四自由度圆柱坐标机器人机械手臂设计.doc

1、四自由度圆柱坐标型工业机器人机械设计摘要在现代制造业中，工业机器人已成为不可或缺的核心自动化装备。工业机器人适应工作 环境能力强，可担任各种类型各种强度的生产工作，精度高、速度快、易于控制，可显著提 高生产的工业自动化水平。国内工业机器人起步晚，市场占有率低，许多核心技术还没有掌 握，可靠性低，应用范围小，零部件互换性低。现设计一种四自由度的圆柱坐标型机器人，能实现工件的上下搬运。该四自由度机器人 由两个旋转自由度机构和两个平移自由度机构组成，根据机器人运动参数，选择足够功率的 伺服电机，然后，估算驱使机构各自由度运动需要的力及扭矩，选择传动比合适且大小合适 的减速器。通过伺服电机减速器驱动机

2、构的运动，实现机器人腰部旋转，手臂的竖直升降， 手臂的水平移动和末端操纵器的旋转。在机器人辅助系统的设计部分，还考虑了伺服电机导 线坦克链的排布，机构零点位置的触发开关及其导线排布的设计。关键词：四自由度，圆柱坐标，工业机器人，机械设计iMecha nical Desig n of a 4-DOF Cyli ndricalIn dustrial RobotAbstractIn moder n manu facturi ng, in dustrial robot has become an in dispe nsable core automati on equipme nt. I ndustr

3、ial robot has good adaptability, can adapt to all kinds of mass product ion, high precisi on, fast speed, easy to con trol, can sig nifica ntly improve the automati on level of product ion. Domestic in dustrial robots started late, has low market share, low reliability, and many core tech no logies

4、have not yet mastered. The applicati on scope is small, the in tercha ngeability of parts is low.The design of a kind of four degree of freedom cylindrical coordinate robot, can realize the workpiece movi ng up and dow n. The four degree of freedom robot mecha nism is composed of two rotati onal deg

5、rees of freedom and two tran slatio nal degrees of freedom mecha ni sm. Accordi ng to the robot moveme nt parameters, servo motor is selected, and the n estimates the sufficie nt power, force and torque of each degree of freedom moveme nt n eeds, choose the appropriate tran smissi on ratio and suita

6、ble reducer. Drive mechanism motion through the servo motor reducer, and then we can realize the robot waist rotation, vertical lifting arm, arm movement and rotation of the end effector. In part of the design of robot auxiliary system, we take the arrangement of servo motor wire tank chain, design

7、the trigger switch and wire arranging mechanism the zero position into con sideratio n.Key Words: 4-DOF; Cyli ndrical coordi nates; I ndustrial Robot; Mecha nical design#摘要 iAbstract ii第一章引言 11.1工业机器人 11.1.1 工业机器人的概念及特点 11.1.2工业机器人的组成 11.1.3国内外发展状况 21.2研究内容 21.2.1 研究方法 21.2.2研究成果 21.3研究意义 2第二章机构结构设计

8、 42.1设计分析及方案拟定 42.1.1 设计要求 42.1.2设计流程 52.1.3方案拟定 52.2主要结构件设计 62.2.1旋转平台结构 62.2.2滚珠丝杠结构 72.2.3中间连接器 92.2.4外壳设计 112.3受载变形校核 11第三章传动机构设计 133.1腰部转动 133.1.1减速器选择 133.1.2伺服电机选择 143.1.3 传动法兰盘设计 153.2竖直平移 163.2.1滚珠丝杠及螺母选择 163.2.2伺服电机选择 183.2.3联轴器选择 193.3水平平移 203.3.1滚珠螺母丝杠选择 213.3.2 伺服电机选择 213.3.3联轴器选择 223.4

