鹿山学院立式加工中心换刀机械手的设计带机械图
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鹿山学院立式加工中心换刀机械手的设计带机械图,学院,立式,加工,中心,机械手,设计,机械
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广西科技大学鹿山学院本科生毕业设计（论文）广西科技大学鹿山学院毕业设计（论文）题 目：立式加工中心换刀机械手的设计系 别： 机械工程系 专业班级： 姓 名： 学 号： 20131804 指导教师： 罗梅萍 职 称： 二 年 月 51摘 要这项研究的内容是立式加工中心换刀机械手的设计，机器人的延伸和人的手，脚和大脑的扩展，它可以是相当重的，单调，重复，提高用户的工作效率，保证生产质量的基础。和机器人技术和在手的领域深化进程的快速发展，不仅需要控制自己的高可靠性，高利用变化和操作上的改变都不错，而且它的成本低廉，可以开发出强大的经济。是指机器人手可以复制手臂的某些程序和服务用于夹持固定或拒绝自动工具从工作的处理。机器人可以代替人工工作，比如生产过程的要求可能遵循一定的程序，时间和地点，完成铁的递送和管理。它可以在空间，在那里，有什么等处理，交换局被抓，被广泛应用于工业生产等领域。不仅提升产量，而且需保障人身，改善工作条件，减少工作时间表，具有重大意义。关键词：机械手，结构设计，立式加工中心换刀，电机Abstractcontent of the study was vertical machining center blade robot design, hands, feet and brain expansion and extension of human robot, it can be quite heavy, monotonous repetition, improve user productivity, guarantee production the basis of quality. And robotics and deepen the process of rapid development in the field of hand, not only need to control their high reliability, high-use change and operational changes are good, and its low cost, can develop a strong economy. Refers to the robot hand may duplicate some programs and services holding and fixing arm or reject automatic tool for processing work. Robot can replace manual work, such as the requirements of the production process might follow certain procedures, time and place to complete the delivery and management of iron. It can be in space, where, what other treatment, the exchange was caught, it is widely used in industrial production and other fields. Not only improve the product quality and yield, but also to protect the personal safety, improve working conditions and reduce work to improve production efficiency, it has a very important tool. Keywords: manipulator, design, vertical machining center blade, the motor目 录1 绪论11.1课题背景11.2立式加工中心简介11.3机械手简介及构成，分类11.4国内外换刀机械手的发展概况51.5设计参数及机械手特性62 总体方案设计92.1 换刀机械手工程概述92.2 工业换刀机械手总体设计方案论述102.3 换刀机械手机械传动原理102.4 换刀机械手总体方案设计113 手爪夹持器结构设计与校核133.1手爪夹持器种类133.2夹持器设计计算143.3 夹持装置气缸设计计算144 换刀机械手大臂部结构设计164.1 大臂部结构设计的基本要求164.2 大臂部结构设计164.3 大臂电机及减速器选型164.4 减速器参数的计算175 小臂结构设计及计算185.1 换刀头设计要求185.2 腕部设计185.2.1 手腕偏转驱动计算185.2.2 手腕俯仰驱动计算215.2.3 电动机的选择225.3 小臂部结构设计235.4 小臂电机及减速器选型235.4.1.传动结构形式的选择245.4.2.