机器人腕部结构设计说明书

精品文档 1欢迎下载 摘摘 要要 为了提高生产效率 满足一些特定的工作要求 本题设计的关节型机器人 的手腕用于焊接 喷漆等方面 通过合理的设计计算 拟定了手腕的传动路径 选用直流电动机 合理布置了电机 轴和齿轮 设计了齿轮和轴的结构 实现 了摆腕 转腕和提腕的三个自由度的要求 设计中大多采用了标准件和常用件 降低了设计和制造成本 关键词 自由度 关节型机器人 手腕 ABSRACT InIn orderorder toto improveimprove productionproduction efficiencyefficiency andand meetmeet somesome ofof thethe specificspecific requirements requirements designdesign ofof ontologyontology ofof robotrobot wristwrist jointsjoints usedused forfor welding welding paint paint etc etc ThroughThrough thethe reasonablereasonable designdesign calculation calculation thethe transmissiontransmission path path choosechoose thethe wrist wrist reasonablereasonable decoratedecorate a a dcdc motor motor geargear axleaxle andand geargear axle axle designdesign andand realizationrealization ofof thethe structure structure thethe pendulumpendulum wrist wrist turnturn thethe wristwrist andand wristwrist threethree degreesdegrees ofof freedom freedom InIn thethe designdesign ofof thethe standardstandard andand commoncommon people people thethe designdesign andand manufacturingmanufacturing cost cost Keywords freedom freedom JointJoint robot robot TheThe wristwrist 精品文档 2欢迎下载 精品文档 3欢迎下载 目录 1 绪论 1 1 1 选题背景及意义 1 1 2 文献综述 国内外发展和研究现状 2 1 3 机器人的现状与发展 3 2 手腕结构的确定 7 3 基本参数的确定 4 电机的选择 8 3 1 提腕电机的选择 8 3 2 摆腕和转腕电机的选择 8 5 总传动比的确定及传动比的分配 9 4 1 各级传动比的计算 9 4 2 传动比的分配 9 6 齿轮设计 10 5 1 偏转部分齿轮设计 5 2 摆腕部分齿轮设计 5 3 转腕部分齿轮设计 7 轴的设计与校核 6 1 轴的结构设计 6 2 轴的校核计算 8 控制系统设计 7 1 控制方法的确定 7 3 PLC 的 IO 图绘制 7 4 PLC 梯形图设计 结论 参考文献 致谢 精品文档 1 1欢迎下载1欢迎下载 1 绪论 1 1 选题背景及其意义 本题设计的是关节型机器人腕部结构 主要是整体方案设计和手腕的 结构设计及控制系统设计 此课题来源于实际生产 对于目前手工电弧焊接效 率低 操作环境差 而且对操作员技术熟练成都要求高 因此采用机器人技术 实现焊接生产操作的柔性自动化 提高产品质量与劳动生产力 实现生产过程 自动化 改善劳动条件 题目要求是 动作范围 手腕回转 摆动 旋 150 90 转 各轴最大速度要求 额定载荷 最大速度 2 腕 360s 30 kg5 sm 3 部最大负荷 5kg 机器人是近 30 年发展起来的一种典型的 机电一体化的 独立的自动化生产工具 在制造工业中 应用工业机器人技术是提高生产过程 自动化 改善劳动条件 提高产品质量和生产效率的有效手段之一 也是新技 术革命的一个重要内容 自古以来 人们所设想的机器人一般是一种在外形和功 能上均能模拟人类智能的机器 特别是在 20 世纪 20 年代前后 捷克和美国的一 些科幻作家创作了一批关于未来机器人与人类共处中可能发生的故事之类的文 学作品 更使机器人在人们的思想中成为一种无所不能的 超人 在现实生活 中 一些民间工匠根据这些文学描绘 也制造出一些仿人或仿生的机器人 然而 在当时的科技条件下 要使机器人具有某种特殊的 智能 而成为 超人 显 然是不可能的 美国的戴沃尔设想了一种可控制的机械手 他首先突破了对机器 人的传统观点 提出机器人并不一定必须像人 但是必须能做一些人的工作 1954 年 他依据这一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装置 发表了 适 用于重复作业的通用性工业机器人 一文 并获得了美国专利 戴沃尔将遥控操 