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1、本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2007 目 錄 1 前言 .1 1.1 課題來源 .1 1.2 技術(shù)要求及預(yù)期效果 .1 1.3 本課題要解決的主要問題及設(shè)計總體思路 .1 1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r .1 1.4.1 研究現(xiàn)狀 .1 1.4.2 發(fā)展趨勢 .2 2 總體方 案設(shè)計 .4 2.1 機械結(jié)構(gòu)類型的確定 .4 2.2 傳動方案的確定 .4 2.3 工作空間的確定 .5 2.4 手腕結(jié)構(gòu)的確定 .5 2.5 驅(qū)動裝置的選擇 .6 2.5.1 機器人驅(qū)動方案的分析和選擇 .6 2.5.2 手腕電機的選擇 .7 2.5.3 傳動比的確定及分配 .8 3 齒輪的設(shè)計 .9 3.1 齒輪強度的

2、設(shè)計與校核 .9 3.1.1 第一級圓柱齒輪傳動設(shè)計 .9 3.1.2 第二級圓錐齒輪傳動設(shè)計 .12 4 軸的設(shè)計 .15 4.1 轉(zhuǎn)腕傳動軸的選擇 .15 4.2 擺腕傳動軸的設(shè)計 .15 4.2.1 圓柱齒輪軸的設(shè)計 .15 4.2.2 軸的強度校核 .16 4.2.3 圓錐齒輪軸的設(shè)計 .20 4.2.4 手腕連接軸的設(shè)計 .21 4.2.5 大臂小臂連接軸的設(shè)計 .22 5 軸承的設(shè)計 .23 5.1 軸承的選擇 .23 5.2 軸承的壽命計算 .23 6 其它零部件 的選用 .25 6.1 鍵連接的選用 .25 6.2 殼體的設(shè)計 .25 6.3 機器人手臂材料的選擇 .25 6.

3、4 機器人臂部連接件的選用 .25 7 關(guān)節(jié)型機器人的位姿分析 .27 8 結(jié)論 .31 參 考 文 獻 .32 致 謝 .33 附 錄 .34 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2007 1 1 前言 1.1 課題來源 本課題設(shè)計的是垂直多關(guān)節(jié)型機器人臂部與手部的設(shè)計，主要是臂部和腕部的 結(jié)構(gòu)設(shè)計及其零件設(shè)計。此課題來源于生產(chǎn)實際，是針對目前手工電弧焊接效率低， 操作環(huán)境差，而且對操作員技術(shù)熟練程度要求高，因此采用機器人技術(shù)，可以實現(xiàn) 焊接生產(chǎn)操作的柔性自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化 和改善勞動條件。 1.2 技術(shù)要求及預(yù)期效果 根據(jù)設(shè)計要達到以下要求： a. 最大搬運重量： 5

4、kg； b. 最大工作范圍：850mm； c. 標(biāo)準(zhǔn)周期： 0.59sec； d. 重復(fù)定位精度： mm；1.0 e. 生產(chǎn)綱領(lǐng)：大批大量。 此次設(shè)計的垂直多關(guān)節(jié)機器人可以實現(xiàn)大臂小臂的旋轉(zhuǎn),手腕的旋轉(zhuǎn)與擺動以及 手爪的自動抓取與放松工件運動。此裝置應(yīng)用在焊接生產(chǎn)線上將大大提高生產(chǎn)效率 和加工質(zhì)量，降低了工人的勞動強度，能夠帶來可觀的經(jīng)濟效益。 1.3 本課題要解決的主要問題及設(shè)計總體思路 本課題要解決的問題有以下三個： a. 手腕處于手臂末端，需減輕手臂的載荷，力求手腕部的結(jié)構(gòu)緊湊，減少重量 和體積； b. 提高手腕動作的精確性； c. 三個自由度的實現(xiàn)。 針對上述問題有了以下設(shè)計思路： a

