工業(yè)機器人專用減速器的設計

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1、摘 要 工業(yè)機器人專用減速器作為重要的機械傳動部件具有體積小、重量輕、傳動效率高等特點。本設計全面考慮到運轉平穩(wěn)、多齒嚙合、輪齒均載等運動學和動力學的要求，從而實現(xiàn)承載能力高、傳遞效率高、可靠性高和動力學性能優(yōu)良等指標，并且要便于制造、裝配和檢修，設計了具有合理結構的工業(yè)機器人專用減速器即擺線針輪行星減速器。 本論文所涉及的科研項目主要通過對擺線針輪行星減速器的主要零件的概念進行詳細闡述，給出了擺線針輪減速器的用途，使用說明以及注意事項。列出了擺線針輪行星減速機的構造即輸出部分，輸入部分。通過對針擺行星傳動減速器傳動工作原理和特點進行分析，對針輪輸出機構及針擺行星傳動這種傳

2、動方式進行分析，以獲得其理論設計和方法。從擺線針輪行星傳動的共同點出發(fā)以及針擺輪行星減速器相對于少齒差行星減速器的優(yōu)點提出針擺行星傳動形式的設計計算方法。 本論文主要從以下方面出發(fā)對擺線針輪行星傳動進行了研究:參照傳統(tǒng)針擺行星傳動基本設計計算方法以及對擺線針輪行星傳動主要零部件的基本參數(shù)設計計算，并對擺線輪、柱銷，針輪進行受力分析最終計算出轉臂軸承和各支撐軸承所能承受的載荷大小，完成包括擺線輪、柱銷等主要零件強度校核計算和軸承的壽命計算，給出主要零件機械加工的工藝過程，然后利用CAD畫出了主要零件的草圖和最后的裝配圖。 關鍵詞：擺線傳動 ； 擺線輪 ； 受力分析

3、 Abstract The cycloid—gear reducer is one of the most important transmission components of the pumping unit by its smaller volume，lighter weight and effective transmission. In order to realize four targets which include high transmission efficiency, high rel

4、iability and the excellent dynamics performance and guarantee credible lubricate ability, receive high efficiency of transmission, and make it easy for manufacture, assembly and inspection, we thought over all the requests in the round and design the rational structure cycloid—gear reducer. By anal

5、yzing characteristics and working principle of cycloid drive, and the output pin wheel cycloid drive’s working principle, we obtion the design theory and method of this new kind of reduce. This paper mainly complete works include that provide the design method and complete the prototype design and d

6、ynamics analysis of virtual prototype. This paper researches the following aspects of the output pin wheel cycloid drive. First, the basic parameters and dimensions of main parts of the output pin wheel cycloid drive are designed referring to design and calculation methods of the traditional cycloi

7、d drive, and mechanical analysis of the transmission system and the load condition and life of rotary arm bearings and steady bearings of each shafts are calculated, and at the same time the calculations including the strength of cycloid wheel, pins and other major parts are completes. Then, using C

8、AD to draw sketches of the main components and final assembly drawing. Keywords：Planet—cycloid Reducer; Cycloid ;force analysis 目 錄 摘 要 III Abstract IV 目 錄 V 1 緒論 1 1.1 課題研究的背景和依據 1 1.2 本課題的研究意義 1 1.3 課題國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 2 擺線針輪行星傳動的簡介 4

9、 2.1擺線針輪的概念 4 2.2 擺線針輪減速機的用途，使用說明和注意事項 4 2.2.1 用途 4 2.2.2 使用條件 4 2.2.3 潤滑 4 2.2.4 安裝 5 2.3 擺線針輪行星減速器的構造 5 2.4 齒廓曲線的形成及其嚙合原理 6 2.5 擺線針輪行星傳動的特點及應用 8 3工業(yè)機器人的總體設計 9 3.1工業(yè)機器人的組成 9 3.1.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 9 3.1.2 工業(yè)機器人的基本機能組成 9 3.2 機器人的結構分析 9 3.2.1 機器人的總體結構的概念 9 3.2.2機器人的傳動結構 10 3.3機器人的設計分析及總體方案

10、的確定 11 3.3.1 設計的任務要求 11 3.3.2總體方案的確定 12 3.3.3 工業(yè)機器人的主要技術參數(shù) 12 4 擺線針輪行星齒輪傳動的傳動比計算和傳動特點 12 4.1擺線針輪行星齒輪傳動的傳動比計算 13 4.2嚙合的齒廓形成原理 14 5 擺線針輪行星齒輪傳動設計 15 5.1針輪行星輪系的材料 15 5.2 第一套擺線針輪加速器的設計 15 5.2.1 選擇結構形式，齒數(shù)及材料 15 5.2.2 強度計算針齒中心圓半徑 15 5.2.3計算擺線輪和針輪的幾何尺寸 16 5.2.4 轉臂軸承的選擇計算 17 5.2.5 針齒銷彎

11、曲強度計算 18 5.2.6 W輸出機構銷軸彎曲強度計算 19 5.3 第二套擺線針輪減速器的設計 20 5.3.1 選擇結構形式，齒數(shù)及材料 20 5.3.2 接觸強度計算針齒中心圓半徑 20 5.3.3 計算擺線輪和針輪的幾何尺寸 20 5.3.4 轉臂軸承的選擇計算 21 5.3.5 針齒銷彎曲強度計算 22 5.3.6 W輸出機構銷軸彎曲強度計算 22 6行星齒輪傳動輸出軸的軸承選擇 24 7 主要零件的機械加工工藝規(guī)程 25 7.1 擺線輪的加工工藝路線 25 7.2 針齒殼的加工工藝路線 26 7.3 輸出軸加工工藝 26 7.4 偏心套加工工藝

12、 27 8結論與展望 29 8.1 結論................................................................................................................................29 8.2 展望................................................................................................................................29

