6自由度三维旋转机械手臂设计【关节机械手、含CAD图纸、说明书】
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6自由度三维旋转机械臂设计摘要机械臂是一种经典的机械一体化产品，而其中六自由度机械臂更是机械臂研究方向中的热点。研究机械臂需要机械、力学、电学、人工智能、生物学和计算机科学等方面的知识,并且,它的研究促进了科技的的进一步发展。本次毕设中的的机械臂结构需要绘制三维立体结构,并完成总装配图和零件图。同时，要求有关机器人的力学分析模型,计算力矩和功率, 验算其刚度与强度校核，合理选择电动机和减速器。其次,根据电动机和减速器的连接和关节的结构设计以及连接方式来检查机制的合理性。关键词 六自由度；机器臂；结构设计；结构分析IIIAbstract Mechanical integration of the mechanical arm is a kind of classic products, mechanical arm and six degrees of freedom mechanical arm is the hot point in research direction.Need to machinery, mechanical, electrical, mechanical arm study of artificial intelligence, computer science and biology knowledge, and its research to promote the further development of science and technology. The project of the mechanical arm structure need painting, and complete the general assembly drawing and part drawing. At the same time, the requirements on the robots mechanical analysis model, calculation of torque and power, calculating the stiffness and strength check, choose the motor and reducer. Second, according to the structure design of motor and reducer connection and joint, and the rationality of the connection mode to check mechanism.Keywords six degrees of freedom robot arm structure design structure analysis目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 引言11.2 机械臂的研究概况11.2.1 国外情状11.2.2 国内研究现状21.3 机械臂的总体结构21.4 主要内容31.5 本章小结32 总体方案设计42.1 机械臂工程概述42.2 工业机械臂42.2.1 工业机械臂的应用42.2.2 工业机械臂的设计42.3 机械臂机械传动原理52.4 机械臂总体方案设计52.5 本章小结63 机械臂大臂结构设计73.1 大臂部结构设计的基本要求73.2 大臂部结构设计要求73.3 大臂电机选型73.4 齿轮的计算83.5承载能力的计算83.5.1 柔性齿轮齿面的接触强度的校核83.5.2 柔性齿轮齿根的疲劳强度的校核83.6 轴的计算93.7 本章小结104机械臂小臂的结构设计114.1 手腕设计114.2 小臂部结构设计114.3 小臂电机选型114.3齿轮的计算114.4 柔性齿轮齿面的接触强度的计算124.5 柔性齿轮疲劳强度的校核124.6本章小结135 机械臂机身设计145.1 电动机的选择145.1.1 