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商 丘 工学院2015-JXLW专业代码-编号本科毕业论文（设计） 吸盘机械手的设计 学 院小三号黑体居中（下同）专 业学 号学生姓名指导教师提交日期年 月 日诚信承 诺 书本人郑重承诺和声明:我承诺在毕业论文撰写过程中遵守学校有关规定,恪守学术规范,此毕业论文(设计)中均系本人在指导教师指导下独立完成,没有剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果,没有篡改研究数据,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,如有违规行为发生,我愿承担一切责任,接受学校的处理,并承担相应的法律责任。毕业论文（设计）作者签名：年月日摘要机械手技术是机电一体化产品，吸盘抓取机械手成为一个领先的研究课题，目前应用在不同领域，如机械，电子，信息理论，人工智能，生物学和计算机，知识等诸多领域的发展机械接头端的设计，机械手也导致了这些学科的发展。关节型机械手是一种典型的机电一体化产品，工艺多关节运动的一个热点手臂运动更多的领域进行合作研究。机械，电子，信息理论，人工智能，知识和生物和计算机许多学科，但其发展的多机构衔接所需组合治疗也促成了这些学科的发展。本文采用在结构设计上的关节型机械手，并完成图纸和零件图总装配图。为机械手模型的要求被分析以估计的每个关节，充分的选择电机所需要的转矩和功率。完成关节型机械手的程序设计，总体设计，结构设计，运动学模型操盘分析，检查，分析机械手模型，设计和生产机械手模型做的过程中强度的关键部件，绘制2D图，3D图，完整的运动仿真。关键词：机械臂，结构设计，吸盘关节机械手，电机3AbstractRobot technology is a mechanical and electrical integration products, sucker crawling robot into a leading research, the current application in different fields, such as machinery, electronics, information theory, artificial intelligence, biology and computer knowledge, and many other developments in the field of mechanical coupling end design, the robot also led to the development of these disciplines. Articulated robot is a typical mechatronic products, a hot process more articulation arm movement more areas of collaborative research. Many disciplines mechanics, electronics, information theory, artificial intelligence, knowledge and biological and computer, but the development of its multi-agency convergence desired combination therapy also led to the development of these disciplines.In this paper, the structural design of the articulated robot and complete drawings and part drawings assembly drawing. To require the robot model is analyzed to estimate each joint, full selection of the desired motor torque and power. Complete articulated robot programming, design, structural design, kinematics model Trader analysis, inspection, analysis robot models, key components design and production of the robot model the process of doing strength drawn 2D drawings, 3D maps, complete Motion Simulation.Key Words： arm, structural design, mechanical hand sucker joints, motor目 录1 绪论11.1引言11.2 吸盘吸盘关节机械手研究概况21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状21.3 吸盘吸盘关节机械手的总体结构32 总体方案设计52.1 吸盘关节机械手工程概述52.2 工业吸盘关节机械手总体设计方案论述52.3 吸盘关节机械手机械传动原理62.4 吸盘关节机械手总体方案设计73 机械手大臂部结构103.1 大臂部结构设计的基本要求103.2 大臂部结构设计113.3 大臂电机及传动齿轮选型114 小臂结构设计154.1 腕部设计154.1.1 手腕偏转驱动计算154.1.2 电动机的选择214.2 