机械臂减速器的选型与计算毕业论文.doc

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录机械臂减速器的选型与计算毕业论文目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 选题背景11.2 RV减速器的国内外研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状31.3 RV传动原理及其传动比的计算31.4 RV减速器的传动特点和应用51.5 课题研究目的与意义61.6 论文研究的内容62 医用机械臂RV减速器的结构方案82.2 医用机械臂RV减速器的结构方案92.2.1 输出结构方案92.2.2 转臂轴承的选择102.2.3 针齿结构102.2.4 改变摆线轮的传动性能的修正方法112.3 RV减速器的具体结构123 医用机械臂RV减速器具体结构设计133.1 医用机械臂的设计参数133.1.1 医用机械臂RV减速器的基本设计参数计算133.2 电机的选择173.3 减速器结构的具体设计183.4 齿轮、轴、轴承的校核283.4.1 中心齿轮与行星齿轮的校核283.4.2 曲柄轴的校核313.4.3 转臂轴承的校核353.4.4 曲柄轴支撑轴承的校核353.4.5 平键连接的强度校核364 医用机械臂RV减速器传动效率的分析计算385 总结与展望415.1总结415.2展望41致 谢42参 考 文 献43 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 绪论重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论151 绪论1.1 选题背景机器人作为先进制造技术和自动化装备的典型代表，所以每个国家都竞相发展机器人技术，并以此作为国家竞争力的体现。1959年，美国人英格伯格和德沃尔制造出了世界上第一台工业机器人，标志着机器人的正式诞生1。从诞生至今，机器人发展至今已经历了三代。第一代机器人是简单的示教再现机器人，目前，汽车工业、电子工业自动生产线上大量使用。该类机器人的特点是既没有感觉也不会思考。第二代机器人是低级智能机器人，或称感觉机器人，这类机器人的特点是有较弱的感觉，但不会思考。第三代机器人是高级智能机器人，能够充分识别工作对象与工作环境，并能根据人给的指令和它自身的判断结果自动确定与之相适应的工作2。目前世界上比较先进的机器人代表：三菱重工研制的机器人牛若丸，在平田织佐编导的戏剧中和人类同台扮演角色；美军特种作战司令部爆炸物处理机器人，参与了实战演习；西门子公司研发Artis zeego 多轴系统成功应用于医疗行业，该系统是心大型血管造影机，具有卓越成像和占地小、多变紧凑的停泊位置以及灵活可调的工作高度等。第23届国际医疗仪器装备展览会在北京国度会议核心举行。从全球医疗行业展览数据来看，中国医疗器械行业迎来了开展的黄金时期。因此，开发和研究医用机器人有极其重要的社会价值和广阔的市场前景Artis zeego多轴系统是介入手术系统，主要用于血管造影等医疗手术。Artis zeego系统具有卓越成像，能够提供大容积的断层syngo DynaCT成像，利用超大容积的3D成像能够获得超于常规的CT；Artis zeego占地小、多变紧凑的停泊位置、灵活可调的工作高度减轻了医务工作者因长时间手术导致的疲劳；可以直接在计算机检测软件ORTHOS中进行手术前后高端成像等优点。开发出该机器人能够减轻医务工作者的劳动负担以及能够完成人不能完成的一些微创手术，并将大大减轻病人的痛苦、提高患者治愈率，这将带来巨大社会效益。