6 自由度三維旋轉(zhuǎn)機械臂設(shè)計摘要機械臂是一種經(jīng)典的機械一體化產(chǎn)品，而其中六自由度機械臂更是機械臂研究方向中的熱點。研究機械臂需要機械、力學(xué)、電學(xué)、人工智能、生物學(xué)和計算機科學(xué)等方面的知識,并且,它的研究促進了科技的的進一步發(fā)展。本次畢設(shè)中的的機械臂結(jié)構(gòu)需要繪制三維立體結(jié)構(gòu),并完成總裝配圖和零件圖。同時，要求有關(guān)機器人的力學(xué)分析模型,計算力矩和功率, 驗算其剛度與強度校核，合理選擇電動機和減速器。其次,根據(jù)電動機和減速器的連接和關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及連接方式來檢查機制的合理性。關(guān)鍵詞 六自由度；機器臂；結(jié)構(gòu)設(shè)計；結(jié)構(gòu)分析IAbstractMechanical integration of the mechanical arm is a kind of classic products, mechanical arm and six degrees of freedom mechanical arm is the hot point in research direction.Need to machinery, mechanical, electrical, mechanical arm study of artificial intelligence, computer science and biology knowledge, and its research to promote the further development of science and technology.The project of the mechanical arm structure need painting, and complete the general assembly drawing and part drawing. At the same time, the requirements on the robot's mechanical analysis model, calculation of torque and power, calculating the stiffness and strength check, choose the motor and reducer. Second, according to the structure design of motor and reducer connection and joint, and the rationality of the connection mode to check mechanism.Keywords six degrees of freedom robot arm structure design structure analysisII目 錄摘要 .IAbstract II1 緒論 .11.1 引言 11.2 機械臂的研究概況 11.2.1 國外情狀 .11.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .21.3 機械臂的總體結(jié)構(gòu) 21.4 主要內(nèi)容 31.5 本章小結(jié) 32 總體方案設(shè)計 .42.1 機械臂工程概述 42.2 工業(yè)機械臂 42.2.1 工業(yè)機械臂的應(yīng)用 .42.2.2 工業(yè)機械臂的設(shè)計 .42.3 機械臂機械傳動原理 52.4 機械臂總體方案設(shè)計 52.5 本章小結(jié) 63 機械臂大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 .73.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求 73.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求 73.3 大臂電機選型 73.4 齒輪的計算 83.5 承載能力的計算 .83.5.1 柔性齒輪齒面的接觸強度的校核 .83.5.2 柔性齒輪齒根的疲勞強度的校核 .83.6 軸的計算 93.7 本章小結(jié) 104 機械臂小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 114.1 手腕設(shè)計 114.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計 114.3 小臂電機選型 114.3 齒輪的計算 .11III4.4 柔性齒輪齒面的接觸強度的計算 124.5 柔性齒輪疲勞強度的校核 124.6 本章小結(jié) .135 機械臂機身設(shè)計 .145.1 電動機的選擇 145.1.1 計算軸 1 的轉(zhuǎn)矩 .145.1.2 確定各軸傳動比 145.2 齒輪設(shè)計與計算 155.2.1 高速級齒輪的設(shè)計 .155.2.2 低速級齒輪設(shè)計與計算 .175.3 軸的設(shè)計與計算 195.3.1 輸入軸的設(shè)計與計算 .195.3.2 中間軸的設(shè)計與計算 .215.4 鍵連接的校核 255.4.1 鍵連接 .255.4.2 鍵選型 .255.4.3 鍵的校核 .255.5 軸承的校核 265.5.1 輸入軸上軸承壽命計算 .265.6 機身結(jié)構(gòu)的設(shè)計 295.7 本章小結(jié) .29總結(jié) .30致 謝 .32參 考 文 獻 .3301 緒論1.1 引言 機械臂是一種經(jīng)典的集機械和電學(xué)為一體的產(chǎn)品，【更多畢業(yè)設(shè)計，Q380615448】而其中六自由度機械臂更是機械臂研究方向中的熱點。