M10型工业机器人手腕转动机构设计【说明书+CAD】
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M10型工业机器人手腕转动机构设计【说明书+CAD】,M10,工业,机器人,手腕,转动,机构,设计,说明书,CAD
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摘 要 机器人技术是一门综合学科，包含有机械设计、机械原理、电子设计、软件工程、材料科学、以及仿生学等一系列基础学科。作为现代化高新技术，其应用于各式各样的场合，尤其突出的是在制造领域中的应用。机械制造业的基本发展方向是既要增加产品数量，又要提高产品质量，同时还要降低成本。机器人技术恰恰能够较好的处理好制造业中这几个方面的问题，它把人类从完成机械重复的枯燥劳动中解放出来，补充了对简单劳动各种增长的需要。 本毕业设计概述了工业机器人的分类、历史、以及发展趋势。探讨了用于金属切削机床的M10型工业机器人的总体结构和手腕转动机构。重点在对于手腕转动组件的分析与设计，首先是原理分析，其次是其各个部件作用，最后对于其主要零部件进行了设计，包括计算、结构等方面的问题。例如轴承选用、轴的设计、蜗杆传动的选择。关键词：工业机器人；机械制造；机器人总体结构；手腕转动机构-Abstract Robot technology is a comprehensive discipline，it includes mechanical design, mechanical principle, electronics design, software engineering, materials science, and bionics and so on a series of basic subjects.As a modern technology, its application in a wide variety of situations, especially the application in the field of manufacturing.the basic direction of machinery manufacturing industry is to increase the product quantity, and to improve the quality of products, but also reduce the cost.The robot technology can well handle the problems in the manufacturing industry.It freed mankind from the dull work of the mechanical repetition and added the needs of the various growth in simple labor.This graduation design outlines the classification, history, and development trend of industrial robots.The overall structure and wrist institutions of the type M10 industrial robots which used for metal cutting machine tools is discussed.Focuses on the analysis and design for the wrist rotation components, first is the principle analysis, the second is its role in components, finally is the design of the main components, including calculation, structure and other aspects. Such as bearing selection, shaft design, selection of worm drive shaft.Keywords：Industry robot；Machinery manufacturing；General structure of robot；Wrist institutions.湖南科技大学本科生毕业设计目 录第一章 前言1 1.1 工业机器人概述1 1.2 工业机器人驱动方式1 1.2.1 气动式工业机器人1 1.2.2 液压式工业机器人1 1.2.3 电动式工业机器人2 1.3 工业机器人的分类2 1.3.1 按承载能力分2 1.3.2 按生产形式分2 1.4 工业机器人的历史3 1.5 工业机器人的技术现状和发展趋势5 1.5.1 工业机器人的技术现状5 1.5.2 工业机器人的发展趋势5第二章 工业机器人总体结构设计7 2.1 工业机器人设计内容与要求7 2.1.1 工业机器人在制造领域主要作用7 2.1.2 工业机器人主要设计内容7 2.2 工业机器人的总体设计7 2.2.1 M10型工业机器人总体结构图8 2.2.2 M10型工业机器人主要设计参数8 2.3 工业机器人的驱动方式选择9 2.4 工业机器人的运动学分析12 2.4.1 M10型工业机器人运动学简图12 2.4.2 M10型工业机器人运动分析13 2.4.3 结合运动学简图和总体结构图的综合分析13 2.5 工业机器人的材料选择13 2.5.1 材料选择的基本要求13 2.5.2 结构材料介绍14第三章 手腕转动机构设计16 3.1 工业机器人手腕介绍16 3.1.1 设计要求16 3.1.2 手腕的结构17 3.2 手腕转动机构运动分析和电动机的选择19 3.2.1 手腕转动机构结构图19 3.2.2 运动分析19 3.3 电动机的选择19 3.3.1 选择电动机类型19 3.3.2 选择电动机的容量20 3.3.3 确定电动机转速20 3.4 手腕转动机构气动原理和运动结构分析21 3.4.1 手腕转动机构气动原理图21 3.4.2 气动原理图分析21 3.4.3 结构图22 3.4.4 运动分析22 3.5 手腕转动机构轴承和键的选择22 3.5.1 常用轴承类型及选择22 3.5.2常用轴承类型及选择23 3.5.3 键的选择28第四章 典型零件设计29 4.1 轴的设计与校核29 4.1.1 轴用途及分类29 4.1.2 轴设计的主要内容29 4.1.3 轴的结构设计29 4.1.4 轴的强度校核计算30 4.2 蜗杆传动的选择35 4.2.1 蜗杆传动的介绍35 4.2.2 蜗杆传动的类型35 4.2.3 蜗杆传动主要参数介绍36 4.2.4 涡轮蜗杆参数选择38第五章 结论42参考文献43致谢44第1章 前言1.1 工业机器人概述 工业机器人是一种模拟人手臂、手腕和手功能的机电一体化装置，其应用领域分为很多种类，从常用的机器人系列和市场占有率来看，焊接、装配、搬运、上料/卸料、铸造、冲压和喷漆是主要的工业机器人品种。工业机器人产业链由零部件企业、本体企业、系统集成商、代理商、终端客户构成。当前，工业机器人应用领域正不断拓宽，种类更加繁多，功能越来越强，自动化和智能化水平显著提高。据国际机器人联合会统计，来自汽车整车及零部件工业的需求，合计占工业机器人下游总需求的60%左右。在亚洲，电子电气工业对工业机器人的需求仅次于汽车工业排名第二。在加速科技进步中机械制造业的发展起着关键作用，其任务是在工业生产中迅速将工艺装备的独立单元转变为自动化生产综合体（自动化工段、生产线和自动化车间），将来甚至实现自动化工厂。