1、关节型机器人腕部结构及控制系统设计摘 要为了提高生产效率，满足一些特定的工作要求，本题设计的关节型机器人的手腕用于焊接、喷漆等方面。通过合理的设计计算，拟定了手腕的传动路径，选用直流电动机，合理布置了电机、轴和齿轮，设计了齿轮和轴的结构，实现了摆腕、转腕和提腕的三个自由度的要求。设计中大多采用了标准件和常用件，降低了设计和制造成本。关键词：自由度，关节型机器人，手腕ABSRACTIn order to improve production efficiency and meet some of the specific requirements, design of ontology of r
2、obot 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.
3、 In the design of the standard and common people, the design and manufacturing cost.Keywords: freedom, Joint robot, The wrist关节型机器人腕部结构及控制系统设计目录1 绪论 -11.1 选题背景及意义 -11.2 文献综述（国内外发展和研究现状） -21.3 机器人的现状与发展 -32 手腕结构的确定 -73.基本参数的确定4 电机的选择 -83.1 提腕电机的选择 -83.2 摆腕和转腕电机的选择 -85 总传动比的确定及传动比的分配 -94.1 各级传动比的计算 -9
4、4.2 传动比的分配 -96 齿轮设计 -105.1 偏转部分齿轮设计 -5.2 摆腕部分齿轮设计 -5.3 转腕部分齿轮设计 -7 轴的设计与校核 -6.1 轴的结构设计 -6.2 轴的校核计算 -8 控制系统设计 -7.1 控制方法的确定 -7.3 PLC 的 IO 图绘制 -7.4 PLC 梯形图设计 -结论 -参考文献 -致谢 -关节型机器人腕部结构及控制系统设计01 绪论1.1 选题背景及其意义本题设计的是关节型机器人腕部结构，主要是整体方案设计和手腕的结构设计及控制系统设计，此课题来源于实际生产，对于目前手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练成都要求高，因此采用机器人
5、技术，实现焊接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产力，实现生产过程自动化，改善劳动条件。题目要求是：动作范围：手腕回转 ,摆动 ,旋1509转 。各轴最大速度要求： 。额定载荷 ，最大速度 。2、腕360s/30kg5sm/3部最大负荷：5kg。机器人是近 30 年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。自古以来,人们所设想的机器人一般是一种在外形和功能上均能模拟人类智能的机器。特别是在 20 世纪 20 年代前后,捷克和美国的一些科
6、幻作家创作了一批关于未来机器人与人类共处中可能发生的故事之类的文学作品,更使机器人在人们的思想中成为一种无所不能的“超人”。在现实生活中,一些民间工匠根据这些文学描绘,也制造出一些仿人或仿生的机器人。然而在当时的科技条件下,要使机器人具有某种特殊的“智能”而成为“超人”,显然是不可能的。美国的戴沃尔设想了一种可控制的机械手,他首先突破了对机器人的传统观点,提出机器人并不一定必须像人,但是必须能做一些人的工作。1954 年,他依据这一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装置,发表了适用于重复作业的通用性工业机器人一文,并获得了美国专利。戴沃尔将遥控操纵器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴联结在一
7、起,预定的机械手动作一经编程输入后,机械等就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人也可以接受示教而完成各种简单任务。示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列记录在数字存储器中，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列。1.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势） 随着全球能源短缺、环境污染以及温室效应等问题的日益突显。寻找可持续的能源近年来，工业机器人的应用越来越广泛，种种迹象表明工业自动化时代已经到来，工业机器人极有可能成为下一个迎来爆发式增长的新兴产业。另一方面，中国工业机器人产业正处于前所未有的机遇期，政策红利、工业转型关节型机器人腕
