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机械毕业设计全套
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JX03-220@移动物体检测机器人费春颖,机械毕业设计全套
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09 届毕业论文任务书 二级学院（直属学部）： 无锡技师学院 专业： 机电一体化 班级： 0632 机电 学生姓名 费 春 颖 指导教师 王 明 军 职称 课题名称 移动物体检测报警机器人 课 题 工 作 内 容 智能检测报警机器人的开发与设计，以步进电机作为驱动机构，蜗轮蜗杆装置作为头部旋转机构。完成轴的设计、键的较核、联轴器的选型、步进电机的控制方式。 KC016-1 nts论 文 要 求 两张 A0 图纸 不少于 20 页 A4 纸的毕业论文 进 程 安 排 12 月 10 日至 12 月 17 日收集资料 12 月 18 日至 12 月 25 日完成计算问题 12 月 26 日至 01 月 08 日完成论文 01 月 09 日至 01 月 16 日完成图纸 主要参考文献 1. 肖兴明主编 . 机电控制及自动化 . 中国矿业大学出版社 , 2003 年 2. 唐大放主编 . 机械设计工程学 (2). 中国矿业大学出版社 ,2004 年 3. 王洪欣等编著 . 机械设计工程学 (1). 中国矿业大学出版社 ,2004 年 4. 张建民等编著 . 机电一体化系统设计 (第二版 ). 高等教育出版社 ,2006 年 5. 余梦生 ,吴宗泽主编 . 机械零部件手册 . 机械工业出版社 ,1996 年 6. 阮乃忠主编 . 常用机械电气控制手册 . 福建科学技术出版社 ,2003 年 7. 朱孝录主编 . 齿轮传动设计手册 . 化学工业出版社 2005 年 8. 卜炎主编 . 实用轴承技术手册 . 机械工业出版社 ,2004 年 系主任： 指导教师： 年 月 日 年 月 日 说明：毕业论文任务书由指导教师根据课题的具体情况填写，经系部审核签字后生效。此任务书在毕业论文工作开始前一周内填写并发给学生。 nts CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 毕 业 论 文 题目 ： 移动物体检测报警机器人 二级学院（直属学部）： 无锡技师学院 专业： 机电一体化 班级： 0632 机电（成） 学生姓名： 费 春 颖 学号： 0632101036 指 导教师姓名： 王 明 军 职称： 评阅教师姓名： 职称： 2008 年 01 月 KC020-1 nts 09 届毕业论文开题报告 题 目 移动物体检测报警机器人 专 业 机电一体化 姓 名 费 春 颖 班 级 0632机电（成） 指导教师 王 明 军 起止日期 07.12.10 08.01.18 07年 12月 10 日 KC018-1 nts毕业论文开题报告 （含课题的来源 、 意义 ， 本课题国内外的研究动态、主要论点、论证思路、论文提纲、预期目标、时间安排及参考文献等内容。字数 800 1000字。） 智能机器人是具有感知 ,思维和行动能力的机器 ,是机构学、自动控制、计算机、人工自能、光电技术、传感技术、通讯技术、仿真技术等多种学科和技术的综合成果，它从一个侧面反映了一个国家科技发展的水平。更重要的是 ,作为新一代生产和服务的工具 ,它在国民生产和生活的各个领域都占有更广泛 ,更重要的位置 ,这对于人类开辟新的产业 ,提高生产和生活水平具有十分现实的意义。因此智能机器人技术作为科技技术的一个分 支 ,受到了世界各国的普遍重视。 美国是机器人的诞生地，早在 1962 年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称 机器人王国 的日本起步至少要早五六年。 我国 也 在 “七五 ”计划中把机器人列 入 国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。 本文介绍的智能检测报警机器人初步实现了无人情况下的自主工作方式 ,它结构独特 ,灵活 ,且自备电源 ,由机载单片机进行实时的控制 ,由一个步进电机实现头部系统的驱动，该机的优势在于其局部的自主化和智能化 ,它可以无需人的操控而自 主的进行检测 ,并且在遇到移动物体时能够实时的报警。 该论文涉及轴的设计、键的较核、联轴器的选用、步进电机的设计等。 智能检测报警机器人是智能机器人应用于服务行业的一个代表性的产品 ,它初步实现了无人干预下的局部自主工作方式 ,具有自能化 ,高效性等特点。充分体现了人们对未来高效 ,舒适 ,安全生活的一种要求。 时间安排： 12月 10 日至 12月 17日收集资料 12月 18日至 12月 25日完成计算问题 12月 26 日至 01月 08日完成论文 01月 09 日至 01月 16日完成图纸 参考文献： 1. 张建民等编著 . 机电一体化系统设计 (第二版 ). 