通用工業(yè)機(jī)器人的小臂及手腕設(shè)計(jì)

No11緒論本次綜合課程設(shè)計(jì)題目為通用工業(yè)機(jī)器人的小臂及手腕設(shè)計(jì)。工業(yè)機(jī)器人一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和輸入、輸出系統(tǒng)接口組成。執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成握取工具（或工件）實(shí)現(xiàn)所需各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)部:件，包括手部、腕部、臂部、機(jī)身和行走機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件提供動(dòng)力的裝置。按照采用的動(dòng)力源不同，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為液壓式、氣壓式、電氣式?？刂葡到y(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作。按照運(yùn)動(dòng)軌跡，可以分為點(diǎn)位控制和軌跡控制。傳感系統(tǒng)是為了使工業(yè)機(jī)器人正常工作和與周圍環(huán)境保持密切聯(lián)系，包括位置、視覺、力覺、觸覺和接近覺等多種類型傳感器及傳感信號的采集處理系統(tǒng)。輸入、輸出系統(tǒng)接口是為了工業(yè)機(jī)器人與周邊系統(tǒng)及相應(yīng)操作進(jìn)行聯(lián)系與應(yīng)答，包括各種通訊接口和人機(jī)通信裝置。通用工業(yè)機(jī)器人又被稱為多用途工業(yè)機(jī)器人，是用來完成某些輔助操作如裝料、卸料、運(yùn)輸、堆垛或在各種工藝用途的裝備上完成所需各種形式運(yùn)動(dòng)和順序。通用工業(yè)機(jī)器人不僅可用于輔助操作的自動(dòng)化，也可完成基本的工藝過程，如焊接、熱處理、噴涂等。通用工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)首先由其工藝上可能性所必須的多樣化所決定。與此相關(guān)，當(dāng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人時(shí)，要保證工作機(jī)構(gòu)有更多的自由度（5?7或更多）。例如夾持器，為了使工業(yè)機(jī)器人完成各種工藝操作，采用操作機(jī)（手臂和手腕）桿件位移坐標(biāo)系：圓柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)和組合坐標(biāo)系。通用工業(yè)機(jī)器人一般服務(wù)在其周圍安裝的若十個(gè)工藝裝備單元。這說明需要有足夠大的工作空間和較高的機(jī)動(dòng)靈活性?？墒请S著操作機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)動(dòng)副數(shù)目的增加，工作機(jī)構(gòu)要達(dá)到較大的承載能力和較高的定位精度是困難的。同時(shí)機(jī)器人的控制也更加復(fù)雜。為增大工作空間，例如多用途機(jī)器人在機(jī)床組或其它工藝裝備上工作時(shí)，操作機(jī)可以安裝在可動(dòng)基礎(chǔ)（小車）上。這種附加移動(dòng)既保證手臂的行程增大，又N。2保持操作機(jī)有較大的承載能力。操作機(jī)的手臂可以是單一剛性結(jié)構(gòu)（一般為管截面桿）或是若干個(gè)鉸接連桿形式。在操作機(jī)手臂和手腕結(jié)構(gòu)的某些形式中具有一些鉸鏈鏈接，這使工業(yè)機(jī)器人具有較大的機(jī)動(dòng)靈活性。操作機(jī)可以裝有帶兩個(gè)夾持器的手腕機(jī)構(gòu)。當(dāng)手腕繞其縱軸回轉(zhuǎn)180°時(shí)，一個(gè)夾持器可精確地放置在另一個(gè)位置上。手腕有雙夾持裝置在工藝裝備上工作特別有效，例如，當(dāng)需要在同一位置上取下加工好的零件和裝上毛坯時(shí)，工業(yè)機(jī)器人夾持裝置一般做成可換的。為擴(kuò)大通用工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍，可以改變其特性，以適應(yīng)于具體生產(chǎn)條件，與此同時(shí)用基本模塊形成其變形。工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案可以由標(biāo)準(zhǔn)化單元組成，也可采用僅為完成具體任務(wù)而制作的專用部件。