165kg重载六自由度机器人机械系统肩部结构设计【字数：12424】
如今，机器人手在各个领域的应用越来越广泛，这是事实。在许多情况下，需要机器人的手具有有效控制的能力。此次设计是设计一个165kg重载六自由度机器人肩关节，在设计过程中主要通过一个谐波减速器和一对直齿齿轮来降低转速和提升转矩，利用齿轮与轴的配合来完成肩关节在平面内的旋转。 本课题的设计主要包括俩个部分肩部旋转关节旋转方案的设计和传动系统的设计。传动系统的设计包括选择电机，选择谐波减速器，设计传动齿轮、设计传动轴和轴承。最后，利用有限元法对传动系统主要部件的强度等性能参数进行了计算、校核和分析。
目录
1 绪论 3
1.1本课题的目的及意义 3
1.2 重载工业机器人在国外的研究现状及趋势 4
1.3 重载机器人国内研究现状趋势 5
1.4本课题主要设计内容 6
2 确定165kg重载机器人肩部结构方案 7
2.1机器人肩部坐标形式的确定 7
2.2 传动机构的对比和分析 8
2.3肩关节驱动系统的比较及选择 8
2.4 肩关节回转方案的对比分析及选择 10
2.5 肩关节回转方案三维简图 11
3 165kg重载机器人肩关节结构设计 11
3.1 主要技术参数确定 11
3.2 谐波减速器和肩关节电机的选型 12
3.3 减速齿轮的设计与校核 14
3.4 设计并计算齿轮的输入轴尺寸 19
3.4.7 轴承的校核 24
3.5 齿轮输出轴的设计计算 25
3.6 输入轴上键的选择校核 31
3.7 输出轴上键的选择校核 32
3.8 齿轮减速器箱体的设计 34
4 基于solidworks的肩关节传动部件的建模与静强度分析 35
4.1齿轮建模 35
4.2齿轮的静强度分析 36
4.3传动轴建模 36
4.4传动轴静强度分析 37
全文总结 39
参考文献 40
1 绪论
1.1本课题的目的及意义
为满足工业生产日益发展的需要， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
未来制造业基本都会选择无人化的工厂操作系统。在将来的发展中，由此是工业化的生产转变为自动化是必然的，随之的企业管理、运营都将会在集成的综合应用平台上利用信号的采集、传输、智能化分析综合利用实现统一管理。在该平台上，高端数字设备占有重要地位。工业机器人技术是当前工业自动化领域最典型也是最灼热的领域。工业机器人的特点具拥高附加值、场合应用广泛用的众多优势，在我国产业支撑上堪称高端“高端装备制造业”的核心发展方向，同时，它也是中国七大新兴产业和信息社会新兴产业的重要支撑。
重型工业机器人应用十分广泛，大部分重型工业机器人一般有4至6度的自由度，负载范围在100kg到500kg之间，其中更多的应用范围在120kg到200kg之间。随着人们对实际应用需求的不断增加，重型工业机器人能够搬运物件的重量也在不断提高.为了保证机器人在搬运大重量货物的同时也能平稳运行，规划机器人的运动轨迹和提高定位精度，降低驱动部件的功耗，各品牌在控制系统结构、运动规划和伺服控制算法上都有其独特的特点，但相关技术是其核心技术。每个机器人制造商的商业秘密，以及公开的文献和技术数据相对较少。
本文的设计对象是165公斤重负荷六自由度机器人，主要用于重负荷的装配和操纵。重型装配搬运不同于一般搬运(包括码垛)，即除了需要移动的工件的位置外，还应根据要求改变工件的姿态，同时工件的姿态要精确到达指定位置。随着现代信息技术的发展和自动化、大型、快速、柔性制造的要求，汽车制造业、冶金、锻造、重型机械制造等行业需要高重复精度、快速运行、高承载能力、高可靠性、易操作性和高可靠性，通用性强的重载工业机器人。
1.2 重载工业机器人在国外的研究现状及趋势
第一台运用到实业的重载工业机器人诞生时间在1960年, 由美国的研究团队开发制造，可以算是机器人史上的一个里程碑，到了90年代机器人得到了迅猛发展，美、日、德等工业大国已经建立起了相对完善的产业体系。而随着经济的高速发展，劳动力短缺以及劳动力成本提高等问题日渐显著，发达国家也都纷纷注重机器人的发展。涉及到重载工业机器人的厂家主要有以下几家：瑞士ABB、德国库卡、意大利柯马、日本发那科、日本川崎等，以上企业占据了重载工业机器人总装机量的八成以上。重载工业机器人技术发展的难点在于机器人所承受载荷较大，在保证系统及驱动稳定运行的工况下，不但要提高其定位精度以及运行速度提高效率，同时还要考虑到降低能耗，实现大载荷、高精度、快速度、低能耗更的先进水平。不同品牌的机器人厂家均有自己所长，其核心控制技术以及擅长的方向也均有自己的特色，但核心关键技术都是各厂家企业最为宝贵的商业机密。这些先进机器人，通常负荷量的提升是以牺牲工作速度为代价的。为了加快重载机器人的工作速度，进而扩大其工作效率与应用范围，国外的研究机构展开了进一步的研究，也产生了很多积极的理论成果。综合而言，目前国外工业机器人在精度、速度以及负荷重量方面均保持领先地位。
