五自由度热压成型机工业机器人设计

1、设计题目：五自由度热压成型机工业机器人设计姓 名 李洪冲 学 院 机械工程与自动化学院 班 级 机械电子工程112班 学 号 1104050207 指导教师 卜繁岭 五自由度热压成型机工业机器人设计摘 要机器人是一种集机械、电子、传感技术、控制技术等多种现代技术于一体的机电一体化产品。进入80年代，随着自动化生产流水线以及柔性生产系统（FMS）和柔性自动化（FA）在工业生产中的大量应用，机器人发挥着越来越重要的作用。机器人的特点是能在自动控制下通过编程完成目标操作或移动作业；机器人的构造和性能体现了人和机器各自的优点，特别是体现了人的智能和适应性以及机器的作业准确性和在各种环境中完成作业的能力

2、。综观机器人发展的历史和高新技术的发展趋势，可以断言，机器人必将成为现代化工业发展中不可缺少的必备工具。本设计主要介绍关于工业机器人的一些基本常识和原理，包括工业机器人的组成、分类、主要技术性能参数和工业机器人的运动分析，并参考通用型机器人的结构，进行五自由度热压成型机工业机器人的结构设计和其计算机控制系统的设计。本设计主要用于将中频感应炉中加热的原料，自动送入到热压成型机中的成型工位，循环完成指定的工作。本设计从实际情况出发，对机器人的机构可行方案进行了充分论证，用Pro/Engineer 和AutoCAD 等软件设计出了机器人本体结构。关键词 五自由度；工业机器人；热压成型机-I-目 录摘

3、 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 工业机器人的定义及特点11.2 工业机器人基本组成及技术参数11.2.1 工业机器人的基本组成11.2.2 工业机器人技术参数21.3 工业机器人的分类及应用31.3.1 工业机器人的分类31.3.2 工业机器人的应用领域及优点4第2章 工业机器人的总体设计62.1 基本参数的确定62.2 工业机器人主体结构设计62.3 手臂配置形式72.4 位置检测装置的选择72.5 驱动与控制方式选择7第3章 结构运动学简图8第4章 操作机转动机构94.1 操作机结构方案的对比分析及选择94.2 电机的选择94.3 蜗轮蜗杆设计104.3.1 选择材料及精

4、度等级104.3.2 确定主要参数104.3.3 强度校核124.3.4 润滑134.4 齿轮设计134.4.1 齿面接触疲劳强度计算144.4.2 齿根弯曲疲劳强度验算164.5 轴及轴承设计184.5.1 蜗杆轴及蜗轮轴设计184.5.2 蜗杆轴及蜗轮轴校核194.5.2.1 蜗杆轴校核194.5.3 齿轮轴设计与校核264.5.3.1 设计264.5.2.2 蜗轮轴校核264.5.4 轴承设计与校核294.4.2.1 蜗杆轴轴承294.4.2.2 蜗轮轴轴承324.4.2.2 齿轮轴轴承324.5.4 键设计324.5.5 联轴器设计33第5章 操作机提升机构345.1 传动方案的分析与

5、选择345.1.1 综述345.1.2 螺旋传动345.2 电机选择345.3 螺旋传动设计355.3.1 选材355.3.2 结构设计355.3.3 压杆稳定性核算365.3.4 刚度的验算365.3.5 联轴器设计37第6章 手臂伸缩机构386.1 传动方案的分析与选择386.1.1 综述386.1.2 螺旋传动386.2 电机选择386.3 螺旋传动设计386.3.1 选材386.3.2 结构设计396.3.3 压杆稳定性核算406.3.4 刚度的验算406.4 带传动设计41第7章 手腕转动机构44结 论45致 谢46参考文献47五自由度热压成型机机器人第1章 绪 论工业机器人的发展离