以下根據(jù)通用工業(yè)機(jī)器人的各種要求對題目進(jìn)行設(shè)計(jì)。2通用機(jī)器人總體設(shè)計(jì)該通用機(jī)器人以YM160①2型通用機(jī)器人為基礎(chǔ)進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，該型機(jī)器人在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，各種性能經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，因此以其為基礎(chǔ)額改型設(shè)計(jì)具有較大可行性，且能夠滿足課題要求。該型通用機(jī)器人廣泛應(yīng)用于各種工藝要求的成組看管的設(shè)備上。其中包括帶有數(shù)控裝置的金屬切削機(jī)床。工業(yè)機(jī)器人保證旋轉(zhuǎn)體毛坯的機(jī)床裝料，以及輸送已加工的零件，由機(jī)床加工地點(diǎn)順序的堆放在包裝箱、存儲倉庫或夾具中，將包裝箱或存儲倉庫中的毛坯或零件排列整齊。2.1通用機(jī)器人原理設(shè)計(jì)TOC\o"1-5"\h\zi =該型通用機(jī)器人為可移動(dòng)門架式結(jié)構(gòu)：i =手臂承載機(jī)構(gòu)可沿著導(dǎo)軌進(jìn)行移動(dòng)，導(dǎo)軌安裝與立柱上，位于被看管設(shè)備上方。j =該機(jī)器人共有四個(gè)自由度：1手臂承載機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)軌移動(dòng)，由安裝于承載機(jī)構(gòu)上的電液步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置，減速器和安裝于導(dǎo)軌上的齒條實(shí)現(xiàn)；2手臂在肩關(guān)節(jié)中的轉(zhuǎn)動(dòng)，由安裝于承載機(jī)構(gòu)上的電液步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置，運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)和安裝于肩部的滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)；3手臂在肘關(guān)節(jié)中的轉(zhuǎn)動(dòng)，由安裝于小臂上的電液步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置，運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)和安裝于大臂的滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)；4手腕繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)，由安裝于手腕機(jī)構(gòu)中的液壓缸，齒條，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及不完全齒輪實(shí)現(xiàn)。手腕機(jī)體中安裝兩個(gè)液壓缸，一個(gè)用來使手部旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)實(shí)現(xiàn)手部的夾持動(dòng)作。承載機(jī)構(gòu)、手臂的肩和肘部的電液步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置包括電液伺服步進(jìn)馬達(dá)，液壓馬達(dá)和液壓扭矩放大器。依據(jù)該機(jī)器人的原理設(shè)計(jì)，繪制出該通用機(jī)器人小臂及手腕機(jī)構(gòu)圖（圖1）。

