喷涂机器人设计—机身系统设计

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 37 页1 引言1.1 喷涂机器人的概述喷涂机器人是一种典型的涂装自动化装备。使用机器人进行喷涂作业，工件涂均匀，重复精度好，工作效率高，能使工人从恶劣的工作环境中解放出来。喷涂机器人广泛应用于机床、汽车、家电等机电一体化产品制造领域,可以大大提高生产率、改善产品质量, 能够降低生产成本、改善劳动条件,能迅速适应快速变化的市场需求1。因此，喷涂机器人在制造业中的应用越来越得到人们的重视。从1962年美国研制出第一台工业机器人以来，工业机器人至今已经走过了4O多年的历程。由于喷涂作业属于有害作业，这些作业的劳动强度大，技术水平要求高，并且手工喷涂人员会因技术、体力等因素造成产品质量缺陷，因此为了改善劳动条件和提高产品质量产量降低成本，这个领域中大量地使用了机器人 2。1.2 喷涂机器人的应用西方发达国家90年代以来汽车喷涂中的各喷涂工序普遍实现了自动化，随着科技的发展，近十年机器人在工业现场已呈现出广泛使用的趋势。由于使用机器人喷涂均匀性好，重复精确度远远高于人工，因此避免了手工喷涂人员因技术、情绪、体力等因素造成的产品质量缺陷，使工件喷涂质量有了根本性的保障。由于喷涂作业属于有害作业，采用机器人作业可大大降低工人的劳动强度，提高生产效率，同时由于机器人在喷涂过程中流量、扇面、雾化的大小均可随时调整，可大大减少油漆的损耗，提高油漆的利用率。对于塑料工件需要先期进行火焰处理，高温环境作业危险性大，采用机器人完成工件的火焰处理不失为一个好方法 3。随着机器人与电控技术的提高，机器人喷涂以其灵活、喷涂轨迹自由以及涂装质量高等优点，受到各大汽车厂家的青睐，并被逐渐应用于车身喷涂。机器人喷涂漆膜性能的提高很大程度上取决于仿真车身的喷涂轨迹，这也决定了不同的车型必须对机器人喷涂轨迹进行仿真，为此研究出了机器人仿形技术。随着我国建筑业的发展，针对建筑涂装机器人的特点，设计了基于嵌入式结构的智能测控系统，现场实验表明，具有较强的抗干扰能力和电磁兼容性，适合在强干扰环境下长期稳定可靠工作 4。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 37 页1.3 喷涂机器人发展趋势新一代涂装机器人的设计贯彻了模块化结构的原则，机器人可以配备不同的连接装置，这样既能够以固定方式工作也可以安装在轨道上工作。轨道可以固定在喷涂室侧壁上，也可以固定在靠近天花板的位置。如果把喷涂机器人的雾化喷枪改成操作夹具，就成为操作开门的机器人了，因为两种机器人的驱动系统是一样的。机器人喷涂时的空间占有面积将更进一步降低，减小喷漆室的尺寸和通风量，进而降低生产过程中的能源消耗。总之， 一切以降低生产成本、节约能源和保护环境为目的。未来的机器人将具有更优异的运动学性能和加速度性能、更大的工作范围、更小的占地面积及更加灵活手臂 5。喷涂机器人工作臂的运动方式可以选择装配成两轴或三轴的。双轴的机器人配合高速旋转的喷枪，以旋转对称的运动方式工作，这样能减少一个驱动轴，减轻重量、简化设计。1.4 课题研究意义纵观50余年来喷涂机器人对人类生活的改变所做出的贡献，其对于提高劳动效率、减轻工人的作业危险、美化人类的视觉等方面均起到了不小的作用。如今喷涂机器人的应用越来越广泛，需求也越来越大，再加上其经济性也随着科技的进步而愈发突出，所以对涂装机器人的研究是相当有意义的。利用这次毕业设计的机会，通过对喷涂机器人的总体尤其是机身系统的设计，可以对大学四年的所学各门课程做一次很好的总结。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 37 页2 喷涂机器人的总体设计根据设计要求，该机器人具有5个自由度，采用步进电机驱动，工作负载重量2 kg，各部件的运动范围为：机身110；下臂前俯30,后仰10；上臂俯仰30；腕转110；腕摆110，工作空间为 26001200900 ，重复定位精度3m36。2.1 喷涂机器人坐标系的确定(1)直角式坐标机器人：直角坐标机器人概念：工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度间成空间直角关系、多用途的操作机。他能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。关于机器人的定义随着科技的不断发展，在不断的完善，直角坐标机器人作为机器人的一种，其含义也在不断的完善中。 