工业搬运机器人机械臂结构设计【含CAD图纸、说明书】
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本科毕业设计（论文）题 目 工业搬运机器人机械臂结构设计姓 名 专 业 学 号 指导教师 郑州科技学院电气工程学院 二一六年四月工业搬运机器人机械臂结构设计摘要机器人是典型的机电一体化产品，工业搬运机器人是研究的一个热点领域。研究多关节型机器人，在机械，电子，信息理论，人工智能，生物学和计算机的知识中，需要大量的其它专业方面的组合，以及其自身的发展，这些领域的发展才能得到促进。在本文中，并完成工业搬运机器人图纸和通用部分绘制装配图在设计时使用。完善的电机和机器人动力学必要的分析模型来估算选择，扭矩和功率要求。第二，从电动机和齿轮箱连接固定出发，配合联合的结构和设计，从机构的连接强度中得到检查验证。关键词：结构设计，机器臂，关节型工业搬运机器人，结构分析73AbstractThe robot is a typical mechatronic products, spray painting robot is a hot research field of the robot. Study on the spray painting robot requires a combination of mechanical, electronic, information theory, artificial intelligence, biology and computer science knowledge, at the same time, its development has promoted the development of these disciplines.In this paper, a design of arm structure used in the painting robot, and complete the general assembly drawing and part drawing. Requirements for the mechanics analysis of the robot model, estimate required on each joint torque and power, complete motor and reducer selection. Secondly, from the motor and reducer connection and fixation of joint structure, design, and the mechanism of important connections check the strength. Keywords:Structure design, Robot arm, Structure analysis工业搬运机器人机械臂结构设计目 录1 绪论11.1 引言11.2 工业搬运机器人研究概况21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状31.3 工业搬运机器人的总体结构41.4 主要内容52 总体方案设计62.1 工业搬运机器人工程概述62.2 工业搬运机器人总体设计方案论述72.3 工业搬运机器人机械传动原理82.4 工业搬运机器人总体方案设计82.5 本章小结103 工业搬运机器人大臂部结构123.1 大臂部结构设计的基本要求123.2 大臂部结构设计133.3 大臂电机及减速器选型133.4 减速器参数的计算143.5承载能力的计算183.5.1 柔轮齿面的接触强度的计算183.5.2 柔轮疲劳强度的计算194小臂结构设计244.1 腕部设计244.1.1 手腕偏转驱动计算254.1.2 手腕俯仰驱动计算354.1.3 电动机的选择364.2 小臂部结构设计384.3 小臂电机及减速器选型384.3.1.传动结构形式的选择394.3.2.几何参数的计算394.4 凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算404.4.1柔轮齿面的接触强度的计算414.4.2柔轮疲劳强度的计算414.5 轴结构尺寸设计434.6 轴的受力分析及计算434.7 轴承的寿命校核445 机身设计475.1 步进电机选择475.1.1 计算输出轴的转矩475.1.2 确定各轴传动比495.1.3 传动装置的运动和动力参数495.2 齿轮设计与计算525.2.1 高速级齿轮设计与计算525.2.2 低速级齿轮设计与计算565.3 轴的设计与计算605.3.1 输入轴的设计与计算605.3.2 中间轴的设计与计算625.3.3 输出轴的设计与计算655.4 轴承的校核675.4.1 输入轴上轴承寿命计算675.4.2 中间轴上轴承寿命计算685.5 键的选择和校核715.5.1 键的选择715.5.2 键的校核715.6 机身结构的设计725.6.1 机身箱体材料的选择725.6.2 机身的结构设计及制造工艺72总结与展望73致 谢74参考文献75工业搬运机器人机械臂结构设计1 绪论1.1 引言 机器人，典型的机电一体化产品，多关节型机器人工业搬运机器人是研究的一个热点领域。研究多关节型机器人，在机械，电子，信息理论，人工智能，生物学和计算机的知识中，需要大量的其它区域的组合，以及其自身的发展，这些领域的发展才能得到促进。1959年，世界上第一台工业机器人的诞生，机器人开辟了新的发展时代。多关节机器人科学技术的飞速发展，研究和应用的发展。专家世界著名的机器人，加藤一郎教授，早稻田大学，说：“。其中一个机器人最大的特点，你需要有功能”无论是道路自动化脚下程度最高，这是最复杂的动态系统。伟大的发明家托马斯爱迪生曾说过这样一句话：系统，而不是在地面上，非结构复杂的地面，对环境有益的“上帝创造了男人，两条腿是最美妙的杰作。”无论做适应性，它具有非常丰富的环境要求动态很低。函数打开无限广阔的前景，有必要扩大机器人的应用领域。以下主要工业搬运机器人的原因和目的在于，：代替的人及膨胀和外地人类活动的膨胀的工作，它们是开发一种系统，以便它可以在许多结构性和非结构性环境希望，更多的是很多要明白，你要明白，因此，使用这些功能，人性化的服务，需要内在的人性：假体。系统，这方面的研究，有可能扩大的方向和研究机器人的机械，有丰富的动态;机器人，如智能机器人，可以起到人工智能的重要作用。定义关节机器人，世界上没有统一的分类尚是不一样的。对于近期标准化的联合国国际组织已经通过美国协会的定义为工业搬运机器人的机械人：多关节机器人，搬运为主料，转移的目的，各种工作为了完成，通过改变动作程序，也有一个再编程的多功能操作装置的工作。外国定义与我们的关节型机器人如下的成语相结合的参考定义。多关节型机器人，独立的主体可以放在任何地方，动作的自由度，程序可以灵活地改变，高度的自动机器的自动化。它可用于汽车漆等涂料关节工业机器人。关节型机器人臂与主体的刚性高，相对于人，可以携带重物，可以有一个较快的移动速度，非常高的定位精度，它是自动的各种要执行的操作不，它可以是一个外部信号。多关节型机器人是在计算机控制下的可编程自动化机器。使用的产品的质量和劳动生产率，生产过程的自动化的多关节机器人，改进，改善工作条件下，它是降低了劳动强度的有效手段。诞生和机器人的发展，但只有30多年的历史中，这是一个很大的国家经济领域，而且已应用于民用工程技术，显示了强大的生命力，我们已经开发了广泛的应用前景。1.2 工业搬运机器人研究概况1.2.1 国外研究现状人类和动物的运动原理的第一个系统研究是迈布里奇发明了照相机跟单，即设定的触发相机的电源，并在1877年他成功地参加了四足和连续运行的许多照片。后来，这种方法使用的相机是用来研究人体运动。