小臂部结构设计234.3 小臂电机选型234.4 传动选择234.5 轴结构尺寸设计274.6 轴的受力分析及计算284.7 轴承的寿命校核284.9 轴的强度校核294.10 各轴键、键槽的选择及其校核305 机身设计315.1 步进电机选择315.1.1 计算输出轴的转矩315.1.2 确定各轴传动比335.1.3 传动装置的运动和动力参数335.2 齿轮设计与计算355.2.1 高速级齿轮设计与计算355.2.2 低速级齿轮设计与计算395.3 轴的设计与计算425.3.1 输入轴的设计与计算425.3.2 中间轴的设计与计算445.3.3 输出轴的设计与计算465.4 轴承的校核485.4.1 输入轴上轴承寿命计算485.4.2 中间轴上轴承寿命计算495.4.3 输出轴上轴承寿命计算505.5 键的选择和校核515.5.1 键的选择515.5.2 键的校核515.6 机身结构的设计525.6.1 机身箱体材料的选择525.6.2 机身的结构设计及制造工艺52总结与展望53致 谢54参考文献551 绪论1 绪论1.1引言 关节型机器人是一种典型的机电一体化产品，工艺多关节运动的一个热点手臂运动更多的领域进行合作研究。机械，电子，信息理论，人工智能，知识和生物和计算机许多学科，但其发展的多机构衔接所需组合治疗也促成了这些学科的发展。多臂关节领导的多关节臂运动。1959年成为世界上第一个工业多关节手臂运动的诞生，创造发展胳膊的新时代的多关节。随着科学技术的发展和运营研究部门的应用多联快速发展。加藤一郎，日本早稻田大学手臂关节和更多的世界知名专家，教授说：“一个很大的特点，多关节手臂运动应该有工作。”的方式是，在自动化程度高的，电力系统更复杂。伟大的发明家爱迪生曾经说过，“神造人的两条腿是最美丽的杰作。”该系统具有丰富的动态环境的要求非常低，无论是在地面上，而且在非结构化地形复杂，适应性良好的环境状态。为了延长多关节型机器人的功能和应用开辟无限广阔的发展前景。研究关节型机器人的原因和目的，主要表现在以下几个方面：机构的发展，使他们对结构性和非结构性的工作，许多圈子，而不是个人或更新和人类活动的领域扩展;希望更多的人有一个内在的理解和认识，并使用这些功能对个人服务，如假肢。系统动力学与在此领域丰富的研究，其研究和臂运动更加危险的机器的扩展，多关节臂的运动可以作为一个多关节臂的移动智能播放在人工智能领域的一个重要的角色。多关节臂的运动的定义，世界上唯一的格式是不一样的。手臂运动协会与更多的企业的联合国标准化最近在他的手臂采用了国际对美国带来的多关节运动的定义：操作臂多联合演习是一个多功能可编程的操作系统，你可以改变该程序的操作完成各种各样的工作，尤其是对物料输送，传动部件。参照国际定义，和语言的组合的中国多臂关节的定义如下：机械手的多关节运动是一个独立的行动，更自由，灵活地改变程序，它可以放置在任何地方，自动化程度高的机器的自动化。汽车油漆或其他涂料行业铰接多关节运动E可用。多关节运动臂高刚性臂，与其它可能的相比，必须要快，能够进行重的东西，且精度非常高，可以基于外部信号，各种自动操作的。处理的多关节臂的运动是一个计算机可编程的自动控制装置的控制下。使用的多关节运动操作臂是提高了产品的质量和工作的生产率，生产过程的自动化，改善了工作条件，并降低了劳动强度的有效手段。诞生和多关节手臂运动的发展，虽然只有30岁，但已经应用到国民经济的许多部门，民间的技术，应用，具有广阔的发展前景，显示出强大的生命力1-2。1.2 吸盘吸盘关节机械手研究概况1.2.1 国外研究现状人类和动物的运动原理的第一个系统研究是迈布里奇发明了照相机跟单，即设定的触发相机的电源，并在1877年他成功地参加了四足和连续运行的许多照片。后来，这种方法使用的相机是用来研究人体运动Demeny。从1930年到1950年，苏联也伯恩斯坦从深入人类和动物研究的生物动力机制的角度看，并提出的议案非常形象化的描述。真正研究机构运动多关节全面，系统于1960年推出至今，联合多月的手臂比较完整的理论体系只有形成，并在一些国家，如日本，美国和“苏联已成功开发出可以是静态或动态的，多臂枢轴原型。在这一节中，我们介绍了1960年至1985年期间，臂多关节实地达到的运动的最重要的进展的团队。在20世纪60年代和70年代，武装多关节运动控制理论产生三种类型的控制方法是非常重要的，这限制了国家控制，控制参考模型和控制算法。这三种控制的方法对所有类型的吸盘吸盘关节机械手都是适用的。国家控制是通过在1961年提出的模型的参考检查于1975年由美国法恩斯沃思南斯拉夫托莫维奇限制，该算法是由著名的胳膊南斯拉夫研究所米哈伊尔罗多关节运动学专家鲍宾控制Vukobratovic博士1969 - 1972年的教堂中扣除。有这三种类型的控制方法之间的内在关系。有限状态控制实质上是一个控制参考模型，并且该控制算法是这种情况1的中心。在搜索步态，苏联Bessonov和Umnov定义“最佳步态”，Kugushev和Jaro-shevskij定义自由的步伐。这两种步态不仅能适应，而且要适应胳膊多条腿多企业的动向。在这些中，对于自由路径的步骤的条件的规则。如果地形是非常粗糙的，所以运动臂多关节，下一步应放在哪里脚不能基于对步骤序列来加以考虑，但应通过步骤以便攀登者去步骤通过一些优化标准来确定哪个是所谓的自由速度。稳定性研究手臂动作的多关节，美国Hemami，该提议的稳定性和系统的控制的简化模型作为振荡器，反转（倒立摆），它可以被解释为在换能器存在的问题的向前运动。此外，减少了控制的考虑，Hemami，谁也研究手臂运动的多关节“减少型”问题的复杂性进行了研究。此前我们指出了系统的Vukobratovic还人形能量分析，但它的力量是有限的关节和随时间的整个系统的变化，并没有太多涉及这个问题的最佳功耗的出口。