钻孔机器人

钻孔机器人 摘要 自从 20 世纪 60 年代初世界第一台机器人诞生以后，机器人技术得到了迅速地发展。当今机器人技术的发展趋势主要有两个突出的特点：一个是机器人的应用领域的不断扩大；另一个是机器人的性能的不断提高。随着社会的发展，机器人已经被用在 钻孔 工业中，它被用来代替人类做一些简单、重复或危险的工作。同时，它可以代替人类做一些环境比较里恶劣的工作。本文主要论述了一种 钻 大工件的机器人结构的设计 PR30-51多手 钻孔 机器人，本结构主要采用液压控制升降台的上下左右的运动，和电机控制机械手的竖直 钻 ，本机器人能够在 3 米高度的工作范围内对起重机大梁进行 上钻和侧钻 。采用感光传感器对机器人的运动位置进行控制，控制机器人的转向和机器人离工件的距离等。此 钻孔 机器人具有结构简单，工作稳定，便于移动等优点。 关键词 ： 工业机器人 钻孔 液压缸 ABSTRACT Since the first robot of the world was born in the beg inning of the sixth decade of20-th century, the robotic technique has been developed rapidly. There are two distinguishing features of the trend in robotic te chnique development: one is in the continuous extension of robotic application a reas and the another is in the uninterrupted improvement of robotic performences .With the rapid development of the Community , the applied domain of the industrial robot becoming more and more wide. It was used to replace human to do some simple, repetitive or dangerous work. At the same time. It can replace the human environment to do some more work in inclement. The main theses of a vertical structure of the large piece of robot design -PR30-51 more hand drilling robots, The main structure of a hydraulic lifting platform control movement around the country,and Electrical control mechanical hand onto the walls. The robots can work within three meters of a crane ridgepole and sprayed adjacent sprayed. Photosensitive sensors used for robot movement control position, To control robots and robot from working distance. This painting robots with simp ucture, stability, Facilitate movement of merit KEY WORDS： the robot drill liquor pressure jar - i - 目 录 第一章 绪论 1 1.1 机器人概述 2 1.2 机器人的历史及其现状 3 1.3 机器人的发展趋势 5 第二章 总体方案设计与论证 6 2.1 行走机构的设计 7 2.2 机械手的设计 7 2.3 驱动方式的确定 8 2.4 传动方式的确定 10 第三章 设计计算及零部件的校 核 12 3.1 主伸缩缸设计 12 3.2 驱动轴的设计 15 3.3 驱动轴上键的设计 18 3.4 手臂结构中的齿轮设计 18 3.5 丝杠的设计 20 第四章 零部件的选择 23 4.1 导轨的选择 23 4.2 驱动系统电机的选择 23 4.3 传感器的选择 25 4.4 行走机构中轴承的选择 26 4.5 联轴器的选择 27 设计总结 29 谢辞 30 参考文献 31 - 2 - 第一章 绪论 1.1 机器人概述 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的 重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 “工业机器人”（ Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通 用机器人。 简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（ Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器 人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“ Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机 构形式的机器人。 - 3 - 要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构 执行机构；像 肌肉那样 使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成 。 对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各 自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间 必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。 