165kg重载六自由度机器人机械系统肘部结构设计【字数：13059】
目前，工业机器人作为重要制造装备中较为主要的关键装备而被广泛研究。工业机器人的发展越来越成熟和先进，所能承受的负载也越来越大，因此不可避免的在进行大负载工作时会对机器人的速度和精度产生影响。所以需要对重载机器人进行一个优良的结构设计以提高它的工作效率。机器人肘部具有一个自由度，决定了小臂的俯仰动作。通过对机器人的负载和工况参数分析，确定了机器人肘部结构的总体方案，坐标形式是关节型，使用电力驱动，传动方式是RV减速传动，电机选型Y系列。选定方案后对轴、齿轮等进行具体的设计计算及强度的校核，再选择壳体的材料及外形以完成对机器人肘部的总体设计。最后用三维设计软件SolidWorks对传动系统中的输出轴进行应力和疲劳分析。
目 录
1. 绪论1
1.1 本课题的目的及意义1
1.2 165kg重载机器人的研究现状及发展趋势2
1.2.1重载机器人国外研究现状2
1.2.2重载机器人国内研究现状3
1.2.3重载机器人发展趋势3
1.3 本课题主要设计内容4
2. 165kg重载机器人肘关节方案确定6
2.1基本参数的确定6
2.2.1 机械结构类型的选择6
2.2.2 驱动方式的选择6
2.2.3自由度的确定7
2.2.4 传动方案的确定 7
2.2肘部结构的确定9
3. 165kg重载机器人肘部结构的设计10
3.1 肘部结构设计要求10
3.2 肘关节电动机的选择10
3.2.1 电动机类型和结构形式选择10
3.2.2 选择电动机容量10
3.3计算传动装置运动学和动力学参数13
3.3.1 传动比的分配13
3.3.2 各轴转速13
3.3.3 各轴输入功率13
3.3.4 各轴转矩14
3.4 齿轮的设计14
3.4.1 一级齿轮的设计14
3.4.2 摆线齿轮的设计29
3.5轴的结构设计21
3.5.1 曲柄轴的设计21
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
3.5.2 输入轴的设计23
3.6 壳体设计24
3.6.1 壳体的功能24
3.6.2 壳体的材料与设计要求25
3.6.3 壳体的结构与尺寸设计25
4.对低速轴的应力分析与疲劳分析27
4.1 基于Solidworks的低速轴的静力学分析27
4.2 基于Solidworks的低速轴的疲劳分析28
结论30
参考文献31
致谢32
1.绪论
1.1本课题的目的及意义
工业机器人是机器人之一，它是一种机电一体化自动化生产设备，可模拟人工操作、自动控制、可重新编程，并可在三维空间中执行各种操作。它特别适用于多品种和可变批次的灵活生产[1]。在制造业工业发展飞速的此时，工业机器人已经被大规模投放到生产中，减少和替换了巨多人工需求。目前，工业机器人作为重要制造装备中较为主要的关键装备而被大力研究，它主要应用于大型机床、船舶、汽车、大型生产线设备组以及钢铁冶金等行业[2]。图1.1和图1.2是一种新型焊接机器人和一种更先进的双臂机器人。
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图1.1 新型焊接机器人 图1.2 双臂机器人
多自由度机械手作为机器人一个的重要部分，不停地进化和发展着。不过在某些重大制造环节，对机械手臂的载荷能力提出了更高的要求，因而，对于较重负载的工作环境下，则会对机械手的自由度和运动精度有所限制，本课题的研究目的在于使机械手在重载情况下保持灵活的运动和控制，而机械臂的肘部是连接机械手大臂与小臂的关键节点，肘部结构的优良设计是使机械手臂发挥最大功效的重要保障，保证机器人在重载情况下的灵活度从而可以大大提升工作效率。根据对相关资料的查阅，我了解到所谓的重载高速机器人通常指的是手腕有效载荷超过100kg的工业机器人，它在负载、运行速度、可靠性、重复性、通用性等方面表现优异，适用于柔性生产[3]。