6、不开工业自动化的需要和发展。工业机器人作业与周围环境有很强的交互作用,这与数控机床之类的设备相比较有明显的不同。机器人技术是建立在机械、微电子、控制、人工智能技术等基础上的一门机电一体化的高新技术。机器人诞生于二十世纪50 年代，目前已经发展到第三代智能机器人。纵观机器人发展的历史和高新技术的发展趋势，机器人已经成为现代化工业发展中不可缺少的必备工具。因此各工业发达国家非常重视机器人技术，一个世界范围的机器人研制热潮正方兴未艾。1.1 工业机器人的定义及特点“机器人”(Robot)是1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克发表的科幻剧本罗萨姆的万能机器人中塑造的形象。剧中，罗萨姆公司把机器人

7、作为人类生产的工业产品推向市场，让它去充当劳动力，以呆板的方式从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司使机器人具有了感情，在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota"(农奴)写成了“Robot"(机器人)。这也是人类社会首次使用“机器人”这一概念1。1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义:“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活

8、性的自动化机器”23。宋健教授1999年7月5日在国际自动控制联合会第14届大会报告中所指出的：“机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。” 机器人技术的出现与发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。科学的进步与技术的创新，为机器人的研究与应用开辟了广阔的思路与空间。1.2 工业机器人基本组成及技术参数1.2.1 工业机器人的基本组成工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。三大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统。1

9、驱动系统 要使机器人运行起来需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者把它们结合起来应用的综合系统；可以直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。2机械结构系统 工业机器人的机械结构系统由机身、手臂、末端操作器三大件组成。每一大都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。若机身具备行走机构便构成行走机器人；若机身不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂（Single Robot Arm）。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是喷漆

10、枪、焊具等作业工具。3感受系统 它由内部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。人类的感受系统对感知外部世界信息是机器灵巧的。然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效。4机器人环境交互系统 工业机器人环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人，多台机床或设备，多个零件存储装置等集成一个执行复杂任务的功能单元。5人机交互系统 人机交互系统是使操作人员参与机器人控制与机器人进行联系的装

11、置。例如，计算机的标准终端，指令控制台，信息显示板，危险信号报警器等。归纳起来为两大类：指令给定装置和信息显示装置。6控制装置 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理可分为程序控制系统，适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动的形式可分为点为控制和轨迹控制。1.2.2 工业机器人技术参数技术参数是个工业机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据。尽管各厂商所提供的技术参数项目是不完全一样的，工业机器人的结构、用途等有所不

12、同，且用户的要求也不同，但是，工业机器人的主要参数一般都应有：自由度、重复定位精度、工作范围、最大工作速度、承载能力等。1自由度 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不应包括手爪(末端操作器)的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态(简称位姿)需要六个自由度。但是，工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能小于六个自由度，也可能大于六个自由度。从运动学的观点看，在完成某一特定作业时具有多于自由度的机器人，就叫作冗余自由度机器人，亦可简称冗余度机器人。2重复定位精度 工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精

13、度是指机器人重复定位其手部与同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密集度，即重复定。3工作范围 工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心能到达的所有点的集合，也叫做工作区域。因为末端操作器的形状和尺寸是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数，所以是指不安装末端操作器是的工作区域。4最大工作速度 最大工作速度，有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度，有的厂家指手臂末端最大的合成速度，通常都在技术参数中加以说明。很明显，工作速度愈高，工作效率愈高。但是，工作速度愈高就要花费更多的时间去升速或降速，或者对工业机器人的最大加速度率或最大减速度率的要求更高。5承载

14、能力 承载能力是指机器人在工作范围内的任何姿势上所能承受的最大质量。承载能力不仅决定于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括了机器人末端操作器的质量。1.3 工业机器人的分类及应用1.3.1 工业机器人的分类较好的分类原则是据构成工业机器人的三大部分来分，如图1-1所示： 图1-1 工业机器人的分类根据机器人三部分的具体选择可给出某个工业机器人的全称，如：计算机控制具有视觉功能全电动关节型机器人。但是，一般很少使用全称，通常就以机械部分的基本结构来命名，也可直接使用厂家给出的

