[15]，完成整個(gè)充電過程。1.3課題主要研究?jī)?nèi)容國(guó)內(nèi)外在電動(dòng)汽車充電方面的研究正在逐步發(fā)展，充電方式包含了手動(dòng)充電和自動(dòng)充電兩種方式，而所有已出現(xiàn)的充電方案還存在如下的一些問題：手動(dòng)充電方式需要大量人工來保證運(yùn)行，極大地提高了運(yùn)營(yíng)成本，而且用戶在充電過程中還可能因?yàn)椴僮鞑划?dāng)對(duì)充電設(shè)施、車輛和自身造成不必要的傷害，安全性得不到保障。充電口中的導(dǎo)電材質(zhì)也會(huì)在一定程度上存在外露的問題，在手動(dòng)充電操作中可能漏電，安全性問題嚴(yán)峻。在電動(dòng)汽車推廣過程中，對(duì)應(yīng)充電設(shè)施能否配套普及是個(gè)至關(guān)緊要的問題。然而現(xiàn)有的自動(dòng)充電機(jī)械臂設(shè)計(jì)成本太高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的布置?，F(xiàn)有的自動(dòng)充電機(jī)械臂工作過程中運(yùn)動(dòng)范圍小，不能滿足各種車型的充電需要。并且現(xiàn)有的電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂采用的自由度數(shù)目過多，其靈活度雖然較高，但是導(dǎo)致了自由度冗余，不適合大扭矩低速運(yùn)行因此，本課題基于實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一款適合大范圍推廣的適配性較廣的電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂，并且對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其可以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。整體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：對(duì)電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂進(jìn)行方案的分析比較及確定，包括機(jī)械臂構(gòu)型、驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)方式等，并篩選出最優(yōu)解。對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，包括電機(jī)及減速器的選型計(jì)算和機(jī)械臂各軸的設(shè)計(jì)計(jì)算并校核。根據(jù)計(jì)算得出的參數(shù)對(duì)機(jī)械臂重要部件進(jìn)行有限元分析，在確定各個(gè)部件合理性之后，對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行建模裝配，繪制圖紙。

2自動(dòng)充電機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案電動(dòng)車自動(dòng)充電機(jī)械臂的設(shè)計(jì)的主要工作是對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行設(shè)計(jì)后進(jìn)行內(nèi)部的計(jì)算，并設(shè)計(jì)機(jī)械臂整體，包括末端、小臂、大臂、機(jī)身等，使用Solidworks2016進(jìn)行有限元分析，然后建模并出圖，使用AutoCAD2016進(jìn)行三視圖的修改。本章的主要工作是進(jìn)行方案的比較并確定最優(yōu)方案，為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作打好基礎(chǔ)。2.1方案的分析和比較根據(jù)工業(yè)機(jī)械臂臂部的運(yùn)動(dòng)形式的不同，以及組合情況，通常情況的機(jī)械臂一般分為以下四大類：直角坐標(biāo)式，圓柱坐標(biāo)式，球坐標(biāo)式，關(guān)節(jié)型式。不同類型的機(jī)械臂側(cè)重方面不同，導(dǎo)致其優(yōu)點(diǎn)、特點(diǎn)格不相同：直角坐標(biāo)式直角坐標(biāo)類型的機(jī)械臂，臂部運(yùn)動(dòng)一般是XYZ軸三軸的直線運(yùn)動(dòng)，例如X軸負(fù)責(zé)伸縮，Y軸負(fù)責(zé)平移、Z軸負(fù)責(zé)升降。特點(diǎn)是定位精度十分高，而且構(gòu)成相對(duì)其他三種，較為簡(jiǎn)單，適用于大多數(shù)高精度的場(chǎng)合，像高精度的CNC、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、高精度的充電場(chǎng)合。但是它的缺點(diǎn)同樣也很明顯，首先在于它運(yùn)動(dòng)靈活性很差，占地面積很大，隨著加工范圍的增加而大量增加占地。圓柱坐標(biāo)類型圓柱坐標(biāo)類型的機(jī)械臂，臂部運(yùn)動(dòng)通常由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)及一個(gè)旋轉(zhuǎn)組成。一般是Z軸有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是升降另一個(gè)是旋轉(zhuǎn)，而伸縮運(yùn)動(dòng)只有X軸一個(gè)。與直角坐標(biāo)類型相比較，占地面積首先是大大降低了，結(jié)構(gòu)也類似，相對(duì)簡(jiǎn)單；因?yàn)橹挥幸粋€(gè)軸的回轉(zhuǎn)，定位精度也是相當(dāng)準(zhǔn)確，但這也帶來了最大的缺點(diǎn)，Z軸升降位置的高低收到了一定的限制，不能抓取太低位置的工件，也無法加工較高的。