70kg工业机器人手臂、手腕结构设计
摘要
工业机器人是机器人的一种，由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感
器装置构成，是一种仿人操作自动控制，可重复编程，能在三维空间完成各种作
业的机电一体化的自动化生产设备，特别适合于多品种，变批量柔性生产。机器
人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。国际电气电子工程师协会IEEE的
科学家在对未来科技发展方向进行预测时提出了4个重点发展方向，机器人技术
就是其中之一。工业机器人广泛应用在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服
务等领域中，尤其是汽车制造业，是工业机器人应用最广泛的行业，几乎占到整
个工业机器人的一半以上。
本文主要介绍了70kg工业机器人手臂及手腕的结构设计，包括电机的选择、
齿轮的选用、R-V减速器简介、齿轮与轴承的强度校核以及臂膀减速箱体、手、
手臂、手腕的结构设计等。
关键字：工业机器人、校核、R-V减速器、结构、设计、齿轮
THE STRUCTURE DESIGN OF 70KG INDUSTRIAL
ROBOT’ARM AND WRIST
ABSTRACT
Industrial robot is a robot, it consists of a manipulator. Controller. Servo drive
system and detection sensor device composition, it is a kind of humanoid operating
automatic control, can repeat programming, can finish all kinds of assignments in
three difficulties in authorship space the electromechanical integration automation
production equipment, especially suitable for many varieties, become batch flexible
production. Robotics is a forward-looking and strategic high-tech fields. The scientists
of International Electrical and Electronics Engineers(IEEE) propose four key
development directions in the prediction of technological development in the future.
Robotics is one of them. Industrial robot widely used in defense of military, medicine
and health, food processing and life service, such as areas. Especially for the
manufacturing of automobiles, is the most widely used of industrial robots,
accounting for almost to the industry for more than half of the industrial robots.
This paper mainly describes the structure design of 70kg industrial robot’ arm
and wrist. It includes the choice of motor, gear selection, brief introduction of R-V
reducer, gear and bearing strength check and structure design of arms reduction box,
hand, arm, wrist and so on.
KEYWORDS: industrial robots, checking, R-V reducer， structure, design, gear
目录
前言 ..................................................... 5
第一章 设计总述 .......................................... 7
§1.1 概述 ........................................... 7
§1.2 70kg工业机器人结构设计 ......................... 9
§1.2.1 臂膀减速箱体结构设计 ..................... 10
§1.2.2 手臂结构设计 ............................. 11
§1.2.3 手腕结构设计 ............................. 12
§1.2.4 手结构设计 ............................... 12
第 2 章 电机选择和齿轮设计 ............................. 14
§2.1 电机的选择 ....................................... 14
§2.2 齿轮的设计 .................................... 17
§2.2.1 IV轴齿轮的装配 ........................... 17
§2.2.2 V轴齿轮的装配 ............................ 18
§2.2.3 VI轴齿轮的装配 ........................... 19
第三章 轴承 ............................................ 19
§3.1 各类轴承的特点 ................................ 19
§3.2 轴承的选用 .................................... 21
第 4 章 R-V减速器简介 .................................. 21
§4.1 R-V减速器的结构简介 ........................... 21
§4.2 R-V减速器的传动特点 ........................... 22
§4.3 R-V减速器的选用 ............................... 23
第5章 强度校核 ........................................ 25
§5.1 齿轮的强度校核 ................................ 25
§5.2 轴承的寿命计算 ................................. 29
§5．3 轴校核 ....................................... 33
总结 .................................................... 37
参考文献 ................................................ 39
致谢 .................................................... 40
前言
现代大规模制造业中，为提高生产效率，保障产品质量，许多企业普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人逐步被企业所认同并采用。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，因而选择设计70kg工业机器人手臂、手腕结构作为毕业课题有着不同一般的实际生产意义。
随着工业机器人发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，工业机器人已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域工业机器人的应用也越来越多。汽车制造业是工业机器人应用最广泛的行业，几乎占到整个工业机器人的一半以上，近两年汽车工业迅猛发展,汽车制造业和零部件生产企业在汽车工业迅猛发展的带动下，进入了前所未有的发展时期，工业机器人市场潜力巨大。
工业机器人是机器人的一种，诞生于20世纪60年代，在20世纪90年代得到迅速发展，是最先产业化的机器人技术。它是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从美国研制出世界上第一台工业机器人以来，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。它的出现是为了提高产品的数量与质量、保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本等。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。
从2O世纪9O年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进了一大步，先后研制了点焊，弧焊，装配，喷漆，切割，搬运，码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批工业机器人产业化基地， 并促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。随着我国改革开放的逐渐深入，国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击，因此掌握国内工业机器人市