15、机器人名称。(一) 按工业机器人的结构分类1五种基本坐标式机器人 机器人的机械结构部分可看作是由一些连杆通过关节组装起来的。通常有两种关节，即转动关节和移动关节。连杆和关节按不同坐标形式组装，机器人可分为五种：直角坐标形式，圆柱坐标形式，球坐标形式，关节坐标形式及平面关节坐标形式。其坐标轴是指机械臂的三个自由度轴，并未包括手腕上的自由度。2两种冗余自由度结构机器人(1) 整体控制的柔软臂机器人，它也叫象鼻子机器人。柔软臂使用若干驱动源整体控制的，控制凸面圆盘的相对滚动，手臂可产生向任何方向柔软的弯曲。由于凸面圆盘相对滚动的自由度很大，所以把这种柔软臂机器人归在冗余自由度结构机器人中。哈尔滨工业

16、大学机器人研究室设计了一种具有柔软手腕的喷漆机器人，用于向任意空间曲面喷漆作业。(2) 每一关节独立控制的冗余自由度机器人直角坐标式机器人安放在一个可转动的平台上，增加了一个转动自由度，成为冗余自由度机器人，这种机器人很适合机床上下料等应用场合。3模块化结构机器人 工业机器人模块化的主要含义是机器人由一些可供选择的标准化模块拼装而成的，标准化模块式具有标准化接口的机械结构模块.驱动模块.控制模块.传感器模块，并已系列化。(二) 按机器人研究.开发和实用化的进程分类1第一代机器人 第一代机器人具有示教再现功能，或具有可编程的NC装置，但对外部信息不具备反馈能力。2第二代机器人 第二代机器人不仅具

17、有内部传感器而且具有外部传感器，能获取外部环境信息。虽然没有应用人工智能技术，但是能进行机器人-环境交互，具有在线自适应能力。例如，机器人从运动着的传送带上送来的零件中抓取零件并送到加工设备上。因为送来的每一个零件具体位置和姿态是随意的、不同的，要完成上述作业必须获取被抓取零件状态的在线信息。3第三代机器人 第三代机器人具有多种智能传感器，能感知和领会外部环境信息，包括具有理解像人下达的语言指令这样的能力。能进行学习，具有决策上的自治能力。1.3.2 工业机器人的应用领域及优点1工业机器人的应用领域 自从20世纪60年代初人类创造了第一台工业机器人以后，机器人就显示出它极大的生命力，在短短40

18、多年的时间中，机器人技术得到了迅速的发展，工业机器人已在工业发达国家的生产中得到了广泛的应用。目前，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人已被大量采用。在众多制造业领域中，应用工业机器人最广泛的领域是汽车及汽车零部件制造业。2005年美洲地区汽车及汽车零部件制造业对工业机器人的需求占该地区所有行业对工业机器人需求的比例高达61%；同样，亚洲地区的该比例也达到33%，位于各行业之首；虽然2005年由于德国、意大利和

19、西班牙三国对汽车工业投资的趋缓直接导致欧洲地区汽车工业对工业机器人需求占所有行业对工业机器人需求的比例下降到了46%，但汽车工业仍然是欧洲地区使用工业机器人最普及的行业。目前，汽车制造业是制造业所有行业中人均拥有工业机器人密度最高的行业，如，2004年德国制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为162台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量则为1140台；意大利的这一数值更能说明问题，2004年意大利制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为123台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量则高达1600台。工业机器人还广泛应用于电子电气行业、金属制品业(包括机械

20、)、橡胶及塑料工业和食品工业等领域。2005年，亚洲地区电子电气行业对工业机器人的需求仅次于汽车及汽车零部件制造业，其占所有行业总需求的比例为31%；而在欧洲地区橡胶及塑料工业对工业机器人的需求则远远超过电子电气行业而排名第二位；美洲地区由于汽车及汽车零部件制造业对工业机器人的需求遥遥领先，所以金属制品业(包括机械)、橡胶及塑料工业以及电子电气行业对工业机器人的需求比例相当，均在7%左右。随着科学与技术的发展，工业机器人的应用领域也不断扩大。目前，工业机器人不仅应用于传统制造业如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复

