【正文】 Z1Z2）/8=（2x801360）= L1=M1+=取整，則L1=100mm 同理可得：M2= L2=取整，則L2=115mm進行標準帶寬的選擇:小帶輪I齒數(shù)ZI=13，轉(zhuǎn)速為n=25r/min由[12]= W 嚙合齒數(shù):Zm=Z1/2PbZ1(Z2Z1)/2π2b1 （44） =13/（6013）/2π2x103 =6則嚙合齒數(shù)系數(shù)為: KZ = I一 (6一Zm)= 由文獻[13]表420可以查Pb==,同步帶寬為: bs=(Pd/P0KZ)1/=()1/=查文獻【13】表425得帶寬的標準值，為安全可靠， 帶寬bs=， 帶寬系數(shù):KW=（bs/bso）=， [2]得：Ta=, [l]得:m= kg/m 帶的圓周速度:v=PbZ1n1/60000= 帶的工作能力:P=(K2KwTabsmv2/bso)vx10 （45） =() ==Pd 額定功率大于設(shè)計功率，故帶的傳動能力足夠。青銅的許用彎曲應(yīng)力為:[w]=49N/mm2，故w ［a］螺母螺紋所受剪切應(yīng)力:=ps/πdbLZ=（49） 青銅的許用剪切應(yīng)力為[]=49N/ mm 2，故: ［］絲杠螺紋所受彎曲應(yīng)力： w=3phs/πdb2LZ=（）= 鋼的許用彎曲應(yīng)力為 [ w]=72N/mm 2 故。軸承部分45mm，軸承選為單列向心推力球軸承，軸承型號為66000，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。 帶輪軸設(shè)計圖16 帶輪軸此軸傳遞的扭矩為: T=2To/i2x =()=此軸的轉(zhuǎn)速為w=300/s, 則傳遞功率為: P=Txw= N=wx60/360=5r/min d≧C=由于軸上有鍵槽,承受一定彎矩,取d=15mm，軸承處軸頸取為d=15mm。 殼體設(shè)計機身部分采用鑄鐵材料，方形結(jié)構(gòu)。底板厚5mm，上壁厚5mm。大臂采用鑄造成型再經(jīng)過一些加工，如圖19所示。其它部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)確定，這里不一一敘述，詳見圖紙。本文主要完成了工業(yè)機器人球坐標型機械臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計。球坐標機械臂三個關(guān)節(jié)均選用價格低廉的直流無刷伺服電機。此次設(shè)計經(jīng)過將近三個月的努力，但還沒有盡善盡美，還要根據(jù)社會的需求不斷改進完善。老師們的言傳身教培養(yǎng)了我良好的學(xué)習(xí)態(tài)度。在整個畢業(yè)設(shè)計階段，本文的選題、論證、課題研究以及論文的撰寫工作均是在導(dǎo)師耿軍曉的直接關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。在此，本文作者對上述老師、同學(xué)表示衷心感謝。我還要感謝父母這些年來對我無怨無悔的支持和幫助，是他們供養(yǎng)我完成了整個大學(xué)課程的學(xué)習(xí)，愿他們身體健康，生活幸福。我還要感謝鄭州輕工業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院四年來對我的栽培和培養(yǎng)。在論文完成之際，謹向耿老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。老師的教誨我將牢記在心中，在今后的學(xué)習(xí)和工作中我會更加努力地拼搏，不辜負各位老師的期望和厚愛。時光飛逝，轉(zhuǎn)眼間我已是一個即將畢業(yè)的大學(xué)生，大學(xué)四年所學(xué)的知識在畢業(yè)設(shè)計中得到了充分的應(yīng)用和發(fā)展。第二個關(guān)節(jié)采用了同步齒形帶的傳動結(jié)構(gòu)，充分利用了大臂的空間，結(jié)構(gòu)緊湊。其中第三個自由度為移動關(guān)節(jié)。工業(yè)機器人球坐標型機械臂將在輕型、較簡單且要求機器人價格較低的裝配作業(yè)中大顯身手。側(cè)面用塑料，厚度3mm左右。大臂殼在此次機械臂中主要是輔助的作用，承載小臂軸的重量。機械臂的整個機身的重量都壓在了底版上，因此，以保證足夠的強度。絲杠上設(shè)置一對向心球軸承支撐，軸承型號為0000。 大臂輸出軸設(shè)計圖15 大臂輸出軸 由式33知，此軸的設(shè)計功率為Pd=0 .382W，轉(zhuǎn)速w=150/s,n=15x60/360=： d≧C=最小軸徑在兩臂連接處，有鍵槽，且承受一定彎矩，故取d=10mm，軸承部分軸徑選用 10，其余按結(jié)構(gòu)確定。 螺紋副自鎖條件校核由[2]表310得，此螺紋副的當量摩擦系數(shù)fw=. 