畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（62頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 設(shè)計(jì)題目： 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 姓 名 學(xué) 號(hào) 學(xué) 院 專 業(yè) 年 級(jí) 指導(dǎo)教師 年 月 日 目錄 摘要 3 ABSTRACT 3 第1章 緒論 4 1.1課題背景 4 1.2平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人概述 4 1.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及

2、趨勢 4 1.4設(shè)計(jì)內(nèi)容 5 1.4.1設(shè)計(jì)任務(wù) 5 1.4.2主要參數(shù) 5 第2章 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 6 2.1總體方案 6 2.2各傳動(dòng)鏈傳動(dòng)方案 6 第3章 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 3.1末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 7 3.1.1末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 3.1.2氣缸的選擇與計(jì)算 8 3.2腕部的設(shè)計(jì)與計(jì)算 9 3.2.1執(zhí)行軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)與計(jì)算 9 3.2.2末端執(zhí)行軸升降運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)與計(jì)算 17 3.3小臂傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 32 3.3.1電機(jī)3（小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)）的選擇 32 3.3.2電機(jī)3減速機(jī)選擇： 34 3.3.

3、3小臂同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 34 3.3.4小臂同步帶帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 37 3.3.5初估小臂傳動(dòng)軸軸徑 37 3.4大臂傳動(dòng)計(jì)算 38 3.4.1電機(jī)4的選擇 38 3.4.2齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 41 3.4.3傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 47 第4章 總結(jié) 48 參考文獻(xiàn) 48 致謝 48 摘要 在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，機(jī)器人不但能代替人類的一部分勞動(dòng)，還可以提高工作效率、保證工作質(zhì)量、改善生產(chǎn)能力、降低生產(chǎn)成本。機(jī)器人如今已成為制造業(yè)中非常重要的自動(dòng)化設(shè)備，而機(jī)器人的應(yīng)用也日益廣泛。目前，工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用于搬運(yùn)、碼垛、噴涂、焊接、裝配和一些勞動(dòng)強(qiáng)度大或勞作環(huán)境惡劣的等工作當(dāng)中。

4、 本設(shè)計(jì)從一個(gè)四自由度的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的工作內(nèi)容出發(fā)，結(jié)合該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，確定了能實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)的合理傳動(dòng)鏈及總體傳動(dòng)方案。設(shè)計(jì)結(jié)合各個(gè)自由的運(yùn)動(dòng)方式和傳動(dòng)方案，對各傳動(dòng)鏈上的重要零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 平面關(guān)節(jié) SCARA 機(jī)器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 四自由度 ABSTRACT To some extent, robot can replace the human labor, they can also improve the human’s work efficient, guarantee the quality of work, improve the prod

5、uction capacity and reduce the production cost in industrial production. Nowadays, robot has become very important automation equipment in manufacturing industry, the use of robot more and more popular. At present, industrial robot is mainly used in transport, stack, spray, weld, assemble and some b

6、ad working conditions, ect. Literature start from a working content of a 4-DOF SCARA robot, determine a mechanical transmission scheme design to implement the robot’s movement. Literature contains structural design of important component in each transmission chain. Key Words: plan joint SCARA

7、 robot structural design 4-DOF 第1章 緒論 1.1課題背景 機(jī)器人是一種具備某些與人或生物相似的智能能力的自動(dòng)化機(jī)器，它是隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然產(chǎn)物。為了提高社會(huì)的生產(chǎn)水平和人類的生活質(zhì)量，機(jī)器人可以代替人類去完成那些人類無法完成或很難完成的工作。目前機(jī)器人已應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、服務(wù)業(yè)、娛樂等多個(gè)行業(yè)。 工業(yè)機(jī)器人是應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人能夠接受人類指揮，按照預(yù)先編制的程序運(yùn)行而自動(dòng)實(shí)行預(yù)定的工作或功能。工業(yè)機(jī)器人的主要應(yīng)用有焊接、噴涂、裝配、搬運(yùn)等。常見的工業(yè)機(jī)器人包括直坐標(biāo)型

8、、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、平面關(guān)節(jié)型。 工業(yè)機(jī)器人由于其適應(yīng)能力強(qiáng)、工作可靠、效率高等特點(diǎn)，已在現(xiàn)今的工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的運(yùn)用，對工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也變得更加有意義。 1.2平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人概述 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人又稱SCARA機(jī)器人或水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人，該機(jī)器人具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和一個(gè)移動(dòng)自由度，它采用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)使機(jī)器人在水平面做預(yù)定的運(yùn)動(dòng)，再采用一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)使機(jī)器人的執(zhí)行部件做垂直運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)器人在X-Y平面具有較大柔性，沿Z軸具有較強(qiáng)剛性。平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人應(yīng)用廣泛，可實(shí)行涂布、焊接、裝配、碼垛、擰螺絲等工作[1]。 1.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 我國的工業(yè)機(jī)器人于上個(gè)

9、世紀(jì)70年代起步，并在80年代隨著改革開放的深入和高新技術(shù)的沖擊而快速發(fā)展。從90年代初期起，我國的工業(yè)機(jī)器人行業(yè)持續(xù)迅速發(fā)展，先后研制出點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴涂、切割、搬運(yùn)、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地。至今，此外，我國在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人、多自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的研制等處于國際前沿領(lǐng)域，并逐步縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。 目前工業(yè)機(jī)器人發(fā)展較好的國家有美國、日本和德國。美國起步最早，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)，是當(dāng)今世界上機(jī)器人強(qiáng)國之一。起步稍晚的日本在工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)上發(fā)展非常迅速，其工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)、出口和使用都處于世界首位。德國工

10、業(yè)機(jī)器人的數(shù)量僅次于日本跟美國，其智能機(jī)器人的研究和應(yīng)用都處于世界領(lǐng)先地位。此外，韓國與東歐的工業(yè)機(jī)器人也正迅速發(fā)展。 第一代工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)普及，第二代工業(yè)機(jī)器人已被推廣成為主流安裝機(jī)型，目前第三代工業(yè)機(jī)器人正在逐步發(fā)展?，F(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人已具有高速、高精度、多功能化、集成化與系統(tǒng)化等特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其與制造業(yè)的相互結(jié)合，未來的工業(yè)機(jī)器人將向?qū)崿F(xiàn)感知功能、控制智能化、移動(dòng)功能智能化、系統(tǒng)應(yīng)用與集成化、安全可靠、微型化等方向發(fā)展[2]。 1.4設(shè)計(jì)內(nèi)容 1.4.1設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一種用于某裝配線的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，將工件從一條輸送帶搬運(yùn)到另一條與之平行的輸送帶，并將工件裝配到與

11、之配套的底座，工件外形尺寸為80mm×60mm×60mm，重量為1kg。兩輸送帶之間距離為1000mm，高度差70mm（包括工件配套底座高度）。 1.4.2主要參數(shù) 本次設(shè)計(jì)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)如下： 自由度：4（3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，1個(gè)移動(dòng)自由度） 最大持重：4kg（包括末端執(zhí)行件） 最大動(dòng)作范圍： 大臂：±100°（臂長400mm） 小臂：±120°（臂長220mm） 腕部：旋轉(zhuǎn)（R方向）±90°，垂直移動(dòng)（Z方向）100mm 最高速度： 大小臂合成：6400mm/s

