圖中設(shè)計(jì)選擇第一軸零部件以及完成對(duì)零部件圖的初步繪制。
2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析
2.1總體結(jié)構(gòu)的概述
目前，世界上已有許多工業(yè)機(jī)器人，其中大部分屬于“示教再現(xiàn)”型。如果將這類機(jī)器人稱作第一代，那么，具有一定程度的視覺(jué)、觸覺(jué)、或某種分析、判斷能力的工業(yè)機(jī)器人就屬于第二代了。不少國(guó)家正在積極研制具有觀覺(jué)、觸覺(jué)等功能的工業(yè)機(jī)器人，并取得了不少成果，但是，真正將這些成果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的還為數(shù)不多。在實(shí)際生產(chǎn)（如噴漆、焊接、裝配等）中被廣泛應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人，示教再現(xiàn)型還是較多。
一般的機(jī)器人，它由機(jī)器人的機(jī)構(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構(gòu)成。機(jī)構(gòu)部分有機(jī)械手和移動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成；傳感器有測(cè)量機(jī)器人自身位置姿態(tài)和速度、加速度的內(nèi)傳感器和了解外部環(huán)境及作業(yè)對(duì)象工作情況的外傳感器；控制器是直接控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置，只要不是自主型移動(dòng)機(jī)器人，它通常放在與機(jī)器人不同的地方，通過(guò)導(dǎo)線連接。在工業(yè)機(jī)器人的控制裝置中，有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、PTP運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)和CP運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)的記憶裝置和定位控制電路等。信息處理裝置通過(guò)信息傳輸裝置與機(jī)器人本體相連，多用于智能機(jī)器人。
機(jī)器人具有六自由度，即大臂的回轉(zhuǎn)、臂的左右擺動(dòng)、臂的上下擺動(dòng)、手腕的回轉(zhuǎn)、手腕的伸縮和手爪的抓取。當(dāng)然，圖中沒(méi)有表示出控制系統(tǒng)及手爪抓取的那一部分。該六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的情況說(shuō)明如下：首先，由電動(dòng)機(jī)M1經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)大臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且與大臂相連的所有其它手臂、手腕及機(jī)械構(gòu)件也隨大臂一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；而后另一手臂由電動(dòng)機(jī)M2驅(qū)動(dòng)作左右擺動(dòng)；還有，第三臂由電動(dòng)機(jī)M3驅(qū)動(dòng)作上下擺動(dòng)；最后，手腕的回轉(zhuǎn)、伸縮及手爪的抓取由其它三個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
５
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
2.2第一軸（大臂）的結(jié)構(gòu)
大臂的結(jié)構(gòu)圖（圖2-1）及其傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖（圖2-1）：
圖2-1
圖2-2
第一臂，也即大臂，該手臂實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，整個(gè)減速系統(tǒng)采用了三級(jí)斜齒輪傳動(dòng)，且所有的斜齒輪都裝在一個(gè)箱體（減速箱）里面。然而，與一般情況不同的是，第三級(jí)斜齒輪直接固定在機(jī)座上，從而使其它的（上級(jí)的斜齒輪）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)，且電動(dòng)機(jī)又固定在大臂上，所以導(dǎo)致大臂帶著電動(dòng)機(jī)、減速箱一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
2.3 第二軸的結(jié)構(gòu)
第二軸的結(jié)構(gòu)圖（圖2-2）：
圖2-2
第二軸，該手臂實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的左右擺動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，整個(gè)減速系統(tǒng)采用了一級(jí)齒輪傳動(dòng)。由電動(dòng)機(jī)上的一個(gè)齒輪和軸承右側(cè)的一個(gè)齒輪嚙合，軸承通過(guò)定位銷與第二大臂固定，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪，把動(dòng)力傳給與第二臂固定的軸承，使得第二臂實(shí)現(xiàn)水平線上的前后擺動(dòng)。
2.4第三軸的結(jié)構(gòu)
第三軸的結(jié)構(gòu)圖（圖2-3）：
圖2-3
第三軸，該手臂實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的上下擺動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，整個(gè)系統(tǒng)采用了一級(jí)齒輪內(nèi)嚙合傳動(dòng)。由電動(dòng)機(jī)上的一個(gè)齒輪和第三臂上的一個(gè)大齒輪內(nèi)嚙合，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)小齒輪，小齒輪帶動(dòng)第三臂上的大齒輪使得第三臂整個(gè)做上下擺動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)第三臂實(shí)際操作。
2.5 傳動(dòng)方案的確定
根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)分析可知，工業(yè)機(jī)器人的三軸的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。第一軸采用的是齒輪傳動(dòng)，第二軸、第三軸則采用的是擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)。當(dāng)然，參照以上的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析，現(xiàn)擬定如下三種傳動(dòng)方案：
方案一：第一軸：齒輪傳動(dòng)（直齒或斜齒）
第二軸、第三軸：齒輪傳動(dòng)（直齒或斜齒）
方案二：第一軸：蝸桿蝸輪傳動(dòng)
第二軸、第三軸：蝸桿蝸輪傳動(dòng)
方案三：第一軸：蝸桿蝸輪傳動(dòng)