场的实际情况，把握我国工业机器人的相关技术与研究进展，显得十分重要。 工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
为了认真完成这次设计，我们在参观调研和收集相关资料的基础上初步确定方案，然后和同组同学交流探讨，改进和完善了方案，最后在老师的纠正和指导下确定最终设计方案。在设计中我们利用三维软件Inventor来造型，使我们更深的了解了工业机器人复杂的内部结构和工作原理，减少了设计错误，提高了设计质量，同时使我们的设计更加直观具体，富有乐趣。
第一章 设计总述
§1.1 概述
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动，在构造和性能上兼有人和机器人各自的优点，尤其是体现了人的智能和适应性，机器作业的准确性和在各种环境中完成作业的能力。因而在国民经济各个领域中具有广阔的应用前景。
随着科技的不断进步，工业机器人的发展过程可分为三代。
第—代为示教再现型机器人，它主要由机器手控制器和示教盒组成，可按预先引导动作记录下信息重复再现执行，当前工业中应用最多。如图1-1。
第二代为感觉型机器人，如有力觉触觉和视觉等，它具有对某些外界信息进行反馈调整的能力，目前已进入应用阶段。如图1-2。
第三代为智能型机器人它具有感知和理解外部环境的能力，在工作环境改变的情况下，也能够成功地完成任务，它尚处于实验研究阶段。如图1-3。
图1-1 示教再现型机器人
图1-2 感觉型机器人
图1-3 智能型机器人
机器人技术涉及力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感技术和计算机技术等学科领域，是一门跨学科的综合技术。而机器人机构技术是机器人研究的主要基础和关键技术，也是现代机械原理研究的主要内容。
工业机器人的应用领域也日渐广泛，经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中（如图1-4），
工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用也随之在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。此外，在国防军事（如图1-5）、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。因而，对工业机器人的研究也更加需要深入而广泛的开展。
图1-4 汽车产业工业机器人 图1-5 军用机器人“big dog”
介于本设计所用的时间及设计者本人水平有限，本设计仅主要对工业机器人的结构进行了研究和探讨，包括臂膀减速箱体、手臂、手腕、手等四个部分以及齿轮、轴承等传动和支撑机构。
§1.2 70kg工业机器人结构设计
工业机器人主要由四个部分组成，包括操作机、驱动单元、控制装置和为使工业机器人进行作业而要求的外部设备等。
1.操作机 操作机是工业机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由以下几个部分组成：
（1）末端执行器 又称手部，是工业机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机
构。
（2）手腕 是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有2—3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用工业机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。
（3）手臂 它由工业机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间、手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。
（4）底座 有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。可分为固定式和移动式两类。
（5）回转台 有一个回转自由度，是连接底座和手臂即上臂的回转部件，回转台的作用主要是扩大了上臂的动作范围。
（6）臂膀座 是连接上臂和前臂的关节部件，主要是固定前臂的位置，其上装配电机，是连接前端机械手的基础部件。
2.驱动单元 驱动单元是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置，在本设计中主要体现为伺服电机和转速传感器。
3.控制装置 它是由人对工业机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥工业机器人按规定的要求动作，在此设计中主要体现为控制柜。
4.人工智能系统 它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分是决策-规划智能系统。
§1.2.1 臂膀减速箱体结构设计
臂膀减速箱体作为连接臂膀座与前臂的一个部件，其主要作用是为前臂及末端执行器提供支撑，其结构如图1-6所示。臂膀减速箱体上装有三个电机，是工业机器人结构中装入电机最多的一个部件，三个电机带动前臂和末端执行器运动。为了减轻整个机身的重量，但又不减弱其强度，臂膀减速箱体的材料选用Zl101A，又考虑到臂膀减速箱体为铸件，为避免铸造过程中出现缩孔、缩松等铸
造缺陷，因此将底座设计成内部中空的结构，这样又节省了材料，降低了制造成本。臂膀减速箱体剖视图如图1-7所示。
图1-6 臂膀减速箱体装配图 图1-7 臂膀减速箱体剖视图
§1.2.2 手臂结构设计
工业机器人手臂的设计主要考虑机器人的承重、散热、节省材料、合理装配等设计出此种结构，作为连接臂膀减速箱体与手腕的一个部件，如图1-8，它由工业机器人的动力关节和连接杆件等构成，并用于支承和调整手腕和末端执行器的位置，手臂与手腕连接如图1-9。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间、手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动
范围。通过选用一定减速比的RV-减速器可以使手臂获得合适的速度，以便于末端执行器的顺利操作。
图1-8 手臂装配图
图1-9 手臂与手腕连接图
§1.2.3 手腕结构设计
手腕是用来连接手臂与手部以及支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，有2个回转自由度以调整末端执行器的姿态。图1-10中,V轴锥齿轮带动R-V减速器上的锥齿轮，太阳轮为一正齿轮，太阳轮与减速器中的三个行星轮啮合，实现一级减速，而另一级减速则通过摆线针轮减速器实现，手腕的结构也为薄壁式中空结构，其材料仍选用Zl101A。手腕与手腕连接如图1-11。
图1-10 手腕结构 图1-11 手腕与手连接图
§1.2.4 手结构设计
机器手是工业机器人直接执行工作的装置，如图1-12，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构，可以通
过选用一定减速比的RV-减速器可以使机器手获得合适的速度，以便于作业的顺利完成。图1-13为手结构剖视图。机器手的动力从VI轴电机开始传输，经VI轴装配电机齿轮与VI轴装配齿轮啮合传动，VI轴装配齿轮与内轴通过花键连接，内轴通过花键与VI轴装配斜锥齿轮也通过花键配合，随后以1：1正齿轮传递，最后又以斜锥齿轮啮合将动力传递给机器手。
图1-12 手结构
图1-13 手结构剖视图
第 2 章 电机选择和齿轮设计
§2.1 电机的选择
由于本设计中工业机器人总重500kg，机械手可搬运的最大负载为70kg，最大展臂距离为1706mm,经粗略估算，初步选定4轴装配、5轴装配、6轴装配中电机分别为法拉克旋转型伺服电机αM6/3000（A06B-0162-B675）、αM6/3000（A06B-0162-B675）、α2/3000（A06B-0373-B675），电机额定输出分别为1.4kw、
1.4kw、0.5kw，保持转矩分别为6.0N•m、6.0N•m、2.0N•m,列FANNC电机样本、FANNCαM系列电机参数、FANNCα系列电机参数、FANNCαM系列电机转矩转速特性、FANNCα系列电机转矩转速特、电机FANNCαM6形状及尺寸参数图如下：
图2-1 FANNC电机样本
表2-1 FANNCαM系列电机参数图表
表2-2 FANNCα系列电机参数图表
图2-2 FANNCαM系列电机转矩转速特性 图2-3
FANNCα系列电机转矩转速特
（a） 电机
FANUCαM6的形状参数
（b） 电机FANUCαM6的尺寸参数
图2-4 电机FANNCαM6形状及尺寸参数
FANNCα2电机尺寸与αM6电机尺寸选择类似。
§2.2 齿轮的设计
§2.2.1 IV轴齿轮的装配
IV轴装配，也就是连接臂膀减速箱体与IV轴R-V减速器的所有部件的总称，其中包括电机齿轮、IV轴太阳轮及一个R-V减速器，本节讨论电机齿轮和IV轴太阳轮的选择。
考虑到IV轴电机轴线与R-V减速器中心轴线的实际间距，选定电机齿轮m=1，z=61，IV轴太阳轮，大齿轮m=1，z=108，小齿轮m=2,z=18。IV轴电机齿轮如图2-5所示、IV轴太阳轮如图2-6所示。
图2-5 IV轴电机齿轮
图2-6 IV轴太阳轮
§2.2.2 V轴齿轮的装配
V轴装配，也就是连接臂膀减速箱体与V轴R-V减速器的所有部件的总称，电机经过一系列传动带动V轴太阳轮与R-V减速器相连，R-V减速器外壳与手转盖相连，从而带动手腕转动。