12、 腕部轉(zhuǎn)動(dòng)：1800°/s 腕部移動(dòng)：320mm/s 重復(fù)位置精度： XYZ：±0.05mm R: ±0.01° 驅(qū)動(dòng)方式：伺服電機(jī) 工作時(shí)間：10年，每年300天，雙班制 圖1.1 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人簡圖及動(dòng)作范圍 （a）平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)簡圖 （b）平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作范圍 第2章 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 2.1總體方案 該平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)為一個(gè)底座、一個(gè)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的大臂、一個(gè)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的小臂，和用來連接末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的

13、腕部，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為一個(gè)卡爪。該機(jī)器人在水平面的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制，腕部在垂直方向的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，腕部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.1所示。 圖2.1 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖 1-末端執(zhí)行件 2-工作軸 3-小臂 4-升降傳動(dòng)帶輪 5-旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)帶輪 6-滾珠絲杠 7-小臂傳動(dòng)軸 8-電機(jī)1 9-電機(jī)2 10-電機(jī)3 11-小臂傳動(dòng)帶輪 12-大臂 13-大臂傳動(dòng)輸出軸 14-電機(jī)4 15-大臂傳動(dòng)輸入軸 16-傳動(dòng)齒輪 2.2各傳動(dòng)鏈傳動(dòng)方案 該平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可分為五個(gè)部分：大臂擺動(dòng)、小臂擺動(dòng)、執(zhí)行軸升降運(yùn)

14、動(dòng)與執(zhí)行軸轉(zhuǎn)動(dòng)、末端執(zhí)行件的抓取運(yùn)動(dòng)。各運(yùn)動(dòng)由以下傳動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)： 大臂：大臂在水平面繞傳動(dòng)軸軸線做±100°的擺動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)力來自于電機(jī)4。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，且大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)需要較大轉(zhuǎn)矩，故采用一個(gè)齒輪減速箱對電機(jī)進(jìn)行減速，低速級(jí)傳動(dòng)軸通過鍵與大臂連接，并將轉(zhuǎn)矩傳遞到大臂帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。 小臂：小臂在水平面繞傳動(dòng)軸軸線做±120°的擺動(dòng)，其目的為增加機(jī)器人的工作范圍與靈活性。小臂傳動(dòng)由電動(dòng)機(jī)3驅(qū)動(dòng)，由于傳動(dòng)鏈位于懸臂梁上，為減輕重量，采用帶傳動(dòng)來降低轉(zhuǎn)速、增加轉(zhuǎn)矩。由于臂的擺動(dòng)角度需要精確控制，故傳動(dòng)帶選為同步帶。 執(zhí)行軸：執(zhí)行軸的運(yùn)動(dòng)分為升降運(yùn)動(dòng)和繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行軸的升降用于抓取

15、和放下工件時(shí)的運(yùn)動(dòng)，電機(jī)2經(jīng)減速機(jī)減速后，通過帶輪傳動(dòng)使?jié)L珠絲杠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的絲杠使絲杠螺母沿絲杠上下移動(dòng)，執(zhí)行軸與絲杠螺母連接，從而執(zhí)行軸隨絲杠螺母做升降運(yùn)動(dòng)； 執(zhí)行軸的轉(zhuǎn)動(dòng)是為了使末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)（卡爪）轉(zhuǎn)到正確的角度以便于抓取工件，其驅(qū)動(dòng)力由電機(jī)1提供，經(jīng)減速機(jī)減速后，再由同步帶傳動(dòng)，使執(zhí)行軸繞其軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)：末端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為卡爪，用于抓取工件，驅(qū)動(dòng)力由氣缸提供，并通過齒輪齒條實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)。 第3章 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行件是機(jī)器人用來抓取工件或吸附專用工具（焊接器具、噴頭等）的操作部件，它是安裝

16、于工業(yè)機(jī)器人手臂前端的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。經(jīng)過多年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)多種多樣，以適應(yīng)各種不同形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面形態(tài)的工件[3]。 3.1.1末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 工件為長方體，外形尺寸,重量1kg，表面材料為合金。采用夾鉗式取料手，采用小型氣缸驅(qū)動(dòng)夾緊，其結(jié)構(gòu)形式如圖1.1所示。當(dāng)氣壓缸工作拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿2向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，扇形齒輪在齒條桿的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，則四連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)搖桿4和從動(dòng)搖桿6的共同作用下，鉗爪8向中間平移靠攏夾緊工件；當(dāng)氣缸工作推動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指實(shí)現(xiàn)相反的運(yùn)動(dòng)以放下工件。 圖3.1 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 1—?dú)飧祝?—驅(qū)動(dòng)桿；3—齒條桿；4—

17、扇形齒輪驅(qū)動(dòng)搖桿； 5—機(jī)座；6—從動(dòng)搖桿；7—鉗爪 3.1.2氣缸的選擇與計(jì)算 1.夾緊力計(jì)算 工件重量：，取； 所需夾緊力： 為可靠地夾持住零件，需滿足條件。其中，為手指與工件間靜摩擦因數(shù)，手指材料為45鋼，工件表面材料為合金鋼，查文獻(xiàn)[4]表1-1-42得： 故,取； 2.氣缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 （1）初步選擇氣缸類型 由于鉗爪的夾緊力由氣缸對桿的拉力驅(qū)動(dòng)，故選用雙作用普通氣缸（活塞向兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)均通過壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，活塞行程可根據(jù)實(shí)際需要選定）。SC系列氣缸是按照ISO 6431 標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)，缸筒采用擠壓成型的鋁合金型材，其安裝尺寸通用性強(qiáng)，故選用SC系列氣缸。 （

18、2）氣缸的計(jì)算 由文獻(xiàn)[5]的式23.4-4與式23.4-5，活塞桿產(chǎn)生的推力與拉力分別為： 式中： ——雙作用單活塞桿氣缸的輸出推力(N)； ——雙作用單活塞桿氣缸的輸出拉力(N)； ——活塞直徑（m）； ——活塞桿直徑（m）； ——?dú)飧坠ぷ鲏毫Γ≒a）； ——載荷率，與氣缸壓力有關(guān)，且綜合反映活塞的快速運(yùn)動(dòng)和氣缸效率。對于工作頻率高的，一般取為0.3-0.5。 由于夾緊工件時(shí)，氣缸輸出的力為拉力；而氣缸輸出力為推力時(shí)，提供的推力只需松開夾持機(jī)構(gòu)即可，故不需進(jìn)行校核，因而由拉力計(jì)算出氣缸直徑。為滿足

19、夾緊工件所需的夾緊力，氣缸需提供的輸出拉力為： 由文獻(xiàn)[4]式6.22可知，，式中各符號(hào)含義見圖3.1所示。經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算：，，夾持住工件時(shí)，最大夾角，故： ，為使夾緊可靠，取。 由文獻(xiàn)[5]式23.4-7，當(dāng)拉力做功時(shí)，氣缸直徑D： 按此式計(jì)算時(shí)，估定活塞桿直徑可按計(jì)算，代入上式，則可得： 查閱文獻(xiàn)[6]表10.4-47，SC系列氣缸工作壓力p的值為0.1—0.9MPa，計(jì)算時(shí)?。蝗?0.4，則： 則選取的氣缸缸筒內(nèi)徑應(yīng)大于25.1mm，的按文獻(xiàn)[5]的《缸筒內(nèi)徑系列表》（表23.4-4），氣缸缸筒內(nèi)徑選32mm；查文獻(xiàn)[5]的《活塞桿直徑系列表》（表23.4-