球坐標(biāo)類型球坐標(biāo)類型的機(jī)械臂，臂部運(yùn)動(dòng)是一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加另外兩個(gè)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即伸縮方面的X軸，Y軸負(fù)責(zé)的是上下擺動(dòng)，Z軸則是負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)。這種類型的機(jī)械臂因?yàn)橛袃奢S的旋轉(zhuǎn)，其動(dòng)作變得相對(duì)靈活，而且是由一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)連接另一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，占地面積同時(shí)減小了很多，同時(shí)也讓其結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜起來。還有因?yàn)閅軸的上下擺動(dòng)，很可能造成誤差放大。關(guān)節(jié)類型關(guān)節(jié)類型的機(jī)械臂，關(guān)節(jié)處可以做幾個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，一般有大臂、小臂和立柱組成。臂部運(yùn)動(dòng)一般是仿照人類手臂運(yùn)動(dòng)制作的，肩關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)大臂和立柱的關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)則是大小臂的關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)型機(jī)械臂一般是三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成，大臂的上下擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)，小臂的上下擺動(dòng)。基于以上原因，其有點(diǎn)就是工作范圍是四類型里最大的，動(dòng)作也相對(duì)靈活，而且抓取范圍大，是四類型里最常用的類型，也比較適用于本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂。但因?yàn)槭顷P(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)來定位手部，所以定位精度較差、控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)方面來講，則是最復(fù)雜的。各類型機(jī)械臂如圖2.1所示：(a)直角坐標(biāo)型(b)圓柱坐標(biāo)型(c)球坐標(biāo)型(d)關(guān)節(jié)型圖2.1四種電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂坐標(biāo)形式綜合上述四類型機(jī)械臂的優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)用性，選擇關(guān)節(jié)型機(jī)械臂。2.2方案確定負(fù)載確定關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的底座負(fù)責(zé)承受機(jī)器人的整機(jī)重量，同時(shí)也要承受工作負(fù)荷，本課題的設(shè)定的機(jī)械臂總重量為35kg，屬于低負(fù)載型機(jī)械臂。執(zhí)行系統(tǒng)確定機(jī)械臂類比于人類的手，它按照控制器給與的操作指令來完成指令所要求的對(duì)應(yīng)動(dòng)作，本執(zhí)行系統(tǒng)包括末端、小臂、大臂、底座，以下對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)各模塊進(jìn)行一一說明：末端：安裝在手臂的前端，是自動(dòng)充電機(jī)械臂的充電頭。大臂和小臂：一般有無關(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂兩類，本文采用無關(guān)節(jié)臂。底座：底座主要負(fù)責(zé)承擔(dān)支撐與整個(gè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，是整個(gè)設(shè)備的機(jī)身。驅(qū)動(dòng)類型的確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)即驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)設(shè)備，一般有以下方式：電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)又分為步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，結(jié)合任務(wù)規(guī)劃書以及設(shè)計(jì)的要求，選取了步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)方式，原因如下：控制簡(jiǎn)單，成本較低。步距值不受各種外界干擾因素的影響，比如電流的波形、數(shù)值、溫度的變化，電壓的大小等?？刂菩阅芎?，在一定頻率范圍內(nèi)運(yùn)行的時(shí)候任何運(yùn)動(dòng)方式都不會(huì)丟失一步。選擇傳動(dòng)系統(tǒng)常規(guī)機(jī)械臂傳動(dòng)方式有很多種，例如：帶&鏈傳動(dòng)，齒輪齒條嚙合傳動(dòng)、聯(lián)軸器傳動(dòng)等。根據(jù)電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂工作所在環(huán)境、工作負(fù)載等，本課題選擇聯(lián)軸器傳動(dòng)。聯(lián)軸器傳動(dòng)具有良好的緩解振動(dòng)和吸收沖擊能力、工作可靠、可以滿足不同需求、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。