【《电动汽车自动充电机械臂结构设计计算案例》4300字】

电动汽车自动充电机械臂结构设计计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u13960电动汽车自动充电机械臂结构设计计算案例 1168211.1小臂结构设计和计算 2303471.1.1小臂的功能介绍 2196821.1.2小臂Ⅰ电机及减速器选型 2172851.1.3小臂Ⅱ电机及减速器选型 3107741.1.4小臂轴的设计计算 4124511.1.5小臂联轴器选型 6248781.2大臂结构设计和计算 7271801.2.1大臂的功能介绍 724971.2.2大臂电机及减速器选型 771701.2.3大臂轴的设计计算 8287211.2.4大臂联轴器选型 9309701.3机身结构设计和计算 1071861.1.1机身的功能介绍 10210261.1.2机身电机及减速器选型 1027751.1.3机身轴的设计计算 11259171.1.4机身联轴器选型 12手臂部分是整个机械臂最关键的部分，本课题要求它能够在一定范围内转动，调整腕部末端充电插头在空间上的位置。电动汽车自动充电机械臂性能还是要看机身和机械臂的具体设计情况，在本课题中，机械臂的手臂部分的设计分为机械臂的大臂和小臂，其中大臂部分有一个自由度，此自由度的类型是大臂的摆动。小臂部分有两个自由度，自由度的类型分别是小臂的摆动和小臂以自身为轴的旋转，这几个关节的驱动都是采用步进电机。机械臂手臂部分在设计时的要重点关注的一个点是机械臂的尺寸以及内部各零部件的尺寸，还有机械臂末端充电插口、大臂、小臂、机身等重量要符合以下要求：机械臂外部和内部的结构都要合理，要确保能够达到现实使用要求的强度和刚度。考虑到机械臂灵活性的问题，机械臂的体积和重量都应该设置得合理，不应过大。在机械臂各臂的电机减速器选型和各轴的设计结束之后，需要根据电机轴的轴径、输出轴的轴径和所需传递的转矩对联轴器进行选型。联轴器是连接两轴并传递扭矩的重要部件，除了这两个功能外，它还具备缓冲、吸振和安全保护的功能。在联轴器的选择上，首先要确定类型，然后再确定联轴器的型号。根据本课题的需求，初步选择联轴器的类型为梅花联轴器，它有以下几个优点：结构简单，无需润滑方便维修、便于检查，免维护，可连续长期运行安全可靠，工作稳定。1.1小臂结构设计和计算1.1.1小臂的功能介绍 小臂是连接臂部和腕部的关键部位，小臂的存在让末端充电插头得以灵活的做出响应。本课题对小臂的设计有两个自由度，因此有两个关节，分别是摆动关节和回转关节，使小臂能够做到小臂的摆动和小臂的回转，为了方便后续计算，将小臂回转的情况设为小臂Ⅰ，将小臂摆动的情况设为小臂Ⅱ，这两个关节是采用步进电机进行驱动的。考虑到其工作时的运动特性，它必须具有较高的刚性和承载能力，机身重量轻巧、设计紧凑的特点。1.1.2小臂Ⅰ电机及减速器选型腕部末端充电插头重5kg，长为200mm，小臂Ⅰ重为10kg，长850mm，密度为2.73g/cm3，将末端看成一个圆柱,直径径为100mm，额定转速定为ω=180°/s，驱动力矩为： T驱=J末端查取转动惯量公式有： J末端=m末端所以 T驱=J末端 T=T驱+T T=T驱0.9=取安全系数K=1.2 T1=1.2T=1.2×0.087=0.1044N⋅m （根据设计计算得出的相关参数，查阅资料，最终选择电机为日本东方马达公司的步进电机，型号是PKP244D15A-L，功率为200W，额定转速为30r/min,额定转矩为0.48N·m；选择中国会意公司的谐波减速器，型号为HTF-60-3，减速比为3。