【正文】 吸盤式手爪與機器人的連接采用標準法蘭盤結構，支撐架與法蘭盤的連接采用焊接結構。腕部是臂部與手部的連接部件，起支撐手部和改變手部姿態(tài)的作用。手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人手臂配合運動，實現機器人手腕上安裝的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。采用幾個自由度的手腕應根據機器人的工作性能來確定。一些專用機器人甚至沒有腕部，但有的腕部為了特殊要求還有橫向移動的自由度。動作靈活、平穩(wěn)，定位精度高。設計合理的與臂和手部的連接部位以及傳感器和驅動裝置的布局和安裝。機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設計機器人手腕時，應力求減少其重量和體積，結構力求緊湊。機器人手腕要與末端執(zhí)行器相連，因此，要有標準的連接法蘭，結構上要便于裝卸末端執(zhí)行器。要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減少空回間隙，提高傳動精度。在本次設計中，腕擺和腕轉均采用齒形帶傳動和諧波減速器傳動。小臂和腕關節(jié)為4R機構，具有4個自由度，三個驅動電機均集中布置在小臂的后端，在其三個自由度的運動傳動過程中，均采用了諧波減速器，其動力輪與傳動軸和回轉套聯在一起，帶動腕部的轉動。腕關節(jié)二個自由度的驅動電機為司服電機，為保證制動迅速，在電機輸出軸上均裝有電磁制動器；當電機不轉動時，可保證關節(jié)軸牢固不動，以避免控制系統出錯時發(fā)生危險。矩形繞中心軸的轉動慣量計算如下式： Jz= （33）==②載荷繞Y軸如圖（320）的轉動慣量：設定腕部繞Y軸的轉動角速度為：w=/s=由平移軸定理得：載荷的轉動慣量為 （34） （35）因此，載荷繞Z軸的轉動力矩為：（假定重心無偏移）總力矩： （36）摩擦力矩： （37）慣性力矩： （38）其中，為載荷系數，f為摩擦系數，?。海琭=，選擇此處的軸承為圓錐滾子軸承，軸承直徑D1=D2=，已知此軸的轉速為：w=，假設軸的加速過程為勻加速，取勻加速啟動時間：t=（2） 對軸進行受力分析此軸受重力和兩個軸承的支撐力的作用，其受力圖如下：圖（33）圖33 輸出軸的受力分析根據軸的受力平衡得： ｛＝＞｛＝＞｛由公式（37）得：由公式（38）得：由公式（36）此軸總的驅動力矩是： （3）電機的選擇選擇直流伺服電機 （39）式中： 負載峰值力矩單位是Nm 負載峰值轉速單位是rad/s 傳動效率 取=所以：電機的所需功率是：選取電機的型號為：130SYX其額定功率為Pm=，額定轉速n=3000r/min，約為n=314rad/s，額定轉矩W=4Nm。Y軸是腕部的擺動軸，它在電機的驅動下，可以帶動載荷繞Y軸的擺動。取傳動比u=160，則所需輸入力矩T=由輸出軸的轉速和電機的轉速比為u=160，選取諧波減速器XB3100，其傳動比u=160，輸出轉矩T=150Nm，輸入功率P=，最高輸入轉速n=3000r/min（半流體潤滑脂）。設錐齒輪的傳動比：ｕ＝=1 分度圓直徑d=74mm，模數m=2，齒數：z=錐距： R= （315）=（mm）平均分度圓直徑： （316）傳動齒寬系數： （317）其中=—=1/3齒寬取b=17mm 由公式（316）得：=因此，錐齒輪的平均分度圓直徑==，錐齒輪的當量直齒圓柱齒輪的分度圓半徑與平均分度圓直徑： （318）mm因此，當量齒輪模數：當量齒數： 取當量齒輪的齒數比：（2）錐齒輪的設計計算圓周力： （319）垂直分度圓錐母線的力： 徑向分力： 軸向力： 法向載荷： 選取齒輪的齒合角=， 已知作用在齒輪上的力矩T=因此， ①齒根彎曲疲勞強度計算： （320）載荷系數， 其中=， =，==1， ===所以，K==查表得：齒形系數=（機械設計第197頁） 應力校正系數=由公式（320）得：=〈m=2故齒輪的彎曲疲勞強度是安全的。 （321）式中：彈性影響系數：=材料的許用應力：齒輪的應力循環(huán)次數：N=60njLh=（2830010）=接觸疲勞壽命系數：齒輪的安全系數：S=1因此，由公式（321）得：③錐齒輪的基本尺寸：齒數： 分度圓直徑： d=Zm=502=100mm錐距： 齒寬： （1）錐齒輪各尺寸的計算初設原始條件：傳動比u=1，椎角，齒型角模數m=2，分度圓直徑d=55mm齒數： ，分度圓直徑?。? d=56mm錐距： 平均分度圓直徑： （322）取齒寬系數： （323）所以， ==當量直齒輪分度圓半徑：當量齒輪模數（平均模數），當量齒數 ：當量齒輪的齒數比： （2）錐齒輪的設計計算齒輪傳遞的扭矩為： 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齒面接觸疲勞強度的設計： （324）齒輪的彈性影響系數： =材料的許用應力： 齒輪應力循環(huán)次數： N=60njLh=（2830010）=接觸疲勞壽命系數： 齒輪傳動安全系數： S=1 載荷系數： K= 由公式（324）得：取d=， 故齒輪的接觸疲勞強度是安全的②輪齒彎曲強度設計計算： （325）載荷系數： 查表得： 動載荷系數： 齒向載荷分布系數： 齒間載荷分配系數： 載荷系數： K==齒形系數： 應力校正系數： 彎曲疲勞強度極限： 由公式（325）得：因齒輪模數m=，故齒輪的彎曲疲勞強度是安全的。