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一个有用的结论，即平滑的姿态，类人型系统所消耗的功率就越少。1.2.2 国内研究现状国内前机器人起步较晚，我国自1980年以来，在体育领域的多臂共同研究和应用。 1986年，国家启动了“规划纲要”的研究多动关节臂，中国的高科技“863”水平运动臂包括于1987年。目前联合研发，中国移动手臂多企业的研究和开发应用单位主要与高校和科研院所。初步调查多关节型机器人技术的主要目的是更先进的技术来跟踪国际风险手臂的运动，然后取得了一些成绩。1986年哈尔滨工业大学，他开始研究最为关节臂，脚静手臂运动HIT-I和110厘米高，体重70千克多的企业，率先成功开发进度有10个自由度，以到达地面上的线，左，右，以及运动，上下楼梯，45厘米左右10秒/步，速度成功研制的HIT和HIT-II-III，重量为42千克，长度103厘米，它是12个自由度，以实现一个步骤每秒24厘米，2.3分速度。 HI目前正在开发第四乐章的下一个多关节臂，身体52度的自由，这是一个伟大的运动和速度的平衡三臂，多关节运动3-7。在1988年春国防科技大学成功具有六个自由度的平面双足运动臂多关节KDW-1，可以向前，向后和上下楼梯，每秒40厘米，四步开发的最大速度，在1989年今年的步伐，我们开发了一种空间KDW-II，具有10个自由度，最高的69厘米，重13公斤，包括更多的来回，上下楼梯和周围的近静态和动态稳定性。 1990年两纵缝互联网KDW-II，在KDW-开发的，有12个自由度，并添加函数曲线，以获得完整的测试环境。 1995年在步骤20厘米0.8秒22厘米，13度的最大角度动态的步伐。 2000年KDW-III中国的第一个人形的手臂的“排头兵”的成功结束的发展的基础上，在一个不确定的环境下微小的变化动态每秒，两步周期，1.4男，为20 kg的多关节的动作，有头，眼睛，颈部，身体，手臂，脚，和一定程度的语言功能8-13中。此外，清华大学正在开发一个人形的手臂培育更多升学衔接THBIP-I，高七米，体重130千克，32自由度的支持清华大学985项目，该项目是。南京航空航天大学有八个自由度机械手关节间隙静态函数13,14的发展。本文从“首届全国研究生机械创新设计大赛”多关节手臂动作。此时，单臂，多关节运动通常在车轮的形式是为了实现功能相。事实上，模仿人类行走手臂和腿部的多关节的动作并不多，但也有六条腿，已经出现四腿臂多关节运动，但多关节手臂运动尚不多见。我们的问题，简单地探索设计巧妙的机械设备和简单的控制来模拟人的手臂的多关节的动作。子功能是：替代大步，摇摇头，摆动手臂，摆臂。1.3 吸盘吸盘关节机械手的总体结构关节型机器人和部分整体关系的概述：它主要由机械系统（执行系统，牵引系统），探测系统和智能控制系统。（1）执行系统：公用部分的执行系统管理部门，机械零件最全面的定义，以必要的各种运动，包括手，手腕，来获得身体。1.末端执行用于执行，并且配置的工作直接涂漆。2.手腕，手和连接元件的臂，具有安排作为任务或工作的端部的方向的改变。3.臂和连接基团的手的手臂，手腕支撑体时，执行负荷管理块，手的空间位置，臂操作空间的变化满足多个关节，在基座的任何类型的动力传输。D：机身，多铰接臂基部，支撑辊，由臂部件支承，并具有使所述臂的转动，起重或倾斜运动的任务。（2）驱动系统：提供电力的各种组件的系统是活动的，以及供应单元设备。通用机械传动，机械传动和电气，气动，电动。（3）操作系统：驱动控制系统，该系统的根据工作，故障报警或错误的信号的要求执行。（4）检测系统：经由各种传感装置，控制器官运动检测装置，保证作用，如果有的话反馈到控制系统相对于该组的运动的要求。实践证明，该小组可以取代繁重的体力劳动的多关节运动，显著减轻劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化。经常处理和工业生产在长期内往往体积庞大件，单调的操作，单臂，多联合演习是有效的。此外，它可在高温，低温，深水，宇宙，环境条件和其他有毒放射性污染进行操作，同时也表现出优势，具有广阔的发展前景4-8。2 总体方案设计2 总体方案设计2.1 吸盘关节机械手工程概述吸盘关节机械手是一个技术集成的跨学科，涉及计算机技术和自动化技术的机器，机制，机械，气动，液压技术，检测技术等领域。在科人得到有效解决组合问题综合工程被称为“系统工程”。手臂多关节运动设计，例如，系统工程，应作为一个综合的方法来系统设计对外关系的系统，并从整个有机联系的手臂运动环境的研究，开发和应用根据系统的内部部分多接头。从复杂机械系统，包括一定的规则的功能系统结合多个子系统，它是一个不可分割的整体。如果你失去了开放的系统，可根据特定的一组。因此，在一个复杂的机械设计，概念启动机器，系统必须具有以下特征：（1）机械系统完整的完整性机械系统由几个子系统具有不同的整体性能应具有的特定功能。（2）作用的子系统之间的有机联系，包括有机，相互关联的。（3）每个目标系统必须具有明确的目标和系统的功能，结构，功能，目标和手段，决策系统的各个子系统结合起来。（4）系统对环境的适应是适应环境在某些情况下，我们必须能够适应变化的外部环境中。所以，在设计机器人时，不仅要注意关节运动系统的部件的整个多部件设计臂应根据视工程系统的角度来看，这取决于一个单一的多关节臂的动作的功能要求，子系统，多臂关节，合理，产品的性能，需要在多关节臂的动作的作业的所有组件。一般来说，最复杂的行业手臂关节如下：在操作机器，是最大的，单臂多关节的运动来完成的任务，其中包括基地，手臂，手腕，副作用机构。传输系统，其中包括几个传输零点电源，控制，驱动系统和伺服驱动系统。