圖1以下對通用機(jī)器人小臂及手腕進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)及計(jì)算。N。53小臂設(shè)計(jì)及計(jì)算手臂是工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)中最重要的部件。它的作用是支承手部和腕部，并改變手部在空間的位置。因此工業(yè)機(jī)器人的手臂一般有2?3個(gè)自由度，即手臂的伸縮、回轉(zhuǎn)和升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)；專用機(jī)械手的臂部一般具有1?2個(gè)自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)或直移。手臂回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過機(jī)座的立柱實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)裝置、各種傳動(dòng)裝置、導(dǎo)向定位裝置、支承連接件和位置檢測元件等來實(shí)現(xiàn)，因此它受力一般比較復(fù)雜，其自重較大，同時(shí)直接承受腕部、手部和被抓取工件的靜、動(dòng)載荷，尤其在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生較大的慣性力，引起沖擊，影響定位的準(zhǔn)確性。臂部運(yùn)動(dòng)部分零部件的重量直接影響著臂部結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。專用機(jī)械手的臂部一般直接安裝在主機(jī)上；工業(yè)機(jī)器人的臂部一般與控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一起安裝在機(jī)身上，機(jī)身可以是固定的，也可以是行走的。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性、抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪榷贾苯佑?=響機(jī)器人的工作性能，所以須根據(jù)機(jī)器人的抓取重量、運(yùn)動(dòng)形式、自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度以及定位精度的要求來設(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)設(shè)計(jì)師必須考慮到手臂的受力情況，油（氣）缸的導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意手臂的剛度、導(dǎo)向性、偏重力矩、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和定位精度等因素。按手臂的結(jié)構(gòu)形式區(qū)分，手臂有單臂、雙臂及懸掛式。按坐標(biāo)系區(qū)分，手臂有圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、直角坐標(biāo)型和多關(guān)節(jié)型等。按手臂的運(yùn)動(dòng)形式區(qū)分，手臂有直線運(yùn)動(dòng)的，如手臂的伸縮、升降及橫向移動(dòng)；有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，如手臂的左右回轉(zhuǎn)、上下擺動(dòng)（即俯仰）；有復(fù)合運(yùn)動(dòng)的，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合、兩直線運(yùn)動(dòng)的組合、兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合。3.1小臂設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人臂部屬于單臂多關(guān)節(jié)復(fù)合運(yùn)動(dòng)型手臂。臂部有橫移、俯仰和前后移動(dòng)三個(gè)運(yùn)動(dòng)。橫移機(jī)構(gòu)為齒輪齒條缸結(jié)構(gòu)，俯仰和前后采用鉸接滾珠絲杠和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。這種機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)比較簡單，重點(diǎn)體現(xiàn)在控制方面。機(jī)器人臂部導(dǎo)向裝置選用滾珠絲杠，手臂移動(dòng)時(shí)帶動(dòng)鋼珠滾動(dòng)并自行循環(huán)，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。這種結(jié)構(gòu)摩擦阻力小，定位精度高，移動(dòng)速度快。小臂設(shè)計(jì)長度為1000mm，采用鉸接方式分別在肘部和腕部鉸接大臂與手腕，連接軸在肘部用螺栓與小臂進(jìn)行連接。