关节型机器人腰部与大臂传动机构设计与受力分析学士学位论文.doc

本科毕业设计（论文）关节型机器人腰部与大臂传动机构设计与受力分析系 别 机电工程系 专业班级 机械工程及自动化（1）班学生姓名 指导教师 提交日期 年 月 日 华 南 理 工 大 学 广 州 汽 车 学 院毕 业 设 计 （论文） 任 务 书 兹发给机电（1）班学生 毕业设计（论文）任务书，内容如下： 1.毕业设计（论文）题目：关节型机器人腰部与大臂传动机构设计与受力分析 2.应完成的项目： （1） 关节型机器人大臂传动机构设计 （2） 机器人腰部传动机构设计 （3） 机器人大臂与腰部受力计算与校核 （4） 机器人大臂与腰部三维造型设计 3.参考资料以及说明： （1）龚振邦.机器人机械设计.电子工业出版社. （2）李允文.工业机械手设计.机械工业出版社. （3）张铁，谢存禧.机器人学.华南理工大学出版社. （4）李建藩.气压传动系统动力学.华南理工大学出版社. （5）胡任喜，郭军等.SolidWorks 2005机械设计及实例解析.机械工业出版社. （6）SMC气动元件选择指导第一册，执行元件.SMC Corporation. （7）成大先.机械设计手册.化学工业出版社. 4.本毕业设计（论文）任务书于 10 年 1月 25 日发出，应于 10 年 5月30日前完成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。 专业教研组（系）、研究所负责人 审核 年 月 日 指导教师 签发 年 月 日指导教师（导师组） 签发 年 月 日毕业设计（论文）评语： 论文选题符合专业培养目标，能够达到综合训练目标。本次毕业设计的题目基于关节型机器人腰部和大臂传动机构设计与受力分析，工作量较大，但仍能按要求完成。选题具有学术研究价值。该生平时做到主动与老师交流沟通，学习态度端正。查阅文献资料能力较强，能较为全面收集关于关节型机器人的相关资料，写作过程中能综合运用大学四年所学的知识，全面分析机器人运动问题，综合运用知识能力较强。文章篇幅完全符合学院规定，内容较为完整，层次结构安排科学，主要观点突出，逻辑关系清楚，论述紧扣主题。语言表达流畅，格式完全符合规范要求；参考了较为丰富的文献资料，其时效性较强。毕业设计（论文）总评成绩： 毕业设计（论文）答辩小组负责人签字： 年 月 日摘 要本文首先将关节型机器人的工作条件进行分析，根据关节型机器人的功能和作业要求，初步确定了整体机器人手臂的大致尺寸，并确定大臂的尺寸，然后提出不同的设计方案，作出必要的分析后进行选择。在工作条件和确定方案的基础下，根据大臂关节进行受力分析，选择合理的减速器，电机及其他支撑件的设计；根据腰部进行受力分析，选择合理的减速器、电机，并对其齿轮传动机构和其它部件进行设计。然后利用三维构造软件SolidWorks绘出机器人腰部和大臂机构的三维模型，并画出设计零件的工程图和整体的装配图。最后，对大臂关节上的重要螺栓，大臂杆，腰部的齿轮组，小齿轮轴，大齿轮轴进行校核。关键词：关节型机器人，机构设计，机构校核AbstractIn this paper,firstly,the working conditins of articulted robot wasanalyzed.Accord- ing to the ability and operational requiements of articulted robot,the overall size of the robot arm and the first arm was determined preliminarily,then different design methods was proposed.and it was analyzed necessarily to select. Based on working conditions and determined methods,according to the force analysis of first arm joint,the rational reducer and motor were selected in reason and the other parts of strutting piece was designed.According to the force analysis of the waist,the reasonable rational reducer and motor were selected and then the gear drive unit and the other parts were designed, secondlyWith the 3D model sofeware Solidworks,the model of waist and the first arm