21、等服务业领域中。如，水下机器人、抛光机器人、打毛刺机器人、擦玻璃机器人、高压线作业机器人、服装裁剪机器人、制衣机器人、管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人、作战机器人、侦察机器人、哨兵机器人、排雷机器人、布雷机器人等军用机器人都广泛应用于各行各业。而且，随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩，未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活，其市场将繁荣兴旺。2.工业机器人的优点综上所述，工业机器人的应用给人类带来了许多好处，如：(1) 减少劳动力费用；(2) 提高生产率；(3) 改进产品质量；(4) 增加制造过程的柔性；(5) 减少材料浪费；(6) 控制和加快库存的周转；(

22、7) 降低生产成本；(8) 消除了危险和恶劣的劳动岗位。我国工业机器人的应用前景是十分广泛的。但是，由于我国工业基础比较薄弱，劳动力比较丰富低廉，给工业机器人的发展和应用带来了一定的困难。只有符合我国的国情，才能推动和加快我国工业机器人的发展和应用。因此，要注意三个问题：(1) 发展经济型机器人。企业可望尽早取得投资效益；(2) 发展特种机器人。在一些人力无法工作的领域里使用机器人，市场潜力大；(3) 走企业技术改造道路。用机器人技术和其它高新技术去改造旧企业，促进机器人技术自身的发展和应用。第2章 工业机器人的总体设计热压成型机工业机器人的工作原理 本设计主要用于将中频感应炉中加热的原料，自

23、动送入到热压成型机中的成型工位，循环完成指定的工作。(1）中频感应加热炉负责坯料工件的加热，当前端的坯料在感应加热炉中加热至需要的温度时，感应炉向机械手的控制系统发出可以出料的信号，机械手控制装置根据感应加热炉的出料信号，和热压成型机中的前道热压成型已完成并出料的情况，控制机械手伸出，准备接料。(2）当中频感应加热炉出料时，坯料呈水平方向，机械手手指水平伸出将棒料夹持，然后底座旋转900，机械手将坯料送至热压成型机前，到指定位置后，机械手手指旋转90"使坯料呈垂直方向，整个手臂下降至合适的高度。(3）机械手控制系统控制手臂伸至热压成型机成型工位，并控制机械手手指将料松开，完成送料，并

24、沿反方向返回。(4）机械手控制系统收到机械手已离开成型工位的信号后，发出指令给热压成型机，热压成型机开始成型。同时机械手控制系统持续接受中频感应加热炉的信号，准备开始下一循环的工作。(5）当后端的液压成型机出现故障，机械手的控制系统可以发出信号，停止感应加热炉出料和机械手的运动，发出故障报鳌信号。工业机器人总体设计的主要内容有：确定基本参数、主体结构设计、手臂配置形式、位置检测、驱动和控制方式等。在结构设计的同时对其各部件的强度、刚度作必要验算，根据具体情况设计程序。2.1 基本参数的确定工业机器人的技术参数有以下几方面： 1.额定负载，Kg 202.自由度数 53.最大线位移， 沿垂直轴 5

25、00沿水平轴 8004.最大角位移，(°) 手臂相对垂直轴 300手腕相对纵轴 90手腕相对横轴 3.55.线位移速度范围，/s 沿垂直轴 0.0050.5 沿水平轴 0.0081.06.角位移速度范围，(°)/S 手臂相对垂直轴 60 手腕相对纵轴 60 手腕相对横轴 307.最大定位误差， 18.夹持器夹紧力，N 3509.夹紧-松开时间，s 210.按外直径被夹持零件尺寸范围， 5026811.重量(数控装置除外)， 5702.2 工业机器人主体结构设计 工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。最广泛使用的工业机器人坐标形式有：直角坐标式

