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工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1前言 1.1工業(yè)機(jī)器人的概念 工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)在三維空間中具有較多自由度，并能實(shí)現(xiàn)較多擬人動(dòng)作和功能的機(jī)器，而工業(yè)工業(yè)機(jī)器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人。美國(guó)工業(yè)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)提出的工業(yè)工業(yè)機(jī)器人定義為：“工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)”。英國(guó)和日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)也采用了類似的定義。我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643-90將工業(yè)工業(yè)機(jī)器人定義為：“工業(yè)機(jī)器人是一種能自動(dòng)定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。而將操作機(jī)定義為：“具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置”。 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)一般由操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元、控制裝置和為使工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。 1.1.1操作機(jī) 操作機(jī)是工業(yè)機(jī)器人完成作業(yè)的實(shí)體，它具有和人手臂相似的動(dòng)作功能。通常由下列部分組成： a.末端執(zhí)行器 又稱手部，是工業(yè)機(jī)器人直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)工業(yè)機(jī)器人直接與工作對(duì)象接觸以完成作業(yè)的機(jī)構(gòu)。 b. 手腕 是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來(lái)確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴(kuò)大手臂的動(dòng)作范圍，一般有2～3個(gè)回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用工業(yè)機(jī)器人可以沒(méi)有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。 c. 手臂 它由工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時(shí)包括肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)，即手臂與手臂間。手臂與機(jī)座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴(kuò)大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運(yùn)動(dòng)范圍。 d. 機(jī)座 有時(shí)稱為立柱，是工業(yè)工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中相對(duì)固定并承受相應(yīng)的力的基礎(chǔ)部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿?dòng)式兩類。 1.1.2驅(qū)動(dòng)單元 它是由驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)單元等組成的部件，是用來(lái)為操作機(jī)各部件提供動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的裝置。 1.1.3控制裝置 它是由人對(duì)工業(yè)機(jī)器人的啟動(dòng)、停機(jī)及示教進(jìn)行操作的一種裝置，它指揮工業(yè)機(jī)器人按規(guī)定的要求動(dòng)作。 1.1.4人工智能系統(tǒng) 它由兩部分組成，一部分是感覺(jué)系統(tǒng)，另一部分為決策－規(guī)劃智能系統(tǒng)。 1.2題目來(lái)源 本題設(shè)計(jì)的是關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)，主要是整體方案設(shè)計(jì)和手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其零件設(shè)計(jì)。此課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際。對(duì)于目前手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對(duì)操作員技術(shù)熟練程度要求高，因此采用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件。 1.3技術(shù)要求 根據(jù)設(shè)計(jì)要達(dá)到以下要求 a. 工作可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； b. 裝卸方便，便于維修、調(diào)整； c. 盡量使用通用件，以便降低制造成本。 1.4本題要解決的主要問(wèn)題及設(shè)計(jì)總體思路 本題要解決的問(wèn)題有以下三個(gè)： a. 手腕處于手臂末端，需減輕手臂的載荷，力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減少重量和體積； b. 提高手腕動(dòng)作的精確性； c. 三個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn)。 針對(duì)上述問(wèn)題有了以下設(shè)計(jì)思路： a. 腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置采用分離傳動(dòng)，將3個(gè)驅(qū)動(dòng)器安置在小臂的后端。 b. 提高傳動(dòng)的剛度，盡量減少機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)誤差，對(duì)于分離傳動(dòng)采用傳動(dòng)軸。 c. 驅(qū)動(dòng)電機(jī)1經(jīng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)一對(duì)圓柱齒輪和一對(duì)圓錐齒輪帶動(dòng)手腕在小臂殼體上作偏擺運(yùn)動(dòng)。電機(jī)2經(jīng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)一對(duì)圓柱齒輪和一對(duì)圓錐齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手腕的上下擺動(dòng)。