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机械设计
全套
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三轴机械设计全套,机械设计,全套
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目 录摘要.第一章 前言 1.1机械手概述.1.2机械手的组成和分类.1.2.1机械手的组成 1.2.2机械手的分类第二章 机械手的设计方案2.1机械手的坐标型式与自由度 2.2机械手的手部结构方案设计 2.3机械手的手腕结构方案设计 2.4机械手的手臂结构方案设计2.5机械手的驱动方案设计2.6机械手的控制方案设计2.7机械手的主要参数2.8机械手的技术参数列表第三章 手部结构设计3.1夹持式手部结构3.1.1手指的形状和分类3.1.2设计时考虑的几个问题3.1.3手部夹紧气缸的设计第四章 手腕结构设计4.1手腕的自由度 4.2手腕的驱动力矩的计算 4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩 4.2.2回转气缸的驱动力矩计算第五章 手臂伸缩，升降，回转气缸的设计与校核5.1手臂伸缩部分尺寸设计与校核5.1.1尺寸设计5.1.2尺寸校核5 .1 .3导向装置5 .1 .4平衡装置5.2手臂升降部分尺寸设计与校核5.2.1尺寸设计5.2.2尺寸校核5.3手臂回转部分尺寸设计与校核5.3.1尺寸设计5.3.2尺寸校核第六章 机械手的PLC控制设计6.1可编程序控制器的选择及工作过程6.1.1可编程序控制器的选择6.1.2可编程序控制器的工作过程6.2可编程序控制器的使用步骤第七章 结论致谢参考文献专业相关的资料摘 要在设计手臂时考虑到工作要求并不高，承重也不大，所以在设计中优先考虑用同步电机驱动，其中底盘第一轴电机选择动力较大的马达， 第二轴选择力度适中的马达第三轴选择了力度比前2个较小的马达，底盘考虑用压铸模做，因为底盘一定要重才行，否则很可能会整个机器侧翻，手臂选用钣金做，一个是考虑钣金加工简单，成本低，可塑性强，在轴的位置选择用轴承来固定旋转，固定轴承的部件用车床加工。至于手指用CNC铣出来。 在设计时第一轴底盘旋转中才用3个齿轮传动减速，原打算2个可是空间不允许，所以才用4:1:1的降速，第一个和第二个配合达到4:1减速作用，第二个第三个配合起到一个一比一转速目的是为了加大空间。然后第三个齿轮上开几个螺丝孔，用来固定转盘。第二轴的旋转轴固定在底盘转盘上，选择了一对小轴承做轴心，传动上使用了第一齿轮直接固定在电机上来带到第二个固定在手臂上的齿轮,达到3:1的降速。第三轴手肘部分采用跟第二轴同样原理，只是在齿轮设计上采用的是3:2的减速配合。 。 限位方案一：才有行程开关限位，即到了极限位置后触动开关使马达断电。 限位方案二：才有传感器控制，本设计中比较适合的是光耦传感器，即红外发射信号，物体运动到极限位置时，发射器给接受器一个信号，传感器接收信号后传给控制器，使马达停止转动。限位方案三：采用的是硬性限位及挡板碰撞限位，机械手臂的运动范围手其结构的限制，在手臂的运动到达结构位置之前，必须使其自动停止。考虑到简单方便本设计中直接用该方案。第一章 前言1.1 机械手概述：机械手是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。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。在现今的生活上,科技日新月益的进展之下,机械人手臂与有人类的手臂最大区别就在于灵活度与耐力度。也就是机械手的最大优势可以重复的做同一动作在机械正常情况下永远也不会觉得累！机械手臂的应用也将会越来越广泛,机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，作业的准确性和环境中完成作业的能力。工业机械手机器人的一个重要分支。种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式。特点是可以通过编程来完 成各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点.1.2 机械手的组成和分类1.2.1.机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。机械手组成方框图:1-1(一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部:即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2、手腕:是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)3、手臂:手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。4、立柱:立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立I因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构:当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座:机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(二)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。