移動機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計,移動機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計,移動,挪動,機(jī)器人,機(jī)械,結(jié)構(gòu)設(shè)計 說明書 第 31 頁 共 31 頁 1 緒論 1.1 引言 在星球表面探索、地震或事故現(xiàn)場救災(zāi)、自然界未知事物探索等環(huán)境中工作的移動機(jī)器人，面臨著復(fù)雜、未知、多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境，應(yīng)具有良好的適應(yīng)性、靈活性。移動機(jī)器人應(yīng)當(dāng)能夠依靠自身的功能，克服環(huán)境的不確定性，有效地完成任務(wù)[1]。機(jī)器人不僅可以在粉塵、噪聲、有毒、輻射等有害條件下部分替代人去操作，還能在人所不能及的極限條件下，如深海、外層空間環(huán)境中完成人所賦予的任務(wù)，擴(kuò)大了人類改造自然的能力，尤其是近些年來自動化和計算機(jī)的發(fā)展極大地推動了工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。 機(jī)器人的研究、開發(fā)、應(yīng)用涉及許多學(xué)科，機(jī)器人技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)。多剛體動力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計、傳感技術(shù)、電氣液壓驅(qū)動、控制工程、智能控制、計算機(jī)科學(xué)技術(shù)、人工智能和仿生學(xué)等學(xué)科都和機(jī)器人技術(shù)有密切的聯(lián)系[2]。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 地面移動機(jī)器人是脫離人的直接控制，采用遙控、自主或半自主等方式在地面運(yùn)動的物體。地面移動機(jī)器人的研究最早可追溯到五十年代初，美國Barrett Electronics公司研究開發(fā)出世界第一臺自動引導(dǎo)車倆系統(tǒng)。由于當(dāng)時電子領(lǐng)域尚處于晶體管時代，該車功能有限，僅在特定小范圍運(yùn)動，目的是提高運(yùn)輸自動化水平。到了六、七十年代，美國仙童公司研究出集成電路，隨后出現(xiàn)集成微處理器，為控制電路小型化奠定了硬件基礎(chǔ)。到了八十年代，國外掀起了智能機(jī)器人研究熱潮，其中具有廣闊應(yīng)用前景和軍事價值的移動機(jī)器人受到西方各國的普遍關(guān)注[3]。在移動機(jī)器人的發(fā)展中，出現(xiàn)兩個機(jī)器人大國，一個是日本，另一個是美國。時至今日，各種類型的地面移動機(jī)器人紛紛研制出來，其應(yīng)用范圍從民用、工業(yè)用到軍用，涉及人類運(yùn)動的方方面面。 進(jìn)入90年代，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展由于受到發(fā)達(dá)資本主義經(jīng)濟(jì)不景氣的影響，專門從事機(jī)器人研究和生產(chǎn)的部門數(shù)目有所減少，但由于人工智能、計算機(jī)科學(xué)、傳感器科學(xué)的長足進(jìn)步，使得機(jī)器人的研究在高水平上進(jìn)行。機(jī)器人發(fā)展到今天已經(jīng)是燦爛輝煌，隨著信息技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，移動機(jī)器人作為人工智能的一個分支也將吸收這些成果，功能將更完善，新的移動機(jī)器人也將涌現(xiàn)出來[4]。未來的機(jī)器人技術(shù)，將在以下幾個方面發(fā)展。 （1） 高速操作臂 高速操作臂可以大大提高機(jī)器人的工作效率。為此，必須開展新的手腕機(jī)構(gòu)和伺服驅(qū)動裝置，以及能適應(yīng)機(jī)械臂高速運(yùn)動的變轉(zhuǎn)動慣量的動態(tài)控制方法等的研究。 （2） 柔性操作臂 目前的操作臂本身質(zhì)量要比它所能抓起的質(zhì)量大的多。如臂自身質(zhì)量為30kg，僅能搬運(yùn)還不到10kg的物體，這與人的手臂相比要小的多，其原因主要是驅(qū)動裝置的效率低、輕型材料的強(qiáng)度和韌性不夠。