一種攀爬機器機械部分的設計-爬桿機器人含SW三維及16張CAD圖

一種攀爬機器機械部分的設計-爬桿機器人含SW三維及16張CAD圖,一種,攀爬,機器,機械,部分,部份,設計,機器人,sw,三維,16,cad IV 一種攀爬機器機械部分的設計摘 要在一些工程類建筑中，一些直徑比較小的直桿隨處可見，對于這些直桿作業(yè)一直存在著一些問題，人為作業(yè)較為困難和危險。設計一個可攀爬直桿的機器人，通過該機器人平臺搭載一些作業(yè)機器，對于解決小直桿的作業(yè)問題具有較大現(xiàn)實意義。本次設計的攀爬機器人是由眾多簡易的機構組成，在結構上面比較簡單，利用我們平時生活中隨處可見的曲柄滑塊機構、凸輪機構等等結合而成。利用凸輪結構的運動特性實現(xiàn)手爪的夾緊與松開，在驅動源方面只采用一個輕質電機，避免電機過多造成結構上的繁瑣和避免重量過重。機械手的手爪采用的是彈簧夾緊的原理，彈簧提供的力足夠支撐整個機器人的自重和負重。通過彈簧解決了在變直徑桿上攀爬的問題。本文對曲柄滑塊的運動和受力分析證明了該機器人運動的穩(wěn)定性和可靠性。還通過減速箱的設計賦予機器人一定的攀爬運動速度。還對手爪、軸、軸承等部件的受力校核證明該機器人在結構上面的穩(wěn)定性。該機器人還具有一定的負重能力。可以在機器人上面搭載一些作業(yè)機器人，實現(xiàn)多功能作業(yè)。本次設計的機器人通過各機構聯(lián)動工作，工作簡單可靠。本文還對輸出軸的尺寸、配合進行了說明。對軸的加工工藝進行了工藝規(guī)程制定，分析各工序的制定方法。對于軸類零件的加工工序有一定的了解與掌握。關鍵詞：爬桿機器人；變直徑桿；夾緊；曲柄滑塊AbstractIn some of the engineering building, a number of relatively small diameter straight bar everywhere, straight bar for these jobs, there has been some problems, man-made work more difficult and dangerous. Design a robot can climb straight bar, equipped with some of the work machine by the robot platform for solving the problems of small jobs straight bar has a larger significance.The climbing robot designed by many simple bodies, in the above structure is relatively simple, we usually use slider-crank mechanism life everywhere, the cam mechanism, and so a combination. Using the motion characteristics of the cam mechanism to achieve clamping and release the gripper, in terms of the driving source using only a lightweight damping motor to avoid the motor caused by excessive red tape and avoid excessive weight on the structure. Robot gripper uses the principle of a spring clamp, the spring force provided enough to support its own weight and the weight of the whole robot. By spring solves the problem of variable diameter pole climbing.In this paper, the crank-slider motion and stress analysis to prove the stability and reliability of the robot movement. Also gives some climbing robot movement speed by gearbox design. Also force the opponent claw, shafts, bearings and other parts of the check show that the stability of the structure above the robot. The robot also has a certain weight-bearing capacity. Some jobs may be mounted on top of the robot in