因此本课题选择的是医用机械臂作为研究方向，本文旨在设计一款医用机械臂减速器。减速器是Artis zeego多轴系统的重要组成部分，具有减速增矩的作用。为了满足Artis zeego多轴系统的结构紧凑多变、灵活可调、占地小等优点，对减速器也提出了更高的要求，比如：体积小、自重轻、效率高、承载能力强、刚度高等优质减速器特性。目前用于机器人的减速器主要有RV减速器和谐波齿轮减速器这两款减速器。这两款减速器都跟行星传动息息相关。行星齿轮传动是把传统的定轴传动改为动轴传动，采用了功率分流并合理应用内啮合及均载装置，具有重量轻、体积小、传动比大、承载能力高等优点，因此，行星传动技术的应用日渐广泛3。行星传动技术是一种新型的机械传动技术。世界上一些发达国，如日本、德国、英国、美国和俄罗斯等，对行星传动技术的应用、生产、研究都十分重视，在结构优化、传动性能、传递功率、传递转矩和速度方面均处于领先地位；并且出现了一些新型传动技术，如封闭行星传动、行星变速传动、微型行星传动等已在现代机械传动设备中获得了成功的应用4。国内对行星齿轮传动早已开始应用和实践，并且深受行星齿轮传动的优点受益。然而，自20世纪六十年代，国内才开始对行星齿轮传动的基本原理进行较深入、系统的研究和试制工作5。在设计理论、试制和实践方面都取得了比较大的成就。1975年，我国制定了NWG型行星减速器系列（JB1799-76），分为一、二、三级三个系列，输入最高转速1500r/min，质量为0.1281.75t，传动比可达i=2000，最大输出扭矩为50KN*m。我国于1983年，完成了NWG-S、NWG-Z、NWG-L等三个系列的标志研制工作5。目前国内外的行星减速器都朝着自重轻、高精度、高承载能力、大传动比等方向发展。国内在20世纪60年代末期，各高校对谐波齿轮传动技术开始进行研究。理论研究成果有：在谐波齿轮传动的啮合原理、齿形研究、传动的运动学、动力学性能等各个方面都有重要的突破性发现，其中的代表人物是：西北工业大学的沈允文教授、北京工商大学的辛红秋教授等知名专家6-9。因此，我国在谐波减速器方面有一定的竞争力。目前国内对谐波齿轮减速器可以说有了一个比较完整的技术掌握，然而对RV减速器的研究还不够成熟，核心技术都掌握在外国公司手里，尤其是日本、德国等国外的公司。当下，国内制造业正处于转型阶段，许多高科技的重大装备国产化进程的加快，国内学者、专家正“沉迷于”攻克这些高、精、难的学术课题。机器人用减速器作为重要的传动装置，目前成为一个重点研究方向。对这方面进行研究有利于提高本国在机械传动领域的竞争力，有利于推动国家向制造强国的迈进。因此，本论文主要设计出一款RV减速器以满足医用关节型机器人的性能需要。1.2 RV减速器的国内外研究现状1.2.1 国外研究现状 日本住友重机械株式会是目前世界上生产摆线针轮减速器规模最大的企业之一。20世纪80年代，日本人为了提高机器人关节传动装置的运动精度，提高其扭转刚度以减少弹性回差，开始研究高精度RV传动，并取得显著效果。日本RV减速器（机器人用减速机）具有高精度（1arcmin以下）、高刚性、体积小、质量轻、速比大（30-300）等特点。国外主要的机器人用减速器有：日本帝人公司RV减速机、日本住友MCD减速机系列、德国的SEW减速机等。