精品毕业论文多关节机械手设计

I 摘 要 随着机器人在各个领域应用的日益广泛，许多场合要求机器人具有力控制的能力。 此次设计是针对回转壳体内自动粘贴胶片的任务，设计一个 3DOF 平面多关节机械手 （包括 1 个移动关节，2 个转动关节和末端执行机构） ，配合壳体驱动系统来实现此任务。 在机械手工作过程中，通过伺服电机带动丝杠转动，从而来完成机械手水平方向的移动， 旋转关节 1 通过链传动来完成平面内的旋转动作，旋转关节 2 直接在伺服电机的驱动下 完成平面内的旋转动作，这样机械手可以伸入口径较小的回转壳体内完成粘贴胶片的任 务。 本次设计工作首先对机械手进行了运动学分析（包括运动学方程的建立，运动学方 程的正问题、逆问题及其解） 。设计内容包括机械手的移动关节、旋转关节的结构设计， 传动部分的设计等。其中，重点是对伺服进给系统的设计（包括工作台的设计，丝杠的 设计，直线导轨、伺服电机和减速器的选取等） 。最后对系统中主要部件的刚度、强度等 性能参数进行了计算与校核。 关键词关键词：机械手 多关节 运动学分析 伺服电机 直角减速器 II Abstract With the increasing application of robot in various industrial fields, it is requested that robot has the ability to control power. According to the contact task of rotary hull, a 3-DOF robot manipulator is designed in order to accomplish sticking of the colloid. The robot manipulator consists of a transfer joint and two revolute joints and robot end-effector. The robot manipulator could realize the contacting task combining with the driving system of rotary hull. The concrete processing comprising of driving screw transmission with the servo motor. In this way, robot manipulator could complete movement in horizontal direction, the revolute joint could be able to accomplish revolute motion of two dimension-space through a chain driving, the revolute joint of end-effector completes directly revolute motion with the servo motor. Firstly, this design has been carried on the kinematics analysis in order to the manipulator, which consists of including the establishment of kinematics equation, the positive solutions of the kinematics equation, the corresponding inverse solutions. Secondly, the transfer joint, revolute joint and the transmission part are designed. The important part is the design of servo feeding system, which consists of the design of the platform and the screw, the selection of linear guide way, servo motor and reducer, etc. Finally, the corresponding calculations are done considering the systems main guide line such as components stiffness, strength and other performance parameters. Keywords: Robot manipulator Freedom Multi-joint Servo motor Right-angle reducer III 目 录 摘要 . Abstract 目录 . 