直 角 坐 标 机 器 人 的 特 点a 最 高 达 到 三 个 线 性 运 动 自 由 度 的 运 动 ， 每 个 运 动 自 由 度 之 间 的 空 间 夹 角 为直 角 ；b 自 动 控 制 的 ， 可 重 复 编 程 ， 所 有 的 运 动 均 按 程 序 运 行 ；c 一 般 由 控 制 系 统 、 驱 动 系 统 、 机 械 系 统 、 操 作 工 具 等 组 成 。d 可 以 适 合 于 比 较 大 的 、 四 方 形 的 工 作 空 间 内 工 作 。e 相 比 其 他 工 业 机 器 人 ， 承 重 能 力 可 以 达 到 比 较 高 。f 框 架 结 构 的 设 计 适 合 于 模 块 化 系 统 的 实 现 。(2)球（极）坐标式机器人：球 坐 标 是 一 种 三 维 坐 标 。 分 别 有 原 点 、 方 位 角 、 仰 角 、 距 离 构 成 。 设P（ x， y， z） 为 空 间 内 一 点 ， 则 点 P 也 可 用 这 样 三 个 有 次 序 的 数 r， ， 来确 定 ， 其 中 r 为 原 点 O 与 点 P 间 的 距 离 ， 为 有 向 线 段 与 z 轴 正 向 所 夹 的 角 ， 为 从 正 z 轴 来 看 自 x 轴 按 逆 时 针 方 向 转 到 有 向 线 段 的 角 ， 这 里 M 为 点 P 在xOy 面 上 的 投 影 。 这 样 的 三 个 数 r， ， 叫 做 点 P 的 球 面 坐 标 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 37 页图 2.1 球坐标机器人工作空间(3)圆柱坐标式机器人：圆柱坐标型机器人。包括上下圆盘的旋转台相对于包括上下固定板的框架 旋转。丝杠和导杆安装在上下圆盘上。第一螺母总成安装到丝杠。第二螺母安装 到导杆，第一螺母总成和第二螺母安装在移动件上。轴结构包括：具有纵向空腔的内轴，外轴和一中间轴，它们与内轴同心并可分开地旋转。设有一对臂驱动轴的臂支撑框架安装在轴结构上。设有第一、第二和第三驱动装置，相对于框架旋转台，相对于旋转台旋转丝杠，并相对于旋转台旋转各轴。(4)关节式坐标机器人：这类机器人由两个肩关节和一个肘关节进行定位，由 2 个或 3 个腕关节进行定向。这种构件动作灵活，工作空间大，在作业空间内手臂的干涉最小，结构紧凑，占地面积小，关节上相对运动部位容易密封防尘，这类机器人运动学较复杂，运动学反解困难；确定末端件的位姿不直观，进行控制时，计算量比较大 6。现在喷涂机器人绝大多数使用的是关节式坐标结构，通过对以上 4 种形式的机器人的分析，关节式机器人由于其动作的灵活性、工作空间大、结构紧凑、占地面积小、关节部位容易密封防尘的优点，所以决定采用这种结构形式。本方案设计的喷涂机器人只需 5 个自由度就能满足要求，分别是：机身110；下臂前俯 30,后仰 10；上臂俯仰30；腕转110；腕摆110。2.2 工作空间的设计图 2.2 是机器人工作空间的示意图，图中， 、 分别为大臂、小臂的长度；1l2、 分别为大臂的仰俯角度； 、 分别为小臂的仰俯角度。1minax 2minax根据工作空间的范围：长宽高=26001200900 ，结合示意图 2.2 可3m 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 37 页以得到以下关系式：2( )=2600 （2-121+21）+ =900 （2-2）1cos12sin(1+2)+2sin(2+2) 1cos1( + ) (1+ )=1200 （2-1sin12 sin(113） 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 37 页图 2.2 喷涂机器人工作空间示意图由于 =10， =30， =30， =30，将数据代入上述关系式1min1max2min2max可以求解得到：取整得 1=11002=12002.3 驱动方式的确定机器人驱动就是机电一体化系统中的执行装置。执行装置就是按照电信号的指令,将来自电、液压和气压等各种能源转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置。按利用的能源来分类,主要可分为电动执行装置、液压执行装置和气动执行装置。a 直接驱动电机:优点:不用齿轮减速器直接驱动,因此具有无间隙、摩擦小、机械刚度高等优点,可以实现高速、高精度的位置控制和微笑力控制。缺点:因为没有减速机构,所以容易受载荷的影响。种类：直流力矩电机 无刷直流电机 VR 式电机等b 液压驱动的特点: 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 37 页优点:(1)容易获得比较大的扭矩和功率。