从1930年到1950年，苏联也伯恩斯坦从深入人类和动物研究的生物动力机制的角度看，并提出的议案非常形象化的描述。真正研究机构运动多搬运全面，系统于1960年推出至今，联合多月的手臂比较完整的理论体系只有形成，并在一些国家，如日本，美国和“苏联已成功开发出可以是静态或动态的，多臂枢轴原型。在这一节中，我们介绍了1960年至1985年期间，臂多搬运实地达到的运动的最重要的进展的团队。在20世纪60年代和70年代，武装多搬运运动控制理论产生三种类型的控制方法是非常重要的，这限制了国家控制，控制参考模型和控制算法。这三种控制的方法对所有类型的搬运工业搬运机器人都是适用的。国家控制是通过在1961年提出的模型的参考检查于1975年由美国法恩斯沃思南斯拉夫托莫维奇限制，该算法是由著名的胳膊南斯拉夫研究所米哈伊尔罗多搬运运动学专家鲍宾控制博士1969 - 1972年的教堂中扣除。有这三种类型的控制方法之间的内在关系。有限状态控制实质上是一个控制参考模型，并且该控制算法是这种情况1的中心。在搜索步态，苏联Bessonov和Umnov定义“最佳步态”，Kugushev和Jaro-shevskij定义自由的步伐。这两种步态不仅能适应，而且要适应胳膊多条腿多企业的动向。在这些中，对于自由路径的步骤的条件的规则。如果地形是非常粗糙的，所以运动臂多搬运，下一步应放在哪里脚不能基于对步骤序列来加以考虑，但应通过步骤以便攀登者去步骤通过一些优化标准来确定哪个是所谓的自由速度。稳定性研究手臂动作的多搬运，美国Hemami，该提议的稳定性和系统的控制的简化模型作为振荡器，反转（倒立摆），它可以被解释为在换能器存在的问题的向前运动。此外，减少了控制的考虑，Hemami，谁也研究手臂运动的多搬运“减少型”问题的复杂性进行了研究。此前我们指出了系统的Vukobratovic还人形能量分析，但它的力量是有限的搬运和随时间的整个系统的变化，并没有太多涉及这个问题的最佳功耗的出口。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一个有用的结论，即平滑的姿态，类人型系统所消耗的功率就越少。1.2.2 国内研究现状国内前机器人起步较晚，我国自1980年以来，在体育领域的多臂共同研究和应用。 1986年，国家启动了“规划纲要”的研究多动搬运臂，中国的高科技“863”水平运动臂包括于1987年。目前联合研发，中国移动手臂多企业的研究和开发应用单位主要与高校和科研院所。初步调查多搬运型机器人技术的主要目的是更先进的技术来跟踪国际风险手臂的运动，然后取得了一些成绩。1986年哈尔滨工业大学，他开始研究最为搬运臂，脚静手臂运动HIT-I和110厘米高，体重70千克多的企业，率先成功开发进度有10个自由度，以到达地面上的线，左，右，以及运动，上下楼梯，45厘米左右10秒/步，速度成功研制的HIT和HIT-II-III，重量为42千克，长度103厘米，它是12个自由度，以实现一个步骤每秒24厘米，2.3分速度。 HI目前正在开发第四乐章的下一个多搬运臂，身体52度的自由，这是一个伟大的运动和速度的平衡三臂，多搬运运动3-7。在1988年春国防科技大学成功具有六个自由度的平面双足运动臂多搬运KDW-1，可以向前，向后和上下楼梯，每秒40厘米，四步开发的最大速度，在1989年今年的步伐，我们开发了一种空间KDW-II，具有10个自由度，最高的69厘米，重13公斤，包括更多的来回，上下楼梯和周围的近静态和动态稳定性。 1990年两纵缝互联网KDW-II，在KDW-开发的，有12个自由度，并添加函数曲线，以获得完整的测试环境。 1995年在步骤20厘米0.8秒22厘米，13度的最大角度动态的步伐。 2000年KDW-III中国的第一个人形的手臂的“排头兵”的成功结束的发展的基础上，在一个不确定的环境下微小的变化动态每秒，两步周期，1.4男，为20 kg的多搬运的动作，有头，眼睛，颈部，身体，手臂，脚，和一定程度的语言功能8-13中。此外，清华大学正在开发一个人形的手臂培育更多升学衔接THBIP-I，高七米，体重130千克，32自由度的支持清华大学985项目，该项目是。南京航空航天大学有八个自由度工业搬运机器人搬运间隙静态函数的发展。本文从“首届全国研究生机械创新设计大赛”多搬运手臂动作。此时，单臂，多搬运运动通常在车轮的形式是为了实现功能相。事实上，模仿人类行走手臂和腿部的多搬运的动作并不多，但也有六条腿，已经出现四腿臂多搬运运动，但多搬运手臂运动尚不多见。我们的问题，简单地探索设计巧妙的机械设备和简单的控制来模拟人的手臂的多搬运的动作。子功能是：替代大步，摇摇头，摆动手臂，摆臂。1.3 工业搬运机器人的总体结构工业搬运机器人的组成及各部分关系概述：它主要由机械系统（执行系统，牵引系统），探测系统和智能控制系统。1.执行系统：公用部分的执行系统管理部门，机械零件最全面的定义，以必要的各种运动，包括手，手腕，来获得身体。A.末端执行用于执行，并且配置的工作直接涂漆。B.手腕，手和连接元件的臂，具有安排作为任务或工作的端部的方向的改变。C.臂和连接基团的手的手臂，手腕支撑体时，执行负荷管理块，手的空间位置，臂操作空间的变化满足多个搬运，在基座的任何类型的动力传输。D：机身，多铰接臂基部，支撑辊，由臂部件支承，并具有使所述臂的转动，起重或倾斜运动的任务。2.驱动系统：提供电力的各种组件的系统是活动的，以及供应单元设备。通用机械传动，机械传动和电气，气动，电动。（1）操作系统：驱动控制系统，该系统的根据工作，故障报警或错误的信号的要求执行。（1）检测系统：经由各种传感装置，控制器官运动检测装置，保证作用，如果有的话反馈到控制系统相对于该组的运动的要求。实践证明，该小组可以取代繁重的体力劳动的多搬运运动，显著减轻劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化。经常处理和工业生产在长期内往往体积庞大件，单调的操作，单臂，多联合动作是有效的。此外，它可在高温，低温，深水，宇宙，环境条件和其他有毒放射性污染进行操作，同时也表现出优势，具有广阔的发展前景。1.4 主要内容第1章 绪论 主要介绍工业搬运机器人的相关知识和本课题研究的任务和要求.第2章 总体方案设计,介绍该工业搬运机器人各部分的相关知识和总体设计.第3章 工业搬运机器人各部分设计的介绍第4章 工业搬运机器人结构设计工业搬运机器人机械臂结构设计2 总体方案设计2.1 工业搬运机器人工程概述工业搬运机器人是一个技术集成的跨学科，涉及计算机技术和自动化技术的机器，机制，机械，气动，液压技术，检测技术等领域。在科人找出有效解决组合问题综合工程被称为“系统工程”。手臂多搬运运动设计，例如，系统工程，应作为一个综合的方法来系统设计对外关系的系统，并从整个有机联系的手臂运动环境的研究，开发和应用根据系统的内部部分多接头。从复杂机械系统，包括一定的规则的功能系统结合多个子系统，它是一个不可分割的整体。如果你失去了开放的系统，可根据特定的一组。因此，在一个复杂的机械设计，概念启动机器，系统必须具有以下特征：（1）机械系统完整的完整性机械系统由几个子系统具有不同的整体性能应具有的特定功能。（2）作用的子系统之间的有机联系，包括有机，相互关联的。（3）每个目标系统必须具有明确的目标和系统的功能，结构，功能，目标和手段，决策系统的各个子系统结合起来。（4）系统对环境的适应是适应环境在某些情况下，我们必须能够适应变化的外部环境中。所以，在设计机器人时，不仅要注意搬运运动系统的部件的整个多部件设计臂应根据视工程系统的角度来看，这取决于一个单一的多搬运臂的动作的功能要求，子系统，多臂搬运，合理，产品的性能，需要在多搬运臂的动作的作业的所有组件。一般来说，最复杂的行业手臂搬运如下：在操作机器，是最大的，单臂多搬运的运动来完成的任务，包括基地，手臂，手腕，副作用机构。