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喷漆 机器人 设计 机身 系统 全套 cad 图纸

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毕业设计 (论文 )外文资料翻译 学院 (系 )： 机械工程 学院 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 学 号： 外文出处： 9 . . 附 件： 指导教师评语： 译文较好地翻译出原文的意思，叙述条理清楚，语句通畅，翻译质量较好。个别 专业术语翻译不够准确，少数中文表达欠妥。 签名： 年 月 日 注： 请将该封面与附件装订成册。 附件 1：外文资料翻译译文 (用外 (用外文写 ) 基于 自由曲面自动喷漆机器人轨迹规划 摘要 喷漆自动轨迹的生成对今天的汽车制造业来说是非常有必要的。由于自由曲面几何形状的复杂性生成满足涂料厚度要求的喷枪轨迹仍然是非常具有挑战性的。这篇文章中，研发出一个自由曲面用 向喷枪轨迹生成系 统。该系统利用待喷自由曲面的 据和一个喷枪模型生成一个喷枪轨迹以满足涂料厚度要求。本文也提供一种涂料厚度的验证方法用来验证已生成的轨迹。仿真结果表明该轨迹生成系统取得令人满意的效果。这种轨迹生成系统也能应用于其他多种 向机器人轨迹规划应用场合来生成轨迹。 关键词 机器人 喷漆 引言 喷漆在制造许多 像汽车、家具 及 家用电器 等耐用产品的过程中是一道重要的工序。对产品而言，漆料的均匀性对其质量有着非常大的影响。对满足涂料厚度的均匀性而言 ,喷枪轨迹规划是起决定性的，并且多年来已经成为一个 热门的研究方向。当下，存在两种轨迹生成方法：传统示教方法与自动轨迹生成法。 传统示教方法繁杂耗时，并且涂料的厚度取决于操作者的自身技术。而喷枪轨迹自动生成方法不仅高效、料耗最小、节省时间并且能够达到理想的漆层厚度。 自动轨迹生成领域掀起了广泛的研究浪潮。 人为喷漆机器人研发了一种自动轨迹生成系统。他们的方法基于用许多小平面逼近原物的自由曲面。应用双三次 B 样条曲线算法来生成该曲面的几何模型。他们的仿真展示了在一块已喷涂表面的上下整个涂刷区域。早川（ 和 竹内（ 1977）利用曲面参数化研发了一种无示教轨迹生成方法去喷涂汽车保险杠。喷涂厚度是13 到 28 微米即平均厚度 米。此外，他们并没有公布重复喷涂百分比与喷枪喷速。通过将复合曲面拆分为若干小平面， 人研发了一种算法用来覆盖一复合表面。尽管他们的算法可以保证复合表面的覆盖率，但是喷涂厚度问题没有提及。 1994）研发了一种为处理最优喷涂厚度问题的最优轨迹规划框架结构。然而，喷枪轨迹与油漆沉积速率却必须详细说明。实际上，自由 曲面的油漆沉积速率是非常难以获得的。作为应对，一些商业软件，例如1999)可以生成喷枪轨迹与模拟喷涂过程。但是，喷枪轨迹来自于使用者和 互作用的结果，那样低效并且易于产生误差。 实现自由曲面喷涂厚度均匀仍然是一个具有挑战性的研究课题。自由曲面的复杂几何形状是其中一个主要原因。为了实现自由曲面喷涂厚度均匀，喷枪的空间轨迹、方向及射速应当根据自由曲面的局部几何形状来设计。这篇文章中，研发出一个新型自由曲面用喷枪轨迹生成系统以满足涂料厚度要求。自由曲面的车门窗被用来测试这种方法。通过模拟来验证生成的轨迹 。仿真结果表明这种轨迹生成系统取得了令人满意的效果。 任务条件及要求 基于 喷漆轨迹自动生成系统的一般框架如图 1 所示 图 1 基于 自由曲面用喷涂轨迹生成系统 首先，喷枪轨迹设计者为自由曲面设计喷涂轨迹时要基于： 自由曲面的 喷枪模型 ; 漆厚要求 ; 一些假设 (喷枪射程 , 涂料流速，雾化压力及溶剂浓度是确定的 ) 该轨迹然后被载入 行模拟及输入一验证模块来验证自由曲面的涂料厚度。最后，将控制命令下载到特定控制器来控制机器人进行自由曲面喷涂。 参 数 化 曲 面 ， 例 如 B 样 条 曲 线 、 贝 塞 尔 曲 面 、 面（ 缩写， 即 非统一有理 B 样条 ）等都常用于 模。这些曲面轨迹符合确定的连续和平滑约束，并且它们中大部分面积小、曲率低。尽管用参数表示可以精确地模拟复杂曲面，但是它的局部自然性导致难以轨迹规划 (1994)。为了高效获得喷枪轨迹与充分利用喷漆机器人的工作空间，有必要规划长期使用的喷枪轨迹。自由曲面的非参数三角形逼近算法适合这一目标。通过不断减小这种三角形的尺寸来实现对用三角形替换自由曲面带来的误差补偿。图 2 展示了一半车顶的三角形逼近法，用来测试轨迹生成算法。 