所述控制系统包括电子控制装置的操作，记忆功能（计算机或其它版本控制装置可编程），操作员接口装置（键盘，学习盒等），数据处理装置和各种传感器，放大离线传输，传感器编程接口设备通信的I / O 14内部和外部传感器和其他设备（一般或特别。特征行业臂多关节运动是普遍的调整，灵活的臂工业多关节运动可有效地用于柔性生产系统关键部件的发送处理单元组件或材料或其它柔性制造系统（例如，机床，锻压，吸附，装配等生产设备），辅助设备，控制系统，多关节臂运动，各种不同形式的运动系统的组建多联技术工艺机械行业其他生产部门。生产，如建筑，开采，生产和输送臂移动多关节是参考系统。2.2 工业吸盘关节机械手总体设计方案论述（一）确定负载目前，国内工业用运动的多关节臂，负载能力，最小额定负载5N或更小范围很大，最多的为9000N。这篇文章5公斤载荷。负载的大小主要取决于由于运动的沿的作用力和夫妇的机械接口上的多关节臂的运动的方向。其中下臂应该包括端部执行器的更关节运动（重量），和工件的重量或处理对象接缝预定速度和加速度的条件下，产生的惯性力等。该项目的数据参考设计初步估算表明，这一项目可能属于一个小负荷。（二）驱动系统由于伺服电机具有良好的控制性能，检查的灵活性，允许速度，位置，环境，体积小，效率高，适用于更为苛刻的运动控制没有影响的精确控制小臂运动多企业等特点，因此，该项目采用的是伺服电机。（三）传动系统动臂多关节运动可以紧凑，重量轻，惯性小，传动链条应考虑采取措施缩小差距，提高手臂多的移动和位置创业精密运动控制。臂传递机构机械运动多关节通常使用齿轮，蜗杆，滚珠丝杠，皮带，链条传动，行星齿轮，传动齿轮和谐波钢等，由于传动齿轮具有效率高，准确，结构紧凑，工作可靠，寿命长等优点，与大学学习和掌握更扎实的传输，所以这个设计选择的旅行。（四）工作范围操作过程中的工业手臂动作的工作范围是多关节的多关节臂的运动取决于所述扇区的操作领域和确定的轨迹，用表示的工作空间。形状和有关该结构的工作空间的大小坐标运动的多吸盘关节机械手，其大小和在数量和程度每个臂的自由操纵器公共轴线的长度的变化程度和所选择的关节轴的每个角的（五）运动速度每个铰接机械臂更坚定的臂的最大行程，按照循环时间来确定每个操作的时间的运动后，可以进一步确定每个动作的速度，单位为米/秒（）/ s的，时间每个运动分配考虑在顺序地或同时地等进行许多因素，如每个操作序列之间的周期的总时间长度。表做他们的操作时间，操作时间分配之外的运动进行比较，以考虑分配请求有关的过程，它也必须考虑惯性的行程的大小和驱动和控制，定位和精度要求。2.3 吸盘关节机械手机械传动原理该吸盘关节机械手的本体结构组成如图2.1图2.1 吸盘关节机械手本体组成各部分部件的作用：基座：基座构件包括底座，齿轮，轴承，步进电机。的基本作用是一个构件，支撑构件和支撑所述枢转臂，支撑比基片的多关节臂的运动和行李的工作压力的重量必须具有足够的强度，刚度和承载能力。此外，图书馆还需要绰绰有余了实质性的安装基础，以确保输送臂在工作场所和稳定运行联合决议。通过正相分量关节型机器人手臂（例如，一个气缸，气缸，齿轮齿条机构，连杆机构，一个凸轮机构，并且螺旋机构等）和用于移动所述臂多于一个铰链臂（例如一个驱动源，液压或气动臂诱导固定移动协作等），以实现不同的臂运动手臂大臂以及小臂组成。其中所述臂是一棵树，加速度分量和驱动马达的构件上形成。由臂，驱动轴和同步带等部件臂构件。手腕壳体，传动齿轮和轴，从现有的机械连接的手腕部。2.4 吸盘关节机械手总体方案设计在关节工业用机器人的结构的形式，其主要由以下四个：构造直角坐标，圆柱坐标，球面坐标的结构，铰接结构为四。每个结构和相关功能列举如下3所述。（1）直角坐标吸盘关节机械手直角坐标关节机器人手臂空间坐标多关节运动是实现线性运动的三个相互垂直的方向，如图2-2（a）在该直线运动的位置控制是容易实现，笛卡尔坐标臂关节运动往往是一个高的位置精度要获得（微米）。对于多关节臂的在这方面的尺寸移动结构相对直角坐标，所述一个臂的空间多关节运动，是比较小的。为了获得运动的一定的自由，该结构在垂直于多关节臂的尺寸坐标多关节臂比其它结构的大小。工件笛卡尔坐标移动多关节臂矩形空间。笛卡尔臂运动最常见的是主要用于收集和处理交易，笛卡尔坐标在三个悬臂龙门式结构的多关节臂的运动。（2）圆柱形的坐标吸盘关节机械手空间运动臂圆柱坐标实现线性和多关节运动的旋转运动，如图2-2（b）中。此多臂关节运动是相对简单的，精度，通常可以在处理中使用。他的工作空间是一个圆柱形空间。（3）球坐标吸盘关节机械手多运动空间球面坐标关节可动臂通过两个旋转运动和直线运动，如2-1（C）来获得。这个简单的手臂的动作的多关节结构，成本低，但精度不高。主要用于加工。他们的工作空间是一个球形的空间。（4）联合多关节型机器人的结构三个多关节的旋转运动的空间铰链臂运动的要求，以便获得，例如，2-2（d）如图手臂关节联合行动灵活，结构紧凑，占地面积小。多关节臂相对于所述相对较大的工作空间的主体尺寸。这样的多关节臂的运动被广泛应用于工业，如吸附，涂装,装配等行为被广泛用于这种类型的多关节型机器人的。多关节机器人铰接结构是由两种格式的水平和垂直关节表示。(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型图2.2 四种吸盘关节机械手坐标形式根据任务书和具体要求，我们选择（四）普通型。具体地，对于这样的设计，因为在考虑设计要求，考虑到使用的操作的具体要求的工艺设计的具体形式，对系统的要求，并作为符合尽可能质量工件以简化结构，成本也降低并提高了可靠性。多结臂的运动，并且定位的精确度更高，设计的多关节运动到臂的运动的臂范围需要六个自由度，这是一个程度的腰，臂的旋转自由度和臂的俯仰臂自由和手腕自由旋转和旋转度字段的自由度。本文档中的得到大关节臂，该结构设计臂的大小将因此该臂机构自由转动地音调的详图。多关节机器人的特征在于，相对大尺寸的工作，灵活性和通用性，更为结构紧凑，可以从事基础对象的附近。