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沈阳理工大学学士学位论文I摘 要随着机器人在各个领域应用的日益广泛，许多场合要求机器人具有力控制的能力。此次设计是针对回转壳体内自动粘贴胶片的任务，设计一个 3DOF 平面关节型机械手（包括 1 个移动关节，2 个转动关节和末端执行机构） ，配合壳体驱动系统来实现此任务。在机械手工作过程中，通过伺服电机带动丝杠转动，从而来完成机械手水平方向的移动，旋转关节 1 通过链传动来完成平面内的旋转动作，旋转关节 2 直接在伺服电机的驱动下完成平面内的旋转动作，这样机械手可以伸入口径较小的回转壳体内完成粘贴胶片的任务。本次设计工作首先对机械手进行了运动学分析（包括运动学方程的建立，运动学方程的正问题、逆问题及其解） 。设计内容包括机械手的移动关节、旋转关节的结构设计，传动部分的设计等。其中，重点是对伺服进给系统的设计（包括工作台的设计，丝杠的设计，直线导轨、伺服电机和减速器的选取等） 。最后对系统中主要部件的刚度、强度等性能参数进行了计算与校核。关键词：机械手；自由度；运动学分析；伺服电机；直角减速器沈阳理工大学学士学位论文IIAbstractWith the increasing application of robot in various industrial fields, it is requested that robot has the ability to control power. According to the contact task of rotary hull, a 3-DOF robot manipulator is designed in order to accomplish sticking of the colloid. The robot manipulator consists of a transfer joint and two revolute joints and robot end-effector. The robot manipulator could realize the contacting task combining with the driving system of rotary hull. The concrete processing comprising of driving screw transmission with the servo motor. In this way, robot manipulator could complete movement in horizontal direction, the revolute joint could be able to accomplish revolute motion of two dimension-space through a chain driving, the revolute joint of end-effector completes directly revolute motion with the servo motor.Firstly, this design has been carried on the kinematics analysis in order to the manipulator, which consists of including the establishment of kinematics equation, the positive solutions of the kinematics equation, the corresponding inverse solutions. Secondly, the transfer joint, revolute joint and the transmission part are designed. The important part is the design of servo feeding system, which consists of the design of the platform and the screw, the selection of linear guide way, servo motor and reducer, etc. Finally, the corresponding calculations are done considering the systems main guide line such as components stiffness, strength and other performance parameters.Keywords: Robot manipulator；Freedom；Kinematics analysis；Servo motor；Right-angle reducer沈阳理工大学学士学位论文III目 录1 引言.11.1 课题背景和意义.11.2 国内外研究现状.11.3 工业机械手的用途.32 机械手结构的总体方案设计.42.1 课题的主要内容.42.2 课题的研究方案.42.3 机械手结构的总体设计.42.3.1 主要技术指标设计.42.3.2 机械手的结构设计.43 机械手运动学分析.63.1 机械手运动学方程的建立.63.2 运动学方程的正解.73.3 运动学方程的逆解.84 传动装置的设计.104.1 伺服电机及减速器的选择.104.1.1 机电领域中伺服电机的选择原则.104.1.2 旋转关节驱动电机及减速器的选择.104.2 链轮的设计及链条的选择.114.2.1 滚子链传动的设计.114.2.2 链轮的设计.134.2.3 滚子链的静强度计算.144.2.4 链传动的张紧.154.2.5 链传动的润滑.155 轴的设计与验算.165.1 轴的结构设计.16沈阳理工大学学士学位论文IV5.1.1 选择轴的材料.165.1.2 初步估计轴径.175.2 轴的校核.186 轴上零件的选择与计算.256.1 键的选择与键联接强度校核.256.1.1 大臂末端电机轴上键的选择与校核.256.1.2 轴上矩形花键的选择与校核.266.1.3 小臂电机轴上键的选择与校核.266.2 滚动轴承的验算.266.2.1 确定轴承的承载能力.276.2.2 计算当量动载荷.286.2.3 校核轴承寿命.287 伺服进给系统的设计与计算.297.1 滚珠丝杠的设计.297.1.1 材料的选择.297.1.2 耐磨性计算.297.1.3 螺杆的强度计算.307.1.4 螺杆的稳定性计算.307.2 丝杠副的选择计算.317.2.1 螺母的疲劳寿命计算.327.2.2 螺母螺纹牙的强度计算.337.2.3 螺母凸缘的强度计算.347.3 丝杠驱动电机的选择.347.4 机械导轨的选择.357.5 联轴器的选择与计算.367.5.1 选择联轴器的类型.367.5.2 联轴器的主要参数.377.5.3 联轴器的计算扭矩.37结论.39沈阳理工大学学士学位论文V致谢.40参考文献.41附录 A.42附录 B.48沈阳理工大学学士学位论文11 引言1.1 课题背景和意义机器人技术，应该说是一个伴随着科学技术的进步而发展起来的一项综合性的成果。同时，也是对社会经济发展产生了重大影响的一门科学技术。它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入。比如说日本，战争以后开始发展汽车工业，那么这时候由于它人力的缺乏，迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是社会发展本身的一个需求。另一方面它也是生产力发展需求的必然结果，还是人类自身发展的必然结果。随着人类社会的发展，人们在不断认识和改造自然的过程中，需要能够解放人的一种奴隶。这种奴隶要能够代替人们去从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达到世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，机器人技术仍归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展，需要其提供强大的技术保证。随着社会的进步，不仅工业机器人技术在制造业领域得到了广泛的应用，同时，特种机器人的用途也越来越广泛，机器人每年收获的农作物达数十亿吨。有的机器人可以上山伐木，有的可以挤牛奶，有的则可以擦玻璃、洗汽车和洗飞机。机器人技术作为 20 世纪人类最伟大的发明之一，自 20 世纪 60年代初问世以来，经历 40 余年的发展已取得长足的进步。走向成熟的工业机器人及各种用途的特种机器人的应用，昭示着机器人技术灿烂的明天。1.2 国内外研究现状在 1947 年产生了世界上第一台主从遥控的机器人，1947 年以后是计算机电子技术发展比较迅速的时期，因此各国已经开始利用当时的一些现代的技术，进行了机器人研究。在 1962 年美国研制成功 PUMA 通用示教再现型机器人，那么这就标志着机器人走向成熟，应该说第一台可用的机器人在 1947 年产生，而真正意义的机器人在 1962 年产生。相继不久，在英国等国家，也相继研究出一些机器人，那么到了 20 世纪 60 年代末，日本人将它的国民经济的汽车工业与机器人进行结合，它购买了美国的专利，在日本进行了再次开发和生产机器沈阳理工大学学士学位论文2人。到 20 世纪 70 年代，日本已经将这种示教再现型的机器人进行了工业化，出现了很多公司，现在的像 ABB，MOTOMAN，安川公司，还有很多机器人公司像 OTC 等公司。它们都已经将机器人进行了工业化，进行了批量生产，而且成功的用于了汽车工业，使机器人正式走向应用。在 20 世纪 70 年代到 20 世纪 80 年代初期，工业机器人变成产品以后，得到全世界的普遍应用以后，那么很多研究机构开始研究第二代具有感知功能的机器人，出现了瑞典的 ABB 公司，德国的 KUKA 机器人公司和日本的 FUNAC公司。它们都在工业机器人方面具有很大的作为，同时我们也看到机器人的应用在不断拓宽，它已经从工业上的一些应用，扩展到了服务行业，并且扩展了它的作业空间，已经在海洋空间和服务医疗等行业的进行使用。我们国家在机器人的研究，是在 20 世纪 70 年代后期，当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，这个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了机器人的研究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行机器人研究的时候，是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展。发展最迅速的时候，是在 1986 年我们国家成立了 863 计划是高技术发展计划，就将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人这一领域得到很快地、迅速地发展。