排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手基座設(shè)計(jì)案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u28169排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手基座設(shè)計(jì)案例綜述 1287741.1基座的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 183411.2腰關(guān)節(jié)減速機(jī)和電機(jī)選擇 1193001.2.1腰關(guān)節(jié)減速機(jī)選擇 1136501.2.2腰關(guān)節(jié)電機(jī)選擇 29000得腰關(guān)節(jié)電機(jī)所需功率為 4221991.3蝸輪蝸桿強(qiáng)度校核 512853、按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)：按照閉式蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，傳動(dòng)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(qiáng)度校核 837156.主要設(shè)計(jì)結(jié)論 91.1基座的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 基座部分主要有固定在移動(dòng)平臺(tái)的底座、驅(qū)動(dòng)大臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的腰關(guān)節(jié)以及連接大臂的驅(qū)動(dòng)臂座組成。1.2腰關(guān)節(jié)減速機(jī)和電機(jī)選擇1.2.1腰關(guān)節(jié)減速機(jī)選擇腰關(guān)節(jié)主要為了實(shí)現(xiàn)排爆機(jī)器人整體機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于機(jī)械臂關(guān)節(jié)處的減速機(jī)選擇，可從RV減速機(jī)、行星減速機(jī)和蝸輪蝸桿減速機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)。針對(duì)三種減速機(jī)的特點(diǎn)介紹進(jìn)行不同關(guān)節(jié)具體的選擇。RV減速機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、定位精度高且減速比大，與此同時(shí)具備高疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命的特性。相比較傳統(tǒng)的諧波減速機(jī)，其運(yùn)動(dòng)精度無(wú)法隨著時(shí)間的變化而保持一個(gè)較高的范圍，經(jīng)常處于下降趨勢(shì)，但生產(chǎn)成本較高。蝸輪蝸桿減速機(jī)是進(jìn)行動(dòng)力傳遞的機(jī)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是蝸輪蝸桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以滿足自鎖的條件，以及反向自鎖，并且傳動(dòng)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(jī)具有精度高、輸出扭矩大、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。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(diǎn)，與此同時(shí)需要自鎖，故腰關(guān)節(jié)處的減速機(jī)選擇雙重減速機(jī)通過(guò)選用行星減速機(jī)和蝸輪蝸桿組合。下文中其他關(guān)節(jié)的減速機(jī)選擇也是類似。腰關(guān)節(jié)的雙重減速機(jī)可以保證機(jī)械臂從其底部實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的精準(zhǔn)定位，有利排爆機(jī)器人的機(jī)械手臂可以更加準(zhǔn)確地探測(cè)到車體所不能達(dá)到的危險(xiǎn)物位置，且快速、精準(zhǔn)地回轉(zhuǎn)手臂。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，底座分為倆個(gè)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(dòng)機(jī)和減速器。主要的運(yùn)動(dòng)步驟為伺服電機(jī)1帶動(dòng)行星減速機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后蝸桿3旋轉(zhuǎn)，然后再通過(guò)渦輪4傳動(dòng)，渦輪4帶動(dòng)動(dòng)力輸出軸5的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)臂座6與渦輪4的動(dòng)力輸出軸5相互連接，從而使得機(jī)械臂發(fā)生整體的轉(zhuǎn)動(dòng)。654231654231圖3-2排爆機(jī)器人基座腰關(guān)節(jié)（圖中1為伺服電機(jī)，2為行星減速機(jī)，3為蝸桿，4為渦輪，5為動(dòng)力輸出軸，6為驅(qū)動(dòng)臂座）1.2.2腰關(guān)節(jié)電機(jī)選擇圖3-3腰關(guān)節(jié)機(jī)械簡(jiǎn)圖排爆機(jī)器人機(jī)械臂繞著J1即底座腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾持危險(xiǎn)物重量為，危險(xiǎn)物重心距離J1軸的長(zhǎng)度為，機(jī)械臂的自身重量，機(jī)械臂重心距離J1軸的長(zhǎng)度為。機(jī)械臂基座需要克服機(jī)械臂自重、危險(xiǎn)物在水平伸直時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，即：其中，為腰關(guān)節(jié)電機(jī)所需力矩，為機(jī)械臂自重所產(chǎn)生的慣性力矩，為危險(xiǎn)物所產(chǎn)生的的慣性力矩。由力矩計(jì)算公式： (3-1)可以得知需要對(duì)機(jī)械臂和危險(xiǎn)物所具有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)機(jī)械臂水平方向伸長(zhǎng)到最長(zhǎng)距離時(shí)，可以得到其所具備最大的慣性矩。