移動機器人轉(zhuǎn)臺的設(shè)計

移動機器人轉(zhuǎn)臺的設(shè)計,移動機器人轉(zhuǎn)臺的設(shè)計,移動,挪動,機器人,轉(zhuǎn)臺,設(shè)計 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 學(xué)院(系)： 機械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械工程及自動化 學(xué) 生 姓 名： 王風(fēng) 學(xué) 號： 0601510150 設(shè)計(論文)題目： 移動機器人轉(zhuǎn)臺的設(shè)計 起 迄 日 期: 2010年3 月22日 ~ 6月 27 日 設(shè)計(論文)地點: 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師: 周建平 專業(yè)負(fù)責(zé)人: 龔光容 發(fā)任務(wù)書日期: 2010年 3 月 12 日  任務(wù)書填寫要求 1．畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學(xué)生所在專業(yè)的負(fù)責(zé)人審查、系部領(lǐng)導(dǎo)簽字后生效。此任務(wù)書應(yīng)在第七學(xué)期結(jié)束前填好并發(fā)給學(xué)生； 2．任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼； 3．任務(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過所在專業(yè)及系部主管領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫； 4．任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“系部”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學(xué)生的“學(xué)號”要寫全號； 5．任務(wù)書內(nèi)“主要參考文獻(xiàn)”的填寫，應(yīng)按照國標(biāo)GB 7714—2005《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性； 6．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書 1．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： 本課題以小型地面移動機器人的轉(zhuǎn)臺為研究對象，要求學(xué)生綜合運用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識,根據(jù)給定的總體結(jié)構(gòu)尺寸、重量及運動特性指標(biāo)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型、機構(gòu)設(shè)計。通過本課題的研究，通過對設(shè)計要求、工作原理和機構(gòu)動作的分析和理解，構(gòu)思機構(gòu)運動方式和傳動布局，并進(jìn)行機構(gòu)、零部件設(shè)計計算等環(huán)節(jié)的實踐，來培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計、計算、制圖及計算機應(yīng)用能力，以提高同學(xué)分析與解決工程實際問題的能力。 2．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）： 內(nèi)容： 以小型地面移動機器人的轉(zhuǎn)臺為研究對象，設(shè)計轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)與升降系統(tǒng)，并滿足總體尺寸、重量及運動特性等指標(biāo)。 要求： （1）根據(jù)教師提供的部分材料和所布置任務(wù)，查閱中外資料，了解課題研究的工程背景。 （2）翻譯外文資料(10000字符以上)。 （3）設(shè)計轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)。轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)有回轉(zhuǎn)和俯仰兩個自由度，系統(tǒng)的總體尺寸：長×寬×高=250mm×250mm×180mm。轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動范圍:360°，旋轉(zhuǎn)速度10～15rpm；俯仰平臺轉(zhuǎn)動范圍25°（下擺5°，上仰20°），旋轉(zhuǎn)速度5～10rpm。 （4）對轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)進(jìn)行機構(gòu)分析、設(shè)計與計算。設(shè)計要求：系統(tǒng)自重≤8kg；載重量為20kg。 （5）繪制該系統(tǒng)裝配圖及部分零件圖。（用Auto CAD或其他繪圖軟件繪制）。 （6）編寫設(shè)計、計算說明書。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書 3．對本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計論文、圖表、實物樣品等〕： （1）繪制機器人轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的裝配圖及部分零件圖。 （2）根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計計算和分析結(jié)果編寫設(shè)計、計算說明書。 （3）給出系統(tǒng)各零件的材料和重量清單，估算系統(tǒng)總重量。 4．主要參考文獻(xiàn)： [1] 王野，王田苗等.危險作業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)綜述［J］.機器人技術(shù)與應(yīng)用,2005(6): 23-31. [2] 李新春等.移動機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］. 機器人，2004（11）：103～106. [3] 張毅，羅元，鄭臺雄.移動機器人技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社， 2007. [4] 常文森,賀漢根,李晨.軍用移動機器人技術(shù)發(fā)展綜述［J］. 計算技術(shù)與自動化， 1998（2）：2～6. [5] 江浩,樊炳輝等.新型移動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］. 應(yīng)用科技，2000（8）：3～5. [6] 馬香峰等.工業(yè)機器人的操作機設(shè)計［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1996. [7] 蔣新松. 機器人學(xué)導(dǎo)論［M］. 沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994. [8] 蘇學(xué)成.樊炳輝等，一種新型的機器人移動結(jié)構(gòu)［J］.機械工程學(xué)報，2003（4）： 120～123. [9] J?西格沃特,I?諾巴克什,自主移動機器人導(dǎo)論［M］李人厚,譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2006. [10] 李振波等.微型全方位移動機器人的研制［J］. 機器人，2000（9）：354～358. [11] 張毅等. 移動機器人技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007. [12] 信建國等.履帶腿式非結(jié)構(gòu)環(huán)境移動機器人特性分析[J].機器人,2004,26(1): 36～39. [13] 江浩等.新型移動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].應(yīng)用科技,2000,27(8):3～5. [14] 明守遠(yuǎn),楊德智.地面反恐排爆機器人的機械運動探討[J]. 機器人技術(shù)與應(yīng)用,2004,3:20-30. [15] 馮小明.自動二維天線測試轉(zhuǎn)臺的設(shè)計[J].