引言 1 1 机械手结构的总体方案设计 .4 1.1 课题的主要内容.4 1.2 课题的研究方案.4 1.3 机械手结构的总体设计.4 1.3.1 主要技术指标设计4 1.3.2 机械手的结构设计4 2 机械手运动学分析 .6 2.1 机械手运动学方程的建立.6 2.2 运动学方程的正解.7 2.3 运动学方程的逆解.8 3 传动装置的设计 10 3.1 伺服电机及减速器的选择.10 3.1.1 机电领域中伺服电机的选择原则10 3.1.2 旋转关节驱动电机及减速器的选择10 3.2 链轮的设计及链条的选择.11 3.2.1 滚子链传动的设计11 3.2.2 链轮的设计13 3.2.3 滚子链的静强度计算14 3.2.4 链传动的张紧15 3.2.5 链传动的润滑15 IV 4 轴的设计与验算 16 4.1 轴的结构设计.16 4.1.1 选择轴的材料16 4.1.2 初步估计轴径17 4.2 轴的校核.18 5 轴上零件的选择与计算 25 5.1 键的选择与键联接强度校核.25 5.1.1 大臂末端电机轴上键的选择与校核25 5.1.2 轴上矩形花键的选择与校核26 5.1.3 小臂电机轴上键的选择与校核26 5.2 滚动轴承的验算.26 5.2.1 确定轴承的承载能力27 5.2.2 计算当量动载荷28 5.2.3 校核轴承寿命28 6 伺服进给系统的设计与计算 29 6.1 滚珠丝杠的设计.29 6.1.1 材料的选择29 6.1.2 耐磨性计算29 6.1.3 螺杆的强度计算30 6.1.4 螺杆的稳定性计算30 6.2 丝杠副的选择计算.31 6.2.1 螺母的疲劳寿命计算32 6.2.2 螺母螺纹牙的强度计算33 6.2.3 螺母凸缘的强度计算34 6.3 丝杠驱动电机的选择.34 6.4 机械导轨的选择.35 6.5 联轴器的选择与计算.36 6.5.1 选择联轴器的类型36 V 6.5.2 联轴器的主要参数37 6.5.3 联轴器的计算扭矩37 结论 .39 致谢 .40 参考文献 .41 1 引引 言言 随着社会进步和科学技术的发展，工业生产的操作方式也发生着革命性的变化，从 手工作坊式的劳动，逐步演变成自动化、智能化的生产方式，人类也逐渐无法完成某些 生产过程，所以为了适应生产的需要出现了特殊的生产工具-机械手。 机械手也被称为自动手 ，能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取 、搬运物件或操作工具的自动操作装置 。它主要由手部、运动机构和控制系统三大部 分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重 量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构， 使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件 的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6 个自由度。自由度是机 械手设计 的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。 一般专用机械手有 23 个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控 制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统 的核心通常是由单片机或 dsp 等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。 近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为 高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手 能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 多关节机械手的优点是 :动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的 工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.虽然目前还不如人手那样灵 活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大 等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、 轻工和原子能等部门。 例如： (1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。 (2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它 可以用来组装零部件。 (3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。 (4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。 2 (5)宇宙及海洋的开发。 (6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。 机械手的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入。比如说日本，战 争以后开始发展汽车工业，那么这时候由于它人力的缺乏，迫切需要一种机器人来进行 大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是社会发展本身的一个需求。另一 方面它也是生产力发展需求的必然结果，还是人类自身发展的必然结果。随着人类社会 的发展，人们在不断认识和改造自然的过程中，需要能够解放人的一种奴隶。这种奴隶 要能够代替人们去从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达到世界的认识和改造， 这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面，尽管人们有各种各样的好 的想法，机器人技术仍归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展， 需要其提供强大的技术保证。随着社会的进步，不仅工业机器人技术在制造业领域得到 了广泛的应用，同时，特种机器人的用途也越来越广泛，机器人每年收获的农作物达数 十亿吨。有的机器人可以上山伐木，有的可以挤牛奶，有的则可以擦玻璃、洗汽车和洗 飞机。机器人技术作为 20 世纪人类最伟大的发明之一，自 20 世纪 60 年代初问世以来， 经历 40 余年的发展已取得长足的进步。走向成熟的工业机器人及各种用途的特种机器人 的应用，昭示着机器人技术灿烂的明天。 机械手研究始于 20 世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946 年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、 低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机 器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放 射性物质。在这一需求背景下， 美国开始研制机械手 的控制系统，在 1947 年产生了 世界上第一台主从遥控的机器人 ，1948 年又开发了机械式的主从机械手 。 在 1947 年产生了世界上第一台主从遥控的机器人，1947 年以后是计算机电子技术发 展比较迅速的时期，因此各国已经开始利用当时的一些现代的技术，进行了机器人研究。 在 1962 年美国研制成功 PUMA 通用示教再现型机器人，那么这就标志着机器人走向成熟， 应该说第一台可用的机器人在 1947 年产生，而真正意义的机器人在 1962 年产生。相继 不久，在英国等国家，也相继研究出一些机器人，那么到了 20 世纪 60 年代末，日本人 将它的国民经济的汽车工业与机器人进行结合，它购买了美国的专利，在日本进行了再 次开发和生产机器人。到 20 世纪 70 年代，日本已经将这种示教再现型的机器人进行了 工业化，出现了很多公司，现在的像 ABB，MOTOMAN，安川公司，还有很多机器人公 3 司像 OTC 等公司。它们都已经将机器人进行了工业化，进行了批量生产，而且成功的用 于了汽车工业，使机器人正式走向应用。 在 20 世纪 70 年代到 20 世纪 80 年代初期，工业机器人变成产品以后，得到全世界 的普遍应用以后，那么很多研究机构开始研究第二代具有感知功能的机器人，出现了瑞 典的 ABB 公司，德国的 KUKA 机器人公司和日本的 FUNAC 公司。它们都在工业机器人 方面具有很大的作为，同时我们也看到机器人的应用在不断拓宽，它已经从工业上的一 些应用，扩展到了服务行业，并且扩展了它的作业空间，已经在海洋空间和服务医疗等 行业的进行使用。 我们国家在机器人的研究，是在 20 世纪 70 年代后期，当时我们在国家北京举办一 个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工 业机器人，这个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了机器人 的研究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行机器人研究 的时候，是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展。发展最迅速的时候，是在 1986 年我们国家成立了 863 计划是高技术发展计划，就将机器人技术作为一个重要的发 展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人 这一领域得到很快地、迅速地发展。 