第二章 機器人部分重要零部件設(shè)計.doc

第二章 機器人部分重要零部件設(shè)計2.1驅(qū)動電機及減速器的計算選型 根據(jù)機器人外形尺寸圖及設(shè)計要求里的機器人質(zhì)量的限定，現(xiàn)粗略確定機器人各個零部件的質(zhì)量如下：基座質(zhì)量m115kg，肩部質(zhì)量m210kg，大臂質(zhì)量m35kg，肘部質(zhì)量m45kg，小臂質(zhì)量m55kg，腕部質(zhì)量m62kg。2.1.1腰部回轉(zhuǎn)電機及減速器的選擇當機械手運動到如下圖所示的狀態(tài)時，轉(zhuǎn)矩最大。所以，整個選型都以該狀態(tài)下機械手的各個尺寸來計算。圖2-1 機械手轉(zhuǎn)矩最大位置示意圖腰部回轉(zhuǎn)時，可以把肩、大臂、肘、小臂、腕等效為一個長方體，長a=1150mm，寬b=100mm，高c=100mm，其所受重力為270N。根據(jù)平行軸定理，可得腰轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：J1=m12a2+b2+ml2式中：m=m2+m3+m4+m5+m6 l 重心到腰轉(zhuǎn)軸的距離所以，腰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量為：J1=27121.152+0.12+270.52=9.748kgm2機器腰轉(zhuǎn)從w0=0到w1=180s所需時間為t啟一般為0.050.3s，取t啟=0.3s，則啟動轉(zhuǎn)矩為：T1=J1w1=J1w1-w0t=9.7480.3=102.03Nm考慮摩擦力矩，則可假定T1=105Nm，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩Tmin1=2T1=210Nm。據(jù)此，選擇北京中技克美諧波傳動有限公司生產(chǎn)的機型100、XB1系列單級諧波減速器，其傳動比為100，輸出扭矩240Nm，可滿足力矩要求。XB1-100系列組件的規(guī)格和額定數(shù)值見表2-1。表2-1 XB1-100減速器的規(guī)格和額定功率機型速比輸入轉(zhuǎn)速3000r/min輸入功率/kw輸出轉(zhuǎn)速/rmin-1輸出扭矩/Nm1001001.07730240100651.00146145設(shè)諧波減速器的傳動功率為=90%，則伺服電機所需輸出力矩為：Tout1=Tmin1i=2101000.9=2.33 Nm根據(jù)輸出力矩，選擇日本富士伺服電機小慣量系列，型號為GYS751DC2-T2A，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定功率750W，額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)矩2.39Nm，滿足設(shè)計要求。綜上，進行腰轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，部分圖紙如圖2.1所示。2.1.2大臂俯仰電機及減速器的選擇設(shè)大臂、肘、小臂和腕部繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理，可得大臂俯仰運動的轉(zhuǎn)動慣量：J2=JG1+m3l12+JG2+m4+m5l22+JG3+m6l32式中：m3、m4、m5、m6 大臂、肘、小臂、腕的估計質(zhì)量 l1、l2、l3 各重心到大臂俯仰關(guān)節(jié)的距離，大致為200mm、650mm、950mm。由于JG1m3l12、JG2m4+m5l22、JG3m6l32，故JG1、JG2、JG3可忽略不計，所以大臂俯仰運動的轉(zhuǎn)動慣量為：J2=m3l12+m4+m5l22+m6 =50.22+100.652+20.952 =6.23kgm2機器大臂從w0=0到w2=90s所需時間為t啟一般為0.050.3s，取t啟=0.15s，則啟動轉(zhuǎn)矩為：T2=J2w2=J2w2-w0t=6.2320.15=65.21Nm考慮摩擦力矩及JG1、JG2、JG3，則可假定T1=70Nm，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩Tmin2=2T2=140Nm。據(jù)此，選擇北京中技克美諧波傳動有限公司生產(chǎn)的XB1-100-65諧波減速器，其傳動比為65，輸出扭矩145Nm，可滿足力矩要求。