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XX 大學(xué) XX 學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 論文 五自由度桁架機(jī)器人與 PROE 仿真設(shè)計 作 者 學(xué) 號 學(xué)院 系 專 業(yè) 題 目 2014 年 月 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 論 文 中 文 摘 要 機(jī)器人是一種機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)品 采用機(jī)器人是提高 產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)率 實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化 改善勞動條件 減輕勞動強(qiáng)度的 一種有效手段 它是一種模仿人體上肢的部分功能 按照預(yù)定要求輸送工件或握 持工具進(jìn)行操作的自動化技術(shù)裝備 機(jī)器人可以代替人手的繁重勞動 顯著減輕 工人的勞動強(qiáng)度 改善勞動條件 提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動化水平 工業(yè)生產(chǎn) 中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期 頻繁 單調(diào)的操作 采用機(jī)器人是有效的 此外 它能在高溫 低溫 深水 宇宙 放射性和其它有毒 污染環(huán)境條件下進(jìn) 行操作 更顯示其優(yōu)越性 有著廣闊的發(fā)展前途 本課題的主要內(nèi)容是采用機(jī)器人代替人來進(jìn)行抓取作業(yè) 機(jī)器人可以代替很 多重復(fù)性的體力勞動 從而減輕工人的勞動強(qiáng)度 提高生產(chǎn)效率 結(jié)合設(shè)計的各 方面的知識 在設(shè)計過程中學(xué)會怎樣發(fā)現(xiàn)問題 解決問題 研究問題 并且在設(shè) 計中融入自己的想法和構(gòu)思 提高自己的創(chuàng)新能力 盡力使機(jī)器人使用方便 結(jié) 構(gòu)簡單 關(guān)鍵詞 機(jī)器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計 步進(jìn)電機(jī) 回轉(zhuǎn) 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 論 文 外 文 摘 要 Abstract A robot is a mechanical technology and electronic technology the combination of high technology products The robot is to improve product quality and labor productivity and achieve the production process automation improve working conditions reduce the labor intensity of an effective means of It is a copy of the upper part of the human body functions in accordance with a predetermined transfer request or the workpiece hold the tools to operate the automation technology and equipment Industrial production often appears in the heavy work frequent handling and long term monotonous operation the robot is effective The main content of this paper is the use of robots to paint robots can take the place of a lot of repetitive manual work thereby reducing the labor intensity of workers improve the production efficiency Combined with the design of the various aspects of knowledge in the design process to learn how to find problems To solve the problem of problem And in the design into their thoughts and ideas enhance own innovation ability Try to make the robot has the advantages of convenient use simple structure Keywords Robot Structure design Stepper motor Rotary 目 錄 1 緒 論 1 1 1 機(jī)器人的特點 1 1 2 機(jī)器人的組成 2 1 2 1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 2 1 2 2 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 2 1 2 3 控制機(jī)構(gòu) 2 1 3 本文研究主要內(nèi)容 3 2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計 4 2 1 桁架機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 4 2 1 1 自由度 4 2 1 2 坐標(biāo)形式的選擇 4 2 1 3 規(guī)格參數(shù) 6 2 1 4 有效負(fù)載 6 2 1 5 運動特性 6 2 1 6 工作范圍 工作半徑 7 2 2 桁架機(jī)器人材料的選擇 7 2 3 機(jī)械臂的運動方式 8 2 4 桁架機(jī)器人的驅(qū)動元件 8 2 5 機(jī)構(gòu)整體設(shè)計 9 3 桁架機(jī)器人氣爪結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 3 1 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 10 3 2 結(jié)構(gòu)分析 11 3 3 計算分析 12 3 4 電機(jī)計算 14 3 5 齒輪齒條的設(shè)計計算 17 3 6 直線滾動導(dǎo)軌副的計算 選擇 28 3 7 小齒輪的強(qiáng)度計算 30 3 7 1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算 30 3 7 2 齒輪齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度計算 33 3 8 橫梁的強(qiáng)度與剛度的計算 35 總 結(jié) 46 致 謝 47 參考文獻(xiàn) 48 1 1 緒 論 隨著人類科技的進(jìn)步 社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 機(jī)器人學(xué)成為近幾十年來迅速發(fā)展的一 門綜合學(xué)科 它體現(xiàn)了光機(jī)電一體化技術(shù)的最新成就 機(jī)器人作為其中的佼佼者更是 發(fā)揮了不可磨滅的作用 在人類社會中 凡是有機(jī)械活動的地方 都能看到機(jī)器人的 身影 機(jī)器人產(chǎn)品的應(yīng)用已經(jīng)由核工業(yè)和軍事科技等高端科學(xué)領(lǐng)域向醫(yī)療 農(nóng)業(yè)甚至 是服務(wù)娛樂等民用領(lǐng)域發(fā)展了 并且各式各樣的機(jī)器人正在涌現(xiàn)出來 以驚人的速度 延伸到人類活動的各個領(lǐng)域 機(jī)器人是由于人類期望生產(chǎn)水平的提高 為了提升生產(chǎn) 效率而出現(xiàn)的 然而由于機(jī)器人善于完成重復(fù)的 單調(diào)的 精確度要求高的工作 能 取代人在惡劣的環(huán)境中完成人類不能或者不愿完成的工作 因此 機(jī)器人的出現(xiàn)又大 大解放了人類的生產(chǎn)力 