图 2 部分车顶的轨迹测试 图 3中，喷枪喷雾被模拟为锥形喷雾。 代表圆锥角， 个喷枪锥形喷雾的位置与方向相对于固定的笛卡尔坐标系可以用锥形的位置、卷角、倾角、摆角来表述 (1994)。喷枪 坐标系的喷涂方向被确定时，工件系的 件系的 图 3 喷枪喷出模型 为了生成喷涂轨迹需要油漆沉积速率的知识：油漆沉积速率的图形可以粗略地用抛物线来逼近 (1993).。图 4表示了一个典型的油漆沉积速率的图形。为了获得均匀涂料厚度，这个图形与喷枪射速同等重要地影响相邻轨迹的重叠率。油漆沉积速率取决于很多参数，例如 喷枪射程、漆料流速、雾化压力及溶剂浓度等等。在喷涂过程中，保持喷枪射程固定是必要的 (人 , 1991； 1997)。这里涂料的流速、雾化压力及溶剂浓度也都是确定的。所以， 油漆沉积速率仅和 就是说，沉积速率可以被关于 f(r)的图像表示。 图 4 沉积速率函数 图像 f(r) 自由曲面被喷涂过后，曲面的平均厚度要求为 q d。假定平面被喷涂并且厚度使用给定的 油漆沉积速率来 优化 ，可以计算最大和最小喷涂厚度 (人 ,)。然后极角 以，如果自由曲面的最大误差 角小于极角 自由曲面的喷涂厚度可以满足厚度要求。最大误差角即自由曲面的法向与喷涂方向反向的夹角。 基于 喷涂轨迹设计者是自由曲面喷涂轨迹生成系统的核心。图 5展示了设计者是如何工作的。阅读了自由曲面的模型后，自由曲面被拆分成块去处理其局部几何。然后，每块的喷枪轨迹，包括喷枪路径、方向及速度，将基于厚度要求、喷枪模型、假定条件生成。最后，所有的轨迹被整合为自由曲面的轨迹。 图 5 喷枪轨迹设计者设计流程 小块曲面形成算法 喷漆过程中，自由曲面仅被瞬时锥形喷雾覆盖。小块曲面形成方法 是基于锥形喷雾最大偏差角的最小化。为了优化自由曲面上的喷涂厚度，每个锥形喷雾的最大偏差角必须最小化。假设有被锥形喷雾覆盖的 形喷雾投影到平面。平面的法向必须是使锥形喷雾的最大偏差角最小化的矢量。偏差角被引进来描述该平面的法向与 里的搜索方法常常被用来寻找该平面的法向（图 6）。 图 6 小平面法向生成算法 首先，两个三角形， ，它们的法向存在最大角。这两个法向的平均法向被作为对应平面的初始法向。 A（或 B）的法向与平面初始法向的偏差角被作为最大初偏角，然后找出其他三角 形的偏角。如果有若干偏角大于最大初偏角，该平面的法向用 A,的法向重新计算， 大初偏角更新。这个过程将继续进行直到偏移角小于最大初偏角。然后获得小平面的平面法向并且锥形喷雾的最大偏角被最小化。 为了满足喷涂厚度要求，小块平面的最大初偏角应当小于临界角。三角形的相邻关系被用来形成小块平面（图 7） 图 7 小块平面生成法则示意 任意选择一个基元三角形作为一块小块平面的初三角形，在添加一个新的相邻三角形之前，集中于基元三角形中心一锥形喷雾的最大偏角被计算出来。如果该最大偏角小于临 界角，这块三角形被添加到小块平面中。否则舍弃，直到找出轨迹，它们被当做基元和新三角形添加到小块平面中去。重复这个过程直到更多的相邻三角形可以被添加到该小块平面。然后第一小块平面被找出。如果有剩余三角形，则从中挑选出一个基元三角形，并且这块小平面形成方法将被应用到形成一块新的小平面。小块平面不断形成的过程直到没有三角形剩下。然后自由曲面被一个或若干个小块平面组合而成。 (中间省略 )。 结论 研发出 新的 基于 自由曲面喷涂轨迹生成系统。其仿真结果表明该轨迹 生成系统取得令人满意的效果。所以，这种方法 可以用来作为一种自由曲面喷漆机器人离线喷涂轨迹生成系统。该轨迹生成系统也能应用于其他多种 向的机器人轨迹规划应用场合，例如涂装，喷涂成型。我们将来的工作将集中于轨迹整合。 附件 2：外文原文 （复印件） 971151121111156778888377839767112105971051121051161111091001121159710297978411111211611197 99105116113111116112103116112105991161161171111121169798979711497102109671169711611610911611610997116103109116109105116116971161121161051111161111156511111210311699110981169710911297112116989997971121161161031049811583101971009784801021151121148410598111971161021159797 1111151128498661199711610311610911111584115111971179711197115659710097 11210911711611211611297 988411211949116501191169711949739711610011410411610211611511197116103118661009711510511511210197100979711697 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其形状较为复杂，故采用铸造的方法制造箱体，为了内部各零件的配合要求及方便安装，在顶部与右侧开盖。