【正文】 * = (4315) 20 b. 設(shè)計計算 m≧ ? ?3 22 zdKTFYFaYSa ?? ???????? (4316) =3 2420 10* **4 2 *2*0 1 4 6 = 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于 由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強度算得的模數(shù) 并就近圓整為標準值 m=2mm,按接觸強度算得的分度圓直徑 d=，算出齒輪齒數(shù) z=d/m=這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。 2. 按齒面接觸強度計算 設(shè)計公式為 dt≧ ? ?3 22 11dkTHZE??? ?? (431) a. 確定公式內(nèi)各參數(shù)的值。 c. 材料選擇。 圖 90BYG 步進電機技術(shù)數(shù)據(jù) 17 圖 90BYG5200BSAKRML0301 型 步進電機矩頻特性曲線 齒輪齒條的設(shè)計計算 1. 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) a. 選直齒圓柱齒輪 。 電機在工作中實際要求轉(zhuǎn)矩 ?? aiMM ?總電 N m ?????? 總慣負摩總 MMMMM ?總M N m2 16 啟負負負 tJglmM /??? ????? ? N 將數(shù)據(jù)代入計算得： ? ?lRvm 2221Rπ ??? ?? ? ? 223 ?????? ? kg ??? lv? r/s 22 ???? lmJ 負負 kg m2）； ? — 偏轉(zhuǎn)角速度（ rad/s）； m — 質(zhì)量（ kg）； m負 — 負載質(zhì)量（ kg）； 啟t — 啟動時間（ s）； ? — 部分材料密度（ kg/m3）； v — 末端的線速度（ m/s）。 m）； 負J — 工件負載對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（ kg m）； M負 — 負載阻力矩（ N 根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計算公式 [15]： 慣負摩總 MMMM ??? （ ） 總摩 MM ? （ ） 啟慣 tJm glM /??? （ ） 啟負負負 tJglmM /??? （ ） ? ?lRRvm .π 2221 ??? ?? （ ） 2lmJ 負負 ? （ ） 15 ? ?22212 23 RRmmlJ ??? （ ） lv/?? （ ） 式中： 總M — 偏轉(zhuǎn)所需力矩（ N 7 . 3 7 1 . 4 5 1 0 . 6 9Q Q S N? ? ? ? ?安 全 值 最 大 值 14 夾緊力 Q 與壓強的關(guān)系由實驗測得，如圖 25 所示。設(shè)機械手手部縱向中心線上所加的驅(qū)動力為 P， P＝氣缸有效截面積使用的氣壓η .作用在一個指尖上的夾緊力為 Q（方向沿手指的運動方向） .設(shè) 3 個手指以摩擦力 3μ Q，工件重量為 G=所必須的力 Q. 如圖 22 所示，工件以加速度 a 垂直上升，要使工件不掉下，下式必須成立 . 30Q mg ma? ? ? ? 得2agQm??? 代入數(shù)據(jù)，得 ? ?0 . 3 1 9 . 80 . 1 4 . 2 52 0 . 1 5QN???? ? 機械手部繞垂直軸以半徑 r 作水平旋轉(zhuǎn)，工件夾緊面與旋轉(zhuǎn)圓弧切線方向平行，如圖 23所示。手部結(jié)構(gòu)也采用氣壓驅(qū)動。平移型的特點是當手爪夾緊和松開工件時，手指作平移運動 ，并保持夾持中心固定不變，不受工件直徑變化的影響。平動型的特點是手指由平行四桿機構(gòu)傳動，當手爪夾緊和松開物體時，手指姿態(tài)不變，作平動?；剞D(zhuǎn)型的特點是當手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉(zhuǎn)運動。本課題選用夾鉗式，它是工業(yè)機器人最常見的一種手部。常用的手部 按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類，本課題采用夾持類手部。 液壓缸右腔停止進油時，液壓缸右腔進油時松開工件。 d．手指應(yīng)有一定的強度和剛度 因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，夾緊液壓機械手，根據(jù)工件的形狀，松開時，用單作用式液壓缸。于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān) c．力求結(jié)構(gòu) 簡單，重量輕，體積小 11 作時運動狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個液壓機械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運動速度等性能。夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。對于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。本設(shè)計按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為 50mm 來設(shè)計。驅(qū)動活塞 往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。通常與彈簧聯(lián)合使用。手部一般是夾持裝置，主要用來夾緊作業(yè)工具。為了使末端執(zhí)行器能達到工作空間的任意位置，手臂和機身的運動設(shè)計上具有 4 個自由度。 2) 立柱是手臂的支撐部分，通過安裝在底座上的步進電機驅(qū)動，立柱可以在機座上轉(zhuǎn)動。桁架機器人部件組成由、立柱回轉(zhuǎn)部件、臂、小臂、末端執(zhí)行器（噴涂頭）組成。整個執(zhí)行機構(gòu)是一個 4 自由度的串行機構(gòu)，且臂與小臂關(guān)節(jié)的軸線相互平行。 機構(gòu)整體設(shè)計 綜合考慮桁架機器人的作業(yè)任務(wù)和作業(yè)環(huán)境，采用了 5 個自由度的關(guān)節(jié)型機器人。 HD電動機是一種小型大轉(zhuǎn)矩 (大推力 )的電動機，電 動機可直接與負載連接，可應(yīng)用在系統(tǒng)定位精度要求高的機器人產(chǎn)品中。由于齒輪傳動存在間隙，系統(tǒng)精度不易提高，若對功率效率比要求不十分嚴格，而對于精度有嚴格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機，配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測速發(fā)電機，實現(xiàn)直接驅(qū)動。 低速電機主要用于系統(tǒng)精度要求高的機器人。一般有永磁式和電磁式，在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機。直流伺服電機的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與普通動力用直流電機相同。 直流伺服電機是用直流電供電的電動機。在機器人中位置 控制系統(tǒng)中得到了極大的應(yīng)用。 步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，每輸入一個脈沖，步進電機就進行回轉(zhuǎn)一定的角度，脈沖數(shù)與角度數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序。 桁架機器 人的驅(qū)動元件 在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中，電氣驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)，來獲得動力。這種構(gòu)形動作靈活、工作空間大、在作業(yè)時空間內(nèi)手臂的干涉最小、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、關(guān)節(jié)上相對運動部位容易密封防塵。這兩個肩關(guān)節(jié)軸線正交。這類桁架機器人一般由 2 個肩關(guān)節(jié)和 1個肘關(guān)節(jié)進行定位，由 2 個或 3個腕關(guān)節(jié)進行定向。具體選用哪種形式，必須根據(jù)作業(yè)要求、工作現(xiàn)場、位置以及搬運前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較并擇優(yōu)選取。常見的機器人的運動形式有五種：直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標型、關(guān)節(jié)型和 SCARA 型。在衡量了各種因素和結(jié)合工作狀況的條件下，初步選用鋁合金作為機械臂的構(gòu)件材料。然而，國外已經(jīng)設(shè)計出純陶瓷的桁架機器人臂了。 (2)鋁、鋁合金及其它輕合金材料：其共同特點是重量輕、彈性模量不大，但是材料密度小，但仍可與鋼材相比 。 總之，選擇機器人手臂的材料時，要綜合考慮強度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價格等多方面因素 。機器人手臂是要受到控制的，必須考慮它的可控性。所以在選擇材料時，需要對質(zhì)量、剛度、強度、彈性進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的運動性能。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應(yīng)是輕型材料并要求有一定剛度。 桁架機器人材料的選擇 機 器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的實際工作情況來進行選擇，在滿足機器人的設(shè)計和運動要求前提下。 