几何参数的计算245.5 轴承的寿命校核255.6 轴的强度校核256 机身设计276.1 步进电机选择276.2 齿轮设计与计算316.2.1 高速级齿轮设计与计算316.2.2 低速级齿轮设计与计算356.3 轴的设计与计算386.3.1 输入轴的设计与计算386.3.2 中间轴的设计与计算406.3.3 输出轴的设计与计算426.4 轴承的校核446.4.1 输入轴上轴承寿命计算446.4.2 中间轴上轴承寿命计算466.4.3 输出轴上轴承寿命计算466.5 键的选择和校核486.5.1 键的选择486.5.2 键的校核48结 论49致 谢50参 考 文 献511 绪论1.1课题背景在当代的数控市场中能够生存下来，有自己的立足之地，我国科技研究人员分别为自己的工业生产投入了巨资，一直在对数控技术进行深刻的研究，同时也提出一些新的想法进行开发，提出了许多有建设性的思想来进行对自己工业的改进。我们的目的是为了改善现代化轻工业的一些弊端，以用了来提高制造的精度和生产的消毒，减少工人的劳动强度并且讲点生产的成本。随着我国数控机床的不断发展，各个国家争先恐后的发展自己的数控机床系统，并且对于数控机床而言，这是现代制造工业的一种非常基础的单元，所以有一门好的技术能够让自己的国家利于不败之地。伴随全球的数控技术在不断发展对于一些加工中心设备的要求越来越苛刻，要求加工中心精度，加工中心的效率等等都必须要不断的提高。对于加工中心而言，换刀是提高工作效率，降低工人劳动强度的核心，这就不得不要求一些技术人员不断的开发出新型的自动换刀装置，这些换刀装置还必须稳定可靠，这样才能满足日益发展的数控技术发展，而对于这些技术人员和厂商而言，许多的研究成果都是属于个体的，关于数控技术日新月异的今天，因为干扰的，有一个非常复杂的过程和生产问题，数字化技术的不断进步，改变和改革。这种技术是一个私人的，不公开，尤其是日新月异的技术，机器人技术是在私下里说，所以对于加工中心，自动换刀技术是影响我国数控技术的关键。我们可以通过机器人的一些危险和复杂的工作来负责，可以降低员工的劳动强度，也可以保证人身安全，所以机器人在很多地方一直受到很多关注，如处理和拆除工件，我们熟悉数控机床上的刀具更换等。1.2立式加工中心简介立式加工中心，主要是固定列型结构，和垂直轴的设计。他们一般都是横滑台。对于横向滑动，三个线性坐标运动。但为了进入四技巧的特殊组成部分。立式加工中心结构比较简单，价格也相对便宜，占地面积小，加工的零件相对较小复杂的零件比。但是立式加工中心的缺点也是十分明显的，因为你其立柱高度是一定的，是有限制的，它对箱体一类的加工会相对比较复杂，但是也不排除可以加工少类的箱体零件。而立式加工中心的优点：对于立式加工中心，工件又十分容易装夹，定位精准，维修和保护也十分容易，而且就其立式加工中心所拥有的特性，很难对工件造成损伤，它所切削的杂物业容易处理，总之而言，优点还是十分多的。1.3机械手简介及构成，分类一.能模仿人体手的工能的装置被称之为机械手，可以实现运送物件，搬运，抓取全自动化的机械装置。这是一种工业机械人，它的出现大大减少了人们的劳动强度，在当今的机械化社会中，渐渐以机械化代替人力，不仅保证了生产的效率还能保证人身的安全，这是一种技术的突破和提高，控制系统是通过自由度的控制来驱动电机来完成每个自由度的工作，使机械手完成它自己的工作。可以突破我国在某些方面的限制，可以大幅度提高生产，并且还能降低生产的成本，这种工业机械人也就可以在原子，电子等领域有其独特的发挥。二.对于夹持的物体，可以根据他的形状材料重量等等来确定用机械手如何装夹。而对于移动来实现搬运的要使机械手能够实现旋转，多方位的移动来模仿人的动作，用来实现指定的运动。而运动机构则是可以实现拉伸旋转，这就是所谓的自由度。自由度是机械人设计的关键，因为他决定了机械人能够如何按照人们的设计进行他所需要的运动，并且机械人拥有越多的自由度，机械能做的功能也就越多，而且运动也就越加精确，但是相对的设计起来也就越加的复杂。而对于一般的机械手来说，自由度2到3就可以完美实现它所要做的工作了。三.液压型、气动型、电动型是机械手的最基本类型。最重要的型机器人。如果它可以在机械手机器人和一般专用数控系统的范围内使用通常是机器人。因此，它可以应用到各种各样的人难以工作，因为在我们国家，大力发展铁是非常重要的，根据运动的轨迹，大致会有点空和连续两种机械手。机器人通常的功能是为了完成人因环境或者其他因素造成无法工作的用机器人来代替，很明显的就是生产线上一些简单的工作，还有包括在加工中的自动换刀装置。有些我们需要操作的装置要人为和机械相互辅助来完成，例如用于危险的原子装置（通常称为机器人）的人来控制，机械实现控制。在各种锻造行业中使用机械手改善生产能力能够减少人力疲劳提高生产效率。普通装置包含：（一）单臂单爪回转式机械手此类机械手自由度的摆动轴线是与刀具主轴平行的，这使得机器人可以采取旋转这样的自由的优点，用于自动工具然后多个自由度改变多面侧，但缺点是，它需要时间换刀其它长机械手，这对于杂志和换刀位置的原因是类似于座轴的位置。图1-1.图1-1 单臂单爪回转式机械手（二）单手式：所有换刀过程中的动作均由单手完成，但是这样的弊端是换刀过程中因为执行动作多也会早成换刀时间长的不利因素，图1-2：图1-2单手式机械手（三）单臂双爪回转式机械手这种机械手因为有双爪，一个取下刀具送到刀库，另一个卡爪就负责在刀库中取下刀具，再将刀具送到主轴上，因为双卡爪相互配合起来，比单爪的效率更高，也节省了大把时间。图1-3：图1-3单臂双爪回转式机械手（四）双臂回转式机械手此是双卡爪，在回转180之后可以把双卡爪上刀具放回所需要装配的地方，这样一来同时抓刀的优势就会使换刀时间缩短，也正因如此，这也使这种换刀手成为了加工中心里面最多使用的换刀形式。图1-4：图1-4 双臂回转式机械手（五）双机械手图1-5：图1-5 双机械手1.4国内外换刀机械手的发展概况一.