传输系统，式子里，包括几个传输零点电源，控制，驱动系统和伺服驱动系统。所述控制系统包括电子控制装置的操作，记忆功能（计算机或其它版本控制装置可编程），操作员接口装置（键盘，学习盒等），数据处理装置和各种传感器，放大离线传输，传感器编程接口设备通信的I / O 内部和外部传感器和其他设备。特征行业臂多搬运运动是普遍的调整，灵活的臂工业多搬运运动可有效地用于柔性生产系统关键部件的发送处理单元组件或材料或其它柔性制造系统（例如，机床，锻压，焊接，装配等生产设备），辅助设备，控制系统，多搬运臂运动，各种不同形式的运动系统的组建多联技术工艺机械行业其他生产部门。生产，如建筑，开采，生产和输送臂移动多搬运是参考系统。2.2 工业搬运机器人总体设计方案论述（一）确定负载目前，国内工业用运动的多搬运臂，负载能力，最小额定负载5N或更小范围很大，最多的为9000N。这篇文章为5公斤载荷。负载的大小主要取决于由于运动的作用力和机械接口上的多搬运臂的运动的方向。式子里，下臂应该包括端部执行器的更搬运运动（重量），和工件的重量或处理对象接缝预定速度和加速度的条件下，产生的惯性力等。该项目的数据参考设计初步估算表明，这一项目可能属于一个小负荷。（二）驱动系统由于伺服电机具有良好的控制性能，检查的灵活性，允许速度，位置，环境，体积小，效率高，适用于更为苛刻的运动控制没有影响的精确控制小臂运动多等特点，因此，该项目采用的是伺服电机。（三）传动系统动臂多搬运运动可以紧凑，重量轻，惯性小，传动链条应考虑采取措施缩小差距，提高手臂多的移动和位置创业精密运动控制。臂传递机构机械运动多搬运通常使用齿轮，蜗杆，滚珠丝杠，皮带，链条传动，行星齿轮，传动齿轮和谐波等，由于传动齿轮具有效率高，准确，结构紧凑，工作可靠，寿命长等优点，与大学学习和掌握的知识相吻合，所以这个设计设得的合理。（四）工作范围操作过程中的工业手臂动作的工作范围是多搬运臂的运动取决于所述扇区的操作领域和确定的轨迹，用表示的工作空间。形状和有关该结构的工作空间的大小坐标运动的多搬运工业搬运机器人，其大小和在数量和程度每个臂的自由操纵器公共轴线的长度的变化程度和所设得的搬运轴的相适应。（五）运动速度每个铰接机械臂更坚定的臂的最大行程，按照循环时间来确定每个操作的时间的运动后，可以进一步确定每个动作的速度，单位为米/秒（m/ s）的，时间每个运动分配考虑在顺序地或同时地等进行许多因素，如每个操作序列之间的周期的总时间长度。表示他们的操作时间，操作时间分配之外的运动进行比较，以考虑分配请求有关的过程，它也必须考虑惯性的行程的大小和驱动和控制，定位和精度要求。2.3 工业搬运机器人机械传动原理该方案结构设计与分析该工业搬运机器人的本体结构组成如图：图2.1 工业搬运机器人本体组成本节描述的所有以下列方式的组件和功能。基本单位：基座构件包括底座，齿轮传动件，轴承，步进马达。基本作用是支持构件，所述支承构件旋转臂，承受的工作负载的总重量和搬运机器人，所述臂必须具有足够的强度，刚度和负荷能力。此外，该臂也需要一个足够大的安装基础，以确保在工作场所搬运机器人的稳定运行。搬运机器人臂，通常会导致驱动臂运动（例如，液压，气动或一个马达）和一个驱动源（例如，燃料箱，燃料箱，齿轮齿条机构，连杆机构，螺旋机构或凸轮机构等各种运动臂组成的组件的）手臂大臂和小臂。组成的成员如下：动臂和齿轮件，驱动电机。在臂构件：臂，驱动轴，皮带，定时等，以手腕运动用步进固定臂的电动机驱动的一端。腕部分：包含壳体，传动齿轮和轴，和所需机械接口。2.4 工业搬运机器人总体方案设计是结构形式的机器人形结构，并调整圆柱形结构，球面坐标的结构，该多接头结构和它们的相应特征中的每一个，如下所述3。1.直角坐标结构 运动空间直角坐标机器人，它是那么容易落实到闭环位置控制的线性运动，由于如图2-1（一），直角坐标机器人可以达到非常高的位置，实现各有三个其他存在的由垂直的直线运动精度。然而，直角坐标相对于空间机器人的运动有关的机器人的结构的尺寸，这是比较小的。因此，为了实现恒定的空间运动，大于机器人比其他类型的矩形机器人结构尺寸。直角坐标机器人的工作区是矩形空间。直角坐标机器人主要用于组装和搬运，直角坐标机器人的业务，它具有悬臂门，三起重机类型的结构。2.圆柱坐标结构如在图2-1（B）中，空间气缸所示，调整直线运动的运动并实现两个旋转运动和机器人。这种机器人的结构相对简单，并且能够在精度一般操作的处理中使用。它的工作空间是圆柱形的空间。3.球坐标结构如图2-1（c）中，该空间的运动是球形坐标机器人组成的直线运动实现两个旋转运动的。这个简单的机器人结构，成本低，精度不高。它将在主要业务的处理中使用。他们的工作空间是球形的空间。4. 搬运型结构如在2-1（d）所示，为了实现一个空间移动搬运机器人包括三个旋转运动。多搬运机器人的运动是一个灵活，结构紧凑，占地面积小。规模相对工业搬运机器人本体，其相对较大的工作空间。这种工业搬运机器人是广泛焊接，涂装，搬运，组装，以及使其它操作被广泛用于在这种类型的机器人的，它是在工业中使用。搬运型工业搬运机器人结构，有水平搬运型和垂直搬运型两种。(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型图2-2 四种工业搬运机器人坐标形式根据任务书和具体要求，在这里我选择关节型（D）。特定的形状和特定的要求机器人数控机布局，设计要求兼顾处理工件到5KG质量能够简化结构，由于考虑到会议系统的技术要求的前提下，以改善这种设计的可靠性和具体的成本。大机器人臂的运动范围和更高的定位精度，用一个腰部转动自由度六个自由度，以及自由设计的悬臂和臂腕音调的转动节距自由前臂，转动自由度的工业搬运机器人。在本文的臂结构的设计要求的尺寸，因此，需要实现一个大热潮，俯仰自由，在该臂的详细设计的旋转臂机构的自由。操纵器的工作范围是大的，运动灵活，通用性，结构更紧凑，其特征在于，它有可能基础对象抓取。合作单位，这取决于应用，已经提出了以下的技术参数和特性：用途:物料搬运，注塑，装配，包装等自由度数目：6坐标形式：垂直关节坐标型额定负荷质量（不含末端执行器）：10kg(15kg)最大工作半径1450mm（1500）手臂最大中心高1200mm（1000）本体自重小于160kg（200）表2-1各关节回转范围和最大工作转速最大工作范围（ ）工作转速r/minrad/s/s腰部回转关节150（300）101.0560大臂转动关节110（150）101.0560小臂转动关节+170，-150（180）101.0560小臂回转关节180（360）202.1120腕部摆动关节130（120）202.1120腕部回转关节360303.141802.5 本章小结为了确定解决方案，才能做出最终决定，通过设得多种方案，完成设计的机器人系统，本章后面介绍，以确定机器人的整体设计，机器人，手臂，手腕，端部的腰部，来详细做了设计的各个部分。工业搬运机器人机械臂结构设计3 工业搬运机器人大臂部结构3.1 大臂部结构设计的基本要求臂部件的主要成分是搬运机器人。它的作用是支持的手，带领他们腾出运动。臂移动类型：任意点的运动的空间范围内的一个手柄部。如果你已经改变了手（方位）的位置，以手臂来实现的自由。因此，我们设计成一般臂的基本要求。1.手臂需要加载刚度好，重量轻它通常是在臂，不仅弯曲（在一个方向上，而不是仅仅弯曲），由反向，由需要设得的高弯曲和横截面形状的抗扭刚度。显然，基本相同的按横截面，钢铁，工程单位重量的面积字槽钢和转动惯量，比圆形大得多。因此，在搬运机器人的无缝钢管中，不仅提高了在许多情况下（如图4.1和4.2）导杆，如工字钢，或所述臂的刚度，非常有效减少臂的重量，更确切地说，它被用作支撑槽钢，内置驱动器，因此，使其紧凑，以及传输管道，它可以被放置。2.在臂的速度高时，也有小的惯性在统一的手臂一般，运动，请求启动和力臂端，移动的减速时间开始，否则，冲击和振动，加速度和终止请求之前没有太大的影响。