【正文】 (4321) ha=ha* m=1*2=2 (4322) hf=(c* +ha* )m=(1+)*2= (4322) 28 齒條齒部彎曲強(qiáng)度的計算 齒條牙齒的單齒彎曲應(yīng)力： 210 */**6 sbhF xtF ?? 式中： xtF —— 齒條齒面切向力 b—— 危險截面處沿齒長方向齒寬 1h —— 齒條計算齒高 S —— 危險截面齒厚 從上面條件可以計算出齒條牙齒 彎曲應(yīng)力： ?0F? ***6 =上式計算中只按嚙合的情況計算的，即所有外力都作用在一個齒上了，實際上齒輪齒條的總重合系數(shù)是 （理論計算值），在嚙合過程中至少有 2個齒同時參加嚙合，因此每個齒的彎曲應(yīng)力應(yīng)分別降低一倍。 防護(hù)裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進(jìn)入導(dǎo)軌 ,以提高導(dǎo)軌壽命。 AK = 動載系數(shù) VK 齒輪傳動制造和裝配誤差是不可避免的，齒輪受載后還要發(fā)生彈性變形，因此引入了動載系數(shù)。 橫梁的強(qiáng)度與剛度的計算 由于橫梁是三個方向上尺寸相差不太多的箱體零件，用材料力學(xué)的強(qiáng)度分析方法不能全面地反應(yīng)它的應(yīng)力狀況。 ]＋ KPL/4GA[1－ 2（ D/∏ L） ] ＝ PL179。 二、活動橫梁的強(qiáng)度及剛度計算： 對桁架機(jī)器人，一般只校核活動橫梁承壓面上的擠壓應(yīng)力，對 Q235 應(yīng)力≤ 80MPa，尚需考慮活動橫梁的自重 G，其受力簡圖如下： ɑPɑPDG2DG2三缸大型液壓機(jī)活動橫梁受力圖 P 為側(cè)缸公稱力，簡化為一個集中力，重力 G/2 的作用點近似地取為半邊活動橫梁的重心處，許用應(yīng)力可取 6075MPa。此外，在出砂孔及與柱塞聯(lián)接的螺孔處，有出現(xiàn)裂紋的情況，這往往是由于聯(lián)接螺釘松動而造成的。＋ 4（ D/∏ L） 179。按簡支梁計算出的橫梁中間截面的應(yīng)力值和該處實測應(yīng)力值還比較接 近，因此作為粗略核算，這種方法還是可行的。 齒輪齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度計算 齒輪受載時，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。 小齒輪的強(qiáng)度計算 計算斜齒 圓柱齒輪傳動的接觸應(yīng)力時，推導(dǎo)計算公式的出發(fā)點和直齒圓柱齒輪相似，但要考慮其以下特點：嚙合的接觸線是傾斜的，有利于提高接觸強(qiáng)度 ；重合度大， 31 傳動平穩(wěn)。 齒部彎曲安全系數(shù) S = b? / 01F? = 因此，齒條設(shè)計滿足彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計要求。 f. 貨叉為一般工作機(jī)械，速度不高，故選用 7級精度（ GB/009588） 。 代 入數(shù)據(jù)得： 3 ??????? B H lm ?外 kg 3 ??????? bhlm ?內(nèi) kg ???? 內(nèi)外 mm kg 同理有： ?臂 kgm2 ?手腕J kgm2 ?負(fù)載J kgm2 ??? ?lv? rad/s ???? tJM ?總慣 N m） () ? ? /M J J J t?? ? ?慣 手 腕 負(fù) 載 啟臂（ N 圖 90BYG 步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 17 圖 90BYG5200BSAKRML0301 型 步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線 齒輪齒條的設(shè)計計算 1. 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) a. 選直齒圓柱齒輪 。 將數(shù)據(jù)代入計算得： ? ?lRvm 2221Rπ ??? ?? ? ? 223 ?????? ? kg ??? lv? r/s 22 ???? lmJ 負(fù)負(fù) kg 根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計算公式 [15]： 慣負(fù)摩總 MMMM ??? （ ） 總摩 MM ? （ ） 啟慣 tJm glM /??? （ ） 啟負(fù)負(fù)負(fù) tJglmM /??? （ ） ? ?lRRvm .π 2221 ??? ?? （ ） 2lmJ 負(fù)負(fù) ? （ ） 15 ? ?22212 23 RRmmlJ ??? （ ） lv/?? （ ） 式中： 總M — 偏轉(zhuǎn)所需力矩（ N平移型的特點是當(dāng)手爪夾緊和松開工件時，手指作平移運動 ，并保持夾持中心固定不變，不受工件直徑變化的影響。常用的手部 按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類，本課題采用夾持類手部。夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。