移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì),移動(dòng),挪動(dòng),機(jī)器人,轉(zhuǎn)臺(tái),設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 35 頁 共 35 頁 1 引言 小型機(jī)器人主要用于代替人工作業(yè)，批量生產(chǎn)成本一般較低。由于上述特點(diǎn)，它大都用于簡單、重復(fù)、繁重的工作，如上、下料，搬運(yùn)等，以及工作環(huán)境惡劣的場(chǎng)所，如噴漆、焊接、清砂和清理核廢料等。它使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生了根本性的變化,使人類的生產(chǎn)方式從手工作業(yè)、自動(dòng)化跨入了智能化的時(shí)代。 1.1 本課題研究內(nèi)容及意義 本課題以小型地面移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)臺(tái)為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí),根據(jù)給定的總體結(jié)構(gòu)尺寸、重量及運(yùn)動(dòng)特性指標(biāo)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過本課題的研究，通過對(duì)設(shè)計(jì)要求、工作原理和機(jī)構(gòu)動(dòng)作的分析和理解，構(gòu)思機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式和傳動(dòng)布局，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)、零部件設(shè)計(jì)計(jì)算等環(huán)節(jié)的實(shí)踐，培養(yǎng)設(shè)計(jì)、計(jì)算、制圖及計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，以提高分析與解決工程實(shí)際問題的能力。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 隨著生活水平的提高，科技的發(fā)展，人們將大量簡單繁重的工作交給機(jī)器人，機(jī)器人仆人將大量出現(xiàn)。如汽車司機(jī)長時(shí)間駕駛?cè)菀灼?，汽車將有安全的自?dòng)駕駛模式?，F(xiàn)在自動(dòng)駕駛車能對(duì)前方車輛實(shí)行避讓超車，但對(duì)小動(dòng)物或人不知避讓，這要待更聰明的傳感器出現(xiàn)或圖像處理更精細(xì)些。在醫(yī)療領(lǐng)域，能進(jìn)入人體的微型機(jī)器人將大顯身手。它們進(jìn)入血管、腸道等地方進(jìn)行清理、探查、保健預(yù)警等。工業(yè)機(jī)器人在國外發(fā)達(dá)國家用的很普遍，隨著新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，相應(yīng)的工業(yè)機(jī)器人必將會(huì)研制出來。國際形勢(shì)雖無世界大戰(zhàn)之慮，但局部沖突時(shí)有發(fā)生，反恐形勢(shì)依然嚴(yán)峻。美國和許多歐洲國家以及日本都投入大量人力物力研發(fā)軍用機(jī)器人。大型的無人坦克沖鋒陷陣，小型的昆蟲機(jī)器人“間諜”到處爬行，少量的作戰(zhàn)人員在安全的信息中心運(yùn)籌帷幄。2004年我國中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所也自行研制出“靈蜥”系列反恐防暴機(jī)器人。 1.3 本文所做的工作 本次設(shè)計(jì)主要完成兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)與升降系統(tǒng)。轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)有回轉(zhuǎn)和俯仰兩個(gè)自由度。為使俯仰運(yùn)動(dòng)滿足自鎖的要求，擬采用棘輪機(jī)構(gòu)，因其工作時(shí)有較大的沖擊和噪聲，而且運(yùn)動(dòng)精度較差，故放棄?？紤]使用螺旋機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是能獲得很大的減速比，還可有自鎖性。它的主要缺點(diǎn)是機(jī)械效率一般較低，特別是具有自鎖性時(shí)效率將低于50%。轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可考慮使用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)平穩(wěn)，嚙合沖擊小，由于蝸桿的頭數(shù)少，故單級(jí)傳動(dòng)可獲得較大的傳動(dòng)比，且結(jié)構(gòu)緊湊。 2 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)有兩個(gè)自由度，若視轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)為第一自由度。第一自由度結(jié)構(gòu)及尺寸取決于搭載對(duì)象的質(zhì)量，以及搭載對(duì)象對(duì)機(jī)器人的作用力，而第一自由度受第二自由度影響，故應(yīng)先計(jì)算第二自由度傳動(dòng)的零件。第二自由度即為轉(zhuǎn)臺(tái)的俯仰運(yùn)動(dòng)，采用了螺紋副結(jié)構(gòu)，并結(jié)合擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了俯仰臺(tái)旋轉(zhuǎn)自由度圖2.1所示為上層搭載平臺(tái)第二自由度三維圖。 