机械臂转动部分原理与设计

机械臂转动及摆臂部分原理与设计为使控制部分简化，机械臂的转动采用蜗轮蜗杆传动，它有以下特点：1、可使整个机械臂三百六十度旋转；2、通过与小齿轮触碰的计数器计数实现转动角度的精确控制；3、转动平稳，齿轮较大，可承受整个机械臂的重量。转动部分是机械臂三个自由度中较重要的部分，其设计过程也是整个设计过程较重要的一环。蜗轮蜗杆传动分析电机通过蜗轮输出，蜗轮选择普通圆柱蜗杆考虑到齿轮齿条转速较低，承载不大，采用45号碳素钢调制处理，硬度为200300HBS:蜗杆传动的受力分析：蜗杆传动的受力分析和斜齿圆柱齿轮传动相似。为简化起见，通常不考虑摩擦力的影响。作用在蜗杆上的轴向力和蜗轮上的圆周力、蜗杆上的圆周力和蜗轮上的轴向力、蜗杆上的径向力和蜗轮上的径向力，分别大小相等而方向相反。各力的大小分别为：11212taTFFd21222atTFFd122tanrrtFFF12222coscoscoscoscoscosatnnnnFFTFd式中，1T、2T——蜗杆、蜗轮上的工作转矩（21TTi，i为传动比，为传动效率）；初步设计，由于蜗杆头数11z，因而取0.7，传动比40i。21128TTiT1d、2d——蜗杆、蜗轮的分度圆直径；na——蜗杆法面压力角；——蜗杆分度圆导程角。蜗轮接触齿面解除疲劳强度计算蜗杆的传动可以近似地看作齿条与斜齿圆柱齿轮的啮合传动。以赫兹公式为原始公式，按照节点啮合的条件进行计算，作用在齿面上的最大接触应力按照式子计算，即caHEPZ式中，caP——齿面接触线单位长度上的计算载荷；——综合曲率半径；EZ——弹性系数。1)齿面接触线单位长度上的计算载荷caPncaKFPL式中，K——载荷系数；L——接触线长度。蜗轮蜗杆啮合最小接触线长度1min2360cosaodL式中，——接触线长度变化系数；a——端面重合度，1.8~2.2a；2——蜗轮齿宽角。现取平均值，使0.75，2a，2100o1min1.311.311.512.0822cos0.95dLmm22226min211221.621.621.25cos110.2coscos1.312.08228010nAAcaaKFKTKTTPTLddddgg式中AK为使用系数。设计为轻微冲击，取1.25AK2)综合曲率半径蜗杆的齿形在中间平面为直齿齿条，故1，并取sinsincosng，则2sin2cosd蜗杆的分度圆导程角一般取3.5~27oo，则cos0.998~0.891之间，取平均值，使cos0.95，相应地18.195o，取20o，则节点处的综合曲率半径为20.526sin0.52680sin2014.392odmm3)齿轮接触疲劳强度的校核及设计公式取20o，得蜗杆传动齿面接触疲劳强度的校核公式为222129AHEHPKTZmdzMPa整理后，蜗杆传动齿面接触疲劳强度的设计公式为221229EAHPZmdKTz3mm蜗轮选用铸锡青铜件，与钢蜗轮配对取160EZMPa。22212222160991.254200EAHPZMPamdKTTzMPa4)许用接触应力HP当蜗轮材料为强度极限300bMPa的青铜，当蜗杆材料为钢时，传动的承载能力常取决于蜗轮的接触疲劳强度，铸锡青铜101ZCuSnP铸造方法选为金属模铸造200HPMPa蜗杆刚度计算通常将蜗杆的螺旋部分，看作以齿根圆直径为直径的轴段，主要校核弯曲强度，其最大弯曲挠度y可按下式作近似计算；2211'348trFFyLyEI式中，1tF、1rF——蜗杆所受的圆周力和径向力，N；E——蜗杆材料的弹性模量，MPa；I——蜗杆危险断面的惯性矩，41464fdImm；其中1fd为蜗杆的齿根圆半径，单位mm；'L——蜗杆两端支撑间的跨距，mm，初步计算时可取'20.9Ld，其中2d为蜗轮分度圆直径，mm；y——最大许用挠度，一般取11000dy；其中1d为蜗杆分度圆直径，mm。**4112222.421220.2520.805646464afdhmcmdI4mm'0.98072Lmm122.40.022410001000dymm2212221211'33223121522tan72188.41496.2485.591048482.0100.805trTTddFFyLTTTyEImm蜗杆参数，模数32mmm，压力角20o，头数11z，分度圆直径122.4dmm，直径系数111.200dqm，23189.6mdmm蜗轮参数，模数42mmm，压力角20o，齿数240z24224080dmzmm，2110.06Lzm慧鱼模型图为基于慧鱼模型元件设计的三维零件装配图机械臂转动部分示意图（侧视图）机械臂转动部分示意图（45度)机械臂转动部分（俯视图）基于慧鱼组合包的蜗轮蜗杆选型结合本拾球机器人所需功能及慧鱼组合包现有组件，最终选定使用大齿轮与蜗杆配合形成蜗轮蜗杆传动，占用空间较小。如图所示：蜗轮蜗杆元件电机选用通过计算得出小电机如图所示）满足设计要求，配合减速箱使用即可实现传动的平稳精确。电动机组合件实物照片机械臂转动部分在车身中的位置示意图机械臂转动部分摆臂部分摆臂部分整体视图