【文章內(nèi)容簡介】 計(jì)，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(gè)較重的電機(jī)，這樣可以減小由于安裝電動(dòng)機(jī)和減速運(yùn)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)布局 由于結(jié)構(gòu)的特殊性，本機(jī)械手在設(shè)計(jì)時(shí)部件的重量對(duì)傳動(dòng)和精度的影響較大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)特別注意這一方面，為此，在設(shè)計(jì)手臂的傳動(dòng)方案 時(shí)，采用行星齒輪系傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)緊湊而且傳動(dòng)件較少，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較大的降速比，相對(duì)一般的減速系統(tǒng)而言，其自身重量也比較輕。 5 機(jī)械手各部分設(shè)計(jì)及計(jì)算 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇 [1] 11 1. 工業(yè)機(jī)械手 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則 設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)，選擇哪一類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，要根據(jù)機(jī)械手的用途作業(yè)要求、機(jī)械手的性能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜程度、運(yùn)行的功耗、性能與價(jià)格比以及現(xiàn)有綜合條件等個(gè)方面加以考慮。在注意各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合上述個(gè)因素，充分論證其合理性、 可行性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性后進(jìn)行最終的選擇。一般情況下，下述機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇如下： （ 1）物料搬運(yùn)（ 包括上、下料 ） 用的有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)械手，重負(fù)荷的可選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，中等負(fù)荷的可選電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可選氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。沖壓方面多用氣動(dòng)系統(tǒng)。 （ 2）用于點(diǎn)焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機(jī)器人，要求有任意點(diǎn)位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。只有采用液壓或電動(dòng)伺服系統(tǒng)才能滿足要求，點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人多采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。重負(fù)荷的任意點(diǎn)位控制的點(diǎn)焊及搬運(yùn)機(jī)械手可采用液壓系統(tǒng)。噴涂機(jī)械手，多采用液壓系統(tǒng)和交流電動(dòng)驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)。裝配機(jī)器人 一般用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 2. 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性比較 表 1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 的 特 性 驅(qū) 動(dòng) 類 型 功率 快 速 響 應(yīng) 結(jié) 構(gòu) 性 能 安 全 效 率 控制能力 安 裝 要 求 維 護(hù) 要 求 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 不太受限制 很 高 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可做成獨(dú)立結(jié)構(gòu)，易于標(biāo)準(zhǔn)化，容易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。液壓密封問題顯得重要。 防爆性能較好，用液壓油作為傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn) 。 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(dòng)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(shè)備，占地面積較大 。 要求水平較高的維護(hù)人員進(jìn)行定期的維護(hù) 。 12 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 有限制 較高 結(jié)構(gòu)適當(dāng)， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)可做成獨(dú)立結(jié)構(gòu)易于標(biāo)準(zhǔn)化，容易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，密封問題不象液壓系統(tǒng)顯得突出 防爆性能好，高于一個(gè) 大氣壓，應(yīng)注意設(shè)備有爆炸的危險(xiǎn) ~ 調(diào)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、配流元件結(jié)構(gòu)簡單，一般要求有專門的制動(dòng)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(hù)人員定期維護(hù) 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 有限制 高 電機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu) 性能好，但電機(jī)后面一般需配精密減速器，除特殊電機(jī)外，難于進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)。 設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)。直流有刷電機(jī)對(duì)環(huán)境的防爆性能差 。 左右 結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活性 強(qiáng)，速度、位置可控制到精確值。 安裝要求隨傳動(dòng)方式不同而異。 要求水平較高的人員定期的檢查維護(hù)。 