汽车挡风玻璃自动装配机构设计

5根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见机器人的运动形式有五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标性、关节型和SCARA型，同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。所选用的运动形式，在满足需要的情况下，应使自由度最少、结构最简单。在以上这些运动形式中，关节机器人由2个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个或3个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴线旋转，另一个肩关节实现仰俯。这两个肩关节正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线。这种结构形式动作灵活，工作空间大，在作业空间内手臂的干涉最小，结构紧凑，占地面积小，关节上相对运动部位容易密封防尘。并考虑到汽车装配的工作环境和工作要求，本次设计选定机器人的运动形式为关节式机器人。其结构简图如图2-1关节型机器人的结构简图传动机构用来把驱动器的运动传递到关节和动作部位。机器人中常用的传动机构有：齿轮传动、螺旋传动、皮带及链传动、流体传动和连杆机构与凸轮传动。1.齿轮传动机器人中常用的齿轮传动机构是行星齿轮传动机构和谐波传动机构。电动机是高转速、小力矩的驱动器，而机器人通常却要求低转速、大力矩，因此，常用行星齿轮机构和谐波传动机构减速器来完成速度和力矩的变换和调节。此外，由于谐波传动的结构简单、体积小，重量轻、传动精度高、承载能力大、传动比大，且具有高阻尼特性。因此，在本次的设计中选用谐波传动。62.皮带传动与链传动皮带和链传动用于传递平行轴间的回转运动，或把回转运动转换成直线运动。机器人中的皮带和链传动分别通过皮带或链轮传递回转运动，有时还用来驱动平行轴之间的小齿轮。由于齿形带具有在传动时无滑动，初始张力小，被动轴的轴承不易过载。因无滑动，它除了用做动力传动外还适用于定位。齿形带属于低惯性传动，适合于马达和高速比减速器之间使用。皮带上面安上滑座可完成与齿轮齿条机构同样的功能。并且惯性小，且有一定的刚度等优点，所以适合于机器人的机械传动。因此，在本次的设计中采用齿形带传动。2.2.3驱动电机的选择直流电机便于调速，且具有较好的机械特性，所以很早就用于机床主传动系统，以实现无级调速。但一般的直流电动机转动惯量过大，而且输出转矩相对过小，动态特性较差，尤其在低速运转条件下更为突出，因此不是很理想的伺服电机。70年代研制成的大惯量调速伺服电动机，它在结构上采取了一些措施，尽量提高转矩，改善了动态特性，它既具有一般直流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能，易与较大的负载惯量匹配，能较好地满足伺服驱动的要求，因此在数控机床、工业机器人等机电一体化产品中得到了广泛的应用。大惯量宽调速直流伺服电动机的特点：1、电动机输出力矩大2、电动机过载能力大3、动态响应性能好4、低速运转平稳5、易于调试由于直流伺服电机具有以上优点，因此在本次的设计中采用直流伺服电机作为驱动电机。第3章装配机器人各部分的结构设计1、结构形式：关节式2、自由度数：63、驱动方式：直流伺服电机4、各轴运动范围、速度、功率、转矩(图2-1)1轴：±135。74轴：±180。5轴：±100。6轴：±180。5、最大持重：100Kg6、环境温度：0～50·C根据机器人的工作条件和工作对象，经对多种车辆前挡风玻璃的实际测量，和设计的通用性原则，取玻璃为矩形结构，其长a=1500mm,宽b=1000mm,厚因此，确定机器人的工作载荷为30kg3.3手部结构的设计手部按夹持原理分手指式和吸盘式，手指式和吸盘式按不同发方式又可进手指式手爪按夹持方式分外夹持式、内撑式、内夹持式。手指按运动形式可分为：回转型、平动型和平移型。(1)回转型：当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓取物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。