【文章內(nèi)容簡介】 末桿 在空間取任意方向。如果 末桿 的自轉(zhuǎn)角 ? （即 n? ）也滿足 00 3600 ??? ， 就說該操作機(jī)具有最大的靈活度，即可自任意方向抓取物體并可把抓取的物體在空間 擺成 任意姿態(tài)。為了定量的說明操作機(jī)抓取和擺放物體的靈活程度， 定義組合靈度（ dex)為： 000 %%%3 6 0 3 6 0 3 6 0d e x X X X X X X? ? ?? ? ? ? ? ? (21) 上式取加的形式但一般不進(jìn)行加法運(yùn)算，因?yàn)榉珠_更能表示機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。 腕結(jié)構(gòu)最重要的評價(jià)指標(biāo)就是 dex 值。若為三個(gè)百分之百，該手腕就是最靈活的手腕。一般說來 ? 、 ? 的最大值取 0360 ，而 ? 值可取的更大一些，如果擰螺釘，最好 ? 無上限。 腕結(jié)構(gòu)是操作機(jī)中最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因傳動(dòng)系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求是：重量輕， dex 的組合值必須滿足工作要求并留有一定的裕量（約 5%10%），傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單并有利于小臂對整機(jī)的靜力平衡。 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇 ??4 通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下三種 ： a. 電動(dòng)驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 是目前使用最廣泛的驅(qū)動(dòng)器 。 它的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，但它們多與減速裝置相連，直接驅(qū)動(dòng)比較困難 。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器又分為直流（ DC） 、 交流（ AC）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 。 后者多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng) 。 直流伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的電刷易磨損，且易形成火花 。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來交流伺服電機(jī)正逐漸取代直流伺服電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)器 。 b. 液壓驅(qū)動(dòng)器 液壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，可省去減速裝置，能直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度，但需要增設(shè) 液壓源，而且易產(chǎn)生液體泄露，故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。 c. 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源，結(jié)構(gòu)都比較簡單 ， 但與液壓驅(qū)動(dòng)器相比，同體積條件下功率較小（因壓力低），而且速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制系統(tǒng) 。 通過比較以上三種驅(qū)動(dòng)方式，因此本課題的機(jī)器人將采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器中的直流伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 因?yàn)?直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。而交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià) 格要貴一些。 手腕電機(jī)的選擇 ??5 a. 擺腕電機(jī)的選擇 手腕的最大負(fù)荷重量1 5m kg?初估腕部的重量 kgm 32 ? ， 最大運(yùn)動(dòng)速度V=2m/s，則 功率 8 10 2 160 。P FV m gV W? ? ? ? ? ? 取安全系數(shù)為 ， 39。 160 192 。P P W? ? ? ? 考慮到傳動(dòng)損失和摩擦，最終的電機(jī)功率 200 。pW額 ＝ 又因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)周期 T=， 即 m in/ rn ??? ； 則所需電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速為 m i n/100010100100 rin ????? ； 所以選取寬調(diào)速永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)其技術(shù)參數(shù)見表 21。 表 21 SZYX82寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù) 規(guī)格型號 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 額定電壓 SZYX82 48V 最高電流 最高轉(zhuǎn)速 允許轉(zhuǎn)速差 ? 10% 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1500r/min 150 該電機(jī)具有精度高，響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，加速度大，力矩波動(dòng)小，線性度好，過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。 b. 轉(zhuǎn)腕及腕部內(nèi)電機(jī)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)腕部分的電機(jī)后緊跟輸出軸和聯(lián)軸器，直接帶動(dòng)手腕旋轉(zhuǎn)，故在此應(yīng)選擇轉(zhuǎn)速較低的型號電機(jī)，又由于要求手腕的重量較輕，便于靈活的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此要求腕部內(nèi)電機(jī)較小，故選 SH 直流伺服電動(dòng)機(jī) 型，其安裝尺寸為 42mm，垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 10 電機(jī)重量僅為 ， 可容許速度范圍為 0 — 250r/min， 詳細(xì)參數(shù)見表 22。 表 機(jī)技術(shù)參數(shù) 單轉(zhuǎn)軸 保持轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 額定電流 電壓 線圈電阻 35x10 7? kgm 12V 5? 基本步距角 減速比 容許轉(zhuǎn)矩 容許速度范圍 電機(jī)重量 1: 0250r/min 電樞電阻 ： Rs= (Un/InPn/In) 310 ， 求得 ： Pn=。 取 P=15W, T=9550P/n。 求得 n= ??? = r/min 。 傳動(dòng)比的確定及分配 a. 傳動(dòng)比的確定 由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可知所需的總傳動(dòng)比為 i=10。 b. 傳動(dòng)比的分配 傳動(dòng)比分配時(shí)要充分考慮到各級傳動(dòng)的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。