火控雷達(dá)技術(shù),2001, 30(3):289～292 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書 5．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題工作進(jìn)度計劃： 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容 2010年 3月22日 ~ 3月 30 日 3月31日 ~ 4月20日 4月21日 ~ 6月10日 6月11日 ~ 6月22日 6月27日 查閱中外資料，了解課題研究的工程背景并翻譯外文資料。 對課題方案進(jìn)行構(gòu)思、分析比較并理出思路，撰寫開題報告。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)的要求對移動機器人轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計。 對選定的系統(tǒng)方案進(jìn)行機構(gòu)分析、設(shè)計與計算。繪制移動機器人轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)裝配圖，拆畫部分零件圖。 撰寫設(shè)計、計算說明書。 準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計論文答辯、 論文評審。 論文答辯 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 學(xué)院（系）意見： 院（系）主任： 年 月 日 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 學(xué) 生 姓 名： 王風(fēng) 學(xué) 號： 0601510150 專 業(yè)： 機械工程及自動化 設(shè)計(論文)題目： 移動機器人轉(zhuǎn)臺的設(shè)計 指 導(dǎo) 教 師: 周建平 2010 年 4 月 4 日 開題報告填寫要求 1．開題報告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效； 2．開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見； 3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打印）在本開題報告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇科技論文的信息量，一般一本參考書最多相當(dāng)于三篇科技論文的信息量（不包括辭典、手冊）； 4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2010年3月15日”或“2010-03-15”。  畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 摘要 機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備[1]。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。它大都用于簡單、重復(fù)、繁重的工作，如上、下料，搬運等，以及工作環(huán)境惡劣的場所，如噴漆、焊接、清砂和清理核廢料等[2]。它使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生了根本性的變化,使人類的生產(chǎn)方式從手工作業(yè)、自動化跨入了智能化的時代。 關(guān)鍵詞 移動作業(yè)機器人 旋轉(zhuǎn)臺 驅(qū)動方式 1 移動作業(yè)機器人的應(yīng)用和發(fā)展趨勢 自從20世紀(jì)60年代初人類創(chuàng)造了第一臺機器人以后，機器人就顯示出它極大的生命力，在短短40多年的時間中，機器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，工業(yè)機器人已在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，機器人已廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中[3]。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機器人、點焊機器人、分配機器人、裝配機器人、噴漆機器人及搬運機器人等小型機器人都已被大量采用[4] ,在眾多制造業(yè)領(lǐng)域中，應(yīng)用工業(yè)機器人最廣泛的領(lǐng)域是汽車及汽車零部件制造業(yè)[5]。 就國際上而言，現(xiàn)在機器人的應(yīng)用主要有兩種方式，一種是機器人工作單元，另一種是帶機器人的生產(chǎn)線，并且后者在國外已經(jīng)成為機器人應(yīng)用的主要方式。 目前小型機器人技術(shù)正在向智能機器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化（例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。）；控制技術(shù)的開放化、PC化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實用化；工作環(huán)境設(shè)計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面[6] [7]。在國內(nèi)機器人技術(shù)也有了很大發(fā)展，在機器人基礎(chǔ)技術(shù)方面：諸如機器人機構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)分析與綜合研究，機器人運動的控制算法及機器人編程語言的研究，機器人內(nèi)外部傳感器的研究與開發(fā)具有多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術(shù)、遙控機器人的控制技術(shù)等均取得長足進(jìn)展，并在實際工作中得到應(yīng)用[8]。 2 小型移動機器人的構(gòu)成 小型移動機器人的結(jié)構(gòu)型式是多種多樣的，但歸納起來看，機器人基本上是由執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)三部分組成[9]。這三部分之間及其與檢測系統(tǒng)、工作對象之間的相互關(guān)系可以用下圖來表示行程速度檢測 控制系統(tǒng) 其它傳感器 驅(qū)動系統(tǒng) 執(zhí)行機構(gòu) 工作對象 圖1 機器人各組成部分關(guān)系圖 2．1 執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)也叫操作機，由一系列連桿或其它形式的運動副所組成，可實現(xiàn)各個方向的運動，它包括帶輪履帶、車身、運動臂、腕關(guān)節(jié)和手部等部件。有時也可裝備偵察設(shè)備等。 圖2 機器人的執(zhí)行機構(gòu) （1）帶輪履帶是機器人的基礎(chǔ)部分，整個裝置的行走機構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)。行走機構(gòu)多用滾輪式或履帶式，行走方式分為有軌和無軌兩種。有時為了能使機器人完成較高攀爬的操作，可以增加電機驅(qū)動擺臂機構(gòu)，進(jìn)行爬行作業(yè)。 （2）旋轉(zhuǎn)臺是外接裝置的承載平臺，要保證與行走、擺動、驅(qū)動機構(gòu)進(jìn)行可靠地連接，所以必須具有足夠的強度和剛度?；剞D(zhuǎn)功能是指小型機器人的工作裝置在車體上進(jìn)行± 90 度的往復(fù)轉(zhuǎn)動。小型機器人在行走裝置的車體上與工作裝置之間采用了回轉(zhuǎn)機構(gòu)?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)是由電機減速器、回轉(zhuǎn)軸、渦輪、蝸桿共同組成，其摩擦系數(shù)微乎其微，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)靈活，即使很小的位移也能控制，克服了無回轉(zhuǎn)功能的不足，且承載平臺還需實現(xiàn)自鎖功能，滿足實際工作的要求。 圖3 轉(zhuǎn)臺及手臂結(jié)構(gòu)簡圖 （3）手臂是執(zhí)行機構(gòu)的主要運動部件，它用來支承腕關(guān)節(jié)和手部，并使它們在工作空間內(nèi)運動。手臂的運動及機構(gòu)與機器人所采用的坐標(biāo)系直接相關(guān)。手臂的運動可歸結(jié)為直線運動。