20、5），活塞桿的直徑選12mm；查文獻(xiàn)[6]的《氣缸行程參數(shù)系列表》（表10.4-7）選取氣缸的行程，由于夾持器夾持工件時(shí)動(dòng)作不大，故氣缸行程選取50mm。綜上，選擇型氣缸。 3.2腕部的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.2.1執(zhí)行軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)與計(jì)算 1.電機(jī)1（執(zhí)行軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)）的選擇與計(jì)算： 1.使用條件：電機(jī)經(jīng)減速器減速后通過同步帶驅(qū)動(dòng)R軸轉(zhuǎn)動(dòng)， R軸轉(zhuǎn)動(dòng)最大角度為±90°，最大速度為1800°/s（即轉(zhuǎn)速為5r/s或300r/min）。 2.負(fù)載部分慣量： 帶輪慣量：由于帶輪需選取電機(jī)后才能求出，故先估計(jì)帶輪直徑為50mm，材料HT150，重

21、量約0.1kg，則單個(gè)帶輪慣量： 式中，——帶輪的慣量，； ——帶輪的重量，； ——R軸外徑，； R軸的慣量： 初步估計(jì)R軸的直徑為15mm，則R軸慣量為： 式中，——R軸的慣量，； ——R軸的重量，； ——材料密度，； ——R軸外徑，； ——R軸長度，； 工件與末端執(zhí)行件的慣量： 為便于計(jì)算，將工件與末端執(zhí)行件近似看成一個(gè)邊長為的長方體，最大質(zhì)量為10kg，則其慣量約為：

22、 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算： 由于電機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間有減速機(jī)構(gòu)，故必須先將各傳動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到一根軸上。折算到電機(jī)軸上的總慣量為： 式中，、、——電動(dòng)機(jī)軸、各中間傳動(dòng)軸、執(zhí)行機(jī)構(gòu)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ——電動(dòng)機(jī)軸與各中間傳動(dòng)軸之間的速比； ——電動(dòng)機(jī)軸與執(zhí)行機(jī)構(gòu)軸之間的速比； 選擇的減速器減速比為1/9（在后面的減速器選擇部分有詳述），減速后的轉(zhuǎn)速為333r/min。則電機(jī)軸上的折算總慣量為： 3.預(yù)選電機(jī)：選松下MSMD系列，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 4.慣量比：該電機(jī)的推薦負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比在30倍以下，對于要求響應(yīng)快速的場合，應(yīng)選擇較小

23、的慣量比。 ，符合要求。 查松下伺服電機(jī)選型表，選擇MSMD 02 4 G 1T型AC伺服電機(jī)，該電機(jī)軸為帶鍵帶抽頭型，有制動(dòng)器，無油封，各參數(shù)如表3-1所示 表3-1 MSMD5A4G1T型電機(jī)規(guī)格表 電源設(shè)備容量（kVA） 額定輸出功率(W) 額定轉(zhuǎn)矩() 瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩() 額定電流(A(rms)) 瞬時(shí)最大電流(A(o-p)) 額定轉(zhuǎn)速(r/min) 最高轉(zhuǎn)速(r/min) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量() 0.5 200 640 1910 1.6 6.9 3000 5000 0.16 2.電機(jī)減速機(jī)選擇：

24、 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min，R軸的最高轉(zhuǎn)速為300r/min，減速比較大，故電機(jī)與軸之間的傳動(dòng)需先通過減速器減速，再用帶輪將減速器與R軸連接。 查閱新寶減速機(jī)選型說明書，其一級(jí)減速機(jī)減速比有1/3、1/5和1/9，為使轉(zhuǎn)速接近300r/min，先選擇1/9減速比。查閱新寶減速機(jī)說明書選型表，再由電機(jī)選型中的計(jì)算數(shù)據(jù)，最終選擇型號(hào)為的減速機(jī)，其主要參數(shù)如表3-2所示： 表3-2 VR SF-S9-C-200型減速機(jī)規(guī)格表 輸出軸轉(zhuǎn)速 額定輸出轉(zhuǎn)矩 瞬間最大輸出轉(zhuǎn)矩 容許徑向負(fù)荷 容許軸向負(fù)荷 輸入軸換算內(nèi)部慣性力矩（） 容許輸出轉(zhuǎn)矩 瞬間最大容許輸出轉(zhuǎn)矩

25、 333 3720 22300 1180 588 0.275 9700 29200 3.同步帶的設(shè)計(jì)與計(jì)算： 小帶輪轉(zhuǎn)速，大帶輪轉(zhuǎn)速。 計(jì)算功率: 式中，——同步帶工作情況系數(shù)，由文獻(xiàn)[7]表11.17查出； ——電機(jī)功率，； 由于該機(jī)器人載荷平穩(wěn)，每天工作16小時(shí)，查文獻(xiàn)[7]表11.17，；電機(jī)功率，則： 選擇帶型和節(jié)距：查文獻(xiàn)[6]圖4.1-14和文獻(xiàn)[7]表11.18，選得帶型為L型，節(jié)距為； 齒數(shù)：查文獻(xiàn)[

26、7]表11.18，小帶輪最小齒數(shù)，??； ，??； 帶輪節(jié)圓直徑： ， ； 帶速： ， 小于L型帶輪允許最大速度。 初定中心距： 取中心距為240mm； 求：； 求：； 帶長及其齒數(shù)： 由文獻(xiàn)[7]式11.2，帶長： 查文獻(xiàn)[7]表11.19，選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長度，節(jié)線上齒數(shù)，（帶長代號(hào)260）； 實(shí)際中心距： 由文獻(xiàn)[7]式11.3，實(shí)際中心距： 小帶輪嚙合齒數(shù)： 圓整，得：。 基本額定功率： 式中，——同步帶基準(zhǔn)寬度所

27、能傳遞的功率，kW； ——基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作拉力，N； ——基準(zhǔn)寬度同步帶的質(zhì)量，kg/m； 查文獻(xiàn)[7]表11.18，得，，則： 帶寬： 基準(zhǔn)寬度，查文獻(xiàn)[7]表11.18，； 嚙合齒數(shù)系數(shù)：由于，故； 帶寬：； 查文獻(xiàn)[7]圖11.21，選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬 軸上載荷： 4.同步帶帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算: 帶輪材料：由于該同步帶工作時(shí)線速度較小，且傳遞功率較低，故帶輪材料使用HT150。 帶輪設(shè)計(jì)：選擇的帶輪型號(hào)為周節(jié)制H型，周節(jié)制帶輪有漸開