V轴的电机齿轮选择m=1，z=21；太阳轮为一个正齿轮，m=1.25,z=57,太阳轮与3个行星轮啮合，实现传动。V轴电机齿轮如图2-7所示,，V轴太阳轮如图2-8，V轴太阳轮上的花键用来与V轴输入轴连接，以传输速度和动力。
图2-7 V轴电机齿轮
图2-8 V轴太阳轮
§2.2.3 VI轴齿轮的装配
由于VI轴装配中R-V减速器与V轴装配中R—V减速器的型号一致，所以VI轴装配中电机齿轮与太阳轮和V轴装配中的齿轮基本一致，其各方面尺寸都一样，所有尺寸参数参照V轴齿轮的装配。
第三章 轴承
§3.1 各类轴承的特点
1.角接触球轴承的特点
可同时承受径向负荷和轴向负荷，转速较高，接触角越大，轴向承载能力越高。单列轴承只能承受一个方向的轴向负荷，在承受径向负荷时，将引起附
加轴向力。并且只能限制轴或外壳在一个方向的轴向位移。若是成对双联安装，使一对轴承的外圈相对，即宽端面对宽端面，窄端面对窄端面。这样即可避免引起附加轴向力，而且可在两个方向使轴或外壳限制在轴向游隙范围内。角接触球轴承的变型结构多达70多种。
2.深沟球轴承的特点：
（1）在结构上深沟球轴承的每个套圈均具有横截面大约为球周长的三分之一的连续沟型滚道。它主要用于承受径向载荷，也可承受一定的轴向载荷。（2）在轴承的径向游隙增大时，具有角接触球轴承的性质，可承受两个方向交变的轴向载荷。（3）摩擦小，转速高。（4）结构简单，制造成本低，容易达到较高的制造精度。（5）一般采用冲压浪形保持架，内径大于200mm或高速运转的轴承，采用车制实体保持架。深沟球轴承的变型结构多达60多种。
3.圆柱滚子轴承的特点
（1）滚子与滚道为线接触，径向承载能力大，适用于承受重负荷与冲击负荷。（2） 摩擦系数小，适合高速，极限转速接近深沟球轴承。（3） N型及NU型可轴向移动，能适应因热膨胀或安装误差引起的轴与外壳相对位置的变化，可作自由端支承使用。内圈或外圈可分离，便于安装和拆卸。（4）对轴和座孔的加工要求较高，轴承安装后内外圈轴线相对偏斜要严加控制，以免造成接触应力集中。（5）内孔带1：12锥度的双列圆柱滚子轴承，径向游隙可以调整，径向刚度高，适应于机床主轴。
4.滚针轴承的特点
将滚子长度（l）与滚子直径（Dw）之比L/Dw＞2.5及滚子直径（Dw）＜6的滚子轴承称为滚针轴承。（1）滚针轴承径向尺寸小，但径向承载能力很高，不能承受轴向载荷，仅作为自由端支承使用。有利于设备的小型化、轻量化。（2）使用不带内圈或不带外圈的滚针轴承，只有带保持架的滚针组件时，要求相配的轴颈或轴承座孔的加工精度、表面硬度应与轴承套圈滚道相同。（3）滚针轴承的摩擦系数大，不适合较高的转速。
5.圆锥滚子轴承的特点
属分离型轴承，轴承内、外圈均具有锥形滚道，滚子为圆台形。滚子与滚道为线接触，可承受较重的径向和轴向联合负荷，也可承受纯轴向负荷。接触角越
大，轴向承载能力越高。圆锥滚子的设计应使滚子与内外滚道的接触线延长后交于轴承轴线上同一点，以实现纯滚动。新设计的圆锥滚子轴承采用加强型结构，滚子直径加大，滚子长度加长，滚子数目增多，采用带凸度滚子，使轴承的承载能力和疲劳寿命显著提高。滚子大端面与大挡边之间采用球面与锥面接触，改善了润滑。
该类轴承按所装滚子的列数可分为单列、双列和四列圆锥滚子轴承等不同的结构型式。该类轴承还多使用英制系列产品。
§3.2 轴承的选用
在工业机器人V轴与VI轴输入轴传动中，轴承受到的力大部分为径向和轴向联合负荷且安装配合要求合理，此二处选择圆锥滚子轴承。在工业机器人其他结构传动中，轴承受到的力大部分为径向载荷，且轴承要求的制造精度较高，摩擦还要小，因此选择深沟球轴承。
根据机械设计结构即轴的外径和孔的直径选择轴承分别为圆锥滚子轴承ANSI/AFBMA 19.2 TS 0.5906×1.3775×0.433和ANSI/AFBMA 19.2 TS 0.4992×1.3775×0.433 成对用于V轴输入轴装配和VI输入轴装配。
第 4 章 R-V减速器简介
§4.1 R-V减速器的结构简介
R-V（Rotate Vector）传动机构是一种新型的二级封闭行星轮系，是在摆线
针轮传动基础上发展起来的一种新型传动，经常作为各种需要具有紧密运动的装置牵系减速器，在机器人领域占着主导地位。
R-V传动装置是由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成，为一封闭差动轮系如图4-1为其结构示意图。主动的太阳轮1与输入轴相连，如果渐开线中心轮1顺时针方向旋转，它将带动三个呈120°布置的行星轮2在绕中心轮轴心公转的同时还有逆时针方向自转，三个曲
柄轴3与行星轮2相固连而同速转动，两片相位差180°的摆线轮4铰接在三个曲柄轴上，并与固定的针轮相啮合，在其轴线绕针轮轴线公转的同时，还将反方向自转，即顺时针转动。输出机构(即行星架)6由装在其上的三对曲柄轴支撑轴承来推动，把摆线轮上的自转矢量以1:1的速比传递出来。R-V减速器减速原理图如图4-2所示。
图4-1 R-V减速器结构示意图 图4-2 R-V减速器减速原理图
§4.2 R-V减速器的传动特点
R-V传动是新兴起的一种传动，它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来的，不仅克服了一般针摆传动的缺点，而且因为具有体积小、重量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点，日益受到国内外的广泛关注。它较机器人中常用的谐波传动具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命，而且回差精度稳定，不像谐波传动那样随着使用时间增长运动精度就会显著降低，故世界上许多国家高精度机器人传动多采用R-V减速器，因此，该种R-V减速器在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的发展趋势。其传动特点如下：
(l)传动比范围大；
(2)扭转刚度大，输出机构即为两端支承的行星架，用行星架左端的刚性大圆盘输出，大圆盘与工作机构用螺栓联结，其扭转刚度远大于一般摆线针轮行星
减速器的输出机构。在额定转矩下，弹性回差小；
(3)只要设计合理，制造装配精度保证，就可获得高精度和小间隙回差； (4)传动效率高；
(5)传递同样转矩与功率时的体积小(或者说单位体积的承载能力小)，RV减速器由于第一级用了三个行星轮，特别是第二级，摆线针轮为硬齿面多齿啮合，这本身就决定了它可以用小的体积传递大的转矩，又加上在结构设计中，让传动机构置于行星架的支承主轴承内，使轴向尺寸大大缩小，所有上述因素使传动总体积大为减小。
§4.3 R-V减速器的选用
根据本章前两节所述R-V减速器的结构特点、工作原理以及传动特点，依据本设计的实际需要，选定IV轴、V轴、VI轴所用R-V减速器分别为RV-50C、RV-10C、RV-10C。关于RV-10C、RV-50C两种R-V减速器的结构和尺寸参数和性能如图4-3、4-4、4-5、4-6所示如下：
图4-3 RV-10C结构尺寸示意图
图4-4 RV-50C结构尺寸示意图
图4-5 RV减速器无负载转矩输出图
图4-6 RV减速器传动效率与输出转矩关系图
第5章 强度校核
§5.1 齿轮的强度校核
校核IV轴电机齿轮与IV轴齿轮啮合，IV轴电机齿轮与IV轴齿轮啮合图如图5-1所示。
图5-1 IV轴电机齿轮与IV轴齿轮啮合图
1.根据实际调研结果，考虑到本次设计的具体要求定义齿轮模数 m=1。 2.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 （1）选用直齿圆柱齿轮传动， （2）选用7级精度（GB10095—88）；
（3）材料选择。由文献[6]表10—1,选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为260HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为20HBS。
(4)初选小齿齿数Z1=61，大齿轮齿数为Z2=108。 3.校核齿面接触疲劳强度
式中: K-载荷系数；
-小齿轮传递的转矩，N•mm； u-啮合齿轮副传动比；
-齿宽系数；
-小齿轮的分度圆直径，mm；
-区域系数；
-弹性影响系数，MP
；
-许用接触应力，MPa；
(1) 试选载荷系数Kt=1.6，由文献[6]图10—30选取节点区域系数ZH=2.5 (2) 计算载荷系数 K
已知使用系数KA=1，根据v=0.120m/s ，7级精度，由文献[6]图10-8查得动载系数Kv=1.030；由文献[6]表10-4查得
查文献[6]图10-13得所以载荷系数
K =KAKvKHaKH=1.118
式中：
-齿间载荷分配系数；
-齿向载荷分布系数；
（3）外啮合齿轮传动的齿宽系数
；查文献[6]表10-3得
，
d=0.13
（4）查文献[6]表10—6得材料的弹性影响系数 ZE=189.8
（5）由文献[6]图10—21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限为
Hlim1= 600MPa；大齿轮的接触疲劳强度极限为 Hlim2= 550MPa
468.5MPa550MPa
因为接触强度相等，因此只需
HHmin
即可，故齿面接触强度合格。
4.校核齿根弯曲触疲劳强度 齿根合格应满足公式
式中： m-模数；
-齿形系数；
-应力校正系数；
（1）查取齿形系数
由文献[6]表10-5查得齿形系数应力校正系数
；
。
；
，
（2）由文献[6]图10-20C查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限FE1500MPa；
FE2380MPa。
（3）计算应力循环次数
齿数比u=1.77,设工作寿命15年（每年工作300天），两班制。
由文献[6]图10-18查得弯曲疲劳寿命系数 （4）计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数S=1.4；则
[F]1
同理
KFN10.90
；
KFN20.95
KFN1FE1
321.43MPa； S
