【正文】 我還要感謝父母這些年來對我無怨無悔的支持和幫助，是他們供養(yǎng)我完成了整個大學課程的學習，愿他們身體健康，生活幸福。我還要感謝鄭州輕工業(yè)學院機電工程學院四年來對我的栽培和培養(yǎng)。在此，本文作者對上述老師、同學表示衷心感謝。在論文完成之際，謹向耿老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。在整個畢業(yè)設計階段，本文的選題、論證、課題研究以及論文的撰寫工作均是在導師耿軍曉的直接關懷和悉心指導下完成的。老師的教誨我將牢記在心中，在今后的學習和工作中我會更加努力地拼搏，不辜負各位老師的期望和厚愛。老師們的言傳身教培養(yǎng)了我良好的學習態(tài)度。時光飛逝，轉眼間我已是一個即將畢業(yè)的大學生，大學四年所學的知識在畢業(yè)設計中得到了充分的應用和發(fā)展。此次設計經(jīng)過將近三個月的努力，但還沒有盡善盡美，還要根據(jù)社會的需求不斷改進完善。第二個關節(jié)采用了同步齒形帶的傳動結構，充分利用了大臂的空間，結構緊湊。球坐標機械臂三個關節(jié)均選用價格低廉的直流無刷伺服電機。其中第三個自由度為移動關節(jié)。本文主要完成了工業(yè)機器人球坐標型機械臂結構的設計。工業(yè)機器人球坐標型機械臂將在輕型、較簡單且要求機器人價格較低的裝配作業(yè)中大顯身手。其它部分具體尺寸由結構確定，這里不一一敘述，詳見圖紙。側面用塑料，厚度3mm左右。大臂采用鑄造成型再經(jīng)過一些加工，如圖19所示。大臂殼在此次機械臂中主要是輔助的作用，承載小臂軸的重量。底板厚5mm，上壁厚5mm。機械臂的整個機身的重量都壓在了底版上，因此，以保證足夠的強度。 殼體設計機身部分采用鑄鐵材料，方形結構。絲杠上設置一對向心球軸承支撐，軸承型號為0000。 帶輪軸設計圖16 帶輪軸此軸傳遞的扭矩為: T=2To/i2x =()=此軸的轉速為w=300/s, 則傳遞功率為: P=Txw= N=wx60/360=5r/min d≧C=由于軸上有鍵槽,承受一定彎矩,取d=15mm，軸承處軸頸取為d=15mm。 大臂輸出軸設計圖15 大臂輸出軸 由式33知，此軸的設計功率為Pd=0 .382W，轉速w=150/s,n=15x60/360=： d≧C=最小軸徑在兩臂連接處，有鍵槽，且承受一定彎矩，故取d=10mm，軸承部分軸徑選用 10，其余按結構確定。軸承部分45mm，軸承選為單列向心推力球軸承，軸承型號為66000，其余根據(jù)結構確定。 螺紋副自鎖條件校核由[2]表310得，此螺紋副的當量摩擦系數(shù)fw=. 當量摩擦角為: v =arctgfw = 由式(26)知，螺旋升角為: v 故此螺紋副能自鎖.結論: 絲杠螺母副公稱直徑d=10mm，導程p=2mm，剛度、強度、穩(wěn)定性均合格，且能自鎖。青銅的許用彎曲應力為:[w]=49N/mm2，故w ［a］螺母螺紋所受剪切應力:=ps/πdbLZ=（49） 青銅的許用剪切應力為[]=49N/ mm 2，故: ［］絲杠螺紋所受彎曲應力： w=3phs/πdb2LZ=（）= 鋼的許用彎曲應力為 [ w]=72N/mm 2 故。 絲杠剛度計算 一個導程的變形量的最大值: =4ps/πEd12+16Ms2/π2Gd14 （47） 式中:p一軸向載荷200 N s一 導程 2mm E一 D1一 絲杠小徑 9mm M一絲杠傳遞扭矩,，M=T= G一 切變模量 將數(shù)據(jù)代入得: =一米變形量為: 1000=200mm變形量為： 200=200s/2=\由變形量可知，絲杠變形較小，剛度足夠。