全气动多自由度关节型机器人的结构设计.doc

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1、 南京理工大学毕业设计说明书(论文)作者:学号：学院(系):机械工程学院专业:机械工程及自动化题目:全气动多自由度关节型机器人的结构优化研究指导者：(姓名)(专业技术职务)评阅者：(姓名)(专业技术职务)2007年6月毕业设计说明书（论文）中文摘要 由于气动机器人具有运动速度快、成本低、绿色环保等特点，被广泛应用于各工业生产领域中。相比于直角坐标型机器人而言，关节型机器人具有操作灵活、适用范围广、占地面积小等优点。SMC南京技术中心在前期的研究中，开发了一种全气动多自由度关节型机器人，制作了样机并进行了试验研究。前期的研究发现，该关节型机器人的腰部回转关节存在较大的定位误差，很大程度地影响了该

2、机器人的工作精度和可靠性。为了解决这一问题，论文在分析了原有结构方案的基础上对全气动多自由度关节型机器人的腰部回转关节进行结构优化设计和试验研究，具体完成的工作如下：(1)分析了腰部回转关节原有结构的齿轮齿条传动的缺点以及引起定位振动的原因， 在综合分析了各种传动方式优缺点的基础上，研究了腰部回转关节的总体优化方案。(2)对同步带传动进行了结构设计，并制作了改进结构的实物装置，对装置进行了装配和调试。(3)对改进的同步带传动装置进行了试验研究，结果表明优化后的腰部关节能够有效地减小在定位时的振动，提高了气动机器人的腰部关节的定位精度。关键词气动机器人 同步带 结构优化 机械设计 毕业设计说明书

3、（论文）外文摘要TitleResearch on structural optimization of the multi-DOF articulated pneumatic robotAbstractThe pneumatic robot has lots of significant advantages, such as high speed, low cost and no pollution. It has been widely used in industrial manufacture now. Compared with cartesian coordinate pneuma

4、tic robot, articulated pneumatic robot has smaller dimension ，but larger workspace, and can meet the need of varies tasks. SMC (Nanjing) pneumatic technology center had developed a pneumatic multi-DOF articulated robot. A prototype had been manufactured and some experimental research had been done.

5、It had been founded that the positioning error at the joint of waist, reduced the precision and reliability of the pneumatic robot. To solve this problem, structural optimization and experimental research have been done for the joint of waist, on the basis of analyzing the previous structure. The ma

6、in works accomplished in the paper include: (1)The discussion of the shortcomings of gear-rack transmission and the reason for the location vibration. Compared with various transmissions, the scheme of optimum design is presented. (2) The design of the structure of synchronous belt transmission, and

7、 the assembly parts of the model. (3)The testing of the optimized structure. The result shows that the optimized joint at the waist can reduce the vibration effectively, and improve the accuracy of the pneumatic robot. Keyword Pneumatic robot Synchronous belt Structural optimizationMechanical design

8、目 次1 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外气动机器人的研究现状11.3 本课题研究的内容42 全气动关节型机器人的结构优化总体技术方案52.1 现有系统的结构分析52.1.1 腰部回转运动原有结构的分析62.1.2 直线运动转换为旋转运动的几种形式72.1.3 齿侧间隙92.2 系统结构优化总体技术方案92.2.1 同步带传动92.2.2 同步带的分类102.2.3 同步带传动的优点102.2.4 圆弧齿同步带传动113 全气动关节型机器人的优化结构研究133.1 圆弧齿同步带传动结构设计133.2 机械结构的设计和计算153.2.1 同步带轮的设计计算153.2.2 机架轴

9、承的选用173.3 机械结构的强度校核183.3.1 带轮轴的强度校核183.3.2 平键的强度校核213.3.3 受力较大的螺纹联接强度校核224 全气动关节型机器人的腰关节控制方案研究244.1 ML2B伺服气缸基本特性分析244.2 CEU2专用控制器254.3 气动机器人腰部关节气动控制回路265 全气动关节型机器人优化结构试验研究285.1 试验方案285.2 实验结果和分析295.2.1 旋转电位器的标定295.2.2 试验过程和结果分析29结论34致谢35参考文献36附录381 绪论1.1 课题研究的背景和意义机器人技术是集合了诸多学科为一体的一门综合技术，是关键的自动化技术1。

