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摘要
因?yàn)殡姍C(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、環(huán)保、維修簡(jiǎn)單等一系列明顯優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到及其廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)中不可或缺的重要手段之一，在當(dāng)今備受人們的關(guān)注與重視。還有近年來(lái)工業(yè)機(jī)械化和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)械手臂已經(jīng)能做出類(lèi)似人手臂的一些機(jī)械功能，在實(shí)際生產(chǎn)中按已有設(shè)定的程序抓取物件或操作機(jī)械工具運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)械裝置，且是最早出現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)器人，而且也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代化工業(yè)機(jī)器人，它可代替人工以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化和高效率，還能在對(duì)人體有害環(huán)境下代替人工進(jìn)行穩(wěn)定的操作，因此現(xiàn)今的機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、輕工業(yè)和原子能等相關(guān)的工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)中。
首先，根據(jù)上料機(jī)器人的功能需求進(jìn)行上料機(jī)器人手臂的總體結(jié)構(gòu)分析，提出多種總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)多中方案進(jìn)行檢查分析，選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案；其次進(jìn)行最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案的具體設(shè)計(jì)，其中包括傳動(dòng)方案的選擇，滾珠絲杠的設(shè)計(jì)，電機(jī)的選擇，齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)，軸承和軸的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核；再次運(yùn)用CAD繪制二維工程總裝圖和主要零件圖，細(xì)致剖析機(jī)器人手臂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，標(biāo)注機(jī)器人手臂的整體尺寸與基本公差配合；最后用Pro/E做出上料機(jī)器人臂部的部分零件圖和總裝配圖，并建立上料機(jī)械臂的三維實(shí)體模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析檢查干涉情況；并用ANSYS軟件建立機(jī)械臂重要零部件的有限元模型，然后進(jìn)行必要的應(yīng)力分析并校核強(qiáng)度，最后運(yùn)用UG建立零件的數(shù)控加工過(guò)程。
關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；設(shè)計(jì)；仿真；加工
ABSTRACT
Because the motor drive technology has a series of significant advantages, such as simple structure, low cost, no pollution, easy maintenance and so on. Now the motor drive get more and more widely used in industrial production, has become an indispensable important means of automation, have been paid much attention by people. Along with the development of the industrial mechanization and automation in recent years, some of the mechanical arm can imitate the manpower and arm action function, it can grab according to a fixed procedure operating tool to moving objects or automatic operation of the device, and it is the first industrial robots,it is also the first modern robot, it can work hard instead of human to realize mechanization and automation of production, operating in a dangerous environment to protect personal safety, thus it is widely used in machinery, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy etc.
First of all, according to the functional requirements of the feeding robot arm for the overall structure analysis, put forward a variety of design of overall structure, and inspection on the analysis, choose the best of all. For the specific design of the best design, including the transmission choose, the design of the ball screw, the choice of motor, the design of the gear transmission, bearing and shaft design calculation and checking; The CAD drawing of two-dimensional engineering assembly diagram and main parts diagram, detailed analyzes the internal structure of the robot arm label the overall size of the robot arm with basic tolerance; Using Pro/E to make feeding robot arm parts of figure and total assembly drawing, and establish the feeding three-dimensional entity model of the robot arm movement simulation analysis to check interference; Using
ANSYS software to establish finite element model of typical components, stress analysis and strength checking, using UG to establish the major parts of nc machining process.
Keyword：Mechanical arm; Design; Simulation; Processing
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目 錄
摘要 II
Abstract III
1緒論 1
1.1 本論文的學(xué)術(shù)背景及理論與實(shí)際意義 1
1.2 上料機(jī)器人手臂的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3 本論文研究的主要內(nèi)容 8
2 上料機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
2.1 總體方案分析 10
2.2 傳動(dòng)方案的選擇 11
2.3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 13