(2)功率/重量比大,可以减少执行装置的体积。(3)刚度高,能够实现高速、高精度的位置控制。(4)通过流量控制可以实现无级变速。缺点:(1)必须对油的温度和污染进行控制,稳定行较差。(2)有因漏油而发生火灾的危险。(3)液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间大。c 气动驱动的特点:优点:(1)利用气缸可以实现高速直线运动。(2)利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制(3)无火灾危险和环境污染。(4)系统结构简单,价格低。缺点:(1)由于空气的可压缩性,高精度的位置控制和速度控制都比较难,驱动刚性比较差。(2)虽然撞停等简单动作速度较高,但在任意位置上停止的动作速度很慢。(3)噪音大。 由于直流电机换相器经常维护,电刷极易磨损,必须经常更换,噪音比较大。交流伺服电动机则一般驱动功率较大且价额昂贵。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。即当步进驱动器接受到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角).优点:控制较容易,维修也较方便,而且控制为数字化。基于此，选择用步进电动机作为涂装机器人的驱动方式 7。2.4 传动方式的确定1) 齿轮传动:具有响应快，扭矩大，刚性好，可实现旋转反方向的改变和复合传动的特点,轴间距不大,应用腰、腕关节。2) 链传动:具有速比小，扭矩大，刚度与张紧装置有关的特点,轴间距大,应用腕关节。3) 涡轮传动:具有大速比，交错轴，体积小，回差小，响应快，刚度好，转矩大，效率低，发热大的特点,轴间交错不大,应用腰关节，手爪机构。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 37 页4) 齿形带传动:具有速比小，转矩小，刚性差，无间隙的特点,轴间距大,应用各关节的一级传动。5) 链传动: 具有速比小，扭矩大，刚度与张紧装置有关的特点,轴间距大, 应用腕关节。根据对以上各种传动方式的特点和应用场合等分析，针对喷涂机器人，机身的转动采用两级齿轮传动；大臂和小臂的摆动采取步进电机驱动滚珠丝杠来实现；腕部的转动通过一级链传动和一级锥齿轮传动来实现；腕部的摆动直接通过两级链传动来实现。为减轻自重，将小臂电机装在大臂伸出板上，同时将腕部的电机安装在大臂的底部以降低重心。2.5 平衡方式的选择得到采用弹簧平衡方法，其能够减小手把手示教负载，也减小大、小臂驱动电机的工作负载。结构简单，减小占地面积。下图是喷涂机器人的总体装配示意图：1-机身 2-小臂驱动电机 3-大臂 4-腕部驱动电机 5-小臂6-机身驱动电机 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 37 页图 2.3 喷涂机器人总体装配示意图3 机身的设计3.1 步进电机的选择3.1.1 步进机选择的注意事项1) 一般应选用力矩比实际需要大百分之五十到百分之百的步进电机，因为步进电机不能过负载运行，即便是瞬间过载都可能造成失步、停转或不规则原地来回作动。 2) 上位控制器输入的脉冲电流必须够大（一般要10mA） ，以确保光电耦合器稳定导通，否则会导致步进电机失步；如果输入脉冲频率过高，会因个别脉冲接收不到，导致步进电机失步。3) 启动频率不应太高，应在启动程序中设置加速过程，即从规定的启动频率开始，加速到设定频率，否则就可能不稳定，甚至处于惰态。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 37 页4) 电机如果未固定好，造成强烈共振，也会导致步进电机失步。5) 应了解步进电机的固有弱点：输入脉冲频率过高，易导致丢步；输入脉冲频率过低，易出现共振；转速偏高时扭矩降低明显。6) 应了解最新型步进电机的性能，必要时选用采用了最新控制技术的高级步进电机系统，高级系统既可以使步进电机在高速状态下减少共振，还能运用减少步进电机反电动势的技术，增加电机在高速状态下的扭矩 8。图 3.1 传动示意简图3.1.2 步进机的选择M = M +M (3-1)惯 摩M 为惯性力矩，M 为摩擦力矩。