国外对行星减速器的分析与研究主要有以下：Blanche等人于1989、1990年先后发表了两篇论文10,11,研究了单摆线轮的摆线针轮行星减速器的回转精度，同时也包括了齿隙和速比波动所引起的扭转振动；1994年，A.Kahraman等人设计了行星减速器齿轮的动力学仿真模型，分析了齿轮传动啮合时的综合误差和减速器的综合刚度激励之间的相位差问题对减速器传动系统的响应的影响12；1996年，A,Kahraman提出采用谐波平衡的手段来分析单级平行轴齿轮传动的尺侧间隙13；2001年Parker等人，分析了减速器的特殊的谐波相位啮合频率 14。1.2.2 国内研究现状 20世纪60年代，国内对摆线针轮传动的运动学、动力学、几何形状以及啮合原理等基础知识进行了引进推广；国内某高校对摆线针轮减速器的加工工艺、摆线轮的齿形的优化设计以及齿形的修缘法等进行了研究；以及由朱恒生等一些教授实验并推导了摆线轮加工任意节圆时的一般结论性方程等15。近几年来，由于国家的大力支持与资助，许多高等院校与企业联合共同研制RV传动，比如说，天津职业技术师范学院的刘继岩研究员承担的国家“863”高科技项目“机器人用RV-60减速器”16、大连铁道学院的何卫东教授等研制的“RV-250A”17等，研究结果填补了国内空白。其后又有一些人对RV减速器做了优化设计的研究，比如说：合肥工业大学的彭夫涛以微型3K行星齿轮减速器为研究对象18,通过给定传动比和扭矩，在满足强度条件下，以减速器总体积最小为优化目标函数，建立优化模型；北京机械工业学院的冯荣坦对渐开线行星齿轮减速器进行了优化设计与研究19 等。尽管做了这些设计与研究，但是国内所做的RV减速器，从整体性能、传动精度、承载能力、疲劳寿命以及新产品的研发更新上，同日本帝人公司生产的最新RV产品在回差精度和传动精度、效率方面等还有一定差距，所以在RV传动领域还有很多工作要做20。1.3 RV传动原理及其传动比的计算 RV（Rotary-Vector）传动是在针摆行星齿轮传动的基础上发展起来的一种新型传动形式，它具有一系列优点。与谐波齿轮传动相比具有高得多的疲劳强度、刚度、寿命长度以及较小的转动惯量，所以目前世界上许多国家高精度机器人传动多采用这种RV传动减速器21。RV传动又称封闭摆线针轮行星传动，解决了摆线针齿轮传动效率低的缺点。其传动简图如1-3-1示：图1-3-1 RV传动简图它的传动原理为：输入运动和动力从中心轮1输入，通过行星轮2啮合传动并带动连接在行星轮2的曲柄轴3运动，从而带动摆线轮4运动，其中摆线轮与针轮5啮合，摆线轮既自传又公转，最后运动和动力通过输出盘6输出，达到减速和增大扭矩的作用。RV（Rotary-Vector）传动又称偏心行星传动轮系、行星封闭差动轮系。为了求解该轮系的传动比，需要把差动轮系改为定轴轮系，于是通过给轮系的所有构件都附加上一个角速度“”，差动轮系就改为定轴轮系了。因此根据求解一般定轴轮系的传动比方法求解其传动比为22：=- （1-3-1）式中 Z1输入中心齿轮齿数； Z2行星齿轮齿数； 输入中心齿轮角速度； 行星齿轮角速度。 为了使得该轮系构成传统的封闭的差动轮系，便对传动轮系的全部构件附加上一个角速度“”后。由此便有了针齿轮角速度：；曲柄轴以角速度带动摆线轮自转，因为它们有共同的角速度，故。故推导出摆线轮绕圆心以偏心距为半径做圆周远动，角速度为。因此，摆线轮作为“系杆”的角速度为：的系杆H所带动。可以推导出其传动比为： （1-3-2）式中 Z4摆线齿轮齿数（一般取奇数）； Z5针轮齿数（一般取偶数）。且Z4=Z5-1。因为=0，=0-（2-2）得 （1-3-3） Z4（）=Z5 （Z4-Z5）=-Z4 Z5-Z4=1 =-Z5由此可推导出RV传动的传动比：= （1-3-4）1.4 RV减速器的传动特点和应用 RV传动作为一种新型传动，其传动特点如下： 运转平稳、使用寿命较长，采用两级减速，高速级是渐开线齿轮机构，由于高速级的传动转矩小，所以渐开线齿轮尺寸小，转动惯量自然也就很小；低速级为摆线针轮行星传动，由于通过了上一级的减速，所以转速度减小，这样便使得传动更加平稳，而且转臂轴承型号的增大和个数的增多，并且轴承外圈相对转速下降，所以寿命可大大提高。 