【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m=1mm 則齒輪的主要幾何尺寸如下： 取 C. 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式： 經(jīng)過查表得：；。 按不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕，查得：， ；查出：； 查表選出 則有： 將確定出的各項(xiàng)數(shù)值帶入接觸強(qiáng)度校核公式，得： 因此齒輪的接觸強(qiáng)度滿足要求。根據(jù)同樣的計(jì)算步驟可以計(jì)算出該傳動(dòng)方案中其他齒輪的各參數(shù)，現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果列表如下表32： 齒數(shù)Z20562056205622701958分度圓直徑d（mm）205620562056齒寬B（mm）1210121012107597模數(shù)m(mm)111111表32 后萬向輪傳動(dòng)計(jì)算1）電機(jī)的選擇A．電機(jī)類型的選擇由于傳動(dòng)性質(zhì)與左右兩驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng)性質(zhì)相同，因此這里的電機(jī)仍選用直流伺服電機(jī)C． 選擇電機(jī)的容量輪子的直徑選為70mm，即D=70mm，R=35mm。這時(shí)分配到每個(gè)輪子上的載荷為： 滾動(dòng)摩阻Mf和摩擦力f的計(jì)算與前同。即： 則輪子行走過程中所受的阻力矩： 工作機(jī)要求的功率 式中：由取則有： 電機(jī)所需的輸出的功率由傳動(dòng)方案圖可知： 式中：為渦輪嚙合效率，. 為軸承的傳動(dòng)效率，； 為齒輪嚙合的效率，；故有： 則有： 查閱《新編非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選擇直流伺服電機(jī)55SZ51，電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表33所示：型號(hào)電壓(V)電流(A)功率(W)轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)矩(Ncm)電樞勵(lì)磁電樞勵(lì)磁55SZ51 24 29 3000 表332）渦輪蝸桿的計(jì)算由于渦輪軸即為車輪軸，因此渦輪轉(zhuǎn)速即為輪子的轉(zhuǎn)速，為120r/min，渦輪軸為電機(jī)軸，轉(zhuǎn)速為3000r/min，則傳動(dòng)比為A．選擇渦輪﹑蝸桿材料，確定許用應(yīng)力由于該傳動(dòng)作為應(yīng)急傳動(dòng)，要求其要可靠，所以蝸桿材料為40Cr，表面淬火，硬度45～50HRC；由于該渦輪蝸桿傳動(dòng)只是備用傳動(dòng)，并且轉(zhuǎn)速不高，因?yàn)闇u輪材料為ZcuA110Fe3Mn2,金屬模鑄造。應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 查表得： 因此有： B．選擇,傳動(dòng)比i=25，取=2,則=i=225=50 齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式為： 查表得。由于，??；因載荷平穩(wěn)， ??；則載荷系數(shù) =。初選=mm查表得：；將這些數(shù)據(jù)帶入接觸強(qiáng)度計(jì)算公式，求得：按接觸強(qiáng)度要求，因此可以選取：中心距 由于a=30mm不是標(biāo)準(zhǔn)推薦中心距，如選擇標(biāo)準(zhǔn)中心距，渦輪將變位。本設(shè)計(jì)不采用變位，取a=30mm不變。D． 演算初設(shè)參數(shù) 渦輪圓周速度原估計(jì)，選值，相符。滑動(dòng)速度，所選渦輪材料ZcuAl10Fe3Mn2合適。 蝸桿傳動(dòng)效率 查表得傳動(dòng)效率初選吻合。E． 驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算公式：蝸輪當(dāng)量齒數(shù)，查得齒形系數(shù) 則可求得：，帶入上市中可得： 彎曲強(qiáng)度滿足要求F． 