立式加工中心自动换刀装置的设计(带CAD图）
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立式加工中心自动换刀装置的设计(带CAD图）,立式,加工,中心,自动,装置,设计,CAD
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毕业设计（论文）题 目：立式加工中心换刀装置的设计系 别： 机械工程系 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 职 称： 二 年 月 52目 录1 绪论11.1课题背景11.2立式加工中心简介11.3机械手简介及构成，分类11.4国内外换刀装置的发展概况51.5设计参数及机械手特性62 总体方案设计92.1 换刀装置工程概述92.2 工业换刀装置总体设计方案论述102.3 换刀装置机械传动原理102.4 换刀装置总体方案设计113 手爪夹持器结构设计与校核133.1手爪夹持器种类133.2夹持器设计计算143.3 夹持装置气缸设计计算144 换刀装置大臂部结构设计164.1 大臂部结构设计的基本要求164.2 大臂部结构设计164.3 大臂电机及减速器选型164.4 减速器参数的计算175 小臂结构设计及计算185.1 换刀头设计要求185.2 腕部设计185.2.1 手腕偏转驱动计算185.2.2 手腕俯仰驱动计算215.2.3 电动机的选择225.3 小臂部结构设计235.4 小臂电机及减速器选型235.4.1.传动结构形式的选择245.4.2.几何参数的计算245.5 轴承的寿命校核255.6 轴的强度校核256 机身设计276.1 步进电机选择276.2 齿轮设计与计算316.2.1 高速级齿轮设计与计算316.2.2 低速级齿轮设计与计算356.3 轴的设计与计算386.3.1 输入轴的设计与计算386.3.2 中间轴的设计与计算406.3.3 输出轴的设计与计算426.4 轴承的校核446.4.1 输入轴上轴承寿命计算446.4.2 中间轴上轴承寿命计算466.4.3 输出轴上轴承寿命计算466.5 键的选择和校核486.5.1 键的选择486.5.2 键的校核48结 论49致 谢50参 考 文 献511 绪论1.1课题背景在当代的数控市场中能够生存下来，有自己的立足之地，我国科技研究人员分别为自己的工业生产投入了巨资，一直在对数控技术进行深刻的研究，同时也提出一些新的想法进行开发，提出了许多有建设性的思想来进行对自己工业的改进。我们的目的是为了改善现代化轻工业的一些弊端，以用了来提高制造的精度和生产的消毒，减少工人的劳动强度并且讲点生产的成本。随着我国数控机床的不断发展，各个国家争先恐后的发展自己的数控机床系统，并且对于数控机床而言，这是现代制造工业的一种非常基础的单元，所以有一门好的技术能够让自己的国家利于不败之地。对于现在的数控技术而言，因为有着非常复杂的工序和生产问题的干扰，数控技术也在不断的进步，不断的改革和变迁。伴随全球的数控技术在不断发展对于一些加工中心设备的要求越来越苛刻，要求加工中心精度，加工中心的效率等等都必须要不断的提高。对于加工中心而言，换刀是提高工作效率，降低工人劳动强度的核心，这就不得不要求一些技术人员不断的开发出新型的自动换刀装置，这些换刀装置还必须稳定可靠，这样才能满足日益发展的数控技术发展，而对于这些技术人员和厂商而言，许多的研究成果都是属于个体的，这种技术也基本是保密不公开的，特别是换刀的技术，这些机器人技术是相对保密的，所以对于加工中心而言，自动换刀技术是影响我国数控技术的关键。我们可以通过机器人的一些危险和复杂的工作来负责，可以降低员工的劳动强度，也可以保证人身安全，所以机器人在很多地方一直受到很多关注，如处理和拆除工件，我们熟悉数控机床上的刀具更换等。1.2立式加工中心简介在立式加工中心里，结构大多都是固定立柱式，垂直的来设计轴线。一般的工作台都是十字滑台。而对于十字滑台而言，三个直线运动来确定他的坐标。而且还可以为其添加第四轴来加工特殊零件。立式加工中心相对而言，结构简单，价格比较便宜，占地小，加工的零件也是相对比小型复杂的零件。但是立式加工中心的缺点也是十分明显的，因为你其立柱高度是一定的，是有限制的，它对箱体一类的加工会相对比较复杂，但是也不排除可以加工少类的箱体零件。而立式加工中心的优点：对于立式加工中心，工件又十分容易装夹，定位精准，维修和保护也十分容易，而且就其立式加工中心所拥有的特性，很难对工件造成损伤，它所切削的杂物业容易处理，总之而言，优点还是十分多的，劣不掩华，立式加工中心还是十分实用的。1.3机械手简介及构成，分类一.能模仿人体手的工能的装置被称之为机械手，可以实现运送物件，搬运，抓取全自动化的机械装置。这是一种工业机械人，它的出现大大减少了人们的劳动强度，在当今的机械化社会中，渐渐以机械化代替人力，不仅保证了生产的效率还能保证人身的安全，这是一种技术的突破和提高，所以它被大力应用于各种人难以工作的环境中，对于我国而言，大力发展机械是极其必要的，可以突破我国在某些方面的限制，可以大幅度提高生产，并且还能降低生产的成本，这种工业机械人也就可以在原子，电子等领域有其独特的发挥。二.机器人的组成主要由执行机构，驱动机构和控制系统三部分组成。对于夹持的物体，可以根据他的形状材料重量等等来确定用机械手如何装夹。而对于移动来实现搬运的要使机械手能够实现旋转，多方位的移动来模仿人的动作，用来实现指定的运动。而运动机构则是可以实现拉伸旋转，这就是所谓的自由度。自由度是机械人设计的关键，因为他决定了机械人能够如何按照人们的设计进行他所需要的运动，并且机械人拥有越多的自由度，机械能做的功能也就越多，而且运动也就越加精确，但是相对的设计起来也就越加的复杂。