机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动 系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。 1.2 机器人的历史、现状 机器人首先是从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识 别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。 第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活 - 4 - 跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议 ISIR 决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。 目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。 在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、 模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（ CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的 性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM 中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。 美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段： （ 1） 1963-1967 年为试验定型阶段。 1963-1966 年， 万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。 1967 年，该公司生产的工业机器人定型为 1900型。 （ 2） 1968-1970 年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台工业机器人； 1969 年该公司又自行研制出 SAM 新工业机器人，并用 21 组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司 32 条冲压自动线上的 448 台冲床都用工业机器人传递工件。 （ 3） 1970 年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。 1970-1972 年，工业机器人处于技术发展阶段。 1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约 200 台工业机器人，工作时间共达60 万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司 - 5 - （ Sundstrand）发明了用小型计算机控制 50 台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由 25 台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。 其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从 1967， 1968 年开始以美国的“ Versatran”和“ Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说， 1967年，日本丰田织机公司 引进美国的“ Versatran” ,川崎重工公司引进“ Unimate”，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约 10 年的实用化时期以后，从1980 年开始进入广泛的普及时代。 我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚 5-6 年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造 、创新，工业机器人将会获得快速的发展。 1.3 机器人发展趋势 随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如 开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合； c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。 - 6 - 第二章 机器人的总体设计方案 工业机器人机械系统设计是工业机器人设计的重要组成部分，其它系统的设计应有自己的独立要求，但还必须与机械系统相匹配，相辅相成，组成一 个完整 的机器人系统。虽然工业机器人不同于专用设备，它具有较强的灵活性，但是，要设计和制造什么工作 都能干的机器人是不现实的。不同应用领域的工业机器人机械系统设计上的差异比工业机器人其它系统的设计上的差异大得多。 因此，使用要求是工业机器人机械系统设计的出发点。 由于本机器人所要求的工作范围比较大，要求精度也相对比较高，所以机器人采用球 面 坐标式机器人。球面坐标机器人也叫极坐标式机器人，它具有较大的工作范围，机器人的主题结构有三个自由度，手臂的伸缩采用液压驱动，其最大行程决定了球面的最大半径，手腕具有两个自由度。 装在手腕上的伺服电机可以确定手腕的转动角度，和实现的轨迹，竖直移动的手臂是由另一个电机驱动上下滑动的，实现竖直面的 钻 。 一工业机器人的结构图 - 7 - 2.1 行走机构的设计 行走机构是行走机器人的重要组成部分，它由行走的驱动装置、传动机构、以及位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、臂和手部，另一方面还根据工作任务的要求，带动机器人实现在广阔的空间内运动。