高等教育出版社 ,2006年 2. 余梦生 ,吴宗泽主编 . 机械零部件手册 . 机械工业出版社 ,1996年 3. 赵负图主编 . 机电控制集成电路手册 . 化学工业出版社 ,2003年 4. 阮乃忠主编 . 常用机械电气控制手册 . 福建科学技术出版社 ,2003年 5. 朱孝录主编 . 齿轮传动设计手册 . 化学工业出版社 2005年 6. 卜炎主编 . 实用轴承技术手册 . 机械工业出版社 ,2004年 7. 唐大放主编 . 机械设计工程学 (2). 中国矿业大学出 版社 ,2004年 8. 王洪欣等编著 . 机械设计工程学 (1). 中国矿业大学出版社 ,2004年 nts 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见以及课题的可行性进行评价）： 指导教师： 年 月 日 系部意见： 系主任： 年 月 日 注：开题报告作为毕业论文答辩委员会对学生答辩资格审查 的依据材料之一，应在导师的指导下，由学生填写，经导师签署意见及系部审核后生效。 nts CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 毕业论文材料 题目 ： 移动物体检测报警机器人 二级学院（直属学部）： 无锡技师学院 专 业： 机电一体化 班级： 0632 机电（成） 学生姓名： 费 春 颖 学号： 0632101036 指导教师姓名： 王 明 军 职称： 评阅教师姓名： 职称： 2008 年 01 月 注：毕业设计（论文）工作结束后，请将该封面目录中各项材料收齐统一放入学生“毕业设计（论文）资料袋”中。无法放入资料袋中的可另放，但要在备注栏注明存放处。 序号 名 称 数量 备注 1 毕业设计（论文）选题申报表 1 2 毕业设计（论文）任务书 1 3 毕业设计（论文）开题报告 1 4 毕业设计（论文）进展情况记录 1 5 毕业设计（论文）情况登记表 1 6 毕业论文（设计说明书） 1 7 图纸 2 8 其它相关材料 KC022-1 nts移动物体检测报警机器人 第 1 页 共 34 页 目录 第 1 章 . 绪论 . 3 1.1 智能机器人技术发展的重要意义 . 3 1.2 国内外机器人的发展史 . 3 1.2.1 国外机器人的发展历史 . 3 1.2.2 国内机器人的发展历史 . 4 1.3 服务机器人的特点关键技术 . 4 1.4 本论文的主要研究内容 . 5 1.5 本章小结 . 5 第 2 章 .物体检测与报警机器人的总体设计 . 6 2.1 概述 . 6 2.2 主要组成 . 6 2.2.1 头部旋转机构 . 6 2.2.2 主 体部 . 7 2.2.3 电机 . 7 2.3 主要技术参数 . 8 2.4. 电机的选型 . 8 2.4.1 驱动机构的组成 . . 8 2.4.2 步进电机的选型比较 . 9 2.4.3 步进电机的选型计算 . 10 2.5 蜗轮蜗杆传动的选型设计 . 12 2.6 电机的效核 . 15 2.7 轴的较核及联件的选型 . 16 2.7.1. 蜗杆轴的较核 . . 16 2.7.2. 蜗杆轴上轴承的选型 . 20 2.7.3. 蜗轮轴的较核 . . 22 2.7.4. 蜗轮轴上轴承的选型 . 26 2.7.5. 键的较核 . 28 2.7.6. 联轴器的选型 . 28 2.8 本章小结 . 28 第 3 章 . 驱动机构及其控制方式 . 29 3.1. 概述 . 29 3.2 步进电机及其控制系统 . 29 3.2.1 步进电机的工作特性 . . 29 3.2.2 步进电机的开环控制系统 . 31 3.3 本章小结 . 32 结束语 . 32 nts第 2 页 共 34 页 致 谢 . 33 参考文献 . 34 nts移动物体检测报警机器人 第 3 页 共 34 页 第 1 章 . 绪论 本章提要 . 本章从阐述智能机 器人技术发展的意义出发 ,简要地回顾智能机器人的发展历史和当前的技术水平。在此基础上 ,对于智能检测报警机器人这一产品的关键技术 ,以及开发现状 ,也作了进一步介绍。 1.1 智能机器人技术发展的重要意义 智能机器人是具有感知 ,思维和行动能力的机器 ,是机构学、自动控制、计算机、人工自能、光电技术、传感技术、通讯技术、仿真技术等多种学科和技术的综合成果，它从一个侧面反映了一个国家科技发展的水平。更重要的是 ,作为新一代生产和服务的工具 ,它在国民生产和生活的各个领域都占有更广泛 ,更重要的位置 ,这对于人类开辟新的产业 ,提高 生产和生活水平具有十分现实的意义。因此智能机器人技术作为科技技术的一个分支 ,受到了世界各国的普遍重视。 发展智能机器人技术将对一个国家产生巨大的影响，主要集中在以下几个方面： 1. 发展工业智能机器人可以增强一个国家的生产制造能力 2. 发展特种智能机器人可增强国家的可持续发展能力 3. 发展智能机器人技术可以提高国防实力 1.2 国内外机器人的发展史 1.2.1 国外机器人的发展历史 美国是机器人的诞生地，早在 1962 年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称 机器人王国 的日本起步至少要早五六年。