和轻载机器人相比，随着载重重量比的增加，在机器人的本体设计和实现高动态性能变得更加困难。在汽车、冶金、重型机械制造、码垛物流这些行业，重载机器人被大量应用。主流重载工业机器人通常是有四到六个自由度，负载能力100kg到500kg之间，165kg的负载属于120kg到200kg之间，这类负载的重载机器人是最多见的。机器人负载需要增加是因为工作需求越来越高，为了确保设备重载情况下机器人的运行平稳状态，提高轨迹和定位精度的同时，降低对驱动件的功率消耗，各个不同品牌在机器人的控制系统架构和运动规划及伺服控制算法方面都有优秀之处，然而，具体技术仍是每个机器人制造商的商业机密，对外公开的很少[4]。图1.3为一种重载1200kg的机器人。
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图1.3 负载1200kg的机器人
本课题的研究意在对工况进行分析与计算之后，设计出一个完备的能有效连接工业机器人大臂与小臂的肘部结构。
1.2 165kg重载机器人的研究现状及发展趋势
1.2.1重载机器人国外研究现状
第一台实用的工业机器人诞生在上个世纪60年代 , 由美国的研究团队开发制造，它可以被视为机器人历史上的里程碑，90年代左右，美、日、德等工业大国已经建立起了相对完善的产业体系[5]。全球范围内涉及到重载机器人研发制造的厂家主要有瑞士ABB、德国KUKA、意大利COMAU、日本FANUC等企业。有些先进机器人，通常负荷量是提升了，但往往工作速度不尽人意。为此国外的研究机构开展了相关的研发工作，在扩大机器人工作效率上产生了很多积极的成果。综合来说，目前国外发达国家的重载机器人相较我国在精度、速度、效率等多方面都有较多的领先。图1.4是一部六自由度的ABB重载工业机器人，它的负重达到了340kg，图1.5是它的工作范围，为2800mm。
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图1.4 ABB机器人 图1.5 ABB机器人工作范围
1.2.2重载机器人国内研究现状
中国的机器人行业起步比较晚，不过国家到目前为止已经有了相当多的政策支持，所以发展速度也在不断加快，在2000年之后，我国出现了像哈尔滨博实、沈阳新松、安徽埃夫特这些致力于工业机器人生产的著名企业[6]。
目 录
1. 绪论1
1.1 本课题的目的及意义1
1.2 165kg重载机器人的研究现状及发展趋势2
1.2.1重载机器人国外研究现状2
1.2.2重载机器人国内研究现状3
1.2.3重载机器人发展趋势3
1.3 本课题主要设计内容4
2. 165kg重载机器人肘关节方案确定6
2.1基本参数的确定6
2.2.1 机械结构类型的选择6
2.2.2 驱动方式的选择6
2.2.3自由度的确定7
2.2.4 传动方案的确定 7
2.2肘部结构的确定9
3. 165kg重载机器人肘部结构的设计10
3.1 肘部结构设计要求10
3.2 肘关节电动机的选择10
3.2.1 电动机类型和结构形式选择10
3.2.2 选择电动机容量10
3.3计算传动装置运动学和动力学参数13
3.3.1 传动比的分配13
3.3.2 各轴转速13
3.3.3 各轴输入功率13
3.3.4 各轴转矩14
3.4 齿轮的设计14
3.4.1 一级齿轮的设计14
3.4.2 摆线齿轮的设计29
3.5轴的结构设计21
3.5.1 曲柄轴的设计21
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
3.5.2 输入轴的设计23
3.6 壳体设计24
3.6.1 壳体的功能24
3.6.2 壳体的材料与设计要求25
3.6.3 壳体的结构与尺寸设计25
4.对低速轴的应力分析与疲劳分析27
4.1 基于Solidworks的低速轴的静力学分析27
4.2 基于Solidworks的低速轴的疲劳分析28
结论30
参考文献31
致谢32
1.绪论