研究機械臂需要機械、力學(xué)、電學(xué)、人工智能、生物學(xué)和計算機科學(xué)等方面的知識,并且,它的研究促進了科技的的進一步發(fā)展。自從 1954 年以來，電子學(xué)家德沃爾獲得了一項“可編程序機械臂“的專利，這是一種像人手臂的機械臂，它按既定的程序流程來運行，另外該程序依據(jù)的原理也不一樣，尤其是在編程方面，所以，這就使得機械臂更加具有操作性和可行性。由此，愛好機器人的科學(xué)家英格伯格料想，如果可以設(shè)計出想象中的機械臂，那么機器就可以像人一樣去完成復(fù)雜而又繁重的體力活了，代替人類去完成那些機械重復(fù)的操作。于是，在 1958 年，兩人合作研制出世界上第一臺真意義上的工業(yè)機器人，此外得到了廣泛的應(yīng)用。研究機械臂主要基于一下幾個方面，希望能夠在惡劣的環(huán)境下和其他非人力能以期冀的情況下完成那些操作，從而能夠代替人類去完成無法操作的事情。另外，希望在醫(yī)學(xué)和仿真學(xué)等方面依據(jù)人類的特性來為人類服務(wù)。例如人造假肢可以大大的幫助患者恢復(fù)治療等?！敬霎厴I(yè)設(shè)計，Q380615448】由于各國的標(biāo)準(zhǔn)不同，所以有關(guān)機械臂的定義以及分類也就不完全一樣了。但是國際標(biāo)準(zhǔn)組織曾制定了一套標(biāo)準(zhǔn)，所以大多數(shù)國家都采用此類標(biāo)準(zhǔn)。1.2 機械臂的研究概況1.2.1 國外情狀世界上最先研究運動原理的不是所謂的物理學(xué)家，天文學(xué)家等，反而是拍攝電影的藝術(shù)家——邁布里奇，他拍攝電影用了特殊的方式，后來拍了動物以一種連續(xù)的方式。以至于，再到了后來這種方式被別的科學(xué)家用來研究運動了。自從 1930 年以后，蘇聯(lián)的 Bernstein 以別的方式對動力學(xué)進行了研究，并且生動形象的闡述了運動究竟是怎么回事。可實際上，真正系統(tǒng)性地研究機械臂始于 60 年代，到目前為止，不僅對機械臂有了一整套研究理論，而且在歐美等國都開發(fā)出機械臂的動態(tài)與靜態(tài)的樣機了。這一歷史背景下，是機械臂真正意義上的重要拓展。其中在 1958 年的時候，美國某公司正式研究出第一臺機械臂，這臺機械臂通過頂部的電磁塊抓放工件，操作部分則由機體上的一個設(shè)計形狀為長臂行的機械，通過回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)。在四年之后，美國的聯(lián)合控股公司在第一臺機械手的設(shè)計上做出了改進，生產(chǎn)出了世界上第一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手，一般稱之為萬能自動機械手。英文稱為 Unimate。這個機械手參考了坦克的炮塔原理，，通過采用液壓驅(qū)動完成機械臂的各種運動。通過磁鼓儲存控制數(shù)據(jù)，1對機械臂下達指令，后代的機械手的控制系統(tǒng)一般都沿用這種控制原理。與此同時，在同一年，美國的機械制造公司也成功制造出了一種機械手，稱為 Vewrsatran。該機械手的控制系統(tǒng)也為液壓控制系統(tǒng)，方式為示教再現(xiàn)型。這兩種型號的出現(xiàn)，為現(xiàn)代使用的工業(yè)機械手打下了堅實的基礎(chǔ)。之后美國的其他公司和大學(xué)進行合作研制了各種新型的工業(yè)機械手，控制系統(tǒng)已采用小型計算機。即便是到了現(xiàn)代，機械手的發(fā)展技術(shù)仍然為第一代，使用時采用人工控制機械手。面前的機械手的研究方向一般轉(zhuǎn)為兩類：一是提高機械手的使用精度，二是降低機械手的研究成本?，F(xiàn)在世界各地都在加緊研發(fā)，爭取盡快研制出新一代的機械手。目前，第二代機械手的研制目標(biāo)則是通過對機械手加設(shè)視覺、觸覺和聽覺傳感器，借由計算機控制，使得機械手實現(xiàn)智能化。而第三代的機械手則是朝向機械手完全自主完成工作的目標(biāo)研制。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國的機械臂研究起點低，進步快。雖然是從 20 世紀(jì) 80 年代才慢慢的研究其理論，并且逐漸應(yīng)用到相關(guān)領(lǐng)域的，但 1986 年“七五”機械臂攻關(guān)計劃和 1987 年的“863”高技術(shù)計劃在國家的重視和領(lǐng)導(dǎo)下取得了長遠的進步，以至于很快趕上了國際的步伐，達到了國際一流的水平。目前，國內(nèi)研究機械臂的單位主要是高校與相關(guān)的研究所等。我國 最先開始的研究是為了趕上國際步伐，可是出乎意料的是，竟然取得了長足的發(fā)展。因此中國的機械手研制對比世界其他的國家存在的較大的差距。很多高精度的零件只能從國外進口，核心技術(shù)仍由國外掌握。機械手作為未來工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展方向，決定了未來的工業(yè)生產(chǎn)效率。因此中國必須加大對機械手研制的投資和人才培養(yǎng)，盡可能減少乃至將對國外的零件進口需求降低為零，開發(fā)出擁有中國自主產(chǎn)權(quán)，完全由國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品。