2.4 電機(jī)的選擇 17
2.5 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 19
2.6 軸承的選擇 25
2.7 俯仰軸的設(shè)計(jì) 28
3 PRO/E建模和仿真 32
3.1 主要部件建模及其簡(jiǎn)介 32
3.2 其他主要三維模型的展示 42
3.3 上料機(jī)器人手臂的裝配模型 45
4結(jié)論 66
參考文獻(xiàn) 67
5致謝 69
I
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1 緒論
1.1本論文的學(xué)術(shù)背景及理論與實(shí)際意義
工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)生產(chǎn)的具有多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂且多方向可動(dòng)的機(jī)器裝置，它能按事先設(shè)定好的程序自動(dòng)執(zhí)行設(shè)定好的工作，它是靠電機(jī)提供動(dòng)力和程序自我控制能力的相互協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械功能的一種機(jī)器裝置。它可以受人的控制和指揮，也可以按照程序設(shè)定自動(dòng)平穩(wěn)工作，現(xiàn)代的機(jī)器人還可以按照人工智能技術(shù)設(shè)定的各項(xiàng)原則來(lái)工作。
現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、新型材料、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多技術(shù)融為一體的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)中非常重要的自動(dòng)化機(jī)械裝備。1962年美國(guó)制造出世界上第一臺(tái)運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人以來(lái)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展及其迅速，我國(guó)也在迎頭趕上?，F(xiàn)在已經(jīng)成為柔性制造系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)大規(guī)模集成制造系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行工具。
工業(yè)機(jī)器人是一種運(yùn)行獨(dú)立，多方向可動(dòng)，程序可以編程控制，自動(dòng)化程度很高的可代替人工的操作機(jī)械。主要運(yùn)用在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)中，還可以用于柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或作為夾具。工業(yè)機(jī)器人以剛性高的材料作為主體通常是手臂部分，與人工相比，可以有更高的工作效率，可以搬運(yùn)人工不可以搬運(yùn)的東西或者更重的東西，而且定位精度非常高，它可以根據(jù)設(shè)定的程序或者外來(lái)信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行操作。運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人可以非常有效的提高工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中最大程度的自動(dòng)化，改善人力資源需求，減輕工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于人工依賴(lài)的一種有效手段。機(jī)器人的誕生和發(fā)展過(guò)程雖然只有30多年的時(shí)間，但它已應(yīng)用到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域,工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,軍事技術(shù)領(lǐng)域等眾多的領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景，并且顯示出其強(qiáng)大的生命力[1]
廣泛采用工業(yè)機(jī)器人，不僅可以提高工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量與效率，而且對(duì)保障人身安全、改善生產(chǎn)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約材料消耗以及降低工業(yè)生產(chǎn)成本有著非常重要的意義。
1.2上料機(jī)器人手臂的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)
（1）世界機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀和今后的發(fā)展趨勢(shì)。
第一代工業(yè)機(jī)器人就是現(xiàn)階段工業(yè)中被大量使用的現(xiàn)型工業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人，它主要由手部、關(guān)節(jié)、臂部、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成。第一代工業(yè)機(jī)器人控制方式比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用人工編程然后存儲(chǔ)在本身系統(tǒng)中，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行工作時(shí)讀出這些事先編好的信息，然后向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令進(jìn)行操作。第二代工業(yè)機(jī)器人就是帶有多種傳感器的機(jī)器人。它具有尋力覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)等進(jìn)行反饋的能力。第二代工業(yè)機(jī)器人控制方式比第一代工業(yè)機(jī)器人要先進(jìn)并且復(fù)雜的多，第二代工業(yè)機(jī)器人從1980年進(jìn)入了實(shí)用階段，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始普及應(yīng)用。第三代工業(yè)機(jī)器人就是數(shù)字智能化機(jī)器人。這種機(jī)器人除了具有觸覺(jué)、視覺(jué)等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識(shí)自身和周?chē)沫h(huán)境，識(shí)別對(duì)象的有無(wú)及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識(shí)別自動(dòng)選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能記錄和檢測(cè)工作對(duì)象的變化，具有適應(yīng)各種復(fù)雜工作環(huán)境的新功能。第三代機(jī)器人現(xiàn)在還處于設(shè)計(jì)研制研制階段，還沒(méi)有大量投入工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中 。
目前，國(guó)外西方發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)機(jī)器人軌跡技術(shù)已經(jīng)較為成熟。歐洲委員會(huì)設(shè)定了節(jié)能目標(biāo)：到2020年工業(yè)機(jī)器人一次能源的消耗要比2007年減少20%。美國(guó)Meike和Ribickis，研究了ABB機(jī)器人獲取時(shí)間最優(yōu)軌跡和能量最優(yōu)軌跡的獲取算法，這將使同樣的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)目的采用最優(yōu)化的軌跡，實(shí)現(xiàn)時(shí)間和能耗的最優(yōu)。