目前主要单位像中科院沈阳自动化所，原机械部的北京自动化所，像哈尔滨工业大 学，北京航空航天大学，清华大学，还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了 非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前这几年来看，我们国家在高校里 边，有很多单位从事机器人研究，很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究，目 前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人，空间机器人，核工业的 机器人，都在国际上应该处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在很大 的差距，主要表现在，我们国家在机器人的产业化方面，目前还没有固定的成熟的产品， 但是在上述这些水下、空间、核工业，一些特殊机器人方面，我们取得了很多有特色的 研究成就。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结 构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。 4 1 1 机械手结构的总体方案设计机械手结构的总体方案设计 1.1 课题的主要内容 本次课题的主要内容是针对回转壳体内自动粘贴胶片的任务，设计一个 3DOF 平 面关节型机械手(包括 1 个移动关节，2 个转动关节和末端执行机构)，并且和壳体驱动系 统配合起来实现自动粘贴胶片的的任务。 1.2 课题的研究方案 针对胶片粘贴任务，可设计 3DOF 平面关节型机械手。机械手由移动关节，旋转 关节 1，旋转关节 2 和执行机构组成。移动关节安装在直线导轨上，通过伺服电机带动丝 杠的转动来完成机械手前后方向的移动。旋转关节 1 的动作是通过链传动来完成的。具 体方法是，大臂末端安装伺服电机来带动链传动，通过链传动使旋转关节 1 完成平面内 的旋转动作。而旋转关节 2 则直接在伺服电机的驱动下完成平面内的旋转动作。执行机 构设计为可以绕轴转动的圆柱型内空结构，以便与壳体内部形状吻合并且大大减轻机构 重量。几个关节运动的有机结合可以实现机械手自动粘贴胶片的任务，并通过减速器使 其达到理想的旋转速度。 1.3 机械手结构的总体设计 1.3.1 主要技术指标设计 此机械手针对回转壳体，实现在其内部的自动粘贴胶片工作。回转壳体的有效长度 为 2m，内部直径为 350mm，开口直径为 300m。胶片在粘贴到壳体前被剪裁成 300mm300mm，然后由工作人员放到执行机构的胶片架上。大臂水平方向的有效行程为 1.5m。 5 1.3.2 机械手的结构设计 大臂选用 10mm 厚的方钢，材质：Q235A。中臂，小臂，执行机构选用 45 钢。具体 结构如下图所示： 图 1.1 机械手大臂 图 1.2 机械手中臂 6 图 1.3 小臂执行机构 2 机械手运动学分析 机器人操作手通常为开链空间连杆机构，各杆件间通常用转动副和移动副相连接。 开链一端安装在机座上，另一端为末端执行器。各关节由驱动器驱动，关节的相对运动 导致连杆的运动，进而确定了末端执行器在空间的位置和姿态。齐次变换是解决机器人 操作手运动学的数学工具。 2.1 机械手运动学方程的建立 表示机器人操作手的每个杆件在空间相对于基础坐标系位置和姿态的方程，称为机 器人操作手的运动学方程。 要描述机器人操作手每个杆件的空间位姿，需要使用以下直角系。 绝对坐标系，即建立在工作现场地面的坐标系。 机座坐标系，即建立在机器人上的坐标系，它是机器人各活动杆件的公共参考坐标系。 通常在研究问题时，认为机座相对于工作地面是静止的，因此又将机座坐标系称为固定 坐标系或基础参考系。 7 杆件坐标系即建立在机器人指定的活动杆件上的坐标系。它与活动杆件相固连，随杆 件一起运动，因此又称其为活动坐标系或当前坐标系。 末端执行器坐标，即末端杆，因此相应坐标系均转为杆件坐标系。 在研究具体问题时，常将机座看为操作机的第 0 号杆件，即首端杆，而将末端执行 器视为最后一个杆，即末端杆，因此相应坐标系均转为杆件坐标系。 若一个机器人操作手有 n 个杆组成，各杆件编号从机座到末端执行器依次为 0，1，2，3，n，则可以写出变换方程3： (2.1)TTTTTTT n 5 6 4 5 3 4 2 3 1 2 0 1 0 式中：，n)两杆件的相对变换矩阵。, 3 , 2 , 1( 1 iT i i 依据上述变换方程，即可求出任一杆件相对机座坐标系的位姿，得到相应的运动学 方程。确定相临两杆间的变换矩阵是建立机器人运动学方程的基础。 变换矩阵，n)顺序相乘就可得到。因中含有一个关节变量, 3 , 2 , 1( 1 iT i i T n 0 T i i 1 若用广义坐标 3 则可写成形式，有),( ii d或 i q,表示 1i iT ) i q（ (2.2)()()()( 1 3 2 32 1 21 0 1 0 n n nn qTqTqTqTT 通常将称为操作手的变换矩阵。显然它是 n 个关节变量，n)的函数。T n 0 , 3 , 2 , 1( iqi 将(2.2)称为操作手的运动学方程，它表示末端连杆的位姿与关节变量之间的关系。 2.2 运动学方程的正解 正解问题是指已知各杆的结构参数和关节变量，求末端执行器的空间位姿，即求。