8、部结构及控制系统设计1升级需求释放等机遇叠加，但中国工业机器人产业化发展却不尽如人意，产业化进程发展缓慢。工业机器人是生产过程中的关键设备，可用于安装、制造、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车及汽车零部件、电气电子、化工、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC 装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版等众多行业，应用领域广泛。产业具备加速发展条件，中国工业机器人的规模、分布、技术、应用是产业加速发展的基础和条件。总体来看，中国工业机器人产业处于起步期，整体规模较小；受产业发展阶段影响，龙头企业多分布在研发集中的东北地区；技术投入虽逐年增长，但核心技术尚未产业化；人力替代需求旺盛，市场
9、应用前景广阔。国际工业机器人协会统计资料显示，20082012年，我国工业机器人平均每年安装量约15000台，2012年新安装量24800台。工业机器人产业经过20多年发展，基本实现了从试验、引进到自主开发的转变。中国目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。但我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的差距，主要体现在：产品可靠性、精确度低于国外产品；机器人应用领域较窄，生产线系统技术与国外比仍有差距；自主创新不足，诸多技术方面停留在仿制层面，关键零部件依赖进口
10、，特别是在高性能交流伺服电机和高精密减速器方面的差距尤为明显；在加工工艺方面，国内厂商的热处理技术较弱，直接影响工业机器人的控制精度。当前，我国的机器人生产品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本高，而且质量、可靠性都不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。目前，工业机器人产业发展处于内外部机遇叠加的重要发展期，工业转型升级推动装备产业发展、人口增长趋势有利于释放市场容量、商业模式创新活跃。同时，工业机器人产业经过初期的技术积累和产品市场规模的不断扩大，正逐步接近产业化快速发展的临界点。工业机器人是我
11、国制造业转型升级必不可少的高端装备，是我国“十二五”规划中重点发展的七大战略性新兴产业之一，也是其他新兴产业发展的重要基础。随着我国产业转型升级的逐步推进，对以工业机器人为代表的智能装备的需求，将呈爆发式增长。工业机器人产业作为战略性新兴产业，其产业化的快速发展与商业模式的创新密不可分。工业机器人产业已经具备了基础技术条件，足以支撑产业化的关节型机器人腕部结构及控制系统设计2快速发展。商业模式的建立有利于加快形成工业机器人产业体系，改变原有的产业形态。在信息技术、互联网技术基础上积累的商业模式创新经验，为工业机器人产业的发展提供了可资借鉴的良好经验。机器人的应用，是从特种作业领域，逐渐向工业装
12、备领域进行大规模市场拓展的，目前在众多领域已呈爆发式增长。同时，中国工业机器人面临巨大挑战。产业发展缺乏战略层面规划，难以适应现阶段产业化加速发展的要求；技术创新能力薄弱，关键零部件仍难以走出实验室实现产业化，缺乏核心竞争力；在国外企业垄断全球市场的格局下，传统模仿跟随的发展路径与加速做大总量的现实需求不匹配。产业发展政策与产业发展阶段不协调。众多国家级重大项目涉及机器人领域，各地方政府也在大力投资机器人产业。但目前工业机器人还没有建立起产业体系，管理缺失，导致产业规划、政策研究、标准体系建设等行业重点工作存在缺位。2 手腕结构的确定手腕是联接手臂和末端执行器的部件，处于机器人操作机的最末端，
13、其功能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个坐标位置的基础上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，即实现三个自由度。如下图所示，三个电机成三角形分布。关节型机器人腕部结构及控制系统设计3图 21 传动原理图3.基本参数的确定空间结构和手腕结构的确定，那么手腕回转、手腕摆动、和手腕旋转三个姿态的自由度也得到了实现。表 3-2 机器人的主要规格参数手腕回转 150s/30手腕摆动 9动作范围手腕旋转 36s/额定载荷 kg5最大速度 sm/4 手腕详细设计说明本课题的机器人将采用直流伺服电动机。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大
14、，稳定性好等优点。4.1 手腕电机的选择4.1.1 提腕电机的选择手腕的最大负荷重量 ，初估腕部的重量 ，最大运动速度kgm51kgm102V=3m/s功率 WVFp40关节型机器人腕部结构及控制系统设计4取安全系数为 1.2， Wp5402.1. 考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率 。p6额执行机构的最大转速为n= r/min286106DV经查表按推荐的传动比合理范围 i= ,电动机转速范围是 n=1988 到408到11440r/min选择 Z 型并励直流电动机，技术参数如下表 4-1 Z 型并励直流电动机技术参数型 号 额定电压 （V）额定转矩(N/m)额定转速 (r/m)参考功率