1.1.3小臂Ⅱ电机及减速器选型腕部末端充电插头重m1=5kg，长为L1=200mm，质心到肘关节的距离为950mm，小臂Ⅱ重m3=10kg，长L3=850mm,所以小臂转动的转矩公式为： T=J小臂ω+ T摩擦=0.1T （小臂的转动速度假设为n=30r/min查阅资料知道转动惯量公式为 J小臂=m小臂l J末端=m末端将数据带入式1.7得T=（9.75T=41.8012N⋅m安全系数取1.2，有T=1.2×41.8012=50.161N⋅m Pw1=T⋅n9550本次设计选择的减速器传动比（减速比）i=3 η=η1⋅ηηη计算得：η=0.950各轴转速nn2=n2=30.00r/min转矩计算 T1=M电机连接减速器的轴转矩就是除以传动比3。根据设计计算得出的相关参数，查阅资料，最终选择电机为常州双杰电子有限公司的反应式步进电机，型号是55BF003，功率为150W，额定转速为20r/min,额定转矩为0.66N·m；选择谐波减速器XB3-80，减速比为3。1.1.4小臂轴的设计计算由1.1.2节的计算结果知，小臂Ⅰ在受力中受到的最大的扭矩为51.46N·m轴的材料选择的是45号钢，查阅资料可知材料的许用切应力是τ在本次设计中许用切应力应取τ根据查阅资料的公式： （1.14）式中：则小臂轴Ⅰ的最小直径应该是：d由于小臂轴Ⅰ上面有1个平键的键槽，因此小臂轴Ⅰ的最小截面，也就是轴的直径需要增大10%-15%，即dmin≥21.571∼22.552mm，在本次设计中小臂轴Ⅰ的最小直径取图1.1小臂轴Ⅰ的尺寸结构图再对每段轴的直径、长度和作用进行确定：=23mm，=40mm；=35mm，=82mm；=32.2mm，挡圈的定位安装槽，=1.5mm；=35mm，=15mm；由1.1.3节的计算结果知，小臂轴Ⅱ在受力中受到的最大的扭矩为52.80N·m轴的材料选择的是45号钢，查阅资料可知材料的许用切应力是τ在本次设计中许用切应力应取τ根据查阅资料的公式： （1.15）式中：则小臂轴Ⅱ的最小直径应该是：d由于小臂轴Ⅱ上面有1个平键的键槽，因此小臂轴Ⅱ的最小截面，也就是轴的直径需要增大10%-15%，即dmin≥21.571∼22.552mm，在本次设计中小臂轴Ⅱ的最小直径取图1.2小臂轴Ⅱ的尺寸结构图再对每段轴的直径、长度和作用进行确定：=25mm，=31.5mm；=43mm，轴肩，=3mm；=40mm，=31mm；=36.5mm，挡圈的定位安装槽，=1.5mm；d5=40mm，l5=2.5mm1.1.5小臂联轴器选型此前对小臂电机和减速器进行了计算选型，也对小臂轴Ⅰ和轴Ⅱ进行了设计计算，接下来需要根据电机轴径对小臂部使用的联轴器进行选型。由1.1.2节的计算结果知，小臂轴Ⅰ在受力中受到的最大的扭矩为51.46N·m，电机轴的轴径d电机=16mm，小臂轴Ⅰ与联轴器相连端的轴径d小臂轴Ⅰ=23mm，查阅机械选型手册，选取LYCA梅花联轴器作为小臂Ⅰ的联轴器，型号为LYCA-4050，孔径d1小臂轴Ⅱ在受力中受到的最大的扭矩为52.80N·m，电机轴的轴径d电机=14mm，小臂轴Ⅰ与联轴器相连端的轴径d小臂轴Ⅱ=25mm，查阅机械选型手册，选取LYCA梅花联轴器作为小臂Ⅱ的联轴器，型号为LYCA-4566，孔径d11.2大臂结构设计和计算1.2.1大臂的功能介绍大臂是主要的承重和负责的部位，主要担当横臂的支撑，同时承受两个旋转轴旋转载荷。大臂的受力较为简单，需出自身重量外，还需承受一定的旋转载荷。因此，大臂的要求如下：高刚度、高支撑能力、相对较轻的重量以及较强的抗弯抗剪能力。大臂之所以要求尽量轻，是为了减轻整个电动汽车自动充电机械臂的重量，这样转盘的旋转压力才会减小，可以更方便的让小臂精准抵达相对位置。