《畢業(yè)設(shè)計（論文）-平面關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《畢業(yè)設(shè)計（論文）-平面關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計（62頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 設(shè)計題目： 平面關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 姓 名 學 號 學 院 專 業(yè) 年 級 指導教師 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)計內(nèi)容 5 1.4.1設(shè)計任務(wù) 5 1.4.2主要參數(shù) 5 第2章 平面關(guān)節(jié)型機器人的總體設(shè)計 6 2.1總體方案 6 2.2各傳動鏈傳動方案 6 第3章 平面關(guān)節(jié)型機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 3.1末端執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計與計算 7 3.1.1末端執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 3.1.2氣缸的選擇與計算 8 3.2腕部的設(shè)計與計算 9 3.2.1執(zhí)行軸轉(zhuǎn)動運動傳動鏈的設(shè)計與計算 9 3.2.2末端執(zhí)行軸升降運動傳動鏈的設(shè)計與計算 17 3.3小臂傳動的設(shè)計與計算 32 3.3.1電機3（小臂驅(qū)動電機）的選擇 32 3.3.2電機3減速機選擇： 34 3.3.

3、3小臂同步帶的設(shè)計計算 34 3.3.4小臂同步帶帶輪的設(shè)計計算 37 3.3.5初估小臂傳動軸軸徑 37 3.4大臂傳動計算 38 3.4.1電機4的選擇 38 3.4.2齒輪傳動設(shè)計 41 3.4.3傳動軸的設(shè)計計算 47 第4章 總結(jié) 48 參考文獻 48 致謝 48 摘要 在工業(yè)生產(chǎn)當中，機器人不但能代替人類的一部分勞動，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。機器人如今已成為制造業(yè)中非常重要的自動化設(shè)備，而機器人的應(yīng)用也日益廣泛。目前，工業(yè)機器人主要應(yīng)用于搬運、碼垛、噴涂、焊接、裝配和一些勞動強度大或勞作環(huán)境惡劣的等工作當中。

4、 本設(shè)計從一個四自由度的平面關(guān)節(jié)型機器人的工作內(nèi)容出發(fā)，結(jié)合該機器人的運動方式，確定了能實現(xiàn)預(yù)定運動的合理傳動鏈及總體傳動方案。設(shè)計結(jié)合各個自由的運動方式和傳動方案，對各傳動鏈上的重要零部件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。 關(guān)鍵詞 平面關(guān)節(jié) SCARA 機器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計 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 機器人是一種具備某些與人或生物相似的智能能力的自動化機器，它是隨著社會和經(jīng)濟發(fā)展的必然產(chǎn)物。為了提高社會的生產(chǎn)水平和人類的生活質(zhì)量，機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)、娛樂等多個行業(yè)。 工業(yè)機器人是應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人。工業(yè)機器人能夠接受人類指揮，按照預(yù)先編制的程序運行而自動實行預(yù)定的工作或功能。工業(yè)機器人的主要應(yīng)用有焊接、噴涂、裝配、搬運等。常見的工業(yè)機器人包括直坐標型

8、、圓柱坐標型、球坐標型、平面關(guān)節(jié)型。 工業(yè)機器人由于其適應(yīng)能力強、工作可靠、效率高等特點，已在現(xiàn)今的工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的運用，對工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計也變得更加有意義。 1.2平面關(guān)節(jié)型機器人概述 平面關(guān)節(jié)型機器人又稱SCARA機器人或水平多關(guān)節(jié)機器人，該機器人具有三個轉(zhuǎn)動自由度和一個移動自由度，它采用兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)使機器人在水平面做預(yù)定的運動，再采用一個滑動關(guān)節(jié)使機器人的執(zhí)行部件做垂直運動。這種機器人在X-Y平面具有較大柔性，沿Z軸具有較強剛性。平面關(guān)節(jié)型機器人應(yīng)用廣泛，可實行涂布、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)機器人于上個

9、世紀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)機器人行業(yè)持續(xù)迅速發(fā)展，先后研制出點焊、弧焊、裝配、噴涂、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施一批機器人應(yīng)用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地。至今，此外，我國在步行機器人、精密裝配機器人、多自由度關(guān)節(jié)機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水平的差距。 目前工業(yè)機器人發(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，是當今世界上機器人強國之一。起步稍晚的日本在工業(yè)機器人的研發(fā)上發(fā)展非常迅速，其工業(yè)機器人的生產(chǎn)、出口和使用都處于世界首位。德國工