这种自动化生产最重要的特点是具有柔性，它能预料到，在节省劳力（或无人）情况下，根据工艺条件调整设备，以适应多种产品生产。 当代柔性自动化生产的建立和广泛应用，取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机器人技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。工业机器人是多品种经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中，工业机器人既有效地用于柔性生产系统组成工艺装备的基本工序中，也有效地用于辅助操作中。工业机器人与传统自动化手段不同之处，首先在于它在各种生产功能上的通用性和重新调整的柔性。在柔性生产系统中，工业机器人广泛应用于数控机床、锻压机床、铸造机械和仓储设备上，以完成传送、装配和其它操作。工业机器人和基本工艺装备、辅助手段以及控制装置一起形成各种不同形式的机器人技术综合体-柔性生产系统基本结构模块。1.2 工业机器人驱动方式1.2.1气动式工业机器人 这类工业机器人以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度稳定性较差，有因气源压力一般只有6kPa左右，所以这类工业机器人抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大百余牛顿。1.2.2液压式工业机器人 液压压力比气压压力高很多，一般为70kPa左右，故液压传动工业机器人具有较大的抓举能力，可以达到上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温或低温环境下工作。1.2.3电动式工业机器人 这是目前用的最多的一类工业机器人，不仅因为电动机品种多，为工业机器人设计提供了多种选择，也因为他们可以运用多种灵活控制方法。早起多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。这些驱动单元或是直接驱动操作机，或是通过诸如谐波减速器的装置来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。1.3 工业机器人的分类1.3.1按承载能力分 （1）超轻型（1.0kg以下）0.08；0.16；0.32；0.63 （2）轻型（1.0kg以上10kg）1.25；2.5；5.0；10.0 （3）中型（10kg以上100kg）20；40；80 （4）重型（100kg以上1000kg）160；250；500；1000； （5）超重型（1000kg以上）1250；1500；2000；2500；3000；5000；7500；10000；1.3.2按生产形式分（1） 铸造生产中的工业机器人 工业机器人在铸造生产中应用最广泛的领域是在压铸机上、喷砂处理和喷丸处理情理上和铸件运输上。 工业机器人所完成的基本功能是：从机器工作区域取出铸件，依次将铸件移送到检测位置，进入冷却装置，放入切边机的压膜中，从压膜中拿走，分放在包装箱中，将泥芯放到铸造砂型中并浇注金属。 用于铸造生产中的工业机器人应具有特殊结构形式，以防止周围介质的作用；如控制柜、控制台、导轨以及摩擦表面的密封，将控制系统布置在独立单元中等等。完善用于压铸机和热塑自动机的机器人应朝着增加运行的快速性和可靠性方向发展。可以预料，简化结构的专用工业机器人的生产会增加，同时建造组合模块原则的工业机器人结构也会得到发展。（2）锻压设备中的工业机器人在锻压生产中应用的工业机器人，其功能包括：从规定位置夹持毛坯，移送到工作位置，从一个位置转放到另一个位置（其中包括转动），取下成品件并将其放到包装箱中，抓放废料，发出控制机器人技术综合装置的指令。锻压机用的工业机器人有：1）用于曲柄压力机，模压曲柄弯管机，螺旋压力机；2）用于热模压力机。（3）金属切削机床用的工业机器人 在柔性生产单元、工段和生产线和制造中等批量和单件毛坯生产的自动化相结合时，采用工业机器人是最有成效的。 工业机器人所完成的基本功能是：在机床工作空间内安装事先已定向的毛坯，从机床上取下零件并放入包装箱中，翻转零件清洗零件和夹具的基准面，发出工艺指令，检测零件。由于采用辅助装置和机构，可以扩大工业机器人的功能。新研制的工业机器人的特点在于其基本组合模块结构，这样就能拿得到基本型号的变型机构。 （4）装配用工业机器人在装配生产中工业机器人即可为自动装配机服务，又可直接用来完成装配作业。为实现工业机器人操作必须保证：1） 在垂直方向上手臂应能做直线运动;2） 结构沿垂直轴方向上要有足够高的刚度，承受在装配图方向上产生相当大的作用力；3） 有补偿定位误差的可能性；4） 工作机构能做高速运动。考虑到上述要求，装配机器人合理的结构应该是带有在水平面上铰接的工作手臂和具有垂直行程的工作机构。工业机器人的承载能力不超过40kg，此外，装配工业机器人的特点是具有很灵活的操作机和较大的工作空间以及相当紧凑的结构。（5）金属电镀车间设备用的工业机器人 在电镀槽上服务或完成涂漆作业的工业机器人可用于工业各个领域内如电镀法、化学法、和阳极机械法在零件上涂层。 这类工业机器人的发展方向是依靠提高操作机移动速度并研制电传动的结构来提高劳动生产率，同时还要减少金属消耗量和所占工作面积。1.4 工业机器人的历史 已知最早的工业机器人，符合ISO定义是由“条例”格里菲斯P泰勒于1937年完成并出版的Meccano杂志，1938年3月。几乎完全是用吊车状装置建成的Meccano件和动力由单个电动机。运动五轴是可能的，包括抢而抢旋转。自动化是用穿孔纸带通电螺线管，这将有利于起重机的控制杆的运动来实现的。该机器人可以在预先设定的图案叠积木。需要为每个所需的运动马达的转数，第一次绘制在坐标纸上。然后这个信息被转移到纸带上，从而也推动了机器人的单个马达。1997，克里斯舒特建造的机器人的完整副本。 乔治迪沃申请了第一个机器人的专利在1954年（1961年授予）。制作机器人的第一家公司是Unimation，由迪沃并成立约瑟夫F. Engelberger于1956年，并且是基于迪沃的原始专利。Unimation机器人也被称为可编程移机，因为一开始他们的主要用途是从一个点传递对象到另一个，不到十英尺左右分开。他们用液压 执行机构，并编入关节 坐标，即在一个教学阶段进行存储和回放操作中的各关节的角度。他们是精确到一英寸的1 / 10,000。Unimation后授权其技术，川崎重工和GKN，制造Unimates分别在日本和英国。一段时间以来Unimation唯一的竞争对手是美国辛辛那提米拉克龙公司 的俄亥俄州。这从根本上改变了20世纪70年代后期，几个大财团的日本开始生产类似的工业机器人。 1969年，维克多沙因曼在斯坦福大学发明了斯坦福大学的手臂，全电动，6轴多关节型机器人的设计允许一个手臂的解决方案。这使得它精确地跟踪在太空中任意路径拓宽了潜在用途的机器人更复杂的应 用，如装配和焊接。沙因曼则设计了第二臂的MIT 人工智能实验室，被称为“麻省理工学院的手臂。” 沙因曼，接收奖学金从Unimation发展他的设计后，卖给那些设计以Unimation谁进一步发展他们的支持，通用汽车公司，后来它上市的可编程的通用机装配（PUMA）。 工业机器人在欧洲起飞相当快，既ABB机器人和库卡机器人带来机器人市场在1973年ABB机器人（原ASEA）推出IRB 6，世界上首位市售全电动微型处理器控制的机器人。前两个IRB 6机器人被出售给马格努森在瑞典进行研磨和抛光管弯曲并在1974年1月被安装在生产同样是在1973年，库卡机器人建立了自己的第一个机器人，被称为FAMULUS，也1第一关节机器人具有6机电驱动轴。 