in acticulted robot was constructed.And their engineering graphics and assembly drawing were drawn.Lastly, the importance of the bolt on the first arm joint,the gear in the waist, the shaft of pinion,large gear the shaft of large gear were checkedKeywords: Articulted robot; model designed;model checkedI目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1引言11.1.1工业机器人的发展过程及其应用11.1.2工业机器人研究的现状与意义21.2国内外机器人研究现状31.2.1国外机器人研究现状31.2.2国内机器人研究现状41.3课题研究的目的和意义41.4本课题研究的内容5第二章 工作条件分析和方案选择62.1引言62.2工作条件分析62.3方案选择72.3.1驱动装置的主要类型和特点72.3.2传动机构类型和基本要求72.3.3驱动装置和传动机构的安装位置选择82.4本章小结10第三章 大臂关节的受力分析与传动装置的选择113. 1 引言113. 2 大臂关节的受力分析113. 3 大臂关节减速器选型113. 4大臂关节电机选型123.5本章小结13第四章 大臂关节的结构设计144.1引言144.2大臂关节的结构设计144.2.1大臂轴承端的设计144.2.2 大臂减速器端的设计154. 3本章小结15第五章 大臂关节的校核165.1引言165.2重要螺栓的校核165.3大臂杆的校核205.4本章小结21第六章 腰部的设计与校核226.1引言226.2准备工作226.2.1计算总传动比226.2.2传动比的分配226.2.3腰部的受力分析226.2.4电机的选型236.3齿轮的设计与校核246.3.1齿轮传动转速的计算246.3.2齿轮传动输入功率的计算246.3.3齿轮传动输入转矩的计算246.3.4齿轮传动的设计与校核246.4小齿轮轴的设计及计算276.4.1小齿轮轴的受力分析276. 4. 2小齿轮轴的设计286.5小齿轮轴的校核计算296.6大齿轮轴的设计及计算306.7大齿轮轴的校核计算316.8本章小结32结 论33参考文献34致 谢35附 录36第一章 绪论第一章 绪 论1.1引言工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。国际标准化组织(ISO)在对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件工具和专用设备，以执行种种任务”。1随着科学和技术的不断发展，在过去的几个世纪里，人类在许多方面都取得了重大的进展。机器人技术作为人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世以来经历了短短的40年，已取得长足的进步。工业机器人在经历了诞生、成长、成熟期后，已成为制造业中必不可少的核心装备，而且工业机器人不仅在工厂里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以惊人的速度向航空航天、军事、服务、娱乐等人类生活的各个领域渗透。据UNECE/IFR预测，至2007年，全球新安装装机器人的数量将从2003年的81800套增至2007年的106000套，年平均增长7%。其中，日本2003-2007年工业机器人的销售将从2003年的31600增长至2007年的41000套；欧洲2003-2007年工业机器人将从2003年的27100套增长至2007年的34000套；北美2003-2007年工业机器人市场每年平均增长5.8%，至2007年将增长到16000套。2总之，各种各样机器人的出现和应用是人类走向文明和发展的一个巨大进步和标志，在未来社会中，机器人的广泛应用和发展是一个必然的发展趋势。相信在不远的将来，机器人技术将一定能够为人类带来更多的方便，为人类的文明和发展带来更大的机会。1.1.1工业机器人的发展过程及其应用20世纪50年代是工业机器人的萌芽时期，1954年美国戴沃尔发表了“通用重复型机器人”的专利论文，第一次提出了“工业机器人”的概念。1958年美国联合控制公司研制出第一台数控工业机器人原型。1959年美国UNIMATION公司推出第一台工业机器人。美国是机器人的故乡。20世纪60年代随着传感技术和工业自动化的发展，工业机器人进入发展期，机器人开始向适用化发展，并被用于电焊和喷涂作业。20世纪70年代随着计算机和人工智能的发展，机器人进入适用化时代。