國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)在正在研究工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)械臂的模塊化設(shè)計(jì)。想要研制一種新型模塊化可任意旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。為使模塊化關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到保證并且更緊湊，因此設(shè)計(jì)采用電機(jī)、編碼器和制動(dòng)器軸線(xiàn)平行的布置方式，具有標(biāo)準(zhǔn)通用的機(jī)械、電氣接口，可以根據(jù)企業(yè)或者生產(chǎn)線(xiàn)的需求不同組裝成不同構(gòu)型的機(jī)械臂；針對(duì)模塊化機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)不具有通用性的問(wèn)題，基于構(gòu)型平面匹配的方法，將空間構(gòu)形轉(zhuǎn)換為平面幾何關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的模塊化運(yùn)動(dòng)學(xué)求解；設(shè)計(jì)了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真平臺(tái)，能夠快速獲得不同構(gòu)型機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)；結(jié)合該模塊化旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的特點(diǎn)，構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種構(gòu)型機(jī)械臂的控制。
由于新型的機(jī)械臂模塊化推進(jìn)了機(jī)器人創(chuàng)新技術(shù)的速度，使得企業(yè)與企業(yè)之間的相互了解的反應(yīng)時(shí)間大大縮短。作為一條行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)規(guī)則，管理者不得不去適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念快速更替和機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)的各種創(chuàng)新發(fā)展，單單只去了解同行業(yè)直接競(jìng)爭(zhēng)廠商的運(yùn)營(yíng)模式和競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)略方針是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，與產(chǎn)品相關(guān)的其他模塊的創(chuàng)新設(shè)計(jì)發(fā)展及其行業(yè)內(nèi)部容易變化的合作聯(lián)盟關(guān)系都有可能隨時(shí)導(dǎo)致非常激烈的競(jìng)爭(zhēng)。模塊是產(chǎn)品知識(shí)的提現(xiàn)和載體，對(duì)模塊科研成果的應(yīng)用就是對(duì)科學(xué)知識(shí)的直接有效應(yīng)用，利用好現(xiàn)階段已經(jīng)有的的經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)的模塊，就可以把產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)與成本降到最低，同時(shí)還可以提高所生產(chǎn)產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、和設(shè)計(jì)質(zhì)量。因?yàn)槊總€(gè)模塊功能都具有獨(dú)立性和模塊接口的一致性，所以要求其各個(gè)模塊設(shè)計(jì)研究更加的專(zhuān)業(yè)，細(xì)致，可靠。我們可以通過(guò)不斷的改進(jìn)與升級(jí)機(jī)器人自身的性能和精度來(lái)提高產(chǎn)品的整體的性能、質(zhì)量和可靠性，并且不會(huì)影響到產(chǎn)品其他需要的各項(xiàng)有用功能。
在當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)中各種傳感器的加入和運(yùn)用變得日益重要，除采用傳統(tǒng)的傳感器外，還加入了更加先進(jìn)的視覺(jué)、力覺(jué)等特殊傳感器，而遙控機(jī)器人則復(fù)雜很多，一般的遙控機(jī)器人大體采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)、障礙躲避、聲音辨識(shí)和方位感應(yīng)?，F(xiàn)在多種傳感器的協(xié)調(diào)匹配技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)有非常成熟廣泛的應(yīng)用。
系統(tǒng)應(yīng)用與集成化：支持運(yùn)用于以人為本的生產(chǎn)系統(tǒng)，在生產(chǎn)系統(tǒng)中機(jī)器人可以群體控制、群體智能和多機(jī)互聯(lián)通訊，研發(fā)能理解人的思想的“類(lèi)人機(jī)器人”。
安全可靠性：由于有很多的未知因素的存在，如果要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化的安全與可靠，那么必須要求機(jī)器人對(duì)突發(fā)的各種意外情況都具有應(yīng)變能力，可以做到及時(shí)采取必要的預(yù)防措施和有效的安全對(duì)策，包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、和人體系統(tǒng)的自我診斷和自我修復(fù)。
現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人所能達(dá)到的最高階段是智能化和仿生化相結(jié)合，隨著材料技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)器人小型化數(shù)據(jù)化的不斷創(chuàng)新發(fā)展，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品越來(lái)越多的被生產(chǎn)并逐步應(yīng)用于各種生產(chǎn)線(xiàn)和生活中的各個(gè)場(chǎng)合。伴隨人們的生活水平不斷的提高移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)在日常生活中的快速普及和發(fā)展，具有較多傳感器的精密型工業(yè)機(jī)器人將會(huì)未來(lái)的工業(yè)生產(chǎn)中越來(lái)越多的被運(yùn)用。
（2）國(guó)內(nèi)機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)的設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)。
20世紀(jì)70年代初期我國(guó)才把工業(yè)機(jī)器簡(jiǎn)單的運(yùn)用到了一些重工業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)中，經(jīng)過(guò)幾十年我科研人員的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人取得了巨大的進(jìn)步。隨著我國(guó)各項(xiàng)科技水平不斷發(fā)展和強(qiáng)大，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)取得了舉世矚目的成果，并且在全球范圍內(nèi)的工業(yè)發(fā)展過(guò)程中開(kāi)始扮演著非常重要的作用[5]。當(dāng)然與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)還確實(shí)存在著一定的差距，所以我們要引進(jìn)并且充分吸收利用國(guó)外先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，使我國(guó)的機(jī)器人發(fā)展邁上新的臺(tái)階。
上料工業(yè)機(jī)器人正向靈活、多功能、經(jīng)濟(jì)型穩(wěn)定型發(fā)展。專(zhuān)業(yè)化分工是提高產(chǎn)品質(zhì)量、不斷更新?lián)Q代的一個(gè)辦法[6]。我國(guó)現(xiàn)在機(jī)械手臂設(shè)計(jì)正朝向剛度高、導(dǎo)向性號(hào)、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、定位精度高等特點(diǎn)邁進(jìn)。