26、、圆柱坐标式、球面坐标式(极坐标式)、关节坐标式(包括平面关节式)。根据需要本设计选择圆柱坐标式机器人。2.3 手臂配置形式手臂配置形式多种多样，按基本结构特点有：机座式、立柱式、及悬挂式；根据需要本课题采用悬挂式。2.4 位置检测装置的选择工业机器人常用的位置检测方式有以下三种：1行程开关 利用行程开关检测位置精度时一般与机械块配合使用，在机器人中用行程开关与机械挡块检测既精度高又简单实用、可靠，故应用最多。2模拟式 模拟式位置检测装置成本较低，对工作环境要求不严格。主要有自整角旋转变压器、感应同步器和电位计等。3数导式 主要有光电信号交换器、编码器等。根据需要本课题机器人设计选用行程开关。

27、2.5 驱动与控制方式选择通常，机器人驱动方式有以下四种：1步进电机 可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制；位置误差不会积累；步进电机具有自锁能力(变磁阻式)和保持转矩(永磁式)的能力，有利于控制系统的定位。但步进电机基本上不具有过载能力，功率偏大者，体积较大，并且其空间分辨率较低；功率较小者，只适于传动功率不大的关节或小型机器人。2直流伺服电机 直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。但其结构复杂，体积偏大，成本较高，而且需要外围转换电路与微机配合实现数字控制。若使用直流伺服电

28、机，还要考虑电刷放电对实际工作的影响。3交流伺服电机 交流伺服电机结构较简单，体积较小，运行可靠，使用维修方便，价格比直流伺服电机便宜，但高于步进电机。随着可关断晶闸管GTO，大功率晶闸管GTR 和场效应管MOSFET 等电子器件、脉冲调宽技术和计算机控制技术的发展，交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美4。采用16位CPU+32位DSP三环(位置、速度、电流)全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。4液压伺服马达 液压伺服马达具有较大的功率/体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动

29、，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，而且其液压系统经常出现漏油现象，维护不方便。由于本课题研究的机器人的额定负载较小，体积和重量均要求不大，综合分析后，决定采用步进电机和交流伺服电机混合驱动。腰部(操作机)要求动态特性好、传动功率较大，采用交流伺服电机驱动；为防止丝杠回转，操作机提升机构采用步进电机驱动，手臂伸缩机构采用直流电机驱动；腕部采用步进电机驱动。第3章 结构运动学简图由前一章知本课题选用机座式圆柱坐标式机器人，本章主要确定整个机器人的结构运动学简图。首先，采用步进电机和交流伺服电机混合驱动，为了提高精度用滚珠丝杠传递运动；为了

30、减小手臂伸缩方向上的尺寸，由同步齿形带传送到丝杠；为了快速停止提升或下降用电磁制动器；为了减轻升降的负荷和改变重心的偏移用平衡气缸；最后为了设计方便腕摆动用螺钉来调节摆动角度。运动学简图如图3-1所示：图3-1 结构运动学简图第4章 操作机转动机构操作机转动机构做成单独组建形式：在机器人基座上，固定有蜗杆减速器，它通过齿形联轴器与电动机相连。在蜗杆减速器的输出轴上装有齿轮。它和与轴相连的圆柱齿轮相啮合。这样，电机的转动通过蜗杆减速器和和一对直齿圆柱齿轮传动到轴，它是支承手臂升降机构的，用行程开关控制转动角以实现速度控制。4.1 操作机结构方案的对比分析及选择根据本课题的要求，参考国内外工业机器