2.3電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂簡(jiǎn)圖根據(jù)初步規(guī)劃的方案，結(jié)合任務(wù)書的要求，本課題選擇四自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，機(jī)械臂簡(jiǎn)圖如圖2.2所示：圖2.2電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂簡(jiǎn)圖根據(jù)規(guī)劃的方案，設(shè)計(jì)出機(jī)械臂的三維模型圖如圖2.3所示：圖2.3電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂三維模型圖2.4本章小結(jié)本章進(jìn)行了方案的比較和確定，根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式的不同選擇了機(jī)械臂的類型為關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，選取的驅(qū)動(dòng)方式為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)方式為聯(lián)軸器傳動(dòng)，并確定了機(jī)械臂自由度類型和個(gè)數(shù)，確保思路清晰之后，開始對(duì)電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂的進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

3自動(dòng)充電機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上一章中通過比較和分析確定了本課題的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，下一步，可以根據(jù)方案內(nèi)容對(duì)自動(dòng)充電機(jī)械臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算。手臂部分是整個(gè)機(jī)械臂最關(guān)鍵的部分，本課題要求它能夠在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整腕部末端充電插頭在空間上的位置。電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂性能還是要看機(jī)身和機(jī)械臂的具體設(shè)計(jì)情況，在本課題中，機(jī)械臂的手臂部分的設(shè)計(jì)分為機(jī)械臂的大臂和小臂，其中大臂部分有一個(gè)自由度，此自由度的類型是大臂的擺動(dòng)。小臂部分有兩個(gè)自由度，自由度的類型分別是小臂的擺動(dòng)和小臂以自身為軸的旋轉(zhuǎn)，這幾個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)都是采用步進(jìn)電機(jī)。機(jī)械臂手臂部分在設(shè)計(jì)時(shí)的要重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)點(diǎn)是機(jī)械臂的尺寸以及內(nèi)部各零部件的尺寸，還有機(jī)械臂末端充電插口、大臂、小臂、機(jī)身等重量要符合以下要求：機(jī)械臂外部和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)都要合理，要確保能夠達(dá)到現(xiàn)實(shí)使用要求的強(qiáng)度和剛度?？紤]到機(jī)械臂靈活性的問題，機(jī)械臂的體積和重量都應(yīng)該設(shè)置得合理，不應(yīng)過大。在機(jī)械臂各臂的電機(jī)減速器選型和各軸的設(shè)計(jì)結(jié)束之后，需要根據(jù)電機(jī)軸的軸徑、輸出軸的軸徑和所需傳遞的轉(zhuǎn)矩對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行選型。聯(lián)軸器是連接兩軸并傳遞扭矩的重要部件，除了這兩個(gè)功能外，它還具備緩沖、吸振和安全保護(hù)的功能。在聯(lián)軸器的選擇上，首先要確定類型，然后再確定聯(lián)軸器的型號(hào)。根據(jù)本課題的需求，初步選擇聯(lián)軸器的類型為梅花聯(lián)軸器，它有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需潤(rùn)滑方便維修、便于檢查，免維護(hù)，可連續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)行安全可靠，工作穩(wěn)定。3.1小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算3.1.1小臂的功能介紹 小臂是連接臂部和腕部的關(guān)鍵部位，小臂的存在讓末端充電插頭得以靈活的做出響應(yīng)。本課題對(duì)小臂的設(shè)計(jì)有兩個(gè)自由度，因此有兩個(gè)關(guān)節(jié)，分別是擺動(dòng)關(guān)節(jié)和回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，使小臂能夠做到小臂的擺動(dòng)和小臂的回轉(zhuǎn)，為了方便后續(xù)計(jì)算，將小臂回轉(zhuǎn)的情況設(shè)為小臂Ⅰ，將小臂擺動(dòng)的情況設(shè)為小臂Ⅱ，這兩個(gè)關(guān)節(jié)是采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。考慮到其工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性，它必須具有較高的剛性和承載能力，機(jī)身重量輕巧、設(shè)計(jì)緊湊的特點(diǎn)。