自從 1986 年以來，哈工大就成功地研發(fā)出機械臂 HIT 系列，其高度只有正常人的一大半，可是非常笨重，幾乎艱難的像人一樣運動，但它可以在水平方向前進后退，左右轉(zhuǎn)向和上下翻轉(zhuǎn)。經(jīng)過數(shù)代人的努力，越來越智能，其自由度越來越多，更加靈活。另外，在國防科技大也曾自主研發(fā)出一種平面的六自由度的機械臂，清華大學(xué)曾研制出 32 自由度的機械臂，南航也研究出空間型 8 自由度的機械臂。本課題源自“第一屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽”中機械臂。現(xiàn)在的機械臂基本上是通過輪子來實現(xiàn)其功能。盡管有許多模仿人類的胳膊和腿腳的機械臂，但是其缺點也比較明顯，并且控制并不穩(wěn)定。所以，真正成熟應(yīng)用的機械臂還是很少。故在本次課題當(dāng)中，需要設(shè)計靈巧的機械結(jié)構(gòu)和易于控制，方便穩(wěn)定的系統(tǒng)來達到機械臂真正意義上的模仿。1.3 機械臂的總體結(jié)構(gòu)機械臂組成部分：它主要由操縱、傳動、控制及檢測四個部分組成組成。2(1)操縱部分：機械臂操作主要是關(guān)節(jié)的連動，從而能夠?qū)崿F(xiàn)各種運動。它主要由手臂，手腕，底座組成。(a) 操縱器：機械臂想要對機構(gòu)進行某種特定功能來操作的話，是能夠控制部件的關(guān)鍵。(b) 手腕：連接手臂和手部的聯(lián)結(jié)件，是用來調(diào)節(jié)或者改變手部操作的部件。(c) 手臂 ：連接箱體和手部的部件，主要是用來操作的部件。(d) 箱體：機械臂的控制系統(tǒng)的外殼，起保護作用，是保護內(nèi)部齒輪和軸的殼體，主要是保護系統(tǒng)提供動力的電動機的。(2)傳動部分：可以用來幫助操縱部分獲得動力，同時自身可以驅(qū)動。主要有：電動機傳動，柴油機傳動氣壓傳動，液壓傳動。(3) 控制部分：在這整個系統(tǒng)中處于核心部分，是用來控制傳動部分的，只有按照系統(tǒng)既定的程序來執(zhí)行某種功能，一旦發(fā)生機器故障是，可以編譯警報系統(tǒng)來提醒。(4) 檢測部分：主要是借助各種傳感裝置或者警報系統(tǒng)來對機器工作過程中發(fā)生的狀況來采樣，然后需要對某一部分檢測時，再將數(shù)據(jù)返回給系統(tǒng)，從而保證系統(tǒng)的正常工作。經(jīng)過長久的實踐表明，機械臂的自動化可以逐步取代人類的手工操作，能夠大大提高生產(chǎn)效率，減輕工人的勞動壓力，提高整個社會的勞動生產(chǎn)率。在工廠生產(chǎn)中的會出現(xiàn)許許多多的機械單調(diào)操作和笨拙的工件，而采用機械臂則可以有效避免。另外，它能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，尤其是，高溫，低溫，低壓缺氧，有毒等條件下，人類幾乎無法完成，可是，機械臂可以代替人類去操作。1.4 主要內(nèi)容第 1 章 緒論 介紹六自由度三維旋轉(zhuǎn)機械臂的相關(guān)背景和研究的任務(wù)和要求.第 2 章 總體設(shè)計 介紹六自由度三維旋轉(zhuǎn)機械臂組成的相關(guān)知識和設(shè)計.第 3 章 六自由度三維旋轉(zhuǎn)機械臂各部分設(shè)計第 4 章 六自由度三維旋轉(zhuǎn)機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計1.5 本章小結(jié)通過對六自由度三維旋轉(zhuǎn)機械臂研究發(fā)展的了解和學(xué)習(xí)，我知道了其發(fā)展的緣由以及未來發(fā)展的方向，希望能夠?qū)α杂啥热S旋轉(zhuǎn)機械臂的設(shè)計，在未來的日子里能夠投身機械領(lǐng)域，專研學(xué)習(xí)，好好的掌握本領(lǐng)。此外對機械臂的組成，特點，功用的了解，使我喜歡上了機械臂這一領(lǐng)域。32 總體方案設(shè)計2.1 機械臂工程概述機械臂是機械領(lǐng)域的分支的某一新興學(xué)科，它需要學(xué)會受力分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計，校核，系統(tǒng)控制等。在工程上需要系統(tǒng)性的解決實際生產(chǎn)中的問題，因此，可以稱之為“系統(tǒng)工程學(xué)”。可以將復(fù)雜的機器看做是一個整體的系統(tǒng)，可是每個機器都是由許許多多的零部件組成的，它們都各自有著自身功用，可是組裝在一起又有了其他的功能，因此可以總結(jié)系統(tǒng)的性能：（1） 整體性 由一個或者是多個零部件組成的一個整體應(yīng)當(dāng)具有某種功能（2） 相關(guān)性 整體下的各個零件既具有自身功能，但相互之間的配合使其具有其他特性（3） 目的性 每個零部件自身都要有明確的功能，而相互間的配合又能實現(xiàn)怎樣的功能機械臂在工業(yè)上需要能實現(xiàn)功能上的通用與配合，以及能夠不斷地調(diào)整位置變化，所以在工業(yè)上柔性制造系統(tǒng)中能夠很好的進行操作任務(wù)，尤其是輸送零部件，加工產(chǎn)品等方面。2.2 工業(yè)機械臂2.2.1 工業(yè)機械臂的應(yīng)用工業(yè)機械臂是在機械化和自動化生產(chǎn)過程當(dāng)中用來提高工業(yè)產(chǎn)值效率的新型機械裝置。當(dāng)今世界，自從計算機產(chǎn)業(yè)和電子產(chǎn)品行業(yè)的的快速發(fā)展，人們不再局限于手工人力等資源，由于其投入產(chǎn)出比過小，所以逐漸有人將提高效率的辦法瞄準(zhǔn)在機械領(lǐng)域，試圖通過機器流水線的生產(chǎn)來逐步取代人工操作。