【正文】 不運動的機器人基座上，并通過機器人腰部傳到機器人的各運動關(guān)節(jié)。 腰座要承受機器人的全部重量和載荷，因此，機器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠的強度和剛度，以保證其承載能力。機器人的運動部分全部安裝在腰部上，它承受了機器人的全部重量。大臂平衡氣缸的選擇計算：其原理如圖：圖（324）圖324 大臂平衡汽缸的工作原理圖圖中，F(xiàn)為活塞推力，F(xiàn)為恒定值。考慮到裝配的需要和重量的要求，大臂加工成兩個分割的部分，中間用隔板連接，大臂的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)定為：如圖：圖（323）大臂的材料選擇高強度鋁合金圖323 大臂的結(jié)構(gòu)初始條件設(shè)定，大臂的長度定為：L=1000mm，與基座連接軸承D=360mm經(jīng)計算大臂的質(zhì)量為： m=總的驅(qū)動力矩： 作用在軸承上的總的作用力N：所以摩擦力矩為：由平移軸定理得：小臂對大臂的轉(zhuǎn)動慣量為：大臂自身的轉(zhuǎn)動慣量：所以機器人手臂對機座總的轉(zhuǎn)動慣量為：初定大臂的擺動速度為： 平均啟動時間： 所以大臂的慣性力矩為：大臂總的驅(qū)動力矩為：電機的選擇：選取電機的型號為：176SYX，額定功率為Pm=，額定轉(zhuǎn)速n=1500/min，額定轉(zhuǎn)矩W=由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求和工作傳遞力矩的需要，選擇減速器的類型為杯型減速器，其型號為XB200200B，傳動比為：u=200，額定輸出轉(zhuǎn)矩W=2000Nm，額定輸入轉(zhuǎn)速n=1500r/min。小臂的截面積為：A=（）=所以在重力作用下的最大切應力為：材料的許用切應力為：最大切應力遠小于許用切應力，所以軸的剪切強度是安全的。小臂可簡化為一懸臂梁切載荷分布均勻。3. 小臂3軸的強度校核此軸不僅承受傳遞扭矩的作用，同時也對其它兩個軸提供支撐，因此對它的校核需要從強度方面進行計算：初設(shè)軸的內(nèi)外徑分別為： d=160mm，D=180mm其所傳遞的扭矩為： T=對其進行受力分析得：如圖（321）圖321 小臂3軸（圖317）的受力分析其力矩和彎矩圖如下：圖（322）圖322小臂3軸的彎矩圖按照第三強度理論進行計算得：因，材料的最大應力值為60Mpa，其值大于計算值，所以軸的強度在交變應力的作用下是安全的。（2）軸的扭曲變形的計算抗扭剛度為：，其中空心軸： （348）軸在單位長度上的扭轉(zhuǎn)角為： 最大扭轉(zhuǎn)角為： ，所以軸的變形在允許的范圍內(nèi)是安全的。2. 小臂2軸的強度校核設(shè)定初始條件：材料選擇為45鋼，軸承直徑初選：D=30mm，長度設(shè)定為L=1200mm， 其受力和上一軸相似。單位長度上的扭轉(zhuǎn)角： 由公式： 得： （344）〈20mm，所以軸的扭曲變形在允許的范圍內(nèi)是合格的。已知：軸所傳遞的扭矩T=軸的最大切應力： （342）實心軸的抗扭截面系數(shù)： （343）所以軸的最大切應力為： 45鋼材料的許用應力： 計算應力值小于許用應力值， 所以軸的抗扭強度是可靠的。軸原始尺寸的確定：軸徑初選d=20mm，長度為L=1350mm ，材料選擇45鋼（1）對軸進行受力分析作用在軸上的力：錐齒輪傳動產(chǎn)生的作用在軸上的軸向力，由安裝在錐齒輪一端的滾動軸承所承受，因此，軸的受力僅為扭矩和在重力。同步帶的型號選擇L型，初選小帶輪節(jié)線圓直徑：因為同步帶的傳動比u=2，且根據(jù)標準帶輪直徑的尺寸系列，所以大同步帶輪的尺寸 因此，實際傳動比：u=軸間距初步定位： 帶長：由公式（334）得：根據(jù)標準節(jié)線長： 因此，實際軸間距為：由公式（335）得：作用在軸上的力：帶速： L型同步帶的基本額定功率：所以同步帶的帶寬是：其中=1由于第二同步帶的驅(qū)動電機相對中心軸的位置和第一同步帶的驅(qū)動電機的位置象同，即兩軸對中心軸的距離相同。膜片聯(lián)軸器采用一種厚度很薄的彈簧片，制成各種形狀，用螺栓分別與主從動軸上兩半聯(lián)軸器聯(lián)接，其中彈性元件為若干多邊形的膜片，在膜片的圓周上有若干螺栓孔。由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求和工作傳遞力矩的需要，選擇減速器的類型為杯型減速器，其型號為XB160100B，傳動比為：u=100，額定輸出轉(zhuǎn)矩W=1000Nm，額定輸入轉(zhuǎn)速n=1500r/min。