15、(W)重量 (kg)Z200/20-400 200 2.86 2000 600 5.54.1.2 摆腕和转腕电机的选择根据设计要求取相同型号的电机，选择 Z 型并励直流电动机，型号为Z200/20-400。 4.2 传动比的确定4.2.1 总传动比的确定转腕传动比的确定由上面算的 n=286。47r/min最后求得总传动比i 总 8 取整 i 总=8n47.260同理：提腕腕传动比的确定i 总 16150摆腕腕的传动比：关节型机器人腕部结构及控制系统设计5i 总 14n143204.3 传动比的分配a 转腕传动比的分配4,2i31i低 速 级高 速 级 传 动 比 为b 提腕传动比的分配,i3
16、412i低 速 级高 速 级 传 动 比 为C 摆腕传动比的分配7,i3412i低 速 级高 速 级 传 动 比 为5.齿轮的设计5.1 提腕部分齿轮设计A. 第一极圆柱齿轮传动齿轮采用 45 号钢，锻造毛坯，正火处理后齿面硬度 170190HBS，齿轮精度等级为 7 极。取 。a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b.按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 （41）3121uKTZddHEt 其中， ， ，8.0du， ， ，9ZaEMP8.198.1HZmNnT 674.2505. 661选择材料的接触疲劳极根应力为：MPaH80lim1 PaHl
17、im2关节型机器人腕部结构及控制系统设计6选择材料的接触疲劳极根应力为：MPaF230lim1 MPaF210lim应力循环次数 N 由下列公式计算可得（4-2）tn161683029.4则 9912 106.23.uN接触疲劳寿命系数 ,.1Z.2N弯曲疲劳寿命系数 NY接触疲劳安全系数 ，弯曲疲劳安全系数 ,又 ，minHS 5.1minFS0.2STY试选 。3.1tK求许用接触应力和许用弯曲应力： MPaYSaZSPNFTFNH28015.2067.3.3.591.806.1minl21il12minl2il1 将有关值代入（41）得： mmuKZddtHEt65.4218.06731
18、2.918.33121则 sndvt /5.40.10sz /9./72关节型机器人腕部结构及控制系统设计7动载荷系数 ；使用系数 ；动载荷分布不均匀系数 ；0.1Kv1AK02.1K齿间载荷分配系数 ，则a 3.021.avH修正 mdtHt 91.43.65.431mz0.29.1取标准模数 。 c.计算基本尺寸 mzmad7521084212 d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数 ， 1.4FSY8.32FS取 70校核两齿轮的弯曲强度YmzKTFSdF1321（43）MPa7.045.208.6311FPa2122 97430FFSF MY所以齿轮完全达到要求。关节型机器人腕部结构及
19、控制系统设计8表 51 齿轮的几何尺寸名称 符号 公式分度圆直径 dmz4021mzd80422齿顶高 ahha1齿根高 f chaf 5.).()(齿全高 fa齿顶圆直径 1ad da421hdaa8422齿根圆直径 f mff 75.3mff 7基圆直径 1b b96cos1b9.cos2齿距 pp85.14.齿厚 ss3/齿槽宽 e me92.中心距 ada7/)(1顶隙 cc65.0.由于小齿轮分度圆直径较小，考虑到结构，小齿轮将做成齿轮轴。B. 第二极圆柱齿轮传动齿轮采用 45 号钢，调质处理后齿面硬度 180190HBS，齿轮精度等级为7 极。取 .8024,201z则在上面已经算
20、出模数 m=2,所以第二级齿轮的参数如下：表 52 齿轮的几何尺寸名称 符号 公式关节型机器人腕部结构及控制系统设计9a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b. 按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度的设计表达式（44）3 2121 )5.0(8.4 uKTZdRRHEt 其中， ， ，8.0d5u， ，aEMPZ19.1HZmNnT9502 66选择材料的接触疲劳极根应力为：PaH580lim1 MPaHli2选择材料的接触疲劳极根应力为：MF23li1F10lim2应力循环次数 N 由下式计算可得（4-5）atn16016832分度圆直径 dmz4021mzd16
21、0822齿顶高 ahha1齿根高 f chaf 5.).()(齿全高 fa4齿顶圆直径 1ad da421hdaa1622齿根圆直径 f mff 75.3h82基圆直径 1b b6.cos1mb4.50cos2齿距 pp8.143齿厚 ss/齿槽宽 eme.2中心距 ada0/)(1顶隙 cc5关节型机器人腕部结构及控制系统设计1091023.4则 9912 86.5.uN接触疲劳寿命系数 ,.1Z02.1N弯曲疲劳寿命系数 2NY接触疲劳安全系数 ，弯曲疲劳安全系数 ,又 ，minHS 5.1minFS0.2STY试选 。3.1tK求许用接触应力和许用弯曲应力： MPaYSaZSPNFTFN
