轮胎装配机器人结构毕业设计【带图纸】

'毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩本科毕业论文毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩姓名毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩学院机械工程学院毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩专业机械设计制造及其自动化毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩指导教师陈劲杰副教授毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩完成日期 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学全日制本科生毕业设计（论文）承诺书毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下，严格按照学校和学院的有关规定由本人独立完成。文中所引用的观点和参考资料均已标注并加以注释。论文研究过程中不存在抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。如若出现任何侵犯他人知识产权等问题，本人愿意承担相关法律责任。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩承诺人（签名）：日期： 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计摘要随着全球汽车制造工业的迅速发展，在汽车装配作业中，出现了以装配机器人为核心，在一个装配单元中适应多种装配作业的综合系统。装配机器人的出现和迅猛发展，有效取代了手工或简单机械的装配作业，尤其对于批量生产，大大降低了制造成本，从而提高生产效率，加速汽车工的业自动化进程。装配机器人的工作内容，主要是实现将一些对应的零件装配成一个产品部件或产品，有零件的装入、压入、铆接、嵌入、喷涂和拧螺丝等作业。此外还有一些为装配工作服务的作业，如输送、搬运、检测和安置等工作。因此，本课题选取仿人手臂的关节型机器人，针对其结构紧凑、占用空间少、运动空间大、运转灵活、定位准确、动作迅速等优点，总体构思一台六自由度轮胎装配机器人，完成其中三个自由度的相关结构设计。本文主要内容如下：根据轮胎装配机器人的功能要求，结合相关机器人设计方案的对比，得出最优方案，设定相关设计参数，确定各个关节的运动机构及动力的传递方式，根据各轴的受力特点，选择适当的轴承和安装方式。通过各种电机特点的对比和各关节力矩估算，选择合适的电机驱动。结构方案确定后，利用CATIA三维结构建模进行可行性模拟分析，避免干涉，修正参数，优化结构。根据传动比和功率设计一对啮合齿轮传动，通过计算确定齿轮尺寸。另外，利用有限元分析对关键零件的危险截面进行分析，得出其形变应力和位移，从而校核该零件的刚度和强度。最终绘制轮胎装配机器人的二维装配图和零件图。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩关键词：装配机器人、机械臂、结构设计 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩STRUCTUREDESIGNOFTIREASSEMBLYROBOTSABSTRACTWiththerapiddevelopmentofglobalvehicleproduction,thereisanintegratedsystemwithassemblyrobotasthecoreinautomobileassembly,whichcanadapttothevariousassemblyoperationsinoneassemblyunit.Assemblyrobot,whichdevelopsrapidlyafteremergence,haseffectivelyreplacesthemanualproductionorsimplemechanicalassembly,especiallyinmassproduction.Itsignificantlyreducesthemanufacturingcostssoastoincreaseprofits,andacceleratetheprocessofautomobileindustrialautomation.Themainworkofassemblyrobotsistomakesomecorrespondingpartsbeassembledintoaproductorpart,involvingthemount,indentation,riveting,embedment,sprayingofapartandtwistingthescrew.Besidessomeservicesfortheassemblyjobsareincluded,suchastransportation,handling,detection,andplacement.Thereforethisthesisselectshuman-likearmofjoint-robotasstudysubject,aimingtotheadvantagessuchascompactchip,takinguplessspace,moremovingspace,flexibleoperation,accurateposition,prompt,designsatireassemblyrobotwithasix-degreefreedom,andfinishestherelatedstructuraldesignofthree-degreefreedom.Themaincontentofthisthesisisasfollows:accordingtothefunctionalrequirementsoftireassemblyrobots,comparingwiththedesignofrelatedrobots,theauthorobtainstheoptimaldesign,setsdesignparameters,identifiesthejointmechanismandmodeoftransmittingpower,selectsappropriatebearingofshaftsandinstallationbasedonthecharacteristicsofaxialforce,andchoosestherightmotordriveaftercomparingdifferentmotorsandestimatingtorquesofjoints.Oncethestructuraldesignisdetermined,theauthorwillcarryoutthesimulationandanalysisofthefeasibilitybyCATIAthreedimensionalstructuremodeling,avoidinterference,updateparameters,andoptimizethestructure.Accordingtotransmissionratioandpower,apairofmeshinggearsisdesigned,andgearsizesaredeterminedbasedontheresultsofcalculation.Inaddition,throughanalyzingdangeroussectionsofkeypartsbyfiniteelementsanalysissoftware,theauthorobtainsthedeformationstressanddisplacementsoastocheckitsstiffnessandstrength.Atlasttheauthorwilldrawouttwo-dimensionalassemblyandpartsdrawingoftireassemblyrobots.毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩Keywords:TireAssemblyRobots,RoboticArm,StructuralDesign 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩摘要ABSTRACT目录毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩第1章绪论..............................................................11.1研究背景和意义..................................................11.2汽车轮胎简介....................................................11.3装配机器人定义及其基本组成......................................21.3.1装配机器人的定义...........................................21.3.2装配机器人的基本组成......................................31.3.3装配机器人的分类...........................................31.4装配机器人的国内外发展现状及其发展趋势...........................41.4.1装配机器人的发展现状......................................41.4.2装配机器人的发展趋势......................................41.5设计任务及主要研究内容..........................................51.5.1设计任务..................................................51.5.2主要研究内容..............................................5第2章轮胎装配机器人总体结构设计.........................................72.1轮胎装配机器人结构概述..........................................72.1.1轮胎装配机器人设计思路....................................72.1.2轮胎装配机器人方案优化....................................72.2机械臂设计要求...................................................102.3机器人运动机构设计分析...........................................122.3.1小臂旋转机构设计...........................................122.3.2小臂摆动机构设计...........................................142.3.3腕部旋转机构设计...........................................152.3.4末端执行器的选择...........................................152.4本章小结........................................................16第3章机械臂电机选型.....................................................173.1电机选型原则....................................................173.2各关节力矩估算..................................................183.3各关节功率估算..................................................193.4电机选型........................................................193.5本章小结........................................................20第4章三维结构建模.......................................................214.1三维建模软件简介................................................21 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩4.2三维模型展示....................................................224.3本章小结........................................................25第5章主要零件的设计分析和校核计算.......................................265.1传动齿轮的设计..................................................265.1.1选择齿轮材料及精度等级.....................................265.1.2按齿面接触疲劳强度设计.....................................265.1.3按齿根弯曲强度设计.........................................275.1.4最终几何尺寸确定...........................................285.2主要零件有限元分析..............................................295.2.1软件概述...................................................295.2.2零件的有限元位移分析.......................................305.3本章小结........................................................31第6章结论与展望.........................................................326.1研究结论........................................................326.2展望............................................................32参考文献..................................................................33致谢.....................................................................34 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩1.1研究背景和意义第1章绪论毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩装配是产品生产的后续工序,在制造业中占有重要地位,在人力、物力、财力消耗中占有很大比例,作为一项新兴的工业技术,装配机器人应运而生。但其份额在机器人应用领域中却很小。究其原因,一方面是由于装配操作本身比焊接、喷涂、搬运等复杂；另一方面,机器人装配技术目前还存在一些亟待解决的问题。如对装配环境要求高,装配效率低,缺乏感知与自适应的控制能力,难以完成变动环境中的复杂装配等问题。尽管存在上述问题,但由于制造业装配所具有的重要意义,装配机器人的发展具有很大潜力。另外，当今汽车制造工业迅猛发展，尤其是装配作业环节备受关注，而装配机器人的出现和发展，大大节约了劳动成本，有效提高了生产效率，加速了工业自动化的进程。鉴于此，特别选取汽车轮胎装配机器人结构设计作为课题，运用所学机械设计理论知识，实践毕业设计。1.2汽车轮胎简介汽车轮胎是橡胶与纤维材料及金属材料的复合制品，外形如图1-1，制造工艺是机械加工和化学反应的综合过程。橡胶与配合剂混炼后经压出制成胎面；帘布经压延、裁断、贴合制成帘布筒或帘布卷；钢丝经合股、包胶后成型为胎圈；然后将所有半成品在成型机上组合成胎坯，在硫化机的金属模型中，经硫化而制成轮胎成品。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图1-1汽车轮胎外形图1-2轮胎规格及技术参数1 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎通常由外胎、内胎、垫带3部分组成。也有不需要内胎的，其胎体内层有气密性好的橡胶层，且需配专用的轮辋。如图1-2，普通轮胎的技术规格和参数如下：（1）轮胎外径：是在相应的轮辋上安装轮胎并按规定气压充气后，在没有承重时的轮胎直径。（2）轮胎总宽：是指包括轮胎则面的文字及花纹的轮胎最大宽度。（3）适用轮辋宽：是适合轮胎性能的轮辋宽度。标准轮辋：最适合的宽度和形状；（用in表示）适用轮辋：能够使用的轮辋。（4）轮辋直径：是指适合轮胎的车轮的轮辋直径，同轮胎内径相同。（5）轮胎断面宽：从轮胎的总宽中去除轮胎侧面的文字及花纹厚度的宽度。（6）轮胎高：是用轮胎外径减去轮辋直径后的数字的1/2。（7）胎面宽：是轮胎踏面的宽度。是指两面最突出部分的宽度。（8）胎面半径：是指胎面部分的曲率半径。在选用轮胎时，都有具体的规格可以依据，例如：185/70R1486H，对应如下：185：胎面宽（毫米）70：扁平比（胎高÷胎宽）R：子午线结构14：钢圈直径（寸）86：载重指数（表示对应的最大载荷为530公斤）H：速度代号（表示最高安全极速是210公里/小时）汽车轮胎充气后，务必用平衡器进行平衡调整。即使是微小的失衡也会在高速行驶时产生振动，因此要对所有车轮进行平衡调整。一般将平衡锤安置于轮辋法兰上比较便于调整，铝制车轮因为法兰形状及外表好看，有时也贴在轮辋内侧。汽车轮胎安装方面应注意，确认轮胎没有与车体接触以及轮胎和车轮没有从车体突出，安装时使用十字扳手、扭力扳手或冲击式动力扳手。安装后，最好在行驶50至100km之后，进一步紧固螺母。1.3装配机器人定义及其基本组成1.3.1装配机器人的定义工业机器人一般是指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作,如汽车制造、摩托车制造、舰船制造、某些家电产品(电视机、电冰箱、洗衣机等)、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、冲压、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。