国产自动换刀装置和国外的数控机床上的换刀装置技术而言，是不可同日而论的，因为我国在数控技术这块相对于国外而言，是一个起步比较晚，这些比较在技术上会有很大的区别，比如：在我国ATC速自动换刀和国外相比，差异是非常明显的，主要是我国的技术不过关，有很多的问题，另一方满切割，切屑等技术与国外的技术相比，很多大程度上是无法相提并论的，差距还是十分明显的；我国的刀库的设计与机械手的设计在一起协调性远比不了国外的技术，同时定位精度和精度保持是相对于国外是比较差的，我们需要大力发展技术，不断改善我国自动换刀装置，弥补所存在的缺陷。争取早日能够赶上国外发达国家。和国外的产品相比较而言，我国主要存在的是自动换刀装置技术上的开发和研究，技术也比较老旧，这会限制我国的数控技术的发展，同时也限制了自动换刀技术的改革和创新。总体而言，我国的技术必须不留余力的来不断追赶国外的技术，我们需要结合国内技术的缺点和国外技术的有点来改进我国的自动换刀技术，我们需要专业的人士来开发和研究一些新的技术，用来不断提高我们的我们自动换刀，甚至可以说是机械人技术。二.国外情况：国外的自动换刀技术相比于国内就先进太多，并且国外的研究技术主要针对的是机械手要动作准确并且稳定可靠，并且国外要求自己的自动换刀装置要重量轻，反应迅速，也就是要轻巧（节约成本，动作迅速灵敏），刚度要好，种类形式要多。要利于维修与拆卸。因为这是一门全切的技术，所以，许多的发达国家都在尽力的去开发出新的技术，新的换刀机械手，新的数控机床，而且成就不低。1.5设计参数及机械手特性一. 加工中心：确定TD500型立式加工中心。XH716型加工中心立式加工中心刀库的设计参数刀库容量：14选刀方式：任选最大刀具重量：3kg最大刀具长度：200mm最大刀具直径：换刀时间：1.2s设计任务：在任务书中自动换刀装置所需要的刀具的主轴锥柄是日本的BT-30，用来实现最基本的三个动作抓刀，换刀，松刀。二.刀库形式的确定本次设计采用圆盘式刀库，圆盘式刀库通常都是使用机械刀臂自动换刀装置，这样一来，换刀的速度就会特别的快。这样换刀手的动作也就十分明了了，及时双爪同时从刀库主轴拔刀，旋转180，然后同时换刀。三.机械手的确定（一）坐标形式及自由度各自的特点分别为直角坐标型三个方向直线坐标自由度;结构设计简单；空间大，但体积占地面积大。圆柱坐标型机构设计简单；机械手手爪所能抓取的空间受到限制大，难结仇立柱和地面。球坐标型机构设计由于坐标系复杂难建立设计起来比较复杂；同样存在工作是机械手所涉及不到的工作死区；需要较大的工作空间。多关节坐标型关机的密封性好；能在温度特点低的条件下工作，操作范围大；机器结构设计比较困难。（二）机械手的平稳性工业生产机器人能够快速，顺利地进行操作，并且保证你的准确度，所以我们要注意的机器人结构合理，满足需求的设计。在正确的位置和所述效果包括惯性影响，影响结构，定位系统，一个控制系统的影响影响到驱动源等。惯性力影响 图1-6 惯性曲线图中显示，在机械手运行速度改变，它的加速度就不呈现连续状态，减速度也同理，这样一来会有惯性冲力产生，还相对比较巨大，这样会使工件松动，更严重的是使部件松动，对部分难以维持，并严重损坏。当您，对于降低大作出了重大机械手臂摇晃来回影响了正确的地方。我们正在寻找机器人换刀装置的运动特性，可以用来读取控制系统，从而使加速可以在不同的方式，同理减速度也是一样的，因为机械手越轻越好，如果可能保证刚度的情况下要减轻部件的重量让其精度更高。结构刚度影响如果工件的本身结构刚度相对较差，二者之间配合间隙又相对较大并且所有的频率比较低的时候，会受到来自机床的惯性冲击，但是是较小的影响，这样一来就会有振动的产生，这样会使精度降低并且会使我们设计的机械手的寿命缩短，所以我们要想一种合理的方法来提高机械手的刚度和载荷承受能力。定位方法影响。在许多的已知的定位方法之中，作为机械的挡块是所有方法中精度最高的，紧随其后的是伺服定位，再之后便是精度较低的电气开关。控制系统影响对于电气控制系统能够所能存在的误差，是能够通过别的手段来检测到有些失灵的元件或者机械挡块偏移或者有泄露的阀类在，这些情况或多或少都会影响到定位精度。驱动源的影响大多数的驱动源都会降低整个系统的平稳性，同时也会降低定位精度包括液压系统，气压系统，电气系统，这些我们可以弄一个蓄能器来辅助帮助控制稳定。（三）机械手的运动特性当我们来分析换刀机械手所运动的轨迹和特性的时候，我们可以选择不同的环境和条件来用各种合适的运动特性。图1-7 运动特性曲线如图行为勘探，换刀，并显示出这两个动作，从加速度的方式，而另两个用于快速，在这个过程中减速所示类似于加速度的小变化等，因为没有如减慢的影响，这无疑增加了机器人的工作速度，该计划将持续改变显著的速度，使得运动不应该有效果，满足高运行平稳，同时也使2高的地方说得最多的标准。2 总体方案设计2.1 换刀机械手工程概述换刀机械手ATC机器人项目是一个广泛的跨学科的技术，其中包括力学，训练系统，机械设计，气动技术，特效技术，计算机技术和自动化技术。人们将不得不放弃知识的分支可以与技术解决方案工程问题，有效地结合起来“系统工程”。和换刀设计为例，工程和它可以被用来作为一个整体方法研究换刀系统和不同之间的外部环境有机链路的研究，开发和应用程序的方法的集成的设计之间的关系的过程中的内部部件。但从用户的角度来看，一个复杂的机器应该被看作是由若干个子系统，如有机地联系起来，不能再继续下去的过程。如果系统是开放的，特定的服务作为一个整体将失去。因此，设计一个更复杂的机器时，开始与系统的想法，该系统应具有以下特征：（1）由许多的完整性的各子系统应该有，作为整体特定的任务。