1.2.2 .机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制，伺服型可以是点位的，也可以实现连续控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。第二章 机械手的设计方案对电动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、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。设计电动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，劳动强度大和操作单调2.1机械手的坐标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度图2-1 机械手的运动示意图2.2 .机械手的手部结构方案设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;2.3 .机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转。2.4 .机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过模拟人的手臂通过3个轴的旋转来实现的。2.5 .机械手的驱动方案设计由于电动传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，简单，安装和维修简单成本低廉因此本机械手采用电动传动方式。2.6 .机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.7 .机械手的主要参数1.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为5公斤2.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩最大工作半径约为1800。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为。2.8. 机械手的技术参数列表一、用途:用于自动输送线的上下料。二、设计技术参数:1、抓重:2、自由度数:5个自由度3、坐标型式:圆柱坐标4、最大工作半径:1800mm5、手臂最大中心高:1800mm6、手臂运动参数: 伸缩行程900mm伸缩速度90/s升降行程900mm回转范围0到150回转速度 7、手肘运动参数: 回转范围 0到270回转速度8、底盘运动参数：回转范围 0到270 回转速度90/s9、定位方式:行程开关或可调机械挡块等10、定位精度:11、驱动方式:电动传动12、控制方式:机械手臂效果图2-6第三章 手部结构设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部:如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构， 3.1夹持式手部结构夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 3.1.1手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。3.1.2设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。3.1.3手部夹紧电动的设计1、手部驱动力计算本课题电机机械手的手部结构如图3-2所示， 图3-2 齿轮齿条式手部其工件重量G=5公斤，V形手指的角度，,摩擦系数为 (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:所以(3)实际驱动力: I,因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则:所以 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。第四章 手腕结构设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为马达。4.1 手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于，并且要求严格的密封。4. 2手腕的驱动力矩的计算4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。图4-1手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: 式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩();- 惯性力矩();- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转电机)对转动轴线所产生的偏重力矩().,; - 手腕回转与定片端盖等处密封装置的摩擦阻力矩();下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则: 式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量;- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为:式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量:- 工件的重量(N);- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 手腕转动时的角速度(弧度/s);- 起动过程所需的时间(s); 起动过程所转过的角度(弧度)。