合作机构提出使用和包括以下的技术参考技术要求：（1）设计的多关节型机器人系统中执行，旨在满足重多臂关节运动系统的操作期间是同时满足技术结构，经济等方面的要求短，效率高，速度和多功能性，柔韧性等性能要求。 （2）装配图，零件图按照机械设计，尺寸，公差，几何公差的国家标准，标签严格绘制有合理的技术要求，规格。简单不同端部（3），并进行所述机器人手臂与联接的端部。 （4）写的论文要求的明确描述，书写规范。553 机械手大臂部结构设计3 机械手大臂部结构设计3.1 大臂部结构设计的基本要求臂部部件是吸盘吸盘关节机械手的主要部件。它的作用是支承手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态(方位)关节，则臂部自由度加以实现。因此，一般来说臂部设计基本要求: （1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻臂部通常即受弯曲(而且不仅是一个方向的弯曲)，也受扭转，应选用弯和抗扭刚度较高的截面形状。很明显，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多。所以，吸盘吸盘关节机械手常采用无缝钢管作为导向杆，用工字钢或槽钢作为支撑钢，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动装置以及管道，这样就使结构紧凑、外形整齐。（2)臂部运动速度要高，惯性要小在一般情况下，手臂的要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和振动。 为减少转动惯量，应采取以下措施: (a) 减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料; (b) 减少手臂运动件的轮廓尺寸 (c) 减少回转半径 (d) 驱动系统中设有缓冲装置(3)手臂动作应灵活。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。(4)位置精度要高。一般来说，直角和圆柱坐标系吸盘吸盘关节机械手位置精度高;关节式吸盘吸盘关节机械手的位置最难控制，故精度差;在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好的控制位置精度。本文采用铝合金材料设计成薄壁件，一方面保证机械臂的刚度，另一方面可减小机械臂的重量，减小基座关节电机的载荷，并且提高了机械臂的动态响应。砂型铸造铸件最小壁厚的设计。最小壁厚：每种铸造合金都有其适宜的壁厚，不同铸造合金所能浇注出铸件的“最小壁厚”也不相同，主要取决于合金的种类和铸件的大小，见表3.1所示：铸件尺寸 铸钢 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 铝合金 铜合金 200200 200200500500 500500 58 1012 1520 35 410 1015 46 812 1220 35 68 33.5 46 35 68 表3.1 砂型铸造铸件最小壁厚计（mm）以上介绍的只是砂型铸造铸件结构设计的特点，在特种铸造方法中，应根据每种不同的铸造方法及其特点进行相应的铸件结构设计。本文机械臂壳体采用铸造铝合金。具体尺寸见总装配图。3.2 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。3.3 大臂电机及传动齿轮选型假设小臂及腕部绕第二关节轴的重量：M2=2Kg， M3=4KgJ2=M2L42+M3L52 =10.0972+40.1942=0.16kg.m2大臂速度为10r/min ，则旋转开始时的转矩可表示如下：式中：T - 旋转开始时转矩 N.mJ 转动惯量 kg.m2- 角加速度rad/s2使机械手大臂从到所需的时间为：则： (3.4)若考虑绕机械手手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波传动齿轮所需输出的最小转矩为： (3.5)选择设传动齿轮的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3.6)选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.5轴的计算校核画轴的受力分析图，轴的受力分析图如图所示：图3.1 轴的受力分析图已知：作用在刚轮上的圆周力径向力法相力1) 求垂直面的支撑反力：2) 水平面的支撑反力： 3） F在支撑点产生的反力： 外力F作用方向与传动的布置有关，在具体位置尚未确定前，可按最不利的情况考虑，见（7）的计算4） 绘垂直面的弯矩图： 5) 绘水平面的弯矩图： 6) F产生的弯矩图： a-a截面F力产生的弯矩为： 7) 求合成弯矩图： 考虑最不利的情况，把与直接相加MA=+MAF= +41.1=70.1 N.mMA=+MAF= +41.1=62.57 N.m8) 求轴传递的转矩： N.mm9) 求危险截面的当量转矩 如图所示，a-a截面最危险，其当量转矩为：如认为轴的扭切应力是脉动循环应变力，取折合系数a=0.6，带入上式可得：10） 计算危险截面处轴的直径轴的材料选用45钢，调质处理，由表14-1查得B=650Mp,由表 14-3查得-1b=60Mpa,则：考虑到键槽对轴的消弱，将d值加大5%，故：d=22.8*1.05=24mm32mm满足条件因a-a处剖面左侧弯矩大，同时作用有转矩，且有键槽，故a-a左侧为危险截面其弯曲截面系数为：抗扭截面系数为：弯曲应力为：扭切应力为：按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向转动的转轴，转矩按脉动循环处理，故取折合系数a=0.6则当量应力为：由表查得45钢调质处理抗拉强度极限=640Mpa，则由表查得轴的许用弯曲应力-1b=60Mpa,-1b,强度满足要求。