关节型机器人腕部结构设计

1、关节型机器人腕部结构设计 371 绪论1.1 机器人的概念及组成机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。它是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器。它可以说是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、医学、农业甚至军事等领域中均有重要用途。其中工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业协会提出的工业机器人定义为：“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件

2、、工具的操作机”。英国和日本机器人协会也采用了类似的定义。我国的国家标准GB/T12643-90将工业机器人定义为：“机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业”。而将操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。欧美国家认为：机器人应该是由计算机控制的通过编排程序具有可以变更的多功能的自动机械，但是日本不同意这种说法。日本人认为“机器人就是任何高级的自动机械”，这就把那种尚需一个人操纵的机械手包括进去了。因此，很多日本人概念中的机器人，并不是欧美人所定义的。 现在，国际上对机器人

3、的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。” 机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器。机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。执

4、行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。 检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的

5、内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于

6、负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。1.2 题目来源及意义课题的来源：题目来源于生产实际。设计一个用于焊接的关节型机器人，进行机器人的总体方案设计、腕部及执行器结构设计及其零件设计。课题的目的、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其零件设计。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程度要求高，因此采用机器人技术，实现

7、焊接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产率、实现生产过程自动化、改善劳动条件。1.2.1 技术要求根据设计要达到以下要求a. 工作可靠，结构简单；b. 装卸方便，便于维修、调整； c. 尽量使用通用件，以便降低制造成本。1.2.2 预计达到目标及解决方案课题预计达到的目标：1、手腕处于手臂末端，须减轻手臂的载荷，力求手腕部件的结构紧凑，减少其重量和体积；2、提高手腕动作的精确性； 3、三个自由度（臂转、手转、腕摆）的实现。解决方案：1、腕部机构的驱动装置采用分离传动，将3个驱动器安置在小臂的后端。2、提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差，对分离传动多采用传动轴。

8、3、驱动电机1经传动轴和一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮带动手腕在壳体上作偏摆运动。电机2经传动轴驱动圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动，从而使轴回转，实现手腕的上下摆动。电机3经传动轴和两对圆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1.3 机器人的现状与发展1.3.1 机器人的历史1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说罗萨姆的机器人万能公司中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。1939年 美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说

9、77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。1942年 美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。1948年 诺伯特·维纳出版控制论，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。1954年 美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。1956年 在达特茅斯会议上，马文·明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器“能够创建

10、周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。1959年 德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。1962年 美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在

11、机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。1965年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。1968年 美国

12、斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。1969年 日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。1973年 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。1978年 美国Unimat

13、ion公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。1984年 英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。1998年 丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。1999年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。2002年 美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba

14、，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。iRobot公司北京区授权代理商：北京微网智宏科技有限公司。2006年 6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。1.3.2 先进机器人近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构

15、化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外 感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。水下机器人：美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等水下机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下机器人（remote operated vehicle）和无缆水下机器人（autonomous under water vehicle）两大类。空间机器人：空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国NASA的空间机器人 Soj

16、anor等。Sljanor是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸630mm，有6个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。核工业用机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统，如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7灵巧手等地下机器人：地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两大类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制

17、出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。 医用机器人： 医用机器人的主要研究内容包括：医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场感外科（telepresence surgery）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（telematics）计划、袖珍机器人（biomed）计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。 建筑机器人：日本已研制出20多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人

18、、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，并已实际应用。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。 1.3.3 发展趋势随着社会的不断发展，各行各业的分工越来越明细，尤其是在现代化的大产业中，有的人每天就只管拧一批产品的同一个部位上的一个螺母，有的人整天就是接一个线头，就像电影摩登时代中演示的那样，人们感到自己在不断异化，各种职业病逐渐产生，于是人们强烈希望用某

19、种机器代替自己工作，因此人们研制出了机器人，用以代替人们去完成那些单调、枯燥或是危险的工作。由于机器人的问世，使一部分工人失去了原来的工作，于是有人对机器人产生了敌意。“机器人上岗，人将下岗。”不仅在我国，即使在一些发达国家如美国，也有人持这种观念。其实这种担心是多余的，任何先进的机器设备，都会提高劳动生产率和产品质量，创造出更多的社会财富，也就必然提供更多的就业机会，这已被人类生产发展史所证明。任何新事物的出现都有利有弊，只不过利大于弊，很快就得到了人们的认可。比如汽车的出现，它不仅夺了一部分人力车夫、挑夫的生意，还常常出车祸，给人类生命财产带来威胁。虽然人们都看到了汽车的这些弊端，但它还是