10、業(yè)機器人的數(shù)量僅次于日本跟美國，其智能機器人的研究和應(yīng)用都處于世界領(lǐng)先地位。此外，韓國與東歐的工業(yè)機器人也正迅速發(fā)展。 第一代工業(yè)機器人已經(jīng)普及，第二代工業(yè)機器人已被推廣成為主流安裝機型，目前第三代工業(yè)機器人正在逐步發(fā)展?，F(xiàn)有工業(yè)機器人已具有高速、高精度、多功能化、集成化與系統(tǒng)化等特點。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展及其與制造業(yè)的相互結(jié)合，未來的工業(yè)機器人將向?qū)崿F(xiàn)感知功能、控制智能化、移動功能智能化、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)計內(nèi)容 1.4.1設(shè)計任務(wù) 設(shè)計一種用于某裝配線的平面關(guān)節(jié)型機器人，將工件從一條輸送帶搬運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)計的平面關(guān)節(jié)型機器人的主要技術(shù)參數(shù)如下： 自由度：4（3個旋轉(zhuǎn)自由度，1個移動自由度） 最大持重：4kg（包括末端執(zhí)行件） 最大動作范圍： 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（Z方向）100mm 最高速度： 大小臂合成：6400mm/s

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

13、腕部，末端執(zhí)行機構(gòu)為一個卡爪。該機器人在水平面的運動由兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制，腕部在垂直方向的運動由一個滑動關(guān)節(jié)實現(xiàn)，腕部的旋轉(zhuǎn)運動由一個旋轉(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-升降傳動帶輪 5-旋轉(zhuǎn)傳動帶輪 6-滾珠絲杠 7-小臂傳動軸 8-電機1 9-電機2 10-電機3 11-小臂傳動帶輪 12-大臂 13-大臂傳動輸出軸 14-電機4 15-大臂傳動輸入軸 16-傳動齒輪 2.2各傳動鏈傳動方案 該平面關(guān)節(jié)型機器人的運動可分為五個部分：大臂擺動、小臂擺動、執(zhí)行軸升降運

14、動與執(zhí)行軸轉(zhuǎn)動、末端執(zhí)行件的抓取運動。各運動由以下傳動方案實現(xiàn)： 大臂：大臂在水平面繞傳動軸軸線做±100°的擺動，其驅(qū)動力來自于電機4。由于電機的轉(zhuǎn)速較高，且大臂的轉(zhuǎn)動需要較大轉(zhuǎn)矩，故采用一個齒輪減速箱對電機進行減速，低速級傳動軸通過鍵與大臂連接，并將轉(zhuǎn)矩傳遞到大臂帶動其轉(zhuǎn)動。 小臂：小臂在水平面繞傳動軸軸線做±120°的擺動，其目的為增加機器人的工作范圍與靈活性。小臂傳動由電動機3驅(qū)動，由于傳動鏈位于懸臂梁上，為減輕重量，采用帶傳動來降低轉(zhuǎn)速、增加轉(zhuǎn)矩。由于臂的擺動角度需要精確控制，故傳動帶選為同步帶。 執(zhí)行軸：執(zhí)行軸的運動分為升降運動和繞軸線轉(zhuǎn)動兩個運動。執(zhí)行軸的升降用于抓取