所以，開始有了機器人的研制，但是，傳感器和智能性的制約促使了機械臂的產(chǎn)生。2.2.2 工業(yè)機械臂的設(shè)計（一）確定負(fù)載現(xiàn)在，世界上用的工業(yè)機械臂負(fù)載范圍非常寬泛，額定負(fù)載為 5~9000N。所以，足夠應(yīng)對那些需求了。要想確定額定負(fù)載需要計算機械臂轉(zhuǎn)動時所受的力和扭矩。但是這是理想情況下得到的結(jié)果，所以我們需要忽略機械臂自身的質(zhì)量。所以本次設(shè)計得電機是小負(fù)載的。（二）驅(qū)動方式因為伺服電機易于控制，且性能好，對所處的環(huán)境沒有具體要求，并且個頭小，輸出功率效率高，所以能精準(zhǔn)控制位移與速度。因此本次畢設(shè)中我決定選取伺服電機驅(qū)動的方式。（三）傳動系統(tǒng)設(shè)計機械臂的傳動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要質(zhì)量輕，體積小，不易損壞和尺寸大小合適等條件，4在傳動過程當(dāng)中要消除鏈條的間隙，以提高機械臂傳動位置精度。所以本次設(shè)計采用齒輪傳動。（四）工作范圍機械臂根據(jù)運動過程中的操作范圍和運動軌跡來確定自身的范圍。通過建立空間坐標(biāo)系，合理的計算出機械臂的長度，自由度數(shù)和坐標(biāo)變換等（五） 運動速度首先需要計算出操作極限位置的最大行程，再算出運動循環(huán)時間，根據(jù)條件合理的分配時間來確定各個操作的運動速度。2.3 機械臂機械傳動原理該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析該機械臂的本體結(jié)構(gòu)組成見圖 2-1圖 2-1 機械臂本體組成各部件組成和功能描述如下：底座：箱體、齒輪傳動零件、軸承，電機等。手臂分為大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齒輪傳動部件，驅(qū)動電機。小臂：包括小臂、傳動軸、同步傳動帶和電機等手腕：接口，齒輪，殼體，傳動軸等2.4 機械臂總體方案設(shè)計機械臂采用的依據(jù)是平移與轉(zhuǎn)動，所以又以下四種：(1) 直角坐標(biāo)機械臂結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機械臂是通過三坐標(biāo)系的平移來實現(xiàn)的，如圖 2-1(a)，這種機械臂可能位置精度高，但是尺寸過大，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計來說的話，不算特別的合理。因此，想要在小范圍工作是不可能實現(xiàn)的。(2) 圓柱坐標(biāo)機械臂結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機械臂是通過一個轉(zhuǎn)動和兩個平移來實現(xiàn)的，如圖 2-1(b)，這種機械臂構(gòu)造比較簡單，精度較高，可以用在水下捕撈。(3) 球坐標(biāo)機械臂結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)機械臂是通過一個平移和兩個轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的，如圖 2-1(c)。這種機械臂結(jié)構(gòu)簡單、5成本較低，但精度不很高。(4) 關(guān)節(jié)型機械臂結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機械臂的空間運動是由三個轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的，如圖 2-1(d)。關(guān)節(jié)型機械臂結(jié)構(gòu)緊湊，易于操作，工作有序區(qū)域不受自身尺寸影響。所以，在工業(yè)應(yīng)用上被廣泛地采用，尤其是在電焊，裝載，裝配等方面。關(guān)節(jié)型機械臂結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。(a) 直角坐標(biāo)型 (b) 圓柱坐標(biāo)型(c) 球坐標(biāo)(d) 關(guān)節(jié)型 圖 2-2 四種機械手坐標(biāo)形式由于設(shè)計要求的需要，所以采用的是(d) 關(guān)節(jié)型。機械臂具有安全性高，靈活操作，結(jié)構(gòu)合理完善執(zhí)行范圍寬泛的特點，所以能執(zhí)行空間位置轉(zhuǎn)換的功用。協(xié)作單位根據(jù)其用途和特點提出如下技術(shù)參數(shù)原始數(shù)據(jù)：(1) 每一次啤酒 11 箱、每箱 12 瓶，重量達 150Kg。(2) 動作的時間周期為：10～12 秒/次。技術(shù)要求：(1) 所設(shè)計的機器人本體結(jié)構(gòu)能夠滿足一次重量大、動作周期短、高效、快捷，以及通用性、靈活性等性能要求，同時滿足結(jié)構(gòu)工藝性、經(jīng)濟性等方面的要求。(2) 裝配圖、零件圖的繪制應(yīng)嚴(yán)格按照機械制圖國家標(biāo)準(zhǔn)進行，尺寸、公差、形位公差、技術(shù)要求等標(biāo)注應(yīng)合理、規(guī)范。(3) 在機器人手臂末端便于實現(xiàn)與各種夾持器的配合聯(lián)接。(4) 論文書寫要求敘述清楚、符合規(guī)范，外文翻譯正確。