22、H28015.2067.3.3.591.806.1minl21il12minl2il1 将有关值代入（44）得： mmuKTZdRRHEt3.4 2)3.051(.80946591.8. ).(23 2121则 sndvt /.3.011 sz/96.0/5.2动载荷系数 ；使用系数 ；齿向载荷分布不均匀系数.1Kv1AK；齿间载荷分配系数取 ，则02.1 a03.2.0.aAH修正 mdtHt 9.13431关节型机器人腕部结构及控制系统设计11mzdm95.120.31取标准模数 。 c.计算基本尺寸 mzmad120421021 d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数 ， 1.4FSY8
23、.32FS取 7.0校核两齿轮的弯曲强度（4-6）23211)5.0(4umzYKTRRFSFMPa232510)8.(. .4912FMPa212 9.43FFSF aY所以齿轮完全达到要求。表 53 齿轮的几何尺寸 符号 公式分度圆直径 d mz4021 mzd2012齿顶高 ahha齿根高 f chaf 6.).()(齿顶圆直径 dos1haacos2齿根圆直径 fdff 372dff 197齿顶角 a 0195./tnRha齿根角 f 3ff分度圆锥角 6.2/simz顶锥角 a aa关节型机器人腕部结构及控制系统设计12根锥角 f 10ff锥距 RmzR2sin/齿宽 bb4.)35
24、.20由于小齿轮的分度圆直径较小，所以作成齿轮轴。5.2 提腕腕部分齿轮设计第一极圆柱齿轮传动：齿轮采用 45 号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为 7 极。取 。402,201z则a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b.按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 （41）3121uKTZddHEt 其中， ， ，8.0du， ， ，9ZaEMP8.198.1HZP=mgV=10*10*3=300w/s n=150r/smNnT205305. 661选择材料的接触疲劳极根应力为：MPaH8lim1 PaH6li2选择材料的接触疲劳极
25、根应力为：F230li1 MF10lim2应力循环次数 N 由下列公式计算可得（4-2）atn161683029.4则 9912 106.23.uN关节型机器人腕部结构及控制系统设计13接触疲劳寿命系数 ,1.NZ02.N弯曲疲劳寿命系数 2Y接触疲劳安全系数 ，弯曲疲劳安全系数 ,又 ，试minHS 5.1minFS0.2STY选 。3.1tK求许用接触应力和许用弯曲应力： MPaYSaZSPNFTFNH28015.2067.3.3.591.806.1minl21il12minl2il1 将有关值代入（41）得： mmuKZddtHEt45. 218.03126.918.33121则 snd
26、vt /5.40.106sz /936./72动载荷系数 ；使用系数 ；动载荷分布不均匀系数 ；Kv1AK02.1K齿间载荷分配系数 ，则1a 3.021.avH修正 mdtHt 41.03.65.431mz20.1取标准模数 。 c.计算基本尺寸关节型机器人腕部结构及控制系统设计14mzmad1026480212 d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数 ， 1.4FSY8.32FS取 70校核两齿轮的弯曲强度YmzKTFSdF1321（43）MPa7.045.208.311FPa2122 97.3.40FSF MY所以齿轮完全达到要求。名称 符号 公式分度圆直径 dmz4021mzd1608
27、22齿顶高 ahha1齿根高 f chaf 5.).()(齿全高 fa4齿顶圆直径 1ad da421hdaa1622齿根圆直径 f mff 75.3h82基圆直径 1b b6.cos1mb4.50cos2齿距 pp8.143齿厚 ss/齿槽宽 eme.2中心距 ada0/)(1关节型机器人腕部结构及控制系统设计15表 54 齿轮的几何尺寸第二级传动使用圆柱齿轮传动，齿轮采用 45 号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为 7 极。取 。经计算齿轮8024,201zz则满足要求。表 55 齿轮的几何尺寸5.3 摆腕腕部分齿轮设计第一极圆柱齿轮传动：齿轮采用 45 号钢，调质处
28、理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为 7 极。取 。经计算齿轮402,201zz则满足要求。小齿轮作成齿轮轴。a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。顶隙 c mc5.02.名称 符号 公式分度圆直径 dmz4021mzd160822齿顶高 ahha1齿根高 f chaf 5.).()(齿全高 fa4齿顶圆直径 1ad da421hdaa1622齿根圆直径 f mff 75.3h82基圆直径 1b b6.cos1mb4.50cos2齿距 pp8.143齿厚 ss/齿槽宽 eme.2中心距 ada0/)(1顶隙 cc5关节型机器人腕部结构及控制系统设计16b.按