[F]2=257.86MPa
计算小齿轮传递的转矩，设小齿轮转速
=1.393×
F1
2KT1YFaYSa
dzm
2
2
21
3
2.54MPa321.43MPa[F1]
F2
故齿根合格。
2KT2YFaYSa
dzm
3
3.71MPa257.86MPa
§5.2 轴承的寿命计算
校核V轴输入轴圆锥滚子轴承ANSI/AFBMA 19.2 TS。V
轴输入轴圆锥滚子轴承安装图如图5-2所示。
图5-2 V轴输入轴圆锥滚子轴承安装图
由文献[7]表15-7查得圆锥滚子轴承ANSI/AFBMA 19.2 TS的主要性能参数
如下：
基本额定动载荷：
基本额定静载荷：
接触角α==
e =1.5tgα=0.345
Y=0.4ctgα=1.739 ， X=0.4
a =11mm
L=34+2a=56mm =31-a=20mm
斜锥齿轮平均分度圆直径
=45mm，齿面上的圆周力=227N
径向力 = 105N 轴向力=52N 轴承-斜锥齿轮受力分析图如图5-3所示。
该轴的转速n=2600r/min,运转中有轻微冲击载荷,载荷系数
L+
16.6N
121.6N
113.5N
340.5N
115N
362N
由文献[6]表13-7知，
33N
104N
,
=2232697h
轴承预期工作寿命20年（每年工作300天），两班制
L=20×300×8×2=96000h
显然：
Lh>L
即低于预算寿命，所选轴承合格。
图5-3 轴承-斜锥齿轮受力分析图
§5．3 轴校核
校核V轴输入轴，V轴输入轴装配图像见图5-2。
1.材料选择。由文献[6]表15-1，选择轴材料为45钢（调质），轴的许用弯曲应力
2.由于轴承的设计中已求出支反力，则轴受力为： 齿面上的圆周力=227N， 径向力 = 105N
轴向力=52N， 斜锥齿轮平均分度圆直径=45mm
3．轴的载荷分析图如图5-4所示，注：A、B处为圆锥滚子轴承。
,
,
由轴的载荷分析图可知轴的危险截面为靠近斜锥齿轮一端，
渡处(轴阶)。由于扭转切应力为对称循环变应力，故取α=1。
按弯扭合成强度计算
48MPa
式中：
-轴的计算应力，MPa;
与过MPa
M-轴所受的弯矩，N •mm; M=4630N •mm
T-轴所受的扭矩，N •mm; T=5142N •mm
W-轴的抗弯截面系数，; W=142
-对称循环变应力时轴的许用弯曲应力；
故轴合格。
(a) 轴的受力分析图
（b） 轴的弯矩-扭矩图
图5-4 轴的载荷分析图
总结
在大学的学习过程中，毕业设计是一个重要的环节，是我们步入社会
参与实际项目的规划建设的一次极好的演示。毕业设计是四年学习的总结
和提高，和做科研开发工作一样，要有严谨求实的科学态度。从最初的选
题，开题到分析调查、绘图直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，
与同学交流，反复修改图纸，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充
实。就我而论，在本次毕业设计中表现出了这样或那样的不足和漏洞，说
明了基本功的不扎实。
在此次毕业设计中，我主要负责的是70kg工业机器人手臂、手腕结构设计。
先期深入现场，了解70kg工业机器人手臂、手腕的结构,熟悉设计软件Auto-
desk Inventor，接着通过查阅资料，向老师请教，加上和同学的密切合作，基
本上完成了学校布置下来的毕业设计任务：
（1）手臂、手腕部件传动方案的选择：传动方式的选择、传动件位置的合
理布置、各轴轴承的选择。
（2）完成了机器人的各部分零件的设计，如手臂、电机及电机齿轮、太阳
轮、R-V减速器、手腕、臂膀减速箱体等。
（3）主要参数的确定：机器人的主要外形尺寸、轴径估算、内孔径的确定、
孔径的确定
毕业设计期间也遇到了许多问题：
（1）因曾经未用过绘图软件inventor，刚开始用此软件时许多功能
不熟识，导致走了不少弯路。
（2）由于毕业设计过程中需要用到不少资料，其中有些资料涉及到
一些公司不易公开的技术，不便得到，例如FANUC电机、R-V减速器相关
资料，对于我们毕业设计的继续是极大的障碍。
（3）由三维inventor图生成二维inventor图纸后，需要对其中的
一些细节做修改，例如齿轮，二维inventor图修改比较困难。
以上出现的问题在查阅资料和老师、同学的帮助下都解决了。
在此次毕业设计中，未实现的是没用inventor软件实现工业机器人
的模拟仿真。
通过这次认真而又细致的毕业设计，我对待事情的态度更加严谨更加
有耐心，并且我更希望把所做的事情做好做完美，我想这将是一种很重要
的财富。感谢本次设计，感谢遇见了麻烦和难题，感谢老师们的指导以及
同学们的帮助，毕业设计的结束也是另一种开始，相信本次毕业设计会令
我走得更远也能取得更大的成就。毕业设计的完成代表着本科学习阶段的
最终结束，也为我们在校理论知识的学习画上了句号。宝贵的大学学习生
活转瞬即逝，无论如何，我们的毕业设计已经结束了，我们要好好利用已
经学到的知识并且要继续学习掌握新的知识，以便更新我们的知识系统。
重要的是，我们要将所获取的各种知识运用于实践，并用实践来休整我们
的不足和缺陷，使我们真正成为一名理论扎实而又具有很强的实践能力的
机电工作者。
参考文献
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[20] 孙兵，赵武，施永辉，物料搬运机械手的研制[J]，南通纺织职业技术学报， 2005年第8期。
致谢
人生的成长历程始终是向前的。当一个阶段快要结束即将迈入另一个阶段时，自然需要对即将过去的进行思考和小结。自己一直在思考学业、职业、事业的哲学关系，也许本来就没有固定的答案和模式。需要的是对自己对时间、对生命的尊重和珍惜，同样需要对在我成长历程中、在人生某个阶段一直给予我帮助、指导、鼓励、支持、信任、爱护的人，表达真
正的感谢。可以用客套、冠冕堂皇的话，也可以选择朴实。后者才更真挚，更深入心灵。
经过两个多月的认真学习，在李华老师的悉心指导和同组同学的大力帮助下，我终于完成了本次毕业设计的任务——70kg工业机器人手臂及手腕结构设计。
毕业设计是一名合格的大学本科毕业生必须完成的一个重要学习环节，它是对我们大学期间所学知识的综合检验，也是对我们实际动手能力的考察，更是对我们作为一名技术设计人员素质的基本训练。对我们毕业生来说，它是我们迈向工作岗位的一个重要的过渡环节。回顾此次毕业设计，困难、艰辛以及随之的喜悦同在，到图书馆搜集素材，去工厂实习参观，熟悉已有设备，研究前人的理论成果的忙忙碌碌，使我在各个方面都有了提高。
由于条件的限制，此课题是在借助于前人的理论成果，认真听取导师的指导，广泛搜集有关论文和文献，并熟悉已有工业机器人结构的基础上，进行一些理论知识的探讨和机械结构的改造创新。
本次设计是在老师的指导帮助下完成的，导师渊博的科学知识，严谨的治学态度，活跃的学术思想和随和的生活态度，使我受益匪浅。在此次毕业设计完成之际，向李华老师表示衷心的感谢！
同时，也对周围同学给予的极大鼓励和支持表示深深的感谢，最后感谢我的母校河南科技大学和机电工程学院四年来对我的大力栽培，我一定不负众望不断进步，成为一名优秀的机电工作者。
70kg工业机器人手臂、手腕结构设计
摘要
工业机器人是机器人的一种，由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感
器装置构成，是一种仿人操作自动控制，可重复编程，能在三维空间完成各种作
业的机电一体化的自动化生产设备，特别适合于多品种，变批量柔性生产。机器
人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。国际电气电子工程师协会IEEE的
科学家在对未来科技发展方向进行预测时提出了4个重点发展方向，机器人技术
就是其中之一。工业机器人广泛应用在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服
务等领域中，尤其是汽车制造业，是工业机器人应用最广泛的行业，几乎占到整
个工业机器人的一半以上。
本文主要介绍了70kg工业机器人手臂及手腕的结构设计，包括电机的选择、
齿轮的选用、R-V减速器简介、齿轮与轴承的强度校核以及臂膀减速箱体、手、
手臂、手腕的结构设计等。
关键字：工业机器人、校核、R-V减速器、结构、设计、齿轮
THE STRUCTURE DESIGN OF 70KG INDUSTRIAL
ROBOT’ARM AND WRIST
ABSTRACT
Industrial robot is a robot, it consists of a manipulator. Controller. Servo drive
system and detection sensor device composition, it is a kind of humanoid operating
automatic control, can repeat programming, can finish all kinds of assignments in
three difficulties in authorship space the electromechanical integration automation
production equipment, especially suitable for many varieties, become batch flexible
production. Robotics is a forward-looking and strategic high-tech fields. The scientists
of International Electrical and Electronics Engineers(IEEE) propose four key
development directions in the prediction of technological development in the future.