（2）子系统之间的有机联系的关系过程中，有机，具有一定的性质。（3）每个系统的目的应具有系统的明确的目的和结构，子系统的系统的组合取决于该系统的用途和操作。（4）任何系统环境现在改变一些东西，并能够适应外部环境的变化。因此，在设计机器人工具发生变化时，不仅要注意换刀系统组的组成，设计的一部分，将按照工艺工程的角度来看，换刀起来要求，组成换刀系统的各个子系统，零部件的逻辑组合，高设计性能的机器人换刀适应工作的产品。在一个复杂的工业工具更换系统一般包括：操作单元，这是完成换刀，包括头部，手臂，手腕，并改变系统或类似系统。一种驱动系统，包括驱动系统作为驱动动力源，驱动单元，通过各种传输部件的伺服驱动系统和所有的水。的控制系统，其包括控制计算机（一个计算机或其他可编程控制装置编辑）计算，存储器，人-机接口（键盘，示教盒等），来自各种传感器的放大的信息，和传输输入处理，感觉，离线编程，设备I / O通信接口，内部和外部传感器和其它通用或专用外设。属性工业换刀是通用的，因为它在功能上是灵活的，重新调整，又推出了换刀可以有效地应用到在制造过程中的变化来完成的一部分或转移，或其它操作进行组装。和柔性制造系统中，主要的工艺设备（例如，数控机床，锻造，焊接，装配，及其它生产设备），辅助设备，以控制不同种类业务的形成换刀集成技术和其他工业换刀，和工业换刀系统。在生产其它非制造业，如建筑，采矿，运输和生产过程中的其它区域的验证工具更换。2.2 工业换刀机械手总体设计方案论述（A）负载现在，工业机器人换刀国内，国际上使用，各种超能力的，表明至少5N以下，达9000N。评估负载的大小主要考虑在刀具更换和扭矩的运动的机械接口上的方向。这将包括大时，工件的重量或关节预定速度和刀具更换的加速度来改变的惯性力。给定设计的设计可以初步估计3千克设计是有点大。（B）驱动系统的伺服电动机控制系统，控制变化，良好控制的速度，位置，存在对环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制，小工具交换机器人等，因此本设计采用一个伺服电机（C）递送系统换刀尽可能将驱动结构紧凑，重量轻，体积小和转动惯量，所述驱动系被认为是消除分歧的措施，提高了换刀控制权的位置。机械传动装置，该机器人经常改变齿轮传动，蜗杆传动，螺杆传动，皮带，链条传动，齿轮，在带材的高次谐波传动齿轮，由于高性能齿轮传动，传输，紧凑结构，运行可靠，寿命长，学习更加扎实的大学，这样的设计选项齿轮。（D）范围换刀至工业机器人被确定为在工作的工业工具更换和工作的宽范围的轨迹，并代表的工作区。工作空间的形状和大小影响这种类型的工具更换的机械结构坐标，每个的长度臂的数量和机械手关节轴中选择的大小的自由接头轴线度改变角度的范围（E）运动速度每个臂的最大行程的操作被确定为循环时间和确定每个运动的定时换刀机械手的，有趣的之前的任何确定的工作，在表示I / S或（摄氏度）/ s时，分配给讨论了一些事情每个时间，例如，在周期的总长度操作系统之间的时间被顺序地或同时进行。每次学习桌，并比较分配除了订单的要求来考虑，考虑的惯性行程的大小，及驱动控制，定位和教学时间必需的。2.3 换刀机械手机械传动原理该方案结构设计与分析：有关每个下列部件组成：一个主要部分底座：它包括主齿轮，制造，步进马达等。有一支撑构件，旋转臂支撑部件，所述完整的设计工作搬运机器人仓库钢结构设计的权重，并且应该是足够的功率，刚性和承载能力。也想完成一个大的安装机构，保证搬运机器人设计钢结构设计资料库的工作。换刀机械手臂结构设计是由一个臂驱动（例如，气缸，齿条齿轮系统，气缸，电机，马达，或类似），以便实现宽范围的运动的和臂合作。手臂分为大臂和小臂。大臂：有齿轮驱动电动机的进度。小臂：组合件，伸缩臂，传动装置等。手腕部分：包括推荐手腕壳体，驱动齿轮和驱动器，机械接口。2.4 换刀机械手总体方案设计机械手结构形式是4种，分别介绍如下：（1）直角坐标如图 2-2（a）中。直角坐标钢仓库搬运机器人的应用被设计为满足性能和操纵性能，铁直角坐标机器人仓库输送装置被设计为具有悬臂龙门架，起重机型结构。（2）圆柱坐标型如图 2-2（b）中。（3）球面坐标型如图 2-2（c）中。这样的换刀机械手的应用变得容易的结构，成本低，并且右也不是很高。使用性能和操控性能。（4）关节型如图 2-2（d）所示。(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型图2-2 四种钢材仓库搬运机械手装置设计坐标形式本文选择按关节型设计。技术参数：用途:换刀换刀时间1.2sec，定位精度0.005mm，重复定位精度0.0025mm，最大刀具尺寸(直径 长度) 60 200mm，最大刀具重量3kg。本体自重小于160kg（200）3 手爪夹持器结构设计与校核3.1手爪夹持器种类1.连杆杠杆式手爪通常与弹簧联合使用。2.楔块杠杆式手爪3.齿轮齿条式手爪4.滑槽式手爪 5.平行杠杆式手爪3.2夹持器设计计算手爪要能抓起工件必须满足： （3-6）式子里，-为所需夹持力；-安全系数，通常取1.22；-动载系数，按算，=重力加速度；-方位系数，查表选取；-被抓持工件的重量 3；带入数据，计算得： =120N；理论驱动力的计算： （3-7）式子里，- - -为扇形齿轮分度圆半径；-为手指夹紧力；-齿轮传动机构的效率，此处选为0.92；其他同上。