在机器人技术在20世纪70年代后期，许多美国公司的兴趣增加进入该领域，包括大公司，如通用电气和通用汽车公司（这就形成合资 FANUC机器人与FANUC日本LTD）。美国创业公司包括Automatix和娴熟技术，公司在机器人热潮在1984年的高度，Unimation收购了西屋电气公司107万美元。西屋出售Unimation以史陶比尔法韦日SCA的法国于1988年，还在进行关节型机器人用于一般工业和洁净室应用，甚至买的机器人事业部，博世于2004年底。只有少数的非日本公司管理，最终在这个市场中生存，其中主要的有：娴熟技术，史陶比尔，Unimation，在瑞典 - 瑞士公司ABB阿西亚布朗Boveri公司，在德国公司的KUKA机器人与意大利公司柯马。1.5 工业机器人的技术现状和发展趋势1.5.1工业机器人的技术现状 工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起 着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发 展速度加快，年增长率平均在10%左右。2004年增长率达到创记录的20%。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、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；其中有130多台套喷漆 机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，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距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。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、模化设计，积极推进产业化进程。1.5.2工业机器人的发展趋势 工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。在新的世纪，机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。 （1）工业机器人的技术发展趋势 从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放 化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。 （2）工业机器人的产业发展趋势据UNECE/IFR预测，至2007年，全球新安装装机器人的数量将从2003年的81800套增至2007年的106000套，年平均增长7%。其 中，日本2003-2007年工业机器人的销售将从2003年的31600增长至2007年的41000套；欧洲2003-2007年工业机器人将从 2003年的27100套增长至2007年的34000套；北美2003-2007年工业机器人市场每年平均增长5.8%，至2007年将增长到 16000套。 （3）国外机器人领域发展趋势 1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。 2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的易操作性和可维修性。 4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。第2章 工业机器人总体结构设计2.1 工业机器人的设计内容与要求2.1.1工业机器人在制造领域主要作用工业机器人在制造领域应用十分广泛，其主要作用如下 ：（1） 减轻工人的劳动强度，其最终目的是把工人从简单、重复而繁重的劳动中解放出来； （2） 依靠工艺过程的集约化并保证两班、三班时设备正常工作，以提高劳动生产率和产品质量；（3） 生产组织中达到进一步质的飞跃并向全自动化柔性生产过渡创造条件。2.1.2工业机器人主要设计内容 机器人运动机构和机器人控制是机器人的核心技术。M10型专用工业机器人是用来在金属切削机床上工作的。例如，车床工段的带数控装置机床的装料与卸料。这种形式的工业机器人的特点是保证操作机工作机构（夹持器）在球坐标系中运动，以及在结构上能直接放置在所工作的工艺装备中。工业机器人程序控制装置使操作机工作机构能够沿六个坐标轴定位，其中两个是四个自由度机构所共有的。本毕业设计旨在设计M10型工业机器人总体结构，手腕转动机构，以及工业机器人中典型零部件的设计计算等。主要研究内容有：（1） 工业机器人各个关节部分有的选用电动机驱动，有的采用气动驱动，要求机械传动协调、结构紧凑、体积小；（2） 完成机械传动方案选择设计和机器人结构设计，要求绘制机器人总体结构图和手腕转动机构装配图，以及典型零件图，要求图纸不少于2.5长A0图纸；（3） 理清机器人设计过程中的运动学部分；（4） 保证工艺的柔性，要适应生产条件的变化；（5） 在经常变换运输、装料和其他辅助装置的情况下能使不同用途的装备进行对接；（6） 运行中工作效率和可靠性要高；（7） 预先考虑到进一步发展和完善的可能性。2.2 工业机器人的总体设计工业机器人总体设计主要包括机械本体、驱动装置、行程开关等。为了实现机械传动结构简单、体积小、结构紧凑等要求，整个机器人的结构大致分为机座（包括垂直平面的手臂转动部件）、手臂部件（包括水平或垂直直线移动机构和在垂直平面或者水平面的转动机构）、手臂、手腕转动机构、过渡套筒。各个关节之间均采用转动或者移动关节，有的采用电动机驱动有的采用电气驱动，实现精密控制。2.2.1M10型工业机器人总体结构图图2.1 M10型工业机器人总体结构图2.2.2M10型工业机器人主要设计参数 1.装有夹持器时的额定承载能力，kg 单夹持器的 10 双夹持器的 25 2.自由度数（被控运动坐标数） 5 3.X或Z最大线位移，mm 150 4.最大角位移,（） A 90 B 120 C 180 （转动组件-结构形式1） 90或180（转动组件-结构形式2） 2705.角位移速度范围,（）/s A，B及C 1.36120 906.X或Z线位移速度范围,m/s 0.0080.5 7.最大绝对定位误差，mm 0.5 8.手臂最大伸距，mm 6309.夹紧力，N 36050010.负载零件尺寸范围，mm 按外径 20150 按内径 38168 11.重量，kg 110 驱动方式：电机或者气动 安装方式：挂壁 动作类型：垂直多关节型2.3 工业机器人的驱动方式选择现代工业机器人只有三种驱动方式：气动驱动、液压驱动和电机驱动。他们的不同特点及使用范围如表所示：表2.1 驱动方式的分类表驱动类型气动液压电动传动性能 适合小功率传动，可达较高速度，但高速时有冲击，气体具有可压缩性，阻尼效果差，故平稳性较差。 适合中、大功率传动传动平稳、无冲击，可达较高速度，液体不可压缩，故响应性能良好。 适合中、小功率传动，传动平稳、灵活、速度快。控制性能 控制调节环节较简单，高速时要设置缓冲或者制动装置，低速不易控制，速度位置控制难以达到精确值，一般不能用于伺服控制。 控制调节环节较简单，在高、低速下都可将位置、速度控制到精确值，常用伺服控制。 直流伺服电机控制较简单，交流伺服电机控制较复杂，速度、位置都可控制到精确值，常用于伺服控制。快速响应性能较高很高很高效率0.150.3（节流调速）至0.6（容积调速）0.5安全性能防爆型能好 防爆性能好，液压油泄漏后有发生火灾的危险 交流电机防爆性能好，直流电机电刷产生火花，不防爆结构性能 执行机构（直线气缸、气压马达）可做成独立的标准件，易实现直接驱动；压力小（一般小于1Mpa），输出力小；密封问题不突出，泄漏对环境无污染，需要气压供给系统。 