1.2.2大臂电机及减速器选型机械臂小臂和大臂在做旋转运动时，其受转矩为： T=T大臂+M大臂的质量通过三维建模后分析可知约为20kg，从大臂开始，到对应的运动关节的距离最大是：L小臂的质量通过三维建模后分析可知约为10kg，从小臂的质心开始，到大臂俯仰运动的关节的距离最大是：L腕部末端充电插口总质量为5kg，末端到大臂关节的最大距离为：L大臂转动时，转动惯量为 J大臂=m大臂转矩为 T大臂=J大臂大臂工作时，其旋转角速度ω=120°/s将数据带入公式得： T=T大臂+m小臂gLT=取安全系数为K=1.2T功率 P=M1⋅N根据设计计算得出的相关参数，查阅资料，最终选择电机为常州双杰电子有限公司的步进电机，型号是55BF004-2，功率为300W，额定转速为2000r/min,选择谐波减速器，型号是XB3-160，减速比为3。1.2.3大臂轴的设计计算由1.1.2节的计算结果知，大臂轴在受力中受到的最大的扭矩为320.532N·m轴的材料选择的是45号钢，查阅资料可知材料的许用切应力是τ在本次设计中许用切应力应取τ根据查阅资料的公式： （1.25）式中：则大臂轴的最小直径应该是：d由于大臂轴上面有1个平键的键槽，因此大臂轴的最小截面，也就是轴的直径需要增大10%-15%，即dmin≥21.978∼22.977mm，在本次设计中大臂轴的最小直径取图1.3大臂轴的尺寸结构图再对每段轴的直径、长度和作用进行确定：=25mm，=43mm；=58mm，轴肩，=3mm；=55mm，=31mm；=50.8mm，挡圈的定位安装槽，=2mm；d5=55mm，l5=5mm1.2.4大臂联轴器选型此前对大臂电机和减速器进行了计算选型，也对大臂轴进行了设计计算，接下来需要根据电机轴径对大臂部使用的联轴器进行选型。由1.2.2节的计算结果知，大臂轴在受力中受到的最大的扭矩为320.532N·m，电机轴的轴径d电机=14mm，大臂轴与联轴器相连端的轴径d大臂轴=25mm，查阅机械选型手册，选取LYCA梅花联轴器作为大臂的联轴器，型号为LYCA-95126，孔径d11.3机身结构设计和计算1.1.1机身的功能介绍机身主要承载整个主体所有的重量和工件的载荷，设计时不仅要考虑主体的重量，还要考虑运动时的动载荷及转动惯性。1.1.2机身电机及减速器选型计算输出轴的转矩 T=TT J细杆=ml J圆盘=mr底座的质量为30kg，最大半径为400mm。大臂质量为20kg，大臂质心到底座的距离为：L小臂的质量为10kg，小臂质心到底座的距离为：L腕部末端充电插头的总质量为5kg，末端充电插头到底座的距离为：L输出轴工作室，其旋转角速度ω=120°s代入数据，得：JJJJ代入数据，得 M=J底座+J==193.717+0.1M M=193.7170.9=215.241N取安全系数K=1.2，得M M电机=M2根据设计计算得出的相关参数，查阅资料，最终选择电机为常州双杰电子有限公司的反应式步进电机，型号是130BC3100B，功率为200W，额定转速为3000/min,额定转矩0.64N·m；选择谐波减速器XB3-120，减速比为50。1.1.3机身轴的设计计算由1.5.2节计算结果可知，机身轴在受力中受到的最大扭矩为258.289N·m根据查阅资料所得的公式： （1.34）式中：则机身轴的最小直径应该是：d由于机身轴上面有1个平键的键槽，因此机身轴的最小截面，也就是轴的直径需要增大10%-15%，即dmin≥20.449∼21.3785mm，在本次设计中机身轴的最小直径取图1.4机身轴的尺寸结构图再对每段轴的直径、长度和作用进行确定：=25mm，=40.8mm；=61mm，轴肩，=3m