工作可靠，RV传动的输出结构是采用两端支撑结构，一端是支承圆盘，另一端是输出圆盘，也就是简支梁结构。因此比一般摆线针轮减速器的输出结构，即悬臂梁具有更大的扭转刚性和更小的振动。这种结构的抗冲击性也相对提高。 传动比范围大，由前面的传动比推导公式可以看出，任意改变一下摆线轮或者中心齿轮、行星齿轮的齿数就可以获得不同的传动比。其大致范围一般可大：50200。 结构紧凑，它的传动结构置于输出结构的支承主轴承内，所以这种传动的轴向尺寸大大缩小，其体积一般要小于单级摆线针轮减速器。 传动效率高，尤其是在强度允许的范围内，越大的输出转矩，其效率值也就越高，一般可达0.95左右。 自重轻，由于其结构比较紧凑，所以其自重比较轻。 缺点是，RV传动中主要的零部件的材质要求较高，比如摆线轮、针轮、输出圆盘、支撑圆盘都选择了滚动轴承钢作为主要材料。加工精度和装配精度更是要求严苛。由于，转臂轴承和主轴承都只选择了滚动体而没有要轴承内外圈，因此在摆线轮、支撑圆盘以及输出圆盘中加工轴承的内外圈时，需要专门的设备。另外，为了达到较高的传动性能，对摆线轮的修形也是个难题以及为了提高传动效率，对针齿加针齿套是否可行也是一个需要计算方可确定的问题。 RV减速器主要应用于高精度机器人中，它有逐步取代摆线针轮行星传动和谐波齿轮传动而成为一种具有广阔前景的传动形式。1.5 课题研究目的与意义 本课题主要针对医用六轴关节型机械臂的减速器的设计与计算。减速器是机器人的重要组成部分，具有减速增矩的作用。随着机器人技术的发展，尤其向着服务型机器人的转变，对减速器的要求也越来越高，迫使人们努力提高已有减速器的性能。减速器有数十种之多，但长期以来，由于机器人对传动精度高、自重和效率等方面要求比较高。因此用在机器人的减速器主要有谐波齿轮减速器、RV减速器。但是，目前国内对RV减速器研究还不够成熟，核心技术都掌握在外国公司手里，尤其是日本、德国等国外的公司。机器人用减速器作为重要的传动装置，目前成为一个重点研究方向，有利于提高本国在机械传动领域的竞争力。1.6 论文研究的内容在对医用关节型机械臂有了整体认识之后，并着手对L轴的减速器进行设计与计算。首先，充分了解RV减速器的结构及其传动原理，并初步确定RV减速器的基本结构形式。由于要实现机械臂的整体性能要求，对承载能力要求较高。而RV减速器的输出结构和转臂轴承是薄弱环节，确定采用扇形轴作为输出结构加强强度，增大销孔直径来选择更大型号的轴承，以使其性能满足要求。结合AUTOCAD、PROE等软件，对减速器进行设计。主要完成以下目标：掌握摆线轮啮合原理，对摆线轮进行设计；采用PROE进行结构设计，并用AUTOCAD画出装配图；重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 医用机械臂RV减速器的结构方案32 医用机械臂RV减速器的结构方案 2.1 医用机械臂整体结构分析 本论文是针对医用关节型机械臂减速器的设计与计算，其中医用关节型机械臂的整体外观图如2-1-1示：图2-1-1 医用关节型机械臂整体外观图该系统主要用作介入手术系统，能够为医务工作者减轻负担，并能够提高检测精度。该机械手共有6个自由度。其外观简图如2-1-2示：图2-1-2 医用关节型机械臂整体简图 从图2-1-2中可以看出六自由度机械手由底座、大臂、小臂、C形臂以及S、L、U、T、B等五轴组成。