鉸接部位為減小運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力使用滾動(dòng)軸承連接。依照結(jié)構(gòu)圖，小臂中部同時(shí)鉸接回轉(zhuǎn)裝置，距肘部150mm，偏離小臂250mm。3.2小臂的載荷分析3.2.1小臂靜載荷分析小臂自重50以，腕部自重35kg，機(jī)器人滿載，即手部夾取100kg重物。1、水平位置載荷分析當(dāng)小臂處于水平位置時(shí)，簡將小臂簡化為桿，其左端受到手腕及重物的拉力尸］，右端受到大臂對其的反力，將該反力分解為沿X軸和沿Y軸方向的分力F2和f3，在滾珠絲杠連接處收到其拉力，可將此拉力移動(dòng)至小臂上，變?yōu)槔4和一旋轉(zhuǎn)力矩M，同時(shí)還受到小臂自重G影響，根據(jù)受力情況分為G1和G2。其受力如圖2所示。 睥MA B .No7取g=9.8m/s2，則圖中各載荷：F]=\323N,G1=416.5N,G2=73.5N,F2,F3,F4,M,待求解;F4與水平方向夾角為=37°；AB=BC=425mm,CD=DE=75mm。由于小臂處于靜止?fàn)顟B(tài)，故各分力合力為零，由此可列出方程組：FxSin。+F+F+G+G=04 13 12FxCos9+F廣0FxAC+GxBC=M+GxCD+FxCE1 1 2 3M=FxCos9x250mm解方程組可得：F2=2824.41N,F3=325.34N,F4=3536.55N,M=1247.25N?m。2、豎直位置載荷分析當(dāng)小臂處于豎直位置時(shí)，將小臂簡化為桿，其下受到手腕及重物的拉力F1,上端受到大臂對其的反力F2，同時(shí)還受小臂自重G。其受力如圖3所示。G !GF1圖3取g=9.8m/s2，則圖中各載荷：F1=1323N,G=490N,F2=F1+GO

F2=1813^3.2.2小臂動(dòng)載荷分析小臂自重50kg,腕部自重35kg,機(jī)器人滿載，即手部夾取100kg重物。按照設(shè)計(jì)要求，小臂擺動(dòng)速度30°/s，加速時(shí)間0.5s,取g=9.8m/s2。1、豎直狀態(tài)載荷分析當(dāng)小臂處于豎直狀態(tài)時(shí)，將小臂簡化為桿，由靜止進(jìn)行加速至擺動(dòng)速度時(shí)，受到腕部及夾取重物重力孔，慣性力F慣，離心力F離，受到絲杠拉力，將絲杠拉力移動(dòng)至肘部，變?yōu)槔2，與力偶心，受到肘部水平方向拉力尸3，豎直方；向拉力F4，及小臂自重弓，小臂慣性力G慣，小臂離心力G離。分析可知在小臂加速至額定擺動(dòng)速度前一刻，其負(fù)載達(dá)到最大，故選此刻作動(dòng)載荷分析，小臂此刻擺動(dòng)速度可近似為30°/s，設(shè)小臂此刻處于豎直位置。其受力如圖4所示。F3—F

F1=1323N,G=490N，小臂長度/=1000mm，則腕部及夾取重物運(yùn)動(dòng)速度v=0.52m/soFv1323x0.52

=140N,F慣gAtmv2F離135X信22=36.50N，將小臂視為勻質(zhì)直桿，則小臂上每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度v展=丑竺0m/s，R為臂F慣gAtmv2F離135X信22=36.50N，將小臂視為勻質(zhì)直桿，則小臂上每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度v展=丑竺0m/s，R為臂360該點(diǎn)距肘部距離。2兀Rx30J區(qū)J49。'F=26.17N0gAt 0 9.8x0.5=悴=!50xI360)=13.08n2兀Rx30360G慣對肘部的矩T為：慣4902兀Rx30T=f1GR=f1 36^xR=10°^f1R2=17.44N-m慣0慣0 9.8x0.5 6 0F2,F3,F4,M，待求解；F2與水平方向夾角仕54°，小臂長度1000mm。列出小臂受力平衡方程組:F+FSin9+F+F+G+G=01 2 4離 離FCos9+F+F慣+G慣=0M=0.29XF2枷解方程組可得:灼=671.06N,F3=560.61N，F(xiàn)4=1319.68N，M=157.44N-m。2、水平狀態(tài)載荷分析當(dāng)小臂處于水平狀態(tài)時(shí)，將小臂簡化為桿，由靜止進(jìn)行加速至擺動(dòng)速度時(shí)，受到腕部及夾取重物重力尸1，慣性力F慣，離心力F離，受到絲杠拉力，將絲杠拉力移動(dòng)至肘部，變?yōu)槔2，與力偶心受到腕部及夾取重物重力尸1，慣性力F慣，離心力F離，受到絲杠拉力，將絲杠拉力移動(dòng)至肘部，變?yōu)槔2，與力偶心，受到肘部水平方向拉力尸3，豎直方向拉力F4，及小臂自重G,小臂慣性力G慣，小臂離心力G離。