1.1本课题的目的及意义
工业机器人是机器人之一，它是一种机电一体化自动化生产设备，可模拟人工操作、自动控制、可重新编程，并可在三维空间中执行各种操作。它特别适用于多品种和可变批次的灵活生产[1]。在制造业工业发展飞速的此时，工业机器人已经被大规模投放到生产中，减少和替换了巨多人工需求。目前，工业机器人作为重要制造装备中较为主要的关键装备而被大力研究，它主要应用于大型机床、船舶、汽车、大型生产线设备组以及钢铁冶金等行业[2]。图1.1和图1.2是一种新型焊接机器人和一种更先进的双臂机器人。
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图1.1 新型焊接机器人 图1.2 双臂机器人
多自由度机械手作为机器人一个的重要部分，不停地进化和发展着。不过在某些重大制造环节，对机械手臂的载荷能力提出了更高的要求，因而，对于较重负载的工作环境下，则会对机械手的自由度和运动精度有所限制，本课题的研究目的在于使机械手在重载情况下保持灵活的运动和控制，而机械臂的肘部是连接机械手大臂与小臂的关键节点，肘部结构的优良设计是使机械手臂发挥最大功效的重要保障，保证机器人在重载情况下的灵活度从而可以大大提升工作效率。根据对相关资料的查阅，我了解到所谓的重载高速机器人通常指的是手腕有效载荷超过100kg的工业机器人，它在负载、运行速度、可靠性、重复性、通用性等方面表现优异，适用于柔性生产[3]。和轻载机器人相比，随着载重重量比的增加，在机器人的本体设计和实现高动态性能变得更加困难。在汽车、冶金、重型机械制造、码垛物流这些行业，重载机器人被大量应用。主流重载工业机器人通常是有四到六个自由度，负载能力100kg到500kg之间，165kg的负载属于120kg到200kg之间，这类负载的重载机器人是最多见的。机器人负载需要增加是因为工作需求越来越高，为了确保设备重载情况下机器人的运行平稳状态，提高轨迹和定位精度的同时，降低对驱动件的功率消耗，各个不同品牌在机器人的控制系统架构和运动规划及伺服控制算法方面都有优秀之处，然而，具体技术仍是每个机器人制造商的商业机密，对外公开的很少[4]。图1.3为一种重载1200kg的机器人。
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图1.3 负载1200kg的机器人
本课题的研究意在对工况进行分析与计算之后，设计出一个完备的能有效连接工业机器人大臂与小臂的肘部结构。
1.2 165kg重载机器人的研究现状及发展趋势
1.2.1重载机器人国外研究现状
第一台实用的工业机器人诞生在上个世纪60年代 , 由美国的研究团队开发制造，它可以被视为机器人历史上的里程碑，90年代左右，美、日、德等工业大国已经建立起了相对完善的产业体系[5]。全球范围内涉及到重载机器人研发制造的厂家主要有瑞士ABB、德国KUKA、意大利COMAU、日本FANUC等企业。有些先进机器人，通常负荷量是提升了，但往往工作速度不尽人意。为此国外的研究机构开展了相关的研发工作，在扩大机器人工作效率上产生了很多积极的成果。综合来说，目前国外发达国家的重载机器人相较我国在精度、速度、效率等多方面都有较多的领先。图1.4是一部六自由度的ABB重载工业机器人，它的负重达到了340kg，图1.5是它的工作范围，为2800mm。
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图1.4 ABB机器人 图1.5 ABB机器人工作范围
1.2.2重载机器人国内研究现状
中国的机器人行业起步比较晚，不过国家到目前为止已经有了相当多的政策支持，所以发展速度也在不断加快，在2000年之后，我国出现了像哈尔滨博实、沈阳新松、安徽埃夫特这些致力于工业机器人生产的著名企业[6]。
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