轮式移动机器人结构设计论文(7)

1．杆件B 2.舵机 3.杆件C

图3.6 杆件B与舵机配合图

杆件A和杆件B通过螺栓连接即可形成一个完整的杆件，通过杆件A和B的组合设计具有以下几个优点：

（1）使关节间距可调。通过调节A和B的长度，就可以调整机械臂中两关节的距离，使机械臂的长度可调。

（2）调节机械臂的重心位置：舵机的内部结构是未知的，因此其重心可能不在其几何中心，而调整两者之间的距离可以平衡掉重心位置造成的不良影响。 通过摆动关节和回转关节的组合就可以形成完整的机械手臂。

3.2.3 机械臂电机的选型与计算

人们往往关心的是机器人的末端位置和姿态，而舵机有非常好的位置可控性，带有精密的减速器，具有其他同等尺寸的电机无可比拟的输出力矩，因此我们选择舵机作为关节驱动器。机械臂的结构如图3.7所示，其中第1关节的舵机需要提供的力矩最大，因此我们对这一关节进行计算。

图3.7 机械手臂结构图

机械臂各杆件处于水平时候对第一关节产生最大的力矩，计算方法是等效 的方式，即将末端执行器及假想的欲抓取目标单独计算，其余杆件质量集中到机械臂的中点计算：

?300?200??10?3?9.8??270?50??10?3?1.65N?m

26

40?70?250?0.55N?m

2两部分一共为2.2N?m，从而选用汉扬科技公司生产的舵机，型号为HSR9559，其保持力矩为2353mN?m。满足设计要求。

?56?100??2?10?3?9.8?3.3 本章小结

机械手臂是机器人最终工作的执行者,本文模仿人的手臂设计了三关节机械臂，同时采用杆件可换的组合结构使机械臂杆件长度可调，可对前方 280mm 内目标进行抓取。肩关节和肘关节采用转动结构，而手腕则采用回转结构，末端执行器采用开合式两指结构。采用舵机控制手臂的转动。设计的抓取最大重量为300g。可实现设计范围内的工作要求。

4. 机械材料选择和零件的校核

4.1机械材料选用原则

机械零件材料的选择是机械设计的一个重要问题，不同材料制造的零件不但机械性能不同，而且加工工艺和结构形状也有很大差别。机械零件常用的材料由黑色金属、有色金属、非金属材料和各种复杂的复合材料等。

选择材料主要应考虑以下三方面的问题。 a.使用要求

使用要求一般包括：零件的受载情况和工作状况；对零件尺寸和质量的限制；零件的重要程度等。

若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到某些限制，应选用强度较高的材料。静应力下工作的零件，应分布均匀的（拉伸、压缩、剪切），应选用组织均匀，屈服极限较高的材料；应力分布不均匀的（湾区、扭转）宜采用热处理后在应力较大部位具有较高强度的材料。在变应力工作的零件，应选用疲劳强度较高的材料。零件尺寸取决于接触强度的，应选用可以金星表面强化处理的材料，如：调质钢、渗碳钢、氮化钢。

零件尺寸取决于刚度的，则应选用弹性模量较大的材料。碳素钢与合金钢的

27

弹性模量相差很小，故选用优质合金钢对提高零件的刚度没有意义。截面积相同，改变零件的形状与结构可使刚度有较大提高。

滑动摩擦下工作的零件应选用摩擦性能好的材料；在高温下工作的零件应选用耐热材料；在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。

b.工艺要求

材料的工艺要求有三个方面内容

（1）毛坯制造 大型零件且批量生产时应用铸造毛坯。形状复杂的零件只有用毛坯才易制造，但铸造应选用铸造性能好的材料，如铸钢、灰铸铁或球铸铁等等。大型零件只少量生产，可用焊接件毛坯，但焊接件要考虑材料的可焊性和生产裂纹的倾向等，选用焊接性能好的材料。只有中小型零件采用锻造毛坯，大规模生产的锻件可用模锻，少量生产时可用自由锻。锻造毛坯主要考虑材料的延展性、热膨胀性和变形能力等，应选用锻造性能好的材料。

（2）机械加工 大批批量生产的零件可用自动机床加工，以提高产量和产品质量，应考虑零件材料的易切削性能、切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的变化等，应选用切削性能好的材料，如易削断、加工表面光洁、刀具磨损小的材料。

C.经济性要求

（1）经济性首先表现为材料的相对价格。当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应该选用价格高的材料。这对大批量制造的零件尤为重要。

4.2零件材料选择与强度校核

从材料选用原则的使用要求、加工要求和经济要求出发，选择机械本体个零部件的材料。

在机械手臂中各传动件是关键性零件，如传动轴和齿轮系，它们的强度、刚度等机械性能直接影响机械手的工作质量。

a.轴类零件材料的选择与校核 （1）轴材料的选择

传动轴的常用材料有碳素钢和合金钢。碳素钢对应力集中的敏感性较低，还可通过热处理改变其综合性能，价格也比合金钢低廉，因此应用较为广泛，常用45号钢。合金钢则具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。在一般工作温度下碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同。

28

因此，用合金钢代替碳素钢并不能提高周的刚度。鉴于此，全方位移动结构中的车轮，转轴；机械手传动机构，螺纹轴采用45号钢，就完全能够满足设计要求 的需要。

（2）转向机构的转向轴强度校核

由于此轴最小轴径是直径为10mm的那段,所以只对这一段进行校核就可以了。轴的运动主要受到扭转力,所以只对其扭转强度进行校核。

轴的扭转校核公式为:

?T?T?[?T] （4-1） WT式中：?T ——扭转切应力，单位为MPa WT ——轴的抗扭截面系数，单位为 mm3

轴的材料为45号钢,其允许扭转切应力为 [?T]?35MPa

由第二章可知，转向机构选择的电机型号为 57BYG250B-SASRM-0152，其静力矩为 1.4 N?m。即 T=1400N?mm。

由于此段轴中有键，其截面如图4.1所示：

抗扭截面系数：

bt?d?t? （4-2） WT ??162d?d32图中t=1mm, b=2mm, d=10mm

图4.1 轴截面

将数值带入公式计算得： WT ?188.25mm3 则： ?T?T1400??7.44MPa?[?T]?35MPa WT188.25由此可知，设计的转轴强度满足要求，可以使用。 （3）车轮的校核

车轮是整个机械部分的支撑，也是整个结构受力最大的部分。这里从材料经济性和强度等方面选择45号钢来制造。加工时为了增大车轮与接触面的摩擦力，车轮表面要滚花处理，这样更有利于机器人的移动。

整个车轮部分承载的重量为12Kg。由于整个移动机构有四个车轮，这样每个轮子受到的重量只有3Kg。受到的重力仅为29.4N。轮子的直径为110mm，整

29

个移动部分的强度是非常大的，完全满足设计的要求。

b.齿轮系材料的选择与强度校核

（1）齿轮材料的选择

齿轮的主要失效形式有轮齿折断、齿面疲劳点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑性变形。因此设计齿轮时要使齿面具有较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力，齿根则要有较高的抗折断能力。为此，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。

（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，因此齿根出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=2mm，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??6N （4-3） d3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]（4-4） 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； ZE为弹性影响系数，查得ZE=188MPa； [?H]为接触疲劳许用应力

K?[?H]?HNHlim（4-5）

S

30

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说教育文库轮式移动机器人结构设计论文(7)在线全文阅读。