重物提升机械手基座的结构设计说明书

- I -目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 前言 .11.1 选题背景与意义 .11.2 目前国外机器人领域的发展现状 .21.3 中国工业机器人行业发展现状 .31.4 工业机器人的新发展与发展趋势 .41.5 选题目的及意义 .42 设计内容及方案 .62.1 设计内容研究： .62.2 设计方案 .82.3 传动过程 .123 参数计算及校核 .133.1 机器人工作台丝杠选择与计算 .133.1.1 丝杠传动形式及精度选择 .133.1.2 丝杠计算及选型 .143.1.3 对所选丝杠进行校验 .153.2 导轨的选择 .163.3 腰部回转关节电机和减速器的选择 .173.4 大臂电机、减速器计算 .193、5 轴承的计算 .213.6 螺栓的计算 .214 参考文献 .235 结 论 .24致 谢 .25- 1 -1 前言1.1 选题背景与意义工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的重要的现代制造业 自动化装备。机器人的研究与发展至今已有 40 多年的历史，它正在以制造业为中心迅速的得到推广和普及应用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。KUKA 工业机器人焊接机器人工业机器人现状美国是机器人的诞生地，早在 1 9 6 2 年就研制出世界上第一台工业机器人。- 2 -但日本在从 1960 年代起的短短 20 几年的发展后，一跃成为“机器人王国” ，美国、德国紧随其后。目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川， O T C ， 松下， F A N U C ， 不二越， 川崎等公司的产品。 欧系中主要有德国的 K U K A ， CLOOS ， 瑞典的 ABB ， 意大利的 C O M A U 及奥地利的 I G M 公司。工业机器人已成为柔性制造系统( F M S ) ，工 厂 自动化( F A ) ， 计算机集成制造系统( C I M S ) 的自动化工具。据专家预测，机器人产业是继汽车，计算机 之后出现的一种新的大型高技术产业。目前全球工业机器人的著名企业是发那科（FANUC） ，其在 2008 年 6 月成为全球第一个安装 20 万台机器人的厂商，而 ABB，KUKA 等，安装 15 万台左右。工业机器人作为机电一体化的最高成就，前景看好。并且已经成为柔性制造系统、自动化工厂等等应用场合的自动化工具。使用工业机器人，不仅可以保障产品生产的质量、数量；而且在保障人身的安全，改善劳动时环境，提高生产效率、降低劳动强度等方面具有明显的优势；大力发展工业机器人产业，对我国的制造业崛起有着十分积极的意义。1.2 目前国外机器人领域的发展现状目前，这一行业占据优势的主要是欧美和日本，日本经过一系列的政策复制后从上世纪 60 年代的摇篮期、到 70 年代的实用期，再到 80 年代的普及工业机器人发展已经相对成熟，并且有效缓解了劳动力紧缺，并且成功助推日本的汽车、电器等行业，使得“日本制造”成功进军欧美市场。美国作为工业机器人的诞生地，由于决策的原因将对机器人研究仅限于军事、航空、和工程等尖端领域，而并未在应用方面进行普及；但在 20 世纪 80 年代后政府开始重视工业机器人的研究，使得这一行业在美国有了长足的发展。德国是欧洲工业机器人行业的最大市场，也是最大的发展引擎。德国政府推行的一系列政策为工业机器人行业的发展开辟了道路。与此同时机器人关键基础部件的相关技术也被欧美、日本等所掌控；例如在高精度机器人减速器方面，市场份额中 75%被两家日本企业占据；分别为提供 RV 摆线针轮减速机的日本 Nabtesco 和提供高性能谐波减速机的日本 Harmonic Drive。在伺服电动机和驱动系统方面，目前欧系的驱动部分主要有伦茨，Lust，博世力士乐等公司来提供，这些欧系电机的过载能力，动态响应好，驱动器开放性强，且具有总线接口，但是价格却昂贵。