15、和放下工件時的運動，電機2經(jīng)減速機減速后，通過帶輪傳動使?jié)L珠絲杠做旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)的絲杠使絲杠螺母沿絲杠上下移動，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動； 執(zhí)行軸的轉(zhuǎn)動是為了使末端執(zhí)行機構(gòu)（卡爪）轉(zhuǎn)到正確的角度以便于抓取工件，其驅(qū)動力由電機1提供，經(jīng)減速機減速后，再由同步帶傳動，使執(zhí)行軸繞其軸線做旋轉(zhuǎn)運動。 末端執(zhí)行機構(gòu)：末端的執(zhí)行機構(gòu)為卡爪，用于抓取工件，驅(qū)動力由氣缸提供，并通過齒輪齒條實現(xiàn)預(yù)定運動。 第3章 平面關(guān)節(jié)型機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1末端執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計與計算 工業(yè)機器人的末端執(zhí)行件是機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)機器人手臂前端的重要執(zhí)行機構(gòu)。經(jīng)過多年的發(fā)展，工業(yè)機器人的末端執(zhí)行機構(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)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計 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)動夾緊，其結(jié)構(gòu)形式如圖1.1所示。當氣壓缸工作拉動驅(qū)動桿2向上運動時，扇形齒輪在齒條桿的作用下轉(zhuǎn)動，則四連桿機構(gòu)的驅(qū)動搖桿4和從動搖桿6的共同作用下，鉗爪8向中間平移靠攏夾緊工件；當氣缸工作推動驅(qū)動桿向下運動時，手指實現(xiàn)相反的運動以放下工件。 圖3.1 末端執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 1—氣缸；2—驅(qū)動桿；3—齒條桿；4—

17、扇形齒輪驅(qū)動搖桿； 5—機座；6—從動搖桿；7—鉗爪 3.1.2氣缸的選擇與計算 1.夾緊力計算 工件重量：，??； 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[4]表1-1-42得： 故,?。? 2.氣缸的設(shè)計與計算 （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，故選用雙作用普通氣缸（活塞向兩個方向的運動均通過壓縮空氣驅(qū)動，活塞行程可根據(jù)實際需要選定）。SC系列氣缸是按照ISO 6431 標準而設(shè)計，缸筒采用擠壓成型的鋁合金型材，其安裝尺寸通用性強，故選用SC系列氣缸。 （

18、2）氣缸的計算 由文獻[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）； ——氣缸工作壓力（Pa）； ——載荷率，與氣缸壓力有關(guān)，且綜合反映活塞的快速運動和氣缸效率。對于工作頻率高的，一般取為0.3-0.5。 由于夾緊工件時，氣缸輸出的力為拉力；而氣缸輸出力為推力時，提供的推力只需松開夾持機構(gòu)即可，故不需進行校核，因而由拉力計算出氣缸直徑。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[4]式6.22可知，，式中各符號含義見圖3.1所示。經(jīng)過設(shè)計計算：，，夾持住工件時，最大夾角，故： ，為使夾緊可靠，取。 由文獻[5]式23.4-7，當拉力做功時，氣缸直徑D： 按此式計算時，估定活塞桿直徑可按計算，代入上式，則可得： 查閱文獻[6]表10.4-47，SC系列氣缸工作壓力p的值為0.1—0.9MPa，計算時??；取=0.4，則： 則選取的氣缸缸筒內(nèi)徑應(yīng)大于25.1mm，的按文獻[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[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[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動作不大，故氣缸行程選取50mm。綜上，選擇型氣缸。 3.2腕部的設(shè)計與計算 3.2.1執(zhí)行軸轉(zhuǎn)動運動傳動鏈的設(shè)計與計算 1.電機1（執(zhí)行軸轉(zhuǎn)動運動驅(qū)動電機）的選擇與計算： 1.使用條件：電機經(jīng)減速器減速后通過同步帶驅(qū)動R軸轉(zhuǎn)動， R軸轉(zhuǎn)動最大角度為±90°，最大速度為1800°/s（即轉(zhuǎn)速為5r/s或300r/min）。 2.負載部分慣量： 帶輪慣量：由于帶輪需選取電機后才能求出，故先估計帶輪直徑為50mm，材料HT150，重

21、量約0.1kg，則單個帶輪慣量： 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： 為便于計算，將工件與末端執(zhí)行件近似看成一個邊長為的長方體，最大質(zhì)量為10kg，則其慣量約為：