31、人的典型结构5678，初步对操作机转动关节的结构单独分析。方案一：电机安装在底座上面，其输出轴先经蜗杆减速器减速，再经一对直齿轮减速后，由第一关节输出轴带动整个腰部在基座上回转。方案二：电机安装在底座下面，其输出轴经蜗杆减速器减速后，直接带动第一关节输出轴，使整个腰部在基座上回转。两种方案在传动实现上，都是可行的。均采用了减速比大、体积小、重量轻、精度高、回差小、承载力大、噪音小、效率高、定位安装方便的蜗杆减速器。虽然方案一的传动结构略复杂一点，但只是多了一对普通直齿轮，其整体结构并不复杂，电机经蜗杆减速器减速后，速度已经较低，齿轮速比很小，噪音问题不突出。另外，方案一在安装和维修方面优于方案

32、二。故综合考虑，选择方案一。4.2 电机的选择腰部回转由交流伺服电机通过蜗杆减速器和一对减速齿轮驱动。等效转动惯量由本体和负载组成。将其等效为圆柱体，设等效回转半径R=500mm，等效质量m=500Kg，则其等效转动惯量： 初步规定机器人腰部回转角速度从=0/s加速到=60/s所需要的时间t=0.4s，则腰部回转角加速度：腰部回转启动惯性矩：考虑到机器人的部分的转动惯量、摩擦力矩及一些小零件未计入，选择蜗杆减速器工况系数，则蜗杆减速器所需要的输出额定转矩：1.3×131=170.3取蜗杆减速器的传动效率为，直齿轮传递效率。选直齿轮传动比为2，故腰部回转总传动比=31×2。则

33、交流伺服电机应输出的力矩可表示为：3.71 (4-1)所以，选择如下交流伺服电机（北京和利时电机技术有限公司）：型号：110MB060D-2CE6E；额定转矩:4.0；额定转速:1500r/min；质量:5.04.3 蜗轮蜗杆设计输入转矩 =4000转速 =1500根据需要选用蜗杆减速器,取传动比=31，预期寿命12000h。4.3.1 选择材料及精度等级蜗轮选用45钢；表面高频淬火，硬度4555HRC，表面粗糙度0.8um；蜗轮选用ZCuSn10P1,金属模浇铸，加工精度等级8级9。4.3.2 确定主要参数1.初选值当量摩擦系数：设=2.53，取=0.03，=1.72°选值，在图1

34、3.11 本章的图表均来自参考文献9.的=31线上查得：=0.47，=5°(Z=1)，=0.782.中心距计算 蜗轮转矩 =96720使用系数，查表12.9，=1.1转速系数 =0.82 (4-2)弹性系数，根据蜗轮副材料查表13.2，=147寿命系数 =1.13<1.6 (4-3)接触系数，由图13.12I线查得=2.85接触疲劳极限，查表13.2，=265中心距 = (4-4) =82.74取=1053.传动基本尺寸 蜗杆头数，由图13.11查得=5°，=1；取=1蜗轮齿数，=31；取=31模数 =（1.41.7）=（1.41.7）=4.515.48取=5蜗杆分度

35、圆直径 =0.47×90=42.3取=55蜗轮分度圆直径 =5×31=155蜗杆导程角=1×5/55=0.1=5.71°蜗轮宽度 = = =38.166取=40 蜗杆圆周速度 = = =2.61相对滑动速度 =6.07/cos11.31°=2.62当量摩擦系数，由表13.6查得=0.035，=1.4°4.3.3 强度校核1.齿面接触疲劳强度验算许用接触应力 = (4-5) = =188最大接触应力 = = =152<173合格2.轮齿弯曲疲劳强度验算齿根弯曲疲劳极限，由表13.2查出=115弯曲疲劳最小安全系数取1.4许用弯曲疲

36、劳应力 = (4-6) =取=82轮齿最大弯曲应力 = = =8<82合格3.蜗杆轴挠度验算轴惯性矩 =0.31×10允许蜗杆挠度=0.004=0.004×5=0.02蜗杆轴挠度 =/ = =0.0001合格 4.温度计算传动啮合效率= = =0.802搅油效率，取=0.99轴承效率，取=0.99总效率 =0.802×0.99×0.99=0.786散热面积估算 = = =0.5179箱体工作温度 = = =32.44.3.4 润滑润滑油粘度，根据=2.62由表13.7选取=320润滑方法，由表13.7，可采用浸油润滑4.4 齿轮设计小齿轮转速=48