所以說機(jī)器人的發(fā)展是社會發(fā)展的結(jié)果 也是社會發(fā)展的必 然趨勢 現(xiàn)在 很多發(fā)達(dá)國家都追逐著機(jī)器人這一發(fā)展趨勢 積極地進(jìn)行著機(jī)器人的 各種開發(fā)和研制的工作 并且其中一些國家已經(jīng)取代了不錯的成果 研制出了許多新 型且實用的機(jī)器人或者是機(jī)器人 例如 日本的跳舞機(jī)器人 犬型機(jī)器人愛寶 AIBO 英國研制的履帶式 手推車 及 超級手推車 排爆機(jī)器人 美國 iRobot 公司推出了 能避開障礙 自動設(shè)計行進(jìn)路線吸塵器機(jī)器人 Roomba 上海世博會使用過的福娃機(jī)器 人等等 由于機(jī)器人的迅猛發(fā)展 機(jī)器人進(jìn)入學(xué)校教學(xué)是必然的 三自由度機(jī)器人作為是 機(jī)器人的典型產(chǎn)品 其設(shè)計及應(yīng)用對機(jī)電一體化 機(jī)械結(jié)構(gòu)工藝 機(jī)械制造 自動化 電子信息等專業(yè)的教學(xué)及研究都有著很重要的意義 1 1 機(jī)器人的特點 1 機(jī)器人能進(jìn)行自動化生產(chǎn) 降低成本 就本次設(shè)計的桁架機(jī)器人而言 它能不 間斷的搬運零件和各種材料的輸送 這樣既提高了生產(chǎn)率又降低了生產(chǎn)成本 2 機(jī)器人能使產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定 減少人工污染 人工生產(chǎn)會使產(chǎn)品質(zhì)量受工人狀態(tài) 起伏而影響 對于某些高精度產(chǎn)品 人工送取會產(chǎn)生人工污染 3 機(jī)器人能改善勞動條件 避免各種工傷 在高溫 高壓 低溫 低壓 有灰塵 噪聲 臭味 有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中 人工操作會有 危險 機(jī)器人能代替人工作 改善了人們的勞動條件 4 機(jī)器人能持久 耐勞 可以把人從繁重的勞動中解放出來 人在連續(xù)工作幾個 2 小時后 總會感到疲勞或厭倦 以機(jī)器人代替人進(jìn)行工作 可以避免由于操作疲勞或 疏忽而造成的人身事故 5 機(jī)器人的靈活性 通用性強(qiáng) 它能通過更換部件來適應(yīng)不同產(chǎn)品的生產(chǎn) 并通 過改變程序和自由度來達(dá)到迅速改變作業(yè)的可能性 這樣機(jī)器人能滿足各種各樣的零 件生產(chǎn) 在生產(chǎn)中發(fā)揮重大作用 1 2 機(jī)器人的組成 工業(yè)機(jī)器人是由執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成 1 2 1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 一般機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手部或者叫抓取部分 腕部 臂部 緩沖與定位 還有 行走機(jī)構(gòu)組成 1 2 2 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要有液壓驅(qū)動 氣動驅(qū)動 電動驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動等形式 不過目前還 是以液壓和氣動用的最多 液壓驅(qū)動具有體積小 出力大 控制性能好 動作平穩(wěn)等特點 它利用油缸 馬 達(dá)加上齒輪 齒條實現(xiàn)直線運動 利用擺動油缸 馬達(dá)與減速器 油缸與齒條 齒輪 或鏈條 鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動 液壓驅(qū)動具有潤滑性能好 壽命長的特點 結(jié)構(gòu)緊湊 剛性好 定位精度高 克實現(xiàn)任意位置開停 有很多專業(yè)機(jī)器人能直接利用主機(jī)的液 壓系統(tǒng) 但缺點是需要配備壓力源 系統(tǒng)復(fù)雜成本較高 氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單 造價低廉 氣源方便 所需的壓縮氣源一般工廠都有 并且 無污染 一般采用的壓力 0 4 0 6MPa 最高可達(dá) 1MPa 缺點是出力小 體積大 由于 空氣的可壓縮性大 很難實現(xiàn)中間位置的停止 只能用于點位控制 而且潤滑性較差 氣壓系統(tǒng)容易生銹 電動由于減速和回轉(zhuǎn)運動變往復(fù)運動機(jī)構(gòu)復(fù)雜 很少采用 機(jī)械式用于簡單的場 合 1 2 3 控制機(jī)構(gòu) 機(jī)器人的控制方式有點動和連續(xù)控制兩種方式 大多數(shù)是用插銷板進(jìn)行點位程序 控制 也有采用可編程序控制器控制 微型計算機(jī)數(shù)字控制 采用凸輪 磁盤磁帶 穿孔卡等記錄程序 主要控制的是坐標(biāo)位置 并注意其加速度特性 3 1 3 桁架機(jī)器人 桁架機(jī)器人又叫噴涂機(jī)器人 spray painting robot 是可進(jìn)行自動抓取或噴 涂其他涂料的工業(yè)機(jī)器人 1969 年由挪威 Trallfa 公司 后并入 ABB 集 團(tuán) 發(fā)明 桁 架機(jī)器人主要由機(jī)器人本體 計算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成 液壓驅(qū)動的桁架機(jī)器人 還包括液壓油源 如油泵 油箱和電機(jī)等 多采用 5 或 6 自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu) 手臂有 較大的運動空間 并可做復(fù)雜的軌跡運動 其腕部一般有 2 3 個自由度 可靈活運動 較先進(jìn)的桁架機(jī)器人腕部采用柔性手腕 既可向各個方向彎曲 又可轉(zhuǎn)動 其動作類 似人的手腕 能方便地通過較小的孔伸入工件內(nèi)部 噴涂其內(nèi)表面 桁架機(jī)器人一般 采用液壓驅(qū)動 具有動作速度快 防爆性能好等特點 可通過手把手示教或點位示數(shù) 來實現(xiàn)示教 桁架機(jī)器人廣泛用于汽車 儀表 電器 搪瓷等工藝生產(chǎn)部門 桁架機(jī)器人的主要優(yōu)點 1 柔性大 工作范圍大 2 提高噴涂質(zhì)量和材料 使用率 3 易于操作和維護(hù) 可離線編程 大大的縮短現(xiàn)場調(diào)試時間 4 設(shè)備利 用率高 桁架機(jī)器人的利用率可達(dá) 90 95 1 3 本文研究主要內(nèi)容 通過利用網(wǎng)絡(luò)工具 圖書館的書籍和各類期刊 雜志查閱了解桁架機(jī)器人的相關(guān) 知識 確定本設(shè)計符合要求 滿足需要 具體設(shè)計方法如下 1 查閱資料 結(jié)合所學(xué)專業(yè)課程 產(chǎn)生桁架機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思路 2 查閱各類機(jī)械機(jī)構(gòu)手冊 確定合理的桁架機(jī)器人結(jié)構(gòu) 3 根據(jù)給定技術(shù)參數(shù)來選擇合適的手部 腕部 臂部等部位 4 重點對驅(qū)動機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計研究 5 通過研究國內(nèi)外情況 確定本設(shè)計課題的重點設(shè)計 6 完成 2D 裝配圖的設(shè)計和繪制 并由此繪制零件圖 7 編寫設(shè)計說明書 8 檢查并完善本設(shè)計課題 本設(shè)計采用的方法是理論設(shè)計與經(jīng)驗設(shè)計相結(jié)合的方案 所運用的資料來源廣泛 內(nèi)容充足 4 2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計 本文的重要任務(wù)是完成桁架機(jī)器人的設(shè)計 本章內(nèi)容是圍繞桁架機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 任務(wù)來展開 介紹桁架機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計思路 2 1 桁架機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 表示機(jī)器人特性的基本技術(shù)參數(shù)主要有自由度 坐標(biāo)形式的選擇 2 1 1 自由度 自由度是指機(jī)器人所具有的獨立坐標(biāo)軸運動的數(shù)目 但是一般不包括手部 末端 操作器 的開合自由度 自由度表示了機(jī)器人靈活的尺度 