【《某管外爬行机器人的驱动关节设计案例》2200字】

某管外爬行机器人的驱动关节设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u9453某管外爬行机器人的驱动关节设计案例 133481.1关节设计基本要求 1149211.2关节设计方案 1214001.3设计流程 3284381.3.1初算力矩 3183811.3.2圆锥齿轮设计 4224651.3.3电机的选型 8180661.3.4其他零件设计 859611.4小结 101.1关节设计基本要求关节部件设置于来持器和臂部之间，对于本设计而言，它作用非常重要，既是机器人主要的前进机构，同时还是机器人做出各种复杂动作以完成不同任务的保证。因此，驱动关节设计的关键在于能够提供足够的力矩，同时具有足够的位置精度。1.2关节设计方案本文设计的管外爬行机器人的腕部关节如图5-1所示，他具有一个摆动自由度，摆动范围为0一900，传动方式选择圆锥齿轮传动，电机置于手臂内部，与腕部传动轴垂直。图5-1腕部关节原理考虑到机器人的部件的互换性和通用性，在类似部件的设计上尽量采取一致的方案。因此，本文所设计的管外爬行机器人的三个关节的驱动电机、减速机、以及传动齿轮上是一样的。其中，夹持器与手臂的联结采取完全相同的结构形式，对称布置，而中间关节则在传动轴和箱体上另行设计。图5-2关节效果图图5-3中间关节效果图1.3设计流程初算力矩：确定最大力矩锥齿轮设计：计算大端分度圆直径，选择大端模数。选择电机：确定类型，选配减速机、驱动器其他零件设计：轴、轴承、键的设计由于没有具体的特性指标(如功率、速度等)要求，设计工作是完全自主的。因此，不必过多拘泥于一些参数选择的先后问题。只要根据所设计者对于机器人的理解，结合理论设计即可。1.3.1初算力矩图5-5竖直爬管受力分析经分析可知,当机器人爬竖直管道时出现最大力矩图中G1夹持重力,G1=15NG2前臂重力,G2=5NG3中间关节重力G3=10NF后臂所受前臂的压力;(其中,重力加速度一律取10N/Kg)另外，从图中可以看出，前后臂夹角为45度，是机器人在竖直管道爬行的一个极限位置，夹角越小，后夹持器所承受的倾翻扭矩就越大，驱动扭矩也就越大。因此，选择45度作为极限位置。从图中容易得出，进而关节驱动力矩1.3.2圆锥齿轮设计已知条件：输入功率，传动比u=1按照工作寿命15年，每年工作300天。悬臂，工作平稳，转向可以改变。（《机械设计第九版》）1.3.2.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1、选用8级精度。（GB10095-88）2、材料选择。由于关节扭矩较大且要求尺寸小,表10-1选择齿轮材料为合金钢,硬度350HBS3、初选齿轮齿数为，则传动比u=11.3.2.2按齿面接触强度计算由设计计算公式进行试算，即1、确定公式内的各计算数值⑴试选载荷系数⑵转矩⑶选取齿宽系数图10-20查得区域系数⑷表10-5查得材料的弹性影响系数⑸图10-25d按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限⑹由式10-15计算应力循环次数⑺图10-23接触疲劳寿命系数⑻计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，由式10-14得⑼试算齿轮分度圆直径2、调整小齿轮分度圆直径⑴圆周速度v60(1-0.5x0.3)=51mm⑵当量齿轮的齿宽系数⑶计算实际载荷系数①表10-2查得使用系数②根据，8级精度（降低一级精度），图10-8查得动载系数③直齿锥齿轮精度较低，取齿间载荷分配系数④表10-4用插值法查得7级精度，齿轮悬臂布置，齿向载荷分布系数⑤故载荷系数⑷按实际载荷系数算得的分度圆直径为相应的齿轮模数1.3.2.3按齿根弯曲强度设计由式10-27试算模数，即1、确定公式内各计算数值⑴试选⑵计算由分锥角可得当量齿数，图10-17查得齿形系数图10-18查得应力修正系数图10-24c查得齿轮的弯曲疲劳强度极限图10-22取弯曲疲劳寿命系数⑶计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数，由式10-12得⑷试算模数2、调整齿轮模数⑴计算实际载荷系数前的准备①圆周速度vmmmmm/s②齿宽b⑵计算载荷系数①根据v=6.12m/s，8级精度，图10-8查得动载系数②直齿锥齿轮精度较低，取齿间载荷分配系数③表10-2查得使用系数④表10-4用插值法查得,则故载荷系数3按实际载荷系数算得的齿轮模数为就近选择标准模数m=1.5，按照接触疲劳强度算得的分度圆直径d=60mm，算得的齿轮齿数z=40。1.3.2.4几何尺寸计算1、计算分度圆直径mm2、计算分锥角3、计算齿轮宽度1.3.3电机的选型(1)对于电机类型的选择三个关节在机器人水平前进时最为简单，但是当机器人需要越障时，夹持器的抬起等动作均需要三个关节互相配合。因此，要求其运动有较高的位置精度。所以，应当采用闭环控制方式。步进电机虽然可以达到比较高的位置精度，造价也不高，但是体积过于笨重，同时开环控制仍然无法保证机器人在遇到不同情况时灵活动作的要求。基于以上原因，本文选择伺服电机作为驱动源。而伺服电机又有直流和交流之分，交流多应用与工业设备，由于根据本文的输出力矩。采用直流伺服电机是比较理想的。(2)选择依据前面己经做好了铺垫,直接根据输出扭矩选择即可。当然，为了减轻不必要的设计任务，减速机也一并选择与直流伺服电机相配套的产品，使之组合直接可以输出所需的转矩。经过综合了解和查阅资料，选择了55SZ11/H5系列直流伺服电机，以及相配套的减速机、编码器以及驱动器。该减速机可实现稳定输出转矩22NM，满足设计要求。1.3.4其他零件设计关于轴的设计、键、轴承等标准件的选择，均在已有的结构尺寸和力矩参数上进行。需要说明的是，由于机器人的处于设计阶段,所以轴承的寿命要求不大,只需符合尺寸结构要求即可,但轴承要求高转速且有轻量化的场合要求,所以选用深沟球轴承。此外,尺寸限制，在两个腕关节上，传力轴的两端均采用了双键，这是为了节省机器人手臂的宽度，以方便与夹持器相连接。所有设计均通过校核，此处不再赘述。

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