《排爆機器人平衡式機械手基座設計案例綜述》2600字

排爆機器人平衡式機械手基座設計案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u28169排爆機器人平衡式機械手基座設計案例綜述 1287741.1基座的總體結構設計 183411.2腰關節(jié)減速機和電機選擇 1193001.2.1腰關節(jié)減速機選擇 1136501.2.2腰關節(jié)電機選擇 29000得腰關節(jié)電機所需功率為 4221991.3蝸輪蝸桿強度校核 512853、按齒面接觸強度設計：按照閉式蝸桿傳動設計準則，傳動中心距 678394.蝸桿與蝸輪的主要參數與幾何尺寸 797145.齒根彎曲疲勞強度校核 837156.主要設計結論 91.1基座的總體結構設計 基座部分主要有固定在移動平臺的底座、驅動大臂旋轉運動的腰關節(jié)以及連接大臂的驅動臂座組成。1.2腰關節(jié)減速機和電機選擇1.2.1腰關節(jié)減速機選擇腰關節(jié)主要為了實現排爆機器人整體機械臂的旋轉轉動。對于機械臂關節(jié)處的減速機選擇，可從RV減速機、行星減速機和蝸輪蝸桿減速機來設計。針對三種減速機的特點介紹進行不同關節(jié)具體的選擇。RV減速機具有結構緊湊、定位精度高且減速比大，與此同時具備高疲勞強度、剛度和壽命的特性。相比較傳統(tǒng)的諧波減速機，其運動精度無法隨著時間的變化而保持一個較高的范圍，經常處于下降趨勢，但生產成本較高。蝸輪蝸桿減速機是進行動力傳遞的機構，優(yōu)點是蝸輪蝸桿的結構特點可以滿足自鎖的條件，以及反向自鎖，并且傳動平穩(wěn)、減速比大，但在精度和效率方面存在缺陷。行星減速機具有精度高、輸出扭矩大、使用壽命長的特點。本文中腰關節(jié)需要傳遞較大扭矩，并且本課題要求具備高精度的特點，與此同時需要自鎖，故腰關節(jié)處的減速機選擇雙重減速機通過選用行星減速機和蝸輪蝸桿組合。下文中其他關節(jié)的減速機選擇也是類似。腰關節(jié)的雙重減速機可以保證機械臂從其底部實現機械臂的精準定位，有利排爆機器人的機械手臂可以更加準確地探測到車體所不能達到的危險物位置，且快速、精準地回轉手臂。在結構設計上，底座分為倆個主要結構，底座下部和底座上部，將底座分解為倆部分的原因是便于安裝伺服電動機和減速器。主要的運動步驟為伺服電機1帶動行星減速機2轉動，隨后蝸桿3旋轉，然后再通過渦輪4傳動，渦輪4帶動動力輸出軸5的轉動，驅動臂座6與渦輪4的動力輸出軸5相互連接，從而使得機械臂發(fā)生整體的轉動。654231654231圖3-2排爆機器人基座腰關節(jié)（圖中1為伺服電機，2為行星減速機，3為蝸桿，4為渦輪，5為動力輸出軸，6為驅動臂座）1.2.2腰關節(jié)電機選擇圖3-3腰關節(jié)機械簡圖排爆機器人機械臂繞著J1即底座腰關節(jié)旋轉發(fā)生轉動。末端執(zhí)行機構的夾持危險物重量為，危險物重心距離J1軸的長度為，機械臂的自身重量，機械臂重心距離J1軸的長度為。機械臂基座需要克服機械臂自重、危險物在水平伸直時轉動慣量所產生的轉矩，即：其中，為腰關節(jié)電機所需力矩，為機械臂自重所產生的慣性力矩，為危險物所產生的的慣性力矩。由力矩計算公式： (3-1)可以得知需要對機械臂和危險物所具有的轉動慣量進行計算。當機械臂水平方向伸長到最長距離時，可以得到其所具備最大的慣性矩。本文中末端執(zhí)行機構所能抓取最大負載為30kg，機械臂最大伸長長度為1.5m，機械手爪所能張開的最大開合距離為0.1m。故假設所抓取危險物為半徑為，長度0.1m的圓柱體，其質量為，與腰關節(jié)的距離為，根據轉動慣量平移公式可得到危險物對J1的轉動慣量為： (3-2)在計算機械臂自重所產生的的關系力矩時，采用SolidWorks進行屬性計算機械臂對腰關節(jié)處所產生的的轉動慣量，得到。