《移動機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《移動機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計（34頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1 緒論1.1 引言在星球表面探索、地震或事故現(xiàn)場救災、自然界未知事物探索等環(huán)境中工作的移動機器人，面臨著復雜 、未知、多變的非結(jié)構(gòu)環(huán) 境，應具有良好的適應性、靈活性。移動機器人應當能夠 依靠自身的功能，克服 環(huán) 境的不確定性，有效地完成任務 [1]。機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，擴 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的發(fā)展極大地推動了工業(yè)機器人的發(fā)展。機器人的研究、開發(fā)、應用涉及許多學科，機器人技術(shù)是一門跨學科的綜合性技術(shù)。多 剛體動力學、機構(gòu)學、機械 設(shè)計、 傳感技術(shù)、電氣液壓驅(qū)動、控制工程、智能控制、計算機科學技術(shù) 、人工智能和仿生學等學科都和機器人技術(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動的物體。地面移動機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車倆 系統(tǒng)。由于當 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 動，目的是提高運 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，國外掀起了智能機器人研究熱潮，其中具有廣闊應 用前景和軍事價值的移動機器人受到西方各國的普遍關(guān)注 [3]。在移動機器人的發(fā)展中，出 現(xiàn)兩個機器人大國，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器人紛紛研制出來，其應用范圍從民用、工業(yè)用到軍用，涉及人類運動的方方面面。進入 90 年代，機器人技術(shù)的發(fā)展由于受到發(fā)達資本主義經(jīng)濟不景氣的影響，專門從事機器人研究和生產(chǎn)的部門數(shù)目有所減少，但由于人工智能、計算機科學、傳感器科學的長足進步，使得機器人的研究在高水平上進行。機器人發(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 動機器人也將涌現(xiàn)出來 [4]。未來的機器人技術(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器人的工作效率。 為此，必須開展新的手腕機構(gòu)和伺服驅(qū)動裝置，以及能適應機械臂高速運動的變轉(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、輕型材料的強度和韌性不夠。因此，新型材料的開發(fā)成為了研制高效機器人的重中之重。（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械手是完全必要的 [。（4）高精度、多自由度控制操作臂 機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 機械臂介紹1.3.1 機器人操作臂的機構(gòu)和空間描述機器人要實現(xiàn)功能最重要的部件就是機械臂 (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)相連接的開式運動鏈，一端裝在固定的支座上(機座);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系，用其來描述相 對運動。機器人通 過機械臂完成人們交予的任務，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械臂，期間 一共度過了 40 年的 時間 [7]。如今，機械臂已 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，使機械臂運動起來能 夠理性避讓障礙,減少不必要的損失。1.3.2 操作臂運動學、動力學、靜力和變形把操作臂的連桿近似的當成剛體，則相鄰兩連桿坐標系之間的位置關(guān)系用連桿變換矩陣來表示。操作臂運動學則討論手臂末端執(zhí)行器的位姿與關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系 [8]。操作臂運 動學由兩個基本問題:正向運 動學和逆向運動學。操作臂動力學研究各關(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。操作臂的動力學方程十分復雜，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。研究操作臂動力學一方面是為機器人控制提供精確的動力學模型， 計算驅(qū)動力函數(shù)、 實現(xiàn) 前饋補償;另一方面是為了仿真，根據(jù)加速度計算相應的關(guān) 節(jié)力 [10]。1.3.3 操作臂的軌跡規(guī)劃和運動控制機器人的操作臂在運動之前，需要明確是否一定要沿特定的路徑運動，還要明確在運動過程中是否會與障礙物相碰 [11]。如果對運動的路徑?