45kg工业机器人底座及上臂结构设计.docx

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45kg工业机器人底座及上臂结构设计

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

THESTRUCTUREDESIGNOF45KGINDUSTRIALROBOT’BASEANDARM

ABSTRACT

Industrialrobotsarerobots,whichusuallyconsistseveralmechanicalarmsormultipledegreesoffreedom,generallyusedinindustrialareas..Industrialrobotisakindofmachine,whichusuallyachievesitspurposerelyingonitsownpowerandcontrolfunctions,worksautomatically.Notonlycanitworkunderhuman’command,butalsoitcanrunaccordingtopre-arrangedprocedure.Themodernindustrialrobotcanalsorunundertheprinciplesdevelopedaccordingtoartificialintelligencetechnique.Roboticsisaforward-lookingandstrategichigh-techfields.ThescientistsofInternationalElectricalandElectronicsEngineers（IEEE）proposefourkeydevelopmentdirectionsinthepredictionoftechnologicaldevelopmentinthefuture.Roboticsisoneofthem.

Thispapermainlydescribesthestructuredesignof45kgindustrialrobot’baseand

arm.Itincludesthechoiceofmotor,gearselection,briefintroductionofR-Vreducer,gearandbearingstrengthcheckandstructuredesignofbase,rotarytable,arm,armseatandsoon.

Keywords:

industrialrobots,structure,design,gear,checking,R-Vreducer

前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1

第1章设计总述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２

§１.1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

§2.2.11轴齿轮..........................10

§2.2.22轴齿轮..........................11

§2.2.33轴齿轮..........................12

第3章R-V减速器简介............................13

§3.1R-V减速器的结构简介..................13

§3.2R-V减速器的传动特点..................14

§3.3R-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（Industrialrobot）诞生于20世纪60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2—3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20N•m，额定转矩分别为9.8N•m、12.6N•m、9.8N•m，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

2.2.11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，R—V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2-51轴电机齿轮

图2-6回转台太阳轮

2.2.22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2-72轴电机齿轮

图2-82轴太阳轮

2.2.33轴齿轮的选择

由于3轴R-V减速器与1轴R—V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

3.1R-V减速器的结构简介

R-V（RotateVector）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3-1R-V减速器结构示意图图3-2R-V减速器减速原理图

3.2R-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。

3.3R-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3-3RV-200C结构尺寸示意图

图3-4RV-320C结构尺寸示意图

图3-5RV减速器无负载转矩输出图

图3-6RV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（GB10095—88）；

（3）材料选择。

由文献[6]表10—1,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。

3.校核齿面接触疲劳强度

（1）载荷系数Kt=1.6，由文献[6]图10—30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

查文献[6]图10-13得

；查文献[6]表10-3得

所以载荷系数

K=

=1.866

（3）外啮合齿轮传动的齿宽系数

=0.1

（4）查文献[6]表10—6得材料的弹性影响系数

=189.8

（5）由文献[6]图10—21d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

=550

因为接触强度相等，因此只需

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

（1）查取齿形系数

由文献[6]表10-5查得齿形系数

；

，

应力校正系数

；

=1.779。

（2）由文献[6]图10-20C查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限

；

。

（3）由文献[6]图10-18查得弯曲疲劳寿命系数

；

（4）计算弯曲疲劳许用应力。

取弯曲疲劳安全系数S=1.4；则

；

同理

=257.86

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JISB1521SKF6205）的主要性能参数如下：

（可查阅相关手册）

基本额定动载荷：

基本额定静载荷：

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：

由于

由表13-5得：

e=0.4

当量动载荷P为：

（由表13-6，取

）

轴承寿命计算：

由于

只需验算2处轴承即可

轴承预期使用五年寿命为：

显然：

即低于预算寿命，所选轴承合格。

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。

参考文献

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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

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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）：

24～25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、