本设计的行走机构是轮式的，它没有轨道导向，而是靠底座的一位置传感器导向，外部的传感器能对外部环 境进行了解和判断，能对环境中发生的事件进行监视和反应，机器人具有自我规划能力。该机器人的行走机构要实现不同速度的运动，并且要保持稳定性和在一定情况下还有保证准确转向，所以行走机构的控制是由两个电机前轮驱动，每个电机驱动一个轮子，根据电机的转速不同来实现小车的转向，小车转向是有传感元件来控制的，在小车的底部安装了三个传感器，对颜色信号进行识别，来反馈给电机，使电机以不同的速度转动来转向。这样设计能够省去轨道。以免轨道笨重，移动不便的缺陷。 2.2 机械手的设计 工业机器人的手又称为末端执行器，它使机器人直接 用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类： （ 1） 夹钳仿生多指灵巧手 （ 2） 式取料手 （ 3） 吸附式取料手 （ 4） 专用操作器及转换器 2.2.1 手臂伸缩的设计 采用了液压传动的齿轮齿条式增倍机构的手臂结构。活塞杆在移动的过程中齿轮也随着转动，这样活塞杆移动 L 的距离，机械手臂就回移动 2L 的距离，此种设计能够大大缩短手臂的长度。和增大手臂的移 动量。 - 8 - 齿轮齿条式倍增机构的手臂结构 2.2.2 手腕的设计 工业机器人的手腕部是连接手部和臂部的部件起支撑和控制手部的作用。机器人一般具有六个自由度才能使手部（末端操作器）达到目标位置和处于期望的姿态，手腕上的自由度主要是实现所期望的姿态。本设计的机械手腕主要采用一个可控的电机来实现 180 度的转动， 钻孔 的过程要求喷头始终垂直对象工件的表面，手臂不管运动到哪个角度，机械手始终要实现垂直 钻 。此手腕可实现两个自由度的运动。 2.2.3 手臂上下运动的设计 手臂的上下运动 是靠丝杠的转动来实现的，利用一个燕尾滑槽的导向。它的行程可达到 1 米左右。可以实现低高度的 钻 孔 ，丝杠是靠电机带动转动。电机的不同转速可使机械手以不同的速度上下滑动，从而实现工件表面的均匀 钻孔 。 2.3 驱动方式 机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表 2.1： 表 2.1 三种驱动方式的特点对照 内容 驱动方式 液压驱动 气动驱动 电 机 驱动 很大，压力范围为 大，压力范围为 48 较大 - 9 - 输出功率 50 140Pa 60Pa，最大可达 Pa 控制性能 利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制 控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂 响应速度 很高 较高 很高 结构性能及体积 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率 /质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功 率 /质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小 伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除 DD 电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题 安全性 防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险 防爆性能好，高于1000kPa(10 个大气压 )时应注意设备的抗压性 设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差 对环境的影响 液压系统易漏油，对环境有污染 排气时有噪声 无 在工业机器人中应用范围 适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷 涂机器人、点焊机器人和托运机器人 适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具 适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如 AC 伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等 成本 液压元件成本较高 成本低 成本高 维修及使用 方便，但油液对环境温度有一定要求 方便 较复杂 机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有： 1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高 ； 2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地 - 10 - 起、制动，正、反转切换； 3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； 4）安全可靠； 5）操作和维护方便； 6）对环境无污染，噪声要小； 7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。 基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。表 2.2 为选定的各个关节电机型号及其相关参数。 表 2.2 机器人驱动电机参数 电机参数 腰关节 肩关节 肘关节 腕关节 手爪 型号 MAXON2332 MAXON2332 MAXON2332 MULTIPLEX STELL-SERVO MULTIPLEX STELL-SERVO 额定电压 18v 18v 18v 6v 6v 额定转矩 18.2 Nm 18.2 Nm 18.2 Nm 10.3 Nm 10.3 Nm 最大转矩 67.4Nm 67.4Nm 67.4Nm 额定转速 7980rpm 7980rpm 7980rpm 5460rpm 5460rpm 最高转速 转子惯量 9200rpm 18.4gcmcm 9200rpm 18.4gcmcm 9200rpm 18.4gcmcm 2.4 传动方 式 传动是一台机器不可或缺的部分，因此，确定合理的传动方式能有效的提高机器的工作性能。 