13、致謝 .30 參考文獻 31 1 緒論 1.1 課題研究的背景和依據 減速器是連接動力機部分和工作機部分的應用最為廣泛的通用傳動機械，行星齒輪減速器對齒輪的齒廓曲線的主要要求是保證瞬時傳動比是常數(shù)。目前，滿足這一要求的常用于齒輪傳動的齒廓曲線主要是漸開線和擺線。 1926年L.Braren發(fā)明了擺線針輪減速器，在少齒差行星傳動結構上，將變幅外擺線的內側等距曲線首先用于行星輪廓曲線并且把圓弧作為中心輪齒廓曲線以及漸開線少齒差行星傳動模式，保留Z-X-F類N型行星齒輪傳動。此發(fā)明專利被日本住友公司于1938年買斷，當時日本人執(zhí)行的是“引進—消化—創(chuàng)新”技術路線。 擺線

14、針輪傳動與普通漸開線齒輪或蝸輪傳動相比的主要優(yōu)點有：高傳動比和高效率，一級減速時傳動比范圍是11～87，兩級減速時的傳動比范圍是20～128；同軸輸出機構重量輕和體積??；傳動平穩(wěn)且噪音低；因為針擺傳動同時嚙合的齒數(shù)要比漸開線齒輪傳動同時嚙合的齒數(shù)多，所以承載能力較大，嚙合效率較高。 1.2 本課題的研究意義 減速器是各種機械設備中最常見的部件,它的作用是將電動機轉速減少或增加到機械設備所需要的轉速, 擺線針輪行星減速器由于具有減速比大、體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點，在許多情況下可代替二級、三級的普通齒輪減速器和渦輪減速器，所以使用越來越普及，為世界各國所重視。 擺線針輪行星減速器作為重要

15、的機械傳動部件具有體積小、重量輕、傳動效率高的特點。本設計在全面考慮多齒嚙合、運轉平穩(wěn)、輪齒均載等運動學和動力學的要求，現(xiàn)高承載能力、高傳遞效率、高可靠性和優(yōu)良動力學性能等指標，而且要便于制造、裝配和檢修，設計了該具有合理結構的擺線針輪行星減速器。 1.3 課題國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 針擺齒輪傳動與普通漸開線齒輪或蝸輪傳動相比的優(yōu)點有：傳動比高和高效率高；同軸輸出結構體積小和重量輕；傳動平穩(wěn)和噪聲低。因為擺線針輪傳動同時嚙合的齒對數(shù)要比漸開線齒輪傳動同時嚙合的齒對數(shù)多，所以承載能力更大，嚙合效率更高；由于擺線輪以及針輪輪齒均可精磨、淬硬，比漸開線少齒差傳動內齒輪的被加工性好，齒面硬度要更

16、高，因而使用壽命更長；擺線輪的加工技術已經成熟，專業(yè)加工設備齊全，因此擺線輪已納入通用件，在國內已做到通用化大批量生產，生產成本下降，因此擺線針輪專用減速器當前得到廣泛應用。擺線針輪減速技術到現(xiàn)在，雖在品種、規(guī)格等許多方面做了改進，但在本質、原理上沒有創(chuàng)新。現(xiàn)如今擺線針輪減速機，其原理和結構依然是1926年德國的原型。 圖1.1 擺線針輪減速器的應用 　　目前，擺線針輪減速器的研究在國內外都得到了積極發(fā)展，從1990年開始，住友機械株式會社在“80系列”的基礎上推出最新“90樣本”的擺線針輪減速器，它的機型由15種擴大到21種，傳動比由8種擴大到16種。我國對日本提高擺線針輪減速器性能

17、的主要措施已進行較深入的分析，并且在趕超世界水平的同時也有了自己的創(chuàng)新成果，如與工程實際相符的擺線輪與輸出機構受力分析以及對擺線輪齒形的優(yōu)化設計等。 擺線針輪減速器所能傳遞的最大功率為132KW，輸入軸的最高轉速為1800r/min。美國研發(fā)直升飛機傳動裝置所做的擺線針輪傳動裝置試驗樣機，采用的是四片擺線輪，可以達到輸入軸動平衡的新結構，輸入轉速達到2000r/min，傳動功率達到205KW。 這些年來國內對擺線針輪傳動的研究一直在不斷發(fā)展，并且也取得了一些成果。主要如下： (1) 中國農業(yè)大學何勝勇對行星擺線針輪減速機虛擬樣機的建造與有限元分析進行了研究； (2） 哈爾濱工業(yè)大學于

18、影，于波，陳建新對擺線針輪行星減速器進行優(yōu)化設計； (3） 天津工程師范學院的戚厚軍建立的2K．v型擺線針輪行星減速器的動力學模型．是以2K-V6型擺線針輪行星減速器為研究對象，在不改變減速器的外形尺寸及結構的情況下，分析了擺線輪修形和短幅系數(shù)對擺線輪齒嚙合剛度的影響規(guī)律，和傳動系統(tǒng)中的各種零件的剛度及針徑系數(shù)對機器整機振動性能的影響； (4） 大連交通大學何衛(wèi)東教授主持的國家自然科學基金資助的項目《高承載能力高傳動效率高可靠性新型針擺行星傳動的研究》的科研成果《雙曲柄四環(huán)板針擺行星傳動》于2005年4月通過鑒定； (5） 浙江大學呂方教授開發(fā)了一種新型的傳動機械——長幅外擺線針輪行星傳

19、動減速機； (6) 大連鐵道學院張動生采用非線性有限元分析軟件MSCMARC建立了擺線輪與各受力齒接觸模型；首次對針齒和擺線輪齒面接觸進行靜態(tài)有限元分析，得出了擺線輪和針齒間的接觸狀態(tài)； (7) 四川大學張流俊在首次應用有限元法取代傳統(tǒng)的經驗法進行擺線針輪減速器的結構設計，并提供了一個通用的擺線針輪減速機結構設計計算軟件包。 (8） 大連鐵道學院關天民和萬朝燕對新型擺線針輪傳動進行理論及受力分析； (9) 大連鐵道學院關天民教授提出了一種較為準確的針擺輪行星傳動銷孔式輸出機構的受力分析理論，利用此理論可以得到整個工作過程中輸出機構和柱銷的受力情況； (10） 鞍山鋼鐵學院高興蚊