蝸桿、渦輪幾何尺寸計(jì)算蝸桿齒根圓直徑： 蝸桿齒寬： 取蝸輪喉圓直徑： 蝸輪齒根圓直徑：蝸輪咽喉母圓半徑：4） 超越離合器的選擇蝸輪與車輪軸之間應(yīng)該安裝一超越離合器，機(jī)器人正常時(shí)，超越離合器處于超越狀態(tài)，當(dāng)遇到左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪被架空時(shí)超越離合器處于嚙合狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)動(dòng)力通過蝸桿蝸輪和超越離合器傳遞到車輪軸上，驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)。選擇超越離合器時(shí)應(yīng)該以計(jì)算出的車輪的扭矩Tw作為主要指標(biāo)，同時(shí)還應(yīng)該考慮蝸輪直徑和車軸的直徑。通過查閱相關(guān)信息，選擇洛陽高新超越機(jī)械有限公司的HFL沖壓外圈滾針超越離合器，這種離合器是一種具有最小徑向截面的外星輪式超越離合器。它由薄壁沖壓外圈、塑料保持架、鑲嵌于保持架中的金屬異型彈簧和裝于保持架兜孔中的滾針組成，滾針是鎖緊原件。我選擇的產(chǎn)品型號(hào)為HF1416，極限轉(zhuǎn)速為9500r/min。 張緊啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 氣缸的選擇機(jī)器人垂直上爬時(shí)，對(duì)其各輪子進(jìn)行受力分析，： 機(jī)器人垂直上升輪子受力G為機(jī)器人自重，50Kg；G1為垂直攀爬載重，10Kg。由力的平衡有等式：式中： F為氣缸的張緊力 所以代入可得： 故有：代入數(shù)值可得： 所以：F=2940(N)由于在汽缸的使用中采用了2倍增力機(jī)構(gòu)，因此汽缸的實(shí)際推力為： 有公式: 可得： 式中：為氣缸的靜推力； D為氣缸活塞的直徑； P為氣壓； 為載荷率。由于這里對(duì)氣缸的動(dòng)態(tài)參數(shù)要求低，且氣缸的工作頻率低，，則有：查閱手冊(cè)選取廣東肇慶方大氣動(dòng)有限公司生產(chǎn)的氣缸內(nèi)徑為的10A5系列氣缸，該系列產(chǎn)品引進(jìn)日本TAIYO株式會(huì)社技術(shù)，主要零部件用鋁合金制造，重量輕，無給油潤滑。其使用壓力范圍為（）MPa，使用溫度范圍為（2580）℃。 啟動(dòng)輔助元件和回路的選擇設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)汽缸的來回動(dòng)作，氣動(dòng)回路中必須有換向閥，這里的換向閥應(yīng)為兩位三通換向閥，查閱手冊(cè)，選擇無錫市華通氣動(dòng)制造有限公司生產(chǎn)的PC系列二位四通直動(dòng)式電磁閥，其技術(shù)規(guī)格如下表34：型號(hào)工作介質(zhì)工作壓力/MPa額定流量/ 最高換向頻率/Hz允許泄漏量/工作壓力/VPC241/2潔凈壓縮空氣10110表34另外，在氣缸的使用中，安裝的氣源進(jìn)口必須設(shè)置有氣源調(diào)節(jié)裝置，過濾器減壓閥油霧器，在市場(chǎng)中吧這三種裝置做成一個(gè)組合件，即三聯(lián)件，它在氣動(dòng)系統(tǒng)中起著過濾、調(diào)壓及油霧的作用。這里，我們選擇了無錫市華通氣動(dòng)制造有限公司生產(chǎn)的389系列三聯(lián)件，其輸出壓力為1MPa。選擇了上述氣缸和各種閥后，便可以畫出氣動(dòng)系統(tǒng)原理回路如圖： 氣動(dòng)系統(tǒng)原理﹑蝸輪蝸桿的尺寸計(jì)算這部分齒輪和蝸輪蝸桿的計(jì)算步驟與行走載體的齒輪和蝸輪蝸桿傳動(dòng)計(jì)算步驟相類似，這里只給出計(jì)算結(jié)果如下表36和37 齒輪 蝸輪蝸桿 齒輪Z1872 2 24 分度圓直徑d 18 72 14 48 模數(shù)m 1 1 2 2 表36 齒輪 蝸輪蝸桿 齒輪Z19 57 2 28 分度圓直徑d 19 57 10 35 模數(shù)m 1 1 表37 軸的設(shè)計(jì)﹑計(jì)算和校核本設(shè)計(jì)中的軸大部分都是以心軸的形式存在的，即只承受彎矩而不承受扭矩，但輸出軸既承受彎矩也承受扭矩，因此這里只討論行走載體的輸出軸的設(shè)計(jì)校核過程。