而对于一般的机械手来说，自由度2到3就可以完美实现它所要做的工作了。控制系统是通过自由度的控制来驱动电机来完成每个自由度的工作，使机械手完成它自己的工作。三.液压机械手，气动机械手，电动机械手是机械手的最基本类型。而如果就根据机械手能够使用的范围大致有专用机械人和数控系统一般机械手。根据运动的轨迹，大致会有点空和连续两种机械手。机器人通常的功能是为了完成人因环境或者其他因素造成无法工作的用机器人来代替，很明显的就是生产线上一些简单的工作，还有包括在加工中的自动换刀装置。有些我们需要操作的装置要人为和机械相互辅助来完成，例如用于危险的原子装置（通常称为机器人）的人来控制，机械实现控制。在各种锻造行业中使用机械手改善生产能力能够减少人力疲劳提高生产效率。普通自动换刀装置包括：（一）单臂单爪回转式机械手单臂单爪回转机械手自由度的摆动轴线是与刀具主轴平行的，这样就可以使此类的机械手可以利用自由度回转，然后多自由度进行多方位角度的自动换刀，但是劣势是换刀花费的时间相对其他机械手较长，这是有原因的，因为刀库和换刀位置的平行位置是刀座轴线。图1-1.图1-1 单臂单爪回转式机械手（二）单手式：换刀臂仅一端有抓刀手所有换刀过程中的动作均由单手完成，但是这样的弊端是换刀过程中因为执行动作多也会早成换刀时间长的不利因素，但是结构简单，刀库与主轴线平行或垂直都可以使用。图1-2：图1-2单手式机械手（三）单臂双爪回转式机械手这种机械手因为有双爪，两个手爪之间相互配合，一个负责取下刀具然后将取下的刀具送到刀库，另一个卡爪就负责在刀库中取下刀具，再将刀具送到主轴上，因为双卡爪相互配合起来，比起单爪而言这样速度快了很多，所以时间也就快了很多。图1-3：图1-3单臂双爪回转式机械手（四）双臂回转式机械手这种机械手是双卡爪，但是是是两臂都各有一个卡爪，可以做到刀库和主轴上同时换刀，在回转180之后可以把双卡爪上刀具放回所需要装配的地方，这样一来同时抓刀的优势就会使换刀时间缩短，也正因如此，这也使这种换刀手成为了加工中心里面最多使用的换刀形式。图1-4：图1-4 双臂回转式机械手（五）双机械手此类机械手等同于两个单手式机械手配合来进行自动换刀，一个负责从主轴上取刀放入刀，另一个从刀库中取刀换上主轴。图1-5：图1-5 双机械手1.4国内外换刀装置的发展概况一.国产刀具换刀装置的发展概述：国产自动换刀装置和国外的数控机床上的换刀装置技术而言，是不可同日而论的，因为我国在数控技术这块相对于国外而言，起步是比较晚的，这些在技术上一比较起来就会有很大差距，比如：我国的自动换刀装置的换刀速度和国外的相比较，差距十分明显，主要是我国的技术不过关，有很多的问题，另一方满切割，切屑等技术与国外的技术相比，很多大程度上是无法相提并论的，差距还是十分明显的；我国的刀库的设计与机械手的设计在一起协调性远比不了国外的技术，同时定位精度和精度保持是相对于国外是比较差的，我们需要大力发展技术，不断改善我国自动换刀装置，弥补所存在的缺陷。争取早日能够赶上国外发达国家。和国外的产品相比较而言，我国主要存在的是自动换刀装置技术上的开发和研究，技术也比较老旧，这会限制我国的数控技术的发展，同时也限制了自动换刀技术的改革和创新。总体而言，我国的技术必须不留余力的来不断追赶国外的技术，我们需要结合国内技术的缺点和国外技术的有点来改进我国的自动换刀技术，我们需要专业的人士来开发和研究一些新的技术，用来不断提高我们的我们自动换刀，甚至可以说是机械人技术。二.国外换刀装置发展概况：国外的自动换刀技术相比于国内就先进太多，并且国外的研究技术主要针对的是机械手要动作准确并且稳定可靠，并且国外要求自己的自动换刀装置要重量轻，反应迅速，也就是要轻巧（节约成本，动作迅速灵敏），刚度要好，种类形式要多。还要能够方便与拆卸，并且维修起来要十分的方便。因为这是一门全切的技术，所以，许多的发达国家都在尽力的去开发出新的技术，新的换刀装置，新的数控机床，而且成就不低。1.5设计参数及机械手特性一. 加工中心：确定加工中心为TD500型立式加工中心。XH716型加工中心立式加工中心刀库的设计参数刀库容量：14选刀方式：任选最大刀具重量：3kg最大刀具长度：200mm最大刀具直径：刀柄尺寸：换刀时间：1.2s设计任务：在任务书中自动换刀装置所需要的刀具的主轴锥柄是日本的BT-30，用来实现最基本的三个动作抓刀，换刀，松刀。（参数如上）二.确定TD500型立式加工中心刀库的形式本次设计采用圆盘式刀库，圆盘式刀库通常都是使用机械刀臂自动换刀装置，这样一来，换刀的速度就会特别的快。这样换刀手的动作也就十分明了了，及时双爪同时从刀库主轴拔刀，旋转180，然后同时换刀。三.机械手的确定（一）机械手的坐标形式和自由度一般机械手手臂运动的形式与其自由度是不同的，有两种情况分别为直角坐标系和圆柱坐标系，以及球坐标型和多关节坐标。各自的特点分别为直角坐标型三个方向直线坐标自由度;结构设计简单；移动空间大，安装占据较大的空间。圆柱坐标型可以自由控制机械手部分进入机器内部；机构设计简单；机械手手爪所能抓取的空间受到限制大，难结仇立柱和地面。球坐标型机构设计由于坐标系复杂难建立设计起来比较复杂；同样存在工作是机械手所涉及不到的工作死区；需要较大的工作空间；工作范围大的地方在中心支架附近。多关节坐标型关机的密封性好；可以在要求比较低的工作环境下工作；工作空间大，动作比较灵活；机器结构设计比较困难。（二）机械手的平稳性工业生产中要求机械手能够快速平稳的进行运作且能保证定位的精度，我们因此在设计时应该注意机械手的合理结构来满足要求。影响平稳及定位精度的包括了惯性力影响，结构刚度影响，定位方法影响，控制系统影响，驱动源影响等。