（材料加工工程专业论文）座椅式机器人计算机仿真设计.pdf

高校教师硕士学位论文 摘要 座椅式机器人是为身体有缺陷的人设计的自动装置，可以帮助伤残人克服机 能障碍，载人自动上下楼梯，从而提高伤残人的行动和工作能力。 研究并实现了座椅式机器人机械部分的虚拟化样机设计。首先对座椅式机器 人的机械传动系统进行了设计计算，确定了传动系统中齿轮传动与链传动中关键 零部件的参数，利用s o l i d w o r k s 三维造型软件，建立了所有零部件的三维实 体仿真模型，在建立实体模型的过程中，对零部件从结构到外观都进行了优化设 计。再利用s o l i d w 0 r k s 提供的c o s m o s w o r k s 软件，进行了关键零部件的 应力应变分析，通过分析检验了结构设计中不合理的因素，修订了相关的结构参 数和工艺参数，保证了机械设计中零部件的可靠性和安全性。最后利用s o u d w 0 r k s 的装配功能，根据零部件的实体模型，建立了座椅式机器人的总装仿真模 型。通过总装的虚拟化样机设计，检验了零部件的结构设计中是否存在干涉，零 件问的定位和装配关系是否合理，总体结构是否美观。 研究并建立了座椅式机器人的控制系统的数学模型，并根据数学模型建立了 控制系统的仿真模型，进行了仿真、分析和优化设计。首先利用白箱建模方式， 进行了系统的物理描述，建立了系统的数学模型，通过l a p l a c e 变换，建立了系统 的传递函数。利用著名的仿真与分析软件m a t l a b 所提供的c o n t r o ls y s t e m t 0 0 1 b o x 工具箱，进行了系统在单位阶跃信号下的时间响应分析，分析了系统在过 渡过程中的动态特性性能指标，找出了动态特性性能指标的不足，并进行了优化 设计。又根据频率响应分析，分析了系统在稳态过程中的动态特性性能指标，利 用s i s 0 1 d o l 工具，以及极坐标图( n y q u i s t 图) 和对数坐标图( b o d e 图) 进行 了系统相频特性分析与幅频特性分析。通过调速补偿器的增益、调整系统带宽、 加入积分器、加入超前校正网络和移动补偿器的零极点等方式，进行了系统的优 化设计。最后得到优化后的系统的仿真模型。 总之，通过机械结构虚拟化样机设计与基于c o s m o s x p r e s s 的应力应变分析， 修订了以前设计中某些零部件的有些工艺参数和结构参数，使设计更合理、安全、 经济。通过建立控制系统的仿真模型，进行仿真和分析，发现了以前系统设计没 注意到的问题，以及以前出现的而无法解决的一些问题的理论根源。 该项目是为甘肃机械研究院设计的一个横向课题。 关键词：座椅式机器人：机械结构：虚拟化样机：s o l i d w o r k s ；控制系统； m a t l a b ；仿真 高校教师硕士学位论文 a b s t r a c t t h cs e a tr o b o ti sa u t o m a t i cd e v i c ew 1 1 i c h1 sc o n v e n l e mt ot h eh a n d l c a p p e da 1 1 d s t r e t c h e st 王1 e i ra c t i v 时孤dw o r k i i l ga b i l i 吼f o re x 锄p l e ，i t h e l p st h eh a i l d i c a p p e ds t e p u p s t a i r so rd o w n s t a i r s 耐恤o u ta n y o n ec o m p a r l y t h et h e s i sr e s e a r c h e st h em e c h a n i co fm es e a tm b o ta i l dr e a l i z e si t sv i r n l a ls a m p l e d e s i 盟a tf 弧t ，i t sm e c h a n i ct 瑚1 1 1 s m i s s i o ns y s t e mi sd e s i g n e d 趾dc a l c u l a t e d ，血e p a r 枷e t e r so fm ei r e yp a r t so ft l l eg e a rd i i v ea i l dc h a j nd i i v ei sm a d ec e r t a i n ，m e s i i i l u l a t e dm o d e lo ft 1 1 ea l l p a n st h r e e d i m e n s i o n a le n t 时 i ss e t u p 埘1 