robot to achieve mufti-functional operations. The robot design work through the linkage mechanism, work is simple and reliable.This paper also the size of the output shaft, with the described. Axis machining process were to develop process planning, analysis of the development method in each step. For shaft machining operations have a certain understanding and grasp.According to the axis of the development process card. Reasonable and feasible production process planning.Keywords: pole-climbing robots; variable diameter rod; clamp; crank-slider目 錄1 緒論11.1 攀爬直桿機器人研究目的11.2 研究現(xiàn)狀11.3 研究內容22 爬桿機器人方案設計32.1 方案選擇32.2 設計方法52.2.1仿生設計52.2.2夾緊裝置設計62.2.3運動狀態(tài)72.2.4小結73 機械結構設計83.1 機械手爪設計83.1.1機械手爪力學分析93.2 曲柄滑塊機構設計103.2.1曲柄滑塊速度分析113.3 連桿的受力分析113.3 移動凸輪的設計123.4 盤形凸輪設計134 減速箱設計144.1 電動機的選擇144.2 齒輪設計144.2.1齒輪類型、材料及強度計算154.3 軸的設計264.3.1聯(lián)軸器的選擇264.3.2軸承選擇274.3.3確定軸的結構與尺寸284.3.4軸的校核294.4 軸承的校核344.4.1軸承的徑向載荷344.4.2 軸承的軸向力校核354.4.3軸承的徑向當量載荷355 彈簧的選擇376 零件的加工工藝規(guī)程396.1對零件進行工藝分析396.2 確定零件的裝夾396.3 定位基準的選擇原則396.4 加工刀具的選擇396.5 機床選擇396.5 主要加工工序安排407 結論42致謝43參考文獻44附錄45第 47 頁 共 45頁 畢業(yè)設計（論文）報告用紙1 緒論1.1 攀爬直桿機器人研究目的機器人的起源要追溯到3000多年前，但是從60年代以后機器人技術得到飛速的發(fā)展。經(jīng)過50來年的研發(fā)和使用，機器人已經(jīng)進入新的時代了。機器人在過去只是工業(yè)機械手，但是現(xiàn)在我們已經(jīng)重新定義，機械手只是其中機器人中的一部分了，現(xiàn)在我們所說機器人是新型的、新一代的，可以協(xié)作的，還有服務型的機器人，包括醫(yī)療、服務、家庭、康復等等方面可以為人類解決有難度或有危險的問題。人們的生活越來越好，越來越多的地方城市化率增高，高樓林立，街道四通八達。我們平常經(jīng)過道路時可以看到好多樹立的電線桿、電燈桿、廣告牌立柱等等圓柱形直桿。但是由于直桿在室外遇到各種環(huán)境問題或者人為因素，常常需要環(huán)衛(wèi)工人清洗或者相關人員維修。在清洗一些高空建筑時如果采用人工清洗具有很大的危險性。對于電線桿等直徑比較大的直桿，通過人工攀爬作業(yè)比較方便，也可以采用工程車工作。都但是一些直接比較小的直桿，就像我們在生活中見到的一些裝路燈的直桿，如果通過人工攀爬上去工作比較困難。采用工程車進行作業(yè)的話，作業(yè)成本較高，在擁擠狹小的路段作業(yè)比較困難。研發(fā)一些攀爬類的機器人就變的尤為重要了。爬桿機器人的研究需要機械設計，電子設計，軟件工程、材料科學、以及仿生學等一些列基礎學科融合交匯。需要進行線性、非線性模型計算?？梢岳脗鞲衅鞯刃畔⒖刂?，三維建模分析和仿真運動。1.2 研究現(xiàn)狀爬桿機器人的設計并不是唯一的，不同的設計者有著不同的思路，但是總的來說國內外的機器人研究主要在桿上固定方式上面有所不同。Woody系列機器人。2005年在日本愛知博覽會上展出了林業(yè)機器人Woody-1（圖1.1）隨后又于2009年開發(fā)出改型后的機器人Woody-2（圖1.2）。對夾子進行了簡化，移動方式也由原來的絲杠驅動線性移動變?yōu)槎嚓P節(jié)協(xié)調運動。 圖1.1 Woody-1 機器人 圖1.2 Woody-2機器人雙手爪攀爬機器人Shady3D（圖1.3）,他只有3個自由度可以在一個空間桁架中攀爬，但是對桁架要求極高。可以通過兩臺Shady3D形成6個自由度從而進行桿件過渡。圖1.3 shady3D機器人RiSE(Robots in Scansorial Environments)是一個仿生攀爬機器人（圖1.4）。