在三維空間中描述一個物 體的位置和姿態(tài)需要六個自由度 桁架機(jī)器人的自由度越多 越接近人手的動作機(jī)能 其通用性就越好 但是結(jié)構(gòu) 也越復(fù)雜 自由度的增加也意味著桁架機(jī)器人整體重量的增加 輕型化與靈活性和抓 取能力是一對矛盾 此外還要考慮到由此帶來的整體結(jié)構(gòu)剛性的降低 在靈活性和輕 量化之間必須做出選擇 工業(yè)機(jī)器人基于對定位精度和重復(fù)定位精度以及結(jié)構(gòu)剛性的 考慮 往往體積龐大 負(fù)荷能力與其自重相比往往非常小 一般通用桁架機(jī)器人有 5 6 個自由度即可滿足使用要求 其中臂部有 3 個自由度 腕部和行走裝置有 2 3 個 自由度 專用桁架機(jī)器人有 5 個自由度即可滿足使用要求 2 1 2 坐標(biāo)形式的選擇 桁架機(jī)器人的坐標(biāo)形式主要可分為 直角坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型 球坐標(biāo)型 關(guān)節(jié) 坐標(biāo)型另外還有比較復(fù)雜的 SCARA 型和并聯(lián)型 9 1 直角坐標(biāo)型桁架機(jī)器人 這類桁架機(jī)器人就是如圖 2 1 a 得直移型 其手部空 間位置的改變通過沿三個互相垂直軸線的移動來實現(xiàn) 該形式桁架機(jī)器人具有位置精 度高 控制無耦合 簡單 壁障性好等特點 但結(jié)構(gòu)較龐大 動作范圍小 靈活性差 且移動軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜 占地面積大 而且需架空線路 2 圓柱坐標(biāo)型桁架機(jī)器人 這種桁架機(jī)器人如圖 2 1 b 的回轉(zhuǎn)型桁架機(jī)器人 通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手部空間位置的改變 手臂的運動系由垂直立柱平面內(nèi) 的伸縮和沿立柱的升降兩個直線運動及手臂繞立柱的轉(zhuǎn)動復(fù)合而成 這種桁架機(jī)器人 占地面積小而活動范圍較大 結(jié)構(gòu)亦較簡單 并能達(dá)到較高的定位精度 因而應(yīng)用范 5 圍較廣泛 機(jī)身采用立柱式 桁架機(jī)器人側(cè)面行走 順利完成上料 翻轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)位等功 能 但是結(jié)構(gòu)也比較龐大 兩個移動軸的設(shè)計較為復(fù)雜 3 球坐標(biāo)型機(jī)器人 這類桁架機(jī)器人如圖 2 1 c 的俯仰型桁架機(jī)器人 其手 臂沿 X 方向伸縮 繞 Y 軸俯仰和繞 Z 軸回轉(zhuǎn) 這類桁架機(jī)器人具有占地面積小 結(jié)構(gòu) 緊湊 重量較輕 位置精度尚可等特點 能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作 但避障性差 存 在著平衡問題 位置誤差與臂長有關(guān) 4 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型桁架機(jī)器人 如圖 2 1 d 的屈伸型桁架機(jī)器人 主要由立柱 前 臂和后臂組成 機(jī)器人的運動由前 后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成 其結(jié)構(gòu)最緊湊 靈活性大 占地面積最小 工作空間最大 能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作 避障性好 但 是位置精度較低 存在平衡以及控制耦合的問題 故比較復(fù)雜 圖 2 1 機(jī)器人的坐標(biāo)形式 22 6 圖 2 2 桁架機(jī)器人基本形式示意圖 9 2 1 3 規(guī)格參數(shù) 用途 抓取 1 機(jī)器人運動自由度為 5 個 2 運動范圍為 5000X3000X2000mm 3 最大抓取力為 10Kg 4 交流伺服電機(jī)驅(qū)動 2 1 4 有效負(fù)載 有效負(fù)載是指機(jī)器人操作臂在工作時臂端可能搬運的物體重量或所能承受的力或 力矩 它表示了桁架機(jī)器人的負(fù)載能力 機(jī)器人的載荷不僅僅取決于負(fù)載的質(zhì)量 還 與機(jī)器人運動的速度和加速度的大小及方向有關(guān) 為了安全起見 有效負(fù)載是指高速 運行時的有效負(fù)載 2 1 5 運動特性 速度和加速度是表明機(jī)器人運動特性的主要指標(biāo) 它反映了機(jī)器人的使用效率和 生產(chǎn)水平 桁架機(jī)器人的運動速度越高 則其使用效率越高 生產(chǎn)水平越高 但速度 越快產(chǎn)生的沖擊和震動也越大 因此提高機(jī)器人的加減速速能力 保證機(jī)器人加速過 程的平穩(wěn)性是非常重要的 對于本文中的桁架機(jī)器人 在沒有負(fù)載時可以適當(dāng)?shù)丶涌?7 其運動速度 而在其有負(fù)載時 末端執(zhí)行器 手爪 通常要和物體直接接觸 為了安全起 見 務(wù)必要盡量減少手臂的運動速度 總的來說 桁架機(jī)器人的速度在一定范圍內(nèi)要 是可調(diào)的 這樣才能滿足在各種不同情況下的使用需要 2 1 6 工作范圍 工作半徑 工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過程中的操作范圍和運動的軌跡來 確定的 用工作空間來表示的 工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型 式 自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍的 選擇 2 2 桁架機(jī)器人材料的選擇 機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的實際工作情況來進(jìn)行選擇 在滿足機(jī)器人的設(shè)計 和運動要求前提下 從設(shè)計的理論出發(fā) 機(jī)器人手臂要進(jìn)行各種運動 因此 對材料 的一個要求是作為運動的部件 它應(yīng)是輕型材料并要求有一定剛度 另一方面 手臂 在運動過程中往往會產(chǎn)生沖擊和振動 這必然大大降低它的運動精度 所以在選擇材 料時 需要對質(zhì)量 剛度 強(qiáng)度 彈性進(jìn)行綜合考慮 以便有效地提高手臂的運動性 能 此外 機(jī)器人手臂選用的材料與一般的結(jié)構(gòu)材料不同 機(jī)器人手臂是要受到控制 的 必須考慮它的可控性 在選擇手臂材料時 可控性還要和材料的可加工性 成本 質(zhì)量等性質(zhì)一起考慮 總之 選擇機(jī)器人手臂的材料時 要綜合考慮強(qiáng)度 剛度 重量 彈性 抗震性 外觀及價格等多方面因素 下面介紹幾種機(jī)器人手臂常用的材料 7 l 碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等高強(qiáng)度鋼 這類材料強(qiáng)度好 尤其是合金結(jié)構(gòu)鋼 強(qiáng)度增加了很多倍 彈性模量大 抗變形能力強(qiáng) 是應(yīng)用最廣泛的材料 2 鋁 鋁合金及其它輕合金材料 其共同特點是重量輕 彈性模量不大 但是 材料密度小 但仍可與鋼材相比 3 陶瓷 陶瓷材料具有良好的品質(zhì) 但是脆性大 可加工性不高 一般用于和 金屬連接的特殊部位 然而 國外已經(jīng)設(shè)計出純陶瓷的桁架機(jī)器人臂了 從本文設(shè)計的桁架機(jī)器人的角度來看 在選用材料時不需要很大的負(fù)載能力 也 不需要很高的彈性模量和抗變形能力 此外還要考慮材料的成本 可加工性等因素 在衡量了各種因素和結(jié)合工作狀況的條件下 初步選用鋁合金作為機(jī)械臂的構(gòu)件材料 8 2 3 機(jī)械臂的運動方式 根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ) 常見的機(jī)器人的運動形式 有五種 直角坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型 極坐標(biāo)型 關(guān)節(jié)型和 SCARA 型 同一種運動形式 為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要 可采用不同的結(jié)構(gòu) 具體選用哪種形式 必須根據(jù)作業(yè) 要求 工作現(xiàn)場 位置以及搬運前后工件中心線方向的變化等情況 分析比較并擇優(yōu) 選取 考慮到桁架機(jī)器人的作業(yè)特點 即要求其動作靈活 有較大的工作空間 且要求 結(jié)構(gòu)緊湊 