20、、黃秋波對具有雙面支撐輸出機構以及多齒差齒形擺線針輪行星傳動的齒廓曲線形狀和嚙合特性進行了理論分析。擺線針輪減速器的發(fā)展趨勢是達到更高的運動精度，更高的傳遞功率和更廣的傳動范圍。 自20世紀90年代以來來，在工業(yè)專用機器人回轉裝置選擇中。擺線輪傳動作為一種比較理想的傳動形式應用其中。如日本住友重機械工業(yè)株式會社研發(fā)成功的機器人用R．v列，F(xiàn)A系列及FT系列產品均采用了擺線針輪傳動結構形式，由于采用了最新的設計理論。從而產品外型美觀大方、結構合理、傳遞功率得到提高。 近年來出現(xiàn)了數(shù)種在擺線針輪行星傳動基礎上的新型傳動型式，使其能夠更好適應高 精度的運動傳遞和控制，用于機器人關節(jié)驅動、精密機

21、床等高精度擺線輪傳動技術的研究，其中常用的有以下幾種： (1). TWINSPFN減速器近來由斯洛伐克的一家公司推出，這種軸承式減速器不僅能承受非常大的徑向力而且還能承受軸向力，并且使用壽命和傳動效率也有所提高。 (2) .RV減速器。RV減速器是近年來由日本帝人公司推出的一種擺線傳動，是由第一級普通漸開線直齒輪減速器部分和第二級針擺輪減速器部分組合成的兩級行星傳動機構。 (3) .三片擺線輪減速器，是由日本著名的住友重機械工業(yè)株式會社推出的產品，在此傳動中采用了三片相互呈角布置的擺線輪結構，增加了擺線輪的數(shù)量提高了傳動效率。 (4). Dojen減速器由美國Mectrol公司

22、生產，傳動機構采用了機芯式設計，每個針齒都采用懸臂方式，在針齒另一端加工有錐度，和機殼上的錐孔相配合，能自動定心，不僅能保證順利裝配又能消除全部間隙。 (5). 擺線球齒減速器，是一種將外擺線、內擺線輪結合起來的雙擺線減速器，既將針輪改為鋼球齒輪，又將兩擺線輪改為擺線溝槽，因而是擺線針輪減速器的一種變形。 FA高精度減速器是當今世界上最新的傳動裝置，它具有體積小．傳動比范圍大．壽命長、稽度保持穩(wěn)定、效率高等一系列的優(yōu)點．由于它與機器人中常用的諧波傳動相比有較高的疲勞強度、大的剛度和長的壽命。兩且回差耪度高，因此FA減速機在工業(yè)專用機器人傳動中正在得到越來越廣泛的的應用：它還廣泛用于測量裝

23、置，微型大傳動比減速裝置、辦公設備、擺線傳動裝置，智能住宅傳動裝置等機械系統(tǒng)中．由于在這些精密傳動中，通常傳遞的載荷不大，但要求傳動精度高，傳遞運動準確，因而對其傳動鏈的設計要求較高。 2 擺線針輪行星傳動的簡介 2.1 擺線針輪的概念 本課題研究的是工業(yè)機器三自由度手臂采用擺線針輪行星輪傳動的第二和第三臂。擺線針輪行星傳動的齒廓是一種K-H-V行星傳動。行星的齒廓不是線而是擺線。中心內齒采用了針輪。 圖2.1 行星齒輪傳動結構簡圖 行星齒輪減速機：主要傳動結構為：行星輪，太陽輪，外齒圈。行星減速機因為結構原因單級減速最小為3，最大

24、一般不超過10,常見減速比為:3、4、5、6、8、10,減速機級數(shù)一般不超過3，膽有大部分減速機比定制減速機有4級減速。相對其他減速機，行星減速機具有高剛性，高精度，高傳動比，高的扭矩/體積比，終身免維修等特點。因為這些特點，行星減速機是安裝在步進電機和伺服電機上，用來降低轉速，提升扭矩，匹配慣量。 2.2 擺線針輪減速機的用途，使用說明和注意事項 2.2.1 用途 擺線針輪減速機采用擺線針齒嚙合，行星式傳動原理，所以通常也叫行星擺線減速機，行星擺線針輪減速機可以廣泛應用于石油、環(huán)保、化工、水泥、輸送、紡織、制藥、食品 、印刷、起重、礦山、冶金、建筑、發(fā)電等行業(yè)，作為驅動或減速裝置其

25、獨特的平穩(wěn)結果在許多情況下可以替代普通圓柱齒輪減速機及蝸輪蝸桿減速機，因此行星擺線針輪減速機在各個行業(yè)和領域被廣泛應用，受到廣大用戶的普遍歡迎。 2.2.2 使用條件 （1） 擺線針輪減速機允許使用在連續(xù)工作的場合，同時允許正反兩個方向運轉。 （2) 輸入軸的轉速額定轉數(shù)為1500轉/分，在輸入功率大于18.5千瓦時建議采用960轉/分的6級電機配套使用。 （3） 臥式安裝擺線針輪減速機的工作位置均為水平位置。在安裝是最大的水平傾斜角一般小于，在超過時應采用其他措施保證潤滑充足和防止漏油。 （4） 擺線針輪減速機的輸出軸不能受較大的軸向力和徑向力，在有較大軸向力

