第二章 机器人部分重要零部件设计.doc

第二章 机器人部分重要零部件设计2.1驱动电机及减速器的计算选型 根据机器人外形尺寸图及设计要求里的机器人质量的限定，现粗略确定机器人各个零部件的质量如下：基座质量m115kg，肩部质量m210kg，大臂质量m35kg，肘部质量m45kg，小臂质量m55kg，腕部质量m62kg。2.1.1腰部回转电机及减速器的选择当机械手运动到如下图所示的状态时，转矩最大。所以，整个选型都以该状态下机械手的各个尺寸来计算。图2-1 机械手转矩最大位置示意图腰部回转时，可以把肩、大臂、肘、小臂、腕等效为一个长方体，长a=1150mm，宽b=100mm，高c=100mm，其所受重力为270N。根据平行轴定理，可得腰转轴的转动惯量为：J1=m12a2+b2+ml2式中：m=m2+m3+m4+m5+m6 l 重心到腰转轴的距离所以，腰转转动惯量为：J1=27121.152+0.12+270.52=9.748kgm2机器腰转从w0=0到w1=180s所需时间为t启一般为0.050.3s，取t启=0.3s，则启动转矩为：T1=J1w1=J1w1-w0t=9.7480.3=102.03Nm考虑摩擦力矩，则可假定T1=105Nm，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩Tmin1=2T1=210Nm。据此，选择北京中技克美谐波传动有限公司生产的机型100、XB1系列单级谐波减速器，其传动比为100，输出扭矩240Nm，可满足力矩要求。XB1-100系列组件的规格和额定数值见表2-1。表2-1 XB1-100减速器的规格和额定功率机型速比输入转速3000r/min输入功率/kw输出转速/rmin-1输出扭矩/Nm1001001.07730240100651.00146145设谐波减速器的传动功率为=90%，则伺服电机所需输出力矩为：Tout1=Tmin1i=2101000.9=2.33 Nm根据输出力矩，选择日本富士伺服电机小惯量系列，型号为GYS751DC2-T2A，额定转速为3000r/min，额定功率750W，额定转速时转矩2.39Nm，满足设计要求。综上，进行腰转的结构设计，部分图纸如图2.1所示。2.1.2大臂俯仰电机及减速器的选择设大臂、肘、小臂和腕部绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理，可得大臂俯仰运动的转动惯量：J2=JG1+m3l12+JG2+m4+m5l22+JG3+m6l32式中：m3、m4、m5、m6 大臂、肘、小臂、腕的估计质量 l1、l2、l3 各重心到大臂俯仰关节的距离，大致为200mm、650mm、950mm。由于JG1m3l12、JG2m4+m5l22、JG3m6l32，故JG1、JG2、JG3可忽略不计，所以大臂俯仰运动的转动惯量为：J2=m3l12+m4+m5l22+m6 =50.22+100.652+20.952 =6.23kgm2机器大臂从w0=0到w2=90s所需时间为t启一般为0.050.3s，取t启=0.15s，则启动转矩为：T2=J2w2=J2w2-w0t=6.2320.15=65.21Nm考虑摩擦力矩及JG1、JG2、JG3，则可假定T1=70Nm，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩Tmin2=2T2=140Nm。据此，选择北京中技克美谐波传动有限公司生产的XB1-100-65谐波减速器，其传动比为65，输出扭矩145Nm，可满足力矩要求。XB1-100系列组件的规格和额定数值见表2-1。大臂俯仰伺服电机需输出的力矩为：Tout2=Tmin2i=140650.9=2.39 Nm根据输出力矩，选择日本富士伺服电机小惯量系列，型号为GYS751DC2-T2A，额定转速为3000r/min，额定功率750W，额定转速时转矩2.39Nm，满足输出力矩要求。综上，进行大臂俯仰的结构设计，部分图纸如图2.2所示。2.1.3小臂俯仰电机及减速器的选择与大臂俯仰的计算类似，忽略JG2、JG3，所以绕小臂俯仰关节的等效转动惯量为：J3=m4+m5l42+m6l52=100.252+20.572=1.275kgm2机器小臂从w0=0到w3=90s所需时间为t启一般为0.050.3s，取t启=0.15s，则启动转矩为：T3=J3w3=J3w3-w0t=1.27520.15=13.35Nm考虑摩擦力矩及JG2、JG3，则可假定T3=15Nm，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩Tmin3=2T3=30Nm。据此，选择北京中技克美谐波传动有限公司生产的型号为XB1-60-75的谐波减速器，其传动比为75，输出扭矩40Nm，可满足力矩要求。XB1-60系列组件的规格和额定数值见表2-2。