T n 0 按下关节模式确定各杆的 A矩阵。所建立的坐标系如下图所示： 图 2.1 平面三杆机械手 8 建立 A 矩阵所需要的参数值见下表。 表 2.1 机械手的结构参数表 杆件号 i关节变量iaidicos i sin i 100 l xl 1 010 210 2 l 010 320 3 l010 =A1= (2.3)T 0 1 100 010 01 1l xl =A2= (2.4)T 0 2 100 sincossin cossincos 1211 1211 l l =A3= (2.5)T 2 3 100 sincossin cossincos 2322 2322 l l 则： = A1 A2 A3= (2.6)T 0 3 T 0 1 T 1 2 T 2 3 100 121231212 1121231212 slslcs xlslslsc l 式中 ； 12 c)cos( 21 ； 12 s)sin( 21 ； 1 c 1 cos 。 1 s 1 sin 9 2.3 运动学方程的逆解 逆解问题是指已知满足某工作要求时末端执行器的空间位姿，就是已知中各元素T n 0 的值以及各杆的结构参数，求关节变量。 由运动学方程的正解可知中各元素的值以及各杆件的结构参数。求关节变量。T n 0 由前面可知： = (2.7)T 0 3 100 121231212 1121231212 slslcs xlclclcc l 根据=，T 0 1 1 T 0 3 T 1 3 = (2.8)T 0 1 1 T 0 3 100 010 )(01 1l xl 100 yy xx pon pon 100 )( 1 yyy lxxx pon xlpon = A2 A3= (2.9)TTT 2 3 1 2 1 3 100 121231212 121231212 slslcs clclsc 令(2.8)(2.9)式中两端矩阵第一行第三列元素与第二行第三列元素分别相等，得 (2.10) 122123 121231 )( sllslp clclxlp y lx 当工作时，机械手末端位姿如下图： 图 2.2 机械手末端位姿图 10 因为此时， 90 21 所以(2.10)式可化简为： (2.11) 123 121 )( sllp clxlp y lx 所以 (2.12) 132 21 2321 ()/ 90 cos(/) y lxy pll xplplll 11 3 传动装置的设计 3.1 伺服电机及减速器的选择 3.1.1 机电领域中伺服电机的选择原则 现代机电行业中经常会碰到一些复杂的运动，这对电机的动力荷载有很大影响。伺服 驱动装置是许多机电系统的核心。因此，伺服电机的选择就变得尤为重要。首先要选出 满足给定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适 合的电机2。 图 3.1 各种电机的 T-曲线 一般伺服电机选择考虑的问题： (1) 电机的最高转速。 (2) 电机的负载转矩。 3.1.2 旋转关节驱动电机及减速器的选择 1.估算各臂重量 大臂 60KW9.8N/Kg=490N； 中臂 30KW9.8N/Kg=294N； 小臂和执行机构（手） 30KW9.8N/Kg=294N。 12 2.旋转关节 1 驱动电机及减速器的选择 (3.1) 111 (29429450) 0.5319()TF LN m (3.2) 1 20 319 668.06 9.559.55 nT PW (3.3) 1 1 668.06 8350.835 0.8 L P PWKW 故驱动关节 1 选用安川伺服电机SGMH-13AAA41。 。min/1500,3 . 1rnKWP 额额 减速器型号：PLS142HP 减速比 i=64 3.旋转关节 2 驱动电机及减速器的选择 (3.4) 222 (50294) 0.2689.44()TF LN m (3.5) 2 20 89.44 187.3 9.559.55 nT PW (3.6) 2 2 187.3 2340.234 0.8 L P PWKW 故驱动关节 2 选用安川伺服电机SGMH-05AAA41 。min/1500,45 . 0 rnWKP 额额 减速器型号：WPLE60 减速比 i=80 3.2 链轮的设计及链条的选择 3.2.1 滚子链传动的设计 1.滚子链链轮的主要尺寸 链轮的主要尺寸摘自 GB124485传动用短节距精密滚子链和套筒链链轮齿形和公 差 ，适用于与 GB1243.183传动用短节距精密滚子链配用的链轮；等效于 ISO6061982传动用短节距精密滚子链和链轮 。链轮的基本参数为：链轮的齿数 Z,链 条的节距 P,滚子外径 dr,排距 Pt。 2.滚子链传动的设计计算 滚子链传动的设计计算步骤及计算式： 已知传动功率 P=1.3KW,主动轮转速与从动轮转速相同，即 n1=n2=23.4r/min,大链轮轴 13 孔直径与小链轮轴孔直径相同，既 dK1=dK2=40mm 2.1 链轮齿数 小链轮的齿数 Z1=23 大链轮的齿数 Z2=23 2.2 实际传动比 i i=Z2/Z1=23/23=1 (3.7) 2.3 计算功率 PC PC=KAP/KZ=11.3/1.23=1.057KW (3.8) KA工况系数。 