执行机构（直线缸、摆动缸）可做成独立的标准部件，易实现直接驱动；相同输出条件下，体积小、重量轻、惯性小；密封间隙很重要，泄漏影响工作性能和污染环境；需要油源占地面积大。 电机是标准件，结构性能好，除特殊电机（直接驱动电机、大力矩电机）外；电机都要减速器，不能直接驱动，加减速器后体积、惯量变大。安装维护 安装要求不太高，能在高温、多粉尘条件下工作；无发热、爆炸、火灾等问题；维护简单；要求过滤水分及注意系统润滑、防锈等问题。 安装维护要求高，温度升高时，油液粘度降低，影响工作性能，需要冷却装置；油液要定期过滤、更换；密封件要定期更换；油液的泄漏影响工作性能，易发生火灾。 安装要求随传动方式而异无管路系统，维护方面；对直流电机要求定时调整、更换电刷及注意防爆问题。成本低高高应用 适用于小载荷（200N左右）的有限点位控制的上下料（搬运）机器人，如冲床上的快道上下料；手爪上应用尤其广泛。 适用于重负荷（1000N）的搬运、点焊等机器人，以及连续轨迹伺服控制喷漆机器人（具有防爆性能）等。 适用于中小符合（几十牛顿到几千牛顿）的搬运、焊接、喷漆（限交流电机）、装配、涂胶等各种伺服型机器人。机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：（1） 驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；（2） 反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁的气动、止动，正、反转切换；（3） 驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；（4） 安全可靠；（5） 操作和维护方便； 本次毕业设计所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为了减小机构运动过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。 齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或者将回转运动转换成直线运动，主要用于手臂、手腕、腰关节的传动。齿形带传动与原理如图所示：图2.2 齿形带传动原理图齿形带传动运算公式为：（2.1）齿轮带的平均速度为：（2.2） 根据任务书要求：设计手腕转动机构，机器人总体结构图，进行运动学分析。通过查上表分析易知在手臂转动，直线移动等机构中采用电动机驱动，在手腕转动机构中采用气动驱动方式，这样比较经济合理，降低了成本，并且达到设计要求。2.4 工业机器人的运动学分析2.4.1M10型工业机器人运动学简图：图2.3 M10型工业机器人运动学简图 2.4.2M10型工业机器人运动分析 由上述运动学简图可知，转动机构（运动B）包括电动机M2，它通过齿形带驱动单头蜗杆转动，与涡轮（=62）啮合传动。涡轮装在输出轴上。它与操作机手臂机构刚性连接。此轴的另一端固定着挡块的盘，挡铁作用在回转运动B控制简图中的行程开关上。 X或者Z向的移动是借助于装在手臂部件中的电动机M1，通过传动比为2/3的（=16，=24）的传动齿形带、锥齿轮副（=15，=30）和导程t=60mm的多头滚珠丝杆传动来实现的。在其上装有转动组件的支架和传动螺母一起沿滚珠导轨移动。为防止在断电时支架随意下降，锥齿轮的轴与电磁制动器相连。位移控制由装在支架上的挡块作用于转换开关上来实现。 在垂直（运动A）或水平（运动C）平面中操作机手臂转动机构由电动机M3驱动，它通过传动比为2/3（=16，=24）的传动齿形带转动蜗杆的轴涡轮（=62）与其啮合。后者固装在转动机构体中的轴上。由于蜗杆沿固定的涡轮滚动而产生相对于此轮轴的手臂的机体运动A或C。2.4.3结合运动学简图和总体结构图的综合分析 总体结构部件1和部件3之间的运动形式是:在机座1内有一直流电动机，通过齿形带传动将运动传至蜗杆，蜗杆与涡轮啮合，产生运动B；在主视图的右侧有一电动机，同样通过齿形带将转动传至锥齿轮，通过锥齿轮的啮合将运动传至丝杆通过丝杆的转动带动手臂直线移动，产生了运动X或者Z；同样通过电动机运动，在通过涡轮蜗杆啮合，产生运动A或者C；手腕转动部分是通过气动马达的转动，通过输出轴的键连接与套筒连接，套筒与法兰连接，将转动传达至可换夹持器。2.5工业机器人的材料选择 结构件材料选择是工业机器人材料系统设计中的重要问题之一，正确选择结构材料不仅可以降低工业机器人的结构成本，更重要的是可适应工业机器人的高速化、高载荷化及高精度化满足其静力及动力特性要求。2.5.1材料选择的基本要求 与一般机械相比，机器人结构的动力特性是十分重要的这是选择材料的出发点。材料选择的基本要求如下：（1） 强度高，机器人的手臂是直接受力的构建，高强度材料不仅能满足机器人手臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。（2） 弹性模量大，从材料力学的公式可知，构建刚度（或变形量）与材料的弹性E、G有关，弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料的弹性模量的差异比较大，而同一种材料的确没有多大差别。（3） 重量轻，在机器人手臂构建中产生的变形很大程度上是由于惯性力引起的，与构建质量有关。也就是说，为了提高构建刚度选用弹性模量E大二密度也大的材料是不合理的，因此提出了选用高弹性模量、低密度的材料要求，可用E/p来衡量下表列出了几种材料的E、和E/p值。可供参考。表2.2 典型材料E、和E/p值材料钢、合金钢2.107.82.7铝、铝合金0.722.82.6铍铝合金（62%Be）1.92.19.1锂铝合金（3.0%Li）0.822.7153.02硼纤维增强铝材2.92.5311.4（4） 阻尼大，工业机器人在选材时不仅要求刚度大、重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人的手臂经过运动后，要求能平稳的停下来。可是由于构建终止运动的瞬时，构建会产生惯性力和惯性力矩，构建自身有具有弹性因而会产生“残余振动”。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，希望能采用较大阻尼材料或采取增加构建阻尼的措施来吸收能量。（5） 材料价格低。材料价格是工业机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，用来作为机器人手臂的材料是很理想的，但价格昂贵。2.5.2结构材料介绍（1） 碳素合金钢、合金结构钢：强度好特别是合金结构钢增加了4到5倍，弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。（2） 铝、铝合金机及其它轻合金材料：这类材料的共同特点是重量轻弹性模量E并不大，但是材料密度小，故E/p值仍然可和钢材相比。有些稀有贵重的铝金属品质得到了更加明显的改善和提高，例如增加了3.2%重量的锂的铝合金，弹性模量增加14%，E/p值增加了16%。（3） 纤维增强合金：如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金其E/p值分别达到11.4x10和8.9x10。这种纤维增强金属材料具有非常高的E/p值，而且没有无机符合材料的缺点，但价格昂贵。（4） 陶瓷：陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大不易加工成具有长孔的连杆，与金属零件连接的结合部分需要特殊设计。