第二軸、第三軸：齒輪傳動(dòng)（直齒或斜齒）
方案比較論證
首先，已知各種傳動(dòng)的傳動(dòng)比u:直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，u≤4；斜齒輪傳動(dòng)，u≤6；蝸桿蝸輪傳動(dòng)，5≤u≤70，常用15≤u≤50；擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)， 11≤u≤87（單級(jí)）。然后估算各軸的傳動(dòng)比，初選轉(zhuǎn)速為1500r/min的原動(dòng)機(jī)，則u1=1500/15=100,
u2=1500/20=75。
三軸傳動(dòng)的確定：蝸桿蝸輪傳動(dòng)的特點(diǎn)：1）傳動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)沖擊和噪聲均很?。?）傳動(dòng)比也較大，結(jié)構(gòu)比較緊湊。而在這里采用此傳動(dòng)，則需要兩級(jí)傳動(dòng)才能滿足要求，蝸桿蝸輪的傳動(dòng)是兩軸交錯(cuò)的，這樣一來(lái)也就增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且同時(shí)也增加了轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的負(fù)荷；3）由于蝸桿蝸輪嚙合輪齒間相對(duì)滑動(dòng)速度大，使得摩擦損耗大，因而傳動(dòng)效率較低。因此，第一軸采用齒輪傳動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，如采用圓柱直齒輪傳動(dòng)則需要四級(jí)傳動(dòng)，而采用斜齒輪則需要三級(jí)就可以，并且知道在相同的條件下，采用斜齒輪傳動(dòng)比圓柱齒輪傳動(dòng)，在結(jié)構(gòu)上尺寸要小得多，由此可知，采用斜齒輪傳動(dòng)。斜齒傳動(dòng)有如下優(yōu)點(diǎn)：1）嚙合性能好；2）重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)；3）結(jié)構(gòu)緊湊，并且在總體結(jié)構(gòu)上也是合理的。
總上所述，選擇方案一為最佳。三軸都采用齒輪傳動(dòng)。
3 設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1電動(dòng)機(jī)的選擇
第一軸的電動(dòng)機(jī)的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)方案可知，第二軸、第三軸的所有重量都是第一軸的負(fù)荷，所以說(shuō)，第一軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是很大的，必須計(jì)算各零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算出最終動(dòng)力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，再根據(jù)動(dòng)力源軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行選擇電動(dòng)機(jī)。下面計(jì)算第一軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
如圖3-1-1，該軸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與第二軸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸不同，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸線為ob線，則在這種情況下，
圖3-1-1
第三臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
Kgm2
第二軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
（3-1-1）
Kgm2
兩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
Kgm2
兩個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
Kgm2
減速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： Kgm2
第一軸本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
Kgm2
所以，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
Kgm2
而轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度為：
1/s2
則輸出軸的轉(zhuǎn)矩為由式（3-1-7）得：
Nm
轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)上的轉(zhuǎn)矩為：
Nm
根據(jù)要求<，選P=3KW，n=1000r/min的MGMA型伺服電機(jī)，為28.4Nm。
第二軸的電動(dòng)機(jī)的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)方案可知，第三軸的所有重量都是第二軸的負(fù)荷，所以說(shuō)，第二軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也是很大的，必須計(jì)算各零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算出最終動(dòng)力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，再根據(jù)動(dòng)力源軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行選擇電動(dòng)機(jī)。下面計(jì)算二軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
第二軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J2=M/12（a2+b2+c2+d2）+mp2=5.742Kgm2
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J2=8.5*0.42=1.366 Kgm2
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J輪2=50*0.252=3.125 Kgm2
減速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J減=150*0.452=30.375 Kgm2
第二軸的總慣量：
J總=5.742+1.36+3.125+30.375
=40.602 Kgm2
第三臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J3=34*0.22=1.36Kgm2
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J輪3=100*0.52=25Kgm2
