【《一款七自由度仿人机械臂主要外购件选型与校核分析案例》4600字】

一款七自由度仿人机械臂主要外购件选型与校核分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u12483一款七自由度仿人机械臂主要外购件选型与校核分析案例 12771.1第一自由度理论值计算 1215201.2第二自由度理论值计算 6122841.3第三自由度理论值计算 7316301.4第四自由度理论值计算 884601.5第五自由度理论值计算 9259541.6第六七自由度理论值计算 10208911.7各自由度选型汇总 1267091.8各自由度选型汇总 131.1第一自由度理论值计算计算之前，需要将整个机械臂进行抽象化，抽象为被施加了一个重为300kg的均布载荷、60kg重的尾端压力的悬臂梁，如下图，在这里需要计算出A点在静态下所需要承受的转矩和扭矩。[21]图1.1-1第一自由度抽象图M=1q=MgF=mg=60kg∗10m/sM=1α=ωtJ=13T=J∗α=1其中：M：力矩，Nm；q：均布载荷，N/m；x：距A点的距离，m；F：载荷力，N；L：杆长，m；M：杆的均布质量，kg/m；g：重力加速度，kg/N；m：载荷质量，kg；α：杆角加速度，rad/s；ω：杆角速度，rad；t：假定加速时间，s；J：转动惯量，kg∗mT：扭矩，Nm；可见电机所需扭矩和弯矩相差甚大，则在这里按照第一自由度的输出力为4500Nm进行计算。由表1.1-1可知第一自由度需要选则减速机RV320BX或者减速机RV280BX，减速器输出力矩分别为4584Nm或2292Nm，重量为44.3kg或26.4kg，可见这两个减速器的重量将会大大影响其余自由度的转矩的计算，则在这里需要将第一自由度所有内容选定后才能进行其余自由度的计算。项目型号速比值容许力矩扭转刚度瞬时容许最大转矩传动精度齿隙回差寿命重量轴输出壳输出120BX51.552.5196202941.51.56.02.559.058.079.078.0101.0102.0150BX81.080.0880498201.01.06.04.7105.0104.0121.0120.0141.0140.0161.0160.0190BX81.080.01.61082.01.01.06.09.3105.0100.0121.0120.0151.0152.0220BX81.080.02.01961.61.01.06.011.1101.0100.0121.0120.0151.0152.0250BX111.0110.02.92945.381.01.06.017.4161.0160.0175.28174.2881.080.0280BX81.080.01.93927.81.01.06.026.4101.0100.0145.0144.0171.0170.0129.0128.0320BX101.0100.07.098015.61.01.06.044.3129.0128.0141.0140.0171.0170.0118.5117.5185.0184.0370BX81.080.08.82117622.01.01.06.066.4101.0100.0118.5117.5129.0128.0154.8151.8171.0170.0192.4191.4表1.1-1RVE系列减速器参数表[22]因为需要控制转速，则需要根据RV减速器的输入功率进行选择对应的伺服电机，则按照减速器输入功率表，可知，RV320BX减速器表中对应的功率为3Kw，如下表，可知，第一自由度需要选择型号为SGM7A-30A的伺服电机。旋转型伺服电机型号容量伺服单元型号SGD7S-□□□□SGD7W-□□□□SGM7J型（中惯量小容量）3000min-1SGM7J-A5A50WR70A1R6A,2R8ASGM7J-01A100WR90ASGM7J-C2A150W1R6A1R6A,2R8ASGM7J-02A200WSGM7J-04A400W2R8A2R8A,5R5A,7R6ASGM7J-06A600W5R5A5R5A,7R6ASGM7J-08A750WSGM7A型（中惯量小容量）3000min-1SGM7A-A5A50WR70A1R6A,2R8ASGM7A-01A100WR90ASGM7A-C2A150W1R6A1R6A,2R8ASGM7A-02A200WSGM7A-04A400W2R8A2R8A,5R5A,7R6ASGM7A-06A600W5R5A5R5A,7R6ASGM7A-08A750WSGM7A-10A1.0kW120A-SGM7A-15A1.5kWSGM7A-20A2.0kW180ASGM7A-25A2.5kW200ASGM7A-30A1.0kWSGM7A-40A4.0kW330ASGM7A-50A5.0kWSGM7A-70A7.0kW550ASGM7P型（中惯量小容量）3000min-1SGM7P-01A100WR90A1R6A,2R8ASGM7P-02A200W2R8A2R8A,5R5A,7R6ASGM7P-04A400WSGM7P-08A750W5R5A5R5A,7R6ASGM7P-15A1.5kW120A-SGM7G型（中惯量小容量）3000min-1SGM7M-03A300W3R8A5R5A,7R6ASGM7M-05A450WSGM7M-09A850W7R6ASGM7M-13A1.3kW120A-SGM7M-20A1.8kW180ASGM7M-30A2.9kW330ASGM7M-44A4.4kWSGM7M-55A5.5kW470ASGM7M-75A7.5kW550ASGM7M-1AA11kW590ASGM7M-1EA15kW780A表1.1-2旋转型伺服电机参数表[20]查找相关伺服电机SGM7A系列型号含义，如下图，可知这里应该选择SGM7A-30A7A61，在这里需要指出的是，编码器分为增量型编码器和绝对值型编码器，增量型编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小；绝对值型编码器是每一个位置对应一个确定的数字码，因此的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。[21]根据七自由度机械臂的需求这里选择的是绝对值型编码器，即型号中第四位应选择7。另外由于有些RV减速器一般具有较好的自锁性，所以这里不用选购件，即伺服电机型号的第七位为1。SGM7A-30A7A61伺服电机的重量为10.5kg。图1.1-2伺服电机定型对应图[20]则可知第一自由度伺服电机和减速器总重为54.8kg或36.9kg。所以可得第一自由度需要带动的重量最大应该为245kg或者263kg，为了减少整机的重量，第一自由度我们抛去第一自由度电机的重量再算一遍，则有如下：图1.1-3第一自由度实际抽象图M=1q=MgF=mg=60kg∗10m/sM=1α=ωJ=1T=J∗α=590.67kg∗在这里按照4000Nm进行计算的话，也知有4000Nm>2292Nm，可以得出，第一自由度可以选用伺服电机SGM7A-30A7A61和减速机RV320BX。1.2第二自由度理论值计算第一个自由度的电机和减速器相当于接近55kg的重量，现假设机械臂上均匀分布的载荷为245kg，可以计算出来选用第一自由度的电机和减速器，在这里试着选用重量较轻的另一款减速器RV280BX，减速器重量为26.4kg，按照第一自由度电机查找方案，查阅相关电机，伺服电机选择SGM7A-30A，伺服电机重量为4.6kg，则电机和减速机的重量为31kg。即机械臂重约230kg。图1.2-1第二自由度理论值计算M=1q=MgF=mg=60kg∗10m/sM=1α=ωJ=1T=J∗α=546.67kg∗在此，根据表可知RV280BX减速器输出转矩为2292Nm，小于3500Nm，则不能选用RV280BX减速器，只得再次选用RV320BX型号的减速机，来满足第二自由度的额定力矩。即第一、二自由度已经使用了110kg的重量，不考虑第一二减速器之间的连接件重量，则根据题目要求，还可以使用190kg的重量。1.3第三自由度理论值计算抛除一二自由度的连接杆件消耗的重量，假设我们第三自由度及其后面的自由度还可以使用150kg的重量，则第三自由度的载荷图如下所示，150kg的杆和60kg的质量块在绕b轴旋转，根据2.1.1中所得结论有前臂长度大约为866mm，由于机械臂的末端要抓去的是有重量、有体积的重物，为了应和题目中工作范围大，重载荷的要求在这里按照前臂长度为1m进行计算，则有：图1.3-1第二自由度理论值计算M=1q=MgF=mg=60kg∗10m/sM=1α=ωJ=1T=J∗α=110kg∗则可知在此自由度的设计当中，电机可以选择一个小功率的电机和一个转动力矩小一点的减速器。在这里我们按照扭矩1000Nm来进行计算。查阅上表可知这里的型号为RV220BX的减速器适合第三自由度所需要的力矩情况，则在第三自由度选择RV220BX减速器，输出转矩为1146Nm，重量为11.1kg，所需输入功率为750w。按照第一自由度的方法，需要选择出第三自由度电机的型号，按照旋转型伺服电机与伺服单元组合表，可以看出在这里可以选择SGM7J-08A、SGM7A-08A或者SGM7P-08A三款伺服电机，且对应的伺服单元（伺服电机驱动器，控制部分详细解释）型号都可选择SGD7S-5R5A；且查阅安川电机有限公司给出的参考文献，这三款电机除了外形上的差别，并无什么不同，则在这里为了方便记忆和方便采购，选择伺服电机SGM7A-08A7A61，与第一二自由度选择一个型号的电机，此自由度电机为中约为1.1kg，则在此自由度中伺服电机和减速器重约为16.2kg，下面按照20kg进行计算。