而装配机器人则是工业生产中,用于装配生产线上对零件或部件进行装配的工业机器人,它属于高、精、尖的机电一体化产品,它是集光学、机械、微电子、自动控制和通讯技术于一体的高科技产品,具有很高的功能和附加值。如图1为装配机器人的工作情况。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩2 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩1.3.2装配机器人的基本组成图1-3装配机器人工作过程毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩装配机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构,包括臂部、腕部和手部。大多数装配机器人有3～6个运动自由度,其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构,用于使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号,并进行控制。1.3.3装配机器人的分类机器人的分类标准有很多种,按照开发内容分类,基本上有三类机器人:工业机器人,操纵型机器人和智能机器人。工业机器人按臂部的运动形式分为四种：直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；援助坐标型的臂部可做升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、仰卧和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。工业机器人按作用对象不同,又分为水下机器人,装配机器人,弧焊机器人,点焊机器人,喷漆机器人,铆接机器人等。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图1-4焊接机器人图1-5喷涂机器人装配机器人从适应的环境不同,分为普及型装配机器人和精密型装配机器人；根据臂部的运动形式不同,分为直角坐标型装配机器人、垂直多关节型装配机器人和平面关节型(SCARA)装配机器人。3 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩1.4装配机器人的国内外发展现状及其发展趋势1.4.1装配机器人的发展现状经过多年来的研究与开发,我国在装配机器人方面进步显著。目前在装配机器人研制方面,基本掌握了机构设计制造技术,解决了控制、驱动系统设计和配置、软件设计和编制等关键技术,还掌握了自动化装配线及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术,在基础元器件方面,谐波减速器、六轴力传感器、运动控制器等也有了突破。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图1-6自动装配生产线中的机器人我国已研制出精密型装配和实用型装配机器人,如广东吊扇电机机器人自动装配线,小型电器机器人自动装配线,以及自动导引汽车发动机装配线,精密机芯机器人自动装配线等机器人示范应用工程，如图1-6为自动装配生产线机器人的应用。装配机器人属于高、精、尖的机电一体化产品,其自主开发一直受到国家863智能机器人主题专家们的关注,必将取得更大的突破。美、日、西欧的制造业中约40%的劳动力用于装配,西德电子工业产品总成本的50～70%是装配。装配机器人是高质量、高柔性、高效率完成自动装配的理想手段，所以装配机器人得到迅速发展,如美国工业界Delphi调查表明，到2000年应用于装配和检验的机器人销售台数从1985年占工业机器人总数16%猛增到35%。日本机器人应用领域在装配段,2004年装配机器人已达到55000台,产值4200～5100亿日元，是焊接机器人的两倍,成为工业应用领域中应用最多的机器人。1.4.2装配机器人的发展趋势目前机器人领域正在加大科研力度,进行装配机器人共性技术及关键技术的研究,并朝着智能化和多样化的方向发展。主要研究内容集中在以下几个方面:(1)装配机器人操作机结构的优化设计技术:探索新的高强度轻质材料,进一步提高负载/自重比,同时机构进一步向着模块化、可重构方向发展。(2)直接驱动装配机器人:传统机器人都要通过一些减速装置来达到降速并提高输出4 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩力矩,这些传动链会增加系统功耗、惯量、误差等,并降低系统可靠性,为了减小关节惯性,实现高速、精密、大负载及高可靠性。一种趋势是采用高扭矩低速电机直接驱动。(3)机器人控制技术:重点研究开放式,模块化控制系统,人机界面更加友好,语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化,以及基于PC机网络式控制器己成为研究热点。(4)多传感器融合技术:为了提高机器人的智能和适应性,多种传感器的使用是其问题解决的关键。(5)机器人的结构要求更加灵巧,控制系统愈来愈小,二者正朝着一体化方向发展。(6)机器人遥控及监控技术,机器人半自主和自主技术,机器人和操作者之间的协调控制,通过网络建立大范围内的机器人遥控系统,在有延时的情况下,建立预先显示进行遥控等。(7)智能装配机器人:利用知识规划,专家系统等人工智能研究领域成果,开发出智能型自主移动装配机器人,实现自主装配。(8)并联机器人:传统机器人采用连杆和关节串联结构,而并联机器人具有非累积定位误差,执行机构的分布得到改善、结构紧凑、刚性提高、承载能力增加等优点。(9)协作装配机器人:随着装配机器人应用领域的扩大,对装配机器人也提出一些新要求,如多机器人之间的协作,同一机器人双臂的协作,甚至人与机器人的协作,这对于重型或精密装配任务非常重要。(10)多智能体(multi2agent)协调控制技术:这是目前机器人研究的一个崭新领域,主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理、感知与学习方法、建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。1.5设计任务及主要研究内容1.5.1设计任务总体构思一台六自由度装配机器人，能够实现汽车轮胎的局部搬运和装配。要求选用伺服电机驱动，结构合理，能够灵活运动，并且具有稳定的传动系统，在三维建模的基础上完成主要零件的校核，最终完成三个自由度的结构设计并绘制二维图。1.5.2主要研究内容轮胎装配机器人是仿人手臂的工业机器人，主要结构以关节型为主，通过底盘、腰部、大臂、小臂、和腕部的各种转动和摆动，来实现轮胎的抓取和装配，并可获得很高的抓取稳定性和操作灵活性，在汽车装配行业具有广阔的应用前景。本文的结构安排如下：第一章：绪论部分，主要介绍课题的研究背景及意义，并对轮胎做了简要介绍。通过查阅资料了解装配机器人的定义、基本组成和分类，分析国内装配机器人的发展现状和发展趋势，为装配机器人的设计提供参考，并且结合研究课题提出研究的内容与方向。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩5 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩第二章：轮胎装配机器人总体结构的设计。通过对现有各种工业机器人的结构调研分析和结构对比，选用合理的优化方法，再根据设计功能要求确定轮胎装配机器人的总体结构设计方案，从而定义设计参数规格，为结构设计指明方向。第三章：机械臂的电机选型。通过查阅相关电机选型的资料，明确电机选型原则，根据各个关节的力矩估算和功率估算，结合市场上电机选购的情况选取适当的电机，从而实现各个机械臂的驱动。第四章：三维结构建模。本设计采用法国达索公司的CATIA三维设计软件来模拟轮胎装配机器人实体，从而为各种轴之间的运动关系有明确的认识，避免电机的干涉等问题，也为之后的校核计算和有限元仿真奠定基础。第五章：主要零件的设计分析和校核计算。其中包括一对啮合齿轮分别通过齿面接触疲劳强度和齿根弯曲强度的计算，继而确定啮合齿轮的最终尺寸。最后利用一种简单的有限元分析方法，即SolidWorks的SimulationXpress，对关键零件的危险部分进行应力和形变位移的校核，从而确保整个轮胎装配机器人结构设计的顺利完成。第六章：总结与展望。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩6 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩第2章轮胎装配机器人总体结构设计2.1轮胎装配机器人结构概述2.1.1轮胎装配机器人设计思路根据毕业设计题目要求，首先确定轮胎装配机器人为六自由度机器人，最大负载30kg，可实现汽车生产线上汽车轮胎的自动装配，通过对传统汽车生产装配线的考察和调研，深入了解分析装配过程，定义动作要求和动作范围，即将轮胎从料架取下，移动到安装位置并定位，然后进行装配作业，最后离开安装位置，整个过程需要平稳操作，精确定位，安装合理。鉴于以上情况，轮胎装配机器人主要承载轴采用AISI1045钢，保证足够的刚度和强度，从而保证精度，底座采用铸铁，确保稳定性要求；因为整个机器人机身和负载都比较重，还要实现运动的精确可控性，因此采用交流伺服电机驱动，从而实现快速响应和工作平稳的要求。