惯 摩M = (3-2)惯 tI大 小 启令 =0.5s, =1.05rad/s10t启由同组计算得出：I 大=5.53kg. ，m =20kg2 大I 小=7.65kg ，m =30kg.2 小大臂转动惯量, 小臂转动惯量大 I小m 为大臂质量, m 小臂质量大 小 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 37 页代入公式（3-2）得：M =26.36N.m惯M =0.1 M (3-3)摩代入公式（3-1）得：M=29.3N.m即 T 输出=29.3N.mM 电机=M/ 传动比为 =14.65=1.4 1 2=4.5， 3.21 2=1 轴（高速轴）： (3-4)1=001=电 机2 轴（中间轴）： 2=11123 轴（低速轴）： 3=2223=29.3得出 1=电 机 =2.085.， 2=9.27.表 3.1 下面是一些常州市新月电机有限公司的步进电机型号 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 37 页图 3.2 步进电机外形简图综合考虑步进电机的转距和尺寸，选择步进电机为 86BYG3501 型号 11 T=2.5N.m。即 1=2.5.由（3-4）再次计算得出：,1=4.2 2=3=30.74N.mM 满足条件2=10.37.， 33.1.3 各轴转速（3-5）1=0式中 电动机满载转速 r/min； 电动机轴至 1 轴的传动比。 0高速轴： r/min1=21=304.2=126中间轴： r/min2=32=103=30低速轴： r/min3=w602=103.1.4 各轴转矩（3-6）1=001将参数代入（3-6）得高速轴： = =2.5 1 =2.5N m10001 1 中间轴： = =2.5 4.2 =10.37N m21112 0.988 低速轴： = =10.37 3 =30.74N m32223 0.988 3.1.5 制作参数表将上述计算结果列入表中，供以后设计计算使用 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 37 页表 3.2 传动装置的运动和动力参数表轴 转矩 T( ) 转速 n(r/min)电动机轴 2.5 1261 轴（高速轴） 2.5 1262 轴（中间轴） 10.37 303 轴（低速轴） 30.74 103.2 齿轮的设计计算3.2.1 高速齿轮的设计与计算a.选择齿轮的类型、材料、精度和齿数（1）按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。（2）大小齿轮材料采用 45 钢调质处理，硬度为 HBS217-255，可以提高大齿轮齿面的疲劳（3）精度选择 7 级精度。（4）选择小齿轮齿数 ，则 1=20 2=1=4.2*20=84b.按齿面接触疲劳强度计算根据以下设计公式进行计算：（3-7）12.32311 ()2（1）确定上式中的各参数 试选载荷系数 ；=1.3 小齿轮传递的扭矩为： 1=2. 查设计手册:选齿宽系数 ；=0.6弹性影响系数 ；=189.8 查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限为 1=730 ， 2=670 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 14 页 共 37 页 重合度系数 ，端面重合度 （3-8）=1.88-3.32(120+184)cos00=1.677（3-= 4-3 = 4-1.6773 =0.889） 计算应力循环次数次 1=601=601261(300108)=1.8108次 2=1.81084.2=0.43108 查设计手册，得接触疲劳寿命系数 ；1=1.12， 2=1.21 计算接触疲劳许用应力：取安全系数 ，则=11=11 =1.12730=817.62=22 =1.21670=810.7（2）计算 将 中的较小的值代入公式（3-7）得12.32311 ()2=2.3231.325000.6 5.23.2(189.80.88810.7)2= 16.52 计算小齿轮分度圆圆周速度 v= 11601000=16.52126601000=0.11（3-10） 计算齿宽 b （3-11）=1=0.616.52=9.91 计算齿宽和齿高之比 b/h （3-12）模数 =11=16.5220=0.83 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15 页 共 37 页齿高 （3-13）=2.25=2.250.83=1.87=9.91/1.87=5.3 计算载荷系数查设计手册，由 ，7 级精度得=0.11 =1.05.25 =1 =1 =1.25=1.17（3-14） 载 荷系数 =11.051.251.25=1.64 按实际载荷系数修正 ，11=13=15.3131.641.3=16.54（3-15） 计算模数 m（3-16）=11=16.5420=0.83c.