5、.對于分離傳動采用傳動軸。 b. 腕部機構(gòu)的驅(qū)動裝置采用分離傳動，將 2 個驅(qū)動器安置在小臂的后端。 c. 驅(qū)動電機 1 經(jīng)聯(lián)軸器與傳動軸來驅(qū)動小臂殼體的回轉(zhuǎn)運動。驅(qū)動電機 2 經(jīng)傳 動軸驅(qū)動一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪傳動來帶動手腕作偏擺運動。 d.手部的驅(qū)動電機安裝在手腕內(nèi)部，以此來減輕手部的重量，讓手爪能夠作靈 活的運動，此傳動裝置采用螺旋傳動來帶動手爪的抓取與放松工件運動。 1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r 1.4.1 研究現(xiàn)狀 1 自上世紀(jì) 90 年代以來，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。原本用于生產(chǎn)制造的工業(yè)機器人水平不斷提高，各 種用于

6、非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。機器人的各種功能被相繼開 垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 2 發(fā)并得到不斷增強，機器人的種類不斷增多，機器人的應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的工業(yè)控 制拓展到各行各業(yè)，從軍事到民用，從天上到地下，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁， 從科研探索到醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，從生產(chǎn)領(lǐng)域到娛樂服務(wù)行業(yè)，甚至還進入尋常百姓家。 工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直角坐標(biāo)式、柱面坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、 多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、伸縮式、爬行式等等，根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展之中。焊接機 器人根據(jù)不同的應(yīng)用場合可采取不同的結(jié)構(gòu)形式，但目前用得最多的是模仿人的手 臂功能的多關(guān)節(jié)式的機器人，這是因為多關(guān)節(jié)式機器人的手

7、臂靈活性最大，可以使 焊槍的空間位置和姿態(tài)調(diào)至任意狀態(tài)，以滿足焊接需要。理論上講，機器人的關(guān)節(jié) 愈多，自由度也愈多，關(guān)節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好；但同時也給機器人逆運動學(xué) 的坐標(biāo)變換和各關(guān)節(jié)位置的控制帶來復(fù)雜性。因為焊接過程中往往需要把以空間直 角坐標(biāo)表示的工件上的焊縫位置轉(zhuǎn)換為焊槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過機器人 逆運動學(xué)計算轉(zhuǎn)換為對機器人每個關(guān)節(jié)角度位置的控制，而這一變換過程的解往往 不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何選取最合適的解對機器人焊接過程中運動 的平穩(wěn)性很重要。不同的機器人控制系統(tǒng)對這一問題的處理方式不盡相同。 一般來講，具有 6 個關(guān)節(jié)的機器人基本上能滿足焊槍的位置和空間姿態(tài)

8、的控制 要求，其中 3 個自由度(XYZ)用于控制焊槍端部的空間位置，另外 3 個自由度(ABC)用 于控制焊槍的空間姿態(tài)。因此，目前的焊接機器人多數(shù)為 6 關(guān)節(jié)式的。 進入 21 世紀(jì)，世界經(jīng)濟結(jié)構(gòu)正在發(fā)生重大而深刻的變革，但制造業(yè)依然是世 界各發(fā)達與發(fā)展中國家加快經(jīng)濟發(fā)展、提高國家綜合競爭力的重要途徑。 我國是 一個制造業(yè)大國，尚處于工業(yè)化進程之中，在未來相當(dāng)長的時期里，制造業(yè)仍將在 國民經(jīng)濟中占主導(dǎo)地位。在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國正逐步成為世界最重 要的制造業(yè)基地之一。 然而目前我國裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達國家相比尚有較大的差距，尤其是 在戰(zhàn)略必爭裝備技術(shù)與競爭前核心技術(shù)、基礎(chǔ)制

9、造裝備與成套關(guān)鍵裝備制造技術(shù)等 方面差距更大，這種差距又主要體現(xiàn)在先進裝備的自主設(shè)計與獨立制造能力差，成 套與系統(tǒng)集成、優(yōu)化能力差，技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力差。這些差距已經(jīng)成為制約 我國制造業(yè)乃至其他行業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題之一。 1.4.2 發(fā)展趨勢 2 工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用水乳交融。在第一代工業(yè)機器人普及的基礎(chǔ)上，第 二代已經(jīng)推廣，成為主流安裝機型，第三代智能機器人已占有一定比重。以應(yīng)用為 龍頭拉動工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，其重點發(fā)展領(lǐng)域與技術(shù)特點體現(xiàn)在下述方面： A機械結(jié)構(gòu) a. 以關(guān)節(jié)型為主流，80 年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機器人約占 總量的 l3(目前世界工業(yè)機器人總數(shù)約