惯性力影响 图1-6 惯性曲线如图所示当机械手的速度发生变化时，加速度是不连续的，同时减速度也是一样，这样一来会有惯性冲力产生，还相对比较巨大，这样会使工件松动，更严重的是使部件松动，难以维修，严重的还会使零件破损。在定位时，因为大的减速会产生机械手臂大幅度的往返振动从而影响到定位精度。我们要根据换刀装置的运动特点来算着能够使用控制系统，让加速度能够按照所需路线来变化，同理减速度也是一样的，因为机械手越轻越好，如果可能保证刚度的情况下要减轻部件的重量让其精度更高。结构刚度影响如果工件的本身结构刚度相对较差，二者之间配合间隙又相对较大并且所有的频率比较低的时候，会受到来自机床的惯性冲击，但是是较小的影响，这样一来就会有振动的产生，这样会使精度降低并且会使我们设计的机械手的寿命缩短，所以我们要想一种合理的方法来提高机械手的刚度和载荷承受能力。定位方法影响。在许多的已知的定位方法之中，作为机械的挡块是所有方法中精度最高的，紧随其后的是伺服定位，再之后便是精度较低的电气开关。控制系统影响对于电气控制系统能够所能存在的误差，是能够通过别的手段来检测到有些失灵的元件或者机械挡块偏移或者有泄露的阀类在，这些情况或多或少都会影响到定位精度。驱动源的影响大多数的驱动源都会降低整个系统的平稳性，同时也会降低定位精度包括液压系统，气压系统，电气系统，这些我们可以弄一个蓄能器来辅助帮助控制稳定。（三）机械手的运动特性当我们来分析换刀装置所运动的轨迹和特性的时候，我们可以选择不同的环境和条件来用各种合适的运动特性。对于下图就是基本的工业上用的机械手所能运动轨迹特点规律，是存在于减速的情形。图1-7 运动特性曲线 依照上图所示的运动特性，换刀装置基本呈现出的是两种运动，一为不等加速运动，二为等加速运动，按照同理减速的过程也应该变化不大，在等加速的过程中，因为没有等减速的效果，这样会使机械手工作速度提高，特点也会明显使速度变化连续，这样一来，运动中应该不会有冲击，就可以满足高速平稳，同时也就使2定位精度高达到了标准。2 总体方案设计2.1 换刀装置工程概述换刀装置工程是一门跨学科的综合性技术，它涉及到力学、机构学、机械设计、气动液压技术、传感技术、计算机技术和自动控制技术等学科领域。人们将已有学科分支中的知识有效地组合起来用以解决综合性的工程问题的技术称之为“系统工程学”。以换刀装置设计为例，系统工程学认为，应当将其作为一个系统来研究、开发和运用，从换刀装置的整体出发来研究其系统内部各组成部分之间的有机联系和系统外部环境的相互关系的一种综合性的设计方法。从系统功能的观点来看，将一部复杂的机器看成是一个系统，它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起，是一个不可分的整体。如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的特定功能。因此，在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发，这个系统应具有如下特性：（1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体的特定功能。（2） 相关性 系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性。（3） 目的性 每个系统都应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能。（4） 环境适应性 任何一个系统都存在于一定的环境中，必须能适应外部环境的变化。因此，在进行换刀装置设计时，不仅要重视组成换刀装置系统的各个部件、零件的设计，更应该按照系统工程学的观点，根据换刀装置的功能要求，将组成换刀装置系统的各个子系统部件、零件合理地组合，设计出性能优良适于工作需要的换刀装置产品。在比较复杂的工业换刀装置系统中大致包括如下:操作机，它是完成换刀装置工作任务的主体，包括机座、手臂、手腕、换刀头和机构等。驱动系统，它包括作为动力源的驱动器，驱动单元，伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的传动系统。控制系统，它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置），人机接口装置（键盘、示教盒等），各种传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备的输入/输出通讯接口，内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备。工业换刀装置的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性，因而工业换刀装置能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料，进行装配或其他操作。在柔性制造系统中，基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备）、辅助生产设备、控制装置和工业换刀装置等一起形成了各种不同形式地工业换刀装置技术综合体地工业换刀装置系统。在其他非制造业地生产部门，如建筑、采矿、交通运输等生产领域引用换刀装置系统亦是如此。2.2 工业换刀装置总体设计方案论述（一） 确定负载目前，国内外使用的工业换刀装置中，负载能力的范围很大，最小的额定负载在5N以下，最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿换刀装置各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括换刀装置换刀头的重量、关节工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等。