纵器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴联结在一起 预定的机械手动作一经 编程输入后 机械等就可以离开人的辅助而独立运行 这种机器人也可以接受示 教而完成各种简单任务 示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务 的各个位置 这些位置序列记录在数字存储器中 任务的执行过程中 机器人 的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列 1 2 文献综述 国内外研究现状与发展趋势 随着全球能源短缺 环境污染以及温室效应等问题的日益突显 寻找可持 续的能源近年来 工业机器人的应用越来越广泛 种种迹象表明工业自动化时 代已经到来 工业机器人极有可能成为下一个迎来爆发式增长的新兴产业 另 一方面 中国工业机器人产业正处于前所未有的机遇期 政策红利 工业转型 精品文档 2 2欢迎下载2欢迎下载 升级需求释放等机遇叠加 但中国工业机器人产业化发展却不尽如人意 产业 化进程发展缓慢 工业机器人是生产过程中的关键设备 可用于安装 制造 检测 物流等生产环节 并广泛应用于汽车及汽车零部件 电气电子 化工 工程机械 轨道交通 低压电器 电力 IC 装备 军工 烟草 金融 医药 冶金及印刷出版等众多行业 应用领域广泛 产业具备加速发展条件 中国工 业机器人的规模 分布 技术 应用是产业加速发展的基础和条件 总体来看 中国工业机器人产业处于起步期 整体规模较小 受产业发展阶段影响 龙头 企业多分布在研发集中的东北地区 技术投入虽逐年增长 但核心技术尚未产 业化 人力替代需求旺盛 市场应用前景广阔 国际工业机器人协会统计资料显示 2008 2012年 我国工业机器人平均每 年安装量约15000台 2012年新安装量24800台 工业机器人产业经过20多年发 展 基本实现了从试验 引进到自主开发的转变 中国目前已基本掌握了机器 人操作机的设计制造 控制系统硬件和软件设计技术 运动学和轨迹规划技术 生产了部分机器人关键元器件 开发出喷漆 弧焊 点焊 装配 搬运等机器 人 但我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的差距 主要体现在 产品可靠性 精确度低于国外产品 机器人应用领域较窄 生产 线系统技术与国外比仍有差距 自主创新不足 诸多技术方面停留在仿制层面 关键零部件依赖进口 特别是在高性能交流伺服电机和高精密减速器方面的差 距尤为明显 在加工工艺方面 国内厂商的热处理技术较弱 直接影响工业机 器人的控制精度 当前 我国的机器人生产品种规格多 批量小 零部件通用化程度低 供 货周期长 成本高 而且质量 可靠性都不稳定 因此迫切需要解决产业化前 期的关键技术 对产品进行全面规划 搞好系列化 通用化 模块化设计 积 极推进产业化进程 目前 工业机器人产业发展处于内外部机遇叠加的重要发 展期 工业转型升级推动装备产业发展 人口增长趋势有利于释放市场容量 商业模式创新活跃 同时 工业机器人产业经过初期的技术积累和产品市场规 模的不断扩大 正逐步接近产业化快速发展的临界点 工业机器人是我国制造业转型升级必不可少的高端装备 是我国 十二五 规 划中重点发展的七大战略性新兴产业之一 也是其他新兴产业发展的重要基础 随着我国产业转型升级的逐步推进 对以工业机器人为代表的智能装备的需求 将呈爆发式增长 工业机器人产业作为战略性新兴产业 其产业化的快速发展与商业模式的 创新密不可分 工业机器人产业已经具备了基础技术条件 足以支撑产业化的 精品文档 3 3欢迎下载3欢迎下载 快速发展 商业模式的建立有利于加快形成工业机器人产业体系 改变原有的 产业形态 在信息技术 互联网技术基础上积累的商业模式创新经验 为工业 机器人产业的发展提供了可资借鉴的良好经验 机器人的应用 是从特种作业 领域 逐渐向工业装备领域进行大规模市场拓展的 目前在众多领域已呈爆发 式增长 同时 中国工业机器人面临巨大挑战 产业发展缺乏战略层面规划 难以 适应现阶段产业化加速发展的要求 技术创新能力薄弱 关键零部件仍难以走 出实验室实现产业化 缺乏核心竞争力 在国外企业垄断全球市场的格局下 传统模仿跟随的发展路径与加速做大总量的现实需求不匹配 产业发展政策与 产业发展阶段不协调 众多国家级重大项目涉及机器人领域 各地方政府也在 大力投资机器人产业 但目前工业机器人还没有建立起产业体系 管理缺失 导致产业规划 政策研究 标准体系建设等行业重点工作存在缺位 2 手腕结构的确定 手腕是联接手臂和末端执行器的部件 处于机器人操作机的最末端 其功 能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个坐标位置的基础上 再 由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标 即实现三个自由度 如下图所示 三个电机成三角形分布 精品文档 4 4欢迎下载4欢迎下载 图图 2 2 1 1 传动原理图传动原理图 3 基本参数的确定 空间结构和手腕结构的确定 那么手腕回转 手腕摆动 和手腕旋转三个 姿态的自由度也得到了实现 表表 3 23 2 机器人的主要规格参数机器人的主要规格参数 手腕回转 150s 30 手腕摆动 90s 30 动作范围 手腕旋转 360s 30 额定载荷kg5 最大速度sm 