26、和徑向力時須采取其他措施。 2.2.3 潤滑 （1) 臥式擺線減速機在正常情況下采用油池潤滑，油面高度保持在視油窗的中部即可，在工作條件惡劣，環(huán)境溫度處于高溫時可采用循環(huán)潤滑。 （2） 擺線針輪減速機在常溫下一般選用40?；?0＃機械潤滑油，為了提高減速機的性能、延長擺線針輪減速機的使用壽命，建議采用70?；?0＃極壓齒輪油，在高溫情況下高溫情況下工作時也可應重新考慮潤滑油。 （3） 立式安裝行星擺線針輪減速機要嚴防油泵斷油，一避免減速機的部件損壞。 （4） 加油時可旋開幾座上部的通氣帽即可加油。放油時旋開機座下部的油塞，即可放出油污，該減速機出廠時內部

27、無潤滑油。 （5） 第一次加油運轉100小時應跟換新油，以后再連續(xù)工作，每半年跟換一次，如果工作條件惡劣可適當宿短換油時間，實踐證明減速機的經常換油對于延 長減速機的壽命有著重要作用，在使用過程中應經常補充潤滑油。 2.2.4 安裝 （1） 在擺線針輪減速機的輸出軸上安裝聯(lián)軸器、皮帶輪、鏈輪等連接件時不允許采用直接錘擊方式，因為減速機的輸出軸結構不能承受軸向的錘擊力，可用軸端螺孔旋入螺釘壓入聯(lián)結件。 （2） 輸出軸輸入軸的軸徑選用GB1568-79配合。 （3） 減速機上的吊環(huán)螺釘只限起吊減速機。 （4） 在基礎上安裝減速機時應校準減速機的安裝中

28、心線標準你高，水平度及其相連部分的相關尺寸。校準裝動軸的同心度不應超過聯(lián)軸器所允許的范圍。 （5） 減速機校準時可用鋼制墊塊或鑄鐵墊塊進行，墊塊在高度方面不超過三塊，膽減速機校準后應換入平墊塊。 2.3 擺線針輪行星減速器的構造 行星擺線針輪減速機全部傳動裝置可分為三部分：輸入部分、輸出部分、減速部分。在輸出軸上安裝有一錯位的雙偏心套，在偏心套上安裝有兩個滾珠軸承，形成H結構，兩個擺線輪的中心孔即為偏心套上轉臂軸承的滾道，并由擺線輪與針齒輪上一組環(huán)形排列的真齒輪相嚙合，以組成少齒差嚙合減速機構。從結構上講，擺線針輪行星傳動由四部分組成，即針輪、擺線行星輪、系桿H和輸出機構W

29、。 圖2.2 擺線針輪行星減速器的結構圖 2.4 齒廓曲線的形成及其嚙合原理 擺線行星輪的齒廓曲線為短幅外擺線的等距曲線，這種曲線的形成如圖2.3所示。圖中圓1稱為滾圓，半徑為r1；圓2稱為基圓，半徑為r2。將滾圓1套在基圓2上并相對于基圓2作無滑動的純滾動，則滾圓1上的P在基圓2上所形成的軌跡ec為一條外擺線。而在滾圓外與滾圓相固連的一點M在基圓上所描述的軌跡則稱為短幅外擺線。 圖2.3 齒輪齒廓齒廓的嚙合原理 上述兩圓純滾動所產生的短幅外擺線是從屬于圓2的，而M點則是從屬于圓1上的點；如果將和M分別作為圓2與圓1上的齒廓，那么可將圓2、圓1作為保持純滾動的兩個節(jié)圓

30、，而用曲線和M兩齒廓的嚙合運動來實現(xiàn)兩輪的定傳動比傳動。但是由于與曲線相嚙合的是圓1上的M點，而實際齒廓不可能做成一點，所以要實現(xiàn)兩齒廓的嚙合傳動，可以以M點位圓心，以r2為半徑的小圓柱針銷代替M點作為圓1上的齒廓相應與之嚙合的圓2上的齒廓將是上述短幅外擺線的等距曲線C1C5.擺線針輪傳動就是一短幅外擺線的等距曲線作為行星2的齒廓，一針銷作為固定中心內齒廓1的針齒而形成的一種行星傳動裝置。 當輸入軸帶著偏心套轉動一周時，由于擺線輪上齒廓曲線特點及其受針輪上針齒限制之故，擺線輪的運動稱為既有公轉，又有自轉的平面運動，在輸入軸正轉一周時，偏心套也轉動一周，擺線輪由于相反方向上轉過一個齒差從而的到

31、 減速，再借助W輸出機構，將擺線輪的低速自轉運動通過銷軸，傳遞給輸出軸，從而獲得較低的輸出轉速。 圖2.4 擺線行星輪的齒廓曲線 由圖中可以看出，在圓滾1開始滾動時，滾圓上的P點與基圓上的A點相接觸，接著點P將離開基圓，當滾圓 滾過一周時，滾圓上的P點再次與基圓相接觸，接觸點已到了基圓上的B點，從點A到點B是一個完整的擺線齒廓，從M1到M2也是一個完整的短幅外擺線齒廓。整個過程中，滾圓1滾過的弧長為2r1；而基圓滾過的弧長為2+AB。由于是純滾動，故有 （2.1）

32、 即 （2.2） 式中a為兩輪的中心距 又由于 （2.3） 故聯(lián)立（2.2）（2.3）兩式可解得行星輪的齒數(shù) （2.4） 而針齒的齒數(shù)

33、 （2.5） 這說明針輪和擺線行星輪的齒數(shù)差只能為1，即擺線針輪傳動只能是一齒差行星傳動。由于是一齒差行星傳動，故其傳動比。 2.5 擺線針輪行星傳動的特點及應用 由以上所述可知，擺線針輪行星傳動具有以下主要特點: (1) 減速比大。 一級減速比～87，二級，三級串聯(lián)可獲得更大的減速比 （2) 結構緊湊。 由于采用內嚙合行星傳動，加之擺線行星輪的齒廓曲線為短幅外曲線，使得整個機構結構緊湊，體積和重量均大大減小。 （3) 傳動效率高。由于擺線輪和針輪嚙合處輸出機構上均裝有滾套，使