由本次设计给的设计参数3kg可初估本次设计属于小负载。（二） 驱动方式由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型换刀装置等特点，故本次设计采用了伺服电机驱动（三）传动系统设计换刀装置传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高换刀装置的运动和位置控制精度。在换刀装置中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高，传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且大学学习掌握的比较扎实，故本次设计选用齿轮传动。（四）工作范围工业换刀装置的工作范围是根据工业换刀装置作业过程中操作范围和运动轨迹来确定，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响换刀装置的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择（五） 运动速度换刀装置操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，用m/s或（）/s表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。2.3 换刀装置机械传动原理该方案结构设计与分析：有关每个下列部件组成：一个主要部分底座：它包括主齿轮，制造，步进马达等。有一支撑构件，旋转臂支撑部件，所述完整的设计工作搬运机器人仓库钢结构设计的权重，并且应该是足够的功率，刚性和承载能力。也想完成一个大的安装机构，保证搬运机器人设计钢结构设计资料库的工作。换刀装置臂结构设计是由一个臂驱动（例如，气缸，齿条齿轮系统，一种系统，一种螺杆系统和一个凸轮系统等）来驱动（例如，液压，气缸，电机，马达，或类似），以便实现宽范围的运动的和臂合作。手臂分为大臂和小臂。大臂：有齿轮驱动电动机的进度。小臂：组合件，伸缩臂，传动装置等，和步进电机驱动的臂和一端固定手腕运动。手腕部分：包括推荐手腕壳体，驱动齿轮和驱动器，机械接口。2.4 换刀装置总体方案设计机械手结构形式是4种，分别介绍如下：（1）直角坐标如图 2-2（a）中。直角坐标钢仓库搬运机器人的应用被设计为满足性能和操纵性能，铁直角坐标机器人仓库输送装置被设计为具有悬臂龙门架，起重机型结构。（2）圆柱坐标型如图 2-2（b）中。这样的换刀装置应用的结构比较简单，精度也可以在处理性能使用。工作空间是一个圆柱形空间。（3）球面坐标型如图 2-2（c）中。这样的换刀装置的应用变得容易的结构，成本低，并且右也不是很高。使用性能和操控性能。（4）关节型如图 2-2（d）所示。(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型图2-2 四种钢材仓库搬运机械手装置设计坐标形式本文选择按关节型设计。换刀装置有工作范围大，通用性强，结构紧凑等优点，技术参数：用途:换刀换刀时间1.2sec，定位精度0.005mm，重复定位精度0.0025mm，最大刀具尺寸(直径 长度) 60 200mm，最大刀具重量3kg。本体自重小于160kg（200）3 手爪夹持器结构设计与校核3.1手爪夹持器种类1.连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。2.楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。3.齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。4.滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。5.平行杠杆式手爪不 需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动采用平行四边形机构，因此，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多结合具体的工作情况，采用连杆杠杆式手爪。驱动活塞 往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条 使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工 工件的直径来调定。本设计按照所要夹持刀具直径为50mm来设计。a有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。b有足够的开闭范围工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。可用开闭角和手指夹紧端长度表示。于回转型手部手指开闭范围，手指开闭范围的要求与许多因素有关c力求结构简单，重量轻，体积小作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个气压机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。手部处于腕部的最前端，工因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。