10、机器人的应用，延伸和扩大了人的手足和大脑的功能，能代替人从事危险、有毒、有害、高温、高压等恶劣环境下的工作，减少伤亡事故，对提高劳动生产率、提高产品质量、改善劳动条件、改变劳动结构以及促进相关学科的技术进步，均发挥了重大的社会效益和经济效益2。因此，机器人尤其是工业机器人的研究与应用越来越受到各国的关注。然而，当前所应用的大多数伺服机器人都是利用电机或液压驱动的，在易燃易爆的环境中不宜使用，所以气动伺服机器人已经成为气动技术领域的热门研究课题。气压传动作为机器人驱动形式的一种，现在已经被广泛地用于工业生产中。由于气动技术与电子技术的结合，以及周边技术的成熟，在工业自动化领域里，气动机械手、气动

11、机器人的实用性已经充分体现出来。气动伺服定位技术的出现，受到工业界和学术界的高度重视，同时为气动机器人、气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分宽广的前景3。目前气动机器人的研究多集中在直角坐标型气动机器人上,对关节型气动机器人研究很少。由于关节型机器人具有操作灵活、适用范围广、占地面积小等优点，SMC南京技术中心研究设计了一套全气动多自由度关节型机器人，并对样机进行了试验分析。在前期的试验工作中发现，该气动机器人存在较大的定位误差，尤其是腰部回转关节在定位时存在很大的摆动误差，严重影响了机器人的工作特性。因此需要对气动机器人进行结构分析，通过结构优化设计来提高机器人的定位精度。这将会进一

12、步提高该气动关节型的工作性能，使其能更加适应工业生产的需要。1.2 国内外气动机器人的研究现状气动机器人的研究历史并不长，由于机器人需要能快速、准确地定位，实际上对机器人提出了一个基本要求，即它们必须具有高精度、快速反应、一定的承载力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。气压传动由于其工作介质是压缩空气，由于气体存在较大的可压缩性，因此对气动元件进行精确的定位比较困难，这一直是困扰气动机器人发展的技术难题之一。但是气动机器人具有运动速度快，结构简单，成本低等特点，尤其是适用于易燃、易爆等特殊场合，所以气动机器人的研究一直得到人们的关注。20世纪90年代初，由布鲁塞尔皇家

13、军事学院Y.Bando 教授领导的综合技术部开发研制了一个电子气动机器人“阿基里斯”六脚勘探员，可以在人不易进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察；由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人可以在两个相互垂直的表面行走，可以在核能发电站、高层建筑物或船舶上进行清扫、检验和安装工作。随着气动伺服技术的发展，该项技术同样应用在了机器人上，如早在1997年国外就有大学做过气动伺服插装试验，用于对木料的轴孔进行插装工作；应用了32个SPC100气动伺服控制器的TronX电子气动机器人（如图 1.1），可以完成和人的握手，它的头部、腰部、双手能完成像人类一样灵活的弯曲运动，并具有良好的柔韧

14、性；另外还有可用于分拣的气动机械手（如图1.2），使用气动伺服技术可以在X、Y平面上的任意点定位，并将检测后不合格的产品分拣出来 4,5。图 1.1 TronX电子气动机器人图 1.2 气动机械手在国内有很多高校和研究部门在气动机器人的研究上也取得了令人瞩目的成绩。由浙江大学研制成功的书法气动机器人具有良好的轨迹跟踪特性，能完成毛笔字的书写。北京航天航空大学研制成功的全气动擦窗机器人能完成高层建筑玻璃幕墙繁重而又危险的清洗工作，如图 1.3所示。浙江工业大学研制的全气动蠕动机器人不仅能在地面运动，还能在竖直表面或者管道内爬升。北京工业大学研制的带视觉系统的全气动插装机器人，能识别工件的形状，自