中國(guó)工業(yè)機(jī)器人從引進(jìn)到自己生產(chǎn)發(fā)展迅速。我國(guó)目前已經(jīng)可以自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)出大部分工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵性元器件?，F(xiàn)在國(guó)產(chǎn)的各種型號(hào)的各種用途的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)出現(xiàn)在了我國(guó)很多企業(yè)的一線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)上；同時(shí)也涌現(xiàn)出一大批高、精、尖的機(jī)器人技術(shù)的研究人才。一些與機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)也已經(jīng)掌握了工業(yè)機(jī)器人的各項(xiàng)重要技術(shù)。
未來(lái)的我國(guó)機(jī)器人行業(yè)，將重點(diǎn)研究其智能化體系結(jié)構(gòu)，高精度的控制，智能化作業(yè)和機(jī)械臂模塊化設(shè)計(jì)，構(gòu)成新型工業(yè)機(jī)器人的核心技術(shù)體系。智能化的結(jié)構(gòu)就是要形成國(guó)內(nèi)機(jī)器人的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，然后再結(jié)合我國(guó)新型工業(yè)機(jī)器人的各項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)出與行業(yè)息息相關(guān)的其他成套的重要裝備技術(shù)，從而形成我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的核心成套裝備技術(shù)。
1.3本論文研究的主要內(nèi)容
本論文的主要內(nèi)容有上料機(jī)器人手臂總體方案設(shè)計(jì)與計(jì)算，三維建模與運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)上料機(jī)器人的軸進(jìn)行有限元分析，用UG對(duì)軸進(jìn)行數(shù)控加工分析，具體內(nèi)容如下：
第1章，緒論。介紹本論文研究的理論意義與國(guó)內(nèi)外上料機(jī)械手臂的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，并簡(jiǎn)要介紹本論文研究的主要內(nèi)容。
第2章，總體方案設(shè)計(jì)與計(jì)算。柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing System)能適應(yīng)加工對(duì)象變換的自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)，本課題意在適應(yīng)新時(shí)期制造業(yè)的發(fā)展要求，在設(shè)計(jì)前對(duì)熟悉工業(yè)機(jī)器人臂部的結(jié)構(gòu)、功能及工作原理，分析機(jī)器人臂部各重要的組成部分。完成柔性制造中工業(yè)機(jī)器人手臂部位各機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)。加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中工業(yè)機(jī)器人的理解，設(shè)計(jì)出臂部的主要傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，并確定設(shè)計(jì)方案。確定能完成機(jī)器人臂部的各項(xiàng)要求動(dòng)作。
根據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)出的方案，計(jì)算出各個(gè)零件的各項(xiàng)詳細(xì)數(shù)據(jù)，并各個(gè)零件數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)度校核，確定臂部部件的強(qiáng)度穩(wěn)定性和可靠性。
第3章，三維實(shí)體圖的制作和運(yùn)動(dòng)仿真模擬。做出上料機(jī)器人臂部的機(jī)械總裝配圖和重要部分零件的零件圖。并對(duì)機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡和構(gòu)件進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)仿真。
第4章，總結(jié)與展望。總結(jié)和闡述了本論文研究的主要課題和內(nèi)容，并且簡(jiǎn)要分析了本篇論文可能存在的一些問(wèn)題。
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第2章 上料機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)綜述
2上料機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 總體方案分析
該方案主要完成對(duì)上料機(jī)器人臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用研究類(lèi)似機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程并進(jìn)行類(lèi)比推理，方案間比較等方法，根據(jù)工業(yè)機(jī)械手臂的實(shí)際應(yīng)用特征及現(xiàn)有的物質(zhì)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)、人力等條件，以所學(xué)的理論知識(shí)為基礎(chǔ)，按照工業(yè)機(jī)器人手臂工作的一般過(guò)程、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，借鑒以往相似設(shè)備的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，然后對(duì)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)算，修正，直至達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的目的。其中對(duì)于機(jī)器人臂部設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題、難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)分析解決，確保整個(gè)設(shè)計(jì)方案的可行性和最佳性。
臂部的旋轉(zhuǎn)變直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)（伸縮）可以由齒輪齒條機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠等機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。但是齒輪齒條機(jī)構(gòu)安裝加工精度差，傳動(dòng)時(shí)噪聲差。蝸輪和蝸桿的傳動(dòng)效率都相對(duì)偏低，伸縮與延展性能相對(duì)較差。與此同時(shí)滾珠絲杠摩擦損失非常小，傳動(dòng)過(guò)程中的效率非常高，控制精度高，同時(shí)可高速進(jìn)給，軸向剛度高，在生產(chǎn)過(guò)程中穩(wěn)定可靠。因此綜上所訴選擇滾珠絲杠機(jī)構(gòu)機(jī)型的傳動(dòng)效果最佳。
在僅僅存在一個(gè)輸入，俯仰與伸縮獨(dú)立運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的考慮上，可以選擇離合，PLC控制或者滑移齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)，綜合考慮，因?yàn)榛讫X輪不工作的齒輪不嚙合，因而空載功率損失較小，所以選擇滑移齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
驅(qū)動(dòng)形式是電動(dòng)或者液壓，因?yàn)殡妱?dòng)方式控制的精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，臂部運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
2.2傳動(dòng)方案的選擇
? 2.2.1傳動(dòng)方案應(yīng)滿(mǎn)足的要求
臂部設(shè)計(jì)一般由提供動(dòng)力的電機(jī)、傳動(dòng)裝置和用于上料的工作部分組成，傳動(dòng)裝置在原動(dòng)機(jī)和用于工作的機(jī)械臂之間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，并且可實(shí)現(xiàn)分級(jí)和多級(jí)運(yùn)動(dòng)。在這次的研究課題中，原動(dòng)機(jī)應(yīng)采用步進(jìn)電機(jī)，用于工作的部分為方形，傳動(dòng)裝置是由齒輪傳動(dòng)和滾珠絲杠傳動(dòng)配合組成。