占用空間小等特點 故選用關(guān)節(jié)型桁架機(jī)器人 這類桁架機(jī)器人一般由 2 個肩關(guān)節(jié)和 1 個肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位 由 2 個或 3 個腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向 其中 一個肩關(guān)節(jié) 繞鉛直軸旋轉(zhuǎn) 另一個肩關(guān)節(jié)實現(xiàn)俯仰 這兩個肩關(guān)節(jié)軸線正交 肘關(guān)節(jié)平行于第二 個肩關(guān)節(jié)軸線 如圖所示 這種構(gòu)形動作靈活 工作空間大 在作業(yè)時空間內(nèi)手臂的 干涉最小 結(jié)構(gòu)緊湊 占地面積小 關(guān)節(jié)上相對運動部位容易密封防塵 但是這類桁 架機(jī)器人運動學(xué)比較復(fù)雜 運動學(xué)的反解比較困難 確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀 且在進(jìn)行控制時 計算量比較大 2 4 桁架機(jī)器人的驅(qū)動元件 在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中 電氣驅(qū)動是利用各種電動機(jī)產(chǎn)生的力或力矩 直接或經(jīng)過 減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動機(jī)器人的關(guān)節(jié) 來獲得動力 電氣驅(qū)動主要有步進(jìn)電機(jī) 直流伺服電 機(jī) 交流伺服電機(jī) 直線電動機(jī)以及最近幾年出現(xiàn)的超聲波電機(jī)和 HD 電動機(jī) 10 等幾 種 步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制 每輸入一個脈沖 步進(jìn)電機(jī)就進(jìn)行回轉(zhuǎn) 一定的角度 脈沖數(shù)與角度數(shù)成正比 旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序 步進(jìn)電機(jī)可 在很寬的范圍內(nèi) 通過脈沖頻率同步 能夠按照脈沖要求進(jìn)行起動 停止 反轉(zhuǎn)和制 動變速 有較強(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的能力 在機(jī)器人中位置控制系統(tǒng)中得到了極大的應(yīng) 用 主要有永磁式 反應(yīng)式 永磁感應(yīng)子式三種 直流伺服電機(jī)是用直流電供電的電動機(jī) 其功能是將輸入的受控電壓 電流能量 轉(zhuǎn)換為電樞軸上的角位移或角速度輸出 直流伺服電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與普 通動力用直流電機(jī)相同 特點是穩(wěn)定性好 可控性好 響應(yīng)迅速 轉(zhuǎn)矩大 一般有永 磁式和電磁式 在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機(jī) 9 交流伺服電機(jī)的使用情況與直流伺服電機(jī)相同 但交流伺服電機(jī)與直流伺服電機(jī) 相比 結(jié)構(gòu)簡單 工作可靠 功率大 過載能力強(qiáng) 無電刷 維修方便 因而交流伺 服電機(jī)是今后機(jī)器人用電機(jī)的主流 低速電機(jī)主要用于系統(tǒng)精度要求高的機(jī)器人 為了提高功率效率比 伺服電機(jī)制 成高轉(zhuǎn)速 經(jīng)齒輪減速后帶動機(jī)械負(fù)載 由于齒輪傳動存在間隙 系統(tǒng)精度不易提高 若對功率效率比要求不十分嚴(yán)格 而對于精度有嚴(yán)格的要求 則最好取消減速齒輪 采用大力矩的低速電機(jī) 配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測速發(fā)電機(jī) 實現(xiàn) 直接驅(qū)動 環(huán)形超聲波電動機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點 使用在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處 不需 齒輪減速 可直接驅(qū)動負(fù)載 因而可大大改善功率重量比 并可利用其中空結(jié)構(gòu)傳遞 信息 HD 電動機(jī)是一種小型大轉(zhuǎn)矩 大推力 的電動機(jī) 電動機(jī)可直接與負(fù)載連接 可 應(yīng)用在系統(tǒng)定位精度要求高的機(jī)器人產(chǎn)品中 通過上述對幾種機(jī)器人常用電機(jī)的分析和比較 綜合考慮本文桁架機(jī)器人臂并不 要求有很高的扭矩 但是要求有較高精度并要求能夠快速啟動和制動 所以選擇應(yīng)用 較為廣泛的步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī) 2 5 機(jī)構(gòu)整體設(shè)計 綜合考慮桁架機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)和作業(yè)環(huán)境 采用了 5 個自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人 整個機(jī)構(gòu)的水平運動采用來實現(xiàn) 即整個機(jī)構(gòu)裝在一個上 整個執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個 4 自 由度的串行機(jī)構(gòu) 且臂與小臂關(guān)節(jié)的軸線相互平行 這種結(jié)構(gòu)動作靈活 結(jié)構(gòu)緊湊 工作空間大 占地面積小 在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小 關(guān)節(jié)需要的驅(qū)動力矩小 能量消耗較少 關(guān)節(jié)相對運動部位容易密封防塵 桁架機(jī)器人部件組成由 立柱回轉(zhuǎn) 部件 臂 小臂 末端執(zhí)行器 噴涂頭 組成 各部分的功能如下 1 底座 是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分 整個執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)都安裝在基座上 2 立柱是手臂的支撐部分 通過安裝在底座上的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 立柱可以在機(jī) 座上轉(zhuǎn)動 3 手臂包括臂和小臂 是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運動部件 以實現(xiàn)空間位置的 3 個 坐標(biāo)分量的要求 用來支承腕關(guān)節(jié) 并使其在工作空間內(nèi)運動 為了使末端執(zhí)行器能 達(dá)到工作空間的任意位置 手臂和機(jī)身的運動設(shè)計上具有 4 個自由度 4 腕關(guān)節(jié)是連接手臂與末端執(zhí)行器的部件 用于調(diào)整末端執(zhí)行器的方向和姿態(tài) 10 手部一般是夾持裝置 主要用來夾緊作業(yè)工具 11 3 桁架機(jī)器人氣爪結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 1 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 手爪種類 1 連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下 連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊 放松 運動 由于杠桿 的力放大作用 這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力 通常與彈簧聯(lián)合使用 2 楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松 開 來實現(xiàn)抓取工件 3 齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動齒條 齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn) 產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作 