本文中末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能抓取最大負(fù)載為30kg，機(jī)械臂最大伸長(zhǎng)長(zhǎng)度為1.5m，機(jī)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(xiǎn)物為半徑為，長(zhǎng)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(dòng)慣量平移公式可得到危險(xiǎn)物對(duì)J1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (3-2)在計(jì)算機(jī)械臂自重所產(chǎn)生的的關(guān)系力矩時(shí)，采用SolidWorks進(jìn)行屬性計(jì)算機(jī)械臂對(duì)腰關(guān)節(jié)處所產(chǎn)生的的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，得到。由于需要保證腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)所需轉(zhuǎn)矩為：腰關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)通過(guò)蝸輪減速機(jī)和行星減速機(jī)組合和聯(lián)軸器來(lái)控制J1軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)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(jī)與蝸輪蝸桿減速器的總傳動(dòng)效率為，則腰關(guān)節(jié)的電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為保證J1軸處有足夠的驅(qū)動(dòng)力矩，所選用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該按所需轉(zhuǎn)矩的1.3至1.5倍計(jì)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(jī)功率計(jì)算公式： (3-3)得腰關(guān)節(jié)電機(jī)所需功率為對(duì)腰關(guān)節(jié)處的電機(jī)功率進(jìn)行圓取整為200w。機(jī)械手臂腰關(guān)節(jié)需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂由底座旋轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，最大轉(zhuǎn)動(dòng)幅度QUOTE360°。機(jī)械臂腰關(guān)節(jié)部分的減速結(jié)構(gòu)采用蝸輪減速機(jī)和行星減速機(jī)組成的雙重減速機(jī)，具有較高的減速比，與此同時(shí)，此處采用的伺服電機(jī)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(jī)器人在窄小的工作任務(wù)空間內(nèi)進(jìn)行活動(dòng)且準(zhǔn)確地驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，從而提高排爆機(jī)器人對(duì)車身無(wú)法探測(cè)工作空間內(nèi)進(jìn)行更深入地檢測(cè)危險(xiǎn)物。通過(guò)機(jī)械臂所需要工作的任務(wù)空間與過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)械臂需要運(yùn)動(dòng)到所需要的工作平面，這個(gè)工作平面往往是與工作平面相同。從而，在同平面內(nèi)進(jìn)行任務(wù)，腰關(guān)節(jié)只起到對(duì)對(duì)整個(gè)機(jī)械臂的支撐作用以及當(dāng)抓取危險(xiǎn)物時(shí)相關(guān)定位，而不進(jìn)行其他的旋轉(zhuǎn)任務(wù)。鑒于腰關(guān)節(jié)連接基座和機(jī)械臂，在抓取最大重量危險(xiǎn)物時(shí)持續(xù)進(jìn)行任務(wù)，只會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)存在過(guò)載的現(xiàn)象，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用時(shí)候無(wú)需與最大功率需求相符合，可以通過(guò)電機(jī)短時(shí)過(guò)載的特性進(jìn)行合理選用。根據(jù)安川伺服電機(jī)7系列選型，綜合樣本選擇SGM7A-02A表3-1SGM7A-02A電機(jī)型號(hào)參數(shù)型號(hào)三相相電壓額定轉(zhuǎn)速額定功率QUOTE靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量QUOTE額定電流ASGM7A-02A20030000.2kw0.63712.36.41.3蝸輪蝸桿強(qiáng)度校核圖3-4蝸輪蝸桿三維圖本章中蝸輪蝸桿用于機(jī)械臂大范圍旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算的方法進(jìn)行強(qiáng)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(dòng)功率不大，速度不高，故蝸桿選用45鋼；希望傳動(dòng)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(qiáng)度設(shè)計(jì)：按照閉式蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，傳動(dòng)中心距 (3-4)（1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩按照，估計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)》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(dòng)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(jī)械設(shè)計(jì)》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(gè)小時(shí)，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(jì)算值因故從《機(jī)械設(shè)計(jì)》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(qiáng)度校