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏 + ()式中: - 手腕转动件的重量(N);- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则.3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 ()式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm);- 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承;,- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据,得:同理，根据(F),得:式中:- 的重量(N), 如图4-1所示的长度尺寸(cm).第五章 手臂伸缩的尺寸设计与校核5.1手臂伸缩结构的尺寸设计与校核5.1.1手臂尺寸 手臂伸缩为900mms所用电机为 90TDY060-3A:最大功率为70W 同步转速为60R/min 最大转矩为3600mN.m 自重3.2kg 转轴转动范围为270，设计思路在0到270的2边各安装一个行程开关，或者红外传感器。5.2.2 尺寸校核长度设计为=900mm, 电机功率：P=1.732UIcos电机转矩：T=9549P/n ； 电机功率 转矩=9550*输出功率/输出转速 转矩=9550*输出功率/输出转速P = T*n/9550公式推导电机功率，转矩，转速的关系功率=力*速度P=F*V-公式1转矩(T)=扭力(F)*作用半径(R) 推出F=T/R -公式21测定手腕质量为10kg,则重力 1， 设计加速度，则惯性力 总受力 所以设计尺寸符合实际使用要求。5.3.2 尺寸校核1测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量： （） 考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定摩擦系数, 总驱动力矩 设计尺寸满足使用要求。第五章 机械手的PLC控制设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。6. 1可编程序控制器的选择及工作过程6.1.1 可编程序控制器的选择目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了OMRON公司的C28P型可编程序控制器。6.1.2 可编程序控制器的工作过程可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为4个阶段。第一阶段是初始化处理。可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。第二阶段是处理输入信号阶段。在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。第三阶段是程序处理阶段。当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。第四阶段是输出处理阶段。段CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。6.2 机械手可编程序控制器控制方案第七章 结论1、本次设计的是电动通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。2、采用电动传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。同时成本低廉。3、通过对电动传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度，节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范。4、机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。参考选材:1. 动力: (1):第一轴底盘马达选 90TDY060-3A:最大功率为70W 同步转速为60R/min 最大转矩为3600mN.m 自重3.2kg 转轴转动范围为270，设计思路在0到270的2边各安装一个行程开关，或者红外传感器。 （2）.第二轴马达选90TDY060 最大功率为70W 同步转速为60R/min 最大转矩为2400mN.m 自重3.2kg.。(3).第三轴马达选90TDY060 最大功率为70W 同步转速为60R/min 最大转矩为2400mN.m 自重3.2kg.。（已知齿轮啮合条件为模数相同，压力角一样，线速度一样，角速度之比为1/ 2=Z2/Z1，为角速度z齿数）2. 减速设计(1). 马达固定齿轮A齿轮参数 模数m为1.5 齿数Z为12 分度圆直径为18 压力角为20厚度s为10。 （2）. 