目前主要单位像中科院沈阳自动化所，原机械部的北京自动化所，像哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，清华大学，还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前这几年来看，我们国家在高校里边，有很多单位从事机器人研究，很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究，目前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人，空间机器人，核工业的机器人，都在国际上应该处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在很大的差距，主要表现在，我们国家在机器人的产业化方面，目前还没有固定的成熟的产品，但是在上述这些水下、空间、核工业，一些特殊机器人方面，我们取得了很多有特色的研究成就。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。沈阳理工大学学士学位论文31.3 工业机械手的用途机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5)宇宙及海洋的开发。(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。沈阳理工大学学士学位论文42 机械手结构的总体方案设计2.1 课题的主要内容本次课题的主要内容是针对回转壳体内自动粘贴胶片的任务，设计一个3DOF 平面关节型机械手(包括 1 个移动关节，2 个转动关节和末端执行机构)，并且和壳体驱动系统配合起来实现自动粘贴胶片的的任务。2.2 课题的研究方案针对胶片粘贴任务，可设计 3DOF 平面关节型机械手。机械手由移动关节，旋转关节 1，旋转关节 2 和执行机构组成。移动关节安装在直线导轨上，通过伺服电机带动丝杠的转动来完成机械手前后方向的移动。旋转关节 1 的动作是通过链传动来完成的。具体方法是，大臂末端安装伺服电机来带动链传动，通过链传动使旋转关节 1 完成平面内的旋转动作。而旋转关节 2 则直接在伺服电机的驱动下完成平面内的旋转动作。执行机构设计为可以绕轴转动的圆柱型内空结构，以便与壳体内部形状吻合并且大大减轻机构重量。几个关节运动的有机结合可以实现机械手自动粘贴胶片的任务，并通过减速器使其达到理想的旋转速度。2.3 机械手结构的总体设计2.3.1 主要技术指标设计此机械手针对回转壳体，实现在其内部的自动粘贴胶片工作。回转壳体的有效长度为 2m，内部直径为 350mm，开口直径为 300m。胶片在粘贴到壳体前被剪裁成 300mm300mm，然后由工作人员放到执行机构的胶片架上。大臂水平方向的有效行程为 1.5m。沈阳理工大学学士学位论文52.3.2 机械手的结构设计大臂选用 10mm 厚的方钢，材质：Q235A。中臂，小臂，执行机构选用 45钢。具体结构如下图所示：图 2.1 机械手大臂图 2.2 机械手中臂沈阳理工大学学士学位论文6图 2.3 小臂执行机构3 机械手运动学分析机器人操作手通常为开链空间连杆机构，各杆件间通常用转动副和移动副相连接。开链一端安装在机座上，另一端为末端执行器。各关节由驱动器驱动，关节的相对运动导致连杆的运动，进而确定了末端执行器在空间的位置和姿态。齐次变换是解决机器人操作手运动学的数学工具。3.1 机械手运动学方程的建立表示机器人操作手的每个杆件在空间相对于基础坐标系位置和姿态的方程，称为机器人操作手的运动学方程。要描述机器人操作手每个杆件的空间位姿，需要使用以下直角系。 绝对坐标系，即建立在工作现场地面的坐标系。 机座坐标系，即建立在机器人上的坐标系，它是机器人各活动杆件的公共参考坐标系。通常在研究问题时，认为机座相对于工作地面是静止的，因此又将机座坐标系称为固定坐标系或基础参考系。 杆件坐标系即建立在机器人指定的活动杆件上的坐标系。它与活动杆件相固连，随杆件一起运动，因此又称其为活动坐标系或当前坐标系。沈阳理工大学学士学位论文7 末端执行器坐标，即末端杆，因此相应坐标系均转为杆件坐标系。在研究具体问题时，常将机座看为操作机的第 0 号杆件，即首端杆，而将末端执行器视为最后一个杆，即末端杆，因此相应坐标系均转为杆件坐标系。若一个机器人操作手有 n 个杆组成，各杆件编号从机座到末端执行器依次为 0，1，2，3，n，则可以写出变换方程3： (3.1)TTTTTTTn5645342312010式中：，n)两杆件的相对变换矩阵。, 3 , 2 , 1(1iTii依据上述变换方程，即可求出任一杆件相对机座坐标系的位姿，得到相应的运动学方程。确定相临两杆间的变换矩阵是建立机器人运动学方程的基础。变换矩阵，n)顺序相乘就可得到。因中含有一个关节, 3 , 2 , 1(1iTiiTn0Tii1变量若用广义坐标3则可写成形式，有),(iid或iq,表示1iiT)iq（ (3.2)().()()(13232121010nnnnqTqTqTqTT通常将称为操作手的变换矩阵。显然它是 n 个关节变Tn0量，n)的函数。将(3.2)称为操作手的运动学方程，它表示末端连杆, 3 , 2 , 1( iqi的位姿与关节变量之间的关系。3.2 运动学方程的正解正解问题是指已知各杆的结构参数和关节变量，求末端执行器的空间位姿，即求。Tn0按下关节模式确定各杆的 A矩阵。所建立的坐标系如下图所示：图 3.1 平面三杆机械手沈阳理工大学学士学位论文8建立 A 矩阵所需要的参数值见下表。表 3.1 机械手的结构参数表杆件号 i关节变量iaidicosisini100lxl 10102102l0103203l010=A1= (3.3)T01100010011lxl=A2= (3.4)T02100sincossincossincos12111211ll=A3= (3.5)T23100sincossincossincos23222322ll则： = A1 A2 A3= T03T01T12T231001212312121121231212slslcsxlslslscl(3.6)式中 ；12c)cos(21 ；12s)sin(21 ；1c1cos 。1s1sin沈阳理工大学学士学位论文93.3 运动学方程的逆解逆解问题是指已知满足某工作要求时末端执行器的空间位姿，就是已知中各元素的值以及各杆的结构参数，求关节变量。Tn0由运动学方程的正解可知中各元素的值以及各杆件的结构参数。求关节Tn0变量。由前面可知：= (3.7)T031001212312121121231212slslcsxlclclccl根据=，T011T03T13= (3.8)T011T03100010)(011lxl100yyxxponpon100)(1yyylxxxponxlpon= A2 A3= (3.9)TTT231213100121231212121231212slslcsclclsc令(3.8)(3.9)式中两端矩阵第一行第三列元素与第二行第三列元素分别相等，得 (3.10)122123121231)(sllslpclclxlpylx当工作时，机械手末端位姿如下图：图 3.2 机械手末端位姿图沈阳理工大学学士学位论文10因为此时，9021所以(3.10)式可化简为： (3.11)123121)(sllpclxlpylx所以 (3.12)132212321()/90cos(/)ylxypllxplplll沈阳理工大学学士学位论文114 传动装置的设计4.1 伺服电机及减速器的选择4.1.1 机电领域中伺服电机的选择原则现代机电行业中经常会碰到一些复杂的运动，这对电机的动力荷载有很大影响。伺服驱动装置是许多机电系统的核心。因此，伺服电机的选择就变得尤为重要。首先要选出满足给定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机2。图 4.1 各种电机的 T-曲线一般伺服电机选择考虑的问题：(1) 电机的最高转速。(2) 电机的负载转矩。4.1.2 旋转关节驱动电机及减速器的选择1.估算各臂重量大臂 60KW9.8N/Kg=490N；中臂 30KW9.8N/Kg=294N；小臂和执行机构（手） 30KW9.8N/Kg=294N。2.旋转关节 1 驱动电机及减速器的选择 (4.1)111(29429450) 0.5319()TF LN m沈阳理工大学学士学位论文12 (4.2)120 319668.069.559.55nTPW (4.3)11668.068350.8350.8LPPWKW故驱动关节 1 选用安川伺服电机SGMH-13AAA41。 。min/1500,3 . 1rnKWP额额减速器型号：PLS142HP 减速比 i=643.旋转关节 2 驱动电机及减速器的选择 (4.4)222(50294) 0.2689.44()TF LN m (4.5)220 89.44187.39.559.55nTPW (4.6)22187.32340.2340.8LPPWKW故驱动关节 2 选用安川伺服电机SGMH-05AAA41 。min/1500,45. 0rnWKP额额减速器型号：WPLE60 减速比 i=804.2 链轮的设计及链条的选择4.2.1 滚子链传动的设计1.滚子链链轮的主要尺寸链轮的主要尺寸摘自 GB124485传动用短节距精密滚子链和套筒链链轮齿形和公差 ，适用于与 GB1243.183传动用短节距精密滚子链配用的链轮；等效于 ISO6061982传动用短节距精密滚子链和链轮 。链轮的基本参数为：链轮的齿数 Z,链条的节距 P,滚子外径 dr,排距 Pt。2.滚子链传动的设计计算滚子链传动的设计计算步骤及计算式：已知传动功率 P=1.3KW,主动轮转速与从动轮转速相同，即 n1=n2=23.4r/min,大链轮轴孔直径与小链轮轴孔直径相同，既 dK1=dK2=40mm2.1 链轮齿数小链轮的齿数 Z1=23沈阳理工大学学士学位论文13大链轮的齿数 Z2=232.2 实际传动比 ii=Z2/Z1=23/23=1 (4.7)2.3 计算功率 PCPC=KAP/KZ=11.3/1.23=1.057KW (4.8)KA工况系数。查表 11-92，KA=1；齿数系数：Kz=(Z1/19)1.08=(23/19)1.08=1.23 (4.9)2.4 链条节距 P按 PC=1.3KW，n1=23.4r/min，查图 11-52，得链节为 16A,即 P=25.4mm。2.5 查表 11-10 2，dKmax=109dK=40mm,合适。2.6 初定中心距 a按要求 a0=1300mm，a0p=a0/p=1300/25.40=48.56 (4.10)在 3050 之间，所以合适。2.7 链节数LP=2a0/p+(Z1+Z2)/2+P/a0(Z2Z1/2)2 =21300/25.4+(23+23/2)+25.4/1300(23-23/2)2=102.36+23+0 =125.36 (4.11)取 LP=125 节。2.8 链条长度L=PLP=25.40125=3175mm (4.12)2.9 理论中心距 a当 Z1=Z2=Z 时，a=P/2(LP-Z)=25.40/2(125-23)=1259mm (4.13)2.10 实际中心距 aa=a-a=1259-0.003493.8=1258 (4.14)2.11 链速 VV= Z1 n1 P/601000=2323.425.40/601000=0.2278m/s (4.15)2.12 有效圆周力 Ft沈阳理工大学学士学位论文14Ft=1000P/V=100025.40/0.2278=111501N (4.16)2.13 作用于轴上之力 FKFK=1.15KAFt=1.151111501=128226N2 (4.17)2.14 润滑方式的选择根据 P 及 V 查图 11102，应采用油杯或刷子供油。