机器人减速器偏心轴有限元强度与变形分析(附件)【字数：7513】
摘 要机械传动的核心——减速器，作为工业机器人的核心部件，其与机器人的速度，精度都息息相关。随着互联网和工业的发展，越来越多的场合需要配合机器人的辅助来完成加工作业以保障精度和效率。这也就提高了对机器人的要求，直观强调了机器人减速器升级的重要性。减速器的灵活性与偏心轴的设计有关。本文的目的是通过有限元分析计算偏心轴的强度与变形，对偏心轴的应力与应变分析，从而获得相对较完美的设计方案。分析减速器在偏心轴方面关于强度与变形的有限元分析。偏心轴的特点在于其相对较多的阶梯轴以及倒圆角，而对于该阶梯轴和倒圆角的应力分析与应力分布的情况相对较复杂。通常情况下，人们对于偏心轴的分析是基于理论基础上继而进行大量假设与试验校核得出的理论结果。但其结果不足以直观及真实的反应偏心轴受力状态，现采用有限元的分析方法来论述偏心轴的设计方法，校核偏心轴设计结构强度与变形。通过对传统机器人减速器偏心轴结构的调研，结合软件分析和实际应用的情况进行分析，构思出变形最小，应力分布最合理的情况。对偏心轴部件的设计计算与强度校核，并给出相应图纸与计算结果。最开始，我选择的是在2、5轴段与支承座接触处施加径向约束，在3、4轴段外圆柱面施加周向约束。径向约束我选择的是约束x和y方向的移动，周向约束我选择的是约束z方向的转动。优化前，3、4轴段向下施加的压力F = 3057.6N。之后我的优化方向为通过调大变形较大部位的轴承直径来做优化，使分析出来的应力值超过我零件的屈服强度。优化后的3、4轴段向下施加的压力F = 2620.8N。通过改进，最大应力减少了75%，最大形变量减少了49%，符合设计要求。摘 要 2
目 录
ABSTRACT 3
第一章 绪 论 6
1.1 课题研究背景 6
1.2 课题国内外研究现状及发展趋势 6
1.3 本课题的研究内容 7
第二章 模型建立 9
2.1 三维模型建立 9
2.1.1 课件材料整理 10
2.1.2 零件结构分析及载荷设置 10
2.1.3 放置位置划分 10
2.2 Hyperdesk分析 10
2.2.1 约束分析 11
2.2.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
载荷分析 11
2.2.3 Hyperdesk分析网格 11
2.2.4 有限元校核 12
第三章 计算结果与优化设计 14
3.1 变形与应力云图 14
3.2 优化内容 15
3.3 数据对比 16
第四章 总 结 18
致 谢 18
参考文献 19
第一章 绪 论
1.1 课题研究背景
众所周知，现今的工业和科技发展迅速，企业经济转型升级加速，商品制造格局发生变化。人们对于产品的产量以及质量有了更高的追求。越来越多的企业选择机器人代替工人操作和加工，越来越多的高精密加工选择机器人来完成。这个现象是时代的进步，但却存在着或多或少的弊端。由于新兴项目的局限性，前人对于机器人减速器以及偏心轴的研究相对欠缺，从而造成了在机器人减速器偏心轴方面知识的欠缺和不完善。这一系列的影响不可避免的对后来者的研究，查询或者是参考造成了影响。我这次研究的目的就是在综合前人得出的结论的前提下，将我所接触到的课题深入化、具体化、验证化。希望自己的研究设计能为以后的人提供些许的帮助。
1.2 课题国内外研究现状及发展趋势
随着计算机网络、机械电子、信息、自动化以及人工智能等技术的飞速发展，伴随着的还有各种资源的开发与利用，例如海洋资源与太空资源，这些都为机器人的发展提供了广阔的空间。
国外对于机器人的研究相对较为成熟，特别是在减速器以及其偏心轴方面有很前卫的见解。特别值得一提的是，在材料以及制造工艺方面，德国、丹麦和日本都属于超前国家，很多方面的知识都值得各国学习。通过对他们的研究成果的总结后得出的结论是：减速器以其可靠性和持久性而闻名，但其存在的体积和重量问题认识一件令人头疼的事情，并且其以定轴齿轮传动为主的传动形式仍是困扰大家的主要问题所在。通过查阅文献所了解，日本方面，相对先进的住友重工，其在其所研制的FA型高精度减速器[1]领域世界闻名。同样的，美国AlanNewton公司在其锁开发研制的XY式减速器都是近现代相对先进的齿轮减速器[2]。
在国内，减速器的发展情况相比于一向发达国家就比较落后了，国内的减速器多以齿轮传动，蜗杆传动为主。纵观国内现状，普遍存在着减速器传动比大而机械效率过低并且在材料品质的工艺水平上还存在着许多的弱点。例如使用寿命太短，这样的问题在大型减速器中尤为常见，是目前需要解决的重要问题之一。由于国内相对于国外在这方面的欠缺性，目前国内使用的大型减速器均由丹麦和德国等地进口。