由于需要保證腰關節(jié)的轉動精確且快速，此處取腰關節(jié)的角加速度，則腰關節(jié)處電機所需轉矩為：腰關節(jié)處的伺服電機通過蝸輪減速機和行星減速機組合和聯軸器來控制J1軸的轉動，電機所需要滿足的轉矩為基座腰關節(jié)選用減速比的蝸輪蝸桿減速器，減速比行星減速器ZE40，并且行星減速機與蝸輪蝸桿減速器的總傳動效率為，則腰關節(jié)的電機所需轉矩為保證J1軸處有足夠的驅動力矩，所選用電機的轉矩應該按所需轉矩的1.3至1.5倍計算，即根據課題要求，基座腰關節(jié)的回轉速度為由電機功率計算公式： (3-3)得腰關節(jié)電機所需功率為對腰關節(jié)處的電機功率進行圓取整為200w。機械手臂腰關節(jié)需要實現機械臂的旋轉運動，機械臂由底座旋轉臺驅動繞其轉軸旋轉，最大轉動幅度QUOTE360°。機械臂腰關節(jié)部分的減速結構采用蝸輪減速機和行星減速機組成的雙重減速機，具有較高的減速比，與此同時，此處采用的伺服電機可控制的最小回轉角度位1°，即腰關節(jié)的最小分辨率為0.001°，由此特性可以滿足排爆機器人在窄小的工作任務空間內進行活動且準確地驅動機械臂，從而提高排爆機器人對車身無法探測工作空間內進行更深入地檢測危險物。通過機械臂所需要工作的任務空間與過程中可以發(fā)現，由于機械臂需要運動到所需要的工作平面，這個工作平面往往是與工作平面相同。從而，在同平面內進行任務，腰關節(jié)只起到對對整個機械臂的支撐作用以及當抓取危險物時相關定位，而不進行其他的旋轉任務。鑒于腰關節(jié)連接基座和機械臂，在抓取最大重量危險物時持續(xù)進行任務，只會在較短時間內存在過載的現象，因此驅動電機的選用時候無需與最大功率需求相符合，可以通過電機短時過載的特性進行合理選用。根據安川伺服電機7系列選型，綜合樣本選擇SGM7A-02A表3-1SGM7A-02A電機型號參數型號三相相電壓額定轉速額定功率QUOTE靜轉矩轉動慣量QUOTE額定電流ASGM7A-02A20030000.2kw0.63712.36.41.3蝸輪蝸桿強度校核圖3-4蝸輪蝸桿三維圖本章中蝸輪蝸桿用于機械臂大范圍旋轉的傳動機構，通過計算的方法進行強度校核。1、蝸輪輸出轉矩，根據GB/T10085-2018推薦，采取漸開線蝸桿（ZI）。2、考慮到蝸桿傳動功率不大，速度不高，故蝸桿選用45鋼；希望傳動效率高，耐磨性好，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度45-55HRC。蝸輪用鑄錫青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造，輪芯則采用灰鑄鐵HT100制造。3、按齒面接觸強度設計：按照閉式蝸桿傳動設計準則，傳動中心距 (3-4)（1）確定作用在蝸輪上的轉矩按照，估計效率則 (3-5)（2）確定載荷系數K假設工作載荷穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數QUOTE，由《機械設計》表11-5選取使用系數QUOTE，由于轉速不高，沖擊不大，可取動載荷系數QUOTE (3-6)（3）確定蝸輪齒數 (3-7)（4）確定許用接觸應力根據鑄錫青銅ZCuSn10P10，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度QUOTE≥45HRC，從《機械設計》表11-7中查得渦輪基本許用應力QUOTE應力循環(huán)次數，其中為工作壽命，假設渦輪一天工作16個小時，一年工作300天，總共工作16年， (3-8)壽命系數 (3-9)得到 (3-10)（5）計算值因故從《機械設計》表11-1中取模數，蝸桿分度圓直徑4.蝸桿與蝸輪的主要參數與幾何尺寸（1）中心距(3-11)（2）蝸桿分度圓直徑，齒頂圓直徑，齒根圓直徑，齒寬，分度圓導程角。（3）蝸輪蝸輪分度圓直徑QUOTEd2=mz2蝸輪喉圓直徑QUOTEd蝸輪外圓直徑QUOTEde2≤da2蝸輪齒根圓直徑d蝸輪咽喉母圓半徑QUOTEr5.齒根彎曲疲勞強度校