2.15 链条的标记链 16A1125图 4.2 链条的三维视图4.2.2 链轮的设计1.链轮的材料链轮的材料应能保证链轮具有足够的耐磨性和强度。链轮的啮合次数越多受冲击也就越严重，故链轮采用较好的材料制造。选用链轮的材料为 20Cr,热处理为渗碳，淬火，回火。热处理后的硬度为 5060HRC。2.链轮基本尺寸的计算d=P/sin180o/Z=25.4/sin180o/23=25.4/0.136=186.76 (4.18)damax=d+1.25P-d1=186.76+1.2525.4-15.75=202.76 (4.19)damin=d+(1-1.6/Z)P-d1=186.76+(1-1.6/23)25.4-15.75=194.64 (4.20)所以 da 取整为 196。bf1=0.93b1=0.9315.75=14.64 (4.21)ba=0.125.4=2.54 (4.22)沈阳理工大学学士学位论文15h=0.5P=0.525.4=12.7 (4.23)ra0.04P=0.0425.4=1.0161 (4.24) df=d-d1=186.76-15.88=170.88 (4.25)dgPcot180o/Z-1.04h2-0.76=25.4cot180o/23-1.0424.13-0.76=159.0(4.26)所以 dg取整为 159。图 4.3 链轮的齿槽形状4.2.3 滚子链的静强度计算在低速(V0.6m/s)重载链传动中，链条的静强度占主要地位。如果仍用额定功率曲线选择计算，结果常不经济，因为额定功率曲线上各点相应的条件性安全系数 n 为 820，远比静强度安全系数大。当进行耐疲劳和耐磨损工作能力计算时，若要求的使用寿命过短，传动功率过大，也需进行链条的静强度验算。链条静强度计算公式2： (4.27)lim14 8caAF nSK F式中：沈阳理工大学学士学位论文16Sca链的抗拉静强度的计算安全系数；Flim单链的极限拉伸载荷，单位为 KN；KA工作情况系数；F1链的紧边工作拉力，单位为 KN；链的排数。n由下面的公式2得， (4.28)99. 411150155600tAcaFKQS在允许范围内，所以静强度满足要求。4.2.4 链传动的张紧链传动的张紧程度可用测量松边垂度 f 的大小来表示，合适的松边垂度推荐为：f =(0.010.02)a mm。对重载，经常起动、制动和反转的链传动，以及接近垂直的链传动，其松边垂度应适当减小。本传动装置采用调整中心距的方法来使链传动张紧。具体调整方法是通过拧紧螺栓来使链子蹦紧。对于滚子链传动，中心距调整量为 2P。4.2.5 链传动的润滑1. 润滑方式的选择根据链条的节距 P 和速度 V 按机械手册2选择润滑方式。由于链速V2m/s，故采用人工定期润滑的方式。每班加油一次，保证销轴处不干燥。2. 润滑剂的选择一般情况采用润滑油，按机械手册2进行选择，对于开式、低速传动可在油中添加 MoS2、WS2MoSe2、WS e2等添加剂。沈阳理工大学学士学位论文175 轴的设计与验算 对于传动轴，除重载轴外，一般无须进行强度计算，只进行刚度计算。 轴在载荷的作用下会产生弯曲和扭转变形，当这些变形超过某个允许值时，会使机器零部件工作状况恶化，甚至使机器无法正常工作，故对精密机器的传动和对刚度要求高的轴，要进行刚度校核，以保证轴的正常工作。轴的刚度分为扭转刚度和弯曲刚度两种，前者是用扭转角来度量，后者是用挠度和偏角来度量。轴在受载的情况下会产生弯曲变形，过大的弯曲变形也会影响轴上零件的正常工作，对于工作要求高的精密机械如机床，如安装齿轮的轴，会因轴的变形影响齿轮的啮合状态几工作平稳性；轴的偏角会使滚动轴承的内外圈互相倾斜，如偏转角超过滚动轴承的允许的转角，就显著降低滚动轴承得寿命；会使滚动轴承所受的压力集中在轴承的一侧，使轴径和轴承发生边缘接触，加剧磨损和导致胶合；轴的变形还会使高速轴回转时产生振动和噪音，影响机器的正常工作。又如机床进给机构中的轴，过大的弯曲变形将使运动部件产生爬行，不能均匀进给，影响加工质量。因此，对于精密机器的轴要进行弯曲刚度的校核，他用弯曲变形时所产生的挠度和偏转角来度量，即验算轴的最大挠度及齿轮处的和轴承处的倾角，是否在允许的范围之内。轴的弯曲变形的精确计算较复杂，除受载荷的影响外，轴承以及各种轴上零件刚度，轴的局部削弱等因素对轴的变形都有影响。因此，在计算时都进行了不同程度的简化1。5.1 轴的结构设计5.1.1 选择轴的材料轴的主要材料是经过轧制或锻造的优质中碳钢和合金钢。为了提高轴的强度（尤其是疲劳强度）和耐磨性，可对轴进行热处理或化学热处理，以及表面强化处理等。故轴的材料选用 45，正火处理。沈阳理工大学学士学位论文185.1.2 初步估计轴径在轴的设计时，必须知道轴的基本直径，基本直径可按转矩估算法来估计。根据轴上所受的转矩估算轴径，至于弯矩对轴强度的影响，用降低许用剪切力的办法来加以考虑估算公式1为：dAmm (5.1)3np式中 d危险截面的直径(mm)； T转矩(N m)； 许用剪切应力(N/mm2)； A材料系数； P轴所传递的功率(KW)； N轴的转速(r/min)。按表 1821，取 A=110。 （因轴端受弯矩，A 取平均值）dA=110=30.6mm (5.2)3np3203 . 1考虑端部有轴单键槽，轴径应增大 45%，取 d33mm轴的结构如下图所示：图 5.1 轴的结构图考虑装配方便以及轴承的标准，故轴承的轴径取 30，长度取 14。又考虑轴承内侧采用轴肩固定，固定中臂的部分取 34，长度取 13。轴的中部是花键轴，再考虑到装配情况，所以轴径稍大一些。取 d=36,D=40。长度取 107。右侧轴径与左侧对称。沈阳理工大学学士学位论文195.2 轴的校核轴的计算通常是在初步完成结构的设计后进行校核，计算准则是满足强度或刚度，必要时还应校核轴的振动稳定性。1.求出链轮轴上的功率，转速和转矩1P1n3T链轮的传动效率： =0.97（精度等级为 8 级）链轴承的传动效率： =0.99轴则链轮轴上的传动效率为：1P (5.3)KWPP24. 197. 099. 03 . 1221链轴链轮轴的转速： min/4 .23 rn 2.作用于轴上之力 FKFK=1.15KAFt=1.151111501=128226N (5.4)3.因为链轮的分度圆直径为：d=P/sin180o/Z=25.4/sin180o/23=25.4/0.136=186.76 (5.5) (5.6)111.39550000955000053055623.4PTN mmn (5.7)1122 23636.25945.4550aTFNd (5.8)2222 9235009009.76205tTFNd (5.9)tan9009.76 tan203279.28rtFFN圆周力，径向力及轴向力的方向如下图所示：tFrFaF沈阳理工大学学士学位论文20沈阳理工大学学士学位论文21图 5.2 轴的载荷分析图4.求轴上的载荷首先作出轴的结构简图，在确定轴承支点位置时，应从手册中查取 a 值。对于 6206C 的深沟球轴承，查得 a=44.4mm。，。115.6Lmm2384.4LLmm从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出 C 是轴的危险截面。现将计算出截面 C 处的，及 M 值列于下表HMVM表 5.1 截面 C 出的弯扭矩计算5.按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。根据公式：载 荷水平面H垂直面V支反力 F=4505N，=4505N1NHF2NHF=2222N，=1066N1NVF2NVF弯矩 M=383805HMN mm=18842=909401VMN mm2VMN mm总弯矩22138380518842383868MN mm22238380590940394043VMN mm扭矩 T1923500TN mm沈阳理工大学学士学位论文22 (5.10)2222142MTMTcaWWW式中， 轴的计算应力，单位 Mpa；ca M 轴所受的弯矩，单位；N mmT 轴所受的扭矩，单位；N mmW 轴的抗弯截面系数，单位；3mm 对称循环应变力时轴的许用变应力；1取折合系数=0.6（扭转的切应力为脉动循环变应力时）1 (5.11)21caMTW2233940430.6 9235007.920.1 95MPa前面已经选定轴的材料为 45 钢，调质处理，查得=60Mpa，因此，11ca故安全。6.精确校核轴的疲劳强度图 5.3 轴的结构图由于段右侧和段左侧为危险截面，因此需要校核这两个截面的疲劳强度。段右侧：抗弯截面系数： (5.12)3330.10.1 302700Wdmm抗扭截面系数： (5.13)3330.20.2 305400TWdmm左侧的弯矩 M 为： (5.14)84.44038386820194084.4MN mm截面的扭矩： 沈阳理工大学学士学位论文23=923500 (5.15)1TN mm截面上的弯曲应力： (5.16)20194074.792700bMMPaW截面上的扭转切应力： (5.17)19235006.33145800TTTMPaW轴的材料为45钢，调质处理，查得，=155Mpa.640BMPa1截面上由于轴肩形成的理论应力集中系数， ，因，1.50.0530rd341.1330Dd查得，=2.1，可得到轴的材料敏感应力集中系数为：1.30=0.82 =0.85qq故有效应力集中系数为： (5.18)1(1)1 0.82 (2.1 1)1.902kq (5.19)1(1)1 0.85 (1.3 1)1.255kq 查得尺寸系数 =0.66，扭转尺寸系数 =0.82 轴按磨削加工，得表面质量系数： (5.20)0.91轴未经表面强化处理，即=1 得综合系数值为：q (5.21)11.9021112.980.660.91kK (5.22)11.2551111.630.660.91kK 而碳钢的特性系数 =0.10.2，取=0.1；=0.050.1，取=0.05。于是，计算安全系数值：caS (5.23)127533.332.98 2.770.1 0mSk 沈阳理工大学学士学位论文24 (5.24)115529.196.336.331.630.0522mSk (5.25)222233.33 29.1921.961.533.3329.19caS SSSSS故轴在截面右侧的强度是足够的，因此轴的强度满足要求。 截面左侧抗弯截面系数： (5.26)3330.10.1 343930.4Wdmm抗扭截面系数： (5.27)3330.20.2 347860.8TWdmm右侧的弯矩 M 为： (5.28)84.44038386820194084.4MN mm截面的扭矩： =923500 (5.29)1TN mm截面上的弯曲应力： (5.30)2019402.3585738bMMPaW截面上的扭转切应力： (5.31)19235005.39171475TTTMPaW过盈配合处的值，取 于是，k0.8kk， (5.32)3.16k0.8 3.160.53k轴按磨削加工，得表面质量系数： (5.33)0.92故得综合系数： (5.34)1113.1613.250.92kK 1112.5312.620.92kK (5.35)沈阳理工大学学士学位论文25所以轴截面右侧的安全系数为： (5.36)127536.013.25 2.350.1 0mSk (5.37)115521.565.395.392.620.0522mSk (5.38)222236.01 21.5618.611.536.0121.56caS SSSSS故轴在截面右侧的强度是足够的，因此轴的强度满足要求。