則:Z2=i1Z1=5Z1=65根據(jù)[12]，取Z2=60同理可得:Z3=17, Z4=40重新計算傳動比:i1=Z2/Z1=i2=Z4/Z3=i=i1i2= , II, III, N各帶輪的直徑:d1 =, d2=d3 =, d4=由[12]式(15)可得帶長計算公式: Lp=2Lcos +π（d2+d1）/2+π（d2d1）/180 （42）式中:L一中心距mm Lp一 帶長mm =arcsin((d2d1)/2L)代入數(shù)據(jù)計算可得:Lp1=2L1cos 1+π1（d2+d1）/2+π1（d2d1）/180 =2x90xcos[arcsin()/2L1)]+πx（+）/2+π1 x（）/180=382mm同理可得：Lp2=402mm按[12]，選擇最接近算值的標準帶長:Lp1 = ，齒數(shù)80， 代號160Lp2 =，齒數(shù)80，代號160近似計算中心距: L≈M+ （43）式中:M=Pbx（2ZbZ1Z2）/8 L一中心距 mmPb一節(jié)距， mmZb一帶齒數(shù)，這里Zbl=80. Zb2=125Z2,ZI為配合帶輪齒數(shù)則: M1=Pb1x（2Zb1Z1Z2）/8=（2x801360）= L1=M1+=取整，則L1=100mm 同理可得：M2= L2=取整，則L2=115mm進行標準帶寬的選擇:小帶輪I齒數(shù)ZI=13，轉速為n=25r/min由[12]= W 嚙合齒數(shù):Zm=Z1/2PbZ1(Z2Z1)/2π2b1 （44） =13/（6013）/2π2x103 =6則嚙合齒數(shù)系數(shù)為: KZ = I一 (6一Zm)= 由文獻[13]表420可以查Pb==,同步帶寬為: bs=(Pd/P0KZ)1/=()1/=查文獻【13】表425得帶寬的標準值，為安全可靠， 帶寬bs=， 帶寬系數(shù):KW=（bs/bso）=， [2]得：Ta=, [l]得:m= kg/m 帶的圓周速度:v=PbZ1n1/60000= 帶的工作能力:P=(K2KwTabsmv2/bso)vx10 （45） =() ==Pd 額定功率大于設計功率，故帶的傳動能力足夠。代入數(shù)據(jù)得: T2=絲杠所受力矩為阻力矩與摩擦力矩之和，即: T= T1 +T 2 =+=安全系數(shù)取2，則電機所需輸出最小轉矩為: Tow3=2T==選擇混合式步進電機(北京四通電機公司產(chǎn)品)型 號 :ECmax 30表3 第三自由度無刷伺服電機參數(shù)額定電壓36V空載轉速9500rpm空載電流116mA額定轉速8260rpm額定轉矩額定電流堵轉轉矩522mNm堵轉電流最大效率83%相間電阻相間電感轉矩常數(shù)速度/轉矩常數(shù)機械時間常數(shù)轉子慣量機殼環(huán)境熱阻繞組機殼熱阻繞組熱時間常數(shù)環(huán)境溫度范圍40—+100度繞組最高允許溫度+155度最高允許轉速15000rpm軸向間隙徑向間隙預載最大軸向載荷最大允許安裝力1300N最大徑向載荷25N電機磁極對數(shù)1相數(shù)3電機質量275g電機熱時間常數(shù)1000s速度常數(shù)266mNm/V4 工業(yè)機器人球坐標型機械臂集成模塊化機構設計 同步齒形帶傳動設計 同步帶輸出轉矩為:,輸出轉速為: w=300/s，單級傳動效率為: = 85%，傳動比i=10，取安全系數(shù)k=2, 則同步帶傳遞功率為: P=kTw/ 2=2x120π/（）=174W （41）設傳動比分配為: 第一級傳動i1=5，第二級傳動i2=2，帶輪依次為I、II、III、IV， 則: IV輪轉速:n1 =300/s=5r/min II、III輪轉速:n2 =n3 =2n4 =2x5=10r/min I輪 轉 速: n1= in4= 10x5=50r/min 初選中心距:L1=90mm, L2=100mm 求出設計功率Pd 由文獻[12]=，因為未使用張緊輪，又是減速運動，故文獻[12]。 