20、成了人们日常生活中必不可少的交通工具。英国一位著名的政治家针对关于工业机器人的这一问题说过这样一段话：“日本机器人的数量居世界首位，而失业人口最少，英国机器人数量在发达国家中最少，而失业人口居高不下”，这也从另一个侧面说明了机器人是不会抢人饭碗的。美国是机器人的发源地，机器人的拥有量远远少于日本，其中部分原因就是因为美国有些工人不欢迎机器人，从而抑制了机器人的发展。日本之所以能迅速成为机器人大国，原因是多方面的，但其中很重要的一条就是当时日本劳动力短缺，政府和企业都希望发展机器人，国民也都欢迎使用机器人。由于使用了机器人，日本也尝到了甜头，它的汽车、电子工业迅速崛起，很快占领了世界市场。从现在

21、世界工业发展的潮流看，发展机器人是一条必由之路。没有机器人，人将变为机器；有了机器人，人仍然是主人。2 驱动结构设计2.1 驱动方法的确定机器人的驱动方法一般有三种：液压、气压、电动。液压驱动以高压油为工作介质。液压驱动机器人的抓取能力可达上百公斤，液压力可达7MPa，传动平稳，但对密封性要求高。气动传动是最简单的驱动方法，原理与液压相似。这种机器人结构简单，动作迅速，价格低廉。由于空气具有可压缩性，因此这种机器人的工作速度慢，稳定性差；其气压一般为0.7MPa，因而抓取力小。电动传动是目前在工业机器人中用的最多的一种。早期多采用步进电机（SM），后来发展了直流伺服电机（DC），现在，交流伺服

22、电机（AC）也开始广泛应用。直流伺服电机用得较多的原因是因为它可达很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在两个方向连续旋转，运动平滑，且本身设有位置控制能力。步进电机是通过脉冲电流实现步进的，每给一个脉冲，便转动一个步距。结论：本课题的机器人将采用电机驱动。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。2.2机器人手腕传动结构设计机器人手腕式连接末端操作器和手臂的部件，它的作用是调节或改变工作的方位，因而它具有独立的自由度，以使机器人末端操作器适应复杂的动作要求。为了满足手腕处于手臂末端，须减轻手臂的载荷，力求手腕部件的结构紧凑，减少其重量和体积的要

23、求，现初步设计如下： 此处为反转后的样子，直接显示不清楚（参照工业机器人技术P40页）图2-1(手腕传动结构示意图)因为设计手腕时除应满足启动和传动过程中所需的输出力矩外，还要求手腕结构简单，紧凑轻巧，传动灵活；多数情况下，要求将腕部结构的驱动部分安排在小臂上，使外形整齐。故此处统一将电机安放在后方，呈三角形排列。 此处有一个地方值得注意的是当腕摆框摆动而手腕电机不转时，连接末端执行器的锥齿轮在另一锥齿轮上滚动，将产生附加的手转运动，在控制上要进行修正。其余传动正常，详细传动过程请见图纸。本课题中有要求手腕运动的角度及速度等，要求如表2-2中所示动作范围手腕回转手腕摆动手腕旋转额定载荷最大速度

24、表2-2（手腕传动要求）3 电机的选择题目要求额定载荷为,现在初步估计腕部本身的重量为，最大工作速度为，所以功率取安全系数为1.2，考虑到实际工作情况，最终选定。选择OM型法纳克公司三相交流电动机，技术参数见表2-3表2-3 法纳克公司三相交流中惯量电机型 号最大转矩 ()额定转矩()最高转速 ()额定功率 (W)重量 (kg)中惯量系列-0M262.92000400134 总传动比的确定及传动比的分配4.1 各级传动比的计算4.1.1 偏转传动比的确定先根据下式求角速度 = 30 r/s 为角速度(r/s)，V为运动速度（m/s）， R为工作接口到转动轴的距离(m)。再求实际转速 为转速(r

25、/min)。最后求得总传动比6.98 取整 = 74.1.2 俯仰传动比的确定算法同上，由于R的大小较前者稍大，（具体结构可查看图纸）故经过计算最终得出俯仰总传动比 104.1.3 旋转传动比的确定同理，经过计算最终得出旋转总转动比 = 144.2 传动比的分配传动比分配时要考虑到传动的合理性，要做到正确传动。4.2.1 偏转传动比分配 总传动比 = 7，该传动为两级传动，第一级传动为圆柱齿轮传动，传动比= 2，第二级传动为圆锥齿轮传动，传动比 = 3.5。4.2.2 俯仰传动比分配 总传动比10，该传动为两级传动，第一级传动为圆柱齿轮传动，传动比2，第二级传动为圆锥齿轮传动，传动比5。4.2