10、為 750000 臺)，90 年代初開發(fā)的適用于窄 小空間、快節(jié)奏、360 度全工作空間范圍的垂直關(guān)節(jié)型機器人大量用于焊接和上、 下料。 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2007 3 b. 應(yīng) 3K(煉鋼、煉鐵、鑄鍛)行業(yè)和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)需求，超大型機 器人應(yīng)運而生。如焊接數(shù)十米長、l0 噸以上大構(gòu)件的弧焊機器人群；采取螞蟻啃骨 頭的協(xié)作機構(gòu)。 c. 己普遍采用 CAD、CAE 等技術(shù)用于設(shè)計、仿真與制造中。 B. 控制技術(shù) a. 大多數(shù)采用 32 位 CPU，控制軸多達 27 軸，NC 技術(shù)和離線編程技術(shù)大量采 用。 b. 協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實現(xiàn)了多手與變位機、多機器人的協(xié)調(diào)控制，正逐 步

11、實現(xiàn)多智能體的協(xié)調(diào)控制。 c. 基于 PC 的開放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于成本低并具有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)功能，己成 為一股潮流。 C. 驅(qū)動技術(shù) 上世紀(jì).80 年代發(fā)展起來的 AC 伺服驅(qū)動已成為主流驅(qū)動技術(shù)用于工業(yè)機器人 中。日本 23 家機器人公司于 1998 年生產(chǎn)的 167 種型號機器人產(chǎn)品，其中采用 AC 伺服驅(qū)動的有 156 種，占 93.4。直接驅(qū)動技術(shù)則廣泛用于裝配機器人中。新一代 的伺服電機與基于微處理器的智能伺服控制器相結(jié)合，已由日本 FANUC 公司開發(fā) 并用于工業(yè)機器人中；在遠(yuǎn)程控制中已采用了分布式智能驅(qū)動新技術(shù)。 D. 智能化的傳感器多有應(yīng)用 在上述 167 種機型中，裝有視覺傳

12、感器的有 94 種，占 56.3，不少機器人裝 有兩種傳感器，有些機器人留下了多種傳感器接口。 E. 高速、高精度、多功能化 目前所知最快的裝配機器人最大合成速度為 16.5m/s;高精度機器人的位置重復(fù) 性為正負(fù) 0.01mm.有一種大直角坐標(biāo)搬運機器人，其最大合成速度達 80m/s;而另一 種并聯(lián)機構(gòu)的 NC 機器人，其位置重復(fù)性達 l um。 90 年代末的機器人一般都具有兩、 三種功能。最近瑞典 Neos 公司開發(fā)出一種高精度、高可靠性的可切割、鉆孔、銑 削、磨削、裝配、搬運的多功能機器人，用于多家著名汽車廠和飛機公司。 F. 集成化與系統(tǒng)化 1998 年 ABB 公司推出 IRbl4

13、00 系列小機器人，其循環(huán)時間只有 0.4s，控制器 包括軟件、高壓電、驅(qū)動器、用戶接口等皆集成于一柜，只有洗衣機變換器那樣大 小。FANUC 公司 2000 年 9 月宣稱它的控制器為世界最小。 工業(yè)機器人的應(yīng)用從單機、單元向系統(tǒng)發(fā)展。多達百臺以上的機器人群與微機 及周邊智能設(shè)備和操作人員形成一個大群體(多智能體)。跨國大集團的壟斷和全球 化的生產(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品聯(lián)接在一起，實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化的 “虛擬制造”，為工業(yè)機器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。 垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 4 2 總體方案設(shè)計 2.1 機械結(jié)構(gòu)類型的確定 為實現(xiàn)總體機構(gòu)在空間位置提供的 6 個自由度，可以有