9、手臂末端操纵器旋转 233.4.1伺服电机选择 233.4.2减速器选择 24第四章辅助机构设计 254.1坦克链线路设计 254.2机构零点设计 26第五章总结与展望 285.1总结 285.2展望 28参考文献 30致谢 31附录 323-1 -第一章引言1.1工业机器人1.1.1工业机器人的概念及特点我国专家学者对于工业机器人的概念解释也各有不同，综合各方面的说法，从工业机器 人能实现的功能来讲，工业机器人是有以下功能的机器：（1）具有执行运动操作的机构；（1）具有通用性，可实现多种运动操作；（2）有一定程度的智能，能重复编程；（3）有一定的独立性，一定程度上不依赖人的操纵。1.1.2工

10、业机器人的组成工业机器人一般由机械系统和控制系统组成，四自由度圆柱坐标型工业机器人的机械系统组成由下图可知:四自由度圆柱坐标型工业机器人机械系统驱动机构伺服电机驱动末端操纵器减速器传动图1.1执行机构减速器传动丝杠螺母传动四自由度圆柱坐标型工业机器人机械系统组成（1）驱动机构：本次设计采用四个交流伺服电机驱动四个自由度。至于气压，液压驱动的装置体积较大，因行程较大而不采用。（2）执行机构：本次设计的执行机构主要包括底座、 腰部机构、手臂机构和末端操纵器。采用丝杠螺母和行星齿轮减速器两种传动方式，能将旋转运动转换成直线运动或将高转速转 换成低转速，再将动力传递给执行装置。1.1.3国内外发展状况

11、上世纪中叶，美国结合机械手和操作机两者的优势，开发了一种可自动执行动作的机械 装置，称为工业机器人。60年代末，美国通用汽车公司采用机械手臂，建立了汽车焊接车身 的自动化生产线。此后，工业机器人的研制和应用，受到各个工业发达国家的重视。日本又 称为“机器人的王国”，可见日本的工业机器人产业非常发达，如今的日本在智能型工业机器 人上取得了巨大成就。随后，工业机器人产业又开始在欧洲崛起。工业机器人在中国发展的很快，但相比世界上先进的工业机器人，技术差距依旧明显 国内工业机器人起步晚，相比国外先进技术，国内工业机器人可靠性较低，应用领域较窄， 生产线技术落后，零部件互换性低4。工业机器人且可用于环境

12、恶劣，劳动强度高，劳动单 调乏味的工作中，将人们从中解放出来。1.2研究内容1.2.1研究方法现设计一种工业机器人，有四个自由度，采用圆柱坐标型，利用该种机器人实现工件的 上下料搬运。本次设计主要设计机械系统部分。该机器人的四个自由度分别是腰部旋转、手 臂竖直升降、手臂的水平伸缩和手臂末端操纵器旋转。由四个自由度确定各自传动方式，选 择传动装置。确定机器人各个运动部件运动所需的功率，再选择合适的伺服电机和减速器。 设计机械手臂整体结构采用的三维实体设计软件是SolidWorks 2013,对于分析机构的质量、质心等参数十分方便。1.2.2研究成果本次设计基本完成任务，具体成果如下：（1）完成四

13、自由度圆柱坐标型机器人的整体结构设计，包括基座、腰部旋转平台、竖直 机身、水平手臂和末端旋转平台的设计；（2）完成外壳包装的简单设计，完成机构零点和极限位置的传感器设计；（3）完成机器人三维实体的装配，并绘制出机器人的二维工程图。1.3研究意义工业机器人已经是现代制造业中举足轻重的自动化机械，一些机械式的、工作环境恶劣危险的、没有创新性的作业完全可以由机器人替代人工完成。在金属热压加工中，需要人工作在加热的窑炉、冲压床、车床或钻床附近，工业机器人耐高温，程序写好就可以防止与其他加工工具碰撞，避免了工作中出现危险的可能6工业机器人能适应多品种中小批量生产，高精度高速度，容易控制，能显著提高生产自