小臂的驅(qū)動力矩計算： （339）摩擦力矩： （340）因為采用了重力平衡機構(gòu)，軸只有一個，所以， =G=10000N，D=260mm所以摩擦力矩為：手臂擺動的速度： 初選電機的轉(zhuǎn)速為：n=1500r/min，取標準傳動比u=100，因此，實際小臂的擺動速度w=。由輸出軸的轉(zhuǎn)速和電機的轉(zhuǎn)速比為u=80，選取諧波減速器XB3160，其傳動比u=80，輸出轉(zhuǎn)矩T=480Nm，輸入功率P=，最高輸入轉(zhuǎn)速n=1750r/min（半流體潤滑脂）。如圖（317）圖317 小臂的結(jié)構(gòu)簡圖（1）當載荷的軸線和小臂的軸線同軸時：載荷對Z軸的轉(zhuǎn)動慣量JZ1=，（2）當載荷的軸線和小臂的軸線垂直時：載荷對Z軸的轉(zhuǎn)動慣量JZ2=（3）小臂自身對Z軸的轉(zhuǎn)動慣量為：初設(shè)小臂的參量：長度為：L=1000mm直徑：D=280mm，質(zhì)量：小臂繞Z軸的轉(zhuǎn)動慣量：選擇較大的載荷計算值對軸進行強度校核計算：所以總的轉(zhuǎn)動慣量是：已知參量：平均加速時間： 旋轉(zhuǎn)角速度： 所以作用在小臂上的慣性力矩：由公式（38）得：（4）軸的力矩計算對軸進行受力分析得：選擇軸承為深溝球軸承，軸承直徑初選D=180mm其受力圖如下：圖（318）圖318 小臂繞Z軸旋轉(zhuǎn)軸的受力分析根據(jù)軸的受力平衡的原則得：{＝＞{＝＞{所以小臂的摩擦力矩是：由公式（37）得： 總的驅(qū)動力矩為：由公式（36）得：（5）電機的選擇： （338） 選取電機的型號為：130SYX，額定功率為Pm=，額定轉(zhuǎn)速n=3000r/min約為n=314rad/s，額定轉(zhuǎn)矩W=4Nm。，以及驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)及內(nèi)部電纜等的安裝。因此，各關(guān)節(jié)都應有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機構(gòu)。力求選用高強度的輕質(zhì)材料，通常采用高強度鋁合金制造機器人手臂。根據(jù)第三強度理論得： （331）計算應力小于材料的許用應力，故軸的強度是符合強度理論的。材料取45鋼調(diào)質(zhì)，直徑取d=35mm，其受力圖如下：圖（35）圖35 腕部輸出軸的受力簡圖（1）在徑向力作用下的受力分析：圖（36）圖36 腕部輸出軸在徑向力作用下的受力分析根據(jù)軸的手力平衡得：{＝＞{＝＞{（2）在圓周力作用下的受力分析：圖（37）圖37 腕部輸出軸在圓周力作用下的受力分析由軸的受力平衡得：{＝＞{（3）力矩圖如下:圖（38）圖38 腕部輸出軸的力矩圖在軸承2處的和力矩為： （329） 按照第三強度理論對軸進行強度校核： （330）由上知，軸的最大作用應力小于材料的許用應力值，所以軸的強度是安全的。已知同步帶所傳遞的力矩： （326）初設(shè)初始參數(shù)：傳動比為：u=1， 錐角：齒形角： 模數(shù)；m=2初設(shè)分度圓直徑： d=44mm 則齒數(shù)錐距： 由公式： 平均分度圓直徑：齒寬： 當量直齒輪分度圓半徑：當量齒輪模數(shù) 當量齒數(shù)：（2）錐齒輪的設(shè)計計算已知錐齒輪傳遞的力矩為： T=圓周力： 垂直于分度圓錐母線的力：徑向分力： 軸向力： 發(fā)向載荷： ①齒面接觸疲勞強度計算： （327）彈性影響系數(shù)： =材料的許用應力： 應力循環(huán)次數(shù)： N=60njLh=（2830010）=接觸疲勞壽命系數(shù)： 錐齒輪傳動的安全系數(shù)：S=1 載荷系數(shù)： K=由公式（327）得：取d=，所以錐齒輪的接觸疲勞強度是安全的。②齒面接觸疲勞強度計算：設(shè)在正常工作情況下，工作齒寬為錐齒輪齒寬b=17mm。（1）錐齒輪各尺寸的計算在錐齒輪的設(shè)計計算當中，以錐齒輪大端為標準值，以中徑尺寸為計算量。（1）腕部自身相對于Y軸的轉(zhuǎn)動慣量計算設(shè)定腕部擺動的角速度w=/s=，把腕部看作一個繞Y軸轉(zhuǎn)動的圓柱體，圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量計算公式如下： （310）初步估測腕部的質(zhì)量m：腕部圓柱體的幾何尺寸：R=85mm，=，h=185mm由公式（310）得：載荷繞Y軸的轉(zhuǎn)動慣量：由平移軸定理得：載荷繞與Y軸平行自身軸的轉(zhuǎn)動慣量： 因此，在載荷對Y軸總的轉(zhuǎn)動慣量為：所以作用在Y軸的總的轉(zhuǎn)動慣量為：（2）力矩的計算其所承受總的力矩： （311）摩擦力矩： （312）慣性力矩： （313）其中?。?