马达一：电机一分钟60转即一秒转动360，任务要求底盘第一转轴每秒转90，所以需要配1：4减速齿轮，齿数之比为1：4：4；所以第一轴减速齿轮设计为2次减速B1 齿轮参数 模数m为1.5 齿数Z为48 分度圆直径为 72 压力角为20厚度S 为10 减速B2 齿轮参数 模数m为1.5 齿数Z为48 分度圆直径为 72 压力角为20厚度S 为10 （3）. 马达二电机一秒种一转，任务要求一秒钟转120，需要配个1：3的减速齿轮齿数之比为1:3；所以第二轴减速齿轮设计为C 齿轮参数 模数m为1.5 齿数Z为36 分度圆直径为54 压力角为20 厚度S为10 （4）. 马达三电机一秒种一转，任务要求一秒钟转90，需要配个2：3的减速齿轮齿数之比为1:3；所以第三轴减速齿轮设计为D齿轮参数 模数m为1.5 齿数Z为18 分度圆直径为27 压力角为20厚度S为10。轴承第一轴用到的轴承有： 6907ZZ 轴承 内径为35 外径为55 厚度为10 6905ZZ 轴承 内径为25 外径外42 厚度为9第二轴用到的轴承有： 6902ZZ 轴承 内径为15 外径为28 厚度为7南昌航空大学科技学院学士学位论文1 引言在加速科技进步中，机械制造业的发展起着关键的作用，其任务是在工业生产中迅速将工艺装备的独立单元变为自动化综合体（自动化工段，生产线和自动化车间），将来甚至实现自动化工厂。这种自动化生产最重要的特点是具有柔性，它能预料到，在节省劳力（或无人）情况下，根据工艺条件调整装配，以适应多种产品生产。当代柔性自动化生产的建立和广泛应用，取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机器人技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。工业机器人是多品种的经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中，工业机器人既有效地用于柔性生产系统组成工艺装备的基本工序中，也有效地用于辅助操作中。工业机器人与传统自动化手段不同之处，首先在于它在各种生产功能上的通用性和重新调整的柔性。在柔性生产系统中，工业机器人广泛应用于数控机床、锻压机床、铸造机械和仓储设备上，以完成传送装备和其它操作。工业机器人和基本工艺装备、辅助手段以及控制装置一起形成各种不同形式的机器人技术综合体柔性生产系统基本结构模块。随着工业技术和经济的惊人发展，标志着多品种中、小批量生产最新水平的FMS（柔性制造系统），FA（工厂自动化）技术更加引人注目；作为FMS、FA技术重要组成之一的工业机器人技术也将得到迅速发展。应用工业机器人是提高生产过程自动化，改善劳动环境条件，提高产品质量和生产效率手段之一。本次设计是根据对工业六自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨，进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴（臂）的传动系统的设计以及整体的结构设计，避免运动的干涉。在本次设计中主要负责第一臂与底座的结构设计。在设计中许瑛老师给予了很大的指导和帮助，在此谨致谢意。限于水平，本设计难免有缺点、错误，恳请各位老师批评指正。1.1选题的依据及意义：在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 “工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。 而少自由度工业机械人中大多数为机械手，而机械手机器人主要由手部和运动机构组成。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。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。1.2 国内外研究概况机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。据国际机器人联盟（IFR）2006年5月发布的“2006世界机器人调查”显示，2005年世界新安装工业机器人121000台，比2004年的97000台增长25%。这是继2003年工业机器人安装数量重回增长态势后的重大突破，2005年也成为近15年来世界工业机器人新安装台数最多的年份，比上一个峰值2000年的99000台增长22000台。 资料来源：World Robotics 2006图1-1： 1991-2005年各年世界新安装工业机器人台数据国际机器人联盟统计局预测，截至2005年底，全世界在运行中的工业机器人共有914000台，比2004年增加8%。其中，有50%来源于亚洲地区；欧洲和美洲分别占1/3和16%；而澳大利亚和非洲地区大概占1%的比例。资料来源：World Robotics 2006图1-2： 1991-2005年各年全世界运行中的工业机器人总数就2005年几大应用领域的工业机器人类型来看，机械手的产量遥遥领先于其他类型的工业机器人，约达到43500台。其中，亚洲地区机械手的产量比2004年增加了27%；美洲地区机械手的产量幅度更是高达53%；虽然欧洲地区2005年机械手的产量比上年略有下降，但其产量仍接近14000台。接下来依次是：点焊接机器人、弧焊机器人、装配机器人和分配机器人，其产量分别约为20500台、17500台、13000台和4500台。表1反映了2005年亚、欧、美三大地区各类型工业机器人的产量增幅情况。