移动机器人机械臂的设计 - 图文

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选用齿轮传动比 n=1:1，忽略齿轮传动摩擦及轴承滚动摩擦力矩，根据上述计算，我们选择了北京和利时电机公司生产的 28BYG250C-SASSMQ-0071 型步进电机，它的保持转矩为 90mN?m，满足设计要求。 3.4.2 电机的技术参数及尺寸 步进电机的如图3.6所示：

图3.6 步进电机

步进电机的技术参数如表3. 2所示：

表3.2 步进电机的技术参数

步进电机的尺寸如图3.7所示：

图3.7 步进电机的尺寸

步进电机的安装如图3.8所示：

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图3.8 步进电机的安装

3.5 材料的选择与强度校核

3.5.1 齿轮系材料的选择

对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬，齿心要韧。钢材韧性好，耐冲击，容易通过热处理来改善其机械性能和提高硬度，是制造齿轮最常用的材料。

对于强度、速度和精度要求不高的齿轮传动，可以采用软齿面齿轮。软齿面齿轮的齿面硬度低于350HBS，热处理方法为调制或正火，常用材料有45号钢和40Cr等。加工方法一般为热处理后切齿，切制后即为成品，精度一般为8级。本文设计的齿轮副速度要求不高，所以设计选用40Cr为材料，软齿面即可满足传动要求。 3.5.2 齿轮副的强度校核

轮齿在受载荷时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。对于制造精度较低的传动齿轮，由于制造误差大，实际上多由在齿顶处咬合的轮齿分担较多的载荷，为便于计算，通常按全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度。 本文设计的是直齿圆柱齿轮，齿数Z=30，模数m=1 mm，齿宽b=4mm,节圆直径d?30mm，齿形角度??20?，齿轮副的传动比u=1:1。电机传动的转矩T=90N?mm。那么齿轮所受的圆周力

Ft?2T2?90??6Nd30 （3-4）

对于齿轮的校核将从两方面来计算： 1) 齿面接触疲劳强度的校核 齿面接触疲劳强度的校核公式为； ?H?ZH?ZEKFtu?1??[?H] （3-5） bd1式中： ZH为区域系数，标准直齿轮ZH=2.5； K为载荷系数，此处取K=1.8；

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ZE为弹性影响系数，查得ZE=188MPa； [?H]为接触疲劳许用应力 [?H]?第 15 页 共 45 页

KHN?Hlim （3-6）

S其中： KHN为接触疲劳寿命系数，取KHN=0.95；

?Hlim齿轮接触疲劳强度极限，查得?Hlim=550MPa； S为安全系数，取S=1。 从而求得： [?H]=522.5MPa 将所有已知量带入(3-6)式，求得：

?H=199.5MPa?[?H]=522.5MPa 从齿面接触疲劳强度上来说，齿轮是合格的。

(2）齿根弯曲疲劳强度的校核 本文设计中的齿轮为一悬臂梁。 齿根危险截面的弯曲强度条件式为 ?F??F0KFYtFaYSa??[?F] （3-7）

bm式中：?F0为齿根危险截面处的理论弯曲应力；

YSa为载荷作用于齿顶时的应力校正系数，取YSa=1.625； YFa为载荷作用于齿顶时的齿形系数，取YFa=2.52； [?F]为弯曲疲劳许用应力 [?F]?KFN?FE （3-8） S其中： KFN为弯曲疲劳寿命系数，查得KFN=0.88； ?FE为弯曲疲劳强度极限，取?FE=380MPa； 取弯曲疲劳安全系数S=1.4。

从而求得： [?F]=238.86MPa 将所有已知量带入(7)式，求得：

?F=5.53MPa?[?F]=238.86MPa

以上计算可知，设计的齿轮副是合格的。 (3)壳体件材料的选择

机械手臂的壳体可以全部选用硬铝合金分段铸造加工而成。本文选用的是ZAlSi9Mg，这是一种硬铝材料，强度大、质量轻，完全符合本文的设计要求。

机械手指不是壳体机构，它是实体的。本文设计的手指材料也选用同样的铝合金。这有利于材料的购买，同样这种材料是满足设计要求的。材料ZAlSi9Mg的弯曲应力

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240MPa，手指抓去的最大质量为3000g，重力为29.4N。对比两者的力学性能和受力情况，很显然此材料来制造手指远远满足设计中的要求。，不会出现手指弯曲变形的情况。

(4)本体支撑件材料的选择和校核

（a）材料的选择

机械臂支撑件由于与连接件之间为滑动摩擦,需要选取一种耐摩擦,同时要求强度大,质量轻,价格便宜的材料来制造。

工程塑料拥有良好的综合性能,其强度、刚度、冲击韧性、抗疲劳等不较高,特别是拥有很高的耐磨性。它可以在无润滑油的情况下有效的进行工作。由于它相对密度小,因此其强度高。

聚甲醛(POM)是一种比较常用的工程塑料。它是以线性结晶高聚甲醛树脂为基础的。它有着高强度、高弹性模量等优良的综合力学性能。其强度和金属近似,摩擦因数小并有自润滑性,因而耐磨性好。聚甲醛材料是一种相当便宜的材料。

由于本设计中的负荷低,移动机构的速度不快,从而此处选择有聚甲醛这种工程塑料来制造手部的导向轴。 （b）支撑件的校核

支撑件是用来支撑机器人主要机械机构的，本文中共用两个支撑件，直径各为8mm,手部的两个导向轴受力几乎一样。手部要抓取的物体重量为3Kg。这样每个导向轴受到的重量有3Kg。受到的重力仅为29.4N。聚甲醛分为均聚和共聚两种，使用时应注意它们性能上的区别。共聚甲醛在短期内强度好而均聚甲醛柔软性好。共聚物比均聚物软化点高10℃，受载荷时热变形温度高，热稳定性好，成型温度范围广。聚甲醛成型材料的一般性质如表3.3所示：

表3.3 聚甲醛成型材料的一般性质(23℃)

项目

单位

试验

方法ASTM - D570 D570 D638 D638 D638 D790

一般型号

均聚物 共聚物 1.42 0.25 0.22 68.6 40 3.1 97.1

1.41 0.22 0.16 60.8 60 2.82 96.1

CF增强型号

均聚物 共聚物 1.56 0.25 0.20 58.8 12 6.21 73.5

1.61 0.29 - 127.5 3 8.63 193.2

物理机械性能

比重

吸水率(24h浸渍) 吸水率* 抗张强度 相对伸长 拉伸模量 抗弯强度 - % % MPa % GPa MPa