22、 轉(zhuǎn)動慣量的折算： 由于電機與執(zhí)行機構(gòu)之間有減速機構(gòu)，故必須先將各傳動部分的轉(zhuǎn)動慣量折算到一根軸上。折算到電機軸上的總慣量為： 式中，、、——電動機軸、各中間傳動軸、執(zhí)行機構(gòu)軸上的轉(zhuǎn)動慣量； ——電動機軸與各中間傳動軸之間的速比； ——電動機軸與執(zhí)行機構(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。則電機軸上的折算總慣量為： 3.預(yù)選電機：選松下MSMD系列，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。 4.慣量比：該電機的推薦負載轉(zhuǎn)動慣量比在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。 查松下伺服電機選型表，選擇MSMD 02 4 G 1T型AC伺服電機，該電機軸為帶鍵帶抽頭型，有制動器，無油封，各參數(shù)如表3-1所示 表3-1 MSMD5A4G1T型電機規(guī)格表 電源設(shè)備容量（kVA） 額定輸出功率(W) 額定轉(zhuǎn)矩() 瞬時最大轉(zhuǎn)矩() 額定電流(A(rms)) 瞬時最大電流(A(o-p)) 額定轉(zhuǎn)速(r/min) 最高轉(zhuǎn)速(r/min) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量() 0.5 200 640 1910 1.6 6.9 3000 5000 0.16 2.電機減速機選擇：

24、 伺服電機轉(zhuǎn)速為3000r/min，R軸的最高轉(zhuǎn)速為300r/min，減速比較大，故電機與軸之間的傳動需先通過減速器減速，再用帶輪將減速器與R軸連接。 查閱新寶減速機選型說明書，其一級減速機減速比有1/3、1/5和1/9，為使轉(zhuǎn)速接近300r/min，先選擇1/9減速比。查閱新寶減速機說明書選型表，再由電機選型中的計算數(shù)據(jù)，最終選擇型號為的減速機，其主要參數(shù)如表3-2所示： 表3-2 VR SF-S9-C-200型減速機規(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 容許徑向負荷 容許軸向負荷 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)計與計算： 小帶輪轉(zhuǎn)速，大帶輪轉(zhuǎn)速。 計算功率: 式中，——同步帶工作情況系數(shù)，由文獻[7]表11.17查出； ——電機功率，； 由于該機器人載荷平穩(wěn)，每天工作16小時，查文獻[7]表11.17，；電機功率，則： 選擇帶型和節(jié)距：查文獻[6]圖4.1-14和文獻[7]表11.18，選得帶型為L型，節(jié)距為； 齒數(shù)：查文獻[

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[7]式11.2，帶長： 查文獻[7]表11.19，選取標準節(jié)線長度，節(jié)線上齒數(shù)，（帶長代號260）； 實際中心距： 由文獻[7]式11.3，實際中心距： 小帶輪嚙合齒數(shù)： 圓整，得：。 基本額定功率： 式中，——同步帶基準寬度所

27、能傳遞的功率，kW； ——基準寬度同步帶的許用工作拉力，N； ——基準寬度同步帶的質(zhì)量，kg/m； 查文獻[7]表11.18，得，，則： 帶寬： 基準寬度，查文獻[7]表11.18，； 嚙合齒數(shù)系數(shù)：由于，故； 帶寬：； 查文獻[7]圖11.21，選取標準帶寬 軸上載荷： 4.同步帶帶輪的設(shè)計計算: 帶輪材料：由于該同步帶工作時線速度較小，且傳遞功率較低，故帶輪材料使用HT150。 帶輪設(shè)計：選擇的帶輪型號為周節(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準齒形，這里采用梯形齒形。其齒形如圖3.2所示，查文獻[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： 初定結(jié)構(gòu)： 該傳動軸需要繞軸線轉(zhuǎn)動和