34、工作表面相對滑動小，因此減少了功率損耗；又由于其嚙合角較小，減輕了軸承的載荷，從而提高了效率。其效率一般可達90～94%。 （4）傳動穩(wěn)定，載荷能力較高。由于采用短幅外擺線作為行星輪的齒廓，增大了齒廓的曲率半徑，從而使輪齒的接觸強度得到提高，使其比漸開線少齒差傳動更能承受過載和沖擊。 （5） 使用壽命長。 由于擺線輪和針輪均采用優(yōu)質材料，又經過淬火處理提高了機械性能；加之針齒上加有套筒，使針齒與擺線輪之間的滾動摩擦減小，故磨損小，壽命長。 （6） 與漸開線少齒差行星傳動相比，無齒頂相碰和嚙合重疊干涉的現(xiàn)象。 其缺點在于: (1) 制造成本高。 材料的優(yōu)質本

35、質就是對材料的要求高，從而增加成本。 （2) 加工工藝復雜。加工擺線輪需要專門的機床，對裝配工藝也有較嚴格的工藝要求。 擺線輪行星傳動以其多方面的有點取代了一些笨重龐大的傳動裝置，在機械傳動中具有及其重要的作用，從而日益受到世界各國的重視，在軍工、礦山、冶金、化工、造船等工業(yè)部門的機械設備中得到了廣泛的應用。 3工業(yè)機器人的總體設計 3.1 工業(yè)機器人的組成 3.1.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 工業(yè)機器人一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成。 目前具有人工智能系統(tǒng)的工業(yè)機器人即智能機器人還處于研究實驗階段。而應用于生產實際的多數(shù)是

36、那些具有執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的工業(yè)機器內人。 （1) 執(zhí)行系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成握取工件實所需的各種運動的機械部件，包括；手部、腕部、臂部，還有機身和行走機構。 （2） 驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力的裝置。采用的動力源不同，驅動系統(tǒng)的傳動方式也不同。驅動系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)有四種；液壓式、氣壓式、電氣式、機械式。 （3) 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人或機械手的指揮系統(tǒng)，它他控制驅動系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作、并檢測其正確與否。一般常見的為電氣與電子回路控制，計算機控制系統(tǒng)也不斷增加。就其控制方式，可分為分散

37、控制和集中控制兩種類型。若以控制的運動軌跡來分，有兩種；點位控制和連續(xù)軌跡控制。 圖3.1 工業(yè)機器人系統(tǒng)的具體組成圖 3.1.2 工業(yè)機器人的基本機能組成 設計工業(yè)機器人就是通過設計，恰好的賦予工業(yè)機器人某些機能，以便使機器人能夠自動的完成給定的操作。從工業(yè)機器人的研究、使用和發(fā)展情況來看，工業(yè)機器人應該具有的機能可以歸納為三個方面，即運動機能，控制機能和檢測、識別機能。 3.2 機器人的結構分析 3.2.1 機器人的總體結構的概念 目前，世界上已有許多工業(yè)機器人，其中大部分屬于“示教再現(xiàn)”型。如果將這些機器人稱作第一代，那么，具

38、有一定程度的視覺、觸覺或某些分析、判斷能力的機器人就屬于第二代了。不少國家正在積極研究具有觀察、觸覺等功能的機器人，并取得不少成果，但是，真正將這些成果應用于實際的還為數(shù)不多。在實際生產中被廣泛應用的機器人，示教再現(xiàn)型還是較多。 一般的機器人，它由機器人的機構部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構成。及其部分有機器手和移動機構組成；傳感器有測量機器人自身位置狀態(tài)和速度、加速度的裝置，只要不是自住型移動機器人，它通常放在與機器人不同的地方，通過導線連接。在工業(yè)機器人的控制裝置中，有電動機驅動電路、PTP運動目標點和CP運動軌跡數(shù)據的記憶裝置和定位控制電路等。信息處理裝置通過信息傳輸裝置與機器

39、人本體相連，多用于只能機器人。 如圖該機器人具有三自由度，及大臂的回轉、臂的左右的擺動、臂的上線擺動。該三自由度機器人的運動情況說明如下：首先，由電動機M1經過傳動系統(tǒng)帶動大臂的回轉運動，且與大臂相連的所有其他手臂及機械構件也隨大臂一起做回轉運動；而后另一手臂由電動機M2直接驅動作左右擺動；還有，第三臂由電動機M3直接驅動作上下擺動。 圖3.2 三軸工業(yè)機器人效果總圖 3.2.2 機器人的傳動結構 圖3.3 工業(yè)機器人的組成結構 第一軸 圖3.4 大臂機構圖 第一臂，也即大臂，該手臂實現(xiàn)機器人的回轉運動，整個系統(tǒng)由伺服電動機驅動

40、。為了實現(xiàn)傳動的設計要求以及機構的最優(yōu)化設計要求，整個減速系統(tǒng)采用了三級斜齒輪傳動，且所有的斜齒輪都裝在一個箱體內。然而，與一般情況不同的是，第三級斜齒輪直接固定在機座上，從而使其他的傳動系統(tǒng)繞著它轉動，且電動機又固定在大臂上，所以導致大臂帶著電動機、減速箱一起作回轉運動。 第二軸的結構 該軸實現(xiàn)第二臂的擺動運動。為了減輕重量及結構緊湊，此傳動系統(tǒng)則采用擺線針輪行星齒輪傳動。這種傳動由減速機構和輸出機構兩部分組成。減速機構采用由擺線輪，固定針輪和轉臂H組成的行星內嚙合機構，常用-=1，輸出機構采用由擺線輪上的銷孔和輸出軸銷盤上的銷軸組成的銷孔式W機構，最后的輸出軸直接與第二臂相連，