为了减小转动惯量，必须采取以下措施。（A）成分，降低臂的重量以移动使用铝等轻质高强度材料。（B）以减少手臂运动部件的总体尺寸（C）减少转弯半径（D）驱动系统中设有缓冲装置（3）运动的臂应该是灵活的。为了减少摩擦和滑动摩擦的运动部件之间的摩擦力尽可能臂滚动代替。（4）位置精度要高。最困难的搬运转移机器人控制的位置，精度很差，通常是高直角坐标加上设置装置，用于搬运机器人的圆筒形位精度，检测臂上这意味着位置，可以控制一个更好的位置精度。在本文中，其它机器人臂的刚度，减少了电机负载的底部接头，减少了臂的重量，以确保它能够提高机器人手臂的动态响应，一方面，薄铝设计合金构件。铸造铸型砂的设计的最小厚度。最小壁厚：具有其铸造合金，分别不同的铸造合金铸造的合适的厚度，“最小厚度可以是”浇铸，取决于类型的尺寸和合金铸件，相同是否，见表3-1所示：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 - 表3-1 砂型铸造铸件最小壁厚计（mm）它简单地砂铸造厂的结构设计，一个特殊的铸造工艺，铸造结构对应于每个不同的铸件和特性应根据来设计。在本文中，通过使用铸铝外壳手臂。具体尺寸，请参阅总装图。3.2 大臂部结构设计大臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。3.3 大臂电机及减速器选型假设小臂及腕部绕第二转动轴的重量： M2=2Kg， M3=4KgJ2=M2L42+M3L52 =10.0972+40.1942=0.16kg.m2大臂速度是10r/min ，则旋转开始时的转矩用以下式表达：式子里，T - 旋转开始时转矩 N.mJ - 转动惯量 kg.m2- 角加速度rad/s2使工业搬运机器人大臂从到需要的用时：则： (3.4)鉴于关于重心的机器人手臂的转动惯量的摩擦转矩轴的各个部分的，开始转动10N.m起动转矩，可以假设2的安全指数，期望的输出的谐波减速器最小转矩为： (3.5)设得谐波减速器：型号：XB3-50-120 （XB3型扁平式谐波减速器）额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=120 设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3.6)设得BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.5。3.4 减速器参数的计算刚轮、柔轮的材料都是锻钢，小齿轮用45的材质，硬度250HBS。 刚轮材料为45钢（调质），硬度220HBS。1.齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，则柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时，为了增大柔轮的刚性， 允许将1计算值增加20%，即柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，取 轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取2.啮合参数的计算由于采用压力角的渐开线齿廓，传动的啮合参数请看以下式子。因轮齿扭矩的因素，使轮齿间隙减小的值为： （扭转弹性模数G=80GPa）式子里，： W0m=0.89810-5Zr2Cnmaxm为了消除在的情况下进入啮合的齿顶干涉，则必须使最大侧隙大于由于齿轮扭转减小的侧隙后，还应保证存在有侧隙值。 式子里，： 径向变形系数：则： 径向变形系数：柔轮的变位系数： 刚轮的变位系数： 验算相对啮入深度： 如果计算找出的，继续计算，设得2。如果出现，为了传递动力，应适当增加值重新计算，使。柔轮齿根圆直径： 式子里，齿顶高系数;径向间隙系数柔轮齿顶圆直径： 式子里，（找到相应表格设出）相对啮入深度和轮齿过渡曲线深度系数之和应符合两个不等式验算公式。刚轮齿顶圆直径： 刚轮齿根圆直径： 设出插齿刀齿数，插齿刀变位系数，插齿刀原始齿形压力角，则刚轮和插齿刀的制造啮合角：找到渐开线函数表和三角函数的表格设出那么刚轮和插齿刀的制造中心距：插齿刀的齿顶圆直径：刚轮齿根圆直径：验算刚轮齿根圆和柔轮齿顶圆的径向间隙：即：可见沿波发生器长轴,在刚轮齿根圆与柔轮齿顶圆之间存在径向间隙。 3.凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算滚珠直径： 柔轮齿圈处的内径：那么：轴承外环厚度：由于工艺上的要求，可将外环做成无滚道的轴承内环厚度： 内环滚道深度：式子里的是考虑到外环无滚道而内环滚道加深量。 轴承内外环宽度：所用为滚珠轴承，近似等于齿宽 轴承外环外径： 轴承内环内径：为了便于制造，采用双偏心凸轮波发生器。则凸轮圆弧半径：式子里，是偏心距：（-刚轮分度圆直径，-柔轮分度圆直径）则凸轮圆弧半径： 凸轮长半轴：凸轮短半轴：3.5承载能力的计算3.5.1 柔轮齿面的接触强度的计算按照在非常靠近柔轮直线的谐波传动齿轮比特性和刚性轮比的齿数多的齿的特性。因此，通过工作表面的齿侧的最大接触应力，主要的负载能力的实际谐波驱动的限制软。因此，谐波传动齿轮齿的软边，应符合下列条件的接触强度：接触强度计算公式： -输出转矩-柔轮节圆半径-柔轮轮齿宽-刚轮压力角-接触系数（0.40.9）对于一般双波传动，轮齿宽许用接触应力 则： 所以满足齿面的接触强度要求。3.5.2 柔轮疲劳强度的计算柔轮材料采用 调制硬度229269。计算柔轮在反复弹性变形状态下工作时所产生的交变应力幅和平均应力为截面处正应力：切应力：由扭矩产生的剪切应力：其中： 则：验算安全系数：疲劳极限应力：应力安全系数：其中，抗拉屈服极限： 剪切应力集中系数：则满足疲劳强度条件。轴的计算校核画轴的受力分析图，轴的受力分析分析图如图所示：图3-1 轴的受力分析图已知：作用在刚轮上的圆周力径向力法相力1) 算出垂直面的支撑反力：2) 水平面的支撑反力： 3） F在支撑点产生的反力： 外力F作用方向与传动的布置有关，在具体位置尚未确定前，可按最不利的情况考虑，见（7）的计算4） 绘垂直面的弯矩图： 5) 绘水平面的弯矩图： 6) F产生的弯矩图： a-a截面F力产生的弯矩为： 7) 算出合成弯矩图： 按最坏的状态，把与直接相加MA=+MAF= +41.1=70.1 N.mMA=+MAF= +41.1=62.57 N.m8) 算出轴传递的转矩： N.mm9) 算出危险截面的当量转矩 请见下图，a-a截面最危险，其当量转矩为：如认为轴的扭切应力是脉动循环应变力，设折合系数a=0.6，带入式子得出：10） 算出危险截面处轴的直径轴是45钢材，调质处理，从表格14-1找到并设出B=650Mp,从表格 14-3找到并设出-1b=60Mpa,则：考虑到键槽对轴的消弱，将d值加大5%，由此得出：d=22.8*1.05=24mm32mm满足条件因a-a处剖面左侧弯矩大，同时作用有转矩，且有键槽，故a-a左侧为危险截面。它的弯曲截面系数是：抗扭截面系数为：弯曲应力为：扭切应力为：按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向转动的转轴，转矩按脉动循环处理，故取折合系数a=0.6则当量应力为：，从表格找到并设出45钢，调质处理，抗拉强度极限=640Mpa，则从表格找到并设出轴的许用弯曲应力-1b=60Mpa,-1b,强度满足要求。工业搬运机器人机械臂结构设计4小臂结构设计4.1 腕部设计手腕和手，并支持机械臂连接，改变手的姿态。手腕的设计要求如下。结构紧凑，重量轻，动作灵活，平稳，定位精度高，材料强度，高刚度，手臂和搬运的手结构合理，传感器和执行器和设备的合理布局安装。按自由度分类，则可以在工业用机器人手腕自由的单一程度的手腕的腕分裂两个自由度和三度的手腕自由。