XB1-100系列組件的規(guī)格和額定數(shù)值見表2-1。大臂俯仰伺服電機需輸出的力矩為：Tout2=Tmin2i=140650.9=2.39 Nm根據(jù)輸出力矩，選擇日本富士伺服電機小慣量系列，型號為GYS751DC2-T2A，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定功率750W，額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)矩2.39Nm，滿足輸出力矩要求。綜上，進行大臂俯仰的結(jié)構(gòu)設(shè)計，部分圖紙如圖2.2所示。2.1.3小臂俯仰電機及減速器的選擇與大臂俯仰的計算類似，忽略JG2、JG3，所以繞小臂俯仰關(guān)節(jié)的等效轉(zhuǎn)動慣量為：J3=m4+m5l42+m6l52=100.252+20.572=1.275kgm2機器小臂從w0=0到w3=90s所需時間為t啟一般為0.050.3s，取t啟=0.15s，則啟動轉(zhuǎn)矩為：T3=J3w3=J3w3-w0t=1.27520.15=13.35Nm考慮摩擦力矩及JG2、JG3，則可假定T3=15Nm，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩Tmin3=2T3=30Nm。據(jù)此，選擇北京中技克美諧波傳動有限公司生產(chǎn)的型號為XB1-60-75的諧波減速器，其傳動比為75，輸出扭矩40Nm，可滿足力矩要求。XB1-60系列組件的規(guī)格和額定數(shù)值見表2-2。表2-2 XB1-60、32減速器的規(guī)格和額定功率機型速比輸入轉(zhuǎn)速3000r/min輸入功率/kw輸出轉(zhuǎn)速/rmin-1輸出扭矩/Nm60750.258404040480.081638小臂俯仰伺服電機需輸出的力矩為：Tout3=Tmin3i=30750.9=0.444 Nm根據(jù)輸出力矩，選擇日本富士伺服電機小慣量系列，型號為GYS201DC2-T2A，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定功率200W，額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)矩0.7Nm，滿足要求。綜上，進行小臂俯仰的結(jié)構(gòu)設(shè)計，部分圖紙如圖2.3所示。2.1.4手腕俯仰電機及減速器的選擇與之前大小臂計算類似，J4=m6l62=20.052=0.005kgm2 T4=J4w4=J4w4-w0t=0.00520.15=0.052Nm考慮摩擦力矩及JG3，則可假定T4=1.5Nm，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩Tmin4=2T4=3Nm。據(jù)此，選擇北京中技克美諧波傳動有限公司生產(chǎn)的型號為XB1-40-48的諧波減速器，其傳動比為48，輸出扭矩8Nm，可滿足力矩要求。XB1-40系列組件的規(guī)格和額定數(shù)值見表2-2。設(shè)諧波減速器的傳動效率1=0.9，錐齒輪的傳動效率2=0.9，同步齒形帶的傳動效率3=0.98。所以，總的傳動效率為=123=0.794Tout4=Tmin4i=3480.794=0.079 Nm根據(jù)輸出力矩，選擇日本富士伺服電機小慣量系列，型號為GYS500DC2-T2A，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定功率50W，額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)矩0.16Nm，滿足要求。為了減小機器人整體尺寸，減輕腕部質(zhì)量，所以，腕部俯仰采用伺服電機、錐齒輪、同步齒形帶、諧波減速器的驅(qū)動方式，進行腕部俯仰的結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計圖如圖2.4所示。