i z i n g s o l i d w o r k ss o n 、v a r ea n d l ep a n sf r o mi n t 锄a lt oo v e r a l li so p t i m i z c d 耵1 e n ，m e s t r e s sa n ds t r a i no ft h ek e yp a n si sa i l a l y z e du s i n gt 1 1 ec o s m o s w o r k ss o 脚a r eo f s o l i d w o r k sa f l dm e 咄e a s o n a b l ef a c t o ri sf o l l n d t h u s ，t h es 仃u c t u r a lp a r 锄e t e r s a n dt h ec r a 丘p a r 锄e t e r si s 聊e n d e da i l dt h el i a b i l i t ya 1 1 ds e c u r i 哆i sa s s u r e d l a s t ，l e s i m u l a t e dm o d e lo ft 1 1 es e a tr o b o ti ss e tu pa c c o r d i n gt ot l l ep a r t se n t j t yu s i n gt h e r e a s s e m b l e d 劬c t i o n a f t e rt l l ev i n u a lr e a s s e m b l e ，t h ep a ni si n t e r v e n e 、h e m e ro rn o t ， t l l ep o s i t i o na i l dr e a s s e m b l e dr e l a t i o ni sr e a s o n a b l eo rn o t 趴dt h eo v e m l ls 协l c t u r ei s l o o k e db e a u t i f i l lo rn o t t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ec o n t r 0 1s y s t e mo f 血es e a tm b o ti sa l s os e tu pi nt h e t h e s i s a n dt h es i m u l a t e dm o d e lo f 也ec o m r o ls y s t e mi ss e tu pa c c o r d i n gt ot h e m a l e m a t i c a im o d e l t h e n ，t 1 1 ec o n 仃o ls y s t e mi ss i m u l a t e d ，a n a l y z e da n dd e s i 印e d f i r s t ，m em a t l l e m a t i c a lm o d e la 1 1 ds i m u l a t e dm o d e lo f t l ec o n t r o ls y s t e mi ss e tu p f i r s t ， t l l r o u 曲血e 谳t cb o xm o d e l i gw a y ，m ep h y s i c a ld e s c r i p t i o no f t h es y s t e mi sd o n ea n d t h em a m e m a t i c a lm o d e l i ss e tu p t h et r a i l s f e rf h c t i o ni ss e tu p 衄o u 曲l a p l a c e 地m s f 0 衄a t i o n t h e n ，t i m er e s p o n s eo f 也ec o n t r 0 1s y s t e mi sa n a l y z e d 岫d e rt l l eu n i t s t e ps i g n “i nt h ec o n t r o ls y s t e mt b o l b o xw b j c hi sp r 0 v i d e db ym ef h l o u ss i m l l l a t e d a i l da 1 1 a l y z e ds o f t w a r e m a t l a b ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f m es y s t e mi