计算轴1的转矩145.1.2 确定各轴传动比145.2 齿轮设计与计算155.2.1 高速级齿轮的设计155.2.2 低速级齿轮设计与计算175.3 轴的设计与计算195.3.1 输入轴的设计与计算195.3.2 中间轴的设计与计算215.4 键连接的校核255.4.1 键连接255.4.2 键选型255.4.3 键的校核255.5 轴承的校核265.5.1 输入轴上轴承寿命计算265.6 机身结构的设计295.7本章小结29总结30致 谢32参 考 文 献331 绪论1.1引言 机械臂是一种经典的集机械和电学为一体的产品，【更多毕业设计，Q380615448】而其中六自由度机械臂更是机械臂研究方向中的热点。研究机械臂需要机械、力学、电学、人工智能、生物学和计算机科学等方面的知识,并且,它的研究促进了科技的的进一步发展。自从1954年以来，电子学家德沃尔获得了一项可编程序机械臂的专利，这是一种像人手臂的机械臂，它按既定的程序流程来运行，另外该程序依据的原理也不一样，尤其是在编程方面，所以，这就使得机械臂更加具有操作性和可行性。由此，爱好机器人的科学家英格伯格料想，如果可以设计出想象中的机械臂，那么机器就可以像人一样去完成复杂而又繁重的体力活了，代替人类去完成那些机械重复的操作。于是，在1958年，两人合作研制出世界上第一台真意义上的工业机器人，此外得到了广泛的应用。研究机械臂主要基于一下几个方面，希望能够在恶劣的环境下和其他非人力能以期冀的情况下完成那些操作，从而能够代替人类去完成无法操作的事情。另外，希望在医学和仿真学等方面依据人类的特性来为人类服务。例如人造假肢可以大大的帮助患者恢复治疗等。【代做毕业设计，Q380615448】由于各国的标准不同，所以有关机械臂的定义以及分类也就不完全一样了。但是国际标准组织曾制定了一套标准，所以大多数国家都采用此类标准。1.2机械臂的研究概况1.2.1 国外情状世界上最先研究运动原理的不是所谓的物理学家，天文学家等，反而是拍摄电影的艺术家迈布里奇，他拍摄电影用了特殊的方式，后来拍了动物以一种连续的方式。以至于，再到了后来这种方式被别的科学家用来研究运动了。自从1930年以后，苏联的Bernstein以别的方式对动力学进行了研究，并且生动形象的阐述了运动究竟是怎么回事。可实际上，真正系统性地研究机械臂始于60年代，到目前为止，不仅对机械臂有了一整套研究理论，而且在欧美等国都开发出机械臂的动态与静态的样机了。这一历史背景下，是机械臂真正意义上的重要拓展。其中在1958年的时候，美国某公司正式研究出第一台机械臂，这台机械臂通过顶部的电磁块抓放工件，操作部分则由机体上的一个设计形状为长臂行的机械，通过回转运动实现。在四年之后，美国的联合控股公司在第一台机械手的设计上做出了改进，生产出了世界上第一台数控示教再现型机械手，一般称之为万能自动机械手。英文称为Unimate。这个机械手参考了坦克的炮塔原理，通过采用液压驱动完成机械臂的各种运动。通过磁鼓储存控制数据，对机械臂下达指令，后代的机械手的控制系统一般都沿用这种控制原理。与此同时，在同一年，美国的机械制造公司也成功制造出了一种机械手，称为Vewrsatran。该机械手的控制系统也为液压控制系统，方式为示教再现型。这两种型号的出现，为现代使用的工业机械手打下了坚实的基础。之后美国的其他公司和大学进行合作研制了各种新型的工业机械手，控制系统已采用小型计算机。即便是到了现代，机械手的发展技术仍然为第一代，使用时采用人工控制机械手。面前的机械手的研究方向一般转为两类：一是提高机械手的使用精度，二是降低机械手的研究成本。现在世界各地都在加紧研发，争取尽快研制出新一代的机械手。目前，第二代机械手的研制目标则是通过对机械手加设视觉、触觉和听觉传感器，借由计算机控制，使得机械手实现智能化。而第三代的机械手则是朝向机械手完全自主完成工作的目标研制。1.2.2 国内研究现状我国的机械臂研究起点低，进步快。虽然是从20世纪80年代才慢慢的研究其理论，并且逐渐应用到相关领域的，但1986年“七五”机械臂攻关计划和1987年的“863”高技术计划在国家的重视和领导下取得了长远的进步，以至于很快赶上了国际的步伐，达到了国际一流的水平。