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图1.1 国产Rv减速器示例图
早在六十年代的时候，当时我国生产的少齿差传动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器都是具有机械效率高的特点的。然而，由于当时理论方面的相对局限的限制，冲抵的功率得在40kw以内，从而没能在根本上解决传递功率大、传动比大、体积小。质量轻的问题。到了九十年代初期的时候，国内出现一种外平动齿轮传动减速器，名为三环减速器[3]。因其传动比较大、传递载荷能力较强、结构相对简单、效率明显提高，是当时比较常见和常用的减速器类型。但是该类型减速器依旧没有解决功率与体积的比值较小的问题。
1.3 本课题的研究内容
总观各行各业，减速器的使用十分的广泛，可以说是一种不可或缺的机械传动装置。然而，通过我对前人研究出来的结果发现，普遍存的传动比大是减速器最明显的缺点，伴随着的是机械效率过低和体积，质量都过大的伴随矛盾。这也正是我此次入手这门研究设计所要开始着手的问题。
近年来，由于工业的快速发展，导致全球气候变暖，环境污染严重。国内外对于环保、节能越来越看重。大力提倡低碳、环保、节能，从根源来降低污染。对于现代的快生活节奏而言“服务社会——高效、便利、个性化”是首当其冲的。
如今互联网与工业的快速发展，导致物流运输量急剧上升，通过对市场现有的装卸运输工具进行调研，提出本文的机械运输机构。
偏心轴是指，其部件中心并非位于轴线的中心。相比于一般的轴承只能通过带动工件自转完成加工操作，偏心轴不但能通过工件自转进行加工，还能以公转的方式完成作业。比较出名的实例就是美国的压缩机品牌Copeland[4]，他们的研发人员正式利用了偏心轴的特殊工作方式，以偏心轴来带动涡旋公转从而有效实现压缩制剂的高效与快速。
有限元分析，最初是被用于工程应用之中的，在被运用与反复检测修改调整后，人们开始发现这种数据计算方法可以适用于其他很多方面的求证，杆系结构力学作为固体力学中最早采用计算机数据分析的研究课题，其结果也是非常的惊艳。后来学者通过对其杆件单元而慢慢成就了有限元的理论基础。早在1943年，Courant[5]通过分片连续函数和最小位能原理在三角区域里的运用来解决了St.Venant扭转问题[6]；1969年，OdenJ.T．[7]将有限元法扩展应用于加权余量法解决了热弹性问题；同年，Zienkiewiczo.C[8]提出了等参元的概念，使有限元精度精确，并可适用于各种复杂的结构形状和边界条件。许多国家都为此编制了有限元程序，如美国加利福尼亚大学研制的SAP软件[9]、麻省理工学院研制的ADINA软件[10]、美国国家航空与宇航局研制的NASTRAN软件[11]等。
在研究选题的时候，我明显发现一个问题。而且这个问题普遍存在在各个研究课题中。那就是：现在我国学者对于机器人减速器偏心轴的研究还很欠缺，在这方面可查阅的资料还很少，有待提高。同时也就增加了我们对于课题研究的难度。
目 录
ABSTRACT 3
第一章 绪 论 6
1.1 课题研究背景 6
1.2 课题国内外研究现状及发展趋势 6
1.3 本课题的研究内容 7
第二章 模型建立 9
2.1 三维模型建立 9
2.1.1 课件材料整理 10
2.1.2 零件结构分析及载荷设置 10
2.1.3 放置位置划分 10
2.2 Hyperdesk分析 10
2.2.1 约束分析 11
2.2.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
载荷分析 11
2.2.3 Hyperdesk分析网格 11
2.2.4 有限元校核 12
第三章 计算结果与优化设计 14
3.1 变形与应力云图 14
3.2 优化内容 15
3.3 数据对比 16
第四章 总 结 18
致 谢 18
参考文献 19
第一章 绪 论
1.1 课题研究背景
众所周知，现今的工业和科技发展迅速，企业经济转型升级加速，商品制造格局发生变化。人们对于产品的产量以及质量有了更高的追求。越来越多的企业选择机器人代替工人操作和加工，越来越多的高精密加工选择机器人来完成。这个现象是时代的进步，但却存在着或多或少的弊端。由于新兴项目的局限性，前人对于机器人减速器以及偏心轴的研究相对欠缺，从而造成了在机器人减速器偏心轴方面知识的欠缺和不完善。这一系列的影响不可避免的对后来者的研究，查询或者是参考造成了影响。我这次研究的目的就是在综合前人得出的结论的前提下，将我所接触到的课题深入化、具体化、验证化。希望自己的研究设计能为以后的人提供些许的帮助。