41、也就是說 第二臂就是輸出軸。 第三軸的組成 當然，根據結構設計的要求，第三臂的傳動結構與第二軸的傳動一樣的，采用擺線針輪行星齒輪傳動。 3.3 機器人的設計分析及總體方案的確定 3.3.1 設計的任務要求 本次設計是針對三軸工業(yè)機器人的設計結構。主要設計要求如下： 第一軸： 轉動角速度/s，轉角范圍0～/s 第二軸： 轉動角速度/s，轉角范圍0～/s 第三軸： 轉動角速度/s，轉角范圍0～/s 工作負荷為：5㎏（最遠距離時） 最大工作范圍：2000㎜ 3.3.2 總體方案的確定 圖

42、3.5 三自由度機器人模型圖 本次設計的主要內容是三自由度工業(yè)機器人的結構設計，該機器人的主要功能就是把一個物體從一個地方搬到另一個地方。 圖3.6 機器人的運動見圖 該機器人的三軸運動情況分別是： 第一軸：通過斜齒輪傳動來實現(xiàn)大臂的回轉運動。 第二軸：通過擺線針輪行星齒輪傳動來實現(xiàn)第二臂的擺動。 第三軸：通過擺線針輪行星齒輪傳動來實現(xiàn)第三臂的擺動。 3.3.3 工業(yè)機器人的主要技術參數(shù) 具體的技術參數(shù)為： （1） 最大工作直徑：2000㎜； （2） 第一軸： 轉動角速度/s，轉角范圍0～/s; （3） 第二軸： 轉動角速度/s，轉角范圍0～/s;

43、 （4) 第三軸： 轉動角速度/s，轉角范圍0～/s; (5) 工作負荷為：5㎏（最遠距離時）; 主要特色：實現(xiàn)各軸的傳動所采用的機械都是機構緊湊，傳動效率高，傳動平穩(wěn)，無噪聲；而擺線針輪行星齒輪傳動的傳動比大。 4 擺線針輪行星齒輪傳動的傳動比計算和傳動特點 4.1 擺線針輪行星齒輪傳動的傳動比計算 擺線針輪行星傳動屬于一種K-H-V型行星傳動，如圖所示 圖4.1擺線針輪行星傳動 這種傳動一般由減速機構和輸出機構兩部分組成。減速機構采用由擺線輪C、固定針輪P和轉臂H組成的行星內嚙合機構，常用,輸出機構采用由擺線輪上的銷孔和輸出軸銷盤上的銷軸組成的

44、孔銷式W機構。 擺線針輪行星齒輪傳動減速機構的傳動比可用行星輪系的轉化機構求出。這種機構的傳動比為 （4.1） 式中-擺線輪C的齒數(shù)； -針輪P的齒數(shù)。 由于帶入式（4.1）中得： （4.2） 在輸出機構中，由于擺線針輪裝在中心距為a的偏心套上作行星運動，為將擺線輪的運動經過銷孔和銷軸傳給輸出軸V，擺線輪上的銷孔直徑應大于柱銷上的銷套直徑，并取差值經過銷孔和銷套是連續(xù)接觸，可將擺線

45、輪的自轉運動傳給輸出軸V。而且，由于銷孔和銷套中心的連線總是與偏心輪上的偏心線O1O2平行等長，使銷孔中心、銷孔中心、擺線輪中心O1和輸出軸中心O2形成一個平行四邊形，即⊥O1O2=a，O1⊥O2=。 所以，不管擺線輪和輸出軸轉到任何位置，二者的角速度總是相等的，即 4.2 嚙合的齒廓形成原理 圖4.2 擺線行星輪的齒廓曲線 如圖所示，一半徑r1的圓1作固定圓，用半徑r2的圓2作滾動圓套在固定圓1上，兩圓的中心距離a=r2-r1。當滾動圓2繞固定圓1作純滾動是=時，固結在滾動圓上的任一點描出的軌跡都稱為外擺線。顯然，當滾圓2繞固定圓1滾過全周長2r2時，該點便形成一條完

46、整的外擺線。這種形成的外擺線的發(fā)方法稱為內滾法。如果該點位于滾圓的圓周上，如P1點所示，由P1形成的外擺線P1P2P3P5稱為普通外擺線。當該點位于滾圓之外時，如M1所示，由M1點形成的外擺線M1M3M5稱為短幅外擺線。在擺線針輪行星齒輪傳動中，擺線輪C是以短幅外擺線M1M3M5作為理論齒廓的，而固定針輪P以M1作為理論齒形。但是，實際針齒不可能做成一點，必須做成半徑為的圓柱形。因而，以擺線輪的理論齒廓上個點為圓心，以為半徑作圓。這些圓的內包絡線C1C5就是擺線輪的實際齒廓，又稱為短幅外擺線的等距曲線；而針輪的實際齒廓就是半徑為的圓。 5 擺線針輪行星齒輪傳動設計

47、 5.1 針輪行星輪系的材料 為減小傳動尺寸和提高傳動比元件的強度，擺線輪、針齒（套）和柱銷（套）應采用高強度的材料（如GCr15），并用熱處理方法提高工作表面的硬度。偏心套、輸入軸和輸出軸可采用45號剛，其他零件如針齒殼和機座一般采用鑄鐵和鑄鋼。輪系的主要零件的推薦材料和許用應力如表5-1 表5-1 輪系的主要零件的推薦材料和許用應力 零件名稱 推薦材料 硬度 許用應力 擺線輪 GCr15 HRC60～64 -- 針齒輪 GCr25SiMn HRC58～62 =850～1200 針齒銷 GCr15 HRC58～62 =850～1200 柱銷