通过灵活地控制这些个组件来使机械手协调动作以完成预期的功能。纵观六自由度机械手的整体结构，要求实现预期的功能，其中L轴所需的减速器，因为其复杂的负载情况和较大的负载转矩，因此对设计要求较高。2.2 医用机械臂RV减速器的结构方案 RV减速器是由摆线针轮减速器演变过来的，故其结构与摆线针轮有相似之处。摆线针轮减速器的结构图如图2-2-1示：图2-2-1 摆线针轮减速器摆线针轮行星传动有两个主要的弱点。第一，输出结构是悬臂布置，因此输出结构的强度受限，这导致了摆线针轮的输出转矩大大减小；第二，转臂轴承的寿命太低，原因是输入轴的速度高，而摆线针轮的转臂轴承外圈将要承受几乎双倍的输入轴转速并且转臂轴承要承受整个减速器的输出转矩所带来的力。2.2.1 输出结构方案 输出结构是减速器比较重要的部分，为了改变摆线针轮的输出结构悬臂布置和输出结构强度不够高的弱点。有以下几种改善的方案： 输出销轴部分加钧载环 在摆线针轮的输出结构中，普遍采用销轴输出。但是由于销轴的受力严重不均，所以并不是所有的销轴都同时受力，这将对处于受力状态的销轴的强度是个挑战，而对于不受力的销轴又显得好浪费。所以为了改善销轴受力状态，在销轴的悬臂端加上一个均载环，这可以使受力过大的销轴卸掉部分载荷并通过均载环传递给其他受力较小的销轴承受。缺点是效果仅是尚可，还达不到非常的理想的效果，需要进一步改善。改变销轴的机构形状 为了加强输出结构的强度，销轴的结构改变一下，可以采用扇形轴的方式输出。由于销轴输出时，是多个销轴同时受力，所以销轴较小。换另一种情况，单一轴受力，提高其截面积或者改变其截面形状来提高其抗弯和抗扭强度。这种方案的缺点是，加工扇形轴比较复杂。 其截面形状如图2-2-2示：图2-2-2 输出轴截面形状简图改变销轴结构的受力方式 这种方案是把原来输出结构悬臂布置改为简支梁的受力方式，使其销轴的强度提高，同时也可以使得整个减速器的尺寸缩短，使之显得更紧凑。这种结构的显著代表是在销轴的悬臂端加个支撑圆盘，这样可以大大改善销轴的受力方式。缺点是这样会增加输出结构的重量，显得比较笨重，功率损失更大，并且由于多一个零部件，其加工精度要求将有所提高。 通过对几种方案的比较，加均载环的方案：虽然可以使得在任意啮合瞬时，所有销轴都受力，大为改善了销轴的受力状态并且加均载环并不增加减速器结构的复杂性，但是其并不能极大的提高输出结构的强度，减速器的额定输出转矩也不重庆大学本科学生毕业设计（论文） 3 医用机械臂RV减速器具体结构设计能有效的提高；改变销轴的受力方式，通过加支撑圆盘，由材料力学可知，简支梁的受力方式和悬臂梁的受力方式比较，这种改善方案具有很好的前景，虽然会加重减速器输出结构的重量，增大功率损失，但不失为一种有效的改善方案；加大销轴截面积的方案是以“质”换“量”的方式。综合考虑，本论文采用的输出结构是采用扇形轴加支撑圆盘的方式输出。4输出结构简单示意图如图2-2-3示：图2-2-3 输出结构采用的双支撑形式2.2.2 转臂轴承的选择 由于转臂轴承承受了整个减速器的受力并且由于摆线轮既自转又公转，转臂轴承的外圈的速度几乎将是内圈的2倍。因此为了选择更大的轴承型号，可以采用只要滚动体而不要内外圈的做法。这样做的理由是，由于摆线轮的材料是GCr15，本身就是滚动轴承的材料，因此具有可行性。为了提高其受力并且摆线轮一般没有轴向力，所以选择圆柱滚子轴承。2.2.3 针齿结构 摆线轮与针齿轮的啮合，是摆线啮合原理。为了改变其滑动摩擦为滚动摩擦，针齿选择的结构是针齿销套一个针齿套，其中针齿套绕针齿销转动，针齿以两支点或三支点形式安装在针齿壳上，如图2-2-3示：图2-2-3 两支点的针齿结构根据摆线轮传动的效率公式计算和实验结果可知，我国针齿带套的单级减速器效率为90%95%，不带套的针齿约为80%85%24。