37、r/min，则有大齿轮转速=24r/min；取=4。小齿轮选用40，调质处理，硬度为241HB286HB,取平均硬度260HB；大齿轮选用45钢，调质处理，硬度为229HB286HB，取平均硬度240HB。在使用期限内，工作时间占20%。4.4.1 齿面接触疲劳强度计算1.初步计算转矩齿宽系数，由表12.13，取 接触疲劳极限，由图12.17c,得=710，=580初步计算的许用接触应力 ，由表12.16，取初步计算的小齿轮直径 (4-7)=64.83取初步齿宽 2.校核计算圆周速度 由表12.6选8级精度齿数和模数，初取齿数；由表12.3，取则使用系数，由表12.9,取动载系数，由图12.9

38、,取齿间载荷分配系数由表12.10，先求 由此得齿向载荷分布系数，由表12.11 =1.17+0.16+0.61 =1.37载荷系数 =1.5×1.2×1.26×1.37 =3.11弹性系数，由12.12,得节点区域系数，由12.16,取接触最小安全系数，由表12.14,得总工作时间 应力循环次数，由表12.15，估计,则指数 = 原估计应力循环次数正确。接触寿命系数，由图12.18,得；许用接触应力 验算 (4-8) 3.确定传动主要尺寸实际分度园直径 中心距 齿宽 取，4.4.2 齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数 齿间载荷分配系数，由表12.10，齿向载荷分布系

39、数，由图12.14,得1.31载荷系数 齿形系数，由图12.21得；应力修正系数，由图12.22得；弯曲疲劳极限，由图12.23c,得；弯曲最小安全系数，由表12.14,得应力循环次数，由表12.15，估计,则指数 原估计应力循环次数正确弯曲寿命系数，由图12.24,得；尺寸系数，由图12.25,得许用弯曲应力 验算 (4-9) 传动无严重过载，故不作静强度校核。4.5 轴及轴承设计轴材料一律选用45钢调质，；。分蜗轮轴与蜗杆轴计算与校核。蜗杆轴传动转矩，电动机转速1500；蜗杆直径，蜗轮直径，宽度；小齿轮直径，齿宽，大齿轮直径，齿宽。4.5.1 蜗杆轴及蜗轮轴设计估算轴径，参考式16.2，取

40、C=1121.蜗杆轴设计(选用右旋蜗杆)由前可知=1500； =8.4 (4-10)初取(考虑刚度)，结构草图如图4-1所示：图4-1 蜗杆轴2.蜗轮轴设计由前可知=48； =24.0初取(考虑刚度)，结构草图如图4-2所示：图4-2 蜗轮轴4.5.2 蜗杆轴及蜗轮轴校核4.5.2.1 蜗杆轴校核1.蜗杆轴受力：转矩 轴向力 圆周力 径向力 蜗杆轴受力图如图4-3所示： 图4-3 蜗杆轴受力图2.计算支承反力水平面反力 垂直面反力 3.水平面(xy)及垂直面(xz)受力图：图4-4 蜗轮轴受力图 4.弯矩图：图4-5 蜗轮轴弯矩图5.转矩图轴受转矩 转矩图如图4-6所示：图4-6 蜗轮轴转矩图

41、6.许用应力许用应力值，用插入法由表16.3得，应力校正系数 7.当量弯矩图当量转矩 当量弯矩 在蜗轮中间截面处= 在左轴颈中间截面处= 图4-7 蜗轮轴当量弯矩图8.校核轴径齿根圆直径 轴径 由于轴受力较小及轴承的使用等一系列原由，轴的变形很小；且在设计时已记入了刚度的影响，故不需进行刚度校核。4.5.2.2 蜗轮轴校核1.蜗轮受力：转 矩 圆周力 轴向力 径向力 2.小齿轮受力：圆周力 径向力 蜗杆轴受力图如图4-8所示：图4-8 蜗杆轴受力图2.计算支承反力将小齿轮上的力分解到xz面内水平面反力 垂直面反力 3.水平面(xy)及垂直面(xz)受力图：图4-9 蜗杆轴受力图 4.弯矩图：图