3.1.2小臂Ⅰ電機(jī)及減速器選型腕部末端充電插頭重5kg，長(zhǎng)為200mm，小臂Ⅰ重為10kg，長(zhǎng)850mm，密度為2.73g/cm3，將末端看成一個(gè)圓柱,直徑徑為100mm，額定轉(zhuǎn)速定為ω=180°/s，驅(qū)動(dòng)力矩為： T驅(qū)=J末端查取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式有： J末端=m末端所以 T驅(qū)=J末端 T=T驅(qū)+T T=T驅(qū)0.9=取安全系數(shù)K=1.2 T1=1.2T=1.2×0.087=0.1044N?m （3.根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算得出的相關(guān)參數(shù)，查閱資料，最終選擇電機(jī)為日本東方馬達(dá)公司的步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)是PKP244D15A-L，功率為200W，額定轉(zhuǎn)速為30r/min,額定轉(zhuǎn)矩為0.48N·m；選擇中國(guó)會(huì)意公司的諧波減速器，型號(hào)為HTF-60-3，減速比為3。3.1.3小臂Ⅱ電機(jī)及減速器選型腕部末端充電插頭重m1=5kg，長(zhǎng)為L(zhǎng)1=200mm，質(zhì)心到肘關(guān)節(jié)的距離為950mm，小臂Ⅱ重m3=10kg，長(zhǎng)L3=850mm,所以小臂轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩公式為： T=J小臂ω+ T摩擦=0.1T （3.小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)速度假設(shè)為n=30r/min查閱資料知道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式為 J小臂=m小臂l J末端=m末端將數(shù)據(jù)帶入式3.7得T=（9.75T=41.8012N?m安全系數(shù)取1.2，有T=1.2×41.8012=50.161N?m Pw1=T?n9550本次設(shè)計(jì)選擇的減速器傳動(dòng)比（減速比）i=3 η=η1?ηηη計(jì)算得：η=0.950各軸轉(zhuǎn)速nn2=n2=30.00r/min轉(zhuǎn)矩計(jì)算 T1=M電機(jī)連接減速器的軸轉(zhuǎn)矩就是除以傳動(dòng)比3。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算得出的相關(guān)參數(shù)，查閱資料，最終選擇電機(jī)為常州雙杰電子有限公司的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)是55BF003，功率為150W，額定轉(zhuǎn)速為20r/min,額定轉(zhuǎn)矩為0.66N·m；選擇諧波減速器XB3-80，減速比為3。3.1.4小臂軸的設(shè)計(jì)計(jì)算由3.1.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果知，小臂Ⅰ在受力中受到的最大的扭矩為53.46N·m軸的材料選擇的是45號(hào)鋼，查閱資料可知材料的許用切應(yīng)力是τ在本次設(shè)計(jì)中許用切應(yīng)力應(yīng)取τ根據(jù)查閱資料的公式： （3.14）式中：則小臂軸Ⅰ的最小直徑應(yīng)該是：d由于小臂軸Ⅰ上面有1個(gè)平鍵的鍵槽，因此小臂軸Ⅰ的最小截面，也就是軸的直徑需要增大10%-15%，即dmin≥21.571～22.552mm，在本次設(shè)計(jì)中小臂軸Ⅰ的最小直徑取dmin=23mm。小臂軸圖3.1小臂軸Ⅰ的尺寸結(jié)構(gòu)圖再對(duì)每段軸的直徑、長(zhǎng)度和作用進(jìn)行確定：=23mm，=40mm；=35mm，=82mm；=32.2mm，擋圈的定位安裝槽，=1.5mm；=35mm，=15mm；由3.1.3節(jié)的計(jì)算結(jié)果知，小臂軸Ⅱ在受力中受到的最大的扭矩為52.80N·m軸的材料選擇的是45號(hào)鋼，查閱資料可知材料的許用切應(yīng)力是τ在本次設(shè)計(jì)中許用切應(yīng)力應(yīng)取τ根據(jù)查閱資料的公式： （3.15）式中：則小臂軸Ⅱ的最小直徑應(yīng)該是：d由于小臂軸Ⅱ上面有1個(gè)平鍵的鍵槽，因此小臂軸Ⅱ的最小截面，也就是軸的直徑需要增大10%-15%，即dmin≥21.571～22.552mm，在本次設(shè)計(jì)中小臂軸Ⅱ的最小直徑取dmin=25mm。小臂軸圖3.2小臂軸Ⅱ的尺寸結(jié)構(gòu)圖再對(duì)每段軸的直徑、長(zhǎng)度和作用進(jìn)行確定：=25mm，=31.5mm；=43mm，軸肩，=3mm；=40mm，=31mm；=36.5mm，擋圈的定位安裝槽，=1.5mm；d5=40mm，l5=2.5mm3.1.5小臂聯(lián)軸器選型此前對(duì)小臂電機(jī)和減速器進(jìn)行了計(jì)算選型，也對(duì)小臂軸Ⅰ和軸Ⅱ進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，接下來需要根據(jù)電機(jī)軸徑對(duì)小臂部使用的聯(lián)軸器進(jìn)行選型。由3.1.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果知，小臂軸Ⅰ在受力中受到的最大的扭矩為53.46N·m，電機(jī)軸的軸徑d電機(jī)=16mm，小臂軸Ⅰ與聯(lián)軸器相連端的軸徑d小臂軸Ⅰ=23mm，查閱機(jī)械選型手冊(cè)，選取LYCA梅花聯(lián)軸器作為小臂Ⅰ的聯(lián)軸器，型號(hào)為L(zhǎng)YCA-4050，孔徑d1=16mm,小臂軸Ⅱ在受力中受到的最大的扭矩為52.80N·m，電機(jī)軸的軸徑d電機(jī)=14mm，小臂軸Ⅰ與聯(lián)軸器相連端的軸徑d小臂軸Ⅱ=25mm，查閱機(jī)械選型手冊(cè)，選取LYCA梅花聯(lián)軸器作為小臂Ⅱ的聯(lián)軸器，型號(hào)為L(zhǎng)YCA-4566，孔徑d1=14mm,3.2大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算3.2.1大臂的功能介紹大臂是主要的承重和負(fù)責(zé)的部位，主要擔(dān)當(dāng)橫臂的支撐，同時(shí)承受兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)載荷。