查表 11-92，KA=1；齿数系数： Kz=(Z1/19)1.08=(23/19)1.08=1.23 (3.9) 2.4 链条节距 P 按 PC=1.3KW，n1=23.4r/min，查图 11-52，得链节为 16A,即 P=25.4mm。 2.5 查表 11-10 2，dKmax=109dK=40mm,合适。 2.6 初定中心距 a 按要求 a0=1300mm， a0p=a0/p=1300/25.40=48.56 (3.10) 在 3050 之间，所以合适。 2.7 链节数 LP=2a0/p+(Z1+Z2)/2+P/a0(Z2Z1/2)2 =21300/25.4+(23+23/2)+25.4/1300(23-23/2)2 =102.36+23+0 =125.36 (3.11) 取 LP=125 节。 2.8 链条长度 L=PLP=25.40125=3175mm (3.12) 2.9 理论中心距 a 当 Z1=Z2=Z 时， a=P/2(LP-Z)=25.40/2(125-23)=1259mm (3.13) 2.10 实际中心距 a a=a-a=1259-0.003493.8=1258 (3.14) 2.11 链速 V 14 V= Z1 n1 P/601000=2323.425.40/601000=0.2278m/s (3.15) 2.12 有效圆周力 Ft Ft=1000P/V=100025.40/0.2278=111501N (3.16) 2.13 作用于轴上之力 FK FK=1.15KAFt=1.151111501=128226N2 (3.17) 2.14 润滑方式的选择 根据 P 及 V 查图 11102，应采用油杯或刷子供油。 2.15 链条的标记 链 16A1125 图 3.2 链条的三维视图 3.2.2 链轮的设计 1.链轮的材料 链轮的材料应能保证链轮具有足够的耐磨性和强度。链轮的啮合次数越多受冲击也 就越严重，故链轮采用较好的材料制造。选用链轮的材料为 20Cr,热处理为渗碳，淬火， 回火。热处理后的硬度为 5060HRC。 2.链轮基本尺寸的计算 d=P/sin180o/Z=25.4/sin180o/23=25.4/0.136=186.76 (3.18) damax=d+1.25P-d1=186.76+1.2525.4-15.75=202.76 (3.19) damin=d+(1-1.6/Z)P-d1=186.76+(1-1.6/23)25.4-15.75=194.64 (3.20) 所以 da 取整为 196。 15 bf1=0.93b1=0.9315.75=14.64 (3.21) ba=0.125.4=2.54 (3.22) h=0.5P=0.525.4=12.7 (3.23) ra0.04P=0.0425.4=1.0161 (3.24) df=d-d1=186.76-15.88=170.88 (3.25) dgPcot180o/Z-1.04h2-0.76=25.4cot180o/23-1.0424.13-0.76=159.0(4.26) 所以 dg取整为 159。 图 3.3 链轮的齿槽形状 3.2.3 滚子链的静强度计算 在低速(V0.6m/s)重载链传动中，链条的静强度占主要地位。如果仍用额定功率曲 线选择计算，结果常不经济，因为额定功率曲线上各点相应的条件性安全系数 n 为 820，远比静强度安全系数大。当进行耐疲劳和耐磨损工作能力计算时，若要求的使用 寿命过短，传动功率过大，也需进行链条的静强度验算。 链条静强度计算公式2： lim 1 4 8 ca A F n S K F (3.27) 式中： 16 Sca链的抗拉静强度的计算安全系数； Flim单链的极限拉伸载荷，单位为 KN； KA工作情况系数； F1链的紧边工作拉力，单位为 KN； 链的排数。n 由下面的公式2得， (3.28)99. 4 111501 55600 tA ca FK Q S 在允许范围内，所以静强度满足要求。 3.2.4 链传动的张紧 链传动的张紧程度可用测量松边垂度 f 的大小来表示，合适的松边垂度推荐为：f =(0.010.02)a mm。 对重载，经常起动、制动和反转的链传动，以及接近垂直的链传动，其松边垂度应 适当减小。 本传动装置采用调整中心距的方法来使链传动张紧。具体调整方法是通过拧紧螺栓 来使链子蹦紧。对于滚子链传动，中心距调整量为 2P。 3.2.5 链传动的润滑 1. 润滑方式的选择 根据链条的节距 P 和速度 V 按机械手册2选择润滑方式。由于链速 V2m/s，故采用 人工定期润滑的方式。每班加油一次，保证销轴处不干燥。 2. 润滑剂的选择 一般情况采用润滑油，按机械手册2进行选择，对于开式、低速传动可在油中添加 MoS2、WS2MoSe2、WS e2等添加剂。 17 4 轴的设计与验算 对于传动轴，除重载轴外，一般无须进行强度计算，只进行刚度计算。 轴在载荷的作用下会产生弯曲和扭转变形，当这些变形超过某个允许值时，会使机 器零部件工作状况恶化，甚至使机器无法正常工作，故对精密机器的传动和对刚度要求 高的轴，要进行刚度校核，以保证轴的正常工作。