因此，新型材料的開發(fā)成為了研制高效機(jī)器人的重中之重。 （3）多自由度操作臂 要實現(xiàn)狹小空間的操作，研制超多自由度的機(jī)械手是完全必要的[。 （4）高精度、多自由度控制操作臂 機(jī)器人被越來越多的用在醫(yī)療，軍事等需求高精度的場合，在保證精度的同時還要追求高自由度，要能完成各種各樣的動作，這就要求研制出更穩(wěn)定的系統(tǒng)來保證操作臂動作的精度。 （5）微型操作臂 目前的操作臂局限于材料和驅(qū)動力，自身的大小不能滿足越來越精密的工作場合。為此，微型操作臂的開發(fā)已在日程中[5]。 1.3 機(jī)械臂介紹 1.3.1 機(jī)器人操作臂的機(jī)構(gòu)和空間描述 機(jī)器人要實現(xiàn)功能最重要的部件就是機(jī)械臂 (亦稱操作臂)，一般是由一系列連桿由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或移動關(guān)節(jié)相連接的開式運(yùn)動鏈，一端裝在固定的支座上(機(jī)座);另一端自由，安裝手爪、工具，實現(xiàn)各種操作[6]。 為了描述組成操作臂的各連桿之間的相對位置和姿態(tài)，在每個連桿上固接一個坐標(biāo)系，用其來描述相對運(yùn)動。機(jī)器人通過機(jī)械臂完成人們交予的任務(wù)，從早期齒輪傳動只能上下移動的垂直臂到后來液壓驅(qū)動多自由度自由伸縮的機(jī)械臂，期間一共度過了40年的時間[7]。如今，機(jī)械臂已經(jīng)更加擬人化，包括安裝了觸覺，視覺，力覺等感受功能部件，使機(jī)械臂運(yùn)動起來能夠理性避讓障礙,減少不必要的損失。 1.3.2 操作臂運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、靜力和變形 把操作臂的連桿近似的當(dāng)成剛體，則相鄰兩連桿坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系用連桿變換矩陣來表示。操作臂運(yùn)動學(xué)則討論手臂末端執(zhí)行器的位姿與關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系[8]。操作臂運(yùn)動學(xué)由兩個基本問題:正向運(yùn)動學(xué)和逆向運(yùn)動學(xué)。 操作臂動力學(xué)研究各關(guān)節(jié)驅(qū)動力與終端操作器的位置、速度和加速度之間的關(guān)系。操作臂的動力學(xué)方程十分復(fù)雜，不僅與操作臂的形位有關(guān)，還和連桿的質(zhì)量分布、連桿的結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)之間的摩擦等有關(guān)[9]。操作臂的動力學(xué)方程有多種形式:關(guān)節(jié)空間、操作空間和狀態(tài)空間形式。研究操作臂動力學(xué)一方面是為機(jī)器人控制提供精確的動力學(xué)模型，計算驅(qū)動力函數(shù)、實現(xiàn)前饋補(bǔ)償;另一方面是為了仿真，根據(jù)加速度計算相應(yīng)的關(guān)節(jié)力[10]。 1.3.3 操作臂的軌跡規(guī)劃和運(yùn)動控制 機(jī)器人的操作臂在運(yùn)動之前，需要明確是否一定要沿特定的路徑運(yùn)動，還要明確在運(yùn)動過程中是否會與障礙物相碰[11]。如果對運(yùn)動的路徑?jīng)]有特殊的要求，則通常是每個關(guān)節(jié)按指定的平滑時間函數(shù)，同時從起點運(yùn)動到終點;如果一定要沿特定的路徑，那么軌跡規(guī)劃器應(yīng)利用函數(shù)插值逼近預(yù)期的路徑[12]。 軌跡控制的目的在于精確地實現(xiàn)所規(guī)劃的運(yùn)動。運(yùn)動控制包括:建立操作臂的動力學(xué)模型;根據(jù)所建模型確定控制規(guī)律或策略，以達(dá)到預(yù)期的系統(tǒng)響應(yīng)和性能。討論控制規(guī)律的分解和相應(yīng)的控制方案[13]。 1.4 目前主要存在的問題 工業(yè)機(jī)器人是計算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)后發(fā)展起來的一種新型機(jī)械結(jié)構(gòu)，工作效率和機(jī)動性比傳統(tǒng)機(jī)械高很多[14]。