类 型机械手点焊接机器人弧焊机器人装配机器人分配机器人地 增区 幅亚洲地区27%64%82%101%23%美洲地区53%22%33%36%121%欧洲地区-6%-27%6%1%-23% 表1-1： 2005年亚、欧、美三大地区各类型工业机器人产量增幅表资料来源：World Robotics 20061.3 论文的主要内容： 在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。在本次设计是根据对工业六自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨，进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴（臂）的传动系统的设计以及整体的结构设计，避免运动的干涉。在本次设计中的要求,主要负责第一臂与底座的结构设计。这次设计的机器人主要部位为第一轴与底座，设计一个第一轴转动角速度为90/s,转角范围为0270。底座能够实现第一臂转角 （0270）转角范围控制的 3-DOF工业机器人。 第一步，查阅资料，工业机器人原理，了解工业机器人在国内的发展状况和生存问题。了解3-DOF工业机器人的特点以及在日常生产生活中的用途。根据其运用的场合不同，适当选择合适的方案，以达到实用、经济、可靠的目的。 第二步，在对所选课题有个初步的了解之后，在确定3-DOF工业机器人的结构设计内容。 第三步，机器人的总体方案设计，进行系统的方案的设计、比较与确定，依据对选择的传动方案，查阅相关参考文献，从而完成，第一、第二、第三轴的传动选择。设计好了之后，确定出总体的结构及整体方案。 第四步，选择电动机，通过计算出第一轴上的转动惯量，选择合适的电动机，从而进行第一轴的传动结构的设计及计算。根据齿轮轴径值，查阅机械设计手册，选择底座的轴承。 第五步，根据方案，画出装配图，装配图画好后，从装配图中设计选择第一轴零部件以及完成对零部件图的初步绘制。2 机器人的结构分析2.1总体结构的概述目前，世界上已有许多工业机器人，其中大部分属于“示教再现”型。如果将这类机器人称作第一代，那么，具有一定程度的视觉、触觉、或某种分析、判断能力的工业机器人就属于第二代了。不少国家正在积极研制具有观觉、触觉等功能的工业机器人，并取得了不少成果，但是，真正将这些成果应用于生产实际的还为数不多。在实际生产（如喷漆、焊接、装配等）中被广泛应用的工业机器人，示教再现型还是较多。一般的机器人，它由机器人的机构部分、传感器组、控制部分及信息处理部分构成。机构部分有机械手和移动机构两部分组成；传感器有测量机器人自身位置姿态和速度、加速度的内传感器和了解外部环境及作业对象工作情况的外传感器；控制器是直接控制机器人运动的装置，只要不是自主型移动机器人，它通常放在与机器人不同的地方，通过导线连接。在工业机器人的控制装置中，有电动机驱动电路、PTP运动目标点和CP运动轨迹数据的记忆装置和定位控制电路等。信息处理装置通过信息传输装置与机器人本体相连，多用于智能机器人。机器人具有六自由度，即大臂的回转、臂的左右摆动、臂的上下摆动、手腕的回转、手腕的伸缩和手爪的抓取。当然，图中没有表示出控制系统及手爪抓取的那一部分。该六自由度机器人运动的情况说明如下：首先，由电动机M1经过传动系统带动大臂的回转运动，且与大臂相连的所有其它手臂、手腕及机械构件也随大臂一起作回转运动；而后另一手臂由电动机M2驱动作左右摆动；还有，第三臂由电动机M3驱动作上下摆动；最后，手腕的回转、伸缩及手爪的抓取由其它三个电动机驱动。南昌航空大学科技学院学士学位论文2.2第一轴（大臂）的结构大臂的结构图（图2-1）及其传动原理简图（图2-1）： 图2-1图2-2第一臂，也即大臂，该手臂实现工业机器人的回转运动，整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求，整个减速系统采用了三级斜齿轮传动，且所有的斜齿轮都装在一个箱体（减速箱）里面。然而，与一般情况不同的是，第三级斜齿轮直接固定在机座上，从而使其它的（上级的斜齿轮）传动机构绕着它转动，且电动机又固定在大臂上，所以导致大臂带着电动机、减速箱一起作回转运动。2.3 第二轴的结构 第二轴的结构图（图2-2）： 图2-2 第二轴，该手臂实现工业机器人的左右摆动，整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求，整个减速系统采用了一级齿轮传动。由电动机上的一个齿轮和轴承右侧的一个齿轮啮合，轴承通过定位销与第二大臂固定，电动机带动齿轮，把动力传给与第二臂固定的轴承，使得第二臂实现水平线上的前后摆动。2.4第三轴的结构 第三轴的结构图（图2-3）：图2-3 第三轴，该手臂实现工业机器人的上下摆动，整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求，整个系统采用了一级齿轮内啮合传动。由电动机上的一个齿轮和第三臂上的一个大齿轮内啮合，电动机带动小齿轮，小齿轮带动第三臂上的大齿轮使得第三臂整个做上下摆动。从而实现第三臂实际操作。 2.5 传动方案的确定根据工业机器人的总体结构分析可知，工业机器人的三轴的传动结构并不复杂。第一轴采用的是齿轮传动，第二轴、第三轴则采用的是摆线针轮行星齿轮传动。当然，参照以上的传动结构分析，现拟定如下三种传动方案：方案一：第一轴：齿轮传动（直齿或斜齿） 第二轴、第三轴：齿轮传动（直齿或斜齿） 方案二：第一轴：蜗杆蜗轮传动 第二轴、第三轴：蜗杆蜗轮传动 方案三：第一轴：蜗杆蜗轮传动第二轴、第三轴：齿轮传动（直齿或斜齿）方案比较论证首先，已知各种传动的传动比u:直齿圆柱齿轮传动，u4；斜齿轮传动，u6；蜗杆蜗轮传动，5u70，常用15u50；摆线针轮行星齿轮传动， 11u87（单级）。然后估算各轴的传动比，初选转速为1500r/min的原动机，则u1=1500/15=100,u2=1500/20=75。 