15、动实现对不同形状轴孔的插装作业。由哈尔滨工程大学和吉林化工学院共同研制的气动穿地龙机器人，利用自激振动的气动冲击，且结构简单、控制部件少、控制方法容易610。 图 1.3 气动擦窗机器人最新发展起来的模块化气动机械手，如图 1.4所示，由于气动元件能够完成直线、旋转、吸取、抓取等动作，并有多种规格的可选择，使得气动机器人、气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。人们根据应用工况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意组合。例如：组成立柱型气动机械手、门架型气动机械手和滑块型气动机械手，以及其它各类气动机械手11。图 1.4 模块化气动机械手另外在气动机器人的驱动执行元件方面也有了新的发

16、展。最突出的是气动人工肌腱的运用。气动人工肌腱结构简单，可直接驱动，输出力/自重比高，运动接近自然生物的运动，具有高柔性12。上海大学研究设计了基于气动人工肌腱的可穿着式机器人用于护理工作，减轻了护理工作中繁重体力活动。北京理工大学研制的气动人工肌肉驱动的七自由度仿人手臂，基本能够实现人类关节的运动柔顺性，具有良好的应用前景13，14。如图 1.5所示的机械手由多条气动人工肌腱驱动。图 1.5 气动肌腱机械手1.3 本课题研究的内容目前在工业运用上大多数机器人都是电机或液压驱动的，这使得机器人在易燃易爆，食品药品加工领域不易使用，全气动的机器人能够满足以上情况的需要。对机器人的精确控制需要通过

17、伺服技术实现，目前气动直线伺服技术逐渐成熟，而摆动伺服技术仍处于研究和探索阶段，所以目前国内外发展的气动机器人大都是直角坐标型机器人。SMC南京技术中心研制的全气动多自由度关节型机器人具有结构紧凑，所占空间体积小，工作空间大，动作灵活的特点。全气动关节型机器人由于结构复杂，精确控制比较困难。本课题是在技术中心前期所研制气动机器人样机的基础上对其结构进行优化设计，进一步提高机器人的控制精度。通过对全气动机器人的运行状态的观察和分析，发现系统存在几个明显的问题：（1）腰部回转运动在定位时出现很大的超调量，出现振动回摆，严重影响了末端执行器定位的精度。（2）手腕部份的辅助气动机构有时无法正确定位，出

18、现反复定位的情况。（3）气动机器人的工作部分转动惯量过大，使得整个系统在定位时的冲击很大。本课题主要针对气动机器人腰部关节定位不准的问题对其进行结构优化设计。本课题主要研究的内容有以下几个方面：（1）分析了原有结构的缺点以及引起定位不准的原因，综合分析各种传动方式的优缺点，确定腰部回转关节的总体优化方案。（2）根据优化方案进行结构设计，加工出优化结构装置，并进行装配调试。（3）通过试验研究，分析气动机器人在结构优化前后的工作特性 ，得出优化结论。2 全气动关节型机器人的结构优化总体技术方案2.1 现有系统的结构分析SMC南京技术中心研制的全气动多自由度关节型机器人的整体结构如图 2.1所示。图

19、 2.1 全气动多自由度关节型机器人的总体结构全气动关节型机器人具有五个运动自由度，它们分别是：（1）腰关节的回转运动系统采用SMC公司的ML2B直线伺服气缸，利用一组齿轮齿条结构把直线伺服气缸的直线运动转换为腰关节的回转运动。（2）肩关节和肘关节的俯仰运动系统采用SMC公司的CE2系列直线伺服气缸，通过CE2直线伺服气缸在直线行程内的任意位置定位功能实现肩关节和肘关节的俯仰角度的定位。（3）腕部的俯仰运动这里采用了SMC公司的CRB2摆动气缸，由于摆动气缸只能在起点和终点两个位置定位，为了实现手腕姿态的多种要求，系统设计了一种新型的气动辅助机构，该机构能使摆动气缸在摆动范围内实现多点的精确可