4 滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運動時 滑槽通過銷子推動手爪合并 產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力 當(dāng)活 塞向后運動時 手爪松開 這種手爪開合行程較大 適應(yīng)抓取大小不同的物體 5 平行杠桿式手爪 不 需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動采用平行四邊形機(jī)構(gòu) 因此 比 帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多 結(jié)合具體的工作情況 采用連桿杠桿式手爪 驅(qū)動活塞 往復(fù)移動 通過活塞桿端 部齒條 中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合 手指的最小開度由加工 工件的直 徑來調(diào)定 本設(shè)計按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為 50mm 來設(shè)計 a 有適當(dāng)?shù)膴A緊力 手部在工作時 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力 以保證夾持穩(wěn)定可靠 變形小 且不損壞 工件的已加工表面 對于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計得可以調(diào)節(jié) 對于笨重 的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置 b 有足夠的開閉范圍 工作時 一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍 夾持類手部的手指都有 張開和閉合裝置 可用開閉角和手指夾緊端長度表示 于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍 手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān) c 力求結(jié)構(gòu)簡單 重量輕 體積小 12 作時運動狀態(tài)多變 其結(jié)構(gòu) 重量和體積直接影響整個液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 抓重 定位精度 運動速度等性能 手部處于腕部的最前端 工因此 在設(shè)計手部時 必須 力求結(jié)構(gòu)簡單 重量輕 體積小 d 手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度 因此送料 采用最常用的外卡式兩指鉗爪 夾緊方式用常閉式彈簧夾緊 夾緊液 壓機(jī)械手 根據(jù)工件的形狀 松開時 用單作用式液壓缸 此種結(jié)構(gòu)較為簡單 制造 方便 液壓缸右腔停止進(jìn)油時 液壓缸右腔進(jìn)油時松開工件 3 2 結(jié)構(gòu)分析 機(jī)械手的手部是最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 是用來握持工件的部件 常用的手部按其握 持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類 本課題采用夾持類手部 夾持類手部又可分 夾鉗式 托勾式和彈簧式 本課題選用夾鉗式 它是工業(yè)機(jī)器人最常見的一種手部 手部傳動機(jī)構(gòu)可分回轉(zhuǎn)型 平動型和平移型 回轉(zhuǎn)型的特點是當(dāng)手爪夾緊和松開物體 時 手指作回轉(zhuǎn)運動 當(dāng)被抓物體的直徑大小變化時 需要調(diào)整手爪的位置才能保持 物體的中心位置不變 平動型的特點是手指由平行四桿機(jī)構(gòu)傳動 當(dāng)手爪夾緊和松開 物體時 手指姿態(tài)不變 作平動 和回轉(zhuǎn)型手爪一樣 夾持中心隨被夾持物體直徑的 大小而變 平移型的特點是當(dāng)手爪夾緊和松開工件時 手指作平移運動 并保持夾持 中心固定不變 不受工件直徑變化的影響 為便于夾持避免固定中心的麻煩 采用平 移型 圖 2 1 所示的是靠導(dǎo)槽保持手指作平移運動 手部結(jié)構(gòu)也采用氣壓驅(qū)動 13 圖 2 1 手部裝配圖 3 3 計算分析 因工件運動速度引起視在重量增加情況下的夾緊力計算 機(jī)器人手臂停止?fàn)顟B(tài)開始的直線運動和旋轉(zhuǎn)運動的組合 所以伴隨有速度和加速度 工 件有了加速度 其視在重量就變化 設(shè)機(jī)械手手部縱向中心線上所加的驅(qū)動力為 P P 氣缸有效截面積 使用的氣壓 作用在一個指尖上的夾緊力為 Q 方向沿手 指的運動方向 設(shè) 3 個手指以摩擦力 3 Q 工件重量為 G mg 夾起工件要計算的是單 個手指所必須的力 Q 1 垂直上升的情況 如圖 2 2 所示 工件以加速度 a 垂直上升 要使工件不掉下 下式必須成立 30Qmga 得 2 代入數(shù)據(jù) 得 0 319 8425N A 2 水平旋轉(zhuǎn)的情況 機(jī)械手部繞垂直軸以半徑 r 作水平旋轉(zhuǎn) 工件夾緊面與旋轉(zhuǎn)圓弧切線方向平行 14 如圖 2 3 所示 切線方向 20Qtmr 主法線方向 2 nrF 20nR 副法線方向 2 bmgQr 20b 聯(lián)立上式 求解得 22 rgrQm 代入數(shù)據(jù) 得 220 519 80 53 7 N A 后指 22cos sin 0RmagQa 由于是機(jī)械手部機(jī)構(gòu) Q F QR 所以結(jié)果 Q 必須滿足下式2 cos sinagam 代入數(shù)據(jù) 得 20 398cos459 80 1539 8sin45 1 3 Q N 15 圖 2 4 工件水平直進(jìn)時受力分析圖 綜上所述 得 7 3QN 最 大 值 由于考慮到設(shè)計的機(jī)械手的安全問題 應(yīng)再乘上一個安全系數(shù) S Q 1 450 69SN 安 全 值 最 大 值 夾緊力 Q 與壓強(qiáng)的關(guān)系由實驗測得 如圖 2 5 所示 由設(shè)計要求得知夾持長度 L 25mm 根據(jù)圖可知所加的壓強(qiáng)約為 0 5MPa 夾 持 長 度 夾緊力 16 水平方向運動機(jī)械部件的計算 3 4 電機(jī)計算 1 選擇步進(jìn)電機(jī) 齒輪齒條工作時 需要克服摩擦阻力矩 工件負(fù)載阻力矩和啟動時的慣性力矩 根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計算公式 15 3 1 慣負(fù)摩總 M 3 2 總摩 1 0 3 3 啟慣 tJmgl 3 4 啟負(fù)負(fù)負(fù) 3 5 lRv 21 3 6 lJ負(fù)負(fù) 3 7 2123m 3 8 lv 式中 偏轉(zhuǎn)所需力矩 N m 總M 摩擦阻力矩 N m 摩 負(fù)載阻力矩 N m 負(fù) 啟動時慣性阻力矩 N m 慣 工件負(fù)載對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 kg m 2 負(fù)J 對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 kg m 2 偏轉(zhuǎn)角速度 rad s 質(zhì)量 kg m 負(fù)載質(zhì)量 kg 負(fù) 啟動時間 s 啟t 部分材料密度 kg m 3 17 末端的線速度 m s v 根據(jù)已知條件 kg m s m m m 5 2 負(fù)m8 0v035 1 R025 12 l s 采用的材料假定為鑄鋼 密度 kg m3 2 0 啟t 7 將數(shù)據(jù)代入計算得 l21 12 05 0 4 38 7 kg6 r s7 12 0lv kg m2036 52 mJ負(fù)負(fù) 21 23Rl 2205 3 76 076 kg m231 9 啟負(fù)負(fù)負(fù) tJglmM 2 0 67 3 0 5 2 N m4 啟慣 tJgl 2 0 6713 92 0176 N m42 4 5 總慣負(fù)摩總 MM N m7 總 因為傳動是通過齒輪齒條實現(xiàn)的 所以查取手冊 15 得 彈性聯(lián)軸器傳動效率 9 01 滾動軸承傳動效率 一對 3 齒輪齒條傳動效率 7 4 計算得傳動的裝置的總效率 8501 a 電機(jī)在工作中實際要求轉(zhuǎn)矩 N m 3 9 3 4 aiM總電 18 根據(jù)計算得出的所需力矩 