(2)平动型：手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动和回转型手爪一样，夹持中心随被夹物体直径的大小而改变。(3)平移型：当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持中心固定不变，不受工件直径变化的影响。2.吸盘式手爪它由吸盘、吸盘架及气路系统组成。可用于吸附平整光滑、不漏气的各种板材和薄壁零件，如玻璃、陶瓷等制品。当吸盘内抽成负压时，吸盘外部的大气压力将把吸盘紧紧地压在被吸附的物体上。吸盘负压的产生方法有如下方法：(1)挤压排气式靠外力将吸盘皮碗压向被吸物体表面，吸盘内腔空气被挤压出去，形成内8腔负压，吸盘从而吸住物体。这种方式所形成的吸力不大，而且也不可靠。当控制阀将吸盘与真空泵联通时，真空泵将盘内空气抽出，形成吸盘内腔负压，吸盘吸住物体，当控制阀将吸盘与大气联通时，吸盘失去吸力，被吸物体脱离吸盘。控制阀将来自气泵的压缩空气接通至喷嘴，压缩空气通过形成高速射流，吸盘腔内的空气被带走，在吸盘内腔形成负压，吸盘吸住物体。当控制阀切断通往喷嘴的压缩空气，并使吸盘内腔与大气相通，吸盘便释放物体。吸盘的吸力F要大于被吸附物体的重力，其所需吸盘的面积S,可用一个吸盘或数个吸盘实现。机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用于进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求。在设计机器人末端执行器时，应该注意事项：1、机器人的末端执行器是根据机器人的作业要求来设计的。根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断扩大机器人的应用领域。2.、机器人末端执行器的重量，被抓取物体的重量及操作力的总合不应超过机器人允许的负荷力。因此，要求机器人末端器重量轻、结构紧凑。3、机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。从工业实际出发，应着重开发各种各样专用的、高效的末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机器人的多种多样的作业功能。4、通用性和完能性是两个概念，万能性是指一机多能的概念，而通用性是指功能有限的末端执行器，可适用于不同的机器人，这就要求末端执行器有标准的机械接口。在本次设计中，末端执行器采用吸盘式手爪，吸盘采用喷气式吸盘，吸盘的吸力是由吸盘皮碗的内、外压力差造成的吸盘的吸力F可根据下式求得：S——吸盘负压腔在工件表面上的吸附面积k;——工作情况系数，一般取k,=1—3K,——姿态系数：当吸盘表面处于水平位置时，取19当吸附表面处于垂直位置时，取f为吸盘与被吸取物体的摩擦系数，玻璃和橡胶的摩擦系数f=0.53。已知载荷的重量G=300N,大气的压力为p,=1.01×1o³pa,内腔压力在0.15—1Mpa之间，取P=0.2MPa。由以上条件计算吸盘的吸附面积S。初步选定由四个吸盘完成玻璃的吊装，因此，所需每个吸盘的面积为S=100.1cm²,考虑到工作环境的变化，取每个吸盘的面积S=120cm²。因此吸盘的直径D=12.36cm。取D=13.00cm,即D=130mm。吸盘式手爪与机器人的连接采用标准法兰盘结构，支撑架与法兰盘的连接采用焊接结构。末端执行器的结构：图(3-1)图3-1末端执行器的结构考虑到在计算中的误差和工作中的不确定因素，机器人手爪和载荷的总体质量载荷的设定在100Kg。3.4腕部的结构设计3.4.1腕部的概况及设计要求腕部是臂部与手部的连接部件，起支撑手部和改变手部姿态的作用。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标X、Y、Z的转动，即具有偏转、俯仰和回转三个自由度。手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现机器人手腕上安装的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。