14、不同的運動組合，根據(jù) 本課題的要求現(xiàn)可以將其設(shè)計成關(guān)節(jié)型機器人。關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機器 人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由立柱和 大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回 轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點是工作空間范圍大，動作靈 活，通用性強、能抓取近距離的物體，工藝操作精度高。 2.2 傳動方案的確定 圖 2-1 是機器人小臂與腕部機械傳動系統(tǒng)的簡圖。機械傳動系統(tǒng)共有 4 個齒輪， 為了實現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向 90,有 2 個齒輪為圓錐齒輪,有利于簡化系統(tǒng)運 動方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu),

15、則必然以空間交叉方式變向,就不利 于簡化系統(tǒng)運動方程式的結(jié)構(gòu)形式。其中有 2 個齒輪為直齒圓柱齒輪，用于減速。 小臂的結(jié)構(gòu)形式是由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。 關(guān)節(jié) 4 電機安裝在小臂后面用于帶動傳動軸與齒輪的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)手腕的擺動；關(guān)節(jié) 5 電機也安裝在小臂后面，其后緊跟傳動軸用于實現(xiàn)手腕的旋轉(zhuǎn)；關(guān)節(jié) 6 電機安裝 在手腕里，用螺旋傳動來實現(xiàn)手爪的夾緊與放松運動，當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時給杠桿施加一 個向上的力來實現(xiàn)放松工件運動，相反，電機反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)夾緊工件運動。 圖 2-1 小臂腕部傳動原理圖 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2007 5 2.3 工作空間的確定 工作空間是機器人學(xué)中一

16、個重要的研究領(lǐng)域。但在實際應(yīng)用中，可以簡化這一 問題，把工作空間看作是機器人操作機正常運行時，手腕參考點（如定位機構(gòu)的軸 線正交，取交點為參考點）在空間的活動范圍，或者說該點可達位置在空間所占有 的體積。根據(jù)關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間，工作空間是指機器人正常工作運 行時，手腕參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術(shù)參數(shù)。 圖 2-2 機器人的工作空間位置圖 2.4 手腕結(jié)構(gòu)的確定 3 手腕是操作機的小臂（上臂）和末端執(zhí)行器（手爪）之間的聯(lián)接部件。其功用 是利用自身的活動度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端 執(zhí)行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機器人的姿態(tài)機構(gòu)。對一般商用機

17、器人，末桿（即與 末端執(zhí)行器相聯(lián)接的桿）都有獨立驅(qū)動的自轉(zhuǎn)功能，若該桿再能在空間取任意方位， 那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間取任意姿態(tài)，即達到完全靈活的境地。對于 任一桿件的姿態(tài)（即方向） ，可用兩個方位角確定，如圖 2-3 所示。 垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 6 圖 2-3 末桿姿態(tài)示意圖 -大臂-小臂-末桿 在圖 2-3 中末桿 Ln 的圖示姿態(tài)可以看作是由處于 方向的原始位置先繞oX 在 平面內(nèi)轉(zhuǎn) 角，然后再向上轉(zhuǎn) 角得到的。可見是由 兩角決定了末oZoYOX 桿的方向（姿態(tài)） 。從理論上講，如果 ， 則末桿在空間取0036036 任意方向。如果末桿的自轉(zhuǎn)角 （即 ）也滿足 ，就

18、說該操作機具有n 最大的靈活度，即可自任意方向抓取物體并可把抓取的物體在空間擺成任意姿態(tài)。 為了定量的說明操作機抓取和擺放物體的靈活程度，定義組合靈度（dex)為： 00 %3636dexXX (2-1) 上式取加的形式但一般不進行加法運算，因為分開更能表示機構(gòu)的特點。 腕結(jié)構(gòu)最重要的評價指標(biāo)就是 dex 值。若為三個百分之百，該手腕就是最靈活 的手腕。一般說來 、 的最大值取 ，而 值可取的更大一些，如果擰螺釘，0 最好 無上限。 腕結(jié)構(gòu)是操作機中最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因傳動系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結(jié) 構(gòu)的設(shè)計難度。腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求是：重量輕，dex 的組合值必須滿足工作要求 并留有一定的裕