而日系品牌的工业机器人关键部件主是由安川，松下，三菱等公司提供，其价格相对降低，但动态响应能力、开放性较差，且大部分只具备模拟量和脉冲控制方式。在控制器方面，目前国外的主流机器人厂商控制器均采用在通用的多轴运动控制器平台的基础上进行自主研发的形式。对工业机器人主要制造国们来说,研发设计的经验及制造的历史已经有 几十年的积累,整个产学研系较为完善,技术成熟,通过相互之间的竞争、模仿，推陈出新，它们的技术对于国内来说,已近乎完美。- 3 -当前国际上工业机器人的发展趋势是：1工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。2机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。3工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。4机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人1.3 中国工业机器人行业发展现状目前，我国目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人，例如在谐波减速机方面，国内已有可替代的产品，如中技克美、北京谐波传动所，但是产品在输入转速上，扭转高度、传动精度、效率等方面与日系产品还有不小的差距。但是与制造业大国地位不符的是，中国的工业机器人应用数量仍然偏少，且主要依赖从日本，瑞典，德国，意大利，美国进口。其中，日本约占 50%，欧洲约占 40%。制造商主要有FANUC，YASKAWA，ABB，COMAU，KUKA 和 Staubli 等。同时，中国的工业机器人制造业刚起步，制造水平和技术含量都较为落后。以目前规模最大，技术领先的厂商新松公司为例，2009 年仅生产 600 多台工业机器人，与国际上动辄年产数千台有很大差距。打个比方说国内相关行业目前正处于黎明前的黑暗，有不少企业都有研发和制造的想法，但真正能够立项研究并取得一定成果的单位或组织只能说是极少数、距离产业化、商品化还有相当长的一段距离，技术经验、人才储备还未健全。我国的机器人研究开发工作始于 20 世纪 70 年代初、到现在已经历了 30 年的历程。前 10 年处于研究单位自行开展研究工作状态、发展比较缓慢。1985 年后开始列入国家有关计划、发展比较快。特别是在“七五 ”、 “八五”、 “九五”机器人技术国家攻关、 “863”高技术发展计划的重点支持下、目前已经有哈尔滨工业大学、燕山大学等 30 余所高校展开了对工业机器人的研究。一些数控机床和系统制造商开始将未来的盈利点瞄向工业机器人。例如，沈阳机床已有研发工业机器人的计划；华中数控、- 4 -广州数控也已经开始研发并制造工业机器人。我国的机器人技术取得了重大发展。但应该看到；我国的机器人技术的发展与世界发达国家相比还有不小的差距，首先在起步上我国就落后了 20 年左右，在一些机器人的关键部件上，像如谐波减速器、RV 减速器、伺服电机，我国虽已能够独立制造，但在制造精度和使用性能，批量生产上和日本及欧美等国相比仍有需要改进的地方。我国的工业机器人技术的发展离不开政府的支持，国家应加大技术投入与研发力度，在参考国外经验基础上独立自主，抓住历史机遇，使我国从制造业大国像制造业强国转变。中国工业机器人产业化正处在关键时期；如果政府能够加大扶持力度，将使我国的机器人行业进入快速发展期；而对于中国的相关行业来说应力争做到以下几点：1）以市场需求为导向做好重点产品的技术突破。2）国家应专项立项，发展我国自己的工业机器人产业；3）以企业为主体，形成产、学、研一体的联盟建设，从而形成强大的研发、生产、销售的体系1.4 工业机器人的新发展与发展趋势随着计算机技术、网络技术等的发展进步；机器人技术的发展也进入了一个新台阶；目前世界各国都在加大对于工业机器人技术的研发；智能化、多样化是其趋势，具体研究的内容有以下几个方面：1)工业机器人的机构优化技术；包括新材料的开发与使用、以及模块化、可重构技术等；以德国的 KUKA 公司为例，将工业机器人的并联平行四边形结构优化为开链机构，加以轻质铝合计材料的使用，使整机性能大幅提升。2）机器人控制技术；控制性能进一步提升、人机界面更加友好，控制系统的标准化、网络化趋势愈加明显。