沈阳理工大学学士学位论文266 轴上零件的选择与计算6.1 键的选择与键联接强度校核键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。 。键联接的主要类型有：平键联接、半圆键联接、楔键联接和切向键联接。键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键联接的结构特点、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(一般以键宽 b键高 h 表示)与长度 L。键的截面尺寸 bh 按轴的直径 d 由标准中选定。键的长度 L 一般可按轮毂的长度而定，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)d，这里 d 为轴的直径。所选定的键长亦应符合标准规定的长度系列。重要的键联接在选出键的类型和尺寸后，还应进行强度校核计算。6.1.1 大臂末端电机轴上键的选择与校核电机轴上键的尺寸 Lbh=45108 l=L-b=45-10=35根据公式(6.1)9进行校核：P=2T103/kldP (6.1)d轴的直径（mm） ；l键的工作长度；k键与轮毂的接触高度（mm），平键 k=h/2；P许用挤压应力（MPa）。查表得P=120150Mpa 。计算：P=2T103/kld=4T103/hld=4319103/83532=142.4MPaP (6.2)所以键的选择合格。沈阳理工大学学士学位论文276.1.2 轴上矩形花键的选择与校核轴上矩形花键的尺寸 NdDB=836408根据公式(6.3)9进行校核：P=2T103/zhldmP (6.3)T传递转距(Nm)；各齿间载荷不均匀系数，通常 =0.70.8，齿数多时取偏小值；z花键的齿数；h花键侧面的工作高度，矩形花键，h=(D-d/2)-2C,此处 D 为花键的大径，d 为内花键的小径，C 为倒角尺寸；dm花键的平均直径，矩形花键，dm=D+d/2；l齿的工作长度（mm） ；P许用挤压应力（MPa）。查表9得P=120200Mpa。计算：P=2T103/zhldm=289.44103/0.758110338=7.6MPaP (6.4)所以键的选择合格。6.1.3 小臂电机轴上键的选择与校核电机轴上键的尺寸 Lbh=2587 l=L-b=25-8=17计算：P=2T103/kld=4T103/hld=489.44103/71724=125.3MPaP (6.5)所以键的选择合格。6.2 滚动轴承的验算旋转着的轴承，内外圈滚道及滚动体经受着迅速变化的接触应力，当工作循环达到一定次数后，接触表面可能发生疲劳点蚀。这是滚动轴承的主要失效形式。对于静止的、极慢转动的轴承，在很大静载荷作用下，会因接触点处产生的局部应力超过材料的屈服点，导致滚动体或内、外圈滚道表面产生塑性变形。这是一种静强度不足的失效。此外，由于使用维护不当或润滑密封不良等，沈阳理工大学学士学位论文28可能引起磨损、胶合、套圈断裂、保持架破坏等其他形式的失效。由失效分析知，对于一般转速()的轴承，应进行防止疲劳点蚀min/10rn 的寿命计算。6.2.1 确定轴承的承载能力已知轴颈直径 d=30mm。该轴所承受的轴向载荷 FA=530N。由上面可知轴承 1，2 所受的径向载荷 R1=2308N,R2=613N。轴的转速 23.4r/min。工作中有中等冲击，工作温度 125。要轴承的预期寿命 L10h=15000 小时，初选深沟球轴C承 6206。由机械设计手册2查得深沟球轴承 6206 的 Cr=15.0KN，C0=10.0KN。图 6.1 轴承的受力分析其中 Ft=3510N，Fr=1280N。水平支反力： (6.6)851280 85640170170rAYFFN垂直支反力： (6.7)853510 851755170170taZFFN右侧轴承受力与左侧相同。所以合成支反力为：N (6.8)2222164017551700aYaZRRR N (6.9)211700RR沈阳理工大学学士学位论文296.2.2 计算当量动载荷由轴承的固定方式知，轴向外载荷 F 全部由轴承 1 承受，故A1=FA=530，A2=0 (6.10)查表 9-62，因为A1/C0=530/10000=0.053 (6.11)插值确定=0.21。1e由于 A1/R1=530/1700=0.26=0.21 (6.12)1e所以 (6.13)09. 2,56. 011YX由表 9-72，按传动装置查取。5 . 1df由表 9-42，。95. 0tf因轴承不承受力矩载荷，故=1。mf所以 =1.51(0.561700+2.09530)=3090N (6.14)11111()dmPffX RY A11700=2500N (6.15)5 . 122RffPmd6.2.3 校核轴承寿命因为计算故按121,PPP 故：(6.16)hLhPCfnLhth150007 .15164)30903120095. 0(9706010)(60101036610所以轴承 6206 满足要求。沈阳理工大学学士学位论文307 伺服进给系统的设计与计算7.1 滚珠丝杠的设计滚珠丝杠是以传递运动为主，并要求较高的运动精度。主要应用于金属切削机床进给，分度机构的传导螺旋，摩擦压力机，千斤顶的穿里螺旋。滚动螺旋传动又称滚珠丝杠副，它是在丝杠和螺母的螺纹滚道间放置适量的钢球，当丝杠或螺母相对转动时，钢球沿螺纹滚道滚动，这样，丝杠和螺母之间即为滚动摩擦，起传动效率及精度大为提高。为防止钢球沿滚道滚出，在螺母或丝杠上设有钢球返回装置，使钢球通过此返回装置自动返回其入口处，形成循环路。7.1.1 材料的选择滚珠丝杠通常选用 Q275、45、50、Y40Mn 等钢，对于重要的传动，要求耐磨性高，需要进行热处理。可选用 T12、65Mn、40Cr、40WMn 或 20CrMnTi等钢。对于精密导螺旋，还需要热处理后有较好的尺寸稳定性，可选用9Mn2V、CrWMn、38CrMoAlA。满足以上要求，故滚珠丝杠选用 9Mn2V 钢。7.1.2 耐磨性计算滚珠丝杠的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大，螺纹副间越容易形成过度磨损。因此，滚动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力 P，使其小于材料的许用压力P1。假设作用于螺杆的轴向力为 F(单位为 N)，螺纹的承压面积（指螺纹工作表面投影到垂直与轴向力的平面上的面积）为 A(单位为 mm)，螺纹中径为 d2(单位为 mm2),螺纹工作高度为 h(单位为 mm),螺纹螺距为 P(单位为 mm),螺纹工作圈数为 u=H/P,则螺纹工作面上的耐磨性条件1为：P=F/A=F/d2hHP (7.1)令=H/d2，则 H=d2。代入(7.1)中整理后得，沈阳理工大学学士学位论文31d2 (7.2)PhFP对于梯形螺纹和矩形螺纹，h=0.5P，则，d2=0.8=14.9mm (7.3)8 . 0PF125 . 210450取 d2=16mm，则 H=2.516=40mm。公称直径 d=18mm 根据公式算得螺纹中径 d2后，按国家标准查得 D3=d，小径为 13.5mm，D4=d，大径为 18.5mm，D1=14mm，螺距为 4mm 。u=H/P=40/4=101012 (7.4)所以满足要求。由于水平传动，所以并无自锁要求即无需检验。7.1.3 螺杆的强度计算受力较大的螺杆需进行强度计算。螺杆工作时承受轴向压力（或拉力）F和扭矩 T 的作用。螺杆危险截面上既有压缩（或拉伸）应力，又有切应力。因此，校核螺杆强度时，应根据第四强度理论1求出危险截面的计算应力=ca=1/A (7.5)22322)/(3)/(TWTAF212)/4(3dTF(7.6)222arctan/arctan/arctan/arctan4/3.14 164.55SdnPdPd= (7.7)73. 4966. 0/08. 0arctan2/cos/arctansuT=Ftan()d2/2=10450tan(4.55+4.73)16/2=13660mm (7.8)222211/3(4 /)1092025003(13660/13.5) 4/3.14 13.5caA FT d=(4/3.14182.25)5 .3071532109202500=105964/(3.14182.25)=74.1785/35=157261.7Mpa (7.9)所以满足要求。7.1.4 螺杆的稳定性计算对于长径比较大的受压螺杆，当轴向压力 F 大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性。因此，在正常情况下，螺杆承受的轴向力F(单位为 N)必须小于临界载荷 Fcr(单位为 N)。则螺杆的稳定性条件为：Ssc=Fcr/F1。沈阳理工大学学士学位论文32其中：Ssc螺杆稳定性的计算安全系数；Ss 螺杆稳定性安全系数，由于该滚珠丝杠为传导螺旋，所以 Ss=2.54；Fcr螺杆的临界载荷，单位为 N；根据螺杆的柔度1。此处，为螺杆的长度系数。ils/表 7.1 不同固定方式的长度系数端部支撑情况长度系数两端固定一端固定，一端不完全固定一端铰支，一端不完全固定两端不完全固定两端铰支一端固定，一端自由0.500.600.700.751.002.00根据设计可知，长度系数为 0.50。且临界载荷 Fcr可按欧拉公式计算，即Fcr= (7.10)22)/( lEI其中：E螺杆材料的拉压弹性模量，单位为 Mpa，E=2.06105Mpa ；I螺杆危险截面的惯性矩，I=，单位为 mm4。64/41d22/()crFEIl 25421(3.142.06 10/64)/(0.5 106)d 35423.142.06 1014 /(64 26.5 ) 52450012.54 10 /179776 (7.11)513.63 10 N (7.12)45 . 213010450/1063. 31Fcr/FSsc5所以满足要求稳定。7.2 丝杠副的选择计算现国内外文献上对滚珠丝杠副还没有统一的分类，但各国一般是按以下原则进行分类的，普通滚珠丝杠副一般指公称直径 d0=16100mm，导程沈阳理工大学学士学位论文33Ph=420mm，螺旋升角 9。微型滚珠丝杠副指公称直径 d012mm 的滚珠丝杠副。对于导程 Ph3mm 的滚珠丝杠副称为微型小导程滚珠丝杠副，螺旋升角 9的滚珠丝杠副称为微型大导程滚珠丝杠副。大导程滚珠丝杠副指公称直径 d016mm，螺旋升角 179或导程d0Phd0的滚珠丝杠副，对于螺旋升角 17称为超大导程滚珠丝杠副。重型滚珠丝杠副指公称直径 d0125mm 的滚珠丝杠副。滚珠丝杠副按用途分为两类：定位滚珠丝杠副（用于控制轴向位移）和传动滚珠丝杠副（用于传递动力） 。