2.2.4 改变摆线轮的传动性能的修正方法 理论上，摆线轮与所有针齿始终都处于接触状态，其中一半的针齿驱动摆线轮转动；另外一半处于被驱动状态，与摆线轮的非工作一侧面保持接触。在这种情况下，会出现三个问题：第一，摆线轮与针轮之间没有啮合间隙，无法形成油膜，啮合损失增大；第二，由于各零件的制造误差，在装配时都将反映在摆线轮与针齿的啮合关系上，造成无法装配；第三，运转过程中，油温上升造成的热膨胀会带来额外的负载，对正常运转极为不利。所以，必须使摆线轮与针齿在啮合时有足够的啮合间隙，以补偿热膨胀及零件加工误差。其中，对摆线轮的齿廓进行修正，是解决啮合间隙问题的有效途径。目前，修正方法主要有以下几种；第一，移距修正法,在磨削摆线轮齿廓时，将磨削砂轮向轮坯中心移动一个微小的距离，磨削后得到了一条新的摆线轮齿廓。采用这种修正方法加工摆线轮时，摆线轮的短幅系数会发生相应的改变，因此在实际传动中，摆线轮的啮合性能和受力分布将发生变化；第二，等距修正法：机床的调整完全与加工标准齿廓时相同，只是将砂轮齿形半径相对增大或减少。采用这种修正法，其短幅系数虽然不变，但是齿廓形状却完全不同；第三，角度修正法：在标准齿形磨出后，使工作台转过一个微小角度，重新磨削，就得到一条与标准齿廓完全相同的实际齿廓，仅是整个轮齿变瘦一点，齿间增大一点24。2.3 RV减速器的具体结构图2-3-1 RV减速器结构简图 RV减速器主要由输入齿轮、行星齿轮、曲柄轴H、摆线轮、针轮、输出机构、主轴承等几部分组成（见图2-3-1）： 输入齿轮 输入齿轮与电机轴直接通过键连接，并且为了使得中心齿轮与行星齿轮啮合良好并使得行星齿轮承载均匀，则使得中兴轮悬臂布置。中心齿轮一般齿数为1221，为了使得它有比较高的弯曲强度，可以选择小齿数，较大的模数m。 行星齿轮 行星齿轮与中兴齿轮啮合作为RV减速器的第一级减速，这样可以大大减小转臂轴承外圈所受的速度提高其寿命。行星齿轮作为提高RV减速器的承载能力，一般有nw=3个行星齿轮。 曲柄轴H及转臂轴承 行星齿轮带动曲柄轴转动，曲柄轴则带动摆线轮转动，摆线轮既公转又有逆向自转。由于所有的力都是由转臂轴承承担，并且转臂轴承的速度比曲柄轴要高很多，所以其寿命是RV减速器的薄弱的地方。转臂轴承一般选择承载能力强的圆柱滚子轴承。为了提高其寿命，可以把轴承转子直接装在轴与摆线轮之间，这样可以选择更大的型号，以提高其强度。 摆线轮 摆线轮是RV减速器比较核心的部分，摆线啮合原理是RV减速器的传动的基本原理。为了提高承载能力，摆线轮一般有两个且完全相同。摆线轮一般是奇数齿并且两轮分别呈180布置，这样可以使得两个摆线轮相互平衡。 针轮 针轮是由一个针齿壳及在针齿壳中装有支承针齿套所组合的针齿，可以使得针轮与摆线轮啮合时由滑动变为滚动，以减少啮合摩擦损失。并且一般针齿齿数比摆线轮齿数多1。 输出机构 RV减速器的输出机构也是在摆线针轮减速器的基础上有了大幅度的提高。摆线针轮减速器的输出机构是一个悬臂布置，使得它的承载能力受限。所以RV减速器的输出机构改变了这种悬臂布置，它采用了支撑圆盘，以达到两端支撑，这样就大大提高了RV减速器的承载能力。并且其输出轴也由销轴变成了扇形轴，来提高它的强度。RV减速器的另一个比较摆线针轮减速器的优点是，它既可以把针轮固定在机壳上，然后输出轴输出；又可以把输出轴固定在机架上，然后针轮输出。这两种输出方式的输出速比值仅相差1，因此它们完全可以根据不同的工作环境和工作条件来选择输出方式。 