2.1.5手腕偏擺電機及減速器的選擇手腕在偏擺時，常常需要克服以下幾種阻力，才能正常工作：1) 腕部偏擺時，腕部偏擺支承處由于摩擦產(chǎn)生的摩擦力矩T摩為簡化運算，取T摩=0.1T總2) 在機械手抓取工件時，克服由于工件重心偏置所需的力矩T偏T偏=Ge式中：G 工件重量e 工件重心到腕部回轉(zhuǎn)軸的垂直距離 3) 克服啟動慣性所需的力矩T偏機械臂啟動過程可以近似看作等加速運動，根據(jù)腕部偏擺的角速度w和啟動所用時間t，可得：T慣=J+J工件wt式中：J工件工件對腕部偏擺軸線的轉(zhuǎn)動慣量 J手腕偏擺部分對腕部偏擺軸線的轉(zhuǎn)動慣量 w手腕偏擺過程的角速度 t啟動過程所需時間手腕偏擺所需的驅(qū)動力矩就相當于這三者之和：T總=T摩+T偏+T慣現(xiàn)假設(shè)抓取一根軸，其直徑D=100mm，長度l=400mm，手部和工件總質(zhì)量m7=7kg，當手抓抓住工件中部回轉(zhuǎn)180，將小臂、腕部和手抓等效為一個長方體，長500mm，寬、高都為100mm，則：T摩=0.1T總T偏=0T慣=J+J工件wtJ=112m5+m6b2+c2=11270.02=0.012kgm2J工件=112m7l2+3R2=11270.42+30.052=0.098kgm2T慣=J+J工件wt=0.012+0.0980.3=1.15Nm所以T總=T摩+T偏+T慣=0.1T總+1.15+0T總=1.28Nm取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩Tmin5=2T總=2.6Nm。據(jù)此，選擇北京中技克美諧波傳動有限公司生產(chǎn)的型號為XB1-40-48的諧波減速器，其傳動比為48，輸出扭矩8Nm，可滿足力矩要求。XB1-40系列組件的規(guī)格和額定數(shù)值見表2-3。表2-3 XB1-32減速器的規(guī)格和額定功率機型速比輸入轉(zhuǎn)速3000r/min輸入功率/kw輸出轉(zhuǎn)速/rmin-1輸出扭矩/Nm40480.08163840480.081638所用伺服電機所需輸出的力矩為Tout5=Tmin5i=2.6480.9=0.06 Nm選擇日本富士伺服電機小慣量系列，型號為GYS500DC2-T2A，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定功率50W，額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)矩0.16Nm，滿足要求。綜上，進行手腕偏擺的結(jié)構(gòu)設(shè)計，部分圖紙如圖2.2所示。2.1.6手腕回轉(zhuǎn)電機及減速器的選擇與手腕偏擺的計算類似，T慣=J工件wt=0.0980.3=1.026NmT總=T摩+T偏+T慣=0.1T總+1.026+0T總=1.14Nm取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩Tmin6=2T總=2.3Nm。據(jù)此，選擇北京中技克美諧波傳動有限公司生產(chǎn)的型號為XB1-40-48的諧波減速器，其傳動比為48，輸出扭矩8Nm，可滿足力矩要求。XB1-40系列組件的規(guī)格和額定數(shù)值見表2-3。設(shè)諧波減速器的傳動效率1=0.9，錐齒輪的傳動效率2=0.9，同步齒形帶的傳動效率3=0.98。所以，總的傳動效率為=1232=0.714所用伺服電機所需輸出的力矩為Tout6=Tmin6i=2.3480.714=0.067 Nm選擇日本富士伺服電機小慣量系列，型號為GYS500DC2-T2A，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定功率50W，額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)矩0.16Nm，滿足要求。為了減小機器人整體尺寸，減輕腕部質(zhì)量，所以，腕部回轉(zhuǎn)采用伺服電機、錐齒輪、同步齒形帶、錐齒輪、諧波減速器的驅(qū)動方式，進行腕部俯仰的結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計圖如圖2.4所示。至此，所有電機與減速器計算選型完畢。2.2同步齒形帶的設(shè)計計算電機選型時，為減小機器人總體外形尺寸，減輕腕部質(zhì)量，使結(jié)構(gòu)緊湊，在腕部回轉(zhuǎn)和腕部俯仰運動中，均通過同步齒形帶把放置于小臂處的驅(qū)動電機的動力傳遞到腕部的兩個諧波減速器中。下面開始進行對它們的選型設(shè)計。2.2.1腕部回轉(zhuǎn)的同步齒形帶選擇腕部回轉(zhuǎn)的電機選型為GYS500DC2-T2A，功率50W，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，此處的傳動比i=1，因為同步帶主要起著改變方向的作用，并不改變輸出力矩。