经过 30 多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。 纵 观它的发展史，道路是曲折的，不平坦的。 由于美国政府从 60 年代到 70 年代中的十几年期间，并没有把工业机器人列入重点发展项目，只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。对于企业来说，在只看到眼前利益，政府又无财政支持的情况下，宁愿错过良机，固守在使用刚性自动化装置上，也不愿冒着风险，去应用或制造机器人。加上，当时美国失业率高达 6 65，政府担心发展机器人会造成更多人失业，因此不予投资，也不组织研制机器人，这不能不说是美国政府 的战略决策错误。 70 年代后期，美国政府和企业界虽有所重视，但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使日本的工业机器人nts第 4 页 共 34 页 后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。 进入 80 年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速 发展。 尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在： （ 1）性能可靠，功能全面，精确度高； （ 2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首； （ 3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用； （ 4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站 岗及太空探测方面。 1.2.2 国内机器人的发展历史 我国已在 “ 七五 ” 计划中把机器人列 入 国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。 1986年 3月开始的国家 863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内 容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人 。 1.3 服务机器人的特点关键技术 前面主要介绍了本课题的技术平台智能机器人的发展状况 ,在这一节中主要从产品的角度出发 ,介绍智能检测报警机器人所属的服务机器人这一大范畴的特点和关键技术。它对于该产品的设计与开发具有指导性的意义。 智能检测机器人从其产品的功能上划分 ,是属于近年来刚刚兴起的服务机器人的范畴。关于服务机器人的定义目前还并不统一 ;简单地说 ,它是指一种能够自主或半自主运行 ,且为人类健 康 ,安全和设备运行提供服务的智能机器。因此 ,服务机器人存在自身的一些特点 ,主要集中在以下三方面 : (1) 任务要求 .服务机器人的主要职能是自主或半自主地为人类提供服务或安全保障。它涉及到探测 ,报警等多种功能 ,显然其任务具有多样性和灵活性的特nts移动物体检测报警机器人 第 5 页 共 34 页 点。因此 ,为了实现特定的任务 ,服务机器人的开发必须更重视载体尺寸、重量、能量供给、导航、避障等多方面的功能 ,同时配备相应的完成任务的工具。 (2) 工作环境 .机器人的工作环境一般分为两类 :结构化环境和非结构化环境 .工业机器人通常面对的是结构化环境 ,而服务机器人通常在非结构化的环境中工作。 不过在环境中 ,机器人与人或环境设施可能经常发生互动即所谓的突发事件。因此 ,机器人必须具有灵活能力 ;换而言之 ,环境是随时变的。因此 ,服务机器人的工作环境更为复杂 ,受外界的影响 ,干扰更多。 (3) 机械结构 .机械结构通常指机器人的本体结构。任务和工作环境决定了机器人的结构形式。按照其本体结构的运动能力 ,可将服务机器人分为静止式和移动式两类。最常见的服务机器人是移动式的 ,其中以轮式结构最为广泛。 虽然针对不同的应用场合和服务对象 ,服务机器人在形式 ,功能等方面存在着较大的差别 ,但在设计和开发服务机器人的过程中 ,也存 在一些共性的地方服务机器人的关键技术可归纳为以下几个方面 : 环境的表示 环境感知和信号处理 控制系统及其结构 复杂任务和服务的实时规划 适应于作业环境的机械本体结构 研制低功耗 ,长时间工作的功能部件 这些关键技术的发展直接影响到服务机器人作为一个行业的应用前景。虽然以前服务机器人一度被认为是一个几乎不可获利的行业 ,但随着近年来 ,家用服务机器人和娱乐机器人市场开拓所获得的巨大成功 ,人们的观念正在发生变化。美国 ,日本和欧洲的一些大公司也纷纷进入了 服务机器人的市场。 1.4 本论文的主要研究内容 本论文主要以智能检测报警机器人这一产品的设计与开发为中心 ,详细叙述了该产品的各个环节的设计思想 ,设计理念和设计过程。