②齒輪彎曲強度設計計算： （328）載荷系數： =齒形系數： 應力校正系數： 彎曲疲勞強度極限應力：由公式（328）得： 因齒輪的設計模數m=，故齒輪的彎曲疲勞強度是安全的。對其進行受力分析得受力圖：圖（39）圖39 腕部擺動第二錐齒輪軸的受力圖其在徑向力作用下的受力分析：圖（310）圖310 腕部擺動第二錐齒輪軸徑向力作用下的受力分析根據軸的受力平衡原則得：{＝＞{＝＞{軸在周向力作用下的受力分析：圖（311）圖311 腕部擺動第二錐齒輪軸圓周力作用下的受力分析根據軸的受力平衡得：{＝＞{其力矩圖如下：圖（312）圖312 腕擺第二錐齒輪軸的力矩圖在第一軸承作用點的和力矩為： 其和力矩小于第二軸承處的作用力矩T=2152Nmm，故選取第二軸承處的作用力矩作為軸承的校核力矩。軸的材料選用45鋼調質，軸徑定位d=25mm軸的受力圖如下：圖（313）圖313 腕部輸出軸第二錐齒輪軸的受力分析其在徑向力作用下的受力分析：圖（314）圖314 腕部輸出軸第二錐齒輪軸徑向受力分析根據軸的受力平衡原則：{＝＞{＝＞{圓周力作用下的受力分析：圖（315）圖315 腕部輸出軸第二錐齒輪軸周向受力分析根據軸的受力平衡原則：{＝＞{＝＞{軸的力矩圖：圖（316）圖316 腕部輸出軸第二錐齒輪軸的力矩圖作用在第二軸承處的和力矩是： （332）根據第三強度理論得： （333），軸的計算應力小于材料的許用應力值，因此，軸的強度是符合強度理論的選擇同步帶的型號為L型，采用標準的帶輪和標準初選標準帶輪直徑：d= 傳動比為： u=1所以帶速： 初定軸間距： a0=221mm帶長： （334）因=，所以， 標準節(jié)線長： 實際軸間距：（當軸間距可以調整時） （335）作用在軸上的力：帶寬： （336） 其中，K2=1 基本帶寬：=， 基本帶寬功率： （337）由公式（336）得：所以帶寬： 取標準帶寬： b=14mm同步帶輪選用與上一傳動相同，傳動比u=1，故其帶速： v=軸間距初定為： 由公式（334）得：標準節(jié)線長； 所以實際軸間距（軸間距可調的情況下）；由公式（335）考慮他們傳動力矩相差不大，且都取同樣的帶輪所以其帶寬同上作用在軸上力的計算：；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學正逆運算簡化，有利于機器人的控制。，應在保證機器人手臂有足夠強度與剛度的條件下，盡可能從結構與材料上設法減輕手臂的重量。，以減小機械間隙所造成的運動誤差。，這對減小電機負荷和提高機器人手臂運動的響應速度是有益的。機器人是手臂結構采用電機和執(zhí)行器的分端布置，這樣使小臂達到重量的平衡。由于在減速器的前一級經過同步帶的減速，且同步帶的傳動比為：u=2，故輸入減速器的轉速為n=1500r/min。對小臂采用重力平衡機構，初步估算小臂加載荷的重量為1000Kg，小臂的平均直徑D=250mm，取小臂的長度： L=2000mm。小臂的慣性力矩為： 其中：為慣性矩，其計算公式如下： （341） 因此，此軸的慣性力矩為：所以小臂需要的總的驅動力矩為：由公式（339）得：選取電機的型號為：176SYX，額定功率為Pm=，額定轉速n=1500r/min，額定轉矩W=16Nm。 由電機選擇可知，電機的轉速為3000r/min，轉速很高，在各種型號的聯軸器中，膜片聯軸器易平衡，且易保持平衡精度，不需潤滑，對環(huán)境的適應性強，且具有較好的補償兩軸相對位移的性能，徑向載荷能力大，可在很高的轉速下運轉，但扭轉剛度大，緩沖減振效果差，通常使用于高速傳動及伺服傳動中。為防止膜片在高速運轉的時發(fā)生的微動磨損，導致膜片螺栓孔出現微裂紋而損壞，可在膜片之間涂上二硫化鉬等固體潤滑劑，或對膜片表面進行減磨涂層處理。又因他所傳遞的力矩略小于第一同步帶，此第二同步帶采用第一同步帶的寬度，其強度是可以保證的。如圖：圖（319）圖319 小臂第一傳動軸的受力簡圖由受力分析得：對軸主要進行扭曲應力和彎曲變形的校和。（2）小臂1軸（圖317）的扭曲變形計算已知初始條件：45鋼材的G值取80Gpa，軸的安全扭轉變形為20mm。（3）小臂1軸（圖317）在重力作用下的撓度計算估算軸的重力： （345）重力在軸上的平均作用力為：平均作用力下的軸的最大撓度: （346）鋼材的彈性模量： 所以，軸的最大撓度為：由公式（336）得： 計算得，小臂軸1的撓度非常小，以至可以忽略不考慮，因此重力作用下的彎曲變形在允許的情況下是安全。對其進行受力分析：如圖：圖（320）圖320 小臂2軸的受力分析其所傳遞的力矩為： T=（1）最大切應力計算最大切應力： 空心軸的抗扭截面系數： （347）由公式（347）： 軸的最大切應力為： 因45鋼調質許用切應力為：，所以軸的切應力強度是安全的。（3）軸的撓度計算：空心軸所承受的重力：軸上的平均作用力為： 在重力作用下的軸的最大撓度為：45鋼的彈性模量：E=210Gpa 最大撓度是： 軸在重力作用下的撓度