sa n a l y z e d d l l r i n g 订a 1 1 s i t i o na i l di so p t i m i z e da f t e rf b u n di t ss h o n a g e a c c o r d i n gt o l ea 1 1 a l y s i so f t 1 1 e 丘e q u e n c yr e s p o l l s e ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cd u r m g 廿l es t a b l es t a t eo f t h es y g c e m u s i n gt h es i s o t o o l ，p o l a rc o o r d i n a t cc h a n ( n y q u i s tc h a n ) a 1 1 dl o g a r i 吐i l i cp l o t ( b o d e p l o t ) ，p h a s e 丘- e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c a i l d a m p l i t u d e 一仃e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c o ft 1 1 e s y s t e mi sa i l a l y z e d t h es y s t e mi so p t i m i z e dt h r o u 啦g a i no fc o m p e s a t e dg o v e m o r ， a d j l l s t i n gb 趾d w i d t l l ，a d d i i 培i i i t c g r a t o r ，a d d i n ga n t i c i p a t o r yc o n t r o ln e ta n dm o v i i l g i i 高校教师硕士学位论文 p 0 1 a r p o i n to fc o m p e n s a t o ll a s t ，t h co p t l m i z e ds i m u l a t e dm o d e l i so b t a i n e d i naw o r d ，t 1 1 r o u g ht h ei n e c 脚cs n u c t u r ev i r t u a is 锄p l ed e s i g n 肌dt h es t r e s sa 1 1 d g t r a ma n a l y s i s ，t h ep r o d e s 培ns o m ec r a f ta n ds 饥【c t u r a lp 粼t e r so fa n yp a n si s a m e n d e d ，a n dt h ed e s i g ni sm o r ei i a b l e ，s 妇a n dm o r ee c o n o m i c a l t h r o u g hs c tu pt l l e s i m l l l a t e dm o d e lo f 廿1 ec o 玎订o ls y s t e m ，a n yp r o b l e mw h i c hi sn o tn o t i c e dd l 血gt h e d e s i g ni sf o 唧d ，a n dt i l et h e o r e t i c a ls o u r c eo f l ep m b l e mt h a ta p p e a r sd l 埘n gd e s i g n a n dc a n o ts e t c l e t h ep r o j e c ti sd e s i g l l e df o rg a i l s um e c h 趾i c a la c a d e m e k e y w o r d s ：s e a tm b o t ；m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ；v i r t u a l i z e ds a m p l e ；s o l i d w o r l 【s ； c o n t m ls y s t e m ；m a t l a b ： s i m u l a t i o i i i 高校教师硕士学位论文 插图索弓 图2 1 座椅式机器人机械总装图 图3 一lf e m 分析法图示 图3 2f e m 元素图 图3 3 应力分析窗口 图3 4 齿轮约束面 图3 4 齿轮轴载荷面 