28、線齒形和梯形齒形兩種標(biāo)準(zhǔn)齒形，這里采用梯形齒形。其齒形如圖3.2所示，查文獻(xiàn)[6]表4.1-78，得其尺寸及偏差如表3-3所示： 圖3.2 直邊齒形帶輪齒形圖 表3-3 直邊齒形帶輪的尺寸及偏差 齒槽底寬（mm） 兩倍節(jié)根距（mm） 齒槽深（mm） 小帶輪節(jié)圓直徑（mm） 齒槽半角（°） 小帶輪齒頂圓直徑（mm） 齒根圓角半徑（mm） 大帶輪節(jié)圓直徑（mm） 齒頂圓角半徑（mm） 大帶輪齒頂圓直徑（mm） 5.執(zhí)行軸的設(shè)計(jì)： 初定結(jié)構(gòu)： 該傳動(dòng)軸需要繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)和

29、沿垂直方向移動(dòng)。該軸的轉(zhuǎn)動(dòng)靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過同步帶連接；該軸在垂直方向的移動(dòng)靠滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)。 查閱THK滾珠花鍵直線導(dǎo)軌說明書，可知其滾珠花鍵直線導(dǎo)軌即可作為滾珠絲杠的導(dǎo)軌，又能滿足以上傳動(dòng)要求。故選擇滾珠花鍵直線導(dǎo)軌作為本平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的執(zhí)行軸。 滾珠花鍵直線導(dǎo)軌的選擇與計(jì)算： 1.使用條件 安裝姿勢：垂直 行程長度：100mm 向最大持重（包括末端執(zhí)行件）：10kg 轉(zhuǎn)速：最高轉(zhuǎn)速為，即， 移動(dòng)速度： 運(yùn)動(dòng)頻率： 使用壽命：50000h 位置精度： 2.選擇類型 查閱THK滾珠花鍵直線導(dǎo)軌產(chǎn)品說明書，初選適合用作平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人Z軸的LTR A型滾珠花

30、鍵。為減輕重量，且考慮到末端執(zhí)行件的氣缸布管要求，選擇標(biāo)準(zhǔn)中空花鍵軸。由于行程長度為100mm，考慮到空間結(jié)構(gòu)，暫定花鍵軸長度。 3.花鍵軸的強(qiáng)度計(jì)算 由撓曲求出合適的花鍵軸徑： 由同步帶中計(jì)算可知，同步帶作用在軸上的徑向載荷為：。該軸的固定方式為一端固定一端自由，且行程長度為，則作用在軸上的最大彎矩為： 。 查閱THK滾珠花鍵直線導(dǎo)軌說明書，花鍵軸的截面系數(shù)為： 式中，——花鍵軸能承受的最大撓曲，； ——花鍵軸的容許彎曲應(yīng)力，98 ——花鍵軸的截面系數(shù)； 則： 查閱THK滾珠花鍵直線導(dǎo)軌說明書，LTR 20A（N型）的截面系數(shù)為，大于，故暫選LTR

31、 20A型（N型）滾珠花鍵直線導(dǎo)軌作為Z軸。 4.使用壽命的計(jì)算 滾珠花鍵的額定使用壽命指的是一批相同的滾珠花鍵在相同條件下分別運(yùn)行時(shí)，其中的90%不產(chǎn)生表面脫落的所能達(dá)到的運(yùn)行總距離。該軸主要承受徑向載荷，由THK滾珠花鍵直線導(dǎo)軌說明書，承受徑向載荷時(shí)的計(jì)算額定壽命公式為： 式中，——額定壽命，； ——基本額定動(dòng)載荷，10200 ； ——計(jì)算徑向載荷，； ——溫度系數(shù)，查說明書A3-19圖1，； ——接觸系數(shù)，查說明書A3-19表5，； ——負(fù)荷系數(shù)，查說明書A3-19表6， 徑向載荷即為同步帶作用在軸上的徑向載荷，即，則： 該

32、機(jī)器人的使用壽命為50000h，該軸行程100mm，每分鐘往返10次，則該軸的實(shí)際使用壽命為： 由以上計(jì)算可知，計(jì)算額定使用壽命大于實(shí)際使用壽命，故使用壽命符合要求。 5.預(yù)壓選擇 滾珠花鍵的預(yù)壓對精度、耐負(fù)荷性能及剛性都有很大的影響，因此應(yīng)根據(jù)使用用途來選擇適當(dāng)?shù)拈g隙。 由說明書A3-26表11，該滾珠花鍵旋轉(zhuǎn)方向間隙應(yīng)使用輕預(yù)壓（CL），查說明書A3-27表15，輕預(yù)壓（CL）的LRT 20A型的旋轉(zhuǎn)方向間隙為。 6.精度選擇 機(jī)器人要求的位置精度為±0.05mm，滾珠花鍵的精度選擇普通級(jí)即能滿足要求。 7.潤滑及防塵 為防止異物進(jìn)入到花鍵母或潤滑劑的泄露，TH

33、K滾珠花鍵備有耐磨性很強(qiáng)的合成橡膠制密封圈。在帶密封圈的花鍵母內(nèi)，使用鋰皂基潤滑脂2號(hào)潤滑。通常情況下，運(yùn)行距離達(dá)到100Km時(shí)對潤滑脂進(jìn)行補(bǔ)充或交換。 如果粉塵及其他異物進(jìn)入滾珠花鍵，將導(dǎo)致異常磨損，且縮短使用壽命，因此必須防止異物進(jìn)入花鍵外筒內(nèi)。防塵使用配套的專用防塵配件。 3.2.2末端執(zhí)行軸升降運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)與計(jì)算 1.滾珠絲杠： 1.使用條件 該機(jī)器人腕部使用的滾珠絲杠模型可簡化為圖3.3所示，其工作臺(tái)包含滑塊和腕部傳動(dòng)軸。為選擇絲杠，其使用條件如下： 工作臺(tái)質(zhì)量：包括滑塊、執(zhí)行軸，估算其總質(zhì)量不超 過2kg，取 工件質(zhì)量：按最大持重，取 ，（包括末端執(zhí)行件）

34、 總質(zhì)量： 行程長度： 最大速度： 加速時(shí)間： 加速時(shí)間： 定位精度：±0.3mm/100mm 重復(fù)定位精度：±0.05mm 工作壽命時(shí)間：50000h 最小進(jìn)給量：0.01mm/脈沖 每分鐘往返次數(shù)：30 導(dǎo)向面上的摩擦系數(shù)： （滾動(dòng)） 無負(fù)載時(shí)導(dǎo)向面阻力： 選擇HTK公司滾珠絲杠。 圖3.3滾珠絲杠受力示意圖 2.導(dǎo)程精度與軸向間隙（予壓）的選擇： （1）導(dǎo)程精度等級(jí)選擇： 查閱THK公司樣本資料，為節(jié)約成本，在滿足要求的情況下盡量選擇最低精度等級(jí)。將100mm工作行程誤差±0.3mm換算

35、為每300mm允許誤差如下： 故只需滿足±0.9mm/300mm的精度，根據(jù)該公司導(dǎo)程精度表，選擇精度等級(jí)為C10的軋制滾珠絲杠，其導(dǎo)程誤差為±0.21mm/300mm。 （2）軸向間隙的選擇 因?yàn)槭谴怪笔褂?，軸向負(fù)荷常作用與一個(gè)方向，不論軸向間隙多大，使用時(shí)也不會(huì)成為無效行程。故軸向間隙不會(huì)出現(xiàn)問題，選擇價(jià)格經(jīng)濟(jì)的軋制滾珠絲杠。 3.絲杠軸的選擇 （1）初步假定絲杠軸長度： 先初步假設(shè)螺母全長60mm，絲杠軸末端長度為60mm。又因?yàn)樾谐涕L度為100mm，故初步假定絲杠軸的長度為： 即絲杠軸的初定長度為220mm。 （2）導(dǎo)程的選擇： 根據(jù)導(dǎo)程的定義，電機(jī)所需轉(zhuǎn)速