带入数据，计算得 计算驱动力计算公式为： （3-8）式子里，-为计算驱动力；-安全系数，此处选1.2；-工作条件系数，此处选1.1； 而气压缸的工作驱动力是由缸内气压提供的，故有 （3-9）式子里，-为柱塞缸工作气压；-为柱塞截面积；选取缸内径为40mm3.3 夹持装置气缸设计计算3.3.1 初步确系统压力表3.2 按负载选择工作压力1负载/ KN50工作压力/MPa 0.811.522.5334455表3.3 各种机械常用的系统工作压力1机械类型机 床农业机械小型工程机械建筑机械气凿岩机气机大中型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPa0.82352881010182032由表3.2和表3.3可知，初选气缸的设计压力P1=1MPa4 换刀机械手大臂部结构设计4.1 大臂部结构设计的基本要求他的工作是支持手部，带领他们以腾出空间给运动。动机臂运动：其结果是，臂部一般要求：（1）臂部结构要求重量轻（2）臂的移动速度较高时，惯性小。（3）手臂灵活运用。（4）位置精度高。4.2 大臂部结构设计大臂壳体采用铸铝，强度大，质量轻，方形。4.3 大臂电机及减速器选型试设：小臂及腕部绕第二关节轴的份量：小臂 M2=3Kg， 腕部M3=4KgJ2=M2L42+M3L52 =10.0972+40.1942=0.16kg.m2.大臂速度10r/min，那么，旋转开始时的转矩：上面算式子里：T - 旋转开始时转矩 N.m.J 转动惯量 kg.m2- 角加速度rad/s2大臂从到.所需的时间为：那么： (4-1)启动转矩：10N.m，安全系数：2，那，最小转矩： (4-2)选择谐波减速器：型号：XB3-50-120.额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=120 设传递效率：，步进电机应输出力矩为： (4-3)选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.54.4 减速器参数的计算刚轮、柔轮材料都用锻钢，小齿轮材料为45钢。 刚轮材料为45钢。1.齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，那么，柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：按规定柔轮值需加20%以此增大刚性，式子是：柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，取 轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：取.5 小臂结构设计及计算5.1 换刀头设计要求（1）换刀头要满足夹紧及保持精度。（2）换刀头应当简单且紧凑的结构，重量轻，在为了减小臂的重量。专用末端执行工艺简单，高性能和完整，通用最终用户可以得到结构复杂，价格昂贵的缺点，从而推动快速更换系列，通用换刀头的设计。5.2 腕部设计腕部的设计要求：结构紧凑，重量轻; 变化，我工作了正确的地方; 难道连杆的结构，无论是服务器，并从安装在车辆上的冲击。5.2.1 手腕偏转驱动计算（1）步进电机的选型根据转矩的计算公式15： （4-1） （4-2） （4-3） （4-4） （4-5） （4-6） （4-7） （4-8）上面算式子里，：手腕偏转所需力矩（Nm）；摩擦阻力矩（Nm）；负载阻力矩（Nm）；手腕偏转角速度（rad/s）；手腕质量（kg）；负载质量（kg）；启动时间（s）；手腕部分材料密度（kg/m3）；手腕部分外径和内径（m）；手腕的长度（m）；手腕偏转末端的线速度（m/s）。根据已知条件：kg，m/s，m，m，m，s，设手腕材料铸钢，密度kg/m3。将数据代入计算得： kg r/s kgm2 kgm2 Nm Nm Nm弹性联轴器传动效率；滚子传动效率；滚动轴承传动效率（一对）；锥齿轮传动效率；计算得传动的装置的总效率。电机在工作中实际要求转矩 Nm （4-9）根据计算，选择90BYG5200B-SAKRML-0301型号的步进电机。如图5-1和图5-2所示：图5-1 90BYG步进电机技术数据图5-2 90BYG5200B-SAKRML-0301型步进电机矩频特性曲线（2）设计传动（a） 计算、分配传动比由于腕部偏转的角速度r/s.已经通过r/min，由此推出总的传动比。小臂传动比，大臂传动比，锥齿轮传动比，。（b） 计算小臂传动功率 kW （4-10） 5.2.2 手腕俯仰驱动计算手腕间距和布置通过进入,偏转计算驱动腕，步进电机的选择的方法，然后确定与所述驱动部，所述传输参数。经过设计计算， 带轮参数：，mm，mm，mm。带轮尺寸：mm mm mm mm mm mm mm mm mm5.2.3 电动机的选择转动惯量为: （4-11） 、分别为10kg(包括负载5kg)、5kg、12kg。、在式（4-11）中，、故、可忽略不计。所以 （4-12） = =同理可得 = =上面算式子里，：小臂重心距第二关节轴的水平距离 。 腕部重心距第二关节轴的水平距离 。那么，旋转开始时的转矩可表示如下 （4-13）上面算式子里，：旋转开始的转矩 角加速度 使机器人主轴从到/s所需时间为:那么，： 开始时的启动转矩可假定为 ： （4-14）上面算式子里，： 电动机功率 ； 负载力矩 ； 负载转速 ； 传动装置的效率，取0.9； 系数1.52.5为经验数据，取1.5估算 符合下式： （4-15）。表4-2 QZD-08串励直流电动机技术数据5.3 小臂部结构设计5.4 小臂电机及减速器选型此钢结构设计仓库搬运机器人手臂设计小平面的两个旋转自由度，同时产生转动相对小的要求的光滑，然后净扭矩。