48、GCr15 HRC58～62 =850～1200 套銷 GCr15 HRC56～60 -- 雙偏心套 45 -- -- 輸入軸 45 HB220～250 -- 輸出軸 45 HB220～250 -- 針齒殼 HT200 HT300 -- -- 機座 ZG25 ZG25 HT200 -- -- -- -- 根據此表，擺線輪、針齒（套）和柱銷（套）采用GCr15，而偏心套、輸入軸、輸出軸采用45號鋼，針齒殼采用HT200。 5.2 第一套擺線針輪加速器的設計 第三臂是采用擺線針輪行星齒輪傳動的，已知條件，電動機的功

49、率為P=0.9KW，轉速n=1000r/min,傳動比u=66.7,則設計如下： 5.2.1 選擇結構形式，齒數(shù)及材料 材料 擺線輪：GCr HRC 60～64 （針齒固定） =67 機座 針齒殼 HT200 5.2.2 強度計算針齒中心圓半徑 (1) 輸出軸轉矩 (2) 選怎短幅系數(shù) 取=0.65 表5-2 短幅系數(shù)K1薦用值表 《11 13～23 25～59 61～87 K1 0.42～0.55 0.45～0.65 0.55～0.74 0.5

50、4～0.67 (3) 選針齒系數(shù) 5-3 針齒系數(shù)K2薦用值表 <12 12～24 24～36 36～60 60～88 K2 3.85～2.85 2.8～2.0 2～1.15 1.5～1.0 1.5～0.99 取=1.4 (4) 合位置系數(shù) =1.4 (5) 齒寬系數(shù) -擺線輪的齒寬系數(shù)，一般取=0.1～0.2，這里取=0.15 (6) 許用接觸應力 根據所選的材料查擺線針輪行星傳動主要零件的推薦材料和許用應力表，查得=850MPa (7) 針齒中心圓半徑 圓整后

51、取=100mm 5.2.3 計算擺線輪和針輪的幾何尺寸 (1) 偏心距 a (2) 校正短幅系數(shù) K1 (3) 擺線輪節(jié)圓半徑 (4) 針輪節(jié)圓半徑 (5) 滾圓半徑 (6) 基圓半徑 = (7) 嚙合齒距 (8) 針齒套半徑 (9) 針齒銷半徑 (10) 擺線輪齒頂圓半徑

52、 (11) 擺線輪齒根圓半徑 (12) 擺線輪寬度 圓整后取 =18mm，校正后 (13) 擺線輪齒廓頂切驗算 查擺線輪理論齒廓的最小曲率半徑系數(shù)表（見機械傳動手冊5-3-1），查的，而計算的<,所以，擺線輪理論齒廓無頂切現(xiàn)象，滿足要求。 5.2.4 轉臂軸承的選擇計算 (1) 估計擺線輪內孔半徑 =（0.4～0.5）=40～50mm (2) 選擇軸承型號尺寸 經查表選用502310E C=

53、105000N =71000N D1=97mm d=50mm da=60mm Da=89.6mm a=5mm (3) 名義徑向載荷 R (4) 當量動載荷 P -動載荷系數(shù)，一般取=1.2～1.5。 (6) 軸承相對轉速 n /min (7) 軸承壽命 因為所求得的軸承壽命》15000h,所以滿足要求。 5.2.5 針齒銷彎曲強度計算 針齒結構如圖所示： 圖5.1 針齒結構 當針輪齒針齒的支承寬度較小時

54、，如圖針齒銷可視為雙支點簡支梁，承受的集中載荷為擺線輪對銷軸的最大作用力，按式計算 （5.1） 而： （5.2） 針齒銷上作用的最大彎矩為 （5.3） 取 得

55、 （5.4） 而式中 -擺線輪的寬度 -間隔環(huán)的寬度 -擺線輪與針齒殼內側端面間的間隙 -針齒殼端部壁厚。一般取》》 (1) 針齒結構尺寸 =0.518+4+0.510=18mm =1.518+9+4+0.510=45mm (=27-18=9) (2) 最大彎矩

56、=150MPa (3) 校核彎曲應力 因為>[],所以滿足要求。 5.2.6 W輸出機構銷軸彎曲強度計算 (1) 銷軸數(shù)目 5-4 W機構柱銷數(shù)目參考表 dp 《100 >100～200 >200～300 >300～400 >400 Zw 6 8 10 12 》12 因為dp=200,所以，取=8； (2) 銷軸中心圓半徑 (3) 柱銷直徑 查表： 5-5 W機構柱銷和銷套直徑參數(shù)表 dzw 12 14 17 22 26 32 35 4

57、5 55 drw 17 20 26 32 38 45 50 60 75 取dsw=22，drw=32 (4) 柱銷套直徑 =32mm (5) 銷孔壁厚驗算 最小孔壁厚不小于[]，[]=0.03200=6mm 滿足要求 5.3 第二套擺線針輪減速器的設計 第二臂的傳動采用擺線針輪行星齒輪傳動，已知條件為，電動機功率P=4.5KW，轉速n=1000,傳動比u=50，則設計如下： 5.3.1 選擇結構形式，齒數(shù)及材料 材料 擺線輪：GCr HRC 60～64 （針齒固定） =50

58、 機座 針齒殼 HT200 5.3.2 接觸強度計算針齒中心圓半徑 (1) 輸出軸轉矩 mm (2) 初選短幅系數(shù) 根據針徑系數(shù)K2薦用值，見前面的表，取=1.4 (3) 嚙合位置系數(shù) =1.43 (4) 齒寬系數(shù) -擺線輪的齒寬系數(shù)，一般取=0.1～0.2，這里取=0.15 (5) 許用接觸應力 根據所選的材料查擺線針輪行星傳動主要零件的推薦材料和許用應力表，查得=850MPa (6) 針齒中心圓半徑 圓整后取=130mm 5.3.3 計算擺線輪和針輪的幾何尺寸 (1) 偏心距 a