符合工作條件的傳動(dòng)方案主要有以下四點(diǎn)具體要求：
（1）機(jī)械的功能要求：應(yīng)滿(mǎn)足或者略大于工作臺(tái)的要求功率、轉(zhuǎn)速和所需的運(yùn)動(dòng)形式。
（2）工作條件的要求：例如工作環(huán)境、場(chǎng)地等。
（3）工作性能要求：保證工作可靠、傳動(dòng)效率高等。
（4）結(jié)構(gòu)工藝性要求；如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、工藝精度高、各個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸合理、使用維護(hù)便利、穩(wěn)定可靠、可持續(xù)工作、和經(jīng)濟(jì)合理等。
? 總體傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)及分析
方案一：
為解決通過(guò)一個(gè)電機(jī)解決機(jī)械手臂俯仰與伸縮動(dòng)作獨(dú)立的問(wèn)題，我們采用滑移齒輪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)便利。簡(jiǎn)圖如下圖2.1。
為了將齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)改變成直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，我們采用滾珠絲杠，通過(guò)滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是的在上面的滾珠螺母變成之間運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)形式之間的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。
滾珠絲杠具有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）.摩擦損失小，傳動(dòng)效率高。（2）精度高。（3）.可以實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給，軸向剛度高。
俯仰運(yùn)動(dòng)通過(guò)錐齒輪的傳動(dòng)，從而將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方向改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。
圖2.1 方案一簡(jiǎn)圖
方案二：
我們采用集成PLC電路的方式解決通過(guò)一個(gè)電機(jī)解決機(jī)械手臂俯仰與伸縮動(dòng)作獨(dú)立的問(wèn)題。簡(jiǎn)圖如下圖2.2。
伸縮運(yùn)動(dòng)采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)。齒輪齒條機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是：（1）.傳遞動(dòng)力大，效率高。（2）.壽命長(zhǎng)，工作平穩(wěn)，可靠性高。（3）.能保持恒定的傳動(dòng)比。
圖2.2 方案二簡(jiǎn)圖
方案三：
伸縮運(yùn)動(dòng)采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)圖如下圖2.3
蝸輪蝸桿運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：（1）.可以得到很大的傳動(dòng)比。（2）.線(xiàn)接觸承載能力提高。（3）.傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小。
圖2.3 方案三簡(jiǎn)圖
綜合比較，方案一比較合理，因此采用方案一。
2.3滾珠絲杠的設(shè)計(jì)
? 2.3.1絲杠工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)要求
俯仰部分質(zhì)量：m1=20Kg；
工件質(zhì)量：m2=3-200Kg；
行程長(zhǎng)度：l=400mm；
最高運(yùn)動(dòng)速度：Vmax=0.08m/s；
每分鐘往復(fù)次數(shù)：n=6次/min；
定位精度：±0.3mm/1000mm；
軸向游隙：0.15mm；
反復(fù)定位精度：±0.1mm；
期望壽命：3000h；
工作部分與導(dǎo)軌滑動(dòng)表面的摩擦系數(shù)：μ=0.15；
滾珠絲杠的傳動(dòng)效率：η=90%。
? 2.3.2滾珠絲杠的計(jì)算及校核
根據(jù)滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng)要求
（1）滾珠絲杠副的選擇：伸縮長(zhǎng)度S=400mm，所需的伸縮時(shí)間t=5s所以速度V由式（2.1）計(jì)算：
（2.1）
解得V=0.08m/s。
初選螺距P=10mm，則螺距由式（2.2）計(jì)算：
（2.2）
解得nm=960r/min。
（2）計(jì)算載荷：則Fc(w) 由式（2.3）計(jì)算
（2.3）
式中：KF為載荷系數(shù)
KH為硬度系數(shù)
KA為精度系數(shù)
由題中條件，取KF=0.2，取KH=1.0取D級(jí)精度，取KA=1.1絲杠的最大工作載荷Fm(絲杠最大的工作載荷):
（2.4）
解得Fc=396N。
（3）計(jì)算額定動(dòng)載荷的值：由式（2.5）計(jì)算
（2.5）
解得。
（4） 根據(jù)選擇滾珠絲杠副：按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷等于或稍大于的原則，選用STK3210-4-R絲杠直徑D0=35mm，導(dǎo)程P=10，滾珠直徑d0=5.556mm，滾道半徑由式（2.6）計(jì)算
（2.6）
解得R=2.89。
偏心距由式（2.7）計(jì)算
（2.7）
解得R=。
絲杠內(nèi)徑由式（2.8）計(jì)算
（2.8）
解得d1=26.35mm。
（5）穩(wěn)定性驗(yàn)算
因?yàn)橛捎谝欢溯S向固定的長(zhǎng)絲杠在實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)工作中時(shí)可能會(huì)不穩(wěn)定，為確保安全所以在前期設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S，看是否合格。如果S的值大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]，那么說(shuō)明穩(wěn)定可靠，否則不合格。（見(jiàn)表2-10）。絲杠不會(huì)發(fā)生安全風(fēng)險(xiǎn)的最大載荷也叫臨界載荷Fcr按式（2.9）計(jì)算：
（2.9）
式中E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼，E=206Mpa； l 為絲杠工作長(zhǎng)度（m）L=400mm；為絲杠危險(xiǎn)截面的慣性矩；u為長(zhǎng)度系數(shù)由式（2.10）
（2.10）
解得Ia=。取， 則
安全系數(shù)由式（2.11）計(jì)算：
（2.11）
解得S>[S]，結(jié)構(gòu)安全。
（6）選定螺母類(lèi)型
查閱現(xiàn)有的書(shū)籍資料，軋制滾珠絲杠中，絲杠外徑35mm，螺母L=98mm。
（7）絲杠安裝軸承的選擇
初選為30204，d=20，D=47，T=15.25，Cr=28.2KN，C0r=30.5KN。在實(shí)際工程計(jì)算中，軸承壽命由式（2.12）表示
（2.12）
（2.13）
其中， C——基本額定動(dòng)載荷（N ）；
P——當(dāng)量動(dòng)載荷（N ）；
——壽命指數(shù) 球軸承；
n——軸承的轉(zhuǎn)速（r/min）；
由式（2.13）計(jì)算
解得C=1200KN，因?yàn)镃r>C，所以滿(mǎn)足要求。
2.4電機(jī)的選擇
? 2.4.1確定各旋轉(zhuǎn)件的角速度
角速度由式（2.14）計(jì)算：
絲桿= （2.14）
解得絲桿=100.53rad/s。
? 2.4.2確定各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
其中絲桿系效直徑取為0.038m。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由式（2.15）計(jì)算
J = （2.15）
解得J=。
? 2.4.3確定直線(xiàn)傳動(dòng)件質(zhì)量