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)，同時從起點運動到終點;如果一定要沿特定的路徑，那么軌跡規(guī) 劃器應利用函數(shù)插值逼近預期的路徑 [12]。軌跡控制的目的在于精確地實現(xiàn)所規(guī)劃的運動。運動控制包括:建立操作臂的動力學模型;根據(jù)所建模型確定控制規(guī)律或策略，以達到預期的系統(tǒng)響應和性能。討論 控制規(guī)律的分解和相應的控制方案 [13]。1.4 目前主要存在的問題工業(yè)機器人是計算機技術(shù)出現(xiàn)后發(fā)展起來的一種新型機械結(jié)構(gòu)，工作效率和機動性比傳統(tǒng)機械高很多 [14]。隨之而來的是，機器人的結(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。如今的機器人手臂存在幾個急需解決的問題，首先是機械手臂工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性。 軍用機器人特別 是防暴拆彈機器人是用來拆除炸彈，需要用機械臂夾起炸彈，運 輸?shù)教囟ǖ姆辣?護具中進行引爆。 這就要求在夾起和運輸過程中的平穩(wěn)，稍許 的震動也許就會是炸 彈被引爆，造成不必要的損失。其次是機械手臂的適應性 [15]。機械手臂是機器人的核心之一，機器人只有通過機械手臂才能發(fā)揮各種作用。在很多場合，現(xiàn)場條件都很復雜，這就需要機械手臂有很好的適 應性，能進入各種復雜的管道或者角落進行作業(yè)，或者對障礙物柔性避讓。這就對機械手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有了更大的要求 [16]。1.5 我國機器人的發(fā)展戰(zhàn)略談及我國的機器人發(fā)展戰(zhàn)略，許多有識之士己發(fā)表了不少高見。為了使我國機器人學有更大的發(fā)展，首先必須進一步發(fā)展對機器人的認識，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)機器人的同時，注意開 發(fā)特種機器人;培養(yǎng)與發(fā)展國內(nèi)機器人市場;建立機器人產(chǎn)業(yè)集團，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)定和擴大研究隊伍等。21世紀已經(jīng)到來，在新世紀里，中國機器人學必將在世界上占有一席之地，并可望發(fā)展成機器人大國。1.6 設(shè)計的主要內(nèi)容和要求全旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)小型機器人具有典型的工業(yè)機器人的運動特征。唯有體型較小，可以放在桌面上，適宜于教學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 自由度步進電機驅(qū)動，傳動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。重點工作是電動機的選擇和校核及其關(guān)鍵零部件的強度計算。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，無過載的保護作用。綜合以上各特點：因為本機器人用于科研、教學實驗、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 傳動準確，瞬間傳動比準確恒定，且要有較大的傳動比。故本機器人尺寸較小， 結(jié)構(gòu)要求緊湊，并且要求 傳動反應靈活、迅速、準確。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 機器人輪廓圖圖 2.1 機器人輪廓圖圖 2.2 機器人三維圖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：1Z5=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；步進電機初選：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，步進電機安裝在小臂上。圖 2.4 小臂傳動結(jié)構(gòu)方案一方案二：這個方案的步進電機是安裝在大臂上。圖 2.5 小臂傳動結(jié)構(gòu)方案二方案比較：方案一中因為電機是要安裝在小臂上，所以對于機器人來說的轉(zhuǎn)動慣量是比較大的。方案二因為電機是安裝在大臂上，所以對于機器人來說其的轉(zhuǎn)動慣量來說要比較的小，而且使得機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：1Z11=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；步進電機為 45BF0082.1.5 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 1Z23＝18 則 d23=18mm；Z24＝60 則 d24=60mm；直流電動機選擇為：M08－832（2）機構(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： 4.18203412???Zi（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： 7.20189191078562 ?????Zi（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： 3.84179815634123 ?????Zi（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：84.10651842190784 ?????Zi注：此傳動比既是手腕俯仰運動的傳動比也是手腕旋轉(zhuǎn)運動的傳動比。