分析可知在小臂加速至額定擺動(dòng)速度前一刻，其負(fù)載達(dá)到最大，故選此刻作動(dòng)載荷分析，小臂此刻擺動(dòng)速度可近似為30%，設(shè)小臂此刻處于水平位置。其受力如圖5所示。圖5F1=1323N，G=490N，小臂長度Z=1000mm，則腕部及夾取重物運(yùn)動(dòng)速度v=0.52m/so1323x0.52 =140N，x0.5F廣蚪3!=36.50N將小臂視為勻質(zhì)直桿，則小臂上每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度v推=苴主m/s，R為臂360該點(diǎn)距肘部距離。2兀Rx30G=f1GV^=f1 36^=26.17N慣04 0 9.8x0.550xg離』mR2J2林x30360G慣對肘部的矩T慣為:2兀Rx30T=f1GR=f1 36^xR=100^f1R2=17.44N-m慣o慣o9.8x0.5 6 0F2,F3,F4,M,待求解；F2與水平方向夾角0=37。,小臂長度1000mm。列出小臂受力平衡方程組：FCos9+F3+F離+G*=0F+FSin9+F+F+G+G=01 2 4慣 慣八R 八M+FR+F慣R+G—+T慣=0M=0.29xFSin92解方程組可得：尸2=9886.42凱F3=7846.07n,F4=3970.63n,M=1725.44N-m。3.3小臂上零件的選型及校核3.3.1小臂肘部連接軸的外形尺寸確定小臂與大臂連接軸所受力F=\：氣2+F「,FX,Fy為該軸所受到的水平與豎直方向分力。當(dāng)小臂處于靜態(tài)時(shí)，F(xiàn)靜1=2843.09N,F靜2=1813N。當(dāng)小臂處于動(dòng)態(tài)時(shí)，F(xiàn)動(dòng)「1562.69N,F動(dòng)2=8793.56N。F動(dòng)2>F靜1>F靜2>F動(dòng)]，所以取F=F動(dòng)2,對連接軸受力進(jìn)行設(shè)計(jì)。小臂與大臂連接軸共兩根，可認(rèn)為兩軸受力平均，各受力F/2=4396.78N。該軸選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，材料許用剪切應(yīng)力[T]=155MPa許用安全系數(shù)n=1.5。根據(jù)剪切強(qiáng)度條件：T=n—S<[T]

A可算出連接軸最小截面積A,A>竺S，帶入數(shù)值，可得A>42.55mm2,即軸的[T]=7.36mm。選軸直徑D=25mm。3.3.2小臂肘部軸承選型肘部連接軸直徑D=25mm,軸受力F=8793.56N,肘部為增加運(yùn)動(dòng)柔順度，使用四個(gè)軸承，單個(gè)軸承受力為F/4=2198.39N由于該軸承只承受很小的軸向力，故可選用深溝球軸承。由以上各條件，可選用GB/T276—1994,02系列，6205型軸承，該軸承d=25mm，額定動(dòng)、靜載荷分別為\0.8kN、6.95kN。單個(gè)軸承受力2198.39N，軸承最大轉(zhuǎn)速仃5尸/min。軸承壽命可由下式進(jìn)行計(jì)算：L=竺[￡]%)10h60nIP)式中，C一軸承徑向載荷；P—當(dāng)量動(dòng)載荷；，一壽命系數(shù)。球軸承：8=3；N一軸承的轉(zhuǎn)速，尸/min。該軸承只承受徑向力，故P=2198.39N，將各值帶入公式中，得軸承壽命為:| L10h=8.77x107h3.3.3小臂肘部連接軸螺釘選型小臂肘部連接軸，使用六顆8.8絞制孔螺釘與小臂進(jìn)行連接，8.8級螺釘屈服強(qiáng)度極限“s=640MPi。螺釘受力F=8793.56N，單個(gè)螺釘受力為F/6=1465.59N，螺釘受橫向載荷，螺釘收到橫向載荷時(shí)許用應(yīng)力[1]=氣SS為安全系數(shù)，取3.5。[T]=182.86MPa。根據(jù)剪切強(qiáng)度條件：T=F<[T]

A A>F 可算出螺釘最小截面積Amin， [t]，帶入數(shù)值，可得A>8.01mm2，由此可算出螺栓最小直徑Dmin，D>3.19mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選取GB/T70.1—2000中的M12螺釘。以下對手腕部分進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。4手腕設(shè)計(jì)及計(jì)算手腕是連接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件，起支承手部的作用，它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向。