由ABB公司研发的第七代大型机器人IRB 6700，如图1.1所示，在150300千克的负载水平上，该机器人具有最佳的性能和最低的总体拥有成本。主要特点和优点是维修间隔延长，维修次数减少，平均故障间隔低至400000次，结构稳定性和刚性更高，采用新一代电机和紧凑的变速箱，速度更快，节拍时间更短，平均提高5%的运行速度和精度，负载能力增强。
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图1.1 ABB IRB 6700
1.3 重载机器人国内研究现状趋势
自上世纪七十年代开始我国的机器人事业才算是正式起步，其中七十年代可以说的上是萌芽期；然后八十年代算得上是开发期；再到九十年代的实用期。至今已经有了几十多年的发展，可以说是从简单的坐标机器人发展到关节型模块化机器人，从最初的轻载到现在重载机器人，实现了从当初的试验、引进机器人到现在的自主开发阶段。更有甚者一些产品能够迈入国际市场。
随着机器人在工业生产中的应用越来越广泛，重型机器的制造、搬运和组装等生产作业对重载机器人的需求越来越多。国内许多研究机构和学者对重载机器人（负载100kg以上）的研究与应用先后开展了许多的工作。
当前虽然我国的工业机器人产业发展的还算不错，但如果和其他的发达国家相比，还落后了很多。是以在我国十二五、十三五规划计划中，大力发展智能制造产业进行经济转型的背景下，为了打破国外在机器人市场的垄断局面，国内很多企业也开始对工业机器人产业化生产，如广州数控、哈工大博实机器人公司、上海交大沃迪公司等，但是由于与国外机器人发展技术上的差距，在一定程度上也缩小了国产机器人的市场范围。为此，学者们展开了更深入的研究。王忠等提出“并联放大”的复合臂结构，以期从结构上解决高速下机器人的震动问题；杨萍等对高速重载堆垛机器人进行了运动学分析和有限元计算，但其研究只是针对机械架构利用传统的运动学与力学展开分析，没能给出具体的设计方案与全局模型。当前国内的研究只是从某一局部来提升工业机器人的性能，尚没从整体上给出机器人全局优化的方法或实用技术。工业机器人的国产化是我国制造业发展的关键，要提高其整体性能，缩小与国外之间的差距，是我们目前迫切需要解决的问题。
目录
1 绪论 3
1.1本课题的目的及意义 3
1.2 重载工业机器人在国外的研究现状及趋势 4
1.3 重载机器人国内研究现状趋势 5
1.4本课题主要设计内容 6
2 确定165kg重载机器人肩部结构方案 7
2.1机器人肩部坐标形式的确定 7
2.2 传动机构的对比和分析 8
2.3肩关节驱动系统的比较及选择 8
2.4 肩关节回转方案的对比分析及选择 10
2.5 肩关节回转方案三维简图 11
3 165kg重载机器人肩关节结构设计 11
3.1 主要技术参数确定 11
3.2 谐波减速器和肩关节电机的选型 12
3.3 减速齿轮的设计与校核 14
3.4 设计并计算齿轮的输入轴尺寸 19
3.4.7 轴承的校核 24
3.5 齿轮输出轴的设计计算 25
3.6 输入轴上键的选择校核 31
3.7 输出轴上键的选择校核 32
3.8 齿轮减速器箱体的设计 34
4 基于solidworks的肩关节传动部件的建模与静强度分析 35
4.1齿轮建模 35
4.2齿轮的静强度分析 36
4.3传动轴建模 36
4.4传动轴静强度分析 37
全文总结 39
参考文献 40
1 绪论
1.1本课题的目的及意义
为满足工业生产日益发展的需要， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
未来制造业基本都会选择无人化的工厂操作系统。在将来的发展中，由此是工业化的生产转变为自动化是必然的，随之的企业管理、运营都将会在集成的综合应用平台上利用信号的采集、传输、智能化分析综合利用实现统一管理。在该平台上，高端数字设备占有重要地位。工业机器人技术是当前工业自动化领域最典型也是最灼热的领域。工业机器人的特点具拥高附加值、场合应用广泛用的众多优势，在我国产业支撑上堪称高端“高端装备制造业”的核心发展方向，同时，它也是中国七大新兴产业和信息社会新兴产业的重要支撑。