設計者們參考四條腿的壁虎攀爬機理和六條腿的嶂螂攀爬機理，采用模塊化設計思想以提高機器人構型的靈活性，將每條腿做成一個單獨的模塊，使得RISE可以在四腿和六腿行走之間轉換1。類似的還有管道爬行機器人3DClimber和并聯(lián)機器人CPR。圖1.4 Rise系列機器人1.3 研究內容本次設計主要是設計一個直桿內爬行的機器人，類似于Shady3D擁有三個自由度。該機器人具備負重5kg的能力和在直徑為120mm到200mm的直桿爬行?？梢再x予該機器人大約100mm/s的攀爬速度。2 爬桿機器人方案設計2.1 方案選擇對于機器人行走的工作原理主要有以下幾種：氣動蠕動式：可以通過機構本的自鎖或者是利用靜摩擦原理。螺旋爬升式：利用滾動摩擦的原理來實現(xiàn)；直線行走式：直接通過克服動摩擦來運動；關節(jié)式爬行：利用移動副和轉動副的特點來實現(xiàn)運動；并聯(lián)式爬行：利用并聯(lián)機構的特點來實現(xiàn)。方案1：讓機器人直接抱緊在直桿上，通過電動機提供動力，讓與直桿直接接觸的輪子運動從而實現(xiàn)機器人的運動。調節(jié)機器人上的彈簧的拉伸長度來獲得一定的預緊力，是的機器人抱緊直桿。面對不同的直桿調節(jié)不同的彈簧尺寸已達到一定的預緊力。機器人的大體設計如圖2.1。該方案的機器人可提供較大的負載能力，運行比較平穩(wěn)，是和一定范圍內的直桿，但是該方案不能再一根變直徑桿上連續(xù)工作，在換直徑的直桿工作前要調節(jié)彈簧預緊力，比較麻煩。1.電動機，2.減速箱，3.皮帶，4.彈簧，5.車輪圖2.1爬桿機器人方案1方案2：在開始作業(yè)前，將機器人安裝到直桿上，通過調節(jié)機器人上的螺母使機器人對直桿有一定的預緊力，與方案1的彈簧提供預緊力不同，直接通過機器人的收緊力來保證機器人正常工作。當機器人在直桿上固定以后，利用電機驅動提供力讓機器人實現(xiàn)運動，面對不同的直桿需要在安裝的時候調節(jié)好機器人直接上的不同連接孔。機器人的大體設計如圖2.2所示該方案的機器人同樣可以提供較大的負載能力，而且結構簡單，但是該方案不能再一根變直徑桿上運動，每次變換桿時要調節(jié)連接孔，操作上比較麻煩。1.螺釘 2.車輪 3.減速箱 4.電機 5.直桿圖2.2 爬桿機器人方案2方案3：將機器人安裝在直桿上，下手抓通過彈簧夾緊直桿，上手抓松開，電機帶動連桿運動，移動凸輪將上手抓頂起，上手抓夾緊，下手抓松開并上升從而達到機器人的爬行功能。通過彈簧收縮力提供預緊力使手抓收縮，電機提供動力。在變直徑的情況下彈簧力改變以確保爬桿機器人的正常作業(yè)。大體方案設計如圖2.3所示該方案所能提供負載有限，但針對本次設計要求該機器人滿足負載5kg的技術要求，并且能在一根變直徑桿上作業(yè)，通過彈簧的拉力可以適應120200mm的直徑桿，滿足本次設計的所有技術要求。小結：通過比較以上列出的三個設計方案，本次設計的方案采用方案三。該方案滿足本次設計要求。結構緊湊可靠性高。1.機械手爪 2.移動凸輪 3.連桿 4.彈簧 5.盤形凸輪 6.導桿圖2.3 爬桿機器人方案32.2 設計方法2.2.1仿生設計說道爬桿運動我們首先能聯(lián)想到生活中的許多動物的爬樹姿態(tài)，例如我們去公園參觀總能看到猴子爬在樹上（如圖2.4），還有在電線維修和安裝電表時我們能看到工人穿上腳扣（圖2.5），然后通過雙手向上爬行，腳扣向下傾斜形成自鎖，腳扣上面的橡膠跟電線桿用較大的摩擦系數(shù)。還有我們在生活中常常能看到的一種昆蟲尺蛾（圖2.6）。在爬行時，它先使腹足和尾足抓住樹枝，在通過身體向上運動，然后用前足抓緊樹枝，松開腹足和尾足，向前或向上運動。有這幾個生活中的事例我能可以運用到我們爬桿機器人的設計當中。 圖2.3 猴子爬樹 圖2.5 工人攀爬電線桿 圖2.6 尺蛾我們可以通過仿生學的靈感來設計我們機器人的爬行運動方案。方案1：我們可以參考機床中絲杠的運動原理，在下手爪固定時，通過電機驅動使上手爪通過絲杠上升，到達固定位置后下手抓松開，通過傳動使的下手抓上升，到一定位置后下手抓固定完成一次運動。方案2：在機械結構中有一種很常見的機構-曲柄滑塊機構，在下手爪固定時，通過電機驅動是的滑塊到達最大行程處，上手抓固定、下手抓松開，通過驅動力是連桿帶動下手抓上升。再重復動作即可達到設計所要求的運動?？偨Y：方案1的運動過程較為穩(wěn)定，但是結構重量較重，材料價格比較貴。方案2的運動穩(wěn)定性一般，但是結構重量輕，結構簡單，方案設計比較實惠。所以選擇方案2的設計（圖2.7）。圖2.7 運動周期圖2.2.2夾緊裝置設計對于手爪的夾緊方案的設計我們同樣可以參照我們生活中的一些實例來進行設計，比如我們平時用火鉗之類的帶手爪的工具時我們是如何夾緊物件的。我們可以采用電機驅動連桿往復運動（圖2.8），該機構雖然能實現(xiàn)加緊功能，但是如果是在變直桿上面工作，直桿直徑變化使得較大會無法夾緊直桿從而失去工作能力。我們可以通過參考我們生活中一些帶彈簧的鉗子（圖2.9）將彈簧上的壓簧變成拉簧，通過拉簧產(chǎn)生的拉力作用使得手爪夾緊直桿，大體的結構設計方案如圖2.10所示。 