【《一款七自由度仿人机械臂主要零部件设计与校核计算案例》6800字】

一款七自由度仿人机械臂主要零部件设计与校核计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u15156一款七自由度仿人机械臂主要零部件设计与校核计算案例 1311971.1肩关节机械结构设计 1278441.2上臂机械结构设计 2313821.3齿轮计算 210191.4前臂机械结构设计 13235311.5七自由度机械臂整机结构 1445301.6肩部连接件校核 15106971.7上臂重要件校核 1778571.8前臂重要连接件校核 1931061.9其他校核成果 201.1肩关节机械结构设计第一二自由度设计，第一二自由度之间需要一个连接件连接，第一自由度输出法兰与第二自由度固定法兰和电机，如图所示，展示了肩部第一二个自由度的设计，由于肩部第三个自由度属于上臂的一部分所以我们放到上臂部分进行详细展开。人体上肢的肩关节是一个球窝型结构，在机械设计中可以理解为一个高副，一个高副一般可由两个低副替代，但是由于实际上人体肩关节各自由度不是全范围，即不是360°，故考虑使用三个有活动限制的低副代替高副，该设计广泛使用的工业机械臂腰部，通常由三个串联的旋转关节组成。故所设计的七自由度仿人机械臂肩关节三个小关节设计为三个串联的旋转关节，各小关节回转轴线两两垂直，且相交于一点。这里展示的两个关节分别由电机搭配减速器直接驱动，实现人体上肢肩关节三个运动上臂前驱／后伸、上臂外展/内收，上臂内旋和外旋。图1.1-1肩部第一二自由度设计图1.2上臂机械结构设计第三四自由度设计，第三自由度是大臂的旋转自由度，第四自由度是肘关节的旋转自由度，如1.2-1图所示，是初步设计图示，图示展示了肩部第三自由度和肘部自由度的设计方案示意图，按前所述，上臂连接点中心距离应该为1134mm，但实际重手腕与手掌的连接也是有距离的，所以应该将整个臂展缩小，在这里上臂臂长为1m左右；为了减少力矩，第三自由度电机和减速器应接近第二自由度减速器，这也使得第三自由度的输出部分连接第四自由度的连杆会相对较长。人体肘关节是一个结构较简单的旋转关节，只有一个自由度完成前臂屈伸动作，但是连接了前臂与上臂相对独立的两部分，同时也是关节承载能力要求较高的关节。图1.2-1机械手第三四自由度设计图 在上臂这里由于肘关节的需要，设计了两对齿轮。1.3齿轮计算总传动比的计算由于这里的齿轮只适用于传递一下功率，不需要减速，也不需要增速，没有任何的要求，则在这里选定传动比为1，即ia其中： ia分配传动比选定标准轴承座6204zz型号的轴承座，中心距高度为60mm，则在这里不能选用较大直径的齿轮，即需要齿轮模数较小或者齿轮的齿数相对较少，在这里给定以下假设：mzz即i则在假设锥齿轮的参数：mzz即i其中： m1 z1 z2 i1 m2 z3 z4 i2第一齿轮副[23]（均采用参考书中的计算过程进行和参考，包括图和各个参数，参数对应的值将不再详细解释）定齿轮类型、精度、材料及齿数根据这里需求的传动方案，第一级传动采用直齿圆柱齿轮进行传动，压力角取为20°。七自由度机械臂中采用的是通用减速器，参考表10-6，选用7级精度。选择材料。由表10-1，选择两齿轮的材料为表面硬化刚（渗碳淬火处理），齿面接触强度为1500Mpa，弯曲强度为450Mpa。选小齿轮齿数z1=29，大齿轮齿数按齿面接触疲劳强度设计由式（10-11）试算小齿轮分度圆直径，即d确定公式中的各参数值试选K计算小齿轮传递的转矩。T由表10-7选取齿宽系数为∅由图10-20查得区域系数ZH由表10-5查得材料的弹性影响系数ZE由式（10-9）计算接触疲劳强度用重合度系数ZεααεZ计算接触疲劳许用应力[σH由图10-25d查得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为σ由式（10-15）计算应力循环的次数：NN由图10-23查取接触疲劳寿命系数KH取失效概率为1%、安全系数S=1。由式（10-14）得[[因为[σH]1试算小齿轮分度圆直径d(2) 调整小齿轮分度圆直径1) 计算实际载荷系数前的数据准备。