直線運動多通過油（氣）缸驅(qū)動來實現(xiàn)，也可通過齒輪。齒條、滾珠絲桿來實現(xiàn)。 （4）腕關(guān)節(jié)是連接手臂和手部的部件，用于調(diào)整手部的方向、姿態(tài)。腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)大體上可以分為彎曲式和轉(zhuǎn)動式兩種結(jié)構(gòu)。為了使機器人有較好的動力學(xué)特性，一般將作動器裝在立柱或者靠近立柱的其它部件上，通過鏈條、齒形帶或者連桿，將作動器的運動傳遞到腕關(guān)節(jié)。 （5）手部裝置一般指夾持裝置，主要用來按操作順序和位置傳送工作。根據(jù)工作原理的不同，夾持裝置可分為機械夾緊式、真空抽吸式、氣（液）壓張緊式和磁力式四種。 2．2 驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)主要是指驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的傳動裝置，根據(jù)動力源的不同，可分為電動、液壓和氣動三種[10] [11]。根據(jù)需要也可以由這三種類型組成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。 （1）液壓技術(shù)具有動力大、力慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點，適用于承載能力大、慣量大以及在防爆環(huán)境中工作的機械手。 （2）氣動驅(qū)動系統(tǒng)具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、價格低等特點，適用于中小負(fù)載的系統(tǒng)中。由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全可靠! 可以在高溫、震動、易燃、易爆、 多塵埃、 強磁、 輻射等惡劣環(huán)境下工作，而氣動機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護(hù)、 易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等優(yōu)點。但難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機械手中。如在上、下料和沖壓機械手中應(yīng)用較多。 （3）電動驅(qū)動系統(tǒng)一般采用低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交直流電機和配套的伺服驅(qū)動器。 2．3 控制系統(tǒng) 小型機器人的控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制小型機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及運動的時間等項目[12]?？刂葡到y(tǒng)的典型部件有傳感器、控制系統(tǒng)的硬件和軟件等。其控制方式有點位式、軌跡式、力（力矩）控制方式和智能控制方式四種[13]。 （1）點位式能準(zhǔn)確的控制末端執(zhí)行器的工作位置，而路徑無關(guān)緊要，比較簡單。 （2）軌跡式能讓機器人末端執(zhí)行器按照示教的軌跡和速度運動。 （3）力（力矩）控制方式除了準(zhǔn)確定位之外，還能控制力或力矩進(jìn)行工作。 其中應(yīng)用比較廣泛的是PLC系統(tǒng)，可編程序控制器(PLC)已在工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制中得到了廣泛的應(yīng)用。它是以微處理器為核心，綜合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的自動控制裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡單、易于編程、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用和使用方便等一系列優(yōu)點;氣動技術(shù)也是實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要手段，并且已廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)部門，在機械產(chǎn)品自動化、工業(yè)自動化及企業(yè)技術(shù)改造方面占有重要的地位[14] [15]。 3 研究方案 1．根據(jù)設(shè)計指標(biāo),首先對移動載體和搭載平臺進(jìn)行了構(gòu)型分析,然后對各零部件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計。 2. 從總體尺寸、系統(tǒng)自重等方面考慮，選擇出合適的電機、減速器等部件，因轉(zhuǎn)臺還需搭載運動臂等外部，故還需考略轉(zhuǎn)臺因有一定的承載能力。對搭載平臺進(jìn)行應(yīng)力和強度校核,在滿足設(shè)計要求的前提下,對轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,完成了輕量化設(shè)計。 3. 轉(zhuǎn)臺要有回轉(zhuǎn)和俯仰兩個自由度（轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動范圍:360°俯仰平臺轉(zhuǎn)動范圍25°），可參考塔吊的運動原理，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動平穩(wěn)可以考慮使用推力球軸承，為使其達(dá)到自鎖的目的，可使用蝸輪蝸桿裝置。 4 總結(jié) 綜上所述，小型機器人轉(zhuǎn)臺的設(shè)計的主要部分就在于選擇合適的機構(gòu)。根據(jù)給定的自由度和技術(shù)參數(shù)選擇出合適的運動和自鎖部件并對各部分進(jìn)行設(shè)計計算。目前小型機器人的發(fā)展十分迅速，在各行業(yè)中起著重要作用，而我國對在各種危險環(huán)境下作業(yè)的小型機器人要求十分迫切。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 減速機信息網(wǎng). 工業(yè)機器人技術(shù)[EB/OL]. http://www.gkcity.com/n-i-28976-c-Potpourri.htm,2006. [2] 熊有倫. 機器人技術(shù)技術(shù)[M]. 武漢： 華中理工大學(xué)大學(xué)出版社，1996. [3] Krisztinicz I .positioning problems of industrial robots[M].New York :Microsoft Press,1997.165～286. [4] 林繩宗. 全球機器人應(yīng)用概況[J].高技術(shù)縱覽，2005,6:55. [5] 龔振邦. 機器人機械設(shè)計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 1995. [6] 中國自動化網(wǎng).工業(yè)機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[EB/OL]. http://doc.plcjs.com/doc_Lesson/2006-3/16/0631622550860232.htm,2006. [7] 周錫駒.國外工業(yè)機器人的發(fā)展與應(yīng)用動態(tài) [J]. 自動化學(xué)報,1987，l13(3):222～238. [8] 陳佩云,金茂菁,曲忠萍. 我國工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 機器人技術(shù)與應(yīng)用，2001(1):2～5. [9] 吳瑞祥. 機器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994. [10] 李允文.工業(yè)機械手設(shè)計[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，1994. [11] 張建民.工業(yè)機器人[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1988. [12] 郭洪紅. 工業(yè)機器人技術(shù)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006. [13] 謝存禧，張鐵.