3.5手臂的结构设计
3.5.1手臂的设计要求
1.应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。
2.机器人手臂的结构与尺寸应满足机器人工作空间的要求。
3.为保证机器人的运动速度和控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度与刚度的条件下，尽可能从结构与材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常采用高强度铝合金制造机器人手臂。
4.机器人各关节的轴承间隙应尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。
5.机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负荷和提高机器人手臂运动的响应速度是有益的。
6.机器人手臂在机构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置、传动机构及内部电缆等的安装。
3.5.2小臂的结构确定
机器人是手臂结构采用电机和执行器的分端布置，这样使小臂达到重量的平衡。如图（3-17）
图3-17 小臂的结构简图
3.5.3电机的选择
1.小臂绕Z轴旋转驱动电机的选择
（1）当载荷的轴线和小臂的轴线同轴时： 载荷对Z轴的转动惯量JZ1=27.08Kgm2，
（2）当载荷的轴线和小臂的轴线垂直时： 载荷对Z轴的转动惯量JZ2=27.75Kgm2
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（3）小臂自身对Z轴的转动惯量为： 初设小臂的参量：长度为：L=1000mm
1直径：D=280mm，质量：m??D2h??480Kg
4小臂绕Z轴的转动惯量：
11Jz?mR2??480?0.282?18.8Kgm2
22选择较大的载荷计算值对轴进行强度校核计算：
所以总的转动惯量是：
J?J2?Jz?27.75?18.8?46.55Kgm2
已知参量：平均加速时间：?t?0.5s
旋转角速度： w?110?/s?1.92 rad/s所以作用在小臂上的惯性力矩：由公式（3-8）得：
w1.92Mg?J?46.55??176.2Nm
?t0.5（4）轴的力矩计算
对轴进行受力分析得：选择轴承为深沟球轴承，轴承直径初选D=180mm 其受力图如下：图（3-18）
图3-18 小臂绕Z轴旋转轴的受力分析
根据轴的受力平衡的原则得：
N1?N2?G{ 110G?490N2?0N1?N2?5800＝＞{
5800?110?490N2?0N1?7120N＝＞{
N2??1302N所以小臂的摩擦力矩是：由公式（3-7）得：
0.02Mm?(N1D1?N2D2)
20.02 ?(7102?0.18?1302?0.18)?15.13Nm
2总的驱动力矩为：由公式（3-6）得：
Mq?1.3(Mm?Mg)
?1.3(15.93?176.2)?249.76Nm
（5）电机的选择：
Mqw Pm?(1.5?2.5) （3-38）
? 27
249.76?1.92?1.198Kw
0.8选取电机的型号为：130SYX，额定功率为Pm=1.5Kw，额定转速n=3000r/min 约为n=314rad/s，额定转矩W=4Nm。
由于在减速器的前一级经过同步带的减速，且同步带的传动比为：u=2，故输入减速器的转速为n=1500r/min。由输出轴的转速和电机的转速比为u=80，选取谐波减速器XB3160，其传动比u=80，输出转矩T=480Nm，输入功率P=1.420KW，最高输入转速n=1750r/min（半流体润滑脂）。
2.小臂摆动驱动电机的选择
对小臂采用重力平衡机构，初步估算小臂加载荷的重量为1000Kg，小臂的平均直径D=250mm，
取小臂的长度： L=2000mm。
小臂的驱动力矩计算： Mq?Mg?Mm （3-39）
?2?f(N1D1?N2D2) （3-40） 2因为采用了重力平衡机构，轴只有一个，
f所以， Mm?N1D1
2N1=G=10000N，D=260mm
摩擦力矩： Mm?所以摩擦力矩为：
f0.02?ND??10000?0.26?26N 22手臂摆动的速度： w?102?/s?1.78rad/s
初选电机的转速为：n=1500r/min，取标准传动比u=100，因此，实际小臂的摆动速度w=1.5rad/s=90?/s。
w小臂的惯性力矩为： Mg?Jy
t其中：Jy为惯性矩，其计算公式如下：
M?3m(4r2?l2) （3-41） 803 ??1000?(4?0.252?22)?47.59Kgm2
80因此，此轴的惯性力矩为：
w1.5Mg?Jy?47.59??142.77Nm
t0.5所以小臂需要的总的驱动力矩为：由公式（3-39）得：
MwPm?(1.5?3.5)LPLP
Jy??168.77?1.5?0.6485Kw
0.8选取电机的型号为：176SYX，额定功率为Pm=2.4Kw，额定转速n=1500r/min，额定转矩W=16Nm。
由于结构的设计要求和工作传递力矩的需要，选择减速器的类型为杯型减速器，其型号为XB-160-100B，传动比为：u=100，额定输出转矩W=1000Nm，额定输入转速n=1500r/min。
?2?