圆周速度vv=齿宽bb=2） 计算实际载荷系数由表10-2查得使用系数KA根据v=0.458ms齿轮的圆周力FK查表10-3得齿间载荷分配系数KHα由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮相对轴承非对称布置时，得齿向载荷分布系数KHβK由式（10-12），可得按实际载荷系数算得的分度圆直径d 及相应的齿轮模数m=按齿根弯曲疲劳强度设计由式（10-7）试算模数，即m确定公式中的各个参数值试选K由式（10-5）计算弯曲疲劳强度用重合度系数Y计算YFa由图10-17查得齿形系数YFa1由图10-18查得盈利修正系数Ysa1由图10-24c查得小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为σFLim1由图10-22查得弯曲疲劳寿命系数KFN1取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-14）得[[YY因为小齿轮的YFaY 试算模数m(2)调整齿轮模数1)计算时机载荷系数前的数据准备a)圆周速度vdv=b)齿宽bb= c)宽高比b/hh=b2)计算实际载荷系数Ka)根据v=0.246m/s，7级精度，由图10-8查的动载系数Kvb)由Ft1=2T1dc)由表10-4用插值法查得KHβ=1.2695，结合b/h=6.44，查图10-13，得则载荷系数为K由式（10-13），可得按实际载荷系数算得的齿轮模数。m= 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，根据题中的要求这里取m=2mm，大齿轮齿数为31，小齿轮齿数为29，29与31互为质数，满足齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度。几何尺寸计算计算分度圆直径dd计算中心距a=计算齿轮宽度b=考虑不可避免的安装误差，为了保证设计齿宽和节省材料，在这里将齿宽略微的降低一点，取为b=25mm，另外一般将小齿轮略微加宽（5~10）mm，即b取b1=30mm，而使大齿轮的齿宽等于设计齿宽，即主要设计结论齿数z1二、 第二齿轮副选择锥齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1） 选用标准直齿锥齿轮传动，压力角取为20°。齿轮精度和材料与直齿轮相同。选小齿轮齿数z1按齿面接触疲劳强度设计由式（10-29）试算小齿轮分度圆直径，即d确定公式中的各参数值试选K计算小齿轮传递的转矩。T选取齿宽系数为∅由图10-20查得区域系数ZH由表10-5查得材料的弹性影响系数ZE计算接触疲劳许用应力[σH由图10-25d查得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为σ由式（10-15）计算应力循环的次数：NN由图10-23查取接触疲劳寿命系数KH取失效概率为1%、安全系数S=1。由式（10-14）得[[因为[σH]1=试算小齿轮分度圆直径d调整小齿轮分度圆直径计算实际载荷系数前的数据准备圆周速度v。dv=齿宽bb=∅计算实际载荷系数K由表10-2查得使用系数KH根据v=0.452m/s，7级精度，由图10-8查的动载系数Kv直齿锥齿轮精度较低，取齿间载荷分配系数KHα由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮悬臂时，得吃想载荷分布系数KHβ由此得到实际载荷系数：K由式（10-13），可得按实际载荷系数算得的齿轮模数。d及相应的齿轮模数m=按齿根弯曲疲劳强度设计由式（10-27）试算模数，即m确定公式中的各参数试选K计算FFa由分锥角δ1=arctan1u由图10-17查得齿形系数Y由图10-18查得应力修正系数Y由图10-24c查得小齿轮和大齿轮的翅根弯曲疲劳极限分别为σ由图10-22查得弯曲疲劳寿命系数K取弯曲疲劳安全系数S=1.7，由式（10-14）得[[YY因为小齿轮的YFaY试算模数m调整齿轮模数计算实际载荷系数前的数据准备圆周速度v。