d手指应有一定的强度和刚度因此送料，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，夹紧气压机械手，根据工件的形状，松开时，用单作用式气压缸。此种结构较为简单，制造方便。气压缸右腔停止进气时，气压缸右腔进气时松开工件。3.2夹持器设计计算手爪要能抓起工件必须满足： （3-6）式中，-为所需夹持力；-安全系数，通常取1.22；-为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在换刀工件过程的加速度，为重力加速度；-方位系数，查表选取；-被抓持工件的重量 3；带入数据，计算得： =120N；理论驱动力的计算： （3-7）式中，-为柱塞缸所需理论驱动力；-为夹紧力至回转支点的垂直距离；-为扇形齿轮分度圆半径；-为手指夹紧力；-齿轮传动机构的效率，此处选为0.92；其他同上。带入数据，计算得 计算驱动力计算公式为： （3-8）式中，-为计算驱动力；-安全系数，此处选1.2；-工作条件系数，此处选1.1； 而气压缸的工作驱动力是由缸内气压提供的，故有 （3-9）式中，-为柱塞缸工作气压；-为柱塞截面积；选取缸内径为40mm3.3 夹持装置气缸设计计算3.3.1 初步确系统压力表3.2 按负载选择工作压力1负载/ KN50工作压力/MPa 0.811.522.5334455表3.3 各种机械常用的系统工作压力1机械类型机 床农业机械小型工程机械建筑机械气凿岩机气机大中型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPa0.82352881010182032由表3.2和表3.3可知，初选气缸的设计压力P1=1MPa4 换刀装置大臂部结构设计4.1 大臂部结构设计的基本要求他的工作是支持手部，带领他们以腾出空间给运动。动机臂运动：其结果是，臂部一般要求：（1）臂部结构要求重量轻（2）臂的移动速度较高时，惯性小。（3）手臂灵活运用。（4）位置精度高。4.2 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。4.3 大臂电机及减速器选型假设小臂及腕部绕第二关节轴的重量：小臂 M2=3Kg， 腕部M3=4KgJ2=M2L42+M3L52 =10.0972+40.1942=0.16kg.m2.大臂速度10r/min，那么，旋转开始时的转矩：上面算式子里：T - 旋转开始时转矩 N.m.J 转动惯量 kg.m2- 角加速度rad/s2大臂从到.所需的时间为：那么： (4-1)启动转矩设10N.m，安全系数设2，那么，最小转矩是： (4-2)选择谐波减速器：型号：XB3-50-120.额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=120 设传递效率：，步进电机应输出力矩为： (4-3)选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.54.4 减速器参数的计算刚轮、柔轮材料都用锻钢，小齿轮材料为45钢。 刚轮材料为45钢。1.齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，那么，柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：为了增大柔轮的刚性， 需要把值增加20%，那么，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：取.5 小臂结构设计及计算5.1 换刀头设计要求（1）换刀头要满足夹紧及保持精度。（2）换刀头应当简单且紧凑的结构，重量轻，在为了减小臂的重量。专用末端执行工艺简单，高性能和完整，通用最终用户可以得到结构复杂，价格昂贵的缺点，从而推动快速更换系列，通用换刀头的设计。5.2 腕部设计腕部的设计要求：结构紧凑，重量轻; 变化，我工作了正确的地方; 难道连杆的结构，无论是服务器，并从安装在车辆上的冲击。5.2.1 手腕偏转驱动计算（1）步进电机的选型手腕偏转时，需要克服摩擦阻力矩、工件负载阻力矩和腕部启动时的惯性力矩。根据转矩的计算公式15： （4-1） （4-2） （4-3） （4-4） （4-5） （4-6） （4-7） （4-8）上面算式子里，：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）。根据已知条件：kg，m/s，m，m，m，s，设手腕材料铸钢，密度kg/m3。将数据代入计算得： kg r/s kgm2 kgm2 Nm Nm Nm弹性联轴器传动效率；滚子传动效率；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 （4-9）根据计算，选择90BYG5200B-SAKRML-0301型号的步进电机。如图5-1和图5-2所示：图5-1 90BYG步进电机技术数据图5-2 90BYG5200B-SAKRML-0301型步进电机矩频特性曲线（2）设计传动（a） 计算、分配传动比由于腕部偏转的角速度r/s.已经通过r/min，由此推出总的传动比。小臂传动比，大臂传动比，锥齿轮传动比，。（b） 计算小臂传动功率 kW （4-10） 5.2.2 手腕俯仰驱动计算手腕间距和布置通过进入,偏转计算驱动腕，步进电机的选择的方法，然后确定与所述驱动部，所述传输参数。经过设计计算， 带轮参数：，mm，mm，mm。带轮尺寸：mm mm mm mm mm mm mm mm mm5.2.3 电动机的选择转动惯量为: （4-11） 、分别为10kg(包括负载5kg)、5kg、12kg。