36、與最大進(jìn)給速度、絲杠導(dǎo)程、減速比之間的關(guān)系為： 式中，——電機(jī)所需轉(zhuǎn)速，r/min; ——最大進(jìn)給速度，m/s； ——滾珠絲杠導(dǎo)程，mm； ——電機(jī)至絲杠的轉(zhuǎn)速比。 使用時(shí)要求電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速不小于，則絲杠的導(dǎo)程： 由已知數(shù)據(jù)，，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速選為3000r/min，取轉(zhuǎn)速比，則： 由計(jì)算結(jié)果，需要選用7mm或更大導(dǎo)程的滾珠絲杠。 （3）絲杠軸直徑的選擇 根據(jù)THK公司的“滾珠絲杠外徑與導(dǎo)程的標(biāo)準(zhǔn)組合表（軋制滾珠絲杠）”，初選絲杠外徑15mm，導(dǎo)程10mm。 表3-4 軋制滾珠絲杠的軸頸與導(dǎo)程的標(biāo)準(zhǔn)組合 單位：mm （4）絲杠軸支撐方式 使用

37、行程長度100mm，最高速度0.32m/s（絲杠轉(zhuǎn)速1920r/min），絲杠選擇一端固定一端支撐的支承方式。 （5）容許軸向負(fù)荷的計(jì)算 a.最大軸向負(fù)載的計(jì)算 總質(zhì)量為，由最大速度可計(jì)算加速度為， 負(fù)載滑塊（含腕部傳動(dòng)軸、末端夾持器與工件）在進(jìn)行往返移送，根據(jù)力學(xué)原理，各種工作情況下的軸向負(fù)載分別為： 加速上升時(shí)： 等速上升時(shí)： 減速上升時(shí)： 加速下降時(shí)： 等速下降時(shí)： 減速下降時(shí)： 其中：——各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的負(fù)載，N； ——負(fù)載滑塊（含與之相連接的腕部傳動(dòng)軸、末端夾持器及工件）的總質(zhì)量，kg； ——負(fù)載滑塊加速度，;

38、 ——導(dǎo)軌無負(fù)載時(shí)的運(yùn)動(dòng)阻力，N。 由上述各式可知，最大軸向負(fù)載為： 圖3.4 滾珠絲杠軸向負(fù)荷 b.絲杠在不發(fā)生彎曲的前提下所允許的最大軸向負(fù)載： 由THK滾珠絲杠說明書，該允許最大軸向負(fù)載與絲杠的安裝方法、絲杠安裝間距、絲杠溝槽最小直徑等因素有關(guān)，其計(jì)算公式為： 其中，——最大軸向允許負(fù)載，N； ——楊氏模量（通常情況下絲杠材料的）； ——絲杠安裝間距，mm； ——絲杠溝槽最小直徑，mm； ——絲杠斷面與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)的參數(shù)，； 、——與安裝方式有關(guān)的系數(shù)。 為考慮挫曲因素，螺母和軸承間的安裝方法按固定—固定方式，查

39、說明書，；查說明書尺寸參數(shù)，；初定安裝間距；則： 即絲杠在不發(fā)生彎曲的前提下所允許的最大軸向負(fù)載為122070N， 。 c.絲杠在不發(fā)生屈服的前提下所允許的最大軸向負(fù)載： 由說明書，絲杠在不發(fā)生屈服的前提下所允許的最大軸向負(fù)載由下式求出： 其中，——最大軸向允許負(fù)載，N； ——絲杠溝槽最小直徑，mm； ——絲杠材料的允許拉伸壓縮應(yīng)力（通常情況下）。 計(jì)算得，絲杠在不發(fā)生屈服的前提下所允許的最大軸向負(fù)載，。 由上述計(jì)算可知，絲杠在不發(fā)生彎曲的前提下所允許的最大軸向負(fù)載和絲杠在不發(fā)生屈服的前提下所允許的最大軸向負(fù)載均大于最大軸向負(fù)荷，故滿足

40、上述條件的滾珠絲杠在使用上能負(fù)荷要求。 （6）容許轉(zhuǎn)速的計(jì)算 絲杠允許轉(zhuǎn)速必須滿足絲杠最高轉(zhuǎn)速不超過臨街轉(zhuǎn)速和絲杠最高轉(zhuǎn)速不超過DN值兩個(gè)條件。 a.最高轉(zhuǎn)速： 絲杠移動(dòng)最高速度： 導(dǎo)程： 則最高轉(zhuǎn)速： b.臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算： 由THK滾珠絲杠說明書，臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為： 其中，——臨界轉(zhuǎn)速，； ——楊氏模量（通常情況下絲杠材料的）； ——絲杠安裝間距，mm； ——絲杠溝槽最小直徑，mm； ——絲杠斷面與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)的參數(shù)，； ——絲杠材料密度（）； ——絲杠溝槽最小直徑所在剖面的面積，； ——與安裝方式有關(guān)的系數(shù)

41、，以一端固定一端支承的方式安裝時(shí)，，。 由以上數(shù)據(jù)，求得臨界轉(zhuǎn)速為： 可知，即絲杠最高轉(zhuǎn)速小于臨界轉(zhuǎn)速，符合要求。 c.DN值： 絲杠所允許轉(zhuǎn)速必須不超過臨界轉(zhuǎn)速外，還不得超過DN允許值。DN值是指絲杠公稱直徑（滾珠中心所在圓的直徑）D與絲杠轉(zhuǎn)速N的乘積。由THK滾珠絲杠說明書，軋制滾珠絲杠： （導(dǎo)程10mm，大導(dǎo)程滾珠絲杠） 則： 查THK滾珠絲杠說明書，，則： 可知，即絲杠最高轉(zhuǎn)速低于DN值，符合要求。 綜上所述，能滿足絲杠的臨界速度和DN值。 （7）螺母的選擇 螺母型號(hào)的選擇： 選擇絲杠外徑為15mm，導(dǎo)程為10mm的大導(dǎo)程軋制滾珠絲杠。

42、查閱THK滾珠絲杠說明書，選擇公稱型號(hào) BLK 1510-5.6（） 容許軸向負(fù)載的計(jì)算： 由說明書，容許軸向負(fù)載的計(jì)算公式為： 其中，——容許軸向負(fù)載，kN； ——基本靜額定負(fù)載，kN； ——靜態(tài)安全系數(shù) 查閱說THK滾珠絲杠明書內(nèi)的靜態(tài)安全系數(shù)表，由于加速、減速時(shí)會(huì)有沖擊負(fù)載的作用，故靜態(tài)安全系數(shù)為2；BLK 1510-5.6的基本靜額定負(fù)載。則： 可知，即最大軸向負(fù)載小于容許軸向負(fù)載，故此型號(hào)滿足要求。 工作壽命的計(jì)算： 運(yùn)行距離的計(jì)算： 最大速度： 加速時(shí)間：