按齿根弯曲疲劳强度设计设计公式为（3-17）32121( )（1）确定设计公式中的参数 查设计手册，得大、小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ； 1=620 ， 2=570 查设计手册，得弯曲疲劳寿命系数 ；1=0.915， 2=0.96 计算弯曲疲劳许用应力：取安全系数 S=1.4 则1=11 =0.9156201.4 =405.2 2=22 =0.965701.4 =390.86 计算载荷系数 K=11.0511.17=1.755 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 16 页 共 37 页 查设计手册，得齿形系数 ；1=2.8， 2=2.2 查设计手册，得应力校正系数 ；1=1.55， 2=1.78 计算重合度系数 ；=0.25+0.75=0.25+0.751.677=0.7 计算大、小齿轮 的值()111=2.81.55405.2=0.011222=2.21.78390.86=0.01（2）计算齿轮模数设计公式（3-17）中代人 中的较大值，得()32121( )=321.7552.51030.6202 0.011=0.74由计算结果可看出，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 略大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，但由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径有关，所以，可取由弯曲强度计算得的模数 0.74，并就近圆整为标准值 m=1 mm。因按接触强度算得的分度圆直径 ，这时需要修正齿数1=16.541=1=16.541 =16.54，取 1=17则 2=1=4.217=71.4，取 2=72d. 几何尺寸计算（1）计算分度圆直径1=1=117=171取 202=2=172=72（2）计算中心距=12(1+2)=12(20+72)=46（3）计算齿轮宽度 =1=0.620=10.8 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 17 页 共 37 页取 2=12， 1=2+5=17e按齿根弯曲疲劳强度校核，根据式（9-8a ）250N1tTFd653MPa =810.7MPa12.5tHEKFuZbH3.2.2 低速级齿轮传动的设计计算a.选择齿轮的类型、材料、精度和齿数（1）按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。（2）大小齿轮材料采用 45 钢调质处理，硬度差为 40HBS 可以提高大齿轮齿面的疲劳。（3）精度选择 7 级精度。（4）选择小齿轮齿数 ，则 1=28 2=1=328=84b.按齿面接触疲劳强度计算根据以下设计公式进行计算：12.32311 ()2（1）确定上式中的各参数 试选载荷系数 ；=1.3 小齿轮传递的扭矩为： 30.74 3= 查设计手册:选齿宽系数 ；=0.6弹性影响系数 ；=189.8 大、小齿轮的接触疲劳强度极限为 1=730 ， 2=670 重合度系数 ，端面重合度 =1.88-3.32(128+184)cos00=1.725= 4-3 = 4-1.7253 =0.87 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 18 页 共 37 页 计算应力循环次数次1=601=60101(300108)=1.44107次2=1.441073.2=0.45107 查设计手册，得接触疲劳寿命系数 ；1=1.28， 2=1.38 计算接触疲劳许用应力：取安全系数 ，则=11=11 =1.28730=13142=22 =1.38670=924.6（2）计算 将 中的较小的值代入公式（3-1）得12.32311 ()2 =2.3231.330.741030.6 42(189.80.87924.6)2=37.6 计算小齿轮分度圆圆周速度 v= 11601000=37.610601000=0.019 计算齿宽 b =1=0.637.6=22.56 计算齿宽和齿高之比 b/h模数 =11=37.628=1.34齿高 =2.25=2.251.34=3=22.563=7.52 计算载荷系数查设计手册，由 ，7 级精度得=0.019 =1.1 .25 =1 =1 =1.256=1.17 载 荷系数 =1.2511.11.256=1.727 按实际载荷系数修正 ，1 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 19 页 共 37 页1=13=37.631.7271.3=41.3 计算模数 m=11=41.328=1.47c. 