3）小型化，控制系统的精简使得工业机器人的机电一体化程度越来越高，体积也越小。4)虚拟化技术,以实现工业机器人的虚拟遥控操作和人机交互为目标5）仿人仿生技术，机器人的最高发展水平，目前尚停留在基础研究阶段。1.5 选题目的及意义关节型工业机器人操作灵活、运动速度较快；广泛应用在如焊接、喷涂、搬运等诸多场合。也是目前工业机器人领域较为热门的一个研究方向我国目前正从劳动密集型向现代化制造业方向发展、振兴制造业、实现工业化是我国经济发展的重要任务。从制造业的发展历程看、生产手段必然要经历机械化、自动化、智能化、信息化的变革。我国正处在经济高速发展的阶段、工业机器人在未来必然拥有巨大的市场需求。而且、工业机器人显然更适合从事危险系数高、污- 5 -染严重的工作，并可以有效替代人口老龄化后劳动力减少的空缺；另一方面，目前我国工业机器人的应用数量仍然偏少，而且主要依赖于进口，发展我国工业机器人工程化产品，自动化生产线和机械手关键技术都极为迫切。因此发展工业机器人技术对我国工业制造水平的提升，使我国从制造大国转变为工业强国都具有重大意义。- 6 -2 设计内容及方案2.1 设计内容研究：重物提升机械手是工业机器人的一种，其工作环境一般，主要用途有物料的搬运，货物码垛，自动上下料等方面。作为一个整体一般包括操作机（机械手） 、驱动系统、控制系统三部分。在对其进行设计时首先要使其满足动作要求，之后尽量保证具有足够的运动灵活性和定位准确性，工作过程要平稳我所设计的内容是关于重物提升机械手的底座结构以及机身部分（腰部回转机构、大臂、肘部）的设计，该机器人采用关节坐标式结构；此外还包括了驱动系统和控制系统部分。机器人操作机的坐标形式：受到广泛使用的机器人坐标形式有： 1、直角坐标式 ：主要用于生产设备的上下料；主体结构有三个自由度，分别为机体的横移、手臂伸缩、升降 2、圆柱坐标式： 圆柱坐标机器人通用性高，常用于物料搬运；主体结构有三个自由度，腰转、手臂伸缩、升降 3、球面坐标式 ：又叫做极坐标式机器人；主体结构有三个自由度；分别是绕垂直轴线和水平轴线的转动和手臂伸缩。4、关节坐标式：它是一种广泛使用的拟人化机器人，腰、肩、肘关节全部是转动关节。本方案设计采用关节坐标形式，其工作范围大且占地面积小，结构紧凑。直角坐标式 圆柱坐标式- 7 -球坐标式 关节坐标式工业机器人机械手的组成一般由手部，腕部，臂部，机身、底座等几部分组成。底座：机械手机座是支撑部件，主要用来为整体提供支承同时底座应能实现回转或是横移等运动；一般用铸铁或铸钢来制造。对于机身底座的设计要求满足：（1）要有足够的刚度和稳定性 （2）运动要灵活 （3）结构布置要合理；为了扩大操作机的移动范围，在机座底部可以安装行走机构。腰部：腰部作为是连接基座与臂部的部件；通常设计为回转部件；通过腰部的回转实现操作机在空间内的运动。臂部：下臂部分的作用是连接底座回转工作台和小臂，实现操作机在空间中的运动；手臂的结构可分为伸缩型结构、旋转伸缩型结构和屈伸型结构。臂部回转和升降机构常见的有：采用齿条缸和升降缸的臂回转、臂升降结构；活塞油缸驱动齿条齿轮机构的臂回转机构、谐波减速器与电机直联等形式。滚动螺旋机构：在这里主要指的是滚珠丝杠副，其传动原理是在传动牙面里装入滚动体，以滚动摩擦的方式完成螺旋副的旋合运动。有传力和定位用途之分，滚珠循环方式又分为内、外循环。滚动螺旋传动驱动单元 ：驱动单元是由驱动器、减速器及检测单元等组成的组件。 （a）驱动器：是将电能或流体能等转换成机械能的动力装置，按动力源的类别可分为电动- 8 -驱动、液压驱动和气动驱动三类。 （b）减速器： 机器人所采用的传动减速机构与一般的机械传动机构相类似，常用的有谐波齿轮减速器、摆线针齿轮减速器、蜗杆减速器、滚珠丝杠、链条、同步齿形带、钢带及钢丝绳等。 （c）检测元件： 检测机器人自身运动状态的元件，包括位置传感器（位移和角度） 、速度传感器、加速度传感器及平衡传感器等。控制装置：控制系统是工业机器人的重要组成部分，其作用相当于人类的大脑，指挥机器人的工作。工业机器人的手、腕、臂部、行走机构等以及相关机械的协调动作都是通过控制系统来实现的，主要控制内容有动作的顺序、应实现的路径与位置、动作时间间隔、以及作用于对象物上的作用力等。