結(jié)合北京和利時電機(jī)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 90 系列的五 相混合型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線 如圖 3 3 和圖 3 4 所示 選擇 90BYG5200B SAKRML 0301 型號的步進(jìn)電機(jī) 圖 3 3 90BYG 步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 圖 3 4 90BYG5200B SAKRML 0301 型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線 3 5 齒輪齒條的設(shè)計計算 1 選定齒輪類型 精度等級 材料及齒數(shù) a 選直齒圓柱齒輪 b 貨叉為一般工作機(jī)械 速度不高 故選用 7 級精度 GB 0095 88 c 材料選擇 選擇齒輪材料為 40Cr 調(diào)質(zhì) 硬度為 280HBS 齒條材料為 45 鋼 調(diào) 質(zhì) 硬度為 240HBS 19 d 初選齒輪齒數(shù)為 Z 20 2 按齒面接觸強(qiáng)度計算 設(shè)計公式為 dt 2 32 4 3 1 321dkTHZE a 確定公式內(nèi)各參數(shù)的值 1 試選載荷系數(shù) Kt 1 2 2 計算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T 4 3 2 103 5 4min 26 9 r 1 47 N mm 3 選齒寬系數(shù) 0 45d 4 查得材料的彈性影響系數(shù) ZE 189 8MPa2 1 5 按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 齒條的接觸疲勞強(qiáng)PaH60lim 度極限 MPaH50lim 6 取齒輪接觸疲勞壽命系數(shù) kH 0 90 齒條接觸疲勞壽命系數(shù) kH 0 95 7 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1 安全系數(shù) S 1 由公式 求得 齒輪的接觸疲0 H lim SkN 勞許用應(yīng)力 540MPa 齒條的接觸疲勞許用應(yīng)力 522 5Mpa H b 按齒面接觸強(qiáng)度計算 1 計算齒輪的分度圓直徑 dt 2 32 4 3 3 321dkTZE 2 323 421 7 10589 36 5mm 2 計算圓周速度 v 4 3 4 10 6dtn 25 3 20 0 05m s 3 齒寬 b dt 0 45 36 5 16 425mm 4 3 5 d 4 計算齒寬與齒高之比 hb 模數(shù) mt 36 5 20 1 825mm 4 3 6 zt 齒高 h 2 25mt 2 25 1 825 4 11mm 4 3 7 16 425 4 11 3 996hb 5 計算載荷系數(shù) 根據(jù) v 0 05m s 7 級精度 由圖可查得動載系數(shù) Kv 1 002 直齒輪 KH KF 1 由表查得使用系數(shù) KA 1 25 由表查得 7 級精度 齒輪懸臂布置時 KH 1 189 由 3 996 KH 1 189 查得 KF 1 14 故載荷系數(shù)hb K KAKvKH KH 1 002 1 1 25 1 1 189 1 489 4 3 8 6 按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑 由公式得 d dt 36 5 39 222mm 4 3 9 3Kt32 1489 7 計算模數(shù) m m d z 39 222 20 1 96mm 4 3 10 3 按齒根彎曲強(qiáng)度計算 彎曲強(qiáng)度的設(shè)計公式為 m 4 3 11 32zdKTFYaS a 確定公式內(nèi)各參數(shù)的值 1 查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 齒條的彎曲疲勞強(qiáng)度極限MPaE501 MPaFE3802 2 查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1 0 83 齒條的彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN2 0 88 3 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S 1 4 由公式得 21 齒輪的許用應(yīng)力 296 43Mpa 4 3 12 F SEKN14 50 83 齒條的許用應(yīng)力 238 86Mpa 4 3 13 2 4 計算載荷系數(shù) K K KAKvKF KF 1 002 1 25 1 1 14 1 428 4 3 14 5 查取齒形系數(shù) 查得齒輪的齒形系數(shù) YFa 2 80 6 查取應(yīng)力校正系數(shù) 查得 YSa 1 55 7 計算 0 01464 4 3 15 FYaS 57 301 82 b 設(shè)計計算 m 4 3 16 32zdKTFYaS 3 2 401 5 748016 1 51mm 對比計算結(jié)果 由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù) 由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力 而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所 決定的承載能力 僅與齒輪直徑 即模數(shù)與齒數(shù)的乘積 有關(guān) 可取由彎曲強(qiáng)度算得 的模數(shù) 1 51 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m 2mm 按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 d 39 222mm 算出齒輪齒數(shù) z d m 39 222 2 20 這樣設(shè)計出的齒輪傳動 既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度 又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 并做到結(jié)構(gòu)緊湊 避免浪費 4 幾何尺寸的計算 a 計算分度圓直徑 d mz 2 20 40mm 4 3 17 22 b 計算齒輪齒條寬度 b d 0 45 40 18mm 4 3 18 d 取齒輪寬度 B 17mm 齒條寬度為 B 16mm c 計算齒頂圓直徑 da d 2ha m 40 2 2 44mm 4 3 19 d 計算齒根圓直徑 df d 2 ha c m 40 2 1 25 2 35mm 4 3 20 e 計算齒輪齒條的節(jié)距 P m 2 4 3 21 f 計算齒頂高 ha m 1 2 2 4 3 22 ha g 計算齒根高 hf m 1 0 25 2 2 5 4 3 22 c 豎直方向運動機(jī)械部件的計算 步進(jìn)電機(jī)的選型 計算所需的轉(zhuǎn)矩 N m 3 1 慣慣Ml N m 3 2 JJt 慣 手 腕 負(fù) 載 啟臂 rad s 3 3 lv N m 3 4 l1 0 摩 kg m2 3 5 2hbmJ 3 6 lMF 式中 臂轉(zhuǎn)動所需的轉(zhuǎn)矩 N m lM 23 臂轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的慣性轉(zhuǎn)矩 N m 慣M 摩擦所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 N m 摩 臂的長度 mm mm l 20l 臂材料的密度 kg m 3 kg m3 107 B 臂的外寬 mm mm 18B H 臂的外長 mm mm H b 臂的內(nèi)寬 mm mm 50b h 臂的內(nèi)高 mm mm 1h d 旋轉(zhuǎn)中心的偏移量 mm mm 4d 臂擺動的角速度 rad s v 工作速度 m s m s 6 0 v 啟動時間 s 0 5s 啟t 啟t 電機(jī)安裝位置 mm l 2 l 設(shè)臂為實心時的質(zhì)量為 對應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量為 用臂材料填充臂空心部分所外m外J 需的質(zhì)量為 對應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量為 內(nèi) 內(nèi)J 代入數(shù)據(jù)得 kg98 6 018 107 23 BHl 外 kg45bhm內(nèi) kg3 