26、.3 旋转传动比分配 由于旋转速度要求，设定传动比=14，第一级传动为圆锥齿轮传动，传动比，第二级传动为圆锥齿轮传动，传动比5 齿轮的设计5.1 偏转部分齿轮设计5.1.1 第一级圆柱齿轮传动的类型、精度等级、材料及齿数：小齿轮采用材料为40（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。齿轮精度等级为7级。取。5.1.2 按齿面接触强度设计由设计计算公式进行计算，即： (5-1)（1）确定公式内的各计算数值其中，选载荷系数=1.3小齿轮传递的转矩为：由表10-7选取齿宽系数由表10-6查得材料的弹性影响系数由图10-21d按照齿面硬度

27、查得：小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限由式10-13计算应力循环次数取疲劳寿命系数;计算接触疲劳许用应力。设定失效概率为1%，安全系数S=1,可得出（2）计算计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值计算圆周速度计算尺宽b计算齿宽与齿高之比模数齿高计算载荷系数根据，7级精度，查表得动载荷系数直齿轮，查表得使用系数7级精度、小齿轮相对支承非对称分布置时，由，查得;故载荷系数按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径计算模数5.1.3 按齿根弯曲强度设计 (5-2)（1）确定公式内的数值其中小齿轮弯曲疲劳强度极限大齿轮弯曲强度极限弯曲疲劳寿命系数,计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数，由公式

28、可得：计算载荷系数查取齿形系数;查取应力校正系数;计算大小齿轮的并加以比较大齿轮的齿数大（2）设计计算 故此处只要满足第一个计算的结果，取模数几何尺寸计算如表5-1表5-1（偏转第一级圆柱齿轮）名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙其他具体设计见图由于小齿轮较小，故做成齿轮轴。（所有齿厚均为计算中的0.8至1倍的d，具体可参考图纸。以后不再复述）5.1.4 第二级圆锥齿轮传动的类型、精度等级、材料及齿数：小齿轮采用材料为40（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。齿轮

29、精度等级为7级。取。按齿面接触疲劳强度计算，公式为： (5-3)（1） 确定公式内的各个值其中，小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限取弯曲疲劳安全系数，由公式可得：应力循环次数接触疲劳寿命系数,弯曲疲劳寿命系数接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数,又，试选求许用接触应力和许用弯曲应力将以上的数值带入公式可得所以速度动载荷系数；使用系数；齿向载荷分布不均匀系数；齿间载荷分配系数取；则故取齿根弯曲疲劳强度计算复合齿形系数， 取 由公式 (5-4)可推出公式所以模数，齿轮合格具体参数如表5-2表5-2（偏转第二级圆锥齿轮）名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿顶圆直径 齿根圆直径齿顶角齿根角

30、分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽小齿轮为齿轮轴5.2 其他的齿轮设计5.2.1 俯仰部分齿轮设计第一级传动为圆柱齿轮传动，小齿轮采用材料为40（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。齿轮精度等级为7级。取。具体参数如表5-3表5-3（俯仰第一级圆柱齿轮）名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙齿轮为齿轮轴第二级传动为圆锥齿轮传动，小齿轮采用材料为40（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。齿轮精度等级为7级

31、。取。具体参数如表5-4：表5-4（俯仰第二级圆锥齿轮）名称符号公式分度圆直径 齿顶高齿根高齿顶圆直径 齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽5.2.2 旋转部分齿轮设计第一级传动为圆锥齿轮传动，小齿轮采用材料为40（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。齿轮精度等级为7级。取。具体参数见表5-5表5-5（旋转第一级圆锥齿轮）名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿顶圆直径 齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽第二级传动为圆锥齿轮传动，小齿轮采用材料为40（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢

32、（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。齿轮精度等级为7级。取。具体参数见表5-6表5-6（旋转第二级圆锥齿轮）名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿顶圆直径齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽6 轴的设计与校核6.1 轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。6.1.1 轴的结构设计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；轴上安装的零件类型、尺寸、数量以及和轴的连接方法；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较多，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