实现上述机能的控制方式有多种；主要包括动作控制方式和示教方式。机器人常用材料：1） 、碳素钢结构的合金钢结构，这类材料强度好，特别是合金结构钢，其强度、弹性模量大。2）铝、铝合金及其他轻合金材料，这类材料重量轻 3）纤维增强合金；这类金属材料有很高的 E/ 比，但价格昂贵；此外还有陶瓷、复合材料、阻尼材料等。在保证机器人强度、刚度条件下，应尽可能减轻整机重量、节约成本；机器人基座结构设计选用铸铁、大臂部分选用轻合金铝铸件。此外，对于工业机器人的机械结构而言，如何安排好空间的布置也是一大难点，在狭小的空间中除了电机、传动件的结构设计、还要留有一定空间方便管线（电机驱动先、编码器线、传感器线等）是设计时必须考虑的问题；在重物提升机械手的空间安排上，底座部分在保证完成运动要求的基础上，预留了较大的空间， ，臂关节出有专门为排线设计的通孔结构；保证了整机走线的空间。2.2 设计方案总体设计参数 机构形态：垂直多关节型自由度：7 负重量：6KG 动作范围:底座（回转）170，L 轴（下臂）：155，-90，U 轴（上臂）：+250，-175控制精度要求，工业机器人对工作行程有位置精度要求，本方案设计中重物提升作业不需要很高的精度要求，可初步拟定定位精度为 0.5mm。重物提升机械手的总体上可分为传动机构、控制系统、动力源、操作机几部分组成。本方案针对机座、腰回转机构、下臂、肘关节、动力源、传动系统、控制系统进行说明。其他部分不做详细解释。机型选择：本方案的重物提升机器人，为关节坐标式操作机；具有 7 自由度；负载类型为中小型；其特点是结构紧凑，所占空间体积小，相对的工作空间大。底座放置在托板上由滚珠丝杠驱动；增大了工业机器人的工作范围。- 9 -图 1 关节机器人机械简图1、移动导轨 2、底座（腰部） 3、大臂 4、小臂 5、腕部 6、手爪驱动、传动系统的选取：驱动-传动装置包括驱动器和传动机构两个部分。传动机构常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带传动，各种齿轮传动等。驱动器有电机、液动，气动等。各种驱动方式的比较可参考下表：- 10 -考虑到尺寸大小和空间余量等因素，电动驱动能源简单、变速范围大，效率高，速度和位置控制精度都很高，其中交流伺服电机具有控制性能良好、矩频特性、加速性能好，且拥有过载能力；目前已生产的伺服电机外形适中，不会占据太大空间。因此本文中选取的驱动器为交流伺服电机。交流伺服电机外形图 直流伺服电机外形工业机器人传动机构的基本要求：(1) 结构应紧凑，及相同传动功率和传动比时体积小；(2) 传动的刚度大，在受到扭矩时变形要小；用以降低整机的低频振动；(3) 回差要小，由正转到反转时空行程要小，以期得到较高的位置精度；(4) 使用寿命长，成本在满足使用要求前提下尽量低。- 11 -工业机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构，其中较为常用的有 RV 摆线针轮行星传动、谐波传动、和滚动螺旋传动。本设计中选用谐波减速器作为传动件；谐波传动是利用一个构件的可控制的弹性变形来实现机械运动的传递；通常由三部分（内齿的钢轮、柔轮、波发生器） 。它的主要优点有传动比大、传动精度高、平稳，磨损小、回差小，体积小重量轻等优点。对于工业机器人的设计而言，通常选用谐波减速三大件。谐波传动外形图谐波传动原理图控制系统一般由控制计算机和伺服控制器组成。前者发出指令协调各关节驱动器之间的运动，同时还要完成编程，示教、再现和外部环境、工艺要求等之间的协调工作。 在基座机构中电机输出轴、谐波三大件、回转台回转中心三者是同轴的，这样- 12 -可以使运动算法较为简单；臂杆常用造型有箱体式和梁式，本方案中的大臂采用梁式结构，采用通常用铝合金铸件，这样可以有效减轻重量。底座的结构为中空的箱体，并且留有较大的空间，这样不仅保证了个工作元件的放置，也可满足各种线路以及接口的要求；回转台部分有一个凸起的肩板，也可称之为肩部，肩板处用来连接大臂臂板、安放电机并连接回转台的运动。