工业机器人球坐标型机械臂结构设计 论文正文 - 图文(7)

丝杠所受力矩为阻力矩与摩擦力矩之和，即: T= T1 +T 2 =0.327+0.25=0.577Nm 安全系数取2，则电机所需输出最小转矩为: Tow3=2T=2x0.577=1.154N.m

选择混合式步进电机(北京四通电机公司产品)

型 号 :EC-max 30

表3 第三自由度无刷伺服电机参数

额定电压 空载转速 空载电流 额定转速 额定转矩 额定电流 堵转转矩 堵转电流 最大效率 相间电阻 相间电感 转矩常数 速度/转矩常数 机械时间常数 转子惯量 机壳-环境热阻 绕组-机壳热阻 绕组热时间常数 环境温度范围 绕组最高允许温度 最高允许转速 轴向间隙 36V 9500rpm 116mA 8260rpm 64.7mNm 1.90A 522mNm 14.5A 83% 2.48? 0.312mH 35.9mNm/A 18.4rpm/mNm 4.21ms 21.9gcm2 7.4K/w 0.5K/w 2.69s -40—+100度 +155度 15000rpm 0.14mm 29

径向间隙 最大轴向载荷 最大允许安装力 最大径向载荷 电机磁极对数 相数 电机质量 电机热时间常数 速度常数 预载 5.5N 1300N 25N 1 3 275g 1000s 266mNm/V

4 工业机器人球坐标型机械臂集成模块化机构设计 4.1 同步齿形带传动设计

同步带输出转矩为:120N.m,输出转速为: w=300/s，单级传动效率为: ?= 85%，传动比i=10，取安全系数k=2, 则同步带传递功率为:

P=kTw/ ?2=2x120π/（6x0.852）=174W （4-1） 设传动比分配为: 第一级传动i1=5，，第二级传动i2=2，带轮依次为I、II、III、IV， 则: IV轮转速:n1 =300/s=5r/min II、III轮转速:n2 =n3 =2n4 =2x5=10r/min I轮 转 速: n1= in4= 10x5=50r/min 初选中心距:L1=90mm, L2=100mm

4.1.1 求出设计功率Pd

由文献[12]表9.3-11查得载荷修正系数ko=1.2，因为未使用张紧轮，又是减速运动，故文献[12]中表9.3-11的附加修正系数均为零。 则：

Pd=koP=1.2x174=208.8W

4.1 2 选择带的节距

由 Pd= 208.8W 和n1= 50r/min，从[12]图9.3-4中查得带的节距代号为L，对应

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的节距为Pd=5.08mm(见表9.3-1-2[1]).

4.1 3 确定带轮直径和带节线长

由表9.3-10[1],带轮I齿数最小可取10，考虑到制造和安装等因素，取Z1=13。则: Z2=i1Z1=5Z1=65

根据[12]表9.3-6标准系列，取Z2=60 同理可得:Z3=17, Z4=40 重新计算传动比:

i1=Z2/Z1=4.6 i2=Z4/Z3=2.4 i=i1i2=10.8

由表9.3-6可得I , II, III, N各带轮的直径:

d1 =21.02mm, d2=97.02mm d3 =27.49mm, d4=64.68mm 由[12]式(15)可得带长计算公式:

Lp=2Lcos ?+π?（d2+d1）/2+π?（d2-d1）/180 （4-2） 式中:L一中心距mm Lp一 带长mm ?=arcsin((d2-d1)/2L) 代入数据计算可得:

Lp1=2L1cos ?1+π?1（d2+d1）/2+π?1（d2-d1）/180 =2x90xcos[arcsin(97.02-21.02)/2L1)]+πx（97.02+21.02）/2+π?/180=382mm

同理可得：Lp2=402mm

按[12]表9.3-2，选择最接近算值的标准带长:

Lp1 = 406.4mm，齿数80， 代号160 Lp2 =406.4mm，齿数80，代号160 近似计算中心距:

L≈M+M2?(Pb(Z2?Z1)/?)2/8 （4-3）

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1 x（97.02-21.02）

式中:M=Pbx（2Zb-Z1-Z2）/8 L一中心距 mm

Pb一节距，这里为5.080 mm Zb一带齿数，这里Zbl=80. Zb2=125 Z2,ZI为配合带轮齿数则:

M1=Pb1x（2Zb1-Z1-Z2）/8=5.08x（2x80-13-60）=55.245mm L1=M1+M2?(Pb(Z2?Z1)/?)2/8=100.515mm 取整，则L1=100mm

同理可得：M2=122.555mm L2=114.401mm 取整，则L2=115mm 进行标准带宽的选择:

小带轮I齿数ZI=13，转速为n=25r/min由[12]表9.3-12内插法得XL型带的基准额定功率为Po=1.25 W 啮合齿数:

Zm=Z1/2-PbZ1(Z2-Z1)/2π2b1 （4-4） =13/2-5.08x13x（60-13）/2π2x103 =5.0<6 则啮合齿数系数为:

KZ = I一 0.2x(6一Zm)=0.8

由文献[13]表4-20可以查Pb=50.8的XL型同步带的基准宽度为bso=9.5mm, 同步带宽为:

bs=(Pd/P0KZ)1/1.14bso=(0.384/1.25x0.8)1/1.14x9.5=4.10mm 查文献【13】表4-25得带宽的标准值，为安全可靠， 带宽bs=7.9mm，

带宽系数:KW=（bs/bso）1.44=0.81，

带的许用拉应力查表9.3-11[2]得：Ta=50.17N, 带的单位长度质量查表9.3-11[l]得:m=0.022 kg/m 带的圆周速度:v=PbZ1n1/60000=5.08x13x25/60000=0.03m/s

带的工作能力:P=(K2KwTa-bsmv2/bso)vx10- （4-5）

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=(0.8x0.81x50.17-7.9x0.022x0.032)x0.03x10-3 =0.98x10-3KW>0.384W=Pd 额定功率大于设计功率，故带的传动能力足够。 结果整理如下:

两极同步带类型均为为L型同步齿型带Pb=5.08mm,带宽bs=10.7mm 一级同步齿型带齿数: Zp1=80,带长：Lp1=402mm，代号160 二级同步齿型带齿数: Zp2=125,带长：Lp1=402mm，代号160 各带轮齿数：Z1=13,Z2=60,Z3=17,Z4=40

各带轮节径：d1=21.02mm，d2=97.02mm，d3=27.49mm，d4=64.68mm 传动中心距：L1=100mm，L2=115mm

图13 工业机器人球坐标型机器臂大臂结构图

4.2 丝杠螺母设计

设丝杠所受轴向载荷总和为200N，由于载荷较小，强度不成问题，根据结构要求，从标准系列中选取以下参数: 螺 距 :p=2mm，梯形螺纹 导程 : s=2mm 头 数 : Z=1

螺母高度与螺纹中径之比:

?=H/d2=1.5

螺纹牙工作高度:h=1mm

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