29、沿垂直方向移動。該軸的轉(zhuǎn)動靠電機驅(qū)動，并通過同步帶連接；該軸在垂直方向的移動靠滾珠絲杠實現(xiàn)。 查閱THK滾珠花鍵直線導軌說明書，可知其滾珠花鍵直線導軌即可作為滾珠絲杠的導軌，又能滿足以上傳動要求。故選擇滾珠花鍵直線導軌作為本平面關(guān)節(jié)型機器人的執(zhí)行軸。 滾珠花鍵直線導軌的選擇與計算： 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， 移動速度： 運動頻率： 使用壽命：50000h 位置精度： 2.選擇類型 查閱THK滾珠花鍵直線導軌產(chǎn)品說明書，初選適合用作平面關(guān)節(jié)型機器人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，選擇標準中空花鍵軸。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.花鍵軸的強度計算 由撓曲求出合適的花鍵軸徑： 由同步帶中計算可知，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）滾珠花鍵直線導軌作為Z軸。 4.使用壽命的計算 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行時，其中的90%不產(chǎn)生表面脫落的所能達到的運行總距離。該軸主要承受徑向載荷，由THK滾珠花鍵直線導軌說明書，承受徑向載荷時的計算額定壽命公式為： 式中，——額定壽命，； ——基本額定動載荷，10200 ； ——計算徑向載荷，； ——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，則該軸的實際使用壽命為： 由以上計算可知，計算額定使用壽命大于實際使用壽命，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?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 機器人要求的位置精度為±0.05mm，滾珠花鍵的精度選擇普通級即能滿足要求。 7.潤滑及防塵 為防止異物進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號潤滑。通常情況下，運行距離達到100Km時對潤滑脂進行補充或交換。 如果粉塵及其他異物進入滾珠花鍵，將導致異常磨損，且縮短使用壽命，因此必須防止異物進入花鍵外筒內(nèi)。防塵使用配套的專用防塵配件。 3.2.2末端執(zhí)行軸升降運動傳動鏈的設(shè)計與計算 1.滾珠絲杠： 1.使用條件 該機器人腕部使用的滾珠絲杠模型可簡化為圖3.3所示，其工作臺包含滑塊和腕部傳動軸。為選擇絲杠，其使用條件如下： 工作臺質(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： 加速時間： 加速時間： 定位精度：±0.3mm/100mm 重復定位精度：±0.05mm 工作壽命時間：50000h 最小進給量：0.01mm/脈沖 每分鐘往返次數(shù)：30 導向面上的摩擦系數(shù)： （滾動） 無負載時導向面阻力： 選擇HTK公司滾珠絲杠。 圖3.3滾珠絲杠受力示意圖 2.導程精度與軸向間隙（予壓）的選擇： （1）導程精度等級選擇： 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。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)該公司導程精度表，選擇精度等級為C10的軋制滾珠絲杠，其導程誤差為±0.21mm/300mm。 （2）軸向間隙的選擇 因為是垂直使用，軸向負荷常作用與一個方向，不論軸向間隙多大，使用時也不會成為無效行程。故軸向間隙不會出現(xiàn)問題，選擇價格經(jīng)濟的軋制滾珠絲杠。 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。又因為行程長度為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）導程的選擇： 根據(jù)導程的定義，電機所需轉(zhuǎn)速

36、與最大進給速度、絲杠導程、減速比之間的關(guān)系為： 式中，——電機所需轉(zhuǎn)速，r/min; ——最大進給速度，m/s； ——滾珠絲杠導程，mm； ——電機至絲杠的轉(zhuǎn)速比。 使用時要求電機的額定轉(zhuǎn)速不小于，則絲杠的導程： 由已知數(shù)據(jù)，，伺服電機的轉(zhuǎn)速選為3000r/min，取轉(zhuǎn)速比，則： 由計算結(jié)果，需要選用7mm或更大導程的滾珠絲杠。 （3）絲杠軸直徑的選擇 根據(jù)THK公司的“滾珠絲杠外徑與導程的標準組合表（軋制滾珠絲杠）”，初選絲杠外徑15mm，導程10mm。 表3-4 軋制滾珠絲杠的軸頸與導程的標準組合 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）容許軸向負荷的計算 a.最大軸向負載的計算 總質(zhì)量為，由最大速度可計算加速度為， 負載滑塊（含腕部傳動軸、末端夾持器與工件）在進行往返移送，根據(jù)力學原理，各種工作情況下的軸向負載分別為： 加速上升時： 等速上升時： 減速上升時： 加速下降時： 等速下降時： 減速下降時： 其中：——各運動狀態(tài)下的負載，N； ——負載滑塊（含與之相連接的腕部傳動軸、末端夾持器及工件）的總質(zhì)量，kg； ——負載滑塊加速度，;