工作范圍（工作半徑） 工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中的操作范圍和運動的軌跡來確定的 ,用工作空間來表示的。而在其有負載時，末端執(zhí)行器 (手爪 )通常要和物體直接接觸，為了安全起見，務(wù)必要盡量減少手臂的運 動速度。但速度越快產(chǎn)生的沖擊和震動也越大，因此提高機器人的加減速速能力，保證機器人加速過程的平穩(wěn)性是非常重要的。 運動特性 速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。機器人的載荷不僅僅取決于負載的質(zhì)量， 還與機器人運動的速度和加速度的大小及方向有關(guān)。 交流伺服電機驅(qū)動。 圖 2. 1機器人的坐標形式 [22] 6 圖 桁架機器人基本形式示意圖 [9] 規(guī)格參數(shù) 用途：抓取 機器人運動自由度為 5 個。 4 關(guān)節(jié)坐標型桁架機器人：如圖 21（ d）的屈伸型桁架機器人，主要由立柱、前臂和后臂組成。 3球坐標型機器人： 這類桁架機器人如圖 21（ c）的俯仰型桁架機器人，其手臂沿 X 方向伸縮，繞 Y軸俯仰和繞 Z軸回轉(zhuǎn)。 機身采用立柱式，桁架機器人側(cè)面行走，順利完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。 2 圓柱坐標型桁架機器人：這種桁架機器人如圖 21（ b）的回轉(zhuǎn)型桁架機器人，通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手部空間位置的改變，手臂的運動系由垂直立柱平面內(nèi)的伸縮和沿立柱的升降兩個直線運動及手臂繞立柱的轉(zhuǎn)動復合而成。 1 直角坐標型桁架機器人：這類桁架機器人就是如圖 21(a)得直移型，其手 部空間位置的改變通過沿三個互相垂直軸線的移動來實現(xiàn)，該形式桁架機器人具有位置精度高，控制無耦合、簡單，壁障性好等特點。一般通用桁架機器人有 5～ 6 個自由度即可滿足使用要求（其中臂部有 3個自由度，腕部和行走裝置有 2～ 3 個自由度），專用桁架機器人有 5個自由度即可滿足使用要求。輕型化與靈活性和抓取能力是一對矛盾，此外還要考慮到由此帶來的整體結(jié)構(gòu)剛性的降低，在 靈活性和輕量化之間必須做出選擇。自由度表示了機器人靈活的尺度，在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)需要六個自由度。 桁架機器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 表示機器人特性的基本技術(shù)參數(shù)主要有自由度、坐標形式的選擇。 本設(shè)計采用的方法是理論設(shè)計與經(jīng)驗設(shè)計相結(jié)合的方案，所運用的資料來源廣泛，內(nèi)容充足。 本文研究主要內(nèi)容 通過利用網(wǎng)絡(luò)工具、圖書館的書籍和各類期刊、雜志查閱了解桁架機器人的相關(guān)知識，確定本設(shè)計符合要求，滿足需要。（ 3）易于操作和維護 ， 可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場調(diào)試時間。 桁架機器人的主要優(yōu)點 ： （ 1）柔性大 ， 工作范圍大。桁架機器人一般采用液壓驅(qū)動，具有動作速度快、防爆性能好等特點，可通過手把手示教或點 位示數(shù)來實現(xiàn)示教。多采用 5 或 6 自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運動空間，并可做復雜的軌跡運動，其腕部一般有 2～ 3 個自由度，可靈活運動。 桁架機器人 3 桁架機器人又叫噴 涂 機器人（ spray painting robot）， 是可進行自動抓取或噴涂其他涂料的 工業(yè)機器人 ， 1969 年由挪威 Trallfa 公司（后并入 ABB 集 團）發(fā)明。大多數(shù)是用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編 程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。機械式用于簡單的場合。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。 氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無污染，一般采用的壓力 ，最高可達 1MPa。有很多專業(yè)機器 人能直接利用主機的液壓系統(tǒng)。液壓驅(qū)動具有潤滑性能好、壽命長的特點，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。不過目前還是以液壓和氣動用的最多。 執(zhí)行機構(gòu) 一般機器人的執(zhí)行機構(gòu)由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、緩沖與定位，還有行走機構(gòu)組成。