按齿根弯曲疲劳强度设计设计公式为32121( )（1）确定设计公式中的参数 查设计手册，得大、小齿轮的弯曲疲劳强度极限；1=620 ， 2=570 查设计手册，得弯曲疲劳寿命系数 ；1=0.98， 2=0.99 计算弯曲疲劳许用应力：取安全系数 S=1.4 则1=11 =0.986201.4 =607.62=22 =0.995701.4 =403 计算载荷系数 K=1.251.111.17=1.61 查设计手册，得齿形系数 ；1=2.55， 2=2.2 查设计手册，得应力校正系数 ；1=1.61， 2=1.78 计算重合度系数 ；=0.25+0.75=0.25+0.751.725=0.685 计算大、小齿轮 的值()111=2.551.61607.6=0.00676 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 20 页 共 37 页222=2.21.78403=0.0088（2）计算齿轮模数设计公式中代人 中的较大值，得()mm 由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 略大于由齿根弯32121( )=1.23曲疲劳强度计算的模数，但由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径有关，所以，可取由弯曲强度计算得的模数 1.23 并就近圆整为标准值 m=2 mm。因按接触强度算得的分度圆直径 这时需要修正齿数1=41.31=1=41.32 =20.65，取 1=21则 2=1=321=63d.几何尺寸计算（1）计算分度圆直径1=1=221=42 2=2=263=126（2）计算中心距=12(1+2)=12(42+126)=84 （3）计算齿轮宽度 =1=0.642=25.2取 2=26， 1=2+5=31c按齿根弯曲疲劳强度校核.1464N1tTFd782.87MPa =924.6MPa12.5tHEKFuZbH 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 21 页 共 37 页3.3 轴的结构设计轴的结构设计就是确定轴的结构形状、各部分的直径长度等全部尺寸。设计时应满足下列基本要求：保证轴及轴上零件有准确的工作位置，固定可靠；轴上零件的拆装和调整方便，轴具有良好的制造工艺性；轴的结构有利于提高轴的强度、减轻应力集中等。轴的结构设计的一般步骤如下：1)初估轴的直径各轴可按承受纯扭矩并降低许用应力（考虑弯矩的影响）的办法来初估各轴的直径 d，其分式写为：（3-18）=3式中：P轴所传递的功率,kw；n轴的转速，r/min；A 为轴的材料及承载情况确定的系数，可查有关教材。对于非外伸轴，初估直径常作为与传动零件相配合的直径（A 取大值） ，并圆整为标准值；对于外伸轴，初估直径作为外伸轴端直径（A 取小值） ，并圆整为标准值，若外伸轴有外接零件（联轴器等） ，d 应与外接零件孔径一致（必要时作适当调整） ，并满足键的强度要求。2)拟定轴上零件的转配方案并选择支承的结构型式轴上零件的装配方案及轴支承结构型式的不同，轴的结构形状、尺寸也将不同，可通过分析比较选择一个好的方案。3)在上述 1、2 步骤的基础上，考虑对轴结构设计的基本要求，确定轴各段直径及长度。3.3.1 高速轴的结构设计1)初步确定轴的最小直径根据公式（3-5）初步确定轴的最小直径。选取轴的材料为 45 钢，调质处理，查设计手册，取 A=110 = = =0.0354KWP1T19550 2.512695500.950.98 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 22 页 共 37 页= 3=11030.0354126=7.22) 作用在齿轮上的力= = =250N21 22.50.02= tg20=91N输入轴的最小直径是用于安装联轴器。为使所选直径 与联轴器的孔径相适应，1故需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩 ，考虑扭矩变化很小，取 ，则= =1.3=1.32.5=3.25查设计手册，选用 YL3 型凸缘联轴器，公称转矩为 25 12。