電機(jī)3經(jīng)傳動(dòng)軸和兩對(duì)圓錐齒輪帶動(dòng)軸回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手腕上機(jī)械接口的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r 2.1研究現(xiàn)狀 從工業(yè)機(jī)器人誕生到本世紀(jì)80年代初，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的發(fā)展過(guò)程。到90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。下面將按工業(yè)工業(yè)機(jī)器人和先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人兩條技術(shù)發(fā)展路線分述工業(yè)機(jī)器人的最新進(jìn)展情況。 2.1.1工業(yè)工業(yè)機(jī)器人 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是以機(jī)械、電機(jī)、電子計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)為基礎(chǔ)融合而成的一種系統(tǒng)技術(shù)。 　　a. 工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)：通過(guò)有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以德國(guó)KUKA公司為代表的工業(yè)機(jī)器人公司，已將工業(yè)機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，拓展了工業(yè)機(jī)器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了工業(yè)機(jī)器人的性能。此外采用先進(jìn)的RV減速器及交流伺服電機(jī)，使工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)幾乎成為免維護(hù)系統(tǒng)。 　 b. 并聯(lián)工業(yè)機(jī)器人：采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量及加工，這是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開(kāi)發(fā)出了此類產(chǎn)品。 　　c. 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過(guò)去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸工業(yè)機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機(jī)界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問(wèn)世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。 　　d. 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺(jué)傳感器和力傳感器在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德國(guó)KUKA、REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。 　 e. 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAWA和德國(guó)KUKA公司的最新工業(yè)機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使工業(yè)機(jī)器人由過(guò)去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使工業(yè)機(jī)器人由過(guò)去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。 　　f. 可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過(guò)去工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時(shí)，而現(xiàn)在已達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)，幾乎可以滿足任何場(chǎng)合的需求。 2.2.2先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人 　　近年來(lái)，人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開(kāi)發(fā)、宇宙探測(cè)、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè)等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和工業(yè)機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對(duì)工業(yè)機(jī)器人的要求更高，需要工業(yè)機(jī)器人具有行走功能，對(duì)外 感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 　　a. 水下工業(yè)機(jī)器人：美國(guó)的AUSS、俄羅斯的MT-88、法國(guó)的EPAVLARD等水下工業(yè)機(jī)器人已用于海洋石油開(kāi)采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護(hù)、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下工業(yè)機(jī)器人（remote operated vehicle）和無(wú)纜水下工業(yè)機(jī)器人（autonomous under water vehicle）兩大類。 　　b. 空間工業(yè)機(jī)器人：空間工業(yè)機(jī)器人一直是先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿大等國(guó)已研制出各種空間工業(yè)機(jī)器人。如美國(guó)NASA的空間工業(yè)機(jī)器人 Sojanor等。Sljanor是一輛自主移動(dòng)車，重量為11.5kg，尺寸630~48mm，有6個(gè)車輪，它在火星上的成功應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān) 注。 　　c. 核工業(yè)用工業(yè)機(jī)器人：國(guó)外的研究主要集中在機(jī)構(gòu)靈巧，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠、反應(yīng)快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國(guó)ORML基于工業(yè)機(jī)器人的放射性儲(chǔ)罐清理系統(tǒng)、反應(yīng)堆用雙臂操作器，加拿來(lái)大研制成功的輻射監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，德國(guó)的C7 靈巧手等 　　d. 地下工業(yè)機(jī)器人：地下工業(yè)機(jī)器人主要包括采掘工業(yè)機(jī)器人和地下管道檢修工業(yè)機(jī)器人兩大類。主要研究?jī)?nèi)容為：機(jī)械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達(dá)國(guó)家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的工業(yè)機(jī)器人，各種采工業(yè)機(jī)器人及自動(dòng)化系統(tǒng)正在研制中。 　　