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机械毕业设计全套
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JX05-082@钻孔机器人毕业设计,机械毕业设计全套
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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 ABSTRACTSincethefirstrobotoftheworldwasborninthebeginningofthesixthdecadeof20-thcentury,therobotictechniquehasbeendevelopedrapidly.Therearetwodistinguishingfeaturesofthetrendinrobotictechniquedevelopment:oneisinthecontinuousextensionofroboticapplicationareasandtheanotherisintheuninterruptedimprovementofroboticperformences.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 meritKEY WORDS：the robot drill liquor pressure jar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 62.1 行走机构的设计 72.2 机械手的设计 72.3 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 123.1主伸缩缸设计 123.2驱动轴的设计 153.3驱动轴上键的设计 183.4手臂结构中的齿轮设计 183.5丝杠的设计 20第四章 零部件的选择 234.1导轨的选择 234.2驱动系统电机的选择 23 4.3传感器的选择 254.4行走机构中轴承的选择 264.5 联轴器的选择 27设计总结 29谢辞 30参考文献 31- ii - 33 -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。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（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。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。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输出功率 很大，压力范围为50140Pa大，压力范围为4860Pa，最大可达Pa 较大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MAXON2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXSTELL-SERVOMULTIPLEXSTELL-SERVO额定电压18v18v18v6v6v额定转矩18.2 Nm18.2 Nm18.2 Nm10.3 Nm10.3 Nm最大转矩67.4Nm67.4Nm67.4Nm额定转速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高转速转子惯量9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm2.4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。 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 齿轮带的平均速度为 图齿形带传动第三章 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）810121620253240506380100125160200250320400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=D2 ；有杆腔的活塞的有效面积为A2为 A2=（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）D2+pd2;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 D=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/MPaP155p17P17活塞杆的直径(0.3-0.5)D(0.5-0.55)D(0.6-0.7)D0.7D表3-2活塞杆的直径d系列（GB/T2348-1993）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360结合公式d=D 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 ，液压缸就符合强度要求， 式中 D缸筒直径 Py缸筒实验压力，当缸的额定压力Pn16Mpa时，取Py=1.5 Pn;而当Pn16Mpa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；=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 取d值为80mm, 能够承受足够的力;式中：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：P=P=0.851.5=1.275Kw式中： P电机输出的总功率； 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=6.08MPa式中： 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; 许用扭转切应力，单位为MPa； T=9550=11.54N所以：T= T=11.540.875=10.102Nm式中：T电机传给驱动轴的功率。常用几种材料的及Ao值轴的材料Q235-A、20Q275、35（1Gr18Ni9Ti）4540Gr35SiMn38SiMnMo、15-2520-3525-4535-55Ao149-126135-112126-103112-97本驱动轴选择的材料为45。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 d=Ao=126=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2263，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： 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L-2a=464mm,两支撑点的距离为L+L=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： 所以，由弯扭合成强度公式：得：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：因为键传递的扭矩T=9.986Nm所以有：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； 键、轴、彀三者中最弱材料的许用压力。