、在式（4-11）中，、故、可忽略不计。所以 （4-12） = =同理可得 = =上面算式子里，：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 。那么，旋转开始时的转矩可表示如下 （4-13）上面算式子里，：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:那么，： 开始时的启动转矩可假定为 ： （4-14）上面算式子里，： 电动机功率 ； 负载力矩 ； 负载转速 ； 传动装置的效率，取0.9； 系数1.52.5为经验数据，取1.5估算 符合下式： （4-15）。表4-2 QZD-08串励直流电动机技术数据5.3 小臂部结构设计5.4 小臂电机及减速器选型此钢结构设计仓库搬运机器人手臂设计小平面的两个旋转自由度，同时产生转动相对小的要求的光滑，然后净扭矩。设转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，转动惯量式：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （4-16）其中：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，J1= M1L12+M2L22+M3L32 （4-17)=40.1432+10.4452+40.5422=1.46kg.m2M2=2Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。J2=M2L42+M3L52 （4-18)=10.0972+40.1942=0.16kg.m2，角速度 ，那么， （4-19)假定为10N.m，安全系数2，那么，最小转矩为： （4-20)选择谐波减速器：型号：XB3-50-100额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=100 ，步进电机应输出力矩为： （4-21)选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.55.4.1.传动结构形式的选择谐波齿轮减速器和减速电驱动。这需要相对大的驱动器结构简单高性能高产生能力良好的显示。其结果是电流型固定花键的个人选择的设计柔轮和波发生器的结构从动积极正常。选压力角。 5.4.2.几何参数的计算齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，那么，柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时可把柔轮的刚性的值加上20%，那么：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：5.5 轴承的寿命校核轴承使用正装. 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端由手册查出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12480h5.6 轴的强度校核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）、校核由手册查材料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。6 机身设计6.1 步进电机选择6.1.1 计算输出轴的转矩 （5-1） （5-2） （5-3） （5-4） （5-5） （5-6）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5.1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，代入式（5-5）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，代入式（5-5）得：=6.67kgmm计算相关机身设计数值得出：kg代入式（5-6）得：=5.75kgm代入（5-2）得到=44.86Nm 带入（5-1）得到=49.85Nm= =6.86Nm选择二级圆柱齿轮减速器i=9 （5-7）=0.99 联轴器传动效率=0.96 齿轮传动效率=0.98 轴承传动效率代入式（5-7）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由图5.2，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 （5-8） （5-9） =1.6rad/s=15.3r/min代入式（5-8）、式（5-9）得：45.9r/min，137.7r/min转矩计算 （5-10）49.85Nm代入式（5-7）得：17.7Nm同理得到：=17.7Nm=6.27Nm=6.66Nm北京和利时电机电器有限公司86BYG250CN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。 北京和利时电机电器有限公司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16。6.2 齿轮设计与计算6.2.1 高速级齿轮设计与计算（1） 选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。