圖2.1 搭載系統(tǒng)第二自由度三維圖 俯仰系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸取決于搭載物的尺寸及質(zhì)量，以及搭載對(duì)象對(duì)機(jī)器人的作用力。俯仰運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為螺旋傳動(dòng)，并利用了擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，具體圖紙?jiān)O(shè)計(jì)如圖2.2所示。 圖2.2 俯仰系統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)圖 1－俯仰臺(tái) 2－螺母B20 3－絲杠B20 4－銷 5－聯(lián)軸器 6－連接座 7－減速箱 8－電機(jī) 9－空心軸 10－搭載臺(tái) 如圖2.2所示，電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)減速箱減速后，由聯(lián)軸器傳遞給絲杠，使絲杠旋轉(zhuǎn)。絲杠旋轉(zhuǎn)使與之配合的螺母作相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)。因?yàn)槁菽甘枪潭ㄔ诟┭雠_(tái)底部的，所以實(shí)質(zhì)上是俯仰臺(tái)在繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了俯仰的自由度。 轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)自由度主要是由蝸輪蝸桿減速器傳遞的。電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)減速箱減速后，由同步帶傳遞給蝸桿軸，蝸桿軸帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使之完成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。蝸輪蝸桿傳動(dòng)的一種空間的齒輪傳動(dòng)，它能實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)角為90度的兩軸間的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞。在這個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，它與同步帶輪合作，將電機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)一級(jí)一級(jí)減速，達(dá)到所要的結(jié)果，在此傳動(dòng)中，由于摩擦等因素，能量受到損耗，轉(zhuǎn)為熱能，所以不僅需對(duì)材料的受力校核，而且對(duì)材料的受熱特性也要驗(yàn)證。 3俯仰系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)臺(tái)的俯仰運(yùn)動(dòng)直接由滑動(dòng)螺旋副完成，滑動(dòng)螺旋副常采用梯形螺紋、鋸齒形螺紋或矩形螺紋等。 梯形螺紋一般是指牙形角，螺紋副的大徑和小徑處有徑向間隙。牙根強(qiáng)度高，螺紋的工藝性好。主要用于傳力螺旋和傳動(dòng)螺旋如金屬切削機(jī)床的絲杠等。 鋸齒形螺紋有兩種牙形，一種是工作面牙形斜角，非工作面牙形斜角；另一種是，的鋸齒形角，其外螺紋的牙根處有相當(dāng)大的圓角，減小了應(yīng)力集中，提高了動(dòng)載強(qiáng)度；大徑處無間隙，便于對(duì)中；和梯形螺紋一樣都具有螺紋的強(qiáng)度高、工藝性好的特點(diǎn)，但有更高的效率。用于單向受力的傳力螺旋，如大型起重機(jī)的螺旋千斤頂?shù)?。文中采?°/30°牙形的鋸齒形螺紋，此處采用鋸齒形螺紋，主要是因?yàn)殇忼X形螺紋具有較好的自鎖性能，螺紋之間的摩擦力及支承面之間的摩擦力都能阻止螺母的松脫。所以即使在振動(dòng)及交變載荷作用下，也不需要防松。 滑動(dòng)螺旋副的失效主要是螺紋磨損，因此螺桿的直徑和螺母高度通常是根據(jù)耐磨性計(jì)算確定的。傳力螺旋應(yīng)校核螺桿的危險(xiǎn)界面的強(qiáng)度，要求自鎖的螺桿應(yīng)校核其自鎖性。能夠搭載發(fā)射性裝置是多用途特殊移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的主要功能，所以要求控制俯仰臺(tái)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)具有自鎖能力。因此采用了螺旋旋動(dòng)中的滑動(dòng)螺旋副傳動(dòng)，并采用單線螺紋。 下面根據(jù)指標(biāo)進(jìn)行螺桿參數(shù)和螺母參數(shù)的計(jì)算。 螺桿的中徑： （3.1） 其中：3°/30°鋸齒形螺紋， ，此處?。? —軸向載荷，根據(jù)指標(biāo)，； —許用壓強(qiáng)（MPa），當(dāng)絲杠與螺母均選用45鋼時(shí)，。 代入數(shù)據(jù)計(jì)算得： 由鋸齒形螺紋的參數(shù)關(guān)系，其中為螺紋公稱直徑，為螺距，以及查閱標(biāo)準(zhǔn)，可得，。 則有： 螺桿小徑為： 螺母的高度： 取整得: 旋合圈數(shù)： ，滿足要求 螺紋的工作高度 則螺紋的工作壓強(qiáng)的計(jì)算如下： 所以按照這個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)的螺桿螺母傳動(dòng)滿足強(qiáng)度要求。 驗(yàn)算自鎖： 螺紋升角計(jì)算： （3.2） 式（3.2）中，為導(dǎo)程，。為螺紋頭數(shù)，此處。 