手腕按自由度个数可分为但自由度手腕，二自由度手腕和三自由度手腕。采用几个自由度的手腕应根据机器人的工作性能来确定。在有些情况下，腕部具有二个自由度：回转和俯仰或回转和偏转。一些专用机器人甚至没有腕部，但有的腕部为了特殊要求还有横向移动的自由度。其设计要求如下：1、结构紧凑、重量轻。2、动作灵活、平稳，定位精度高。3、强度、刚度高。4、设计合理的与臂和手部的连接部位以及传感器和驱动装置的布局和安5、机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。6、机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。并选用高强度铝合金制造。7、机器人手腕要与末端执行器相连，因此，要有标准的连接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。8、机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。9、要设有可靠的传动间隙调整机构，以减少空回间隙，提高传动精度。10、手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机器损坏。3.4.2腕部结构的确定在本次设计中，腕摆和腕转均采用齿形带传动和谐波减速器传动。腕部驱动电机与腕部分别安置在小臂关节轴的两端，使小臂达到质量平衡。小臂和腕关节为4R机构，具有4个自由度，三个驱动电机均集中布置在小臂的后端，在其三个自由度的运动传动过程中，均采用了谐波减速器，其动力轮与传动轴和回转套联在一起，带动腕部的转动。这种传动方案的优点是：1、腕部尺寸较小，重量较轻；2、由于腕部属于3R球腕机构，故便于调整姿态，进行编程；3、因腕关节的两个驱动电机均放在小臂后端，有利于小臂自身的重力平衡；4、有利于迅速制动，保证安全。腕关节二个自由度的驱动电机为司服电机，为保证制动迅速，在电机输出轴上均装有电磁制动器；当电机不转动时，可保证关节轴牢固不动，以避免控制系统出错时发生危险。腕部结构图如下：图(3-2)图3-2腕部结构简图1.腕部输出轴驱动电机的选择设定腕部Z轴的转动角速度为：w=100°/s=1.92rad/s整体尺寸为矩形。矩形绕中心轴的转动惯量计算如下式：设定腕部绕Y轴的转动角速度为：w=100°/s=1.92rad/s=18.34由平移轴定理得：载荷的转动惯量为J,=J+m载荷的因此，载荷绕Z轴的转动力矩为：(假定重心无偏移)轴承为圆锥滚子轴承，轴承直径D₁=D₂=0.035m,已知此轴的转速为：w=115.2rad/min=1.92rad/s,假设轴的加速过程为匀加速，取匀加速启动时间：t=0.5s(2)对轴进行受力分析此轴受重力和两个轴承的支撑力的作用，其受力图如下：图(3-3)图3-3输出轴的受力分析根据轴的受力平衡得：选择直流伺服电机负载峰值转速单位是rad/s所以：电机的所需功率是：由输出轴的转速和电机的转速比为u=160,选取谐波减速器XB3100,其传n=3000r/min(半流体润滑脂)。2.腕部摆动驱动电机的选择Y轴是腕部的摆动轴，它在电机的驱动下，可以带动载荷绕Y轴的摆动。(1)腕部自身相对于Y轴的转动惯量计算把腕部看作一设定腕部摆动的角速度w=100°/s=1.92rad/s=18.34r/min,把腕部看作一个绕Y轴转动的圆柱体，圆柱体的转动惯量计算公式如下：初步估测腕部的质量m:腕部圆柱体的几何尺寸：R=85mm,p=7.8g/m²,h=185mmm=πR²hpm=3.14×8.5²×18.45×7.8=32.5载荷绕Y轴的转动惯量：由平移轴定理得：J=J,+md载荷绕与Y轴平行自身轴的转动惯量，:因此，在载荷对Y轴总的转动惯量为：所以作用在Y轴的总的转动惯量为：摩擦力矩：惯性力矩：对轴进行受力分析得：图(3-4)图3-4腕部摆动轴的受力分析摆动轴在载荷作用下的弯矩：M=mgxL取载荷到摆动轴的作用力距：L=255mm,N₁x147.6mm=M=>N₁=1727.M。