表2-2 XB1-60、32减速器的规格和额定功率机型速比输入转速3000r/min输入功率/kw输出转速/rmin-1输出扭矩/Nm60750.258404040480.081638小臂俯仰伺服电机需输出的力矩为：Tout3=Tmin3i=30750.9=0.444 Nm根据输出力矩，选择日本富士伺服电机小惯量系列，型号为GYS201DC2-T2A，额定转速为3000r/min，额定功率200W，额定转速时转矩0.7Nm，满足要求。综上，进行小臂俯仰的结构设计，部分图纸如图2.3所示。2.1.4手腕俯仰电机及减速器的选择与之前大小臂计算类似，J4=m6l62=20.052=0.005kgm2 T4=J4w4=J4w4-w0t=0.00520.15=0.052Nm考虑摩擦力矩及JG3，则可假定T4=1.5Nm，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩Tmin4=2T4=3Nm。据此，选择北京中技克美谐波传动有限公司生产的型号为XB1-40-48的谐波减速器，其传动比为48，输出扭矩8Nm，可满足力矩要求。XB1-40系列组件的规格和额定数值见表2-2。设谐波减速器的传动效率1=0.9，锥齿轮的传动效率2=0.9，同步齿形带的传动效率3=0.98。所以，总的传动效率为=123=0.794Tout4=Tmin4i=3480.794=0.079 Nm根据输出力矩，选择日本富士伺服电机小惯量系列，型号为GYS500DC2-T2A，额定转速为3000r/min，额定功率50W，额定转速时转矩0.16Nm，满足要求。为了减小机器人整体尺寸，减轻腕部质量，所以，腕部俯仰采用伺服电机、锥齿轮、同步齿形带、谐波减速器的驱动方式，进行腕部俯仰的结构设计，设计图如图2.4所示。2.1.5手腕偏摆电机及减速器的选择手腕在偏摆时，常常需要克服以下几种阻力，才能正常工作：1) 腕部偏摆时，腕部偏摆支承处由于摩擦产生的摩擦力矩T摩为简化运算，取T摩=0.1T总2) 在机械手抓取工件时，克服由于工件重心偏置所需的力矩T偏T偏=Ge式中：G 工件重量e 工件重心到腕部回转轴的垂直距离 3) 克服启动惯性所需的力矩T偏机械臂启动过程可以近似看作等加速运动，根据腕部偏摆的角速度w和启动所用时间t，可得：T惯=J+J工件wt式中：J工件工件对腕部偏摆轴线的转动惯量 J手腕偏摆部分对腕部偏摆轴线的转动惯量 w手腕偏摆过程的角速度 t启动过程所需时间手腕偏摆所需的驱动力矩就相当于这三者之和：T总=T摩+T偏+T惯现假设抓取一根轴，其直径D=100mm，长度l=400mm，手部和工件总质量m7=7kg，当手抓抓住工件中部回转180，将小臂、腕部和手抓等效为一个长方体，长500mm，宽、高都为100mm，则：T摩=0.1T总T偏=0T惯=J+J工件wtJ=112m5+m6b2+c2=11270.02=0.012kgm2J工件=112m7l2+3R2=11270.42+30.052=0.098kgm2T惯=J+J工件wt=0.012+0.0980.3=1.15Nm所以T总=T摩+T偏+T惯=0.1T总+1.15+0T总=1.28Nm取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩Tmin5=2T总=2.6Nm。据此，选择北京中技克美谐波传动有限公司生产的型号为XB1-40-48的谐波减速器，其传动比为48，输出扭矩8Nm，可满足力矩要求。XB1-40系列组件的规格和额定数值见表2-3。表2-3 XB1-32减速器的规格和额定功率机型速比输入转速3000r/min输入功率/kw输出转速/rmin-1输出扭矩/Nm40480.08163840480.081638所用伺服电机所需输出的力矩为Tout5=Tmin5i=2.6480.9=0.06 Nm选择日本富士伺服电机小惯量系列，型号为GYS500DC2-T2A，额定转速为3000r/min，额定功率50W，额定转速时转矩0.16Nm，满足要求。综上，进行手腕偏摆的结构设计，部分图纸如图2.2所示。2.1.6手腕回转电机及减速器的选择与手腕偏摆的计算类似，T惯=J工件wt=0.0980.3=1.026NmT总=T摩+T偏+T惯=0.1T总+1.026+0T总=1.14Nm取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩Tmin6=2T总=2.3Nm。据此，选择北京中技克美谐波传动有限公司生产的型号为XB1-40-48的谐波减速器，其传动比为48，输出扭矩8Nm，可满足力矩要求。XB1-40系列组件的规格和额定数值见表2-3。设谐波减速器的传动效率1=0.9，锥齿轮的传动效率2=0.9，同步齿形带的传动效率3=0.98。