4 小臂结构设计4 小臂结构设计4.1 腕部设计腕部能够连接机械手的臂部和手部，支撑并且改变手部的姿态。腕部设计的要求有：结构紧凑、质量轻；动作灵活、平稳，定位精度高；所用材料强度、刚度高；与臂部及手部的连接部位的结构合理，传感器和驱动装置的合理布局及安装等。按自由度分类可将工业机械手手腕分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据工业机械手实际使用的工作性能要求来确定。本课题所研究设计的喷漆机械手手腕具有摆动和转动两个自由度。二自由度的手腕可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR关节实现，或由两个B关节组成BB关节实现，但不能由两个RR关节构成二自由度手腕，因为两个R关节的功能是重复的，实际上只起到单自由度的作用。本次设计要求腕部实现俯仰和偏转，即BB型手腕，如图3.1所示。由于现阶段国内步进电机产品研发生产技术的局限性，无法实现关节的直接驱动，所以为减轻整个小臂的自重，采取腕部步进电机后置远距离间接驱动，将其装在大臂的底部，固定在机身圆盘上，再通过两条链传动，一条链直接带动腕部的摆动，另一条链传动带轮带动锥齿轮轴通过一级锥齿轮的传递带动腕部的转动，虽然在腕摆时会产生手腕的附加转动，但是可以通过控制步进电机来控制干涉。4.1.1 手腕偏转驱动计算手腕的偏转是通过后置于大臂底部一侧的步进电机驱动，两级带轮链条传动，再经过锥齿轮啮合传动改变方向来实现偏置的。手腕的驱动力来自步进电机，首先要计算手腕偏转所需要的转矩，再计算电机的输出转矩，确定步进电机的型号，从而计算设计链传动以及锥齿轮传动的传动参数及相关尺寸。（1）选择步进电机手腕偏转时，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）式中： 手腕偏转所需力矩（Nm）；摩擦阻力矩（Nm）；负载阻力矩（Nm）；手腕偏转启动时惯性阻力矩（Nm）；工件负载对手腕回转轴线的转动惯量（kgm2）；手腕部分对回转轴线的转动惯量（kgm2）；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，手腕部分采用的材料假定为铸钢，密度kg/m3。将数据代入计算得： kg r/s kgm2 kgm2 Nm Nm Nm因为腕部传动是通过两级带轮和一级锥齿轮实现的，所以查取手册15得：弹性联轴器传动效率；滚子链传动效率；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）根据计算得出的手腕偏转所需力矩，结合北京和利时电机技术有限公司生产的90系列的五相混合型步进电机的技术数据和矩频特性曲线，如图4.1和图4.2所示,选择90BYG5200B-SAKRML-0301型号的步进电机。图4.1 90BYG步进电机技术数据图4.2 90BYG5200B-SAKRML-0301型步进电机矩频特性曲线（2）设计链传动（a） 计算、分配传动比根据步进电机型号及其对应的矩频特性曲线，所选步进电机工作转矩为4.5 Nm，对应的转速为r/min。由于腕部偏转的角速度r/s，已经通过计算得出，所以腕部末端偏转转速r/min，由此推出总的传动比。已确定的手腕偏转传动方式是通过两级带轮链条传动和一级锥齿轮传动，需将总传动比进行分配。综合考虑带轮的尺寸和手臂内部结构空间，取小臂链传动比，大臂链传动比，锥齿轮传动比，。（3）设计锥齿轮传动根据喷漆机器人的工作要求，将腕部最末端的传动设计成标准直齿圆锥齿轮传动，考虑到可能圆锥小齿轮齿根圆到键槽底部的距离，所以将圆锥小齿轮与轴设计成一体，圆锥大齿轮单独设计，材料选用45钢。由于选用的是闭式硬齿面齿轮，齿轮齿面磨损和弯曲疲劳折断是主要的失效形式，因此设计这类齿轮传动时按弯曲疲劳强度进行设计计算，宜选取较小的齿数，可取172015。（a）估算齿轮主要参数及尺寸齿数,：齿数比，所以选择,则。齿宽系数：，取。齿宽系数不宜取过大，避免引起小端齿顶过薄，齿根圆角半径过小，应力集中过大。根据手册16，按齿面接触疲劳强度计算小齿轮大端分度圆直径和大端模数： （4.10） 式中： 齿轮传递的扭矩； 工况系数；动载系数； 齿宽系数； 试验齿轮的接触疲劳极限应力；查手册16得到，,MPa。由于 Nm，,。将数据代入得到小齿轮大端分度圆直径mm。大端模数，根据标准分度圆模数，取。圆锥齿轮主要尺寸计算16： （4.11） （4.12） （4.30） （4.13） （4.14） （4.15） （4.16） 式中：大端分度圆直径； 、节锥角； 锥距； 中点分度圆直径； 当量齿数； 平均模数。 齿宽，取mm。将数据代入计算得：mm mm mm mm mm 根据大、小臂两级链轮的减速，锥齿轮传动中主动轮转速r/min。中点分度圆上的圆周力N。（b）按齿面接触疲劳强度进行校核计算接触用单位齿宽上的载荷 MPa （4.17） 查16手册，齿向载荷分布系数，=1.2。计算接触疲劳应力 MPa （4.18） 计算齿轮的接触疲劳极限应力 （4.19）式中： 寿命系数；润滑剂系数；齿面光洁度系数；速度系数；工作硬化系数；尺寸系数。查手册16得到，。所以，MPa。计算接触安全系数，安全系数较高。所以，接触疲劳强度满足，参数合理。（c）按齿根弯曲疲劳强度的校核计算弯曲用单位齿宽上的载荷MPa变位系数取，则。应力集中校正系数由及可查表得，由及可查表得。齿形系数由，据及可查表得，由及可查表得，而，所以：，。