图3 6 齿轮轴应力云图 图3 7 悬挂轴约束面 图3 8 悬挂轴载荷面 图3 9 悬挂轴应力云图 图3 1 0 小轮的应力云图 图4 一l 座椅式机器人控制系统组成 图4 2 永磁直流电机的基本结构示意图 图4 3d c 电机的等效电路图 图4 4 永磁体d c 电机的模块框图 图4 5 永磁体d c 电机的简化框图 图4 6 永磁体直流电机仿真框图 图p 7 永磁直流电机的阶跃响应曲线 图4 8 直流电机调速系统结构示意图 图4 9 加载负载后的响应曲线 图4 一1 0 单位阶跃响应曲线 图4 1 1 极坐标图( n y q u i s t 图) 和对数坐标图( b o d e 图) 图4 1 2 相频特性与幅频特性 图4 1 3 优化前响应曲线 图4 1 4 响应分析图 图4 1 5 优化后的响应曲线图 图4 1 6 优化后的对比图 图4 一1 7 仿真模型 图4 1 8k c 对系统稳定性的影响 图4 1 9 闭环系统单位阶跃响应图 4 2 0 闭环系统调节前的阶跃响应图 如毖毖毖嚣船船孔孔孔坜卯勰嚣叭n弛弘弘卯勰n虬心北钙“舭 高校教师硕士学位论文 图4 2 1 根轨迹图和b o d e 图4 4 图4 2 2d c 电机调节之后的根轨迹图和b o d e 图4 5 图4 2 3 积分控制对稳定性的影响4 6 图4 2 4 加入积分器后的图形4 7 图4 2 5 加入积分器后的响应图4 7 图4 2 6 加入超前校正的响应图4 8 图4 2 7 移动补偿器后的图形4 9 图4 2 8 小电机性能分析仿真模型5 0 图4 2 9 大电机性能分析仿真模型5 0 图43 0 传感器逻辑仿真图5 l 图4 3 lp i d 控制器仿真模型5 1 图4 3 2 制动控制器仿真模型5 2 图4 3 3 控制系统总仿真模型5 2 图4 3 4 座椅式机器人主机主板印制板图5 3 图4 3 5 座椅式机器人主机主板印制板3 d 图5 3 图4 3 6 座椅式机器人从机主板印制板图5 4 图4 3 7 座椅式机器人从机p c b3 d 图5 4 图4 3 8 小电机控制印制板图5 5 图4 3 9 小电机控制印制板3 d 图5 5 图4 4 0 大电机控制印制板图5 6 图4 4 l 大电机控制印制板3 d 图5 6 v 高校教师硕士学位论文 附表索弓 表2 1 最小安全系数5 表2 2 齿轮强度计算机公式6 表2 3 齿轮的设计计算8 表2 4 破坏载荷1 4 表2 5 套筒滚子链的设计计算1 5 表2 6 座椅式机器人部分零件设计列表1 7 v i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：支1 ，1 、三趴 日期：“。6 年6 月， 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密殴 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 主1 ，1 、主认 i 萎勿殇 日期：厶。绰月，日 日期0 酬年占月争日 高校教师硕士学位论文 1 1 选题的意义 第1 章绪论 机器人作为人类2 0 世纪最伟大的发明之一，在短短的4 0 年内发生了日新月 异的变化。近几年机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。机器人技 术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性变化，而且将对人类社 会产生深远的影响。随着社会生产技术的飞速发展，机器人的应用领域不断扩大。 从自动化生产线到海洋资源的探索，乃至太空作业等领域，机器人可谓是无处不 在。在2 0 世纪7 0 年代到2 0 世纪8 0 年代初期，工业机器人变成产品得到全世界 的普遍应用以后，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a b b 公司，德国的k u k a 机器人公司，日本几家公司和日本的f u n a c 公 司，都在工业机器人方面都有很大的作为，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。 由于我们国家存在很多其他的各种因素、问题。我们国家机器人的研究，在 2 0 世纪7 0 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，在这个会上有两类产品，一类是数控机床，一类是工业机器人。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 时候的研究基本上还局限于理论的探讨阶段，真正进行机器人研究的时候，是在 七五、八五、九五、十五。