采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)中機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例綜述

目錄

采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)中機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例綜述............................................1

1.1小臂的設(shè)計(jì)及計(jì)算..............................................................1

1.1.1設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題.........................................................1

1.1.2小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)...........................................................2

I.i.3電機(jī)及減速器選型.........................................................3

1.1.4軸的設(shè)計(jì).................................................................4

1.1.5軸承的選擇...............................................................5

所以..............................................................................5

1.2大臂的設(shè)計(jì)及計(jì)算..............................................................6

1.2.1結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)...............................................................6

1.2.2電機(jī)選型.................................................................7

1.2.3大臂減速器參數(shù)的計(jì)算....................................................8

1.2.4軸的設(shè)計(jì)計(jì)算............................................................9

1.2.5軸承的選擇..............................................................10

下軸承受徑向和軸向載荷...........................................................10

1.3本章小結(jié)......................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。

L1小臂的設(shè)計(jì)及計(jì)算

1.1.1設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題

（1）機(jī)械臂承擔(dān)著末端執(zhí)行器及抓取對(duì)象的重量，因此，應(yīng)具有?定的剛

度，滿足末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)。

（2）機(jī)械臂盡量不產(chǎn)生或產(chǎn)生較小的偏重力矩。

（3）為了使機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持平穩(wěn)，機(jī)械臂的質(zhì)量要輕，減小機(jī)械

臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的慣性力。

（4）機(jī)械臂應(yīng)具有良好的導(dǎo)向性。

1.1.2小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

臍橙采摘機(jī)器人機(jī)械臂的小臂部分是連接機(jī)城手與機(jī)械手手腕部分的部件,

臍橙采摘機(jī)器人小臂的長(zhǎng)度決定了機(jī)械手在水平方向上的工作范圍。具體設(shè)計(jì)如

圖4.1所示。

圖錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。.1小臂的設(shè)計(jì)

如圖4.1所示是小臂的模型，它是通過(guò)小臂后面的電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)

小臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的，如圖4.2所示通過(guò)兩個(gè)電機(jī)和兩個(gè)不同的齒輪相互作用，使得

和齒輪相連接的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，不同的齒輪大小有不同的速度，通過(guò)使用不同的電機(jī)使

得速度能夠有變化，這個(gè)對(duì)于在生產(chǎn)中，需要根據(jù)不同的速度來(lái)適應(yīng)生產(chǎn)，有非

常大的意義，為了能觀察清楚這個(gè)齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)我們可以通過(guò)圖4.3所示。相

同的電機(jī)通過(guò)不同的齒輪進(jìn)行嚙合。

1

圖錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。.2電機(jī)和齒輪的分布

圖錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。.3齒輪嚙合

把小臂的截面設(shè)計(jì)成工字鋼形式，這樣抗彎系數(shù)大，使截面面積小，從而減

輕小臂重量，使其經(jīng)濟(jì)、輕巧。

選45號(hào)鋼。理論重11.261kg/m,叫=9.72cm3,>4=100mm,d=4.5mm,小臂長(zhǎng)為

600mmo

校核：G小臂=mg=11.261x0.6x10=73.19(N),取75N

其受力如下圖:

jTi命臂

圖4.4小臂受力分析圖

F=75+5=80(N)

L

M=FixL+G小臂x-=5x0.64-75x0.3=25.5N.m)

乙

M25.5…

5=一=9.72(10-2尸=2.62MPa-㈤=100MPa

按《材料力學(xué)》公式：

T=2

hb

其中h為小臂的高度，b為小臂的腰寬，Q為所受的力。所以

Q80「?

T=合=………S33x0.17MPa<T=60MPa

hb100x10-3x4.5x10

所以選45鋼合適，小臂設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

1.1.3電機(jī)及減速器選型

初步擬定采摘的果實(shí)重量為1kg,臍橙采摘機(jī)構(gòu)中的木端執(zhí)行器和旋轉(zhuǎn)法蘭

組件的整體重量為4kgo進(jìn)而我們能夠根據(jù)扭矩與功率的計(jì)算公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算,

計(jì)算步驟如下所示：

P>T，n

9550k叩

擬采用諧波減速器，其減速比初定為K=100,電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為n=100

小臂的最大轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

TW9550k?〃

并將P=0.4KW代入上述公式進(jìn)行計(jì)算：

TW9550*0.95/1000=1ON/m

若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)

的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為lON.m,取安全系數(shù)為2,則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)

矩為：

Toi=2T=2xl5=20/V.m

選擇諧波減速器：

⑴型號(hào)：XB3-50-I00

額定輸出轉(zhuǎn)矩：20N.m

減速比：il=100

設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為：

7。皿=器=焉=0-222吊山

選擇BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

型號(hào)：55BF003

靜轉(zhuǎn)矩:0.686N.m

步距角：1.5。

1.1.4軸的設(shè)計(jì)

大軸的直徑取20nlm,材料為45號(hào)鋼。

受力如下圖：

-1

圖4.5軸受力分析圖

驗(yàn)算:

25.5

=255(N)

10x10-2

F_255

T=0.81MPa<[T]=60MPa

Jir2—3.14x(10xIO-3)2

小臂設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

1.1.5軸承的選擇

因?yàn)樯陷S承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用圓錐滾子粕承,

按《機(jī)械零件手冊(cè)》表9-6—1(GB297-84)選7304E,d=20mm,c=31.5kNc0=

V72kN,e=0.3

軸承的校核：

因?yàn)榇颂庉S承做低速的擺動(dòng)，所以其失效形式是，接觸應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)生永久

性的過(guò)大的凹坑(即材料發(fā)生了不允許的永久變形)，按軸承靜載能力選擇1勺公

式為：

>S0P0(4.2)

其中尸0為當(dāng)量靜載荷，So為軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。

按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3-8作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸承,沖擊及不均勻載荷,S°=1—1.5此處取

SQ=1.5.