所有的手腕不大，但具有三个自由度，必须根据用于工业机器人的性能要求来确定实际使用。的研究设计具有两个自由度和摆动的旋转的喷漆机器人的标的物的手腕。可以由结合形成一个共同落实自由和关节或共同执行两腕关节构成的关节形成，由于两个联合研究，不能重复您的腕关节配置两个自由度的功能，实际上起到的行动自由的唯一的程度。如图4-1所示，设计要求，实现了手腕俯仰。在这个阶段，研究和国内步进电机产品的开发，如在生产技术约束，这是不可能实现的直接驱动关节，从而减轻手臂的总重量，腕采取间接距离步进电机为一个吊杆通过使锥齿轮，另一条链滑轮斜齿轮轴，用于旋转手腕驱动后安装的光盘被固定在下体，两个链传动，并具有直链传动摆臂，通过它，摆的东西有手腕，所述手腕的进一步旋转，可以通过控制步进电机的干扰来控制。图4-1 BB型手腕示意图研究设计吸盘机器人，在工作空间的最前沿，吸盘手腕的动作，是用于搬运的工作，有时因为为了满足结构的手腕部，在狭小的空间的动作紧凑即必须插入，且重量轻，并且在操作灵活性图4-2的尺寸示于除形状要求。图4-2 手腕外形尺寸示意图4.1.1 手腕偏转驱动计算腕偏转来实现偏压的变化，通过步进电动机的驱动器，它设置在后臂的下方，并随后通过一个锥齿轮传动接合两个链条驱动滑轮。从步进电动机驱动的手腕力，需要的扭矩偏转计算的第一腕部，并计算马达的输出转矩，它计算与步进电机式的驱动器和链传动伞齿轮的设计参数相关联的尺寸然后，判定相关尺寸下。（1）选择步进电机腕偏转，摩擦力矩，以克服的工作负载电阻扭矩和手腕的启动的转动惯量。按转矩的式子15： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8）式子里， -手腕偏转所需力矩（Nm）；-摩擦阻力矩（Nm）；-负载阻力矩（Nm）；-手腕偏转启动时惯性阻力矩（Nm）；-工件负载对手腕回转轴线的转动惯量（kgm2）；-手腕部分对回转轴线的转动惯量（kgm2）；-手腕偏转角速度（rad/s）；-手腕质量（kg）；-负载质量（kg）；-启动时间（s）；-手腕部分材料密度（kg/m3）；-手腕部分外径和内径（m）；-手腕的长度（m）；-手腕偏转末端的线速度（m/s）。前面已提到：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定为铸钢，密度kg/m3。把数值代到式子算出： kg r/s kgm2 kgm2 Nm Nm Nm因为腕部传动是通过两级带轮和一级锥齿轮实现的，所以找到对应书本得：弹性联轴器传动效率：；滚子链传动效率：；滚动轴承传动效率：（一对）；锥齿轮传动效率：；计算得传动的装置的总效率：。电机在工作中实际要求转矩：Nm （3.9）根据计算得出的手腕偏转所需力矩，结合90系列的五相混合型步进电机的技术数据和矩频特性曲线，如图3.3和图3.4所示,设得90BYG5200B-SAKRML-0301型号的步进电机。图4-3 90BYG步进电机技术数据图4-4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步进电机矩频特性曲线2.设计链传动（a） 计算、分配传动比对照电机的数据，所选步进电机工作转矩:4.5 Nm，对应的转速：r/min。由于腕部偏转的角速度r/s，已经算出，所以腕部末端偏转转速r/min，由此推出总的传动比。手腕的偏转是由极确定和驱动滑轮的链条驱动的伞齿轮必须是总比率分配。鉴于滑轮臂的内部空间的大小和结构，设小臂链传动比，大臂链传动比，锥齿轮传动比，。（b） 算出小臂链传动功率 kW （3.10） （c）设得带轮的齿数为使小臂中的两个带轮结构更加紧凑，设得小带轮齿数，大带轮齿数，、取奇数，链节数为偶数，可使链条和带轮轮齿磨损均匀。（d）设得链条类型从相关书本进行链传动计算： kW （3.11） kW （3.12） mm ， （3.13） mm， （3.14） mm （3.15） mm （3.16） mm （3.17） mm （3.18） m/s （3.19） N （3.20） N （3.21）式子里，-工况系数； -主动带轮齿数系数； -单排链系数 ；-中心距计算系数；-设计功率（kW）； -特定条件下单排链条传递功率（kW）； -节距（mm）； -初定中心距（mm）； -链条节数； -链条长度（mm）； -计算中心距（mm）； -实际中心距（mm）； -链条速度（m/s）； -有效圆周力（N）； -作用在轴上的力（水平或倾斜传动）（N）。 经过上述计算，设得链号10B，节距mm的链条。（e）算出带轮主要尺寸根据所选滚子链的型号规格确定一对带轮基本参数： ，mm，mm，mm。带轮主要尺寸： （3.22） （3.23） （3.24） （3.25） （3.26）式子里，-分度圆直径； -齿顶圆直径； -齿根圆直径； -分度圆弦齿高； -齿侧凸缘直径。 把数值代到式子算出：mm mm mm mm mm mm mm mm mm（3）设计锥齿轮传动机器人根据工作要求大多数驱动器直齿锥齿轮的标准设计的腕底取小齿轮齿考虑原来的圈子可以锥形的键槽距离e1.6米的底部画，会这么小锥形轴的设计圆锥齿轮单一的设计，材料的选择45号钢。选择硬化齿轮，由于齿轮的齿面的封闭和磨损，使该病症，齿轮的设计的种类的主要形式，弯曲疲劳强度设计计算时弯曲，这是一种疲劳断裂在，驱动器，宜设出较小的齿数，可取1720。（a）估算齿轮主要参数及尺寸齿数,：齿数比，所以设得,则。齿宽系数：，取。齿宽不能选太大，否则会引起小端齿顶过薄，齿根圆角半径过小，应力集中过大。从相关书本中查的，基于齿面接触的疲劳强度小齿轮大端分度圆直径和大端模数： （3.27） 式子里， -齿轮传递的扭矩； -工况系数；-动载系数； -齿宽系数； -试验齿轮的接触疲劳极限应力；从相关书本找出，,MPa。由于 Nm，,。将数据代入，找出小齿轮大端分度圆直径mm。大端模数，设出。圆锥齿轮主要计算： （3.28） （3.29） （3.30） （3.31） （3.32） （3.33） （3.34） 式子里，-大端分度圆直径； 、-节锥角； -锥距； -中点分度圆直径； -当量齿数； -平均模数。 齿宽，取mm。把数值代到式子算出：mm mm mm mm mm 根据大、小臂两级带轮的减速，锥齿轮传动中主动轮转速r/min。中点分度圆上的圆周力N。（b）基于齿面接触疲劳强度来验证计算接触用单位齿宽上的载荷 MPa （3.35） 查手册，-齿向载荷分布系数，=1.2。计算接触疲劳应力 MPa （3.36） 计算齿轮的接触疲劳极限应力 （3.37）式子里， -寿命系数；-润滑剂系数；-齿面光洁度系数；-速度系数；-工作硬化系数；-尺寸系数。从相关书本找出，。所以，MPa。计算接触安全系数，安全系数较高。所以，接触疲劳强度满足，参数合理。（c）基于齿根弯曲疲劳强度来验证计算弯曲用单位齿宽上的载荷MPa变位系数取，则。应力集中校正系数由及可找到相应表格，设出，由及可找到相应表格，设出。齿形系数由，据及可找到相应表格，设出，由及可找到相应表格，设出，而，所以：，。弯曲计算应力按式子： （3.38） （3.39） 把数值代到式子算出：MPa MPa设得安全系数值是找到相应书本，设得弯曲疲劳寿命系数，。找到相应书本，设得弯曲疲劳极限为MPa，MPa。许用应力： （3.40） （3.41）把数值代到式子算出：MPa MPa因此、，弯曲疲劳强度满足，参数合理。4.1.2 手腕俯仰驱动计算通过将在驱动时，步进电机的相反侧悬臂的底部，手腕节距后两个滑轮链传动来实现。然后将相同的驱动方法和偏转计算手腕，以确定第一和链传动传输参数和步进电机选择顺序的相关尺寸。经过设计计算，手腕俯仰驱动设得与手腕偏转驱动相同的步进电机型号90BYG5200B-SAKRML-0301。链传动参数与相关尺寸计算结果如下：带轮参数：，mm，mm，mm。