當量摩擦角為: v =arctgfw = 由式(26)知，螺旋升角為: v 故此螺紋副能自鎖.結(jié)論: 絲杠螺母副公稱直徑d=10mm，導(dǎo)程p=2mm，剛度、強度、穩(wěn)定性均合格，且能自鎖。 絲杠剛度計算 一個導(dǎo)程的變形量的最大值: =4ps/πEd12+16Ms2/π2Gd14 （47） 式中:p一軸向載荷200 N s一 導(dǎo)程 2mm E一 D1一 絲杠小徑 9mm M一絲杠傳遞扭矩,，M=T= G一 切變模量 將數(shù)據(jù)代入得: =一米變形量為: 1000=200mm變形量為： 200=200s/2=\由變形量可知，絲杠變形較小，剛度足夠。代入數(shù)據(jù)得: T2=絲杠所受力矩為阻力矩與摩擦力矩之和，即: T= T1 +T 2 =+=安全系數(shù)取2，則電機所需輸出最小轉(zhuǎn)矩為: Tow3=2T==選擇混合式步進電機(北京四通電機公司產(chǎn)品)型 號 :ECmax 30表3 第三自由度無刷伺服電機參數(shù)額定電壓36V空載轉(zhuǎn)速9500rpm空載電流116mA額定轉(zhuǎn)速8260rpm額定轉(zhuǎn)矩額定電流堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩522mNm堵轉(zhuǎn)電流最大效率83%相間電阻相間電感轉(zhuǎn)矩常數(shù)速度/轉(zhuǎn)矩常數(shù)機械時間常數(shù)轉(zhuǎn)子慣量機殼環(huán)境熱阻繞組機殼熱阻繞組熱時間常數(shù)環(huán)境溫度范圍40—+100度繞組最高允許溫度+155度最高允許轉(zhuǎn)速15000rpm軸向間隙徑向間隙預(yù)載最大軸向載荷最大允許安裝力1300N最大徑向載荷25N電機磁極對數(shù)1相數(shù)3電機質(zhì)量275g電機熱時間常數(shù)1000s速度常數(shù)266mNm/V4 工業(yè)機器人球坐標型機械臂集成模塊化機構(gòu)設(shè)計 同步齒形帶傳動設(shè)計 同步帶輸出轉(zhuǎn)矩為:,輸出轉(zhuǎn)速為: w=300/s，單級傳動效率為: = 85%，傳動比i=10，取安全系數(shù)k=2, 則同步帶傳遞功率為: P=kTw/ 2=2x120π/（）=174W （41）設(shè)傳動比分配為: 第一級傳動i1=5，第二級傳動i2=2，帶輪依次為I、II、III、IV， 則: IV輪轉(zhuǎn)速:n1 =300/s=5r/min II、III輪轉(zhuǎn)速:n2 =n3 =2n4 =2x5=10r/min I輪 轉(zhuǎn) 速: n1= in4= 10x5=50r/min 初選中心距:L1=90mm, L2=100mm 求出設(shè)計功率Pd 由文獻[12]=，因為未使用張緊輪，又是減速運動，故文獻[12]。如圖9所示，設(shè)兩臂繞重心軸的轉(zhuǎn)動慣量為JG1根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為: J1=JG1+ml12 （31） 其中，m=20kg l1為重心到第一關(guān)節(jié)處的距離，其值為600mm 在式31中，JG1《m1l12可忽略不計 所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為: J1 = ml12 （32） =20 = 2 第一自由度無刷直流伺服電機的選擇設(shè)大臂旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為w0=300/s，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下(靜摩擦力矩忽略不計):T=Jw （33）式中:J一轉(zhuǎn)動慣量 2W0一角加速度 rad/s2使機器人大臂從w0=0到w1=300/s所需的時間為: △t= :T1=J1xW1=J1x(ww0)/t=（）=. 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為:T01= = =選擇行星齒輪減速器其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖12 行星齒輪箱 型號:GP 62 技術(shù)參數(shù)表1 行星齒輪箱的數(shù)據(jù)參數(shù)行星齒輪箱直齒輸出軸輸出軸輸出端軸承輸出端軸承徑向間隙（離法蘭7mm處）徑向間隙（離法蘭7mm處）向間隙軸向間隙最大允許軸向載荷最大允許軸向載荷最大允許安裝力最大允許安裝力輸入輸出旋轉(zhuǎn)方向輸入輸出旋轉(zhuǎn)方向推薦允許輸入速度推薦允許輸入速度推薦運行溫度范圍推薦運行溫度范圍最大連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩:減 