Robotics is one of them. Industrial robot widely used in defense of military, medicine
and health, food processing and life service, such as areas. Especially for the
manufacturing of automobiles, is the most widely used of industrial robots,
accounting for almost to the industry for more than half of the industrial robots.
This paper mainly describes the structure design of 70kg industrial robot’ arm
and wrist. It includes the choice of motor, gear selection, brief introduction of R-V
reducer, gear and bearing strength check and structure design of arms reduction box,
hand, arm, wrist and so on.
KEYWORDS: industrial robots, checking, R-V reducer， structure, design, gear
目录
前言 ..................................................... 5
第一章 设计总述 .......................................... 7
§1.1 概述 ........................................... 7
§1.2 70kg工业机器人结构设计 ......................... 9
§1.2.1 臂膀减速箱体结构设计 ..................... 10
§1.2.2 手臂结构设计 ............................. 11
§1.2.3 手腕结构设计 ............................. 12
§1.2.4 手结构设计 ............................... 12
第 2 章 电机选择和齿轮设计 ............................. 14
§2.1 电机的选择 ....................................... 14
§2.2 齿轮的设计 .................................... 17
§2.2.1 IV轴齿轮的装配 ........................... 17
§2.2.2 V轴齿轮的装配 ............................ 18
§2.2.3 VI轴齿轮的装配 ........................... 19
第三章 轴承 ............................................ 19
§3.1 各类轴承的特点 ................................ 19
§3.2 轴承的选用 .................................... 21
第 4 章 R-V减速器简介 .................................. 21
§4.1 R-V减速器的结构简介 ........................... 21
§4.2 R-V减速器的传动特点 ........................... 22
§4.3 R-V减速器的选用 ............................... 23
第5章 强度校核 ........................................ 25
§5.1 齿轮的强度校核 ................................ 25
§5.2 轴承的寿命计算 ................................. 29
§5．3 轴校核 ....................................... 33
总结 .................................................... 37
参考文献 ................................................ 39
致谢 .................................................... 40
前言
现代大规模制造业中，为提高生产效率，保障产品质量，许多企业普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人逐步被企业所认同并采用。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，因而选择设计70kg工业机器人手臂、手腕结构作为毕业课题有着不同一般的实际生产意义。
随着工业机器人发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，工业机器人已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域工业机器人的应用也越来越多。汽车制造业是工业机器人应用最广泛的行业，几乎占到整个工业机器人的一半以上，近两年汽车工业迅猛发展,汽车制造业和零部件生产企业在汽车工业迅猛发展的带动下，进入了前所未有的发展时期，工业机器人市场潜力巨大。
工业机器人是机器人的一种，诞生于20世纪60年代，在20世纪90年代得到迅速发展，是最先产业化的机器人技术。它是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从美国研制出世界上第一台工业机器人以来，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。它的出现是为了提高产品的数量与质量、保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本等。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。
从2O世纪9O年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进了一大步，先后研制了点焊，弧焊，装配，喷漆，切割，搬运，码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批工业机器人产业化基地， 并促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。随着我国改革开放的逐渐深入，国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击，因此掌握国内工业机器人市
场的实际情况，把握我国工业机器人的相关技术与研究进展，显得十分重要。 工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
为了认真完成这次设计，我们在参观调研和收集相关资料的基础上初步确定方案，然后和同组同学交流探讨，改进和完善了方案，最后在老师的纠正和指导下确定最终设计方案。在设计中我们利用三维软件Inventor来造型，使我们更深的了解了工业机器人复杂的内部结构和工作原理，减少了设计错误，提高了设计质量，同时使我们的设计更加直观具体，富有乐趣。
第一章 设计总述
§1.1 概述
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动，在构造和性能上兼有人和机器人各自的优点，尤其是体现了人的智能和适应性，机器作业的准确性和在各种环境中完成作业的能力。因而在国民经济各个领域中具有广阔的应用前景。
随着科技的不断进步，工业机器人的发展过程可分为三代。
第—代为示教再现型机器人，它主要由机器手控制器和示教盒组成，可按预先引导动作记录下信息重复再现执行，当前工业中应用最多。如图1-1。