日本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施。其机器人拥有量很快超过了美国，一举成为“机器人王国”。20世纪80年代工业机器人进入普及时代，汽车、电子等行业开始大量使用工业机器人，推动了机器人产业的发展。工业机器人的应用满足了人们特性化的要求，产品的批量越来越大，品种越来越多，而且产品的一致性也大大提高，为商家占有了更多的市场份额，获得了更多的市场利润。20世纪90年代初期，工业机器人的生产与需求达到了一个高峰期。1990年世界上新装备工业机器人80943台，1991年装备了76443台，到1991年底世界上己有53万台工业机器人工作在各条战线上。3-7目前工业机器人主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、金属加工以及金属制品业等。在日、美、西欧等一些工业发达的国家中，工业机器人得到越来越广泛的应用。随着生产的发展，机器人功能和性能的不断改善和提高，机器人的应用领域日益扩大，其应用范围已不限于制造业，还用于农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和太空的开发事业中。在工业领域广泛应用着工业机器人。我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。8一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通讯接口等几部分组成。一般多自由度串联机器人具有46个自由度，其中23个自由度决定了末端执行器在空间的位置，其余23个自由度决定了末端执行器在空间的姿态。本文设计的机器人具有三个自由度，也就是机器人的整个手臂部分，来决定了末端执行器在空间的位置。关节型机器人总体来说呈现出“大力矩、高精度、反应灵敏、小型化 ,机电一体化 ,标准化和模块化等发展趋势”。9结构方面，探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比。机构向着模块化、可重构方向发展而其控制系统将向基于PC机的开放型控制方向发展，便于标准化、网络化。同样的模块化发展，使其与机器人结构二者正朝着一体化的发展。例如，关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。1.1.2工业机器人研究的现状与意义机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述学科发展密切相关。机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术(RT)概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。”10目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。现代科学技术的迅速发展，尤其是进入20世纪80年代以来，机器人技术的进步与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术的开发、研究列入国家高新技术发展计划。世界各国普遍在高等院校为大学本科生及研究生开设了介绍机器人技术的有关课程。为了培养机器人开发、设计、生产、维护方面的人才，我国很多高校也为本科生和研究生开设了机器人学课程。1.2国内外机器人研究现状1.2.1国外机器人研究现状国外目前机器人研究的重点主要有以下几个方面11-12：(1)机器人操作机，通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机己实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。(2)并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。(3)控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴机器人，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。(4)传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI，YASKAWA，FANUC和瑞典ABB、德国KUKA,REIS等公司皆推出了此类产品。(5)网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备有了发展。(6)可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求。