发展最迅速的时候，是在1 9 8 6 年我们国家成立了8 6 3 计划，就将机器人技术作为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。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。 现代机器人按用途分类，可以分三大类，一类是娱乐机器人。它们一般在公 座椅式机器人计算机仿真设计 园、商店等服务，在游乐场所等活动，通常都是逼真的模拟人或动物形象。一类 是机能辅助用机器人( 也称服务机器人) 。这类机器人一般是指为身体有缺陷的人设 计的自动装置，可以帮助伤残人克服机能障碍，提高行动和工作能力，也可以划 归家政机器人类。再一类就是工业用机器人，在工业生产中已经得到较为广泛的 应用。 根据调查的情况看，2 0 0 4 年，世界上半年的机器人商业订购数量比2 0 0 3 年同 期增加1 8 ，尤其是家用的机器人很受人们的青睐，但目前机器人在国内家庭中 的应用尚是空白。机器人被大家认为是高端产品，根本不可触及。实际上，只要 家政机器人的功能好、价格合理，肯定会走入百姓生活的，让普通家庭很容易就 可以享受科技进步的成果。 我国现有残疾人1 0 0 0 多万，随着中国社会逐渐步入老龄化时代，行动不便人 群将会进一步增多，尤其是随着农村的城镇化建设，农村居民的居住条件城市化， 居住环境楼房化，将对行动不便人群的出行造成更大影响，一方面缩小他们的生 活围子，另一方面家人因为要帮助他们上下楼梯而增加更多的负担。 基于以上原因，我们研究并开发了座椅式机器人，它属于机能辅助家政机器 人，可以载人上下楼梯，为行动不便的人提供方便，开扩活动范围，提高生活质 量。 1 2 国内外研究现状 经查询，该项目在国内尚属空白，国外这方面的研究也并不多。 2 0 0 1 年1 0 月2 6 日兰州晚报报道：1 0 月2 6 日，日本一家公司的职业在东京 展示该公司新推出的可上上下楼梯的轮椅，这种轮椅预定于2 0 0 2 年在日本上市， 售价约为1 0 0 万日元( 约合8 3 0 0 美元) 。 经查询有关资料，该轮椅仍存在很多技术的问题： l 、上下楼采用固定四轮机构，并不能适合任何高度和宽度的楼梯； 2 、体积比较大，并不适合小楼梯； 3 、结构复杂，成本高，并不利于市场推广。 2 0 0 3 年8 月1 5 日，新民晚报报道：“新型轮椅的生产商、美国强生公司下属 的独立技术公司研制了会爬楼梯轮椅i b o t ，i b o t 开发历时8 年，耗资超过1 5 亿美元。面市后将是迄今为残疾人推出的最尖端的装置。”经查询i b o t 技术先进， 可靠性、安全性各方面指标都很高，但售价2 9 万美元的天价也并不利于市场推广， 同时，该轮椅尚不能提供普通轮椅地面行走功能。 资料查询证明，该项目的研究与应用基本于世界同步，国内尚无可借鉴的研 究。 高校教师硕士学位论文 目前，虽然这个项目已基本完成，但在研制过程中发现了很多有必要也是必 须改进的地方，所以在此基础上，想针对机械结构的优化设计、安全可靠性设计、 控制系统的优化设计方面做进一步的理论研究，实现对机器人的最优控制和设计 提供可信的参考方案。 1 3 论文完成的主要内容 化 本篇论文主要从以下几个方面做了一定的研究： 1 完成了座椅式机器人机械传动的设计计算； 2 利用s o l i d w o r k s 三维造型软件实现了座椅式机器人虚拟化样机的设计和优 3 利用c o s m o s ) ，p r c s s 对座椅式机器人的关键零部件进行了f e m 分析 4 ，建立了座椅式机器人控制系统的仿真模型； 5 利用m a t l a b 进行了控制系统的性能分析与优化设计。 库椅式机器人计算机仿真设计 第2 章机械结构虚拟化样机设计 传统的产品开发通常分为4 个阶段：产品设计、试验、制造样机和产品生产。 ( 1 ) 产品设计阶段，包括方案设计、结构设计和零部件设计；( 2 ) 实验室试验阶段， 主要是对关键零部件的工作进行探索性的研究；( 3 ) 制造物理样机阶段，主要是 根据设计做出物理样机，以检验设计的合理性，此时要把样机中一些部件或结构 作成可调的，必要时还需要做多个零件来替换；( 4 ) 产品生产阶段。可以看出，传 统的产品开发周期长，消耗大，成本高，有明显的局限性，所以不能适应现代化 制造业中要求柔性化、快捷及高质量的要求。为从根本上改变这种局面，近年来 在产品开发中出现了一个新的研究领域虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o 咖et e c h _ n o l o g y ) 。 