20、靠的定位位置。（4）腕部的回转运动系统采用SMC公司的MRHQ复合气缸，它能同时实现腕部的回转运动和手爪的开合运动。全气动关节型机器人的前三个自由度用来实现气动机器人手臂末端的空间位置定位，后两个自由度用来实现手爪的空间姿态定向15。2.1.1 腰部回转运动原有结构的分析本课题主要研究全气动机器人的腰部回转机构的结构优化设计，下面对原有系统的结构进行分析。SMC南京技术中心研制的气动机器人的回转部分的组件如图 2.2所示。1立柱组件；2定位块；3转动平台；4齿条；5ML2B缸体；6轴承座；7齿轮；8转轴；9底座图 2.2 腰关节回转组件装配示意图齿条4通过螺钉固定在ML2B缸体5上，齿轮7通过

21、平键与转轴8配合，转轴8通过两套轴承与轴承座6相连，轴承座6通过螺钉与底座9固定。转轴8通过平键与转动平台3配合，转动平台3通过螺钉与立柱组件1相连。传动原理为：ML2B缸体5作直线运动时，通过齿条齿轮机构传动使转轴8转动，带动转动平台3和立柱组件1一起转动。通过以上结构可以发现气动机器人是通过一组齿轮齿条将气缸的直线运动转化为腰部关节的回转运动。通过观察机器人的工作特性，该转换结构在定位时很难保证定位的精度，长时间运行后齿轮齿条的中心距就会被拉大，齿侧间隙就会变大，系统也没有设计相应的结构来调整，这样就给机器人的定位带来误差，而且大大增加了系统的冲击，使得整个系统运行时很不平稳。齿轮与齿条的

22、接触面积小受力大，齿轮齿条磨损加剧，传动误差不断加大。通过分析研究发现，出现气动机器人回转运动精度不高，以及振动冲击过大的原因有：（1）齿轮齿条转换机构的装配精度不高，导致齿侧间隙过大；（2）机器人工作部分转动惯量过大；（3）气缸本身由于气体的压缩性，在末端定位时出现超调。2.1.2 直线运动转换为旋转运动的几种形式对于气动执行元件而言，用得最多的就是直线气缸，规格和型号也最齐全。对于气动机器人而言，需要对其进行精确的位置控制，目前直线气缸的伺服控制技术已经比较成熟，而对旋转气缸的伺服控制目前还比较困难，所以直线伺服气缸是一个很好的选择，但是需要设计一个比较好的直线运动转换为旋转运动的方案。下

23、面对几种典型的转换形式进行分析比较。（1）齿轮齿条传动齿轮齿条传动如图 2.3所示，其中齿轮作旋转运动，齿条作直线运动。图 2.3 齿轮齿条传动结构齿条直线运动的速度v(mm/s)与齿轮分度圆直径d，转速n之间的关系是：(2.1)式中：d齿轮分度圆直径(mm)n齿轮转速(r/min)齿条与齿轮正确啮合的条件是基圆齿距相等，齿条基圆齿距是其两相邻同侧直线齿廓的垂直距离。安装时正确安装是保证安装中心距16。齿轮齿条传动结构紧凑，传动精度高，但是对安装精度要求严格，传动时齿轮齿条副的齿侧间隙会使机器人在定位时存在较大的振动。因此需做到无齿隙传动，但对齿轮齿条的加工和装配精度要求较高，成本较大。（2）

24、杠杆式传动机构杠杆式转换机构其实是一组平面杆结构，其原理图如图 2.4所示30BCA图 2.4 杠杆式传动气缸伸出时，AB杆长度变长，由于BC 和AC距离不变，根据三角形余弦定理，(2.2)由式2.2可知，其旋转角度和气缸位移输出量之间是比较复杂的数学关系，会给机器人的控制带来困难，并且旋转的角度较小，无法满足机器人工作空间大的要求。（3）带传动结构利用带传动作为转化结构时，带作直线运动，带轮作旋转运动，如图 2.5所示。图 2.5 带传动结构普通平带传动由于利用摩擦力来传递运动和力，所以会产生弹性滑动和打滑，因此瞬时传动比不准确，不能用于要求传动比精确的场合。除了普通的平带传动外，同步带传动