19、量（約 5%-10%） ，傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單并有利于小臂對整機的靜力平 衡。 2.5 驅(qū)動裝置的選擇 2.5.1 機器人驅(qū)動方案的分析和選擇 4 通常的機器人驅(qū)動方式有以下三種： a. 電動驅(qū)動 電動驅(qū)動器是目前使用最廣泛的驅(qū)動器。它的能源簡單，速度變化范圍大，效 率高，但它們多與減速裝置相連，直接驅(qū)動比較困難。 電動驅(qū)動器又分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機驅(qū)動。后者多為開環(huán)控制， 控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。直流伺服電機有很多優(yōu)點， 但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進步，近年來交流伺服電機正逐漸 取代直流伺服電機而成為機器人的主要驅(qū)動器。 b. 液壓驅(qū)動器

20、 液壓驅(qū)動的主要優(yōu)點是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，可省去減速裝置，能直接與被驅(qū)動 的桿件相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度，但需要增設(shè)液壓源，而且易產(chǎn)生 液體泄露，故液壓驅(qū)動目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。 c. 氣動驅(qū)動器 氣動驅(qū)動器的能源，結(jié)構(gòu)都比較簡單，但與液壓驅(qū)動器相比，同體積條件下功 率較小（因壓力低），而且速度不易控制，所以多用于精度不高的點位控制系統(tǒng) 。 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2007 7 通過比較以上三種驅(qū)動方式，因此本課題的機器人將采用電動驅(qū)動器中的直流 伺服電動機與步進電動機。因為直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力 矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點，并且控制技術(shù)成熟。其安裝

21、維修方便，成本低。 而交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進電機相比價格要貴一 些。 2.5.2 手腕電機的選擇 5 a. 擺腕電機的選擇 手腕的最大負(fù)荷重量 初估腕部的重量 ，最大運動速度1mkgkgm32 V=2m/s，則 功率 8026;PFVgW 取安全系數(shù)為 1.2， .019;P 考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率 2p額 又因為標(biāo)準(zhǔn)周期 T=0.59sec，即 ；in/5.rn 則所需電機的輸入轉(zhuǎn)速為 ；m0i 所以選取寬調(diào)速永磁直流伺服電動機其技術(shù)參數(shù)見表 2-1。 表 2-1 SZYX82 寬調(diào)速永磁直流伺服電機技術(shù)參數(shù) 規(guī)格型號 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 額定電壓

22、 SZYX82 0.2KW 1.35N.M 48V 最高電流 最高轉(zhuǎn)速 允許轉(zhuǎn)速差 10%轉(zhuǎn)動慣量 5.4A 1500r/min 150 292kg.cm.s 2 該電機具有精度高，響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，加速度大，力矩波動小，線性度好， 過載能力強等特點。 b. 轉(zhuǎn)腕及腕部內(nèi)電機的選擇 根據(jù)設(shè)計要求轉(zhuǎn)腕部分的電機后緊跟輸出軸和聯(lián)軸器，直接帶動手腕旋轉(zhuǎn)，故 在此應(yīng)選擇轉(zhuǎn)速較低的型號電機，又由于要求手腕的重量較輕，便于靈活的實現(xiàn)運 動，因此要求腕部內(nèi)電機較小，故選 SH 直流伺服電動機型，其安裝尺寸為 42mm，電機重量僅為 0.35Kg，可容許速度范圍為 0 250r/min，詳細(xì)參數(shù)見表 2-

23、2。 表 2-2.SH 直流伺服電機技術(shù)參數(shù) 單轉(zhuǎn)軸 保持轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動慣量 額定電流 電壓 線圈電阻 PK243A1-SG7.2 1.2N.M 35x10 kgm72.4A 12V 5 基本步距角 減速比 容許轉(zhuǎn)矩 容許速度范圍 電機重量 0.25 1:7.2 0.8N.M 0-250r/min 0.35kg 電樞電阻：Rs=0.5(Un/In-Pn/In) ， 求得： Pn=13.8W。310 取 P=15W, T=9550P/n。 求得 n= =119.4 r/min 。2.1/0593 垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 8 2.5.3 傳動比的確定及分配 a. 傳動比的確定 由電動機的轉(zhuǎn)速可