機器人技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，2005. 1995 [14] 李軍英，劉艷香，焦冬梅三菱PLC在氣動機械手中的應(yīng)用[J].工業(yè)自動化，2007，3：55. [15] 機器與智能網(wǎng). 工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域分析網(wǎng)絡(luò)[DB/OL]. http://www.robotain.com/yingjian/rbyy/20070304/201446.shtml, 2007  畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 ２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 本課題以小型地面移動機器人的轉(zhuǎn)臺為研究對象，要求綜合運用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識,根據(jù)給定的總體結(jié)構(gòu)尺寸、重量及運動特性指標(biāo)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型、機構(gòu)設(shè)計。通過本課題的研究，通過對設(shè)計要求、工作原理和機構(gòu)動作的分析和理解，構(gòu)思機構(gòu)運動方式和傳動布局，并進(jìn)行機構(gòu)、零部件設(shè)計計算等環(huán)節(jié)的實踐，來培養(yǎng)設(shè)計、計算、制圖及計算機應(yīng)用能力，以提高分析與解決工程實際問題的能力。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 指導(dǎo)教師意見： 1．對“文獻(xiàn)綜述”的評語： 該同學(xué)的“文獻(xiàn)綜述”是在較好的理解和分析設(shè)計任務(wù)書的要求，廣泛搜集并研究相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上寫成的。綜述對移動機器人的發(fā)展和研究現(xiàn)狀作了分析和歸納，對本課題的設(shè)計提出了自己的初步構(gòu)想，為課題的深入研究打下了良好的基礎(chǔ)。 2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測： 本課題通過對移動機器人轉(zhuǎn)臺和俯仰的機構(gòu)設(shè)計、三維造型與計算、零件圖、裝 配圖繪圖等多方面的鍛煉，具有綜合訓(xùn)練作用。其中同時考慮結(jié)構(gòu)的輕量化、緊湊性和穩(wěn)定性，具有一定的難度。預(yù)計通過努力能完成移動機器人轉(zhuǎn)臺和俯仰系統(tǒng)的設(shè)計。 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 目 錄 1 引言…………………………………………………………………………………… 1 1.1本課題研究內(nèi)容及意義……………………………………………………………… 1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀…………………………………………………………………… 1 1.3 本文所做的工作…………………………………………………………………… 1 2 裝臺系統(tǒng)的總體設(shè)計 ………………………………………………………………… 3 3 俯仰系統(tǒng)的設(shè)計……………………………………………………………………… 5 3.1 俯仰機構(gòu)的設(shè)計……………………………………………………………………… 5 3.2 俯仰系統(tǒng)的傳動分析與計算……………………………………………………… 8 4 轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計………………………………………………………………… 13 4.1 轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計……………………………………………………………… 13 4.2 傳動比的設(shè)置……………………………………………………………………… 16 4.3 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動力分析與計算……………………………………………………… 16 結(jié)束語 …………………………………………………………………………………… 31 致謝 ……………………………………………………………………………………… 32 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………33 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 35 頁 共 35 頁 1 引言 小型機器人主要用于代替人工作業(yè)，批量生產(chǎn)成本一般較低。由于上述特點，它大都用于簡單、重復(fù)、繁重的工作，如上、下料，搬運等，以及工作環(huán)境惡劣的場所，如噴漆、焊接、清砂和清理核廢料等。它使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生了根本性的變化,使人類的生產(chǎn)方式從手工作業(yè)、自動化跨入了智能化的時代。 1.1 本課題研究內(nèi)容及意義 本課題以小型地面移動機器人的轉(zhuǎn)臺為研究對象，綜合運用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識,根據(jù)給定的總體結(jié)構(gòu)尺寸、重量及運動特性指標(biāo)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型、機構(gòu)設(shè)計。通過本課題的研究，通過對設(shè)計要求、工作原理和機構(gòu)動作的分析和理解，構(gòu)思機構(gòu)運動方式和傳動布局，并進(jìn)行機構(gòu)、零部件設(shè)計計算等環(huán)節(jié)的實踐，培養(yǎng)設(shè)計、計算、制圖及計算機應(yīng)用能力，以提高分析與解決工程實際問題的能力。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 隨著生活水平的提高，科技的發(fā)展，人們將大量簡單繁重的工作交給機器人，機器人仆人將大量出現(xiàn)。如汽車司機長時間駕駛?cè)菀灼?，汽車將有安全的自動駕駛模式。現(xiàn)在自動駕駛車能對前方車輛實行避讓超車，但對小動物或人不知避讓，這要待更聰明的傳感器出現(xiàn)或圖像處理更精細(xì)些。在醫(yī)療領(lǐng)域，能進(jìn)入人體的微型機器人將大顯身手。它們進(jìn)入血管、腸道等地方進(jìn)行清理、探查、保健預(yù)警等。工業(yè)機器人在國外發(fā)達(dá)國家用的很普遍，隨著新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，相應(yīng)的工業(yè)機器人必將會研制出來。國際形勢雖無世界大戰(zhàn)之慮，但局部沖突時有發(fā)生，反恐形勢依然嚴(yán)峻。美國和許多歐洲國家以及日本都投入大量人力物力研發(fā)軍用機器人。大型的無人坦克沖鋒陷陣，小型的昆蟲機器人“間諜”到處爬行，少量的作戰(zhàn)人員在安全的信息中心運籌帷幄。2004年我國中國科學(xué)院沈陽自動化研究所也自行研制出“靈蜥”系列反恐防暴機器人。 1.3 本文所做的工作 本次設(shè)計主要完成兩個運動，轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)與升降系統(tǒng)。轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)有回轉(zhuǎn)和俯仰兩個自由度。為使俯仰運動滿足自鎖的要求，擬采用棘輪機構(gòu)，因其工作時有較大的沖擊和噪聲，而且運動精度較差，故放棄?？紤]使用螺旋機構(gòu)，其優(yōu)點是能獲得很大的減速比，還可有自鎖性。它的主要缺點是機械效率一般較低，特別是具有自鎖性時效率將低于50%。轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)運動可考慮使用蝸輪蝸桿機構(gòu)，其優(yōu)點是傳動平穩(wěn)，嚙合沖擊小，由于蝸桿的頭數(shù)少，故單級傳動可獲得較大的傳動比，且結(jié)構(gòu)緊湊。 