轴的刚度分为扭转刚度和弯曲刚度两 种，前者是用扭转角来度量，后者是用挠度和偏角来度量。 轴在受载的情况下会产生弯曲变形，过大的弯曲变形也会影响轴上零件的正常工作， 对于工作要求高的精密机械如机床，如安装齿轮的轴，会因轴的变形影响齿轮的啮合状 态几工作平稳性；轴的偏角会使滚动轴承的内外圈互相倾斜，如偏转角超过滚动轴承的 允许的转角，就显著降低滚动轴承得寿命；会使滚动轴承所受的压力集中在轴承的一侧， 使轴径和轴承发生边缘接触，加剧磨损和导致胶合；轴的变形还会使高速轴回转时产生 振动和噪音，影响机器的正常工作。又如机床进给机构中的轴，过大的弯曲变形将使运 动部件产生爬行，不能均匀进给，影响加工质量。 因此，对于精密机器的轴要进行弯曲刚度的校核，他用弯曲变形时所产生的挠度和 偏转角来度量，即验算轴的最大挠度及齿轮处的和轴承处的倾角，是否在允许的范围之 内。轴的弯曲变形的精确计算较复杂，除受载荷的影响外，轴承以及各种轴上零件刚度， 轴的局部削弱等因素对轴的变形都有影响。因此，在计算时都进行了不同程度的简化1。 4.1 轴的结构设计 4.1.1 选择轴的材料 轴的主要材料是经过轧制或锻造的优质中碳钢和合金钢。为了提高轴的强度（尤其 是疲劳强度）和耐磨性，可对轴进行热处理或化学热处理，以及表面强化处理等。 故轴的材料选用 45，正火处理。 18 4.1.2 初步估计轴径 在轴的设计时，必须知道轴的基本直径，基本直径可按转矩估算法来估计。根据轴 上所受的转矩估算轴径，至于弯矩对轴强度的影响，用降低许用剪切力的办法来加以考 虑估算公式1为： dAmm (4.1) 3 n p 式中 d危险截面的直径(mm)； T转矩(N m)； 许用剪切应力(N/mm2)； A材料系数； P轴所传递的功率(KW)； N轴的转速(r/min)。 按表 1821，取 A=110。 （因轴端受弯矩，A 取平均值） dA=110=30.6mm (4.2) 3 n p 3 20 3 . 1 考虑端部有轴单键槽，轴径应增大 45%，取 d33mm 轴的结构如下图所示： 图 4.1 轴的结构图 考虑装配方便以及轴承的标准，故轴承的轴径取 30，长度取 14。又考虑轴承内侧 采用轴肩固定，固定中臂的部分取 34，长度取 13。轴的中部是花键轴，再考虑到装配 情况，所以轴径稍大一些。取 d=36,D=40。长度取 107。右侧轴径与左侧对称。 19 4.2 轴的校核 轴的计算通常是在初步完成结构的设计后进行校核，计算准则是满足强度或刚度， 必要时还应校核轴的振动稳定性。 1.求出链轮轴上的功率，转速和转矩 1 P 1 n 3 T 链轮的传动效率： =0.97（精度等级为 8 级） 链 轴承的传动效率： =0.99轴 则链轮轴上的传动效率为： 1 P (4.3)KWPP24 . 1 97 . 0 99 . 0 3 . 1 22 1 链 轴 链轮轴的转速： min/ 4 . 23 rn 2.作用于轴上之力 FK FK=1.15KAFt=1.151111501=128226N (4.4) 3.因为链轮的分度圆直径为： d=P/sin180o/Z=25.4/sin180o/23=25.4/0.136=186.76 (4.5) (4.6) 1 1 1.3 95500009550000530556 23.4 P TN mm n (4.7) 1 1 22 23636.25 945.45 50 a T FN d (4.8) 2 2 22 923500 9009.76 205 t T FN d (4.9)tan9009.76 tan203279.28 rt FFN 圆周力，径向力及轴向力的方向如下图所示： t F r F a F 20 21 图 4.2 轴的载荷分析图 4.求轴上的载荷 首先作出轴的结构简图，在确定轴承支点位置时，应从手册中查取 a 值。对于 6206C 的深沟球轴承，查得 a=44.4mm。，。 1 15.6Lmm 23 84.4LLmm 从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出 C 是轴的危险截面。现将计算出截面 C 处的，及 M 值列于下表 H M V M 表 4.1 截面 C 出的弯扭矩计算 5.按弯扭合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。 载 荷水平面H垂直面V 支反力 F=4505N，=4505N 1NH F 2NH F=2222N，=1066N 1NV F 2NV F 弯矩 M=383805 H MN mm=18842=90940 1V MN mm 2V MN mm 总弯矩 22 1 38380518842383868MN mm 22 2 38380590940394043 V MN mm 扭矩 T 1 923500TN mm 22 根据公式： (4.10) 2 222 1 4 2 MT MT ca WWW 式中， 轴的计算应力，单位 Mpa； ca M 轴所受的弯矩，单位；N mm T 轴所受的扭矩，单位；N mm W 轴的抗弯截面系数，单位； 3 mm 对称循环应变力时轴的许用变应力； 1 取折合系数=0.6（扭转的切应力为脉动循环变应力时） 1 (4.11) 2 1 ca MT W 2 2 3 3940430.6 923500 7.92 0.1 95 MPa 前面已经选定轴的材料为 45 钢，调质处理，查得=60Mpa，因此，故安全。 