本次设计主要是为了传递轴向位移，应选用定位滚珠丝杠副。滚珠丝杠的螺母结构有整体式和组合式。前者结构简单，但磨损增大时轴向间隙无法调整。后者通过调整可以补偿磨损或消除轴向间隙。本次设计采用整体式螺母。具体结构如下图所示：图 7.1 整体式螺母7.2.1 螺母的疲劳寿命计算滚珠丝杠副的主要失效形式是疲劳点蚀，其疲劳寿命的计算与滚动轴承类同。一般按额定动负荷或额定静负荷选用滚珠丝杠副的尺寸规格。滚珠丝杠副已有专业工厂生产。必须的额定动负荷2： (7.13)341.67 10hanLC caFC沈阳理工大学学士学位论文34 (7.14)cFHLFK K K FF轴向载荷；载荷系数；FK硬度影响系数；HK短行程系数；LK计算载荷；cF额定动载荷；aC要求的使用寿命；hLn螺杠的转速。所以 1.5 1.5 1 8301867.5cF 24124N (7.15)341.67 10hanLC cF341500 240001.67 101867.5根据计算求得的选择滚珠丝杠副的规格，该规格滚珠丝杠的选择aCaC aC 。滚珠丝杠副的型号为：CDM40003。7.2.2 螺母螺纹牙的强度计算螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母的材料强度低于螺杠，故只需校核螺母螺纹牙的强度。如果将一圈螺纹每圈螺纹沿螺母的螺纹大径 D(单位 mm)展开，则可看作宽度为D 的悬臂梁。假设螺母每圈螺纹所承受的平均压力为 F/n，并作用在以螺纹中径 D2(单位为 mm)为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面 a-a 的剪切强度条件2为： (7.16)/ FDbu：aa螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为 (7.17)26/bbFlDb u式中 b螺纹牙根部的厚度，单位为 mm，对于梯形螺纹，b=0.65P，P 为螺距； l弯曲力臂，单位为 mm，看参考图2可知，l=D-D2/2； 螺母材料的许用切应力，单位为 MPa； 螺母材料的许用弯曲应力，单位为 Mpa；b D螺母螺纹的大径；沈阳理工大学学士学位论文35 d1螺杠的小径。剪切强度条件2为：=F/10450/(3.145)=7.90.6=0.678.5/5=94.2MpaDbu(7.18)(其中，b=0.65P=2.6mm；u=H/P=40/4=10。)所以满足要求。螺纹牙危险截面 a-a 的弯曲强度条件2为：=6Fl/=610450(18.514)/2/18.56.768.75buDb2=141075/3436=41.11.01.2=785/5=157Mpa (7.19)所以满足要求。7.2.3 螺母凸缘的强度计算在螺旋起重器螺母的设计计算中，除了进行耐磨性计算与螺纹牙的强度计算外，还要进行螺母下端与螺母凸缘的强度计算。工作时，在螺母凸缘与底座的接触面上产生挤压应力，凸缘根部受到弯曲及剪切作用。螺母下段悬置，承受拉力和螺纹牙上的摩擦力矩作用。(1) 凸缘与底座接触表面的挤压强度2计算：=104504/(522-322)3.14=104504/(3.141680)(4/2324DDFp=41800/5275.2=7.92(1.51.7)=60112 (7.20)b所以满足条件。(2) 凸缘根部的弯曲强度2计算：=M/W=1/4F(D4-D3)/1/6=1.5F(D4-D3)/a2b23aD3D=1.510450(52-32)/3.1432102=31.2=4060 (7.21)b所以满足条件。7.3 丝杠驱动电机的选择大臂的移动是通过丝杠来传动的。TL=Ta+Tf+To (7.22)式中，TL折算到电机轴上的负载转矩(N.m)沈阳理工大学学士学位论文36Ta折算到电机轴上的加速力矩(N.m)Tf折算到电机轴上的摩擦力矩(N.m)To折算到电机轴上的附加摩擦力矩(N.m)Ta=Jr=0.0011500/9.60.025=6.25(N.m) (7.23)tn6 . 9/maxTf =FoP103/2=21564103/2=1.716(N.m) (7.24)i18 . 0To=FamaxP()103/2=21564()103/2=0.326(N.m)(7.25)21oi29 . 0118 . 0式中，Jr折算到电机轴上的总惯量(kg.m )；2t系统时间常数(s)；nmax电机最大转速(r/min)；Fo导轨摩擦力(N)；P丝杠螺距(mm)；i降速比；传动链总效率(0.70.8)。TL=Ta+Tf+To=6.25+1.716+0.326=8.292 (7.26)PL=T (7.27) (7.28)60/2 nn=v/P (P丝杠螺距，v=0.1m/s) (7.29)把(7.25) (7.26)代入(7.24)，化简得，PL=9.55P/n=1302W=1.302KW (7.30)故选用安川伺服电机SGMH-20AAA41 。min/1500,8 . 1rnWKP额额7.4 机械导轨的选择在设计加工导轨时应满足以下的要求：1、导向精度导轨在空载运动和切削条件下运动时，都应具有足够的导向精度，保证导轨运动的准确度，这是保证导轨工作质量的前提。影响导向精度的主要因素有：导轨的结构形式，导轨的几何精度和接触精度，导轨和基础件的刚度，导轨的油膜厚度和油膜刚度，导轨和基础件的热变形等。(1)几何精度沈阳理工大学学士学位论文37直线运动导轨的几何精度一般包括：导轨在竖直平面内的直线度（简称 A项精度） ，导轨在水平平面内的直线精度（简称 B 项精度） ，两导轨面间平行度也叫扭曲（简称 C 项精度） ，在 A、B 两项精度中都规定了导轨在每米长度上的直线度和导轨全长的直线度，在 C 项精度中，规定了导轨在每米长度上和导轨全长上，两导轨面间在横向每米长度上的扭曲值。上述 A、B、C 三项精度的公差，可参考有关机床精度检验标准。(2)接触精度精刨、磨削和刮研的导轨表面，接触精度按 JB2278-78 的规定，采用着色法进行检查，用接触面所占百分比或 2525(mm)面积内的接触点数来衡量。2、精度保持性精度保持性主要是由导轨的耐磨性决定的，它与导轨的摩擦性质、导轨和材料、工艺方法以及受力情况等有关。另外，导轨和基础件的残余应力也会使导轨发生蠕变而影响导轨的精度保持性。影响精度保持性的主要因素是磨损，提高耐磨性以保持精度是提高机床质量的主要内容之一，也是科学研究的一大课题。提高耐磨性的因素有很多，提高耐磨性应从设计、工艺、材料、热处理、使用等各方面综合考虑。这里主要从设计角度来进行分析。从设计的角度提高耐磨性的基本思路是：尽量争取无磨损；在无法避免的磨损时尽量争取少磨损、均匀磨损、以及磨损后能够补偿，以便提高使用期限2。满足上述要求，故选择 HIWIN 线性导轨系列。7.5 联轴器的选择与计算7.5.1 选择联轴器的类型根据传递扭矩的大小，轴转速的高低，被联接两部件的安装精度，参考各类联轴器特性，选择一种合用的联轴器类型。通常选择时考虑以下几点：(1) 所需传递的扭矩的大小和性质以及对缓冲减振功能的要求。(2) 联轴器的工作转速高低和引起的偏心力大小。(3) 两轴相对位移的大小和方向。(4) 联轴器的可靠性和工作环境。(5) 联轴器的制造，安装，维护，和成本。沈阳理工大学学士学位论文38在加工中心驱动系统中，由于要与伺服电机相连接，要保证传动无间隙只有这样才能准确完成脉冲指令，从而不丢失脉冲，通过以上的要求综合考虑到以上的要求，选择单节夹紧螺丝固定式的膜片联轴器，它具有以下特点：膜片弹性联轴器，它的灵敏度高，高的扭矩刚性，零回转间隙，顺时针和逆时针回转特性完全相同，不锈钢膜片补偿径向，角向和轴向偏差。17.5.2 联轴器的主要参数联轴器的型号为 LK3 系列，材料为为铝合金，额定扭矩 85,最大扭矩N m170，最高转速 6000r/min，惯性力矩,静态扭矩刚性 8600N m6565 102kg m，径向偏差 0.02mm,角向偏差，轴向偏差mm。/N m rad10.15图 7.2 联轴器参数图其中轴径尺寸分别各为 30mm，25mm。7.5.3 联轴器的计算扭矩由于机器起动过程有动载荷，可能出现过载现象，所以应当按轴上的最大扭矩作为计算扭矩，计算扭矩按下式进行计算：caTTca=KAT (7.31)式中 T 为公称转矩，单位为；为工作情况系数。N mAK公称转矩 =9550N m (7.32)9550PTn46.1115008 . 1查得 KA=1.3。由公式(7.31)得，沈阳理工大学学士学位论文39=1.311.46=14.898N m (7.33)caATK T而该联轴器的许用转矩为 85，许用的最大转速为 6000 r/min，因此该联轴N m器适合。图 7.3 联轴器的三维视图沈阳理工大学学士学位论文40结论本文是针对回转壳体内自动粘贴胶片的任务，设计的一个 3DOF 平面关节型机械手（包括 1 个移动关节，2 个转动关节和末端执行机构） 。由于回转壳体口径较小，设计时要重点考虑到机械手的运动范围和如何避免对壳体与胶片的磨损。具体设计内容包括：1对 3DOF 平面机械手进行运动学分析，包括运动学方程的建立，运动学方程的正问题、逆问题及其解。通过运动学的分析，确定了机器人末端执行器对于参考坐标系的位置和姿态。2对机械手的传动部分进行合理设计。其中链传动能够保证小臂的旋转能够达到精确的位置，此种传动方式可以使伺服驱动部分置于工作平台末端，使机械手能够伸入开口较小的回转壳体内，完成胶片的粘贴任务。3伺服进给系统的设计。包括工作台的设计，滚珠丝杠和丝杠副的设计，直线导轨、伺服电机和减速器的选取等。伺服电机与滚珠丝杠的伺服进给方式能够保证机械手较高的位置精度。4对设计的机构进行校核计算，使系统中的部件满足强度和刚度要求。沈阳理工大学学士学位论文41致谢四年本科阶段的学习马上就要结束了，将近四个月的毕业设计使我能够把自己所学到的知识加以运用，并且从中学到了很多书本上学不到的东西，这对我今后的学习与工作有着很大的指导意义。此次设计是在王磊老师的悉心指导下完成的。在资料的收集、运动学分析、机构的设计、图纸的绘制以及说明书的编写过程中，王老师的精心指导，严格要求，给予了我很大的帮助。他严谨的治学态度与求真的精神鼓舞着我，使我受益匪浅，在此特向王磊老师致以衷心的感谢。同时，感谢母校沈阳理工大学能够给予我这样一个难得的学习机会。最后，感谢教过我的所有老师以及帮助过我的所有同学和朋友。 李翔 2007 年 6 月 26 日沈阳理工大学学士学位论文42参考文献1 蔡春源，宋纯智，曹太文.新编机械设计手册M ，辽宁:科学技术出版社，1993.7.2 徐浩，邱宣怀，蔡春源，汪恺，余俊.机械设计手册M ，北京:机械工业出版社，1991.3 孟庆鑫，王晓东.机器人技术基础M ，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.9.4 潘沛霖，吴伟光.机器人挠性手臂结构与设计J ，哈尔滨工业大学学报，1991，12 (3)：167-173.5 张铁，谢存禧主编.机器人学，华南理工大学出版社M ，2001，9.6 吴广玉，姜复兴主编.机器人工程导论M ，哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1988.7崔正昀主编.机械设计基础M,天津：天津大学出版社，2000.8 谈欣柏主编.大学物理M ，天津：天津大学出版社，2000.9 成大先主编.