3 4 手腕详细设计说明 本课题的机器人将采用直流伺服电动机 因为它具有体积小 转矩大 输 出力矩和电流成比例 伺服性能好 反应快速 功率重量比大 稳定性好等优 点 4 1 手腕电机的选择 4 1 14 1 1 提腕电机的选择提腕电机的选择 手腕的最大负荷重量 初估腕部的重量 最大运动速度kgm5 1 kgm10 2 V 3m s 功率WmgVFVp45031015 精品文档 5 5欢迎下载5欢迎下载 取安全系数为 1 2 Wpp5404502 12 1 考虑到传动损失和摩擦 最终的电机功率 Wp600 额 执行机构的最大转速为 n r min286 100060 D V 经查表按推荐的传动比合理范围 i 电动机转速范围是 n 1988 到408到 11440r min 选择 Z 型并励直流电动机 技术参数如下 表 4 1 Z 型并励直流电动机技术参数 型 号额定电压 V 额定转矩 N m 额定转速 r m 参考功率 W 重量 kg Z200 20 400 200 2 86 2000 600 5 5 4 1 24 1 2 摆腕和转腕电机的选择摆腕和转腕电机的选择 根据设计要求取相同型号的电机 选择 Z 型并励直流电动机 型号为 Z200 20 400 4 2 传动比的确定 4 2 14 2 1 总传动比的确定总传动比的确定 转腕传动比的确定 由上面算的 n 286 47r min 最后求得总传动比 i总 8 取整 i总 8 n n 47 286 2000 同理 提腕腕传动比的确定 i总 16 n n 150 2000 精品文档 6 6欢迎下载6欢迎下载 摆腕腕的传动比 i总 14 n n 143 2000 4 3 传动比的分配 a 转腕传动比的分配 4 2i3412 i低速级高速级传动比为 b 提腕传动比的分配 4 4i3412 i低速级高速级传动比为 C 摆腕传动比的分配 7 2i3412 i低速级高速级传动比为 5 齿轮的设计 5 1 提腕部分齿轮设计 A 第一极圆柱齿轮传动 齿轮采用 45 号钢 锻造毛坯 正火处理后齿面硬度 170 190HBS 齿轮精 度等级为 7 极 取 a 设计准则 按齿面接触疲劳强度设计 再按齿根弯曲疲劳强度校核 b 按齿面接触疲劳强度设计 齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 4 1 3 1 2 1 12 u uKTZZZ d dH EH t 其中 8 0 d 2 u 90 0 Z aE MPZ 8 189 8 1 H Z mmN n P T 11667 47 286 54 0 1055 9 1055 9 66 1 选择材料的接触疲劳极根应力为 MPa H 580 lim1 MPa H 560 lim2 精品文档 7 7欢迎下载7欢迎下载 选择材料的接触疲劳极根应力为 MPa F 230 lim1 MPa F 210 lim2 应力循环次数 N 由下列公式计算可得 4 2 atnN 11 60 168300200060 9 1023 4 则 9 9 1 2 1016 2 2 1023 4 u N N 接触疲劳寿命系数 1 1 1 N Z02 1 2 N Z 弯曲疲劳寿命系数1 21 NN YY 接触疲劳安全系数 弯曲疲劳安全系数 又 1 min H S5 1 min F S0 2 ST Y 试选 3 1 t K 求许用接触应力和许用弯曲应力 MPaMPaY S Y MPaMPaY S Y MPaZ S MPaZ S N F STF F N F STF F N H H H N H H H 2801 5 1 2210 67 3061 5 1 2230 6 59102 1 1 580 6381 1 1 580 2 min lim2 2 1 min lim1 1 2 min lim 2 1 min lim1 1 将有关值代入 4 1 得 mm mm u uTKZZZ d d t H EH t 65 45 2 12 8 0 116703 12 6 591 9 0 8 1898 1 12 3 2 3 1 2 2 1 则 sm nd v t 752 4 100060 200065 45 100060 11 1 smsm vz 946 0 100 752 4 20 100 11 精品文档 8 8欢迎下载8欢迎下载 动载荷系数 使用系数 动载荷分布不均匀系数 0 1 Kv1 A K02 1 K 齿间载荷分配系数 则1 Ka03 1 0 102 1 0 101 1 KaKvKKK AH 修正 mm K K dd t H t 91 41 3 1 03 1 65 45 3 3 11 mmmm z d m09 2 20 91 41 1 1 取标准模数 mmm2 c 计算基本尺寸 mm zz ma mmmzd mmmzd 75 2 10050 2 80402 40202 21 22 11 d 校核齿根弯曲疲劳强度 复合齿形系数 1 4 1 FS Y8 3 2 FS Y 取 7 0 Y 校核两齿轮的弯曲强度 YY mz KT FS d F1 3 2 1 1 1 2 4 3 MPa7 01 4 5 2208 0 1167003 1 2 32 1 02 110 F MPa 2 1 2 12 97 101 1 4 8 3 02 110 F FS FS FF MPaMPa Y Y 所以齿轮完全达到要求 精品文档 9 9欢迎下载9欢迎下载 