目前，国内研究机械臂的单位主要是高校与相关的研究所等。我国 最先开始的研究是为了赶上国际步伐，可是出乎意料的是，竟然取得了长足的发展。因此中国的机械手研制对比世界其他的国家存在的较大的差距。很多高精度的零件只能从国外进口，核心技术仍由国外掌握。机械手作为未来工业生产的发展方向，决定了未来的工业生产效率。因此中国必须加大对机械手研制的投资和人才培养，尽可能减少乃至将对国外的零件进口需求降低为零，开发出拥有中国自主产权，完全由国内生产的产品。自从1986年以来，哈工大就成功地研发出机械臂HIT系列，其高度只有正常人的一大半，可是非常笨重，几乎艰难的像人一样运动，但它可以在水平方向前进后退，左右转向和上下翻转。经过数代人的努力，越来越智能，其自由度越来越多，更加灵活。另外，在国防科技大也曾自主研发出一种平面的六自由度的机械臂，清华大学曾研制出32自由度的机械臂，南航也研究出空间型8自由度的机械臂。本课题源自“第一届全国大学生机械创新设计大赛”中机械臂。现在的机械臂基本上是通过轮子来实现其功能。尽管有许多模仿人类的胳膊和腿脚的机械臂，但是其缺点也比较明显，并且控制并不稳定。所以，真正成熟应用的机械臂还是很少。故在本次课题当中，需要设计灵巧的机械结构和易于控制，方便稳定的系统来达到机械臂真正意义上的模仿。1.3机械臂的总体结构机械臂组成部分：它主要由操纵、传动、控制及检测四个部分组成组成。(1)操纵部分：机械臂操作主要是关节的连动，从而能够实现各种运动。它主要由手臂，手腕，底座组成。 (a) 操纵器：机械臂想要对机构进行某种特定功能来操作的话，是能够控制部件的关键。 (b) 手腕：连接手臂和手部的联结件，是用来调节或者改变手部操作的部件。 (c) 手臂 ：连接箱体和手部的部件，主要是用来操作的部件。 (d) 箱体：机械臂的控制系统的外壳，起保护作用，是保护内部齿轮和轴的壳体，主要是保护系统提供动力的电动机的。(2)传动部分：可以用来帮助操纵部分获得动力，同时自身可以驱动。主要有：电动机传动，柴油机传动气压传动，液压传动。(3) 控制部分：在这整个系统中处于核心部分，是用来控制传动部分的，只有按照系统既定的程序来执行某种功能，一旦发生机器故障是，可以编译警报系统来提醒。(4) 检测部分：主要是借助各种传感装置或者警报系统来对机器工作过程中发生的状况来采样，然后需要对某一部分检测时，再将数据返回给系统，从而保证系统的正常工作。 经过长久的实践表明，机械臂的自动化可以逐步取代人类的手工操作，能够大大提高生产效率，减轻工人的劳动压力，提高整个社会的劳动生产率。在工厂生产中的会出现许许多多的机械单调操作和笨拙的工件，而采用机械臂则可以有效避免。另外，它能适应各种恶劣的环境，尤其是，高温，低温，低压缺氧，有毒等条件下，人类几乎无法完成，可是，机械臂可以代替人类去操作。1.4主要内容第1章 绪论 介绍六自由度三维旋转机械臂的相关背景和研究的任务和要求.第2章 总体设计 介绍六自由度三维旋转机械臂组成的相关知识和设计.第3章 六自由度三维旋转机械臂各部分设计第4章 六自由度三维旋转机械臂结构设计1.5本章小结通过对六自由度三维旋转机械臂研究发展的了解和学习，我知道了其发展的缘由以及未来发展的方向，希望能够对六自由度三维旋转机械臂的设计，在未来的日子里能够投身机械领域，专研学习，好好的掌握本领。此外对机械臂的组成，特点，功用的了解，使我喜欢上了机械臂这一领域。2 总体方案设计2.1机械臂工程概述机械臂是机械领域的分支的某一新兴学科，它需要学会受力分析，结构设计，校核，系统控制等。在工程上需要系统性的解决实际生产中的问题，因此，可以称之为“系统工程学”。可以将复杂的机器看做是一个整体的系统，可是每个机器都是由许许多多的零部件组成的，它们都各自有着自身功用，可是组装在一起又有了其他的功能，因此可以总结系统的性能：（1） 整体性 由一个或者是多个零部件组成的一个整体应当具有某种功能（2） 相关性 整体下的各个零件既具有自身功能，但相互之间的配合使其具有其他特性（3） 目的性 每个零部件自身都要有明确的功能，而相互间的配合又能实现怎样的功能 机械臂在工业上需要能实现功能上的通用与配合，以及能够不断地调整位置变化，所以在工业上柔性制造系统中能够很好的进行操作任务，尤其是输送零部件，加工产品等方面。