通过将现代智能机器人领域的一些成熟技术应用于实际的产品开发中 ,达到获得直接的 ,感性认识的目的 ;同时也以具体应用为基础 ,对这一领域中的一些焦点的前沿问题作了进一步的研究。整个论文主要阐述了以下两个方面的问题： (1) 智能检测报警机器人系统的总体结构规划和设计 (2) 以步进电机为主要驱动部件的机器人驱动机构的设计 1.5 本章小结 本章以智能检 测报警这一产品的开发为平台 ,阐述了发展智能机器人技术的重要意义 ,并着重介绍了与该产品相关的机器人技术发展。由于智能检测报警机器人从产品的角度出发 ,是属于服务机器人的范畴 ,本章也同时针对服务机器人在开发nts第 6 页 共 34 页 和设计过程中存在的一些共性问题 ,作了进一步的阐述。在此基础上 ,对整个课题的研究内容和设计任务 ,作了具体的规划。 第 2 章 .物体检测与报警机器人的总体设计 本章提要 本章主要介绍了智能检测报警机器人的产品要求 ,功能分析和性能特点。在此基础上提出了该产品的总体原理和具体功能模块的实现思路 ,从而对其形成一个完整的设 计方案。 2.1 概述 随着社会的进步和发展 ,人们的学习和工作越来越繁重 ,于是怎样更大程度地将人们从烦琐的日常事务中解脱出来 ,就成为了新一代服务机器人所追求的目标 ,而智能化正是这一目标的集中体现。 本文介绍的智能检测报警机器人初步实现了无人情况下的自主工作方式 ,它结构独特 ,灵活 ,且自备电源 ,由机载单片机进行实时的控制 ,由一个步进电机实现头部系统的驱动，在头部转动的过程中 ,它通过头部携带的超声波检测装置 ,检测周围的事物 ,当发现有移动物体时便报警 ,达到其看守防盗的目的。该机的优势在于其局部的自主化和智能化 ,它可 以无需人的操控而自主的进行检测 ,并且在遇到移动物体时能够实时的报警。 2.2 主要组成 2.2.1 头部旋转机构 如图 2-1 所示 ,该机构为蜗轮蜗杆传动 ,将蜗杆轴由联轴器直接连接到电机上 ,由步进电机驱动。蜗轮通过轴与机器人头部相连接 ,从而使得蜗轮的转动带动机器人头部的旋转。 nts移动物体检测报警机器人 第 7 页 共 34 页 图 2-1 机器人头部旋转机构 2.2.2 主体部 机器人的底部呈圆盘状采用地脚螺栓将其固定在地上 ,分躯干 ,上端盖 (与颈部一体 )两块直接浇铸出来然后通过螺钉连 接 ,头部同样也分为两个半球直接浇铸出来然后通过螺栓连接在一起。 图 2-2 机器人主体图 2.2.3 电机 选用步进电机 ,由步进电机直接带动蜗杆转动。因为通过控制步进电机的脉冲输入就可直接控制步进电机的转动速度 ,因此选用步进电机较合适 ,脉冲的输入便由单片机控制。 nts第 8 页 共 34 页 2.3 主要技术参数 1.设机器人头部每秒钟转动 6 度 ,因为蜗轮通过轴直接与机器人头部相连 ,所以蜗轮的转速2 1 / minnr,要求蜗轮蜗杆的使用寿命为 25000h ，机器人头部的质量5m kg , 10LFN (包含摩擦阻力 ) 2.机器人的外型尺寸为 :头部直径 20cm ;颈部高 5h cm ,粗 10cm ;躯干40cm 40cm 60cm;底盘大直径 100cm,小直径 60cm,高 40cm 2.4. 电机的选型 驱动机构是智能检测报警机器人的主要执行部件之一 ,它是实现机器人头部转动的物质基础。因此 ,驱动机构的性能直接影响到系统的工作特性和功能的实现 ,具有重要的意义。 2.4.1 驱动机构的组成 . 智能检测报警机器人的驱动机构由以下三部分组成 :(一 ) 核心驱动部件 -步进电机 ; (二 ) 蜗轮蜗杆传动系统 ; (三 ) 机器人头部 图 2-4 驱动机构的组成 其总体工作过程如下 :由单 片机产生一定频率的驱动脉冲信号 ,通过步进电机nts移动物体检测报警机器人 第 9 页 共 34 页 驱动器驱动步进电机 ;步进电机的转动通过蜗轮蜗杆传动 (减速 )带动头部转动 ;从而改变超声波的发射方向 ,起到检测周围运动物体的检测报警功能。 假设由单片机产生的驱动脉冲信号的频率为qf;步进电机驱动器的分频数为K ;步进电机的步距角为 ;蜗轮蜗杆的齿数为 1z 和 2z ;机器人头部的直径为 D ;则整个传动过程可以定量计算如下 : 21zI z (2-1) KZZfIKf qq21 (2-2) 2Dv (2-3) 将式 2-2 代入 2-3 中得 12122qqz DDv f fz K I K (2-4) 其中 v 为机器人头部的线速度 ;I 为蜗轮蜗杆的减速比。 由式 2-4 可以看出 ,机器人的头部转动速度正比于单片机的输出脉冲频率。在实际的系统中 ,由于机器人要检测 移动物体。因此 ,系统的设计速度比较低 ,头部的转速设计为 1 / minnr 。 2.4.2 步进电机的选型比较 步进电机是一种把电脉冲信号转换成角位移的电气机械。其转子的转角与输入的电脉冲数成正比 ,转子的转速与单位时间内脉冲数成正比 ,转矩是由磁阻作用所产生的 ,旋转方向则取决于脉冲的顺序。因此 ,步进电机一定要与脉冲控制联系起来才能运行。 