代入數(shù)據(jù)計(jì)算如下： 當(dāng)量摩擦角計(jì)算： （3.3） 式（3.3）中，為螺旋副的摩擦系數(shù)，，為工作面牙形斜角，。代入數(shù)據(jù)計(jì)算為： 滿足自鎖要求的條件為：。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該滑動(dòng)螺旋副參數(shù)設(shè)計(jì)滿足自鎖要求。 螺桿強(qiáng)度校核： 螺桿當(dāng)量應(yīng)力計(jì)算： （3.4） 式（3.4）中，為傳遞轉(zhuǎn)矩，由圖2.1可知，該滑動(dòng)螺旋副的傳遞力矩主要為螺紋副的阻力矩，其計(jì)算公式如下： （3.5） 式中，——螺旋副分度圓直徑； ——螺紋升角； ——螺旋副軸向力，此處取值為； ——螺紋當(dāng)量摩擦角，，為當(dāng)量摩擦系數(shù)，此處取=0.15，則有 將以上參數(shù)值代入式（3.5），得 文中機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中。代入數(shù)據(jù)到式（3.4）得： 45鋼的許用應(yīng)力 則有，所以螺桿強(qiáng)度滿足要求。 螺紋牙強(qiáng)度校核： 螺紋牙底寬度 則有螺桿抗剪強(qiáng)度： 螺桿抗彎強(qiáng)度： 螺母與螺桿材料相同，則螺母牙與螺桿牙強(qiáng)度相同，亦滿足強(qiáng)度要求。 此處螺桿只承受較小的壓力，并且實(shí)際工作的長徑比亦很小，所以無需對(duì)螺桿穩(wěn)定性進(jìn)行校核。 至此，滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)副設(shè)計(jì)結(jié)束。 3.2 俯仰系統(tǒng)的傳動(dòng)分析與計(jì)算 轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰運(yùn)動(dòng)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)為瑞士MAXON公司的直流無刷電機(jī)EC3-powermax30。 電機(jī)選主要參數(shù)如表3.1所示。 表3.1 俯仰臺(tái)控制電機(jī)參數(shù)表 指標(biāo) 數(shù)值 功率 200W 正常電壓 36V 空載轉(zhuǎn)速 17000rpm 最高轉(zhuǎn)矩 3750mNm 額定轉(zhuǎn)矩 112mNm 質(zhì)量 270g 最大效率 92％ 最大允許速度 25000rpm 無負(fù)載電流 325mA 減速箱參數(shù)：減速箱選用的MAXON公司自帶的減速箱GP42C，基本參數(shù)如下表3.2所示。 表3.2 俯仰臺(tái)控制電機(jī)減速箱參數(shù)表 指標(biāo) 數(shù)值 減速比 156︰1 最大效率 72％ 質(zhì)量 460g 電機(jī)特性曲線如圖3.1所示。 圖3.1 搭載系統(tǒng)第二自由度驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性曲線圖 根據(jù)上述表中電機(jī)及減速箱的參數(shù)，以及實(shí)際載荷情況，對(duì)電機(jī)進(jìn)行校核。電機(jī)的校核主要分兩部分，一部分是電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的校核，另一部分是電機(jī)輸出速度的校核。 首先校核電機(jī)轉(zhuǎn)矩： 如圖3.2中的傳動(dòng)系統(tǒng)，可知電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩主要是用于克服滑動(dòng)螺旋副的螺紋阻力矩。在滑動(dòng)螺旋副的設(shè)計(jì)中，根據(jù)式（3.5）已經(jīng)計(jì)算出在最大載荷時(shí)，系統(tǒng)需要克服的螺紋阻力矩。 所選電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為： 由計(jì)算結(jié)果可知，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩滿足計(jì)算要求。 校核電機(jī)輸出速度： 要校核電機(jī)輸出速度，首先需要確定搭載系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度指標(biāo)要求。 規(guī)定俯仰臺(tái)臺(tái)面水平時(shí)，為運(yùn)動(dòng)初始位置，要求俯仰臺(tái)自由度為繞初始位置可以進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)，且俯仰臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度最大為2.5R/min。 由圖3.2可知，當(dāng)俯仰臺(tái)處于水平狀態(tài)時(shí)，螺旋副絲杠與螺母初始角度設(shè)計(jì)為90°，這種設(shè)計(jì)保證了在支撐俯仰臺(tái)的空心軸旋轉(zhuǎn)到任意位置時(shí)，俯仰臺(tái)與水平面間所成角度都不會(huì)變化，同時(shí)也便于角度的控制計(jì)算。下圖3.2以及圖3.3所示分別為俯仰臺(tái)處于初始狀態(tài)時(shí)以及繞旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)了角度后的狀態(tài)圖。 圖中，為電機(jī)經(jīng)減速箱后的輸出速度，亦為絲杠的旋轉(zhuǎn)速度；為俯仰臺(tái)繞旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)速度；為絲杠螺距； 表示支撐俯仰臺(tái)的支架與滑塊連接點(diǎn)A處的瞬間速度；為俯仰臺(tái)旋轉(zhuǎn)了角度時(shí)，絲杠與水平面之間的夾角。 