1) 確定同步齒形帶的計算功率同步齒形帶傳遞的功率隨著載荷的性質(zhì)、張緊輪的配置以及速度的增減而變化，它的計算公式為：Pd=KAP式中：KA考慮載荷的性質(zhì)和運轉(zhuǎn)時間的工況修正系數(shù)，其值見表2-4.P傳遞的功率表2-4 同步帶的工況修正系數(shù)載荷性質(zhì)每天工作小時數(shù)/h變化情況瞬時峰值載荷及額定工作載荷10101616平穩(wěn)1.21.41.5小150%1.41.61.7較大150%200%1.61.71.85很大250%400%1.71.852大而頻繁450%1.8522.05查表取每天工1016h，載荷變化平穩(wěn)，則KA=1.4所以，同步帶的計算功率為Pd=KAP=1.450=70W2) 選定帶型和節(jié)距根據(jù)圓弧齒同步帶選型圖（機械設(shè)計手冊圖14.1-16），功率Pd=70W，轉(zhuǎn)速n=3000r/min，可以選3M同步齒形帶，節(jié)距為Pb=3mm。3) 選定大小帶輪齒數(shù)及節(jié)圓半徑根據(jù)剛選定的帶輪轉(zhuǎn)速n=3000r/min和帶型3M，查表2-5可確定小帶輪的最小齒數(shù)Zmin=20，在次設(shè)計中，考慮安裝尺寸的限制，選擇小帶輪齒數(shù)為Z1=48。表2-5 帶輪的最小齒數(shù)帶輪轉(zhuǎn)速/rmin-1帶型3M5M8M14M20MZmin9001014222834900120014202828341200180016243232341800360020283636002230則小帶輪節(jié)圓直徑為d1=Z1Pb=4833.14=45.86mm因為采用的是同步帶，傳動比為1，所以大帶輪與小帶輪型號與尺寸完全相同。4) 同步帶帶速的確定v=d1n601000=3.1445.863000601000=7.2m/s5) 初定軸間距軸間距a0滿足 0.7d1+d2a02d1+d2所以 64.204mma0183.44mm 根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸要求，確定a0=170mm。6) 帶長及其齒數(shù)的確定帶長根據(jù)：L0=2a0+d1+d22+d2-d124a0=2170+45.8622=484mm查圓弧同步帶長度系列，得Lp=486mm，齒數(shù)Z=LpPb=4863=162。同步帶的實際中心距：a=M+M2-32d2-d1216M=4Lp-2d2+d1=4486-245.86+45.86=1368所以，實際中心距為：a=M+M2-32d2-d1216=1368+13682-016=171mm中心距安裝量、調(diào)整量的確定，查表2-6，得：安裝量I=1.02mm調(diào)整量S=0.76mm所以，amin=a-I=171-1.02=169.98mmamax=a+S=171+0.76=171.76mm小帶輪嚙合齒數(shù)為：Zm=entZ12-PbZ122CZ2-Z1=24表2-6 中心距安裝量I和調(diào)整量SLpIS5001.020.7650010001.270.76100015001.781.02150022602.291.277) 基本額定功率P0查表14.1-69（機械設(shè)計手冊），當齒數(shù)48、小帶輪轉(zhuǎn)速3000時，基本額定功率為：P0=0.355+0.389-0.3552=0.372kw。8) 帶寬的確定bsbs01.14PdKLKZP0=61.140.071.110.372=1.275mm式中：KZ嚙合齒數(shù)系數(shù)，Zm6時，KZ=1，Zm6001.205MLp/mmKL4400.804415500.905518001.0080111001.1011001.208MLp/mmKL6900.806919000.9090112501.00125118001.1018001.209) 作用在軸上的力緊邊張力F1=1250Pdv=12500.077.2=12.153N松邊張力F2=250Pdv=2500.077.2=2.431N10) 壓軸力FQ=KFF1+F2KF由圖14.1-17，得：=180-d2-d1a57.3=180看圖，可以取到KF=1所以， FQ=KFF1+F2=112.153+2.431=14.584N11) 帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計綜上，同步帶的型號最終確定為48-3M-6，可據(jù)此選取現(xiàn)有帶輪產(chǎn)