質(zhì)量由式（2.16）計(jì)算
=m1+m2+m3+m4+m5 （2.16）
解得=50Kg。
? 2.4.4轉(zhuǎn)化到電機(jī)軸上當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由式（2.17）計(jì)算
J= （2.17）
式中： Wk—各旋轉(zhuǎn)件的角速度；（rad/s ）,
Jk—各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； （Kg?m）,
V—-直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)件的速度；（m/s）,
W---電機(jī)角速度；（rad/s）。
解得J=5.1×10 Kg?m。
? 2.4.5確定克服慣性量所需的電機(jī)上的扭矩:
扭矩由式（2.18）計(jì)算
=J （2.18）
式中：J—電機(jī)軸上的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg?m）；
W—電機(jī)的角速度（rad/s）；
T—時(shí)間，取t=0.27；
解得M慣 =0.785N?M。
? 2.4.6確定負(fù)載扭矩:
扭矩由式（2.19）計(jì)算
（2.19）
解得TL=5N?M。
由式（2.20）計(jì)算：
（2.20）
解得Tst=10 N?M。
最大靜轉(zhuǎn)矩由式（2.21）計(jì)算
（2.21）
解得Tsmax=11.3 N?M。
根據(jù)動(dòng)力源和工作條件功率由式（2.22）
（2.22）
解得Pw=1.135KW。
η1、η2分別為聯(lián)軸器、圓錐滾子軸承，，η1=0.99，η2=0.93
η=0.9207
電機(jī)功率由由式（2.23）計(jì)算
（2.23）
解得Pd=1.233KW。
根據(jù)手冊(cè)表17-7，選擇Y系列（IP44）三相異步電動(dòng)機(jī)：Y100L-6其額定功率為1.5KW，同步轉(zhuǎn)速為1000r/min。
2.5齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
? 2.5.1錐齒輪的計(jì)算及校核
（1）選定所需的齒輪類(lèi)型、需要的精度等級(jí)、材料的種類(lèi)及所需齒數(shù)
1）通過(guò)對(duì)比選用標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪齒輪傳動(dòng)，壓力角取20；
2）兩個(gè)錐齒輪均選用7級(jí)精度；
3）材料為40cr，并都進(jìn)行調(diào)制處理，硬度為280HBS；
4）由于所設(shè)計(jì)錐齒輪僅實(shí)現(xiàn)交叉軸傳動(dòng)換向，故設(shè)計(jì)齒數(shù)為Z1=24，大齒輪齒數(shù)為Z2=77。
（2）齒輪接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算由式（2.24）
（2.24）
? 確定公式中各個(gè)參數(shù)值。
? 試選KHt=1.3，
? 計(jì)算小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩由式（2.25）
（2.25）
解得T1=5.12×104N·mm。
? 選取齒寬系數(shù)ΦR=0.3
? 由文獻(xiàn)[16]圖10-20查得區(qū)域系數(shù)ZH=2.5；
? 由文獻(xiàn)[16]表10-5查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa
? 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力[σH]。
由文獻(xiàn)[16]圖10-25d查取小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為σHlim1=600MP，σHlim2=550MP
由文獻(xiàn)[16]式（10-25）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由式（2.26）、（2.27）計(jì)算：
（2.26）
解得N1=5.184×109。
N2= N1/u （2.27）
解得N2=1.62×109。
由文獻(xiàn)[16]圖10-23查取解除疲勞壽命系數(shù)KH1=0.90，KH2=0.95取失效概率為1％，安全系數(shù)S=1，由文獻(xiàn)[16]中式（10-14）即由式（2.28），（2.29）計(jì)算：
（2.28）
解得[σH]1=540MP。
（2.29）
解得[σH]2=523MP。
取[σH]1、[σH]2中的偏小值當(dāng)做該齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力，即
[σH]1=[σH]2=523MPa
2）試算小齒輪分度圓直徑由式（2.30）：
（2.30）
將各數(shù)據(jù)代入式（2.30），可得d1t=68.051mm
（2）調(diào)整小齒輪分度圓直徑
1）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)分析與收集
圓周速度v由式（2.31）、（2.32）計(jì)算
dm1=d1t（1-0.5）ΦR （2.31）
解得dm1=57.843mm，
（2.32）
解得vm=3.634m/s。
當(dāng)量齒寬系數(shù)Φd由式（2.33）、（2.34）得：
（2.33）
Φd=b/dm1 （2.34）
解得Φd=0.592。
2）計(jì)算載荷系數(shù)KH
由文獻(xiàn)[16]表10-2查得使用系數(shù)KA=1
根據(jù)vm=3.634m/s、7級(jí)精度，由文獻(xiàn)[16]圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)KV=1.173
因?yàn)橹饼X錐齒輪精度相對(duì)較低，所以取齒間載荷分配系數(shù)KHα=1為最佳
由文獻(xiàn)[16]表10-4用插值法得7及精度，小齒輪懸臂時(shí)，得齒向載荷分布系數(shù)；KHβ=1.345，KH由式（2.35）計(jì)算
（2.35）
解得KH=1.578。
3）由文獻(xiàn)[16]式（10-12），我們知道按實(shí)際載荷系數(shù)計(jì)算出的分度圓直徑為，
（2.36）
由式（3.36）解得d1=72.592。
相應(yīng)的齒輪模數(shù)m =3.024，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m =3。
（3）校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度由式（2.37）計(jì)算
（2.37）
1）確定公式中的各參數(shù)值。
①試選載荷系數(shù)KFt為1.3。
②計(jì)算
分錐角由式（2.38）計(jì)算
δ1=arctan（1/u） （2.38）
解得δ1=17.312，δ2=72.688。
可以得到當(dāng)量齒數(shù)由式（2.39）計(jì)算
Zv1=Z1/cosδ1 ，Zv2=Z2/cosδ2 （2.39）
解得Zv1=25.14，Zv2=258.76。
由文獻(xiàn)[16]圖10-17得齒形系數(shù)YFa1=2.65，YFa2=2.2；由文獻(xiàn)圖10-18，查得應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1=1.6，YSa1=1.8；由參考文獻(xiàn)[16]圖10-24c查得小齒輪和大齒輪的齒根彎曲疲勞極限分別為σFlim1=500MPa，σFlim2=380MPa；由文獻(xiàn)[16]圖10-22查得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.85，KFN2=0.88；取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.7，由文獻(xiàn)[16]式（10-14）求[σF]，即由式（2.40）計(jì)算
（2.40）
求得[σF]1=257.3MPa，[σF]2=196.5MPa。
代入式可求得=0.0159，=0.0197，因?yàn)榇簖X輪的大于小齒輪，所以取=，即的值為0.0197。
2）試算齒輪模數(shù)
將值代入式（2.37）可得mt=1.475mm。
3）調(diào)整齒輪模數(shù)
①圓周速度v由式（2.41）計(jì)算
（2.41）
其中d1t=mtz1，解得d1t=35.412。
dm1由式（2.42）計(jì)算
dm1=d1（1-0.5）ΦR （2.42）
解得dm1=30.010mm；得圓周速度v為1.891m/s。
②齒寬b由式（2.33）計(jì)算： 解得b=17.8mm。
4）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)KF
①根據(jù)v=1.891m/s，7級(jí)精度，由文獻(xiàn)[16]圖10-8，查得動(dòng)載系數(shù)Kv=1..1；