从动端半联轴器的孔径 ，所以选取轴径 ；与轴配合的得孔长度为 ，为保=14 1=14 =27证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，轴长 应略短于 L，取1。1=253)拟定轴上零件的装配方案图 3.1 高速轴拟定装配方案左侧轴承与挡油环从左侧装入，右侧轴承、挡油环及联轴器从右侧装入，齿轮采用齿轴一体设计。下面是轴承上的扭矩和弯矩图 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 23 页 共 37 页图 3.2 支承轴结构及受力分析4 )求轴上支反力及弯矩表 3.3 截面 3 处的弯矩载荷 水平面 H 垂直面 V支反力 R 1294,5.NR1285.3,15RN弯矩 M Hm 46VMm总弯矩 1214.3VM扭矩 T T=2.5N.m计算弯矩 ca 221().7caTN5) 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 3 处的强度（3-19）5.8caMPW轴的材料为 45 钢，查表 11-1， 。因此 ，故安全。160bMPa1cab6)疲劳强度的校核从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面 3 处引起的应力集中最严重，且所受力矩最大，所以只需校核截面 3 右侧即可。抗弯截面模量 W=0.1 =0.1 =800 mm3 203 3抗扭截面模量 =0.2 =1600 mm 3作用与截面 3 右侧的弯矩 M 为M=4.3N.m作用与截面 3 上的弯矩 M 为 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 24 页 共 37 页=2.5N.M 3截面 3 右侧的弯曲应力= = =5.375MPa4.3800截面 3 右侧的扭转应力= =1.56MPa= 3 2.51600轴的材料为 45 钢，调质。查表得 =640 MPa， =275MPa， . 1 1=155截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数 及 设计手册选取。因查值得0.3251,.4,20rDdd=2.1， =1.7查图 2-8 可得轴的材料的敏感系数=0.7 =1.7 所以有效应力集中系数为=1+ ( )=1.77 1=1+ ( )=1.5 1查图 2-9 得尺寸系数 0.84、 0.92查图 2-11 得表面质量系数为 = =0.910.85,轴按磨削加工，则综合系数值为= + -1=2.281= + -1=1.731由材料系数取 =0.1 =0.05计算安全系数 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 25 页 共 37 页= =22.51 += =111.641 +=22.1S=1.5= 2+2所以安全3.3.2 中间轴的结构设计1)初步确定轴的最小直径根据公式（3-5）初步确定轴的最小直径。选取轴的材料为 45 钢，调质处理，查设计手册，取 A=110 则= 3=11030.03530=11.58输入轴的最小直径是用于安装滚动轴承。为使所选直径 与滚动轴承的孔径相适1应，故需同时选取滚动轴承的型号。根据计算的最小直径，查设计手册，选取深沟球轴承 6001， ，故取最小轴径 。=12288 1=122)求作用在齿轮上的力= = =288N1221210.370.072= tg20=104.8N11= = =493.8N2222210.370.042= tg20=179.7N 223)拟定轴上零件的装配方案 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 26 页 共 37 页图 3.3 中间轴拟定装配方案圆柱齿轮、套筒、挡油环和滚动轴承从轴的左端装入，右端滚动轴承和挡油环从右端装入。下面是轴承上的扭矩和弯矩图图 3.4 支承轴结构及受力分析4)求轴上支反力及弯矩表 3.4 截面 3 处的弯矩载荷 水平面 H 垂直面 V支反力 R 1248.,795.6NR1230.,6.5RN弯矩 M 5HHmM9VVMm总弯矩 121 125.,6.V 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 27 页 共 37 页扭矩 T T=10.37N.m计算弯矩 caM2211 21()1,6.7ca caMTNmMNm5) 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 3 处的强度= = 26.72195.21000=12.17轴的材料为 45 钢，查表 11-1， 。