為了使末端執(zhí)行器能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂和機(jī)身的運動設(shè)計上具有 4 個自由度。 機(jī)構(gòu)整體設(shè)計 綜合考慮桁架機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)和作業(yè)環(huán)境，采用了 5 個自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人。一般有永磁式和電磁式，在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制，每輸入一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)就進(jìn)行回轉(zhuǎn)一定的角度，脈沖數(shù)與角度數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序。這類桁架機(jī)器人一般由 2 個肩關(guān)節(jié)和 1個肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由 2 個或 3個腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。然而，國外已經(jīng)設(shè)計出純陶瓷的桁架機(jī)器人臂了。所以在選擇材料時，需要對質(zhì)量、剛度、強(qiáng)度、彈性進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的運動性能。而在其有負(fù)載時，末端執(zhí)行器 (手爪 )通常要和物體直接接觸，為了安全起見，務(wù)必要盡量減少手臂的運 動速度。 交流伺服電機(jī)驅(qū)動。 機(jī)身采用立柱式，桁架機(jī)器人側(cè)面行走，順利完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。輕型化與靈活性和抓取能力是一對矛盾，此外還要考慮到由此帶來的整體結(jié)構(gòu)剛性的降低，在 靈活性和輕量化之間必須做出選擇。 本文研究主要內(nèi)容 通過利用網(wǎng)絡(luò)工具、圖書館的書籍和各類期刊、雜志查閱了解桁架機(jī)器人的相關(guān)知識，確定本設(shè)計符合要求，滿足需要。多采用 5 或 6 自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運動空間，并可做復(fù)雜的軌跡運動，其腕部一般有 2～ 3 個自由度，可靈活運動。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。不過目前還是以液壓和氣動用的最多。 4機(jī)器人能持久、耐勞，可以把人從繁重的勞動中解放出來，人在連續(xù)工作幾個小時后，總會感到疲勞或厭倦，以機(jī)器人代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽 2 而造成的人身事故。 機(jī)器人的特點 1機(jī)器人能進(jìn)行自動化生產(chǎn)，降低成本。機(jī)器人產(chǎn)品的應(yīng)用已經(jīng)由核工業(yè)和軍事科技等高端科學(xué)領(lǐng)域向醫(yī)療、農(nóng)業(yè)甚至是服務(wù)娛樂等民用領(lǐng)域發(fā)展了，并且各式各樣的機(jī)器人正在涌現(xiàn)出來，以驚人的速度延伸到人類活動的各個領(lǐng)域。結(jié)合設(shè)計的各方面的知識，在設(shè)計過程中學(xué)會怎樣發(fā)現(xiàn)問題。采用機(jī)器人是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，減輕勞動強(qiáng)度的一種有效手段。盡力使機(jī)器人使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。所以說機(jī)器人的發(fā)展是社會發(fā)展的結(jié)果，也是社會發(fā)展的必然趨勢。 2機(jī)器人能使產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定，減少人工污染。并通過改變程序和自由度來達(dá)到迅速改變作業(yè)的可能性。定位精度高，克實現(xiàn)任意位置開停。 控制機(jī)構(gòu) 機(jī)器人的控制方式有點動和連續(xù)控制兩種方式。桁架機(jī)器人廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門 。 4 2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計 本文的重要任務(wù)是完成桁架機(jī)器人的設(shè)計，本章內(nèi)容是圍繞桁架機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計任務(wù)來展開，介紹桁架機(jī)器人執(zhí)行機(jī) 構(gòu)設(shè)計思路。 