速 比 : i1 =100:1重 量 : 設(shè)行星齒輪減速器的傳遞效率: =70%,步進電機應(yīng)輸出力矩為: Tow1=TO1/(i1. )=60/()= (34)選擇直流無刷伺服電機：EC 45表2 第一自由度無刷伺服電機參數(shù)額定電壓36V空載轉(zhuǎn)速6300rpm空載電流397mA額定轉(zhuǎn)速5590rpm額定轉(zhuǎn)矩318mNm額定電流堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩3160mNm堵轉(zhuǎn)電流最大效率85%相間電阻相間電感轉(zhuǎn)矩常數(shù)速度/轉(zhuǎn)矩常數(shù)機械時間常數(shù)轉(zhuǎn)子慣量209gcm2機殼環(huán)境熱阻繞組機殼熱阻繞組熱時間常數(shù)電機熱時間常數(shù)1570s環(huán)境溫度范圍20—+100度繞組最高允許溫度+125度最高允許轉(zhuǎn)速12000rpm軸向間隙徑向間隙預(yù)載最大軸向載荷20N最大允許安裝力170N最大徑向載荷180N電機磁極對數(shù)1相數(shù)3電機質(zhì)量1150g速度常數(shù)176rpm/v 第二自由度無刷伺服電機的選擇第二自由度是小臂的回轉(zhuǎn)運動，即俯仰運動，此時電機主要承受的主要是小臂軸回轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，則小臂產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為: T2=GL=200=設(shè)安全系數(shù)為2，同步帶減速比i=10，同步帶傳動效率為: =85% (單級傳動)。第三關(guān)節(jié)采用了具有自鎖功能的絲杠螺母傳動。又通過以上比較，由于步進電機的諸多優(yōu)點，初選上述方案中的步進電機方案進行詳細的計算和選擇，并在此基礎(chǔ)上參考同類機器人的驅(qū)動方案，最后確定一種適合我國國情的實施方案。尤其是稀土電機的應(yīng)用領(lǐng)域，遍及計算機、汽車、工業(yè)機器人、柔性制造系統(tǒng)、新型醫(yī)療設(shè)備、自動化儀表、變速制冷技術(shù)、防治機械、油山礦田等眾多的工業(yè)部門，從而展示了稀土永磁無刷電動機的廣闊前途和強大的生命力。 位置速度控制精度高用直接驅(qū)動的系統(tǒng)往往其運行特性要求具有很高的位置、速度控制精度。目前，隨著高科技領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)的實際需要，對電動機系統(tǒng)提出了各種各樣的要求。在定子中產(chǎn)生的熱量通過電動機機體傳導(dǎo)再散失到空氣中。所有電機都會發(fā)熱，但重要的是電動機的散熱路徑，因為如果散熱快，那么電動機就可以散去更多的熱量而避免損壞。在所有電動機的設(shè)計及運行中的一個重要問題是散熱，和其他設(shè)備發(fā)熱一樣，電動機所產(chǎn)生的熱量最終使其尺寸和功率的決定性因素。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動方式。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達到很高的精度。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，而且需要外圍轉(zhuǎn)換電路與微機配合實現(xiàn)數(shù)字控制。通常的機械臂驅(qū)動方式有以下四種:：可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低廉。3 工業(yè)機器人球坐標機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械臂驅(qū)動方案的對比分析及選擇對機械臂驅(qū)動裝置的一般要求如下: ，單位重量的輸出功率(即功率/重量比)要高，效率也要高。工業(yè)機器人球坐標機械臂的自由度包括大臂、小臂的旋轉(zhuǎn)運動以及小臂上的伸縮運動，為了使機器人的大臂轉(zhuǎn)動，所需要的最大轉(zhuǎn)矩是當小臂呈水平狀態(tài)，如圖21所示。方案一具有以下特點:，適合結(jié)構(gòu)特點，減速比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載能力大、噪音小、效率高、定位安裝方便，由于使用標準件，價格也不高。選擇減速方案可根據(jù)空間結(jié)構(gòu)要求，優(yōu)先選用標準諧波減速器，跨距轉(zhuǎn)大的傳動可選用同步帶傳動，力求一步到位，傳動簡單。，重量輕工業(yè)機器人要求抓取重量不大，動作范圍也很小，故體積很小，展開一般不超過一