59、 圓整后取 a=2 mm (2) 校正短幅系數(shù) (3) 擺線輪節(jié)圓半徑 mm (4) 針輪節(jié)圓半徑 (5) 滾圓半徑 (6) 基圓半徑 (7) 嚙合齒距 (8) 針齒套半徑 (10) 針齒銷半徑 =7 mm (11) 擺線輪齒頂圓半徑 (12) 擺線輪齒根圓半徑

60、 (13) 擺線輪寬度 圓整后取 =20 mm,校正后 (15) 擺線輪齒廓頂切驗算 查擺線輪理論齒廓的最小曲率半徑系數(shù)表，查得，而計算的<,所以，擺線輪理論齒廓無頂切現(xiàn)象。 5.3.4 轉臂軸承的選擇計算 （1） 估計擺線輪的內孔半徑 =（0.4～0.5）=52～65 mm (2) 選擇軸承型號尺寸 經查表選用502313 C=114600N =85200N D1=121.5mm D=65mm b=33mm da

61、=77mm Da=114.6mm a=7mm (3) 名義徑向載荷 R (4) 當量載荷 P (5) 軸承相對轉速 n /min (6) 軸承的壽命 因為所求得的軸承壽命》15000h,所以滿足要求。 5.3.5 針齒銷彎曲強度計算 （1） 針齒結構尺寸 （） （2） 最大彎矩 （3）

62、 許用彎曲強度 （4） 校核彎曲應力 = 因為>,所以滿足要求。 5.3.6 W輸出機構銷軸彎曲強度計算 (1) 銷軸數(shù)目 因為dp=260，由W機構柱銷數(shù)目參考表查得，去=10； (2) 銷軸中心圓半徑 (3) 柱銷直徑 查表W機構柱銷和銷套直徑參考表，取=26，=38 (4) 銷孔壁厚驗算 最小孔壁厚不小于[]，[]=0.03dp=0.03260=7.8mm 滿足要求。

63、 6行星齒輪傳動輸出軸的軸承選擇 行星齒輪傳動輸出軸上的軸承主要起支承作用，根據輸出軸的直徑，第三軸傳動系統(tǒng)中支承用的軸承選用GB285-64中3182120：第二軸傳動系統(tǒng)中支承用的軸承選用GB285-64Z中的31表124。 7 主要零件的機械加工工藝規(guī)程 7.1 擺線輪的加工工藝路線 根據擺線輪的技術要求，確定擺線輪的工藝路線如下： 下料→鍛造→球化退火→粗車（內、外圓及兩平面）

64、→粗鉆銷孔→時效→半精車→半精鏜銷孔 ─────→銑擺線齒廓→淬火─────────→磨兩平面→磨軸承孔→磨銷孔→磨擺線齒廓─────→倒角。其中標記應成對打在同一位置，以后的銑齒、磨銷孔、磨齒等工序必須記重疊成對加工。 擺線輪齒的加工方法主要有一下幾種： （1） 在滾齒機上改裝銑削頭用立銑刀銑擺線齒廓這種加工方法是根據短幅外擺線的第一種形成方法，即外滾法來加工擺線輪齒廓的。 如下圖所示，當滾圓r相對基圓R做純滾動時，滾圓內點M的軌跡就是短幅外擺線。如若把一個半徑為的圓的圓心固定在M點上，當滾圓r相對于基圓R做純滾動時即可得到與圓相切的短幅外擺線的等距曲線。 現(xiàn)在假定將半徑為的

65、銑刀裝在M點的位置上，或者說把銑刀安裝在銑削頭的偏心軸套上，其偏心距為a，而將擺線輪毛坯固定在滾齒機的工作臺上。加工擺線輪齒廓時，銑刀自轉的同時還饒偏心軸套的中心做偏心轉動，工件繞工作臺中心轉動。如果偏心軸套的轉速（銑刀偏心運動轉速）與工作臺的轉速之比滿足/=R/r=,此時銑刀就將在擺線輪上銑出一條連續(xù)的短幅外擺線的等距曲線，即齒數(shù)為的擺線輪的齒廓曲線。 7.1 短幅外擺線形成原理 （2） 在插齒機上用半圓頭插刀插齒 這是將插齒機改裝成靠磨插齒機對擺線輪進行擺線齒廓切削加工的一種方法。其齒廓的形狀是由靠模凸輪的形狀確定的。 （3） 在Y3280擺線銑齒機上銑齒 Y

66、3280銑齒機銑齒是用凸半圓盤狀銑刀，以展成原理對擺線輪齒廓進行連續(xù)切削加工的。當銑刀的偏心運動，與工作臺的分度運動滿足一定的比例關系相對運動時，便可使工作臺上的擺線輪連續(xù)切削出擺線齒廓來。 （4） 用專用的擺線齒滾刀在普通滾齒機上滾齒 這種加工方法是在普通的滾齒機上，利用特殊設計制造的擺線齒形滾刀以展成方法來進行擺線輪的擺線齒廓加工的。其原理及具體操作與普通滾齒機加工漸開線齒輪完全相同。 它看似一種簡單易行的方法并有較高的生產效率和加工精度，但其擺線齒形滾刀通用性很差，每一種參數(shù)的擺線輪就須一把專門的滾刀，因此要求滾刀數(shù)量很多，特別是對于批量小，規(guī)格多的廠家，將大大地提高成本。同時對于齒數(shù)少、齒距大的滾刀，在設計制造上，目前尚存在一定困難。 （5） 在擺線磨床上磨齒 磨床的工作原理是模擬擺線針輪行星減速器的傳動原理，砂輪相當與針齒工作臺上的工件相當于做行星運動的擺線輪。在加工過程中，砂輪對工件的切削運動就相當于一個針齒與擺線輪的嚙合運動，砂輪表面修整成針齒半徑R的圓弧，磨削時砂輪除轉動外，還做上下往復運動，因此形成擺線的展成運動是由工作臺