圖2.8 連桿驅動手爪 圖2.9 鉗子圖2.10 夾緊裝置大體結構2.2.3運動狀態(tài)根據(jù)以上的設計方案結果我們可以得出本次設計的運動狀態(tài)的分布：狀態(tài)1：:在初始狀態(tài)是，機器人的下機械手爪夾緊直桿，同時上機械手爪在彈簧作用下松開。狀態(tài)2：電機運動，通過減速箱連接帶動曲柄以及和曲柄一起固定在下手爪處的兩個盤形凸輪機構順時鐘轉動，盤形凸輪推動下機械臂想外擺動，機械手爪向外松開。當盤形凸輪轉過小半徑的圓弧后，下方的手爪松開；同時移動凸輪向下運動，此時上方手爪夾緊直桿。狀態(tài)3：電機繼續(xù)回轉運動，此時機器人的上機械手夾緊，而下機械手此刻處于松開狀態(tài)，機器人下半部分被運動到極限位置，即上升到最高位置。狀態(tài)4：電機繼續(xù)回轉運動，當機器人下部的盤形凸輪轉過最大半徑的圓弧后，下機械手爪開始收縮，并夾緊；同時移動凸輪向上運動走過空行程，在凸輪運動時，上機械手爪開始松開。狀態(tài)5：電機持續(xù)回轉運動，由于此時下方手爪夾緊直桿，而上方手爪處于松開，電動機通過曲柄產(chǎn)生的推力使得機器人的上半部分向上運動，當曲柄和連桿拉直共線即滑塊可到達的最大行程是，機器人上半部分上升到極限位置。機器人從狀態(tài)1運行到狀態(tài)5可完成一次爬行。2.2.4小結本文設計的爬桿機器人攀爬的是120200mm的變直徑桿，本文設計的機器人仿照人爬樹的原理，其結構組成包括夾持機構，由上下機械手爪組成，實現(xiàn)對桿的抱緊，通過上、下機械手爪的交替夾緊來實現(xiàn)爬桿機器人的支點定位和蠕動；移動機構是由曲柄滑塊機構和凸輪機構組成；驅動機構，整個機器人只采用一個電機驅動，既減輕了重量，又滿足了運動要求。整個爬桿機機器人長度為260mm左右，寬的尺寸為150mm作業(yè)，高度為430mm作業(yè)，整個機器人的重量不超過3kg，整個爬桿機器人的結構主要通過2根長為430mm的鋁管連接在一起。機械手跟套筒固定在兩根管上。下機械手固定，上機械手爪可以上下移動。凸輪機構主要有在上機械手爪的移動凸輪和一個在下機械手爪的兩個并聯(lián)的盤形凸輪構成。兩種凸輪和上下機械手的裝置通過曲柄滑塊裝置連接起來，是的各個機構能夠正常運作并形成一個整體，上部的擺桿機構在曲柄連桿機構的作用下可以沿導桿上下移動。3 機械結構設計3.1 機械手爪設計本次設計的爬桿機器人采用的是上下兩個手爪的機械設計，屬于雙手抓攀爬機器人的一種。雙手爪攀爬機器人是指一類結構上由多自由度本體和首尾攀附裝置組成的，通過兩手爪交替固定并配合本體屈伸或扭擺等運動來實現(xiàn)自身整體移動的特種攀爬機器人。在本次的設計任務書中要求攀爬直徑120-200mm內的直桿。在接觸部分我們采用橡膠增大摩擦力。在將一個圓形塊焊接到橡膠邊上（圖3.1），機械手跟橡膠塊相連，利用橡膠塊增大整個機械手爪的和所要攀爬直桿的摩擦力，增加整個機器人可靠性。 圖3.1 機械手爪橡膠塊在根據(jù)直桿的大小我們可以大體設計出手爪的外形和尺寸（圖3.2）。根據(jù)電機的大致尺寸設定旋轉中心跟直桿中心水平距離為67mm，垂直距離為129mm，橡膠塊的厚度為5mm，機械手爪的連接臂繞導桿的擺動角度范圍在7.8以內?？紤]到安裝機器人的問題，所以機械手抓的擺動角度大概在10左右。圖3.2 機械手爪設計尺寸圖機械手爪的厚度取10mm。重量大概是0.2kg。總的長度大約為260mm。采用鋁合金2014。彈性模量E=70GPa。手爪的大體三維形狀如圖3.3所示。圖3.3 機械手爪三維圖3.1.1機械手爪力學分析機器人的關鍵部分如機械連接臂，對機器人的爬行具有很重要作用，在機器人爬行過程中，當機械手夾緊時，此時受力最大，機械臂變形最大，因此需對機械臂的變形繞度進行評估。當機械手一端夾緊的時候我們可以吧整個手臂看成一個懸臂梁，截面可以看成一個矩形截面來計算。一根軸如果在受力的時候變彎了，我們把這樣的軸叫做撓曲軸（圖3.4）所示，我們可以校核垂直于梁的位移量來確保梁的穩(wěn)定性，也就是要計算撓度值。圖3.4 撓曲軸撓度方程： （3-1）其中： （3-2）符號意義：矩形截面對X軸的慣性矩； a 長（cm）；b 寬(cm)；橫截面經(jīng)過簡化可以看成近似為長方形的彎曲桿。長桿幾何參數(shù)可簡化為：L=240mm；B=10mm；H=10mm；長桿材料參數(shù)：彈性模量E=70GPa；泊松比V=0.3；當爬桿機器人開始工作的時候，特別是在上機械手爪夾緊直桿時，此時下機械手爪是處于松開狀態(tài)的，在這個時候上機械手爪所受到的力最大，變形也是最大的。因為我們兩個機械手爪是通過兩個大圓桿作為固定點的，所以我們可以忽略掉在Y軸上面的變形，只計算在X上面的變形。機械手臂可看成一根長為240mm的懸臂梁，根據(jù)我們下面的計算我們可以知道每只機械手連接臂末端的最大載荷為F=54N，應用材料力學公式求端點處的繞度： （3-3）由此可看出機械手連接臂在處于懸臂狀態(tài)時，當連接臂末端承受最大載荷F=54N時，最大繞度值為=2mm，可以忽略不計。3.2 曲柄滑塊機構設計曲柄滑塊機構是由平面四桿機構演變而來。本次設計的機器人向上攀爬的功能就是由曲柄滑塊機構來實現(xiàn)。