某足式移動機器人的重要機構(gòu)部件的參數(shù)計算與校核計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u29284某足式移動機器人的重要機構(gòu)部件的參數(shù)計算與校核計算案例 1143001.1電機的計算與型號選取 1197591.2直齒圓錐齒輪傳動設(shè)計與強度校核 4314761.3轉(zhuǎn)彎機構(gòu)傳動軸的強度校核計算 829681.3.1電機輸出端轉(zhuǎn)軸的強度校核 887701.3.2傳動軸的強度校核計算 123021.4軸承的壽命校核計算 15178211.1.1電機輸出端轉(zhuǎn)軸軸承的壽命校核計算 15140581.1.2轉(zhuǎn)彎機構(gòu)傳動軸軸承的壽命校核計算 15165561.5轉(zhuǎn)彎機構(gòu)錐齒輪軸平鍵的校核計算 16322831.6轉(zhuǎn)彎機構(gòu)與腿部機體連接螺栓的校核計算 161.1電機的計算與型號選取1.移動機構(gòu)的電機選擇步行機器人在高速行走過程中需要將自己的大腿和小腳全部舉起,所以我們僅僅只用一個方法來計算自己的腿抬高時所需要的力矩。初步結(jié)果預(yù)測四足雙人步行運動機器人的整個過程總體運動質(zhì)量為80kg。在該新型步行驅(qū)動機構(gòu)的總體設(shè)計中只不過需要一臺驅(qū)動電機將其底部帶動的步行曲柄抬起進行運動作整周的定向運動受重即時就可以輕松地直接實現(xiàn)一個步行機器人的定向行走,大體意義上來說在估算一個步行需要電機抬起的部分及其質(zhì)量大約為20kg,所以此步行部分的運動受重能力圖及其結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖圖表4-1所示。1-編碼器2-移動機構(gòu)電機3-減速器4-電機座5-聯(lián)軸器6-機體圖4-1行走機構(gòu)的受力分析圖所以電機能帶動曲柄轉(zhuǎn)動的最小力矩為：（4-1）式（4-1）中，——行走機構(gòu)的電機需要輸出的轉(zhuǎn)矩；——行走機構(gòu)所需要的力矩；——行走機構(gòu)的估算質(zhì)量；——移動機構(gòu)的質(zhì)心與輸出軸估算的距離；其中，估算為20kg，估算為150mm，故通過式（4-1）計算得到==300000機器人行走運動要保持平穩(wěn)，選定減速器級數(shù)：3級，減速比：111.00，電機的輸出額定轉(zhuǎn)矩為：將型號為BCL-48.68.48.45.B.C.01的電機作為直流空心杯伺服電機。這類電機的基本參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速是3250rpm，額定轉(zhuǎn)矩是3000，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩可達9930，電機重量為420g，最大輸出功率為114W。選取的數(shù)字編碼轉(zhuǎn)換器重量類型一般為MME30-04-1024-B,重量最大可以做到達4g,輸出相分別指的是輸入abz和輸出abz兩個不同波形,輸出的兩個波形方向是正確的方向。2.轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的電機選擇根據(jù)機器人的基本結(jié)構(gòu)和實際使用上的特點,設(shè)定了一個機器人可以通過將一個機械人的腿高度向上抬起后由一個轉(zhuǎn)彎時的電機開始運行轉(zhuǎn)動來快速完成其中的轉(zhuǎn)彎,初步研究確認了一個電機轉(zhuǎn)彎時所用的需要進行克服的勞動力和電機重量應(yīng)該相等,則轉(zhuǎn)彎時電機的動力類型應(yīng)該可以和步行機構(gòu)時一個轉(zhuǎn)彎時的電機需要使用的動力類型相同。如圖4-2所示為我們所要展現(xiàn)的就是整個轉(zhuǎn)彎段中心位置的整體受力條件分析設(shè)計效果圖。 1-齒輪軸2-聯(lián)軸器3-減速器4-電機座5-電機6-編碼器圖4-2轉(zhuǎn)彎機構(gòu)受力圖根據(jù)式4-1算出所需力矩。其中估算為20kg，為100mm。==200000為了使移動機器人運動更加平穩(wěn)，所以選取減速器的級數(shù)為3級，減速比為76.00，計算得出電機輸出的額定轉(zhuǎn)矩為：從直流伺服空心杯上的伺服驅(qū)動電機類型選擇參數(shù)列表中所可以篩選得的直流伺服驅(qū)動電機各種類型參數(shù)分別為BCL-48.68.48.45.B.C.01。