25、是传统带传动领域中一种新型的传动形式，它是通过带齿与轮齿的啮合传递运动和动力，因此，它不仅具有带传动的特点，而且又具有齿轮传动和链传动的特点，能够保证准确的传动比17。因而本课题将着重研究同步带传动。2.1.3 齿侧间隙齿轮齿条作为齿轮传动一种特殊形式，其装配精度的测定与普通齿轮传动一样。本课题中由于原系统在运用齿轮齿条传动时受影响最大的就是齿侧间隙，所以简单介绍一下齿侧间隙的概念16,24。在一对装配好的齿轮副中，侧隙j是相啮齿轮之间的间隙，它是在节圆上齿槽宽度超过相啮轮齿齿厚的量。侧隙受一对齿轮运行时的中心距以及每个齿轮的实际齿厚控制。运行时还受速度、温度、负载等的变化而变化。在静态可测量

26、的条件下，必须有足够的侧隙，以保证在带负载运行最不利的情况下仍有足够的侧隙。对于机器人而言，如果采用齿轮齿条传动就要求侧隙量不能过大，最好做到无齿隙传动。但是由于加工成本和装配精度问题，很难做到，并且由于气压传动本身有很大的振动，中心距有可能不断加大，侧隙也会不断增大，导致传动精度不断降低。因此选择一种不受齿轮传动副侧隙影响，并能减小气缸振动影响，传动精度高的传动方式是本课题要达到的目标，为此本课题根据以上各种结构的传动特点，选择了圆弧齿同步带传动来替代原有的齿轮齿条传动。2.2 系统结构优化总体技术方案2.2.1 同步带传动同步带传动（图 2.6）是近几十年发展起来的一种新型传动方式,它综合

27、了带传动、链传动和齿轮传动的优点。由于带的工作面呈齿形，与带轮的齿槽作啮合运动，并由带的抗拉层承受负载，以保持带的节线长度不变，故带与带轮之间没有相对滑动，可以实现带与带轮之间的同步传动。同步带除了传递运动动力以外，还可以进行高精度的定位运动，精密输送等18。本课题正是运用了同步带传动的这种优良的传动特性。图 2.6 同步带传动2.2.2 同步带的分类（1）梯形齿同步带传动。它主要用于中、小功率的同步带传动，如各种仪器、计算机、轻工机械中均采用这种同步带传动。（2）高转矩同步带传动 又称HTD带(High Torque Drive)或STPD带传动(Super Torque Positive

28、Drive)。由于其齿形呈圆弧状，通称为圆弧齿同步带传动，其齿面形状如图 2.7所示21。图 2.7 圆弧齿同步带2.2.3 同步带传动的优点为了说明同步带传动的优点，现将同步带传动与其他传动作一比较17，如表2.1所示： 表2.1同步带与其他传动方式的比较性能同步带三角带平带链条齿轮传动的准确性同步有滑移有滑移同步同步瞬时速度均匀性均匀不均匀不均匀不均匀均匀速比范围大大中大中允许线速度高中中低中传动噪声小小小大中功率/质量的比值大中中小中传动功率中中中中大效率98%99.5%85%95%85%95%96%98%98%99%初张紧力小大大小无轴承压力小大大小小耐冲击性能中好好差中维修简便简便简

29、便尚方便不方便防污染和灰尘好好好中差安装误差对传动性能的影响大中小中大通过以上的比较可以总结出同步带传动的优点有17,21,22：（1）工作时无滑动，有准确的传动比同步带传动是一种啮合传动，虽然同步带是弹性体，但由于其中承受负载的承载绳具有在拉力作用下不伸长的特性，故能保持带节距不变，使带与轮齿槽能正确啮合，实现无滑差的同步传动，获得精确的传动比。 （2）传动效率高，节能效果好由于同步带作无滑动的同步传动，故有较高的传动效率，一般可达0.98。 （3）传动比范围大，载荷范围大，结构紧凑 同步带传动的传动比一般可达到l0左右，传动的功率从几瓦到几百瓦。因为同步带传动是啮合传动，其带轮直径比依靠摩