=1.2(5.74+106.64)=13电机的类型为直流司服电机，选取电机的型号为：130SYX其额定功率为Pa=1.2Kw,额定转速n=3000r/min由输出轴的转速和电机的转速比为u=160,选取谐波减速器XB3100,其传n=3000r/min(半流体润滑脂)。1.腕部输出轴锥齿轮的设计计算在锥齿轮的设计计算当中，以锥齿轮大端为标准值，以中径尺寸为计算量。设锥齿轮的传动比：分度圆直径d=74mm,模数m=2,齿数：锥距：平均分度圆直径：传动齿宽系数：其中φ。=0.25—0.35取。=1/3齿宽取b=17mm因此，锥齿轮的平均分度圆直径a。=d×0.833=61.64mm,圆柱齿轮的分度圆半径与平均分度圆直径：锥齿轮的当量直齿当量齿数：取当量齿轮的齿数比：垂直分度圆锥母线的力：F¹=Ftga径向分力：F,=F'cosδ=F,选取齿轮的齿合角a=20°,己知作用在齿轮上的力矩T=125.8Nm因此，NN①齿根弯曲疲劳强度计算：应力校正系数γ=1.75故齿轮的弯曲疲劳强度是安全的。②齿面接触疲劳强度计算：设在正常工作情况下，工作齿宽为锥齿轮齿宽b=17mm。=60×18.34×1×(2×8×300×10)接触疲劳寿命系数：K-1.03齿轮的安全系数：S=1③锥齿轮的基本尺寸：分度圆直径：d=Zm=50×2=100mm2.腕部摆动传动锥齿轮的设计计算初设原始条件：传动比u=1,椎角。-45°,齿型角α,=20分度圆直径取：d=56mm平均分度圆直径：(3-22)当量直齿轮分度圆半径，:当量齿轮的齿数比：齿轮传递的扭矩为：T=1.65Nm垂直于分度圆锥母线的力：径向分力：轴向力：发向载荷：F¹=Fg20°=70.74tg20°NN,=-95.02①齿面接触疲劳强度的设计：齿轮的弹性影响系数：z=189.8材料的许用应力：0nHm=1100Mp=60×18.34×1×(2×8×300×10)=载荷系数：取d=56≥26.3,,故齿轮的接触疲劳强度是安全的②轮齿弯曲强度设计计算：载荷系数：查表得：动载荷系数：齿向载荷分布系数：齿间载荷分配系数：载荷系数：齿形系数：应力校正系数：弯曲疲劳强度极限：因齿轮模数m=2≥0.765,故齿轮的弯曲疲劳强度是安全的。3.腕部输出轴转动第二锥齿轮的设计计算已知同步带所传递的力矩：初设初始参数：传动比为：u=1,锥角：8=45°初设分度圆直径：d=44mm则齿数平均分度圆直径：dt=0.833d=0.833×44=25.92mm当量直齿轮分度圆半径，:当量齿轮模数m。当量齿数=已知锥齿轮传递的力矩为：T=1.54Nm圆周力：垂直于分度圆锥母线的力：F¹=F,Iga=52.03×rg20°发向载荷：①齿面接触疲劳强度计算：弹性影响系数：z,=189.8材料的许用应力：Gwim=1100Mp应力循环次数：N=60njLh=60×18.34×1×(2×8×300×10)接触疲劳寿命系数：Kμ=0.9锥齿轮传动的安全系数：S=1载荷系数：K取d=44mm≥25.72mm,所以锥齿轮的接触疲劳强度是安全的。②齿轮弯曲强度设计计算：应力校正系数：Y=1.57因齿轮的设计模数m=2≥0.906,故齿轮的弯曲疲劳强度是安全的。1.腕部输出轴的强度校核图3-5腕部输出轴的受力简图(1)在径向力作用下的受力分析：图(3-6)图3-6腕部输出轴在径向力作用下的受力分析根据轴的手力平衡得：(2)在圆周力作用下的受力分析：图(3-7)图3-7腕部输出轴在圆周力作用下的受力分析由轴的受力平衡得：(3)力矩图如下：图(3-8)图3-8腕部输出轴的力矩图按照第三强度理论对轴进行强度校核：由上知，轴的最大作用应力小于材料的许用应力值，所以轴的强度是安全2.腕部摆动第二锥齿轮轴的强度校核对其进行受力分析得受力图：图(3-9)P图3-9腕部摆动第二锥齿轮轴的受力图其在径向力作用下的受力分析：图(3-10)图3-10腕部摆动第二锥齿轮轴径向力作用下的受力分析根据轴的受力平衡原则得：轴在周向力作用下的受力分析：图(3-11)图3-11腕部摆动第二锥齿轮轴圆周力作用下的受力分析根据轴的受力平衡得：其力矩图如下：图(3-12)图3-12腕摆第二锥齿轮轴的力矩图在第一轴承作用点的和力矩为：其和力矩小于第二轴承处的作用力矩T=2152Nmm,故选取第二轴承处的作用力矩作为轴承的校核力矩。