該系列驅(qū)動式發(fā)電機基本的負載性能參數(shù)主要為:額定中高轉(zhuǎn)速負載是3250rpm,額定轉(zhuǎn)矩負載系數(shù)是3000,堵定旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩負載系數(shù)是9930,重量負載系數(shù)是420g,最大功率輸出量和功率重量系數(shù)是114w。根據(jù)需要選定的伺服電機驅(qū)動類型，也可以直接選取一臺直流高壓空心杯式驅(qū)動伺服電機減速器的電機類型設(shè)定為apg36，選定該伺服減速器的反向傳動比為76.00。選取的數(shù)字編碼轉(zhuǎn)換器重量類型一般為MME30-04-1024-B,重量高度最大可以做到達4g，輸出相分別指的是輸入abz和輸出abz兩個不同波形,輸出的兩個波形方向是正確的方向。1.2直齒圓錐齒輪傳動設(shè)計與強度校核一般都是使用圓錐形的齒輪去傳遞兩個相交軸之間的驅(qū)動力，這種齒輪傳動模式可以有效控制大小。在四個轉(zhuǎn)彎機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，四個旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，均采用相同的垂直齒和圓錐形傳動齒輪組成，這樣可以有效減小橫向的尺寸。我們在進行設(shè)計時需要考慮齒根和軸承的各種類型接觸疲勞強度,在校正考核時只需要使用齒根彎曲疲勞強度的公式。1.確定齒輪材料和熱處理方式，精度等級要求及齒數(shù)小齒輪材料40Cr硬度：241~246HBS。大齒輪材料是ZG35CrMo，調(diào)質(zhì)處理后硬度：90~240HBS。齒輪精度等級：7級。取2.根據(jù)齒面接觸強度設(shè)計(4-2)式中：齒寬系數(shù)，，??；節(jié)點系數(shù)，標準的錐齒輪傳動一般選取;彈性系數(shù)；許用接觸應(yīng)力；確定各個參數(shù)值初選載荷系數(shù)；查閱設(shè)計手冊取彈性系數(shù);查取設(shè)計手冊確定接觸疲勞強度極限：；根據(jù)已知條件計算小齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；根據(jù)已知條件計算得出大齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；查手冊確定相關(guān)的接觸疲勞壽命系數(shù);查手冊得安全系數(shù)，從而計算出許用接觸應(yīng)力確定傳動尺寸首先需要對小齒輪分度圓直徑進行初步的估算：由已知條件計算圓周速度；在齒輪分度圓直徑的估算式中的動載荷系數(shù)，確定使用系數(shù)；先假設(shè),查設(shè)計手冊得到齒間載荷分配系數(shù)；選取齒向載荷分布系數(shù)；故載荷系數(shù)；按照K值對修正確定模數(shù)，選??；以上，我們得到了齒輪的相關(guān)設(shè)計尺寸大數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表4-1，詳細列出了轉(zhuǎn)向機構(gòu)錐齒輪的幾何參數(shù)。表4-1轉(zhuǎn)向機構(gòu)錐齒輪的幾何參數(shù)名稱代號高速端圓錐齒輪低速端圓錐齒輪模數(shù)壓力角齒數(shù)分度圓直徑錐距齒寬錐角齒寬中點的分度圓直徑當量模數(shù)齒頂高齒根高全齒高齒頂圓直徑齒根圓直徑傳動比3.校核齒根彎曲疲勞強度(4-3)確定各個參數(shù)其中周向力根據(jù)設(shè)計手冊確定齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)為確定彎曲疲勞壽命系數(shù)確定彎曲疲勞極限取，許用彎曲應(yīng)力為因為，所以彎曲疲勞強度足夠。驗算齒根彎曲疲勞強度因為，所以彎曲疲勞強度足夠。驗算轉(zhuǎn)速所以該設(shè)計的齒輪合理。1.齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計圓錐齒輪的齒數(shù)、齒寬、模數(shù)、分度圓直徑等重要的尺寸由齒輪的傳動幾何尺寸和強度校核的計算確定，其他結(jié)構(gòu)尺寸例如輪緣和輪轂的結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)形式則需要根據(jù)經(jīng)驗公式進行設(shè)計計算[27]。1.3轉(zhuǎn)彎機構(gòu)傳動軸的強度校核計算1.3.1電機輸出端轉(zhuǎn)軸的強度校核本設(shè)計選用為40Cr調(diào)制處理的小齒輪軸，。