1.2.2国内机器人研究现状13-16随着科学技术和世界各国机器人技术的发展，我国在机器人科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。从20世纪80年代末到20世纪90年代，国家863计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。在工业机器人选型方面，确定以开发点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运等机器人为主。这是中国机器人事业从研制到应用迈出的重要一步。一批从事机器人研究、开发、应用的人才和队伍在实践中成长、壮大，一批以机器人为主业的产业化基地已经破土而出。我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。但是，无论从工业机器人的数量上还是技术上，我国都是比较落后的。而我国作为一个工业大国，不能寄希望从其他国家得到真正的高技术，必须自主的发展我国的高技术，机器人作为高技术领域的一个重要分支，将成为21世纪各国争夺的经济技术制高点。如何在21世纪加速我国机器人的发展，使我国早日进入机器人大国行列，已成为当务之急。由于目前我国机器人的基础数量太低，以工业机器人为例，到了2010年我国机器人拥有量只能达到世界拥有量1.38%2%，这与我国作为21世纪前半叶世界主要制造国的要求差距太大，如果这种差距只能以进口机器人来弥补，其巨大损失不是可以用货币损失来计算的。可见，无论从资金方面考虑，还是从长远利益考虑，我国有必要自主地对机器人进行研究和开发。1.3课题研究的目的和意义机器人是最具代表性的光机电一体化技术系统。早在1962年美国就研制出世界上第一台机器人。现代机器人技术经过数十年发展，已经形成了很多类型，如工业机器人、智能机器人以及研究中的纳米机器人。17机器人在经济建设中发挥着越来越重要的作用，正在社会多个领域内得到广泛运用。在所有类型的机器人中，关节型机器人模拟动物和人类肢体，甚至是整体而最具有仿生性，也具有了优于其它类型机器人的动作能力。在制造领域，可以看到众多关节型机器臂（人）在替代人们执行各种操作。可见，关节型机器人处于不可或缺的地位。通过本课题的研究，可以对关节型机器人，特别是其结构、运动和力学性能等有较高层次的认识。通过对关节型机器人腰部以及大臂的传动结构的设计，可以把大学四年的理论知识实际应用出来。能较深入地了解机械设计的步骤和方法；通过对受力计算与校核，可以对数学计算方法和数学模型有一定的了解；通过机器人腰部与大臂三维造型设计，可以提高对三维软件使用的熟练程度，加强机器人三维造型的认识；通过查找相关文献或资料，不仅能巩固以前学过的理论基础，还可以增加对于机械设计特别是机器人设计的相关知识，扩大了知识面。此外，能锻炼与培养了个人观察、分析问题以及搜集和整理技术资料等方面的能力。1.4本课题研究的内容关节型机器人总体结构如图1.1所示，而笔者所研究部分为2、3、4（腰部、大臂）部分。本课题所完成的任务有四个分别为：关节型机器人大臂传动机构设计、其部传动机构设计、大臂与腰部受力计算与校核和其三维造型设计三项。针对这三项任务，本课题需研究的内容如下：（1）综合考虑机器人结构特点、关节型机器人的工作原理及其结构（2) 了解关节机器人设计的方法（3）熟悉三维软件（SolidWorks）的操作（4）分析工作环境、条件与分析大臂的受力（5）设计大臂几何尺寸（6）选择大臂和腰部电机、减速器（7）设计大臂和腰部齿轮传动（8）设计大臂和腰部的三维造1底座2腰部3大臂关节4大臂 5小臂关节6小臂7、8手腕关节9手爪图1.1 关节型机器人整体示意图3第二章 工作条件分析和方案选择第二章 工作条件分析和方案选择2.1引言一般地，对于一个运动机构的设计通常从实际工作需要出发，给出机构的大体模型，估计驱动装置的功率并初步选型，在初步选定驱动装置及其结构后，再设计与驱动装置相关的零部件，最后完成整个机构的设计。因此，驱动装置的选择通常是机构设计的第一步。本章首先从实际工作需要出发，分析工作条件，明确机械工作的各种约束条件。初步确定由哪些机构组合在一起能实现工作的机构运动需求。然后提出不同的方案，分析其优缺点结合，并实际工作需要进行选取。2.2工作条件分析1关节型机器人2冲压机3电镦机（3台）图2.1 机器人的工作环境简图机器人的工作环境简图如图2.1所示，1机器人的机械手把3电镦机制成的半成品夹取，转移到2冲压机进行下一步工序。针对机器人的工作特点和环境，要合理对其进行机器人腰部和大臂的传动机构设计。根据工作空间的需要，工作有效范围为总长1750mm，高度为1000mm。L=1330mm得机械臂完全伸展最小长度约为1350mm。2.3方案选择2.3.1驱动装置的主要类型和特点驱动装置是把从动力源获得的能量变换成机械能，使机器人各关节工作的动力装置。常见的驱动装置有步进电机驱动装置、直流伺服电机驱动装置、交流伺服电机驱动装置、液压驱动装置、气动驱动装置，近年来还出现了一些特殊的新型驱动装置。