大臂的受力較為簡(jiǎn)單，需出自身重量外，還需承受一定的旋轉(zhuǎn)載荷。因此，大臂的要求如下：高剛度、高支撐能力、相對(duì)較輕的重量以及較強(qiáng)的抗彎抗剪能力。大臂之所以要求盡量輕，是為了減輕整個(gè)電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂的重量，這樣轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)壓力才會(huì)減小，可以更方便的讓小臂精準(zhǔn)抵達(dá)相對(duì)位置。3.2.2大臂電機(jī)及減速器選型機(jī)械臂小臂和大臂在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受轉(zhuǎn)矩為： T=T大臂+M大臂的質(zhì)量通過三維建模后分析可知約為20kg，從大臂開始，到對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的距離最大是：L小臂的質(zhì)量通過三維建模后分析可知約為10kg，從小臂的質(zhì)心開始，到大臂俯仰運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)的距離最大是：L腕部末端充電插口總質(zhì)量為5kg，末端到大臂關(guān)節(jié)的最大距離為：L大臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J大臂=m大臂轉(zhuǎn)矩為 T大臂=J大臂大臂工作時(shí)，其旋轉(zhuǎn)角速度ω=120°/s將數(shù)據(jù)帶入公式得： T=T大臂+m小臂gLT=取安全系數(shù)為K=1.2T功率 P=M1?N根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算得出的相關(guān)參數(shù)，查閱資料，最終選擇電機(jī)為常州雙杰電子有限公司的步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)是55BF004-2，功率為300W，額定轉(zhuǎn)速為2000r/min,選擇諧波減速器，型號(hào)是XB3-160，減速比為3。3.2.3大臂軸的設(shè)計(jì)計(jì)算由3.3.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果知，大臂軸在受力中受到的最大的扭矩為320.532N·m軸的材料選擇的是45號(hào)鋼，查閱資料可知材料的許用切應(yīng)力是τ在本次設(shè)計(jì)中許用切應(yīng)力應(yīng)取τ根據(jù)查閱資料的公式： （3.25）式中：則大臂軸的最小直徑應(yīng)該是：d由于大臂軸上面有1個(gè)平鍵的鍵槽，因此大臂軸的最小截面，也就是軸的直徑需要增大10%-15%，即dmin≥21.978～22.977mm，在本次設(shè)計(jì)中大臂軸的最小直徑取dmin圖3.3大臂軸的尺寸結(jié)構(gòu)圖再對(duì)每段軸的直徑、長(zhǎng)度和作用進(jìn)行確定：=25mm，=43mm；=58mm，軸肩，=3mm；=55mm，=31mm；=50.8mm，擋圈的定位安裝槽，=2mm；d5=55mm，l5=5mm3.2.4大臂聯(lián)軸器選型此前對(duì)大臂電機(jī)和減速器進(jìn)行了計(jì)算選型，也對(duì)大臂軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，接下來需要根據(jù)電機(jī)軸徑對(duì)大臂部使用的聯(lián)軸器進(jìn)行選型。由3.2.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果知，大臂軸在受力中受到的最大的扭矩為320.532N·m，電機(jī)軸的軸徑d電機(jī)=14mm，大臂軸與聯(lián)軸器相連端的軸徑d大臂軸=25mm，查閱機(jī)械選型手冊(cè)，選取LYCA梅花聯(lián)軸器作為大臂的聯(lián)軸器，型號(hào)為L(zhǎng)YCA-95126，孔徑d1=14mm,d3.3機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算3.3.1機(jī)身的功能介紹機(jī)身主要承載整個(gè)主體所有的重量和工件的載荷，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮主體的重量，還要考慮運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷及轉(zhuǎn)動(dòng)慣性。3.3.2機(jī)身電機(jī)及減速器選型計(jì)算輸出軸的轉(zhuǎn)矩 T=T機(jī)身+T J細(xì)桿=ml J圓盤=mr底座的質(zhì)量為30kg，最大半徑為400mm。大臂質(zhì)量為20kg，大臂質(zhì)心到底座的距離為：L小臂的質(zhì)量為10kg，小臂質(zhì)心到底座的距離為：L腕部末端充電插頭的總質(zhì)量為5kg，末端充電插頭到底座的距離為：L輸出軸工作室，其旋轉(zhuǎn)角速度ω=120°s代入數(shù)據(jù)，得：JJJJ代入數(shù)據(jù)，得 M=J底座+J==193.717+0.1M M=193.7170.9=215.241N取安全系數(shù)K=1.2，得M M電機(jī)=M2根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算得出的相關(guān)參數(shù)，查閱資料，最終選擇電機(jī)為常州雙杰電子有限公司的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)是130BC3100B，功率為200W，額定轉(zhuǎn)速為3000/min,額定轉(zhuǎn)矩0.64N·m；選擇諧波減速器XB3-120，減速比為50。