三轴传动的确定：蜗杆蜗轮传动的特点：1）传动平稳，振动冲击和噪声均很小；2）传动比也较大，结构比较紧凑。而在这里采用此传动，则需要两级传动才能满足要求，蜗杆蜗轮的传动是两轴交错的，这样一来也就增加了结构的复杂性，且同时也增加了转动时的负荷；3）由于蜗杆蜗轮啮合轮齿间相对滑动速度大，使得摩擦损耗大，因而传动效率较低。因此，第一轴采用齿轮传动。要实现设计要求，如采用圆柱直齿轮传动则需要四级传动，而采用斜齿轮则需要三级就可以，并且知道在相同的条件下，采用斜齿轮传动比圆柱齿轮传动，在结构上尺寸要小得多，由此可知，采用斜齿轮传动。斜齿传动有如下优点：1）啮合性能好；2）重合度大，传动平稳；3）结构紧凑，并且在总体结构上也是合理的。总上所述，选择方案一为最佳。三轴都采用齿轮传动。 3 设计计算3.1电动机的选择 第一轴的电动机的选择根据设计方案可知，第二轴、第三轴的所有重量都是第一轴的负荷，所以说，第一轴的转动惯量是很大的，必须计算各零部件的转动惯量，计算出最终动力源轴上所需要的最大的转动惯量，再根据动力源轴上的转动惯量进行选择电动机。下面计算第一轴上的转动惯量：如图3-1-1，该轴的转动轴与第二轴的转动轴不同，该转动轴的轴线为ob线，则在这种情况下， 图3-1-1第三臂的转动惯量： Kgm2第二轴的转动惯量： （3-1-1） Kgm2两电动机的转动惯量： Kgm2两个齿轮的转动惯量： Kgm2减速箱的转动惯量： Kgm2第一轴本身的转动惯量： Kgm2所以，总的转动惯量为： Kgm2而转动角加速度为： 1/s2则输出轴的转矩为由式（3-1-7）得： Nm转换到电动机上的转矩为： Nm根据要求，选P=3KW，n=1000r/min的MGMA型伺服电机，为28.4Nm。 第二轴的电动机的选择 根据设计方案可知，第三轴的所有重量都是第二轴的负荷，所以说，第二轴的转动惯量也是很大的，必须计算各零部件的转动惯量，计算出最终动力源轴上所需要的最大的转动惯量，再根据动力源轴上的转动惯量进行选择电动机。下面计算二轴上的转动惯量： 第二轴的转动惯量： J2=M/12（a+b+c+d）+mp=5.742Kgm电动机的转动惯量： J2=8.5*0.4=1.366 Kgm齿轮的转动惯量 J轮2=50*0.25=3.125 Kgm减速箱的转动惯量： J减=150*0.45=30.375 Kgm第二轴的总惯量： J总=5.742+1.36+3.125+30.375 =40.602 Kgm第三臂的转动惯量： J3=34*0.2=1.36Kgm 电动机的转动惯量： J轮3=100*0.5=25Kgm 减速箱的转动惯量： J减+150*0.45=30.375Kgm 总的转动惯量为： J总=23.43+1.36+25+30.375 =80.165Kg转换到电动机上的转矩为： M电=14.17N*M根据要求M电M额，选P=2.5(KW), n=1000r/min的GY2.5型电动机第三轴的电动机的选择 第三臂的转动惯量： J3=34*0.2=1.36Kgm 电动机的转动惯量： J轮3=100*0.5=25Kgm 减速箱的转动惯量： J减+150*0.45=30.375Kgm 总的转动惯量为： J总=23.43+1.36+25+30.375 =80.165Kg 转换到电动机上： M电=1.3m/u=9.45N*m 根据要求M电M额，选P=2.2（KW），P=2.2 Y-H2.2系列 n=800r/min4 传动结构的设计计算4.1 第一轴的传动结构设计第一轴的传动方案已确定，采用三级斜齿轮传动，且电动机的功率为P=3KW，n=1000r/min，则传动比u=1000/15=66.67。一 、传动比的分配：已知斜齿轮的传动比u6，再根据传动减速时前面降得慢，而后面降得快的原则，三级降速的传动比分配如下： u=2.44.875.7二 、各级的传动设计第一级斜齿轮的传动设计计算：已知电动机的功率P=3KW，n=1000r/min，传动比u=2.4，则选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1) 按照传动方案的设计要求，选用斜齿圆柱齿轮传动。2) 考虑减速设计的要求，故大、小齿轮都选用硬齿面。由查表(常用齿轮材料及其机械特性表)选得大、小齿轮的材料均为40Cr，并经调质及表面淬火，齿面硬度为4855HRC。3) 选用精度等级。 因采用表面淬火，轮齿的变形不大，不需磨削，故初选7级精度(GB10095-88)。4) 选小齿轮齿数Z1=35，大齿轮齿数Z2=uZ1=2.435=84。5) 选取螺旋角。初选螺旋角。按齿面接触强度设计由设计计算公式进行计算，即mm （4-2-1）1) 确定公式内的各计算值（1）.试选。（2）.由区域系数分布图，选取区域系数 。（3）.由标准圆柱齿传动的端面重合度图表，查得 ， ，则 =（4）.计小齿轮传递转矩 N（5）.由下表3-2-1（圆柱齿轮齿宽系数d表）装置状况两支承相对小齿轮作对称布置两支承相对小齿轮作对称布小齿轮作悬臂布置d0.91.4（1.21.9）0.71.15（1.11.65）0.40.6选取齿宽系数d=0.9； (6).由材料的弹性影响系数表，查得=189.8 ； (7).齿轮接触疲劳强度图表，按齿面硬度中间值52HRC查得大、小的接触疲劳强度极限=Mpa； (8).计算应力循环次数 (9).由接触疲劳寿命系数图表，查得； (10).计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系S=1,由下式得 = MPa = MPa 则取H=(+)/2=1012 Mpa 2).计算 (1).