電機提供動能帶動跟輸出軸相連的曲柄，通過曲柄滑塊的往復運動，結合上下機械手的松開與夾緊運動。因此曲柄滑塊的運動決定著機器人的功能能否實現(xiàn)。對心曲柄滑塊機構：在機構運動時滑塊的運動軌跡跟曲柄的回轉中心在同一條直線上，叫做對心曲柄滑塊機構。當曲柄r越小，連桿l越大時，機構的傳力特性比較好?？紤]到電機的寬度和盤形凸輪的長度，一般工程中曲柄和連桿長度比為1/4?？梢韵冗x取曲柄的長度為60mm，再選取連桿的長度為240mm，因為凸輪也是有長度的，所以還要加上凸輪的長度，總的長度大約為260mm。因為是對心曲柄滑塊機構，所以e=0。3.2.1曲柄滑塊速度分析圖3.9 運轉周期圖因為曲柄做的是圓周運動，所以設曲柄的轉速為r/min。曲柄堯軌跡旋轉一周所用的時間為： （3-4）由圖12的周期圖我們可以看出當曲柄堯軌跡轉一圈后，爬桿機器人向上爬行了2r。也就是120mm。可以求出機器人的向上移動速度： （3-5）因為本次設計的機器人的要求對爬行速度沒有明確的要求，所以我們設定機器人的向上移動速度為100mm/s所以應該保持在50r/min左右。3.3 連桿的受力分析圖3.10 受力圖建立曲柄跟滑塊的受力方程，得出力與力p的關系： b （3-6）將曲柄最外處看成一個點，根據(jù)向心力幾三角函數(shù)關系可得力和關系： （3-7）聯(lián)立兩個式子： （3-8）曲柄端點處轉矩T： （3-9）根據(jù)受力圖可知： （3-10）將式（3-24）、（3-25）代入式（3-26），可得b +（3-11）則可推導出作用在滑塊上的壓力p，即 （3-12）在實際工程中曲柄和連桿長度上面你的關系都有4rL,所以rL，則角可以取0。 （3-13）有下面的減速箱的計算我們已經(jīng)可以知道了連桿所受到的轉矩T=8980Nmm,曲柄的長度為60mm。所以我們可以帶入上面求得的方程：根據(jù)所設計的移動凸輪的角度我們可知，當時，滑塊所承受的力為233N，遠大于彈簧的拉力54N，所以可以保證曲柄滑塊機構的運動的可靠性。3.3 移動凸輪的設計在本次爬桿機器人的設計當中，移動凸輪就是相當于曲柄滑塊機構當中的滑塊，通過凸輪推出的距離來實現(xiàn)上機械手的松開。上機械手從導柱中心到推桿的距離為106mm，可擺動的角度大約為10，為了保證機械手的安裝，每邊機械手的可擺動距離為20mm以上，通過三維模型建模測定，可設定移動凸輪的下底面長度為60mm，凸輪的上下面長度為40mm。其余的凸輪尺寸如圖13所示。圖 3.11 移動凸輪尺寸圖3.4 盤形凸輪設計盤形凸輪在我們的工程實踐中常常用到，本次設計中所要求得機械手擺動的運動軌跡?？梢酝ㄟ^凸輪機構來實現(xiàn)。我們通過凸輪的運動軌跡（圖14-1）。來確定下機械手爪的運動過程。當推桿接觸到凸輪的小輪廓時，下機械手爪處于夾緊狀態(tài)，當經(jīng)過推程時下機械手爪慢慢張開，到達最大輪廓時處于停歇狀態(tài)，此時機械手爪松開。再經(jīng)過回程，機械手爪重新夾緊，此后一直重復運動。圖3.12盤形凸輪運動過程由于機械手只有兩種運動狀態(tài)，可以將凸輪做成等速運動規(guī)律。通過三維建模的尺寸觀察，凸輪的小半徑取20mm，大半徑取42mm即可滿足機械手120mm到200mm的擺動要求。圖 3.14 盤形凸輪尺寸圖4 減速箱設計4.1 電動機的選擇在現(xiàn)代的機器人設計當中，電動機時不可缺少的一部分。怎么樣選擇合適的電動機也很重要。對于本次所要設計的爬桿機器人，我們主要考慮的是電機的結構大小，所能提供的轉速和功率要滿足機器人的爬行速度和力矩。對比現(xiàn)在市面上的電機選擇，我們可以選擇廈門Jscc所生產(chǎn)的電機，通過比較發(fā)現(xiàn)阻尼電機的結構比其他電機的結構更小，而且該公司的電機都是采用鋁制，在重量上都比較輕盈。這對我們的爬桿機器人所要的重量都相吻合。所以我們選擇用jscc的電機。通過該公司的產(chǎn)品列表我們選擇型號為60YR25DV11的阻尼電機。該電機的標準參數(shù)如表1所示：表1 電機參數(shù)齒輪軸圓軸輸出功率W電壓V頻率HZ電流A額定轉速r/min啟動轉矩mN*m額定轉矩mN*m運行電容60YR25GV1160YR25DV1150110500.487101452106/250V由于我們的減速箱是自己設置的，所以我們采用的是圓軸式。通過我們查該公司給出來的資料我們可以得出電機的尺寸（圖4.1）。重量為1.6kg，大致為60mmx60mmx98mm。電機的額定轉速為710r/min。圖4.1 電機的尺寸參數(shù)4.2 齒輪設計在本次設計中，我們采用圓錐圓柱二級減速的設計方案。電機的轉速通過上面電機的選擇可以知道為710r/min,功率為25w，爬桿機器人的向上爬行速度為100mm/s，曲柄的轉速為50r/min。所以輸出軸的輸出轉速為50r/min。二級減速器的方案如圖4.2所示。圖 4.2 二級減速器方案圖確定傳動比因為已知的輸出轉速為，輸入的轉速，所以確定總傳動比為15。通過查機械手冊可以知道錐齒輪間的傳動比為；我們取斜齒輪間的傳動比為；我們取。