设转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，转动惯量式：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （4-16）其中：M1，M2，M3分别为负载2Kg，手臂1Kg，腕部4Kg；L1，L2，L3分别其长度。JG1M1L12、JG2M2L22、JG3M3L32，J1= M1L12+M2L22+M3L32 （4-17)=40.1432+10.4452+40.5422=1.46kg.m2M2=2Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。J2=M2L42+M3L52 （4-18)=10.0972+40.1942=0.16kg.m2，角速度 ，那么， （4-19)假定为10N.m，安全系数2，那么，最小转矩为： （4-20)选择谐波减速器：型号：XB3-50-100额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=100 ，步进电机应输出力矩为： （4-21)选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.55.4.1.传动结构形式的选择谐波齿轮减速器和减速电驱动。这需要相对大的驱动器结构简单高性能高产生能力良好的显示。其结果是电流型固定花键的个人选择的设计柔轮和波发生器的结构从动积极正常。选压力角。 5.4.2.几何参数的计算齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，那么，柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时可把柔轮的刚性的值加上20%，那么：柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，取 轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：5.5 轴承的寿命校核轴承使用正装. 表4-2 轴承寿命校核步骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6014A端B端由手册查出Cr、C0r及e、Y值Cr=98.5kNC0r=86.0kNe=0.68计算比值Fa/FrFaA /FrA e确定X、Y值XA=1 YA =0 查载荷系数fP1.2计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa)PA=5796.24 PB=6759.14计算轴承寿命763399h大于12480h5.6 轴的强度校核现来校核这两处的强度：（1）、合成弯矩（2）、扭矩T图（3）、当量弯矩（4）、校核由手册查材料45的强度参数C截面当量弯曲应力：由计算结果可见C截面安全。6 机身设计6.1 步进电机选择6.1.1 计算输出轴的转矩 （5-1） （5-2） （5-3） （5-4） （5-5） （5-6）惯性力矩 摩擦力矩 输出轴转动角速度 大臂转动惯量小臂转动惯量机身自身转动惯量启动时间=0.5s=0.8m/s=0.5m 1.6 rad/s 当大小臂处于极限位置时，如图5.1，此时，数值要求最大。图5.1 大小臂处于极限位置相对中心线oa的垂直距离得： =400mm，=30kg，代入式（5-5）得：=1.6kgm相对oa线的垂直距离得：=1000mm，m=20kg，代入式（5-5）得：=6.67kgmm计算相关机身设计数值得出：kg代入式（5-6）得：=5.75kgm代入（5-2）得到=44.86Nm 带入（5-1）得到=49.85Nm= =6.86Nm选择二级圆柱齿轮减速器i=9 （5-7）=0.99 联轴器传动效率=0.96 齿轮传动效率=0.98 轴承传动效率代入式（5-7）得到：0.8075.1.2 确定各轴传动比总 ，取：高速级传动比 ，低速级传动比 5.1.3 传动装置的运动和动力参数从图5.2，转速度从大到小分别是轴（输入轴）、轴（中间轴）、轴（输出轴）。图5.2 传动示意简图各轴转速 （5-8） （5-9） =1.6rad/s=15.3r/min代入式（5-8）、式（5-9）得：45.9r/min，137.7r/min转矩计算 （5-10）49.85Nm代入式（5-7）得：17.7Nm同理得到：=17.7Nm=6.27Nm=6.66Nm曲线如图5.3。图5.3 运行矩频特性由计算得到所需：=6.86Nm，137.7r/min该电机可以满足要求。 外型简图如图5.4。图5.4 步进电机外形简图6.2 齿轮设计与计算6.2.1 高速级齿轮设计与计算选直齿圆柱齿轮传动。小齿轮：40Cr（调质），大齿轮：45钢（调质）。选择7级精度，小齿轮分度圆直径式子： （5-11）载荷系数输入轴承受扭矩齿宽系数重合度系数弹性影响系数接触疲劳许用应力确定上式中各参数：试选载荷系数=1.3，小齿轮传递的扭矩为 =6.27Nm查表10-7，选齿宽系数=1；查表10-6，得弹性影响系数=189.8，由图疲劳强度极限，大齿轮的是计算应力循环: （5-12）输入轴转速工作时间137.7r/min=10000h双向转动，取=2代入式（5-12）得： =1.65108次=4.96108次 查图10-19，得接触疲劳寿命系数1.15，1.26；计算接触疲劳许用应力：取安全系数S=1，则=690MPa， =693MPa计算得。