根据第三强度理论得：计算应力小于材料的许用应力，故轴的强度是符合强度理论的。3.腕部输出第二锥齿轮轴的强度校核轴的受力图如下：图(3-13)图3-13腕部输出轴第二锥齿轮轴的受力分析其在径向力作用下的受力分析：图(3-14)N2N1图3-14腕部输出轴第二锥齿轮轴径向受力分析根据轴的受力平衡原则：29.84F-45.5N₂+(29.52+45.圆周力作用下的受力分析：图(3-15)图3-15腕部输出轴第二锥齿轮轴周向受力分析根据轴的受力平衡原则：轴的力矩图：图(3-16)图3-16腕部输出轴第二锥齿轮轴的力矩图作用在第二轴承处的和力矩是：根据第三强度理论得：是符合强度理论的轴的计算应力小于材料的许用应力值，因此，轴的强度3.4.6传动同步带的选择选择同步带的型号为L型，采用标准的带轮和标准1.腕部摆动同步带的选择初选标准带轮直径：d=84.89mm传动比为：u=1所以带速：初定轴间距：ao=221mm实际轴间距：(当轴间距可以调整时)作用在轴上的力：带宽：基本带宽功率：所以带宽：取标准带宽：b=14mm2.腕部输出轴同步带选择标准节线长：L,=635mm考虑他们传动力矩相差不大，且都取同样的带轮所以其带宽同上作用在轴上力的计算：3.5手臂的结构设计1.应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。2.机器人手臂的结构与尺寸应满足机器人工作空间的要求。3.为保证机器人的运动速度和控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度与刚度的条件下，尽可能从结构与材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常采用高强度铝合金制造机器人手臂。4.机器人各关节的轴承间隙应尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构5.机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负荷和提高机器人手臂运动的响应速度是有益的。6.机器人手臂在机构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置、传动机构及内部电缆等的安装。3.5.2小臂的结构确定机器人是手臂结构采用电机和执行器的分端布置，这样使小臂达到重量的平衡。如图(3-17)图3-17小臂的结构简图3.5.3电机的选择(1)当载荷的轴线和小臂的轴线同轴时：载荷对Z轴的转动惯量Jz=27.08Kgm²,(2)当载荷的轴线和小臂的轴线垂直时：载荷对Z轴的转动惯量Jz₂=27.75Kgm²(3)小臂自身对Z轴的转动惯量为：小臂绕Z轴的转动惯量：选择较大的载荷计算值对轴进行强度校核计算：所以总的转动惯量是：J=J₂+J.=27.75+18.8=46.55Kgm¹已知参量：平均加速时间：],-v…旋转角速度：w=110°/s=1.92ad/s对轴进行受力分析得：选择轴承为深沟球轴承，轴承直径初选D=180mm其受力图如下：图(3-18)图3-18小臂绕Z轴旋转轴的受力分析根据轴的受力平衡的原则得：所以小臂的摩擦力矩是：由公式(3-7)得：总的驱动力矩为：由公式(3-6)得：选取电机的型号为：130SYX,额定功率为P,=1.5Kw,额定转速n=3000r/min由于在减速器的前一级经过同步带的减速，且同步带的传动比为：u=2,故输入减速器的转速为n=1500r/min。由输出轴的转速和电机的转速比为u=80,2.小臂摆动驱动电机的选择对小臂采用重力平衡机构，初步估算小臂加载荷的重量为1000Kg,小臂的取小臂的长度：L=2000mm(因为采用了重力平衡机构，轴只有一个，N,=G=10000N,D=260mm所以摩擦力矩为：手臂摆动的速度：w=102°/s=1.78ad/s初选电机的转速为：n=1500r/min,取标准传动比u=100,小臂的惯性力矩为：其中：J,为惯性矩，其计算公式如下：因此，实际小臂因此，此轴的惯性力矩为：所以小臂需要的总的驱动力矩为：由公式(3-39)得：选取电机的型号为：176SYX,额定功率为Pa=2.4Kw,额定转速n=1500r/min,额定转矩W=16Nm。