2.5 本章小結(jié)在本章節(jié)中主要是對六自由度三維旋轉(zhuǎn)機械臂的設(shè)計，通過四種類型的方案選擇比較來選出最優(yōu)方案，從而確定接下來如何去設(shè)計機械臂。只要在接下來的三章當(dāng)中合理的確定手臂，手腕，手的結(jié)構(gòu)設(shè)計和校核，就可以完成對六自由度三維旋轉(zhuǎn)機械臂的總體設(shè)計，不再是簡簡單單的原理圖，而是能夠通過三維建模來畫出實體。63 機械臂大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求手臂部分是機械臂的主要部件。它主要是幫助機械臂支撐的，實現(xiàn)機械臂在三維空間中位置的相對轉(zhuǎn)換。所以要求：（1）臂部的承載能力強、質(zhì)量輕、抗彎性能好（2) 臂部的轉(zhuǎn)動速度快，因此轉(zhuǎn)動慣量小如果想要減少轉(zhuǎn)動慣量，可以通過以下的方法：1) 減少手臂零件尺寸2) 減少轉(zhuǎn)動的半徑3) 在系統(tǒng)中裝有增加阻力的裝置(3)手臂操作簡單靈巧。(4)兩動作執(zhí)行的位置精度要高。本次設(shè)計中的薄壁件可以采用鋁合金材料，既可以滿足機械臂的強度與剛度要求，也能減少自身的重量，從而減輕電動機的載荷，減少機械臂的響應(yīng)時間。例外可以采用砂型鑄造來減小壁厚，下表為合金的種類和鑄件的大小對鑄件尺寸的影響：表 3-1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計（mm）3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求大臂外殼選取合金鋁，結(jié)構(gòu)形狀為方形，質(zhì)量小，強度大。3.3 大臂電機選型設(shè)： 4Kg=M ，23L+J2532帶入數(shù)據(jù)得： 0.16km?另外大臂的轉(zhuǎn)動速度為 ，那么初始時的轉(zhuǎn)矩：r/in????JT設(shè)大臂從靜止到角速度 總共時間為： 那么：1s??st1.0?式(3.1)011 /3.46764.1TJ Nmt????????設(shè)啟動轉(zhuǎn)矩的大小為 10N.m，安全系數(shù)為 2，則減速器轉(zhuǎn)矩為：式（3.2）T.1201鑄件尺寸 鑄鋼 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 可鍛鑄鐵 鋁合金 銅合金 ＜ 200×200 200×200~500×500 ＞ 500×500 5~8 10~12 15~20 3~5 4~10 10~15 4~6 8~12 12~20 3~5 6~8 — 3~3.5 4~6 — 3~5 6~8 — 73.4 齒輪的計算剛性齒輪、柔性齒輪的材料都是采用碳素鋼，小齒輪材料為 45 號鋼，硬度為220HBS1.齒數(shù)計算柔性齒輪齒數(shù)： 201???iuZr剛性齒輪齒數(shù)： ?rg已知： ，那么m5.0 mZdrr 105.g2??? mrr 25.1)47(10)47( 441 ??????所以取 5.柔性齒輪的筒體的壁厚： m05.11????所以取 ，那么m2.1??dBr.5.0取C.4~3)2()3.~0( 4C?mLLr 10,1280.88 取??3.5 承載能力的計算3.5.1 柔性齒輪齒面的接觸強度的校核接觸強度計算公式： 式（3. 3） ][tan82jjbkrM??????則：][36.125.0514.3ta80tan232 jj MPbkr ?????所以滿足齒面的接觸強度校核。3.5.2 柔性齒輪齒根的疲勞強度的校核 MPapaMa 7.1204.1205.1)01(4.325.55.0 .8710.87)10(1027 633393 63393 ?????? ?????????????則： Pamma )(.50???8驗算安全系數(shù)：式（3.4）2??n?? )5.314807.3.0(2.057.84121 MPaknsma ???????????代入數(shù)據(jù)得 2][56.273.5.2??n所以滿足齒根彎曲的強度校核。3.6 軸的計算計算軸的直徑軸的材料選用 45 號鋼，表面處理方法是調(diào)質(zhì)。軸徑設(shè)計為：式??mMdbe 8.2601.571.0333 ??????（3.5）?。篸=22.8*1.05=24mm32mm則彎曲截面系數(shù)為： ????34 2321025. 506mdtbW?????????抗扭截面系數(shù)為： ????34 232105.2506166dtbT ??彎曲應(yīng)力為： MpaWMb8.1025.743????扭切應(yīng)力為： Tb 941?當(dāng)量應(yīng)力為： ????Mpabe721.5 4.0608.54222???????由表可以得知 45 鋼調(diào)質(zhì)處理抗拉強度極限 b?=640Mpa，合格3.7 本章小結(jié)通過本章對六自由度三維旋轉(zhuǎn)機械臂大臂的設(shè)計，我了解了機械設(shè)計過程當(dāng)中的辛9苦，尤其是在查找數(shù)據(jù)的時候，好多情況下，數(shù)值超出了表的范圍，往往無法計算。另外，在校核強度和剛度的時候，特別的不容易，所以說不僅僅要把數(shù)據(jù)給算出來，還要好好的，檢驗其合理性，特別是在安全性和使用壽命等情況下。104 機械臂小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1 手腕設(shè)計機械臂手腕是連接機械臂手臂和手的連接件，主要是用來支撐手臂的。所以手腕設(shè)計時要求是：結(jié)構(gòu)緊湊、方便靈活，穩(wěn)定性好，平衡性高、位精度高，所用應(yīng)當(dāng)采取那些材料強度和剛度高。圖 4-1 手腕示意圖4.