【正文】 Z1Z2）/8=（2x801360）= L1=M1+=取整，則L1=100mm 同理可得：M2= L2=取整，則L2=115mm進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)[13]表420可以查Pb==,同步帶寬為: bs=(Pd/P0KZ)1/=()1/=查文獻(xiàn)【13】表425得帶寬的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)功率，故帶的傳動(dòng)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(hào)為66000，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。 帶輪軸設(shè)計(jì)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(jì)機(jī)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(guò)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(jiàn)圖紙。本文主要完成了工業(yè)機(jī)器人球坐標(biāo)型機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。球坐標(biāo)機(jī)械臂三個(gè)關(guān)節(jié)均選用價(jià)格低廉的直流無(wú)刷伺服電機(jī)。此次設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)將近三個(gè)月的努力，但還沒(méi)有盡善盡美，還要根據(jù)社會(huì)的需求不斷改進(jìn)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(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，本文的選題、論證、課題研究以及論文的撰寫(xiě)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(duì)上述老師、同學(xué)表示衷心感謝。我還要感謝父母這些年來(lái)對(duì)我無(wú)怨無(wú)悔的支持和幫助，是他們供養(yǎng)我完成了整個(gè)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(jī)電工程學(xué)院四年來(lái)對(duì)我的栽培和培養(yǎng)。在論文完成之際，謹(jǐn)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(huì)更加努力地拼搏，不辜負(fù)各位老師的期望和厚愛(ài)。時(shí)光飛逝，轉(zhuǎn)眼間我已是一個(gè)即將畢業(yè)的大學(xué)生，大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中得到了充分的應(yīng)用和發(fā)展。第二個(gè)關(guān)節(jié)采用了同步齒形帶的傳動(dòng)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(gè)自由度為移動(dòng)關(guān)節(jié)。工業(yè)機(jī)器人球坐標(biāo)型機(jī)械臂將在輕型、較簡(jiǎn)單且要求機(jī)器人價(jià)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(jī)械臂中主要是輔助的作用，承載小臂軸的重量。機(jī)械臂的整個(gè)機(jī)身的重量都?jí)涸诹说装嫔?，因此，以保證足夠的強(qiáng)度。絲杠上設(shè)置一對(duì)向心球軸承支撐，軸承型號(hào)為0000。 大臂輸出軸設(shè)計(jì)圖15 大臂輸出軸 由式33知，此軸的設(shè)計(jì)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(dāng)量摩擦系數(shù)fw=. 當(dāng)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(qiáng)度、穩(wěn)定性均合格，且能自鎖。 絲杠剛度計(jì)算 一個(gè)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(jī)所需輸出最小轉(zhuǎn)矩為: Tow3=2T==選擇混合式步進(jìn)電機(jī)(北京四通電機(jī)公司產(chǎn)品)型 號(hào) :ECmax 30表3 第三自由度無(wú)刷伺服電機(jī)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(jī)械時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)子慣量機(jī)殼環(huán)境熱阻繞組機(jī)殼熱阻繞組熱時(shí)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(jī)磁極對(duì)數(shù)1相數(shù)3電機(jī)質(zhì)量275g電機(jī)熱時(shí)間常數(shù)1000s速度常數(shù)266mNm/V4 工業(yè)機(jī)器人球坐標(biāo)型機(jī)械臂集成模塊化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 同步齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 同步帶輸出轉(zhuǎn)矩為:,輸出轉(zhuǎn)速為: w=300/s，單級(jí)傳動(dòng)效率為: = 85%，傳動(dòng)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(dòng)比分配為: 第一級(jí)傳動(dòng)i1=5，第二級(jí)傳動(dòng)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(jì)功率Pd 由文獻(xiàn)[12]=，因?yàn)槲词褂脧埦o輪，又是減速運(yùn)動(dòng)，故文獻(xiàn)[12]。如圖9所示，設(shè)兩臂繞重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(jì) 所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: J1 = ml12 （32） =20 = 2 第一自由度無(wú)刷直流伺服電機(jī)的選擇設(shè)大臂旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為w0=300/s，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下(靜摩擦力矩忽略不計(jì)):T=Jw （33）式中:J一轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2W0一角加速度 rad/s2使機(jī)器人大臂從w0=0到w1=300/s所需的時(shí)間為: △t= :T1=J1xW1=J1x(ww0)/t=（）=. 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(hào):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(yùn)行溫度范圍推薦運(yùn)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(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為: Tow1=TO1/(i1. )=60/()= (34)選擇直流無(wú)刷伺服電機(jī)：EC 45表2 第一自由度無(wú)刷伺服電機(jī)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(jī)械時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)子慣量209gcm2機(jī)殼環(huán)境熱阻繞組機(jī)殼熱阻繞組熱時(shí)間常數(shù)電機(jī)熱時(shí)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(jī)磁極對(duì)數(shù)1相數(shù)3電機(jī)質(zhì)量1150g速度常數(shù)176rpm/v 第二自由度無(wú)刷伺服電機(jī)的選擇第二自由度是小臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即俯仰運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電機(jī)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(dòng)效率為: =85% (單級(jí)傳動(dòng))。第三關(guān)節(jié)采用了具有自鎖功能的絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)。又通過(guò)以上比較，由于步進(jìn)電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，初選上述方案中的步進(jìn)電機(jī)方案進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和選擇，并在此基礎(chǔ)上參考同類(lèi)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方案，最后確定一種適合我國(guó)國(guó)情的實(shí)施方案。尤其是稀土電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，遍及計(jì)算機(jī)、汽車(chē)、工業(yè)機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)、新型醫(yī)療設(shè)備、自動(dòng)化儀表、變速制冷技術(shù)、防治機(jī)械、油山礦田等眾多的工業(yè)部門(mén)，從而展示了稀土永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的廣闊前途和強(qiáng)大的生命力。 位置速度控制精度高用直接驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)往往其運(yùn)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(shí)際需要，對(duì)電動(dòng)機(jī)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(guò)電動(dòng)機(jī)機(jī)體傳導(dǎo)再散失到空氣中。所有電機(jī)都會(huì)發(fā)熱，但重要的是電動(dòng)機(jī)的散熱路徑，因?yàn)槿绻峥?，那么電?dòng)機(jī)就可以散去更多的熱量而避免損壞。在所有電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行中的一個(gè)重要問(wèn)題是散熱，和其他設(shè)備發(fā)熱一樣，電動(dòng)機(jī)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(lèi)問(wèn)題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)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(pán)的反饋可達(dá)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(jī)配合實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。通常的機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)方式有以下四種:：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低廉。3 工業(yè)機(jī)器人球坐標(biāo)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)方案的對(duì)比分析及選擇對(duì)機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)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(jī)器人球坐標(biāo)機(jī)械臂的自由度包括大臂、小臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及小臂上的伸縮運(yùn)動(dòng)，為了使機(jī)器人的大臂轉(zhuǎn)動(dòng)，所需要的最大轉(zhuǎn)矩是當(dāng)小臂呈水平狀態(tài)，如圖21所示。方案一具有以下特點(diǎn):，適合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)件，價(jià)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(biāo)準(zhǔn)諧波減速器，跨距轉(zhuǎn)大的傳動(dòng)可選用同步帶傳動(dòng)，力求一步到位，傳動(dòng)簡(jiǎn)單。，重量輕工業(yè)機(jī)器人要求抓取重量不大，動(dòng)作范圍也很小，故體積很小，展開(kāi)一般不超過(guò)一