机械设计手册M ，北京：化学工业出版社，2005，76-84、99-141，157-160.10 加腾一郎主编.机械手图册M ，上海：上海科学技术出版社，1979.11 蔡自兴主编.机器人学M ，北京：清华大学出版社，2000.12 费仁元，张慧慧主编.机器人机械设计和分析J ，哈尔滨工业大学学报，1991，9 (3)：164-170.13 HYUN J H.Optimization of feedback gains for a hydraulic servo system by genetic algorithmsJ ，Proceedings of Mechan Engineers，Part.Journal of SystemsControl Engineering，1998，212 (5)，47-49、63-68.14 ERYILMAZ B.Improved nonlinear modeling and control of electrohydraulic sy-systemsD.Ph.D.Northeastern University，2000，34-36.沈阳理工大学学士学位论文43附录附录 AFirst, I explain the background robots, robot technology development. It should be said it is a common scientific and technological development of a comprehensive results, for the socio-economic development of a significant impact on a science and technology. It attributed the development of all countries in the Second World War to strengthen the economic input on strengthening the countrys economic development. But they also demand the development of the productive forces the inevitable result of human development itself is the inevitable result then with the development of humanity, people constantly discuss the natural process, in understanding and reconstructing the natural process, people need to be able to liberate a slave. So this is the slave people to be able to replace the complex and engaged in heavy manual labor, People do not realize right up to the worlds understanding and transformation of this technology as well as people in the development process of an objective need. Robots are three stages of development, in other words, we are accustomed to regarding robots are divided into three categories. is a first-generation robots, also known as teach-type robot, it is through a computer, to control over one of a mechanical degrees of freedom Through teaching and information stored procedures, working hours to read out information, and then issued a directive so the robot can repeat according to the people at that time said the results show this kind of movement again, For example, the car spot welding robots, only to put this spot welding process, after teaching, and it is always a repeat of a work It has the external environment is no perception that the force manipulation of the size of the work piece there does not exist, welding 0S It does not know, then this fact from the first generation robot, it will exist this shortcoming, it in the 20th century, the late 1970s, people started to study the second-generation robot, called Robot with the feeling that This feeling with the robot is similar in function of a certain feeling, for instance, force and touch, slipping, visual, hearing and who is analogous to that with all kinds of feelings, say in a robot grasping objects, In fact, it can be the size of feeling out, it can through visual, to be able to feel and identify its shape, size, color 沈阳理工大学学士学位论文44Grasping an egg, it adopted a acumen, aware of its power and the size of the slide. Third-generation robots, we were a robotics ideal pursued by the most advanced stage, called intelligent robots, So long as tell it what to do, not how to tell it to do, it will be able to complete the campaign, thinking and perception of this man-machine communication function and function Well, this current development or relative is in a smart part of the concept and meaning But the real significance of the integrity of this intelligent robot did not actually exist, but as we continued the development of science and technology, the concept of intelligent increasingly rich, it grows ever wider connotations.Now I have a brief account of Chinas robot development of the basic profiles. As our country there are many other factors that problem. Our country in robotics research of the 20th century the late 1970s. At that time, we organized at the national, a Japanese industrial automation products exhibition. In this meeting, there are two products, is a CNC machine tools, an industrial robot, this time, our countrys many scholars see such a direction, has begun to make a robot research But this time, are basically confined to the theory of phase .Then the real robot research, in 7500 August 5, 1995, 15 nearly 20 years of development, The most rapid development, in 1986 we established a national plan of 863 high-technology development plan, As robot technology will be an important theme of the development of The state has invested nearly Jiganyi funds begun to make a robot, We made the robot in the field quickly and rapid development.At present, units like the CAS ShenYng Institute of Automation, the original machinery, automation of the Ministry, as of Harbin Industrial University, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Qinghua University, Chinese Academy of Sciences, also includes automation of some units, and so on have done a very important study, also