圖4-3小錐齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖圖4-4小齒輪軸受力圖1.計算齒輪受力小齒輪的中間齒寬處直徑(4-4)齒輪受力分析：轉(zhuǎn)矩圓周力徑向力軸向力2.計算軸的支撐反力由力矩平衡方程得出水平面支撐反力為得：由力矩平衡方得出垂直面支撐反力為得：圖4-5所示的是垂直面受力圖；圖4-6所示的是水平面受力圖。圖4-5垂直面受力圖圖4-6水平面受力圖3.畫軸彎矩圖圖4-7、4-8、4-9所展示的分別是垂直面的彎矩圖、水平面的彎矩圖、合成的彎矩圖；圖4-7垂直面彎矩圖圖4-8水平面彎矩圖圖4-9合成彎矩圖1.畫軸的扭矩圖圖4-10扭矩圖許用應(yīng)力許用應(yīng)力值采用插值法計算，取。折合系數(shù)為5.在齒輪齒寬中間截面處的當量彎矩為在中間軸承支撐處6.校核軸徑小齒輪齒根圓直徑軸徑：(4-5)因為設(shè)計的小齒輪軸的最小軸徑為,所以符合設(shè)計要求。7.判斷危險截面該齒輪軸就符合設(shè)計要求。對稱循環(huán)疲勞極限：由于軸選用的是40Cr調(diào)質(zhì)處理的材料，其抗拉強度為，屈服點為。則疲勞極限為：脈動循環(huán)疲勞極限：等效系數(shù)：8.截面上的應(yīng)力計算彎矩彎曲應(yīng)力幅彎曲平均應(yīng)力扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力根據(jù)受力分析可知扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅等于平均切應(yīng)力幅，即9.應(yīng)力集中系數(shù)有效應(yīng)力集中系數(shù)10.安全系數(shù)彎曲安全系數(shù)扭轉(zhuǎn)安全系數(shù)復(fù)合安全系數(shù)由以上計算結(jié)果可以看出截面A處足夠安全，所以該齒輪軸符合設(shè)計要求。1.3.2傳動軸的強度校核計算齒輪軸選用為ZG35CrMo調(diào)制處理的材料，。圖4-11大齒輪軸結(jié)構(gòu)圖圖4-12大齒輪軸具體受力圖1.計算齒輪受力大齒輪中間齒寬處直徑(4-6)齒輪受力：轉(zhuǎn)矩；圓周力徑向力；軸向力2.計算支撐反力由力矩平衡計算水平面反力和垂直面反力分別為：解得：解得：圖4-13顯示的是垂直面得受力圖；圖4-14顯示的是水平面得受力圖。圖4-13垂直面受力圖圖4-14水平面受力圖3.畫軸彎矩圖圖4-15垂直面的彎矩圖圖4-16水平面的彎矩圖圖4-17合成的彎矩圖圖4-15、4-16、4-17分別展示的是垂直面的彎矩圖、水平面的彎矩圖、合成的彎矩圖。1.畫軸扭矩圖圖4-18扭矩圖許用應(yīng)力用插值法計算許用應(yīng)力，取。折合系數(shù)為5.當量彎矩在齒輪齒寬中間截面處為圖4-19當量彎矩圖6.校核軸徑大齒輪齒根圓直徑軸徑：(4-7)本設(shè)計中齒輪軸軸徑最小尺寸為,所以符合要求。1.4軸承的壽命校核計算1.1.1電機輸出端轉(zhuǎn)軸軸承的壽命校核計算軸承主要承受徑向載荷的作用，即。按最不利考慮，則有徑向力：軸的轉(zhuǎn)速為，且是間斷工作。所選軸承為6005型[28]。根據(jù)手冊查的基本額定載荷為。計算當量動載荷(4-8)計算壽命：因有輕微的沖擊，選取載荷系數(shù)為。查手冊有，則(4-9)由機器為間斷工作可知它的預(yù)期壽命為，所以軸承符合要求。1.1.2轉(zhuǎn)彎機構(gòu)傳動軸軸承的壽命校核計算傳動軸兩端均使用地深溝球軸承，該軸承主要承受徑向載荷的作用，所以。按最不利考慮，則有：1.徑向載荷的計算A處：B處：軸承型號：A處軸承為6008型，；B處軸承為61807型，。2.計算軸承壽命由，得出，，將、分別帶入公式（4-10），（4-10）查手冊有，代入公式（4-10）得：查表得到機器間斷使用時的預(yù)期壽命為，所以軸承符合要求。1.5轉(zhuǎn)彎機構(gòu)錐齒輪軸平鍵的校核計算齒輪軸端的直徑為，長度為。查機械設(shè)計手冊選用尺寸的鋼制普通平鍵，相應(yīng)的許用應(yīng)力為。根據(jù)公式進行強度校核計算，其中。，經(jīng)檢驗，符合使用要求。1.6轉(zhuǎn)彎機構(gòu)與腿部機體連接螺栓的校核計算1.螺栓所受力大小的確定對于整個機器人的來看，轉(zhuǎn)彎以及移動機械結(jié)構(gòu)的連接點受力比較地大，需要對此處螺栓進行強度檢核。如圖4-20所示的是螺栓的受力地分析圖。傳動軸在傳遞轉(zhuǎn)矩時的力矩為，可以求得：1-腿部機架2-法蘭盤