步进电机的主要优点归纳如下 : (1) 步进电机只能在一定脉冲电源供电下才能运行 (2) 步进电机的角位移量与输入脉冲严格成正比 ,因此 ,电机转动 一周后没有累积误差 ,具有良好的跟随性 (3) 由步进电机和驱动控制器组成的开环控制系统 ,既简单又可靠 (4) 步进电机的调速与位置控制性能良好 (5) 步进电机的动态响应快 ,自启动能力强 (6) 输出力矩较大 ,属于力矩型电机 当然 ,步进电机也存在一些缺点 : (1) 效率较低，输入功率有很大一部分转为热能消耗 nts第 10 页 共 34 页 (2) 步进电机存在低频震荡 ,失步和高频失步等缺陷 (3) 步进电机自身噪声和振动较大 2.4.3 步进电机的选型计算 如图 2-4 所示 ,机器人头部转动的阻力 F=10N,转速 1 / minnr ,头部载荷平稳 ,在常温下工作。 (1).选择电动机的容量 电动机所需工作功率为 : wd PP 工作机所需功率为 : 1000w FvP KW 传动装置的总效率为 : 221 2 3 按机械传动和摩擦副的效率概率值表 ,确定各部分效率 :双头蜗杆传动1=0.75,联轴器效率2=0.99,滚动轴承传动效率 (一对 )3=0.99。 所需电动机的功率为 : WFvP d 41.099.099.075.01000 026.0101000 22 因载荷平稳 ,电动机额定功率edP大于dP即可。 (2).计算传动装置的运动和动力参数 0 轴 (电机轴 ) 0 0 .4 1dP P W0 1 5 . 5 / m i nmn n r0000 . 4 19 5 5 0 9 5 5 0 2 5 2 . 6 .1 5 . 5PT N m mn 1 轴 (蜗杆轴 ) WPPP 4.099.099.041.03200101 01011 5 . 5 1 5 . 5 / m i n1nnri nts移动物体检测报警机器人 第 11 页 共 34 页 mmNnPT 5.2465.154.0955095501112 轴 (蜗轮轴 ) WPPP 3.099.075.04.03111212 12121 5 . 5 1 / m i n1 5 . 5nnri mmNnPT 286513.0955095502223 轴 (机器人头部轴 ) WPPP 297.099.03.0222323 23231 1 / m i n1nnri mmNnPT 4.28361297.095509550333表 2 各轴的运动和动力参数 轴名 功率 /PW 转矩 /( . )T N mm 转速/( / min)nr 传动比 i 效率 输入 输出 输入 输出 电机轴 0.41 252.6 15.5 1 15.5 1 0.98 0.74 0.99 蜗杆轴 0.4 0.396 246.5 48.5 15.5 蜗轮轴 0.3 0.297 2865 2836.4 1 机器人头部轴 0.29 0.287 2836.4 2807.99 1 由于要求机器人的头部转速为1 6/ns，所以根据蜗 轮蜗杆的传动比可算出步进电机的转速 sn 935.1562 根据电机的转速 ,可以选择步距脚为 3 的步进电机 ,每秒钟给 31个脉冲 ,这样就可以达到电机的需求转速。 再根据上面所算的数据 ,故可选择 70BF003 磁阻式步进电机。其数据见下表： 型号 相数 额定电 压 静态电 流 步距角 最大静转矩 空载启动频 率 质量 nts第 12 页 共 34 页 70BF003 3 27V 3A 3/1.5 0.882N.m 1600PPs 1.2kg 2.5 蜗轮蜗杆传动的选型设计 (1) 初步选型 根据表 34.1-13 圆柱蜗杆蜗轮参数的匹配 (摘自 GB/T10085-1988). 初选 ZA 型蜗杆 ,其中心距 60a mm ;传动比 15.5i ;模数 2.5m ;蜗杆分度圆直径1 25d mm;蜗杆头数1 2Z;蜗轮齿数2 31Z ;蜗轮变位系数2 0x ;蜗轮分度圆直径2 1 22 2 9 5d a d x m m m ;蜗杆直径系数1 / 1 0q d m由1z和 q 查表 34.1-15 得 11 18 36 o Q 蜗轮的转矩 2122 /2/1/2/1 ZZFnvFT LmL 又 Q 1LFN;1 2z ;2 31z 2 3.T N m (电机选型中计算得 ) 选择蜗杆材质 40cr,淬火硬度 45HRc;蜗轮圈材质 ZcuSn10Pb1 金属模铸造 ,在表 34.1-21 中查得 220H P b M P a Q smndvvs 1.0c o s106/c o s/ 4111 查表 34.1-8 得 1.0sZ 71 105.7250005.15/5.156000/6000 hinN 从图 34.1-9 查得 N 7105.7 时 1.35nZ 其许用接触应力为 M P aZZ nsH PbHP 2 9 735.10.12 2 0 注 : sZ:滑动 ”速度 ”影响系数 ; nZ:寿命系数 (2) 接触强度验算 确定 K 值 sv 0.1 /ms1 1Knts移动物体检测报警机器人 第 13 页 共 34 页 取 7 级精度 2 1K取 100%JC 3 1K( 图 34.1-6 ) 取 30C 4 1K( 表 34.1-18 ) 工作平稳 5 1K( 表 34.1-19 ) 154321 KKKKKK M P adKTdH 25/3195/15150/15150 122 M P aM P a 83.5335.04.155 接触强度足够 (3) 弯曲强度验算 确定2Y和FP2 0.410Y(表 34.1-24); 1.0NY(图 34.1-9); 50FPb M Pa (表 34.1-23); M P aY NF PbFP 500.150 2 1 2 22 0 0 0 / ( c o s )F K T d d m Y31.11cos41.05.29525/(312000 ) 2 . 