主轴承 RV减速器的另一个大大 的改变就是主轴承布置成内置式，它支撑起了整个减速器，同样为了选择更大的型号，没有选择含内圈的轴承，而只选择了滚动体和轴承外圈，以支撑圆盘和输出圆盘作为主轴承内圈。 143 医用机械臂RV减速器具体结构设计3.1 医用机械臂的设计参数 该医用机械手（机构简图见1-1）共有八个自由度，它们分别是机座的回转（S轴）、大臂的摆动（L轴）、小臂的摆动（U轴）、小臂的转动（T轴）、手腕的摆动（B轴）、C形比的移动以及两个末端执行器的转动（R1、R2轴）。外形尺寸为：大臂长度1200mm，小臂长度800mm，C形臂的半径为750mm。其他设计要求见表3-1。医用机械臂的设计要求及参数表3-1项目名称数值控制轴数7个旋转轴，1个滑动轨道，7个轴联动最小行程0.01mS轴（机座回转）最大工作范围170L轴（大臂摆动）最大工作范围U轴（小臂摆动）最大工作范围T轴（小臂转动）最大工作范围B轴（手腕摆动）最大工作范围C形臂滑动轨道的最大工作范围250mmR1轴最大工作范围R2轴最大工作范围S轴的最大工作速度L轴的最大工作速度U轴的最大工作速度T轴的最大工作速度B轴的最大工作速度C形臂滑动轨道的最大工作速度30mm/sR1轴的最大工作速度R2轴的最大工作速度手腕负载120kg223.1.1 医用机械臂RV减速器的基本设计参数计算 根据表3-1可知，初估手腕质量120kg，小臂质量100kg，大臂质量80kg，大臂长度1200mm，小臂长度800mm，C形臂的半径为750mm。由于L轴所受的负载复杂而且比较大，故本论文做L轴的减速器的设计。L轴的传动路线方案如图3-1-1示: 图3-1-1 L轴的传动路线图 由此可知，L轴的最大工作速度为：W=1.045rad/s=9.985r/min，一般电机的额定转速为1000r/min或者2000r/min，又根据对RV减速器的特性，初步确定减速器的传动比为i=100。初估稳定时的负载转矩： Tv=120*9.8*2.75+100*9.8*1.3+80*9.8*0.6 =4978.4Nm绕L轴的转动惯量： J=120*2.75*2.75+100*1.3*1.3+80*0.6*0.6 =1105.3kgm2 启动时的最大负载转矩为：Tmax=1105.3*1.045/0.2 =5576.2Nm 式中 启动时间，0.2s； 停止时的最大负载转矩为：Ttmax=1105.3*1.045/0.2 =5576.2Nm式中 停止时间，0.2s； 根据Artis zeego多轴系统的要求，一般地，使用时间为10年，每天工作10小时，Lh=365*10*10=36500 40000h。 综上，可知医用机械臂RV减速器的基本性能参数如表3-2示：医用机械臂RV减速器的性能参数表3-2性能参数数值减速比i100稳定时的输出转矩Tv（Nm）4978启动时的最大转矩Tmax（Nm）5576.2停止时的最大转矩Ttmax（Nm）5576.2最大输出转速r/min9.985输入功率p（Kw）5.2使用寿命Lh（h）40000启动时间（s）0.2停止时间（s）0.2减速器的传动效率0.953.2 电机的选择 医用关节型机械臂的整体简图见（1-1），初估手腕质量120kg，小臂质量100kg，大臂质量80kg，大臂长度1200mm，小臂长度800mm，C形臂的半径为750mm。L轴的最大工作转速： W=1.045rad/s=9.985r/min； 由于要随时控制减速器的动作，故选择交流伺服电机。 