表表 5 5 1 1 齿轮的几何尺寸齿轮的几何尺寸 名称符号公式 分度圆直径dmmmzd40202 11 mmmzd80402 22 齿顶高 a hmmmhaha221 齿根高 f hmmmchahf5 22 25 01 齿全高h mmhhh fa 25 45 22 齿顶圆直径 1a d mmhdd aa 442 11 mmhdd aa 842 22 齿根圆直径 1f d mmhdd ff 75 432 11 mmhdd ff 752 22 基圆直径 1b d mmddb95 36cos 11 mmddb 9 74cos 22 齿距pmmmp85 7 5 214 3 齿厚smmms925 3 2 齿槽宽emmme925 3 2 中心距ammdda752 21 顶隙cmmmcc625 05 225 0 由于小齿轮分度圆直径较小 考虑到结构 小齿轮将做成齿轮轴 B 第二极圆柱齿轮传动 齿轮采用 45 号钢 调质处理后齿面硬度 180 190HBS 齿轮精度等级为 7 极 取 80204 20 21 zz则 在上面已经算出模数 m 2 所以第二级齿轮的参数如下 表表 5 5 2 2 齿轮的几何尺寸齿轮的几何尺寸 名称符号公式 精品文档 10 10欢迎下载10欢迎下载 a 设计准则 按齿面接触疲劳强度设计 再按齿根弯曲疲劳强度校核 b 按齿面接触疲劳强度设计 齿面接触疲劳强度的设计表达式 4 4 3 2 1 2 1 5 01 85 0 4 u KT ZZ d RRH EH t 其中 8 0 d 5 u aE MPZ 8 189 8 1 H Z mmN n P T 9550 200 2 0 1055 9 1055 9 66 1 选择材料的接触疲劳极根应力为 MPa H 580 lim1 MPa H 560 lim2 选择材料的接触疲劳极根应力为 MPa F 230 lim1 MPa F 210 lim2 应力循环次数 N 由下式计算可得 4 5 atnN 11 60 168300200060 分度圆直径dmmmzd40202 11 mmmzd160802 22 齿顶高 a hmmmhaha221 齿根高 f hmmmchahf5 22 25 01 齿全高h mmhhh fa 5 45 22 齿顶圆直径 1a d mmhdd aa 442 11 mmhdd aa 1642 22 齿根圆直径 1f d mmhdd ff 75 332 11 mmhdd ff 75 1582 22 基圆直径 1b d mmddb56 37cos 11 mmddb24 150cos 22 齿距pmmmp28 6 214 3 齿厚smmms14 3 2 齿槽宽emmme14 3 2 中心距ammdda1002 21 顶隙cmmmcc5 0225 0 精品文档 11 11欢迎下载11欢迎下载 9 1023 4 则 9 9 1 2 10846 0 5 1023 4 u N N 接触疲劳寿命系数 1 1 1 N Z02 1 2 N Z 弯曲疲劳寿命系数1 21 NN YY 接触疲劳安全系数 弯曲疲劳安全系数 又 1 min H S5 1 min F S0 2 ST Y 试选 3 1 t K 求许用接触应力和许用弯曲应力 MPaMPaY S Y MPaMPaY S Y MPaZ S MPaZ S N F STF F N F STF F N H H H N H H H 2801 5 1 2210 67 3061 5 1 2230 6 59102 1 1 580 6381 1 1 580 2 min lim2 2 1 min lim1 1 2 min lim 2 1 min lim1 1 将有关值代入 4 4 得 mm mm u KT ZZ d RRH EH t 3 43 2 3 05 01 3 085 0 95503 14 6 591 8 1898 1 5 01 85 0 4 3 2 2 3 2 1 2 1 则 sm nd v t 53 4 100060 2000 3 43 100060 11 1 smsm vz 96 0 100 53 4 20 100 11 动载荷系数 使用系数 齿向载荷分布不均匀系数0 1 Kv1 A K 齿间载荷分配系数取 则02 1 K1 Ka 03 1 0 102 1 0 101 1 KaKvKKK AH 修正 mm K K dd t H t 1 39 3 1 03 1 3 43 3 3 11 精品文档 12 12欢迎下载12欢迎下载 mmmm z d m95 1 20 1 39 1 1 取标准模数 mmm2 c 计算基本尺寸 mm zz ma mmmzd mmmzd 120 2 20040 2 2001002 40202 21 22 11 d 校核齿根弯曲疲劳强度 复合齿形系数 1 4 1 FS Y8 3 2 FS Y 取 7 0 Y 校核两齿轮的弯曲强度 4 6 23 2 1 2 11 1 1 5 01 4 umz YKT RR FS F MPa 2322 51220 8 05 01 8 0 1 4955003 1 4 1 21 F MPa 2 1 2 12 19 1 4 8 3 21 F FS FS FF MPaMPa Y Y 所以齿轮完全达到要求 表表 5 5 3 3 齿轮的几何尺寸齿轮的几何尺寸 符号公式 分度圆直径d mmmzd40202 11 mmmzd2001002 22 齿顶高 a hmmmhaha221 