2.1.2轮胎装配机器人方案优化通过对其他机器人设计的考察得知，该类机械臂的设计主要有以下四种形式，下面将逐个介绍其结构和特点，通过比较得出最优方案：（1）直角坐标型机器人：直角坐标型装配机器人的结构在目前的产业机器人中是最简单的。如图2-1，臂部由三个相互正交的移动副组成，带动腕部分别沿X、Y、Z三个坐标轴的方向作直线移动。它具有操作简便的优点,被用于零部件的移送、简单的插入、旋拧等作业。在机构方面,大部分装备了球形螺丝和伺服电动机,具有可自动编程,速度快、精度高等特点。但所占空间较大，工作范围相对较小。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图2-1直角坐标机器人7 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩（2）圆柱坐标型机器人：圆柱坐标型机器人的结构也比较简单，如图2-2，臂部由一个转动副和两个移动副组成，相对来说，所占空间较小，工作范围较大，应用较广泛。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩（3）垂直多关节型机器人：图2-2圆柱坐标机器人毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩垂直多关节型机器人是根据人的上肢而设计的，如图2-3，它的最下面是一个承载能力很强的动力型旋转关节，前三个转动关节、腰关节绕Z轴转动，臂的两个关节绕平行于Y轴的两轴线转动，它利用顺序的三个圆弧运动来改变手的空间位置。关节型机器人以臂部各相邻部件的相对角位移为运动坐标，结构紧凑，操作灵活性最好，所占空间小，运动速度较高，操作范围大，能在狭窄空间内饶过各种障碍物。但其精度受手臂姿势的影响，实现高精度运动有一定的困难。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图2-3垂直多关节机器人毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩8 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩（4）平面关节型(SCARA)装配机器人平面关节型(SCARA)装配机器人是由山梨大学工学部精密工学研究所开发完成的。目前在装配生产线上应用的数量最多,它是一种精密型装配机器人,具有速度快、精度高、柔性好等特点,如图2-4，采用交流伺服电机驱动,其重复位置精度达到了0.1025mm,可应用于电子、机械和轻工业等有关产品的自动装配、搬运、调试等工作,适合于工厂柔性自动化生产的需求。由于这种机器人所具有的各种特性符合用户的需求,因此需求量迅速上升。但因为所承受载荷有限，所以不能用于重型装配。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图2-4平面关节型（SCARA）装配机器人（5）极坐标型机器人：极坐标型机器人利用两个转动和一个移动来改变手的空间位置，如图1-4，产生沿手臂轴X的直线移动，绕基座轴Y的转动和绕关节轴Z的摆动。其手臂可作绕Z轴的俯仰运动，能抓取地面上的物体。这种机器人的特点是结构紧凑，所占空间小，运动灵活，并能扩大机器人的工作空间，但旋转关节反映在末端执行器上的线位移分辨率是一个变量，精度难以保证。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图2-5极坐标机器人9 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩根据上面几种机器人结构特点比较，由于关节型机械臂动作灵活，所占空间小，工作范围大，能在狭窄空间内饶过各种障碍物的特性，所以决定采用垂直多关节型装配机器人，可以实现六个自由度，这样可以在空间上的任意一点,确定任意姿势，平稳快速的实现汽车轮胎的搬运和装配。2.2机械臂设计要求轮胎装配机器人的自由度为6，且全部为转动关节，如图2-6所示为轮胎装配机器人的总体结构图。第1个关节即底盘关节的运动是由伺服电机传递动力而产生回转运动，底盘关节上的伺服电机通过齿轮传动驱动腰的俯仰运动，另一个伺服电机通过减速电机直接驱动大臂的俯仰运动，后3个关节的伺服电机驱动着手腕的回转、夹持器的摆动以及夹持器的周转运动.前3个关节J1、J2、J3控制着机器人末端执行器的位置，而后3个关节S1、S2、S3控制机器人末端执行器的姿态。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图2-6装配机器人结构图轮胎装配机器人预订设计规格如表2-1。表2-1轮胎装配机器人设计规格毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩控制轴数3（垂直多关节）负载20kg重复定位精度±0.2mm第四关节J4轴（腕部扭转）540°第五关节J5轴（腕部俯仰）180°第六关节J6轴（腕部回转）330°毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩10 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩第四关节J4轴（腕部扭转）3.14rad/s,360°/s第五关节J5轴（腕部俯仰）1.57rad/s,90°/s第六关节J6轴（腕部回转）3.14rad/s,180°/s第四关节J4轴（腕部扭转）44N²m第五关节J5轴（腕部俯仰）44N²m第六关节J6轴（腕部回转）22N²m第四关节J4轴（腕部扭转）1.04kg²m²m第五关节J5轴（腕部俯仰）1.04kg²m²m第六关节J6轴（腕部回转）0.28kg²m²m温度0℃～+45℃湿度20——80%RH（不结露）振动小于4.9m/s^2机械臂部分重量65kg驱动方式交流伺服电机驱动毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人设计尺寸及工作空间如图2-7。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图2-7轮胎装配机器人设计尺寸和工作空间 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩11 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩2.3机器人运动机构设计分析2.3.1小臂旋转机构设计根据轮胎装配机器人功能需求，设计小臂旋转机构，首先选定传动方式，主要通过对比同步带轮传动和齿轮传动，得出结论：齿轮传动与带传动相比虽然制造、安装精度要求较高，成本也较高，而且不宜作远距离传动。但是其传递动力大、效率高，寿命长，工作平稳，可靠性高，能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动。因此选用一对啮合齿轮来传递电机的驱动，从而带动固定在另一齿轮上的S1-轴转动，小臂旋转机构设计如图2-8。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩1.轴的安装方式和轴承的选用图2-8小臂旋转机构毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩根据S1-轴所受较大轴向力的情况，选用一端固定一段支撑的轴承固定方式，结合受毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩力情况选择交叉滚柱轴承和滚针轴承。图2-9为交叉滚柱轴承的二维表示。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图2-9交叉滚柱轴承安装形式交叉滚柱轴承广泛用于工业机器人领域，在此就THK的交叉滚柱轴承为例，如图2-10，特点如下：交叉滚柱轴承的滚珠通过间隔保持器，在呈90°的V形滚槽滚动面上相互垂直排列，12 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩因此一个轴承就可承载径向负荷、轴向负荷以及力矩负荷等各个方向的负荷。内外圈的尺寸不仅实现了最大程度的紧凑化，而且还具有很高的刚性，非常适合于工业用机器人的关节部及旋转部、加工中心的旋转工作台、机械手旋转部、精密旋转工作台、医疗设备、测量仪器、IC制造装置等用途。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图2-10交叉滚柱轴承垂直排列的滚柱通过滚子间装有的间隔保持器，防止了滚柱侧倒以及因滚柱之间相互摩擦引起的旋转扭矩增加，不会产生滚柱的单侧接触现象或自锁现象，另外，通过调整轴承间隙、施加予压，可实现高精度的旋转运动。而且承受载荷比较大，刚度较大，两分割的外圈或内圈在装入滚柱和间隔保持器，后就被固定在一起不会分离，因此安装时的操作非常简单。由于支承端承受的载荷相对较小，只需要满足径向载荷要求便可，而且要求保证旋转精度，所以，为了适应较小的安装空间，选择结构紧凑的滚针轴承，其安装如图2-11。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩2.胀紧套的选用图2-11滚针轴承安装形式毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩胀紧套（简称胀套）的主要用途是代替单键和花键的联结作用，以实现机件（如齿轮、飞轮、皮带轮等）与轴的联接，用以传递负荷。