2.2工业机械臂2.2.1工业机械臂的应用 工业机械臂是在机械化和自动化生产过程当中用来提高工业产值效率的新型机械装置。当今世界，自从计算机产业和电子产品行业的的快速发展，人们不再局限于手工人力等资源，由于其投入产出比过小，所以逐渐有人将提高效率的办法瞄准在机械领域，试图通过机器流水线的生产来逐步取代人工操作。所以，开始有了机器人的研制，但是，传感器和智能性的制约促使了机械臂的产生。2.2.2 工业机械臂的设计（一）确定负载现在，世界上用的工业机械臂负载范围非常宽泛，额定负载为59000N。所以，足够应对那些需求了。要想确定额定负载需要计算机械臂转动时所受的力和扭矩。但是这是理想情况下得到的结果，所以我们需要忽略机械臂自身的质量。所以本次设计得电机是小负载的。（二）驱动方式因为伺服电机易于控制，且性能好，对所处的环境没有具体要求，并且个头小，输出功率效率高，所以能精准控制位移与速度。因此本次毕设中我决定选取伺服电机驱动的方式。（三）传动系统设计机械臂的传动装置结构设计时需要质量轻，体积小，不易损坏和尺寸大小合适等条件，在传动过程当中要消除链条的间隙，以提高机械臂传动位置精度。所以本次设计采用齿轮传动。（四）工作范围机械臂根据运动过程中的操作范围和运动轨迹来确定自身的范围。通过建立空间坐标系，合理的计算出机械臂的长度，自由度数和坐标变换等（五） 运动速度首先需要计算出操作极限位置的最大行程，再算出运动循环时间，根据条件合理的分配时间来确定各个操作的运动速度。2.3机械臂机械传动原理该方案结构设计与分析该机械臂的本体结构组成见图2-1图2-1机械臂本体组成各部件组成和功能描述如下： 底座：箱体、齿轮传动零件、轴承，电机等。 手臂分为大臂和小臂。 大臂部件：包括大臂和齿轮传动部件，驱动电机。 小臂：包括小臂、传动轴、同步传动带和电机等 手腕：接口，齿轮，壳体，传动轴等2.4机械臂总体方案设计机械臂采用的依据是平移与转动，所以又以下四种： (1) 直角坐标机械臂结构 直角坐标机械臂是通过三坐标系的平移来实现的，如图2-1(a)，这种机械臂可能位置精度高，但是尺寸过大，对于结构设计来说的话，不算特别的合理。因此，想要在小范围工作是不可能实现的。 (2) 圆柱坐标机械臂结构圆柱坐标机械臂是通过一个转动和两个平移来实现的，如图2-1(b)，这种机械臂构造比较简单，精度较高，可以用在水下捕捞。 (3) 球坐标机械臂结构球坐标机械臂是通过一个平移和两个转动实现的，如图2-1(c)。这种机械臂结构简单、成本较低，但精度不很高。 (4) 关节型机械臂结构关节型机械臂的空间运动是由三个转动实现的，如图2-1(d)。关节型机械臂结构紧凑，易于操作，工作有序区域不受自身尺寸影响。所以，在工业应用上被广泛地采用，尤其是在电焊，装载，装配等方面。关节型机械臂结构，有水平关节型和垂直关节型两种。 (a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型(c) 球坐标(d) 关节型 图2-2 四种机械手坐标形式由于设计要求的需要，所以采用的是(d) 关节型。 机械臂具有安全性高，灵活操作，结构合理完善执行范围宽泛的特点，所以能执行空间位置转换的功用。协作单位根据其用途和特点提出如下技术参数原始数据：(1) 每一次啤酒11箱、每箱12瓶，重量达150Kg。(2) 动作的时间周期为：1012秒/次。 技术要求：(1) 所设计的机器人本体结构能够满足一次重量大、动作周期短、高效、快捷，以及通用性、灵活性等性能要求，同时满足结构工艺性、经济性等方面的要求。(2) 装配图、零件图的绘制应严格按照机械制图国家标准进行，尺寸、公差、形位公差、技术要求等标注应合理、规范。(3) 在机器人手臂末端便于实现与各种夹持器的配合联接。(4) 论文书写要求叙述清楚、符合规范，外文翻译正确。2.5本章小结在本章节中主要是对六自由度三维旋转机械臂的设计，通过四种类型的方案选择比较来选出最优方案，从而确定接下来如何去设计机械臂。