带轮尺寸：mm mm mm mm mm mm mm mm mm4.1.3 电动机的选择设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为: （3-1） 、分别为10kg(包括负载2kg)、5kg、12kg。、分别为重心到第一关节轴的距离，其值分别为185mm、800mm、1500mm，在式（3-1）中、故、可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动惯量为： （3-2） = =同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量: = =式子里，-小臂重心距第二关节轴的水平距离 。- 腕部重心距第二关节轴的水平距离 。则旋转开始时的转矩可表示如下 （3-3）式子里，-旋转开始的转矩 -角加速度 使机器人主轴从到/s所需时间为:则： 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为 电动机的功率可按下式估算 （3-4）式子里， -电动机功率 ； -负载力矩 ； -负载转速 ； -传动装置的效率，初步估算取0.9； 系数1.52.5为经验数据，取1.5估算后就可选取电机，使其额定功率满足下式 （3-5）设得QZD-08串励直流电动机：表4-1 QZD-08串励直流电动机技术数据功率（W）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）滤磁方式绝缘等级工作制（min）8002446.21750串励B604.2 小臂部结构设计小臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。4.3 小臂电机及减速器选型本关节机器人如果轴承是光滑的，这两个自由度多搬运型机器人臂，静转矩小面旋转需要相对小的转动。扭矩臂，因为直线的惯性最大力矩拉伸，这样你就可以在旋转的开始产生步进电机的缺陷。 ，如图3-1所示提供武器和手腕各惯性中心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一搬运轴的转动惯量为：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （3.1）式子里，：M1，M2，M3分别为负载2Kg，手臂1Kg，腕部4Kg；L1，L2，L3分别其长度。JG1M1L12、JG2M2L22、JG3M3L32，忽略不计，以绕第一搬运轴的转动惯量为：J1= M1L12+M2L22+M3L32 (3.2)=40.1432+10.4452+40.5422=1.46kg.m2同理可得小臂及腕部绕第二搬运轴的转动惯量：M2=2Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。J2=M2L42+M3L52 (3.3)=10.0972+40.1942=0.16kg.m2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： (3.7)鉴于围绕旋转惯性摩擦转矩轴的机器人手臂的重心的各个部分的，扭矩可以假定在起动时，开始旋转10N.m，输出所需的谐波减速器最小扭矩： (3.5)设得谐波减速器：型号：XB3-50-100额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=100 设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3.6)设得BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.54.3.1.传动结构形式的选择波减速器是电气传动减速。需要驱动大结构简单高效率好普及高中的支撑力。因此，设计的结构是固定的波发生器活性，柔性车轮被选择，以形成一个更适合的驱动刚轮。为了便于使用标准工具进行加工柔轮的刚性轮，齿廓渐开线专案压力角。 4.3.2.几何参数的计算齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，则柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时，为了增大柔轮的刚性， 允许将1计算值增加20%，即柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，取 轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取由于采用压力角的渐开线齿廓，传动的啮合参数可按考虑到构件柔度的计算公式，即按如下公式进行计算。4.4 凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算滚珠直径： 柔轮齿圈处的内径：则：轴承外环厚度：由于工艺上的要求，可将外环做成无滚道的轴承内环厚度： 内环滚道深度：式子里，的是考虑到外环无滚道而内环滚道加深量。 轴承内外环宽度：所用为滚珠轴承，近似等于齿宽 轴承外环外径： 轴承内环内径：为了便于制造，采用双偏心凸轮波发生器。则凸轮圆弧半径：式子里，是偏心距：（-刚轮分度圆直径，-柔轮分度圆直径）则凸轮圆弧半径： 凸轮长半轴：凸轮短半轴：4.4.1柔轮齿面的接触强度的计算按照在非常靠近柔轮直线的谐波传动齿轮比特性和刚性轮比的齿数多的齿。因此，通过工作表面的齿侧的最大接触应力，主要的负载能力的实际谐波驱动的限制软。因此，谐波传动齿轮齿的软边，应符合下列条件的接触强度。接触力计算公式： -输出转矩-柔轮节圆半径-柔轮轮齿宽-刚轮压力角-接触系数（0.40.9）对于一般双波传动，轮齿宽许用接触应力 则： 所以满足齿面的接触强度要求。4.4.2柔轮疲劳强度的计算 一个交变载荷，重复滑动接触和柔轮与摩擦牙齿表面接收：其特征在于该谐波齿轮驱动齿的工作。为了能够在一个灵活的车轮操作周期的弹性变形下，除了穿满足，另外，它必须是灵活的，以计算出车轮的疲劳强度。柔轮材质是 调制硬度229269。计算柔轮在反复弹性变形状态下工作时所产生的交变应力幅和平均应力为：截面处正应力：切应力：由扭矩产生的剪切应力：其中： 则：验算安全系数：疲劳极限应力：应力安全系数：其中，抗拉屈服极限： 剪切应力集中系数：则满足疲劳强度条件。4.5 轴结构尺寸设计考虑到轴的载荷较大，材料选用45,热处理调质处理,取材料系数 所以,有该轴的最小轴径为: 考虑到键槽的影响，所以dmin取值为17MM,具体结构如下：图4-5 轴的结构图4.6 轴的受力分析及计算轴的受力模型简化(见图4-6)及受力计算图4-6 轴的受力模型： 4.7 轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便,轴承均采用正装.预设轴承寿命为3年即12480h.校核步骤及计算结果请见下方表格:表4-2 轴承寿命校核步骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6014A端B端从相关书本找出，出Cr、C0r及e、Y值Cr=98.5kNC0r=86.0kNe=0.68计算比值Fa/FrFaA /FrA e确定X、Y值XA=1 YA =0 查载荷系数fP1.2计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa)PA=5796.24 PB=6759.14计算轴承寿命763399h大于12480h由计算结果可见轴承6014AC、6007均合格，最终选用轴承6014。