made a lot of achievements Meanwhile, in recent years, we end up in college, a lot of flats in robot research, Many graduate students and doctoral candidates are engaged in robotics research, we are more representative national study Industrial robots, underwater robots, space robots, robots in the nuclear industry are on the international level should be taking the lead .On the whole of our country Compared with developed countries, there is still a big gap, primarily manifested in 沈阳理工大学学士学位论文45the We in the robot industry, at present there is no fixed maturity product, but in these underwater, space, the nuclear industry, a number of special robots, we have made a lot of achievements characteristics.Now, I would like to briefly outline some of the industrial robot situation. So far, the industrial robot is the most mature and widely used category of a robot, now the worlds total sales of 1.1 million Taiwan, which is the 1999 statistics, however, 1.1 million in Taiwan have been using the equipment is 75 million, this volume is not small. Overall, the Japanese industrial robots in this one, is the first of the robots to become the Kingdom, the United States have developed rapidly. Newly installed in several areas of Taiwan, which already exceeds Japan, China has only just begun to enter the stage of industrialization, has developed a variety of industrial robot prototype and small batch has been used in production.Spot welding robot is the auto production line, improve production efficiency and raise the quality of welding car, reduce the labor intensity of a robot. It is characterized by two pairs of robots for spot welding of steel plate, bearing a great need for the welding tongs, general in dozens of kilograms or more, then its speed in meters per second a 5-2 meter of such high-speed movement. So it is generally five to six degrees of freedom, load 30 to 120 kilograms, the great space, probably expected that the work of a spherical space, a high velocity, the concept of freedom, that is to say, Movement is relatively independent of the number of components, the equivalent of our body, waist is a rotary degree of freedom We have to be able to hold his arm, Arm can be bent, then this three degrees of freedom, Meanwhile there is a wrist posture adjustment to the use of the three autonomy, the general robot has six degrees of freedom. We will be able to space the three locations, three postures, the robot fully achieved, and of course we have less than six degrees of freedom. Have more than six degrees of freedom robot, in different occasions the need to configure.The second category of service robots, with the development of industrialization, especially in the past decade, Robot development in the areas of application are continuously expanding, and now a very important characteristic, as we all know, Robot has gradually shifted from manufacturing to non-manufacturing and service industries, we are talking about the car manufacturer belonging to the manufacturing 沈阳理工大学学士学位论文46industry, However, the services sector including cleaning, refueling, rescue, rescue, relief, etc. These belong to the non-manufacturing industries and service industries, so here is compared with the industrial robot, it is a very important difference. It is primarily a mobile platform, it can move to sports, there are some arms operate, also installed some as a force sensor and visual sensors, ultrasonic ranging sensors, etc. Its surrounding environment for the conduct of identification, to determine its campaign to complete some work, this is service robots one of the basic characteristics.For example, domestic robot is mainly embodied in the example of some of the carpets and flooring it to the regular cleaning and vacuuming. The robot it is very meaningful, it has sensors, it can furniture and people can identify, It automatically according to a law put to the ground under the road all cleaned up. This is also the home of some robot performance.The medical robots, nearly five years of relatively rapid development of new application areas. If people in the course of an operation, doctors surgery, is a fatigue, and the other manually operated accuracy is limited. Some universities in Germany, which, facing the spine, lumbar disc disease, the identification, can automatically use the robot-aided positioning, operation and surgery Like the United States have been more than 1,000 cases of human eyeball robot surgery, the robot, also including remote-controlled approach, the right of such gastrointestinal surgery, we see on the television inside. a manipulator, about the thickness fingers such a manipulator, inserted through the abdominal viscera, people on the screen operating the machines hand, it also used the method of laser lesion laser treatment, this is the case, people would not have