1） 初估軸頸 一般按照許用扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力的方法估算軸徑，估算公式為： 主軸采用40Cr，C取98—107，這里取100則對(duì)輸出軸：2） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在最小軸徑的基礎(chǔ)上，根據(jù)軸上零件的位置﹑類型﹑尺寸，以及定位﹑定位方式和載荷情況，我們就可以設(shè)計(jì)階梯軸的軸向尺寸和形狀，對(duì)于要與例如軸承等標(biāo)準(zhǔn)零件配合的部分，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的軸徑，其他部分的軸徑和軸肩尺寸，只要略高于前端軸徑即可。在進(jìn)行機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到具體的結(jié)構(gòu)定位問題，把IV軸和VI軸做成是同一根軸，對(duì)于其是否滿足強(qiáng)度要求可以通過下面對(duì)軸的強(qiáng)度校核來說明。經(jīng)過具體的設(shè)計(jì)，： 行走機(jī)構(gòu)輸出軸3） 軸的校核由于機(jī)器人水平行走和垂直行走要求不同的傳力路線，這里以垂直行走的傳力路線校核軸的強(qiáng)度。對(duì)輸出軸進(jìn)行受力分析， 輸出軸受力分析其中： 由于齒輪6和齒輪7為通過軸承空套在軸上，因此其切向力和對(duì)軸的彎矩不產(chǎn)生影響，只需考慮徑向力和。另外，是通過兩端的深溝球軸承作用在軸上的，而由于離軸端很近，可認(rèn)為其直接作用在軸端，經(jīng)過以上分析， 受力簡(jiǎn)化圖圖中： 把其中受力分解為水平和垂直兩個(gè)方向：： 水平受力求得支反力：, 剪力圖彎矩圖： 垂直方向受力圖求得支反力：， ： 垂直方向剪力圖 彎矩圖從彎矩圖上可以看出，軸的危險(xiǎn)截面為Ⅰ﹑Ⅱ﹑Ⅲ﹑Ⅳ截面，求得各截面的合成彎矩如下： 按彎矩合成校核軸的強(qiáng)度：對(duì)Ⅰ﹑Ⅱ截面，由于其半徑相同，只需校核I截面即可： 對(duì)截面Ⅲ: ,由于截面Ⅲ帶有鍵槽，查得此時(shí)的抗彎截面系數(shù)，代入數(shù)值得： 所以對(duì)截面Ⅳ，其只受彎矩的作用，故有： 輸出軸材料采用40Cr，其許用彎曲應(yīng)力，由此可見，該軸的幾個(gè)危險(xiǎn)截面滿足強(qiáng)度要求。 軸承的壽命計(jì)算這里計(jì)算輸出軸上的角接觸球軸承的壽命。(1) 計(jì)算軸承所受的徑向載荷R1和R2由前面軸的校核計(jì)算已知：水平支反力, 垂直支反力， 求得合成支反力： (2) 計(jì)算軸承的軸向載荷A1和A2由于成對(duì)安裝兩個(gè)同一型號(hào)的角接觸處可按雙列軸承的數(shù)值，查得內(nèi)徑為17mm的雙列角接觸球軸承的C=14KN,Co=。軸承內(nèi)部派生軸向力S=eR，其中e為判斷系數(shù)，其值有的大小來確定，先估取e=，則有： 因?yàn)?所以軸承1“放松”，軸承2“壓緊” 因此 求得，代入公式在此計(jì)算得：同理由軸向載荷判斷比較知軸承1“放松” 、軸承2“壓緊”，故有： (3) 計(jì)算軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷P1和P2 因?yàn)? 查表得徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)為： 軸承1 , 。 軸承2 , (選公稱接觸角a=5176。的角接觸球軸承，其動(dòng)載荷系數(shù)按深溝球軸承取) 因?yàn)?故應(yīng)以計(jì)算軸承的壽命： 4機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)的管道通過性分析機(jī)器人在直線方管中能通過的最小管道尺寸：438mm(寬)294mm(高)而確定機(jī)器人的彎道通過性是十分重要的，因?yàn)楣艿罊C(jī)器人在管道彎道行走時(shí)，如管道環(huán)境和機(jī)器人尺寸不適應(yīng)，可能會(huì)產(chǎn)生卡住現(xiàn)象，造成機(jī)器人在管道內(nèi)進(jìn)退兩難。因此機(jī)器人要能安全通過彎道，必須充分考慮管道的通過性。 管道機(jī)器人在水平直角彎管的通過性分析 如下圖： 普通垂直相交管道情況。設(shè)管道寬度一端為a，另一端b，機(jī)器人長(zhǎng)l，如圖所示正通過矩形管直角彎道。