38、 ——導軌無負載時的運動阻力，N。 由上述各式可知，最大軸向負載為： 圖3.4 滾珠絲杠軸向負荷 b.絲杠在不發(fā)生彎曲的前提下所允許的最大軸向負載： 由THK滾珠絲杠說明書，該允許最大軸向負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)，其計算公式為： 其中，——最大軸向允許負載，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載由下式求出： 其中，——最大軸向允許負載，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）。 計算得，絲杠在不發(fā)生屈服的前提下所允許的最大軸向負載，。 由上述計算可知，絲杠在不發(fā)生彎曲的前提下所允許的最大軸向負載和絲杠在不發(fā)生屈服的前提下所允許的最大軸向負載均大于最大軸向負荷，故滿足

40、上述條件的滾珠絲杠在使用上能負荷要求。 （6）容許轉(zhuǎn)速的計算 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值兩個條件。 a.最高轉(zhuǎn)速： 絲杠移動最高速度： 導程： 則最高轉(zhuǎn)速： b.臨界轉(zhuǎn)速計算： 由THK滾珠絲杠說明書，臨界轉(zhuǎn)速的計算公式為： 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，，。 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： （導程10mm，大導程滾珠絲杠） 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 螺母型號的選擇： 選擇絲杠外徑為15mm，導程為10mm的大導程軋制滾珠絲杠。

42、查閱THK滾珠絲杠說明書，選擇公稱型號 BLK 1510-5.6（） 容許軸向負載的計算： 由說明書，容許軸向負載的計算公式為： 其中，——容許軸向負載，kN； ——基本靜額定負載，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、減速時會有沖擊負載的作用，故靜態(tài)安全系數(shù)為2；BLK 1510-5.6的基本靜額定負載。則： 可知，即最大軸向負載小于容許軸向負載，故此型號滿足要求。 工作壽命的計算： 運行距離的計算： 最大速度： 加速時間：

43、 減速時間： 加速時運行距離： 減速時運行距離： 等速時運行距離： 勻速時間： 由以上條件，軸向負載與運行距離的關(guān)系如表3-5所示： 表3-5 滾珠絲杠軸向負載及運行距離 動作 軸向負載（N） 運行距離（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 軸向平均負載： 額定壽命： 動額定負載：查表，公稱型號 BLK 1510-5.6， 負載系數(shù)：查說明書負載

44、系數(shù)表， 平均負載： 額定壽命： 每分鐘平均轉(zhuǎn)速： 每分鐘往返次數(shù)： 行程： 導程： 每分鐘平均轉(zhuǎn)速： 根據(jù)額定壽命計算工作壽命時間： 可知，即計算工作壽命時間大于要求工作壽命時間，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 導程精度的校核： 導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，負載只朝一個方向，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）選擇扭矩的計算： 由外部負載引起的摩擦扭矩： 等速上升時： 式中， ——等速上升時外部負載引起的摩擦扭矩； ——等速上升時軸向負載； ——滾珠絲杠效率，； ——減速比； 取，則： 等速下降時： 由滾珠絲杠予壓引起的扭矩： 該型號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. 加速時所需的扭矩： 由說明書，加速時需要的扭矩為：

46、 式中，——加速時所需扭矩，； ——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： 由以上計算，加速時需要的扭矩： 由說明書，各運動階段所需扭矩： 加速上升時： 等速上升時： 減速上升時： 加速下降時： 等速下降時： 減速下降時： 綜上，最大扭矩： （11）驅(qū)動電機的計算與選擇 選擇速度： 在計算滾

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

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

49、大轉(zhuǎn)矩() 額定電流(A(rms)) 瞬時最大電流(A(o-p)) 額定轉(zhuǎn)速(r/min) 最高轉(zhuǎn)速(r/min) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量() 0.5 100 320 950 1.1 4.7 3000 6000 0.054 3.滾珠絲杠傳動同步帶的傳動設(shè)計： 電機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行傳動，因而傳動比恒定。 3.3.1同步帶的設(shè)計計算 使用條件：電動機功率 ，轉(zhuǎn)速；滾珠絲杠轉(zhuǎn)速；每天工作16h。 計算功率: 式中，—