然而，日本已经测试了在小型工业机器人上使用的陶瓷人手臂的样品。（5） 纤维增强复合材料：这类材料具有良好的E/p值，但存在老化、蠕变、高温膨胀、与金属件连接困难等问题。这种材料不但重量轻、刚度大，而且还具有十分突出的阻尼大优点，传统金属材料不可能有这么大的阻尼。所以，在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。层叠符合材料的制造工艺还允许用户进行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角、最佳横断面尺寸等，使其具有最大阻尼比。（6） 粘弹性大阻尼材料：增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人结构采用的一种方法是用粘弹性大的阻尼材料来对原构建进行约束阻尼处理。实验表明：机械臂的重复定位精度在处理前为0.30mm，处理后为0.16mm；参与振动时间在阻尼处理前后分别为0.9s和0.5s。第3章 工业机器人手腕转动机构设计3.1 工业机器人手腕介绍 手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其功能是通过机械结构连接并支撑末端执行器，在手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个坐标（自由度）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（方位）坐标，即实现三个旋转自由度。如图所示，手腕能实现绕空间三个坐标轴的转动，即回转运动（）、左右偏摆运动（）和俯仰运动（）。当有特殊需要时，还可以实现小距离的横向移动。手腕的自由度越多，结构和控制越复杂。因此，应根据机器人的作业要求来解决其应具有的自由度数目。在多数情况下，手腕具有一两个自由度即可满足作业要求。图3.1 简单手腕机构示例3.1.1设计要求 对工业机器人手腕设计的要求有：（1） 由于手腕处于手臂末端，为减轻手臂的载荷，应力求手腕部件的结构紧凑，减小其质量和体积。为此腕部机构的驱动装置多采用分离传动，将驱动器安置在手臂的后端。（2） 手腕部件的自由度愈多，个关节的角度范围雨大，其动作灵活性愈来愈高，机器人对作业的适应能力也越来越强。但增加手腕自由度会使手腕结构复杂，运动控制难度大。因此，设计时，不应盲目增加手腕的自由度数。通用目的机器手手腕最多配置三个自由度，某些动作简单的专用工业机器人的手腕，根据作业实际需要，可以减少其自由度数甚至可以不要设置手腕，以简化结构。（3） 为提高手腕动作的精确性，应该提高传动的刚度，应尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。如齿轮传动中的齿侧间隙、丝杆螺母中的传动间隙、联轴器的扭转间隙等。对分离传动采用链、同步齿带传动或传动轴。（4） 对手腕回转各关节轴上要设计限位开关和机械挡块，以防止关节超限造成事故。3.1.2手腕的结构 由于作业要求的不同手腕的自由度数及其配置也会有不同，在拟定手腕驱动装置的结构方面也会有差异，因此手腕的结构形式繁多，下面介绍其中几种典型结构。 （1）用摆动液压马达驱动实现回转运动的手腕结构图3.2 用摆动液压马达驱动的手腕结构 如图所示的手腕结构，压力有从手腕的右下部经过管道分别由进油孔3和7进入液压马达，进入的压力油驱动动片6做正、反方向转动。当定片5与动片6侧面接触时，即停止回转。动片的最大回转角度由其接触位置决定。夹持器的加持动作，则由经油路2进入的压力有驱动单作用液压缸的活塞1来完成。腕部回转运动的位置控制可采用机械挡块定位，用位置检测器检测。这种结构紧凑、体积小，但最大回转角度小于360，这种腕部结构只能实现一个腕部自由度。（2） 具有两个自由度的机械传动手腕结构 手腕的驱动电动机安装在大臂关节上，经谐波减速器用两级链传动，将运动通过小臂关节传递到手腕轴上的链轮，链条将运动经链轮、轴和锥齿轮带动轴做回转运动，链条将运动经链轮直接带动手腕壳体实现上下俯仰摆动。当链条与链轮不动时，由于轴不动，转动的壳体将迫使锥齿轮作行星运动，即齿轮随壳体做公转，同时还绕轴做一附加的自转运动。（3） 具有三个自由度的机械传动手腕机构 驱动手腕运动的三个电动机安装在手臂后端，经减速器后传动轴将运动和力矩传给三根轴，产生手爪回转、手腕偏转和手腕俯仰三个运动。（4） 偏置三自由度机械传动手腕结构 由锥齿轮构成的三自由度手腕机构简图。当主动轴1单独转动时，运动经锥齿轮及驱动机械接口法兰盘绕轴做回转运动。当主动轴2单独转动时，运动经锥齿轮带动壳体转动，是末端执行器绕轴作俯仰运动。由于此时锥齿轮不动，则锥齿轮被迫做行星运动。其自转运动即为末端执行器绕轴回转的诱导运动。当主动轴3单独转动时，则带动整个手腕架绕轴做偏摆运动，从而产生两个诱导运动。当三根主动轴同时转动时，这三个诱导运动将分别对手腕的俯仰运动和回转运动产生影响。（5） 三转轴手腕结构 该手腕采用互相叠加套在一起的三个空心传动轴，分别传递由电动机驱动，经齿轮传动减速的三个运动和力矩。空心传动轴直接带动手腕外壳实现绕手腕轴的旋转运动；空心传动轴经锥齿轮，驱动壳体实现绕轴的选准运动；空心传动轴经两对锥齿轮驱动手腕的机械接口法兰盘，实现绕轴的旋转运动，从而实现手腕的三个自由度。三个旋转运动的轴线相交于一点，因而其运动可看成是一个三自由度的空间球面运动副，具有结构紧凑、手腕转动灵活、简化运动学计算和便于控制等特点。（6） PUMA机器人手腕结构驱动手腕运动的三个电动机安装在小臂后端。这种配置方式可以利用电动机作为配重起平衡作用。三个电动机经柔性联轴器和传动轴将运动传递到各轴齿轮。电动机经传动轴和两对圆柱齿轮带动手腕在壳体上做偏摆运动。电动机经传动轴驱动圆柱齿轮和锥齿轮，实现手腕的上下摆动运动。电动机经传动轴和两个锥齿轮传动带动轴回转，实现手腕机械接口法兰盘的回转运动。3.2手腕转动机构运动分析3.2.1手腕转动机构结构图图3.3 手腕转动机构结构图3.2.2运动分析 手腕转动该机构由电动机M3驱动，它通过传动比为2/3（=16,=24）的传动齿形带转动蜗杆的轴，涡轮与其啮合。后者固装在转动机构机体中的轴上。由于蜗杆沿固定的涡轮滚动，而产生相对轮轴的手腕运动A或C。3.3电动机的选择3.3.1选择电动机类型 按已知的工作要求和条件，选用三相鼠笼式异步电动机，封闭式结构，电压380V，Y型。3.3.2选择电动机的容量电动机所需的工作功率： （3.1）（3.2）因此：（3.3）由电动机至输送链的传动总效率为 （3.4） 式中：分别为轴承、涡轮蜗杆、联轴器、齿形同步带的传动效率。式中，由公式（3.4）： 由公式（3.3）：KW3.3.3确定电动机转速 工作转速：n=14r/min 查相关资料，总传动比为100.75，故电动机转速的可选为：查下表，在这附近的转速取1430r/min，电动机选Y100L1-43.4手腕转动机构气动原理和运动结构分析3.4.1手腕转动机构气动原理图图3.4 手腕转动机构气动原理图3.4.2气动原理图分析 非整周转动的气动马达使手腕绕纵轴（运动）的转动组件旋转。工业机器人的气动装备（见气动原理图）包括：（1） 空气储存站，它固定在电气柜的后墙上；（2） 转动组件（结构形式）的气动驱动装备单元和各种形式可换夹持装置。压缩空气有工厂网络进入储存站，它包括分水滤气器，以净化空气和分离冷凝水，以及用油饱和空气的油雾器。 净化的油饱和空气进入控制转动单元的气动装置。在转动单元（结构形式）中，当断开电磁铁YA1和YA2时，空气沿管道1、2和3进入气动马达的两腔。在接通气体分配器P1的电磁铁YA1时，组件按逆时针方向相对其纵轴（运动）转动。此时，空气有气动马达M腔输出，沿着管道2通过气体分配器P1到空气中。