5 5 0M P a M P a = 弯曲强度足够 (4) 该蜗杆传动 (轴交角 90 )的几何尺寸计算 表 1 蜗杆蜗轮几何尺寸 名称 代号 公式 结果 中心距 a 1 2 2( 2 ) / 2a d d x m 60mm 蜗杆头数 1z 由实际需要确定 2 nts第 14 页 共 34 页 蜗轮齿数 2z 21z iz 31 齿行角 a 20xa 或 20na 20 模数 m c o snx mmm 2.5mm 传动比 i 12/nn 15.5 蜗轮变位系数 2x 122 c o sddax m 0 蜗杆直径系数 q 1 /q d m 10 蜗杆轴向齿距 xP xPm 7.9mm 蜗杆导程 zP 1zP mz 15.7mm 蜗杆分度圆直径 1d 1d mq 25mm 蜗杆齿顶圆直径 1ad *1 1 1 122aaad d h d h m 30mm 蜗杆齿根圆直径 1fd *1 1 1 12 2 ( )f f ad d h d h m c 19mm 顶隙 c *c cm 0.5mm 渐开线蜗杆基圆直径 1bd 11t a n / t a nbbdd 11.9mm 蜗杆齿顶高 1ah *1aah h m 2.5mm 蜗杆齿根高 1fh *1 ()fah h c m 3mm 蜗杆齿高 1h 1 1 1afh h h 5.5mm 蜗杆导程角 11tan /mz d 111836 蜗杆齿宽 1b 1 1 2121 . 2 ( 1 2 0 . 1 )3 . 4 ( 1 3 0 . 1 )z b z mz z m 2时 ，时 ， b40mm nts移动物体检测报警机器人 第 15 页 共 34 页 蜗轮分度圆直径 2d 2 2 1 222d m z a d x m 95mm 蜗轮齿顶圆直径 2ad 2 2 22ad d ha 100mm 蜗轮齿根圆直径 2fd 2 2 22fd d hf 89mm 蜗轮齿顶高 2ah *22()aah m h x 1.25mm 蜗轮齿根高 2fh *22()fah m h x c 4.25mm 蜗轮齿高 2h 2 2 2afh h h 5.5mm 蜗轮齿宽 2b 210.65 abd 19.5mm 蜗轮齿厚 1s 按蜗杆节圆处轴向齿槽宽 ex确定 2.6 电机的效核 该伺服系统执行元件输出轴所承受的等效负载转矩为 meqT,等效惯量转矩为 T惯,则电 机轴上的总负载转矩为 : meqT T T 惯考虑到机械的总传动效率 时 ,则 meqT T T 惯（ ） /蜗轮轴的惯量 : 2232111 )015.0(06.0)2015.0(14.31085.74141 RmJ 25 .106.0 mkg 蜗轮的惯量 : 22 2 214J m R 23 .1015.0 mkg 蜗杆轴的惯量 : 2333 41 RmJ 24 .1078.0 mkg 所以 23321 .10234.0 mkgJJJJ 总即等效转动惯量为 : 23 .10234.0 mkgJJ 总惯nts第 16 页 共 34 页 则 : mmNT .4.0惯由于总传动效率为 0.75，所以 : ( 2 5 5 0 . 4 ) / 0 . 7 5 3 4 0 . 5 .meqT T T N m m 惯（ ） /若选用 75BF003 反应式步进电机 ,其最大静转矩m a x 8 8 2 .jT N m m。当采用三相六拍通电方式 ,为保证带负载能正常启动和定位停止 ,电动机 的启动和制动转矩qT应满足下列要求 : qTT 查表 3.7 可知m a x/ 0 .8 7qjTT , mmNTq .34.767。因为qTT ,故该电机可以使用。 2.7 轴的较核及联件的选型 2.7.1 蜗杆轴的较核 (1) 求蜗杆轴上的转矩 2 5 0 .T N m m蜗 杆(2) 求作用在蜗杆 上的力 圆周力tF,径向力rF,轴向力aF的大小如下： NdTFt 20025.025.02211 NFFntr 4.7c o st a n NFFta 95.3ta n (3) 确定轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢 ,调质处理，初估轴的最小直径，查表取 115A 可得 mmnPAd 4.35.150004.0115 3311m i n 所以取 10d mm nts移动物体检测报警机器人 第 17 页 共 34 页 图 2-5 蜗杆轴的结构图 (4) 轴的强度较核 1 求轴的载荷 首先根据轴的结构图作出轴的计算简图 (见图 2-6)，轴的支承跨距 120L mm 。 