它使用时通过高强度螺栓的作用，使内环与轴之间，外环与轮毂之间产生巨大抱紧力；当承受负荷时，靠胀套与机件的结合压力及相伴产生的摩擦力传递扭矩、轴向力或二者的复合载荷。图2-12为该处所用滚针轴承的二维表示。选用理由：胀紧套的使用寿命长，强度高；胀紧套联结可以承受多重负载，其结构可13 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩以做成多种式样；使用胀紧套使主机零件制造和安装简单，胀紧套拆卸方便，且具有良好的互换性；胀紧套在超载时，将失去联结作用，可以保护设备不受损害。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图2-12胀紧套安装形式3.齿轮失效形式分析与齿隙消除方法传动系统中采用一对啮合齿轮以达到一定的降速比要求，由于存在齿面误差，因此一对啮合着得齿轮总应有一定的齿侧间隙才能正常工作。但齿侧间隙会造成齿轮反转时失效，影响加工精度，所以传动系统需要消除齿侧间隙来确保稳定工作。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图2-13偏心套安装（a）图2-14偏心套安装（b）本设计中采用偏心套调整法，如图2-13（a），首先松开紧定螺母，将专用扳手插入调整孔转动偏心套，以调整齿轮传动的中心距，消除传动间隙，最后拧紧锁紧螺母。或者如图2-14（b），将相互啮合的一对齿轮中的一个装在电机输出轴上，并将电机安装在偏心套上，通过转动偏心套上的转角，就可调整两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。2.3.2小臂摆动机构设计鉴于小臂所受载荷不是很大的情况，选择较大扭矩的交流伺服电机直接驱动S2-轴，从而带动S2-轴的摆动。根据此处既受径向力又受轴向力，并且所受径向力较大，所以选择一端固定一端游隙的支撑方式安装S2-轴，使用一对圆锥滚子轴承来确保轴的运动精度。图2-15为S2-轴安装的二维表示。14 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩2.3.3腕部旋转机构设计图2-15小臂摆动机构毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩腕部运动机构设计根据电机布置情况，采用联轴器将电机输出端与轴相连，从而将电机的动力转变为S3-轴腕部的旋转运动。由于S3-轴所受的轴向和径向载荷都不是很大，所以采用一对深沟球轴承固定，在轴的末端采用锁紧螺母顶住轴承内圈，从而稳定整个轴端。图2-16为S3-轴安装的二维表示。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩2.3.4末端执行器的选择图2-16腕部旋转机构毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用于进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求。在设计机器人末端执行器时，应注意以下事项：1.机器人的末端执行器是根据机器人的作业要求来设计的。根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断扩大机器人的应用领域。2.机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。从工业实际出发，应着重开发各15 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩种各样专用的、高效的末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机器人的多种作业功能。通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能的概念，而通用性是指功能有限的末端执行器，可适用于不同的机器人，这就要求末端执行器有标准的机械接口。本次设计选用夹爪式机械手，这是一种高效率、定位精度高和经济可靠的装配工具。轮胎形状相对比较规则，抓取面积有限，重量在15~20kg左右，现在采用一托盘装在轮胎，然后用夹爪机械手抓取托盘，从而实现对轮胎的抓取。如图2-17为本设计选用的末端机械手--夹爪式机械手结构简图。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩2.4本章小结图2-17末端执行器毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩该章节首先结合轮胎装配机器人设计的功能要求，通过对现有装配机器人结构设计方案的考察研究，并对其进行分析比较，得出最优设计方案，从而定义相关设计参数、基本尺寸和工作空间等。最后确定每个关节的运动机构和传动方案，并对其安装做详细分析。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩16 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩3.1电机选型原则第3章机械臂电机选型毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩（1）如何正确选择伺服电机和步进电机？主要根据具体的应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。结合上述内容确定电机和配用驱动器或控制器的型号。（2）选择步进电机还是伺服电机系统？每种类型的电机都有自己的结构原理特点，能够实现不同的功能需求，因此电机的选择应该根据具体的实际应用选取，鉴于此，如表3-1对主要需求的两种电机的各自特点进行对比，择优选取。表3-1步进电机与伺服电机的比较毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩步进电机系统伺服电机系统力矩范围中小力矩（一般在20Nm以下）小中大，全范围速度范围低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM）高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达1~2万转/分控制方式主要是位置控制多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式平滑性低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善）好，运行平滑精度一般较低，细分型驱动时较高高（由反馈装置的分辨率决定）矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬过载特性过载时会失步可3~10倍过载（短时）反馈方式大多数为开环控制，也可接编码器，闭环方式，编码器反馈编码器类型无光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型响应速度一般快耐振动好一般（旋转变压器型可耐振动）温升运行温度高一般维护性基本可以免维护较好价格低高毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩17 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩对于电机的选择首先要考虑的是电机的类型，现在世面上有很多类型的电机应用到了机械臂关节上，比如工业机器人用的电机以交流伺服电机居多，教学机器臂一般采用舵机，还有一些对精度要求较高的轻便型机械臂，采用简单而且利于控制的直流有刷伺服电机。其次还要考虑的是其对应的关节所承受的最大力矩，以及各个关节的最大角速度。这样就可以估算出需要采用电机的功率，于是电机峰值堵转功率成为电机选择的一个重要参数。对于电机的其他参数就按照最优方式选择，比如根据世面上电源情况选择峰值堵转电压，其次选择电机的长度和厚度也很重要。根据本次设计的机械臂的参数及工作需求，我们选择交流伺服电机。3.2各关节力矩估算1.第六关节S3-轴力矩估算：第六关节S3-轴为转动自由度，所受的力为机械臂末端执行部分（包括负载）在转动时产生的摩擦力，可以参考图3-1力矩计算模型估算。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图3-1力矩计算模型m3(kg)=20(kg)+5(kg)=25(kg)(3-1)T(Nm)=f³N³D=0.005³9.8（N/kg）³25kg³0.05m=0.06（Nm）(3-2)（3-1）式中f为滚动轴承的摩擦系数，一般为0.001-0.005。2.第二关节S2-轴力矩估算：第二关节S2-轴结构如图3-1所示，可以视为垂直提升物品时的受力，故可按照以下公式计算：T(Nm)=m（kg）³g³D1（m）/2，其受J5-轴及以上部位的重力作用（包括负载），m5（kg）=25（kg）+5（kg）=30（kg）(3-3)T(Nm)=m（kg）³g³D1（m）/2=30（kg）³9.8³0.08（m）/2=11.76Nm(3-4)3.