30、擦力来传递动力的三角带带轮要小得多，此外由于同步带不需要大的张紧力，使带轮轴和轴承的尺寸都可减小。所以与三角带传动相比，在同样的传动比下，同步带传动具有较紧凑的结构。 （4）维护保养方便，运转费用低 由于同步带中承载绳采用伸长率很小的玻璃纤维、钢丝等材料制成，故在运转过程中带伸长很小，不需要像三角带、链传动等需经常调整张紧力。此外，同步带在运转中也不需要任何润滑，所以维护保养很方便，运转费用比三角带、链、齿轮要低得多。且同步带传动无需润滑，齿面具有自润滑性。 （5）传动噪音小，传动机构质量轻。2.2.4 圆弧齿同步带传动自1946年由美国的Vniroyal公司开发成功后，带的齿廓一直为梯形（图

31、 2.8 a）。梯形齿的齿侧面为直线，这使带齿根应力集中严重，影响它的寿命和承载能力；另外，梯形齿同步带传动的震动、噪音和干涉量也较高，影响带速。光弹实验发现，在梯形齿截面上应力分布很不均匀。随着人们对齿形应力分布的解析，开发出了传递功率更大的圆弧齿（图 2.8b），由于它的带齿根应力小，应变条纹沿整个截面分布，使整个齿的材料得到充分利用，降低了振动和噪音，干涉小。圆弧齿同步带的问世，扩大了同步带的传动范围，使同步带不但能适用于高速低扭矩的场合，也能适应低速高扭矩的场合，还扩大了应用领域19。后来人们根据渐开线的展成运动，又开发出了与渐开线相近似的多圆弧齿形，使带齿和带轮能更好的啮合（图 2.

32、8c），使得同步带传动啮合性能和传动性能得到进一步优化，且传动变得更平稳、精确、噪音更小。 a) 梯形齿 b) 圆弧齿 c) 近似渐开线齿图 2.8 同步带齿形的变迁本课题设计的是气动机器人腰部旋转的转换装置，对于机器人而言最重要的是传动精度要高，圆弧齿同步带传动综合了带传动、链传动和齿轮传动的优点，传动更平稳、更精确。由于带传动是扰性传动，带本身具有弹性，在一定程度上还能吸收传动过程中的部分振动，且同步带传动维修调整都比较方便，适应性好。由于系统传动速度不大，但是传递的扭矩比较大，属于低速高扭矩的场合，综合考虑了圆弧齿同步带的优点，所以本课题选用该传动来替代原有系统的传动方式。3 全气动关节

33、型机器人的优化结构研究3.1 圆弧齿同步带传动结构设计根据以上对圆弧齿同步带的分析，本课题决定采用圆弧齿同步带传动的方式。对于优化后的结构需要满足以下几个要求：（1）能够解决上文中提到的消除齿隙影响，达到减小定位时的振动的目的（2）满足机器人的工作空间要求，即不影响原有系统的工作空间（3）结构紧凑，便于安装，调节方便优化结构的整体结构图如图 3.1所示。机器人本体支座；2ML2B气缸；3同步带压板；4同步带5压紧支架；6压紧条；7前后机架；8同步带轮图 3.1 优化后系统整体结构图同步带轮的设计结构如图所示，由于设计的同步带轮的直径较小，所以为了装配的方便，同步带轮和传动轴设计为一体，直接在传

34、动轴上加工出同步带轮。同步带轮的结构如图 3.2所示。图 3.2 同步带轮轴同步带的机架起到固定作用，在设计时需要考虑以下几个问题。（1） 传动轴的安装方法（2） 机架的加工工艺问题（3） 机架与底板的安装问题（4） 机架的其他功能机架分为前机架和后机架，前机架固定于底板，由于带传动的中心距设计成可调，因此后机架并没有完全与底板固定。后机架与底板固定处铣成一长槽，不限制它在带轮中心距方向的自由度，通过压紧支架上的压紧螺钉施加同步带的张紧力。由于同步带轮轴是两端细中间粗的结构，为了保证同步带轮轴的安装方便。因此机架设计成上下两部分，装配时先将带轮轴与下机架装配，然后再将上机架与带轮轴进行装配。