（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： 3.18602345?Zi2.3 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)計由于本機器人多采用齒輪傳動機構(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、手腕多處于伸展狀態(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)《機械設(shè)計手冊》查的材料密度如下：45 號鋼 g/ 取 7.85 g/85.7~??3cm3cm酚醛層壓板 g/ 取 1.4 g/413尼龍 1010 g/ 取 1.05 g/063c3c20 號鋼 g/ 取 7.85 g/857~??mm鋁板 g/.23c普通鋼板 g/ 取 7.85 g/ 3cZL102 鑄鋁 g/ 7.??3cm鍍鋅鐵板 g/丁晴橡膠 g/93.0c3.2 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 41.12 螺紋桿 2403 齒輪 24 534 外殼 124.55 銷 13.56 外殼邊 49.57 螺絲釘 2.228 螺絲釘 2.319 卡環(huán) 0.7410 套筒 0.88511 齒輪 23 21.612 直流電動機 19513 外套 37.514 螺栓 97.515 螺母 1.1716 齒輪 22 25.217 軸 40.218 密封器件 7.3519 齒輪 21 和 20 154.520 螺母 1.1721 齒輪 18 和 19 124.522 套筒 3.1223 軸 31.524 密封器件 7.525 螺母 1.1726 步進電動機 33027 齒輪 17 10.528 小臂板 309.7529 加強筋 46.530 軸 18631 銷 7.532 齒輪 16 32133 銷 4.7634 密封器件 7.535 套筒 336 螺母 1.1737 齒輪 15 和 14 271.538 軸 31.539 套筒 3.4540 套筒 1.5641 螺母 1.1742 齒輪 13 和 12 257.443 套筒 344 軸 3045 套筒 1.5646 螺母 1.1747 大臂板 51948 加強筋 39.849 步進電動機 67550 齒輪 11 29.551 齒輪 8 和 9 59452 軸 31.553 密封器件 7.554 螺母 1.1755 軸 695.456 齒輪 6 和 7 47157 齒輪 10 329.458 銷 1559 螺絲釘 7.560 墊片 1861 密封元件 7.562 套筒 1.863 步進電動機 67564 齒輪 5 29.55大鋁蓋板：39.4 g ；小鋁蓋板:24.9g ；直流電機 M28－832：130g；步進電動機 45BF008：675g；步進電動機 36BF005：330g；3.3 機器人受力大小分析將各個零件作適當?shù)?簡化集中到各軸線上，得到各點的受力圖：圖 3.1 機器人受力分析圖（取所受力矩最大姿態(tài)）F1＝ N??????3108.92.413031025??F2= ?195.628.0748.552 ????N33107810.9?????F3= N??33105.9. ?????F4= N?331086.97.2.4524.25 ?????F5= N? ?3310294108.27.1.5312514 ????????F6= N?640893023???3?F7= N?.69F8＝ N?33105108.927.135.72415.718 ???????F9＝ N? 3416.32 ??F10＝ N?308.9.0. ??F11＝ N??335289.519?????F12＝ N1641267?F13= N??3310608.97.5.34 ???F14＝ N?3105478.95759.9 ??????F15＝ N??3316108.267?????3.4 機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： mm405.2.901????l小臂： mm312手爪： mm65.0.3l根據(jù)機器人受力大小分析和機器人輪廓基本尺寸得設(shè)計可以得到機器人受力分析圖（如下頁所示），取得 為機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[?1T ??????? 7380)42305(1).973405(7930 0451646286).278(3 ??????? )2.7.6(9.54 ??]5.283705935.7.06 ???? mN???810.6(2)小臂所受重力靜力矩： ?2T?????????????? 30842310.59737501630[]6)2.4(. ?? mN???.71.96（3）手腕俯仰所受重力靜力矩：＝T 2.508.)1530.975210( 6?????(4)手腕回轉(zhuǎn) 所受重力靜力矩：.634?mN?4 伺服系統(tǒng)的設(shè)計和校核4.1 伺服系統(tǒng)的設(shè)計本機器人伺服系統(tǒng)若采用直流伺服電機，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，而用步 進電動機。