2 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的總體設(shè)計 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)有兩個自由度，若視轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)為第一自由度。第一自由度結(jié)構(gòu)及尺寸取決于搭載對象的質(zhì)量，以及搭載對象對機器人的作用力，而第一自由度受第二自由度影響，故應(yīng)先計算第二自由度傳動的零件。第二自由度即為轉(zhuǎn)臺的俯仰運動，采用了螺紋副結(jié)構(gòu)，并結(jié)合擺動導(dǎo)桿機構(gòu)，實現(xiàn)了俯仰臺旋轉(zhuǎn)自由度圖2.1所示為上層搭載平臺第二自由度三維圖。 圖2.1 搭載系統(tǒng)第二自由度三維圖 俯仰系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸取決于搭載物的尺寸及質(zhì)量，以及搭載對象對機器人的作用力。俯仰運動的傳動結(jié)構(gòu)為螺旋傳動，并利用了擺動導(dǎo)桿機構(gòu)，具體圖紙設(shè)計如圖2.2所示。 圖2.2 俯仰系統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)圖 1－俯仰臺 2－螺母B20 3－絲杠B20 4－銷 5－聯(lián)軸器 6－連接座 7－減速箱 8－電機 9－空心軸 10－搭載臺 如圖2.2所示，電機旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)減速箱減速后，由聯(lián)軸器傳遞給絲杠，使絲杠旋轉(zhuǎn)。絲杠旋轉(zhuǎn)使與之配合的螺母作相對直線運動。因為螺母是固定在俯仰臺底部的，所以實質(zhì)上是俯仰臺在繞水平軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了俯仰的自由度。 轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)自由度主要是由蝸輪蝸桿減速器傳遞的。電機旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)減速箱減速后，由同步帶傳遞給蝸桿軸，蝸桿軸帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，使之完成回轉(zhuǎn)運動。蝸輪蝸桿傳動的一種空間的齒輪傳動，它能實現(xiàn)交錯角為90度的兩軸間的動力和運動傳遞。在這個移動機器人的設(shè)計中，它與同步帶輪合作，將電機的高速轉(zhuǎn)動一級一級減速，達(dá)到所要的結(jié)果，在此傳動中，由于摩擦等因素，能量受到損耗，轉(zhuǎn)為熱能，所以不僅需對材料的受力校核，而且對材料的受熱特性也要驗證。 3俯仰系統(tǒng)的設(shè)計 3.1 俯仰機構(gòu)的設(shè)計 轉(zhuǎn)臺的俯仰運動直接由滑動螺旋副完成，滑動螺旋副常采用梯形螺紋、鋸齒形螺紋或矩形螺紋等。 梯形螺紋一般是指牙形角，螺紋副的大徑和小徑處有徑向間隙。牙根強度高，螺紋的工藝性好。主要用于傳力螺旋和傳動螺旋如金屬切削機床的絲杠等。 鋸齒形螺紋有兩種牙形，一種是工作面牙形斜角，非工作面牙形斜角；另一種是，的鋸齒形角，其外螺紋的牙根處有相當(dāng)大的圓角，減小了應(yīng)力集中，提高了動載強度；大徑處無間隙，便于對中；和梯形螺紋一樣都具有螺紋的強度高、工藝性好的特點，但有更高的效率。用于單向受力的傳力螺旋，如大型起重機的螺旋千斤頂?shù)?。文中采?°/30°牙形的鋸齒形螺紋，此處采用鋸齒形螺紋，主要是因為鋸齒形螺紋具有較好的自鎖性能，螺紋之間的摩擦力及支承面之間的摩擦力都能阻止螺母的松脫。所以即使在振動及交變載荷作用下，也不需要防松。 滑動螺旋副的失效主要是螺紋磨損，因此螺桿的直徑和螺母高度通常是根據(jù)耐磨性計算確定的。傳力螺旋應(yīng)校核螺桿的危險界面的強度，要求自鎖的螺桿應(yīng)校核其自鎖性。能夠搭載發(fā)射性裝置是多用途特殊移動作業(yè)機器人的主要功能，所以要求控制俯仰臺運動的機構(gòu)具有自鎖能力。因此采用了螺旋旋動中的滑動螺旋副傳動，并采用單線螺紋。 下面根據(jù)指標(biāo)進(jìn)行螺桿參數(shù)和螺母參數(shù)的計算。 螺桿的中徑： （3.1） 其中：3°/30°鋸齒形螺紋， ，此處?。? —軸向載荷，根據(jù)指標(biāo)，； —許用壓強（MPa），當(dāng)絲杠與螺母均選用45鋼時，。 代入數(shù)據(jù)計算得： 由鋸齒形螺紋的參數(shù)關(guān)系，其中為螺紋公稱直徑，為螺距，以及查閱標(biāo)準(zhǔn)，可得，。 則有： 螺桿小徑為： 螺母的高度： 取整得: 旋合圈數(shù)： ，滿足要求 螺紋的工作高度 則螺紋的工作壓強的計算如下： 所以按照這個參數(shù)設(shè)計的螺桿螺母傳動滿足強度要求。 驗算自鎖： 螺紋升角計算： （3.2） 式（3.2）中，為導(dǎo)程，。為螺紋頭數(shù)，此處。 代入數(shù)據(jù)計算如下： 當(dāng)量摩擦角計算： （3.3） 式（3.3）中，為螺旋副的摩擦系數(shù)，，為工作面牙形斜角，。代入數(shù)據(jù)計算為： 滿足自鎖要求的條件為：。根據(jù)計算結(jié)果，該滑動螺旋副參數(shù)設(shè)計滿足自鎖要求。 螺桿強度校核： 螺桿當(dāng)量應(yīng)力計算： （3.4） 式（3.4）中，為傳遞轉(zhuǎn)矩，由圖2.1可知，該滑動螺旋副的傳遞力矩主要為螺紋副的阻力矩，其計算公式如下： （3.5） 式中，——螺旋副分度圓直徑； ——螺紋升角； ——螺旋副軸向力，此處取值為； ——螺紋當(dāng)量摩擦角，，為當(dāng)量摩擦系數(shù)，此處取=0.15，則有 將以上參數(shù)值代入式（3.5），得 文中機器人的設(shè)計過程中。代入數(shù)據(jù)到式（3.4）得： 45鋼的許用應(yīng)力 則有，所以螺桿強度滿足要求。 螺紋牙強度校核： 螺紋牙底寬度 則有螺桿抗剪強度： 螺桿抗彎強度： 螺母與螺桿材料相同，則螺母牙與螺桿牙強度相同，亦滿足強度要求。 此處螺桿只承受較小的壓力，并且實際工作的長徑比亦很小，所以無需對螺桿穩(wěn)定性進(jìn)行校核。 至此，滑動旋轉(zhuǎn)副設(shè)計結(jié)束。 3.2 俯仰系統(tǒng)的傳動分析與計算 轉(zhuǎn)臺俯仰運動用驅(qū)動電機為瑞士MAXON公司的直流無刷電機EC3-powermax30。 電機選主要參數(shù)如表3.1所示。 表3.1 俯仰臺控制電機參數(shù)表 指標(biāo) 數(shù)值 功率 200W 正常電壓 36V 空載轉(zhuǎn)速 17000rpm 最高轉(zhuǎn)矩 3750mNm 額定轉(zhuǎn)矩 112mNm 質(zhì)量 270g 最大效率 92％ 最大允許速度 25000rpm 無負(fù)載電流 325mA 減速箱參數(shù)：減速箱選用的MAXON公司自帶的減速箱GP42C，基本參數(shù)如下表3.2所示。 表3.2 俯仰臺控制電機減速箱參數(shù)表 指標(biāo) 數(shù)值 減速比 156︰1 最大效率 72％ 質(zhì)量 460g 電機特性曲線如圖3.1所示。 圖3.1 搭載系統(tǒng)第二自由度驅(qū)動電機特性曲線圖 根據(jù)上述表中電機及減速箱的參數(shù)，以及實際載荷情況，對電機進(jìn)行校核。電機的校核主要分兩部分，一部分是電機輸出轉(zhuǎn)矩的校核，另一部分是電機輸出速度的校核。 首先校核電機轉(zhuǎn)矩： 如圖3.2中的傳動系統(tǒng)，可知電機輸出的轉(zhuǎn)矩主要是用于克服滑動螺旋副的螺紋阻力矩。在滑動螺旋副的設(shè)計中，根據(jù)式（3.5）已經(jīng)計算出在最大載荷時，系統(tǒng)需要克服的螺紋阻力矩。 所選電機的輸出轉(zhuǎn)矩為： 由計算結(jié)果可知，電機輸出轉(zhuǎn)矩滿足計算要求。 校核電機輸出速度： 要校核電機輸出速度，首先需要確定搭載系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度指標(biāo)要求。 規(guī)定俯仰臺臺面水平時，為運動初始位置，要求俯仰臺自由度為繞初始位置可以進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)，且俯仰臺旋轉(zhuǎn)速度最大為2.5R/min。 由圖3.2可知，當(dāng)俯仰臺處于水平狀態(tài)時，螺旋副絲杠與螺母初始角度設(shè)計為90°，這種設(shè)計保證了在支撐俯仰臺的空心軸旋轉(zhuǎn)到任意位置時，俯仰臺與水平面間所成角度都不會變化，同時也便于角度的控制計算。下圖3.2以及圖3.3所示分別為俯仰臺處于初始狀態(tài)時以及繞旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)了角度后的狀態(tài)圖。 