42、4-10 蜗杆轴弯矩图5.转矩图轴受转矩 转矩图如图4-11所示：图4-11 蜗杆轴转矩图6.许用应力许用应力值，用插入法由表16.3得，应力校正系数 7.当量弯矩图当量转矩 当量弯矩 在蜗杆中间截面处= 在小齿轮中间截面处 =图4-12 蜗杆轴当量弯矩图8.校核轴径轴径 由于轴受力较小及轴承的使用等一系列原由，轴的变形很小；且在设计时已记入了刚度的影响，故不需进行刚度校核。4.5.3 齿轮轴设计与校核4.5.3.1 设计估算轴径，取C=112；计算转矩：由前可知=24； =30.6由于扭矩较大且支承手臂升降机构，同时考虑刚度影响，取较大轴径。初取，结构草图如图4-13所示：图4-13 齿轮轴

43、4.5.2.2 蜗轮轴校核1.大齿轮受力： 圆周力 径向力 蜗杆轴受力图如图4-14所示：图4-14 齿轮轴受力图2.计算支承反力水平面反力 垂直面反力 3.水平面(xy)及垂直面(xz)受力图：图4-15 齿轮轴平面受力图 4.弯矩图：图4-16 蜗杆轴弯矩图5.转矩图轴受转矩 转矩图如图4-17所示：图4-17 蜗杆轴转矩图6.许用应力许用应力值，用插入法由表16.3得，应力校正系数7.当量弯矩图当量转矩 当量弯矩 在大齿轮中间截面处= 在轴右截面处 = 图4-19 蜗杆轴当量弯矩图8.校核轴径轴径 由于轴受力较小及轴承的使用等一系列原由，轴的变形很小；且在设计时已记入了刚度的影响，故不需

44、进行刚度校核。 4.5.4 轴承设计与校核4.4.2.1 蜗杆轴轴承由，综合其它因素选用两个角接触球轴承7305ACJ支承。转速。已知蜗杆圆周力，径向力，轴向力，作用力方向如图。求得轴承的径向反力分别为,。要求轴承的使用寿命大于12000油润滑。图4-20 轴承受力图7305ACJ轴承主要参数如下：,，,=140001.寿命计算附加轴向力 轴承轴向力 因轴承2被压，故值，查表18.7得, ,查表18.7得,冲击载荷系数，考虑中等冲击，查表18.8得=1.5当量动载荷 轴承寿命，因，只计算轴承II寿命 (4-11) 2.静载荷计算 ，查表18.12,当量静载荷 取大者取大者安全系数，正常使用球轴

45、承计算额定静载荷 轴承(，只计轴承II)3.许用转速验算载荷系数 ，查图18.19，查图18.19，载荷分布系数 ，查图18.20， ,查图18.20,许用转速 均大于工作转速1500故所选轴承能满足寿命、静载荷与许用转速的要求，且各项指标潜力都很大。4.4.2.2 蜗轮轴轴承1.蜗杆端轴承由，综合其它因素选一个圆锥滚子轴承30210支承。转速，要求轴承的使用寿命大于12000，油润滑。2.齿轮端轴承由，综合其它因素选一个圆锥滚子轴承30212支承。转速，要求轴承的使用寿命大于12000，油润滑。4.4.2.2 齿轮轴轴承1.轴底端轴承由，综合其它因素选用一个深沟球轴承6208支承。转速，要求轴承的使用寿命大于12000，油润滑。2.齿轮端由，综合其它因素选用角接触球轴承7107ACJ/DB支承。转速，要求轴承的使用寿命大于12000，油润滑。4.5.4 键设计1.蜗杆轴由，选用键6×14 GB/T 10