因此它具有獨(dú)立的自由度，以滿足機(jī)器人手部完成復(fù)雜的姿態(tài)。腕部實(shí)際所具有的自由度數(shù)目應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的工作性能要求來確定。在多數(shù)情況下，要確定手部的作業(yè)方位，使手部處于空間任意方向，要求腕部能實(shí)現(xiàn)對空間三個(gè)坐標(biāo)軸X,Y,Z的轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有回轉(zhuǎn)、俯仰和擺動(dòng)三個(gè)自由度。有的腕部為滿足特殊要求還有橫向移動(dòng)自由度。回轉(zhuǎn)：使手部繞自身的軸線旋轉(zhuǎn)。俯仰：使手部繞與臂垂直的水平軸旋轉(zhuǎn)。擺動(dòng)：使手部繞與臂垂直的垂直軸旋轉(zhuǎn)。手腕結(jié)構(gòu)多為上述三個(gè)回轉(zhuǎn)方式的組合。4.1手腕設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人手腕為帶有回轉(zhuǎn)與俯仰運(yùn)動(dòng)的手腕。手腕的回轉(zhuǎn)由液壓缸驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)較緊湊，動(dòng)作靈活等。手腕的俯仰由與手腕連接的鏈輪通過安裝于肩部的液壓馬達(dá)通過鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)保養(yǎng)。同時(shí)可保證手腕與夾持裝置的位置穩(wěn)定，在手臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，手腕可以獲得附加的擺動(dòng)，保證其與固定件的角位置保持不變。手腕機(jī)體中安裝兩個(gè)液壓缸，一個(gè)用來使手部旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)實(shí)現(xiàn)手部的夾持動(dòng)作。由于設(shè)計(jì)為通用機(jī)器人，其腕部與手部設(shè)計(jì)成可分離式，可根據(jù)不同的任務(wù)與用途選擇安裝不同的手臂。設(shè)手腕自重35kg，采用鉸接方式在腕部鉸接小臂，連接軸用螺栓與腕部進(jìn)行連接。鉸接部位為減小運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力使用滾動(dòng)軸承連接。4.2手腕的載荷分析4.2.1手腕靜載荷分析手腕自重35kg，機(jī)器人滿載，即手部夾取100kg重物，手腕質(zhì)心可認(rèn)為位于腕部連接軸的軸線上，且手腕質(zhì)量分布均勻，重物距腕部軸線 400mm，取g=9.8m/s2。1、水平位置載荷分析當(dāng)手腕處于水平位置時(shí)，將手腕簡化為桿，左端受到重物的拉力尸］，右端受到腕部連接軸對其的反力灼，與手腕同軸的鏈輪上的扭矩心，及手腕的自重G。其受力如圖6所示。圖中各載荷：F1=980N，G=343N，F(xiàn)，M，待求解；AB=400mm。由于小臂處于靜止?fàn)顟B(tài)，故各分力合力為零，由此可列出方程組:F+F+G=0M+FxAB=0解方程組可得：F2=1323N,M=392N?m。2、豎直位置載荷分析當(dāng)手腕處于豎直位置時(shí)，將手腕簡化為桿，下端受到重物的拉力F1,上端受到腕部連接軸對其的反力F2，及手腕的自重弓。其受力如圖7所示。::F1圖7圖中各載荷：F1=980N,G=343N,尸2待求解。由于小臂處于靜止?fàn)顟B(tài)，故各分力合力為零，由此可知F+七+G=0可得：F2=1323N。4.2.2手腕動(dòng)載荷分析手腕自重35kg，機(jī)器人滿載，即手部夾取100kg重物，手腕質(zhì)心可認(rèn)為位于腕部連接軸的軸線上，且手腕質(zhì)量分布均勻，重物距腕部軸線400mm，。按照設(shè)計(jì)要求，手腕擺動(dòng)速度90°/s，加速時(shí)間0.5s，取g=9.8m/s2。

1、豎直狀態(tài)載荷分析當(dāng)手腕處于豎直狀態(tài)時(shí)，將手腕簡化為桿，由靜止進(jìn)行加速至擺動(dòng)速度時(shí)，受到腕部及夾取重物重力F1，慣性力F慣，離心力F離，受到同軸鏈輪的扭矩M，受到腕部水平方向拉力尸2，豎直方向拉力尸3，及手腕自重G，小臂慣性力G慣，由于視手腕質(zhì)量分布均勻，故手腕離心力G離=0。分析可知在手腕加速至額定擺動(dòng)速度前一刻，其負(fù)載達(dá)到最大，故選此刻作動(dòng)載荷分析，手腕此刻擺動(dòng)速度可近似為90%，設(shè)手腕此刻處于豎直位置。其受力如圖8所示。F3F2~G慣尸慣Fi，F(xiàn)離