14、 动化水平。目前小负载旋转臂机型工业机器人市场容量大、应用广泛。-3 -第二章机构结构设计2.1设计分析及方案拟定2.1.1设计要求主要解决问题：按下表中参数的要求，设计一种四自由度圆柱坐标型工业机器人，完成该工业机器人的机械结构设计、驱动装置设计、传动装置设计、各自由度零点和极限位置设计及传感器选择：表2.1机器人设计参数最大负载/kg腰部、臂部回转角度/o伸缩行程/mm高度行程/mm最大旋转角速度-1/（rad s 最大移动速度/（m s-1）重复定位精度/mm336050050021).1机器人的工作空间是指机器人正常工作时手臂末端操纵器能活动的范围，可从上表推得,工作空间图如下：b）俯

15、视图图2.1机械手臂工作空间2.1.2设计流程（1）分析四个自由度，选择适当的驱动方式、传动装置和机构件；（2）用三维建模软件完成主要零件（包括所有结构件）的三维建模，并初步完成三维实体模 型装配;(3) 对实体模型相关参数进行测量估算，按设计要求，最终确定电机、减速器、丝杠等产品 参数，完成装配；(4) 对机器人运动进行动画仿真和受载分析，验证设计正确性；(5) 绘制二维工程图流程图如下图所示:图22设计流程-5 -# -2.1.3方案拟定根据设计需求，设计出的工业机器人大致外形图如图2.1所示图2.3工业机器人图序号零件名称零件名称1底盘9联轴器2减速器10伺服电机3伺服电机11伺服电机4

16、滑块12联轴器5导轨13传动法兰6丝杠14底埋7支撐板158轴承座16伺服电机由上面的设计参数表可知，机器人手臂的行程是500mm较大，宜使用电机作为驱动装置 考虑到步进电机精度不足，加速性能一般，易产生丢步或过冲，性能效果没有交流伺服电机 好，又因为所设计的机械手臂起动频率高，且要求快速启停，需达到一定传动精度，因此选 择交流伺服电机。传动装置选择行星齿轮减速器传动和丝杠螺母传动，其中行星齿轮减速器用于腰部高扭 矩低转速的传动，丝杠螺母用于手臂的水平和竖直平移传动。确定机器人的机构简图，以确定机器人的整体结构，所设计的工业机器人的机构简图如 下图：a）表示手抬b）表示水平或 垂直运动c）表示

17、回转运 动图2.4机器人运动简图采用伺服电机和行星齿轮减速器实现机器人的腰部低转速旋转运动；考虑设计中水平方向移动行程500mm相对较大，水平手臂前后平移也是利用伺服电机驱动滚珠丝杠旋转实现，将水平移动和竖直移动的两个螺母角度偏差90度放置，共同固定在一个十字型钢板结构件上，达到水平方向丝杠螺母水平不移动，丝杠前后移动的效果；将一小功率伺服电机和行星 齿轮减速器连接，固定在水平手臂支撑板的一端，实现末端操纵器的旋转。2.2主要结构件设计设计的机器人主要结构包括旋转平台、滚珠丝杠、中间连接器、和外包装。2.2.1旋转平台结构旋转平台是腰部旋转的实现的基础，一般要求有足够的稳定性，结构要求便于装修

18、它 将基座和上方的运动机构连接起来，承载运动机构的重量，旋转平台的设计对于机器人的平 衡性有很大影响。旋转平台结构如下图所示，1）套筒2） PX85减速器3）向心圆柱滚柱轴承 4）内支撑套5）外支撑套6）加强筋7）传动法兰盘8）固定套筒9）固定垫片10）止推轴承图2.5旋转平台结构图内支撑套支撑机身重量，外支撑套带动腰部转动。内支撑套和外支撑套间的连接通过两 个轴承实现：止推轴承承受整个机身的重力，向心圆柱滚柱轴承起到防止机构径向力失衡的 作用。传动法兰盘用螺栓连接在外支撑套上，其内圈有键槽，配合减速器输出轴，输出轴转 动，带动法兰盘和外支撑套转动。减速器用螺栓连接至内支撑套上，输出轴伸出，