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計小臂外殼選取合金鋁，結(jié)構(gòu)形狀為方形，質(zhì)量小，強度大4.3 小臂電機選型設(shè)： 4Kg=M ，23L+J252帶入數(shù)據(jù)得： 0.16km?設(shè)小臂轉(zhuǎn)速 ，角速度從 0 加到 所需加速時間 ，則同步帶應(yīng)輸s/2??2?st2.0??出轉(zhuǎn)矩為：式（4.1)mNJT.1./.22 ????式（4.2)20501?4.3 齒輪的計算柔性齒輪齒數(shù)： 201???iuZr剛性齒輪齒數(shù)： ?rg已知： ，則m5.0 mZdrr 105.??mg2?柔性齒輪齒圈處的厚度： mrr 25.1)47(10)475( 441 ??????11所以取 m5.120.1???計算得： dBr.5.?取C5.4~3)02()3.0~2( 4C?mLLr 10,128.1818. ??? 取m.?所以取 mr34.4 柔性齒輪齒面的接觸強度的計算接觸強度計算公式： 式（4.3）][tan82jjbkrM??????則： ][36.125.0514.3tan80tan8232 jj MPbkr ????????所以滿足齒面的接觸強度要求。4.5 柔性齒輪疲勞強度的校核進行柔性齒輪的疲勞強度校核。柔性齒輪材料采用 調(diào)制硬度 230HBS。CrMoAl38計算柔性齒輪截面處正應(yīng)力：27maDE?????0?m?切應(yīng)力： LDE???其中： ）（ GPaLdrm 20,5.,10,0?? MPapaMa 7.12074.1205.1)01(4.325.55.0 .871.87)(12.7 633393 63393 ?????? ????????????則： mma .).(.(. ????驗算安全系數(shù)：1222??nn?? )5.314807.3.0(2.057.84121 MPaknsma ???????????計算得 2][56.273.5.2??n則滿足疲勞強度條件。4.6 本章小結(jié)在本章當(dāng)中對六自由度三維旋轉(zhuǎn)機械臂小臂的設(shè)計過程中，需要好多以前學(xué)過的知識，特別是在選擇電機，校核齒輪，軸和軸承壽命的時候，計算是特別的繁雜，比起學(xué)習(xí)課程的時候，要難很多，而且更是需要專研地更深，此時我才知道設(shè)計的不易。另外，通過本章的學(xué)習(xí)，更是把以前所學(xué)的課程重新復(fù)習(xí)了一遍，書到用時方恨少啊。5 機械臂機身設(shè)計135.1 電動機的選擇5.1.1 計算軸 1 的轉(zhuǎn)矩式（5.1）摩慣 M??式（5.2）啟小大自 ）（ tJ?式（5.3） 摩 ?0.1式 rv??（5.4）式 32mlJ細(xì) 桿（5.5）式（5.6）42l?圓 盤已知 ， ， ， ，s5.0?啟t.8/s=v0.5l rad/s1.6v?，40m3in1??l， ， 代入式（5.1），（5.2），（5.3），（5.4），3kgm大 1ml22kg=小（5.5），（5.6）得： m1.63??lJ大大 .7kg2小小又可知 ， ， ，圓 盤鋁 合 金圓 盤 Vm??圓 盤圓 盤圓 盤 hS2π圓 盤圓 盤 rl5.0?圓 盤可以計算出： kg92圓 盤將上述數(shù)據(jù)代入式（5.1），（5.2），（5.6）得：5.7kgm=42lJ圓 盤自 ?86NeM9.電 機選擇減速器 i=9 式4321???（5.7）0.8075.1.2 確定各軸傳動比總傳動比 =9 ，根據(jù)推薦的傳動副傳動比合理范圍，取：12i??高速級傳動比 =3 ，低速級傳動比 =3 2i由計算得到所需：=6.86N m， 137.7r/minM電 機 ??1n所以采用 型步進電機 86BYG250CN 14。圖 5-1 步進電機外形簡圖5.2 齒輪設(shè)計與計算5.2.1 高速級齒輪的設(shè)計不妨選用直齒圓柱齒輪傳動，那么小齒輪材料為 40Cr，大齒輪材料選用 45 號鋼，，241?z7243??按齒面接觸疲勞強度校核根據(jù)校核公式：式（5.8）??3212. ????????HEdtt ZuTK???已知 ， ， ， =190 ， MPa；1.3=Kr m6.27NT1?=dE2MPa602lim?MPa。50lim?H?計算得 21.74mm1td?計算小齒輪分度圓圓周速度 v0.18m/s?60π1ndt計算齒寬 b=21.8mm1dt??計算齒寬與齒高之比：b/h 模數(shù)0.9mm1ttdmz?齒高15=2.04mm2.5thm?代入式（3.13）得：=10.67/b計算載荷系數(shù)式 ??HAVK（5.9）由于 v=0.17m/s，7 級精度，得：=1.0v1.2HF??=1.25AK=1.30?=1.28F1.95 AvH????所以實際載荷系數(shù)修正24.9mm 式 31ttKd（5.12）計算模數(shù) m：1.05mm?1zm按彎曲強度設(shè)計式321???????FSadYzKT??（5.13）其中 ——彎曲疲勞壽命系數(shù)FNK——彎曲疲勞需用應(yīng)力???——齒形系數(shù)aY——應(yīng)力校正系數(shù)s已知小齒輪彎曲疲勞強度極限； ，大齒輪彎曲強度極MpaFE501??380MPa=2?FE?彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.9， =0.981FNK2N計算載荷系數(shù)= =1.92??FVAK計算彎曲疲勞需用應(yīng)力，取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，得：=333.5MPa??SENF11??