由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有： （ 1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻； （ 2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动； （ 3） 回 差要小 ，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度； （ 4）寿命长、价格低。 - 11 - 本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。 齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。 齿形带传动原理如图所示。 齿轮带的传动比计算公式为 2112 zznni 齿轮带的平均速度av为 2211 ntzntzva 图齿形带传动 - 12 - 第三章 设计计算及零部件的校核 钻孔 机器人的设计离不开部件的选择和力的校核 ，本章将对本设计中的机器人的关键部位，如：轴、齿轮、液压缸等 进行选择校核，选择合理的部件，是实现机器人运动的重要保障，我们在本章将对零部件的静态位置力进行讨论，对 钻孔 机器人进行系统的设计。 3.1 主伸缩缸的设计计算与校核 1、 缸的主要尺寸确定 1）、缸筒内径 D 液压缸的内径是 D 是根据负载大小和选定的工作压力，或运动速度和输出的流量决定。 液压缸的内径系列（ GB/T2348-1993） 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 液压缸的负载估算大约为 500N， 无杆腔活塞的有效面积为 A1为 A1=41 D2 ； 有杆腔的活塞的有效面积为 A2为 A2=41 （ D2-d2） ； 当压力油进入无杆腔的流量 为 q1，活塞右移速度为 v1、输出力为 F1； v1=q1/A1=4q1/ D2； F1=P1A1-P2A2=（ p1-p2）41 D2+p41 d2； 式中 p1-进油压力； P2-为回油压力。 根据液压缸需要产生的推力计算 - 13 - D=PF4 10-3 （ P-系统选定的工作压力 选 5MPa） 只要选取的 D 值大约理论值即可，所以从 GB/T2348-1993 标准中选取最近的值为 D=200mm； 2） 活塞杆的直径 d 液压缸活塞杆的直径 d 按工作时的受力情况来决定，如下表 1-1所示。计算出的活塞杆的直径 d，按表 1-2 圆整。 表 3-1 液压缸活塞杆直径推荐 活塞杆的 受力情况 受拉伸 受压缩，工作压力 p1/MPa P1 5 5 p1 7 P17 活塞杆的直径 (0.3-0.5)D (0.5-0.55)D (0.6-0.7)D 0.7D 表 3-2 活塞杆的直径 d 系列（ GB/T2348-1993） 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 结合公式 d=D11 据上论述选择活塞杆的直径 d=80mm； 3）设计压力 p 液压缸的的工作压力是指在系统中所承受的压力，若负载变化工作压力的大小也随着变化。对于额定压力不确定的情况下，可参照或类比相同的主机选定缸的设计压力，见下表 1-3； 表 3-3 各类主机常用的系统压力 主机类型 系统压力 /（ MPa） 精工加机床 0.8-2 半精工加机床 3-5 粗加工或重型机械 5-10 农业机械、小 型工程机械、工程机械的辅助机构 10-16 液压机、重型机械、超重机、大中型工程机械 20-32 - 14 - 对于设计的 钻孔 机器人其系统压力不大，一般选取 5Mpa； 4）缸筒的长度 L； 液压缸的缸筒长度 L 由最大工作行程决定，但一般不要超过其内径的20 倍。所以选择其长度为 1000mm，小于内径 20D=2000mm； D=200mm； d=80mm； L=1000mm；壁厚 取 20mm； 1 强度校核 液压缸的壁厚强度计算校核 液压缸的直径 D 确定后，其壁厚由 强度条件来确定。由于D/ =200/20=10,所以按薄壁计算， 只要 2PyD，液压缸就符合强度要求， 2PyD式中 D 缸筒直径 Py 缸 筒实验压力，当缸的额定压力 Pn 16Mpa 时，取 Py=1.5 Pn；而当 Pn 16Mpa 时，取 Py=1.25 Pn； 缸筒材料的许用应力， = b/n, b为材料的抗拉强度， n 为安全系数，一般取n=5。根据材料的力学性能查表可得 可锻铸铁的 b=450Mpa； =5/4502 2005.15 =8.33，设计中选择壁厚为 208.33,所以壁厚符合条件。 活塞杆的强度计算与校核 活塞杆的尺寸要满足活塞运动的要求和强度的要求， 即有： 从而有： d mmF 5.121 0098.9 8044 取 d值为 80mm, 能够 承受足够的力 ； 式中： 2PyD24 dF - 15 - 活塞杆材料的许用应力，此处为 100MPa。 3.2 驱动轴的设计计算与校核 1、轴的最小尺寸的确定 电机传送给驱动轴的功率： Pd=wP0=0.85 1.5=1.275Kw 式中： P0 电机输出的总功率； w 从电动机到驱动轴的传动效率的总和。 电机输出轴的转矩 轴的扭转强度条件是： T=WTT32.09550000dnP =22 32.0940275.19550000=6.08MPa T 式中： T 扭转切应力，单位为 Mpa； T 轴所受的扭矩，单位为 N.mm； WT 轴的抗扭截面系数，单位： mm3； n 轴的转速，单位： r/min； P 轴的传递的功率，单位为 KW； d 计算截面处理的直径，单位为 mm； T 许用扭转切应力，单位为 MPa； T0=955000nP =11.54N 所以： Td= T0 w =11.54 0.875=10.102Nm 式中： Td 电机传给驱动轴的功率。 - 16 - B1 5 1 63034A6 32 0BB2223.62 41 7 . 2R 3 . 6R52 X 4 5 1 . 