圖3.2 俯仰臺(tái)初始位置狀態(tài)圖 圖3.3 俯仰臺(tái)運(yùn)動(dòng)到某位置處狀態(tài)圖 由圖示可得，當(dāng)俯仰臺(tái)處于初始位置時(shí)A點(diǎn)速度為： （3.6） 則俯仰臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度為： （3.7） 綜合式（3.6）、（3.7）可得： （3.8） 當(dāng)俯仰臺(tái)繞旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)了角度后，即出于圖3.3狀態(tài)時(shí)，圖中點(diǎn)B是與點(diǎn)A重合的絲杠上的點(diǎn)，點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)可分解為繞點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，以及相對(duì)點(diǎn)B作直線運(yùn)動(dòng)。A點(diǎn)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為繞點(diǎn)M的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。計(jì)算得： （3.9） 式中可根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系求得,計(jì)算結(jié)果如下： （3.10） 則有速度如下： （3.11） 又根據(jù)擺動(dòng)導(dǎo)桿的急回特性，可知在的可取值范圍內(nèi)，值愈大，俯仰臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度愈大。圖中，OA即的設(shè)計(jì)長度為70mm，長度為35mm，則有將帶入式（3.10），解得角度為： 速度可以獲得最大值，為 （3.12） 在俯仰臺(tái)同一次旋轉(zhuǎn)工作中，規(guī)定電機(jī)以相同的轉(zhuǎn)速工作，即式（3.12）中取值為常數(shù)，可得 （3.13） 又由（3.7）式可得， （3.14） 絲杠螺距，同時(shí)將式（3.14）帶入上式（3.13），并帶入各變量值，可解得： 已知，則要求電機(jī)輸出速度為： 最大允許轉(zhuǎn)速為25000R/min，可得電機(jī)轉(zhuǎn)速滿足要求。 綜上，所選擇電機(jī)各指標(biāo)均滿足使用要求。 通過對(duì)機(jī)器人功能要求進(jìn)行分解，將機(jī)器人分為移動(dòng)車體平臺(tái)及上層搭載平臺(tái)兩部分，分別對(duì)兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。在移動(dòng)車體設(shè)計(jì)過程中，主要從提高機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)能力出發(fā)，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了傳動(dòng)系統(tǒng)、輪系結(jié)構(gòu)以及底盤的設(shè)計(jì)。在搭載平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中，在確定了平臺(tái)自由度前提下，對(duì)各自由度進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。通過橋式支架，將搭載平臺(tái)與車體進(jìn)行連接，保證了車體內(nèi)部空間，并方便了機(jī)器人安裝與維護(hù)。 4 轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1 轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 要使轉(zhuǎn)臺(tái)完成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就要考慮選用合適的減速器，完成動(dòng)力傳遞并滿足設(shè)計(jì)要求的轉(zhuǎn)速。常用減速器的類型及特點(diǎn)見表4.1。 表 4.1 常用減速器的類型及特點(diǎn) 表 4.1 常用減速器的類型及特點(diǎn)（續(xù)） 蝸輪蝸桿有如下特點(diǎn)： （1）傳動(dòng)平穩(wěn)、振動(dòng)、沖擊和噪聲均很?。? （2）能以單級(jí)獲得較大的傳動(dòng)比，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比范圍大，5 i 70 ,其中一般要大于15； （3）摩擦損耗較大，傳動(dòng)效率較低。 蝸輪蝸桿傳動(dòng)分為三大類比：圓柱蝸桿、環(huán)面蝸桿、錐面蝸桿。 圓柱蝸桿又分為普通圓柱蝸桿和圓弧圓柱蝸桿兩種。 按蝸桿齒廓曲線的形狀，普通圓柱蝸桿可以分為： （1） 阿基米德圓柱蝸桿，簡稱ZA蝸桿； （2） 法向直廓圓柱蝸桿，即稱為延展?jié)u開線蝸桿，簡稱ZN蝸桿； （3） 漸開線圓柱蝸桿，簡稱ZI蝸桿； （4） 錐面包絡(luò)圓柱蝸桿，簡稱ZK蝸桿； 對(duì)于如此大的傳動(dòng)比，如果用一般的齒輪進(jìn)行減速設(shè)計(jì)，則需要很多級(jí)才可以實(shí)現(xiàn)，這樣的話，無論是體積還是重量都不可能達(dá)到課題所限制的數(shù)值，考慮到移動(dòng)機(jī)器人的工作特點(diǎn)，本文選用的是ZA蝸桿。 4.2 傳動(dòng)比的設(shè)置 多級(jí)減速器各級(jí)傳動(dòng)比的分配，直接影響減速器的承載能力和使用壽命，還會(huì)影響基本體積、重量和潤滑。