=253.8MPaF22查取齒形系數(shù)得：=2.7； =2.31FaY2Fa查取應(yīng)力校正系數(shù)得：16=1.5； =1.81Ys2Ys=0.025??FSa?=0.0362大齒輪對應(yīng)數(shù)值大，將以上數(shù)值代入得： 0.8m?由于齒輪的模數(shù)決定了其抗彎強度，所以合理而齒面接觸疲勞強度的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，取 m=1，前面計算得=24.9mm,得小齒輪的齒數(shù)：1d24.87 25?mdz1?=752幾何尺寸計算：分度圓直徑式（5.14)zd?將模數(shù)、齒數(shù)代入式（5.13）得：25mm； 75mm?mzd1?zd2中心距式 21da??（5.15）將 ， 代入式（5.14）得：1d250mm?a齒輪寬度式 1db??（5.16）由式（5.15）得：=25mm； =30mm2B15.2.2 低速級齒輪設(shè)計與計算不妨選用直齒圓柱齒輪傳動，那么小齒輪材料為 40Cr，大齒輪材料選用 45 號鋼，，241?z7243??按齒面接觸疲勞強度校核,根據(jù)校核公式： ??3212. ????????HEdtt ZuTK???已知 ， ， ， =190 ， MPa；1.3=Kr m7.NT 2?=dE12MPa602lim?MPa。50lim?H?計算得 29.8mm1td?計算小齒輪分度圓圓周速度 v170.072m/s?60π1ndvt計算齒寬 b=29.8mm1dtb?計算齒寬與齒高之比：b/h模數(shù)1.2mm1ttmz?齒高=2.8mm2.5th代入式得：=10.67/b計算載荷系數(shù)??HAVK?由于 v=0.17m/s，7 級精度，得：=1.0v1.2HF?=1.25A=1.30K?=1.28F1.95 AvH????所以實際載荷系數(shù)修正30.2mm 31ttdK計算模數(shù) m：1.5mm?1zd按彎曲強度設(shè)計321???????FSadYzKTm??其中 ——彎曲疲勞壽命系數(shù)；FNK——彎曲疲勞需用應(yīng)力；???——齒形系數(shù)；aY——應(yīng)力校正系數(shù)。s已知小齒輪彎曲疲勞強度極限； ，大齒輪彎曲強度極MpaFE501??380MPa=2?FE?彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.9， =0.981FNK2N計算載荷系數(shù)= =1.95??FVAK計算彎曲疲勞需用應(yīng)力，取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，得：18=300.5MPa??SKFENF11??=205.8MPa22查取齒形系數(shù)得：=2.6； =2.31FaY2Fa查取應(yīng)力校正系數(shù)得：=1.5； =1.8sYs=0.015??1FSa?=0.0182大齒輪對應(yīng)數(shù)值大，將以上數(shù)值代入得： 0.8m?由于齒輪的模數(shù)決定了其抗彎強度，所以合理而齒面接觸疲勞強度的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，所以取由彎曲疲勞強度算得的 m=0.86，并取圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m=1，前面計算得 =29.5mm,得小齒輪的齒數(shù)：1d24.67 25?z1?=752幾何尺寸計算分度圓直徑37.5mm； 112.5mm?mzd1 ?mzd2中心距=75mma齒輪寬度 1db?=37.5mm； =42.5mm2B5.3 軸的設(shè)計與計算5.3.1 輸入軸的設(shè)計與計算（1） 求輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩0.456kW????231?電 機輸 入 P137.7r/minn6.27N m0T?（2） 初估軸直徑式 30minAd?（5.15）選取軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表 11-3，取 ，并將數(shù)據(jù)代入式（5.15）012得： 1917min?d（3） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計輸入軸的最小直徑與先前計算齒輪直徑相差很少，所以做成齒輪軸。軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖 3.5。圖 5-2 輸入軸結(jié)構(gòu)尺寸簡圖（4） 求軸上支反力與彎矩水平方向：； 式06303821???tNHt FF 038211??tNHt F（5.16）垂直方向： ； 式221?rVr 06211rVr（5.17） 對錐齒輪：, dTFt???costanr對直齒輪：， t2trF將輸入軸參數(shù)代入式（3.24）得：538.2N, 138.5N?1t 1r501.6N, 182.6N2?2代入得：408.6N, 867.2N1NHFNH514.8N , 558.9N?V1VF作出輸入軸水平方向及垂直方向的彎矩圖 5： 20圖 5-3 輸入軸的受力分析圖 從輸入軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到截面 II 是輸入軸的危險截面，計算結(jié)果如表 5-1。表 5-1 截面Ⅱ處的彎矩載荷 水平面 H 垂直面 V支反力 F408.6N?1N867.2N2514.8N?1NF558.9N彎矩 M44.8N m H? 0.7N m VM?