鑒于上述的驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)的選擇原則以及各種系統(tǒng)的特點(diǎn)，同時(shí)查閱機(jī)械手方面的資料表明：近 年來，在負(fù)荷為 100kg 以下的機(jī)械手一般用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于它有低慣量、高起動(dòng)力矩等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)驅(qū)動(dòng)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(jī)械手基座部分設(shè)計(jì) 機(jī)械手基座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則 基座是機(jī)械手的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)部分全部安裝在基座上，它承受了機(jī)械手的全部重量，在設(shè)計(jì)機(jī)械手基座時(shí)，要注意以下設(shè)計(jì)原則： （ 1） 基座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)械手在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。 （ 2） 基座要承受機(jī)械手的全部重量和載荷。因此機(jī)械手的基座和腰部軸及軸承的機(jī)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，及保證承載能力。 13 （ 3） 機(jī)械手的腰部應(yīng)是它的第一個(gè) 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對(duì)機(jī)械 手末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此要保證設(shè)計(jì)中腰部 軸承及傳動(dòng)鏈有足夠的強(qiáng)度和相當(dāng)高的精度。 （ 4） 為了保證機(jī)械手的外部電纜不隨機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)而擺動(dòng)，在設(shè)計(jì)過程中要解決好固定端與運(yùn)動(dòng)端的聯(lián)接問題。 （ 5） 腰部的回轉(zhuǎn)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置。 （ 6） 腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝調(diào)整。腰部與機(jī)械手手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各個(gè)關(guān)節(jié)的位置精度。 （ 7） 為了減輕機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的慣量，提高機(jī)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(fù)合材料制成，而不動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。 基座部分的設(shè)計(jì) 計(jì)算 （ 1） 基座電機(jī)的選擇 [1] 手臂回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力矩 M驅(qū) ，應(yīng)該與手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jì)算0()caaM J J Jtt??? ? ? ? ?慣 其中， J —— 手臂回轉(zhuǎn)部件對(duì)其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ? —— 手臂回轉(zhuǎn)的角速度差； at —— 啟動(dòng)所需的時(shí)間； cJ —— 零件對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 0J —— 零件作為其重心位置的質(zhì)點(diǎn)對(duì)手臂回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的重量； 計(jì)算 cJ 時(shí)，可把形狀復(fù)雜的零件近似看成圓柱體，則 22( 3 )12c mJ l R?? 14 設(shè)置啟動(dòng)角度 18? ?? ,z 則啟動(dòng)角速度 0 .3 1 4 /rad s???? ，設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間 ? 。取 ? =800mm。設(shè)回轉(zhuǎn)零件為一個(gè)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(dòng)示意圖 所需電機(jī)的輸出功率為：0 9550llTNP ??? ? lT —— 負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸） Nm? lN —— 負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度 r/min 0P —— 額定 功率 kw ? —— 電動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間的傳動(dòng)裝置總效率 15 設(shè)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(jì)算 2( ) 4lGD gJ? 其中， 2lGD —— 負(fù)載飛輪矩 2Nm? J —— 手臂回轉(zhuǎn)部件對(duì)其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)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(jī)的預(yù)選： 選定條件 : LT? 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩； 0 (1 2)aPP?? 倍電機(jī)的額定功率； MN? 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速； 2LGD? 電機(jī)容許負(fù)載的 2LGD 由選定條件，按計(jì)算結(jié)果對(duì)照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中常用伺服電機(jī)可初選 110S –CZK01 直流寬調(diào)速伺服電機(jī)。 名稱 ： 直流寬調(diào)速伺服電機(jī) 型號(hào) ： 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(jī)研究所 注：電機(jī)可帶測速機(jī)、碼盤 根據(jù)電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)選用擺線針輪減速器。型號(hào)： 立式電機(jī)直聯(lián)型 16 降速比： 0i =29. 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)尺寸的確定 （ 1） 選擇齒輪材料和 熱處理、精度等級(jí)、齒輪齒數(shù) 及尺寸設(shè)計(jì) [3] 考慮到傳遞功率不大，且對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸無嚴(yán)格要求 ，選用 45 鋼，選齒輪為 8 級(jí)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(qiáng)度設(shè)計(jì) 閉式硬齒面齒輪傳動(dòng)，承載能力一般取決于彎曲強(qiáng)度，故先按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)，驗(yàn)算接觸強(qiáng)度。由下式： 3 211 )][(2FSFdaa YYZYKTm ?? ?? 確定式中各項(xiàng)數(shù)值： 因無較重沖擊的載荷，由機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì) 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(shí)，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