重型工业机器人应用十分广泛，大部分重型工业机器人一般有4至6度的自由度，负载范围在100kg到500kg之间，其中更多的应用范围在120kg到200kg之间。随着人们对实际应用需求的不断增加，重型工业机器人能够搬运物件的重量也在不断提高.为了保证机器人在搬运大重量货物的同时也能平稳运行，规划机器人的运动轨迹和提高定位精度，降低驱动部件的功耗，各品牌在控制系统结构、运动规划和伺服控制算法上都有其独特的特点，但相关技术是其核心技术。每个机器人制造商的商业秘密，以及公开的文献和技术数据相对较少。
本文的设计对象是165公斤重负荷六自由度机器人，主要用于重负荷的装配和操纵。重型装配搬运不同于一般搬运(包括码垛)，即除了需要移动的工件的位置外，还应根据要求改变工件的姿态，同时工件的姿态要精确到达指定位置。随着现代信息技术的发展和自动化、大型、快速、柔性制造的要求，汽车制造业、冶金、锻造、重型机械制造等行业需要高重复精度、快速运行、高承载能力、高可靠性、易操作性和高可靠性，通用性强的重载工业机器人。
1.2 重载工业机器人在国外的研究现状及趋势
第一台运用到实业的重载工业机器人诞生时间在1960年, 由美国的研究团队开发制造，可以算是机器人史上的一个里程碑，到了90年代机器人得到了迅猛发展，美、日、德等工业大国已经建立起了相对完善的产业体系。而随着经济的高速发展，劳动力短缺以及劳动力成本提高等问题日渐显著，发达国家也都纷纷注重机器人的发展。涉及到重载工业机器人的厂家主要有以下几家：瑞士ABB、德国库卡、意大利柯马、日本发那科、日本川崎等，以上企业占据了重载工业机器人总装机量的八成以上。重载工业机器人技术发展的难点在于机器人所承受载荷较大，在保证系统及驱动稳定运行的工况下，不但要提高其定位精度以及运行速度提高效率，同时还要考虑到降低能耗，实现大载荷、高精度、快速度、低能耗更的先进水平。不同品牌的机器人厂家均有自己所长，其核心控制技术以及擅长的方向也均有自己的特色，但核心关键技术都是各厂家企业最为宝贵的商业机密。这些先进机器人，通常负荷量的提升是以牺牲工作速度为代价的。为了加快重载机器人的工作速度，进而扩大其工作效率与应用范围，国外的研究机构展开了进一步的研究，也产生了很多积极的理论成果。综合而言，目前国外工业机器人在精度、速度以及负荷重量方面均保持领先地位。
由ABB公司研发的第七代大型机器人IRB 6700，如图1.1所示，在150300千克的负载水平上，该机器人具有最佳的性能和最低的总体拥有成本。主要特点和优点是维修间隔延长，维修次数减少，平均故障间隔低至400000次，结构稳定性和刚性更高，采用新一代电机和紧凑的变速箱，速度更快，节拍时间更短，平均提高5%的运行速度和精度，负载能力增强。
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图1.1 ABB IRB 6700
1.3 重载机器人国内研究现状趋势
自上世纪七十年代开始我国的机器人事业才算是正式起步，其中七十年代可以说的上是萌芽期；然后八十年代算得上是开发期；再到九十年代的实用期。至今已经有了几十多年的发展，可以说是从简单的坐标机器人发展到关节型模块化机器人，从最初的轻载到现在重载机器人，实现了从当初的试验、引进机器人到现在的自主开发阶段。更有甚者一些产品能够迈入国际市场。
随着机器人在工业生产中的应用越来越广泛，重型机器的制造、搬运和组装等生产作业对重载机器人的需求越来越多。国内许多研究机构和学者对重载机器人（负载100kg以上）的研究与应用先后开展了许多的工作。
当前虽然我国的工业机器人产业发展的还算不错，但如果和其他的发达国家相比，还落后了很多。是以在我国十二五、十三五规划计划中，大力发展智能制造产业进行经济转型的背景下，为了打破国外在机器人市场的垄断局面，国内很多企业也开始对工业机器人产业化生产，如广州数控、哈工大博实机器人公司、上海交大沃迪公司等，但是由于与国外机器人发展技术上的差距，在一定程度上也缩小了国产机器人的市场范围。为此，学者们展开了更深入的研究。王忠等提出“并联放大”的复合臂结构，以期从结构上解决高速下机器人的震动问题；杨萍等对高速重载堆垛机器人进行了运动学分析和有限元计算，但其研究只是针对机械架构利用传统的运动学与力学展开分析，没能给出具体的设计方案与全局模型。当前国内的研究只是从某一局部来提升工业机器人的性能，尚没从整体上给出机器人全局优化的方法或实用技术。工业机器人的国产化是我国制造业发展的关键，要提高其整体性能，缩小与国外之间的差距，是我们目前迫切需要解决的问题。
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