圖中，為電機經(jīng)減速箱后的輸出速度，亦為絲杠的旋轉(zhuǎn)速度；為俯仰臺繞旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)速度；為絲杠螺距； 表示支撐俯仰臺的支架與滑塊連接點A處的瞬間速度；為俯仰臺旋轉(zhuǎn)了角度時，絲杠與水平面之間的夾角。 圖3.2 俯仰臺初始位置狀態(tài)圖 圖3.3 俯仰臺運動到某位置處狀態(tài)圖 由圖示可得，當(dāng)俯仰臺處于初始位置時A點速度為： （3.6） 則俯仰臺的旋轉(zhuǎn)速度為： （3.7） 綜合式（3.6）、（3.7）可得： （3.8） 當(dāng)俯仰臺繞旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)了角度后，即出于圖3.3狀態(tài)時，圖中點B是與點A重合的絲杠上的點，點A的運動可分解為繞點旋轉(zhuǎn)，以及相對點B作直線運動。A點的絕對運動為繞點M的旋轉(zhuǎn)運動。計算得： （3.9） 式中可根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系求得,計算結(jié)果如下： （3.10） 則有速度如下： （3.11） 又根據(jù)擺動導(dǎo)桿的急回特性，可知在的可取值范圍內(nèi)，值愈大，俯仰臺的旋轉(zhuǎn)速度愈大。圖中，OA即的設(shè)計長度為70mm，長度為35mm，則有將帶入式（3.10），解得角度為： 速度可以獲得最大值，為 （3.12） 在俯仰臺同一次旋轉(zhuǎn)工作中，規(guī)定電機以相同的轉(zhuǎn)速工作，即式（3.12）中取值為常數(shù)，可得 （3.13） 又由（3.7）式可得， （3.14） 絲杠螺距，同時將式（3.14）帶入上式（3.13），并帶入各變量值，可解得： 已知，則要求電機輸出速度為： 最大允許轉(zhuǎn)速為25000R/min，可得電機轉(zhuǎn)速滿足要求。 綜上，所選擇電機各指標(biāo)均滿足使用要求。 通過對機器人功能要求進(jìn)行分解，將機器人分為移動車體平臺及上層搭載平臺兩部分，分別對兩部分進(jìn)行設(shè)計。在移動車體設(shè)計過程中，主要從提高機器人環(huán)境適應(yīng)能力出發(fā)，對機器人進(jìn)行了傳動系統(tǒng)、輪系結(jié)構(gòu)以及底盤的設(shè)計。在搭載平臺設(shè)計過程中，在確定了平臺自由度前提下，對各自由度進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。通過橋式支架，將搭載平臺與車體進(jìn)行連接，保證了車體內(nèi)部空間，并方便了機器人安裝與維護(hù)。 4 轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計 4.1 轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計 要使轉(zhuǎn)臺完成回轉(zhuǎn)運動，就要考慮選用合適的減速器，完成動力傳遞并滿足設(shè)計要求的轉(zhuǎn)速。常用減速器的類型及特點見表4.1。 表 4.1 常用減速器的類型及特點 表 4.1 常用減速器的類型及特點（續(xù)） 蝸輪蝸桿有如下特點： （1）傳動平穩(wěn)、振動、沖擊和噪聲均很??； （2）能以單級獲得較大的傳動比，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比范圍大，5 i 70 ,其中一般要大于15； （3）摩擦損耗較大，傳動效率較低。 蝸輪蝸桿傳動分為三大類比：圓柱蝸桿、環(huán)面蝸桿、錐面蝸桿。 圓柱蝸桿又分為普通圓柱蝸桿和圓弧圓柱蝸桿兩種。 按蝸桿齒廓曲線的形狀，普通圓柱蝸桿可以分為： （1） 阿基米德圓柱蝸桿，簡稱ZA蝸桿； （2） 法向直廓圓柱蝸桿，即稱為延展?jié)u開線蝸桿，簡稱ZN蝸桿； （3） 漸開線圓柱蝸桿，簡稱ZI蝸桿； （4） 錐面包絡(luò)圓柱蝸桿，簡稱ZK蝸桿； 對于如此大的傳動比，如果用一般的齒輪進(jìn)行減速設(shè)計，則需要很多級才可以實現(xiàn)，這樣的話，無論是體積還是重量都不可能達(dá)到課題所限制的數(shù)值，考慮到移動機器人的工作特點，本文選用的是ZA蝸桿。 4.2 傳動比的設(shè)置 多級減速器各級傳動比的分配，直接影響減速器的承載能力和使用壽命，還會影響基本體積、重量和潤滑。一般的分配原則： （1）使各級傳動承載能力大致相等； （2）使減速器的尺寸與質(zhì)量較?。? （3）使各級齒輪圓周速度較小。 低速級大齒輪直接影響加速器的尺寸和重量，減小低速級傳動比，即減小了低速級大齒輪及包容它的機體的尺寸和重量。增大高速級傳動比，即增大高速級大齒輪的尺寸，減小了與低速級大齒輪的尺寸差，有利于各級齒輪同時潤滑，同時降低了高速級后面各級齒輪的尺寸差，有利于降低噪聲和振動，提高傳動的平穩(wěn)性。但是又不能使一、二級傳動比差距過大，這里我選擇作為一級傳動比，作為二級傳動比。 4.3 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動力分析與計算 由于已知系統(tǒng)的總體尺寸為：長寬高=250mm250mm80mm，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動范圍為360度，旋轉(zhuǎn)速度為10～15rpm，而且系統(tǒng)自重要不大于8kg，載重量為20kg。 4.3.1 轉(zhuǎn)動慣量的計算 選取直徑為200 mm 的圓進(jìn)行計算尺寸，算出轉(zhuǎn)動慣量： （4.1） 這里的m 可以用平均質(zhì)量的概念來計算，即： ,M取負(fù)載20 。 （4.2） 于是 ==637 則： ==3.195 給定條件：設(shè)轉(zhuǎn)臺在2秒內(nèi)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速 15 r/pm, 則它的加速度是 則它的轉(zhuǎn)動慣性力矩為： 根據(jù)給定的傳動效率 =0.8，所以 4.3.2 滾動摩擦力矩計算 在本設(shè)計中，雖然轉(zhuǎn)臺基本上是水平或者是在傾斜很小的角度內(nèi)轉(zhuǎn)動的，其轉(zhuǎn)動也都是有滾珠或者軸承來支撐來完成的，但是，因為 20的負(fù)載對于8的自重來說，摩擦力也是不可不重視的，下面我將對移動機器人的轉(zhuǎn)臺進(jìn)行摩擦力矩的計算： 取摩擦系數(shù) 則 （4.3） 假設(shè)密度為均勻的，用表示，則 面平均質(zhì)量為 ： ，則 （4.4） 總的阻力矩為： M=3.315+0.0533=3.188Nm 4.3.3 驅(qū)動電機的選擇 （1）根據(jù)綜合分析和以上的計算，驅(qū)動軸總阻力力矩為：M=3.188Nm 按工作要求和條件選取Y系列一般用途全封閉鼠籠型三相異步電動機。 （2）選擇電動機容量 工作機所需的功率： （4.5） 電動機輸出功率： （4.6） 所以: （4.7） 由電動機至工作機之間的總效率： （4.8） 其中 分別為滾筒彈性聯(lián)軸器,閉式蝸桿傳動,皮帶輪傳動,一對滾動軸承，齒輪聯(lián)軸器的傳動效率。 查表可知=0.96(滾筒) =0.995(彈性聯(lián)軸器) 由于蝸桿傳動效率與蝸桿頭數(shù)Z2及材料有關(guān)暫時取Z1=4雙頭蝸桿,估計=0.81 =0.93(V帶輪傳動) =0.99(一對滾動軸承) =0.99(齒輪聯(lián)軸器) 所以： 所需電動機的功率: =2500.8/0.684=0.292kw 根據(jù)電機特性曲線，并保有一定的余量，初步選擇電機型號為MAXON電機，具體參數(shù)見表4.2。 4.3.4 傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比 由于是maxon電動機，可以通過自帶的減速器控制其轉(zhuǎn)速，在此，我設(shè)為1440 r/min 。 (1)計算總傳動比： = （4.9） (2)各級傳動比的分配 由于為蝸桿傳動，傳動比都集中在蝸桿上，其他不分配傳動比。 取皮帶輪傳動比i1=4，則蝸桿傳動比為i2=24。 這里我選擇的帶輪是SPA型，單根窄V帶輪。 