只要在接下来的三章当中合理的确定手臂，手腕，手的结构设计和校核，就可以完成对六自由度三维旋转机械臂的总体设计，不再是简简单单的原理图，而是能够通过三维建模来画出实体。3机械臂大臂结构设计3.1大臂部结构设计的基本要求手臂部分是机械臂的主要部件。它主要是帮助机械臂支撑的，实现机械臂在三维空间中位置的相对转换。所以要求：（1）臂部的承载能力强、质量轻、抗弯性能好（2) 臂部的转动速度快，因此转动惯量小 如果想要减少转动惯量，可以通过以下的方法： 1) 减少手臂零件尺寸 2) 减少转动的半径 3) 在系统中装有增加阻力的装置(3)手臂操作简单灵巧。(4)两动作执行的位置精度要高。 本次设计中的薄壁件可以采用铝合金材料，既可以满足机械臂的强度与刚度要求，也能减少自身的重量，从而减轻电动机的载荷，减少机械臂的响应时间。例外可以采用砂型铸造来减小壁厚，下表为合金的种类和铸件的大小对铸件尺寸的影响：表3-1 砂型铸造铸件最小壁厚计（mm）铸件尺寸 铸钢 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 铝合金 铜合金 200200 200200500500 500500 58 1012 1520 35 410 1015 46 812 1220 35 68 33.5 46 35 68 3.2大臂部结构设计要求大臂外壳选取合金铝，结构形状为方形，质量小，强度大。3.3大臂电机选型设： 带入数据得：另外大臂的转动速度为 ，那么初始时的转矩：设大臂从静止到角速度总共时间为：那么： 式(3.1)设启动转矩的大小为10N.m，安全系数为2，则减速器转矩为： 式（3.2） 3.4齿轮的计算刚性齿轮、柔性齿轮的材料都是采用碳素钢，小齿轮材料为45号钢，硬度为220HBS 1.齿数计算柔性齿轮齿数：刚性齿轮齿数： 已知：，那么所以取柔性齿轮的筒体的壁厚：所以取，那么 取 3.5承载能力的计算3.5.1柔性齿轮齿面的接触强度的校核接触强度计算公式： 式（3. 3） 则： 所以满足齿面的接触强度校核。3.5.2柔性齿轮齿根的疲劳强度的校核则：验算安全系数： 式（3.4）代入数据得所以满足齿根弯曲的强度校核。3.6轴的计算计算轴的直径轴的材料选用45号钢，表面处理方法是调质。轴径设计为： 式（3.5）取：d=22.8*1.05=24mm32mm则弯曲截面系数为：抗扭截面系数为：弯曲应力为：扭切应力为：当量应力为：由表可以得知45钢调质处理抗拉强度极限=640Mpa，合格3.7本章小结 通过本章对六自由度三维旋转机械臂大臂的设计，我了解了机械设计过程当中的辛苦，尤其是在查找数据的时候，好多情况下，数值超出了表的范围，往往无法计算。另外，在校核强度和刚度的时候，特别的不容易，所以说不仅仅要把数据给算出来，还要好好的，检验其合理性，特别是在安全性和使用寿命等情况下。4机械臂小臂的结构设计4.1手腕设计 机械臂手腕是连接机械臂手臂和手的连接件，主要是用来支撑手臂的。所以手腕设计时要求是：结构紧凑、方便灵活，稳定性好，平衡性高、位精度高，所用应当采取那些材料强度和刚度高。图4-1 手腕示意图4.2小臂部结构设计小臂外壳选取合金铝，结构形状为方形，质量小，强度大4.3小臂电机选型设： 带入数据得：设小臂转速，角速度从0加到所需加速时间，则同步带应输出转矩为： 式（4.1) 式（4.2)4.3齿轮的计算柔性齿轮齿数：刚性齿轮齿数： 已知：，则柔性齿轮齿圈处的厚度：所以取计算得：取所以取4.4柔性齿轮齿面的接触强度的计算接触强度计算公式： 式（4.3） 则： 所以满足齿面的接触强度要求。4.5柔性齿轮疲劳强度的校核 进行柔性齿轮的疲劳强度校核。柔性齿轮材料采用 调制硬度230HBS。计算柔性齿轮截面处正应力：切应力：其中：则：验算安全系数： 计算得则满足疲劳强度条件。4.6本章小结 在本章当中对六自由度三维旋转机械臂小臂的设计过程中，需要好多以前学过的知识，特别是在选择电机，校核齿轮，轴和轴承寿命的时候，计算是特别的繁杂，比起学习课程的时候，要难很多，而且更是需要专研地更深，此时我才知道设计的不易。