一般的分配原則： （1）使各級(jí)傳動(dòng)承載能力大致相等； （2）使減速器的尺寸與質(zhì)量較?。? （3）使各級(jí)齒輪圓周速度較小。 低速級(jí)大齒輪直接影響加速器的尺寸和重量，減小低速級(jí)傳動(dòng)比，即減小了低速級(jí)大齒輪及包容它的機(jī)體的尺寸和重量。增大高速級(jí)傳動(dòng)比，即增大高速級(jí)大齒輪的尺寸，減小了與低速級(jí)大齒輪的尺寸差，有利于各級(jí)齒輪同時(shí)潤滑，同時(shí)降低了高速級(jí)后面各級(jí)齒輪的尺寸差，有利于降低噪聲和振動(dòng)，提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性。但是又不能使一、二級(jí)傳動(dòng)比差距過大，這里我選擇作為一級(jí)傳動(dòng)比，作為二級(jí)傳動(dòng)比。 4.3 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)力分析與計(jì)算 由于已知系統(tǒng)的總體尺寸為：長寬高=250mm250mm80mm，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為360度，旋轉(zhuǎn)速度為10～15rpm，而且系統(tǒng)自重要不大于8kg，載重量為20kg。 4.3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 選取直徑為200 mm 的圓進(jìn)行計(jì)算尺寸，算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （4.1） 這里的m 可以用平均質(zhì)量的概念來計(jì)算，即： ,M取負(fù)載20 。 （4.2） 于是 ==637 則： ==3.195 給定條件：設(shè)轉(zhuǎn)臺(tái)在2秒內(nèi)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速 15 r/pm, 則它的加速度是 則它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力矩為： 根據(jù)給定的傳動(dòng)效率 =0.8，所以 4.3.2 滾動(dòng)摩擦力矩計(jì)算 在本設(shè)計(jì)中，雖然轉(zhuǎn)臺(tái)基本上是水平或者是在傾斜很小的角度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的，其轉(zhuǎn)動(dòng)也都是有滾珠或者軸承來支撐來完成的，但是，因?yàn)?20的負(fù)載對(duì)于8的自重來說，摩擦力也是不可不重視的，下面我將對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行摩擦力矩的計(jì)算： 取摩擦系數(shù) 則 （4.3） 假設(shè)密度為均勻的，用表示，則 面平均質(zhì)量為 ： ，則 （4.4） 總的阻力矩為： M=3.315+0.0533=3.188Nm 4.3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 （1）根據(jù)綜合分析和以上的計(jì)算，驅(qū)動(dòng)軸總阻力力矩為：M=3.188Nm 按工作要求和條件選取Y系列一般用途全封閉鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)。 （2）選擇電動(dòng)機(jī)容量 工作機(jī)所需的功率： （4.5） 電動(dòng)機(jī)輸出功率： （4.6） 所以: （4.7） 由電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)之間的總效率： （4.8） 其中 分別為滾筒彈性聯(lián)軸器,閉式蝸桿傳動(dòng),皮帶輪傳動(dòng),一對(duì)滾動(dòng)軸承，齒輪聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率。 查表可知=0.96(滾筒) =0.995(彈性聯(lián)軸器) 由于蝸桿傳動(dòng)效率與蝸桿頭數(shù)Z2及材料有關(guān)暫時(shí)取Z1=4雙頭蝸桿,估計(jì)=0.81 =0.93(V帶輪傳動(dòng)) =0.99(一對(duì)滾動(dòng)軸承) =0.99(齒輪聯(lián)軸器) 所以： 所需電動(dòng)機(jī)的功率: =2500.8/0.684=0.292kw 根據(jù)電機(jī)特性曲線，并保有一定的余量，初步選擇電機(jī)型號(hào)為MAXON電機(jī)，具體參數(shù)見表4.2。 4.3.4 傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比 由于是maxon電動(dòng)機(jī)，可以通過自帶的減速器控制其轉(zhuǎn)速，在此，我設(shè)為1440 r/min 。 (1)計(jì)算總傳動(dòng)比： = （4.9） (2)各級(jí)傳動(dòng)比的分配 由于為蝸桿傳動(dòng)，傳動(dòng)比都集中在蝸桿上，其他不分配傳動(dòng)比。 取皮帶輪傳動(dòng)比i1=4，則蝸桿傳動(dòng)比為i2=24。 這里我選擇的帶輪是SPA型，單根窄V帶輪。 