试算小齿轮分度圆直径，由计算公式（4-2-1）得 mm 根据计算的结果及电动机的输出轴径，取=50 mm； (2).计算圆周速度 m/s (3).计算齿宽及摸数 mm mm (4).计算纵向重合度 （5）计算载荷系数 已知使用系数 。 根据，7级精度，由动载荷系数值分布图，查得动载荷系数KV=1.07； 由接触强度计算用的齿向载荷分布系数()表，查得=2.728，由弯曲强度计算的齿向载荷分布系数()图，查得 =2.45。 由齿向载荷分配系数(、),查得=1.2，故载荷系数 =11.071.22.728=3.5 (6).按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式得 mm (7).计算模数= mm2. 按齿根弯曲强度设计由式 mm （3-2-2）1) 确定计算参数(1) 计算载荷系数 11.071.22.45=3.2(2) 根据纵向重合度，从螺旋角影响系数图表查得=0.88。(3) 计算当量齿数 (4) 查取齿形系数由齿形系数及应力校正系数 表查得 =2.44；=2.196(5) 查取应力校正系数由齿形系数应力校正系数表查得 =1.654；=1.782(6) 由齿轮的弯曲疲劳强度极限图,查得 Mpa。(7) 由弯曲疲劳寿命系数=0.86，=0.87；(8) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由下式得 417.714 MPa422.571 MPa (9) 计算大、小齿轮的 并加以比较 = =小齿轮的数值大。2）设计计算 mm对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的法向模数小于由齿根弯曲疲劳强度计算的法向模数,根据满足弯曲强度及接触疲劳强度,最后取 =2mm。 4.几何尺寸计算1) 计算中心距a mm将中心距圆整为=122.5 mm2) 按圆整后的中心距修正螺旋角 因值改变不大,故参数等不必修正。3) 计算大小齿轮的分度圆直径 mm mm4) 计算齿轮宽度 mm圆整后取 B2=65 mm；B1=70 mm。第二级的传动条件：电机的功率为P=4.5KW，n=416.7r/min，传动比u=4.87，具体设计计算如下：选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数考虑减速设计的要求，故大、小齿轮都选用硬齿面。由查表(常用齿轮材料及其机1) 械特性表)选得大、小齿轮的材料均为40Cr，并经调质及表面淬火，齿面硬度为4855HRC。2) 选用精度等级。 因采用表面淬火，轮齿的变形不大，不需磨削，故初选7级精度(GB10095-88)。3) 选小齿轮齿数Z1=24，大齿轮齿数Z2=uZ1=4.8724=117。4) 选取螺旋角。初选螺旋角。按齿面接触强度设计由设计计算公式（3-2-1）进行计算。1）确定公式内的各计算值（1）.试选。（2）.由区域系数分布图，选取区域系数 。（3）.由标准圆柱齿传动的端面重合度图表，查得 ， ，则 =（4）.计小齿轮传递转矩 N（5）.由表（圆柱齿轮齿宽系数d表）选取齿宽系数d=0.9； (6).由材料的弹性影响系数表，查得=189.8 ； (7).齿轮接触疲劳强度图表，按齿面硬度中间值52HRC查得大、小的接触疲劳强度极限=Mpa； (8).计算应力循环次数 (9).由接触疲劳寿命系数图表，查得；(10).计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系S=1,由下式得 = MPa= MPa 则取H=(+)/2=1017.5 Mpa 2).计算 (1).试算小齿轮分度圆直径，由计算公式得 mm (2).计算圆周速度 m/s (3).计算齿宽及摸数 mm mm (4).计算纵向重合度 (5).计算载荷系数 已知使用系数 。 根据，7级精度，由动载荷系数值分布图，查得动载荷系数KV=1.05； 由接触强度计算用的齿向载荷分布系数()表，查得 =1.41，由弯曲强度计算的齿向载荷分布系数()图，查得 =1.37。 由齿向载荷分配系数(、),查得=1.2，故载荷系数 =11.071.21.41=1.78 (6).按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式得 mm (7).计算模数= mm3. 按齿根弯曲强度设计根据设计计算公式（3-2-2）来计算：1) 确定计算参数（1） 计算载荷系数 11.071.21.37=1.726（2） 根据纵向重合度，从螺旋角影响系数图表查得 =0.8。（3） 计算当量齿数 （4） 取齿形系数由齿形系数及应力校正系数 表查得 =2.592； =2.158（5） 取应力校正系数由齿形系数应力校正系数表查得 =1.596；=1.792（6） 齿轮的弯曲疲劳强度极限图,查得 Mpa。（7） 由弯曲疲劳寿命系数=0.87，=0.9；（8） 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由下式得 422.571 MPa437.143 MPa （9） 计算大、小齿轮的 并加以比较 = =小齿轮的数值大。2）设计计算 mm对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的法向模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法向模数,根据满足弯曲强度及接触疲劳强度,最后取 =1.5 mm4.