19、旋上螺母, 压紧内外支撑套，实现腰部的轴向固定。2.2.2滚珠丝杠结构滚珠丝杠结构实现了手臂的上下和前后平移，结构如图所示：图2.6滚珠丝杠机构丝杠安装采用两端支撑方式，两端各装有一个角接触球轴承（22-8-7,32-15-9），轴承由其两端的轴承座固定，轴承座安装应使丝杠轴线与支撑板平行。轴承座自行设计，其三维模型如下图：图2.7轴承座导轨为滚珠丝杠结构提供了足够的支撑力。导轨首先选择滚珠型直线导轨，主要考虑其轨宽和轨长，滑块主要是确定类型和数量。导轨选择轨宽15mm轨长根据工作行程需求选择600mm滑块选择四方型滑块，其结构及总体尺寸如下图所示：49图2.8四方型滑块由于支撑板是主要承载部

20、件，需要校核支撑板的受压稳定性。分析支撑板受力，支撑板 可以看作下端固定上端自由的压杆，压力为机身的重力，作用点在机身的中心位置，如下图 所示：If图2.9支撑板压杆模型临界压力的公式为二2EI式中：Fcr是临界压力；E是支撑板材料45钢的弹性模量，一般是196-216GPa I是支撑 板的惯性矩，可由三维模型的质量属性得到，40067 kg mm2;卩是长度系数，对于一端固定一端自由的情况，卩值为2.1; L是支撑板长度600mm。计算得到，Fcr=4.98 X010N，远大于 实际所受重力。2.2.3中间连接器(1) 中间连接器的设计中间连接器是连接水平丝杠和竖直丝杠的装置，它将由竖直丝杠

21、螺母机构旋转而产生的 竖直方向的位移，传递给水平丝杠螺母机构，使得手臂能够正常上下移动。中间连接器由两 个螺母滑块连接器和一块中间连接板组成，相互之间用内六角螺栓连接，其结构如下图所示。图2.10中间连接器螺母滑块连接器自行设计，材料选择 45钢，其制造工艺流程简单来说是铸造、铣平面、钻孔、攻螺纹。其安装尺寸由上述滚珠丝杠的螺母及滑块位置决定，外形如下图所示。图2.11螺母滑块连接器图2.12中间连接板(2) 中间连接板的强度校核中间连接板主要需校核其与螺栓接触面上的挤压应力，挤压的强度条件是式中：Fbs是挤压力，A是挤压面面积，dbs是挤压许用应力。由中间连接器的三维模型可知，工作中的连接板

22、与16个螺栓相互接触，螺栓直径3mm连接板厚度5mm单个螺栓对连接板的挤压面的面积 A为15X 10-需。图2.13连接板受力图总的挤压力F为水平手臂的重力，由Solidworks三维建模，经过测量得到质量 m不大于 15kg，因此单个螺栓孔受到挤压力为Fbs=mg/16=9.2N因此，运算得到挤压许用应力-11 -Cbs 0.613MPa查表，可知钢材的挤压许用应力驱355MPa远大于最低要求。224外壳设计机器人外壳外形图如图所示，其主要作用是滚珠丝杠的防尘，导线线路的排布和整体机型的美观。外壳采用铝合金蒙皮包装，蒙皮厚度为3mm质量轻。材料塑性好，采用锻压加工工艺，锻压成型。再以钻头打螺

23、栓孔，以便于安装固定。为方便制造，将整体的外壳分成 三段，分别制造。外壳及其总体尺寸如下图所示：图2.14外壳图2.3受载变形校核受载变形校核可简单的由模型模拟机器人的末端受载时的挠度，得到形变偏移值。应用 Solidworks Simulation的有限元分析功能，简单分析弯曲变形。根据机器人结构受力情况分析，主要是支撑板、丝杠、导轨等结构同时承载负载重量， 因此受载的模型可简化如下图：-1 -图2.15简化的受载模型下端做固定端，右上端的伸出端受向下的负载 3kg，及30N的力，材料统一选择合金钢, 其弹性模量是2.1 x 1011N/mi。运行结果为最大位移量 0.0392mm,基本满足