35、由于机架上体的尺寸较小，如果在对其加工时采用折弯的方法，加工的难度很大。综合考虑了加工工艺和难度，机架由多个部件通过焊接而成。考虑到带轮轴需要与机架中的轴承座进行装配，需要保证轴承座孔的同轴度要求。加工时先将上下机架装配成一体，而后通过一次加工确定轴承支座孔的位置，再对轴承孔进行精加工，从而保证了同轴度要求。结构优化后气动机器人腰部关节传动结构的实物如图 3.3所示。图 3.3 结构优化后的腰关节传动结构实物图3.2 机械结构的设计和计算3.2.1 同步带轮的设计计算 同步带传动主要失效形式有25：（1） 抗拉层弯曲疲劳；（2） 在冲击载荷或严重过载情况下断裂；（3） 抗拉层与带背撕脱抽出；（

36、4） 带齿的剪切和压溃以及同步带两侧边和带齿磨损。在对同步带传动结构设计之前，需要对原有机构的设计参数进行一些测量和说明。原系统对腰部回转运动设计的运动空间范围为，所以其总的旋转角度为。ML2B气缸的行程为L=100mm,由此可计算出，原系统齿轮齿条传动中齿轮的分度圆直径：D=mm下面来说明同步带传动的设计计算步骤。（1）带轮转速通过实验发现在气缸在工作压力为0.6MPa时，在其行程范围L=100mm内运动时间约为T=4s，由此得出气缸在0.6MPa时平均运动速度=mm/s。所以带轮的设计转速n=r/min。（2）设计功率同步带传动的动力源是SMC公司的ML2B气缸。其气缸的理论输出力如表3.

37、1所示33。表3.1 SMC ML2B气缸理论输出力 (N)缸径(mm)活塞面积(mm2)使用压力（MPa）0.20.30.40.50.60.70.82549098147196245194343292328041612413224024835636434012562513775026287548791005本系统使用的气缸型号为ML2B32 -100,由表可查得气缸在0.5MPa时气缸的理论输出力F=483N。由此可算得，传动功率W0.012kw，所以设计功率kw，其中：工况系数，查表选取=1.3。（3）选取带型根据设计功率和带轮转速，查手册可知，选取圆弧齿行同步带带型为8M。（4）选取带轮直

38、径根据机器人工作空间的要求，优化后的腰部回转运动空间设计为,所以带轮同步带装配后，带节线之间的宽度为mm，综合考虑机器人的工作空间的需要，查表后选取齿数为26，带轮直径节径d=66.21mm，外径为64.85mm。（5）初定中心距根据气缸的外形尺寸，初估中心距mm。（6）确定带长初定同步带节线度:mm,查表选取最接近的带长=1000,带长代号为1000，齿数。（7）确定中心距mm，（8）同步带与带轮的啮合齿数（9）基准额定功率查表可查得基准额定功率kw。（10）计算带轮带宽mm，其中:选定型号的基准宽度，8M型圆弧带；圆弧齿形带长系数，查表得；啮合齿数系数，这里=1.0。查表后选取带宽为25，

39、带宽代号为25。（11）计算作用在轴上的力带传动作用在轴上的力为：N，其中:矢量相加修正系数，查图可得。3.2.2 机架轴承的选用根据同步带传动的特点，轴承主要承受的是径向载荷，因此轴承应选用深沟球轴承为宜。对于低速旋转的轴承应分别计算轴承的额定动载荷和额定静载荷，根据其中较大的值来选用轴承。（1）计算额定动载荷C(3.1)其中：寿命因数；力矩载荷因数，这里选；冲击载荷因数；速度因数；温度因数；P量动载荷，这里即为轴承承受的轴向力F。kN（2）计算额定静载荷(3.2)其中：安全因数，查表得，kN选取轴承时应使得 ,，其中：基本额定动载荷,kN；基本额定静载荷,kN。查表的当轴的设计直径d=30