坐標(biāo)形式的選擇 桁架機(jī)器人的坐標(biāo)形式主要可分為：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型另外還有比較復(fù)雜的 SCARA 型和并聯(lián)型 [9]。這類桁架機(jī)器人具有占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、位置精度尚可等特點，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，但避障性差，存在著平衡問題，位置誤差與臂長有關(guān)。為了安全起見，有效負(fù)載是指高速運行時的有效負(fù)載。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍的選擇。在選擇手臂材料時，可控性還要和材料的可加工性、成本、質(zhì)量等性質(zhì)一起考慮。 8 機(jī)械臂的運動方式 根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。肘關(guān)節(jié)平行于第二個肩關(guān)節(jié)軸線，如圖所示。主要有永磁式、反應(yīng)式、永磁感應(yīng)子式三種。為了提高功率效率比，伺服電機(jī)制成高轉(zhuǎn)速，經(jīng)齒輪減速后帶動機(jī)械負(fù)載。這種結(jié)構(gòu)動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，工作空間大，占地面積 小，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，關(guān)節(jié)需要的驅(qū)動力矩小，能量消耗較少，關(guān)節(jié)相對運動部位容易密封防塵。 10 3 桁架機(jī)器人氣爪結(jié)構(gòu)設(shè)計 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 手爪種類 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。手 指的最小開度由加工 工件的直徑來調(diào)定。手部處于腕部的最前端，工因此，在設(shè)計手部時，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。手部傳動機(jī)構(gòu)可分回轉(zhuǎn)型、平動型和平移型。 12 圖 21 手部裝配圖 計算分析 因工件運動速度引起視在重量增加情況下 的夾緊力計算 機(jī)器人手臂停止?fàn)顟B(tài)開始的直線運動和旋轉(zhuǎn)運動的組合，所以伴隨有速度和加速度 .工件有了加速度，其視在重量就變化。 m）； 慣M — 啟動時慣性阻力矩（ N m 啟慣 tJm glM /??? ?????? ? ? N選擇齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為 280HBS，齒條材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為 240HBS； d. 初選齒輪齒數(shù)為 Z=20。 m2) () /lMF? () 式中： lM —— 臂轉(zhuǎn)動所需的轉(zhuǎn)矩（ N m 1 8 ??? lMF N 圖 是北京和利時電機(jī)技術(shù)有限公司部分 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)。 4. 按齒面接觸強(qiáng)度計算 設(shè)計公式為 dt≧ ? ?3 22 11dkTHZE??? ?? (431) c. 確定公式內(nèi)各參數(shù)的值。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌： （ 1）選 BR直線滾動導(dǎo)軌 導(dǎo)軌 ,E 級精度 .查得 ,fh=1,ft=1,fc=,fα =1,fw=1. （ 2） 工作壽命每天 8 小時，連續(xù)工作 5年， 250/年 ,額定壽命為 : Lh=5 250 8=10000 h,每分鐘往復(fù)次數(shù) nz=8 L=(2lsnz60Lh)/(103)=(286038400)/ (10 3)=11428Km 計算四滑塊的載荷 ,工作臺及其物重約為 4000N 29 計算需要的動載荷 Cα P=110/4= Cα =( fwP)247。此外，在同時嚙合的齒對間，載荷的分配不是均勻的，即使在一對齒上， 載荷也不可能沿接觸線均勻分布。因此，齒根彎曲強(qiáng)度也應(yīng)按載荷作用于單對齒嚙合區(qū)最高點來計算。 （ 1） 桁架機(jī)器人工作的公稱力簡化為作用于法蘭重心上的兩個集中力，如下圖： L/2 L/2P /2D / π D / πP /2 P /2 P /2單缸液壓機(jī)上橫梁受力簡圖 最大彎矩在梁的中點： Mmax =P/2（ 1/2 － D/∏ ） 式中： P — 公稱壓力（ N） ； D — 接觸面平均直徑（ cm）； L — 立柱寬邊中心距（ cm）。） ； G — 梁的剪切彈性模量（ N/㎝178