步進電動機可通過控制脈沖數(shù)和脈沖時間來達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， 動作精度也能達到所要求的 標準。因為立柱、小臂、大臂所需驅(qū)動力相對較大，所以采用 45BF008 步進電動機，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mN?36BF005 步進電動機，起最大的靜力矩為 0.784 ；夾持器采用螺旋傳動機構(gòu)mN?且無速度要求，因其降速比大，所以采用 M28－832 直流電機。4.2 機械傳動效率概略值（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 步進電動機參數(shù)表 4.1 步進電機參數(shù)電機型號 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（ ）mN?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 ??C?—40～＋50 —40～＋50溫升（k） 65 65圖 4.1 步進電機啟動矩頻特性4.4 大臂俯仰驅(qū)動電機計算（1）設(shè)計要求：上臂俯仰范圍： ；最高運動速度： 。??120~3??s/15?（2）根據(jù)載荷要求及電機性能初選步進電機 45BF008，其步矩角為 。?875.??（3）上臂傳動部分為三級的圓柱齒輪傳動其傳動比為： ＝302.5；i其傳動效率為： ；798.05.96.023????其轉(zhuǎn)動慣量為： 。18Imkg?4.4.1 起動段計算由 45BF008 步進電機起 動矩頻特性圖（圖 5.1）可知： 為避免起動失步，取該電動機起動頻率為 step/s；設(shè)起動時間 s，則有：801?f 05.1?t起動過程中上臂轉(zhuǎn)速： 96.4.32871???if??/?其平均加速度為： 73.1605.230.48713621 ????? ?itf??? 2/srad由載荷分析可得上臂所受的靜力矩為： 1TmN?而加速力矩為： 7.4.5812???IT?對應的所需電機力矩： 356.0298.023 ????i??由圖 5.3 可得：步進電機 45BF008 當起動頻率為 800 step/s 時，對應起動力矩。??5.0?TmN?所以， ，電機滿足設(shè)計要求。???3此時，步進電機走過的步數(shù)為： step405.81????tfs4.4.2 加速段計算由設(shè)計要求，最高運動速度 ，則電機所需要運行頻率:15?s/?step/s24087.35.12 ?????if取 step/s，加速時間 取 s，則加速 過程中，上臂的 轉(zhuǎn)速:02f 5.2t7.185.322 ?????i??/??/?其加速度 ????8.43605.20.1.8760212 ?????itf?? 2/srad此時，加速力矩： ，又知靜力矩：48.5????ITmN? .71TmN?所以 電機所需的力矩為： .56.279.08123 ????iT??此時，加速段走過的步數(shù)：step????9605.83585.0212212 ???????????tftfs則起動、加速段合計走過步數(shù) step 13694021???s走過角度 ??8.5.3027161???is??4.4.3 降速停止段計算設(shè)電機由運行頻率 step/s，經(jīng) 0.1s 降速停止， 則其所經(jīng)步數(shù)為：302?fstep 15.213 ????tfs所經(jīng)角度： ??94.0.3873???is??4.5 小臂俯仰驅(qū)動電機計算設(shè)計要求：小臂俯仰范圍：－120 ～＋30 ，最高運動速度 。?? s/30??根據(jù)載荷要求和電機的性能，初步選步進電動機 45BF45BF008 角 ，上?875.1??臂驅(qū)動部分為三級圓柱齒輪傳動，其傳動比： ，2687912??i其傳動效率： .05.96.03?小臂轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)動慣量：I＝1.79 2mkg?4.5.1 起動段計算由于 45BF45BF008 機起動矩頻特性圖， 為避免起動失步，取該電動機起動頻率step/s，設(shè)其起動時間 ，則有：801?f st05.1?起動過程中小臂轉(zhuǎn)速 83.1.26781 ???if??s/?其平均加速度 13.43605287136021 ?????tf??? 2/srad由前可小臂所受靜力矩 .TmN?而加速力矩 9.714912???I?對應電動所需力矩 312.08.6.023???i?mN?步進電動機 45BF45BF008 率為 800step/s 時， 對應 起動的力矩[T] ＝0.5 ，N?所以[T],，電機滿足設(shè)計要求。3T此時，電機走過的步數(shù) step405.811????tfs4.5.2 加速段計算由設(shè)計要求最高運動速度 ，則電動機所需運行的頻率30?s/?step/s 96.20875.132??if取 ，加速時間為 ，則加速過程中：step/ st5.2?小臂的轉(zhuǎn)速： 4.381.6702???if??/?其加速度： ????29.601.25. 4.3703212 ??????itf?? 2/srad此時，小臂的加速力矩為： 912??ITmN?所以， 407867.01213 ?????iT??