另外，通过本章的学习，更是把以前所学的课程重新复习了一遍，书到用时方恨少啊。5 机械臂机身设计5.1电动机的选择5.1.1计算轴1的转矩 式（5.1） 式（5.2） 式（5.3） 式 （5.4） 式 （5.5） 式（5.6）已知， ，代入式（5.1），（5.2），（5.3），（5.4），（5.5），（5.6）得：又可知，可以计算出：kg将上述数据代入式（5.1），（5.2），（5.6）得： 选择减速器i=9 式（5.7） 0.8075.1.2确定各轴传动比总传动比=9 ，根据推荐的传动副传动比合理范围，取：高速级传动比=3 ，低速级传动比=3 由计算得到所需：=6.86Nm，137.7r/min所以采用 型步进电机 。图5-1 步进电机外形简图5.2齿轮设计与计算5.2.1高速级齿轮的设计不妨选用直齿圆柱齿轮传动，那么小齿轮材料为40Cr，大齿轮材料选用45号钢， 按齿面接触疲劳强度校核根据校核公式： 式（5.8）已知，=190，MPa；MPa。计算得21.74mm计算小齿轮分度圆圆周速度0.18m/s计算齿宽b=21.8mm计算齿宽与齿高之比： b/h 模数0.9mm齿高=2.04mm代入式（3.13）得： =10.67计算载荷系数 式 （5.9）由于v=0.17m/s，7级精度，得：=1.01.2=1.25=1.30=1.28 1.95 所以实际载荷系数修正 24.9mm 式 （5.12）计算模数m：1.05mm按弯曲强度设计 式（5.13）其中弯曲疲劳寿命系数 弯曲疲劳需用应力 齿形系数 应力校正系数已知小齿轮弯曲疲劳强度极限；，大齿轮弯曲强度极弯曲疲劳寿命系数=0.9，=0.98计算载荷系数=1.92计算弯曲疲劳需用应力，取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：=333.5MPa=253.8MPa查取齿形系数得：=2.7；=2.3查取应力校正系数得：=1.5；=1.8=0.025=0.036大齿轮对应数值大，将以上数值代入得：由于齿轮的模数决定了其抗弯强度，所以合理 而齿面接触疲劳强度的承载能力仅与齿轮直径有关，取m=1，前面计算得=24.9mm,得小齿轮的齿数：24.8725=75几何尺寸计算：分度圆直径 式（5.14)将模数、齿数代入式（5.13）得：25mm；75mm中心距 式 （5.15）将，代入式（5.14）得： 50mm齿轮宽度 式 （5.16）由式（5.15）得：=25mm；=30mm5.2.2低速级齿轮设计与计算不妨选用直齿圆柱齿轮传动，那么小齿轮材料为40Cr，大齿轮材料选用45号钢，按齿面接触疲劳强度校核,根据校核公式：已知，=190，MPa；MPa。计算得29.8mm计算小齿轮分度圆圆周速度0.072m/s计算齿宽b=29.8mm计算齿宽与齿高之比：b/h模数1.2mm齿高=2.8mm代入式得： =10.67计算载荷系数 由于v=0.17m/s，7级精度，得：=1.01.2=1.25=1.30=1.28 1.95 所以实际载荷系数修正 30.2mm 计算模数m：1.5mm按弯曲强度设计 其中弯曲疲劳寿命系数； 弯曲疲劳需用应力； 齿形系数； 应力校正系数。已知小齿轮弯曲疲劳强度极限；，大齿轮弯曲强度极弯曲疲劳寿命系数=0.9，=0.98计算载荷系数=1.95计算弯曲疲劳需用应力，取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：=300.5MPa=205.8MPa查取齿形系数得：=2.6；=2.3查取应力校正系数得：=1.5；=1.8=0.015=0.018大齿轮对应数值大，将以上数值代入得：由于齿轮的模数决定了其抗弯强度，所以合理 而齿面接触疲劳强度的承载能力仅与齿轮直径有关，所以取由弯曲疲劳强度算得的m=0.86，并取圆整为标准值m=1，前面计算得=29.5mm,得小齿轮的齿数：24.6725=75几何尺寸计算分度圆直径37.5mm；112.5mm中心距=75mm齿轮宽度=37.5mm；=42.5mm5.3 轴的设计与计算5.3.1输入轴的设计与计算（1） 求输入轴上的功率、转速、扭矩0.456kW137.7r/min6.27Nm（2） 初估轴直径 式 （5.15）选取轴的材料为45钢，调质处理，查表11-3，取，并将数据代入式（5.15）得： （3） 轴的结构设计输入轴的最小直径与先前计算齿轮直径相差很少，所以做成齿轮轴。