由于是卧式放置电机，考虑电机的质量，在左侧用托板拖住电机。将电机的伸出轴用联轴器与锥齿轮轴链接，通过与输入轴的锥齿轮端啮合满足改变传动方向的要求。输入，中间，输出三根轴垂直放置来实现二级减速传动。由于齿轮悬置，需用圆螺母及止动垫圈定位与预紧。底座出于稳定的考虑设计为圆形，可用沉头螺钉与行走机构连接。 减速结构方案的比较 其他待用的方案： （ 1)传动轴卧置方案 ，即电机偏置输入，减速后利用锥齿轮啮合达到垂直输出转速。 不足在于电机偏置，机身质量分布不均匀，对整个机器人的平衡存在影响。 （ 2） 电机倒置方案 ，这种方案节省空间，电机安置方便。 不足在于经过计算选出的步进电机尺寸过大与大臂伸出板（机身转盘）干涉。 设计计算 本次设计的计算主要涉及（详见计算说明书）： 电机的选用 减速结构的设计 校核 学生毕业设计（论文）中期检查表 学生姓名 学 号 指导教师 选题情况 课题名称 喷漆机器人设计 机身系统设计 难易程度 偏难 适中 偏易 工作量 较大 合理 较小 符合规范化的要求 任务书 有 无 开题报告 有 无 外文翻译质量 优 良 中 差 学习态度、出勤情况 好 一般 差 工作进度 快 按计划进行 慢 中期工作汇报及解答问题情况 优 良 中 差 中期成绩评定： 中 所在专业 意见： 工作进度按计划进行，已有部分设计成果，但还需进一步完善。 负责人： 年 月 日 毕业设计 (论文 )前期工作材料 学生姓名 : 学院（系） : 专 业 : 设计 (论文 )题目 : 喷漆机器人 机身系统 设计 指导教师 : 材 料 目 录 序号 名 称 数量 备 注 1 毕业设计 (论文 )选题、审题表 1 2 毕业设计 (论文 )任务书 1 3 毕业设计 (论文 )开题报告含文献综述 1 4 毕业设计 (论文 )外文资料翻译含原文 1 5 毕业设计（论文）中期检查表 1 2012 年 6 月 购买后包含有 咨询 摘要 本文对涂装机器人 述了涂装机器人的发展与应用，以及其特点和组成，未来发展趋势。根据任务书要求确定了涂装机器人的总体方案，尤其是机身系统的各个部件的设计计算。电机的选择，齿轮的设计计算以及强度校核，轴的设计计算和强度校核，轴承的选择和寿命校核，以及联轴器的选择和校核，键的设计和强度校核。简述了腰部内部电缆安装方式。最后运用 关键词 涂装机器人 总体设计 机身设计 购买后包含有 咨询 本科毕业设计说明书（论文） 第 I 页 共 I 页 毕业设计说明书（论文）外文摘要 on a of to of s of in of we AD 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 36 页 目 录 1 引言 1 喷漆机器人的研究及应用 1 喷漆机器人发展趋势 2 课题总结 2 2 喷漆机器人总体设计 3 喷漆机器人坐标系的确定 3 工作空间设计 3 驱动方式的确定 4 传动方式的确定 5 3 机身设计 7 进电机选择 7 轮设计与计算 12 轴的设计与计算 20 轴承的校核 28 键的选择和校核 32 身结构的设计 33 结束语 34 致谢 35 参考文献 36 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 36 页 1 引言 喷漆机器人的研究及应用 概述 当今，为了提高产率，保障产品质量，企业的高程度自动化生产要求各类工业机器人在自动化生产线上扮演着非常重要的角色。并且，工业机器人的种类及技术水平的提高在很大程度上对促进该国工业自动化有着巨大意义。 在制造许多 像汽车、家具 及 家用电器 等耐用产品的过程中， 油漆或者其他涂料的喷涂 是一道非常重要的工序。对一个产品而言，涂料的均匀性对其质量有着非 常大的影响，自然地，喷涂质量高，所以工作稳定性好的喷漆机器人应运而生 1。 与人力相比，喷漆机器人工作稳定，效率高，其工作强度及工作环境的适应能力上都有着巨大优势。