因此 擺腕傳動(dòng)比分配為：擺腕總的傳動(dòng)比 i總 ＝ 10，該傳動(dòng)為兩級傳動(dòng)，第一級傳動(dòng)為圓柱齒輪傳 動(dòng)，傳動(dòng)比 1i ＝ 2，第二級傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比 2 5i? 。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 3 齒輪的設(shè)計(jì) 齒輪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)與校核 ??6 第一級圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 齒輪 材料 采用 45 號鋼，鍛造毛坯， 小齒輪調(diào)質(zhì)處理，表面硬度為 210HBS；大齒輪 正火處理后齒面硬度 為 180HBS，因載荷平穩(wěn)，齒輪速度不高，初選齒輪精度等級為 7級。取 40202,20 21 ???? zz 則 。 a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。 b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件的設(shè)計(jì)表達(dá)式 3 1][ 121 uuKTZddHEt ??????????? ?? (31) 式 中， tK 載荷系數(shù) ,取 ?tK ； d? 齒寬系數(shù) ，取 ?d? ， 2?u ； EZ材 料系數(shù) ，取 aE MPZ ? 。 小齒輪傳遞扭矩 mmNnPT ??????? 12401500/ 661 (32) 大小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極根應(yīng)力為： MPaH 5801lim ?? ； MPaH 5602lim ?? 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng) 力為： MPaF 2301lim ?? ； MPaF 2102lim ?? 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 由下列公式計(jì)算可得 hjlnN 11 60? （ 33） 168300150060 ????? ?? 則 9912 ????? uNN 接觸疲勞壽命系數(shù) ?NHK , ?NHK ； 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 12 彎曲疲勞壽命系數(shù) 121 ?? NN YY ； 接觸疲勞安全系數(shù) 1min ?HS ， 彎曲疲勞安全系數(shù) ?FS 。 許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力： ? ?? ?? ?? ?1 l im11m in2 l im22m in1 l im 111m in2 l im 222m in580 6381560 5921230 21 307210 21 280HHNHHHNHF STFNFF STFNFZ M PaSZ M PaSYY M Pa M PaSYY M Pa M PaS????????? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ??? ? ? ? 將有關(guān)值代入（ 31）得： ? ?2131223 1240 2 242tEtHdKTZ udummmm??? ??? ?????????? ? ?????? 計(jì)算圓周速度 : smndv t / 150042100060 111 ?? ????? ?? 計(jì)算載荷系數(shù) :動(dòng)載荷系數(shù) Kv=；使用系數(shù) 1?AK ；動(dòng)載荷分布不均勻系數(shù)??K ；齒間載荷分配系數(shù) 1?Ka ， 則 ?????? KaK v KKK AH ? 。 修正 mmKKdd tHt 3311 ???? ； mmmmzdm ??? ； 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) mmm 2? 。 c. 計(jì)算基本尺寸 ? ?mmdbmmzzmammmzdmmmzdd 602 8040280402402021212211?????????????????? 取 1 32b mm? mmb 222 ? 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 齒形系數(shù) ?FSY ， ?FSY ， 取 ??Y ， 校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度 ??? YYmzKT FSdF 1321 11 2? （ 34） MP 32 ???? ??? =[ 1F? ] ? ?21212 FFSFSFF MP aMP aYY ??? ?????? 所以齒輪完全達(dá)到要求。由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，將小齒輪做成齒輪軸。圓柱齒輪的幾何參數(shù)見表 31。 表 31圓柱齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 d mmmzd 4020211 ???? mmmzd 8040222 ???? 齒頂高 ah mmmhah a 221 ???? ? 齒根高 fh mmmChh af )()( ?????? ?? 齒全高 h mmhhh fa ????? 齒頂圓直徑 1ad mmhdd aa 44211 ??? mmhdd aa 84222 ??? 齒根圓直徑 1fd mmhdd ff 35211 ??? mmhdd ff 75222 ??? 基圓直徑 1bd mmdd b o s11 ?? ? mmdd b o s22 ?? ? 齒距 p mmmp ???? ? 齒厚 s mmms ?? ? 齒槽寬 e mmme ?? ? 中心距 a mmdda 602/)( 21 ??? 頂隙 c mmmcc ???? ? 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人臂部和手部設(shè)計(jì) 14 第二級圓錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 齒輪 材料 采用 45 號鋼， 小齒輪調(diào)質(zhì)處理表面硬度為 210HBS；大齒輪正火處理后齒面硬度為 180HBS， 齒輪精度等級為 7 級。取 1 0 0205,20 21 ???? zz 則 。 。 a. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。 b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)表達(dá)式 3 2121 )(4][ uKTZZdRRHEHt ??? ?????????? (35) 其中， 取 ? ? ， 5?u ； aE MPZ ? ， ?HZ ； mmNnPT ?????? 9550200 661 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： MPaH 580lim1 ?? ； MPaH 560lim2 ?? 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： MPaF 230lim1 ?? ； MPaF 210lim2 ?? 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 由下式計(jì)算可得 atnN 11 60? 168300202060 ????? ?? 則 9912 ????? uNN 接觸疲勞壽命系數(shù) ?NZ , ?NZ ； 彎曲疲勞壽命系數(shù) 121 ?? NN YY ； 接觸疲勞安全系數(shù) 1min ?HS ， 彎曲疲勞安全系數(shù) ?FS ,又 ?STY ， 試選?tK 。 許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 ? ?? ?? ?? ? M P aM P aYSYM P aM P aYSYM P aZSM P aZSNFSTFFNFSTFFNHHHNHHH280122102230158015802m i nlim221m i nlim112m i nlim21m i nlim11???????