第三自由度無刷伺服電機的選擇絲杠螺母傳動,實現(xiàn)腕部的伸縮，當小臂軸轉動90度時受的電機承受的力矩最大，設絲杠軸向承載總和為:Q=200N。如圖9所示，設兩臂繞重心軸的轉動慣量為JG1根據(jù)平行軸定理可得繞第一關節(jié)軸的轉動慣量為: J1=JG1+ml12 （31） 其中，m=20kg l1為重心到第一關節(jié)處的距離，其值為600mm 在式31中，JG1《m1l12可忽略不計 所以繞第一關節(jié)軸的轉動慣量為: J1 = ml12 （32） =20 = 2 第一自由度無刷直流伺服電機的選擇設大臂旋轉轉速為w0=300/s，則旋轉開始時的轉矩可表示如下(靜摩擦力矩忽略不計):T=Jw （33）式中:J一轉動慣量 2W0一角加速度 rad/s2使機器人大臂從w0=0到w1=300/s所需的時間為: △t= :T1=J1xW1=J1x(ww0)/t=（）=. 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉動慣量及摩擦力矩，則諧波減速器所需輸出的最小轉矩為:T01= = =選擇行星齒輪減速器其內部結構如下圖所示：圖12 行星齒輪箱 型號:GP 62 技術參數(shù)表1 行星齒輪箱的數(shù)據(jù)參數(shù)行星齒輪箱直齒輸出軸輸出軸輸出端軸承輸出端軸承徑向間隙（離法蘭7mm處）徑向間隙（離法蘭7mm處）向間隙軸向間隙最大允許軸向載荷最大允許軸向載荷最大允許安裝力最大允許安裝力輸入輸出旋轉方向輸入輸出旋轉方向推薦允許輸入速度推薦允許輸入速度推薦運行溫度范圍推薦運行溫度范圍最大連續(xù)輸出轉矩:減 速 比 : i1 =100:1重 量 : 設行星齒輪減速器的傳遞效率: =70%,步進電機應輸出力矩為: Tow1=TO1/(i1. )=60/()= (34)選擇直流無刷伺服電機：EC 45表2 第一自由度無刷伺服電機參數(shù)額定電壓36V空載轉速6300rpm空載電流397mA額定轉速5590rpm額定轉矩318mNm額定電流堵轉轉矩3160mNm堵轉電流最大效率85%相間電阻相間電感轉矩常數(shù)速度/轉矩常數(shù)機械時間常數(shù)轉子慣量209gcm2機殼環(huán)境熱阻繞組機殼熱阻繞組熱時間常數(shù)電機熱時間常數(shù)1570s環(huán)境溫度范圍20—+100度繞組最高允許溫度+125度最高允許轉速12000rpm軸向間隙徑向間隙預載最大軸向載荷20N最大允許安裝力170N最大徑向載荷180N電機磁極對數(shù)1相數(shù)3電機質量1150g速度常數(shù)176rpm/v 第二自由度無刷伺服電機的選擇第二自由度是小臂的回轉運動，即俯仰運動，此時電機主要承受的主要是小臂軸回轉所產(chǎn)生的轉矩，則小臂產(chǎn)生的轉矩為: T2=GL=200=設安全系數(shù)為2，同步帶減速比i=10，同步帶傳動效率為: =85% (單級傳動)。因為將小臂伸縮軸伸開至最大并與機座呈90度時轉動慣量最大，所以在旋轉開始時可產(chǎn)生直流伺服電機的轉矩不足。第三關節(jié)采用了具有自鎖功能的絲杠螺母傳動。第一個關節(jié)傳動采用小體積、大轉矩、高減速比的行星齒輪箱減速器。又通過以上比較，由于步進電機的諸多優(yōu)點，初選上述方案中的步進電機方案進行詳細的計算和選擇，并在此基礎上參考同類機器人的驅動方案，最后確定一種適合我國國情的實施方案。圖11 直流無刷電機轉矩轉速特性曲線球坐標型機械臂負載并不大，決定了機械臂必須重量輕(2040Kg)，另外其作業(yè)范圍也不大，所以機械臂必須體