四、轴的强度校核经分析知C、D两处为可能的危险截面， 现来校核这两处的强度：（1）、合成弯矩（2）、扭矩T图（3）、当量弯矩（4）、校核从相关书本找出，材料45的强度参数C截面当量弯曲应力：由计算结果可见C截面安全。图4-7 轴的危险截面设定为检查各轴键，键槽减速器关键环节中的静态链接，这仅仅是为了挤压应力检查。首先，电机在关键的设置和检查：键在滑轮：轴的直径和长度被选择在键B8X7轴滑轮，根据键长50 GB / T1096，材料是通过以下方式联合：45钢（键），40Cr钢（轴）在刚轮1.关键：在轴直径和轮毂的选择键B14X9GB / T1096的轴线方向按照长度接头的材料如下。 20CR系统（集线器），45号钢（键），系统的20Cr（轴）在这种情况下，关键结构合格。2.在输出轴的关键：根据在所选择的关键16X10联接器的轴的直径和轴向长度，密钥长度100，GB / T1096下列材料是这样的：45钢（耦合），45号钢（键），45（轴）最小的粘结强度，因为许用应力检查，从相关书本其该键联结合格.工业搬运机器人机械臂结构设计5 机身设计系统组件的机身结构设计。1.在支撑框架的设计主支承框架承载臂的大小的各部分的重量，左臂被设计的固定孔的平衡弹簧连接，然后设计电动机支承托架的驱动右臂。合理的设计，并在考虑连接到支撑框架的旋转轴的偏心力，使用连接在相对侧用螺钉固定定位销的旋转。随着越来越多的旋转平衡，已经设计了一个支撑盘是固定的。做出了ZL401材料的选择。2.机座的设计轴承保持器不会在相应于处理一个位置放置在轴的中间的其他特殊要求。机身系统，主要指的是主要设计计算“机械设计”，中相应的问题。5.1 步进电机选择5.1.1 计算输出轴的转矩 （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6）-惯性力矩 -摩擦力矩 -输出轴转动角速度 -大臂转动惯量-小臂转动惯量-机身自身转动惯量-启动时间=0.5s=0.8m/s=0.5m 1.6 rad/s 当大小臂的位置关系如图3.1所示位置时，大小臂处于动作可以达到的极限位置，此时需要的数值最大。图5-1 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oa的垂直距离得出： =400mm，=30kg，代到式子（3.5）得：=1.6kgm由同组组员算出的小臂质量及相关小臂相对oa线的垂直距离得出：=1000mm，m=20kg，代到式子（3.5）得：=6.67kgmm计算相关机身设计数值得出：kg代到式子（3.6）得：=5.75kgm代入（3.2）得到=44.86Nm 带入（3.1）得到=49.85Nm= =6.86Nm选择二级圆柱齿轮减速器i=9 （3.7）=0.99 -联轴器传动效率=0.96 -齿轮传动效率=0.98 -轴承传动效率代到式子（3.7）得到：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 5.1.3 传动装置的运动和动力参数从图3.2，各轴由高速至低速依次设计为轴（输入轴）、轴（中间轴）、轴（输出轴）。图5-2 传动示意简图各轴转速 （3.8） （3.9） =1.6rad/s=15.3r/min代到式子（3.8）、式（3.9）得：45.9r/min，137.7r/min转矩计算 （3.10）49.85Nm代到式子（3.7）得：17.7Nm同理得到：=17.7Nm=6.27Nm=6.66Nm一些步进电机技术参如表5-1。表5-1 步进电机产品系列及技术参数型号相数步距角(DEG.)电压(V)电流(A)静转矩(N.m)空载运行频率(KHZ)转动惯量(Kg.cm2)备注86BYG250AN20.9/1.81103.62.4150.5686BYG250BN20.9/1.811045.0151.286BYG250CN20.9/1.811057.0154.2886BYG250CN型步进电机的运行矩频特性曲线如图5-3。图5-3 运行矩频特性由计算得到所需：=6.86Nm，137.7r/min该电机可以满足要求。 86BYG250CN型步进电机的外型简图如图5-4。图5-4 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86BYG250CN型步进电机。由电机输出轴尺寸选择TL2型弹性套柱销联轴器，主从动端均选用型轴孔。5.2 齿轮设计与计算5.2.1 高速级齿轮设计与计算1. 选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数因前面已提到，设定直齿圆柱齿轮传动。从相关书本（下同）表格10-1小齿轮材料设定45Cr(调质)，表面硬度为280HBS,大齿轮材料设定45钢（调质），表面硬度为240HBS。设得7级精度，2. 基于齿面接触的疲劳强度按式子（10-9a）试算小齿轮分度圆直径，即： （3.11）-载荷系数-输入轴承受扭矩-齿宽系数-重合度系数-弹性影响系数-接触疲劳许用应力确定上式中各参数：预设载荷系数=1.3，小齿轮传递的扭矩为 =6.27Nm找到表格10-7，设定齿宽系数=1；找到表格10-6，设定弹性影响系数=189.8MPa，找到图10-21d，找到并设出小齿轮接触疲劳强度极限为MPa；大齿轮接触疲劳强度极限为MPa。计算应力循环: （3.12）-输入轴转速-工作时间137.7r/min=10000h双向转动，取=2代到式子（3.12）得： =1.65108次=4.96108次 找到图10-19，得接触疲劳寿命系数1.15，1.26；计算接触疲劳许用应力：设得安全系数值是S=1，则=690MPa， =693MPa计算设计公式中代入中较小值，得21.74mm计算小齿轮分度圆圆周速度0.17m/s计算齿宽b=21.74mm计算齿宽与齿高之比： b/h （3.13）模数0.91mm齿高=2.04mm代到式子（3.13）得： =10.67计算载荷系数 （3.14）找到图10-8，由v=0.17m/s，7级精度，得：=1.0找到表格10-4，得：1.2找到表格10-2，得：=1.25找到表格10-3，得：=1.30找到图10-13，得：=1.28以上代到式子（3.14）得： 1.95 按实际载荷系数修正 24.87mm （3.15）计算模数m：1.04mm按弯曲强度设计由公式（10-5 ） （3.16）-弯曲疲劳寿命系数-弯曲疲劳需用应力-齿形系数-应力校正系数从图10-20c找到并设出小齿轮弯曲疲劳强度极限=500MPa；大齿轮弯曲强度极限=380MPa；从图10-18，弯曲疲劳寿命系数=0.93，=0.97计算载荷系数=1.92计算弯曲疲劳需用应力，设弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：=332.1MPa=263.3MPa设齿形系数，从表格10-5得：=2.65；=2.226设应力校正系数，从表格10-5找到并设出：=1.58；=1.764=0.013=0.015大齿轮对应数值大，将以上数值代入得：0.86因为这取决于大小主要决定了弯曲强度承载的齿轮系数米能，其结果，齿面的接触疲劳强度和承载能力进行比较，因为关于齿轮，弯曲疲劳强度计算的直径然后，取M =0.86，并已四舍五入为M = 1的标准值，前面计算得=24.87mm,得小齿轮的齿数：24.8725=75几何尺寸计算：分度圆直径 （3.17)把数据代到式子（3.17）得：25mm；75mm中心距 （3.18）将，代到式子（3.18）得： 50mm齿轮宽度 （3.19）从式子（3.19）得：=25mm；=30mm5.2.2 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） 因前面已提到，设定直齿圆柱齿轮传动。 （b）从表格10-1小齿轮的材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮的材料为45钢（调质），硬度为240HBS。