減速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J減+150*0.452=30.375Kgm2
總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
J總=23.43+1.36+25+30.375
=80.165Kg2
轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)上的轉(zhuǎn)矩為：
M電=14.17N*M
根據(jù)要求M電＜M額，選P=2.5(KW), n=1000r/min的GY2.5型電動(dòng)機(jī)
第三軸的電動(dòng)機(jī)的選擇
第三臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J3=34*0.22=1.36Kgm2
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J輪3=100*0.52=25Kgm2
減速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J減+150*0.452=30.375Kgm2
總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
J總=23.43+1.36+25+30.375
=80.165Kg2
轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)上：
M電=1.3m/u=9.45N*m
根據(jù)要求M電＜M額，選P=2.2（KW），P=2.2 Y-H2.2系列 n=800r/min
4 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 第一軸的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第一軸的傳動(dòng)方案已確定，采用三級(jí)斜齒輪傳動(dòng)，且電動(dòng)機(jī)的功率為P=3KW，n=1000r/min，則傳動(dòng)比u=1000/15=66.67。
一 、傳動(dòng)比的分配：已知斜齒輪的傳動(dòng)比u≤6，再根據(jù)傳動(dòng)減速時(shí)前面降得慢，而后面降得快的原則，三級(jí)降速的傳動(dòng)比分配如下： u=2.44.875.7
二 、各級(jí)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)
第一級(jí)斜齒輪的傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算：已知電動(dòng)機(jī)的功率P=3KW，n=1000r/min，傳動(dòng)比u=2.4，則
１．選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
1) 按照傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)要求，選用斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
2) 考慮減速設(shè)計(jì)的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查表(常用齒輪材料及其機(jī)械特性表)選得大、小齒輪的材料均為40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。
3) 選用精度等級(jí)。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選7級(jí)精度(GB10095-88)。
4) 選小齒輪齒數(shù)Z1=35，大齒輪齒數(shù)Z2=uZ1=2.435=84。
5) 選取螺旋角。初選螺旋角。
２．按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即
≥mm （4-2-1）
1) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值
（1）.試選。
（2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。
（3）.由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動(dòng)的端面重合度圖表，查得
， ，則 =
（4）.計(jì)小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩
N
（5）.由下表3-2-1（圓柱齒輪齒寬系數(shù)?d表）
裝置狀況
兩支承相對(duì)小齒輪作對(duì)稱布置
兩支承相對(duì)小齒輪作對(duì)稱布
小齒輪作懸臂布置
?d
0.9～1.4（1.2～1.9）
0.7～1.15（1.1～1.65）
0.4～0.6
選取齒寬系數(shù)?d=0.9；
(6).由材料的彈性影響系數(shù)表，查得=189.8 ；
(7).齒輪接觸疲勞強(qiáng)度圖表，按齒面硬度中間值52HRC查
得大、小的接觸疲勞強(qiáng)度極限==Mpa；
(8).計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
(9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得；
；
(10).計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系S=1,由下式得
[]= MPa
[]= MPa
則取[]H=([]+[])/2=1012 Mpa
2).計(jì)算
(1).試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式（4-2-1）得
≥ mm
根據(jù)計(jì)算的結(jié)果及電動(dòng)機(jī)的輸出軸徑，取=50 mm；
(2).計(jì)算圓周速度
m/s
(3).計(jì)算齒寬及摸數(shù)
mm
mm
(4).計(jì)算縱向重合度
（5）計(jì)算載荷系數(shù)
已知使用系數(shù) 。
根據(jù)，7級(jí)精度，由動(dòng)載荷系數(shù)值分布圖，查
得動(dòng)載荷系數(shù)KV=1.07；
由接觸強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得
=2.728，由彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)()圖，
查得 =2.45。
由齒向載荷分配系數(shù)(、),查得==1.2，
故載荷系數(shù)
=1×1.07×1.2×2.728=3.5
(6).按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得
mm
(7).計(jì)算模數(shù)
= mm
2. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式≥ mm （3-2-2）
1) 確定計(jì)算參數(shù)
(1) 計(jì)算載荷系數(shù)
11.071.22.45=3.2
(2) 根據(jù)縱向重合度，從螺旋角影響系數(shù)圖表查
得=0.88。
(3) 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
(4) 查取齒形系數(shù)
由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.44；=2.196