43、 減速時(shí)間： 加速時(shí)運(yùn)行距離： 減速時(shí)運(yùn)行距離： 等速時(shí)運(yùn)行距離： 勻速時(shí)間： 由以上條件，軸向負(fù)載與運(yùn)行距離的關(guān)系如表3-5所示： 表3-5 滾珠絲杠軸向負(fù)載及運(yùn)行距離 動(dòng)作 軸向負(fù)載（N） 運(yùn)行距離（mm） 加速上升 176 16 等速上升 137.6 68 減速上升 99.2 16 加速下降 59.2 16 等速下降 97.6 68 減速下降 136 16 軸向平均負(fù)載： 額定壽命： 動(dòng)額定負(fù)載：查表，公稱型號(hào) BLK 1510-5.6， 負(fù)載系數(shù)：查說明書負(fù)載

44、系數(shù)表， 平均負(fù)載： 額定壽命： 每分鐘平均轉(zhuǎn)速： 每分鐘往返次數(shù)： 行程： 導(dǎo)程： 每分鐘平均轉(zhuǎn)速： 根據(jù)額定壽命計(jì)算工作壽命時(shí)間： 可知，即計(jì)算工作壽命時(shí)間大于要求工作壽命時(shí)間，BLK 1510-5.6型能滿足工作壽命要求。 （8）剛性的校核 作為選擇的條件，不包括剛性的規(guī)格，且對剛度沒有特別要求，故不需校核。 （9）定位精度的校核 導(dǎo)程精度的校核： 導(dǎo)程精度是在滿足要求的前提下查表選擇的，故不需再校核。 軸向間隙（予壓）的校核： 由于是垂直使用，負(fù)載只朝一個(gè)方向，故不必校核。

45、 軸向剛性的校核： 對于所要求的定位精度，所選擇的導(dǎo)程精度很好，故不再需要校核由于軸向剛性給定位精度帶來的影響。 （10）選擇扭矩的計(jì)算： 由外部負(fù)載引起的摩擦扭矩： 等速上升時(shí)： 式中， ——等速上升時(shí)外部負(fù)載引起的摩擦扭矩； ——等速上升時(shí)軸向負(fù)載； ——滾珠絲杠效率，； ——減速比； 取，則： 等速下降時(shí)： 由滾珠絲杠予壓引起的扭矩： 該型號(hào)的滾珠絲杠沒有施加予壓，故滾珠絲杠予壓引起的扭矩為0. 加速時(shí)所需的扭矩： 由說明書，加速時(shí)需要的扭矩為：

46、 式中，——加速時(shí)所需扭矩，； ——慣性力矩，； ——角加速度； 慣性力矩由下式求出： 式中，為減速比，為絲杠軸慣性力矩，查閱說明書中尺寸型號(hào)表，BLK 1510-5.6型的絲杠軸的每單位長度慣性扭矩為，則絲杠軸全長220mm的慣性力矩： 則： 角加速度： 由以上計(jì)算，加速時(shí)需要的扭矩： 由說明書，各運(yùn)動(dòng)階段所需扭矩： 加速上升時(shí)： 等速上升時(shí)： 減速上升時(shí)： 加速下降時(shí)： 等速下降時(shí)： 減速下降時(shí)： 綜上，最大扭矩： （11）驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算與選擇 選擇速度： 在計(jì)算滾

47、珠絲杠的導(dǎo)程時(shí)已對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行選定，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為。 最小進(jìn)給量： 絲杠最小進(jìn)給量為0.01mm/脈沖，選擇電機(jī)的角度測試儀的分辨率：1000p/rev。 電機(jī)扭矩： 之前的計(jì)算已求出最大扭矩，故伺服電機(jī)的瞬時(shí)最大扭矩應(yīng)大于。 扭矩有效值： 各運(yùn)動(dòng)階段求出的需要扭矩與運(yùn)動(dòng)時(shí)間為： 加速上升時(shí)：，； 等速上升時(shí)：，； 減速上升時(shí)：，； 加速下降時(shí)：，； 等速下降時(shí)：，； 減速下降時(shí)：，； 則扭矩的有效值： 即電機(jī)的額定扭矩需大于。 慣性力矩： 慣性力矩在之前的計(jì)算中以計(jì)算

48、過， ，通常電機(jī)有必要具有作用在電機(jī)上慣性力矩1/10以上的慣性力矩，故選擇的電機(jī)慣性力矩需大于。 至此，選擇完畢。 2.電機(jī)2（滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)）的選擇： 電機(jī)的類型選擇AC伺服電機(jī)。 由滾珠絲杠中的相關(guān)計(jì)算，已經(jīng)確定了電機(jī)需滿足的條件，按照其要求選擇AC伺服電機(jī)即可。 查閱松下公司A5系列伺服電機(jī)選型樣本，選擇型號(hào)為MSMD 01 4G 1 T的AC伺服電機(jī)，該電機(jī)軸為帶鍵帶抽頭型，有制動(dòng)器，無油封，其他參數(shù)如表3-6所示 表3-6 MSMD014G1T型電機(jī)規(guī)格表 電源設(shè)備容量（kVA） 額定輸出功率(W) 額定轉(zhuǎn)矩() 瞬時(shí)最

49、大轉(zhuǎn)矩() 額定電流(A(rms)) 瞬時(shí)最大電流(A(o-p)) 額定轉(zhuǎn)速(r/min) 最高轉(zhuǎn)速(r/min) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量() 0.5 100 320 950 1.1 4.7 3000 6000 0.054 3.滾珠絲杠傳動(dòng)同步帶的傳動(dòng)設(shè)計(jì)： 電機(jī)與絲杠之間采用同步帶減速。同步帶的工作面有齒，帶輪的輪緣表面也制有齒槽與之對應(yīng)，帶與帶輪之間靠嚙合進(jìn)行傳動(dòng)，因而傳動(dòng)比恒定。 3.3.1同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 使用條件：電動(dòng)機(jī)功率 ，轉(zhuǎn)速；滾珠絲杠轉(zhuǎn)速；每天工作16h。 計(jì)算功率: 式中，—

50、—同步帶工作情況系數(shù)，由文獻(xiàn)[7]表11.17查出； ——電機(jī)功率，； 由于該機(jī)器人載荷平穩(wěn)，每天工作16小時(shí)，查文獻(xiàn)[7]表11.17，；電機(jī)功率，則： 選擇帶型和節(jié)距：查文獻(xiàn)[6]圖4.1-14和文獻(xiàn)[7]表11.18，選得帶型為XL型，節(jié)距為； 齒數(shù)：查文獻(xiàn)[7]表11.18，小帶輪最小齒數(shù)，?。? ； 帶輪節(jié)圓直徑： ， ； 帶速： ， 小于XL型帶輪允許最大速度。 初定中心距： 取中心距為60mm； 求：；

51、 求：； 帶長及其齒數(shù)： 由文獻(xiàn)[7]式11.2，帶長： 查文獻(xiàn)[7]表11.19，選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長度，節(jié)線上齒數(shù)，（帶長代號(hào)80）； 實(shí)際中心距，由文獻(xiàn)[7]式11.3，實(shí)際中心距： 小帶輪嚙合齒數(shù)： 圓整，得：8。 基本額定功率： 式中，——同步帶基準(zhǔn)寬度所能傳遞的功率，kW； ——基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作拉力，N； ——基準(zhǔn)寬度同步帶的質(zhì)量，kg/m； 查文獻(xiàn)[7]表11.18，得，，則： 帶寬： 基準(zhǔn)寬