图 2 传动机构简图1、 移动导轨 2、伺服电机 3、底座传动系统（谐波）4、伺服电机 5、下臂传动系统（谐波）6、小臂 7、腕部2.3 传动过程本方案设计中共需要完成四个自由度的设计；如前文所述三个回转关节由电机直连谐波减速器实现回转；而整机在水平方向的移动靠滚珠丝杠驱动。工作台回转：电机与谐波减速器连接，电机输出轴与波发生器相连；柔轮与基座连接，并且基座固定，刚轮作为输出；减速器的刚轮与回转台相连作为输出带动机座部分做回转运动。下臂的俯仰运动：电机通过谐波传动,输出柔轮与大臂端部臂板相连带动下臂做空间的俯仰运动。肘关节也是采用伺服电机-谐波减速传动的形式，柔轮与臂板连接并固定，刚轮与肘关节相连作输出完成回转运动。移动导轨：该机器人的机身底座安装在一个可移动的托板座上与丝杠螺母机构联接，丝杠螺母副由步进电机驱动，整个机器人沿导轨纵向移动，扩大了整机的工作范围。此外，小臂回转可以由电机连接齿轮减速器实现、腕部的回转由电机直连减速器实现、腕部俯仰自由度由电机-同步带传动-减速器-实现。- 13 -3 参数计算及校核这一部分主要是电机、减速器、丝杠螺母副的选型计算。其中电机选择适应留有余量、所选电机的功率应大于计算当时的极限功率。同理也适用于减速器的选择计算。重物提升机器人工作台及滑动导轨副计算3.1 机器人工作台丝杠选择与计算3.1.1 丝杠传动形式及精度选择 本方案设计中的重物提升机器人，为了扩大其工作范围，需将其置于工作台上（一个可以动的拖板） ，拖板由丝杠螺母副驱动，沿水平方向移动。丝杠螺母机构也称螺旋传动机构，主要应用于直线运动和旋转运动之间的转换。丝杠螺母机构包括滑动摩擦机构和滚动摩擦机构；前者结构简单、加工方便，但传动效率低，而滚珠丝杠螺母机构，传动精度高、系统刚度好、本方案中即采用滚珠丝杠螺母机构。滚珠循环方式为内循环。根据丝杠还有螺母的运动组合形式，传动形式有以下几类：a）螺母固定、丝杠转动并移动 b）丝杠转动、螺母移动 c）螺母转动、丝杠移动 d）丝杠固定、螺母转动并移动，其中 b 图传动形式需导向装置，但其结构紧凑、丝杠的刚性好，适用于工作行程较大的场合。按 JB/T3162.2-91 标准，根据精度要求分为 7 个等级， 1、2、3、4、5、7 和10 级。1 级精度最高，依次递减。根据重物提升搬运的要求，本方案中精度采用 4- 14 -级。3.1.2 丝杠计算及选型（1）计算预期动载荷根据作用于丝杠上的最大动载荷 Ca，根据 Ca 值选择丝杠型号Ca= （3.1）10CF36mhnLR()其中 是丝杠的平均转速 是使用寿命 是工作载荷mnhLc= Fm ：精度系数 ：硬度系数 ：载荷系数 cFaKfhaKhKfKFm：平均载荷预期使用寿命 10000h；表 3-1 载荷系数载荷性质 无冲击平稳运行 一般运转 有冲击和振动运转K F11.2 1.21.5 1.52.5表 3-2 硬度系数滚道实际硬度HRC=58 55 50 45 40K H1.0 1.11 1.56 2.4 3.85表 3-3 精度系数精度系数 C、D E、F G HK A1.0 1.1 1.25 1.43查表得 ，工作过程中无冲击，取 =1.2 =1 =1.1 估算机器人本体质量和fKha载重为 180KG；带入公式 3.1 得 ：=1.2 1.1 1 1=2328.48（N） ，可取电机转速 n=1500r/mincF将 、 带入，得 Ca= =22481.23（N）cmn0CF3*6mhnL丝杠导程计算 取底座移动速度为 30m/min ;取电机最高转速为 1500r/min;若采用电机与丝杠直连则 i=1,- 15 -由公式 V = （n i） (3.2)，MAXhPMAX其中 n 为转速，v 是移动速度、 代表导程，h代入数据得基本导程为 20mm；根据 Ca 值，以及计算所得导程等数值初步设计滚珠丝杠；其相关具体参数如下：公称直径 d =32mm；公称导程 P =20；丝杠外径 d =27.1mm0 0h2丝杠内径 d =31mm；13.1.3 对所选丝杠进行校验按压杆稳定对丝杠的临界载荷进行验算，先将丝杠简化为简支梁，两端铰接。F = (3.3)，Cr2)(ulEIa其中丝杠材料为钢 E=206GPa；I ：危险界面的轴惯性矩, I = ，因为a a64dd =16.4mm，带入得 I =3.55 ，u 取 1，l 取 1m 带入 F =3.207 10 N 2a90Cr3=4s=2.54，丝杠是安全的，不会失稳。