24、重复定位精度土 0.1m m的要求。详见附录1。-# -第三章传动系统设计传动系统设计主要是传动方式的确定，驱动电机的选择，减速器的选择以及其他辅助传 动件的设计与选择。本次设计的机器人平移自由度均采用滚珠丝杠螺母实现，旋转自由度均 采用行星齿轮减速器实现。电机的选择有步进电机和交流伺服电机，考虑到步进电机精度不 足，步进电机加速性能一般，易产生丢步和过冲。所设计的机械手臂起动频率高，要求快速 启停，且需达到一定传动精度，因此选择交流伺服电机。3.1腰部转动腰部旋转采用行星齿轮减速器传动。图3.1腰部减速器减速器输出轴上有键槽，可直接连接在底盘的传动法兰盘上，带动腰部的上平台转动。3.1.1减

25、速器选择因为机器人腰部的旋转相对伺服电机较慢，传动比大，再考虑到机器人腰部尺寸较大， 可采用行星齿轮减速器，能实现较大传动比的传动。为减小整个机器人手臂的体积，尽量使机构紧凑，在减速器型号选择方面，均选择弹性 齿轮轴套空心输入，实心轴输出方式。(1) 确定驱动设备所需功率P2：F2=KMgvu(5)式中：m通过三维实体模型腰部以上旋转部分质量的测量为 32.6kg，近似取m33kg, 加上运行所需末端操纵器和 3kg重物，总质量取M=40kg ; K是安全系数，K=1.2; g是重力 加速度；v是机构运行速度，取2m/s；卩是摩擦系数，卩=0.15计算得P2=141.1W。确定减速器的传动比i

26、13 -i=nin2式中：ni是电机转速，n2是腰部转速。腰部转动最大角速度为w2=2rad/s,转速血=9.55应=19.1r/min ,伺服电机转速 ni=3000r/min ,则 i=3000/19.1=157,取 i=120,三级传动。(2) 确定使用系数f仁查减速器技术手册，假设均衡负载下启动次数少，每日工作12小时，fi=1.25。(3) 被驱动设备的扭矩T2：T2=9550XP2/n2式中：P2是驱动设备所需功率，匕是腰部最大转速。计算得 T2=70.5N m。(4) 减速器输出扭矩T2N:T2NTXi=88.1N m(8)根据传动比i、减速器输出扭矩 T2N 88.1N ,

27、查询减速器技术手册，选择减速器：PX-85-120-S,减速器相关技术参数如下表：表3.1腰部减速器技术参数减速器型号减速比i满载效率额定输出扭矩T2n/N m转动惯量J/(kg cm2)最大径向力 Fr/N最大轴向力 Fa/NPX-85-120-S12090%1000.7440420(5) 减速器径向、轴向力校核：减速器轴在径向不受外力作用，因此不用校核。轴向有紧固螺钉对轴的拉力，考虑到紧 固螺钉的作用仅仅是防止机身径向不平衡，所受轴向力很小，轴向力可不用校核。3.1.2伺服电机选择(1) 电机所需功率P1N :P1N K-2nX=193.7W(9)式中：K是安全系数，P2是驱动设备所需功率

28、n是满载效率，f1是设备使用系数。查伺服电机和减速器的技术手册，所选减速器对应电机的安装尺寸为90mm,对应伺服电机功率750W,因此选择电机型号：MSME 082G1，相关技术参数见下表：-1 -交流最大转速额定转矩最大转矩转子转动惯功率额定转速n电机型号电源nmaxTT max量P/W-1/(r min )12/V/(r min )/(N m)/(N m)Jm /(kg cm )MSME750AC200300060002.47.10.87082G1表3.2腰部伺服电机技术参数(2)伺服电机惯量比校核:估算负载惯量:I1. 21小 2J负载惯量=L + m2 D3-12 I2=20 0.5