e. 醫(yī)用工業(yè)機(jī)器人： 醫(yī)用工業(yè)機(jī)器人的主要研究?jī)?nèi)容包括：醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、工業(yè)機(jī)器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場(chǎng)感外科手術(shù)等。美國(guó)已開(kāi)展臨場(chǎng)感外科（telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場(chǎng)模擬、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。法、英、意、德等國(guó)家聯(lián)合開(kāi)展了圖像引導(dǎo)型矯形外科（telematics）計(jì)劃、袖珍工業(yè)機(jī)器人（biomed）計(jì)劃以及用于外科手術(shù)的機(jī)電手術(shù)工具等項(xiàng)目的研究，并已取得一些卓有成效的結(jié)果。 　 f. 建筑工業(yè)機(jī)器人：日本已研制出20多種建筑工業(yè)機(jī)器人。如高層建筑抹灰工業(yè)機(jī)器人、預(yù)制件安裝工業(yè)機(jī)器人、室內(nèi)裝修工業(yè)機(jī)器人、地面拋光工業(yè)機(jī)器人、擦玻璃工業(yè)機(jī)器人等，并已實(shí)際應(yīng)用。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進(jìn)行管道挖掘和埋設(shè)工業(yè)機(jī)器人、內(nèi)墻安裝工業(yè)機(jī)器人等型號(hào)的研制、并開(kāi)展了傳感器、移動(dòng)技術(shù)和系統(tǒng)自動(dòng)化施工方法等基礎(chǔ)研究。英、德、法等國(guó)也在開(kāi)展這方面的研究。 　　g. 軍用工業(yè)機(jī)器人：近年來(lái)，美、英、法、德等國(guó)已研制出第二代軍用智能工業(yè)機(jī)器人。其特點(diǎn)是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場(chǎng)上具有看、嗅和觸摸能力，能夠自動(dòng)跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動(dòng)搜索、識(shí)別和消滅敵方目標(biāo)的功能。如美國(guó)的Navplab自主導(dǎo)航車、SSV半自主地面戰(zhàn)車，法國(guó)的自主式快速運(yùn)動(dòng) 偵察車（DARDS），德國(guó)MV4爆炸物處理工業(yè)機(jī)器人等。目前美國(guó)ORNL正在研制和開(kāi)發(fā)Abrams坦克、愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈裝電池用工業(yè)機(jī)器人等各種用途的軍用工業(yè)機(jī)器人。 　　可以預(yù)見(jiàn)，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。 2.2發(fā)展趨勢(shì) 目前國(guó)際工業(yè)機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究?jī)?nèi)容集中在以下10個(gè)方面： 　 a. 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載.自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 　 b. 工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開(kāi)放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。工業(yè)機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于 PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。 　 c. 多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高工業(yè)機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問(wèn)題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問(wèn)題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。 　 d. 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。 　 e. 工業(yè)機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，工業(yè)機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多工業(yè)機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。 　 f. 虛擬工業(yè)機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。 　 g. 多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前工業(yè)機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。 　 h. 微型和微小工業(yè)機(jī)器人技術(shù)（micro/miniature robotics）:這是工業(yè)機(jī)器人研究的一個(gè)新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過(guò)去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì)引起工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命， 并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。 　 我國(guó)對(duì)此進(jìn)行了深入的研究。徐衛(wèi)平和張玉茹發(fā)表的《六自由度微動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析》對(duì)六自由度微動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了位移分析并為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了計(jì)算依據(jù)。還有劉辛軍、高峰和汪勁松發(fā)表的《并聯(lián)六自由度微動(dòng)工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法》研究了微動(dòng)工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，建立了并聯(lián)六自由度微動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的空間模型，并分析了該微動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的空間模型，并分析了該微動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)尺寸與各向同性、剛度等性能指標(biāo)的關(guān)系得到了一系列性能圖譜，從各圖譜中可以看出各項(xiàng)性能指標(biāo)在空間模型設(shè)計(jì)參數(shù)空間中的分布規(guī)律，這有助于設(shè)計(jì)者根據(jù)性能指標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)該微動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)尺寸，是探討微動(dòng)工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效分析工具。 