1 1ca 6.精确校核轴的疲劳强度 图 4.3 轴的结构图 由于段右侧和段左侧为危险截面，因此需要校核这两个截面的疲劳强度。 段右侧： 抗弯截面系数： (4.12) 333 0.10.1 302700Wdmm 抗扭截面系数： (4.13) 333 0.20.2 305400 T Wdmm 左侧的弯矩 M 为： (4.14) 84.440 383868201940 84.4 MN mm 23 截面的扭矩： =923500 (4.15) 1 TN mm 截面上的弯曲应力： (4.16) 201940 74.79 2700 b M MPa W 截面上的扭转切应力： (4.17) 1 923500 6.33 145800 T T T MPa W 轴的材料为45钢，调质处理，查得，=155Mpa.640 B MPa 1 截面上由于轴肩形成的理论应力集中系数， ，因，查得， 1.5 0.05 30 r d 34 1.13 30 D d =2.1，可得到轴的材料敏感应力集中系数为： 1.30 =0.82 =0.85qq 故有效应力集中系数为： (4.18)1(1)1 0.82 (2.1 1)1.902kq (4.19)1(1)1 0.85 (1.3 1)1.255kq 查得尺寸系数 =0.66，扭转尺寸系数 =0.82 轴按磨削加工，得表面质量系数： (4.20)0.91 轴未经表面强化处理，即=1 得综合系数值为： q (4.21) 11.9021 112.98 0.660.91 k K (4.22) 11.2551 111.63 0.660.91 k K 而碳钢的特性系数 =0.10.2，取=0.1；=0.050.1，取=0.05。 于是，计算安全系数值： ca S (4.23) 1275 33.33 2.98 2.770.1 0 m S k (4.24) 1155 29.19 6.336.33 1.630.05 22 m S k 24 (4.25) 2222 33.33 29.19 21.961.5 33.3329.19 ca S S SS SS 故轴在截面右侧的强度是足够的，因此轴的强度满足要求。 截面左侧 抗弯截面系数： (4.26) 333 0.10.1 343930.4Wdmm 抗扭截面系数： (4.27) 333 0.20.2 347860.8 T Wdmm 右侧的弯矩 M 为： (4.28) 84.440 383868201940 84.4 MN mm 截面的扭矩： =923500 (4.29) 1 TN mm 截面上的弯曲应力： (4.30) 201940 2.35 85738 b M MPa W 截面上的扭转切应力： (4.31) 1 923500 5.39 171475 T T T MPa W 过盈配合处的值，取 于是， k 0.8 kk ， (4.32)3.16 k 0.8 3.160.53 k 轴按磨削加工，得表面质量系数： (4.33)0.92 故得综合系数： (4.34) 11 13.1613.25 0.92 k K 11 12.5312.62 0.92 k K (4.35) 所以轴截面右侧的安全系数为： 25 (4.36) 1275 36.01 3.25 2.350.1 0 m S k (4.37) 1155 21.56 5.395.39 2.620.05 22 m S k (4.38) 2222 36.01 21.56 18.611.5 36.0121.56 ca S S SS SS 故轴在截面右侧的强度是足够的，因此轴的强度满足要求。 26 5 轴上零件的选择与计算 5.1 键的选择与键联接强度校核 键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，有的还能实 现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。 。键联接的主要类型有：平键联接、半圆键联 接、楔键联接和切向键联接。 键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键联接的结构特点、使 用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来取定。键的主要尺 寸为其截面尺寸(一般以键宽 b键高 h 表示)与长度 L。键的截面尺寸 bh 按轴的直径 d 由 标准中选定。键的长度 L 一般可按轮毂的长度而定，即键长等于或略短于轮毂的长度； 而导向平键则按轮毂的长度及其滑动距离而定。一般轮毂的长度可取为 L=(1.52)d，这 里 d 为轴的直径。所选定的键长亦应符合标准规定的长度系列。重要的键联接在选出键 的类型和尺寸后，还应进行强度校核计算。 5.1.1 大臂末端电机轴上键的选择与校核 电机轴上键的尺寸 Lbh=45108 l=L-b=4