上軸承受純徑向載荷

P。=Fi=255(N)(4.3)

所以

S0P0=255x1.5=382.5(N)<Co=17.2(KN)

因此軸承合適.

下軸承受徑向和軸向載荷

PQ=X0R+Y0A(4.4)

式中：R為徑向載荷；

A為軸向載荷；

X,Y分別為徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)，其值按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13

—5查取

因?yàn)锳/R=180/g625=。/87<c=0.3

帶入數(shù)據(jù)得:

Xo=1Yo=0Po=X0R4-Y()A=R=255N

S0P0=255x1.5=382.5(N)<Co=17.2(KN)

因此軸承滿足設(shè)計(jì)要求，小軸承受力很小，所以不用校核。

L2大臂的設(shè)計(jì)及計(jì)算

1.2.1結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

操縱器大臂與肩體之間的身體的腰部和臂的杠桿臂而動(dòng)作的基礎(chǔ).上假定的

運(yùn)動(dòng)可以傳遞關(guān)于肩部過(guò)渡中間臂相連。機(jī)械臂肩關(guān)節(jié)之間的連接臂和吊桿操縱

臂如圖4.4所示。

圖錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。.4機(jī)械臂大臂結(jié)構(gòu)示意圖

把大臂的截面設(shè)計(jì)成上圖形式，這樣抗彎系數(shù)大，使截面面積小，從而減輕

大臂重量，使其經(jīng)濟(jì)、輕巧。

3

選45鋼。理論重16.890kg/m,Wy=16.1cm,□=140mm,d=5.5mni,大臂長(zhǎng)為

700mmo

校核：G大臂=mg=16.890x0.7x10=126.675(N)

因此取大臂重量為140N。

其受力如圖4.7所示：

LiL2

iFiiG

圖4.7受力分析圖

F=75+5+140=220IN)

M=Fox(Li4-L2)+G小臂x(冷4-L2)+G大腎x冷

\0.7,

=5x(0.6-0.7)+75x+0.7)+140X—=130.5(N.m)

M130.5

3=—―-=---8--.-1--M-P-a---<[8]=lOOMPa

Wy16.1(10-2)3

按公式(4.1)

其中h為大臂的高度，b為大臂的腰寬，Q為所受的力。

220

所以i=3?0.29MPa<[T]=60MPa

nb140x10-3x5.5x10-3

所以選45鋼合適，大臂的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2.2電機(jī)選型

設(shè)小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的重量：

Mz=2Kg,M3=4Kg

/2=時(shí)2乙4+用3乙5

=2x0.0972+4x0.1942

=0.16kg.m2

大臂速度為10r/min,則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下：

T=JxO)

式中：

T：旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩N/m

J：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kg/m2

co：角加速度rad/s

使機(jī)械手大臂從外)=。到%=60。/$所需的時(shí)間為：At=0.1s則：

T1=J1x^)1=J1x=1.46x皆=7.64/V.m

若考慮繞機(jī)械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)

的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為lON.m,取安全系數(shù)為2,則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)

矩為：

T01=2T=2x10=20N/m

選擇諧波減速器：

⑴型號(hào)：XB3-56120(XB3型扁平式諧波減速器)

額定輸出轉(zhuǎn)矩：20N/m

減速比：i=12()

設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：乙=90%，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為：

選擇BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

型號(hào)：55BF003

靜轉(zhuǎn)矩：0.686N.m

步距角：1.5°

1.2.3大臂減速器參數(shù)的計(jì)算

剛輪、柔輪均為鍛鋼，小齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))，硬度為250HBS

剛輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))，硬度為220HBS。

1.齒數(shù)的確定

柔輪齒數(shù)：Zr=uxi=2x100=200

剛輪齒數(shù)：Zg=u+Zr=2+200=202

已知模數(shù)：m=0.5,則

柔輪分度圓直徑：

dr=mZr=0.5x200=100mm

鋼輪分度圓直徑：

dg=mZg=0.5x202=101mm

柔輪齒圈處的厚度：

Zr42004

61=(75+/4)drx10=(75+/4)x100x10=1.25mm

重載時(shí)，為了增大柔輪的剛性，允許將31計(jì)算值增加20%,即

61=1.25x1.20=1.5mm

柔輪筒體壁厚:

6=0.73=0.7x1.5=1.05mm

為了提高柔輪的剛度，取6=1.2mm

輪為寬度：

B=0.15dr=0.15x100=57nm

輪轂凸緣長(zhǎng)度：

C=(0.2?0.3)B=(0.2-0.3)x15=3~4.57.取C=4mm

柔輪筒體長(zhǎng)度：

L=(0.8?1.2)d「=(0.8?1.2)x100=80?120mm,取L=100mm

輪齒過(guò)渡圓角半徑：

r?m=0.5mm

為了減少應(yīng)力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，?。?/p>

r=3mm

1.2.4軸的設(shè)計(jì)計(jì)算

軸的直徑取20mm,材料為45號(hào)鋼。

其受力如下圖：

「2

圖4.8軸的受力分析

驗(yàn)算：

=F=v=^^-=932.1N,F=220N

1/2I14X10-2

Fi932.1r?

T=Vnr2=3.1-47xT(