以下是各种驱动装置的优缺点：步进电机驱动装置、直流伺服电机驱动装置和交流伺服电机驱动装置均属于电动驱动装置。电动驱动装置是目前使用的最广泛的驱动装置。它的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高，但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。18步进电机为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，易形成火花。交流伺服电机及配套的伺服驱动装置组成的交流伺服电机驱动系统。由于交流伺服电机惯性小，启动力矩高，因此这类系统的动作灵敏，快速响应特性好，能迅速跟上控制信号的变化，在机器人系统中应用很多。液压驱动装置的主要优点是功率大，结构简单，可省去减速装置，能直接与被驱动的杆件相连，响应快，伺服驱动具有较高的精度，但需要增设液压源，而且易产生液体泄漏，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。气动驱动装置的能源、结构都比较简单，但与液压驱动装置相比，同体积条件下功率较小(因压力低)而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制系统。通过各类驱动装置的优缺点比较，结合本次设计的工作要求，采用交流伺服电机作为驱动该就可以满足需要。192.3.2传动机构类型和基本要求机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构，须特别注意的是19（1）摆线针轮行星轮传动，大速比，同轴线，响应快，刚度好，体积小，回差小，转矩大。（2）齿轮传动和齿轮齿条传动都以啮合的形式进行传动，传动平稳，刚性好，效率高，传动比精确。（3）蜗轮传动，冲击载荷小，传动平稳，刚性好，噪声低，但发热大，传动效率低。（4）齿形带传动，刚带传动和钢绳传动，适合于大中心距传动，有抗冲击能力但须考虑张紧问题。其中机器人的传动机构有以下几项基本要求19：（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；（2）传动刚度大，即由驱动装置的出轴到杆件的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；（4）寿命长，价格低。经综合考虑，结合本次设计的工作条件要求。摆线针轮行星轮减速器符合本课题机器人的基本要求，故本机器人的传动机构均采用日本生产的摆线针轮行星轮RV系列减速器。使关节型机器人具有体积小，传动平稳，性能良好，安全可靠等特点。能够很好地满足关节型机器人的工作需求。而对于腰部除了要传动平稳外，还有足够的承载能力，故选用了齿轮传动机构，从结构上说，使用齿轮传动也是合理的。2.3.3驱动装置和传动机构的安装位置选择方案一方案二图2.1 腰部电机与减速器的安装方案 1腰部电机2减速器3小齿轮4轴承5大齿轮6回转台方案二方案一1支撑架2辅助轴3传动连接板4电机5大臂杆6电机7减速器8传动连接件图2.2 大臂关节电机与减速器的安装方案腰部电机和减速器的安装可有图2.1两种方案，方案一优点在于可把电机和减速器密封起来，使空间更加少，但由于密封，很难看到其工作情况和维护工作困难，相反，方案二采用电机和减速器外露的安装方式，维护工作方便，散热好等优点。腰部的齿轮传动，采用行星齿轮传动，即大齿轮固定，小齿轮作圆周运动，这种方案与普通齿轮传动优点在于可以避免质量较大的大齿轮悬放，长期以来因自重而变形，运用这种传动可使大齿轮完全固定在底座中。大臂电机和减速器的安装也有两种方案如图.2.2所示，方案一把电机与减速器内嵌，节省了空间，而且当腰部旋转是产生的惯性矩较小，但限制了两支撑架间的最小距离。而方案没有限制两支撑架间的最小距离，但由于电机与减速器放在旁，当腰部旋转时会产生较大的惯性矩，这样会对支撑架有很大的冲击。而且提高了腰部的负载。方案二方案一1电机空间位置区域2大臂关节位置区域A两齿轮中心距B大臂两连接板距离C螺栓装拆距离图2.3 腰部电机与减速器和大臂关节间的安装方案图2.3所示为腰部电机和大臂关节的位置情况，方案一所示把腰部电机放在大臂关节的后面（腰部电机轴线与大臂俯仰运动平面共面）。这种布置方法，可减少腰部的空间，但这方案会由于腰部电机轴线与大臂俯仰运动平面共面使大臂反方向摆动运动受到限制，需增加大臂或其它关节的长度才能保证工作，这样会对大臂关节产生更大的力矩。增加大臂关节电机的负载，若不改变大臂或其它关节的长度的情况下，关节机器人抓取反方向物件时，要腰部旋转180度才能抓取，这样会降低关节型机器人的工作效率。方案二所示把腰部电机放在大臂关节的侧面（腰部电机轴线与大臂俯仰运动平面平行）。