三自由度工业机器人的结构设计

三自由度工业机器人的结构设计内容摘要：

驱动。 第一轴（大臂）的结构 大臂的结构图（图 21）及其传动原理简图（图 21）： 图 21 图 22 第一臂，也即大臂，该手臂实现工业机器人的回转运动，整个系统由伺服电动机驱动。 为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求，整个减速系统采用了三级斜齿轮传动，且所有的斜齿轮都装在一 个箱体（减速箱）里面。 然而，与一般情况不同的是，第三级斜齿轮直接固定在机座上，从而使其它的（上级的斜齿轮）传动机构绕着它转动，且电动机又固定在大臂上，所以导致大臂带着电动机、减速箱一起作回转运动。 传动方案的确定 根据工业机器人的总体结构分析可知，工业机器人的三轴的传动结构并不复杂。 第一轴采用的是齿轮传动，第二轴、第三轴则采用的是摆线针轮行星齿轮传动。 当然，参照以上的传动结构分析，现拟定如下三种传动方案： 方案一：第一轴：齿轮传动（直齿或斜齿） 第二轴、第三轴：摆线针轮 行星齿轮传动 方案二：第一轴：蜗杆蜗轮传动 第二轴、第三轴：蜗杆蜗轮传动 方案三：第一轴：蜗杆蜗轮传动 第二轴、第三轴：摆线针轮行星齿轮传动 方案比较论证 首先，已知各种传动的传动比 u:直齿圆柱齿轮传动， u≤ 4；斜齿轮传动， u≤ 6；蜗杆蜗轮传动， 5≤ u≤ 70，常用 15≤ u≤ 50；摆线针轮行星齿轮传动， 11≤ u≤ 87（单级）。 然后估算各轴的传动比，初选转速为 1500r/min 的原动机，则 u1=1500/15=100, u2=1500/20=75。 第一轴传动的确定： 蜗杆蜗轮传动的特点： 1）传动平稳，振动冲击和噪声均很小； 2）传动比也较大，结构比较紧凑。 而在这里采用此传动，则需要两级传动才能满足要求，蜗杆蜗轮的传动是两轴交错的，这样一来也就增加了结构的复杂性，且同时也增加了转动时的负荷； 3）由于蜗杆蜗轮啮合轮齿间相对滑动速度大，使得摩擦损耗大，因而传动效率较低。 因此，第一轴采用齿轮传动。 要实现设计要求，如采用圆柱直齿轮传动则需要四级传动，而采用斜齿轮则需要三级就可以，并且知道在相同的条件下，采用斜齿轮传动比圆柱齿轮传动，在结构上尺寸要小得多，由此可知，采用斜齿轮传动。 斜 齿传动有如下优点：1）啮合性能好； 2）重合度大，传动平稳； 3）结构紧凑，并且在总体结构上也是合理的。 第二轴传动的确定：由各传动系统的传动比可知，第二轴的传动应该采用摆线针轮行星齿轮传动。 摆线针轮行星齿轮传动有如下优点： 1）传动比大。 一级传动比为 11～ 87，二级传动比为 121～ 7569，三级传动比可达 446571； 2）结构紧凑、体积小、重量轻。 如将摆线针轮行星减速器与同功率的两级普通圆柱齿轮减速器相比，体积可减小 1/2～ 2/3，重量约减轻 1/2～ 1/3 以上； 3）效率较高。 一般效率为 ～ ，最高可 达 ； 4）传动平稳，过载能力较大，承受冲击和振动的性能较好； 5）工作可靠，寿命长。 但是这种传动结构复杂，加工制造较困难。 总上所述，选择方案一为最佳。 第一轴采用三级斜齿轮传动，第二、第三轴采用摆线针轮行星齿轮传动。 第三章 设计计算 电动机的选择 第一轴的电动机的选择 根据设计方案可知，第二轴、第三轴的所有重量都是第一轴的负荷，所以说，第一轴的转动惯量是很大的，必须计算各零部件的转动惯量，计算出最终动力源轴上所需要的最大的转动惯量，再根据动力源轴上的转动惯量进行选择电动机。 下面计算第一轴上的转动惯量： 如图 311，该轴的转动轴与第二轴的转动轴不同，该转动轴的轴线为 ob线，则在这种情况下， FG 2G 1G 3 NMOb 图 311 第三臂的转动惯量： )15c o s15( 223  mJJ O Kgm2 第二轴的转动惯量： 222222 )(12 mdcbamJ  （ 311） 22222 )(12   Kgm2 两电动机的转动惯量： 2221  电电电 JJJ Kgm2 两个行星轮系的转动惯量： 221  轮轮轮 JJJ Kgm2 减速箱的转动惯量： 3 7 5 0 2 减J Kgm2 第一轴本身的转动惯量： 5 0 221  mJ Kgm2 所以，总的转动惯量为： 总J  Kgm2 而转动角加速度  为：   tvtV 1/s2 则输出轴的转矩为 M 由式（ 317）得： 1 8  总JM。