根据轴的计算简图作出轴的弯矩图 ,扭矩图和当量弯矩图 (见图 2-6)。从轴的结构图和当量弯矩图中可 以看出 ,C 截面的当量弯矩最大 ,是轴的危险截面。 C 截面处的HM,VM,M ,T 及caM的数值如下： 支反力 水平面 1 20 1022tH FRN 2 10HRN垂直面 1 7 . 4 52aV a r rFdR M F F N 21 0 . 0 5V r VR F R N 弯矩HM和VM水平面 mmNRM HH .60060 1 垂直面 mmNRMVV .44760 1 合成弯矩 M 22 7 4 8 . 2 .HVM M M N m m 扭矩 T T=250 .Nmm 当量弯矩caMmmNMca .1.763nts第 18 页 共 34 页 图 2-6. 轴的计算简图 2 较核轴的强度 轴的材料为 45钢 ,调质处理，由表 4-1查得 26 5 0 /B N m m 则 0 .0 9 0 .1B,nts移动物体检测报警机器人 第 19 页 共 34 页 即 25 8 6 5 /N m m 。取 2 6 0 /N m m ，轴的计算应力为 : 23 /56.1171.01.763 mmNWM caca 根据计算结果可知 ,该 轴满足强度要求。 (5)精确较核轴的疲劳强度 1 判断危险截面 危险截面应该是应力较大 ,同时应力集中较严重的截面。从受载情况观察 ,截面C 上的caM最大 ,但应力集中不大 ,而且这里的轴径最大 ,故截面 C 不必较核 ,从应力集中对轴的疲劳强度削弱程度观察 ,截面 4 的应力集中最严重且受扭矩的作用 ,分析可知危险截面为 4 截面 (左侧 )。 2 计算危险截面应力 截面左侧弯矩 M 为 mmNM .4.2 4 91 2 0 20602.7 4 8 截面上的扭矩 T 为 2 5 0 .T N m m 抗弯截面系数 333 5.3 3 7151.01.0 mmdW 抗扭截面系数 333 675152.02.0 mmdW T 截面上的弯曲应力 22 4 9 . 4 0 . 7 4 /3 3 7 . 5b M N m mW 截面上的扭转剪应力 2250 0 . 3 7 /675TT N m mW 弯曲应力幅 20 . 7 4 /ab N m m弯曲平均应力 0m扭转切应力的应力幅与平均应力相等 ,即 20 . 3 7 0 . 1 8 5 /22am N m m 3 确定影响系数 轴 的 材 料 为 45 钢 , 调 质 处 理 ， 由 表 4-1 查得 26 0 0 /B N m m , 21 2 7 5 /N m m , 21 1 4 0 /N m m 。 nts第 20 页 共 34 页 轴肩圆角处的有效应力集中系数 k,k，根据 / 1 / 1 5 0 . 0 6 7rd , / 1 7 / 1 5 1 . 1 3Dd ,由表 4-5,经插值后可得 1.58k , 1.25k 。 尺寸系数,，根据轴截面为圆截面查图 4-18 得 0.88 , 0.9 。 表面质量系数,，根据 26 0 0 /B N m m 和表面加工方法为精车 ,查图 4-19,得 0 .8 8。 材料弯曲 扭转的特性系数,，取 0.1 , 0.05 由上面结果可得 2.23501.074.058.1 2751 makS 1.582185.005.0185.025.1 1401 makS 22 2 1 8 . 1caSSSSS查表 4-4 中的许用安全系数 S值 ,可知该轴安全。 2.7.2 蜗杆轴上轴承的选型 根据蜗杆轴的轴径 初选深沟球轴承型号为 : 轴承代号 基本尺寸 /mm 安装尺寸 /mm 基本额定载荷/KN 极限速度( / min)r 质量 kg 61802 d=15 D=24 B=5 minmaxmax17220.3aaasdDr2.11.3rorCC22000 0.008 其中 Y=2.3,e=0.19 1. 计算轴承的支反力 (1). 水平支反力 12 20 1022tHH FR R N (2). 垂直支反力 nts移动物体检测报警机器人 第 21 页 共 34 页 1 ( 6 0 0 . 5 ) / 1 2 0V r m aR F d F 3.3N2 3.3VRN(3). 合成支反力 221 1 1 1 0 . 5HVR R R N 2 10.5RN图 2-7. 轴承受力图 2. 轴承的派生轴向力 由式 5-9 可得 : NYRS 3.23.22/5.102/11 NYRS 3.23.22/5.102/22 3. 轴承所受的轴向载荷 nts第 22 页 共 34 页 因 2 2 13 . 9 5 2 . 3 6 . 2 5aaK S F S N S 由式 5-10 1 2 2 3 . 9 5 2 . 3 6 . 2 5aaA K S F S N 222 .3A S N4. 轴承的当量动载荷 1 因11/ 6 . 2 5 / 1 0 . 5 0 . 6 0 . 