齿根高 f hmmmchahf6 12 2 01 齿顶圆直径 a d mmhdd aa 44cos2 11 mmhdd aa 202cos2 22 齿根圆直径 f dmmhdd ff 37cos2 11 mmhdd ff 197cos2 22 齿顶角 a 01959 0 tan Rha a 齿根角 f 0235 0 tan Rhf f 分度圆锥角 196 0 2 sin Rmz 顶锥角 a 3 10 aa 精品文档 13 13欢迎下载13欢迎下载 根锥角 f 10 ff 锥距RmmmzR102sin2 齿宽bmmRb 4 20 35 0 2 0 由于小齿轮的分度圆直径较小 所以作成齿轮轴 5 2 提腕腕部分齿轮设计 第一极圆柱齿轮传动 齿轮采用 45 号钢 调质处理后齿面硬度 180 190HBS 齿轮精度等级为 7 极 取 40202 20 21 zz则 a 设计准则 按齿面接触疲劳强度设计 再按齿根弯曲疲劳强度校核 b 按齿面接触疲劳强度设计 齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 4 1 3 1 2 1 12 u uKTZZZ d dH EH t 其中 8 0 d 2 u 90 0 Z aE MPZ 8 189 8 1 H Z P mgV 10 10 3 300w s n 150r s mmN n P T 12100 150 3 0 1055 9 1055 9 66 1 选择材料的接触疲劳极根应力为 MPa H 580 lim1 MPa H 560 lim2 选择材料的接触疲劳极根应力为 MPa F 230 lim1 MPa F 210 lim2 应力循环次数 N 由下列公式计算可得 4 2 atnN 11 60 168300200060 9 1023 4 则 9 9 1 2 1016 2 2 1023 4 u N N 精品文档 14 14欢迎下载14欢迎下载 接触疲劳寿命系数 1 1 1 N Z02 1 2 N Z 弯曲疲劳寿命系数1 21 NN YY 接触疲劳安全系数 弯曲疲劳安全系数 又 1 min H S5 1 min F S0 2 ST Y 试选 3 1 t K 求许用接触应力和许用弯曲应力 MPaMPaY S Y MPaMPaY S Y MPaZ S MPaZ S N F STF F N F STF F N H H H N H H H 2801 5 1 2210 67 3061 5 1 2230 6 59102 1 1 580 6381 1 1 580 2 min lim2 2 1 min lim1 1 2 min lim 2 1 min lim1 1 将有关值代入 4 1 得 mm mm u uTKZZZ d d t H EH t 45 45 2 12 8 0 121003 12 6 591 9 0 8 1898 1 12 3 2 3 1 2 2 1 则 sm nd v t 552 4 100060 200065 45 100060 11 1 smsm vz 936 0 100 752 4 20 100 11 动载荷系数 使用系数 动载荷分布不均匀系数 0 1 Kv1 A K02 1 K 齿间载荷分配系数 则1 Ka03 1 0 102 1 0 101 1 KaKvKKK AH 修正 mm K K dd t H t 41 40 3 1 03 1 65 45 3 3 11 mmmm z d m2 20 41 40 1 1 取标准模数 mmm2 c 计算基本尺寸 精品文档 15 15欢迎下载15欢迎下载 mm zz ma mmmzd mmmzd 100 2 16040 2 160802 40202 21 22 11 d 校核齿根弯曲疲劳强度 复合齿形系数 1 4 1 FS Y8 3 2 FS Y 取 7 0 Y 校核两齿轮的弯曲强度 YY mz KT FS d F1 3 2 1 1 1 2 4 3 MPa7 01 4 5 2208 0 1210003 1 2 32 1 02 111 F MPa 2 1 2 12 97 103 1 4 8 3 02 110 F FS FS FF MPaMPa Y Y 所以齿轮完全达到要求 名称符号公式 分度圆直径dmmmzd40202 11 mmmzd160802 22 齿顶高 a hmmmhaha221 齿根高 f hmmmchahf5 22 25 01 齿全高h mmhhh fa 5 45 22 齿顶圆直径 1a d mmhdd aa 442 11 mmhdd aa 1642 22 齿根圆直径 1f d mmhdd ff 75 332 11 mmhdd ff 75 1582 22 基圆直径 1b d mmddb56 37cos 11 mmddb24 150cos 22 齿距pmmmp28 6 214 3 齿厚smmms14 3 2 齿槽宽emmme14 3 2 中心距ammdda1002 21 精品文档 16 16欢迎下载16欢迎下载 表表 5 5 4 4 齿轮的几何尺寸齿轮的几何尺寸 第二级传动使用圆柱齿轮传动 齿轮采用 45 号钢 调质处理后齿面硬度 180 190HBS 齿轮精度等级为 7 极 取 经计算齿轮80204 20 21 zz则 满足要求 表表 5 5 5 5 齿轮的几何尺寸齿轮的几何尺寸 5 3 摆腕腕部分齿轮设计 第一极圆柱齿轮传动 齿轮采用 45 号钢 