在接通气体分配器P2的电磁铁YA2，组件以类似情况按顺时针方向转动。3.4.3结构图图3.5 手腕转动机构结构图3.4.4运动分析 操作机手腕转动组件结构如上图所示。在非整周转动的气动马达1前端固定有过渡套筒2，其内轴承上装着套筒3，它用键与气动马达输出轴相连。可换夹持器（图中未显示）固定在套筒3的前法兰上。在气动马达的另一端，安装着双定位控制装置4，以保证气体分配器的接通与切断。手腕在转动90和180角时的两个位置（0和90或者0和180）由止动爪5来实现。其形式依所需角来选定。在机体内具有缓冲器，以减小当止动爪5接近挡块7时的冲击。该处还装有终端开关8，用来控制停止位置。3.5手腕转动机构轴承和键的选择3.5.1滚动轴承的介绍 滚动轴承时现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。滚动轴承绝大多数已经标准化，并由专业工厂大量制造及供应各种常用规格的轴承。滚动轴承具有摩擦阻力小，功率消耗低，气动容易等优点。 滚动轴承的基本结构是有内圈、外圈、滚动体和保持架等部分组成。内圈用来和轴颈转配，外圈用来和轴承座装配。常用的是内圈随轴颈转动，外圈固定，但是也有外圈回转而内圈不懂，或是内、外圈同时回转的场合。当内、外圈相对转动时，滚动体即在内、外圈的滚道间滚动。 保持架的主要作用是均匀的隔开滚动体。如果没有保持架，则相邻滚动体转动时将会由于接触处产生较大的相对滑动速度而引起磨损。保持架有冲压的和实体的两种。冲压保持架一般用低碳钢冲压制成，有较好的定心作用。 轴承的内圈、外圈和滚动体，一般是用高碳洛轴承钢或渗碳轴承钢制造的，热处理后硬度一般不低于60HRC。由于一般轴承的这些原件都经过150C的回火处理，所以通常当轴承的工作温度不高于120C时，原件的硬度不会下降。 当滚动体是圆柱滚子或滚针时，在某些情况下，可以没有内圈或外圈，这时的轴颈或轴承座就要起到内圈或外圈的作用因而工作表面应具备相应的硬度和粗糙度。此外，还有一些轴承，除了这四种零件外，还增加有其他特殊零件，如带密封圈或在外圈上加制动环等。3.5.2常用轴承类型及选择表3.1 常用轴承类型类型代号类型名称结构代号基本额定动载荷比极限转速比轴向承载能力轴向限位能力性能和特点1调心球轴承100000.60.9中少量I 因外圈滚道表面是以轴承中点为中心的球面，故能自动调心，允许内圈相对外圈轴线偏斜量23。一般不宜承受纯轴向载荷。2调心滚子轴承200001.84低少量I 性能、特点与调心球轴承相同，但具有较大的径向承载能力，允许内圈对外圈轴线偏移量1.52.5推力调心滚子轴承290001.62.5低很大II 由于承受以轴向载荷为主的轴向、径向联合载荷，但径向载荷不得超过轴向载荷的55%运转中滚动体受到离心力矩的作用，滚动体与滚道间产生滑动，并导致轴圈和座圈分离。并保证正常工作，需施加一定轴向预载荷。允许轴圈对座圈轴向偏斜量1.52.53圆锥滚子轴承=810300001.52.5中较大II 可以同时承受径向载荷及轴向载荷（30000型以径向载荷为主，30000B型以轴向载荷为主）。外圈可分离，安装时可调整轴承的游隙。一般成对使用5推力球轴承510001低只能承受单向的轴向载荷II 只能承受轴向载荷。高速时离心力大，钢球与保持架磨损，发热严重，寿命降低，故极限转速很低。为了防止钢球与滚道之间的滑动，工作时必须加有一定的轴向载荷。轴线必须与轴承座底面垂直，载荷必须与轴线重合，以保证钢球载荷的均匀分配6深沟球轴承600001高少量I 主要承受径向载荷，也可同时承受小的轴向载荷。当量摩擦系数最。在高转速时，可用来承受纯轴向载荷。工作中允许内、外圈轴线偏斜量816，大量生产，价格最低7角接触球轴承70000C（=15）1.01.4高一般II 可以同时承受径向载荷及轴向载荷，也可以单独承受轴向载荷。能在较高的转速下正常工作。由于一个轴承只能承受单向的轴向力，因此，一般成对使用。承受轴向载荷的能力与接触角有关。接触角大的，承受轴向载荷的能力也高70000AC（=25）1.01.3较大70000B（=40）1.01.2更大N外圈无挡边的圆柱滚子轴承N00001.53.0高无III 有较大的径向承载能力。外圈（或内圈）可以分离，故不能承受轴向载荷，滚子有内圈（或外圈）的档边轴向定位，工作时允许内、外圈有少量的轴向错动。内外圈轴线的允许偏斜量很小（24）。此类轴承还可以不带外圈或内圈内圈无档边的圆柱滚子轴承NU000内圈有单档边的圆柱滚子轴承NJ0000少量IINA滚针轴承NA0000低无III 在同样内径的条件下，与其他类型轴承相比，其外径可以分离，工作时允许内、外圈有少量的轴向错动。有较大的径向承载能力。一般不带保持架。摩擦系数大UC带顶丝外球面球轴承UC0001中少量I 内部结构与深沟球轴承相同，但外圈具有球形外表面，与带有凹球面的轴承座相配能自动调心。常用紧定螺钉、偏心套或紧定套将轴承内圈固定在轴上。轴心线允许偏斜5。 按结构还有带偏心套轴承、带紧定套轴承、两端平头轴承 选用轴承的类型一般要考虑一下几个方面： （1）轴承的载荷 轴承承受的载荷大小、方向和性质，是选择轴承类型的主要依据。根据载荷的大小选择轴承类型时，由于滚子轴承中主要元件间是线接触，宜用于承受较轻的或中等的载荷，故在载荷较小时，可以优先选用球轴承。根据载荷的方向选择轴承类型时，对于纯轴向载荷，一般选用推力轴承。较小的纯轴向载荷可选用推力球轴承；较大的纯轴向载荷可以选用推力滚子轴承。对于纯径向载荷，一般选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。当轴承在承受径向载荷的同时，还有不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承或接触角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承；当轴向载荷较大时，可选用接触角较大角接触球轴承或圆锥滚子轴承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构，分别承担径向载荷和轴向载荷。 （2）轴承的转速 在一般转速下，转速的高低对类型的选择不会有什么影响，只有在转速较高时，才会有比较显著的影响。轴承样本中列入了各种类型、各种尺寸轴承的极限转速n/min值。这个转速是指载荷不大，冷却条件正常，且为0级公差轴承的最大允许转速。但是，由于极限转速主要是受工作时温升的限制，因此，不必认为样本中的极限转速是一个绝对不可超越的界限。从工作转速对轴承的要求看，可以确定以下几点： 1）球轴承与滚子轴承相比较，有较高的极限转速，故在高速时应优先选用球轴承。 2）在内径相同的条件下，外径越小，则滚动体就越小，运转时滚动体加在外圈滚道上的离心力就越小，因而也就更适于在更高的转速下工作。故在高速时，宜选用相同内径而外径较小的轴承。若用一个外径较小的轴承而承载能力达不到要求时，可再并装一个相同的轴承，或者考虑采用宽系列的轴承。外径较大的轴承，宜用于低速重载的场合。 3）保持架的材料与结构对轴承转速影响较大。实体保持架比冲压保持架允许搞一些的转速，青铜实体保持架允许更高的转速。 4）推力轴承的极限转速均很低。当工作转速高时，若轴向载荷不十分大，可以采用角接触球轴承承受纯轴向力。 5）若工作转速略超过样本中规定的极限转速，可以选用较高的公差等级的轴承，或者选用较大游隙的轴承，采用循环润滑或者油雾润滑，加强对循环油的冷却等措施来改善轴承的告诉性能。若工作转速超过极限转速很多，应该选用特制的高速滚动轴承。（3）轴承的调心性能 当轴的中心线与轴承座中心线不重合而有角度误差时，或因轴受力而弯曲或倾斜时，会造成轴承的内外圈轴线发生偏斜。这时，应采用有一定调心性能的调心轴承或带座外球面球轴承。这类轴承在轴与轴承孔座的轴线有不大的相对偏斜时仍能正常工作。 