通過查機械設計課程設計手冊，我們可以確定每兩個兩件間的傳動效率：；因為是閉式減速箱，；。那么我們可以算出總的傳動效率為：。各軸轉速 = 各軸轉矩：=0.672Nm =1.908Nm =9Nm4.2.1齒輪類型、材料及強度計算圓錐齒輪設計：對于傳動方式我們選擇直齒錐齒輪齒輪傳動，同時我們選取壓力角取為20，因為圓錐圓柱齒輪減速器在我們生活中比較常見，運轉速度不高，通過我們查閱課本機械設計（第九版）里面的表10-6故選用8級精度。材料的選擇：因為本次的設計減速箱是運用在爬桿機器人身上，所以對材料的重量有特殊的要求，不能直接選用鋼材。通過對于一些新型材料的了解。我們將齒輪輪芯的材料定為聚苯醚（又稱PPO）。這種材料具有剛性大、耐熱性高、耐磨、強度較高等優(yōu)點。齒面的材料繼續(xù)用鋼材。小齒輪的材料我們可以選用調質處理后的40Cr鋼，而它的齒面硬度可以達到280HBS,大齒輪的材料選用調質處理后的45鋼，而它的齒面硬度可以達到240HBS。我們可以預選一個小齒輪齒數(shù)，先取小齒輪，因為錐齒傳動比定為3，所以大齒輪齒數(shù)1.齒面接觸疲勞強度：因為我們所設計的減速器是屬于閉式的，所以計算齒輪的強度主要通過齒面的接觸疲勞強度來校核計算。 （1）分度圓計算公式為： （4-1）數(shù)的值：先試選定載荷系數(shù)的值：在上面我們已經(jīng)算出了小齒輪的轉矩：可選取齒寬系數(shù)通過查課本機械設計（第九版）8圖10-20查得區(qū)域系數(shù)通過查文獻8表10-5查得彈性影響系數(shù)為：計算齒輪所接觸得疲勞強度所允許的許用應力通過查詢文獻8的圖10-25d可以得到接觸疲勞極限的值：小齒輪，大齒輪。應力循環(huán)次數(shù)的計算：=3.067 （4-2） （4-3）通過查文獻8中的圖10-23可以得到接觸疲勞壽命系數(shù)的值：，?？梢匀∈Ц怕蕿?，S=1。計算接觸疲勞許用應力： （4-4） （4-5）因為是許用應力，所以應該取計算出來的較小值。（2）分度圓直徑： （4-6）試算直徑為： 圓周速度v： =12.08mm （4-7）通過查文獻8表10-2可定使用系數(shù) 通過圓周速度查文獻8中圖10-8得 齒間載荷分配系數(shù)因為齒輪精度低，所以取查文獻8表10-2，因為小齒輪懸臂，所以取齒向載荷分布系數(shù)可以計算出我們所需要的實際載荷系數(shù)（3）計算小齒輪的分度圓， （4-8）通過實際的載荷系數(shù)來更正分度圓直徑： （4-9）齒輪模數(shù)為 （4-10）2.齒根彎曲疲勞強度設計：模數(shù)的計算公式： （4-11）(1)確定公式內的各計算值通過查文獻8中的圖10-24可以得到彎曲疲勞強度極限值，小齒輪值為，大齒輪的值為。彎曲疲勞壽命系數(shù)，計算彎曲疲勞許用應力取安全系數(shù)S=1.4， （4-12） （4-13）可以算出載荷系數(shù)2.31（系數(shù)的選擇方法和上面相同）節(jié)圓錐角 （4-14） （4-15）可以的到當量齒數(shù) （4-16）通過查文獻8中的圖10-17可以得到齒形系數(shù)：，。通過查文獻8中的圖10-18可以得到應力校正系數(shù) ， 計算兩個齒輪的=0.0145 （4-17）=0.016 （4-18）因為大齒輪的值比較大，所以參照大齒輪的數(shù)值。(2)模數(shù)計算1.50 （4-18）根據(jù)實際中的模數(shù)值可以選取m=1.5，=17 (3)幾何尺寸計算計算大端分度圓直徑 計算節(jié)錐頂距 （4-19）大端齒頂圓直徑 （4-20） （4-21）齒寬： （4-22）取主要設計結論表3 錐齒輪參數(shù)表齒輪齒數(shù)z模數(shù)m壓力角分錐角齒寬b材料等級小齒輪171.52018.4351440Cr（調質）8大齒輪511.52071.5651445鋼（調質）8 圖4.3 小錐齒輪三維圖 圖4.4 大錐齒輪三維圖圓柱齒輪設計：通過上面我們已經(jīng)求出每根軸的轉速，圓柱小齒輪所在軸的轉速為236.7r/min，大齒輪所在的軸的轉速47.3r/min,兩個齒輪的傳動比i=5。齒輪的材料選擇跟上面錐齒輪的選擇一樣，將齒輪輪芯的材料定為聚苯醚。齒緣的材料繼續(xù)用鋼材。小齒輪的材料我們可以選用調質處理后的40Cr鋼，而它的齒面硬度可以達到280HBS,大齒輪的材料選用調質處理后的45鋼，而它的齒面硬度可以達到240HBS。我們可以預選一個小齒輪齒數(shù)，先取小齒輪，因為錐齒傳動比定為5，所以大齒輪齒數(shù)1.齒面接觸疲勞強度：因為我們所設計的減速器是屬于閉式的，所以計算齒輪的強度主要通過齒面的接觸疲勞強度來校核計算。該校核的計算公式為： （4-23）（1）我們要先確定公式中每個參數(shù)的值：先試選定載荷系數(shù)的值：在上面我們已經(jīng)算出了小齒輪的轉矩：可選取齒寬系數(shù)，螺旋角通過查課本機械設計（第九版）8圖10-20查得區(qū)域系數(shù)通過查文獻8表10-5查得彈性影響系數(shù)為：通過查詢文獻8的圖10-25d可以得到接觸疲勞極限的值小齒輪，大齒輪。