29、齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 （41）3121uKTZddHEt 其中， ， ，8.0du， ， ，9ZaEMP8.198.1HZP=mgV=10*10*3=300w/s n=150r/smNnT205305. 661选择材料的接触疲劳极根应力为：MPaH8lim1 PaH6li2选择材料的接触疲劳极根应力为：F230li1 MF10lim2应力循环次数 N 由下列公式计算可得（4-2）atn161683029.4则 9912 106.23.uN接触疲劳寿命系数 ,.1Z.2N弯曲疲劳寿命系数 NY接触疲劳安全系数 ，弯曲疲劳安全系数 ,又 ，minHS 5.1minF
30、S0.2STY试选 。3.1tK求许用接触应力和许用弯曲应力：关节型机器人腕部结构及控制系统设计17 MPaYSaZSPNFTFNH28015.2067.3.3.591.806.1minl21il12minl2il1 将有关值代入（41）得： mmuKZddtHEt45. 218.03126.918.33121则 sndvt /5.40.106sz /936./72动载荷系数 ；使用系数 ；动载荷分布不均匀系数 ；Kv1AK02.1K齿间载荷分配系数 ，则1a 3.021.avH修正 mdtHt 41.03.65.431mz20.1取标准模数 。 c.计算基本尺寸 mzmad102648021
31、2 d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数 ， 1.4FSY8.32FS取 70关节型机器人腕部结构及控制系统设计18校核两齿轮的弯曲强度YmzKTFSdF1321（43）MPa7.045.208.311FPa2122 97.3.40FSF MY所以齿轮完全达到要求。表 56 齿轮的几何尺寸名称 符号 公式分度圆直径 dmz4021 mzd80422齿顶高 ahha1齿根高 f cf 5.).()(齿全高 fa齿顶圆直径 1ad da421hdaa8422齿根圆直径 f mhff 35mff 7基圆直径 1b b6.7cos1b1.5cos2齿距 pp8.14齿厚 ss3/齿槽宽 e me.2
32、中心距 ada60/)(1顶隙 cc5第二极圆锥齿轮传动：齿轮采用 45 号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为 7 极。取 。经计算齿轮14027,201z则满足要求。小齿轮作成齿轮轴。a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b. 按齿面接触疲劳强度设计关节型机器人腕部结构及控制系统设计19齿面接触疲劳强度的设计表达式（44）3 2121 )5.0(8.4 uKTZdRRHEt 其中， ， ，8.0d5u， ，aEMPZ19.1HZP= w/s n=143r/min03mgv mNnT950143.5.5. 661选择材料的接触疲劳极根应力为：MP
33、aH80lim1 MPaH6li2选择材料的接触疲劳极根应力为：F23li1 F10lim2应力循环次数 N 由下式计算可得（4-5）atn160168329.4则 9912 1086.503.uN接触疲劳寿命系数 ,.1Z2.N弯曲疲劳寿命系数 2NY接触疲劳安全系数 ，弯曲疲劳安全系数 ,又 ，minHS 5.1minFS0.2STY试选 。3.1tK求许用接触应力和许用弯曲应力：关节型机器人腕部结构及控制系统设计20 MPaYSaZSPNFTFNH28015.2067.3.3.591.806.1minl21il12minl2il1 将有关值代入（44）得： mmuKTZdRRHEt3.4
34、 2)3.051(.80946591.8. ).(23 2121则 sndvt /.3.011 sz/96.0/5.2动载荷系数 ；使用系数 ；齿向载荷分布不均匀系数.1Kv1AK；齿间载荷分配系数取 ，则02.1 a03.2.0.aAH修正 mdtHt 9.13431zm52091取标准模数 。 c.计算基本尺寸 mzmad16028410221 d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数 ， 1.4FSY8.32FS取 7.0关节型机器人腕部结构及控制系统设计21校核两齿轮的弯曲强度（4-6）23211)5.0(4umzYKTRRFSFMPa232510)8.(. .4912FMPa212 9