②直齒錐齒輪精度較低，取齒間載荷分配系數(shù)KFα=1
③由文獻(xiàn)[16]表10-4，用插值法查得KHβ=1.338，得KFβ=1.26。
則載荷系數(shù)KF=KAKVKFαKFβ，解得KF=1.413。
5）由文獻(xiàn)[16]式（10-13），可得按實(shí)際載荷算得的齒輪模數(shù)由式（2.43）計(jì)算：
（2.43）
根據(jù)mn=1.881mm
按照齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，就近選擇標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=2mm，按照接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=90.634mm，算出小齒輪齒數(shù)Z1=45.32，取Z1=46，則大齒輪齒數(shù)Z2=147.2，為了使兩齒輪的齒數(shù)互質(zhì)，取Z2=147。
? 2.5.2齒輪參數(shù)
? 計(jì)算分度圓直徑由式（2.44）計(jì)算：
d=zm （2.44）
d1=90mm，d2=294mm。
? 計(jì)算分錐角δ1= 17°，δ2=73°。
? 計(jì)算齒輪寬度b=46.21mm ，取b1= b2=46mm。
（4） 齒數(shù)Z1=46，Z2=147，模數(shù)m=2mm，壓力角α=20°，變位系數(shù)x1=x2=0，分錐角δ1= 17°，δ2=73°，齒寬b1=b2=46mm，小齒輪選用40Cr（調(diào)質(zhì)），大齒輪選用40Cr（調(diào)質(zhì)），大齒輪選用45鋼（調(diào)質(zhì)）。齒輪按照7及精度設(shè)計(jì)。
2.6軸承的選擇
? 2.6.1軸承的設(shè)計(jì)與選用
俯仰軸選用文獻(xiàn)[17]角接觸球軸承7205C，d=25，D=52，B=15，基本額定動(dòng)載荷Cr=16.5KN，基本額定靜載荷C0r=10.5KN，軸1受到軸向力，周向力，徑向力
（1）求兩軸承受到的徑向載荷Fr1和Fr2
將軸系部件受到的空間作用力分解為垂直面和水平面兩個(gè)平面力系。其中： Fte為通過(guò)另加轉(zhuǎn)矩而平移到指向軸線(xiàn)；由圖2.4，圖2.5，圖2.6推得 Fae也應(yīng)通過(guò)另加彎矩而平移到作用于軸線(xiàn)上。Fre=Fr1，F(xiàn)ae=Fa1，F(xiàn)t1=Fte。由力分析可知：Ft1=160.3N，F(xiàn)r1=55.8N，F(xiàn)a1=17.1N
圖2.4 軸承所受軸向力圖
圖2.5 軸承所受垂直力圖
圖2.6 軸承所受水平力圖
（2.45）
由式（2.45）計(jì)算得出：Fr1v=13.6N，F(xiàn)r2v=42.2N，F(xiàn)r1H=43.2N，F(xiàn)r2H=117.1， Fr1=45.3N，F(xiàn)r2=124.5N
（2）求兩軸承的計(jì)算軸向力Fa1和Fa2
對(duì)于70000C型軸承，按文獻(xiàn)[16]表13-7，軸承派生軸向力由式（2.46）計(jì)算：
（2.46）
其中e為文獻(xiàn)[16]表13-5中的判斷系數(shù)，其值由Fa/C0的大小來(lái)確定，但現(xiàn)在軸承軸向力Fa未知，故先初取e=0.4，由式（2.46）可估算：Fd1=5.44N，F(xiàn)d2=16.88N，因?yàn)镕d2-Fae=-0.22N
Fd2，故Fa2=Fd1+Fae；即Fa1=17.1N，F(xiàn)a2=22.54N。
因此，F(xiàn)a1/C0=0.0163，F(xiàn)a2/C0=0.0254。由文獻(xiàn)[16]表13-5進(jìn)行插值計(jì)算，得e1=0.401，e2=0.453，再計(jì)算：
Fd1=e1Fr1，F(xiàn)d2=e2Fr2，兩次計(jì)算的Fa/C0相差不大，因此確定e1=0.401，e2=0.453，F(xiàn)a1=17.1N，F(xiàn)a2=22.54N。
（3）求軸承當(dāng)量動(dòng)載荷和
因?yàn)镕a1/Fr1=0.377P1，按軸承2的受力大小，由式（2.48）驗(yàn)算
（2.48）
解得Lh>Lh1，所選軸承滿(mǎn)足壽命要求。
2.7俯仰軸的設(shè)計(jì)
? 2.7.1俯仰軸的設(shè)計(jì)與校核
（1）求輸入軸上的，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩T1
取軸承，聯(lián)軸器，閉式齒輪傳動(dòng)7及精度，P1，T1由式（2.49）計(jì)算
（2.49）
解得P1=1.26KW，T1=2404N·mm。
（2）求作用在齒輪上的力
因?yàn)橐阎咚偌?jí)小齒輪的分度圓直徑為90mm
齒輪所受的力如圖2.7所示；
圖2.7 俯仰軸齒輪受力圖
軸上受力由式（2.50）計(jì)算
（2.50）
（3）初步確定軸的最小直徑
根據(jù)剛性和穩(wěn)定性選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表,于是d由式（2.51）
（2.51）
解得d=24mm。
（4）俯仰軸的設(shè)計(jì)
1）根據(jù)軸需要軸向定位所以要確定所有軸的的各段直徑和長(zhǎng)度
如圖2.8所示：
圖2.8 軸尺寸
2）軸上零件的同向定位
齒輪、與軸的同向定位均采用平鍵連接同時(shí)為了確保齒輪與軸的配合共作有良好的對(duì)中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為，角接觸球軸承與軸的配合為H7和k6。
3）計(jì)算確定出軸上圓角和倒角尺寸
參考文獻(xiàn)[16]表15-2，取軸端倒角為，各軸肩處的圓角半徑見(jiàn)零件圖。
4）求軸的載荷
從軸的結(jié)構(gòu)圖加上彎矩和扭矩圖可以直觀的發(fā)現(xiàn)截面B是軸的危險(xiǎn)截面?，F(xiàn)將計(jì)算出的截面上的、及M的直列于下表,如表2.1所示；
表2-1 軸1危險(xiǎn)截面應(yīng)力
載荷
水平面H
垂直面V
力F
彎矩M
總彎矩
扭矩T
5)按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行軸的強(qiáng)度檢驗(yàn)時(shí)，一般我們只檢驗(yàn)校核軸上所受到的最大彎矩（M）和最大扭矩（T）的截面（即危險(xiǎn)截面A）的強(qiáng)度。根據(jù)上表中所列出的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以及軸進(jìn)行單向旋轉(zhuǎn)時(shí)，扭矩切應(yīng)力應(yīng)該為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取。
軸的計(jì)算應(yīng)力由式（2.52）計(jì)算：
（2.52）
解得σca=3.79MPa。
文章前面已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由[1]表51-1查得，因此，
故安全。
（6）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖2.9，俯仰軸共七段。各段的直徑和長(zhǎng)度在前面已列出。
圖2.9 軸1結(jié)構(gòu)圖
第3章 Pro-E建模和仿真
3.PRO/E建模和仿真
3.1主要部件建模及其簡(jiǎn)介
3.1.1軸承建模的主要過(guò)程
運(yùn)用Pro/e進(jìn)行三維建模相對(duì)比較簡(jiǎn)單，所以我們這里只簡(jiǎn)單大概的介紹一下角接觸球軸承的三維建模，如圖為上料機(jī)器人手臂中的角接觸球軸承。如圖3.1所示。
圖3.1 角接觸球軸承
由文獻(xiàn)[11]具體的建模步驟如下：
（1）創(chuàng)建零件文件。
（2） 當(dāng)我們選擇“旋轉(zhuǎn)”這個(gè)工具以后，系統(tǒng)會(huì)彈出旋轉(zhuǎn)的控制面板，單擊旋轉(zhuǎn)控制面板上的“位置”按鈕會(huì)彈出一個(gè)關(guān)于位置的操作面板，在彈出的面板中單擊“定義”按鈕 ，之后會(huì)彈出“草繪”對(duì)話(huà)框就可以進(jìn)行草繪操作。
（3）單機(jī)選擇TOP為設(shè)定的基準(zhǔn)面，也就是草繪平面，接受系統(tǒng)默認(rèn)的參照與坐標(biāo)方向，單擊“草繪”按鈕進(jìn)入草繪界面。
（4）進(jìn)去草繪界面后單擊“繼續(xù)當(dāng)前部分”按鈕，即界面顯示的“對(duì)勾”按鈕，然后在草繪界面中完成截面草圖的繪制。接下來(lái)單擊位于旋轉(zhuǎn)控制面板中的“確定”控制按鈕，編輯出來(lái)的三維模型效果下圖3.2。
圖3.2 內(nèi)外圈
（5）選擇操作界面中的“旋轉(zhuǎn)”工具按鈕，彈出旋轉(zhuǎn)工具的操作控制面板，單擊其中的“位置”按鈕，在彈出的位置操作面板中選擇“定義”按鈕 ，彈出“草繪”對(duì)話(huà)框界面，然后就可以進(jìn)行操作了。