第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 3.1.1手指的形狀和分類 夾持式是最常見(jiàn)的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 3.1.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 (一)具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 (二)手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角 兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開(kāi)閉幅度的要求。 (三)保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動(dòng)定心。 (四)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 (五)考慮被抓取對(duì)象的要求 根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過(guò)比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)， 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。 3.1.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示： 圖3-1齒輪齒條式手部 其工件重量G=5公斤， V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為 (1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為: (2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式: 所以 1、因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時(shí)， 所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為。 2、氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為: 式中: - 活塞桿上 Gf = 式中:- 彈簧剛度，N/m - 彈簧預(yù)壓縮量，m - 活塞行程，m - 彈簧鋼絲直徑，m - 彈簧平均直徑，. - 彈簧有效圈數(shù). - 彈簧材料剪切模量，一般取 在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則: 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 校核，按公式 有: 其中，[]， 則: 滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。 3、缸筒壁厚的設(shè)計(jì) 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: 式中:6- 缸筒壁厚，mm - 氣缸內(nèi)徑，mm - 實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa 材料為:ZL3,[]=3MPa 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴(yán)格的密封。 4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 4.2.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。 1.工件2.手部3.手腕 圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài) 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算: 式中: - 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩(); - 慣性力矩(); - 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩(). - 手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩(); 下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算: 式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; - 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: 式中: - 工件對(duì)過(guò)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: - 工件的重量(N); - 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm), - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s); - 起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間(s); — 起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度(弧度)。 2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏 + (; - 摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承; ,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解， 根據(jù),得: 同理，根據(jù)(F),得: 式中:- 的重量(N) ,— 如圖4-1所示的長(zhǎng)度尺寸(cm). 4、轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。 4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理如圖4-2所示，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片封圈4把氣腔分隔成兩個(gè).當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力P驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān)系為: 4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 1.尺寸設(shè)計(jì) 氣缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為,氣缸內(nèi)徑為=96mm,半徑,軸徑=26mm,半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間=0.1s, 壓強(qiáng), 則力矩： 2.