由资料14（下同）表10-1小齿轮材料选用45Cr(调质)，表面硬度为280HBS,大齿轮材料选用45钢（调质），表面硬度为240HBS。选择7级精度，（2） 按齿面接触疲劳强度计算根据设计计算公式（10-9a）试算小齿轮分度圆直径，即： （5-11）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：试选载荷系数=1.3，小齿轮传递的扭矩为 =6.27Nm查表10-7，选齿宽系数=1；查表10-6，得弹性影响系数=189.8，查图10-21d，查得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: （5-12）输入轴转速工作时间137.7r/min=10000h双向转动，取=2代入式（5-12）得： =1.65108次=4.96108次 查图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：取安全系数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 （5-13）模数0.91mm齿高=2.04mm代入式（5-13）得： =10.67计算载荷系数 （5-14）查图10-8，由v=0.17m/s，7级精度，得：=1.0查表10-4，得：1.2查表10-2，得：=1.25查表10-3，得：=1.30查图10-13，得：=1.28以上代入式（5-14）得： 1.95 按实际载荷系数修正 24.87mm （5-15）计算模数m：1.04mm按弯曲强度设计由公式（10-5 ） （5-16）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由图10-20c查得小齿轮弯曲疲劳强度极限=500MPa；大齿轮弯曲强度极限=380MPa；由图10-18取弯曲疲劳寿命系数=0.93，=0.97计算载荷系数=1.92计算弯曲疲劳需用应力，取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：=332.1MPa=263.3MPa查取齿形系数，由表10-5得：=2.65；=2.226查取应力校正系数，由表10-5查得：=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对比计算结果，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而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=0.86，并取圆整为标准值m=1，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 （5-17)将模数、齿数代入式（5-17）得：25mm；75mm中心距 （5-18）将，代入式（5-18）得： 50mm齿轮宽度 （5-19）由式（5-19）得：=25mm；=30mm6.2.2 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） 按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。 （b）由表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）选择7级精度，（2）按齿面接触疲劳强度计算试选载荷系数：=1.3小齿轮传递的扭矩为：=17.7Nm查表10-7，选齿宽系数=1查表10-6，得弹性影响系数=189.8；查图10-21d，查得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 查图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：取安全系数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计算载荷系数查图10-8，由v=0.07m/s，7级精度，得：=1.0查表10-4，得：1.2查表10-2，得：=1.25查表10-3，得：=1.30查图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：由图10-20c查得小齿轮弯曲疲劳强度极限=500MPa；大齿轮弯曲强度极限=380MPa；由图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取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：=332.1MPa=263.3MPa计算载荷系数=1.92查取齿形系数。由表10-5得：=2.65；=2.226查取应力校正系数由表10-5查得：=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对比计算结果，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而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=1.21，并取圆整为标准值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；=42.5mm6.3 轴的设计与计算6.3.1 输入轴的设计与计算（1） 求输入轴上的功率、转速、扭矩0.456kW137.7r/min6.27Nm（2） 初估轴直径 （5-20）选取轴的材料为45钢，调质处理，查表11-3，取，并将数据代入式（5-20）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） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； （5-21）垂直方向： ； （5-22） 对锥齿轮： , （5-23） 对直齿轮： ， （5-24） 将输入轴参数代入式（5-24）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5.4。