應力循環(huán)次數(shù)的計算： 通過查文獻8中的圖10-23可以得到接觸疲勞壽命系數(shù)的值： ，計算接觸疲勞許用應力 （4-24） （4-25）因為是許用應力，所以應該取計算出來的較小值。由計算接觸疲勞強度用重合度系數(shù)。 （4-25） （4-26） （4-27） （4-28） （4-29） （4-30）由可得螺旋角系數(shù)： （4-31）（2）分度圓直徑： （4-32）=mm計算圓周速度v （4-33）計算齒寬 （4-34）計算齒寬與齒高比b/h模數(shù)： （4-35）齒高： （4-36）齒輪的圓周力 （4-37） （4-38）(3)計算載荷系數(shù)查得 通過查文獻8表10-2可定使用系數(shù) 通過圓周速度查文獻8中圖10-8得 齒間載荷分配系數(shù)取查文獻8表10-4，取齒向載荷分布系數(shù) （4-39）由 b/h=7.72, 查得所以 (4) 校正后的分度圓直徑：=14.95mm (4-40)(5) 計算模數(shù)=0.852.齒根彎曲疲勞強度設計：模數(shù)的計算公式： （4-41）(1) 確定公式內的各計算值載荷系數(shù)由式，計算彎曲疲勞強度的重合度系數(shù)。 （4-42） （4-43） （4-44）由式，可得計算彎曲疲勞強度的螺旋角系數(shù)。 ，計算彎曲疲勞許用應力，取安全系數(shù)S=1.4 （4-45）通過查文獻8中的圖10-17可以得到齒形系數(shù) 通過查文獻8中的圖10-18可以得到應力校正系數(shù) 計算兩個齒輪的當量齒數(shù)， （4-46） （4-47）因為大齒輪的值比較大，所以參照大齒輪的數(shù)值。（2）模數(shù)計算=0.41 （4-48）圓周速度v （4-49） （4-50）齒寬 （4-51）齒高h及寬高比 （4-52）可以算出載荷系數(shù)（系數(shù)的選擇方法和上面相同） （4-53）因為整個減速箱的尺寸不一過大，所以模數(shù)的選擇要盡量取小可以選取m=0.8，按齒面接觸強度計算的分度圓d來計算小齒圓系數(shù)。，?；橘|數(shù)，取(3)幾何尺寸計算中心距： （4-54）因為模數(shù)增大，所以圓整中心距螺旋角： （4-55） （4-56） （4-57）齒寬： （4-58）取,3.因為在圓整中心距之后各項數(shù)值都已經(jīng)變化，所以要重新校核。（1）齒面接觸疲勞校核：將它們代入得：式中的參數(shù)的取值跟前面的計算一樣，所以我們將參數(shù)的計算公式省略，計算如下：， （4-59）假設成立，計算有效。（2） 齒根接觸疲勞校核：，。 （4-60）所以滿足設計要求。主要設計結論表3 圓柱齒輪參數(shù)表齒輪齒數(shù)Z模數(shù)m壓力角（）螺旋角（）中心距a（mm）齒寬b（mm）材料等級小齒輪190.82013.936462040Cr（調質）8大齒輪960.82013.936461645鋼（調質）8 圖4.5 小斜齒輪軸 圖4.6 大斜齒輪4.3 軸的設計4.3.1聯(lián)軸器的選擇由于上面電機的選擇后可以知道電機的輸出軸的直徑為8mm，應為直徑比較小，我們通過查機械手冊可能比較難選擇，我們可以通過米西米（MISUMI-VONA）網(wǎng)站進行查找我們所需要的聯(lián)軸器。由米西米查詢到的零件可以在市面上買到，所以對于我們的設計如果要做成品是比較方便的。通過查詢軸徑的聯(lián)軸器和盡可能的細小的零件。我們可以采用剛性聯(lián)軸器。參數(shù)表如圖4.7所示：圖4.7 聯(lián)軸器參數(shù)表圖4.8 聯(lián)軸器尺寸庫最后我們選擇SR-16-8X8。尺寸如圖4.8所示。4.3.2軸承選擇因為本次設計的減速箱是運用在爬桿機器人上的，所以所設計的軸的尺寸都不會很大，我們查表可以知道一般的圓錐滾子軸承的內徑和外徑都比較大。通過查詢米西米的材料庫，我們發(fā)現(xiàn)了一種直徑較小、比較經(jīng)濟實用性的軸承-深溝球軸承。通過比較我們選擇型號為SC6700ZZ的軸承，它的具體參數(shù)如圖4.9所示除了輸出軸的軸承根據(jù)輸出軸的那段軸直徑選擇15mm型的軸承，其余的三個軸承都是選擇軸徑為10mm型的。圖4.9 軸承結構簡圖圖4.10 軸承參數(shù)圖4.3.3確定軸的結構與尺寸輸入軸：因為軸一是輸入軸，一端直接與聯(lián)軸器相連，所以第一段軸的直徑取8mm，根據(jù)聯(lián)軸器的尺寸，軸的第一段長度取8mm。第二段的軸因為直接與軸承相連，所以該段的軸直徑取10mm。軸肩的部分的長度我們可以取13mm。第四段軸同樣是直接跟軸承接觸，長度要大于軸承寬度取6mm，最后一段與齒輪通過鍵連接，取直接為8mm，長度為15mm?？傞L為42mm。軸一的結構如圖4.11所示圖4.11 輸入軸尺寸圖中間齒輪軸：軸二為中間軸，第一段和最后一段都是與軸承相連，所以取直徑為10mm，靠進齒輪的這一段長度為5mm，另一段9mm，跟齒輪相連的兩段直徑都為12mm，跟軸承靠近的這一段長度取5mm，遠離齒輪的另一段長度取3mm，跟大錐齒相接觸的那一段軸的直徑根據(jù)齒輪取11mm，長度根據(jù)齒輪寬度20mm可以取16mm。