尺寸校核 （1）測(cè)定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況， 質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤(pán)上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （） 工件的質(zhì)量為5,質(zhì)量分布于長(zhǎng)的棒料上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 假如工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，對(duì)于長(zhǎng)的棒料來(lái)說(shuō)，最大偏心距 ，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: （2）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重心 與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合，，夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線,則： + （3）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承=0.1， ，為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計(jì),, 4．回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計(jì)為的3倍， 3 設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全。 第三章 吸漿管與排漿管的選擇與直徑計(jì)算 3.1吸漿管直徑計(jì)算 dx=（4Q‘/πvX）1/2=[4×90.90/（3.14×13×60）]1/2=0.180mm 取φ20mm 式中：vX—液流在吸入管中的流速 取vX=1.3 m/S=13 dm/S Q‘—計(jì)算流量Q‘= Q/ηV=75/0.825=90.90L/min 3.2排漿管直徑計(jì)算 dp=（4Q‘/πvp）1/2=（4×90.90/（3.14×20×60））1/2=0.272mm 取φ30mm 式中：vp—液流在排水管中的流速 取vp=2m/S=20 dm/S 3.3漿管的選擇 根據(jù)工作壓力和按上式求得的管子的內(nèi)徑，選擇膠管的尺寸規(guī)格。對(duì)于頻繁，經(jīng)常扭者要降低40%。膠管在使用及設(shè)計(jì)中應(yīng)注意下列事項(xiàng)： （1） 膠管的彎曲半徑不宜過(guò)小，膠管與管接頭的連接處應(yīng)留有一段直的部分，此段長(zhǎng)度不應(yīng)小于關(guān)外半徑的兩倍。 （2） 膠管的長(zhǎng)度應(yīng)考慮到膠管在通入壓力液后，長(zhǎng)度方向?qū)l(fā)生收縮變形，一般收縮量為管長(zhǎng)的3-4%。因此，膠管安裝時(shí)應(yīng)避免處于拉緊狀態(tài)。 （3） 膠管在安裝時(shí)應(yīng)保證不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，為了便于安裝，可沿管長(zhǎng)涂以色紋，以便檢查。 （4） 膠管的管接頭軸線，應(yīng)盡量放置在運(yùn)動(dòng)的平面內(nèi)，避免兩端互相運(yùn)動(dòng)時(shí)膠管收扭。 （5） 膠管應(yīng)避免與機(jī)械上尖角部分相接觸和摩擦，以免管子損壞。 第四章 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人零件選擇及其強(qiáng)度的計(jì)算 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人零件強(qiáng)度的計(jì)算是按皮帶傳動(dòng)，電機(jī)功率5.5Kw，工業(yè)工業(yè)機(jī)器人的額定壓力P=3500N/cm2 ，流量，柱塞D=８0mm來(lái)進(jìn)行的。 4.1 機(jī)架 機(jī)架是由8#槽鋼、平墊板、撐管、加固筋等結(jié)構(gòu)件焊接而成。 4.2 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人體 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人體可實(shí)現(xiàn)吸、排水泥漿功能。工業(yè)工業(yè)機(jī)器人體由主軸、偏心套、連桿、滑套、十子頭、活塞銷等組成。 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人頭由拉桿、柱塞、漿缸、閥座、閥蓋、球閥、進(jìn)漿室、排漿室、進(jìn)漿膠管接頭、空氣室等組成。 行星軸和主軸均安有圓錐滾子軸承，既能承受向心力又能承受斜齒輪產(chǎn)生的軸向分力，有較高的抗彎強(qiáng)度。柱塞和拉桿都采用兩道C形滑環(huán)組合密封，能承受高壓，高溫度250，低溫-100，耐磨，自潤(rùn)滑，適用于水、水泥漿、砂漿、礦物油、酸、堿等各類介質(zhì)。柱塞通過(guò)一套冷卻裝置降低溫升，只需要把膠皮水管一端接近直通管接頭，冷卻水即可進(jìn)入冷卻水管，冷卻拉桿、柱塞。 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人的進(jìn)口為，設(shè)置在進(jìn)漿室的右側(cè)、內(nèi)孔為，有膠管一端接進(jìn)漿膠管接頭，另一端接水泥漿攪拌桶出口。攪拌機(jī)的出漿口必須高于或等于進(jìn)漿膠管接頭孔的高度，使?jié){涂順利的被工業(yè)工業(yè)機(jī)器人吸入。 工業(yè)工業(yè)機(jī)器人的出口為，纖維編織兩層高壓膠管制，接排漿室膠管接頭。 4.3 連桿十字頭連接處銷子強(qiáng)度的計(jì)算 銷的類型可根據(jù)工作要求選定，用于聯(lián)結(jié)的銷，其直徑可根據(jù)聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)按經(jīng)驗(yàn)確定，必要時(shí)再作強(qiáng)度較核。 定位銷通常不受載荷或只受很小的載荷，數(shù)目不能少于兩個(gè)。銷在每一個(gè)被聯(lián)結(jié)的件內(nèi)的長(zhǎng)度約為銷直徑的1-2倍，定位銷的材料通常選35、45鋼，并進(jìn)行硬化處理，根據(jù)工作需要也可以選用30CrMnSiA、1Cr13、2Cr13、H62和1Cr18Ni9Ti等材料；彈性圓柱銷多采用65Mn，其槽口位置不應(yīng)裝在銷子受壓的一面，要在裝配圖上表示出槽口的方向。 設(shè)計(jì)安全銷時(shí)，應(yīng)考慮銷剪斷后要不易飛出和要易于更換。安全銷的材料可選用35、45、50鋼或T8A、T10A等，熱處理后硬度為30-36HRC；銷套材料可選用45鋼、35SiMn、40Cr等，熱處理后的硬度為40-50HRC。安全銷的直徑應(yīng)按銷的抗剪強(qiáng)度τb進(jìn)行計(jì)算，一般可取τb =（0.6-0.7）σb。 根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，選擇45鋼d=16mm的圓柱銷。 