（6）選擇TOP面為基準(zhǔn)的繪圖平面，接受系統(tǒng)設(shè)定的坐標(biāo)參照與觀察方向，然后選擇“草繪”按鈕進(jìn)入草繪界面進(jìn)行三維建模草繪。
（7）在繪圖界面中繪制完成三維建模草圖后，然后再選擇那個(gè)打?qū)吹陌粹o，就是“繼續(xù)當(dāng)前部分”的控制按鈕。然后我們的截面草圖就繪制完成了。接著選擇旋轉(zhuǎn)控制面板中的的“確定”按鈕，做出的模型如下圖3.3所示。
圖3.3 未陣列的角接觸球軸承
（8）選擇之前步驟畫(huà)出的的圓球模型，然后選擇pro-E中的“陣列”按鈕工具，系統(tǒng)自動(dòng)彈出陣列控制操作面板。然后單擊“陣列方式”下拉菜單在其中找到“軸”的選項(xiàng)，單擊內(nèi)圈中心軸。
（9）打開(kāi)陣列控制面板找到陣列控制面板中的“陣列數(shù)”文本編輯框在其中輸入需要的陣列數(shù)目為10，然后再找到“角度”文本編輯框，在“角度”文本編輯框中輸入需要的陣列角度，然后單擊“確定”按鈕，做出的模型效果如下圖3.4所示。就是角接觸球軸承的模型。
圖3.4 角接觸球軸承的模型
3.1.2齒輪建模的主要過(guò)程
（1）首先在 “新建”對(duì)話(huà)框中找到并選擇“零件”按鈕，然后找到“名稱(chēng)”文本框，在“名稱(chēng)”文本框中輸入該文件的文件名“chilun”，確定并使用公制模板，然后選擇 “確定”按鈕，就進(jìn)入了零件三維設(shè)計(jì)界面。
（2）在FRONT面上建立齒輪的齒頂圓、齒輪的分度圓、齒輪的齒根圓。
①激活草繪基準(zhǔn)曲線(xiàn)命令。選擇“插入”菜單、“模型基準(zhǔn)”菜單、“草繪”菜單等需要用到的編輯菜單，選擇FRONT面作為需要的草繪平面、然后以RIG面為選定的參照面，方向向右，然后進(jìn)入草繪界面進(jìn)行草繪畫(huà)圖。
②繪制草圖。以坐標(biāo)軸的原點(diǎn)為畫(huà)圖圓心，分別繪制直徑126,直徑120,和直徑112的圓作為齒頂圓、分度圓、齒根圓，畫(huà)出的草繪基準(zhǔn)曲線(xiàn)如圖3.5所示就是需要的模型。
圖3.5 齒頂圓、分度圓、齒根圓草繪曲線(xiàn)
③退出草繪基準(zhǔn)曲線(xiàn)特征。
（3）在FRONT面上建立一條漸開(kāi)線(xiàn)。
①激活基準(zhǔn)曲線(xiàn)命令。使用“插入”菜單、“模型基準(zhǔn)”菜單、“曲線(xiàn)”菜單項(xiàng)，在系統(tǒng)彈出的“曲線(xiàn)選項(xiàng)”浮動(dòng)菜單中依次選擇“從方程”、“完成”兩個(gè)選項(xiàng)。彈出需要的定義“從方程”曲線(xiàn)的對(duì)話(huà)框。
②選取坐標(biāo)。選取系統(tǒng)默認(rèn)坐標(biāo)系“PRT-CSYS-DEF”。
③確定坐標(biāo)系類(lèi)型。在彈出的選項(xiàng)菜單“設(shè)置坐標(biāo)系類(lèi)型”對(duì)話(huà)框菜單中選擇“圓柱”選項(xiàng)，來(lái)說(shuō)明是使用圓柱坐標(biāo)系建立的漸開(kāi)線(xiàn)方程。
④建立漸開(kāi)線(xiàn)方程如下。
alpha=20
m=3
z=40
c=0.25
ha=1
db=mzcos(alpha)
r=(db/2)/cos(t*50)
theta=(180/pi)× tan(t×50)- t×50
z=0
把坐標(biāo)系類(lèi)型選擇確定后系統(tǒng)會(huì)自然彈出定義方程的窗口菜單，然后保存所畫(huà)的建模并關(guān)閉程序，生成的漸開(kāi)線(xiàn)模型如圖3.6所示。
圖3.6漸開(kāi)線(xiàn)
（4）鏡像步驟3中建立的漸開(kāi)線(xiàn)，生成齒槽的另一條漸開(kāi)線(xiàn)
如果我們要鏡像漸開(kāi)線(xiàn)，那么我們必須先在系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)需要用到的鏡像平面。鏡像平面是由經(jīng)過(guò)原漸開(kāi)線(xiàn)與分度圓與分度圓交點(diǎn)的平面旋轉(zhuǎn)半個(gè)齒槽角度形成的，為了生成經(jīng)過(guò)原漸開(kāi)線(xiàn)與分度圓交點(diǎn)的平面又需要建立經(jīng)過(guò)平面的軸線(xiàn)和交點(diǎn)。其建立步驟如下：
①建立基準(zhǔn)軸線(xiàn)。經(jīng)過(guò)RIGHT面和TOP面建立一條基準(zhǔn)軸線(xiàn)。
②建立基點(diǎn)。經(jīng)過(guò)步驟3中生成的漸開(kāi)線(xiàn)和步驟2中繪制的直徑為120的圓建立一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。
③建立基準(zhǔn)平面、經(jīng)過(guò)①、②中生成的基準(zhǔn)軸線(xiàn)和基準(zhǔn)點(diǎn)建立基準(zhǔn)平面。
④建立鏡像用的基準(zhǔn)平面。經(jīng)過(guò)①中建立的軸線(xiàn)，并且與③中建立基準(zhǔn)平面偏移1.5°。
⑤鏡像漸開(kāi)線(xiàn)。先選中漸開(kāi)線(xiàn)，選擇其中的“編輯”菜單、和“鏡像”菜單項(xiàng)，選擇第四步中已經(jīng)建立的基準(zhǔn)平面，完成需要的鏡像，如圖3.7所示就是鏡像漸開(kāi)線(xiàn)。
圖3.7鏡像漸開(kāi)線(xiàn)
（5）建立齒坯。
①選擇“插入”菜單、和“拉伸”菜單，然后再選擇FRONT面作為草繪的基準(zhǔn)平面、以RIGHT面作為參照平面，方向選擇向右，然后進(jìn)入草繪操作界面。
②繪制一個(gè)直徑28的圓，并在中心繪制孔和鍵槽截面。
③退出草圖截面，輸入拉伸特征高度25，并使特征生成于FRONT面的負(fù)方向側(cè)。
（6）建立倒角。建立齒輪邊緣上1×1的倒角。
（7）建立齒槽切除特征。
分析：如果齒底圓直徑小于基圓，基圓以下的齒面輪廓為非漸開(kāi)線(xiàn)，在制圖中使用半徑為d/5（d為分度圓直徑）的圓弧來(lái)生成。本步驟首先在齒底圓和漸開(kāi)線(xiàn)的基礎(chǔ)上生成一部分齒槽，然后繪制圓弧并倒角形成齒槽。
①選擇“插入”和“拉伸”兩個(gè)系統(tǒng)菜單項(xiàng)，在操控面板上選取去除材料模式。選擇FRONT面當(dāng)做草繪的基準(zhǔn)平面、以RIGHT面為作為參照平面，方向選擇向右，進(jìn)入草繪操作界面。
②繪制齒底圓和漸開(kāi)線(xiàn)的輪廓。選擇“通過(guò)邊創(chuàng)建圖元”按鈕，選取齒底圓和兩條漸開(kāi)線(xiàn)，生成模型。
③繪制基圓到齒底圓部分曲線(xiàn)。首先以漸開(kāi)線(xiàn)為端點(diǎn)繪制圓弧并將其半徑改為12，再加入半徑0.5的倒角并修剪草圖。
④返回到拉伸特征操控面板，調(diào)整特征生成方向，生成一個(gè)齒槽。
（8）陣列齒槽，完成齒輪建立
①使用選中步驟7中生成的去除材料拉伸特征，并選擇“編輯”、“陣列”菜單項(xiàng)，激活陣列特征操控面板。
②選擇陣列方式為“軸”，選取前面建立的中心線(xiàn)，指定在360°角度上生成40個(gè)陣列特征，完成陣列。
③齒輪建立完成，如圖3.8所示。
圖3.8 齒輪的模型
3.1.3軸建模的主要過(guò)程
旋轉(zhuǎn)特征是軸零件建模過(guò)程中最常用的特征之一，適用于構(gòu)建回轉(zhuǎn)類(lèi)零件。旋轉(zhuǎn)特征是由截面繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)而自然形成的一類(lèi)主要特征。
旋轉(zhuǎn)特征必須有一條繞其旋轉(zhuǎn)的中心線(xiàn)，此中心線(xiàn)可以是在草繪截面中建立的幾何中心線(xiàn)，也可以是基準(zhǔn)軸特征；同時(shí)截面必須全部位于中心線(xiàn)同一側(cè)；若生成為旋轉(zhuǎn)實(shí)體，截面必須是封閉的。
模型建立基本過(guò)程：①使用旋轉(zhuǎn)特征生成軸；②使用建立基準(zhǔn)平面命令建立“偏移”約束從而建立基準(zhǔn)平面；③建立去除材料的拉伸特征，在基準(zhǔn)平面上繪制鍵槽截面，向外拉伸去除材料生成鍵槽。
（1）使用“文件”菜單和“新建”菜單兩個(gè)菜單選項(xiàng)，在彈出的“新建”菜單對(duì)話(huà)框中找到“零件”按鈕并選擇“零件”按鈕，然后在“名稱(chēng)”文本框中輸入文件名“zhou”，使用公制模板，進(jìn)入零件設(shè)計(jì)界面。
（2）使用旋轉(zhuǎn)特征建立軸的主體的步驟
①使用工具欄的旋轉(zhuǎn)特征命令，選擇草繪的截面為FRONT面，RIGHT面作為需要的參照平面，方向選擇向右。
②繪制截面草圖。
③完成特征。指定旋轉(zhuǎn)角度為360°。生成主體模型。如下圖3.9所示。
圖3.9 軸基礎(chǔ)模型
（3）建立基準(zhǔn)平面
①依次選擇“插入”菜單、“模型基準(zhǔn)”菜單、“平面”菜單。
②選定參照及其約束方式。選擇FRONT面作為參照平面，其約束方式選擇“偏移”，輸入平移距離，生成DTM1，如圖3.10所示。
圖3.10 偏移平面圖
（4）使用拉伸特征生成鍵槽
①選擇工具欄上的拉伸命令。
②選擇去除材料模式
③繪制截圖草圖。選擇步