52、度，查文獻(xiàn)[7]表11.18，； 嚙合齒數(shù)系數(shù)：由于，故； 帶寬：； 查文獻(xiàn)[7]圖11.21，選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬 軸上載荷： 4.滾珠絲杠傳動(dòng)同步帶帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算： 帶輪材料：由于該同步帶工作時(shí)線速度較小，且傳遞功率較低，故帶輪材料使用HT150。 帶輪設(shè)計(jì)：選擇的帶輪型號(hào)為周節(jié)制XL型，周節(jié)制帶輪有漸開線齒形和梯形齒形兩種標(biāo)準(zhǔn)齒形，這里采用梯形齒形。其齒形如圖3.4所示，查文獻(xiàn)[6]表4.1-78，得其尺寸及偏差如表3-7所示： 圖3.5 直邊齒形帶輪齒形圖 表3-7直邊齒形帶輪的尺寸及偏差 齒槽底寬（mm） 兩倍節(jié)根距（mm）

53、 齒槽深（mm） 小帶輪節(jié)圓直徑（mm） 齒半角（°） 小帶輪齒頂圓直徑（mm） 齒根圓角半徑（mm） 小帶輪節(jié)圓直徑（mm） 齒頂圓角半徑（mm） 小帶輪齒頂圓直徑（mm） 3.3小臂傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 小臂的傳動(dòng)如圖2.1示，電機(jī)3通過聯(lián)軸器、同步帶、傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)機(jī)器人小臂及其上所有零部件一起擺動(dòng)。 3.3.1電機(jī)3（小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)）的選擇 1.工作條件 小臂擺動(dòng)轉(zhuǎn)速： 小臂擺動(dòng)角度： 小臂最大質(zhì)量（包括其上所有零部件）：20kg 聯(lián)軸器、帶輪及傳動(dòng)軸：由于聯(lián)軸器、帶輪和傳動(dòng)軸需要選取電機(jī)后才能確定其具體數(shù)據(jù)。但為選取電機(jī)又必須

54、先知道他們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。為了計(jì)算方便，在此先依據(jù)實(shí)際情況及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)先初步估計(jì)出它們的尺寸。查閱電機(jī)型號(hào)，大功率電機(jī)軸徑一般為35mm，故初估聯(lián)軸器內(nèi)徑35mm，外徑135mm，質(zhì)量約1kg；初估帶輪直徑為100mm，質(zhì)量約1kg；初估傳動(dòng)軸徑為40mm，長200mm，質(zhì)量約2kg。 2.運(yùn)轉(zhuǎn)模式 加速時(shí)間： 勻速時(shí)間： 減速時(shí)間： 循環(huán)時(shí)間： 圖3.6小臂各運(yùn)動(dòng)階段運(yùn)行時(shí)間 3.負(fù)載部分慣量 為簡化計(jì)算，在此將聯(lián)軸器近似看成質(zhì)地均勻的空心圓柱，將帶輪和傳動(dòng)軸看成質(zhì)地均勻的圓盤（或圓柱）。 聯(lián)軸器的慣量： 式中，——慣量， ——質(zhì)量， ——外徑，

55、 ——內(nèi)徑， 帶輪的慣量（單個(gè)）： 傳動(dòng)軸慣量： 末端執(zhí)行部分的慣量（包括工件）： 末端執(zhí)行部分結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為便于計(jì)算，將其近似地看成離開旋轉(zhuǎn)中心的圓棒，估算最大質(zhì)量為20kg，外徑為25mm，則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 式中，為圓棒中心與旋轉(zhuǎn)中心的距離，根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，，則： 折算總慣量： 由以上計(jì)算可知應(yīng)選擇中慣量電機(jī)，查松下伺服電機(jī)說明書可知，中慣量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速為2000r/min，而小臂擺動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速為120r/min，故需要有減速機(jī)的減速。選擇減速比為1/15的減速機(jī)（選擇過程在后面減速機(jī)選擇部分進(jìn)行詳述），減速后轉(zhuǎn)速為133r/min。 再由式得，折算到電機(jī)軸上的總

56、慣量： 4.預(yù)選電機(jī) 暫選1.0kW，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 5.慣量比 6.轉(zhuǎn)速 （1.0kW電機(jī)額定轉(zhuǎn)速） 查松下伺服電機(jī)選型表，選擇MDME 10 4 G 1H型AC伺服電機(jī)，該電機(jī)軸為帶鍵帶抽頭型，有制動(dòng)器，無油封，各參數(shù)如表3-8所示 表3-8 MDME104G1H型電機(jī)參數(shù)表 電源設(shè)備容量（kVA） 額定輸出功率(kW) 額定轉(zhuǎn)矩() 瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩() 額定電流(A(rms)) 瞬時(shí)最大電流(A(o-p)) 額定轉(zhuǎn)速(r/min) 最高轉(zhuǎn)速(r/min) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量() 1.8 1.0 4770 1

57、4300 5.7 24 2000 3000 5.90 3.3.2電機(jī)3減速機(jī)選擇： 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min，小臂的最高轉(zhuǎn)速為120r/min，減速比較大，故電機(jī)與軸之間的傳動(dòng)需先通過減速器減速。 查閱新寶減速機(jī)選型說明書，其一級(jí)減速機(jī)減速比有1/3、1/5和1/9，二級(jí)減速比有1/15、1/20、1/25等，為使轉(zhuǎn)速接近120r/min，先選擇1/15減速比。查閱新寶減速機(jī)說明書選型表，再由電機(jī)選型中的計(jì)算數(shù)據(jù)，最終選擇型號(hào)為的減速機(jī)，其主要參數(shù)如表3-9所示： 表3-9 VR SF-15-E-1000型減速機(jī)參數(shù)表 輸出軸轉(zhuǎn)速 額定輸出轉(zhuǎn)矩 瞬間

58、最大輸出轉(zhuǎn)矩 容許徑向負(fù)荷 容許軸向負(fù)荷 輸入軸換算內(nèi)部慣性力矩（） 容許輸出轉(zhuǎn)矩 瞬間最大容許輸出轉(zhuǎn)矩 133 57200 172000 2650 1320 2.80 91400 274000 3.3.3小臂同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 使用條件：電動(dòng)機(jī)功率 ，轉(zhuǎn)速；滾珠絲杠轉(zhuǎn)速；每天工作16h。 計(jì)算功率: 式中，——同步帶工作情況系數(shù)，由文獻(xiàn)[7]表11.17查出； ——電機(jī)功率，； 由于該機(jī)器人載荷平穩(wěn)，每天工作16小時(shí)，查文