第二代为感觉型机器人，如有力觉触觉和视觉等，它具有对某些外界信息进行反馈调整的能力，目前已进入应用阶段。如图1-2。
第三代为智能型机器人它具有感知和理解外部环境的能力，在工作环境改变的情况下，也能够成功地完成任务，它尚处于实验研究阶段。如图1-3。
图1-1 示教再现型机器人
图1-2 感觉型机器人
图1-3 智能型机器人
机器人技术涉及力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感技术和计算机技术等学科领域，是一门跨学科的综合技术。而机器人机构技术是机器人研究的主要基础和关键技术，也是现代机械原理研究的主要内容。
工业机器人的应用领域也日渐广泛，经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中（如图1-4），
工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用也随之在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。此外，在国防军事（如图1-5）、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。因而，对工业机器人的研究也更加需要深入而广泛的开展。
图1-4 汽车产业工业机器人 图1-5 军用机器人“big dog”
介于本设计所用的时间及设计者本人水平有限，本设计仅主要对工业机器人的结构进行了研究和探讨，包括臂膀减速箱体、手臂、手腕、手等四个部分以及齿轮、轴承等传动和支撑机构。
§1.2 70kg工业机器人结构设计
工业机器人主要由四个部分组成，包括操作机、驱动单元、控制装置和为使工业机器人进行作业而要求的外部设备等。
1.操作机 操作机是工业机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由以下几个部分组成：
（1）末端执行器 又称手部，是工业机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机
构。
（2）手腕 是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有2—3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用工业机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。
（3）手臂 它由工业机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间、手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。
（4）底座 有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。可分为固定式和移动式两类。
（5）回转台 有一个回转自由度，是连接底座和手臂即上臂的回转部件，回转台的作用主要是扩大了上臂的动作范围。
（6）臂膀座 是连接上臂和前臂的关节部件，主要是固定前臂的位置，其上装配电机，是连接前端机械手的基础部件。
2.驱动单元 驱动单元是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置，在本设计中主要体现为伺服电机和转速传感器。
3.控制装置 它是由人对工业机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥工业机器人按规定的要求动作，在此设计中主要体现为控制柜。
4.人工智能系统 它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分是决策-规划智能系统。
§1.2.1 臂膀减速箱体结构设计
臂膀减速箱体作为连接臂膀座与前臂的一个部件，其主要作用是为前臂及末端执行器提供支撑，其结构如图1-6所示。臂膀减速箱体上装有三个电机，是工业机器人结构中装入电机最多的一个部件，三个电机带动前臂和末端执行器运动。为了减轻整个机身的重量，但又不减弱其强度，臂膀减速箱体的材料选用Zl101A，又考虑到臂膀减速箱体为铸件，为避免铸造过程中出现缩孔、缩松等铸
造缺陷，因此将底座设计成内部中空的结构，这样又节省了材料，降低了制造成本。臂膀减速箱体剖视图如图1-7所示。
图1-6 臂膀减速箱体装配图 图1-7 臂膀减速箱体剖视图
§1.2.2 手臂结构设计
工业机器人手臂的设计主要考虑机器人的承重、散热、节省材料、合理装配等设计出此种结构，作为连接臂膀减速箱体与手腕的一个部件，如图1-8，它由工业机器人的动力关节和连接杆件等构成，并用于支承和调整手腕和末端执行器的位置，手臂与手腕连接如图1-9。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间、手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动
范围。通过选用一定减速比的RV-减速器可以使手臂获得合适的速度，以便于末端执行器的顺利操作。
图1-8 手臂装配图
图1-9 手臂与手腕连接图
§1.2.3 手腕结构设计
手腕是用来连接手臂与手部以及支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，有2个回转自由度以调整末端执行器的姿态。图1-10中,V轴锥齿轮带动R-V减速器上的锥齿轮，太阳轮为一正齿轮，太阳轮与减速器中的三个行星轮啮合，实现一级减速，而另一级减速则通过摆线针轮减速器实现，手腕的结构也为薄壁式中空结构，其材料仍选用Zl101A。手腕与手腕连接如图1-11。
图1-10 手腕结构 图1-11 手腕与手连接图
§1.2.4 手结构设计
机器手是工业机器人直接执行工作的装置，如图1-12，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构，可以通
过选用一定减速比的RV-减速器可以使机器手获得合适的速度，以便于作业的顺利完成。图1-13为手结构剖视图。机器手的动力从VI轴电机开始传输，经VI轴装配电机齿轮与VI轴装配齿轮啮合传动，VI轴装配齿轮与内轴通过花键连接，内轴通过花键与VI轴装配斜锥齿轮也通过花键配合，随后以1：1正齿轮传递，最后又以斜锥齿轮啮合将动力传递给机器手。
图1-12 手结构
图1-13 手结构剖视图
第 2 章 电机选择和齿轮设计
§2.1 电机的选择
由于本设计中工业机器人总重500kg，机械手可搬运的最大负载为70kg，最大展臂距离为1706mm,经粗略估算，初步选定4轴装配、5轴装配、6轴装配中电机分别为法拉克旋转型伺服电机αM6/3000（A06B-0162-B675）、αM6/3000（A06B-0162-B675）、α2/3000（A06B-0373-B675），电机额定输出分别为1.4kw、
1.4kw、0.5kw，保持转矩分别为6.0N•m、6.0N•m、2.0N•m,列FANNC电机样本、FANNCαM系列电机参数、FANNCα系列电机参数、FANNCαM系列电机转矩转速特性、FANNCα系列电机转矩转速特、电机FANNCαM6形状及尺寸参数图如下：
图2-1 FANNC电机样本
表2-1 FANNCαM系列电机参数图表
表2-2 FANNCα系列电机参数图表
图2-2 FANNCαM系列电机转矩转速特性 图2-3
FANNCα系列电机转矩转速特
（a） 电机
FANUCαM6的形状参数
（b） 电机FANUCαM6的尺寸参数
图2-4 电机FANNCαM6形状及尺寸参数
FANNCα2电机尺寸与αM6电机尺寸选择类似。
§2.2 齿轮的设计
§2.2.1 IV轴齿轮的装配
IV轴装配，也就是连接臂膀减速箱体与IV轴R-V减速器的所有部件的总称，其中包括电机齿轮、IV轴太阳轮及一个R-V减速器，本节讨论电机齿轮和IV轴太阳轮的选择。
考虑到IV轴电机轴线与R-V减速器中心轴线的实际间距，选定电机齿轮m=1，z=61，IV轴太阳轮，大齿轮m=1，z=108，小齿轮m=2,z=18。IV轴电机齿轮如图2-5所示、IV轴太阳轮如图2-6所示。
图2-5 IV轴电机齿轮
图2-6 IV轴太阳轮
§2.2.2 V轴齿轮的装配
V轴装配，也就是连接臂膀减速箱体与V轴R-V减速器的所有部件的总称，电机经过一系列传动带动V轴太阳轮与R-V减速器相连，R-V减速器外壳与手转盖相连，从而带动手腕转动。
