《排爆機器人平衡式機械手基座設(shè)計案例綜述》2600字

排爆機器人平衡式機械手基座設(shè)計案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u28169排爆機器人平衡式機械手基座設(shè)計案例綜述 1287741.1基座的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 183411.2腰關(guān)節(jié)減速機和電機選擇 1193001.2.1腰關(guān)節(jié)減速機選擇 1136501.2.2腰關(guān)節(jié)電機選擇 29000得腰關(guān)節(jié)電機所需功率為 4221991.3蝸輪蝸桿強度校核 512853、按齒面接觸強度設(shè)計：按照閉式蝸桿傳動設(shè)計準(zhǔn)則，傳動中心距 678394.蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 797145.齒根彎曲疲勞強度校核 837156.主要設(shè)計結(jié)論 91.1基座的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 基座部分主要有固定在移動平臺的底座、驅(qū)動大臂旋轉(zhuǎn)運動的腰關(guān)節(jié)以及連接大臂的驅(qū)動臂座組成。1.2腰關(guān)節(jié)減速機和電機選擇1.2.1腰關(guān)節(jié)減速機選擇腰關(guān)節(jié)主要為了實現(xiàn)排爆機器人整體機械臂的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動。對于機械臂關(guān)節(jié)處的減速機選擇，可從RV減速機、行星減速機和蝸輪蝸桿減速機來設(shè)計。針對三種減速機的特點介紹進行不同關(guān)節(jié)具體的選擇。RV減速機具有結(jié)構(gòu)緊湊、定位精度高且減速比大，與此同時具備高疲勞強度、剛度和壽命的特性。相比較傳統(tǒng)的諧波減速機，其運動精度無法隨著時間的變化而保持一個較高的范圍，經(jīng)常處于下降趨勢，但生產(chǎn)成本較高。蝸輪蝸桿減速機是進行動力傳遞的機構(gòu)，優(yōu)點是蝸輪蝸桿的結(jié)構(gòu)特點可以滿足自鎖的條件，以及反向自鎖，并且傳動平穩(wěn)、減速比大，但在精度和效率方面存在缺陷。行星減速機具有精度高、輸出扭矩大、使用壽命長的特點。本文中腰關(guān)節(jié)需要傳遞較大扭矩，并且本課題要求具備高精度的特點，與此同時需要自鎖，故腰關(guān)節(jié)處的減速機選擇雙重減速機通過選用行星減速機和蝸輪蝸桿組合。下文中其他關(guān)節(jié)的減速機選擇也是類似。腰關(guān)節(jié)的雙重減速機可以保證機械臂從其底部實現(xiàn)機械臂的精準(zhǔn)定位，有利排爆機器人的機械手臂可以更加準(zhǔn)確地探測到車體所不能達到的危險物位置，且快速、精準(zhǔn)地回轉(zhuǎn)手臂。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，底座分為倆個主要結(jié)構(gòu)，底座下部和底座上部，將底座分解為倆部分的原因是便于安裝伺服電動機和減速器。主要的運動步驟為伺服電機1帶動行星減速機2轉(zhuǎn)動，隨后蝸桿3旋轉(zhuǎn)，然后再通過渦輪4傳動，渦輪4帶動動力輸出軸5的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動臂座6與渦輪4的動力輸出軸5相互連接，從而使得機械臂發(fā)生整體的轉(zhuǎn)動。654231654231圖3-2排爆機器人基座腰關(guān)節(jié)（圖中1為伺服電機，2為行星減速機，3為蝸桿，4為渦輪，5為動力輸出軸，6為驅(qū)動臂座）1.2.2腰關(guān)節(jié)電機選擇圖3-3腰關(guān)節(jié)機械簡圖排爆機器人機械臂繞著J1即底座腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動。末端執(zhí)行機構(gòu)的夾持危險物重量為，危險物重心距離J1軸的長度為，機械臂的自身重量，機械臂重心距離J1軸的長度為。機械臂基座需要克服機械臂自重、危險物在水平伸直時轉(zhuǎn)動慣量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，即：其中，為腰關(guān)節(jié)電機所需力矩，為機械臂自重所產(chǎn)生的慣性力矩，為危險物所產(chǎn)生的的慣性力矩。由力矩計算公式： (3-1)可以得知需要對機械臂和危險物所具有的轉(zhuǎn)動慣量進行計算。當(dāng)機械臂水平方向伸長到最長距離時，可以得到其所具備最大的慣性矩。本文中末端執(zhí)行機構(gòu)所能抓取最大負載為30kg，機械臂最大伸長長度為1.5m，機械手爪所能張開的最大開合距離為0.1m。故假設(shè)所抓取危險物為半徑為，長度0.1m的圓柱體，其質(zhì)量為，與腰關(guān)節(jié)的距離為，根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量平移公式可得到危險物對J1的轉(zhuǎn)動慣量為： (3-2)在計算機械臂自重所產(chǎn)生的的關(guān)系力矩時，采用SolidWorks進行屬性計算機械臂對腰關(guān)節(jié)處所產(chǎn)生的的轉(zhuǎn)動慣量，得到。