35、.43FFSF aY所以齿轮完全达到要求。表 57 齿轮的几何尺寸名称 符号 公式分度圆直径 d mz4021 mzd280142齿顶高 ahha齿根高 f chaf 6.).()(齿顶圆直径 dos1haacos2齿根圆直径 fdff 372dff 27齿顶角 a 0195./tnRha齿根角 f 3ff分度圆锥角 6.2/simz顶锥角 a aa根锥角 f 10ff锥距 RzRsin/齿宽 bb4.2)35.20(6 轴的设计和校核轴的结构决定于受力情况、轴上零件的布置和固定方式、轴承的类型和尺寸、轴的毛坯，制造和装配工艺、以及运输、安装等条件。轴的结构，应使轴受力合理，避免或减轻应力集中
36、，有良好的工艺性，并使轴上零件定位可靠、装配方便。对于要求刚度大的轴，还应该从结构上考虑减少轴的变形。6.1 摆腕输入轴的设计a:轴的材料为 45 号刚，调制处理。（1）求输入功率，转速和转矩。关节型机器人腕部结构及控制系统设计22根据电机的基本参数可以知道 p1=0.6kwn1=2000r/min T1=9550000 2860N/mm206.2 初步确定轴的最小直径。取 A0=112，于是得 dmin=A0 =112 =10mm3nP320.根据联轴器的型号选轴的最小直径是 12mmb: 各段轴径和长度的确定初估轴径后，就可按照轴上零件的安装顺序从 处开始逐段确定轴径，mind上面计算的
37、是轴段 1 的直径 d1=12mm，L1=10mm。mind轴段 2 要起到过度作用，所以取 d2=22mm,L2=33mm。轴段 3 的 d3=30mm,L3=5mm。轴段 4 要做成齿轮轴所以取 d4=44mm,L4=42mm。轴段 5，d5=d3=30mm,L5=20mm。轴段 6 考虑要安装轴承，内径要符合轴承安装条件，所以取d6=25mm,L6=16mm。（2）轴的强度校核轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准则是满足轴的强度或刚度要求。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的方法，并恰当地选取其许用应力，对于用于传递转矩的轴应按扭转强度条件计算，对于只
38、受弯矩的轴（心轴）应按弯曲强度条件计算，两者都具备的按疲劳强度条件进行精确校核等。关节型机器人腕部结构及控制系统设计23图 42 轴的受力分析和弯扭矩图a 轴上的转矩 T：主轴上的传递的功率：P 轴 kw48.0p（4-8）nP615.920.Nm求作用在齿轮上的力： )(71.2065.9)(.142 NtgtgFdTzrtt 关节型机器人腕部结构及控制系统设计249.418cos206.1costgtgFrN4atb 画轴的受力简图 见图 42c 计算轴的支撑反力在水平面上FNH2 NllFr54.82139.423rNHN 6-21在垂直面上 FtNV921d 画弯矩图 见图 42在水平
39、面上， 剖面左侧amNllFMNH 54.7946.152561 剖面右侧allFNH 86.50394.8232在垂直面上 mNllFnvMV 142924561 N7392合成弯矩， 剖面左侧amNMVH160425.72剖面右侧a关节型机器人腕部结构及控制系统设计25mNMaVH 63.890756.03 22e 画转矩图 见图 42dFTt 25081f. 判断危险截面截面左右的合成弯矩左侧相对右侧大些，扭矩为 T，则判断左侧a为危险截面，只要左侧满足强度校核就行了。g.轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力 ， ，Mpab601=pab10=.0160=b截面左侧a 32323 4.814
40、)3-(705-41.0)(-. mdtblW.8)6()( 2222TMeh. 轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度 ，弯曲疲劳强度 ，剪切疲劳极限paB650=Mpa301，等效系数 ， Mpa152.0=截面左侧32323 9.146)3-(742-.)(-.0 mdtblW查得 ， ；查得绝对尺寸系数 ， ；轴经磨1=K8. 95.0.=削加工，表面质量系数 。则1弯曲应力 ，MPab6.14.5730应力幅 pa平均应力 0=m关节型机器人腕部结构及控制系统设计26切应力 MpaWT46.2819Tma73.0安全系数 7.1802.6.1950.1 maKS73.0.2.181ma
41、15.07.822S查许用安全系数 ，显然 ，则 剖面安全。5.13=Sa6.2 提腕的输入轴的设计与校核。a:轴的材料为 45 号刚，调制处理。1 求输入功率，转速和转矩。根据电机的基本参数可以知道 p1=0.6kwn1=2000r/min T1=9550000 2860N/mm206.2 初步确定轴的最小直径。取 A0=112，于是得 dmin=A0 =112 =10mm3nP320.根据联轴器的型号选轴的最小直径是 12mm。所以轴段 1d1=12mm,L1=39mm.轴段 2 是齿轮轴，根据齿轮的尺寸确定 d2=40mm,L2=33mm。关节型机器人腕部结构及控制系统设计272.2 轴的强度校核a 轴上的转矩 T：主轴上的传递的功率：P 轴 kw48.0p（4-8）nP615.92048.15.96Nm求作用在齿轮上的力：