29、2 +20 0.123=2.52N m式中:估算电机和减速器的惯量:J电机+减速器=J电机+J减速器-4-42=0.8710 +0.7 10120=1.01N m计算得:J负载惯量/J电机+减速器 =2.50 倍88.1N ，可以计算得到伺服电机最小所需的输出扭矩T电机:T 电机=T2N *i 幵0.81 N m(13)电机额定扭矩T=2.4 N mT电机，所以转矩满足要求。3.1.3传动法兰盘设计传动法兰盘连接PX85行星齿轮减速器和腰部旋转平台，与行星齿轮减速器的输出轴用键连接，与腰部旋转平台用螺栓连接，将行星齿轮减速器的扭矩传递给腰部旋转平台，使腰部旋转运动得以实现。传动法兰盘的设计图如

30、下:-15 -图3.2传动法兰盘-# -# -3.2竖直平移竖直平移传动方式选择滚珠螺母丝杠（图片）。伺服电机需要安装在顶部，为防止机械手 臂自重下滑，伺服电机应带有制动器。滚珠螺母丝杠的丝杠一端连接联轴器，伺服电机输出 轴连接联轴器另一端。3.2.1滚珠丝杠及螺母选择（1）选择螺母型号由三维实体所建立的模型，可选择法兰式单螺母，F型，切边六孔。（2）确定丝杠导程Bp由传动关系图可得图3.3丝杠螺母BPV maxi n max(14)式中：Vmax是工作台最大平移速度1m/s； i是传动比，=;nmax是电机最大转速6000r/min，计算可得导程Bp等于10mm（3）确定丝杠公称直径Bd已知

31、卩是摩擦系数0.03; Wa是负载质量，可由三维实体建模测量得出WA=20kg； g是重力加速度，计算导向面的摩擦力 Fa：Fa= WAg=0.25 20 9.8=49 N(15)因此丝杠旋转需承受的推力F:F=Fa+ WAg=676.2 N(16)乘以安全系数K=1.2,得F1=K-F=811.44 N(17)查阅该公司提供的产品相关资料，丝杠直径BD=12mm时，丝杠动载荷Ca是2.5KN ,CaF1, 满足要求。(4) 确定丝杠长度丝杠总长一般是工作行程、螺母长度、安装长度、连接长度和余量的总和。由所建立的三维实体模型可知丝杠总长为 650mm(5) 确定滚珠丝杠精度在无特殊要求的情况下

32、根据一般选取的经验，选用C7标准。C7标准表示选取丝杠精度等级为7级，300mm勺丝杠长度上，行程误差不超过 0.050mm(6) 校核扭矩克服摩擦力Fa,也就是产生所需推力的驱动扭矩 T :(18)Fa L。2 二 B式中：B n是进给丝杠的效率，取B n=0.96。计算可得T=9.75 N mm，远小于伺服电机所 能提供的扭矩，所以校验合格。综上，所选择的螺母丝杠技术参数如下表：表3.3丝杠螺母技术参数螺母型号直径BD/mm导程BMmm丝杠总长度BL/mm丝杠动载荷Ca/KN丝杠质量Bw/kg12X 10-2 F 型12106502.50.6切边六孔3.2.2伺服电机选择(1)伺服电机功

33、率确定估算出伺服电机的最大功率P:P=K(1+ Q Wa gv(19)式中：Wa是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得 Wa =20kg；卩是摩擦系数0.1; v 是平移最大速度1m/s； K是安全系数，取K=1.2。计算得P=282.24W,取功率P=400W的交流伺服电机，可选电机型号： MSME 042G1, 它的有关技术参数如下表：表3.4竖直移动伺服电机技术参数电机型号功率P/W交流额定转转子转动惯量2Jm /(kg cm )有无制动器电源/V额定转速-1n/(r min )最大转速最大转矩Tmax/(N m)-1nmax/(r m-in )矩T/(N m)MSME400AC200