滚子轴承对轴承的偏斜最为敏感，这类轴承在偏斜状态下的承载能力可能低于球轴承。因此，在轴的刚度和轴承座孔的支承刚度较低时，或有较大偏转力矩时，应尽量避免使用这类轴承。 （4）轴承的安装和拆卸 便于装拆，也是在选择轴承类型时应考虑的一个因素。在轴承座没有剖分面而必须沿轴向安装和拆装轴承部件时，应优先选用内外圈而分离的轴承。当轴承在长轴上安装时，为了便于拆装，可以选用其内外圈可分离的轴承。当轴承在长轴上安装时，为了便于装拆，可以选用其内圈孔为1:12的圆锥孔的轴承。 此外，轴承类型的选择还应考虑轴承装置整体设计的要求，如轴承的配置使用要求、游动要求等。 对于手腕转动机构涡轮轴17部分由于该轴承基本不受轴向力所以出于经济性考虑选择深沟球轴承；对于100部分由于承受不大的轴向力选用角接触球轴承背靠背安装；对于蜗杆轴15部分，由于承受较大的轴向力，故必须选用圆锥滚子轴承。3.5.3键的选择键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应该更根据键连接的结构特点、使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来取定。键的主要尺寸为其截面尺寸和长度L。键的截面尺寸bh按轴的直径d有标准中选定。键的长度L一般按轮毂的长度而定，即键长等于或略短于轮毂的长度；而导向平键则按轮毂的长度及其滑动距离而定。一般轮毂的长度可取为L（1.52.5）d，这里d为轴的直径。所选定的键长亦应该符合标准规定的长度系列。普通平键的主要尺寸见下表： 表3.2 键的主要尺寸选择轴的直径d68810101212171722键宽b键高h2233445566轴的直径d22303038384444505080键宽b键高h871081281491610轴的直径d586565757585859595110110130键宽b键高h181120122214251428163218轴的长度系列L6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，45，50，56，63，70，80，90，100，110，125，140，180，200，220，250 对于手腕转动机构涡轮轴由于轴颈为d=17mm故选择键宽b键高h=5mm5mm的键，由于涡轮宽24mm故从键的长度系列中选择L=18mm；同样，对于传动齿形带，由于轴颈d=15mm故选择键宽b键高h=5mm5mm的键，但是由于此轴段只有22mm故从键的长度系列中选择L=16mm；对于手腕转动机构由于轴颈d=18mm故选择键宽b键高h=6mm6mm的键，根据实际和键的长度系列选择L=32mm。第4章 典型零件设计4.1 轴的设计与校核4.1.1轴用途及分类 轴是组成机器的主要零件之一。一切作回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。 按照承受载荷的不同，轴可以分为转轴、心轴和传动轴三类。工作中既承受弯矩有承受扭矩的轴称为心轴。心轴又分为转动心轴和固定心轴两种。只承受扭矩而不承受弯矩的轴称为传动轴。 轴还可以按照轴线形状不同，分为曲轴和直轴两大类。曲轴通过连杆可以将旋转运动改变为往复直线运动，或作相反的运动变换。直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴两种。光轴形状简单，加工容易，应力集中减少，但轴上的零件不易装配及定位；阶梯轴则正好相反。因此光轴主要用于心轴和传动轴，阶梯轴则常用于转轴。 直轴一般都制成实心的。在那些由于机器结构的要求而需要在轴中装设其他零件或者减小轴的质量具有重大作用的场合，则将轴制成空心的。空心轴内径和外径的比值通常为0.50.6，以保证轴的刚度和扭转稳定性。 此外，还有一种钢丝软轴，又称钢丝挠性轴。它是有多组钢丝分层卷绕而成的，具有良好的挠性，可以把回转运动灵活地传到不开敞的空间位置。4.1.2轴设计的主要内容 轴的设计也和其他零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两个方面的内容。 轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。 轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。而对刚度要求高的轴和受力大的细长轴，还应进行刚度计算，以防止工作时产生过大的弹性变形。对高速运动的轴，还应进行振动稳定性计算，以防止发生过振而破坏。4.1.3轴的结构设计 轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。 轴的结构主要取决于以下因素:轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴的连接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因素很多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同情况进行具体分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应满足；轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。手腕转动机构涡轮轴结构如下：图4.1 手腕转动机构涡轮轴 对于这种结构，首先，轴的左端带挡块的盘通过端面的螺钉轴向定位于轴肩，箱体内部与外部通过唇形密封圈隔开。其次，小轴颈部分深沟球轴承是通过弹性挡圈进行轴向定位，涡轮通过4个螺钉连接与轴上。最后，轴的大径处采用双角接触球轴承背靠背安装，左边用螺母进行轴向定位，右端通过端盖定位，再通过唇形密封圈与外界隔开，在轴的最右边转动机构连接法兰，同样通过螺钉定位于轴上。4.1.4轴的强度校核计算 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，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。对于仅仅（或主要）承受扭矩的轴（传动轴），应按照扭转强度条件计算；对于只承受弯矩的轴（心轴），应按弯曲强度条件计算；对于既承受弯矩又承受扭矩的轴（转轴），应按弯矩合成条件进行计算，需要时还应按疲劳强度条件进行精确校核。此外，对于瞬时过载很大或应力循环不对称较为严重的轴，还应按峰尖载荷校核其静强度，以免产生过量的塑性变形。 （1）按扭转强度条件计算轴的扭转强度条件为：（4.1） 式中： 扭转切应力，MPa； T轴所受的扭矩，Nmm； 轴的抗扭截面系数，mm； n轴的转速，r/min; P轴传递的功率，KW； d计算截面处轴的直径，mm； 许用扭转切应力，MPa；表4.1 轴常用几种材料的及轴的材料Q235-A、20Q275、35(2Cr18Ni9Ti)4540Cr、35SiMn、38SiMnMo、3Cr131525203525453555A14912613511212610311297 由式（4.1）： 结果符合要求。 （2）按弯扭合成强度条件计算通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上零件的位置，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。 1）蜗杆传动受力分析 蜗杆传动的受力分析和斜齿轮传动相似，都是通过手握法确定。在进行蜗杆传动的受力分析时，通常不考虑摩擦力的影响。假设蜗杆是顺时针转动，涡轮蜗杆都是右旋。 