總彎矩 1 44.8N m ??2V?扭矩 T6.27N m?1?按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度式WTMca22)(????（5.18）式31.0d（5.19）校核軸上承受最大計算彎矩的截面Ⅱ處的強度， 取 1，將各數(shù)值代入式（5.18）、（5.19）得：7.67MPa???WTMca22)(??軸的材料為 45 號鋼，查表 11-1， 。因此 ，故安全。??160bPa? ??1cab???5.3.2 中間軸的設(shè)計與計算21（1） 求輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩0.429kW??32?輸 入中 間 P45.9r/minn17.7N m2T?（2） 初估軸直徑選取軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表 11-3，取 ，得：012A?25mm?30minPd（3） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計中間軸的直徑與小齒輪分度圓直徑相差很少，所以做成錐齒輪軸。軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖 3.7。圖 5-4 中間軸結(jié)構(gòu)尺寸簡圖（4） 求軸上支反力與彎矩水平方向：； 01657.93221????NHtt FF 025.69165????ttNHFF垂直方向： ； .Vrr .rrV對直齒輪：，dTt??tanrF將輸入軸參數(shù)代入得：472N, 171.8N1tF1r944N, 343.6N22代入得：35.8N, 436.2N?1NH?NH13N, 158.7NV1V作出中間軸水平方向及垂直方向的彎矩圖： 22圖 5.5 中間軸的受力分析圖 從軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到截面 II 是軸的危險截面。（5） 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度2.01MPa???WTMca22)(??因為 ，故軸是安全的。??1cab???5.3.3 輸出軸的設(shè)計與計算 （1） 求輸出軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩0.404kW??432?中 間輸 出 P15.3r/min3n49.85N m0T?（2） 初估軸直徑選取軸的材料為 45 號鋼，工藝為齒輪表面調(diào)質(zhì)，取 ，得：012A?33mm?30minPd（3） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計選取錐齒輪軸作為此次設(shè)計中的齒輪。23圖 5.6 輸出軸結(jié)構(gòu)尺寸簡圖（4） 求軸上支反力與彎矩水平方向：； 075.32??NHtF075.11??NHtF垂直方向： ； .Vr .Vr對直齒輪：，dTt??tanrF將輸入軸參數(shù)代入得：886.2N, 322.6NtFr代入得：1364.4N, 478.1N?1NH?2NH496.6N, 174NVV作出輸出軸彎矩圖24圖 5.7 輸出軸的受力分析圖 （5） 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度校核軸上的強度35MPa???WTMca22)(??已知軸的材料為 45 鋼，查表 11-1， 60MPa。因此 ，故安全。???b1 ??1cab???5.4 鍵連接的校核5.4.1 鍵連接當(dāng)軸與齒輪連接時，軸的轉(zhuǎn)動可以帶動齒輪的嚙合是需要在其周向固定的，從而才能傳遞扭矩。5.4.2 鍵選型鍵的選型主要是依據(jù)鍵的截面尺寸和鍵長，根據(jù)以上的軸徑可以選用一下數(shù)據(jù)：中間軸的連接 1 號鍵： 1480?輸出軸的連接 2 號鍵： 2595.4.3 鍵的校核，按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鍵的材料可以選用 45 號鋼，由機械設(shè)計手冊查得許用擠壓應(yīng)力。由于鍵的失效形式主要是工作面的壓潰和自身剪斷，所以對其連接的??Mpap10??擠壓強度進行校核 ， 根據(jù)公式式（5.20）kldTp3102???帶入 1 號鍵的數(shù)據(jù) 和 計算得48107.Nm.3?k25.MPa103??LdtTp?25所以鍵連接的擠壓強度足夠，安全 同理可知 2 號鍵也是合格的。5.5 軸承的校核5.5.1 輸入軸上軸承壽命計算選取圓錐滾子軸承的型號為 ，那么 ，， ， 、3020.35=e1.7Y0?20.8kN=Cr。所以先求力在驗算。21.8kN=Cor軸上的支反力： 式中： 658.4N211HVNRF???1032N 式（5.21）22HVNRF??194N， 304N 式（5.22）1SYSY——徑向支反力——軸向支反力194N， 304N??aFS12S?194N， 304NaA12A，查表 13-5 得：eRA??37.010.4， X.1Y，查表 13-5 得：?29.11， 0?查表 13-6 載荷系數(shù) =1.2，將以上代入式（3.33）、（3.34），軸承當(dāng)量動載荷為pf752N 式（5.23）??)(111AYRXP1239N 式（5.24）22fp由公式（13-15） 式 60thfCLhnP???????（5.25）式中：——軸承所在軸的轉(zhuǎn)速n——溫度系數(shù)tf——額定動載荷C——軸承所在軸的傳動功率P計算軸承壽命。138r/minn?