（c）设得7级精度，2.基于齿面接触的疲劳强度预设载荷系数：=1.3小齿轮传递的扭矩为：=17.7Nm找到表格10-7，选齿宽系数=1找到表格10-6，得弹性影响系数=189.8；找到图10-21d，找到并设出小齿轮接触疲劳强度极限为MPa；大齿轮接触疲劳强度极限为MPa。计算应力循环系数=5.5108次=1.84107次 找到图10-19，得接触疲劳寿命系数1.26，1.31；计算接触疲劳许用应力：设得安全系数值是S=1，则：=756MPa， =720.5MPa计算设计公式中代入中较小值，得：29.85mm计算小齿轮分度圆圆周速度0.072m/s计算齿宽b=29.85mm计算齿宽与齿高之比b/h模数1.24mm齿高=2.8mm =10.67计算载荷系数找到图10-8，由v=0.07m/s，7级精度，得：=1.0找到表格10-4，得：1.2找到表格10-2，得：=1.25找到表格10-3，得：=1.30找到图10-13，得：=1.28所以载荷系数1.95按实际载荷系数修正34.17mm计算模数m1.42mm按弯曲强度设计由式（10-5）得：从图10-20c找到并设出小齿轮弯曲疲劳强度极限=500MPa；大齿轮弯曲强度极限=380MPa；从图10-18取弯曲疲劳寿命系数=0.93，=0.97计算弯曲疲劳需用应力设弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：=332.1MPa=263.3MPa计算载荷系数=1.92设出齿形系数。从表格10-5得：=2.65；=2.226设出应力校正系数从表格10-5找到并设出：=1.58；=1.764=0.013=0.015大齿轮对应数值大将以上数值代入得：0.86因为这大小主要决定了弯曲强度承载能力的大小，通过齿面的接触疲劳强度和承载能力进行比较，关于齿轮，弯曲疲劳强度计算后，取M =1.21，并采取圆形到标准值m= 1.5，前面计算得=29.85mm,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. 算出输入轴上的功率、转速、扭矩0.456kW137.7r/min6.27Nm2. 预设轴直径 （3.20）设出轴是45钢材质，调质处理，找到表格11-3，取，并将数据代到式子（3.20）得： =17mm （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5-5。图5-5 输入轴结构尺寸简图4.算出轴上支反力与弯矩水平方向： ； （3.21）垂直方向： ； （3.22） 对锥齿轮： , （3.23） 对直齿轮： ， （3.24） 将输入轴参数代到式子（3.24）得：538.2N,138.5N501.6N,182.6N代入得：408.6N,867.2N 514.8N ,558.9N作出输入轴水平方向及垂直方向的弯矩图5-6： 图5-6 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3.4。表5-3 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6.27Nm10)11) 按弯扭合成应力校核轴的强度 （3.25）式子里，-轴的计算应力 -轴受得弯矩 -轴所受的扭矩 -轴的抗弯截面系数 （3.26）校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度，取1，将各数值代到式子（3.25）、（3.26）得：7.66MPa轴的材料为45钢，找到表格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，找到表格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5-7。图5-7 中间轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； （3.27）垂直方向： ； （3.28） 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5-8 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，计算结果如表5-4。表5-4 截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力35.8N436.2N13N158.7N弯矩31.7Nm11.51Nm总弯矩33.7Nm扭矩17.7Nm（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2.01MPa轴的材料为45钢，找到表格11-1，60MPa。因此，故安全。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钢，调质处理，找到表格11-3，取，得：33mm（3） 轴的结构设计轴的结构尺寸如图5-9，输出轴的直径与齿轮直径相差很少，所以做成锥齿轮轴。图5-9 输出轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； （3.29）垂直方向： ； （3.30） 对直齿轮：，将输入轴参数代入得：886.2N,322.6N代入得：1364.4N,478.1N 496.6N,174N作出输出轴水平方向及垂直方向的弯矩图5-10：图5-10 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5-5。表5-5 截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力1364.4N478.1N496.68N174N弯矩33.5Nm12.2Nm总弯矩35.7Nm扭矩49.85Nm（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35MPa轴的材料为45钢，找到表格11-1，60MPa。因此，故安全。5.4 轴承的校核5.4.1 输入轴上轴承寿命计算找到相关引用书本表格13-3找出轴承的预期寿命为从图3.5了解到，轴上轴承处尺寸是17mm，因要承受来自其它部件的重量，所以设得圆锥滚子轴承30203，e=0.35，=1.7， 1， Cr=20.8kN、Cor=21.8kN。算出每个轴上的力就自然得到强度。轴上所受的支反力： 657.2N 1031.5N （3.31） 193.3N， 303.2N （3.32）式子里，-径向支反力-轴向支反力193.3N，303.2N193.3N，303.2N ，找到表格13-5得：0.4， ，找到表格13-5得：1，0找到表格13-6载荷系数=1.2，将以上代到式子（3.33）、（3.34），轴承当量动载荷为 750.5N （3.33） 1237.8N （3.34）由公式（13-15） （3.35）式子里，-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。 137.7r/min=25000N10/3找到表格13-7，温度系数=1代到式子（3.35）得：h，满足使用要求。5.4.2 中间轴上轴承寿命计算（1）从图3.7了解到，轴上安装轴承处直径为25mm，因要承受来自其它部件的重量，所以设得圆锥滚子轴承3007105，e=0.37，=1.6， 0.9， Cr=32kN，Cor=37kN。算出每个轴上的力就自然得到强度。轴上所受的支反力：38.1N，464.2N1
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