根据右手定则受力情况如下：图4.2 涡轮蜗杆受力方向力的计算：（4.2）（4.3）（4.4）（4.5） 式中：分别为蜗杆及涡轮上的公称转矩，Nmm; 分别为蜗杆及涡轮的分度圆直径，mm。由式（4.5）：由式（4.2）、（4.3）、（4.4）： 2）轴的受力图和力的计算图4.3 轴的受力图图4.4 水平面弯矩图图4.5 垂直面弯矩图合成弯矩的最大弯矩位于涡轮中部：（4.6）图4.6 扭矩图弯扭合成强度条件为：（4.7） 式中：轴的计算应力，MPa； M轴所受弯矩，Nmm； T轴所受扭矩，Nmm； W轴的抗弯截面系数，mm。由式（4.6）：查设计手册确定W和的值同时查得的值 由式（4.7）： 符合要求。4.2 蜗杆传动的选择4.2.1蜗杆传动的介绍 蜗杆传动是在空间交错的两轴的两轴间传递运动和动力的一种传动结构，两轴线交错的夹角可为任意值，常用的有90。这种传动具有下述特点，故应用广泛。（1） 当使用单头蜗杆（相当于单线蜗杆）时，蜗杆每旋转一周，涡轮只转过一个齿距，因而能实现大传动比。在动力传动中，一般传动比为i=580；在分度机构或手动机构的传动中，传动比可达300；若只传递运动，传动比可达1000。由于传动比大，零件数目少，因而结构很紧凑。（2） 在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和涡轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。（3） 当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁性。（4） 蜗杆传动与螺旋角齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。当滑动速度很大，工作条件不够良好时，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。因此摩擦损失较大，效率低；当传动具有自锁性时，效率仅为0.4左右。同时由于摩擦和磨损严重，常需耗用有色金属制造涡轮（或轮圈），以便与钢制蜗杆配对组成减摩性良好的滑动摩擦副。 蜗杆传动通常用于减速装置，但有个别机器用于增速装置。4.2.2蜗杆传动的类型根据蜗杆形状的不同，蜗杆传动可以分为圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动和锥蜗杆传动等。（1）圆柱蜗杆传动 圆柱蜗杆传动包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动两类。 普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车窗上用直线刀刃的车刀车制的。根据车刀安装位置不同，所加工出的蜗杆齿面在不同截面中的齿廓曲线也不同。根据不同的齿廓曲线，普通圆柱蜗杆可分为阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆、法向直廓蜗杆和锥面包络蜗杆等四种。推荐采用渐开线蜗杆和锥面包络蜗杆。 圆弧蜗杆传动和普通蜗杆传动相似，只是齿廓形状有所区别。这种蜗杆的螺旋面是用刃边为凸缘弧形的刀具切制的，而涡轮是用范成法制造的。在中间平面上，蜗杆的齿廓为凹弧形，而与之相配的涡轮的齿廓则为凸弧形。所以，圆弧圆柱蜗杆传动是一种凹凸弧齿廓相啮合的传动，也是一种线接触的啮合传动。其主要特点为：效率高，一般可达90%以上；承载能力高，一般可较普通圆柱蜗杆传动高出50%150%；体积小；质量小；结构紧凑。这种传动已广泛应用于冶金、矿山、化工、建筑、起重等机械设备的减速机构中。 （2）环面蜗杆传动 环面蜗杆传动的特征是，蜗杆体在轴向的外形是以凹圆弧为母线所形成的旋转曲面，所以把这种蜗杆传动叫做环面蜗杆传动。在这种传动的啮合带内，涡轮的节圆位于蜗杆的节弧面上，亦即蜗杆的节弧沿涡轮的节圆包着涡轮。在中间平面内，蜗杆涡轮都是直线齿廓。由于同时相啮合的齿对多，而且齿轮的接触线与蜗杆齿运动方向近似于垂直，这就大大改善了齿轮受力情况和润滑油膜形成的条件，因而承载能力约为阿基米德蜗杆传动的24倍，效率一般高达0.850.9；但它需要较高的制造和安装精度。 除了上述环面蜗杆外，还有包络环面蜗杆传动。这种蜗杆传动分为一次包络和二次包络环面蜗杆传动两种。它们的承载能力和效率较上述环面蜗杆传动均有较显著的提高。 （3）锥蜗杆传动锥蜗杆传动也是一种空间交错轴之间的传动，两轴交错角通常为90。蜗杆是由在节锥上分布的等导程的螺旋所形成的，故称为锥蜗杆。而涡轮在外观上就像一个曲线齿锥齿轮，它是用锥蜗杆相似的锥滚刀在普通滚齿机上加工而成的，故称为锥蜗轮。锥蜗杆传动的特点是：同时结构的点数多，重合度大；传动比范围大；承载能力和效率较高；侧隙便于控制和调整；能作离合器使用；可节约有色金属；制造安装简便，工艺性好。但由于结构上的原因，传动具有不对称性，因而正、反转时受力不同承载能力和效率也不同。4.2.3蜗杆传动主要参数介绍在中间平面上，普通圆柱蜗杆传动就相当于齿条和齿轮的啮合传动。故在设计蜗杆传动时，均取中间平面上的参数（如模数压力角等）和尺寸（如齿顶圆、分度圆等）为基准，并沿着齿轮传动的计算关系。（1） 模数m和压力角和齿轮传动一样，蜗杆传动的几何尺寸也以模数为主要计算参数。蜗杆和涡轮啮合时，在中间平面上，蜗杆的轴面模数、压力角和涡轮的端面模数、压力角相等，即：（4.8）（4.9）ZA蜗杆的轴向压力为标准值（20），其余三种蜗杆的法向压力角为标准值（20）,蜗杆轴向压力角与法相压力角的关系为： （4.10） 式中，为导程角。（2） 蜗杆的分度圆直径d在蜗杆传动中，为了保证蜗杆与配对的涡轮的正确啮合，常用与蜗杆具有同样尺寸的涡轮滚刀来加工与其配对的涡轮。这样，只要有一种尺寸的涡轮，就得到一种对应的涡轮滚刀。对于同一模数，可以有很多不同直径的蜗杆，因而对每一模数就要配备很多涡轮滚刀。显然，这样很不经济。为了先知涡轮滚刀的数目既便于滚刀的标准化，就对每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d而把比值： （4.11） 称为蜗杆的直径系数。（3） 蜗杆头数z蜗杆头数z可根据要求的传动比和效率来选定。单头蜗杆传动的传动比可以较大，但效率较低，如要提高效率，应增加蜗杆的头数。但蜗杆头数过多，又给加工带来困难。所以，蜗杆头数取1、2、4、6.（4） 导程角蜗杆的直径系数q和蜗杆头数z选定之后蜗杆分度圆柱上的导程角也就确定了。 （4.12）（5） 传动比i和齿数比u 传动比： （4.13） 式中，、分别为涡轮和蜗杆的转速，r/min。 齿数比： （4.14） 式中，z为涡轮的齿数。 当蜗杆为主动时， （4.15）（6） 涡轮齿数z涡轮齿数主要根据传动比来确定。应注意：为避免用涡轮滚刀切制涡轮时产生根切与干涉，理论上应使。但当时，啮合区要显著减少，将影响传动的平稳性，而在时，则可始终保持有两对以上的啮合，所以通常z大于28.对于传力传动，一般不小于80.这是由于当涡轮直径不变时，z越大，模数就越小，将使齿轮的弯曲强度削弱；当模数不变时，涡轮尺寸将增大，使相啮合的蜗杆支撑间距加长，这将降低蜗杆的弯曲强度，容易产生挠曲而影响正常的额啮合。（7） 蜗杆传动的标准中心距a 蜗杆传动的标准中心距为： （4.16）4.2.4蜗杆涡轮参数选择标准普通圆柱蜗杆传动的基本尺寸和参数列于下表：表4.2 蜗杆尺寸和参数与其涡轮参数的匹配中心距a/mm模数m/mm分度圆直径d/mmmd/mm蜗杆头数z直径系数q分度圆导程角涡轮齿数z变位系数x405011818118.0031047628200401.2520
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