1 9A R e 查表 5-12 110 .5 6 , 2 .3XY由式 5-7 得 NAYRXP r 3.2025.63.25.1056.011111 2 因22/ 2 . 3 / 1 0 . 5 0 . 2 1 0 . 1 9A R e 查表 5-12 110 .5 6 , 2 .3XY由式 5-7 得 NAYRXP r 17.113.23.25.1056.022222 5. 轴承寿命 因12rrPP，故应按1rP计算 ,由表 5-9,表 5-10,查得 1, 1ptff。按式 5-5 得 hpfcfnL rp rth 9310631016 108.4)3.20121001(5.156010)(6010 故可得该轴承绝对满足要求。 2.7.3 蜗轮轴的较核 . 1. 蜗轮轴上的转矩为 2 8 6 5 .T N m m 2. 求作用在蜗轮上的力 3 . 9 5taF F N 20atF F N 7 .4rrF F N 3 确定轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢 ,调质处理，按式 4-2 初估轴的最小直径。查表取 115A ，nts移动物体检测报警机器人 第 23 页 共 34 页 可得 mmnPAd 7.710003.0115 3322m i n 所以取 10d mm 图 2-8. 蜗轮轴的结构图 4. 轴的强度较核 1 求轴的载荷 首先根据轴的结构图作出轴的计算简图 .轴的支承跨距 40L mm . 根据轴的计算简图作出轴的弯矩图 ,扭矩图和当量弯矩图 (见图 2)，从轴的结构图和当量弯矩图中可以看出 ,C 截面的当量弯矩最大 ,是轴的危险截面。 C 截面处的HM,VM,M ,T 及caM的数值如下： nts第 24 页 共 34 页 支反力 水平面 1 3 . 9 5 1 . 9 7 522tH FRN 2 1.975HRN垂直面 1 8 . 3 52aV a r rFdR M F F N 21 0 . 9 5V r VR F R N 弯矩HM和VM水平面 mmNRM HH .5.3920 1 垂直面 mmNRMVV .16760 1 合成弯矩 M 22 1 7 1 . 6 .HVM M M N m m 扭矩 T T=2865 .Nmm 当量弯矩caMmmNTMMca .5.172722 2 较核轴的强度 轴的材料为 45钢 ,调质处理，由表 4-1查得 26 5 0 /B N m m 则 0 .0 9 0 .1B,即 25 8 6 5 /N m m 。取 2 6 0 /N m m ，轴的计算应力为 : 23 /22.4171.05.1727 mmNWM caca 根据计算结果可知 ,该轴满足强度要求。 5. 精确较核轴的疲劳强度 1 判断危险截面 危险截面应该是应力较大 ,同时应力集中较严重的截面。从受载情况观察 ,截面C 上的caM最大 ,但应力集中不大 ,而且这里的轴径最大 ,故截面 C 不必较核 ,从应力集中对轴的疲劳强度削弱程度观察 ,截面 4 的应力集中最严重且受扭矩的作用 ,分析可 知危险截面为 4 截面 (左侧 )。 2 计算危险截面应力 截面左侧弯矩 M 为 mmNM .9.4240 10206.1 7 1 截面上的扭矩 T 为 2 8 6 5 .T N m m nts移动物体检测报警机器人 第 25 页 共 34 页 抗弯截面系数 333 5.3 3 7151.01.0 mmdW 抗扭截面系数 333 675152.02.0 mmdW T 截面上的弯曲应力 24 2 . 9 0 . 1 3 /3 3 7 . 5b M N m mW 截面上的扭转剪应力 22865 4 . 2 5 /675TT N m mW 弯曲应力幅 20 . 1 3 /ab N m m弯曲平均应力 0m扭转切应力的应力幅与平均应力相等 ,即 24 . 2 5 2 . 1 2 5 /22am N m m 3 确定影响系数 轴 的 材 料 为 45 钢 , 调 质 处 理 ， 由 表 4-1 查得 26 0 0 /B N m m , 21 2 7 5 /N m m , 21 1 4 0 /N m m 。 轴肩圆角处的有效应力集中系数 k,k，根据 / 1 / 1 5 0 . 0 6 7rd , / 1 7 / 1 5 1 . 1 3Dd ,由表 4-5,经插值后可得 1.58k , 1.25k 。 尺寸系数,，根据轴截面为圆截面查图 4-18，得 0.88 , 0.9 。 表面质量系数,，根据 26 0 0 /B N m m 和表面加工方法为精车 ,查图 4-19,得 0 .8 8。 材料弯曲 ,扭转的特性系数,，取 0.1 , 0.05 。 由上面结果可得 9.133801.013.058.1 2751 makS 7.50125.205.0125.225.1 1401 makS nts第 26 页 共 34 页 22 5 0 . 7caSSSSS查表 4-4 中的许用安全系数 S值 ,可知该轴安
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