材料：45號(hào)鋼 機(jī)械性能： σs=36000N/cm2 σb=61000N/ cm2 [σ]= σs/1.5=24000N/ cm2 （1） 外加負(fù)荷P=πD2P/4=Π×5.52200/4=4749.25N （2） 各支點(diǎn)反力FA，F(xiàn)B ∑Z=0 FA+ FB= P=4749.25N ∑MA=0 18 P－36 FB=0 解得： FB=2374.625N FA =2374.625N （3） 各支點(diǎn)彎矩如圖4.1 MA=MB=0 MC=18FA=4274.3N.cm (4)按彎曲強(qiáng)度計(jì)算 從圖4.1的彎矩圖可知危險(xiǎn)短面為C處截面，截面C處的抗彎摸量W W=0.1d3=0.1×1.63=0.41 cm 3 截面C處的彎曲應(yīng)力σW σW=MC/W=4274.3/0.41=10425 N/ cm2 安全系數(shù)n n=[σ]/ σW=24000/10425=2.3 安全 圖4.1 彎矩圖 （5）按剪切強(qiáng)度計(jì)算 由于此銷為雙剪切 故剪力Q=P/2=2374.625N 剪應(yīng)力τ= Q/F=2374.625X4/1.62π=1182 N/ cm2 安全系數(shù)n=[τ]/ τ=8150/1182=6.9 安全 式中：[τ]—許用剪應(yīng)力[τ]=8150 N/ cm2 （6）按擠壓強(qiáng)度計(jì)算 擠壓應(yīng)力σJYP/FJY=4749.25/1.6X2.4=1237 N/ cm2 安全系數(shù)n= [σJY] /σJY=5100/1237=4.12 安全 式中：[σJY]—擠壓剪應(yīng)力[σJY]=5100 N/ cm2 綜上所敘連桿小頭銷子直徑為16mm滿足強(qiáng)度要求。 4.4 柱塞上螺紋強(qiáng)度計(jì)算 4.4.1螺紋的選擇和強(qiáng)度校核 螺紋強(qiáng)度校核是假定螺紋只沿螺紋中徑傳力，而不受徑向力的影響。而且只有半數(shù)螺紋參加工作，螺紋工作圈數(shù)之間載荷均勻分配，內(nèi)螺紋之間沒(méi)有間隙。此外，本柱塞螺紋是當(dāng)作松聯(lián)接，及受剪切載荷作用的聯(lián)接來(lái)計(jì)算的。 圖4.2 螺紋計(jì)算簡(jiǎn)圖 材料：45號(hào)鋼 機(jī)械性能： σs=36000 N/ cm2 σb=61000 N/ cm2 [σ]= σs /1.5=24000 N/ cm2 計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4.2 主要尺寸 公稱尺寸 d =2 cm 內(nèi)徑 d1= 1.7835 cm 螺 距s=0.2 工作高度h=0.10825 螺紋梯形寬度b=2htg300 =0.15 旋上差寬l=2.2 cm 旋入等容Z =2.2/0.2=11 （1）按彎曲強(qiáng)度計(jì)算 彎曲應(yīng)力： σ=2M/2W=2X257/11X0.021=2225 N/ cm2 式中：M—彎矩 M=h P /2=0.10825×4749.25/2=257 N. cm W—一圈的抗彎摸量 W=πd1b2/6=π1.7835× 0.152/6=0.021 cm3 安全系數(shù)n= [σ] /σ=24000/2225=10.7 （2）按剪切強(qiáng)度計(jì)算 剪切應(yīng)力： τ=2Q/（ZFτ）=2×4749.25/（11×0.84）=1028N/cm2 式中：Fτ—一圈的剪切面積 Fτ=πd1b=3.14×1.7835×0.15=0.84 cm2 安全系數(shù)n= [τ] /τ=72000/1028=7 式中：[τ]—許用剪切應(yīng)力 [τ]= σS/5=36000/5=7200 N/ cm2 （3）按擠壓強(qiáng)度計(jì)算 擠壓應(yīng)力σJY =2Q/（ZFJY）=2×4749.25/（11×0.643）=1343 N/ cm2 式中： FJY—一圈的擠壓面積 FJY=π（d2— d12）/4=π（22— 1.78352）/4=0.634cm2 安全系數(shù)n= [σJY] /σJY=28800/1343=21.45 安全 [σJY]—許用擠壓應(yīng)力 [σJY]= σS/1.25=36000/1.25=28800 N/ cm2 4.4.2螺紋連接的防松方式的選擇 連接螺紋通常均能滿足自鎖條件（φ＜ρ），且擰緊后螺母和螺栓頭部支撐面存在著摩擦力。因此，在靜載荷且工作溫度變化不大時(shí)，可保證連接自鎖而不松退。但在沖擊、振動(dòng)或變載荷的作用下，或在高溫、溫度變化較大的情況下，仍會(huì)出現(xiàn)聯(lián)結(jié)松動(dòng)甚至松退，使機(jī)器不能正常工作甚至造成嚴(yán)重事故。因此，對(duì)螺紋聯(lián)結(jié)必須采取有效的防松措施，以保證正常的工作。 按防松原理，螺紋聯(lián)結(jié)的防松方法可分為摩擦防松、機(jī)械防松和破壞螺紋副防松等幾種。 根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，選擇摩擦防松中的防松螺母來(lái)擰緊防松。此處用GB/T6170-2000六角頭防松螺母瑣定于被聯(lián)結(jié)件上，防松可靠。 4.5工業(yè)工業(yè)機(jī)器人體壁厚強(qiáng)度計(jì)算和選擇 材料：蠕墨鑄鐵 機(jī)械性能： σb=330 N/ cm2 σS=230 N/ cm2 許用安全系數(shù)[S]=2—3.5 取[S] =3.5 則[σ]= σ/[S ]=23000/3.5=6571.429 N/ cm2 實(shí)際壁厚δ=8 mm=0.8cm （1） 按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 δ= r1P/([σ]－0.6p)+C=200×2/(6571.43-0.6×200)+0.8 = 0.662cm<0.8 cm 式中：r1_缸的內(nèi)半徑r1=2 cm C_考慮腐蝕和鑄造偏心的壁厚附加量C=0.1—0.8 cm 取C=0.4 cm （2） 按承壓強(qiáng)度計(jì)算 δ=0.5D{[（σ+0.4P）/（σ—1.3P）]1/2—1}+a δ=0.8×4{[（σ+0.4×200）/（σ—1.32×200）]1/2—1}+0.4 解得σ=1960 N/ cm2 式中：D—工業(yè)工業(yè)機(jī)器人體最大內(nèi)徑 a— 考慮腐蝕和鑄造偏心的壁厚 附加量 a=0.4 cm 安全系數(shù)n= [σ] /σ=657143/1960=3.35 <[n]=3.5 所以此壁厚安全。 4.6 空氣室容積及強(qiáng)度計(jì)算和選擇 空氣室位于排漿室的始端，當(dāng)排漿量增大時(shí)，空氣室中空氣受到壓縮，而當(dāng)排漿量減少時(shí)，空氣膨脹，由于空氣室中空氣體積的改變，空氣壓力也隨之改變，影響水泥漿自空氣室跑出的快慢，迫使排漿均勻。 （1）空氣室容積計(jì)算 V=1.5πβPαsD2s/(4P0δp) =（1.5×3.14×0.009×200××3）/（4×10×0.04） =801.44cm 圖4.3 空氣室 式中: Pαv —平均壓力 Pαv =200N/ cm2 P0 —空氣室未工作時(shí)的壓力 P0=10N/cm2 S—柱塞行程 S=50mm β—剩余液量β=0.009 δP —壓力不均勻系數(shù),取δP=0.04 (2)實(shí)際容積VS VS=πd2L/4+4πr3/3 =π×92×10/4+4×π×4.53/3 =1017.36 cm3＞801.44 cm3 即空氣室的容積合適 (3)強(qiáng)度計(jì)算 材料:蠕墨鑄鐵 實(shí)際厚度:δ=0.8 cm 按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 δ=Pγ/([σ]-0.6P)+C =200×2/(6571.429-0.6×200)+0.4 =0.43 cm＜0.8 cm 按承壓強(qiáng)度計(jì)算 δ=0.5d（-1）+2 δ=0.5×9（-1）+2 解得δ=1478N/cm2 安全系數(shù) n=[δ]/δ=6571.429/1478=4.446 故取δ=0.8cm是可以的。 4.7 減速器的選擇和計(jì)算 減速器是指原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，用來(lái)降低轉(zhuǎn)速并相應(yīng)地增大轉(zhuǎn)矩。減速器的種類很多，這里近討論由齒輪傳動(dòng)、蝸輪傳動(dòng)以及由它們組成的減速器。如果按照傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)劃分，這類減速器有下述六種： 1．齒輪減速器 主要有圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐-圓柱齒輪減速器。 