軸二的結構如圖17.2所示圖4.12 中間齒輪軸尺寸圖輸出軸：軸三是輸出軸，第一段與螺母相連，我們是直徑為12mm的六角螺母，所以軸的做成直徑為M12的螺紋線。該段的長度15mm，第二段軸是與兩個盤形凸輪相接觸的，所以軸的直徑我們根據(jù)盤形凸輪直徑取12mm，要保證兩個盤形凸輪的寬度，所以長度取35mm。第三段得軸直接與軸承接觸，該地方的軸承我們取14mm的，所以直徑取14mm，該段軸的長度取19mm。第四段軸直接與大齒輪鍵連接，可以取直徑為16mm，齒輪寬度為16mm，所以軸上的長度為14mm。與軸承接觸的那一段我們10mm的直徑，而中間那段軸肩直徑可以取12mm，兩段的長度分別為4mm和20mm。軸三的結構尺寸如圖4.13所示圖4.13 輸出軸尺寸圖4.3.4軸的校核按彎曲合成強度校核：通過左手定則和右手定則還有軸的轉向我們可以確定每根軸上面的齒輪所受的軸向力、向心力和圓周力，力的方向如下圖4.14所示。圖4.14 各齒輪的受力圖輸入軸：在上面我們已經(jīng)計算出了每根軸所受到的轉矩。所以已知，輸入軸的轉速為n=710r/min。小齒輪大端分度圓直徑，。電機一端所產(chǎn)生的圓周力： （4-61）錐齒輪1上的作用力：圓周力： （4-62）方向與方向相反。徑向力為： （4-63）方向指向軸的方向。軸向力為： （4-64）方向指向錐齒大端。垂直方向支反力： （4-65） （4-66）水平方向支反力： （4-67）繪制彎矩圖：圖4.15 軸的力矩圖表4 輸入軸力矩載荷水平面H垂直面V支反力F彎矩M總彎矩扭矩T根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)及軸的單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取，軸的計算應力 （4-68）因為軸的材料為調質處理后的45鋼，由文獻8中表15-1查得許用彎曲應力，因此，故安全。中間軸：（1），。，。（2）錐齒輪2上的作用力圓周力： （4-69）徑向力為： （4-70）軸向力為： （4-71）（3）齒輪3上的作用力圓周力： （4-72）方向與方向相反。 （4-56） （4-73）垂直支反力： （4-58）水平支反力： （4-74）表5 中間軸力矩載荷水平面H垂直面V支反力F彎矩M總彎矩扭矩T取，軸的計算應力因為軸的材料為調質處理后的45鋼，由文獻8中表15-1查得許用彎曲應力，因此，故安全。輸出軸：（1），。（2）齒輪4上的作用力圓周力： （4-75） （4-76） （4-77）垂直支反力： （4-78）水平支反力： （4-79）表6 輸出軸力矩載荷水平面H垂直面V支反力F彎矩M總彎矩扭矩T根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)及軸的單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取，軸的計算應力因為軸的材料為調質處理后的45鋼，由文獻8zhong 表15-1查得許用彎曲應力，因此，故安全。4.4 軸承的校核4.4.1軸承的徑向載荷因為跟軸相連的軸承不提供另外徑向力，所以軸承所受到的徑向力與上面軸校核是所受的徑向力相等。輸入軸：，中間軸：，輸出軸：，4.4.2 軸承的軸向力校核因為我們所選用的軸承是深溝球軸承。通過查軸承手冊我們可以知道，深溝球軸承可以承受的較大的徑向力，允許高轉速。在軸向力方面只能承受少許力。我們可以查詢SKF給出的深溝球軸承數(shù)據(jù)資料“對于深溝球軸承只受軸向力時，軸向力不應超過0.5C0，輕型系列的不應該超過0.25C0”。根據(jù)上面軸承的參數(shù)我們可以知道我們這次選定的型號SC6700ZZ的軸承的額定靜載荷為0.34KN。所以深溝球軸承的最大軸向載荷：各軸的軸向載荷：輸入軸：中間軸：，兩個軸向力方向相反，所以所受的軸向力：輸出軸：根據(jù)計算結果我們可以得出三根所受的軸向力均遠遠小于該型號的深溝球軸承的額定軸向載荷，所以該型號軸承在軸向載荷方面符合設計要求。4.4.3軸承的徑向當量載荷根據(jù)軸承設計手冊中GB276-89中深溝球軸承的徑向當量載荷計算：輸入軸：，e取0.19，Y=2.30 （4-80）當量動載荷：當量靜載荷： （4-81）當量動載荷：當量靜載荷：中間軸：，e取0.19，Y=2.30 （4-82）當量動載荷：當量靜載荷： （4-83）當量動載荷：當量靜載荷：輸出軸：，e取0.19，Y=2.30 （4-84）當量動載荷：當量靜載荷： （4-85）當量動載荷：當量靜載荷：無論是當量動載荷還是當量靜載荷都遠遠小于軸承的額定動載荷和額定靜載荷。所以該數(shù)據(jù)可以證明我們本次設計所選用的軸承符合設計要求。5 彈簧的選擇在本次的爬桿機器人設計中，彈簧所起到的作用是至關重要的，機械手爪能否夾緊直桿，摩擦力是否足夠讓機器人不下落，這些都是由所選擇的彈簧來決定的。所以整個機器人的可靠性和穩(wěn)定性都與彈簧有關。摩擦力的計算：通過上面的計算我們大概可以知道整個爬桿機器人的重量，本次設計的所有材料都