3.3.3機(jī)身軸的設(shè)計(jì)計(jì)算由3.5.2節(jié)計(jì)算結(jié)果可知，機(jī)身軸在受力中受到的最大扭矩為258.289N·m根據(jù)查閱資料所得的公式： （3.34）式中：則機(jī)身軸的最小直徑應(yīng)該是：d由于機(jī)身軸上面有1個(gè)平鍵的鍵槽，因此機(jī)身軸的最小截面，也就是軸的直徑需要增大10%-15%，即dmin≥20.449～21.3785mm，在本次設(shè)計(jì)中機(jī)身軸的最小直徑取dmin圖3.4機(jī)身軸的尺寸結(jié)構(gòu)圖再對(duì)每段軸的直徑、長(zhǎng)度和作用進(jìn)行確定：=25mm，=40.8mm；=61mm，軸肩，=3mm；=55mm，=35mm；=50.8mm，擋圈的定位安裝槽，=2mm；d5=55mm，l5=5mm3.3.4機(jī)身聯(lián)軸器選型此前對(duì)機(jī)身電機(jī)和減速器進(jìn)行了計(jì)算選型，也對(duì)機(jī)身軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，接下來需要根據(jù)電機(jī)軸徑對(duì)機(jī)身使用的聯(lián)軸器進(jìn)行選型。由3.2.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果知，機(jī)身軸在受力中受到的最大的扭矩為258.289N·m，電機(jī)軸的軸徑d電機(jī)=14mm，大臂軸與聯(lián)軸器相連端的軸徑d機(jī)身軸=25mm，查閱機(jī)械選型手冊(cè)，選取LYCA梅花聯(lián)軸器作為大臂的聯(lián)軸器，型號(hào)為L(zhǎng)YCA-80114，孔徑d1=14mm,d3.4本章小結(jié)本章對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括機(jī)械臂各臂的電機(jī)和減速器的選型，和機(jī)械臂各臂所用軸的設(shè)計(jì)計(jì)算。電機(jī)和減速器選型的主要方法是根據(jù)機(jī)械臂各臂的重量和長(zhǎng)度，再通過這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，算出所需電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，然后再查閱機(jī)械選型手冊(cè)選出符合要求的電機(jī)和減速器。軸的設(shè)計(jì)計(jì)算主要根據(jù)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)得知軸在受力過程中受到的最大扭矩，并選用軸的材料得出所用材料的最大許用切應(yīng)力，最后計(jì)算得出哥軸的最小直徑，再對(duì)各軸的其他尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。至此，機(jī)械臂的設(shè)計(jì)計(jì)算部分基本完成。

4校核上一章對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得出了機(jī)械臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。本章主要對(duì)第三章設(shè)計(jì)計(jì)算得出的軸進(jìn)行剛度校核，確保各臂所用的軸具有足夠的剛度，能夠滿足使用要求。還要對(duì)機(jī)械臂應(yīng)力較為集中的部分：大臂、小臂、機(jī)身進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的機(jī)械臂在外部載荷下各部位受到的應(yīng)力以及它們的節(jié)點(diǎn)位移在允許的范圍內(nèi)。4.1軸的剛度校核軸的剛度校核應(yīng)該針對(duì)各軸的最小截面進(jìn)行分析，計(jì)算得出各軸的抗彎截面系數(shù)和最大許用應(yīng)力，再根據(jù)第3章對(duì)軸的設(shè)計(jì)中所選用的材料，確保軸的最大許用應(yīng)力在材料的彎曲強(qiáng)度極限內(nèi)，軸的剛度才能夠滿足要求。4.1.1小臂軸Ⅰ的剛度校核最大彎矩：M對(duì)小臂軸Ⅰ中的最小截面進(jìn)行分析，小臂軸Ⅰ最小截面的抗彎截面系數(shù)： W=πd3321?α==11192.5781×1小臂軸Ⅰ最大許用應(yīng)力： δmax=MmaxW=45號(hào)鋼的彎曲強(qiáng)度極限為故小臂軸Ⅰ的剛度滿足要求。4.1.2小臂軸Ⅱ的剛度校核最大彎矩：M對(duì)小臂軸Ⅱ中的最小截面進(jìn)行分析，小臂軸Ⅱ最小截面的抗彎截面系數(shù)： W=πd3321?α==14372.092×1小臂軸Ⅱ最大許用應(yīng)力： δmax=MmaxW=45號(hào)鋼的彎曲強(qiáng)度極限為故小臂軸Ⅱ的剛度滿足要求。4.1.3大臂軸的剛度校核最大彎矩：M對(duì)大臂軸中的最小截面進(jìn)行分析，大臂軸最小截面的抗彎截面系數(shù)： W=πd3321?α==14372.092×1大臂軸最大許用應(yīng)力： δmax=MmaxW=45號(hào)鋼的彎曲強(qiáng)度極限為故大臂軸的剛度滿足要求。4.1.4機(jī)身軸的剛度校核最大彎矩：M對(duì)機(jī)身軸中的最小截面進(jìn)行分析，機(jī)身軸最小截面的抗彎截面系數(shù)： W=πd3321?α==14372.092×1機(jī)身軸最大許用應(yīng)力： δmax=MmaxW=45號(hào)鋼的彎曲強(qiáng)度極限為故機(jī)身軸的剛度滿足要求。經(jīng)計(jì)算校核可知本課題機(jī)械臂各軸剛度均滿足要求，至此，對(duì)機(jī)械臂各軸的剛度校核基本完成，下一步開始進(jìn)行機(jī)械臂的有限元分析。4.2有限元分析此前對(duì)機(jī)械臂已經(jīng)完成了基本的設(shè)計(jì)，本章的主要內(nèi)容是對(duì)機(jī)械臂應(yīng)力較為集中的部分：大臂、小臂、機(jī)身進(jìn)行有限元分析。