V轴的电机齿轮选择m=1，z=21；太阳轮为一个正齿轮，m=1.25,z=57,太阳轮与3个行星轮啮合，实现传动。V轴电机齿轮如图2-7所示,，V轴太阳轮如图2-8，V轴太阳轮上的花键用来与V轴输入轴连接，以传输速度和动力。
图2-7 V轴电机齿轮
图2-8 V轴太阳轮
§2.2.3 VI轴齿轮的装配
由于VI轴装配中R-V减速器与V轴装配中R—V减速器的型号一致，所以VI轴装配中电机齿轮与太阳轮和V轴装配中的齿轮基本一致，其各方面尺寸都一样，所有尺寸参数参照V轴齿轮的装配。
第三章 轴承
§3.1 各类轴承的特点
1.角接触球轴承的特点
可同时承受径向负荷和轴向负荷，转速较高，接触角越大，轴向承载能力越高。单列轴承只能承受一个方向的轴向负荷，在承受径向负荷时，将引起附
加轴向力。并且只能限制轴或外壳在一个方向的轴向位移。若是成对双联安装，使一对轴承的外圈相对，即宽端面对宽端面，窄端面对窄端面。这样即可避免引起附加轴向力，而且可在两个方向使轴或外壳限制在轴向游隙范围内。角接触球轴承的变型结构多达70多种。
2.深沟球轴承的特点：
（1）在结构上深沟球轴承的每个套圈均具有横截面大约为球周长的三分之一的连续沟型滚道。它主要用于承受径向载荷，也可承受一定的轴向载荷。（2）在轴承的径向游隙增大时，具有角接触球轴承的性质，可承受两个方向交变的轴向载荷。（3）摩擦小，转速高。（4）结构简单，制造成本低，容易达到较高的制造精度。（5）一般采用冲压浪形保持架，内径大于200mm或高速运转的轴承，采用车制实体保持架。深沟球轴承的变型结构多达60多种。
3.圆柱滚子轴承的特点
（1）滚子与滚道为线接触，径向承载能力大，适用于承受重负荷与冲击负荷。（2） 摩擦系数小，适合高速，极限转速接近深沟球轴承。（3） N型及NU型可轴向移动，能适应因热膨胀或安装误差引起的轴与外壳相对位置的变化，可作自由端支承使用。内圈或外圈可分离，便于安装和拆卸。（4）对轴和座孔的加工要求较高，轴承安装后内外圈轴线相对偏斜要严加控制，以免造成接触应力集中。（5）内孔带1：12锥度的双列圆柱滚子轴承，径向游隙可以调整，径向刚度高，适应于机床主轴。
4.滚针轴承的特点
将滚子长度（l）与滚子直径（Dw）之比L/Dw＞2.5及滚子直径（Dw）＜6的滚子轴承称为滚针轴承。（1）滚针轴承径向尺寸小，但径向承载能力很高，不能承受轴向载荷，仅作为自由端支承使用。有利于设备的小型化、轻量化。（2）使用不带内圈或不带外圈的滚针轴承，只有带保持架的滚针组件时，要求相配的轴颈或轴承座孔的加工精度、表面硬度应与轴承套圈滚道相同。（3）滚针轴承的摩擦系数大，不适合较高的转速。
5.圆锥滚子轴承的特点
属分离型轴承，轴承内、外圈均具有锥形滚道，滚子为圆台形。滚子与滚道为线接触，可承受较重的径向和轴向联合负荷，也可承受纯轴向负荷。接触角越
大，轴向承载能力越高。圆锥滚子的设计应使滚子与内外滚道的接触线延长后交于轴承轴线上同一点，以实现纯滚动。新设计的圆锥滚子轴承采用加强型结构，滚子直径加大，滚子长度加长，滚子数目增多，采用带凸度滚子，使轴承的承载能力和疲劳寿命显著提高。滚子大端面与大挡边之间采用球面与锥面接触，改善了润滑。
该类轴承按所装滚子的列数可分为单列、双列和四列圆锥滚子轴承等不同的结构型式。该类轴承还多使用英制系列产品。
§3.2 轴承的选用
在工业机器人V轴与VI轴输入轴传动中，轴承受到的力大部分为径向和轴向联合负荷且安装配合要求合理，此二处选择圆锥滚子轴承。在工业机器人其他结构传动中，轴承受到的力大部分为径向载荷，且轴承要求的制造精度较高，摩擦还要小，因此选择深沟球轴承。
根据机械设计结构即轴的外径和孔的直径选择轴承分别为圆锥滚子轴承ANSI/AFBMA 19.2 TS 0.5906×1.3775×0.433和ANSI/AFBMA 19.2 TS 0.4992×1.3775×0.433 成对用于V轴输入轴装配和VI输入轴装配。
第 4 章 R-V减速器简介
§4.1 R-V减速器的结构简介
R-V（Rotate Vector）传动机构是一种新型的二级封闭行星轮系，是在摆线
针轮传动基础上发展起来的一种新型传动，经常作为各种需要具有紧密运动的装置牵系减速器，在机器人领域占着主导地位。
R-V传动装置是由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成，为一封闭差动轮系如图4-1为其结构示意图。主动的太阳轮1与输入轴相连，如果渐开线中心轮1顺时针方向旋转，它将带动三个呈120°布置的行星轮2在绕中心轮轴心公转的同时还有逆时针方向自转，三个曲
柄轴3与行星轮2相固连而同速转动，两片相位差180°的摆线轮4铰接在三个曲柄轴上，并与固定的针轮相啮合，在其轴线绕针轮轴线公转的同时，还将反方向自转，即顺时针转动。输出机构(即行星架)6由装在其上的三对曲柄轴支撑轴承来推动，把摆线轮上的自转矢量以1:1的速比传递出来。R-V减速器减速原理图如图4-2所示。
图4-1 R-V减速器结构示意图 图4-2 R-V减速器减速原理图
§4.2 R-V减速器的传动特点
R-V传动是新兴起的一种传动，它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来的，不仅克服了一般针摆传动的缺点，而且因为具有体积小、重量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点，日益受到国内外的广泛关注。它较机器人中常用的谐波传动具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命，而且回差精度稳定，不像谐波传动那样随着使用时间增长运动精度就会显著降低，故世界上许多国家高精度机器人传动多采用R-V减速器，因此，该种R-V减速器在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的发展趋势。其传动特点如下：
(l)传动比范围大；
(2)扭转刚度大，输出机构即为两端支承的行星架，用行星架左端的刚性大圆盘输出，大圆盘与工作机构用螺栓联结，其扭转刚度远大于一般摆线针轮行星
减速器的输出机构。在额定转矩下，弹性回差小；
(3)只要设计合理，制造装配精度保证，就可获得高精度和小间隙回差； (4)传动效率高；
(5)传递同样转矩与功率时的体积小(或者说单位体积的承载能力小)，RV减速器由于第一级用了三个行星轮，特别是第二级，摆线针轮为硬齿面多齿啮合，这本身就决定了它可以用小的体积传递大的转矩，又加上在结构设计中，让传动机构置于行星架的支承主轴承内，使轴向尺寸大大缩小，所有上述因素使传动总体积大为减小。
§4.3 R-V减速器的选用
根据本章前两节所述R-V减速器的结构特点、工作原理以及传动特点，依据本设计的实际需要，选定IV轴、V轴、VI轴所用R-V减速器分别为RV-50C、RV-10C、RV-10C。关于RV-10C、RV-50C两种R-V减速器的结构和尺寸参数和性能如图4-3、4-4、4-5、4-6所示如下：
图4-3 RV-10C结构尺寸示意图
图4-4 RV-50C结构尺寸示意图
图4-5 RV减速器无负载转矩输出图
图4-6 RV减速器传动效率与输出转矩关系图
第5章 强度校核
§5.1 齿轮的强度校核
校核IV轴电机齿轮与IV轴齿轮啮合，IV轴电机齿轮与IV轴齿轮啮合图如图5-1所示。
图5-1 IV轴电机齿轮与IV轴齿轮啮合图
1.根据实际调研结果，考虑到本次设计的具体要求定义齿轮模数 m=1。 2.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 （1）选用直齿圆柱齿轮传动， （2）选用7级精度（GB10095—88）；
（3）材料选择。由文献[6]表10—1,选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为260HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为20HBS。
(4)初选小齿齿数Z1=61，大齿轮齿数为Z2=108。 3.校核齿面接触疲劳强度
式中: K-载荷系数；
-小齿轮传递的转矩，N•mm； u-啮合齿轮副传动比；
-齿宽系数；
-小齿轮的分度圆直径，mm；
-区域系数；
-弹性影响系数，MP
；
-许用接触应力，MPa；
(1) 试选载荷系数Kt=1.6，由文献[6]图10—30选取节点区域系数ZH=2.5 (2) 计算载荷系数 K
已知使用系数KA=1，根据v=0.120m/s ，7级精度，由文献[6]图10-8查得动载系数Kv=1.030；由文献[6]表10-4查得
查文献[6]图10-13得所以载荷系数