2．蝸桿減速器 主要有圓柱蝸桿減速器、環(huán)面蝸桿減速器和蝸桿減速器。 3．蝸桿-齒輪減速器及齒輪-蝸桿減速器。 4．行星齒輪減速器 5．?dāng)[線針輪減速器 6．諧波齒輪減速器 其中，各類的減速器還有其各自的特點(diǎn)和應(yīng)用，圓柱齒輪減速器的應(yīng)用廣泛，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度容易保證，齒輪可做成直齒、斜齒或人字齒?？捎糜诘退僦剌d，也可用于高速傳動(dòng)。圓錐-圓柱齒輪減速器可制成直齒、斜齒或曲線齒。適用于輸入軸和輸出軸兩軸線垂直相交的傳動(dòng)中?？蔀樗绞交蛄⑹?。其制造安裝復(fù)雜，成本高，僅在設(shè)備布置必要時(shí)才采用。蝸桿-齒輪減速器，當(dāng)蝸桿布置在蝸輪的下邊時(shí)，嚙合處的冷卻和潤(rùn)滑較好，蝸桿軸承潤(rùn)滑也方便。但當(dāng)蝸桿圓周速度太大時(shí)，油的攪動(dòng)損失較大，一般用于蝸桿圓周速度大于5m/s。而當(dāng)蝸桿布置在蝸輪的上邊是，裝拆方便，蝸桿的圓周速度允許高一些，但蝸桿軸承潤(rùn)滑不方便，當(dāng)蝸桿放在蝸輪側(cè)面，蝸輪軸應(yīng)是豎直的。漸開(kāi)線行星齒輪減速器，其體積小，重量輕，承載能力大，效率高，傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，工作平穩(wěn)。與普通圓柱齒輪減速器比較，體積和重量可減少50%左右，效率可提高3%。但其制造精度要求較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。擺線針輪減速器，其傳動(dòng)比大，傳動(dòng)效率較高，單級(jí)傳動(dòng)效率為90%-94%，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕。在相同情況下，它的體積和重量約為普通減速器的50%-80%，過(guò)載和耐沖擊能力較強(qiáng)，故障少，壽命長(zhǎng)。但制造工藝復(fù)雜，需用專用機(jī)床加工，宜專業(yè)化生產(chǎn)。三環(huán)減速器的結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，傳動(dòng)比大，效率單級(jí)為92%-98%，噪聲低，過(guò)載能力強(qiáng)，承載能力高，傳遞功率不受限制，輸出轉(zhuǎn)矩高達(dá)400Kw，不用輸出機(jī)構(gòu)，軸承直徑不受限制。使用壽命長(zhǎng)。零件種類少，齒輪精度要求不高，無(wú)特殊材料且不采用特殊加工方法就能制造，造價(jià)低，適應(yīng)性廣，派生系列多。諧波齒輪減速器的傳動(dòng)比大，范圍寬，元件少，體積小，重量輕。在相同情況下，比一般齒輪減速器體積和重量減少20%-25%。雙波傳動(dòng)中在受載時(shí)同時(shí)嚙合齒數(shù)可達(dá)總齒數(shù)的20%-40%，承載能力大，傳動(dòng)效率高。但制造的工藝較復(fù)雜。 選擇減速器：考慮到此工業(yè)工業(yè)機(jī)器人需經(jīng)常在野外工作，要求利于搬運(yùn)和輸送，因此其體積應(yīng)該盡量輕便，所以選用行星齒輪減速器，因其可用小的體積，就可完成大 的傳動(dòng)比，可將其置于大皮帶輪的內(nèi)部，使整個(gè)工業(yè)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊，體積輕便。 圖4.4 1. 傳動(dòng)比的分配 因?yàn)殡姍C(jī)軸的轉(zhuǎn)速=1440r/min，柱塞工業(yè)工業(yè)機(jī)器人往復(fù)次數(shù)為175次/分，即，= . = =12.9729； =2.16，=6； 1. 按照減速器機(jī)械強(qiáng)度限制的承載能力選定； ==1×5.5×1.4=7.7Kw 其中，——為計(jì)算功率（Kw）； ——為使用系數(shù)，考慮使用工況的影響，選取1； ——為安全系數(shù)，選取1.4； 當(dāng)i=4.5，n=1440r/min，根據(jù)參考文獻(xiàn)16查表3-4知NAD200， =111.11Kw>7.7Kw。 2. 由于環(huán)境溫度的影響，應(yīng)驗(yàn)算熱平衡時(shí)臨界功率>,按已知條件查表2-8、表2-9、表3-17、得=1，=1，因?yàn)?5.5/111.11=4.9%，用插值法得=1 =5.5×1×1×1=5.5Kw 通過(guò)查表3-15得=21Kw>5.5Kw. 工作狀態(tài)的熱功率小于減速器熱平衡功率，因此無(wú)需增加冷卻措施。 3. 行星減速器各齒輪參數(shù) 行星減速器選用型雙聯(lián)機(jī)構(gòu)，行星輪n=3，i=6； 1）中心輪參數(shù) =30； ；；； 旋向向左。 2） 行星輪參數(shù) =30；；旋向向左； ； 3）行星輪參數(shù) =18； = =0.8；； 旋向右旋。 4.8 V帶傳動(dòng)的計(jì)算 帶傳動(dòng)是由固聯(lián)于主動(dòng)軸上的帶輪、固聯(lián)于從動(dòng)軸上的帶輪和緊套在兩輪上的傳動(dòng)帶組成的。當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于帶和帶輪間的摩擦（或嚙合），便拖動(dòng)從動(dòng)輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，并傳動(dòng)一定動(dòng)力。帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、造價(jià)低廉以及緩沖吸振等特點(diǎn)，所以此次設(shè)計(jì)中選用了帶傳動(dòng)。 在帶傳動(dòng)中，常用的有平帶傳動(dòng)，V帶傳動(dòng)，多楔帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)等。在一般機(jī)械中，應(yīng)用最廣的是帶傳動(dòng)。V帶傳動(dòng)較其它帶傳動(dòng)能產(chǎn)生更大的摩擦力。這是V帶傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)。因此，我選用了V帶傳動(dòng)。 (1)計(jì)算功率 Pi=N=1.1×5.5=6.05kw 式中: Kg=工作情況系數(shù) Kg=1.1 (2)膠帶型號(hào)的選擇 根據(jù) Pi=6.05kw及n1=1440r/min 由參考文獻(xiàn)[1]圖8-8選定B型膠帶 (3) 傳動(dòng)比為i=2.16 ； (4)小帶輪直徑D1的確定 根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]圖8-8選 =123mm (5)大帶輪直徑D2的計(jì)算 =i（1-）=2.16100（1-0.01）=265.74mm 其中，——小帶輪直徑（mm）； i ——傳動(dòng)比； ——彈性滑動(dòng)率； 由表8-9可查得，大帶輪直徑為266mm。 (6)帶速V V=πn/(60×1000)=3.14×100×1440/（60×1000）=7.536m/s 速度在5～25 m/s的范圍內(nèi)，合適 (7) 初定軸間距a0 0.7(+)≤a0≤2(+) 0.7(123+266)≤a0≤2(123+266) 282.3≤a0≤778 取a0=560mm (8)初算膠帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度L0 L0=2 a0+π(+)/2+(-)2/4a0 =2×300+π(266+123)/2+(266-123)2/(4×560) =600+610.73+9.12 =1219.85mm 選取基準(zhǔn)長(zhǎng)度Li=1250mm 〈查參考文獻(xiàn)[1]表8-2〉 (9) 實(shí)際中心距a a=a0+(Lp-L0)/2=300+(1250-1219.85)/2 =398mm (10)小帶輪包角α1 α1=－60×（-）/a =－60×(266-123)/398 => 合適 (11)單根膠帶傳遞的功率N0 根據(jù)：n1=1440r/min =100mm 查得 P0=1.32kw〈查參考文獻(xiàn)[1]表8-5a 〉 (12)單根膠帶傳遞功率的增量△P0 根據(jù) i=n1/n2=960/255=3.76 n1=960r/min 查得△P0=0.15 kw〈查參考文獻(xiàn)[1]表8-5b〉 (13)膠帶根數(shù) Z= ==2.96 取Z=3 式中Kα －包角系數(shù)Kα =0.91KL〈查參考文獻(xiàn)[1]表8-8〉 KL －長(zhǎng)度系數(shù)KL =0.91 〈查參考文獻(xiàn)[1]表8-8〉 (14)單根膠帶的預(yù)緊力F0 F0=500（）+m =500（）+0.1× =146.05N 式中：q－皮帶每米長(zhǎng)的重量 q=0.1kg/m〈查參考文獻(xiàn)[1]表8-4〉 (15)帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸 1.小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸確定 由所選電機(jī)的類型，Y132S-4型三向異步電動(dòng)機(jī)。起軸伸直徑d=38mm，長(zhǎng)度L=88mm，故小帶輪軸孔的直徑應(yīng)取=38mm，轂長(zhǎng)應(yīng)小于88mm。 由表14-18查得，小帶輪應(yīng)為實(shí)心軸。輪槽尺寸及輪寬應(yīng)按表14-16計(jì)算，可得=11mm，=3mm，=11mm，e=15mm，=10mm，=6mm。 =80mm。取。 2.大帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸確定 根據(jù)小帶輪尺寸的選定，以及以上關(guān)于帶輪傳動(dòng)的計(jì)算和減速器的結(jié)構(gòu)尺寸，可得，=14mm，=3mm，=15mm，e=19mm，=12mm，=7.5mm。 =120mm。取 4.9 軸的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核 材料：40Cr 機(jī)械性能：調(diào)質(zhì)后 σb=7500N/cm2 σs=5200 N/ cm2 E=210 E= 37000N/ cm2 4.9.1 估算軸徑d d≥A（P/W）1/3 =5×10-3（5.5×103/255）1/3=0.0453m 式中:A－與材料有關(guān)的系數(shù) A =5×10-3 考慮開(kāi)鍵槽應(yīng)增大10～15%，然后將軸徑圓整，取軸徑d=48cm 4.9.2軸的受力分析 (1) 由于皮帶傳動(dòng)產(chǎn)生的作用力Q Q=1781.8N Qx=Qcosθ=1781.8cos19.5○=1679.6N Qy=Qsinθ=1781.8sin19.5○=594.8N (2) 由于缸內(nèi)壓力對(duì)軸的作用 假設(shè)條件: (a) 只計(jì)算缸內(nèi)的作用力,其它構(gòu)件的慣性力忽略不計(jì),因軸的轉(zhuǎn)速較低.. 圖4.5 軸受力圖 (b) 由于法向力所引起的產(chǎn)生應(yīng)力,切向力所引起的切向應(yīng)力及起扭轉(zhuǎn) 產(chǎn)生的切應(yīng)力是同時(shí)存在. (c) 偏心裝置上產(chǎn)生的力如圖4.5所示 (d) 切向力T: T=Psin(α+β)/cosβ 法向力Z: Z=Pcos(α+β)/cosβ 式中： α－偏心角度 β－連桿的偏角 由于缸內(nèi)壓力所引起的連桿偏心機(jī)構(gòu)的力是變化的，通過(guò)對(duì)工業(yè)工業(yè)機(jī)器人軸的受力分析，可知當(dāng)αE=360○時(shí)ZE=Zmax，TZ=0，缸正處于排液狀態(tài)，軸受力最惡劣，其中 L/sin60○=γ/sinβ 即sinβ=γsin60○/L=25/（190×2）=0.11395 β=6.54○ βF=βD=β 高壓缸:ZE=π×5.52×200/4=4749.25N TE=0 ZD=πD2P cos(αD+βD)/（4 cosβD）=2827.25N TD=πD2P sin (αD+βD)/（4cosβD）=3851.6N 低壓缸:ZF=πD2P cos (αF +βF)/（4cosβF）=141.36N TF=πD2P sin (αF +βF)/（4cosβF）=192.58N 將以上各力分別向水平及垂直面上投影,見(jiàn)圖4.6a XD= ZD cos30○－TD cos60○=522.7N YD= ZD sin30○－TD sin60○=4748.2N XE= 0 YE= 4749.25N XF = Z F cos 30○－TF cos 60○=235N YF = ZF SIN30○+ TF SIN 60○=237N 由于TD ,TF而產(chǎn)生的扭矩 MND=TDγ=3851.6×25×10-3=96.29N·m MNF=TFγ=192.58×25×10-3=4.8N·m 軸所傳遞的扭矩 M=N/W=30×4×103/(3.14×255)=149.79 N·m (3)各支點(diǎn)反力 X平面見(jiàn)圖5.7a ∑MA=0 QX×74+XD×152.5+XF×245.4－XB×305=0N XB=(1709×74+522.7×152.5+26.1×245.5)/305=697N ∑X=0 XA= XB+ QX－XD－XF=697+1709－522.7－261=1857.2N Y平面見(jiàn)圖5.7a ∑MA=0 QY×74+YE×59.5+YD×152.5－YF×245.5－YB×305 =0N YB=(589×74+4749.25×59.5+4748.2×152.5－237×245.5)/305=3253N ∑Y=0 YA=YE+YD－QY－Y =4749.25+4748.2－589－237－3253=5417.4N 圖4.6a水平面彎矩 圖4.6b垂直面彎矩 圖4.6c合成彎矩 (4)彎矩 水平面見(jiàn)圖4.6a MXA =－QX×74×10-3=－1707×74×10-3=126.4 N·m MXE=(－QX×135.5－XA)=(－1709×319.5+1857.2×545)×10-3=117.6N·m MXF=(－QX×319.5+ XA×245.5+ XD×93)×10-3 =(－1709×319.5+1857.2×245.5+522.7×93)×10-3=41.4 N·m MXD=(－QX×226.5+XA×125.3)×10-3 =(－1709×226.5+ 1857.2×125.3)×10-3=104.2 N·m MXC=0 MXB=0 垂直面見(jiàn)圖4.6b MYA=－QY×74×10-3=－589×74×10-3=－43.6 N·m MYE=(－QY×133.5－YA ×59.5)×10-3=(－589×133.5－5419×59.5) ×10-3=－401 N·m MYD=(－YB×152.5－YF×93)×10-3=(－3253×152.5×237 ×93)×10-3=－518.1 N·m MYF=－YB×59.5×10-3=－3253×59.5×10-3 =－193.6 N·m MYB =0 MYC=0 合成彎矩見(jiàn)圖4.6c MA =( MXA2+ MYA2)1/2=( 126.42+ 43.62)1/2=133.7N·m ME =( MXE2+ MYE2)1/2=(117.62+ 4012)1/2=417.9N·m MD =( MXD2+ MYD2)1/2=(104.22+ 518.12)1/2=528.5N·m MF =( MXF2+ MYF2)1/2=(41.42+ 193.62)1/2=197.9N·m 最大彎矩 MMAX = MD =528.5N·m 最大扭矩 MnMAX = MND + MNF =96.29+4.8=101.09N·m 5.9.3 驗(yàn)算軸徑 由資料查得 40Cr d≤100mm時(shí) σb=7500N/cm2 σs=5200N/cm2 σ-1=37000N/cm2 H=241～286 D截面 K=