调质处理后齿面硬度 180 190HBS 齿轮精度等级为 7 极 取 经计算齿轮40202 20 21 zz则 满足要求 小齿轮作成齿轮轴 a 设计准则 按齿面接触疲劳强度设计 再按齿根弯曲疲劳强度校核 顶隙cmmmcc5 0225 0 名称符号公式 分度圆直径dmmmzd40202 11 mmmzd160802 22 齿顶高 a hmmmhaha221 齿根高 f hmmmchahf5 22 25 01 齿全高h mmhhh fa 5 45 22 齿顶圆直径 1a d mmhdd aa 442 11 mmhdd aa 1642 22 齿根圆直径 1f d mmhdd ff 75 332 11 mmhdd ff 75 1582 22 基圆直径 1b d mmddb56 37cos 11 mmddb24 150cos 22 齿距pmmmp28 6 214 3 齿厚smmms14 3 2 齿槽宽emmme14 3 2 中心距ammdda1002 21 顶隙cmmmcc5 0225 0 精品文档 17 17欢迎下载17欢迎下载 b 按齿面接触疲劳强度设计 齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 4 1 3 1 2 1 12 u uKTZZZ d dH EH t 其中 8 0 d 2 u 90 0 Z aE MPZ 8 189 8 1 H Z P mgV 10 10 3 300w s n 150r s mmN n P T 12100 150 3 0 1055 9 1055 9 66 1 选择材料的接触疲劳极根应力为 MPa H 580 lim1 MPa H 560 lim2 选择材料的接触疲劳极根应力为 MPa F 230 lim1 MPa F 210 lim2 应力循环次数 N 由下列公式计算可得 4 2 atnN 11 60 168300200060 9 1023 4 则 9 9 1 2 1016 2 2 1023 4 u N N 接触疲劳寿命系数 1 1 1 N Z02 1 2 N Z 弯曲疲劳寿命系数1 21 NN YY 接触疲劳安全系数 弯曲疲劳安全系数 又 1 min H S5 1 min F S0 2 ST Y 试选 3 1 t K 求许用接触应力和许用弯曲应力 精品文档 18 18欢迎下载18欢迎下载 MPaMPaY S Y MPaMPaY S Y MPaZ S MPaZ S N F STF F N F STF F N H H H N H H H 2801 5 1 2210 67 3061 5 1 2230 6 59102 1 1 580 6381 1 1 580 2 min lim2 2 1 min lim1 1 2 min lim 2 1 min lim1 1 将有关值代入 4 1 得 mm mm u uTKZZZ d d t H EH t 45 45 2 12 8 0 121003 12 6 591 9 0 8 1898 1 12 3 2 3 1 2 2 1 则 sm nd v t 552 4 100060 200065 45 100060 11 1 smsm vz 936 0 100 752 4 20 100 11 动载荷系数 使用系数 动载荷分布不均匀系数 0 1 Kv1 A K02 1 K 齿间载荷分配系数 则1 Ka03 1 0 102 1 0 101 1 KaKvKKK AH 修正 mm K K dd t H t 41 40 3 1 03 1 65 45 3 3 11 mmmm z d m2 20 41 40 1 1 取标准模数 mmm2 c 计算基本尺寸 mm zz ma mmmzd mmmzd 100 2 16040 2 160802 40202 21 22 11 d 校核齿根弯曲疲劳强度 复合齿形系数 1 4 1 FS Y8 3 2 FS Y 取 7 0 Y 精品文档 19 19欢迎下载19欢迎下载 校核两齿轮的弯曲强度 YY mz KT FS d F1 3 2 1 1 1 2 4 3 MPa7 01 4 5 2208 0 1210003 1 2 32 1 02 111 F MPa 2 1 2 12 97 103 1 4 8 3 02 110 F FS FS FF MPaMPa Y Y 所以齿轮完全达到要求 表表 5 5 6 6 齿轮的几何尺寸齿轮的几何尺寸 名称符号公式 分度圆直径dmmmzd40202 11 mmmzd80402 22 齿顶高 a hmmmhaha221 齿根高 f hmmmchahf5 22 2 01 齿全高h mmhhh fa 5 45 22 齿顶圆直径 1a d mmhdd aa 442 11 mmhdd aa 842 22 齿根圆直径 1f d mmhdd ff 352 11 mmhdd ff 752 22 基圆直径 1b d mmddb56 37cos 11 mmddb17 75cos 22 齿距pmmmp28 6 214 3 齿厚smmms14 3 2 齿槽宽emmme14 3 2 中心距ammdda602 21 顶隙cmmmcc5 0225 0 第二极圆锥齿轮传动 齿轮采用 45 号钢 调质处理后齿面硬度 180 190HBS 齿轮精度等级为 7 极 取 经计算齿轮140207 20 21 zz则 满足要求 小齿轮作成齿轮轴 a 设计准则 按齿面接触疲劳强度设计 