由于结构的设计要求和工作传递力矩的需要，选择减速器的类型为杯型减速器，其型号为XB-160-100B,传动比为：u=100,额定输出转矩W=1000Nm,转速很高，在各种型号的联轴器中，膜片联轴器易平衡，且易保持平衡精度，不需润滑，对环境的适应性强，且具有较好的补偿两轴相对位移的性能，径向载荷能力大，可在很高的转速下运转，但扭转刚度大，缓冲减振效果差，通常使用于高速传动及伺服传动膜片联轴器采用一种厚度很薄的弹簧片，制成各种形状，用螺栓分别与主从动轴上两半联轴器联接，其中弹性元件为若干多边形的膜片，在膜片的圆周上有若干螺栓孔。为防止膜片在高速运转的时发生的微动磨损，导致膜片螺栓孔出现微裂纹而损坏，可在膜片之间涂上二硫化钼等固体润滑剂，或对膜片表面进行减磨涂层处理。因为同步带的传动比u=2,且根据标准带轮直径的尺寸系列，所以大同步带轮的尺寸d₂=133.4mm因此，实际传动比：u=2.18带长：由公式(3-34)得：作用在轴上的力：带速：所以同步带的带宽是：其中k,=1由于第二同步带的驱动电机相对中心轴的位置和第一同步带的驱动电机的位置象同，即两轴对中心轴的距离相同。又因他所传递的力矩略小于第一同步带，此第二同步带采用第一同步带的宽度，其强度是可以保证的。1.小臂1轴的强度校核轴原始尺寸的确定：轴径初选d=20mm,长度为L=1350mm,材料选择45钢作用在轴上的力：锥齿轮传动产生的作用在轴上的轴向力F.,由安装在锥齿轮一端的滚动轴承所承受，因此，轴的受力仅为扭矩和在重力。如图：图图3-19小臂第一传动轴的受力简图由受力分析得：对轴主要进行扭曲应力和弯曲变形的校和。已知：轴所传递的扭矩T=1.54Nm轴的最大切应力：(3-42)实心轴的抗扭截面系数：所以轴的最大切应力为：45钢材料的许用应力：[r]=40MPar…≤[r]计算应力值小于许用应力值，所以轴的抗扭强度是可靠的。单位长度上的扭转角：[]-1.5m由公式：所以轴的扭曲变形在允许的范围内是合格的。估算轴的重力：(3-45)重力在轴上的平均作用力为：平均作用力下的轴的最大挠度：钢材的弹性模量：E=210MPa所以，轴的最大挠度为：由公式(3-36)得：计算得，小臂轴1的挠度非常小，以至可以忽略不考虑，因此重力作用下的弯曲变形在允许的情况下是安全。长度设定为L=1200mm,其受力和上一轴相似。对其进行受力分析：如图：图(3-20)图3-20小臂2轴的受力分析其所传递的力矩为：T=1.65Nm最大切应力：空心轴的抗扭截面系数：(3-47)由公式(3-47):轴的最大切应力为：安全的。抗扭刚度为：Gr,其中空心轴：轴在单位长度上的扭转角为：[0]=1.5°/s最大扭转角为：所以轴的切应力强度是轴的初始直径D大于计算直径9.7mm,所以轴的变形在允许的范围内是安全的。空心轴所承受的重力：轴上的平均作用力为：在重力作用下的轴的最大挠度为：最大挠度是：轴在重力作用下的挠度很小，一致可以忽略不记，因此轴在重力作用下的弯曲变形是不影响其工作的。此轴不仅承受传递扭矩的作用，同时也对其它两个轴提供支撑，因此对它的校核需要从强度方面进行计算：初设轴的内外径分别为：d=160mm,D=180mm其所传递的扭矩为：T=249.76Nm对其进行受力分析得：如图(3-21)NlN2其力矩和弯矩图如下：图(3-22)图3-22小臂3轴的弯矩图按照第三强度理论进行计算得：因，材料的最大应力值为60Mpa,其值大于计算值，所以轴的强度在交变应力的作用下是安全的。1.弯曲变形计算小臂几何尺寸的规范话：取小臂较长的一端进行校核，初始取其长度为：假设质心的位置在距回转轴1000mm处。小臂可简化为一悬臂梁切载荷分布均匀。其平均载荷为：在重力作用下的最大挠度为：设小臂在支点处的截面为空心矩形，壁厚取H=15mm,截面的高b=250mm,所以：所以在重力作用下的悬臂梁的最大挠度为：由于挠度在零点几毫米级的范围内，其变形不影响小臂的工作精度，所以在重力作用下的小臂是精确的。2.小臂切应力的计算小臂的截面积为：A=(0.25×0.24-0.235×0.225)=0.00所以在重力作用下的最大切应力为：最大切应力远小于许用切应力，所以轴的剪切强度是安全的。3.