隨之而來的是，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計在減少質(zhì)量、提高剛度方面比傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)有更高的要求。在設(shè)計工作中，結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化顯得更為重要。 如今的機(jī)器人手臂存在幾個急需解決的問題，首先是機(jī)械手臂工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性。軍用機(jī)器人特別是防暴拆彈機(jī)器人是用來拆除炸彈，需要用機(jī)械臂夾起炸彈，運(yùn)輸?shù)教囟ǖ姆辣┳o(hù)具中進(jìn)行引爆。這就要求在夾起和運(yùn)輸過程中的平穩(wěn)，稍許的震動也許就會是炸彈被引爆，造成不必要的損失。其次是機(jī)械手臂的適應(yīng)性[15]。機(jī)械手臂是機(jī)器人的核心之一，機(jī)器人只有通過機(jī)械手臂才能發(fā)揮各種作用。在很多場合，現(xiàn)場條件都很復(fù)雜，這就需要機(jī)械手臂有很好的適應(yīng)性，能進(jìn)入各種復(fù)雜的管道或者角落進(jìn)行作業(yè)，或者對障礙物柔性避讓。這就對機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有了更大的要求[16]。 1.5 我國機(jī)器人的發(fā)展戰(zhàn)略 談及我國的機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略，許多有識之士己發(fā)表了不少高見。為了使我國機(jī)器人學(xué)有更大的發(fā)展，首先必須進(jìn)一步發(fā)展對機(jī)器人的認(rèn)識，取得正確和求實的共識。對于具體的一些思路，則涉及在發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的同時，注意開發(fā)特種機(jī)器人;培養(yǎng)與發(fā)展國內(nèi)機(jī)器人市場;建立機(jī)器人產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，形成規(guī)模生產(chǎn);開展國際合作，打開國際市場，參與國際競爭;合理選擇主攻戰(zhàn)略方向，開發(fā)有市場有知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù);更加重視基礎(chǔ)研究，加大技術(shù)儲備;穩(wěn)定和擴(kuò)大研究隊伍等。21世紀(jì)已經(jīng)到來，在新世紀(jì)里，中國機(jī)器人學(xué)必將在世界上占有一席之地，并可望發(fā)展成機(jī)器人大國。 1.6 設(shè)計的主要內(nèi)容和要求 全旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)小型機(jī)器人具有典型的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動特征。唯有體型較小，可以放在桌面上，適宜于教學(xué)實驗和作為自動化及控制技術(shù)的研究工具。 該課題在調(diào)研的基礎(chǔ)上完成5自由度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，傳動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。重點工作是電動機(jī)的選擇和校核及其關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度計算。 2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計 2.1 傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計 2.1.1 各種傳動方式的比較 （1）帶傳動：帶傳動具有結(jié)果簡單、傳動平穩(wěn)、 造價低廉、不需要潤滑油及緩沖吸振等特點。 （2）鏈傳動：鏈傳動具有平均傳動比準(zhǔn)確、傳動效率高、尺寸較緊湊、能在惡劣的條件下工作，但其不能保持瞬間的傳動比恒定，工作時有噪聲、磨損后易發(fā)生跳齒，不適合用于空間，限制要求中心距小及急速反向傳動的場合。 （3）齒輪傳動：齒輪傳動能保證瞬間傳動比的恒定，傳動比范圍大；速度和傳遞的功率的范圍大，可用于高速、中速和低速的傳動；但制造的成本比較的高，無過載的保護(hù)作用。 綜合以上各特點：因為本機(jī)器人用于科研、教學(xué)實驗、握重3 kg，所以載荷較小，工作也比較的穩(wěn)定，環(huán)境較好。但要求傳動準(zhǔn)確，瞬間傳動比準(zhǔn)確恒定，且要有較大的傳動比。故本機(jī)器人尺寸較小，結(jié)構(gòu)要求緊湊，并且要求傳動反應(yīng)靈活、迅速、準(zhǔn)確。所以，綜合考慮選用齒輪傳動且多級齒輪傳動，以獲得較大的驅(qū)動力矩；由于傳動比大，也可提高傳動精度。 2.1.2機(jī)器人輪廓圖 圖2.1 機(jī)器人輪廓圖 圖2.2 機(jī)器人三維圖 2.1.3大臂部分的傳動方式設(shè)計 圖2.3 大臂傳動結(jié)構(gòu) 齒輪10固定于軸A,。當(dāng)齒輪9旋轉(zhuǎn)時，同時齒輪10與A軸不動，則使得B軸圍繞著A軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。這A軸為大臂與腰身連接的關(guān)節(jié)。 初選：此系統(tǒng)的模數(shù)為：1 Z5=18 則d5=18 mm；Z6=99 則d6=99mm ； Z7=18 則d7=18mm；Z8=109 則d8=109mm； Z9=18 則d9=18 mm；Z10=109 則d10=109 mm； 步進(jìn)電機(jī)初選：45BF008； 2.1.4小臂部分的傳動方式設(shè)計 方案一：此方案仿大臂部分的傳動方式的設(shè)計，步進(jìn)電機(jī)安裝在小臂上。 圖2.4 小臂傳動結(jié)構(gòu)方案一 方案二：這個方案的步進(jìn)電機(jī)是安裝在大臂上。 圖2.5 小臂傳動結(jié)構(gòu)方案二 方案比較： 方案一中因為電機(jī)是要安裝在小臂上，所以對于機(jī)器人來說的轉(zhuǎn)動慣量是比較大的。 方案二因為電機(jī)是安裝在大臂上，所以對于機(jī)器人來說其的轉(zhuǎn)動慣量來說要比較的小，而且使得機(jī)器人的重心也比較低。 所以選擇方案二： 圖2.6 小臂傳動結(jié)構(gòu) 初選：此系統(tǒng)模數(shù)為：1 Z11=18 則d11=18mm；Z12=79 則d12=79mm； Z13=18 則d13=18mm； Z14=79則d14=79mm； Z15=18 則d15=18mm；Z16=79 則d16=79mm； 步進(jìn)電機(jī)為45BF008 2.1.5 手腕部分的傳動方式設(shè)計 圖2.7 手腕傳動結(jié)構(gòu) 分析： （1）手腕的仰俯動作（即繞D軸旋轉(zhuǎn)） 如圖2.8： 圖2.8 手腕俯仰動作實行機(jī)構(gòu)（D軸） 若齒輪1和齒輪2以相同的速度（大小和方向）旋轉(zhuǎn)時，此時齒輪3被卡死，則迫使手腕繞著D軸旋轉(zhuǎn)。所以此時手腕實現(xiàn)了俯仰動作。 (2) 手腕的旋轉(zhuǎn)動作（即繞C軸旋轉(zhuǎn)） 如圖2.9： 圖2.9 手腕俯仰動作實行機(jī)構(gòu)（C軸） 若齒輪1和齒輪2以相同大小但不同方向的速度旋轉(zhuǎn)，此時齒輪3也旋轉(zhuǎn)，即繞C軸旋轉(zhuǎn)。所以此時手腕實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)動作。 初選：此系統(tǒng)的模數(shù)為：1。因為此系統(tǒng)的左右完全對稱，所以我們就只要分析一邊就可以了，即我們選擇左邊。 Z17=18 則d17=18mm；Z18=54 則d18=54mm； Z19=18則d19=18mm； Z20=65 則d20=65mm； Z21=18 則d21=18mm；Z22=18則d22=18mm； 注：Z21，Z22位一對圓錐齒輪。 2.1.6手部夾持器的傳動方式設(shè)計及其結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）傳動方式設(shè)計 圖2.10 手部夾持器的傳動結(jié)構(gòu) 初選：此系統(tǒng)模數(shù)為 1 Z23＝18 則d23=18mm；Z24＝60 則d24=60mm； 直流電動機(jī)選擇為：M08－832 （2）機(jī)構(gòu)設(shè)計： 方案一： 圖2.11 單向傳動方案 方案二： 圖2.12 雙向傳動方案 方案比較：因為要滿足夾持的物體一直都在手臂的中心線上，所我們應(yīng)該選擇方案二。 