ddv=齿宽bb=2） 计算实际载荷系数K根据v=0.70m/s，7级精度，由图10-8查的动载系数Kv直齿锥齿轮精度较低，取齿间载荷分配系数KFα由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮悬臂时，得齿向载荷分布系数KFβ由此得到实际载荷系数：K由式（10-13），可得安实际载荷系数算得的齿轮模数为m=按照齿根弯曲疲劳强度计算的模数，就近选择模数m=2.25mm，按照解除疲劳强度算得分度圆直径取d1=40.41，算出小齿轮齿数z1=d1几何尺寸计算计算分度圆直径dd（2） 计算分锥角δδ（3） 计算齿轮宽度b=b=取b主要设计结论齿数z11.4前臂机械结构设计前臂包含第五、六、七自由度，如图所示，其中第五自由度的设计可以参考第三自由度的设计，同样需要将电机和减速器靠近第四自由度，以起到减小力矩的作用。需要指出的是这里手腕部分设计，也就是第六、七自由度的设计，在本设计中，仿照了万向节的设计，中间采用了一个中心被掏空的偏心立方体，一侧的外部连接第六自由度电机和减速器，而将第七自由度的减速器和电机放到了被掏空的偏心立方体里面，将减速器的输出部分与手腕的输出部分相连接，如此，便起到了手腕的作用，具体设计示意图如下。其中第四自由度中心距离到第七自由度中心距离为764mm，与前述相对较短，同样是考虑了连接部分的长度。图1.4-1前臂机械结构设计图1.4-2手腕六七自由度设计图1.4-3万向节示意图1.5七自由度机械臂整机结构连接好肩部两个自由度、上臂两个自由度和前臂两个自由度，便是整个机械臂的臂展，如图所示，是在SolidWorks中处理完成后所作出的样子。需要指出的是，其中第一、二、三自由度是相交于一点的，第五、六、七自由度则并不相交于一点，这里由于电机、减速器并理想轴，实则存在尺寸，存在体积，所以综合考虑后我们尽可能的缩小了第五、六、七自由度之间异面的距离。图1.5-1七自由度仿人机械臂机械设计示意图注：此次设计的是七自由度仿人机械臂的设计，不涉及到手部的设计和躯干的设计，在这里给出了机械臂安装的底座，仅供参考1.6肩部连接件校核如图所示，是肩部连接件的设计模型，分别连接第一自由度减速器的输出法兰和第二自由度得到输入部分。则此肩部的连接件需要校核在手臂自然下垂情况下的应力应变情况和手臂抬起与地面平行情况下的情况下应力应变情况。在这里使用SolidWorks中进行simulation插件进行仿真。图1.6-1肩部连接件图示在这里连接杆件的固定部分为连接第一自由度输出法兰的部分，如下图所示绿色部分为固定孔和固定面，红色部分为所受力矩情况，此状况为当手臂与地面平行时所承受力的情况。所承受力矩大小为3500Nm。则生成网格，进行运算结果。图1.6-2肩部连接件扭矩固定示意图图1.6-3肩部连接件扭矩安全系数示意图分析可知，最大应力处为5.014∗107N/此状况为当手臂与地面垂直时所承受力的情况。所承受力的大小为2950Nm。则生成网格，进行运算结果。图1.6-4肩部连接件受力固定示意图图1.6-5肩部连接件受力安全系数示意图分析可知，最大应力处为3.904∗108N/1.7上臂重要件校核如图所示，第三、四自由度连接件的设计模型，分别连接第三自由度减速器的输出法兰和第四自由度得到输出法兰。则此上臂的连接件同样需要需要校核在手臂自然下垂情况下的应力应变情况和前臂抬起与地面平行情况下的情况下应力应变情况。图1.7-1上臂重要连接件在这里连接杆件的固定部分为连接第三自由度输出法兰的部分，此状况为当前臂与地面垂直时所承受力的情况。所承受力大小约为800N。则生成网格，进行运算结果。图1.7-2上臂重要连接件受力固定示意图图1.7-3上臂重要连接件受力安全系数示意图分析可知，最大应力处为1.423∗107N/m2如下图所示，此状况为当手臂与地面垂直时所承受力的情况。所承受力矩的大小为1500Nm。则生成网格，进行运算结果。图1.7-4上臂重要连接件扭矩固定示意图图1.7-5上臂重要连接件扭矩安全系数示意图由图可知，最大应力处为1.085∗107N/m21.8前臂重要连接件校核如图所示，第五、六自由度连接件的设计模型，分别连接第四自由度减速器的输出法兰和第六自由度得到输出法兰。则此上臂的连接件同样需要校核在手臂自然下垂情况下的应力应变情况和前臂抬起与地面平行情况下的情况下应力应变情况。图1.8-1前臂重要连接件在这里连接杆件的固定部分为连接第五自由度输出法兰的部分，此状况为当前臂与地面垂直时所承受力的情况。所承受力大小约为800N。则生成网格，进行运算结果。图1.8-3前臂重要连接件受力固定示意图图1.8-3前臂重要连接件受力安全系数示意图分析可知，最大应力处为1.094∗105N/m2如下图所示，此状况为当手臂与地面垂直时所承受力的情况。所承受力矩的大小为150Nm。则生成网格，进行运算结果。图1.8-4