28
3.5.4联轴器的选择
由电机选择可知，电机的转速为3000r/min，转速很高，在各种型号的联轴器中，膜片联轴器易平衡，且易保持平衡精度，不需润滑，对环境的适应性强，且具有较好的补偿两轴相对位移的性能，径向载荷能力大，可在很高的转速下运转，但扭转刚度大，缓冲减振效果差，通常使用于高速传动及伺服传动中。
膜片联轴器采用一种厚度很薄的弹簧片，制成各种形状，用螺栓分别与主从动轴上两半联轴器联接，其中弹性元件为若干多边形的膜片，在膜片的圆周上有若干螺栓孔。为防止膜片在高速运转的时发生的微动磨损，导致膜片螺栓孔出现微裂纹而损坏，可在膜片之间涂上二硫化钼等固体润滑剂，或对膜片表面进行减磨涂层处理。
3.5.5传动同步带的选择
1.同步带1的选择
同步带的型号选择L型，初选小带轮节线圆直径：d1?66.7mm
因为同步带的传动比u=2，且根据标准带轮直径的尺寸系列，所以大同步带轮的尺寸d2?133.4mm 因此，实际传动比：u=2.18
轴间距初步定位： a0?180mm 带长：由公式（3-34）得：
(d2?d1)2?L0?2a0?(d1?d2)?24a03.14(145.53?66.7)2?2?180??(66.7?145.53)?
24?180?701.83mm根据标准节线长： LP?685.8mm
因此，实际轴间距为：由公式（3-35）得：
L?L0a?a0?P2 685.8?701.83?180??171.985mm2作用在轴上的力：
1000Pd1000?1.167Fr???111.46N
?10.47?d1n1带速： ??
60?10003.14?66.7?3000??10.47m/s
60000L型同步带的基本额定功率：Tg?245
P0?
(Tg?m?2)?1000
29
(245?0.096?10.472)?10.47??2.455kw
1000所以同步带的带宽是：其中K2=1
bs?bs01.14Pd K2P0?25.4?1.141.167?13.33mm
1?2.4552.同步带2的选择
由于第二同步带的驱动电机相对中心轴的位置和第一同步带的驱动电机的位置象同，即两轴对中心轴的距离相同。又因他所传递的力矩略小于第一同步带，此第二同步带采用第一同步带的宽度，其强度是可以保证的。
3.5.6轴的校核
1.小臂1轴的强度校核
轴原始尺寸的确定：轴径初选d=20mm，长度为L=1350mm ，材料选择45钢
（1）对轴进行受力分析
作用在轴上的力：锥齿轮传动产生的作用在轴上的轴向力Fa，由安装在锥齿轮一端的滚动轴承所承受，因此，轴的受力仅为扭矩和在重力。如图：图（3-19）
图3-19 小臂第一传动轴的受力简图
由受力分析得：对轴主要进行扭曲应力和弯曲变形的校和。 已知：轴所传递的扭矩T=1.54Nm
T轴的最大切应力： ?max? （3-42）
Wt实心轴的抗扭截面系数：
?D31Wt???3.14?203?1570 （3-43）
1616T1540??0.98MPa 所以轴的最大切应力为： ?max?Wt157045钢材料的许用应力： ????40MPa
?max????计算应力值小于许用应力值， 所以轴的抗扭强度是可靠的。 （2）小臂1轴（图3-17）的扭曲变形计算
已知初始条件：45钢材的G值取80Gpa，轴的安全扭转变形为20mm。
/?单位长度上的扭转角： ?????1.5?/m
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