2.2各個部分傳動比的計算 （1）腰身部分：由圖2.2可知腰身部分采用二級圓柱齒輪，傳動比為： （2）大臂部分：由圖2.3可知大臂采用三級圓柱齒輪傳動，傳動比為： （3）小臂部分：由圖2.4可知小臂采用三級圓柱齒輪傳動，傳動比為： （4）手腕部分：由圖2.5可知手腕采用二級圓柱齒輪加上一級的圓錐齒輪傳動，傳動比為： 注：此傳動比既是手腕俯仰運(yùn)動的傳動比也是手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的傳動比。 （5）手部夾持器部分：由圖2.6可知因為手抓要求自鎖，且開合速度不宜過快，所以采用螺旋傳動，傳動比： 2.3傳動系統(tǒng)總圖 綜合以上的計算和設(shè)計可以得到下面的傳動系統(tǒng)總圖： 圖2.13 傳動系統(tǒng)總圖 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于本機(jī)器人多采用齒輪傳動機(jī)構(gòu)，而且要保證傳動精度，所以齒輪消隙問題要做一定的考慮。 （1）由于大臂、小臂、手腕多處于伸展?fàn)顟B(tài)，因重力作用，齒輪的傳動能較好保持單齒輪接觸狀態(tài)，傳動穩(wěn)定，不必另加消隙裝置。 （2）立柱傳動機(jī)構(gòu)因無靜力矩作用，而齒輪加工誤差會使齒輪嚙合不穩(wěn)定，嚙合齒面變化，從而使立柱有一個較小角度的自由擺動，影響傳動定位精度，要加以調(diào)整消除。此處采用了一個偏心軸和一個偏心盤來來調(diào)節(jié)兩對齒輪傳動間隙?？赏ㄟ^座體上端蓋板口和底座下口調(diào)節(jié)。（見機(jī)械總圖） （3）為使控制簡化，將小臂板中心線與立柱中心軸線放在同一平面上，以保證手爪的中心線與立柱的中心線在同一平面內(nèi)，控制，計算都比較的方便。 3.1零件的密度 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》查的材料密度如下： 45號鋼 g/ 取7.85 g/ 酚醛層壓板 g/ 取 1.4 g/ 尼龍1010 g/ 取 1.05 g/ 20號鋼 g/ 取 7.85 g/ 鋁板 g/ 普通鋼板 g/ 取7.85 g/ ZL102鑄鋁 g/ 鍍鋅鐵板 g/ 丁晴橡膠 g/ 3.2 零件重量列表 計算本零件重量忽略小孔及倒角、圓角，對螺栓作光桿處理，尺寸向較大方向選取。 表3.1 零件重量表 零件序號 零件名稱 質(zhì)量（克） 1 夾持器手指 41.1 2 螺紋桿 240 3 齒輪24 53 4 外殼 124.5 5 銷 13.5 6 外殼邊 49.5 7 螺絲釘 2.22 8 螺絲釘 2.31 9 卡環(huán) 0.74 10 套筒 0.885 11 齒輪23 21.6 12 直流電動機(jī) 195 13 外套 37.5 14 螺栓 97.5 15 螺母 1.17 16 齒輪22 25.2 17 軸 40.2 18 密封器件 7.35 19 齒輪21和20 154.5 20 螺母 1.17 21 齒輪18和19 124.5 22 套筒 3.12 23 軸 31.5 24 密封器件 7.5 25 螺母 1.17 26 步進(jìn)電動機(jī) 330 27 齒輪17 10.5 28 小臂板 309.75 29 加強(qiáng)筋 46.5 30 軸 186 31 銷 7.5 32 齒輪16 321 33 銷 4.76 34 密封器件 7.5 35 套筒 3 36 螺母 1.17 37 齒輪15和14 271.5 38 軸 31.5 39 套筒 3.45 40 套筒 1.56 41 螺母 1.17 42 齒輪13和12 257.4 43 套筒 3 44 軸 30 45 套筒 1.56 46 螺母 1.17 47 大臂板 519 48 加強(qiáng)筋 39.8 49 步進(jìn)電動機(jī) 675 50 齒輪11 29.5 51 齒輪8和9 594 52 軸 31.5 53 密封器件 7.5 54 螺母 1.17 55 軸 695.4 56 齒輪6和7 471 57 齒輪10 329.4 58 銷 15 59 螺絲釘 7.5 60 墊片 18 61 密封元件 7.5 62 套筒 1.8 63 步進(jìn)電動機(jī) 675 64 齒輪5 29.55 大鋁蓋板：39.4 g ；小鋁蓋板:24.9g ；直流電機(jī)M28－832：130g； 步進(jìn)電動機(jī)45BF008：675g；步進(jìn)電動機(jī)36BF005：330g； 3.3機(jī)器人受力大小分析 將各個零件作適當(dāng)?shù)暮喕械礁鬏S線上，得到各點的受力圖： 圖3.1 機(jī)器人受力分析圖（取所受力矩最大姿態(tài)） F1＝ N F2= N F3= N F4= N F5= N F6= N F7= N F8＝ N F9＝ N F10＝ N F11＝ N F12＝ N F13= N F14＝ N F15＝ N 3.4機(jī)器人輪廓基本尺寸的設(shè)計 要求：總體尺寸為900mm左右 初步設(shè)計比例為：1.2 ：1 ：0.5，則可得： 大臂： mm 小臂： mm 手爪： mm 根據(jù)機(jī)器人受力大小分析和機(jī)器人輪廓基本尺寸得設(shè)計可以得到機(jī)器人受力分析圖（如下頁所示），取得為機(jī)器人所受力矩最大姿態(tài) 3.5靜力矩計算 (1) 大臂所受重力靜力矩 [ (2)小臂所受重力靜力矩： ] （3）手腕俯仰所受重力靜力矩： ＝ (4)手腕回轉(zhuǎn)所受重力靜力矩： 4伺服系統(tǒng)的設(shè)計和校核 4.1伺服系統(tǒng)的設(shè)計 本機(jī)器人伺服系統(tǒng)若采用直流伺服電機(jī)，則要配大降速比的諧波減速器，還要做閉環(huán)控制系統(tǒng)，要加傳感器，反饋動作幅度。而國內(nèi)諧波減速器在工藝、材料、制造等方面還不夠完善，使用效果不夠好，且價格較貴；外加反饋器件也要增加機(jī)器人的成本。所以綜合考慮不采用閉環(huán)系統(tǒng)，不用直流電動機(jī)，而用步進(jìn)電動機(jī)。 步進(jìn)電動機(jī)可通過控制脈沖數(shù)和脈沖時間來達(dá)到控制動作幅度和速度的目的。開環(huán)控制比較的方便，且總體也便宜，動作精度也能達(dá)到所要求的標(biāo)準(zhǔn)。 因為立柱、小臂、大臂所需驅(qū)動力相對較大，所以采用45BF008步進(jìn)電動機(jī)，起最大的靜轉(zhuǎn)矩為1.96；但因為手腕所受到的力矩較小些，所以采用36BF005步進(jìn)電動機(jī)，起最大的靜力矩為0.784；夾持器采用螺旋傳動機(jī)構(gòu)且無速度要求，因其降速比大，所以采用M28－832直流電機(jī)。 4.2機(jī)械傳動效率概略值 （1） 圓柱齒輪傳動： 開式傳動：0.94～0.96 取 0.96； 單級圓柱齒輪減速器（包括軸承）：0.97～0.98； 兩級圓柱齒輪減速器（包括軸承）： 095～0.96 取0.95； （2）圓錐齒輪傳動： 開式傳動：0.92～0.94 取 0.94； 單級圓錐齒輪減速器（包括軸承）：0.95～0.96；、 （3）滾動軸承（一對）：0.99～0.95 取0.95； （4）滑動軸承： 0.95～0.98 取0.95； 4.3步進(jìn)電動機(jī)參數(shù) 表4.1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 電機(jī)型號 45BF008 36BF005 相數(shù) 3 3 分配方式 A－AB—B… A－AB—B… 步矩角（） 1.875 1.5 電壓（V） 27 27 最大靜轉(zhuǎn)矩（） 1.96 0.784 空載啟動頻率（step/s） 2500 3100 重量（kg） 0.68 0.33 使用溫度范圍 —40～＋50 —40～＋50 溫升（k） 65 65 圖4.1 步進(jìn)電機(jī)啟動矩頻特性 4.4 大臂俯仰驅(qū)動電機(jī)計算 （1）設(shè)計要求：上臂俯仰范圍：；最高運(yùn)動速度：。 （2）根據(jù)載荷要求及電機(jī)性能初選步進(jìn)電機(jī)45BF008，其步矩角為。 （3）上臂傳動部分為三級的圓柱齒輪傳動 其傳動比為：＝302.5； 其傳動效率為：； 其轉(zhuǎn)動慣量為： 。 4.4.1起動段計算 由45BF008步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性圖（圖5.1）可知：為避免起動失步，取該電動機(jī)起動頻率為 step/s；設(shè)起動時間s，則有： 起動過程中上臂轉(zhuǎn)速： 其平均加速度為： 由載荷分析可得上臂所受的靜力矩為： 而加速力矩為： 對應(yīng)的所需電機(jī)力矩： 由圖5.3可得：步進(jìn)電機(jī)45BF008當(dāng)起動頻率為800 step/s時，對應(yīng)起動力矩。 