50、—同步帶工作情況系數(shù)，由文獻[7]表11.17查出； ——電機功率，； 由于該機器人載荷平穩(wěn)，每天工作16小時，查文獻[7]表11.17，；電機功率，則： 選擇帶型和節(jié)距：查文獻[6]圖4.1-14和文獻[7]表11.18，選得帶型為XL型，節(jié)距為； 齒數(shù)：查文獻[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[7]式11.2，帶長： 查文獻[7]表11.19，選取標準節(jié)線長度，節(jié)線上齒數(shù)，（帶長代號80）； 實際中心距，由文獻[7]式11.3，實際中心距： 小帶輪嚙合齒數(shù)： 圓整，得：8。 基本額定功率： 式中，——同步帶基準寬度所能傳遞的功率，kW； ——基準寬度同步帶的許用工作拉力，N； ——基準寬度同步帶的質(zhì)量，kg/m； 查文獻[7]表11.18，得，，則： 帶寬： 基準寬

52、度，查文獻[7]表11.18，； 嚙合齒數(shù)系數(shù)：由于，故； 帶寬：； 查文獻[7]圖11.21，選取標準帶寬 軸上載荷： 4.滾珠絲杠傳動同步帶帶輪的設(shè)計計算： 帶輪材料：由于該同步帶工作時線速度較小，且傳遞功率較低，故帶輪材料使用HT150。 帶輪設(shè)計：選擇的帶輪型號為周節(jié)制XL型，周節(jié)制帶輪有漸開線齒形和梯形齒形兩種標準齒形，這里采用梯形齒形。其齒形如圖3.4所示，查文獻[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小臂傳動的設(shè)計與計算 小臂的傳動如圖2.1示，電機3通過聯(lián)軸器、同步帶、傳動軸驅(qū)動機器人小臂及其上所有零部件一起擺動。 3.3.1電機3（小臂驅(qū)動電機）的選擇 1.工作條件 小臂擺動轉(zhuǎn)速： 小臂擺動角度： 小臂最大質(zhì)量（包括其上所有零部件）：20kg 聯(lián)軸器、帶輪及傳動軸：由于聯(lián)軸器、帶輪和傳動軸需要選取電機后才能確定其具體數(shù)據(jù)。但為選取電機又必須

54、先知道他們的轉(zhuǎn)動慣量。為了計算方便，在此先依據(jù)實際情況及相關(guān)經(jīng)驗先初步估計出它們的尺寸。查閱電機型號，大功率電機軸徑一般為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；初估傳動軸徑為40mm，長200mm，質(zhì)量約2kg。 2.運轉(zhuǎn)模式 加速時間： 勻速時間： 減速時間： 循環(huán)時間： 圖3.6小臂各運動階段運行時間 3.負載部分慣量 為簡化計算，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）： 傳動軸慣量： 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)較復雜，為便于計算，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)動慣量： 式中，為圓棒中心與旋轉(zhuǎn)中心的距離，根據(jù)機器人結(jié)構(gòu)，，則： 折算總慣量： 由以上計算可知應(yīng)選擇中慣量電機，查松下伺服電機說明書可知，中慣量伺服電機的轉(zhuǎn)速為2000r/min，而小臂擺動時的轉(zhuǎn)速為120r/min，故需要有減速機的減速。選擇減速比為1/15的減速機（選擇過程在后面減速機選擇部分進行詳述），減速后轉(zhuǎn)速為133r/min。 再由式得，折算到電機軸上的總

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

57、4300 5.7 24 2000 3000 5.90 3.3.2電機3減速機選擇： 伺服電機轉(zhuǎn)速為2000r/min，小臂的最高轉(zhuǎn)速為120r/min，減速比較大，故電機與軸之間的傳動需先通過減速器減速。 查閱新寶減速機選型說明書，其一級減速機減速比有1/3、1/5和1/9，二級減速比有1/15、1/20、1/25等，為使轉(zhuǎn)速接近120r/min，先選擇1/15減速比。查閱新寶減速機說明書選型表，再由電機選型中的計算數(shù)據(jù)，最終選擇型號為的減速機，其主要參數(shù)如表3-9所示： 表3-9 VR SF-15-E-1000型減速機參數(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 容許徑向負荷 容許軸向負荷 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)計計算 使用條件：電動機功率 ，轉(zhuǎn)速；滾珠絲杠轉(zhuǎn)速；每天工作16h。 計算功率: 式中，——同步帶工作情況系數(shù)，由文獻[7]表11.17查出； ——電機功率，； 由于該機器人載荷平穩(wěn)，每天工作16小時，查文