(5) 查取應(yīng)力校正系數(shù)
由齒形系數(shù)應(yīng)力校正系數(shù)表查得 =1.654；=1.782
(6) 由齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得
Mpa。
(7) 由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.86，=0.87；
(8) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得
417.714 MPa
422.571 MPa
(9) 計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較
=
=
小齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算
≥ mm
對(duì)比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強(qiáng)度及接觸疲勞強(qiáng)度,最后取 =2mm。
4.幾何尺寸計(jì)算
1) 計(jì)算中心距a
mm
將中心距圓整為=122.5 mm
2) 按圓整后的中心距修正螺旋角
因值改變不大,故參數(shù)等不必修正。
3) 計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑
mm
mm
4) 計(jì)算齒輪寬度
mm
圓整后取 B2=65 mm；B1=70 mm。
第二級(jí)的傳動(dòng)條件：電機(jī)的功率為P=4.5KW，n=416.7r/min，傳動(dòng)比u=4.87，具體設(shè)計(jì)計(jì)算如下：
１．選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
考慮減速設(shè)計(jì)的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查表(常用齒輪材料及其機(jī)
1) 械特性表)選得大、小齒輪的材料均為40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。
2) 選用精度等級(jí)。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選7級(jí)精度(GB10095-88)。
3) 選小齒輪齒數(shù)Z1=24，大齒輪齒數(shù)Z2=uZ1=4.8724=117。
4) 選取螺旋角。初選螺旋角。
２．按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（3-2-1）進(jìn)行計(jì)算。
1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算值
（1）.試選。
（2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。
（3）.由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動(dòng)的端面重合度圖表，查得
， ，則 =
（4）.計(jì)小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩
N
（5）.由表（圓柱齒輪齒寬系數(shù)?d表）
選取齒寬系數(shù)?d=0.9；
(6).由材料的彈性影響系數(shù)表，查得=189.8 ；
(7).齒輪接觸疲勞強(qiáng)度圖表，按齒面硬度中間值52HRC查
得大、小的接觸疲勞強(qiáng)度極限==Mpa；
(8).計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
(9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得；
；
(10).計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系S=1,由下式得
[]= MPa
[]= MPa
則取[]H=([]+[])/2=1017.5 Mpa
2).計(jì)算
(1).試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式得
≥ mm
(2).計(jì)算圓周速度
m/s
(3).計(jì)算齒寬及摸數(shù)
mm
mm
(4).計(jì)算縱向重合度
(5).計(jì)算載荷系數(shù)
已知使用系數(shù) 。
根據(jù)，7級(jí)精度，由動(dòng)載荷系數(shù)值分布圖，查得
動(dòng)載荷系數(shù)KV=1.05；
由接觸強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得 =1.41，由彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)()圖，查得 =1.37。
由齒向載荷分配系數(shù)(、),查得==1.2，故載荷系數(shù)
=1×1.07×1.2×1.41=1.78
(6).按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式
得
mm
(7).計(jì)算模數(shù)
= mm
3. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算公式（3-2-2）來(lái)計(jì)算：
1) 確定計(jì)算參數(shù)
（1） 計(jì)算載荷系數(shù)
11.071.21.37=1.726
（2） 根據(jù)縱向重合度，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。
（3） 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
（4） 取齒形系數(shù)
由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.158
（5） 取應(yīng)力校正系數(shù)
由齒形系數(shù)應(yīng)力校正系數(shù)表查得 =1.596；=1.792
（6） 齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得
Mpa。
（7） 由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.87，=0.9；
（8） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得
422.571 MPa
437.143 MPa
（9） 計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較
=
=
小齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算
≥ mm
對(duì)比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強(qiáng)度及接觸疲勞強(qiáng)度,最后取 =1.5 mm
4.幾何尺寸計(jì)算
1) 計(jì)算中心距
mm
將中心距圓整為=108.5
2) 按圓整后的中心距修正螺旋角
因值改變不大,故參數(shù)等不必修正。
2） 大小齒輪的分度圓直徑
mm
mm
4) 計(jì)算齒輪寬度
mm
圓整后取 B2=35 mm；B1=40 mm。
第三級(jí)的傳動(dòng)條件：電動(dòng)機(jī)的功率為P=0.9KW，n=85.565，傳動(dòng)比u=5.7，設(shè)計(jì)計(jì)算如下：