小臂弯曲应力的计算由最大弯曲应力公式得：(3-50)材料的许用弯曲应力为：[o]=60Mpa计算弯曲应力小于许用应力值，所以小臂在满载荷的情况下是安全的。3.6.1大臂的结构确定考虑到装配的需要和重量的要求，大臂加工成两个分割的部分，中间用隔板连接，大臂的结构尺寸设定为：如图：图(3-23)大臂的材料选择高强度铝图3-23大臂的结构3.6.2驱动电机的选择初始条件设定，大臂的长度定为：L=1000mm,与基座连接轴承D=360mm经计算大臂的质量为：m=70.8Kg总的驱动力矩：M=M+M作用在轴承上的总的作用力N:N=G,+G₂=10000+708=10708N所以摩擦力矩为：由平移轴定理得：小臂对大臂的转动惯量为：J,=J,+md²=47.59+1000=104大臂自身的转动惯量：所以机器人手臂对机座总的转动惯量为：J=J,+J,=1047.59+23.6=1071.2Kgm²初定大臂的摆动速度为：w=80*1s=1.4rad/s平均启动时间：At=1s所以大臂的惯性力矩为：大臂总的驱动力矩为：M,=M+M,=38.54+1499.6电机的选择：选取电机的型号为：176SYX,额定功率为P=7.5Kw,额定转速n=1500/min,额定转矩W=48.8Nm由于结构的设计要求和工作传递力矩的需要，选择减速器的类型为杯型减速器，其型号为XB-200-200B,传动比为：u=200,额定输出转矩W=2000Nm,3.6.3平衡汽缸的选择大臂上装有气缸平衡机构，使驱动力矩减小，气缸平衡装置产生与大臂转动方向相反的平衡力矩，从而使大臂关节得以平衡。大臂平衡气缸的选择计算：其原理如图：图(3-24)图3-24大臂平衡汽缸的工作原理图平衡力矩按下式计算：其中：c,——臂的静不平衡力矩c,——臂的惯性力矩当这时平衡条件为Fe-mgl由公式(3-52)所以：2、动平衡条件：c¹=C₁+C:由上计算所得：在静平衡条件下所需的气缸支持力最大，所以以静平衡条件下的作用力作为选择气缸的条件，气缸选择SG1系列，气缸内径D=80mm,工作压强为P=16Mpa,工作行程在3.7工业机器人底座的结构设计3.7.1底座的结构确定机器人的运动部分全部安装在腰部上，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人的腰部结构时，要注意以下原则：1、腰座要有足够的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。2、腰座要承受机器人的全部重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够的强度和刚度，以保证其承载能力。3、机器人的腰座是机器人的第一回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。4、为保证机器人的外部电缆不随机器人的运动而摆动，所以，机器人的外部电缆都是安装在不运动的机器人基座上，并通过机器人腰部传到机器人的各运动关节。因此，机器人的基座与腰部结构要便于电缆的通过，并要解决固定端与运动端的连接问题。5、腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器。驱动器一般都带有速度与位置传感器，以及制动闸。6、腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的连接要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。7、为了减轻机器人的运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比较小的铝合金材料制成的，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成的。腰部的支撑结构：腰部回转由一级齿轮传动和谐波齿轮传动组成。在结构布置上，电机、谐波减速器和小齿轮均固定在腰部座上，随腰座一起回转；而大齿轮固定在机座上。这样的布局对装修、润滑方便，但增加了腰部回转的转动惯量。采用了环形轴承，该轴承精度高、刚度大、负荷力大、装配方便，可以承受径向力，轴向力及倾覆力矩，许多机器人都采用了这种支撑方式，但环形轴承的价格较高。腰部电缆的