轴的结构尺寸如图3.5。图5-2 输入轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； 式（5.16）垂直方向： ； 式（5.17） 对锥齿轮： , 对直齿轮： ， 将输入轴参数代入式（3.24）得：538.2N,138.5N501.6N,182.6N代入得：408.6N,867.2N514.8N ,558.9N作出输入轴水平方向及垂直方向的弯矩图5： 图5-3 输入轴的受力分析图 从输入轴的结构图和受力情况分析得到截面II是输入轴的危险截面，计算结果如表5-1。表5-1 截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力408.6N867.2N514.8N558.9N弯矩44.8Nm 0.7Nm 总弯矩44.8Nm 扭矩6.27Nm 按弯扭合成应力校核轴的强度 式（5.18） 式（5.19）校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度，取1，将各数值代入式（5.18）、（5.19）得：7.67MPa轴的材料为45号钢，查表11-1，。因此，故安全。5.3.2中间轴的设计与计算（1） 求输入轴上的功率、转速、扭矩0.429kW45.9r/min17.7Nm（2） 初估轴直径选取轴的材料为45钢，调质处理，查表11-3，取，得：25mm（3） 轴的结构设计中间轴的直径与小齿轮分度圆直径相差很少，所以做成锥齿轮轴。轴的结构尺寸如图3.7。图5-4 中间轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； 垂直方向： ； 对直齿轮：，将输入轴参数代入得：472N,171.8N944N,343.6N代入得：35.8N,436.2N13N,158.7N作出中间轴水平方向及垂直方向的弯矩图： 图5.5 中间轴的受力分析图 从轴的结构图和受力情况分析得到截面II是轴的危险截面。（5） 按弯扭合成应力校核轴的强度2.01MPa因为，故轴是安全的。5.3.3输出轴的设计与计算 （1） 求输出轴上的功率、转速、扭矩0.404kW15.3r/min49.85Nm（2） 初估轴直径选取轴的材料为45号钢，工艺为齿轮表面调质，取，得：33mm（3） 轴的结构设计 选取锥齿轮轴作为此次设计中的齿轮。图5.6 输出轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； 垂直方向： ； 对直齿轮：，将输入轴参数代入得：886.2N,322.6N代入得：1364.4N,478.1N496.6N,174N作出输出轴弯矩图图5.7 输出轴的受力分析图 （5） 按弯扭合成应力校核轴的强度校核轴上的强度35MPa已知轴的材料为45钢，查表11-1，60MPa。因此，故安全。5.4键连接的校核5.4.1键连接当轴与齿轮连接时，轴的转动可以带动齿轮的啮合是需要在其周向固定的，从而才能传递扭矩。5.4.2键选型 键的选型主要是依据键的截面尺寸和键长，根据以上的轴径可以选用一下数据： 中间轴的连接1号键： 输出轴的连接2号键：5.4.3键的校核，按照国家标准规定，键的材料可以选用45号钢，由机械设计手册查得许用挤压应力 。由于键的失效形式主要是工作面的压溃和自身剪断，所以对其连接的挤压强度进行校核 ， 根据公式 式（5.20）带入1号键的数据 和计算得所以键连接的挤压强度足够，安全 同理可知2号键也是合格的。5.5轴承的校核5.5.1输入轴上轴承寿命计算选取圆锥滚子轴承的型号为，那么， ， 、。所以先求力在验算。