圖8圖中各載荷:F1=980N，G=343NABF1=980N，G=343NF=攵=980x0.63a，慣 gAt 9.8x0.5=99.23N，mv2 100x0.632=99.23N，F(xiàn)= = 離r0.4將手腕視為勻質(zhì)直桿，則手腕上每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度v=2RX90m/s，R為腕360該點(diǎn)距肘部距離。2兀Rx90343x G慣=J0-4——描3* =8.79NG慣對腕部的矩T慣為：2兀Rx90343x一T=J0-4GR=J0-4 36^xR=35kJ0-4R2=2.34Nm慣i慣i9.8x0.5 0F2,F3,M,待求解。列出手腕受力平衡方程組:F+F3+F離+G=0；F+F慣=0；M+T慣+F慣R=0。解方程組可得：F2=126N,F3=1422.23N,M=52.74N?m。2、水平狀態(tài)載荷分析當(dāng)手腕處于水平狀態(tài)時(shí)，將手腕簡化為桿，由靜止進(jìn)行加速至擺動(dòng)速度時(shí)，受到腕部及夾取重物重力F1,慣性力F慣，離心力F離，受到同軸鏈輪的扭矩M,|受到腕部水平方向拉力F2，豎直方向拉力％，及手腕自重G，小臂慣性力G慣，|由于視手腕質(zhì)量分布均勻，故手腕離心力G離=0。分析可知在手腕加速至額定擺動(dòng)速度前一刻，其負(fù)載達(dá)到最大，故選此刻作動(dòng)載荷分析，手腕此刻擺動(dòng)速度可近似為90%，設(shè)手腕此刻處于水平位置。其受力如圖9所示。

慣圖中各載荷:F]=980N,慣圖中各載荷:F]=980N,G=343N,AB=400mm，則腕部及夾取重物運(yùn)動(dòng)速度v=0.63m/s。Fv 980x0.63=126N,x0.5mv2、=99.23N,將手腕視為勻質(zhì)直桿，則手腕上每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度v=2Rx90m/s,R為腕360該點(diǎn)距肘部距離。2兀Rx90343x G慣=J0-4——描堂0 =8.79NG慣對腕部的矩T慣為：2兀Rx90343x一T=J0.4GR=J0.4 36^xR=35招爵R2=2.34Nm慣i慣i9.8x0.5 0f2,f3,M,待求解。列出手腕受力平衡方程組:F+F3+F慣+G=0；F離+F2=0；M+FR+F慣R+T慣=0。解方程組可得：F2=99.23N,F3=1449N,M=444.74Nm。4.3手腕上零件的選型及校核4.3.1腕部連接軸的外形尺寸確定腕部連接軸所受力F= +.2,FX，F(xiàn)y為該軸所受到的水平與豎直方向分力。當(dāng)手腕處于靜態(tài)時(shí)，F(xiàn)靜1=1323N,F靜2=1323N。當(dāng)手腕處于動(dòng)態(tài)時(shí)，F(xiàn)動(dòng)1=1427.80N,F動(dòng)2=1452.39N。F動(dòng)2>F動(dòng)1>F靜=F靜2，所以取F=F動(dòng)2，對連接軸尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。小臂與手腕連接軸共兩根，可認(rèn)為兩軸受力平均，各受力F/2=726.20N。該軸選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，材料許用剪切應(yīng)力[]=155MPa許用安全系數(shù)n=1.5。根據(jù)剪切強(qiáng)度條件：T=n—S<[T]

A可算出連接軸最小截面積A，A>竺S，帶入數(shù)值，可得人>7.03mm2，即軸的直[t]一 4A—徑D> =2.99mm。兀選軸直徑D=25mm。4.3.2腕部軸承選型腕部連接軸直徑D=25mm，軸受力F=1452.39N，為增加腕部運(yùn)動(dòng)柔順度，使用四個(gè)軸承，單個(gè)軸承受力為F/4=363.10N由于該軸承只承受很小的軸向力，故可選用深溝球軸承。由以上各條件，可選用GB/T276—1994，02系列，6205型軸承，該軸承d=25mm，額定動(dòng)、靜載荷分別為10.8kN、6.95kN。單個(gè)軸承受力363.10N，軸承最大轉(zhuǎn)速n=15r/min。軸承壽命可由下式進(jìn)行計(jì)算：l=竺[￡油)10h60nIP)式中，C一軸承徑向載荷；P—當(dāng)量動(dòng)載荷；§一壽命系數(shù)。球軸承：8=3；N一軸承的