40、mm时,根据结构的总体尺寸我们选取的轴承型号为61806。其主要参数如表3.2：表3.2 61806轴承主要参数内径d外径D轴承厚度基本额定动载荷基本额定静载荷30mm42mm7mm4.70kN3.60kN3.3 机械结构的强度校核3.3.1 带轮轴的强度校核 优化后结构只是改变了机器人本体以下的结构，机器人工作部分的结构没有改变，这里沿用原有系统的静力计算公式，通过受力分析，如图 3.4，估算出机器人本体对同步带轮轴的作用力。G1G7对B点的力臂分别为L1L7图 3.4 气动机器人静力学结构受力分析通过估算对B点的弯矩约为：=9.80.82+1.39.80.72+9.80.6+1.59.80

41、.52+3.49.80.33+39.80.23+3.4=51.8224NmF为了校核同步带轮轴的强度，首先需要对轴进行受力分析，对于同步带后轮轴，其受到的主要力即同步带在传动时作用在轴上的力。其受力图如下：l1l2R1R2图 3.5 同步带后轮轴受力分析图中，F带轮轴传动时受到的径向力，F=720.72N, mm,mm。由此可计算出支反力：N，N，M1由此画出轴受的弯矩图为：图 3.6 同步带后轮轴弯矩图Nmm， (3.3)对于实心轴，计算准则为：(3.4)查表得MPa，mm，这里危险点处的轴的直径为64.85mm，符合强度要求。F同步带前轮轴是驱动气动机器人工作部分进行旋转的，因此它除了受到

42、带传动时的轴向力外，还受到机器人本体对它产生的弯矩。其受力分析图如图3.7所示。l2l1P2MR2R1P1图 3.7 同步带前轮轴受力分析此时求支反力：N，N，M2画出弯矩图为：M1图 3.8 同步带前轮轴弯矩图由弯矩图可见此时危险转折点有两个，其中：Nmm，Nmm，针对该危险截面进行强度校核，同样由式(3-4)得到：mm，这里危险点处的轴径为23mm，也符合强度要求。3.3.2 平键的强度校核本课题在机器人本体和同步带传动装置联结时用到了普通平键的联接。用于静联接的普通平键其主要的实效形式是工作面被压溃。进行校核时忽略摩擦，假定载荷在键的工作面上均匀分布，平键联接的强度条件为：(3.5) 式

43、中：T键联接传递的扭矩，这里T=Nm，F为气缸输出力(N)，d为带轮直径(mm)， K键与轮毂的接触高度，k=7mm，L键的工作长度,这里l=20mm，轴的工作直径,这里mm，键、轮毂、轴中最弱材料中的许用挤压应力，MPa。MPa,查表可知许用挤压应力=100MPa，所以键联接满足强度要求。3.3.3 受力较大的螺纹联接强度校核同步带传动装置中了很多地方都用了螺纹螺栓连接，连接的可靠与否将影响整个传动的可靠性，下面对受力较大处的联接进行强度的计算。综合分析发现机架与地板联接螺钉的受力最大。下面对此进行强度计算。机架与底板的联接示意图如图 3.9所示。MVPVPV图 3.9 机架与底板连接示意图

44、通过对其进行受力分析可得，螺钉联接承受的载荷有：径向拉力：N，F为轴向力，N,倾覆力矩：Nmm，H为同步带轮的高度，螺钉是四个对称分布，因此每个螺钉受到的轴向力为：N在径向力的作用下，建立机架与底板结合面不产生滑移的条件为：(3.6)其中：f接合面的摩擦系数，由表查得f=0.14, z螺钉数量，z=4， 螺钉的相对刚度，这里选， 防滑系数，这里选取为， ，螺钉的预紧力和残余预紧力，N。设计要求为：(3.7)N，N，螺钉的设计要求为直径：(3.8)查表得其中MPa，mm，在这里我们选用的是M8的螺钉，满足强度要求。此外螺纹受力较大的地方为机器人本体与支座联接处的螺栓联接，其校核方法与以上方法相似，这里不再重复说明。4 全气动关节型机器人的腰关节控制方案研究本文中控制腰部转动所运用的气缸是SMC公司生产的ML2B伺服气缸。要实现气缸在行程内精确定位，通常有两种方法：第一、采用气动比例/伺服技术；第二