33、行具体分析。初步设计如图6-1图6-1（结构图示意图）6.1.2 轴的结构尺寸的确定由于轴1是要和联轴器进行连接，此处所采用的是波纹联轴器，查阅资料后确定。轴3上要安装轴承，其直径要与轴承型号相匹配，此处选用的是角接触轴承，型号为7205，内径是25mm, 由于一根轴上的轴承相同，故。此处简述一下轴承的选取过程：1轴承选择的概要 由于各种因素的存在，对轴承类型的选择没有一个固定的法则可循。为了能从为数众多的结构、尺寸中，选择最适合的轴承，有需要从各种角度研究。在选择轴承时，一般，考虑作为轴系的轴承排列、安装、拆卸之难易度、轴承所允许的空间、尺寸、及轴承的市场性等，大致决定轴承结构。有关于润滑脂

34、老化而发生的润滑脂寿命、磨损、噪音等也需要充分研究。其次，一边比较研究使用轴承的各种机械的设计寿命和轴承的各种不同的耐久限度，一边决定轴承尺寸。再者，根据不同的用途，有必要选择对精度、游隙、保持架结构、润滑脂等要求，作特别设计的轴承。但是，选择轴承并没有一定的顺序、规则，优先应考虑的是对轴承所要求的条件、性能、最有关连的事项，最为实际。 2轴承类型的选择 各类轴承都因其设计之不同而具有各种不同特牲，使其适宜于某种特定的应用范围。例如，深沟球轴承可承受中等程度的径向及轴向载荷，运转摩擦力低，可以制出高精密及低噪音的产品，因此适宜于小型或中型的电机用途。圆锥滚子轴承特别适用于承受径向载荷和单向轴向

35、载荷及其合成载荷。其接触角越大，轴向载荷容量越大。安装与拆卸比较方便，通常以两套轴承配对使用。圆柱滚子轴承一般只承受径向负荷与相同尺寸的向心球相比，其径向载荷能力提高1.53倍。由于本处传递力矩较小，约合2000N，所选取的轴承所能承受为5000N以上，故略去校核。2处则要安装套筒，所以去 。轴5由设计决定做成齿轮，故，和统一，初步选择了。长度方面，根据联轴器的相关规定，现取，同理，和则根据相关轴承的宽度进行设计，结果为，和轴承相配合，是根据套筒长度所决定，初步决定，再根据总体结构，根据计算得出的结果为齿宽加一点余量，得。6.2轴的校核计算轴的计算通常都是在初步完成设计结构后进行校核计算，计算

36、准则是满足轴的强度或刚度要求，必要时还应校核轴的震动稳定性按扭转强度条件计算 (6-1)其中由于采用45钢，所以代入上式得由于有一个键，轴径增大5%-7%，所以，所以符合要求。按弯扭合成强度条件计算,扭矩图6-2图6-2（受力分析图）传递功率：作用到齿轮上的力：水平面上受力分析： 垂直面上受力分析：在a-a截面的左端： 右端：在垂直的方向上：弯矩计算：左端为 右端为由上述计算可看出a-a截面的左侧要比右侧受力大，故此处a-a左侧为危险截面，只要校核左侧就可以了按弯扭合成应力校核轴的强度查表可得， (6-2)故安全精确校核轴的疲劳强度抗弯截面系数抗扭截面系数截面上的弯曲应力截面上的扭转应力为安全

37、系数所以安全由于本次课题所传动的力矩较小，与实际校核允许值非常大，所以其余轴的校核过程略去，基本过程同上，校核结果为全部合格。7 电气控制7.1 控制方法的确定7.1.1 PLC的介绍可编程控制器（PLC），是以微处理器为核心的通用自动控制装置。它具有控制功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于扩展、通用性强等一系列优点，不仅可以取代继电器控制系统，还可以进行复杂的生产过程控制和应用于工厂自动化网络，被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一。7.1.2 单片机的介绍单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展很快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环

38、境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。由于具有上述优点，在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化控制，自动检测，只能仪器仪表，家用机器，电子电力，机电一体化设备的各个方面。单片机主要应用与测控领域，用以实现各种测试和控制功能。为了强调其控制属性，在国际上，多把单片机成为微控制器MCU(MicroConrroller Unit)。由于单片机在在使用时，通常是处于测控系统的核心地位并嵌入其中，所以，通常也把单片机称为嵌入式控制器EMCU（Embedded MicroController Unit）。而在我国，发部分工程技术人员比较习惯使用“单片机”这一名称。7.1.3 结果经过考虑此处采用PLC控制，其控制原理简单，绘图方便。7.2 PLC控制梯形图设计根据具体的操作要求，现做出梯形图7-1图7-1（梯形图） 其中X0,X2,X4分别为回转、摆动及旋转的控制按钮，X6、X7为限位开