几何尺寸计算1) 计算中心距 mm将中心距圆整为=108.52) 按圆整后的中心距修正螺旋角 因值改变不大,故参数等不必修正。2） 大小齿轮的分度圆直径 mm mm4) 计算齿轮宽度 mm 圆整后取 B2=35 mm；B1=40 mm。第三级的传动条件：电动机的功率为P=0.9KW，n=85.565，传动比u=5.7，设计计算如下：选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1) 考虑减速设计的要求，故大、小齿轮都选用硬齿面。由查表(常用齿轮材料及其机械特性表)选得大、小齿轮的材料均为40Cr，并经调质及表面淬火，齿面硬度为4855HRC。2) 选用精度等级。 因采用表面淬火，轮齿的变形不大，不需磨削，故 初选7级精度(GB10095-88)。3) 选小齿轮齿数Z1=24，大齿轮齿数Z2=uZ1=5.724=137。4) 选取螺旋角。初选螺旋角。按齿面接触强度设计由设计计算公式（3-2-1）计算：1) 确定公式内的各计算值（1）.试选。（2）.由区域系数分布图，选取区域系数 。（3）.由标准圆柱齿传动的端面重合度图表，查得 ， ，则 =（4）.计小齿轮传递转矩 N（5）.由下表（圆柱齿轮齿宽系数d表）选取齿宽系数d=0.8； （6）.由材料的弹性影响系数表，查得=189.8 ；（7）.齿轮接触疲劳强度图表，按齿面硬度中间值52HRC查得大、小的接触疲劳强度极限=Mpa； （8）.计算应力循环次数 （9）.由接触疲劳寿命系数图表，查得； ； （10）.计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系S=1,由下式得 = MPa= MPa 则取H=( +)/2=1070.6 Mpa 2).计算 (1).试算小齿轮分度圆直径，由计算公式（3-2-1）得 mm (2).计算圆周速度 m/s (3).计算齿宽及摸数 mm mm (4).计算纵向重合度 (5).计算载荷系数 已知使用系数 。 根据，7级精度，由动载荷系数值分布图，查得动载荷系数KV=1.04； 由接触强度计算用的齿向载荷分布系数()表，查得 =1.2877，由弯曲强度计算的齿向载荷分布系数()图，查得 =1.27。 由齿向载荷分配系数(、),查得=1.2，故载荷系数 =11.041.21.2877=1.61 (6).按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式得 mm (7).计算模数= mm3.按齿根弯曲强度设计由式 mm1) 确定计算参数(1)计算载荷系数 11.041.21.27=1.585(2) 根据纵向重合度，从螺旋角影响系数图表查得 =0.8。(3)计算当量齿数 (4)查取齿形系数由齿形系数及应力校正系数 表查得 =2.592； =2.14(5)查取应力校正系数由齿形系数应力校正系数表查得 =1.596；=1.83(6)由齿轮的弯曲疲劳强度极限图,查得 MPa(7)由弯曲疲劳寿命系数=0.88，=0.91；(8)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由下式得 427.43 MPa442.0 MPa (9)计算大、小齿轮的 并加以比较 = =小齿轮的数值大。2）设计计算 mm 对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的法向模数小于由齿根弯曲疲劳强度计算的法向模数,根据满足弯曲强度及接触疲劳强度,最后取 =2.5 mm 4.几何尺寸计算1) 计算中心距 mm 将中心距圆整为=207 mm2) 按圆整后的中心距修正螺旋角 因值改变不大,故参数等不必修正。3) 计算大小齿轮的分度圆直径 mm mm4) 计算齿轮宽度 mm圆整后取 B2=49 mm；B1=55 mm。 4. 转臂轴承的选择计算1） 估计摆线轮内孔半径 =(0.40.5) =4050mm2） 择轴承型号尺寸经查表选用502310E C=105000 N C0=71000 N D1=97 mm d=50mm b=27 mm da=60 mm Da=89.6 mm a=5 mm3） 名义径向载荷 RR= =5776.698 N4） 当量动载荷 PP=1.35776.698=7509.71 N动载荷系数，一般取 =1.21.5。5） 轴承相对转速 n n=+=1000+=1015r/min6） 轴承寿命 h 因为所求得的轴承寿命15000 h ,所以满足要求。4. 转臂轴承的选择计算1）估计摆线轮内孔半径 =(0.40.5) =5265mm2）择轴承型号尺寸经查表选用502313 C=114600 N C0=85200 N D1=121.5 mm d=65mm b=33mm da=77mm Da=114.6mm a=7 mm3）名义径向载荷 RR= =12830.82 N4）当量载荷 PP=1.312830.82=16680.1 N5）轴承相对转速 n n=+=1000+=1020r/min1） 承的寿命 h 因为所求得的轴承寿命15000 h ,所以满足要求。5. 针齿销弯曲强度计算1）针齿结构尺寸mmmm （） mm2) 最大弯矩 Nmm 3) 许用弯曲应力 MPa4) 校核弯曲应力 MPa 因为，所以满足要求。4.2轴承的选择4.2.1斜齿轮传动轴上的轴承 根据齿轮轴径值，差滚动轴样本或机械设计手册得，第二轴上选用圆锥混子轴承7204，C=15500N；第三轴上选用圆锥云子轴承7205，C=19520N。5 机器人各零部件的结构设计5.1 转角范围的控
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