加速段走過的步數(shù) ：step????850.8265.0.821212 ??????????tftfs起動、加速段合計走過的步數(shù) step1421?s走過的角度 ?85.1.267151????is??4.5.3 降速停止段計算設(shè)該電機有運行頻率 setp/s，經(jīng)過 0.1s 降速停止，260?f其所經(jīng)過的步數(shù)為： step130.13 ???ts所經(jīng)過的角度：?92.8.26753?i??4.6 手腕俯仰驅(qū)動電動機計算設(shè)計的要求：手腕的俯仰角 ，最高速度：手臂俯仰 。?90?s/45??根據(jù)載荷的要求和電動機性能 初選兩個步進電機 36BF005，其步矩角 。05.1??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，823.095.6.0????由前面可知，手腕的俯仰的轉(zhuǎn)動慣量 。其傳動比為：i=16.25109.?I2mkg?當兩電動機以相同的速度和方向旋轉(zhuǎn)時，則此時手腕將實現(xiàn)俯仰運動。4.6.1 起動段計算由 36BF005 步進電機起動 矩頻特性圖，取 該電動機的起動頻率為：step/s，以避免在 到 470 step/s 頻率間的力矩突降，此時對應的起動力801?f 460矩[T]=0.43 ，設(shè)其起 動時間mN?，則有：st.1啟動過程中手腕俯仰速度為： sif /38.725.16801???????其平均加速度： 13.48.126.07583621 ?????tf??? 2/srad由前知道手腕俯仰的靜力矩 .5TmN?而加速力矩為： 4.290.12???I對應所需要的電機力矩： [T]215.0.683.0113 ??????i?mN?所以電機滿足要求。4.6.2 加速段計算4.7 手爪開合驅(qū)電機計算設(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M28-841，其額定電壓為 24v，額定轉(zhuǎn)矩為 1000 ，cmg?.098.18.901][ 23?????TN?則額定轉(zhuǎn)速 ，額定功率 。srmn/5/][ wP0.3][?由機械總圖可知：傳動的螺桿為 M12 0.75,45 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：820.95.06????4.7.1 電動機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 ，71.84.350arctnarct ???d??? ?60??則牙型斜角 。?302???鋼和鋁的摩擦系數(shù)為 f=0.17，則摩擦角 ??1.30cos7.artncosartn???fv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15.0?? NQ892.103?????Q=98N。則螺桿所需要的扭矩: ?? 1785.0)7.1tan(2089tan23????????vdQT?? mN?則所需電動機力矩 [T]495170/??iTmN?所以電機滿足要求。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。?71.???1.?v?4.7.3 傳動比驗算手爪開合速度 mm/s5.7.05.][?inv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 ??13.0).71.tan(tan0????v???所以，此傳動機構(gòu)能滿足設(shè)計的要求。5 零件的強度和剛度計算由載荷計算和動力計算可知，大臂傳動機構(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 勞強度校核。因為大臂板是兩塊矩形薄板，其在縱向抗彎強度， 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 零件的強度校核計算根據(jù)《機械設(shè)計手冊》有公式：計算應力： ?????YkkbmFtFsFvAn????許用應力： in21FXNEFPSY??強度條件： ??齒輪材料為 45 號鋼，硬度為 162——217HBS,取 200HBS。5.1.1 大臂部分強度校核對大臂部分的 Z18、Z109（第三級傳動）進行校核mm, mm；181???mZd 1092??mZd有前面可知：靜力矩 ，加速段最大的力矩.7TN? .8402?TmN?則總力矩為： 84213?mN?所以， ，又知 b=5mm， ；dFt .60598.32???? 1n查表可得：， ， ， ， , ;1.?Ak0625.v 185.??Fk2.?Fk48.?FsY.0??則帶入公式： MPaYkkbmFtFsFvAn .62538.042.108562.105.64 ??????? ??????設(shè)本機械手臂每天工作 1.5 個小時，壽命為 10 年，則所以，hnjLNh 6102.7360.51360.560 ?????? .69?NY查表可得：， ， ， ，95.01Y.21XY2.minFSMPaFE40?帶入公式可得： aSFXNEFP 27362.19.56940min21 ????????由上可知滿足強度條件，即 FP??5.2 零件抗扭剛度校核計算校核大臂板的抗扭剛度。由《機械設(shè)計手冊》，可得薄壁板的抗扭模量： 463.01abJk????????（b 為板的長，a 為板的寬）則，可得大臂板的抗扭模量：81244 0.5063.15063.01 ?????????????????????aJk 4m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）：g6075375103860523m＝＋＋＋＋＋＋＋＝總