所以，总的传动效率为=1232=0.714所用伺服电机所需输出的力矩为Tout6=Tmin6i=2.3480.714=0.067 Nm选择日本富士伺服电机小惯量系列，型号为GYS500DC2-T2A，额定转速为3000r/min，额定功率50W，额定转速时转矩0.16Nm，满足要求。为了减小机器人整体尺寸，减轻腕部质量，所以，腕部回转采用伺服电机、锥齿轮、同步齿形带、锥齿轮、谐波减速器的驱动方式，进行腕部俯仰的结构设计，设计图如图2.4所示。至此，所有电机与减速器计算选型完毕。2.2同步齿形带的设计计算电机选型时，为减小机器人总体外形尺寸，减轻腕部质量，使结构紧凑，在腕部回转和腕部俯仰运动中，均通过同步齿形带把放置于小臂处的驱动电机的动力传递到腕部的两个谐波减速器中。下面开始进行对它们的选型设计。2.2.1腕部回转的同步齿形带选择腕部回转的电机选型为GYS500DC2-T2A，功率50W，额定转速3000r/min，此处的传动比i=1，因为同步带主要起着改变方向的作用，并不改变输出力矩。1) 确定同步齿形带的计算功率同步齿形带传递的功率随着载荷的性质、张紧轮的配置以及速度的增减而变化，它的计算公式为：Pd=KAP式中：KA考虑载荷的性质和运转时间的工况修正系数，其值见表2-4.P传递的功率表2-4 同步带的工况修正系数载荷性质每天工作小时数/h变化情况瞬时峰值载荷及额定工作载荷10101616平稳1.21.41.5小150%1.41.61.7较大150%200%1.61.71.85很大250%400%1.71.852大而频繁450%1.8522.05查表取每天工1016h，载荷变化平稳，则KA=1.4所以，同步带的计算功率为Pd=KAP=1.450=70W2) 选定带型和节距根据圆弧齿同步带选型图（机械设计手册图14.1-16），功率Pd=70W，转速n=3000r/min，可以选3M同步齿形带，节距为Pb=3mm。3) 选定大小带轮齿数及节圆半径根据刚选定的带轮转速n=3000r/min和带型3M，查表2-5可确定小带轮的最小齿数Zmin=20，在次设计中，考虑安装尺寸的限制，选择小带轮齿数为Z1=48。表2-5 带轮的最小齿数带轮转速/rmin-1带型3M5M8M14M20MZmin9001014222834900120014202828341200180016243232341800360020283636002230则小带轮节圆直径为d1=Z1Pb=4833.14=45.86mm因为采用的是同步带，传动比为1，所以大带轮与小带轮型号与尺寸完全相同。4) 同步带带速的确定v=d1n601000=3.1445.863000601000=7.2m/s5) 初定轴间距轴间距a0满足 0.7d1+d2a02d1+d2所以 64.204mma0183.44mm 根据结构尺寸要求，确定a0=170mm。6) 带长及其齿数的确定带长根据：L0=2a0+d1+d22+d2-d124a0=2170+45.8622=484mm查圆弧同步带长度系列，得Lp=486mm，齿数Z=LpPb=4863=162。同步带的实际中心距：a=M+M2-32d2-d1216M=4Lp-2d2+d1=4486-245.86+45.86=1368所以，实际中心距为：a=M+M2-32d2-d1216=1368+13682-016=171mm中心距安装量、调整量的确定，查表2-6，得：安装量I=1.02mm调整量S=0.76mm所以，amin=a-I=171-1.02=169.98mmamax=a+S=171+0.76=171.76mm小带轮啮合齿数为：Zm=entZ12-PbZ122CZ2-Z1=24表2-6 中心距安装量I和调整量SLpIS5001.020.7650010001.270.76100015001.781.02150022602.291.277) 基本额定功率P0查表14.1-69（机械设计手册），当齿数48、小带轮转速3000时，基本额定功率为：P0=0.355+0.389-0.3552=0.372kw。8) 带宽的确定bsbs01.14PdKLKZP0=61.140.071.110.372=1.275mm式中：KZ啮合齿数系数，Zm6时，KZ=1，Zm6001.205MLp/mmKL4400.804415500.905518001.0080111001.1011001.208MLp/mmKL6900.806919000.9090112501.00125118001.1018001.209) 作用在轴上的力紧边张力F1=1250Pdv=12500.077.2=12.153N松边张力F2=250Pdv=2500.077.2=2.431N10) 压轴力FQ=KFF1+F2KF由图14.1-17，得：=180-d2-d1a57.3=180看图，可以取到KF=1所以， FQ=KFF1+F2=112.153+2.431=14.584N11) 带轮的结构设计综上，同步带的型号最终确定为48-3M-6，可据此选取现有带轮产