弯曲计算应力根据公式： （4.20） （4.21） 将数据代入计算得：MPa MPa取安全系数查16手册，得弯曲疲劳寿命系数，。查16手册，得弯曲疲劳极限为MPa，MPa。许用应力： （4.22） （4.23）将数据代入计算得：MPa MPa因此、，弯曲疲劳强度满足，参数合理17。4.1.2 电动机的选择设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为: （4.24） 、分别为10kg(包括负载2kg)、5kg、12kg。、分别为重心到第一关节轴的距离，其值分别为185mm、800mm、1500mm，在式（3-1）中、故、可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动惯量为： （4.25） = =同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量: = =式中：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 。则旋转开始时的转矩可表示如下 （4.26）式中：旋转开始的转矩 角加速度 使机械手主轴从到/s所需时间为:则： 若考虑绕机械手手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为 电动机的功率可按下式估算 （4.27）式中： 电动机功率 ； 负载力矩 ； 负载转速 ； 传动装置的效率，初步估算取0.9； 系数1.52.5为经验数据，取1.5估算后就可选取电机，使其额定功率满足下式 （4.28）选择QZD-08串励直流电动机表4-2 QZD-08串励直流电动机技术数据功率（W）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）滤磁方式绝缘等级工作制（min）8002446.21750串励B604.2 小臂部结构设计小臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。4.3 小臂电机选型本吸盘吸盘关节机械手小臂部两个自由度是平面旋转，若轴承是光滑的，则旋转所需的静转矩比较小。因为将臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生步进电机的转矩不足。如图3-1所示，设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （4.29）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，故可忽略不计，以绕第一关节轴的转动惯量为：J1= M1L12+M2L22+M3L32 (4.30)=40.1432+10.4452+40.5422=1.46kg.m2同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量：M2=2Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。J2=M2L42+M3L52 (4.31)=10.0972+40.1942=0.16kg.m2设小臂转速，角速度从0加到所需加速时间，则同步带应输出转矩为： (4.32) 若考虑绕机械手手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波传动齿轮所需输出的最小转矩为： (4.33)4.4 传动选择（1）设计锥齿轮传动根据喷漆机器人的工作要求，将腕部最末端的传动设计成标准直齿圆锥齿轮传动，考虑到可能圆锥小齿轮齿根圆到键槽底部的距离，所以将圆锥小齿轮与轴设计成一体，圆锥大齿轮单独设计，材料选用45钢。由于选用的是闭式硬齿面齿轮，齿轮齿面磨损和弯曲疲劳折断是主要的失效形式，因此设计这类齿轮传动时按弯曲疲劳强度进行设计计算，宜选取较小的齿数，可取172015。（a）估算齿轮主要参数及尺寸齿数,：齿数比，所以选择,则。齿宽系数：，取。齿宽系数不宜取过大，避免引起小端齿顶过薄，齿根圆角半径过小，应力集中过大。根据手册16，按齿面接触疲劳强度计算小齿轮大端分度圆直径和大端模数： （4.34） 式中： 齿轮传递的扭矩； 工况系数；动载系数； 齿宽系数； 试验齿轮的接触疲劳极限应力；查手册16得到，,MPa。由于 Nm，,。将数据代入得到小齿轮大端分度圆直径mm。大端模数，根据标准分度圆模数，取。圆锥齿轮主要尺寸计算16： （4.35） （4.36） （4.37） （4.38） （4.39） （4.40） （4.41） 式中：大端分度圆直径； 、节锥角； 锥距； 中点分度圆直径； 当量齿数； 平均模数。 齿宽，取mm。将数据代入计算得：mm mm mm mm mm 根据大、小臂两级链轮的减速，锥齿轮传动中主动轮转速r/min。中点分度圆上的圆周力N。（b）按齿面接触疲劳强度进行校核计算接触用单位齿宽上的载荷 MPa （4.42） 查16手册，齿向载荷分布系数，=1.2。计算接触疲劳应力 MPa （4.431） 计算齿轮的接触疲劳极限应力 （4.44）式中： 寿命系数；润滑剂系数；齿面光洁度系数；速度系数；工作硬化系数；尺寸系数。查手册16得到，。所以，MPa。计算接触安全系数，安全系数较高。所以，接触疲劳强度满足，参数合理。（c）按齿根弯曲疲劳强度的校核计算弯曲用单位齿宽上的载荷MPa变位系数取，则。应力集中校正系数由及可查表得，由及可查表得。齿形系数由，据及可查表得，由及可查表得，而，所以：，。弯曲计算应力根据公式： （4.45） （4.46） 将数据代入计算得：MPa MPa取安全系数查16手册，得弯曲疲劳寿命系数，。查16手册，得弯曲疲劳极限为MPa，MPa。