6AA常用几种材料的 T及 Ao 值 轴的材料 Q235-A、 20 Q275、 35 （ 1Gr18Ni9Ti） 45 40Gr35SiMn 38SiMnMo、 T 15-25 20-35 25-45 35-55 Ao 149-126 135-112 126-103 112-97 本驱动轴选择的材料为 45。 T为 25-45，显然计算得扭转强度中切应力小于许用扭转切应力。 由上式可得轴的直径 d3 TT = 3 2.09550000TP=Ao 3nP =1263 9405.1 =14.72mm, 所以驱动轴的最小许用直径为 14.72，即轴的最小尺寸的直径不能小于 14.72， 根据实际需要即可圆整为 15 的整数。 2，轴上零件的选择 因为轴承受径向力和少许的轴向力，所以选用深沟球轴承 6206AC/型，代号为 GB/T276-94,轴和车轮用平键连接，平键普通平键 A 型 22 63，代号为GB/1096-79。轴端用锁紧螺母 M21，代号为 GB172-86。 驱动轴的校核 驱动轴的结构简图如下： - 17 - 估算机器人的总体质量为 200Kg，所以重力 约 为 2000N，由以上的结构简图可得如下的计算简图，在确定轴承的支点的位置时，应从手册中查取 a 值，对于6206AC 型， a=9，因此，简支梁的两受力点的距离为 L2-2a=464mm,两支撑点的距离为 L1+L3=598mm，根据计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。 由轴的弯矩图和扭矩图中可以看出截面 B 是轴的危险截面， A,B 两点的支反力为 500N，所以 B 截面的弯矩 M=39Nm， 扭矩 T=10.102Nm，所以两个轮上的转矩分别为 5.051Nm。 因为： WMM P a3.222532393 M P aWTt6 4 7.125160 5 1.53 所以，由弯扭合成强度公式： - 18 - 22 )(4 ca 得： M P aca 09.21)632.16.0(4905.19 22 前边选定轴的材料为 45 钢 ，调质处理，可查得 -1=60MPa。因此 ca -1,故安全。 注：由于心轴固定，考虑到启动、停车等 方面 的影响，弯矩在轴截面上引起的应力可视为脉动循环变应力，故 取值为 0.6。 3.3 驱动轴上键的计算与校核 键是一种标准件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。键的联接主要类型有：平键联接、楔键联接、半圆键联接、切向键联接等。平键联接时，键的两侧面是工作面，工作时，靠键同键槽侧面的挤压来传递转矩。键的上表面和轮毂的键槽底面间留有间隙。平键联接具有结构简单、装拆方便、对中性好等优点。 对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键连接（静连接），其主要的失效形式是工作面 被压溃。除非有严重的过载，一般不会出现键的剪断。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核 。 假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为： 102 3 pp kldT 因为键传递的扭矩 T=9.986Nm 所以有： 22417 10986.92 2 13.16MPa 式中： T 键传递的转矩 (Nm)； k 键与轮彀键槽的接触高度， k=0.5h， h为键的高度，此处键的高度为14mm，所以 k 为 7mm； l 键的工作长度，圆头平键 l=L-b， b 为键的宽度，此处 l为 41mm； d 轴的直径 (mm)，此处 d=22mm； p 键、轴、彀三者中最弱材料的许用压力。 查表得： p=100MPa，显然，pamC=46.343 KN。符合设计要求。本方案的滚珠丝杠可向此厂家购进。但注意的是滚珠丝杠两端的轴段和形状可按本设计的形状和尺寸定做。简单的形状见以下二维图： - 23 - 第四章 零部件的选择 零部件的选择要符合实用的原则，首先要符合设计要求，即能够满足机器人运动所需要的条件，还要考虑经济性，避免一些不必要的浪费，在本设计中主要进行 电机、传感器、轴承、丝杠等 零部件的选择 。 4.1 导轨的 选择 滚动直线导轨副的特点 :滚动体与圆弧沟槽相接 触，与点接触相比承载能力大，刚性好 ；摩擦因素好 一般小于 0.005， 仅为滑动导轨副的 1/2O 1/50，节省动力， 可以承受上下左右四个方向的载荷 ；磨损小，寿命长，安装、维修、润滑简便。运动灵活、无冲击，在低速微量进给时，能很好地控制控制位置尺寸。滚动导轨三方向所受力矩状况如图 所示。 滚动直线导轨副所受力矩 4.2 驱动系统电机的选择 电机是一种工作原理基于电磁感应定律和电磁力定律之上，实现机电能量转换或电能 特 性变换的机械，具有电能生产、传输和使用或作为电机之间、电量与 - 24 - 机械量之间的变换器的功能，是工业、农 业、交通运输业和家用电器的重要组成部分，对 于 我国社会主义经济建设有着重要的作用。 电机的分类方法很多，按其功能可分为： (1)发电机 把机械能转换成电能； (2)电动机 把电能转换成机械能； (3)变压器、变频机、变流机、移相器 分别用于改变电压、频率、电流； (4)控制电机 在自动控制系统中作为执行、检测和解算元件。 应该指出，从基本原理上看 ，发电机和电动机只不过是电机的两种运行方式，它们本身是可逆的 ，这种特性称为电机的可逆性。控制电机一般是指用于自动控制、自动调节 、远距离测量、随动系统以及计算装置中的微特电机。它是构成开环控制、闭环控制、同步连接等系统的基础元件，根据它在自动控制系统中的职能可分为测量元件、放大元件、执行元件和校正元件四类。控制电机是在一般旋转电机的基础上发展起来的小功率电机，就电磁过程及所遵循的基本规律而言，它与一般旋转电机没有本质区别，只是起的作用不同。传动生产机械用的传动电机主要用来完成能量的变换，具有较高的力能指标（如效率和功率因数等）；而控制电机则主要用来完成控制信号的传递和变换，要求它们技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、 耗电少。 钻孔 机器人的行进速度 v=12m/min=0.2m/s，机器人的小轮的直径 D=0.4m，周长 S=2 r=1.26m。 所以小轮