轮胎装配机器人结构毕业设计.docx

上理工人，学本科毕业论文轮胎装配机器人结构设计姓名学院机械工程学院专业机械设计制造及其自动化指导教师陈劲杰副教授完成日期上海理工大学全日制本科生毕业设计（论文）承诺书本人郑重承诺：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。承诺人（签名）:日期: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、钾接、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。关键词：装配机器人、机械臂、结构设计STRUCTUREDESIGNOFTIREASSEMBLYROBOTSABSTRACTWiththerapiddevelopmentofglobalvehicleproduction,thereisanintegratedsystemwithassemblyrobotasthecoreinautomobileassembly,whichcanadapttothevariousassemblyoperationsinoneassemblyunit.Assemblyrobot,whichdevelopsrapidlyafteremergence,haseffectivelyreplacesthemanualproductionorsimplemechanicalassembly,especiallyinmassas to increase profits,uction.Itsignificantlyreducesthemanufacturingcostssoacceleratetheprocessofautomobileindustrialautomation.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,theauthorwillcarryoutthesimulationandanalysisofthefeasibilitybyCATlAthreedimensionalstructuremodeling,avoidinterference,updateparameters,andoptimizethestructure.Accordingtotransmissionratioandpower,apairofmeshinggearsisdesigned,andgearsizesaredeterminedbasedontheresultsofcalculation.Inaddition,throughanalyzingdangeroussectionsofkeypartsbyfiniteelementsanalysissoftware,theauthorobtainsthedeformationstressanddisplacementsoastocheckitsstiffnessandstrength.Atlasttheauthorwilldrawouttwo-dimensionalassemblyandpartsdrawingoftireassemblyrobots.Keywords：TireAssemblyRobots,RoboticArm,StructuralDesign摘要ABSTRACT第1章绪论1.1 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 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52 .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123. 3.2小臂摆动机构设计144. 3.3腕部旋转机构设计155. 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176. 1电机选型原则176.2 各关节力矩估算186.3 各关节功率估算196.4 电机选型193. 5本章d、结20第4章三维结构建模214. 1三维建模软件简介214.2三维模型展示227. 3本章4、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.Ll选择齿轮材料及精度等级265.L2按齿面接触疲劳强度设计265.L3按齿根弯曲强度设计275.L4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296 .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327 .2展望32参考文献33致谢34第1章绪论1.1 研究背景和意义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。图1-1汽车轮胎外形图1-2轮胎规格及技术参数轮胎通常由外胎、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，且需配专用的轮辆。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）适用轮辆宽：是适合轮胎性能的轮辆宽度。标准轮辆：最适合的宽度和形状；（用in表示）适用轮辎：能够使用的轮辎。（4）轮直径：是指适合轮胎的车轮的轮辆直径，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辆直径后的数字的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举罔法兰上比较便于调整，铝制车轮因为法兰形状及外表好看，有时也贴在轮辆内侧。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100knl之后，进一步紧固螺母。1.3 装配机器人定义及其基本组成1.4 .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。图1-3装配机器人工作过程1.4.2 装配机器人的基本组成装配机器人由主体、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36个运动自由度,其中腕部通常有13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。1.4.3 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，钟接机器人等。图卜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。1.5 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。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5070%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DeIPhi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%o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42005100亿日元，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。1.5 .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。(IO)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。1.6 设计任务及主要研究内容1.6.2 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。1.6.3 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。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。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AISIlO45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。(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。图2-2圆柱坐标机器人(3)垂直多关节型机器人：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。腕弯曲关节腕耀动关节腕旋转并节图2-3垂直多关节机器人(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O.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。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。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JI、J2、J3控制着机器人末端执行器的位置，而后3个关节Sl、S2、S3控制机器人末端执行器的姿态。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-lo表2-1轮胎装配机器人设计规格控制轴数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°第四关节J4轴（腕部扭转）3.14rads,360o/s第五关节J5轴（腕部俯仰）1.57rads,90o/s第六关节J6轴（腕部回转）3.14rads,180o/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2080%RH（不结露）振动小于4.9ms2机械臂部分重量65kg驱动方式交流伺服电机驱动轮胎装配机器人设计尺寸及工作空间如图2-70图2-7轮胎装配机曙人设计尺寸和工作空间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2-8o图2-8小臂旋转机构1 .轴的安装方式和轴承的选用根据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。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2T0,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，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。图2T0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。图2-11滚针轴承安装形式2 .胀紧套的选用胀紧套（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。图2T4偏心套安装(b)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。图2-13偏心套安装(a)本设计中采用偏心套调整法，如图2T3(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2T4(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。2.3.3 腕部旋转机构设计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2T6为S3-轴安装的二维表示。图2-16腕部旋转机构2.3.4 末端执行器的选择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1520kg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一夹爪式机械手结构简图。图2-17末端执行器2. 4本章小结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。第3章机械臂电机选型2.1 电机选型原则（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37步进电机与伺服电机的比较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3r0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。2.2 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。图37力矩计算模型m3(kg)=20(kg)+5(kg)=25(kg)(3-1)T(Nm)=f3N3D=0.00539.8(Nkg)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)3g3Dl(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)3g3Dl(m)/2=30(kg)39.830.08(m)/2=11.76Nm(3-4)3 .第四关节Sl-轴力矩估算:第四关节Sl-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(Nkg)360kg30.13m=0.38(Nm)(3-6)2.3 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：nl=3.14rads=180o/s(3-10)n2=3.14rads=180o/s(3-11)n3=6.28rads=360o/s(3-12)根据功率转矩3角速度，可得Pl=T43n4=l.19W(3-16)P2=T53n5=39.93W(3-17)P3=T63n6=0.38W(3-18)2.4 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。