有限元分析的目的是完整獲取機(jī)械臂各部分在復(fù)雜外力下內(nèi)部準(zhǔn)確的力學(xué)信息，針對(duì)本課題的需求，需求出的力學(xué)信息有以下兩類：機(jī)械臂因受外部載荷而在任意位置上所引起的移動(dòng)（稱為位移）機(jī)械臂因受外部載荷而在任意位置上所引起的受力狀態(tài)（稱為應(yīng)力）明確了有限元分析的目的以及所需獲取的力學(xué)信息后，開始進(jìn)行有限元分析。4.2.1小臂的有限元分析首先建一個(gè)機(jī)械臂小臂的模型，如圖4.1所示：圖4.1機(jī)械臂小臂模型圖然后在SOLIDWORKS插件中找到SOLIDWORKSSimulation并進(jìn)入，點(diǎn)擊新算例并對(duì)有限元分析前的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括材料、約束、外部載荷。本課題中對(duì)機(jī)械臂小臂選用的材料是鋁合金，鋁合金的主要優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度好、耐蝕性能好、加工性能好。根據(jù)機(jī)械臂實(shí)際工作情況進(jìn)行分析，可知機(jī)械臂小臂在與地面水平時(shí)受到的應(yīng)力最大，因此以小臂此狀態(tài)進(jìn)行應(yīng)力分析。對(duì)小臂設(shè)置約束和外部載荷，如圖4.2所示：圖4.2機(jī)械臂小臂設(shè)置約束和外部載荷圖接下來對(duì)機(jī)械臂小臂生成網(wǎng)格，如圖4.3所示：圖4.3機(jī)械臂小臂網(wǎng)格圖全部設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊運(yùn)行應(yīng)力分析，系統(tǒng)通過設(shè)置的參數(shù)分析得出應(yīng)力分析結(jié)果，機(jī)械臂小臂的應(yīng)力圖如圖4.4所示：圖4.4機(jī)械臂小臂應(yīng)力圖由應(yīng)力圖可知，機(jī)械臂小臂各部位受到的最大應(yīng)力為7.17×106N/m2在鋁合金承載范圍2.757×107N/m2以內(nèi)，符合實(shí)際使用要求。系統(tǒng)通過設(shè)置的參數(shù)分析得出機(jī)械臂小臂的節(jié)點(diǎn)位移圖如圖4.5所示：圖4.5機(jī)械臂小臂的節(jié)點(diǎn)位移圖由節(jié)點(diǎn)位移圖可知，機(jī)械臂小臂在外部載荷下各節(jié)點(diǎn)的最大位移為0.064mm，因此機(jī)械臂小臂末端朝重力方向偏差為0.064mm，在可允許范圍內(nèi)。經(jīng)過對(duì)機(jī)械臂小臂的有限元分析，可知機(jī)械臂小臂符合設(shè)計(jì)要求，可以正常工作。4.2.2大臂的有限元分析首先建一個(gè)機(jī)械臂大臂的模型，如圖4.6所示：圖4.6機(jī)械臂大臂模型本課題中對(duì)機(jī)械臂大臂選用的材料是鋁合金，根據(jù)機(jī)械臂實(shí)際工作情況進(jìn)行分析，可知機(jī)械臂大臂在與地面水平時(shí)受到的應(yīng)力最大，因此以大臂此狀態(tài)進(jìn)行應(yīng)力分析。對(duì)大臂設(shè)置約束和外部載荷，如圖4.7所示：圖4.7機(jī)械臂大臂設(shè)置約束和外部載荷圖接下來對(duì)機(jī)械臂大臂生成網(wǎng)格，如圖4.8所示：圖4.8機(jī)械臂大臂網(wǎng)格圖全部設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊運(yùn)行應(yīng)力分析，系統(tǒng)通過設(shè)置的參數(shù)分析得出應(yīng)力分析結(jié)果，機(jī)械臂大臂的應(yīng)力圖如圖4.9所示：圖4.9機(jī)械臂大臂應(yīng)力圖由應(yīng)力圖可知，機(jī)械臂大臂各部位受到的最大應(yīng)力為4.4352×106N/m2，應(yīng)力在鋁合金承載范圍2.757×107N/m2以內(nèi)，符合實(shí)際使用要求。系統(tǒng)通過設(shè)置的參數(shù)分析得出機(jī)械臂大臂的節(jié)點(diǎn)位移圖如圖4.10所示：圖4.10機(jī)械臂大臂的節(jié)點(diǎn)位移圖由節(jié)點(diǎn)位移圖可知，機(jī)械臂大臂在外部載荷下各節(jié)點(diǎn)的最大位移為0.079mm，在可允許范圍內(nèi)。經(jīng)過對(duì)機(jī)械臂大臂的有限元分析，可知機(jī)械臂大臂符合設(shè)計(jì)要求，可以正常工作。4.2.3機(jī)身的有限元分析首先建一個(gè)機(jī)械臂機(jī)身的模型，如圖4.11所示：圖4.11機(jī)械臂機(jī)身模型本課題中對(duì)機(jī)械臂機(jī)身選用的材料是鋁合金，根據(jù)機(jī)械臂實(shí)際工作情況進(jìn)行分析，可知機(jī)械臂機(jī)身固定在地面上，主要承載機(jī)械臂臂部所有重量，因此以機(jī)身此狀態(tài)進(jìn)行應(yīng)力分析。對(duì)機(jī)身設(shè)置約束和外部載荷，如圖4.12所示：圖4.12機(jī)械臂機(jī)身設(shè)置約束和外部載荷圖接下來對(duì)機(jī)械臂機(jī)身生成網(wǎng)格，如圖4.13所示：圖4.13機(jī)械臂機(jī)身網(wǎng)格圖全部設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊運(yùn)行應(yīng)力分析，系統(tǒng)通過設(shè)置的參數(shù)分析得出應(yīng)力分析結(jié)果，機(jī)械臂機(jī)身的應(yīng)力圖如圖4.14所示：圖4.14機(jī)械臂機(jī)身應(yīng)力圖由應(yīng)力圖可知，機(jī)械臂機(jī)身各部位受到的最大應(yīng)力為1.032×105N/m2，應(yīng)力在鋁合金承載范圍2.757×107N/m2以內(nèi)，符合實(shí)際使用要求。系統(tǒng)通過設(shè)置的參數(shù)分析得出機(jī)械臂大臂的節(jié)點(diǎn)位移圖如圖4.15所示：圖4.15機(jī)械臂機(jī)身的節(jié)點(diǎn)位移圖由節(jié)點(diǎn)位移圖可知，機(jī)械臂機(jī)身在外部載荷下各節(jié)點(diǎn)的最大位移為0.071mm，在可允許范圍內(nèi)。經(jīng)過對(duì)機(jī)械臂機(jī)身的有限元分析，可知機(jī)械臂機(jī)身符合設(shè)計(jì)要求，可以正常工作。4.3本章小結(jié)本章對(duì)機(jī)械臂的三個(gè)重要部分：小臂、大臂、機(jī)身進(jìn)行了模型的建立，根據(jù)第3章設(shè)計(jì)計(jì)算出的數(shù)據(jù)，對(duì)他們各自進(jìn)行了有限元分析，通過的到的結(jié)果，即力學(xué)信息可知機(jī)械臂各個(gè)部分符合設(shè)計(jì)要求，可以正常工作。至此，機(jī)械臂的有限元分析完成，可以進(jìn)入3D建模和二維圖紙的繪制環(huán)節(jié)。