而机身的优劣更是机器人能否稳定并且高效地工作的决定因素 2。 本课题设计的喷漆机器人机身是整个机器人的基础。机身运动的平稳性关系到整个机器人喷漆工作时的稳定性及工作效率。 喷漆机器人的发展应用 早在 1975年 ,喷漆机器人已在应用。由于能够代替人在危险恶劣的环境下进行喷涂作业，所以喷漆机器人日益广泛应用于汽车车体、仪表、家电产品、 陶瓷和各种塑料制品的喷涂作业 3 5。 目前，机器人发展正走向多样化、高智能的方向。机器人的技术正向具有行走能力、多种感觉能力以及对作业环境的自适应能力方面发展。美国机器人技术的研究水平处于领先地位。而同时日本生产的机器人在数量种类方面居世界首位 3。 我国机器人技术起步晚，总的来看，我国制造工业机器人的技术比国外差相当大的水准，例如：可靠性较低；应用领域狭隘；应用规模较小。现在，我国生产喷漆机器人前都是应用户的请求去专门的设计，品种和规格繁冗、零部件通用化程度较低、这样成本太高，而且喷涂的质量、可靠性 不稳定。因此产业化前期迫切需要解决一些关键的技术，全面地进行进行产品规划，系列化、通用化、模化设计等 6 10。 近年来，国内汽车 行业的迅速发展使得 机器人喷漆技术 水准 得到 很大提高 。 中国已研制出的喷漆机器人中， 型电动机、汽车后桥、照明灯、卫生陶瓷和电器开关的喷涂作业 11。 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 36 页 喷漆机器人发展趋势 经过多年的发展，喷漆机器人尤其在在汽车产业中，以其稳定效率的喷涂技术而广受青睐。 当下，喷漆机器人在速度、精度、可靠性、操作和维修方面的水准不断提高。 控制系统向也在向基于计算机的开式控制方向发展，便于标准化、网络化；元件高度集成，控制装置小型化，结构采用模块化；大大提高了系统的稳定性、操作性与可维修性 14。 随着喷涂精度，稳定性能的要求越来越高，除传统的位置、速度、等传感器外，视觉、 声觉、力觉、触觉等多种传感器开始广泛应用于喷漆机器人中，并且水准日渐成熟。不仅如此，操作者远端作业要求虚拟技术在机器人中的作用不再局限于仿真、预演，甚至可以用于过程控制，使人产生身临其境感觉来操纵机器人 15。 随着机器人智能化水准的提高，喷漆机器人的应用领域也在不断 地扩大，从汽车制造业到其他各制造业，喷漆机器人在提高产品表面质量方面发挥着重要作用 12 14。 课题总结 本文论证了总体方案， 采用关节型坐标机器人方案，驱动方式为步进电机驱动，利用齿轮传动实现机身的转动，利用滚珠丝杠螺母副配合实现臂的摆动，而腕部的动作利用链轮与锥齿轮传动，手把手示教方式。 确定总体方案后，并进行了机身系统的设计：利用步进电机驱动，为使电机转矩达到负载要求，利用二级齿轮减速传动使步进电机降低转速提高转矩，并利用一对圆锥齿轮啮合改变电机的传动方向，避免电机倒置造成上下结构干涉。机 身外壳拟用铸铁 形及型腔尺寸由内部结构决定。 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 36 页 2 喷漆机器人总体设计 由设计任务书，该喷漆机器人具有 5个自由度，采用步进电机驱动，工作负载重量 2.5 部件的运动范围为：机身 120；大臂前俯 30，后仰 10；小臂俯仰 30；腕转 120；腕摆 120，工作空间为 2600 800 1600 复定位精度 3 6 喷漆机器人坐标系的确定 常见的机器人坐标形式分为以下几种： （ 1） 直角（笛卡尔）坐标型 机器人的主体结构的关节都是移动 关节 直角坐标形式结构简单，刚度高；关节之间运动相互独立，没有耦合作用。 （ 2） 圆柱坐标型 圆柱坐标形式又两个滑动关节和一个旋转关节来确定位置，再附加一个旋转关节来确定部件的姿态，工作范围呈圆柱形状。 该形式的机器人可以绕一个中心轴旋转一个角，工作范围可以扩大，切计算简单；柱坐标移动座可沿柱坐标移动导轨上下移动 ;柱坐标移动导轨配合其他机构可以抬高机器作业高度。 （ 3） 球坐标型 球坐标形式即用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置，再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。 这种形式的机器人可以绕中心轴旋 转，中心支架附近的工作范围大。 （ 4） 关节型 该坐标形式三个自由度均为回转运动，构成机器人的回转运动、俯仰运动和偏转运动。 应用多关节形式：旋转：完成机身周向运动；俯仰：大臂及小臂调节喷枪与待喷涂面的夹角，最后利用腕部的平动调节最合适的喷涂角度。