26 49 內(nèi)外 同理有 kgm2 kgm2 kgm23 9J 臂 831 手 腕J 負(fù) 載J rad s15 0 cos max lv N m763 4 tM總慣 N mlM9 慣 N m4 0 慣l N182 36 lF 圖 3 4 是北京和利時電機(jī)技術(shù)有限公司部分 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù) 24 據(jù) 圖 3 4 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù) 所以根據(jù)計算所得數(shù)據(jù)選擇 110BYG350DH SAKRMA 型號的電機(jī) 圖 3 5 是 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的型號說明 圖 3 5 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的型號說明 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸 如圖 3 6 所示 圖 3 6 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線 如圖 3 7 所示 25 圖 3 7 110BYG350DH 型電機(jī)矩頻特性曲線 3 選定齒輪類型 精度等級 材料及齒數(shù) e 選直齒圓柱齒輪 f 貨叉為一般工作機(jī)械 速度不高 故選用 7 級精度 GB 0095 88 g 材料選擇 選擇齒輪材料為 40Cr 調(diào)質(zhì) 硬度為 280HBS 齒條材料為 45 鋼 調(diào) 質(zhì) 硬度為 240HBS h 初選齒輪齒數(shù)為 Z 20 4 按齒面接觸強(qiáng)度計算 設(shè)計公式為 dt 2 32 4 3 1 321dkTHZE c 確定公式內(nèi)各參數(shù)的值 1 試選載荷系數(shù) Kt 1 2 2 計算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T 4 3 2 103 5 4min 26 9 r 1 47 N mm 3 選齒寬系數(shù) 0 45d 4 查得材料的彈性影響系數(shù) ZE 189 8MPa2 1 26 5 按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 齒條的接觸疲勞強(qiáng)MPaH60lim 度極限 MPaH50lim 6 取齒輪接觸疲勞壽命系數(shù) kH 0 90 齒條接觸疲勞壽命系數(shù) kH 0 95 7 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1 安全系數(shù) S 1 由公式 求得 齒輪的接觸疲0 H lim SkN 勞許用應(yīng)力 540MPa 齒條的接觸疲勞許用應(yīng)力 522 5Mpa H d 按齒面接觸強(qiáng)度計算 1 計算齒輪的分度圓直徑 dt 2 32 4 3 3 321dkTZE 2 323 421 7 10589 36 5mm 2 計算圓周速度 v 4 3 4 10 6dtn 25 3 0 05m s 3 齒寬 b dt 0 45 36 5 16 425mm 4 3 5 d 4 計算齒寬與齒高之比 hb 模數(shù) mt 36 5 20 1 825mm 4 3 6 zt 齒高 h 2 25mt 2 25 1 825 4 11mm 4 3 7 16 425 4 11 3 996hb 5 計算載荷系數(shù) 根據(jù) v 0 05m s 7 級精度 由圖可查得動載系數(shù) Kv 1 002 直齒輪 KH KF 1 由表查得使用系數(shù) KA 1 25 由表查得 7 級精度 齒輪懸臂布置時 KH 1 189 27 由 3 996 KH 1 189 查得 KF 1 14 故載荷系數(shù)hb K KAKvKH KH 1 002 1 1 25 1 1 189 1 489 4 3 8 6 按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑 由公式得 d dt 36 5 39 222mm 4 3 9 3Kt32 1489 7 計算模數(shù) m m d z 39 222 20 1 96mm 4 3 10 3 按齒根彎曲強(qiáng)度計算 彎曲強(qiáng)度的設(shè)計公式為 m 4 3 11 32zdKTFYaS a 確定公式內(nèi)各參數(shù)的值 1 查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 齒條的彎曲疲勞強(qiáng)度極限MPaE501 MPaFE3802 2 查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1 0 83 齒條的彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN2 0 88 3 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S 1 4 由公式得 齒輪的許用應(yīng)力 296 43Mpa 4 3 12 F SEKN14 50 83 齒條的許用應(yīng)力 238 86Mpa 4 3 13 2 4 計算載荷系數(shù) K K KAKvKF KF 1 002 1 25 1 1 14 1 428 4 3 14 5 查取齒形系數(shù) 查得齒輪的齒形系數(shù) YFa 2 80 6 查取應(yīng)力校正系數(shù) 查得 YSa 1 55 7 計算 0 01464 4 3 15 FYaS 57 301 82 b 設(shè)計計算 28 m 4 3 16 32zdKTFYaS 3 2 401 5 748016 1 51mm 對比計算結(jié)果 由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù) 由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力 而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所 決定的承載能力 僅與齒輪直徑 即模數(shù)與齒數(shù)的乘積 有關(guān) 可取由彎曲強(qiáng)度算得 的模數(shù) 1 51 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m 2mm 按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 d 39 222mm 算出齒輪齒數(shù) z d m 39 222 2 20 這樣設(shè)計出的齒輪傳動 既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度 又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 并做到結(jié)構(gòu)緊湊 避免浪費 4 幾何尺寸的計算 a 計算分度圓直徑 d mz 2 20 40mm 4 3 17 b 計算齒輪齒條寬度 b d 0 45 40 18mm 4 3 18 d 取齒輪寬度 B 17mm 齒條寬度為 B 16mm c 計算齒頂圓直徑 da d 2ha m 40 2 2 44mm 4 3 19 d 計算齒根圓直徑 df d 2 ha c m 40 2 1 25 2 35mm 4 3 20 e 計算齒輪齒條的節(jié)距 P m 2 4 3 21 f 計算齒頂高 ha m 1 2 2 4 3 22 ha g 計算齒根高 hf m 1 0 25 2 2 5 4 3 22 c 29 齒條齒部彎曲強(qiáng)度的計算 齒條牙齒的單齒彎曲應(yīng)力 210 6sbhFxt 式中 齒條齒面切向力t b 危險截面處沿齒長方向齒寬 齒條計算齒高 1h S 危險截面齒厚 從上面條件可以計算出齒條牙齒彎曲應(yīng)力 451 16N mm 0F 216 3 05 6729 2 上式計算中只按嚙合的情況計算的 即所有外力都作用在一個齒上了 實際上齒 輪齒條的總重合系數(shù)是 2 63 理論計算值 在嚙合過程中至少有 2 個齒同時參加嚙合 因此每個齒的彎曲應(yīng)力應(yīng)分別降低一倍 182 2N mm 201F 2 齒條的材料我選擇是 45 剛制造 因此 抗拉強(qiáng)度 690N mm 沒有考慮熱處理對強(qiáng)度的影響 b2 齒部彎曲安全系數(shù) S 3 8 b 01F 因此 齒條設(shè)計滿足彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計要求 又滿足了齒面接觸強(qiáng)度 