【文章內(nèi)容簡介】 計，采用簡單的自重平衡方法，在大臂和小臂轉(zhuǎn)軸的一側(cè)都集中安排了兩個較重的電機，這樣可以減小由于安裝電動機和減速運動裝置造成的附加力矩，從而使手臂的自重盡可能地接近平衡。 （ 2）手臂傳動系統(tǒng)布局 由于結(jié)構(gòu)的特殊性，本機械手在設計時部件的重量對傳動和精度的影響較大，所以在設計時特別注意這一方面，為此，在設計手臂的傳動方案 時，采用行星齒輪系傳動結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)緊湊而且傳動件較少，同時可以實現(xiàn)較大的降速比，相對一般的減速系統(tǒng)而言，其自身重量也比較輕。 5 機械手各部分設計及計算 驅(qū)動系統(tǒng)的選擇 [1] 11 1. 工業(yè)機械手 驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 設計機械手時，選擇哪一類驅(qū)動系統(tǒng)，要根據(jù)機械手的用途作業(yè)要求、機械手的性能規(guī)范、控制功能、維護的復雜程度、運行的功耗、性能與價格比以及現(xiàn)有綜合條件等個方面加以考慮。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎上，綜合上述個因素，充分論證其合理性、 可行性、經(jīng)濟性及可靠性后進行最終的選擇。一般情況下，下述機械手驅(qū)動系統(tǒng)的選擇如下： （ 1）物料搬運（ 包括上、下料 ） 用的有限點位控制的程序控制機械手，重負荷的可選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅(qū)動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動驅(qū)動系統(tǒng)。沖壓方面多用氣動系統(tǒng)。 （ 2）用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機器人，要求有任意點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求，點焊、弧焊機器人多采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。重負荷的任意點位控制的點焊及搬運機械手可采用液壓系統(tǒng)。噴涂機械手，多采用液壓系統(tǒng)和交流電動驅(qū) 動系統(tǒng)。裝配機器人 一般用電動驅(qū)動系統(tǒng)。 2. 工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)特性比較 表 1 驅(qū)動系統(tǒng)特性 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 的 特 性 驅(qū) 動 類 型 功率 快 速 響 應 結(jié) 構(gòu) 性 能 安 全 效 率 控制能力 安 裝 要 求 維 護 要 求 液壓驅(qū)動系統(tǒng) 不太受限制 很 高 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可做成獨立結(jié)構(gòu)，易于標準化，容易實現(xiàn)直接驅(qū)動。液壓密封問題顯得重要。 防爆性能較好，用液壓油作為傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災危險 。 節(jié)流調(diào)速為 ，容易調(diào)速為 。 速度調(diào)節(jié)裝置、配流元件、制動裝置的結(jié)構(gòu)簡單，能將 速度位置控制到精確值 。 安裝要求高，特別注意液壓液泄露。因有液壓源設備，占地面積較大 。 要求水平較高的維護人員進行定期的維護 。 12 氣動驅(qū)動系統(tǒng) 有限制 較高 結(jié)構(gòu)適當， 執(zhí)行機構(gòu)可做成獨立結(jié)構(gòu)易于標準化，容易實現(xiàn)直接驅(qū)動，密封問題不象液壓系統(tǒng)顯得突出 防爆性能好，高于一個 大氣壓，應注意設備有爆炸的危險 ~ 調(diào)度調(diào)節(jié)機構(gòu)、配流元件結(jié)構(gòu)簡單，一般要求有專門的制動裝置；速度、位置控制到精確值困難。 安裝要求不太高 要求中等水平的維護人員定期維護 電動驅(qū)動系統(tǒng) 有限制 高 電機易于標準化，結(jié)構(gòu) 性能好，但電機后面一般需配精密減速器，除特殊電機外，難于進行直接驅(qū)動。 設備自身無爆炸和火災危險。直流有刷電機對環(huán)境的防爆性能差 。 左右 結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活性 強，速度、位置可控制到精確值。 安裝要求隨傳動方式不同而異。 要求水平較高的人員定期的檢查維護。 