59、獻[7]表11.17，；電機功率，則： 選擇帶型和節(jié)距：查文獻[6]圖4.1-14和文獻[7]表11.18，選得帶型為H型，節(jié)距為； 齒數(shù)：查文獻[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[7]式11.2，帶長： 查文獻[7]表11.19，選取標準節(jié)線長度，（帶長代號220）；實際中心距，由文獻[7]式11

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

61、材料：由于該同步帶工作時線速度較小，且傳遞功率較低，故帶輪材料使用HT150。 帶輪設(shè)計：選擇的帶輪型號為周節(jié)制XL型，周節(jié)制帶輪有漸開線齒形和梯形齒形兩種標準齒形，這里采用梯形齒形。其齒形如圖3.5所示，查文獻[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初估小臂傳動軸軸徑 1.選取材料 采用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理。 2.計算傳動功率與轉(zhuǎn)矩 由文獻[8]式（2-4），軸上的傳動功率為： 式中，——軸的傳動功率，； ——電機功率，； ——機械傳動裝置的總效率（由電動機至工作機的輸入端），； 查文獻[6]表2-2，可知滾動軸承的傳動效率，聯(lián)軸器的傳動效率，同步帶的傳動效率為，則： 傳動功率： 計算轉(zhuǎn)矩： 由文獻[8]式（2-10），計算轉(zhuǎn)矩為：

63、 之中，——轉(zhuǎn)矩，； ——軸轉(zhuǎn)速，； 由之前計算，，則： 3.計算直徑 由文獻[7]，按扭轉(zhuǎn)強度條件進行計算，軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為： 寫成設(shè)計公式，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[3]表16.2查得。 對于受彎矩較大的軸宜取較小的值，當軸上有鍵槽時，應(yīng)適當增大直

64、徑，單鍵增大3%，雙鍵增大7%。 查表16.2，取，；則： ，取。 3.4大臂傳動計算 大臂擺動的傳動如圖2.1所示：電機4經(jīng)減速機后通過聯(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大臂擺動。 3.4.1電機4的選擇 1.工作條件 大臂擺動轉(zhuǎn)速： 大臂擺動角度： 大臂最大質(zhì)量（包括其上所有零部件）：2kg 聯(lián)軸器、齒輪及傳動軸：由于聯(lián)軸器、帶輪和傳動軸需要選取電機后才能確定其具體數(shù)據(jù)。但為選取電機又必須先知道他們的轉(zhuǎn)動慣量。為了便于計算，在此先依據(jù)實際情況及相關(guān)經(jīng)驗先初步估計出它們的尺寸。查閱電機型號，大功率電機軸徑一般為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）為100mm，質(zhì)量約2kg；初估傳動軸軸徑（單根）為40mm，長200mm，質(zhì)量約2kg。 2.運轉(zhuǎn)模式 加速時間： 勻速時間： 減速時間： 循環(huán)時間： 3.負載部分慣量 為簡化計算，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）：齒輪近似看成內(nèi)孔為40mm空心圓盤，則單個齒輪的轉(zhuǎn)動慣量為： 傳動軸慣量（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，故小臂的轉(zhuǎn)動慣量也需要計算。小臂總成最大質(zhì)量30kg（包括工件）。該部分結(jié)構(gòu)較復雜，為便于計算，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)機器人結(jié)構(gòu)，，則： 折算總慣量： 由以上計算可知應(yīng)選擇中慣量或大慣量電機，查松下伺服電機說明書可知，中高慣量伺服電機的轉(zhuǎn)速一般為2000r/min，而大臂擺動時的轉(zhuǎn)速為90r/min，故需要有減速機的減速。選擇減速比為1/15的減速機（選擇過程在后面減速機選擇部分進行詳述），減速后轉(zhuǎn)速為133r/min。 再由式得，折算到電機軸上的總慣量： 4.預(yù)選電機 暫選松下MHME（高慣量）系列1.5kW，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 5.慣量比 6.轉(zhuǎn)速 （該電機額定轉(zhuǎn)速） 查松下伺服電機選型表，選擇MHME 15 4G 1H型AC伺服電機，該電機軸為帶鍵帶抽頭型，有制動器，無油封，各參數(shù)如表3-11所示 表3