第四关节S1-轴力矩估算：18 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩第四关节S1-轴为转动自由度，所受的为机械臂总体（包括负载）在转动时产生的摩擦力，根据模型计算如下：m4（kg）=30（kg）+30（kg）=60（kg）(3-5)T(Nm)=f³N³D=0.005³9.8（N/kg）³60kg³0.13m=0.38（Nm）(3-6)毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩a3.3各关节功率估算下面给定各个关节的最大转速，要求关节一的转速是180度/秒，关节二的转速是180度/秒，关节三的转速是360度/秒，表示如下：n1=3.14rad/s=180°/s(3-10)n2=3.14rad/s=180°/s(3-11)n3=6.28rad/s=360°/s(3-12)根据功率=转矩³角速度，可得P1=T4³n4=1.19W(3-16)P2=T5³n5=39.93W(3-17)P3=T6³n6=0.38W(3-18)毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩3.4电机选型根据扭矩以及功率选取电机,电机采用富士交流伺服电机。因为富士电机具有标准配备减振控制功能，能最大限度的仰制机械振动，标准配备RS-4852个通信接口，参数实现了一体化管理（最大可连接31轴），调试简单，利用简单调试功能可实现机械和伺服电机的最理想的匹配，而且还有防水和防尘的特点。交流伺服电机同直流伺服电机相比，无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低；定子绕组散热比较方便；惯量小，易于提高系统的快速性；适应于高速大力矩工作状态；同功率下有较小的体积和重量。另外，交流伺服电机起动转矩大，具有起动快、灵敏度高、运行平稳、噪音小等特点。根据工业机器人做低速平稳运行的要求，结合以上参数选择驱动电机型号，具体型号见表3-2。表3-2电机选型毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩机械臂关节型号法兰尺寸[mm]额定功率[kw]额定/峰值转矩[Nm]额定/峰值电流[A]额定/峰值转速[rpm]惯性矩[kgcm2]第1关节GYS201DC2-TC296.50.20.637/1.911.5/4.53000/50000.135第2关节GYS751DC2-TC21400.752.39/7.174.8-14.43000/50000.853第3关节GYS201DC2-TC296.50.20.637/1.911.5/4.53000/50000.135毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩19 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩3.5本章小结本章节通过了解各种电机的特点和选型原则，最终确定选用富士交流伺服电机作为驱动，并通过各关节的力矩和功率估算，结合富士电机各型号规格手册，最终选出适合每个关节要求的具体电机型号。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩20 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩4.1三维建模软件简介第4章三维结构建模毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩CATIA是英文ComputerAidedTri-DimensionalInterfaceApplication的缩写。是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM一体化软件。CATIA是法国DassaultSystem公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从汽车、大型的波音747飞机、直升机、机到汽车车轮轮毂，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过13,000的用户选择了CATIA。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图4-1汽车CATIA模型图4-2波音747CATIA模型毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图4-3汽车轮毂CATIA模型图4-4直升机CATIA模型CATIA源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。CATIA的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了CATIA在CAD/CAE/CAM行业内21 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩的领先地位。CATIA是法国达索公司开发的旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。模块化的CATIA系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA产品基于开放式可扩展的V5架构。通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA解决方案加快企业对市场的需求的反应。CATIA系列产品已经在七大领域里成为首要的3D设计和模拟解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。CATIA先进的混合建模技术设计对象的混合建模：在CATIA的设计环境中，无论是实体还是曲面，做到了真正的互操作；变量和参数化混合建模：在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标，CATIA提供了变量驱动及后参数化能力。CATIA具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性，无论是实体建模还是曲面造型，由于CATIA提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于CATIA来说，都是非常容易的事。CATIA的竞争对手包括UGNX，Pro/E，Topsolid,Cinmatron。其中NX和Pro/E与CATIA可谓三分天下。目前CATIA在设计与工程软件中占有最多的市场份额。与竞争对手相比，CATIA的优势在于赏心悦目的界面，易用而强大的功能，在汽车、航空航天、造船等专用行业强大的功能支持等，IT老大IBM的全球销售合作。4.2三维模型展示基于CATIA的实体建模功能对欠驱动机械手设计建模：毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图4-5S3-轴三维模型图4-6电机3三维模型22 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图4-7S2轴三维模型图4-8电机2三维模型毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图4-9S1-A轴三维模型毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图4-10S1-B轴三维模型图4-11电机1三维模型23 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩(1)、首先根据设计要求在草稿上绘制各零件的形状。然后在CATIA的零件模式下，通过草绘、拉伸、旋转、剪切、扫描、混合等功能生成实体零部件。为了便于直观的区分零部件，对部分零部件进行上色。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图4-12电机1支架三维模型图4-13S1-B轴法兰三维模型(2)、完成各零件的实体造型之后，用CATIA的装配模块把各个零件按各种约束关系组装在一起。图4-5至4-13为三维零件模型图，图4-14和图4-15是装配模型图。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图4-14机械臂三维装配模型图24 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩4.3本章小结图4-15轮胎装配机器人总装配模型毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩本章主要介绍了曲面效果非常强大的三维建模软件，是对CATIA软件理论学习的实践运用，通过对轮胎装配机器人三维模型的绘制，一方面检验了CATIA软件的学习情况，另一方面，可以更加形象的表示外形结构，避免运动干涉，使布局合理，为后面的校核计算奠定基础。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩25 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩21/3551/2999第5章主要零件的设计分析和校核计算5.1传动齿轮的设计5.1.1选择齿轮材料及精度等级（1）按预定的传动方案，根据齿轮传动效率高、结构紧凑、传动比稳定、工作可靠、寿命长的特点，一轴驱动的传递方式确定为齿轮传动，又因为力的传递在直线方向，故选择直齿圆柱齿轮传动。（2）装配机器人为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB10095-88）。（3）材料选择。考虑减速器传递功率不在，所以齿轮采用软齿面。