因此 ，故安全。160bMPa1cab6)疲劳强度的校核抗弯截面模量 W=0.1 =0.1 =2195.2 mm3 283 3抗扭截面模量 =0.2 =4390.4 mm 3作用与截面 3 左侧的弯矩 M 为M=26.7N.m作用与截面 3 上的弯矩 M 为=0N.M 3截面 3 左侧的弯曲应力= = =12.17MPa26.72195.2截面 3 左侧的扭转应力= =0MPa= 3 1600轴的材料为 45 钢，调质。查表得 =640MPa， =275MPa， . 1 1=155截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数 及 查设计手册选取。因查值=0.328=0.011, =3028=1.07=2.1 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 28 页 共 37 页查图 2-8 可得轴的材料的敏感系数=0.75所以有效应力集中系数为=1+ ( )=1.825 1查图 2-9 得尺寸系数 0.88查图 2-11 得表面质量系数为 =0.85轴按磨削加工，则综合系数值为= + -1=2.251由材料系数取 =0.1 计算安全系数 = =9.62S1 +所以安全3.3.3 低速轴的结构设计1)初步确定轴的最小直径根据公式（3-5）初步确定轴的最小直径。选取轴的材料为 45 钢，调质处理，查设计手册，取 A=110 则= 3=11030.0350.970.98810 =16.472)求作用在齿轮上的力= = =487.94N21 230.740.126= tg20=177.6N输入轴的最小直径是用于安装联轴器。为使所选直径 与联轴器的孔径相适应，1故需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩 ，考虑扭矩变化很小，取 ，则= =1.3 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 29 页 共 37 页=1.330.74=40 3)拟定轴上零件的装配方案图 3.5 低速轴拟定装配方案圆柱齿轮、套筒、挡油环和滚动轴承从轴的左端装入，右端滚动轴承和挡油环从右端装入。下面是轴承上的扭矩和弯矩图图 3.6 支承轴结构及受力分析4)求轴上支反力及弯矩表 3.5 截面 3 处的弯矩载荷 水平面 H 垂直面 V支反力 R 12403.,8.6NR1246.7,30.4RN弯矩 M 7Hm 5VMm总弯矩 12113.54VM扭矩 T T=30.74N.m计算弯矩 221().caTN 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 30 页 共 37 页caM5)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 3 处的强度= =34.4464001000=5.386)疲劳强度的校核从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面 3 处引起的应力集中最严重，且所受力矩最大，所以只需校核截面 3 左侧即可。抗弯截面模量 W=0.1 =0.1 =6400mm3 403 3抗扭截面模量 =0.2 =12800 mm 3作用与截面 3 左侧的弯矩 M 为M=13.54N.m作用与截面 3 上的弯矩 M 为=30.74N.M 3截面 3 左侧的弯曲应力= = =2.1MPa13.546400截面 3 左侧的扭转应力= =2.4MPa= 330.7412800轴的材料为 45 钢，调质。查表得 =640MPa， =275MPa， . 1 1=155截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数 及 查设计手册选取。因查值得=140=0.025, =6040=1.5=2.1， =1.7查图 2-8 可得轴的材料的敏感系数=0.75 =0.8 所以有效应力集中系数为 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 31 页 共 37 页=1+ ( )=1.825 1=1+ ( )=1.56 1查图 2-9 得尺寸系数 0.