表4.2 MAXON電機(jī)EC45性能參數(shù) 項(xiàng)目 指標(biāo) 說明 標(biāo)稱功率 250W 最大輸出功率 額定電壓 36V 空載轉(zhuǎn)速 11000rpm 堵載轉(zhuǎn)矩 5260mNm 堵轉(zhuǎn)條件下的轉(zhuǎn)矩值，即起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 最大允許轉(zhuǎn)速 12000rpm 最大連續(xù)電流(5000rpm) 10.6A 最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩(5000rpm) 303mNm 電機(jī)可以連續(xù)工作的轉(zhuǎn)矩 最大效率 85% 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 31.2mNm/A 轉(zhuǎn)矩與有效電流值之比 重量 1150g 4.3.5 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) （1） 蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)速 皮帶輪轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速相同n1=1440r/min 蝸桿轉(zhuǎn)速： （2） 蝸輪蝸桿的功率 V帶輪的功率：p1=0.2920.9950.99=0.288kw 蝸桿軸的功率：p2=0.2880.810.99=0.231kw 蝸輪的功率：p=0.2300.930.990.99=0.210kw （3） 蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)矩 軸的一般受力分析見圖4.1。 圖 4.1 受力分析示意圖 輸入的轉(zhuǎn)矩： 蝸桿的轉(zhuǎn)矩： 蝸輪軸的轉(zhuǎn)矩： V帶輪的轉(zhuǎn)矩： 將上述計(jì)算得到的動(dòng)力參數(shù)列表于4.3： 表 4.3 蝸輪蝸桿的動(dòng)力參數(shù) 參數(shù) 電動(dòng)機(jī) V帶輪 蝸桿 蝸輪 轉(zhuǎn)速r/min 1440 1440 360 15 功率P/kw 0.292 0.288 0.231 0.210 轉(zhuǎn)矩N.m 7.64 27.44 144.84 7.526 傳動(dòng)比i 單根V窄帶：i1=4 蝸輪蝸桿傳動(dòng)：i2=24 效率 0.995 0.911 0.794 4.3.6 對(duì)于蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的參數(shù)選擇 根據(jù)機(jī)械手冊(cè)查得： 傳動(dòng)效率 （4.10） 其中，r 為分度圓柱導(dǎo)程角，為嚙合摩擦角， （為摩擦因子），分度圓滑動(dòng)速度 單位為 （4.11） 一般的計(jì)算公式見表4.4。 綜合計(jì)算，得具體的蝸輪蝸桿參數(shù)如下表2.7。 考慮到傳動(dòng)功率不大，轉(zhuǎn)速較低，選用ZA蝸桿傳動(dòng)，精度達(dá)到8c級(jí)，采用標(biāo)準(zhǔn)GB10089-1998。一般選為右旋蝸桿。蝸桿選35CrMo，表面淬火，硬度為45~50HRC；表面粗糙度。蝸輪邊緣選擇ZCuSn10P1金屬模鑄造。 蝸輪蝸桿正確嚙合的條件： 主平面內(nèi)的模數(shù)和壓力角彼此相等，即蝸輪端面的模數(shù)應(yīng)等于蝸桿軸面得模數(shù)，且為標(biāo)準(zhǔn)值；蝸輪端面的壓力角應(yīng)等于蝸桿軸面的壓力角，且為標(biāo)準(zhǔn)值。即： 此外，還應(yīng)該保證，即蝸桿與蝸輪的螺旋線方向一致。具體設(shè)計(jì)將會(huì)后面論述。 分度圓直徑 標(biāo)準(zhǔn)中心距 徑向間隙 蝸輪螺旋角 蝸桿導(dǎo)程角 齒根圓直徑 齒頂圓直徑 齒根高 齒頂高 蝸輪 蝸桿 計(jì)算公式 符號(hào) 名稱 表4.4 蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算 表4.5 齒的基本參數(shù) 名稱 符號(hào) 公式及依據(jù) 蝸桿軸向齒距 ==3.925 蝸桿螺旋線導(dǎo)程 ==3.925*4=15.7 蝸桿法向齒形角 20 蝸桿軸向齒形角 蝸桿直徑系數(shù) 17.6 蝸桿分度圓直徑 =22 蝸桿分度圓導(dǎo)程角 14.04 模數(shù) =1.25 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 24.5 齒根圓直徑 19 4.3.7 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 (1) 常數(shù)計(jì)算 由傳動(dòng)比=24，參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》齒輪傳動(dòng)部分，取=4，則=96，由表查得，，其中時(shí)蝸輪材料的許用接觸，當(dāng)時(shí)蝸輪材料的許用彎曲應(yīng)力。 齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： =60 n2 j =603601365245=次 接觸強(qiáng)度壽命系數(shù) = =0.566 彎曲強(qiáng)度壽命系數(shù) ==0.603 則 =220 0.93 0.566=115.8 =700.603=42.21 圖4.2 蝸輪蝸桿受力分析簡圖 (2) 按接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) （4.12） 從K=1～1.4 取載荷系數(shù)K=1.2 = 而=34.375，符合要求。 由于蝸輪蝸桿的嚙合條件是：， 所以=1.2548=60。故a=41mm。 (3) 校核渦輪的齒面接觸強(qiáng)度 齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算公式為 （4.13） 材料彈性系數(shù)： （4.14） 使用系數(shù)KA，取KA=0.9（運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)），動(dòng)載系數(shù)KV，當(dāng)V2 < 3m/s時(shí)，KV=1～1.1，當(dāng)V23m/s時(shí)，KV=1.1～1.2，故取KV=1.1，載荷分布系數(shù) K 載荷平穩(wěn)時(shí)K=1，載荷變化時(shí)K=1.1~1.3，故取K=1.1。