所以，，電機(jī)滿足設(shè)計要求。 此時，步進(jìn)電機(jī)走過的步數(shù)為： step 4.4.2加速段計算 由設(shè)計要求，最高運(yùn)動速度，則電機(jī)所需要運(yùn)行頻率: step/s 取 step/s，加速時間取 s，則加速過程中，上臂的轉(zhuǎn)速: 其加速度 此時，加速力矩： ，又知靜力矩： 所以 電機(jī)所需的力矩為： 此時，加速段走過的步數(shù)： step 則起動、加速段合計走過步數(shù) step 走過角度 4.4.3降速停止段計算 設(shè)電機(jī)由運(yùn)行頻率step/s，經(jīng)0.1s降速停止，則其所經(jīng)步數(shù)為： step 所經(jīng)角度： 4.5 小臂俯仰驅(qū)動電機(jī)計算 設(shè)計要求：小臂俯仰范圍：－120～＋30，最高運(yùn)動速度。 根據(jù)載荷要求和電機(jī)的性能，初步選步進(jìn)電動機(jī)45BF45BF008角，上臂驅(qū)動部分為三級圓柱齒輪傳動，其傳動比：， 其傳動效率： 小臂轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)動慣量：I＝1.79 4.5.1起動段計算 由于45BF45BF008機(jī)起動矩頻特性圖，為避免起動失步，取該電動機(jī)起動頻率 step/s，設(shè)其起動時間，則有： 起動過程中小臂轉(zhuǎn)速 其平均加速度 由前可小臂所受靜力矩 而加速力矩 對應(yīng)電動所需力矩 步進(jìn)電動機(jī)45BF45BF008率為800step/s時，對應(yīng)起動的力矩[T]＝0.5，所以 <[T],，電機(jī)滿足設(shè)計要求。 此時，電機(jī)走過的步數(shù) step 4.5.2加速段計算 由設(shè)計要求最高運(yùn)動速度，則電動機(jī)所需運(yùn)行的頻率step/s 取，加速時間為，則加速過程中： 小臂的轉(zhuǎn)速： 其加速度： 此時，小臂的加速力矩為： 所以， 加速段走過的步數(shù) ： step 起動、加速段合計走過的步數(shù) step 走過的角度 4.5.3降速停止段計算 設(shè)該電機(jī)有運(yùn)行頻率 setp/s，經(jīng)過0.1s降速停止， 其所經(jīng)過的步數(shù)為：step 所經(jīng)過的角度： 4.6 手腕俯仰驅(qū)動電動機(jī)計算 設(shè)計的要求：手腕的俯仰角，最高速度：手臂俯仰。 根據(jù)載荷的要求和電動機(jī)性能 初選兩個步進(jìn)電機(jī)36BF005，其步矩角。手腕部分為兩組兩級的圓柱齒輪傳動，加一級圓錐齒輪傳動。則其的傳動效率， 由前面可知，手腕的俯仰的轉(zhuǎn)動慣量。其傳動比為：i=16.25 當(dāng)兩電動機(jī)以相同的速度和方向旋轉(zhuǎn)時，則此時手腕將實現(xiàn)俯仰運(yùn)動。 4.6.1起動段計算 由36BF005步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性圖，取該電動機(jī)的起動頻率為：step/s，以避免在到470 step/s 頻率間的力矩突降，此時對應(yīng)的起動力矩[T]=0.43，設(shè)其起動時間 ，則有： 啟動過程中手腕俯仰速度為： 其平均加速度： 由前知道手腕俯仰的靜力矩 而加速力矩為： 對應(yīng)所需要的電機(jī)力矩：<[T] 所以電機(jī)滿足要求。 4.6.2加速段計算 由設(shè)計要求最高運(yùn)動速度，則電動機(jī)所需運(yùn)行的頻率step/s 取，加速時間為，則加速過程中： 手腕的轉(zhuǎn)速： 其加速度： 此時，手腕的加速力矩為： 所以， 加速段走過的步數(shù) ： step 起動、加速段合計走過的步數(shù) step 走過的角度 4.6.3降速停止段計算 設(shè)該電機(jī)有運(yùn)行頻率 setp/s，經(jīng)過0.2s降速停止， 其所經(jīng)過的步數(shù)為：step 所經(jīng)過的角度： 4.7 手爪開合驅(qū)電機(jī)計算 設(shè)計要求：最大載荷量 3kg,最大的夾持直徑為40mm。 因手爪夾持物體過程中無速度的要求，考慮，簡化控制，初選用直流電動機(jī)M28-841，其額定電壓為24v，額定轉(zhuǎn)矩為1000，. 