再按齿根弯曲疲劳强度校核 b 按齿面接触疲劳强度设计 精品文档 20 20欢迎下载20欢迎下载 齿面接触疲劳强度的设计表达式 4 4 3 2 1 2 1 5 01 85 0 4 u KT ZZ d RRH EH t 其中 8 0 d 5 u aE MPZ 8 189 8 1 H Z P w s n 143r min1503105 mgv mmN n P T 9550 143 15 0 1055 9 1055 9 66 1 选择材料的接触疲劳极根应力为 MPa H 580 lim1 MPa H 560 lim2 选择材料的接触疲劳极根应力为 MPa F 230 lim1 MPa F 210 lim2 应力循环次数 N 由下式计算可得 4 5 atnN 11 60 168300200060 9 1023 4 则 9 9 1 2 10846 0 5 1023 4 u N N 接触疲劳寿命系数 1 1 1 N Z02 1 2 N Z 弯曲疲劳寿命系数1 21 NN YY 接触疲劳安全系数 弯曲疲劳安全系数 又 1 min H S5 1 min F S0 2 ST Y 试选 3 1 t K 求许用接触应力和许用弯曲应力 精品文档 21 21欢迎下载21欢迎下载 MPaMPaY S Y MPaMPaY S Y MPaZ S MPaZ S N F STF F N F STF F N H H H N H H H 2801 5 1 2210 67 3061 5 1 2230 6 59102 1 1 580 6381 1 1 580 2 min lim2 2 1 min lim1 1 2 min lim 2 1 min lim1 1 将有关值代入 4 4 得 mm mm u KT ZZ d RRH EH t 3 43 2 3 05 01 3 085 0 95503 14 6 591 8 1898 1 5 01 85 0 4 3 2 2 3 2 1 2 1 则 sm nd v t 53 4 100060 2000 3 43 100060 11 1 smsm vz 96 0 100 53 4 20 100 11 动载荷系数 使用系数 齿向载荷分布不均匀系数0 1 Kv1 A K 齿间载荷分配系数取 则02 1 K1 Ka 03 1 0 102 1 0 101 1 KaKvKKK AH 修正 mm K K dd t H t 1 39 3 1 03 1 3 43 3 3 11 mmmm z d m95 1 20 1 39 1 1 取标准模数 mmm2 c 计算基本尺寸 mm zz ma mmmzd mmmzd 160 2 28040 2 2801402 40202 21 22 11 d 校核齿根弯曲疲劳强度 复合齿形系数 1 4 1 FS Y8 3 2 FS Y 取 7 0 Y 精品文档 22 22欢迎下载22欢迎下载 校核两齿轮的弯曲强度 4 6 23 2 1 2 11 1 1 5 01 4 umz YKT RR FS F MPa 2322 51220 8 05 01 8 0 1 4955003 1 4 1 21 F MPa 2 1 2 12 19 1 4 8 3 21 F FS FS FF MPaMPa Y Y 所以齿轮完全达到要求 表表 5 5 7 7 齿轮的几何尺寸齿轮的几何尺寸 名称符号公式 分度圆直径d mmmzd40202 11 mmmzd2801402 22 齿顶高 a hmmmhaha221 齿根高 f hmmmchahf6 12 2 01 齿顶圆直径 a d mmhdd aa 44cos2 11 mmhdd aa 282cos2 22 齿根圆直径 f dmmhdd ff 37cos2 11 mmhdd ff 277cos2 22 齿顶角 a 01959 0 tan Rha a 齿根角 f 0235 0 tan Rhf f 分度圆锥角 196 0 2 sin Rmz 顶锥角 a 3 10 aa 根锥角 f 10 ff 锥距RmmmzR102sin2 齿宽bmmRb 4 20 35 0 2 0 6 6 轴的设计和校核轴的设计和校核 轴的结构决定于受力情况 轴上零件的布置和固定方式 轴承的类型和尺 寸 轴的毛坯 制造和装配工艺 以及运输 安装等条件 轴的结构 应使轴 受力合理 避免或减轻应力集中 有良好的工艺性 并使轴上零件定位可靠 装配方便 对于要求刚度大的轴 还应该从结构上考虑减少轴的变形 6 1 摆腕输入轴的设计 a 轴的材料为 45 号刚 调制处理 1 求输入功率 转速和转矩 精品文档 23 23欢迎下载23欢迎下载 根据电机的基本参数可以知道 p1 0 6kw n1 2000r min T1 95500002860N mm 20006 0 2 初步确定轴的最小直径 取 A0 112 于是得 dmin A0 112 10mm 3 n P 3 2000 6 0 根据联轴器的型号选轴的最小直径是 12mm b 各段轴径和长度的确定 初估轴径后 就可按照轴上零件的安装顺序从处开始逐段确定轴径 min d 上面计算的是轴段 1 的直径 d1 12mm L1 10mm min d 轴段 2 要起到过度作用 所以取 d2 22mm L2 33mm 轴段 3 的 d3 30mm L3 5mm 轴段 4 要做成齿轮轴所以取 d4 44mm L4 42mm 轴段 5 d5 d3 30mm L5 20mm 轴段 6 考虑要安装轴承 