K =KAKvKHaKH=1.118
式中：
-齿间载荷分配系数；
-齿向载荷分布系数；
（3）外啮合齿轮传动的齿宽系数
；查文献[6]表10-3得
，
d=0.13
（4）查文献[6]表10—6得材料的弹性影响系数 ZE=189.8
（5）由文献[6]图10—21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限为
Hlim1= 600MPa；大齿轮的接触疲劳强度极限为 Hlim2= 550MPa
468.5MPa550MPa
因为接触强度相等，因此只需
HHmin
即可，故齿面接触强度合格。
4.校核齿根弯曲触疲劳强度 齿根合格应满足公式
式中： m-模数；
-齿形系数；
-应力校正系数；
（1）查取齿形系数
由文献[6]表10-5查得齿形系数应力校正系数
；
。
；
，
（2）由文献[6]图10-20C查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限FE1500MPa；
FE2380MPa。
（3）计算应力循环次数
齿数比u=1.77,设工作寿命15年（每年工作300天），两班制。
由文献[6]图10-18查得弯曲疲劳寿命系数 （4）计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数S=1.4；则
[F]1
同理
KFN10.90
；
KFN20.95
KFN1FE1
321.43MPa； S
[F]2=257.86MPa
计算小齿轮传递的转矩，设小齿轮转速
=1.393×
F1
2KT1YFaYSa
dzm
2
2
21
3
2.54MPa321.43MPa[F1]
F2
故齿根合格。
2KT2YFaYSa
dzm
3
3.71MPa257.86MPa
§5.2 轴承的寿命计算
校核V轴输入轴圆锥滚子轴承ANSI/AFBMA 19.2 TS。V
轴输入轴圆锥滚子轴承安装图如图5-2所示。
图5-2 V轴输入轴圆锥滚子轴承安装图
由文献[7]表15-7查得圆锥滚子轴承ANSI/AFBMA 19.2 TS的主要性能参数
如下：
基本额定动载荷：
基本额定静载荷：
接触角α==
e =1.5tgα=0.345
Y=0.4ctgα=1.739 ， X=0.4
a =11mm
L=34+2a=56mm =31-a=20mm
斜锥齿轮平均分度圆直径
=45mm，齿面上的圆周力=227N
径向力 = 105N 轴向力=52N 轴承-斜锥齿轮受力分析图如图5-3所示。
该轴的转速n=2600r/min,运转中有轻微冲击载荷,载荷系数
L+
16.6N
121.6N
113.5N
340.5N
115N
362N
由文献[6]表13-7知，
33N
104N
,
=2232697h
轴承预期工作寿命20年（每年工作300天），两班制
L=20×300×8×2=96000h
显然：
Lh>L
即低于预算寿命，所选轴承合格。
图5-3 轴承-斜锥齿轮受力分析图
§5．3 轴校核
校核V轴输入轴，V轴输入轴装配图像见图5-2。
1.材料选择。由文献[6]表15-1，选择轴材料为45钢（调质），轴的许用弯曲应力
2.由于轴承的设计中已求出支反力，则轴受力为： 齿面上的圆周力=227N， 径向力 = 105N
轴向力=52N， 斜锥齿轮平均分度圆直径=45mm
3．轴的载荷分析图如图5-4所示，注：A、B处为圆锥滚子轴承。
,
,
由轴的载荷分析图可知轴的危险截面为靠近斜锥齿轮一端，
渡处(轴阶)。由于扭转切应力为对称循环变应力，故取α=1。
按弯扭合成强度计算
48MPa
式中：
-轴的计算应力，MPa;
与过MPa
M-轴所受的弯矩，N •mm; M=4630N •mm
T-轴所受的扭矩，N •mm; T=5142N •mm
W-轴的抗弯截面系数，; W=142
-对称循环变应力时轴的许用弯曲应力；
故轴合格。
(a) 轴的受力分析图
（b） 轴的弯矩-扭矩图
图5-4 轴的载荷分析图
总结
在大学的学习过程中，毕业设计是一个重要的环节，是我们步入社会
参与实际项目的规划建设的一次极好的演示。毕业设计是四年学习的总结
和提高，和做科研开发工作一样，要有严谨求实的科学态度。从最初的选
题，开题到分析调查、绘图直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，
与同学交流，反复修改图纸，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充
实。就我而论，在本次毕业设计中表现出了这样或那样的不足和漏洞，说
明了基本功的不扎实。
在此次毕业设计中，我主要负责的是70kg工业机器人手臂、手腕结构设计。
先期深入现场，了解70kg工业机器人手臂、手腕的结构,熟悉设计软件Auto-
desk Inventor，接着通过查阅资料，向老师请教，加上和同学的密切合作，基
本上完成了学校布置下来的毕业设计任务：
（1）手臂、手腕部件传动方案的选择：传动方式的选择、传动件位置的合
理布置、各轴轴承的选择。
（2）完成了机器人的各部分零件的设计，如手臂、电机及电机齿轮、太阳
轮、R-V减速器、手腕、臂膀减速箱体等。
（3）主要参数的确定：机器人的主要外形尺寸、轴径估算、内孔径的确定、
孔径的确定
毕业设计期间也遇到了许多问题：
（1）因曾经未用过绘图软件inventor，刚开始用此软件时许多功能
不熟识，导致走了不少弯路。
（2）由于毕业设计过程中需要用到不少资料，其中有些资料涉及到
一些公司不易公开的技术，不便得到，例如FANUC电机、R-V减速器相关
资料，对于我们毕业设计的继续是极大的障碍。
（3）由三维inventor图生成二维inventor图纸后，需要对其中的
一些细节做修改，例如齿轮，二维inventor图修改比较困难。
以上出现的问题在查阅资料和老师、同学的帮助下都解决了。
在此次毕业设计中，未实现的是没用inventor软件实现工业机器人
的模拟仿真。
通过这次认真而又细致的毕业设计，我对待事情的态度更加严谨更加
有耐心，并且我更希望把所做的事情做好做完美，我想这将是一种很重要
的财富。感谢本次设计，感谢遇见了麻烦和难题，感谢老师们的指导以及
同学们的帮助，毕业设计的结束也是另一种开始，相信本次毕业设计会令
我走得更远也能取得更大的成就。毕业设计的完成代表着本科学习阶段的
最终结束，也为我们在校理论知识的学习画上了句号。宝贵的大学学习生
活转瞬即逝，无论如何，我们的毕业设计已经结束了，我们要好好利用已
经学到的知识并且要继续学习掌握新的知识，以便更新我们的知识系统。
重要的是，我们要将所获取的各种知识运用于实践，并用实践来休整我们
的不足和缺陷，使我们真正成为一名理论扎实而又具有很强的实践能力的
机电工作者。
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致谢
人生的成长历程始终是向前的。当一个阶段快要结束即将迈入另一个阶段时，自然需要对即将过去的进行思考和小结。自己一直在思考学业、职业、事业的哲学关系，也许本来就没有固定的答案和模式。需要的是对自己对时间、对生命的尊重和珍惜，同样需要对在我成长历程中、在人生某个阶段一直给予我帮助、指导、鼓励、支持、信任、爱护的人，表达真
正的感谢。可以用客套、冠冕堂皇的话，也可以选择朴实。后者才更真挚，更深入心灵。
经过两个多月的认真学习，在李华老师的悉心指导和同组同学的大力帮助下，我终于完成了本次毕业设计的任务——70kg工业机器人手臂及手腕结构设计。
毕业设计是一名合格的大学本科毕业生必须完成的一个重要学习环节，它是对我们大学期间所学知识的综合检验，也是对我们实际动手能力的考察，更是对我们作为一名技术设计人员素质的基本训练。对我们毕业生来说，它是我们迈向工作岗位的一个重要的过渡环节。回顾此次毕业设计，困难、艰辛以及随之的喜悦同在，到图书馆搜集素材，去工厂实习参观，熟悉已有设备，研究前人的理论成果的忙忙碌碌，使我在各个方面都有了提高。
由于条件的限制，此课题是在借助于前人的理论成果，认真听取导师的指导，广泛搜集有关论文和文献，并熟悉已有工业机器人结构的基础上，进行一些理论知识的探讨和机械结构的改造创新。
本次设计是在老师的指导帮助下完成的，导师渊博的科学知识，严谨的治学态度，活跃的学术思想和随和的生活态度，使我受益匪浅。在此次毕业设计完成之际，向李华老师表示衷心的感谢！
同时，也对周围同学给予的极大鼓励和支持表示深深的感谢，最后感谢我的母校河南科技大学和机电工程学院四年来对我的大力栽培，我一定不负众望不断进步，成为一名优秀的机电工作者。