則額定轉(zhuǎn)速，額定功率。 由機(jī)械總圖可知：傳動的螺桿為M120.75,45號鋼制；左右手指為鑄鋁ZL102，采用雙向螺旋加緊，一級圓柱齒輪傳動，傳動比為i=5。傳動效率： 4.7.1電動機(jī)動力計算 因已知頭數(shù)n=1,螺距t=0.75mm,直徑d=12mm 所以，升角，螺紋牙的牙型角，則牙型斜角。 鋼和鋁的摩擦系數(shù)為f=0.17，則摩擦角 假設(shè)手爪和物體直接接觸，靠其之間的摩擦力來夾住物體，取一較小的摩擦系數(shù)，則：手爪夾緊正壓力，同時為螺桿軸向壓力Q=98N。 則螺桿所需要的扭矩: 則所需電動機(jī)力矩<[T] 所以電機(jī)滿足要求。 4.7.2螺紋傳動自鎖性計算 因為升角，摩擦角，升角小于摩擦角，則滿足自鎖條件。 4.7.3傳動比驗算 手爪開合速度 mm/s 手爪由最大開度47mm到閉合所需的時間t=47/2*7.5=3.13 s 螺紋傳動效率 所以，此傳動機(jī)構(gòu)能滿足設(shè)計的要求。 5 零件的強(qiáng)度和剛度計算 由載荷計算和動力計算可知，大臂傳動機(jī)構(gòu)中的傳動齒輪受載較大。因此，此處僅對大臂傳動中的Z109/Z18中的小齒輪作彎曲疲勞強(qiáng)度校核。 因為大臂板是兩塊矩形薄板，其在縱向抗彎強(qiáng)度，剛度均較大，但因大臂板受到小臂板側(cè)向載荷，有一定的扭矩，其抗扭剛度較差，因此對大臂作抗扭剛度校核，以免扭轉(zhuǎn)變形過大，阻礙臂板之間的齒輪傳動。 5.1零件的強(qiáng)度校核計算 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》有公式： 計算應(yīng)力： 許用應(yīng)力： 強(qiáng)度條件： 齒輪材料為45號鋼，硬度為162——217HBS,取200HBS。 5.1.1大臂部分強(qiáng)度校核 對大臂部分的Z18、Z109（第三級傳動）進(jìn)行校核 mm,mm； 有前面可知：靜力矩，加速段最大的力矩 則總力矩為： 所以，，又知b=5mm，； 查表可得： ，，，，,; 則帶入公式： 設(shè)本機(jī)械手臂每天工作1.5個小時，壽命為10年，則 所以， 查表可得： ，，，， 帶入公式可得： 由上可知滿足強(qiáng)度條件，即 5.2零件抗扭剛度校核計算 校核大臂板的抗扭剛度。由《機(jī)械設(shè)計手冊》，可得薄壁板的抗扭模量： （b為板的長，a為板的寬） 則，可得大臂板的抗扭模量： 將大臂板簡化為l=580mm,W=150mm,d=6mm的均質(zhì)矩形板，則其所受扭矩為（由受力圖可得）： g 圖5.1 臂板受力情況 由上圖可以得到： M1＝6.075×9.8×0.125＝7.44 M2＝675×（42+75）×9.8×＝0.7740 M3＝M2＝0.7740 則前端合扭矩 M＝M1－M2＝7.44－0.7740＝6.666 查表可以得到：酚醛塑料E＝8.14～16.73 取16.0GPa，近似取0.3，則： 則單位扭轉(zhuǎn)角： 大臂板前端扭轉(zhuǎn)角度為： 前端下移距離： 由上可看出轉(zhuǎn)動位移相對較小。 因為兩臂板之間又有6個緊固螺栓及5根傳動軸和多個齒輪，有緊固作用，可大大的提高臂板抗扭剛度，使的前端扭轉(zhuǎn)角和下移距離大幅度的減少，固剛度滿足要求。 致 謝 這次設(shè)計任務(wù)能夠最終圓滿完成，我得感謝所有在設(shè)計過程中給我?guī)椭娜?。首先，要感謝我的導(dǎo)師周建平教授，沒有他的耐心指導(dǎo)和嚴(yán)格把關(guān)，我的論文不可能準(zhǔn)時完成；其次，我們這次設(shè)計小組是四個人，其他三位，秦海翔、俞星和劉之剴同學(xué)在設(shè)計的過程中，始終都很認(rèn)真，我有些不懂的地方，經(jīng)過他們的指點，最后都一一化解；此外，還有我可愛的同班同學(xué)，他們每次都是熱心地給我提供參考資料以及設(shè)計手冊，我在設(shè)計過程中給他們添了不少麻煩，衷心的感謝你們！我會更加努力，奮發(fā)向上，為社會做出更大的貢獻(xiàn)！ 參 考 文 獻(xiàn) [1] 蔣新松. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M]. 遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1994. 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