查表得：=100MPa，显然，=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： 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1/2O1/50，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=2r=1.26m。 所以小轮转速n=12/1.26=9.5r/min 小车的牵引力：F= F+ F =4060N式中：G参与运动的零部件所受的重力（包括工件重量）（N）；g重力加速度，取9.81m/s；由静止加速到常速的变化量（m/s），此处取0.2m/s；启动过程的时间（s），一般取0.010.5s，此处取0.01s；摩擦系数，此处取为0.3。由公式：得：式中：从电动机到驱动轴的传动效率的总和。 传动轴所需的总功率。由以上计算可知：可以选用Y系列三相异步电动机，型号为Y90-6，功率为=1.1Kw，满载转速为n=910r/min，质量m=25Kg。注：本传动系统采用二级圆柱齿轮减速器，总传动比i=910/26=35，减速器和电机之间选用十字滑块联轴器，效率为0.97。4.3 传感器的选择工业机器人传感器是机器人完成感觉的必要手段，这种感觉作用能够把机器人自身的相关特性或相关物体特性转换为执行某一机器人功能所需要的信息。通常，根据传感器在机器人上的应用目的和使用范围不同，将其分为两大类：机器人内部传感器和机器人外部传感器。内部传感器主要用于检测机器人自身的状态，即用来检测机器人在运动过程中的位置、速度和加速度等信息；外部传感器主要用于检测机器人作业对象和作业环境状态的，如：判断机器人抓住物体的形状、空间位置等，这类传感器主要包括视觉、触觉和离觉等在机器人中应用这些传感器可提高机器人的适应、控制水平和机器人的自主控制能力。一、 传感器的选用原则：通常情况下根据测试目的和实际条件，合理地选用传感器应考虑以下几个方面的问题：1、灵敏度 一般来说，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，意味着传感器感知的变化量越小，被测量稍有一微小变化时，传感器就有较大的输出。当然也应考虑到，当灵敏度愈高时，与测量信号无关的外界干扰也愈容易混入，并被放大装置所放大。这时必须考虑既要检测微小量值，又要干扰小。此外，和灵敏度紧密相关的是测量范围。过高的灵敏度会缩小其适用的测量范围，因此，应当根据具体问题采取适当可取的方案。2、线性范围 任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精确度基本条件。3、可靠性可靠性是传感器和一切测量装置的生命。可靠性是指仪器、装置等产品在规定的条件下，在规定的时间内可完成规定功能的能力。只有产品的性能参数（特别是主要的性能参数）均处于规定的误差范围内，方能视为可完成规定的功能。为了保证传感器应用中具有高的可靠性，事先选用设计制造良好，使用条件适宜的传感器。4、精确度传感器的精确度表示传感器输出与被测量真值一致的程度。传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量值，对整个测试系统具有直接影响。传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研制出来的。因此，传感器的组成的细节有较大差异但是，总体来说，传感器应由敏感元件、转换元件和其他辅助邮件组成敏感元件是指传感器中能直接感受(或响应)与检出被测对象的待测信息(非电量)的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受(或响应)出的信息直接转换成电信号的部分。本设计中用到物理传感器，它了利用感光元件的特性检测小车的运动位置和速度，实现在地面上划一条特殊颜色的线，当小车运动的过程中偏离它的运动轨迹，传感器将会反馈信号，控制小车的转向。4.4 行走机构中轴承的选择选择轴承时首先要考虑轴承的类型。如下为正确选择轴承类型时应考虑的几个主要问题。4.4.1轴承的载荷 轴承所承受载荷的大小、方向和性质，是选择轴承类型的主要依据。根据载荷大小选择轴承类型，由于滚子轴承中主要元件间是线接触，易用于承受较大载荷，承载后的变形也较小。而球轴承中则主要为点接触，宜用于承受较轻的或中等的载荷，故在载荷较小时，应优先选用球轴承。根据载荷的方向选择轴承类型时，对于纯轴向的载荷，一般选择推力轴承。较小的纯径向载荷，一般选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。4.4.2 轴承的转速 在一般转速下，转速的高低对类型的选择不发生什么影响，只有在转速较高时，才会有较显著的影响。从工作转速对轴承的要求看，可以确定以下几点：1）球轴承与滚子轴承相比较，有较高的极限转速，故在高速时应优先选用球轴承。2）在内径相同的情况下，外径越小，则滚动体就越小，就更适合于更高转速下工作。3）保持架的材料与结构对轴承的转速影响极大。4）推力轴承的极限转速均很低。5）若工作转速略超过样本中规定的极限转速，可以用提高轴承的公差等级，或者适当地加大轴承的径向游隙，选用循环润滑或油润滑，加强对循环油的冷却等措施来改善轴承的高速性能。4.4.4轴承的调心性能 当轴的中心线与轴承座中心线不重合而有角度误差时，或因轴受力而弯曲或倾斜，会造成轴承的内外圈轴线发生偏斜。这时应采用有一定调心性能的调心轴承或带座外球面球轴承。这类轴承在轴与轴承座孔的轴线有不大的相对偏斜时仍能工作正常。圆柱滚子轴承对轴承的偏斜最为敏感，这类轴承在偏斜状态下的承载能力可能低于球轴承。因此在轴的刚度和轴承座的支承刚度低时，应尽量避免使用这类轴承。4.4.5轴承的安装与拆卸 便于拆卸也是在选择轴承类型时应考虑的一个因素。对于本次设计行走机构中所用到的轴承，由于主要承受径向力，并且工作中转速也不高，所以选择深沟球轴承，这类轴承拆装也比较方便，并且也比较通用，其外型尺寸如右图所示，其国家标准规格为GB/T2761994深沟球轴承6208型4.5联轴器的选择联轴器所联接的两轴，由于制造及安装误差、承载后的变形以及温度变化的影响等，往往不能保证严格的对中，而是存在着某种程度的相对位移，这就要求设计联轴器时，要从结构上采取各种不同的措施，使之具有适应一定范围的相对位移的性能。根据各种相对位移有无补偿能力（即能否在发生相对位移条件下保持连接的功能），联轴器可分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。选择联轴器的类型 根据传递载荷的大小，轴转速的高低，被连接两部件的安装精度等，参考各类联轴器的特性，选用一种合用的联轴器类型。具体选择时应该考虑以下几点：1) 所要传递的转矩大小和性质以及对
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