小齿轮选用40Cr（调质），齿面硬度为280HBS，大齿轮选用45钢（调质）齿面硬度240HBS，两者材料硬度差为40HBS；齿面精糙度Ra≤1.6~3.2μm（4）选小齿轮齿数z1=50，传动比i0=2，齿数比：u=i0=2，则大齿轮齿数：z2=iz1=2×50=1005.1.2按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式进行试算，即d1≥2.32(kT1(u+1)/φdu[σH])（5-1）（1）确定公式内的各计算数值1)试选载荷系数kt，查《机械设计手册》取kt=1.3。2)计算小齿轮传递的扭矩T1=95.5*10P/n=95.5*10*0.2/3000=0.637N·m=637N·mm（5-2）3)由《机械设计》取φd=14)由《机械设计》查得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa5)许用接触应力[σH]按齿面硬度查得：小齿轮的接触疲劳强度极限σHlim1=600Mpa；大齿轮的接触疲劳强度极限σHlim2=550Mpa。6)由式10-13计算应力循环次数NLNL1=60njLh=60×3000×1×(2×8×300×15)=12.296×10（5-3）NL2=NL1/i=1.083×10/3=4.32×10（5-4）7)按《机械设计》取接触疲劳的寿命系数：KNT1=1KNT2=0.988)计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，通用齿轮和一般工业齿轮，按一般可靠度要求选取安全系数SH=0.9得：[σH]1=σHlim1KHN1/SH=600×1/0.9Mpa=600Mpa（5-5）[σH]2=σHlim2KHN2/SH=550×0.9/1.0Mpa=495Mpa（5-6）(2)计算26 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩1）试算小齿轮分度圆直径d21t，代入[σH]中较小的值。21/3毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩d1≥2.32{KTT1(u+1)ZE/φdu[σH]2}21/3毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩=2.32{1×637×(3+1)×189.8/(1×3×495)}2）计算圆周速度v。mm=103.2mm（5-7）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩v=πdd1tn1/60×1000=3.14×103.2×3000/60×1000=1.9m/s（5-8）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩1/31/321/33）计算齿宽b。b=φd×dd1t=10mm（5-9）4）计算齿宽与齿高之比b/h。模数：mt=d1t/z1=103.2/50=2.48mm（5-10）齿高：h=1.8×mt=2.25×2.06=4.64mm（5-11）b/h=103.2/4.64=22（5-12）5）计算载荷系数根据v=1m/s，7级精度，由《机械设计》194页，图10-8查得动载荷系数为Kv=1.12；直齿轮，KHα=KFα=1；由表10-2查得使用系数KA=1；由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，KHβ=1.42由b/h=10.688，KHβ=1.4查图10-13得KFβ=1.4；故载荷系数K=KAKvKHαKHβ=1×1.12×1×1.42=1.59（5-13）6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（10-10a）得d1=d1t(k/Kt)=103.2(1.59/1.3)=102mm（5-14）7）计算模数m。m=d1/z1=102/50=2.04mm（5-15）5.1.3按齿根弯曲强度设计由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为m≥(2kT1YFaYSa/φdz1[σF])（5-16）（1）确定公式内的各计算数值1）由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE1=500MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE2=380MPa；2）由图10-18取弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.9，KFN2=0.9；3）计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得[σF]1=KFN1×σFE1/S=0.9×500/1.4=321.43MPa（5-17）[σF]2=KFN2×σFE2/S=0.9×380/1.4=244.3MPa（5-18）4）计算载荷技术K。K=KAKvKFαKFβ=1×1.05×1×1.4=1.47（5-19）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩27 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩5）查取齿形系数。由表10-5查得YFa1=2.65；Y6）查取应力校正系数。由表10-5查得YSa1=1.58；YFa2=2.17Sa2=1.8毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩7）计算大、小齿轮的YFaYSa/[σF]并加以比较。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩YYFa1×YFa2×YSa1/[σF]Sa2/[σF]1=2.65×1.58/321.43=0.01303（5-20）2=2.17×1.8/244.3=0.01599（5-21）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩大齿轮的数值大。（2）设计计算m≥(2kT1YFaYSa/φdz21[σF])1/321/3毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩=[2×1.47×637×0.01599/(1×24)]=1.86mm（5-22）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩对比计算结果由齿面接触疲劳强度计算出的模数m大于由齿根接触疲劳强度计算出的模数m，由于齿轮模数主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（模数乘齿数）有关，可取由弯曲疲劳强度计算出的模数并就近圆整m=2，按接触强度算的分度圆直径算得：小齿轮的齿数z1=d1/m=122.9/2=49.16取z1=50大齿轮的齿数z2=u×z1=2×50=100取z2=100这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。5.1.4最终几何尺寸确定（1）计算分度圆直径d1=z1m=50×2=100mm（5-23）d2=z2m=100×2=200mm（5-24）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩图5-1从动齿轮结构28 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩（2）计算中心距图5-2主动齿轮结构毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩a=(d+d)/2=(100+200)/2=150m（5-25）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩12毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩5.2主要零件有限元分析目前零件有限元分析的主要软件有美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩ANSYS和法国达索公司的有限元分析软件SolidWorksSimulationXpress。鉴于本课题设毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩计的主要零件强度、刚度危险部分都比较简单，所需要求不是比较严苛，另外ANSYS软件操作比较复杂，分析项目较多，从而选择SolidWorksSimulationXpress进行仿真分析，从而达到零件的刚度、强度和稳定性校核。5.2.1软件概述SolidWorks是目前主流三维机械CAD软件之一。它不仅有强大的三位特征建模和二维工程图的生成等功能,而且还拥有丰富的第三方面支持软件,可以实现加工、分析、仿真、逆向工程等工程应用。由于其优越性价比,是中小企业首选的机械设计平台。SolidWorksSimulationXpress是一个与SolidWorks®完全集成的设计分析系统。SolidWorksSimulationXpress提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析。