１．選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
1) 考慮減速設(shè)計(jì)的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查
表(常用齒輪材料及其機(jī)械特性表)選得大、小齒輪的材料均為40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。
2) 選用精度等級(jí)。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故 初選7級(jí)精度(GB10095-88)。
3) 選小齒輪齒數(shù)Z1=24，大齒輪齒數(shù)Z2=uZ1=5.724=137。
4) 選取螺旋角。初選螺旋角。
２．按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（3-2-1）計(jì)算：
1) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值
（1）.試選。
（2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。
（3）.由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動(dòng)的端面重合度圖表，查得
， ，則 =
（4）.計(jì)小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩
N
（5）.由下表（圓柱齒輪齒寬系數(shù)?d表）
選取齒寬系數(shù)?d=0.8；
（6）.由材料的彈性影響系數(shù)表，查得=189.8 ；
（7）.齒輪接觸疲勞強(qiáng)度圖表，按齒面硬度中間值52HRC
查得大、小的接觸疲勞強(qiáng)度極限==Mpa；
（8）.計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（9）.由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得；
；
（10）.計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系S=1,由下式得
[]= MPa
[]= MPa
則取[]H=([] +[])/2=1070.6 Mpa
2).計(jì)算
(1).試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式（3-2-1）得
≥ mm
(2).計(jì)算圓周速度
m/s
(3).計(jì)算齒寬及摸數(shù)
mm
mm
(4).計(jì)算縱向重合度
(5).計(jì)算載荷系數(shù)
已知使用系數(shù) 。
根據(jù)，7級(jí)精度，由動(dòng)載荷系數(shù)值分布圖，查
得動(dòng)載荷系數(shù)KV=1.04；
由接觸強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得 =1.2877，由彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)()圖，查得 =1.27。
由齒向載荷分配系數(shù)(、),查得==1.2，故載荷系數(shù)
=1×1.04×1.2×1.2877=1.61
(6).按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得
mm
(7).計(jì)算模數(shù)
= mm
3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式≥ mm
1) 確定計(jì)算參數(shù)
(1)計(jì)算載荷系數(shù)
11.041.21.27=1.585
(2) 根據(jù)縱向重合度，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。
(3)計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
(4)查取齒形系數(shù)
由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.14
(5)查取應(yīng)力校正系數(shù)
由齒形系數(shù)應(yīng)力校正系數(shù)表查得 =1.596；=1.83
(6)由齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得 MPa
(7)由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.88，=0.91；
(8)計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得
427.43 MPa
442.0 MPa
(9)計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較
=
=
小齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算
≥ mm
對(duì)比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強(qiáng)度及接觸疲勞強(qiáng)度,最后取 =2.5 mm
4.幾何尺寸計(jì)算
1) 計(jì)算中心距
mm
將中心距圓整為=207 mm
2) 按圓整后的中心距修正螺旋角
因值改變不大,故參數(shù)等不必修正。
3) 計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑
mm
mm
4) 計(jì)算齒輪寬度
mm
圓整后取 B2=49 mm；B1=55 mm。
4. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計(jì)算
1） 估計(jì)擺線輪內(nèi)孔半徑
=(0.4～0.5) =40～50mm
2） 擇軸承型號(hào)尺寸
經(jīng)查表選用502310E C=105000 N C0=71000 N
D1=97 mm d=50mm b=27 mm da=60 mm Da=89.6 mm a=5 mm
3） 名義徑向載荷 R
R=
=5776.698 N
4） 當(dāng)量動(dòng)載荷 P
P==1.35776.698=7509.71 N
—?jiǎng)虞d荷系數(shù)，一般取 =1.2～1.5。
5） 軸承相對(duì)轉(zhuǎn)速 n
n=+=1000+=1015r/min
6） 軸承壽命
h
因?yàn)樗蟮玫妮S承壽命≥15000 h ,所以滿足要求。
4. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計(jì)算
1）估計(jì)擺線輪內(nèi)孔半徑 =(0.4～0.5) =52～65mm
2）擇軸承型號(hào)尺寸
經(jīng)查表選用502313 C=114600 N C0=85200 N D1=121.5 mm d=65mm b=33mm da=77mm Da=114.6mm a=7 mm
3）名義徑向載荷 R
R=
=12830.82 N
4）當(dāng)量載荷 P
P==1.312830.82=16680.1 N
5）軸承相對(duì)轉(zhuǎn)速 n
n=+=1000+=1020r/min
1） 承的壽命
h
因?yàn)樗蟮玫妮S承壽命≥15000 h ,所以滿足要求。
5. 針齒銷彎曲強(qiáng)度計(jì)算
1）針齒結(jié)構(gòu)尺寸