内径要符合轴承安装条件 所以取 d6 25mm L6 16mm 2 轴的强度校核 轴在初步完成结构设计后 进行校核计算 计算准则是满足轴的强度或 刚度要求 进行轴的强度校核计算时 应根据轴的具体受载及应力情况 采取 相应的方法 并恰当地选取其许用应力 对于用于传递转矩的轴应按扭转强度 条件计算 对于只受弯矩的轴 心轴 应按弯曲强度条件计算 两者都具备的 按疲劳强度条件进行精确校核等 精品文档 24 24欢迎下载24欢迎下载 图 4 2 轴的受力分析和弯扭矩图 a 轴上的转矩 T 主轴上的传递的功率 P 轴kw48 08 0 p 4 8 n P T 6 1055 9 2000 48 0 1055 9 6 Nmm2292 求作用在齿轮上的力 71 212065 59 6 114 40 229222 40202 NtgtgFF N d T F mmzmd tr t t 精品文档 25 25欢迎下载25欢迎下载 9 41 8cos 20 6 114 cos tgtg FtFr N 1 168 6 114 tgtgFFat b 画轴的受力简图 见图 4 2 c 计算轴的支撑反力 在水平面上 FNH2N l ll l Fr 54 8 21533 219 41 2 2 4 32 4 NFFrF NH NH46 1554 8 24 2 1 在垂直面上 N F FF t NVNV29 2 21 d 画弯矩图 见图 4 2 在水平面上 剖面左侧aa mmN l l l FMNHH54 7574946 15 22 4 5 6 1 剖面右侧aa mm l llFM NHH 86 5035954 8 2 4 3 22 在垂直面上 mmN l l l FnvMV14214929 22 4 5 6 1 NMV73549152 合成弯矩 剖面左侧aa mmNMMMa VH 1610142154 757 22 22 剖面右侧aa 精品文档 26 26欢迎下载26欢迎下载 mmNMMaM VH 63 89073586 503 22 22 e 画转矩图 见图 4 2 mmN d FT t 2508 2 44 114 2 f 判断危险截面 截面左右的合成弯矩左侧相对右侧大些 扭矩为 T 则判断左侧aa 为危险截面 只要左侧满足强度校核就行了 g 轴的弯扭合成强度校核 许用弯曲应力 Mpa b 60 1 Mpa b 100 0 6 0 100 60 0 1 b b 截面左侧aa 3 2 3 2 3 4 818 442 3 44 7050 441 0 2 1 0mm d tdbl dW 4 818 25086 0 1610 2222 W TM e h 轴的疲劳强度安全系数校核 查得抗拉强度 弯曲疲劳强度 剪切疲劳极限Mpa B 650 Mpa300 1 等效系数 Mpa155 1 2 0 1 0 截面左侧aa 3 2 3 2 3 9 1462 442 3 44 7042 442 0 2 2 0mm d tdbl dW 查得 查得绝对尺寸系数 轴经磨1 K8 1 K95 0 92 0 削加工 表面质量系数 则0 1 弯曲应力 MPa W M b 66 1 4 818 57 1360 应力幅 Mpa ba 66 1 平均应力 0 m 精品文档 27 27欢迎下载27欢迎下载 切应力 Mpa W T T T 46 2 4 818 2292 Mpa T ma 73 0 2 安全系数 7 180 02 066 1 95 0 0 1 1 300 1 ma K S 100 73 0 1 073 0 92 0 0 1 8 1 155 1 ma K S 15 88 100 7 180 100 7 180 2222 SS SS S 查许用安全系数 显然 则剖面安全 5 13 1 S SS aa 6 2 提腕的输入轴的设计与校核 a 轴的材料为 45 号刚 调制处理 1 求输入功率 转速和转矩 根据电机的基本参数可以知道 p1 0 6kw n1 2000r min T1 95500002860N mm 20006 0 2 初步确定轴的最小直径 取 A0 112 于是得 dmin A0 112 10mm 3 n P 3 2000 6 0 根据联轴器的型号选轴的最小直径是 12mm 所以轴段 1d1 12mm L1 39mm 轴段 2 是齿轮轴 根据齿轮的尺寸确定 d2 40mm L2 33mm 精品文档 28 28欢迎下载28欢迎下载 2 2 轴的强度校核 a 轴上的转矩 T 主轴上的传递的功率 P 轴kw48 08 0 p 4 8 n P T 6 1055 9 2000 48 0 1055 9 6 Nmm2292 求作用在齿轮上的力 精品文档 29 29欢迎下载29欢迎下载 71 212065 59 6 114 40 229222 40202 NtgtgFF N d T F mmzmd tr t t N 1 42 8cos 20 6 114 cos tgtg FtFr N 1 168114 tgtgFFat b 画轴的受力简图 见图 4 2 c 计算轴的支撑反力 在水平面上 FNH1N l l l Fr 13 7 2 33 39 2 33 9 41 2 2 2 1 2 在垂直面上 NFFtNV1141 d 画弯矩图 见图 4 2 在水平面上 剖面左侧aa mmNLFMNHH2783913 7 11 剖面右侧aa mmNFM tH 39623324 2 l 2 在垂直面上 mmN