鑒于上述的驅(qū)動系 統(tǒng)的選擇原則以及各種系統(tǒng)的特點，同時查閱機械手方面的資料表明：近 年來，在負荷為 100kg 以下的機械手一般用電動驅(qū)動系統(tǒng)。由于它有低慣量、高起動力矩等優(yōu)點，而且不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活 。 綜合上述的分析，本系 統(tǒng)選用電動驅(qū)動系統(tǒng)，不但符合課題的技術(shù)要求，而且理論上也是合理的 。 機械手基座部分設計 機械手基座結(jié)構(gòu)的設計原則 基座是機械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機械手的運動部分全部安裝在基座上，它承受了機械手的全部重量，在設計機械手基座時，要注意以下設計原則： （ 1） 基座要有足夠大的安裝基面，以保證機械手在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。 （ 2） 基座要承受機械手的全部重量和載荷。因此機械手的基座和腰部軸及軸承的機構(gòu)要有足夠大的強度和剛度，及保證承載能力。 13 （ 3） 機械手的腰部應是它的第一個 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機械 手末端的運動精度影響最大，因此要保證設計中腰部 軸承及傳動鏈有足夠的強度和相當高的精度。 （ 4） 為了保證機械手的外部電纜不隨機械手的運動而擺動，在設計過程中要解決好固定端與運動端的聯(lián)接問題。 （ 5） 腰部的回轉(zhuǎn)要有相應的驅(qū)動裝置。 （ 6） 腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝調(diào)整。腰部與機械手手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準面，以保證各個關(guān)節(jié)的位置精度。 （ 7） 為了減輕機器人運動部分的慣量，提高機器人的控制精度。一般腰部回轉(zhuǎn)部分的殼體是由比重比較小的復合材料制成，而不動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。 基座部分的設計 計算 （ 1） 基座電機的選擇 [1] 手臂回轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩 M驅(qū) ，應該與手臂運動時所產(chǎn)生的慣性力矩 M慣 ，以及各支撐處摩擦阻力矩 M摩 相平衡。即 M M M??驅(qū) 慣 摩 慣性力矩的計算0()caaM J J Jtt??? ? ? ? ?慣 其中， J —— 手臂回轉(zhuǎn)部件對其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量； ? —— 手臂回轉(zhuǎn)的角速度差； at —— 啟動所需的時間； cJ —— 零件對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量； 0J —— 零件作為其重心位置的質(zhì)點對手臂回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量； 20 GJ g ??? ? —— 手臂回轉(zhuǎn)半徑（重心到回轉(zhuǎn)中心的距離）； G —— 手臂運動的重量； 計算 cJ 時，可把形狀復雜的零件近似看成圓柱體，則 22( 3 )12c mJ l R?? 14 設置啟動角度 18? ?? ,z 則啟動角速度 0 .3 1 4 /rad s???? ，設置啟動時間 ? 。取 ? =800mm。設回轉(zhuǎn)零件為一個半徑為 60mm，長 900mm,重 30Kg 的圓柱形零件。 則 2 2 230 ( 0 . 9 3 0 . 0 6 ) 2 . 0 512cJ K g m? ? ? ? ? 220 30 19 .2J K g m? ? ? ? 0 . 3 1 4( 2 . 0 5 1 9 . 2 ) 6 6 . 7 30 . 1M N m? ? ? ? ?慣 各支撐處摩擦力矩 M摩粗略估算為 0. 03 2. 00M M N m? ? ?摩 慣 所以， 6 8 .7 3M M M N m? ? ? ?驅(qū)慣 摩 Z1 Z2Z3123Z4 圖 51 基座部分傳動示意圖 所需電機的輸出功率為：0 9550llTNP ??? ? lT —— 負載轉(zhuǎn)矩（負載軸） Nm? lN —— 負載軸回轉(zhuǎn)速度 r/min 0P —— 額定 功率 kw ? —— 電動機與工作機之間的傳動裝置總效率 15 設固定轉(zhuǎn)速為 lN =5 r/min 又 ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?減 齒 齒 聯(lián)軸 承 軸 承? ? ? ? ? ? M N m? ? ?驅(qū) 則 0 6 8 . 7 3 5 0 . 