0.17m/s计算齿宽b=21.74mm计算齿宽与齿高之比： b/h （5-13）模数0.91mm齿高=2.04mm代入式（5-13）得： =10.67计算载荷系数 （5-14）查图10-8，由v=0.17m/s，7级精度，得：=1.0查表10-4，得：1.2查表10-2，得：=1.25查表10-3，得：=1.30查图10-13，得：=1.28以上代入式（5-14）得： 1.95 按实际载荷系数修正 24.87mm （5-15）计算模数m：1.04mm按弯曲强度设计由公式（10-5 ） （5-16）弯曲疲劳寿命系数弯曲疲劳需用应力齿形系数应力校正系数按标准得，小齿轮；大齿轮；按标准得， ，。计算载荷系数=1.92=332.1MPa=263.3MPa查取齿形系数，由表10-5得：=2.65；=2.226查取应力校正系数，由表10-5查得：=1.58；=1.764=0.013=0.015大齿轮对应数值大，将以上数值代入得：0.86对比计算结果，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度的承载能力仅与齿轮直径有关，所以取由弯曲疲劳强度算得的m=0.86，并取圆整为标准值m=1，前面计算得=24.87mm,得小齿轮的齿数：24.8725=75几何尺寸计算：分度圆直径 （5-17)将模数、齿数代入式（5-17）得：25mm；75mm中心距 （5-18）将，代入式（5-18）得： 50mm齿轮宽度 （5-19）由式（5-19）得：=25mm；=30mm6.2.2 低速级齿轮设计与计算（1）（a）选直齿圆柱齿轮。（b）按标准设出，小齿轮：40Cr（调质），大齿轮：45钢（调质）。（c）选择7级精度，（2）按齿面接触疲劳强度计算试选载荷系数：=1.3小齿轮传递的扭矩为：=17.7Nm查表10-7，选齿宽系数=1查表10-6，得弹性影响系数=189.8；由图疲劳强度极限，大齿轮的是。计算应力循环系数=5.5108次=1.84107次 查图10-19，得接触疲劳寿命系数1.26，1.31；计算接触疲劳许用应力：取安全系数S=1，则：=756MPa， =720.5MPa计算设计公式中代入中较小值，得：29.85mm计算小齿轮分度圆圆周速度0.072m/s计算齿宽b=29.85mm计算齿宽与齿高之比b/h模数1.24mm齿高=2.8mm =10.67计算载荷系数查图10-8，由v=0.07m/s，7级精度，得：=1.0查表10-4，得：1.2查表10-2，得：=1.25查表10-3，得：=1.30查图10-13，得：=1.28所以载荷系数1.95按实际载荷系数修正34.17mm计算模数m1.42mm按弯曲强度设计由式（10-5）得：按标准，设出：小齿轮；大齿轮；按标准，算出：=0.93，=0.97计算弯曲疲劳需用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：=332.1MPa=263.3MPa计算载荷系数=1.92查取齿形系数。由表10-5得：=2.65；=2.226查取应力校正系数由表10-5查得：=1.58；=1.764=0.013=0.015大齿轮对应数值大将以上数值代入得：0.86设，标准值m=1.5，从上面计算出的值,算出小齿轮的齿数：24.6725=75几何尺寸计算分度圆直径37.5mm；112.5mm中心距=75mm齿轮宽度=37.5mm；=42.5mm6.3 轴的设计与计算6.3.1 输入轴的设计与计算（1） 算功率、转速、扭矩0.456kW137.7r/min6.27Nm（2） 初估轴直径 （5-20）本文里，轴选45钢材料，按标准找到，把这个数据代到上面式子算出： =17mm （3） 轴的结构设计轴的结构尺寸如图5.5。图5.5 输入轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； （5-21）垂直方向： ； （5-22） 对锥齿轮： , （5-23） 对直齿轮： ， （5-24） 将输入轴参数代入式（5-24）得：538.2N,138.5N501.6N,182.6N代入得：408.6N,867.2N 514.8N ,558.9N按以上数据，绘制输入轴的弯矩图5.6： 图5.6 输入轴的受力分析图 计算结果如表5.4。表5.4 截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力408.6N867.2N514.8N558.9N弯矩44.8Nm 0.7Nm 总弯矩44.8Nm 扭矩6.27Nm5) 按弯扭合成应力校核轴的强度 （5-25）式中：轴的计算应力 轴受得弯矩 轴所受的扭矩 轴的抗弯截面系数 （5-26）校验轴处的强度，=1，把数值代到以上算式（5-25）、（5-26）得：7.66MPa轴的材料为45钢，查表11-1，。因此，故安全。6.3.2 中间轴的设计与计算（1）0.429kW45.9r/min17.7Nm（2） 初估轴直径本文里，轴选45钢材料，按标准找到，得：25mm（3） 轴的结构设计轴的结构如图5.7。图5.7 中间轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； （5-27）垂直方向： ； （5-28） 对直齿轮：，将输入轴参数代入得：472N,171.8N944N,343.6N代入得：35.8N,436.2N13N,158.7N按以上数据，绘制中间轴的弯矩图： 图5.8 中间轴的受力分析图 从上面二图分析出轴II的危险截面，结果如表5.5。