a very big damage to the human body.In reality, this right as a human liberation is a very good robots, medical robots it is very complex, while it is fully automated to complete all the work, there are difficulties, and generally are people to participate. This is America, the development of such a surgery Lin Bai an example, through the screen, through a remote control operator to control another manipulator, through the realization of the right abdominal surgery A few years ago our country the exhibition, the United States has been successful in achieving the right to the heart valve surgery and bypass surgery. This robot has in the area, caused a great sensation, but also, AESOPs surgical robot, In 沈阳理工大学学士学位论文47fact, it through some equipment to some of the lesions inspections, through a manipulator can be achieved on some parts of the operation Also including remotely operated manipulator, and many doctors are able to participate in the robot under surgery Robot doctor to include doctors with pliers, tweezers or a knife to replace the nurses, while lighting automatically to the doctors movements linked, the doctor hands off, lighting went off, This is very good, a doctors assistant.We regard this country excel, it should be said that the United States, Russia and France, in our nation, also to the international forefront, which is the CAS ShenYang Institute of Automation of developing successful, 6,000 meters underwater without cable autonomous underwater robot, the robot to 6,000 meters underwater, can be conducted without cable operations. His is 2000, has been obtained in our country one of the top ten scientific and technological achievements. This indicates that our country in this underwater robot, have reached the advanced international level, 863 in the current plan, the development of 7,000 meters underwater in a manned submersible to the ocean further development and operation, This is a great vote of financial and material resources.In this space robotics research has also been a lot of development. In Europe, including 16 in the United States space program, and the future of this space capsule such a scheme, One thing is for space robots, its main significance lies in the development of the universe and the benefit of mankind and the creation of new human homes, Its main function is to scientific investigation, as production and space scientific experiments, satellites and space vehicles maintenance and repair, and the construction of the space assembly. These applications, indeed necessary, for example, scientific investigation, as if to mock the ground some physical and chemical experiments do not necessarily have people sitting in the edge of space, because the space crew survival in the day the cost is nearly one million dollars. But also very dangerous, in fact, some action is very simple, through the ground, via satellite control robot, and some regularly scheduled completion of the action is actually very simple. Include the capsule as control experiments, some switches, buttons, simple flange repair maintenance, Robot can be used to be performed by robots because of a solar battery, then the robot will be able to survive, we will be able to work, We have 沈阳理工大学学士学位论文48just passed the last robot development on the application of the different areas of application, and have seen the robots in industry, medical, underwater, space, mining, construction, service, entertainment and military aspects of the application .Also really see that the application is driven by the development of key technologies, a lack of demand, the robot can not, It is because people in understanding the natural transformation of the natural process, the needs of a wide range of robots, So this will promote the development of key technologies, the robot itself for the development of From another aspect, as key technology solutions, as well as the needs of the application, on the promotion of the robot itself a theme for the development of intelligent, and from teaching reappearance development of the current local perception of the second-generation robot, the ultimate goal, continuously with other disciplines and the development of advanced technology, the robot has become rich, eventually achieve such an intelligent robot mainstream.Robot is mankinds right-hand man; friendly coexistence can be a reliable friend. In future, we will see and there will be a robot space inside, as a mutual aide and friend. Robots will create the jobs issue. We believe that there would not be a robot appointment of workers being laid off situation, because people with the development of society, In fact the people from the heavy physical and dangerous environment liberated, so that people have a better position to work, to create a better sp
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