0 4 59 5 5 0 9 5 5 0 0 . 7 9 9 7llTNP k w?? ?? ? ??? 飛輪矩的計算 2( ) 4lGD gJ? 其中， 2lGD —— 負載飛輪矩 2Nm? J —— 手臂回轉(zhuǎn)部件對其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量 2kgm? 則 22( ) 4 4 9 .8 2 1 .2 5 8 3 3 .0 8lG D g J N m? ? ? ? ? ? 加速功率的計算 22 2338 3 3 . 0 8 5 0 . 0 63 5 7 7 1 0 3 5 7 7 1 0 0 . 1lla aG D NP k wt? ?? ? ?? ? ? 伺服電機的預選： 選定條件 : LT? 電機的額定轉(zhuǎn)矩； 0 (1 2)aPP?? 倍電機的額定功率； MN? 電機的額定轉(zhuǎn)速； 2LGD? 電機容許負載的 2LGD 由選定條件，按計算結(jié)果對照《機械設計手冊》中常用伺服電機可初選 110S –CZK01 直流寬調(diào)速伺服電機。 名稱 ： 直流寬調(diào)速伺服電機 型號 ： 110S –CZK01 額定 功率 ： 額定轉(zhuǎn)矩： 額定轉(zhuǎn)速： 1500r/min 生產(chǎn)廠家：安徽微電機研究所 注：電機可帶測速機、碼盤 根據(jù)電動機的各項參數(shù)選用擺線針輪減速器。型號： 立式電機直聯(lián)型 16 降速比： 0i =29. 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) [3] 各軸轉(zhuǎn)速 ： 1 軸：1 0 1500 5 1 .7 2 4 129mnn i? ? ? r/min mn —— 電動機滿載轉(zhuǎn)速， r/min 由 1 5 1 .7 2 4 1 1 0 .3 45ni n? ? ? r/min 取 ? ? ? ? 2i? , 1i? 2 軸： 12 1 5 1 .7 2 4 1 1 3 .6 1 1 63 .8nn i? ? ? r/min 3 軸： 23 2 1 3 .6 1 1 6 5 .0 4 1 32 .7nn i? ? ? r/min 各軸的輸入功率： 1 軸： 11 1 .4 0 .9 4 1 .3 1 6dPP ?? ? ? ? ? kw 2 軸： 2 1 2 7PP ?? ? ? ? ? kw 3 軸： 3 2 3 7 9PP ?? ? ? ? ? kw 12 軸的輸出功率 分別為輸入功率乘軸承功率。 各軸輸入轉(zhuǎn)矩： 1 .49 5 5 0 9 5 5 0 9 .2 8 6 71500ddmPT n? ? ? 1 軸 1 0 1 9 .2 8 6 7 2 9 0 .9 4 2 5 3 .1 5 5 4dT T i ?? ? ? ? ? ? ? 2 軸 2 1 1 2 T i ?? ? ? ? 3 軸 3 2 2 3 249 4T T i ?? ? ? ? 主要傳動尺寸的確定 （ 1） 選擇齒輪材料和 熱處理、精度等級、齒輪齒數(shù) 及尺寸設計 [3] 考慮到傳遞功率不大，且對結(jié)構(gòu)尺寸無嚴格要求 ，選用 45 鋼，選齒輪為 8 級精度，選小齒輪調(diào)質(zhì)，小齒輪齒面硬度 217~255HBS，大齒輪正火、齒面硬度 162~217HBS。 17 選小齒輪齒數(shù) 為 1Z =25， 2Z =1i 1Z =95。 按 齒 根彎曲疲勞強度設計 閉式硬齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于彎曲強度，故先按彎曲強度設計，驗算接觸強度。由下式： 3 211 )][(2FSFdaa YYZYKTm ?? ?? 確定式中各項數(shù)值： 因無較重沖擊的載荷，由機械設計書表 63 查得 ? ,故初選載荷系數(shù) ? 6 6 5111 . 3 1 69 . 5 5 1 0 9 . 5 5 1 0 2 . 4 1 05 1 . 7 1 4 1PT n? ? ? ? ? ? N? mm 由式1211[1 .8 8 3 .2 ( ) ]ZZ?? ? ? ?cos β ， 計 算 端 面 重 合 度 ?? ? ： 由式0 .7 50 .2 5 0 .7Y???? ? ?。 由表 66，選取 ? ? ，由圖 61圖 620 查得： 1 ? 1 ? 2 ? 2 ? 由 81160 60 51 .7 24 1 1 ( 2 8 30 0 15 ) 3. 02 10hN n jL? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （ hL 為工作壽命，每天兩班工作，每天工作 8 小時，使用壽命 15 年） 712 10NN i? ? ?，由圖 621 查得 1 ? 2 ? 取 min ? ,由圖 622C 按齒面硬度均值 200HRS,在 ML 線上查得 lim 1 lim 2 310FF M P a????。 l i m 1 11m i n3 1 0 0 . 9 1[ ] 2