34、300060001.33.80.28有042G1(2) 伺服电机惯量比校核测量丝杠的三维模型，得滚珠丝杠的质量Bw=0.6kg，则负载部分的惯量:2 2 2Jl=Jc+Jb=Jc+1/8 BwXBd2+Wa Bp2/(4(20)式中：Jc是所选联轴器的惯量，Jc=3.2 X0-5kg m2, Wa是水平手臂质量，通过三维实体模 型建立可得 Wa =20kg，计算可得Jl=1.19 X0-4kg m2。预选电机的惯量Jm=0.28 X0-4 kg m2,贝时贯量比：Jl/Jm=4.25 倍30 倍(21)(3) 伺服电机转矩校核般伺服电机的运转模式如图:加邃时间t匀速时间切牆诡时间口停止时幅亠雷

35、环时河匚图3.4伺服电机运转模式由最大速度1m/s，移动距离为0.5m，可假设：加速时间ta=0.1s,匀速时间tb=0.4s,减速时间td=0.1s,循环时间tc=1.2s。移动转矩Tf:-19 -Bp2 二B(弋WaF)(22)式中：B n是进给丝杠的效率，取0.96;卩是摩擦系数，取0.1;其他参数可由前面的表格得到，计算上式得Tf=0.0325Nm。加速时转距Ta：+移动转矩(23)(JL JM) 2二Nr / s- 加速时间s式中：Jl和Jm分别是负载部分的惯量和预选电机的惯量，N是电机最高转速100r/s，计算得 Ta=0.956Nm。减速时转矩Td：_ (JL JM ) 2 二

36、Nr /s-加速时间s-移动转矩(24)-1 -1 -式中：Jl和Jm分别是负载部分的惯量和预选电机的惯量，N是电机最高转速100r/s，计算得 Td=0.891N m。因此，最大转矩就是加速时的转矩Ta=0.956N m,乘以安全系数 K=1.2，TaK=1.15 N m3.8N m (400W电机的最大转矩)。确认有效转矩 T rms：Ta2 ta Tf2+Td2 td(25)rms0.9562 0.10.03252 0.4+0.8912 0.11.2= 0.378N m乘以K，TrmsK=0.454 Nm1.3 N m(400W电机额定转矩)。根据以上计算可知功率 750W 电机满足转矩

37、和惯量比要求，适合选用。3.2.3联轴器选择：(1)选择联轴器首先确定联轴器的力矩TT=T*XK2XK3(26)式中：T1是伺服电机的力矩，选择伺服电机时可在手册上查得，值为1.27N m； K1、K2、K3是联轴器的工况系数；假定：负载变动较大，Ki取1.7,每天运转8h, K2取1.00,每小时启停120次，K3取 1.5的条件下，T=3.24N m,力矩不大，联轴器可初步选择夹紧式联轴器。夹紧式联轴器是一种金属弹性联轴器，轴拆装方便，但正常工作承受的力矩有限，对同 轴度要求不是很高，并且该联轴器正反转时的转动特性一致，非常适用于机器人等频繁启停 的场合。伺服电机的输出轴径14mm和丝杠的

38、输入轴 径 10mm,由此选择联轴器型号TS4C-40-1014,如下图。图3.5铝合金弹性联轴器(2) 校核力矩查阅企业联轴器产品说明书9, TS4C-40-1014型联轴器的拧紧力矩达4Nm,大于联轴器 实际工作时所承受的力矩T=3.24Nm，满足实际要求。3.3水平平移水平平移传动机构采用滚珠丝杠。螺母水平方向固定不动，转动的丝杠带动整个机械手 臂相对于螺母前后平移，实现机械手臂的水平平移。水平平移和竖直平移采用相同的传动方式，运动参数一致，因此丝杠螺母、伺服电机和 联轴器选择方法一致，不同在于水平平移不用克服机械手臂的重力，消耗功率减小，因此电 机选择的功率有所变动。3.3.1滚珠螺母