轴上的支反力： 式中：658.4N1032N 式（5.21）194N， 304N 式（5.22）径向支反力轴向支反力194N，304N194N，304N，查表13-5得：0.4， ，查表13-5得：1，0查表13-6载荷系数=1.2，将以上代入式（3.33）、（3.34），轴承当量动载荷为752N 式（5.23）1239N 式（5.24）由公式（13-15） 式 （5.25）式中：轴承所在轴的转速温度系数额定动载荷轴承所在轴的传动功率计算轴承寿命。138r/min=25000.0N10/3查表机械设计书，可以知道温度系数=1代入式（3.35）得：h，满足寿命校核。5.5.2中间轴上轴承寿命计算选取圆锥滚子轴承的型号为，那么， ， ，。所以先求力在验算。轴上的支反力：38.2N，464.3N12N，145.2N， 已知50 N；62N，145.2N；62N，=145.2N，查表13-5得0.4，1.6 ，查表13-5得1，0查表13-6载荷系数=1.2，轴承当量动载荷为137.2N558N计算轴承寿命。46r/minC=28000.0N10/3查表机械设计书13-7，可以知道温度系数=1代入得h，满足寿命的校核。5.5.3输出轴上轴承寿命计算选取圆锥滚子轴承的型号为，。所以先求力在验算。 图5.8 轴承受力结构简图图中R有两部分组成，第一部分为轴上所受的支反力：1452N， 508.8N如下图所示图5.9 偏心力简图 大小臂重力分别为：300N,200N经计算得：2400N3852N，2908.8N1203.8N，910N，1753.8N，910N1753.8N，=910N，查表13-5得0.4，1.6 ，查表13-5得1，0查表13-6载荷系数=1.2，轴承当量动载荷为5108.3N2949.5N由公式13-10a，因为，所以带入进行校核计算轴承寿命。15.3r/min=73200N10/3查表机械设计书13-7，可以知道温度系数=1代入得h，满足寿命的校核。5.6 机身结构的设计5.6.1机身箱体材料的选择因为机身箱体不与机械臂直接动作，另外对工艺制作的要求也不是太高，所以可以选用灰口铸铁HT250制造。因为灰口铸铁在锻造的过程中冷却凝固时体积变小，防震性比较高，同时它的价格也比较便宜经济。所以，可以采用该材料锻造箱体用以增强机身的稳定性。5.6.2机身的结构设计及制造工艺因为箱体的尺寸大小是根据零件的设计而决定的，所以形状往往会比较奇特，所以采用砂型铸造的方法锻造箱体，另外为了能方便的组装各个零件，故在顶部与右侧开盖。由于电动机的质量问题，所以在左端布置一块托板，使其横卧着放置。接着，用联轴器将电动机的伸出轴与锥齿轮轴连在一起，想要改变其传动方向可以满足锥齿轮的啮合条件来实现。该传动是三轴垂直放置的二级减速传动。将齿轮悬置，可以用圆螺母和止动垫圈一起配合使用，以达到定位的目的。可将底座设计为圆形，比较稳定，可用沉头螺钉钉住行走机构，使其固定在那里。5.7本章小结在本章对机械系统机身设计的学习之中，明白了计算得不容易，可是也大大的明白了自身的不足，希望未来能好好的提升自我的专业素养，为自己的未来打下坚实的基础。总结 在进行了对机械臂的设计，我对机械臂的结构设计和工作原理都有了大致的了解。但是受限于自身的学习水平，可能除了设计方面还有很大的不足，比方说，可以用单片机对机械臂控制，另外可以选用特定的传感器来反馈所需参数等。此外，还有许许多多的问题有待解决。 机械的设计不是仅仅停留在书本的计算上，而是要能结合自身所需，合理的选择比较可行，经济的方案。不要想着简简单单的做好作业或者任务，一定要去专研，选择一个感觉有兴趣的方向，认认真真的去学它，要乐在其中。现在的社会发展愈来愈快，劳动力的成本也增加了好多，且人工做工的效率已经不能满足生产的需要了，许多行业中人工做工已经转化为机械操控了。而这些自动化的机械操控大都是由机械手臂完成的，机械手臂是模仿人的手臂而设计的，它可以灵活的完成一些人手完成的动作甚至能完成人手不能完成的任务，比如说在一些环境恶劣或对人体有害的的生产场合，人工无法适应完成生产，或长期的生产会对人体造成伤害。所以说，机械手臂对现在生产模式产生造成了巨大的改变。机械手臂应用于工业生产中是最近
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