，f=，軸承選擇深溝球軸承：軸承直徑對軸進行受力分析得：圖（34）圖34 腕部擺動軸的受力分析擺動軸在載荷作用下的彎矩： M=mgL 取載荷到擺動軸的作用力距： L=255mm，則彎矩： M=1000255=25500Nm==M ＝＞N1=因為軸主要受載荷的彎矩作用，且由軸承1和2承受，所以N1=N2所以，由公式（311） （312） （313）得 （3）電機的選擇 電機的類型為直流司服電機， （314）選取電機的型號為：130SYX其額定功率為Pm=，額定轉(zhuǎn)速n=3000r/min約為n=314rad/s，額定轉(zhuǎn)矩W=4Nm。由輸出軸的轉(zhuǎn)速和電機的轉(zhuǎn)速比為u=160，選取諧波減速器XB3100，其傳動比u=160，輸出轉(zhuǎn)矩T=150Nm，輸入功率P=，最高輸入轉(zhuǎn)速n=3000r/min（半流體潤滑脂）。腕部結(jié)構(gòu)圖如下：圖（32）圖32 腕部結(jié)構(gòu)簡圖（1）載荷繞腕部各軸的轉(zhuǎn)動慣量①載荷繞Z軸如圖（32）的轉(zhuǎn)動慣量：設(shè)定腕部Z軸的轉(zhuǎn)動角速度為：w=/s=。這種傳動方案的優(yōu)點是：腕部尺寸較小，重量較輕；由于腕部屬于3R球腕機構(gòu)，故便于調(diào)整姿態(tài)，進行編程；因腕關(guān)節(jié)的兩個驅(qū)動電機均放在小臂后端，有利于小臂自身的重力平衡；有利于迅速制動，保證安全。腕部驅(qū)動電機與腕部分別安置在小臂關(guān)節(jié)軸的兩端，使小臂達到質(zhì)量平衡。手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機器損壞。機器人的手腕機構(gòu)要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。并選用高強度鋁合金制造。機器人手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。強度、剛度高。其設(shè)計要求如下：結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。在有些情況下，腕部具有二個自由度：回轉(zhuǎn)和俯仰或回轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)。手腕按自由度個數(shù)可分為但自由度手腕，二自由度手腕和三自由度手腕。為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標X、Y、Z的轉(zhuǎn)動，即具有偏轉(zhuǎn)、俯仰和回轉(zhuǎn)三個自由度。末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)：圖（31）圖31 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)考慮到在計算中的誤差和工作中的不確定因素，機器人手爪和載荷的總體質(zhì)量載荷的設(shè)定在100Kg。取D=，即D=130mm。由公式（32）得：即： =初步選定由四個吸盤完成玻璃的吊裝，因此，所需每個吸盤的面積為S= cm2，考慮到工作環(huán)境的變化，取每個吸盤的面積S=120 cm2。已知載荷的重量G=300N，大氣的壓力為=，—1Mpa之間，取P=。 通用性和完能性是兩個概念，萬能性是指一機多能的概念，而通用性是指功能有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執(zhí)行器有標準的機械接口。 機器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。2.、機器人末端執(zhí)行器的重量，被抓取物體的重量及操作力的總合不應超過機器人允許的負荷力。在設(shè)計機器人末端執(zhí)行器時，應該注意事項： 機器人的末端執(zhí)行器是根據(jù)機器人的作業(yè)要求來設(shè)計的。機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕上用于進行某種操作或作業(yè)的附加裝置。當控制閥切斷通往噴嘴的壓縮空氣，并使吸盤內(nèi)腔與大氣相通，吸盤便釋放物體。（2）真空泵排氣式當控制閥將吸盤與真空泵聯(lián)通時，真空泵將盤內(nèi)空氣抽出，形成吸盤內(nèi)腔負壓，吸盤吸住物體，當控制閥將吸盤與大氣聯(lián)通時，吸盤失去吸力，被吸物體脫離吸盤。吸盤負壓的產(chǎn)生方法有如下方法：（1）擠壓排氣式 靠外力將吸盤皮碗壓向被吸物體表面，吸盤內(nèi)腔空氣被擠壓出去，形成內(nèi)腔負壓，吸盤從而吸住物體?？捎糜谖狡秸饣?、不漏氣的各種板材和薄壁零件，如玻璃、陶瓷等制品。（3）平移型：當手爪夾緊和松開工件時，手指作平移運動，并保持中心固定不