使得 该形式机器人动作灵活， 符合总体方案要求。 基于以上，该喷漆机器人设计应用多关节坐标形式。 工作空间设计 图 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 36 页 图 喷漆 机器人工作空间示意图 图中， 1l ,2l 分别为大臂、小臂的长度； 1 ,1别为大臂的仰俯角度； 2 ,2别为小臂的仰俯角度。 由喷漆机器人工作空间的示意图，得到工作空间的范围：长宽高 =2800 800 1600 3 由此计算： o o o o s 2121 0 030s 1 圆整后得到的大、小臂长度为： l l 驱动方式的确定 常见的驱动方式按动力元件不同可分为电动驱动、液动驱动和气动驱动三种。其对应的驱动元件为电动机、液压马达及液压缸、气缸及气马达。 （ 1） 步进电动机驱动：该驱动适合中等负载，尤其适合动作复杂，运动轨迹精度要求高的工业机器人。 （ 2） 液压驱动：液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，位置精度高且该 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 36 页 传动较易实现自动 控制。但是，工作性能会受高温受到影响；存在液压油泄漏，防爆等问题 。 （ 3） 气压驱动：压缩空气粘度小，可以满足高速要求；并且作为介质的空气对不存在污染；另外，低工作压力降低制造要求。但是该种工作特性难以在不增大结构条件下提供大工作压力；速度难以控制使得稳定性能差；且排气时会带来噪音 。 由精度和输出功率等综合考虑，选用电机驱动。而在设计喷漆机器人选用电动机的时对其性能一般考量以下几个方面： 机器人的灵巧、质轻要求所选电动机小而轻；机器人的可维护性要求所选电机在实际工作中不必维护直至报废；除此之外，电机良好的稳 定性、响应快速、控制方便及可适应各种可能工作环境尤为重要。 由于伺服电动机的电刷易磨损造成火花放电，驱动功率较大且价额昂贵；相反，步进电动机的运行步距角与且只与脉冲频率成正比；并且它结构简单、精度高、调速范围大、工作响应灵敏。 基于以上，喷漆机器人驱动方式选用步进电机驱动。 传动方式的确定 机器人常用的传动方式如下所示： 直线传动： 齿轮齿条装置：通常齿条固定不动，当齿轮传动时，齿轮轴连同托板沿齿条方向做直线运动，从而将齿轮的旋转运动转换成托板的直线运动，托板由导轨支承。但是回差较大 普通丝杠：该 驱动由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴向移动。但是普通丝杠摩擦力较大，效率低，惯性大，在低速时容易产生爬行现象，而且精度低，回差大，机器人很少应用。 滚珠丝杠：滚珠丝杠摩擦小，运动响应速度快，传动效率高消除低速时产生的爬行现象，若在装配时施加一定预紧力还可以消除回差。 旋转传动： 齿轮链结构：齿轮链传动不但可以传递运动角位移和角速度，而且可以传递力和力矩。但是齿隙误差会带来系统的不稳定性。 皮带结构：皮带柔性好，价格便宜。 同步齿带结构：同步齿带传动精度高适合动作精度要求高的传动。 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 36 页 根据对以上各种传动 方式的特点和应用场合等分析，针对喷漆机器人，机身的转动采用两级齿轮传动；大臂和小臂的摆动采取步进电机驱动滚珠丝杠来实现；腕部的转动通过一级链传动和一级锥齿轮传动来实现；腕部的摆动直接通过两级链传动来实现。为减轻自重，将小臂电机装在机身转盘上，同时将腕部的电机安装在大臂的底部以降低重心。大臂电机安装在电机支撑架上，机身自身驱动电机安装在箱体上，减轻支撑架的负载，提高运行精度。总体结构如图 1 小臂体 2 手腕 3 大臂体 4 步进电机（大臂用） 5 步进电机（小臂用） 6 步进电机（机身用） 7 机身 8 步进电机（手腕俯仰用） 9 步进电机（手腕摇摆用） 图 喷漆机器人的总体装配示意图。 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 36 页 3 机身设计 机身系统部件的结构设计。 （ 1） 支撑架的设计 支撑架主要承载大小臂上所有零件的重量，左端设计大臂平衡弹簧的固定连接孔，右端设计大臂驱动电机支撑架。考虑机身回转时的偏心力，合理设计支撑架与回转轴的连接，采用柱销式连接，两边用螺钉紧固。同时设计一个支撑圆盘加以固定，使其转动更加平衡。为了减轻自重，选用 料。 （ 2） 机座的设计 机座在中间轴对应的 位置处加工一个轴承固定座，其他无特殊要求。 机身系统的内部设计主要是对传动系统的各部件进行设计计算与校核，其设计计算主要参照机械设计 14。 步进电机选择 计算输出轴的转矩 摩惯 （ 启小大自 ）（ t （ （ （ 32细杆（ 42圆盘（ 惯性力矩 摩擦力矩 输出轴转动角速度 大J 大臂转动惯量 小J 小臂转动惯量 自J 机身自身转 动惯量 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 36 页 启动时间 v =s l = 1.6 s 当大小臂的位置关系如图 示位置时，大小臂处于动作可以达到的极限位置，此时需要的 M 数值最大。 图 大小臂处于极限位置 由同组成员计算出的大臂质量及相关大臂相对中心线 垂直距离 l 得出： 30400 大m=30 代入式（ ： 321大 =由同组组员算出的小臂质量及相关小臂相对 l 得出： 2l =1000 0 代入式（ ： 322小 = 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 36 页 圆盘铝合金圆盘 圆盘圆盘圆盘 2 圆盘圆盘 m 计算相关机身设计数值得出： 92圆盘入式（ ： 42盘自 =代入（ 到 m 带入（ 到 M =m = / =m 选择二级圆柱齿轮减速器 i=9 43321 （ 1= 联轴器传动效率 2= 齿轮传动效率 3= 轴承传动效率 代入式（ 到： 确定各轴传动比 总传动比 12i i i =9 ，根据推荐的传动副传动比合理范围，取： 高速级传动比1i=3 ，低速级传动比2i=3 传动装置的运动和动力参数 由图 轴由高速至低速依次设计为轴（输入轴）、轴（中间轴）、轴（输出轴）。 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 36 页 图 动示意简图 各轴转速 232 （ 121 （ 3=s 233 n=入式 （ 式 （ 得 ： 2n 1n 矩计算 23223 （ m 代入式 （ 得 ： 2T m 同理得到 ： 2 1 2 3 1T T i =m 3201 m 310 电机m 北京和利时电机电器有限公司的一些步进电机技术参如表 表 步进电机产品系列 及 技术参数 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 36 页 型号 相数 步距角 ( 电压 (V) 电流 (A) 静转矩 (空载运行频率 (转动惯量 (备注 86 110 15 86 110 4 15 86 110 5 15 北京和利时电机电器有限公司 86进电机的 运行矩频特性 曲线 图 运行矩频特性 由计算得到所需： =m， 1n 电机可以满足要求。 北京和利时电机电器有限公司 86进电机的 外型简图 如图 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 36 页 图 步进电机外形简图 根据前面计算，选择北京和利时电机电器厂的 86进电机。 由电机输出轴尺寸选择 从动端均选用116。齿轮设计与计算 高速级齿轮设计与计算 （ 1） 选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数 按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。 由资料 14（下同）表 105质 )，表面硬度为 280齿轮材料选用 45钢（调质），表面硬度为 240 选择 7级精度， 241z ， 722432 z （ 2） 按齿面接触疲劳强度计算 根据设计计算公式（ 10算小齿轮分度圆直径，即： （ 载荷系数 1T 输入轴承受扭矩 d 齿宽系数 Z 重合度系数 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 36 页 弹性影响系数 H 接触疲劳许用应力 确定上式中各参数： 试选载荷系数 小齿轮传递的扭矩为 1T=m 查表 10齿宽系数d=1； 查表 10弹性影响系数2 查图 10得小齿轮接触疲劳强度极限为 6002H 齿轮接触疲劳强度极限为 5501H 计算应力循环 : 0（ n 输入轴转速 工作时间 1n 0000h 双向转动，取 j =2 代入式（ ： 1160 hN n =108次 21/N N i =108次 查图 10接触疲劳寿命系数 1 计算接触疲劳许用应力：取安全系数 S=1，则 1H 1 =690 2H 2 =693算 设计公式中代入 H中较小值，得1 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 36 页 计算小齿轮分度圆圆周速度 v 60000 11 t s 计算齿宽 b 1=算齿宽与齿高之比： b/h （ 模数 11tt dm z齿高 =入式（ ： /算载荷系数 （ 查图 10 v=s， 7级精度，得： 表 10： 表 10： 表 10： 图 10： 上代入式（ ： A v H K K K 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 36 页 按实际载荷系 数修正1 （ 计算模数 m： 弯曲强度设计 由 公 式（ 10 3 212 （ 弯曲疲劳寿命系数 F 弯曲疲劳需用应力 齿形系数 应力校正系数 由图 10弯曲疲劳强度极限 1=500齿轮弯曲强度极限2=380 由图 10算载荷系数 K K = 算弯曲疲劳需用应力，取弯曲疲劳安全系数 S=： 11 = 22 =取齿形系数，由 表 10 1取应力校正系数，由表 10 1 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 36 页 111 2 22F Y=齿轮对应数值大，将以上数值代入得： m 比计算结果，由于齿轮模数 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=取圆整为标准值 m=1，前面计算得 1d =小齿轮的齿数： 1 25 2z =75 几何尺寸计算： 分度圆直径 （ 将模数、齿数代入式（ ： 1 25 2 75心距 2 21 （ 将 1d ， 2d 代入式（ ： a 50轮宽度 1db d （ 由式（ ： 2B =251B =30 低速级齿轮设计与计算 （ 1） 选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数 （ a） 按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 36 页 （ b）由表 10齿轮的材料为 40质），硬度为 280齿轮的材料为 45钢（调质），硬度为 240 （ c）选择 7级精度， 241z ， 722432 z （ 2）按齿面接触疲劳强度计算 试选载荷系数： 齿轮传递的扭矩为： 2T =m 查表 10齿宽系数 d=1 查表 10弹性影响系数 2 查图 10得小齿轮接触疲劳强度极限为 6002H 齿轮接触疲劳强度极限为 5501H 计算应力循环系数 1160 hN n =108次 21/N N i =107次 查图 10接触疲劳寿命系数1 计算接触疲劳许用应力：取安全系数 S=1，则： 1H 1 =756 2H 2 =算 设计公式中代入 H中较小值，得： 算小齿轮分度圆圆周速度 v 60000 21 t s 计算齿宽 b 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 36 页 1=算齿宽与齿高之比 b/h 模数11tt dm z齿高 ，由 v=s， 7级精度，得： 表 10： 表 10： 表 10： 图 10： 以载荷系数 A v H K K K按实际载荷系数修正1计算模数 m 弯曲强度设计 由式 （ 10： 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 36 页 3 2122 由图 10=500齿轮弯曲强度极限2=380 由图 101算弯曲疲劳需用应力 取弯曲疲劳安全系数 S=： 11 = 22 =算载荷系数 K K = 取齿形系数。 由表 10 1取应力校正系数 由表 10 1 111 2 22F Y=齿轮对应数值大 将以上数值代入得： m 比计算结果，由于齿轮模数 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=取圆整为标准值 m=面计算得 1d =小齿轮的齿数 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 36 页 1 25 2z =75 几何尺寸计算 分度圆直径 1 2 心距 a =75轮宽度 1db d2B =1B =轴的设计与计算 输入轴的设计与计算 （ 1） 求输入轴上的功率、转速、扭矩 2321 电机输入 10T m （ 2） 初估轴直径 30（ 选取轴的材料为 45钢，调质处理，查表 110 112A ，并将数据代入式（ ： 17 （ 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 本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 36 页 图 输入轴结构尺寸简图 （ 4） 求轴上支反力与弯矩 水平方向： 0633038221 0333068211 垂直方向： 0633038221 0333068211 对锥齿轮： , co F （ 对直齿轮： ， F （ 将输入轴参数代入式（ ： 1122入得 ： 12 出输入轴水平方向及垂直方向的弯矩图 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 36 页 图 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 输入轴的危险截面，计算结果如 表 表 截面处的弯矩 载荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F 211矩 M m m 总弯矩1M 22m 扭矩 T 1T m （ 5） 按弯扭合成应力校核轴的强度 ( （ 式中： 轴的计算应力 M 轴受得弯矩 T 轴所受的扭矩 本科毕业设计说明书（论文） 第 23 页 共 36 页 W 轴的抗弯截面系数 31.0 （ 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（ （ ： W 2 )( 的材料为 45 钢，查表 11 1 60b M P a 。因此 1ca b，故安全。 中间轴的设计与计算 （ 1） 求输入轴上的功率、转速、扭矩 3322 输入中间 2n 2T m （ 2） 初估轴直径 选取轴的材料为 45 钢，调质处理，查表 110 112A ，得： 305（ 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 图 中间轴结构尺寸简图 本科毕业设计说明书（论文） 第 24 页 共 36 页 （ 4） 求轴上支反力与弯矩 水平方向： 01 6 61 6 5211 垂直方向： 01 6 61 6 5211 对直齿轮： ， F 将输入轴参数代入得： 172N, 1244N, 2入得 ： 1213N, 1出中间轴水平方向及垂直方向的弯矩图： 图 中间轴的受力分析图 本科毕业设计说明书（论文） 第 25 页 共 36 页 从轴的结构图和受力情况分析得到截面 轴的危险截面，计算结果如表 表 截面处的弯矩 载荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F 213N 1矩 M m m 总弯矩1M 22m 扭矩 T 1T m （ 5） 按弯扭合成应力校核轴的强度 校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度 W 2 )( 轴的材料为 45 钢，查表 11 0此 1ca b，故安全。 输出轴的设计与计算 （ 1） 求输出轴上的功率、转速、扭矩 4332 中间输出 3n 0T m （ 2） 初估轴直径 选取轴的材料为 45 钢，调质处理，查表 110 112A ，得： 303（ 3） 轴的结构设计 轴的结构尺寸如图 出轴的直径与齿轮直径相差很少，所以做成锥齿轮轴。 本科毕业设计说明书（论文） 第 26 页 共 36 页 图 输出轴结构尺寸简图 （ 4） 求轴上支反力与弯矩 水平 方向： F； F（ 垂直方向： F； F（ 对直齿轮： ， F 将输入轴参数代入得： 入得： 122出输出轴水平方向 及垂直方向的弯矩图 本科毕业设计说明书（论文） 第 27 页 共 36 页 图 输出轴的受力分析图 从轴的结构图和受力情况分析得到轴的危险截面，计算结果如表 表 截面处的弯矩 载荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F 21274N 弯矩 M m m 总弯矩1M 22m 扭矩 T 1T m （ 5） 按弯扭合成应力校核轴的强度 校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度 W 2 )( 35 轴的材料为 45 钢，查表 11 0此 1ca b，故安全。 本科毕业设计说明书（论文） 第 28 页 共 36 页 轴承的校核 输入轴上轴承寿命计算 查阅资料 14表 13 0 0 0 0 h 3 0