McrF丝杠极限转速校验，要求丝杠的 n 1500r/min，所以不会发生共振。cr3.2 导轨的选择 导轨主要起支撑和导向的作用，滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度高、抗震性好等优点。在本方案设计中采用滑动导轨。滑动导轨其结构可参考下图如下：导轨的总长度可根据实际工作是不同的需要来调整，选用不同长度的导轨。 ，在本设计中导轨上的滑块要与拖板相连，两导轨间距为 270mm电机的选择功率计算：丝杠传动所需功率：P=FV （3.5）- 17 -V 底座移动速度 F ;摩擦力 r：丝杠半径 ：角速度 估算机械手本体质量f 180Kg； 摩擦系数：0.1-0.15； 所以 F =mg f=264.6N f底座在 0.2s 内从 0 加速至 0.5m/s 加速度 A=2.5m/s 2工作台移动所需驱动力F =ma=180 2.5N=450N2P=FV=（F +F ） 0.5=357.3Wf2初选电机型号：混合式步进电机（BYG）系列；型号 90BYG3501相关参数如下：3.3 腰部回转关节电机和减速器的选择腰部回转由交流伺服电机通过谐波减速器驱动带动基座转动，电机驱动器的计算应包括操作机的额定功率以及加速功率 具体计算公式为：P = KW （3.6）0J950JNTP KW （3.7）ajJtnGD32017*式中 T 为折算到关节的扭矩、单位 N ； GD =4J 0J M2J 为转动惯量n 为关节转速 ，单位 r/min；0jt ，加速时间a首先估算各部分质量 M1=6kg M2=5kg M3=7kg M4=10kg M5=7kg M6=12kg M7=5kg机器人腰部回转角速度从 0 加速到 150 ，所需时间 0.18s，腰部回转角加速度A= = =14.53rad/s2t1808.- 18 -腰部回转当量扭矩 T =311.2N ;0JM转速为 15r/min电机与谐波传动直连，谐波传动效率取 0.85；带入公式 3.6 和 3.7，求得功率 P=P +P =0.58KW+0.08KW=0.66KW0jja所选电机的额定功率应比计算值略大，可选用安川电机 SGMGH-09A；输出功率 0.85KW;额定扭矩 5.39 N M瞬时最大扭矩 13.8 N安装尺寸可参考下图：谐波减速器所需输出的额定扭矩：已知腰部回转当量扭矩 T =311.2N0JM考虑腰部各部分的转动惯量，及摩擦力矩的影响，取工况系数 K=1.3T=K T=404.5 N M根据以上计算；本方案众采用北京众合天成精密机械制造有限公司型号为 XB1-120的谐波减速器；输出扭矩 495 N M，速比 100、输出转速 15rpm安装尺寸如图：- 19 -计算电机的输出转矩：Tout=T/(i )=3.27N M，而所选电机的额定输出转矩为 5.39 N M功率验算：取底座回转角速度 =1.57rad/s T= 404.5 N MP=T =635.1w；所选电机符合要求。3.4 大臂电机、减速器计算大臂、小臂、末端执行器处于如图所示位置时；所受静力矩最大、估算大臂受到的转矩：- 20 -图中，M 1g 是重物 M2g，代表腕部重心；M3g 为腕关节， M4g 是小臂重心、M 5g 为肘关节，M 6g 大臂T=（M 1L1+M2L2+M3L3+M4L4+M5L5+M6L6）g （3.8）=336.07N M工况系数 K=1.3，谐波减速器所需扭矩 T=1.3 T=436.89N M谐波减速器选型号为 XB1-120 ，速比：120 输出扭矩 550 N M；输出转速12.5rpm，输入功率 0.881kw电机输出转矩T out=T/(i )；式中 i 已知， 传动效率取 0.85；计算得 T out =4.88N M，根据计算结果，选用安川电机、型号 SGMGH13A，参数如下：额定功率 1.3kw；额定转矩 8.34 N M，最大扭矩 23.3 N M- 21 -功率验算；取大臂最大速度 2.87rad/s；已知 T=1.3 T=436.89 N MP= T =1.25KW；符合要求小臂、腕部电机、减速器计算计算方法同上；减速器选 XB1-100 速比 100、输入功率 0.497Kw，输出转速 15rpm；输出扭矩 265 N M电机 SGMGH09A 输出功率 0.85kw；额定转矩 5.39 N M；最大扭矩 13.8 N M.