由于需要保證腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動精確且快速，此處取腰關(guān)節(jié)的角加速度，則腰關(guān)節(jié)處電機所需轉(zhuǎn)矩為：腰關(guān)節(jié)處的伺服電機通過蝸輪減速機和行星減速機組合和聯(lián)軸器來控制J1軸的轉(zhuǎn)動，電機所需要滿足的轉(zhuǎn)矩為基座腰關(guān)節(jié)選用減速比的蝸輪蝸桿減速器，減速比行星減速器ZE40，并且行星減速機與蝸輪蝸桿減速器的總傳動效率為，則腰關(guān)節(jié)的電機所需轉(zhuǎn)矩為保證J1軸處有足夠的驅(qū)動力矩，所選用電機的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該按所需轉(zhuǎn)矩的1.3至1.5倍計算，即根據(jù)課題要求，基座腰關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)速度為由電機功率計算公式： (3-3)得腰關(guān)節(jié)電機所需功率為對腰關(guān)節(jié)處的電機功率進行圓取整為200w。機械手臂腰關(guān)節(jié)需要實現(xiàn)機械臂的旋轉(zhuǎn)運動，機械臂由底座旋轉(zhuǎn)臺驅(qū)動繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，最大轉(zhuǎn)動幅度QUOTE360°。機械臂腰關(guān)節(jié)部分的減速結(jié)構(gòu)采用蝸輪減速機和行星減速機組成的雙重減速機，具有較高的減速比，與此同時，此處采用的伺服電機可控制的最小回轉(zhuǎn)角度位1°，即腰關(guān)節(jié)的最小分辨率為0.001°，由此特性可以滿足排爆機器人在窄小的工作任務(wù)空間內(nèi)進行活動且準(zhǔn)確地驅(qū)動機械臂，從而提高排爆機器人對車身無法探測工作空間內(nèi)進行更深入地檢測危險物。通過機械臂所需要工作的任務(wù)空間與過程中可以發(fā)現(xiàn)，由于機械臂需要運動到所需要的工作平面，這個工作平面往往是與工作平面相同。從而，在同平面內(nèi)進行任務(wù)，腰關(guān)節(jié)只起到對對整個機械臂的支撐作用以及當(dāng)抓取危險物時相關(guān)定位，而不進行其他的旋轉(zhuǎn)任務(wù)。鑒于腰關(guān)節(jié)連接基座和機械臂，在抓取最大重量危險物時持續(xù)進行任務(wù)，只會在較短時間內(nèi)存在過載的現(xiàn)象，因此驅(qū)動電機的選用時候無需與最大功率需求相符合，可以通過電機短時過載的特性進行合理選用。根據(jù)安川伺服電機7系列選型，綜合樣本選擇SGM7A-02A表3-1SGM7A-02A電機型號參數(shù)型號三相相電壓額定轉(zhuǎn)速額定功率QUOTE靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量QUOTE額定電流ASGM7A-02A20030000.2kw0.63712.36.41.3蝸輪蝸桿強度校核圖3-4蝸輪蝸桿三維圖本章中蝸輪蝸桿用于機械臂大范圍旋轉(zhuǎn)的傳動機構(gòu)，通過計算的方法進行強度校核。1、蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)GB/T10085-2018推薦，采取漸開線蝸桿（ZI）。2、考慮到蝸桿傳動功率不大，速度不高，故蝸桿選用45鋼；希望傳動效率高，耐磨性好，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度45-55HRC。蝸輪用鑄錫青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造，輪芯則采用灰鑄鐵HT100制造。3、按齒面接觸強度設(shè)計：按照閉式蝸桿傳動設(shè)計準(zhǔn)則，傳動中心距 (3-4)（1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩按照，估計效率則 (3-5)（2）確定載荷系數(shù)K假設(shè)工作載荷穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)QUOTE，由《機械設(shè)計》表11-5選取使用系數(shù)QUOTE，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載荷系數(shù)QUOTE (3-6)（3）確定蝸輪齒數(shù) (3-7)（4）確定許用接觸應(yīng)力根據(jù)鑄錫青銅ZCuSn10P10，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度QUOTE≥45HRC，從《機械設(shè)計》表11-7中查得渦輪基本許用應(yīng)力QUOTE應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，其中為工作壽命，假設(shè)渦輪一天工作16個小時，一年工作300天，總共工作16年， (3-8)壽命系數(shù) (3-9)得到 (3-10)（5）計算值因故從《機械設(shè)計》表11-1中取模數(shù)，蝸桿分度圓直徑4.蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸（1）中心距(3-11)（2）蝸桿分度圓直徑，齒頂圓直徑，齒根圓直徑，齒寬，分度圓導(dǎo)程角。（3）蝸輪蝸輪分度圓直徑QUOTEd2=mz2蝸輪喉圓直徑QUOTEd蝸輪外圓直徑QUOTEde2≤da2蝸輪齒根圓直徑d蝸輪咽喉母圓半徑QUOTEr5.齒根彎曲疲勞強度校