虚拟样机技术是一种基于智能设计技术、并行工程、仿真工程及网络技术的 先进制造技术，它以计算机仿真和建模技术为支持，利用虚拟产品模型，在产品 实际加工之前对产品的性能、行为、功能和产品的可制造性进行预测，从而对设 计方案进行评估和优化，以达到产品生产的最优目标。 首先是进行机械设计，设计的原始数据来自设计要求、应改进的缺陷、干涉 尺寸、装配环境等。当方案制定后，设计师开始构造复杂的几何形状和工程关系。 在设计的早期阶段，要求设计师给定全约束、全尺寸是不可能、不现实的，重要 的是建立一些方程和规则，以体现一些最重要的工程数据，使零件在设计准则下 可自动修改。在完整、安全的网络环境下，设计小组成员不必操心数据的完整性， 他们能够共享数据，并能主动控制修改和更新。零件最终的形状和尺寸来自各个 方面的综合考虑，如装配、应力、加工等，在制定设计文件时，工程技术人员要 决定如何描述最后的零件和装配。生成图纸时，设计尺寸要转换成工艺尺寸以体 现加工、检测的要求。这张图纸和其他技术文件( 如应力分析、振动、热分析等) 构 成设计的最主要部分。最后是对最终的设计产品进行仿真。仿真能预测产品在实 际环境中的性能，它包含了一系列步骤，从力学分析、建模、施加负载和约束， 到预测其在真实工况下的响应。 仿真的真正用意不是得到几个数据，而是评估产品的性能和优化产品的结构， 进而指导设计，改进设计。在产品设计和仿真阶段，需要使用一些应用软件( 如三 维产品设计软件、有限元分析软件等) 。根据设计尺寸著利用这些软件，便可以在 计算机上构造产品的虚拟样机，为最终投产做好准备。 对座椅式机器人机械结构的设计，就采用虚拟化样化设计方法，从产品构思 起，通过完成概念设计、详细设计、性能分析，得到产品样机数字化模型。 4 高校教师硕士学位论文 2 1 机械传动设计 座椅式机器人的传动中采用齿轮齿条传动( 垂直) 和链轮传动( 水平) 。 2 1 1 齿轮齿条传动简介 2 1 1 1 齿条传动的特点 齿条在与齿轮啮合转动过程中是作平移运动的。齿条的直线齿廓在不同位置 都是相互平行的。齿轮与齿条的啮合线，即要与齿轮的基圆相切，有要垂直于齿 条的直线齿廓，不论是标准安装，还是非标准安装，其啮合线总是一条固定的直 线。齿轮齿条的啮合有如下特点： ( 1 ) 不论是否标准安装，啮合角恒等于齿轮压力角和齿条的齿形角。这样，齿 轮的节圆总是和分度圆重合。 ( 2 ) 标准安装时齿条的分度线与节线重合；非标准安装时，则齿条的分度线与 节线分离。 ( 3 ) 齿条的移动速度总是为v = r w ，不受安装是否标准的影响。 2 1 1 2 圆柱齿轮强度设计原则 齿轮传动的承载能力，需要根据在设计寿命期间出现破坏形式的几率，不超 过所要求的失效几率来确定。失效几率即是工作可靠的余度数。 铸铁或闭式传动的硬齿面( 工作齿面硬度h b 3 5 0 ) 的钢齿轮传动的承载能力 主要取决于齿根弯曲强度；闭式传动的软齿面( h b 3 5 0 ) 的钢齿轮传动的承载能力 主要取决于齿面接触强度；开式齿轮的主要破坏形式是齿面磨损，一般可在计入 磨损的影响后，按齿轮弯曲强度计算。 渐开线圆柱齿轮的最小安全系数s 见下表 表2 1 最小安全系数 接触计算最小弯曲计算晟小 工作可靠度 安全系数5 m m安全系数卧m m 高可靠度1 2 5l 5 可靠度9 9 ( 失效几率1 ) 1 0 0 1 0 0 低可靠度( 失效几率 3 3 ) 0 8 00 7 0 座椅式机器人计算机仿真设计 2 1 1 3 齿轮设计注意事项 1 齿轮传动基本参数的选择 应满足齿轮弯曲强度条件下，选取较多的齿数。 软齿面开式齿轮传动，宜取较少齿数，较大模数，以增大重合度，提高传动 平稳性，减小加工量，提高刀具的耐用度，一般取z 2 4 。 因此，本设计选用齿轮的齿数为z = 1 9 。 2 齿轮主要尺寸的初步确定 齿轮传动的主要尺寸可按下述方法初步确定： ( 1 ) 参照以有的相同或类似机械的齿轮传动用类比法确定。 ( 2 ) 根据具体工作条件、结构、安装及其它要求确定。 ( 3 ) 利用以下公式计算确定。 表2 2 齿轮强度计算机公式 齿轮类型接触强度 弯曲强度 删s a ”，鼯 直齿轮 一跞 纠a s 孵 3 齿轮的失效形式 齿轮、齿条传动的失效主要是齿轮的失效。其它部位如轮缘、轮辐、轮毂很 少失效。轮齿的失效包括齿体的折断和齿面的损坏两方面。 ( 1 ) 轮齿折断 齿轮的受载可看成悬臂梁，齿根部的弯曲应力最大，且齿根处过滤部分形状 和尺寸变化急剧产生应力集中，所以轮齿折断一般发生在齿根。齿轮折断分疲劳 折断和过载折断两种情况。齿轮每啮合一次，齿根弯曲应力完成一个循环。当齿 根部长期在脉动循环或对称循环弯曲变应力下工作，其工作应力超过弯曲疲劳极 限时，便发生疲劳断裂。齿轮在短期过载下，根应力超过材料的强度极限，便引 起过载断裂。