以圖中O點(diǎn)為原點(diǎn)，建立圖示坐標(biāo)系，設(shè)機(jī)器人的一邊始終沿著管道外側(cè)運(yùn)動(dòng)，即B點(diǎn)始終在x軸上，C點(diǎn)始終在Y軸上，保證最大限度地利用管道空間。在BC連線從x軸運(yùn)動(dòng)到Y(jié)軸的過程中，A點(diǎn)到BC線段最短距離就是該彎角所能允許的最大機(jī)器入寬度，由此可判定機(jī)線段最短距離就是該彎角所能允許的最大機(jī)器入寬度，由此可判定機(jī)器人的寬度能否通過該彎道。，可得出BC連線的兩點(diǎn)式方程式 化簡(jiǎn)得 則A點(diǎn)(a,b)到該直線的距離d為 設(shè)機(jī)器人允許最大寬度為mmax，則當(dāng)θ(0, )時(shí)，dmin=mmax其中需要說明的是當(dāng)0時(shí)，表明A點(diǎn)在BC 之上，反之則A點(diǎn)在BC之下，顯然，本題情況只有A點(diǎn)在BC之上時(shí)才合理。對(duì)于該問題曾嘗試過解析解，但結(jié)果相當(dāng)復(fù)雜。故該問題可根據(jù)具體的管道和機(jī)器人尺寸計(jì)算相應(yīng)的mmax，如果機(jī)器人尺寸小于mmax則可以通過彎角，反之則不能。在管道中常見的相交兩管等寬的情況屬于該問題的一個(gè)特例，即A點(diǎn)坐標(biāo)為(a，a)，該情況下求出dmin時(shí)，θ=45176。，可直接用求解?？傻胊=,可取490mm 所以機(jī)器人能通過的直角彎管最小管道寬度為490mm 管道機(jī)器人在矩形管水平圓弧形彎頭的通過性分析，圓管半徑 R，寬a。同樣假設(shè)機(jī)器人機(jī)體沿管道最外沿運(yùn)動(dòng)，從而充分利用管道空間。該情況下，可通過幾何關(guān)系得出所允許的機(jī)體寬最大值mmax。分析如下： 通過矩形圓弧彎頭的情況如圖所示尺寸，管道內(nèi)邊半徑R，外邊半徑R+。由=R+,=,有 化簡(jiǎn)得 通過以上分析計(jì)算，就可以根據(jù)具體的管道情況設(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)體尺寸，或者驗(yàn)證已成形的管道機(jī)器人能否通過實(shí)際的管道。計(jì)算完成后應(yīng)該在算得的數(shù)據(jù)上加安全系數(shù)，以排除管道內(nèi)其它位置因素的影響，確保機(jī)器人可以順利通過矩形管道的彎角。5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)工作是一個(gè)反復(fù)進(jìn)行不斷修改尋優(yōu)的過程。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，要考慮結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求﹑剛度要求﹑裝配的精度要求﹑確保各個(gè)零件的可裝配性外，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊和便于安裝。在進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)的過程中，我把機(jī)器人的設(shè)計(jì)分為兩大主要部分：移動(dòng)載體﹑張緊裝置，采用模塊化設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，具有便于安裝和維修更換零部件的優(yōu)點(diǎn)。把機(jī)器人的移動(dòng)本體﹑張緊機(jī)構(gòu)分別獨(dú)立加工裝配，然后組裝在一起。這樣對(duì)于各個(gè)部件的維修和更換是很方便的。行走載體主要包括一系列減速齒輪，為了使結(jié)構(gòu)緊湊，同一軸上的兩個(gè)齒輪做成一個(gè)整體，軸承外圈依靠過盈裝在齒輪組合體上，依靠?jī)?nèi)圈與軸肩實(shí)現(xiàn)才、軸肩定位。支承軸固定不動(dòng)，只承受彎矩作用。考慮到管道內(nèi)壁不會(huì)嚴(yán)格是平面，故在張緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，輪子與增力連桿之間設(shè)有球鉸，使得機(jī)器人在管道內(nèi)壁有輕微傾斜的情況下仍能保證張緊輪同時(shí)與管壁接觸。張緊機(jī)構(gòu)與行走本體的連接是通過下殼體氣缸座和氣缸尾部的連接與增力連桿和上殼體的連接裝配在一起的。6. 總結(jié)與展望作為一種代替