这种布置方法解决了方案一的问题，大臂关节电机只需反转就能抓取反方向物件，大大提高工作效率，但这方案相对方案一会增大中心距A，使齿轮尺寸增大，而且需留螺栓装拆距离C。综合考虑，会采用电机和减速器外露、电机与减速器内嵌和电机放在大臂关节的侧面这三种方案来设计腰部和大臂关节。2.4本章小结本章分析了实际工作需要出发、工作条件，明确了机械工作的各种约束条件。初步确定了由哪些机构组合在一起能实现工作的机构运动需求。提出了不同的方案，并分析其优缺点，并依据实际工作需要进行选取。为后续的设计垫定基础。9第三章 大臂关节的受力分析与传动装置的选择第三章 大臂关节的受力分析与传动装置的选择3.1 引言本章就是在给出工作分析的基础上，对模型进行静力学分析，得到大臂关节所承受的力矩，在此基础上对本体进行结构设计。由于各关节电机类型没有完全确定，只能根据静力学分析初步来计算各关节的受力情况。考虑到各关节运动时承受的扭矩与弯矩一直在变化，选择大臂关节承受最大弯矩姿态下进行静力学受力分析。3.2 大臂关节的受力分析在大臂关节承受最大力矩姿态下，大臂关节以上机构的自重就对其产生负载转矩矩M，如图3.1所示，为简化计算，假设各机构密度均匀，即重心位于机构的中心。根据力矩平衡可得图3.1大臂关节的受力分析其中大臂杆质量、小臂关节质量、小臂杆质量、手腕摆动关节质量、手腕连接杆质量、手腕旋转关节质量、手爪连接杆质量、手爪及抓取物质量、大臂杆长度、小臂杆长度、手腕连接杆长度、手爪连接杆长度。而、代入数据可得=164.5Nm3.3 大臂关节减速器选型上章已说明选用伺服电机，由于伺服电机能承受的扭矩小、输出速度大，一般情况不能直接与运动机构相联。通常都需要在电机后加上减速装置来增大输出扭矩，调整输出速度满足机构的运动要求。因此，在机器人的设计过程中首先需要对减速器的类型及参数进行选择。选用减速器应考虑其结构类型、安装形式、承载能力、输出转速、工作条件等因素。由3.2节可知所需转矩=164.5Nm，通常所选减速器的额定输出扭矩需满足可选用RV-40E型号减速器，其额定输出扭矩=377Nm，符合要求。初步选取电机的转速为3000r/min，则70r/min（减速器的最大输出转速）。所选减速器的参数符合工作地需要。3.4大臂关节电机选型选择电机型号时，需要确定电机参数。在选择之前，要估算出电机轴的负荷条件；一旦负荷、惯性参数和功率等参数明确之后，就需初选电机。前面几节已经分析了整体受力分析，减速器的初步选型，可以推算出加载在电机上的扭矩以及电机所需的输出速度等。伺服电机的性能参数主要包括：电机的额定功率、额定力矩、峰值以及输出最大速度与加速度等。可以在静力作用条件下初步选定电机类型，然后在动力学模型中进行有负载的仿真，然后得到合理的力矩以及速度曲线来验证初选电机的准确性。由于没有对关节机械人进行动力学模型分析，在选择电机时要放宽范围，笔者选择电机，具体方法如下：电机需要输出的功率可由公式20 （3-2）其中，各关节处所需扭矩，Nm n电机转速，r/min上述可知r/min，可得kW伺服电机输出轴的计算扭矩 （3-1）其中，大臂关节处所需扭矩，Nm S安全系数 i减速比所选伺服电机额定输出扭矩需满足。大臂关节，由减速器参数可知，Nm，i=151，S取1.5，代入数据可得=1.63Nm。考虑到机器人工作时，大臂关节处于最末端，添加负载后，电机输出轴所需承受的扭矩会有所增加，并且电机启动时会有一定的惯性力矩和摩擦力矩，所以选择电机时，放大功率2-5倍进行选择，以保证电机的正常运行，即所选电机功率kW具体选择：考虑到日本的安川伺服电机整定时间高速、高精度驱动短，平滑运转等优点，能有效地保证工作精度和工作效率。根据选择SGMPH-15A系列电机，其功率为1.5kW。SGMPH-15A系列电机具体参数如表3-121所示由上表可得电机输出转速为3000r/min，输出扭矩为为4.77Nm=1.63Nm，符合要求。表3-1 SGMPH-15A伺服电机参数SGMPH-15A 200V参数单位数据额定输出功率kW1.5额定扭矩Nm4.77瞬时最大额定扭矩Nm14.3额定电流A（rms）7.5瞬时最大电流A（rms）23.0额定转速n/min3000最高转速n/min5000扭矩常数Nm/A（rms）0.687转子惯性力矩4.02额定功率变化率kW/s56.7额定角加速度11900机械性时间系数ms0.46电气性时间系数ms223.5本章小结本章对大臂关节承受最大弯矩姿态下，进行了静力学分析，计算出大臂关节以上机构水平姿态的最大力矩，并以此为依据，选出了减速器和伺服电机。11第四章 大臂关节的结构设计第四章 大臂关节的结构设计4.1引言上章已把电机和减速器选出，本章会对关节的零件设计方法，思路，和注意的地方进行讲解，由于零件较多，在此只写上几具有特点的零件。具体零件尺寸公差等见工程图。4.2大臂关节的结构设计4.2.1大臂轴承端的设计按照第二章所讲的方案，支撑架应成对使用，一端大臂侧板与减速器相连，为主要运动端，另