许用应力： （4.47） （4.48）将数据代入计算得：MPa MPa因此、，弯曲疲劳强度满足，参数合理17。4.5 轴结构尺寸设计考虑到轴的载荷较大，材料选用45,热处理调质处理,取材料系数 所以,有该轴的最小轴径为: 考虑到键槽的影响，所以dmin取值为17MM,具体结构如下：图4.3 轴的结构图4.6 轴的受力分析及计算轴的受力模型简化(见图7)及受力计算图4.4 轴的受力分析图由上图知： 4.7 轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便,轴承均采用正装.预设轴承寿命为3年即12480h.校核步骤及计算结果见下表:表4-1 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12480h由计算结果可见轴承6014AC、6007均合格，最终选用轴承6014。4.9 轴的强度校核经分析知C、D两处为可能的危险截面， 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。图4.5 轴的强度校核图4.10 各轴键、键槽的选择及其校核因传动齿轮中的键联结均为静联结,因此只需进行挤压应力的校核.一、 电机键的选择及校核:带轮处键:按照带轮处的轴径及轴长选 键B8X7,键长50,GB/T1096联结处的材料分别为: 45钢(键) 、40Cr(轴) (1) 刚轮处键: 按照轮毂处的轴径及轴长选 键B14X9GB/T1096联结处的材料分别为: 20Cr (轮毂) 、45钢(键) 、20Cr(轴)此时, 键联结合格.(2)输出轴处键: 按照联轴器处的轴径及轴长选 键16X10,键长100,GB/T1096联结处的材料分别为: 45钢 (联轴器) 、45钢(键) 、45(轴)其中键的强度最低,因此按其许用应力进行校核,查手册其该键联结合格.5 机身设计5 机身设计机身系统部件的结构设计。（1） 支撑架的设计支撑架主要承载大小臂上所有零件的重量，左端设计大臂平衡弹簧的固定连接孔，右端设计大臂驱动电机支撑架。考虑机身回转时的偏心力，合理设计支撑架与回转轴的连接，采用柱销式连接，两边用螺钉紧固。同时设计一个支撑圆盘加以固定，使其转动更加平衡。为了减轻自重，选用ZL401材料。（2） 机座的设计机座在中间轴对应的位置处加工一个轴承固定座，其他无特殊要求。机身系统的内部设计主要是对传动系统的各部件进行设计计算与校核，其设计计算主要参照机械设计14。5.1 步进电机选择5.1.1 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选择二级圆柱齿轮传动齿轮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的一些步进电机技术参如表3.1。表5.1 步进电机产品系列及技术参数型号相数步距角(DEG.)电压(V)电流(A)静转矩(N.m)空载运行频率(KHZ)转动惯量(Kg.cm2)备注86BYG250AN20.9/1.81103.62.4150.5686BYG250BN20.9/1.811045.0151.286BYG250CN20.9/1.811057.0154.28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。5.2 齿轮设计与计算5.2.1 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；=30mm5.2.2 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；=42.5mm5.3 轴的设计与计算5.3.1 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3.5。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3.6： 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3.4。表5.2 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6.27Nm10) 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。5.3.2 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3.7。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5.3。表5.3 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。5.3.3 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3.9，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3.10：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5.4。表5.4 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。5.4 轴承的校核5.4.1 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。5.4.2 中间轴上轴承寿命计算（1） 由图3.7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