符合本次 設(shè)計的具體要求 3 6 直線滾動導(dǎo)軌副的計算 選擇 根據(jù)給定的工作載荷 Fz和估算的 Wx和 Wy計算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù) fSL C0 P 式中 C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷 kN 工作載荷 P 0 5 Fz W fSL 1 0 3 0 一般運行狀況 3 0 5 0 運動時受沖擊 振動 根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌 1 選 BR 直線滾動導(dǎo)軌導(dǎo)軌 E 級精度 查得 f h 1 ft 1 fc 0 81 f 1 fw 1 2 工作壽命每天 8 小時 連續(xù)工作 5 年 250 年 額定壽命為 Lh 5 250 8 10000 h 每分鐘往復(fù)次數(shù) nz 8 L 2lsnz60Lh 103 2 0 31 8 60 38400 103 11428Km 計算四滑塊的載荷 工作臺及其物重約為 4000N 30 計算需要的動載荷 C P 110 4 27 5N C fwP fh ft fc f L 50 1 3 208N 由 機(jī)械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書 表 3 20 中選用 LY15AL 直線滾動導(dǎo)軌副 其 C 606N C0 745N 基本參數(shù)如下 導(dǎo)軌的額定動載荷 N1750a 31 依據(jù)使用速度 v m min 和初選導(dǎo)軌的基本動額定載荷 kN 驗算導(dǎo)軌的工作aC 壽命 Ln 額定行程長度壽命 HTCaWffSFTK 2045MF1 81 oTWCHRdffffK 3 310 817502 5 4209 58HTCa WffSF km 導(dǎo)軌的額定工作時間壽命 3102SoTHln 3 310249 58104971506SoTln hTh 導(dǎo)軌的工作壽命足夠 3 滾動導(dǎo)軌間隙調(diào)整 預(yù)緊可以明顯提高滾動導(dǎo)軌的剛度 預(yù)緊采用過盈配合 裝配時 滾動體 滾道及導(dǎo) 軌之間有一定的過盈量 4 潤滑與防護(hù) 潤滑 采用脂潤滑 使用方便 但應(yīng)注意防塵 防護(hù)裝置的功能主要是防止灰塵 切屑 冷卻液進(jìn)入導(dǎo)軌 以提高導(dǎo)軌壽命 防護(hù)方式用蓋板式 3 7 小齒輪的強(qiáng)度計算 3 7 1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算 計算斜齒圓柱齒輪傳動的接觸應(yīng)力時 推導(dǎo)計算公式的出發(fā)點和直齒圓柱齒輪相 32 似 但要考慮其以下特點 嚙合的接觸線是傾斜的 有利于提高接觸強(qiáng)度 重合度大 傳動平穩(wěn) 齒輪的計算載荷 為了便于分析計算 通常取沿齒面接觸線單位長度上所受的載荷進(jìn)行計算 沿齒 面接觸線單位長度上的平均載荷 P 單位為 N mm 為 P LFn Fn 作用在齒面接觸線上的法向載荷 L 沿齒面的接觸線長 單位 mm 法向載荷 Fn 為公稱載荷 在實際傳動中 由于齒輪的制造誤差 特別是基節(jié)誤差 和齒形誤差的影響 會使法面載荷增大 此外 在同時嚙合的齒對間 載荷的分配不 是均勻的 即使在一對齒上 載荷也不可能沿接觸線均勻分布 因此在計算載荷的強(qiáng) 度時 應(yīng)按接觸線單位長度上的最大載荷 即計算 Pca 單位 N mmm 進(jìn)行計算 即 Pca KP K LFn K 載荷系數(shù) 載荷系數(shù) K 包括 使用系數(shù) 動載系數(shù) 齒間載荷分配系數(shù) 及齒向載AKV K 荷分布數(shù) 即 K AV 使用系數(shù) 是考慮齒輪嚙合時外部領(lǐng)接裝置引起的附加動載荷影響的系數(shù) 1 0 A 動載系數(shù) VK 齒輪傳動制造和裝配誤差是不可避免的 齒輪受載后還要發(fā)生彈性變形 因此引 入了動載系數(shù) 1 0 V 齒間載荷系數(shù) K 齒輪的制造精度 7 級精度 2 1 2 H 33 齒向荷分配系數(shù) K 齒寬系數(shù) d b d 18 14 12 13 1 5 1 1 12 0 18 1 0 6 d 0 23 10 b 1 5 H23 所以載荷系數(shù) K 1 1 1 2 1 5 1 8AV H 斜齒輪傳動的端面重合度 bsin 0 318 d z tan 1 65 nm 1 在斜齒輪傳動中齒輪的單位長度受力和接觸長度如下 P ca KP K LFn 因為 1cos b Fn Ft cos cos 1 n 所以 tttnca bKFbKFLP coscoscs11 1 8 3297 6 18 14 1 65 0 67 296N mm 利用赫茲公式 代入當(dāng)量直齒輪的有關(guān)參數(shù)后 得到斜齒圓柱齒輪的齒面接觸疲 勞強(qiáng)度校核公式 2 1 cos in2112 atttbH dKFE 1 bdKFZtHE H 式中 Z 彈性系數(shù) E 21E 主動小齒輪選用材料 20CrMo 制造 根據(jù)材料選取 均為 0 3 E E 都為1 212 34 合金鋼 取 189 8 MPa 2 1 求得 Z 5 7E 節(jié)點區(qū)域系數(shù)Httb cos in2 Z 2 24H 齒輪與齒條的傳動比 u u 趨近于無窮 則 1 所以 51 6 MPaH 小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限 1000 MPa 1lim 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 2 10 5 所以 1 1 HK 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1 安全系數(shù) S 1 可得 1 1 1000MPa 1100MPa 4 38 SHNlim K 接觸疲勞壽命系數(shù)H 由此可得 H 所以 齒輪所選的參數(shù)滿足齒輪設(shè)計的齒面接觸疲勞強(qiáng)度要求 3 7 2 齒輪齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度計算 齒輪受載時 齒根所受的彎矩最大 因此齒根處的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱 當(dāng)齒輪在 齒頂處嚙合時 處于雙對齒嚙合區(qū) 此時彎矩的力臂最大 但力并不是最大 因此彎 矩不是最大 根據(jù)分析 齒根所受的最大玩具發(fā)生在輪齒嚙合點位于單對齒嚙合最高 點時 因此 齒根彎曲強(qiáng)度也應(yīng)按載荷作用于單對齒嚙合區(qū)最高點來計算 斜齒輪嚙合過程中 接觸線和危險截面位置在不斷的變化 要精確計算其齒根應(yīng) 力是很難的 只能近似的按法面上的當(dāng)量直齒圓柱齒輪來計算其齒根應(yīng)力 35 將當(dāng)量齒輪的有關(guān)參數(shù)代入直齒圓柱齒輪的彎曲強(qiáng)度計算公式 考慮螺旋角使接 觸線傾斜對彎曲強(qiáng)度有利的影響而引入螺旋角系數(shù) 可得到斜齒圓柱齒輪的彎曲疲 Y 勞強(qiáng)度計算校核公式 FnSaFtbmK 齒間載荷分配系數(shù) FK 1 2 FK 齒向載荷分配系數(shù) F 1 33 F 載荷系數(shù) K 1 1 1 2 1 3 1 56 AKV F 齒形系數(shù) aFY 41 3 校正系數(shù) aS 1 4Y 螺旋角系數(shù) 75 0 校核齒根彎曲強(qiáng)度 FantbmK YSaF 323 8MPa75 0 41 365 7 14829 彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù) minFS 1 5 minFS 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 minFENSK 36 彎曲疲勞壽命系數(shù) 1 5 FNKFNK 可得 1 5 1000 1 5 1000 MPa 所以 F 因此 本次設(shè)計及滿足了小齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度又滿足了小齒輪的彎曲疲勞 強(qiáng)度 符合設(shè)計要求 3 8 橫梁的強(qiáng)度與剛度的計算 由于橫梁是三個方向上尺寸相差不太多的箱體零件 用材料力學(xué)的強(qiáng)度分析方法 不能全面地反應(yīng)它的應(yīng)力狀況 目前 在進(jìn)行初步設(shè)計計算時 還只能將橫梁簡化為 簡支梁進(jìn)行粗略核算 而將許用應(yīng)力取得很低 按簡支梁