对宽度较小的直齿轮。齿轮一般沿整个齿宽被折断。对接触线倾斜 的斜齿轮和人字齿轮，以及齿宽较大的直齿轮，对发生齿轮的局部折断。齿轮的 折断是一种灾难性的失效，一旦发生断齿，传动即彻底失效。由于转动中折断多 由疲劳所致，故齿轮传动的强度设计中，根据该失效形式建立了齿根弯曲疲劳强 度计算方法和设计准则。 增大齿根圆角半径；才用合理的变为以增加齿后；对齿根进行表面强化处理； 选择合适的热处理增加齿根的韧性等，均可以提高齿轮的抗折断能力。 6 高校教师硕士学位论文 ( 2 ) 齿面点蚀 对闭式传动，在齿面节线附近常发生贝壳状的凹坑损伤，成为点蚀破坏，齿 轮传动时，啮合齿面的接触应力按脉动循环变化，当接触应力超过齿面材料的接 触疲劳极限时，齿面产生疲劳微裂纹，润滑油侵入裂纹，再齿面进一步的挤压， 裂纹加速扩展，导致齿面金属脱落形成凹坑或麻点。这种疲劳损伤统称为点蚀损 伤。由于齿面节线附近滑动速度小，不宜形成油膜，磨檫力较大，且节线附近为 单齿对啮合区，接触应力较大，因而点蚀首先出现在节线附近。对开式传动，由 于齿面磨损较快，表面疲劳裂纹还未出现或扩展即被磨掉，所以见不到点蚀现象。 齿面点蚀的出现完整的齿廓表面被破坏，从而震动和噪音，严重影响传动的平稳 性。齿轮传动设计中，针对疲劳点蚀建立了齿面接触疲劳强度的计算方法和设计 准则，提高齿面硬度，润滑油黏度及接触精度，降低表面粗糙度或进行合理的变 位等措施，均能提高齿面抗点蚀的能力。 ( 3 ) 齿面胶合 对高速重载齿轮传动，齿面问的压力大，当产生的摩擦热过大时，会使两齿 面间某些接触点焊接在一起，随后又被撕开，从而使齿面上滑动较大的齿顶和齿 根产生沿相对滑动方向的撕裂痕迹。这种破坏称为胶合，胶合的出现严重损伤工 作齿面的完整性，使传动的平稳性受到影响。 ( 4 ) 齿面磨损 齿面磨损主要表现在磨合磨损和磨粒磨损。齿轮传动装置在运转初期，啮合 齿面会发生磨合磨损。磨合磨损不会引起失效且有磨光的作用，但磨合后应更换 润滑油。磨粒磨损是由硬脂颗粒进入啮合齿间而引起的。磨合磨损上丌式齿轮传 动的主要失效形式，磨损严重时齿轮变瘦，必将引起振动和噪音。 ( 5 ) 齿面塑性变形 材质较软的齿轮在过大的应力作用下，齿轮材料会由于屈服而产生塑性流动， 从而形成齿面局部的塑性变形。齿轮表面的塑性流动沿着摩擦力的方向进行，最 后从动轮的齿面上产生凸棱。在动轮的齿面上产生凹沟，从而破坏了正确的工作 齿廓，严重影响转动性能。这种损坏现象在低速重载和启动，过载频繁的传动中 出现。 2 1 2 齿轮的设计计算 开式齿轮的计算具有如下特点：开式齿轮的主要破坏形式是磨损，但目前计 算尚没有成熟的计算方法。所以通常在计入磨损的影响后，借用闭式齿轮传动强 度计算公式进行条件性计算。此次，设计采用的是公式计算来确定齿轮。现根据 已知条件计算如下： 座椅式机器人计算机仿真设计 表2 3 齿轮的设计计算 计算项目设计计算与说明计算结果 1 选取齿轮精度参考机械力学与机械设计。表2 0 1 4 选定 等级、材料及齿齿轮4 5 钢调制硬度2 1 7 2 5 5 h b s 取2 4 0 数 2 选择齿条材齿条4 5 钢正火硬度1 6 2 2 1 7 h b s 取2 0 0 料、热处理方法 及齿面硬度 3 选择精度等级8 级8 级 4 选齿数 z = 1 9z = 1 9 按齿根弯曲疲劳参考机械力学与机械设计式2 0 7 0 ，设计 强度设计 ：朋刮浮( 褙 初取墨= 1 3 初选载荷系数k ， t = 9 5 5 1 0 6 p n ：9 5 5 1 0 6 o 2 1 2 0 齿轮传递转矩r 参考机械力学与机械设计表2 0 2 0 5 选取齿宽系数 t = 1 5 9 1 6 6 妙d 取= 1 n 【】i n 取= 2 8 5 齿形系数 ：2 8 5 参考机械力学与机械设计表2 0 1 9 应力修正系数 取 圪：1 5 4：1 5 4 k 参考机械力学与机械设计表2 0 4 8 仃f l 蚰l 6 弯曲疲劳极限 盯l ：4 0 0 蛾：4 0 0 埘： 盯f l i m l 盯f i 帅2 仃f l 曲2 咋l i n l2 ：3 5 0 织 ：3 5 0 坦 。郑增铭机械力学与机械设计兰卅| ：兰州大学出版社，2 0 0 2 高校教师硕士学位论文 计算项目 设计计算与说明计算结果 7 弯曲应力循环参考机械力学与机械设计式2 0 5 9 次数= 6 0 n j 厶 = 6 0 1 2 0 x 1 3 0 0 1 0 = 2 1 6 1 0 8 8 弯曲疲劳强度 参考机械力学与机械设计由图2 0 5 0 寿命系数 ：1 9 弯曲疲劳强度 品：1 5 瓦：1 安全系数品 d f h l 1 0 计算许用弯 k 。】：品 昂：1 5 4 0 0 曲应力b ，。】 = 1 5 k 。1 k ：】 ：2 6 6 线：2 6 6 纪 盯f l 蛐1 2 k ：】：品 3 5 0 k ：】 = 1 5 ：2 3 3 峨 ：2 3 3 城 取 1 1 试算齿轮的 m 刮嚣( 街 k ：】 模数m ：2 3 3 蚬 2 x 1 3 1 5 9 1 6 6 x 2 8 5 1 5 4 = l 1 9 2 2 3 3 = 1 2 9 取m - 1 5 d m _ 1 5 m = 1 2 齿轮分度圆z 则d = m z 直径d= 1 5 1 9 = 2 8 5 册 9 座椅式机器人计算机仿真设计 计算项目 设计计算与说明 计算结果 砌 d = 2 8 5 珊 1 3 计算圆周速 6 0 1 0 0 0 度v3 1 4 2 8 5 1 2 0 = 6 0 1 0 0 0 = o 1 7 8 9 8 m s 1 4 确定齿轮、 齿条的主要几何 参数及尺寸 ( 1 ) 模数m m = 1 5m = 1 5 ( 2 ) 分度圆直径 d = m z = 1 5 1 9 = 2 8 5 m md = 2 8 5 册 d 6 = ( 6 1 2 ) m ( 3 ) 齿宽6 1 6 2 6 = 2 0 捌肌 取6 l 2 2 0 6 2 = 1 7 m 研 6 1 = 1 7 删川 吃= 绣埘 ( 4 ) 齿顶高九 选( 吃：1 )则有 磁：1 1 5 = 1 5 ( 5 ) 齿根高_ = g + + c + b 选c ：o 2 5 绣：1 5 = ( 1 2 5 m + 1 2 5 ) 1 5 i z ， = 1 8 7 5 r m = l _ 8 7 5 i 珊 ( 6 ) 压力角口及口= 2 0 0 齿全高h h = h ，+ h f = 1 5 + 1 8 7 5口= 2 0 0 = 3 3 7 5 mh 由机械零件设计手册 己，s 页查得 = 3 3 7 5 h 仰 ( 7 ) 齿条的速度v 。机械零件设计手册北京：机械工业出版社，1 9 9 8 1 0 高校教师硕士学位论文 计算项目设计计算与说明计算结果 d ：竺 d 一齿轮的分度圆直径 v 一齿条的速度 n 一齿轮的转速 y 1 5 校核齿面接 = o 17 8 9 8 m s= o 1 7 8 9 8 触疲劳强度参考机械力学与机械设计式2 0 6 6 m s 式为d 拇 静) 2 参考机械力学与机械设计表2 0 1 8 弹性系数磊节 互= 1 8 0 5 丽 点域系数z 。 z h = 2 接触应力循环次参考机械力学与机械设计得 数 n h ：6 蛳l h = 6 0 1 2 0 l 3 0 0 l o ：2 1 6 = 2 1 6 1 0 8 1 0 8 确定载荷分布系参考机械力学与机械设计表2 0 1 7 有 数k 髟= 1 根据 眩1 0 0 = o 7 1 8 9 8 1 9 1 0 0 = o 1 4 m s 由机械力学与机械设计， 动载荷系数五，= 1 0 1 直齿传动齿间载荷分配系数k = 1 由机械力学与机械设计，齿向载荷分配系数 座椅式机器人计算机仿真设计 计算项目设计计算与说明计算结果 巧：1 1 4 k = x a k rk 。k 8 = 1 1 0 1 1 1 1 4 = 1 1 5 k = 1 1 5 由机械力学与机械设计 接触疲劳强度寿 z 】= 1 2 ，z 2 ：1 2乙。1 2 命系数z - z ”- 由机械力学与机械设计 接触疲劳强度极 z 2 ：1 2 l m l ：5 4 0 圮 仃i i m l 限仃h l j n l l 仃h l 岫2 ：4 8 0 缉：5 4 0 埘： ：1 仃i i m 2 接接触疲劳强度 ：4 8 0 埘： 盯h h l z l 安全系数翰 k 。 ：品 计算许用触应力 5 4 0 1 2 品：1 k 。1k ：】 =l ：6 4 8 纪 盯h 1 蚰2 z 2 k ：】：品 取 4 8 0 1 2h 】 校核齿面接触疲 =1 劳强度 ：5 7 6 鸠 ：5 7 6 城 盯k 】 = 乙乙廖k 】 满足接触 疲劳强度 2 1 1 5 1 5 9 1 6 6 = 1 8 0 5 2 1 2 0 2 8 5 2 1 2 高校教师硕士学位论文 计算项目 设计计算与说明计算结果 ：5 4 0 屺 见图 1 6 齿轮轴结构仃r 辟 设计和绘制零件叫l 吲 二三爿p 厂_ 一 图 2 1 3 齿轮的精度等级 标准对齿轮及齿轮副规定了1 2 个精度等级，按精度高低依次为卜1 2 级。按 对传动性能的主要影响，将齿轮每个等级的各个公差分成三个组。本设计采用8 级精度( 见表2 3 ) 。 2 1 4 链轮的设计计算 1 选取链轮精度等级及材料 ( 1 ) 选择精度等级 精度等级i i 级：轮齿表面粗糙度见不应大于3 2 u m 。 ( 2 ) 选取链轮材料、热