59、獻(xiàn)[7]表11.17，；電機(jī)功率，則： 選擇帶型和節(jié)距：查文獻(xiàn)[6]圖4.1-14和文獻(xiàn)[7]表11.18，選得帶型為H型，節(jié)距為； 齒數(shù)：查文獻(xiàn)[7]表11.18，小帶輪最小齒數(shù)，?。? ，取 帶輪節(jié)圓直徑： ， ； 帶速： ， 小于H型帶輪允許最大速度。 初定中心距： 取中心距為150mm； 求：； 求：； 帶長及其齒數(shù)： 由文獻(xiàn)[7]式11.2，帶長： 查文獻(xiàn)[7]表11.19，選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長度，（帶長代號(hào)220）；實(shí)際中心距，由文獻(xiàn)[7]式11

60、.3，實(shí)際中心距： 小帶輪嚙合齒數(shù)： 圓整，得：。 基本額定功率： 式中，——同步帶基準(zhǔn)寬度所能傳遞的功率，kW； ——基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作拉力，N； ——基準(zhǔn)寬度同步帶的質(zhì)量，kg/m； 查文獻(xiàn)[7]表11.18，得，，則： 帶寬： 基準(zhǔn)寬度，查文獻(xiàn)[7]表11.18，； 嚙合齒數(shù)系數(shù)：由于，故； 帶寬：； 查文獻(xiàn)[7]圖11.21，選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬 軸上載荷： 3.3.4小臂同步帶帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 帶輪

61、材料：由于該同步帶工作時(shí)線速度較小，且傳遞功率較低，故帶輪材料使用HT150。 帶輪設(shè)計(jì)：選擇的帶輪型號(hào)為周節(jié)制XL型，周節(jié)制帶輪有漸開線齒形和梯形齒形兩種標(biāo)準(zhǔn)齒形，這里采用梯形齒形。其齒形如圖3.5所示，查文獻(xiàn)[6]表4.1-78，得其尺寸及偏差如表3-10所示： 表3-10 直邊齒形帶輪的尺寸及偏差 齒槽底寬（mm） 兩倍節(jié)根距（mm） 齒槽深（mm） 小帶輪節(jié)圓直徑（mm） 齒半角（°） 小帶輪齒頂圓直徑（mm） 齒根圓角半徑（mm） 小帶輪節(jié)圓直徑（mm） 齒頂圓角半徑（mm） 小帶輪齒頂圓直徑（mm） 3.3

62、.5初估小臂傳動(dòng)軸軸徑 1.選取材料 采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理。 2.計(jì)算傳動(dòng)功率與轉(zhuǎn)矩 由文獻(xiàn)[8]式（2-4），軸上的傳動(dòng)功率為： 式中，——軸的傳動(dòng)功率，； ——電機(jī)功率，； ——機(jī)械傳動(dòng)裝置的總效率（由電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的輸入端），； 查文獻(xiàn)[6]表2-2，可知滾動(dòng)軸承的傳動(dòng)效率，聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率，同步帶的傳動(dòng)效率為，則： 傳動(dòng)功率： 計(jì)算轉(zhuǎn)矩： 由文獻(xiàn)[8]式（2-10），計(jì)算轉(zhuǎn)矩為：

63、 之中，——轉(zhuǎn)矩，； ——軸轉(zhuǎn)速，； 由之前計(jì)算，，則： 3.計(jì)算直徑 由文獻(xiàn)[7]，按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： 寫成設(shè)計(jì)公式，軸的最小直徑： 式中：——軸的抗扭截面系數(shù)， mm3； ——軸的傳遞功率，kW； n——軸的轉(zhuǎn)速，按軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速確定，r/min； ——許用切應(yīng)力，MPa； C——與軸材料有關(guān)的系數(shù)，可由文獻(xiàn)[3]表16.2查得。 對于受彎矩較大的軸宜取較小的值，當(dāng)軸上有鍵槽時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大直

64、徑，單鍵增大3%，雙鍵增大7%。 查表16.2，取，；則： ，取。 3.4大臂傳動(dòng)計(jì)算 大臂擺動(dòng)的傳動(dòng)如圖2.1所示：電機(jī)4經(jīng)減速機(jī)后通過聯(lián)軸器與軸I連接，再經(jīng)過一對齒輪副減速后，與大臂剛性連接的輸出軸帶動(dòng)大臂擺動(dòng)。 3.4.1電機(jī)4的選擇 1.工作條件 大臂擺動(dòng)轉(zhuǎn)速： 大臂擺動(dòng)角度： 大臂最大質(zhì)量（包括其上所有零部件）：2kg 聯(lián)軸器、齒輪及傳動(dòng)軸：由于聯(lián)軸器、帶輪和傳動(dòng)軸需要選取電機(jī)后才能確定其具體數(shù)據(jù)。但為選取電機(jī)又必須先知道他們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。為了便于計(jì)算，在此先依據(jù)實(shí)際情況及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)先初步估計(jì)出它們的尺寸。查閱電機(jī)型號(hào)，大功率電機(jī)軸徑一般為35mm，故初估聯(lián)軸

65、器內(nèi)徑35mm，外徑135mm，質(zhì)量約1kg；初估齒輪直徑（單個(gè)）為100mm，質(zhì)量約2kg；初估傳動(dòng)軸軸徑（單根）為40mm，長200mm，質(zhì)量約2kg。 2.運(yùn)轉(zhuǎn)模式 加速時(shí)間： 勻速時(shí)間： 減速時(shí)間： 循環(huán)時(shí)間： 3.負(fù)載部分慣量 為簡化計(jì)算，在此將聯(lián)軸器近似看成質(zhì)地均勻的空心圓柱，將帶輪和傳動(dòng)軸看成質(zhì)地均勻的圓盤（或圓柱）。 聯(lián)軸器的慣量： 式中，——慣量， ——質(zhì)量， ——外徑， ——內(nèi)徑， 齒輪的慣量（單個(gè)）：齒輪近似看成內(nèi)孔為40mm空心圓盤，則單個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 傳動(dòng)軸慣量（單根）： 大臂的慣量：

66、大臂近似看為長400mm繞一端轉(zhuǎn)動(dòng)的直棒，質(zhì)量2kg，則其慣量為： 小臂總成的慣量：由于小臂與大臂相連接且隨大臂轉(zhuǎn)動(dòng)，故小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也需要計(jì)算。小臂總成最大質(zhì)量30kg（包括工件）。該部分結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為便于計(jì)算，將其近似地看成離開旋轉(zhuǎn)中心的圓棒，外徑為30mm，則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 式中，為圓棒中心與旋轉(zhuǎn)中心的距離，根據(jù)根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，，則： 折算總慣量： 由以上計(jì)算可知應(yīng)選擇中慣量或大慣量電機(jī)，查松下伺服電機(jī)說明書可知，中高慣量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般為2000r/min，而大臂擺動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速為90r/min，故需要有減速機(jī)的減速。選擇減速比為1/15的減速機(jī)（選擇過程在后面減速機(jī)選擇部分進(jìn)行詳述），減速后轉(zhuǎn)速為133r/min。 再由式得，折算到電機(jī)軸上的總慣量： 4.預(yù)選電機(jī) 暫選松下MHME（高慣量）系列1.5kW，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 5.慣量比 6.轉(zhuǎn)速 （該電機(jī)額定轉(zhuǎn)速） 查松下伺服電機(jī)選型表，選擇MHME 15 4G 1H型AC伺服電機(jī)，該電機(jī)軸為帶鍵帶抽頭型，有制動(dòng)器，無油封，各參數(shù)如表3-11所示 表3