腕部驱动电机、减速器选择谐波减速器选 XB1-50 速比 80 输出扭矩 25N 输入功率 0.059kw电机 SGMGH05A；输出功率 0.45kw；额定转矩 2.84 N M；输出转速 18.8rpm；最大扭矩 8.92 N M3、5 轴承的计算丝杠采用两端固定方式，初选圆锥滚子轴承,面对面排列。根据轴承的额定动载荷确定型号由公式 C= ； （3.9）FP610hnL其中，预期寿命 L 取 10000h，n=1500r/min ，F =1 ， =3h 轴承的型号尚未确定，可先估算其接触角 =15 e=1.5tan =0.402P=XF +YF F =900N 带入计算得 C=8689.4N F =301.4N， F =571.4Nrar a12a所以 P = XF +YF =1 900+0 301.4N=900N;1rP = XF +YF =0.4 900+1.493 571.4=1213.1N2ra令 P= P ，代入数据计算得 C=11712.35N，初选轴承型号 30304，C =33KNa验算轴承寿命 L = ，直接计算得 L =223670；远大于预期寿命，所选h)(601PCnh轴承符合要求。3.6 螺栓的计算- 22 -提升机械手的本体结构中使用了比较多的螺纹连接，对于其中较为重要的连接部分，应该进行受力分析并对强度进行校核。在大臂的连接处，螺栓连接受到横向载荷和扭转力矩先对模型进行简化，进行受力分析F =(M1+M2+M3+M4+M5+M6)g=411.6NZM =336.07N MA在以上两种受力情况下，每个螺栓受力均等， ，Z=4FA= =411.6/4 N=102.9NZ受扭转力矩的情况：FB= =280.06N22321max.nArrM为了使臂板和回转台之间不产生滑移，根据结合面不滑移的条件公式F= （3.10）fzC0f 是结合面的摩擦系数，这里取为 0.15，C=1.2 带入，计算F=205.8N因此 F 总 =F+FB280.06+205.8N=491.8N查阅机械设计手册 M8 的螺栓连接在 3.6 级得使用情况下承受最小拉力载荷为- 23 -12100N与远大于计算值；因此满足使用要求同理对连接底座和移动拖板的螺栓连接副也进行校核；先进行受力分析，该螺栓副受到本体重量，负载、各关节的偏置所引起的倾覆力矩；还包括抵抗机座回转时受到一扭矩。在受横向力是各个螺栓手里均等，Z=4 ，F 1=M 总 g/Z=180 9.8 4(N）=441(N);受倾覆力矩时距离负载远端的螺栓承受较大负载，F 2= 2231max1.nrrM1=M 负载1g L1+M2g L2+.Mng Ln=6 9.8 1.388+4 9.8 1.340+6 9.8 1.293+8 9.8 0.961+6 9.8 8.599+12 9.8 0.435（N ）=387.227（N ）计算后的 F2=472.23(N);受到扭矩的情况下 F3=T/Z,T=311.2（N ） F3=77.8NM查机械设计手的 M12 的螺栓在 3.6 级性能等级条件下，最小拉力载荷达到了27800N；完全符合使用要求。- 24 -4 参考文献1沈小强 臧华东 李洪群,系统中搬运机械手的本体结构设计J.现代机械,2010 年第 4 期 2赵碧 巴鹏 徐凤英,气动上下料机械手手部结构的设计与分析J.沈阳理工大学学报,2006年 12 月第 25 卷第 6 期3机械工程手册电机工程手册编辑委员会,机械工程手册M.北京:机械工业出版社,19824陈恳 杨向东 刘莉 杨东超,机器人技术与应用M.北京: 清华大学出版社,20065梁景凯 盖玉先,机电一体化技术与系统M.北京: 机械工业出版社，20076蔡卫国，关节型搬运机械手设计J.潍坊学院学报,2008 年 11 月第 8 卷第 6 期7孙兵 赵斌 施永辉,物料搬运机械手的研制J.南通纺织职业技术学院，2260078刘剑雄 韩建华,物流自动化搬运机械手机电系统研究J.机床与液压，2