表5.4 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6.27Nm5) 按弯扭合成应力校核轴的强度 （5-25）式中：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 （5-26）校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度，取1，将各数值代入式（5-25）、（5-26）得：7.66MPa轴的材料为45钢，查表11-1，。因此，故安全。6.3.2 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，查表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： ； （5-27）垂直方向： ； （5-28） 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5.5。表5.5 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，查表11-1，60MPa。因此，故安全。6.3.3 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，查表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： ； （5-29）垂直方向： ； （5-30） 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5.7。表5.7 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，查表11-1，60MPa。因此，故安全。6.4 轴承的校核6.4.1 输入轴上轴承寿命计算查阅资料14表13-3得到轴承的预期寿命为由图3.5可知轴上安装轴承处直径为17mm，考虑其承受齿轮轴和联轴器的重量，所以选择圆锥滚子轴承30203，e=0.35，=1.7， 1， Cr=20.8kN、Cor=21.8kN。求出各力即可算出强度。轴上所受的支反力： 657.2N 1031.5N （5-31） 193.3N， 303.2N （5-32）式中：径向支反力轴向支反力193.3N，303.2N193.3N，303.2N ，查表13-5得：0.4， ，查表13-5得：1，0查表13-6载荷系数=1.2，将以上代入式（5-33）、（5-34），轴承当量动载荷为 750.5N （5-33） 1237.8N （5-34）由公式（13-15） （5-35）式中：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查表13-7，温度系数=1代入式（5-35）得：h，满足使用要求。6.4.2 中间轴上轴承寿命计算（1） 由图5.7可知轴上安装轴承处直径为25mm，考虑其承受齿轮轴和联轴器的重量，所以选择圆锥滚子轴承3007105，e=0.37，=1.6， 0.9， Cr=32kN，Cor=37kN。求出各力即可算出强度。轴上所受的支反力：38.1N，464.2N11.9N，145.1N， 考虑其轴上零件重量得到，50 N；61.9N，145.1N；61.9N，=145.1N ，查表13-5得0.4，1.6 ，查表13-5得1，0查表13-6载荷系数=1.2，轴承当量动载荷为 137.1N557N计算轴承寿命。 45.9r/min C=28000N 10/3 查表13-7，温度系数=1代入得h，满足使用要求。6.4.3 输出轴上轴承寿命计算轴承受力如图5.11所示，轴安装出直径为35mm，由于轴向要承受大小臂的重力，所以选择圆锥滚子轴承2007907E，Cr=54.2kN，Cor=63.5kN，e=0.37，1.6，0.9，求出各力大小，即可算出强度。 图5.11 轴轴承受力结构简图图中R有两部分组成，第一部分为轴上所受的支反力：1452N， 508.8N第二部分为大臂和小臂工作时产生的偏心力，如图5.12所示。图512 工作时大、小臂质量产生偏心力简图 大小臂重力分别为：300N,200N经计算得：2400N3852N，2908.8N1203.8N，909N，1753.9N，909N1753.9N，=909N ，查表13-5得0.4，1.6 ，查表13-5得1，0查表13-6载荷系数=1.2，轴承当量动载荷为5108.2N2949.6N由公式13-10a，因为，所以带入进行校核计算轴承寿命。 15.3r/min =73200N10/3查表13-7，温度系数=1代入得h，满足使用要求。6.5 键的选择和校核6.5.1 键的选择根据齿轮和轴的参数，参考机械设计选择设计键。电机输出轴键：；中间轴的键：；输出轴的键：。6.5.2 键的校核键的材料为45钢，由资料表6-2查得许用挤压应力MPa 根据公式
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