由于负载转矩比较大，故整个减速器的效率：； 折算到电机轴的转矩： =50.4Nm 折算到电机轴的转动惯量：Jr=J/i2=0.11kgm2；故电机的额定转速：ne=wi=1000r/min；电机的额定功率：Pe= =5476.24W根据机械设计手册选择：电机SGMGH-55AB；其中电机的基本性能参数：Pe=5.5kw，Te=52.6Nm，Tmax=136.9Nm，ne=100r/min，Jr=12*104kgm2。3.3 减速器结构的具体设计 材料的选择：查表可知23；名称 材料 硬度摆线轮 GCr15 HRC：58-62 针齿套 GCr15 HRC：58-62 销轴 GCr15 HRC：58-62 销轴套 GCr15 HRC：58-62 针齿壳 HT200 输入轴 45钢 HRC：56-60 输出轴 45钢 HRC：56-60 输入齿轮 45钢 HRC：58-63 行星齿轮 45钢 HRC：56-60 机座 HT200 确定中心齿轮、行星齿轮、摆线轮、针轮的齿数 相比于同类的行星齿轮减速器可知，其中心轮的齿数Z1=18-21，根据实际情况，这儿的负载转矩比较大，所以齿数取小，以便得到较大的模数，来提高其抗弯强度。故初取Z1=18，Z2=42；由于电机轴的直径为42mm，所以初定模数m=3mm；由于中心轮与行星轮的啮合处于悬臂布置，故其径宽比系数=0.40.6，所以初取b2=20mm,b1=22mm。中心齿轮由于齿顶圆较小，所以采用齿轮轴的结构形式；由于行星齿轮的齿顶圆直径da218,则可取K1=0.65，偏心距e： 圆整e成为0.5mm的倍数，圆整成e=2.5mm； 再计算短幅系数K1： K1=0.61111 由于摆线轮齿廓精度由K1决定，K1值应计算到小数后3-4位。 转臂轴承的选择 初取摆线轮宽度为： b=0.15Rz=27mm 根据中心齿轮和行星齿轮的中心距 a=0.5*3*（18+42）=90mm 又根据电动机轴的直径为42mm，初取输入齿轮的的最大轴径为58mm，故摆线轮的内孔直径d： d=58+2e+25 初取 d=68mm则 a-d/2=56mm，故可初取曲柄轴的轴径为40mm，由于转臂轴承是减速器的薄弱部分，为了提高其强度和寿命，故摆线轮和曲柄轴轴之间就装滚动体，且选择圆柱滚子轴承以提高其承载能力。初选轴承N2308E，其轴承宽度为30mm，故摆线轮的宽度可取30mm。曲柄轴的两端的轴承选择圆锥滚子轴承32305其宽度为B=25.25mm。输入齿轮轴的设计输入齿轮轴与电动机连接部分的长度l=90mm，交流伺服电动机的轴径d=42mm，所以输入轴端内孔直径为42mm，考考虑到轴与孔的连接为键的连接，根据轴径42mm，取普通平键A型bxh=12x8。为了提高输入齿轮轴的抗扭强度，初取外径d=58mm。又根据电动机轴的长度为110mm，初取键的长度为90mm。初步估算总长L=30+30+2+25.25*2+22+80200mm。输入齿轮轴的具体结构如图3-3-1示：图3-3-1 输入轴的初定的具体尺寸 （1）输入齿轮轴的校核输入轴上的中心齿轮与3个行星齿轮啮合，由于力封闭型，故输入轴不受弯矩而只受扭矩齿轮的受力分析如图3-3-2示：图3-3-2 齿轮的受力分析由于齿轮传动一般均应加以润滑，啮合齿面间的摩擦力通常很小，故作受力分析时可略去。轮齿齿廓在节点C啮合时相互作用的总压力为法向里Fn，其方向沿啮合线方向。Fn可以分解为两个互相垂直的分力，即圆周力Ft和径向力Fr，由图3-3-2可知：式中 Te中心齿轮传递的扭矩，Nmm； 中心齿轮分度圆直径，mm； 分度圆压力角，标准齿轮。 各力的方向：中心齿轮的圆周力的方向与其回转方向相反，行星齿轮圆周力方向与其回转方向相同，径向力方向分别由作用点指向各自的轮心，法向力方向通过节点切于基圆。输入轴的中心齿轮与三个行星齿轮的啮合使得输入轴只受扭矩，由于电机轴的