24、知所需的總傳動比為 i=10。 b. 傳動比的分配 傳動比分配時要充分考慮到各級傳動的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到 結(jié)構(gòu)合理。因此擺腕傳動比分配為：擺腕總的傳動比 10，該傳動為兩級傳動，i總 第一級傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比 2，第二級傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比1i 。25i 3 齒輪的設(shè)計 3.1 齒輪強度的設(shè)計與校核 6 3.1.1 第一級圓柱齒輪傳動設(shè)計 齒輪材料采用 45 號鋼，鍛造毛坯，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，表面硬度為 210HBS；大 齒輪正火處理后齒面硬度為 180HBS，因載荷平穩(wěn)，齒輪速度不高，初選齒輪精度等 級為 7 級。取 。402,201zz則 a. 設(shè)計準(zhǔn)則 先按齒

25、面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 b. 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 齒面接觸疲勞強度條件的設(shè)計表達式 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2007 9 (3-1)3 12.21 uKTZddHEt 式中， -載荷系數(shù),取 ；tK.1t -齒寬系數(shù)，取 ， ；d80d2 -材料系數(shù)，取 。EZaEMPZ.9 小齒輪傳遞扭矩 (3-2)mNnT 12405/.015.105.9661 大小齒輪的接觸疲勞強度極根應(yīng)力為： ；PaH81limPaH2lim 選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為： ；MF2301liMF102li 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 由下列公式計算可得 （3-hjln16 3） 16805 914.

26、3 則 92 1073.2.uN 接觸疲勞壽命系數(shù) , ；1.NHK.NH 彎曲疲勞壽命系數(shù) ；2Y 接觸疲勞安全系數(shù) ，彎曲疲勞安全系數(shù) 。 minHS 5.1minFS 許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力： 垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 10 1limn2li1lim1n2li25801.63.290307.5128.HNFSTNFZMPaYaP 將有關(guān)值代入（3-1）得： 2131232.89.340.56.242tEt HdKTZudmm 計算圓周速度: sndvt /3.10510 計算載荷系數(shù):動載荷系數(shù) Kv=1.0；使用系數(shù) ；動載荷分布不均勻系數(shù)1AK ；齒間載荷分配系數(shù) ，則 。

27、02.1KKa 03.12.0.avH 修正 ； mdtHt 38.10.4331 ；mz9.2081 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 。 c. 計算基本尺寸 mdbzmad32408.64021221 取 32 d. 校核齒根彎曲疲勞強度 齒形系數(shù) ， ，取 ，校核兩齒輪的彎曲強度1.4FSY8.32FS7.0Y 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2007 11 （3-YmzKTFSdF1321 4） MPa7.04208.593 =3.7MPa 1F2122 43.37FSF PaMY 所以齒輪完全達到要求。由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，將小齒輪 做成齒輪軸。圓柱齒輪的幾何參數(shù)見表 3-1。 表 3-1 圓柱齒輪

28、的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 dmz4021 mzd80422 齒頂高 ahha 齒根高 f Cf 5.).()( 齒全高 mfa452 齒頂圓直徑 1ad hda1 mhdaa8422 齒根圓直徑 f ff 3ff 75 基圓直徑 1b mb56.7cos1b1.cos2 齒距 p8.24.3 齒厚 ss/ 齒槽寬 e1. 中心距 amd602/)(1 頂隙 cc5. 3.1.2 第二級圓錐齒輪傳動設(shè)計 齒輪材料采用 45 號鋼，小齒輪調(diào)質(zhì)處理表面硬度為 210HBS；大齒輪正火處理 垂直多關(guān)節(jié)機器人臂部和手部設(shè)計 12 后齒面硬度為 180HBS，齒輪精度等級為 7 級。取 。 。 。 。1025,201zz則 a. 設(shè)計準(zhǔn)則 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 b. 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 齒面接觸疲勞強度的設(shè)計表達式 (3-5)3 21 21 )5.0(8.4 uKTZdRRHEt