39、丝杠选择水平平移自由度滚珠丝杠选择同竖直平移，详细技术参数见表3-3。3.3.2伺服电机选择(1)伺服电机功率确定估算出伺服电机的最大功率P:P=K Wa gv(27)式中：Wa是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得 Wa =20kg；卩是摩擦系数0.1; v 是平移最大速度1m/s； K是安全系数，取K=1.2。计算得P=24W，取功率P=200W的交流伺服电机，可选电机型号：MSME 022G1，它的+移动转矩(30)有关技术参数如下表：表3.5水平移动伺服电机技术参数转子转动电机型号功率P/W交流电源/V额定转速-1n/(r min )最大转速-1nmax/(r min )额定转矩T/

40、N m)最大转矩T max/(N m)惯量2JM/(kg cm )MSME200AC200300060000.641.910.14022G1-1 -(JLJM ) 2 二 Nr / s加速时间s-移动转矩(31)式中：Jl和Jm分别是负载部分的惯量和预选电机的惯量，N是电机最高转速100r/s，计算得 Td=0.803N m。因此，最大转矩就是加速时的转矩Ta=0.868N m，乘以安全系数 K=1.2 , TaK=1.04 N m1.91N m (400W电机的最大转矩)。确认有效转矩 T rms：222(32)Ta ta Tf tb+Td td vt0.8682 0.10.03252 0

41、4+0.8032 0.11.2-0.342N m乘以 K，TrmsK=0.411 N m0.64 N m(400W 电机额定转矩)。根据以上计算可知，惯量比和功率虽然有较大余量，但根据转矩选择200W电机。3.3.3联轴器选择(1)选择联轴器联轴器仍选用夹紧式弹性联轴器，选择方法同上，首先确定联轴器的力矩T:T=T*XK2XK3(33)式中：T1是伺服电机的力矩，选择伺服电机时可在手册上查得，值为0.64N m； K1、K2、K3是联轴器的工况系数；假定：负载变动较大，K1=1.7，每天运转8小时，K2=1.00,每小时启停120次，K3=1.5 的工况下，T=1.64N m，伺服电机的输出

42、轴径11mm和丝杠的 输入轴径 10mm,由此选择 联轴器型号TS4C-40-1011。(2)校核力矩查阅企业联轴器产品说明书，TS4C-40-1011型联轴器的拧紧力矩达4N m，大于联轴器实 际工作时所承受的最大力矩 T=1.64N m，满足实际要求。3.4手臂末端操纵器旋转末端操纵器由法兰盘连接，需承载 3kg重物，伺服电机连接行星齿轮减速器，减速器输-1 -出轴直接连接法兰盘，带动法兰盘旋转，如下图:图3.6末端传动结构图预算法兰盘连同末端操纵器和重物总共10kg。伺服电机和减速器的选择方法同腰部电机和减速器的选择，具体过程不再给出。3.4.1伺服电机选择经估算，选择电机功率100W，

43、电机的相关参数如下表：表3.6末端伺服电机技术参数转子转动惯电机型号功率P/W交流电源N额定转速n/(r mrin 1)最大转速nmax/(r min 1)额定转矩T/(N m)最大转矩Tmax/(N m)量JM/(kg cm2)MSME100AC200300060000.320.950.051012G13.4.2减速器选择经估算，减速器选择的型号是 PL-50-120-S,相关技术参数如下表:表3.7末端行星减速器技术参数减速器型号减速比i满载效率额定输出扭矩T2n/(N m)转动惯量2J/(kg cm )最大径向力 Fr/N最大轴向力 Fa/NPL-50-120-S12090%100.029440420PL型减速器如图所示:-25 -第四章辅助机构设计4.1导线线路设计