表5.5 截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力35.8N436.2N13N158.7N弯矩31.7Nm11.51Nm总弯矩33.7Nm扭矩17.7Nm（5） 按弯扭合成应力校核轴的强度校验轴处的强度，2.01MPa轴的材料为45钢，查表11-1，60MPa。因此，故安全。6.3.3 输出轴的设计与计算 （1）0.404kW15.3r/min49.85Nm（2） 初估轴直径本文里，轴选45钢材料，按标准找到，得：33mm（3） 轴的结构设计轴的结构尺寸如图5.9。图5.9 输出轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； （5-29）垂直方向： ； （5-30） 对直齿轮：，将输入轴参数代入得：886.2N,322.6N代入得：1364.4N,478.1N 496.6N,174N按以上数据，绘制输出轴的弯矩图5.10：图5.10 输出轴的受力分析图 输出轴的危险截面，计算结果如表5.7。表5.7 截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力1364.4N478.1N496.68N174N弯矩33.5Nm12.2Nm总弯矩35.7Nm扭矩49.85Nm（5）校验轴处的强度，35MPa轴的材料为45钢，查表11-1，60MPa。因此，故安全。6.4 轴承的校核6.4.1 输入轴上轴承寿命计算轴承的预期寿命：所以选择圆锥滚子轴承30203，e=0.35，=1.7， 1， Cr=20.8kN、Cor=21.8kN。求出各力即可算出强度。轴上所受的支反力： 657.2N 1031.5N （5-31） 193.3N， 303.2N （5-32）式中：径向支反力轴向支反力193.3N，303.2N193.3N，303.2N ，查表13-5得：0.4， ，查表13-5得：1，0参看标准查出，把数值代入到（5-33）、（5-34），算出轴承的当量动载荷： 750.5N （5-33） 1237.8N （5-34）由公式（13-15） （5-35）式中：轴承所在轴的转速温度系数额定动载荷轴承所在轴的传动功率计算轴承寿命。 137.7r/min=25000N10/3查表13-7，温度系数=1代入式（5-35）得：h，满足使用要求。6.4.2 中间轴上轴承寿命计算（1）轴承处直径为25mm，所以选择圆锥滚子轴承3007105，e=0.37，=1.6， 0.9， Cr=32kN，Cor=37kN。求出各力即可算出强度。轴上所受的支反力：38.1N，464.2N11.9N，145.1N， 考虑其轴上零件重量得到，50 N；61.9N，145.1N；61.9N，=145.1N ，查表13-5得0.4，1.6 ，查表13-5得1，0参看标准查出，轴承当量动载荷： 137.1N557N计算轴承寿命。 45.9r/min C=28000N 10/3 查表13-7，温度系数=1代入得h，满足使用要求。6.4.3 输出轴上轴承寿命计算轴承受力如图5.11，轴安装的部位直径是35mm，所以选择圆锥滚子轴承2007907E，Cr=54.2kN，Cor=63.5kN，e=0.37，1.6，0.9。 图5.11 1452N， 508.8N，如图5.12。图512 工作时大、小臂质量产生偏心力简图 大小臂重力分别为：300N,200N经计算得：2400N3852N，2908.8N1203.8N，909N，1753.9N，909N1753.9N，=909N ，查表13-5得0.4，1.6 ，查表13-5得1，0参看标准查出，=1.2，轴承当量动载荷式子是5108.2N2949.6N由公式13-10a，因为，所以带入进行校核计算轴承寿命。 15.3r/min =73200N10/3查表13-7，温度系数=1代入得h，满足使用要求。6.5 键的选择和校核6.5.1 键的选择根据齿轮和轴的参数，得出。电机输出轴键：；中间轴的键：；输出轴的键：。6.5.2 键的校核键用45钢，按标准查出，许用挤压应力 根据公式 （5-25）得到：键：工作长度mm，接触高度3.3mm，17.7Nm25.5MPa，安全。键：工作长度mm，接触高度3.8mm，49.85Nm23.9MPa，安全。结 论从设计到一个特定的部件设计，然后写每个设计过程给了我很多帮助。在设计过程中，老师严谨的工作作风和勤勉的治学精神，以及孜孜不倦的精神给我留下了深刻的印象。他不仅在精心指导我的设计，并不断地鼓励我去探索学习创新的精神。在设计过程中，对我们很严厉，总是我的问题懒得解释，并为我提供了丰富的信息，帮助我理解设计。老师帮助了我很多在整个设计过程当中，当然啦我有很多地方都是老师细心的帮助我，鼓励我，我之所这次能完美的完成了在这次的毕业设计，当然是少不了我们班级里的很多同学，非常感谢他们的热情帮助,那我的指导老师呢，他不仅在精心指导我的设计，并不断地鼓励我去探索学习创新的精神。在设计过程中，对我们很严厉，总是我的问题懒得解释，并为我提供了丰富的信息，帮助我理解设计。老师丰富的经验，孜孜不倦的精神和育人孜孜不倦的教导我留下深刻印象。在整个设计过程当中，当然啦我有很多地方都是老师细心的帮助我，鼓励我，我之所这次能完美的完成了在这次的毕业设计，当然是少不了我们班级里的很多同学，非常感谢他们的热情帮助,那我的指导老师呢，他不仅在精心指导我的设计，并不断地鼓励我去探索学习创新的
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