mm
mm
（）
mm
2) 最大彎矩
Nmm
3) 許用彎曲應(yīng)力
MPa
4) 校核彎曲應(yīng)力
MPa
因?yàn)椋綶]，所以滿足要求。
4.2軸承的選擇
4.2.1斜齒輪傳動(dòng)軸上的軸承
根據(jù)齒輪軸徑值，差滾動(dòng)軸樣本或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得，第二軸上選用圓錐混子軸承7204，C=15500N；第三軸上選用圓錐云子軸承7205，C=19520N。
5 機(jī)器人各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1 轉(zhuǎn)角范圍的控制設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分，在某種意義上講，控制系統(tǒng)起著與人腦相似的作用，工業(yè)機(jī)器人的手部、腕部、臂部、行走機(jī)構(gòu)等的動(dòng)作以及與相關(guān)機(jī)械的協(xié)調(diào)動(dòng)作都是通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主要控制內(nèi)容有動(dòng)作的順序、動(dòng)作的位置與路徑、動(dòng)作的時(shí)間。
按設(shè)計(jì)要求要實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)角范圍，可以直接由控制系統(tǒng)來(lái)完成，控制動(dòng)作的位置或動(dòng)作的時(shí)間，從而控制轉(zhuǎn)角。這里用擋塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)角范圍。第一軸的控制轉(zhuǎn)角（0～270）的擋塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-1
圖5-1
5.2主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（第一臂與底座）
5.2.1 第一軸轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)：如圖5-2，具體尺寸見(jiàn)附圖（零件圖）。
5.2.2底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：如圖5-3
圖5-2
圖5-3
總 結(jié)
通過(guò)這次設(shè)計(jì)，使我對(duì)工業(yè)機(jī)器人有了感性的認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)外的工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展也有所了解。根據(jù)國(guó)內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)狀及近幾年的動(dòng)態(tài)，結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的具體情況，機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)應(yīng)在開展智能機(jī)器人、機(jī)器人化及其相當(dāng)技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用。經(jīng)過(guò)努力，我國(guó)已研制了許多示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人以及噴涂、焊接裝配等機(jī)器人。而國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展更迅速，機(jī)器人化機(jī)械已經(jīng)興起。
通過(guò)這次設(shè)計(jì)，使我綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)的理論和實(shí)際知識(shí)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)，培養(yǎng)分析和解決一般工程實(shí)際問(wèn)題的能力，并使所學(xué)的知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)展；通過(guò)設(shè)計(jì)，使我掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力；學(xué)會(huì)從機(jī)器功能的要求出發(fā)，合理選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類型，制定設(shè)計(jì)方案，正確計(jì)算零件的工作能力，確定它的尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)及材料，并考慮制造工藝、使用、維護(hù)、經(jīng)濟(jì)和安全等問(wèn)題，培養(yǎng)獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。
當(dāng)然在設(shè)計(jì)過(guò)程中，也碰到了許多問(wèn)題。在老師的指導(dǎo)和一些同學(xué)的幫助下，我也盡自己的努力去克服困難，最后順利地完成了整個(gè)設(shè)計(jì)。由于本人缺乏經(jīng)驗(yàn)及水平有限，設(shè)計(jì)仍存在一些問(wèn)題，如機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析以及缺少機(jī)器人的動(dòng)作模擬仿真，望老師給予指正。
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致 謝
時(shí)光匆匆如流水，轉(zhuǎn)眼便是大學(xué)畢業(yè)時(shí)節(jié)，春夢(mèng)秋云，聚散真容易。離校日期已日趨臨近，畢業(yè)論文的的完成也隨之進(jìn)入了尾聲。從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，一直都離不開老師、同學(xué)、朋友給我熱情的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意!
本課題及論文是在我的指導(dǎo)老師許瑛博士的悉心指導(dǎo)下完成的。課題從實(shí)施到論文撰寫、修改，無(wú)不傾注著許老師的智慧合心血。許老師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、開拓創(chuàng)新的工作作風(fēng)和對(duì)學(xué)術(shù)執(zhí)著不虞的追求精神給我留下了深刻的印象，并使我終身受益。時(shí)至今日，在此論文完成之際，作為桃中一李，我想向我的指導(dǎo)老師許老師致以我由衷的謝意和崇高的敬意。
由于受時(shí)間和水平的限制，現(xiàn)代機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還存在著不夠完善的方面甚至有些錯(cuò)誤，懇請(qǐng)老師和專家指教，能使本設(shè)計(jì)更完善并能付諸于實(shí)際，制造出所設(shè)計(jì)的機(jī)器人，將是很欣慰的事情。
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