1.2 课题国内外研究现状及发展趋势
随着计算机网络、机械电子、信息、自动化以及人工智能等技术的飞速发展，伴随着的还有各种资源的开发与利用，例如海洋资源与太空资源，这些都为机器人的发展提供了广阔的空间。
国外对于机器人的研究相对较为成熟，特别是在减速器以及其偏心轴方面有很前卫的见解。特别值得一提的是，在材料以及制造工艺方面，德国、丹麦和日本都属于超前国家，很多方面的知识都值得各国学习。通过对他们的研究成果的总结后得出的结论是：减速器以其可靠性和持久性而闻名，但其存在的体积和重量问题认识一件令人头疼的事情，并且其以定轴齿轮传动为主的传动形式仍是困扰大家的主要问题所在。通过查阅文献所了解，日本方面，相对先进的住友重工，其在其所研制的FA型高精度减速器[1]领域世界闻名。同样的，美国AlanNewton公司在其锁开发研制的XY式减速器都是近现代相对先进的齿轮减速器[2]。
在国内，减速器的发展情况相比于一向发达国家就比较落后了，国内的减速器多以齿轮传动，蜗杆传动为主。纵观国内现状，普遍存在着减速器传动比大而机械效率过低并且在材料品质的工艺水平上还存在着许多的弱点。例如使用寿命太短，这样的问题在大型减速器中尤为常见，是目前需要解决的重要问题之一。由于国内相对于国外在这方面的欠缺性，目前国内使用的大型减速器均由丹麦和德国等地进口。
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图1.1 国产Rv减速器示例图
早在六十年代的时候，当时我国生产的少齿差传动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器都是具有机械效率高的特点的。然而，由于当时理论方面的相对局限的限制，冲抵的功率得在40kw以内，从而没能在根本上解决传递功率大、传动比大、体积小。质量轻的问题。到了九十年代初期的时候，国内出现一种外平动齿轮传动减速器，名为三环减速器[3]。因其传动比较大、传递载荷能力较强、结构相对简单、效率明显提高，是当时比较常见和常用的减速器类型。但是该类型减速器依旧没有解决功率与体积的比值较小的问题。
1.3 本课题的研究内容
总观各行各业，减速器的使用十分的广泛，可以说是一种不可或缺的机械传动装置。然而，通过我对前人研究出来的结果发现，普遍存的传动比大是减速器最明显的缺点，伴随着的是机械效率过低和体积，质量都过大的伴随矛盾。这也正是我此次入手这门研究设计所要开始着手的问题。
近年来，由于工业的快速发展，导致全球气候变暖，环境污染严重。国内外对于环保、节能越来越看重。大力提倡低碳、环保、节能，从根源来降低污染。对于现代的快生活节奏而言“服务社会——高效、便利、个性化”是首当其冲的。
如今互联网与工业的快速发展，导致物流运输量急剧上升，通过对市场现有的装卸运输工具进行调研，提出本文的机械运输机构。
偏心轴是指，其部件中心并非位于轴线的中心。相比于一般的轴承只能通过带动工件自转完成加工操作，偏心轴不但能通过工件自转进行加工，还能以公转的方式完成作业。比较出名的实例就是美国的压缩机品牌Copeland[4]，他们的研发人员正式利用了偏心轴的特殊工作方式，以偏心轴来带动涡旋公转从而有效实现压缩制剂的高效与快速。
有限元分析，最初是被用于工程应用之中的，在被运用与反复检测修改调整后，人们开始发现这种数据计算方法可以适用于其他很多方面的求证，杆系结构力学作为固体力学中最早采用计算机数据分析的研究课题，其结果也是非常的惊艳。后来学者通过对其杆件单元而慢慢成就了有限元的理论基础。早在1943年，Courant[5]通过分片连续函数和最小位能原理在三角区域里的运用来解决了St.Venant扭转问题[6]；1969年，OdenJ.T．[7]将有限元法扩展应用于加权余量法解决了热弹性问题；同年，Zienkiewiczo.C[8]提出了等参元的概念，使有限元精度精确，并可适用于各种复杂的结构形状和边界条件。许多国家都为此编制了有限元程序，如美国加利福尼亚大学研制的SAP软件[9]、麻省理工学院研制的ADINA软件[10]、美国国家航空与宇航局研制的NASTRAN软件[11]等。
在研究选题的时候，我明显发现一个问题。而且这个问题普遍存在在各个研究课题中。那就是：现在我国学者对于机器人减速器偏心轴的研究还很欠缺，在这方面可查阅的资料还很少，有待提高。同时也就增加了我们对于课题研究的难度。
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