表4.2 MAXON電機EC45性能參數(shù) 項目 指標(biāo) 說明 標(biāo)稱功率 250W 最大輸出功率 額定電壓 36V 空載轉(zhuǎn)速 11000rpm 堵載轉(zhuǎn)矩 5260mNm 堵轉(zhuǎn)條件下的轉(zhuǎn)矩值，即起動轉(zhuǎn)矩 最大允許轉(zhuǎn)速 12000rpm 最大連續(xù)電流(5000rpm) 10.6A 最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩(5000rpm) 303mNm 電機可以連續(xù)工作的轉(zhuǎn)矩 最大效率 85% 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 31.2mNm/A 轉(zhuǎn)矩與有效電流值之比 重量 1150g 4.3.5 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) （1） 蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)速 皮帶輪轉(zhuǎn)速和電動機的額定轉(zhuǎn)速相同n1=1440r/min 蝸桿轉(zhuǎn)速： （2） 蝸輪蝸桿的功率 V帶輪的功率：p1=0.2920.9950.99=0.288kw 蝸桿軸的功率：p2=0.2880.810.99=0.231kw 蝸輪的功率：p=0.2300.930.990.99=0.210kw （3） 蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)矩 軸的一般受力分析見圖4.1。 圖 4.1 受力分析示意圖 輸入的轉(zhuǎn)矩： 蝸桿的轉(zhuǎn)矩： 蝸輪軸的轉(zhuǎn)矩： V帶輪的轉(zhuǎn)矩： 將上述計算得到的動力參數(shù)列表于4.3： 表 4.3 蝸輪蝸桿的動力參數(shù) 參數(shù) 電動機 V帶輪 蝸桿 蝸輪 轉(zhuǎn)速r/min 1440 1440 360 15 功率P/kw 0.292 0.288 0.231 0.210 轉(zhuǎn)矩N.m 7.64 27.44 144.84 7.526 傳動比i 單根V窄帶：i1=4 蝸輪蝸桿傳動：i2=24 效率 0.995 0.911 0.794 4.3.6 對于蝸輪蝸桿機構(gòu)傳動的參數(shù)選擇 根據(jù)機械手冊查得： 傳動效率 （4.10） 其中，r 為分度圓柱導(dǎo)程角，為嚙合摩擦角， （為摩擦因子），分度圓滑動速度 單位為 （4.11） 一般的計算公式見表4.4。 綜合計算，得具體的蝸輪蝸桿參數(shù)如下表2.7。 考慮到傳動功率不大，轉(zhuǎn)速較低，選用ZA蝸桿傳動，精度達(dá)到8c級，采用標(biāo)準(zhǔn)GB10089-1998。一般選為右旋蝸桿。蝸桿選35CrMo，表面淬火，硬度為45~50HRC；表面粗糙度。蝸輪邊緣選擇ZCuSn10P1金屬模鑄造。 蝸輪蝸桿正確嚙合的條件： 主平面內(nèi)的模數(shù)和壓力角彼此相等，即蝸輪端面的模數(shù)應(yīng)等于蝸桿軸面得模數(shù)，且為標(biāo)準(zhǔn)值；蝸輪端面的壓力角應(yīng)等于蝸桿軸面的壓力角，且為標(biāo)準(zhǔn)值。即： 此外，還應(yīng)該保證，即蝸桿與蝸輪的螺旋線方向一致。具體設(shè)計將會后面論述。 分度圓直徑 標(biāo)準(zhǔn)中心距 徑向間隙 蝸輪螺旋角 蝸桿導(dǎo)程角 齒根圓直徑 齒頂圓直徑 齒根高 齒頂高 蝸輪 蝸桿 計算公式 符號 名稱 表4.4 蝸桿傳動的幾何尺寸計算 表4.5 齒的基本參數(shù) 名稱 符號 公式及依據(jù) 蝸桿軸向齒距 ==3.925 蝸桿螺旋線導(dǎo)程 ==3.925*4=15.7 蝸桿法向齒形角 20 蝸桿軸向齒形角 蝸桿直徑系數(shù) 17.6 蝸桿分度圓直徑 =22 蝸桿分度圓導(dǎo)程角 14.04 模數(shù) =1.25 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 24.5 齒根圓直徑 19 4.3.7 蝸輪蝸桿的設(shè)計計算 (1) 常數(shù)計算 由傳動比=24，參考《機械設(shè)計手冊》齒輪傳動部分，取=4，則=96，由表查得，，其中時蝸輪材料的許用接觸，當(dāng)時蝸輪材料的許用彎曲應(yīng)力。 齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： =60 n2 j =603601365245=次 接觸強度壽命系數(shù) = =0.566 彎曲強度壽命系數(shù) ==0.603 則 =220 0.93 0.566=115.8 =700.603=42.21 圖4.2 蝸輪蝸桿受力分析簡圖 (2) 按接觸強度設(shè)計 （4.12） 從K=1～1.4 取載荷系數(shù)K=1.2 = 而=34.375，符合要求。 由于蝸輪蝸桿的嚙合條件是：， 所以=1.2548=60。故a=41mm。 (3) 校核渦輪的齒面接觸強度 齒面接觸強度計算公式為 （4.13） 材料彈性系數(shù)： （4.14） 使用系數(shù)KA，取KA=0.9（運轉(zhuǎn)平穩(wěn)），動載系數(shù)KV，當(dāng)V2 < 3m/s時，KV=1～1.1，當(dāng)V23m/s時，KV=1.1～1.2，故取KV=1.1，載荷分布系數(shù) K 載荷平穩(wěn)時K=1，載荷變化時K=1.1~1.3，故取K=1.1。為接觸系數(shù)，取2.5。 將上述數(shù)據(jù)代入公式（4.13）中，計算得 =19.3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于115.8，符合要求，所選合格。 (4) 校核渦輪齒根彎曲強度 齒根彎曲強度驗算公式 （4.15） 式子中，按當(dāng)量齒數(shù) =/cos3=48 0.913=52.574及查表得， =4.26，=1-/120°=0.883° 將上述諸值代入公式 =12.44， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于42.21，所以是合格的。 (5) 熱平衡校核 （閉式蝸桿傳動）周圍空氣的溫度t=20°C ，取散熱系數(shù)K=17W/（m2·C）， 估計散熱面積 A==0.07 （4.16） =49.37°C 85°C （4.17） 故散熱是好的。 (6) 蝸輪蝸桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計 蝸桿和軸做成一體，即蝸桿軸。蝸輪采用輪箍式，青銅輪緣與鑄造鐵心采用H7/k6配合，并加臺肩和螺釘固定。 4.3.8 軸的設(shè)計計算及校核 輸出軸的設(shè)計 (1)軸的材料的選擇，確定許用應(yīng)力 考慮到減速器為普通中用途中小功率減速傳動裝置，軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩,45號鋼，調(diào)質(zhì)處理 220-240HBS。 (2)按扭轉(zhuǎn)強度，初步估計軸的最小直徑 圖4.3 軸的配合簡圖 =8.18mm,可以取=20mm。 (3)軸承和鍵 取工作情況系數(shù)=1.5 由轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩得 軸伸安裝聯(lián)軸器,考慮補償軸的可能位移,選用不含彈性元件的聯(lián)軸器。 查表JB/ZB4222-86選無彈性擾性聯(lián)軸器，軸伸直徑為47mm 。 查《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》選用CICL型鼓形齒式連軸器，Y型軸孔,A型鍵槽,標(biāo)準(zhǔn)孔徑d=20mm。 并采用凸緣式軸承蓋，實現(xiàn)軸承系兩端單向固定，軸伸處用A型普通平鍵聯(lián)接，實現(xiàn)聯(lián)軸器周向固定,用A型普通平鍵連接蝸輪與軸。 (4)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計徑向尺寸的確定 從軸段=20mm開始逐漸選取軸段直徑，起固定作用，定位軸肩高度h可在（0.07～0.1）d范圍內(nèi)，故=+2h ≥ 20 （1+2×0.07）=20.14mm，取為22mm；與蝸輪的內(nèi)徑相配合，取=24mm，按標(biāo)準(zhǔn)直徑系列，取=22mm；與軸承配合，由h=（0.07～0.1）d=（0.07～0.1）20=1.4～2mm，取h=4mm，=20mm；與V帶輪配合，取=16mm。 由此對應(yīng)的軸向尺寸為 =15mm，=25 mm，=31 mm，=25 mm，=15 mm。 (5)軸的強度校核計算蝸輪受力 蝸輪的分度圓直徑 =60mm； 蝸輪轉(zhuǎn)矩 = 7.526Nm 蝸輪的切向力 =27.526/60=250.87N 蝸輪的徑向力 =250.87tan20°/cos14.04° =94.12N 蝸輪軸向力 =94.12tan14.04°=23.54N 水平平面： =N 94.12-50=44.24N 垂直平面： 250.87125.44N （6）計算支承反力彎矩 水平平面彎矩： =12550=6250 5543.8 垂直平面彎矩： 125.44=15680 合成彎矩： =8354.4 =16631.2 單向運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩為脈動循環(huán)轉(zhuǎn)矩等效為彎矩的等效系數(shù)為a=0.6 =0.67.5261000=4515.6 截面等效彎矩： 9496.7 17241.2 12 6.8 由上可見我選擇的尺寸完全符合要求，所以是可取的方案。 （7）軸承的壽命校核 軸承型號為7216C，查表得：=8950N，=7820N，由于 /=0.12，所以取=0.47。 由《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》表8-22得：時，X=1，Y=0；時，X=0.44，Y=1.19,所以： R1=135N R2=133N 81N 79.8N = +=103.34N，=—=56.26N /=0.765>e=0.47，/=0.4235年。 故所選軸承適合工作壽命5年。 蝸桿軸的設(shè)計 (1)蝸桿軸的材料的選擇，確定許用應(yīng)力 考慮到減速器為普通中用途中小功率減速傳動裝置，軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩。 蝸桿選35CrMo，表面淬火，硬度為45—50HRC；表面粗糙度。 (2)按扭轉(zhuǎn)強度，初步估計軸的最小直徑,選用聯(lián)軸器。 由上面的已經(jīng)算出，只要大于10mm，就能滿足要求，軸伸安裝聯(lián)軸器，考慮補償軸的可能位移，選用彈性拄銷聯(lián)軸器，取工作情況系數(shù)=1.5 由轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩查表GB/T5014-1985 選用HL3彈性柱銷聯(lián)軸器，標(biāo)準(zhǔn)孔徑=40mm，即軸伸直徑為40。 (3)軸承 采用角接觸球軸承，并采用凸緣式軸承蓋，實現(xiàn)軸承系兩端單向固定。選定滾動軸承為型號為7212C。 (4)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計徑向尺寸的確定 從軸段=40mm開始逐漸選取軸段直徑，起固定作用，定位軸肩高度可在（0.07-0.1）d范圍內(nèi)，故=+2h≥40（1+20.07）=45.6mm，該直徑處安裝密封氈圈，標(biāo)準(zhǔn)直徑。應(yīng)取=50mm；與軸承的內(nèi)徑相配合，為便與軸承的安裝取，選定軸承型號為7212C，=60。起定位作用，由h=（0.070.1）=（0.07-0.1）60=4.2～6mm，取h=5mm，=60+25=70mm。 （5）滾動軸承的壽命校核 選定滾動軸承為型號為7212C，尺寸適合該蝸桿。蝸桿上的滾動軸承由于應(yīng)力幅比蝸桿的小，所以一般只校核蝸輪上的滾動軸承的壽命即可，也可以取減速器的檢修期為2年，到檢修期時更換。 4.4 本章小結(jié) 蝸輪蝸桿傳動的一種空間的齒輪傳動，它能實現(xiàn)交錯角為90度的兩軸間的動力和運動傳遞。在這個移動機器人的設(shè)計中，它與皮帶輪合作，將電機的高速轉(zhuǎn)動一級一級減速，達(dá)到所要的結(jié)果，在此傳動中，由于摩擦等因素，能量受到損耗，轉(zhuǎn)為熱能，所以本章不僅對材料的受力校核，而且對材料的受熱特性進(jìn)行了驗證。 結(jié)束語 經(jīng)過了兩個多月的學(xué)習(xí)和工作，我終于完成了《移動機器人轉(zhuǎn)臺》的論文。從開始接到論文題目到系統(tǒng)的實現(xiàn)，再到論文文章的完成，每走一步對我來說都是新的嘗試與挑戰(zhàn)，這也是我在大學(xué)期間獨立完成的最大的項目。在這段時間里，我學(xué)到了很多知識也有很多感受，從對機械的一知半解，對零件選用的一無所知的狀態(tài)，我開始了獨立的學(xué)習(xí)和試驗，查看相關(guān)的資料和書籍，讓自己頭腦中模糊的概念逐漸清晰，使自己非常稚嫩作品一步步完善起來，每一次改進(jìn)都是我學(xué)習(xí)的收獲，每一次校核的成功都會讓我興奮好一段時間。從中我也充分體會到了機械設(shè)計給我們生活帶來的樂趣，在自己的小小世界里自得其樂。 雖然我的論文作品不是很成熟，還有很多不足之處，但我可以自豪的說，這里面的每一個細(xì)節(jié)，都有我的勞動。當(dāng)看著自己的努力極有希望成為實物的時候，真是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最終都會化為甜美的甘泉。??? 這次做論文的經(jīng)歷也會使我終身受益，我感受到做論文是要認(rèn)認(rèn)真真用心去做的一件事情，是真正的自己學(xué)習(xí)的過程和研究的過程，沒有學(xué)習(xí)就不可能有研究的能力，沒有自己的研究，就不會有所突破，那也就不叫論文了。希望這次的經(jīng)歷能讓我在以后學(xué)習(xí)中激勵我繼續(xù)進(jìn)步。  致 謝 本研究及學(xué)位論文是在我的導(dǎo)師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，周老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。半年多來，導(dǎo)師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向周老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 我還要感謝在一起愉快的度過本科四年的各位同學(xué)，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。 即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!  參 考 文 獻(xiàn) [1] 減速機信息網(wǎng). 工業(yè)機器人技術(shù)[EB/OL]. http://www.gkcity.com/n-i-28976-c-Potpourri.htm,2006. [2] 熊有倫. 機器人技術(shù)技術(shù)[M]. 武漢： 華中理工大學(xué)大學(xué)出版社，1996. [3] Krisztinicz I .positioning problems of industrial robots[M].New York :Microsoft Press,1997.165～286. [4] 林繩宗. 全球機器人應(yīng)用概況[J].高技術(shù)縱覽，2005,6:55. [5] 龔振邦. 機器人機械設(shè)計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 1995. [6] 中國自動化網(wǎng).工業(yè)機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[EB/OL]. http://doc.plcjs.com/doc_Lesson/2006-3/16/0631622550860232.htm,2006. [7] 周錫駒.國外工業(yè)機器人的發(fā)展與應(yīng)用動態(tài) [J]. 自動化學(xué)報,1987，l13(3):222～238. [8] 陳佩云,金茂菁,曲忠萍. 我國工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 機器人技術(shù)與應(yīng)用，2001(1):2～5. [9] 吳瑞祥. 機器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994. [10] 李允文.工業(yè)機械手設(shè)計[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，1994. [11] 張建民.工業(yè)機器人[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1988. [12] 郭洪紅. 工業(yè)機器人技術(shù)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006. [13] 謝存禧，張鐵.機器人技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，2005. 1995 [14] 李軍英，劉艷香，焦冬梅三菱PLC在氣動機械手中的應(yīng)用[J].工業(yè)自動化，2007，3：55. [15] 機器與智能網(wǎng). 工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域分析網(wǎng)絡(luò)[EB/OL]. http://www.robotain.com/yingjian/rbyy/20070304/201446.shtml, 2007.