1.4第四自由度理论值计算在一、二、三自由度中电机减速器和每个自由度之间的连杆最少耗费了将近170kg的重量，按照此次毕业设计的要求，则需要将剩下130kg的重量全部应用于第四自由度电机和减速器的选型，且在这里也需要按照第三自由度的长度进行计算，有如下：图1.4-1第二自由度理论值计算M=1q=MgF=mg=60kg∗10m/sM=1α=ωJ=1T=J∗α=在第四自由度，按照所需转矩为1000Nm进行计算，可知，第四自由度可以选择RV220BX的减速器，输出转矩为1146Nm，重为11.1kg，所需输入功率为750w。同第三自由度一样，这里按照750w进行选择伺服电机，则第四自由度这里直接选择型号为SGM7A-01A7A61的伺服电机，伺服电机为中约为2.3kg，则在此自由度中伺服电机和减速器重约为16.2kg，按照20kg进行计算。1.5第五自由度理论值计算根据第一、二、三、四自由度的重量可知，机械本体还可以使用110kg的重量，按照上述抽象方法进行第五自由度的计算，即110kg重量可以绕C轴进行旋转，这里按照杆长为0.5m进行计算，如下：图1.5-1第二自由度理论值计算M=12qxF=mg=60kg∗10m/sM=1α=ωJ=1T=J∗α=24.58kg∗则在第五自由度，按照转矩为500Nm进行计算，查表可得，这里选择的减速器应该为RV190BX，输出转矩为612Nm，减速器重量为9.3kg，输入功率需要400w。根据上述伺服电机的选型都为SGM7A型号，则这里直接选择功率为400w的伺服电机，型号为SGM7A-04A7A61，电机重约为1.2kg，则减速器和电机总重为10.5kg，则下面按照15kg进行计算。1.6第六七自由度理论值计算根据以上选择，还剩下接近95kg的重量没有支出，假设手腕也就是第六自由度和第七自由度，假设这两个自由度到达物体的中心的长度在0.2cm，那么图1.5-1第二自由度理论值计算M=12qxF=mg=60kg∗10m/sM=1α=ωJ=1T=J∗α=3.67kg∗则在第六七自由度按照130Nm进行计算，这里转矩相对较小，则在第六七自由度选择工业上在末端应用较多和可承受负载相对较小的谐波减速器，查阅相关资料，有如下：型号/项目加速比2000rpm输入时的额定扭矩启动、停止时允许最大扭矩平均负载时允许最大扭矩瞬间允许最大扭矩允许最高输入转速允许平均输入转速背隙设计寿命NMNMNMNMRPMRPMArcsecHours14505.4186.93575003500≤30＞10000807.8231147≤30＞100001007.8281154≤30＞1000017501634267070003500≤30＞100008022432787≤30＞10000100245439110≤30＞1000020502556349860003500≤30＞1000080347447127≤30＞10000100408249147≤30＞10000120408749147≤30＞10000255039985518655003500≤30＞10000806313787355≤30＞1000010067157108284≤30＞1000012067167108304≤30＞1000032507621610838250003500≤30＞1000080118304167568≤30＞10000100137333216647≤30＞10000120137353216686≤30＞10000表1.6-1谐波减速器相关参数表[21]则这里需要选择型号为LZ-HS32的减速器，则这里的可选择传动比为1：100和1：120，按照上表可知这两个传动比并无差别，则这里选择传动比1：100，1:120作为备选。LZ-HS32减速器重2.59kg。因为在对应资料中没有找到相关功率、扭矩作为参考，则这里按照减速器的传动效率为0.8进行粗略计算，有：P入=其中： P入 T：力矩，Nm； N：转速，r/min； η：功率转换效率，无。则可知这里伺服电机的扭矩可以选择一款型号最小，且体积最小的伺服电机，按照安川伺服电机相关资料，这里可以选择SGM7J-A5A和SGM7A-A5A两个型号的伺服电机。同理，为了记忆方便和方便采购，这里同样选择SGM7A-A5A伺服电机，具体型号为SGM7A-A5A7A61，大致的质量为0.3kg。则第六七自由度的减速器和电机的重量大约为2.9kg，按照5kg进行计算的话，第六七自由度的电机和减速器总重不超过10kg，即，目前为