為接觸系數(shù)，取2.5。 將上述數(shù)據(jù)代入公式（4.13）中，計(jì)算得 =19.3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于115.8，符合要求，所選合格。 (4) 校核渦輪齒根彎曲強(qiáng)度 齒根彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算公式 （4.15） 式子中，按當(dāng)量齒數(shù) =/cos3=48 0.913=52.574及查表得， =4.26，=1-/120°=0.883° 將上述諸值代入公式 =12.44， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于42.21，所以是合格的。 (5) 熱平衡校核 （閉式蝸桿傳動(dòng)）周圍空氣的溫度t=20°C ，取散熱系數(shù)K=17W/（m2·C）， 估計(jì)散熱面積 A==0.07 （4.16） =49.37°C 85°C （4.17） 故散熱是好的。 (6) 蝸輪蝸桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 蝸桿和軸做成一體，即蝸桿軸。蝸輪采用輪箍式，青銅輪緣與鑄造鐵心采用H7/k6配合，并加臺(tái)肩和螺釘固定。 4.3.8 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 輸出軸的設(shè)計(jì) (1)軸的材料的選擇，確定許用應(yīng)力 考慮到減速器為普通中用途中小功率減速傳動(dòng)裝置，軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩,45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理 220-240HBS。 (2)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，初步估計(jì)軸的最小直徑 圖4.3 軸的配合簡圖 =8.18mm,可以取=20mm。 (3)軸承和鍵 取工作情況系數(shù)=1.5 由轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩得 軸伸安裝聯(lián)軸器,考慮補(bǔ)償軸的可能位移,選用不含彈性元件的聯(lián)軸器。 查表JB/ZB4222-86選無彈性擾性聯(lián)軸器，軸伸直徑為47mm 。 查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》選用CICL型鼓形齒式連軸器，Y型軸孔,A型鍵槽,標(biāo)準(zhǔn)孔徑d=20mm。 并采用凸緣式軸承蓋，實(shí)現(xiàn)軸承系兩端單向固定，軸伸處用A型普通平鍵聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器周向固定,用A型普通平鍵連接蝸輪與軸。 (4)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)徑向尺寸的確定 從軸段=20mm開始逐漸選取軸段直徑，起固定作用，定位軸肩高度h可在（0.07～0.1）d范圍內(nèi)，故=+2h ≥ 20 （1+2×0.07）=20.14mm，取為22mm；與蝸輪的內(nèi)徑相配合，取=24mm，按標(biāo)準(zhǔn)直徑系列，取=22mm；與軸承配合，由h=（0.07～0.1）d=（0.07～0.1）20=1.4～2mm，取h=4mm，=20mm；與V帶輪配合，取=16mm。 由此對(duì)應(yīng)的軸向尺寸為 =15mm，=25 mm，=31 mm，=25 mm，=15 mm。 (5)軸的強(qiáng)度校核計(jì)算蝸輪受力 蝸輪的分度圓直徑 =60mm； 蝸輪轉(zhuǎn)矩 = 7.526Nm 蝸輪的切向力 =27.526/60=250.87N 蝸輪的徑向力 =250.87tan20°/cos14.04° =94.12N 蝸輪軸向力 =94.12tan14.04°=23.54N 水平平面： =N 94.12-50=44.24N 垂直平面： 250.87125.44N （6）計(jì)算支承反力彎矩 水平平面彎矩： =12550=6250 5543.8 垂直平面彎矩： 125.44=15680 合成彎矩： =8354.4 =16631.2 單向運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩為脈動(dòng)循環(huán)轉(zhuǎn)矩等效為彎矩的等效系數(shù)為a=0.6 =0.67.5261000=4515.6 截面等效彎矩： 9496.7 17241.2 12 6.8 由上可見我選擇的尺寸完全符合要求，所以是可取的方案。 （7）軸承的壽命校核 軸承型號(hào)為7216C，查表得：=8950N，=7820N，由于 /=0.12，所以取=0.47。 由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表8-22得：時(shí)，X=1，Y=0；時(shí)，X=0.44，Y=1.19,所以： R1=135N R2=133N 81N 79.8N = +=103.34N，=—=56.26N /=0.765>e=0.47，/=0.4235年。 故所選軸承適合工作壽命5年。 蝸桿軸的設(shè)計(jì) (1)蝸桿軸的材料的選擇，確定許用應(yīng)力 考慮到減速器為普通中用途中小功率減速傳動(dòng)裝置，軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩。 蝸桿選35CrMo，表面淬火，硬度為45—50HRC；表面粗糙度。 (2)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，初步估計(jì)軸的最小直徑,選用聯(lián)軸器。 