SolidWorksSimulationXpress凭借着快速解算器的强有力支持，使得您能够使用个人计算机快速解决大型问题。SolidWorksSimulationXpress提供了多种捆绑包，可满足您的分析需要。SolidWorksSimulationXpress节省了搜索最佳设计所需的时间和精力，可大大缩短产品上市时间。 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩29 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩SolidWorksSimulationXpress为SolidWorks用户提供了一个容易使用的初步应力分析工具。SimulationXpress通过在计算机上测试您的设计而取代昂贵并费时的实地测试可帮助您降低成本及上市时间。例如图5-1，您可以检查向吊钩施加的力的效果。SimulationXpress仿真设计周期，并提供应力结果。它还会显示吊钩的临界区域以及各区域的安全级别。根据这些结果，您可以加强不安全区域，并去掉超安全标准设计区域的材料。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩SolidworksSimulationXpress图5-3吊钩应力分析结果设计分析结果基于线性静态分析,且材料设想为同象毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩性.SimulationXpress仅仅为用户提供了一个简易的初步分析工具,它仅支持对固态单实体零件的分析,它不支持对装配体、表面模型或多实体零件的分析。此外SimulationXpress约束形式单一,仅仅限于面约束,而载荷的形式过少,对于非均布载荷以及作用于点或线的载荷均无法进行应力分析。5.2.2零件的有限元位移分析应力或静态分析根据材料、夹具及载荷计算零件中的位移、应变及应力。材料在应力达到某个程度时将失效。不同材料可承受不同程度的应力。SimulationXpress根据有限元法，使用线性静态分析来计算应力。线性静态分析在多种假定下计算零件中的应力。有限元分析分析结果如下：A．应力分析：表5-1S1-轴应力分析结果毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩最大应力小于材料许用应力，即该零件通过应力校核。30 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩B．变形位移图5-4S1-轴SimulationXpressStudy-应力-Stress表5-2S2-轴应力分析结果毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩最大变形位移小于该零件材料许用变形位移量，校核成功。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩5.3本章小结图5-5S1-轴SimulationXpressStudy-位移-Displacement毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩本章通过校核计算得到最终的齿轮参数，从而保证传动部分的正常运作。对机械臂的传动结构以及安装结构进行了多次分析优化，并且对部分重要零部件进行强度以及刚度的校核，牢牢把握设计合理的原则。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩31 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩6.1研究结论第6章结论与展望毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩装配机器人在现代汽车工业中占据着举足轻重的地位，所以装配机器人的研究与发展有着非常大的潜力。本次课程设计总体构思一台六自由度的汽车轮胎装配机器人，并负责其中前三个自由度的结构设计，即小臂的旋转、摆动和腕部的旋转。因为第一次接触机器人方面的设计课题，所以既感到新奇，又觉得难以下手，最初通过资料的收集、整理、分析和对比，考察轮胎装配的工业过程，确定设计思路和方案后，设计传动方案，因为要考虑到关节式机械臂的稳定性，保证传动精度，所以这部分也是最有难度的设计，也是最关键的设计。之后是通过计算选用合适的电机，然后通过三维模型的绘制、装配和仿真，分析运动的干涉等隐患，修正参数，优化结构，最后齿轮的校核计算和重要零件的有限元安全分析，彻底确保了运动的合理和传动的精度。通过本次毕业设计，收获颇多，因为涉及结构设计，所以整个设计过程将大学四年以来所学的专业知识重新温习了一遍，正所谓温故而知新，在熟悉所学过知识的同时，可以检查自己的掌握程度，从而反馈给自己，例如二、三维软件的使用还不是很娴熟，公差标注方面还有一定的欠缺。另外，对于自己没有接触过的专业知识，通过图书馆、网络资料等的查询以及向老师和学长的请教，学习新的知识，丰富自己的知识结构与体系，增长更多的设计阅历，同时也是对理论知识的最佳实践。另外，在毕业设计过程中，磨砺了自己作为设计人员的素养和心态，要做到目标明确、思路清晰、准备充分、过程严谨、耐心修正，有主见也要善于采纳他人意见，综合分析、宏观把握、考量细节、弥补缺陷，最终通过不懈的努力来创造胜利的果实，以此来感恩母校的培育。6.2展望毕业设计论文虽然已经截稿，但设计方面还有很多不足，需要进一步改进，在毕业之后参加工作的过程中，我会坚持学习的心态，不断完善自己的设计思路，丰富设计阅历，积累设计经验，创造更多的价值，回报母校，回报社会。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩32 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩上海理工大学毕业设计（论文）毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩参考文献[1]郭洪红.工业机器人技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2005.[2]蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社,2000.[3][美]SaeedB．Niku．机器人学导论——分析、系统及应用[M].孙富春，朱纪洪，刘国栋等译．孙增圻，审校.电子工业出版社，2004.[4]熊有伦.机器人技术基础[M].武汉:华中理工大学出版社,1996.[5]郑剑春.机器人结构和程序设计[M].清华大学出版社，2010.[6]天津大学《工业机械手设计基础》编写组.工业机械手设计基础.天津科学技术出版社，1980.[7]郝桐生.理论力学（第3版）.高等教育出版社，2008.[8]刘鸿文.简明材料力学（第2版）.高等教育出版社，2008.[9]方键.机械结构设计[M].化学工业出版社，2005.[10]张清，周艳玲，刘炳山.数控机床进给系统交流伺服电机选择[J].齐齐哈尔第一机床厂，制造技术与机床，1998.[11]陈秀宁，施高义.机械设计课程设计（第二版）[M].浙江大学出版社，2004.[12]机械设计手册编委会.机械设计手册.机械工业出版社，2004.[13]陈幼平,马志艳,袁楚明.周祖德.六自由度机械手三维运动仿真研究的计算机应用[J].2006.[14]黄阳,罗湘燕.基于SolidWorks的机械零件的CAE技术研究[J].机电产品开发与创新,2006.[15]常虹,时杉杉,宁国河.应用SolidWorks和ANSYS的零件有限元分析对比[J].广西大学学报(自然科学版)，2007.[16]W.BradleyHoltz.THECADRATINGGUIDE-AComprehensive，ComparisionofOver120CADSystens.NewHampshire,1997.[17]ShenWM;SalemiB;WillPHormone-inspiredAdaptiveCommunicationandDistributedControlforCONROSelf-reconfigurableRobots2006.毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩33 毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩轮胎装配机器人结构设计毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩致谢首先感谢我的毕业设计导师陈劲杰老师。由于机器人方面的设计第一次接触，一开始不知道从何下手，作为一名机器人设计方面经验丰富的指导老师，他给予了我很多方案的介绍，并推荐很多相关书籍帮助我了解机器人设计方面的知识。另外，在软件使用和结构设计方面给以我很多指导，帮助我克服设计中遇到的困难，使我学到很多知识，在次特别表示感谢。然后还要感谢实验室的研究生学长们，在老师时间不方便的时候，他们都很耐心地为我解答各种问题，提供多种设计思路、方案结构，并传授自己在设计中的经验心得，使我受益匪浅。另外，感谢我毕业设计的搭档，在软件使用和绘图方面给我很大的帮助，同时相互勉励，共同完成毕业设计。最后，感谢所有培育过我的老师们，是他们辛勤的教育让我在设计技术和做人方面有了很大的收获，使我成为一名毕业合格的大学生。毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩34'