5總結(jié)與展望5.1總結(jié)本課題的題目是電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我首先查閱了電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂的相關(guān)資料，有了一個(gè)的初步認(rèn)識(shí)，得知了目前自動(dòng)充電機(jī)械臂國(guó)內(nèi)外的發(fā)展及現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)。在初步了解了之后，開始進(jìn)行本課題的研究，第一步是確定結(jié)構(gòu)方案和傳動(dòng)方案，在這個(gè)過程中，又逐步加深了對(duì)電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。在對(duì)幾種方案進(jìn)行分析對(duì)比后，選出最優(yōu)方案，就可以進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)工作。對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括尺寸、電機(jī)和減速器的選型、軸的計(jì)算和校核。在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算后，則需要對(duì)機(jī)械臂關(guān)鍵部位進(jìn)行有限元分析，使用Solidworks2016建立關(guān)鍵部位模型，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，即可得出應(yīng)力圖和節(jié)點(diǎn)位移圖。有限元分析的目的是確保機(jī)械臂的強(qiáng)度符合使用需求，各個(gè)部位在外部載荷的作用下能夠在所選材料的承載范圍內(nèi)，能夠投入現(xiàn)實(shí)使用。最后使用Solidworks2016對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行3D建模，在完成零件的建模之后就可以開始裝配了。裝配的順序按機(jī)械臂安裝的實(shí)際順序，首先從機(jī)身開始，接下來把大臂、小臂、末端充電頭加入此基礎(chǔ)上，最終完成了機(jī)械臂裝配，再使用AutoCAD2016繪制機(jī)械臂的二維圖。至此，電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本完成。本課題的目的在于綜合整個(gè)大學(xué)時(shí)期所學(xué)的知識(shí)，設(shè)計(jì)出一款結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂，設(shè)計(jì)的思路相對(duì)來說還是比較清晰的。在設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)的過程中，我也有了自己的一些新的認(rèn)識(shí)，比如在方案設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要對(duì)比好各種方案的優(yōu)劣，確定了最優(yōu)方案后再開始后續(xù)的設(shè)計(jì)，這樣能夠少走彎路、提高效率。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)了自己分析問題和解決問題的能力仍需加強(qiáng)，以前學(xué)過的知識(shí)和技能也因?yàn)樘脹]實(shí)踐而生疏，需要重新花時(shí)間去重新認(rèn)識(shí)。這讓我明白學(xué)過的東西需要時(shí)不時(shí)鞏固，進(jìn)行拓寬和深化，才能真正的掌握并運(yùn)用知識(shí)。我還明白了要培養(yǎng)正確使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械手冊(cè)、選型手冊(cè)等工具書的能力，將書本和自己掌握的知識(shí)結(jié)合在一起，才能最大限度地發(fā)揮出來，得到實(shí)踐。本次關(guān)于電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓我十分深刻地體會(huì)到一名設(shè)計(jì)人員在參與到項(xiàng)目設(shè)計(jì)當(dāng)中艱難，但又飽含樂趣和成就感的心路歷程。5.2展望本次課題完成了電動(dòng)汽車自動(dòng)充電機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與計(jì)算、3D建模以及繪制二維圖。在設(shè)計(jì)的過程中，將機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)按理論可行性設(shè)計(jì)了出來，但在整體研究和學(xué)習(xí)的過程中還存在著些許不足，可做出進(jìn)一步的完善和改進(jìn)：1、對(duì)充電結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)施可以考慮進(jìn)一步配套設(shè)計(jì)，例如限定停車區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)置光電或物理限位設(shè)施，這樣可以保證電動(dòng)汽車可以完美停放在機(jī)械臂工作區(qū)域內(nèi)，保證充電工作的正常進(jìn)行。2、在