由上面的已經(jīng)算出，只要大于10mm，就能滿足要求，軸伸安裝聯(lián)軸器，考慮補(bǔ)償軸的可能位移，選用彈性拄銷聯(lián)軸器，取工作情況系數(shù)=1.5 由轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩查表GB/T5014-1985 選用HL3彈性柱銷聯(lián)軸器，標(biāo)準(zhǔn)孔徑=40mm，即軸伸直徑為40。 (3)軸承 采用角接觸球軸承，并采用凸緣式軸承蓋，實(shí)現(xiàn)軸承系兩端單向固定。選定滾動(dòng)軸承為型號(hào)為7212C。 (4)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)徑向尺寸的確定 從軸段=40mm開始逐漸選取軸段直徑，起固定作用，定位軸肩高度可在（0.07-0.1）d范圍內(nèi)，故=+2h≥40（1+20.07）=45.6mm，該直徑處安裝密封氈圈，標(biāo)準(zhǔn)直徑。應(yīng)取=50mm；與軸承的內(nèi)徑相配合，為便與軸承的安裝取，選定軸承型號(hào)為7212C，=60。起定位作用，由h=（0.070.1）=（0.07-0.1）60=4.2～6mm，取h=5mm，=60+25=70mm。 （5）滾動(dòng)軸承的壽命校核 選定滾動(dòng)軸承為型號(hào)為7212C，尺寸適合該蝸桿。蝸桿上的滾動(dòng)軸承由于應(yīng)力幅比蝸桿的小，所以一般只校核蝸輪上的滾動(dòng)軸承的壽命即可，也可以取減速器的檢修期為2年，到檢修期時(shí)更換。 4.4 本章小結(jié) 蝸輪蝸桿傳動(dòng)的一種空間的齒輪傳動(dòng)，它能實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)角為90度的兩軸間的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞。在這個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，它與皮帶輪合作，將電機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)一級(jí)一級(jí)減速，達(dá)到所要的結(jié)果，在此傳動(dòng)中，由于摩擦等因素，能量受到損耗，轉(zhuǎn)為熱能，所以本章不僅對(duì)材料的受力校核，而且對(duì)材料的受熱特性進(jìn)行了驗(yàn)證。 結(jié)束語 經(jīng)過了兩個(gè)多月的學(xué)習(xí)和工作，我終于完成了《移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)臺(tái)》的論文。從開始接到論文題目到系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，再到論文文章的完成，每走一步對(duì)我來說都是新的嘗試與挑戰(zhàn)，這也是我在大學(xué)期間獨(dú)立完成的最大的項(xiàng)目。在這段時(shí)間里，我學(xué)到了很多知識(shí)也有很多感受，從對(duì)機(jī)械的一知半解，對(duì)零件選用的一無所知的狀態(tài)，我開始了獨(dú)立的學(xué)習(xí)和試驗(yàn)，查看相關(guān)的資料和書籍，讓自己頭腦中模糊的概念逐漸清晰，使自己非常稚嫩作品一步步完善起來，每一次改進(jìn)都是我學(xué)習(xí)的收獲，每一次校核的成功都會(huì)讓我興奮好一段時(shí)間。從中我也充分體會(huì)到了機(jī)械設(shè)計(jì)給我們生活帶來的樂趣，在自己的小小世界里自得其樂。 雖然我的論文作品不是很成熟，還有很多不足之處，但我可以自豪的說，這里面的每一個(gè)細(xì)節(jié)，都有我的勞動(dòng)。當(dāng)看著自己的努力極有希望成為實(shí)物的時(shí)候，真是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最終都會(huì)化為甜美的甘泉。??? 這次做論文的經(jīng)歷也會(huì)使我終身受益，我感受到做論文是要認(rèn)認(rèn)真真用心去做的一件事情，是真正的自己學(xué)習(xí)的過程和研究的過程，沒有學(xué)習(xí)就不可能有研究的能力，沒有自己的研究，就不會(huì)有所突破，那也就不叫論文了。希望這次的經(jīng)歷能讓我在以后學(xué)習(xí)中激勵(lì)我繼續(xù)進(jìn)步。  致 謝 本研究及學(xué)位論文是在我的導(dǎo)師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，周老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。半年多來，導(dǎo)師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向周老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 我還要感謝在一起愉快的度過本科四年的各位同學(xué)，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本文的順利完成。 即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!  參 考 文 獻(xiàn) [1] 減速機(jī)信息網(wǎng). 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)[EB/OL]. http://www.gkcity.com/n-i-28976-c-Potpourri.htm,2006. 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