四自由度機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)及仿真分析含11張CAD圖,自由度,機(jī)械手,腕部,設(shè)計(jì),仿真,分析,11,十一,cad 機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)及仿真分析 摘 要 隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，機(jī)械手和機(jī)器人是在如今社會(huì)扮演者越來(lái)越重要的角色。自從二十世紀(jì)六十年代以后，半導(dǎo)體及電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得人們的生活開(kāi)始進(jìn)入電器時(shí)代，并且也隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，使得機(jī)械設(shè)計(jì)迎來(lái)了巨大的革命，跟隨電子發(fā)展熱潮，機(jī)械手和機(jī)器人的發(fā)展也越發(fā)往自動(dòng)化方向發(fā)展。這次設(shè)計(jì)是對(duì)機(jī)械手腕部進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析等相關(guān)研究，完成對(duì)其整體裝置以及相關(guān)部件的分析研究及設(shè)計(jì)，與此同時(shí)通過(guò)借助CAD軟件對(duì)其進(jìn)行二維設(shè)計(jì)及繪制裝配圖及相關(guān)零件圖，以此來(lái)增加對(duì)圖形的理解以及增強(qiáng)軟件的應(yīng)用能力。通過(guò)此次設(shè)計(jì)，希望設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部能夠與機(jī)械手、機(jī)械臂完成相應(yīng)配合，從而能夠在生產(chǎn)制造業(yè)得到應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手腕部；工作裝置；電動(dòng)機(jī) Abstract With the development of modern society, robots and robots are playing an increasingly important role in today's society. Since the 1960 s, the rapid development of semiconductor and electronic technology, makes the life of people begin to enter electric era, and also with the development of the electronic computer, the mechanical design has resulted in a huge revolution, with electronic development boom, and the development of robot manipulator is also increasingly in the direction of automation development. Is the design of robot wrist structure design and analysis of related research, complete analysis of the whole device and related components research and design, at the same time by using CAD software for 2 d design and draw the assembly drawing and related parts graph, in order to increase the understanding of graphics and enhance software application ability. Through this design, the design of the manipulator wrist can be matched with the manipulator and manipulator, so that it can be applied in the manufacturing industry. Keywords : The wrist of the manipulator; Working device; motor; 目 錄 引 言 1 第一章 緒 論 2 1.1機(jī)器人簡(jiǎn)介 2 1.2 機(jī)械手簡(jiǎn)介 2 1.3 國(guó)內(nèi)機(jī)械手的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究現(xiàn)狀 3 第二章 總體設(shè)計(jì) 4 2.1機(jī)械手腕的總體設(shè)計(jì)及其自由度 4 2.2 總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容及設(shè)計(jì)原則 5 2.3機(jī)械手腕的特點(diǎn) 5 2.4機(jī)械手腕的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 2.4.1四個(gè)自由度的設(shè)計(jì) 5 2.4.2機(jī)械手腕傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6 2.5機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn) 6 第三章 機(jī)械手腕部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 8 3.1 俯仰運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8 3.1.1俯仰電動(dòng)機(jī)類(lèi)型與結(jié)構(gòu)的選取 8 3.1.2所選電機(jī)的有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 8 3.1.3步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的確定 8 3.1.4俯仰運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 9 3.2 偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14 3.2.1偏轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)類(lèi)型與結(jié)構(gòu)的選取 14 3.2.2所選電機(jī)的有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 14 3.2.3步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的確定 15 3.2.4偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 15 3.2.5偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中偏轉(zhuǎn)齒輪的設(shè)計(jì) 17 3.3 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 20 3.3.1旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇 20 3.3.2選取電機(jī)的相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 20 3.3.3旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 21 3.4 平移運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 24 3.4.1平移運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇 24 3.4.2所選電機(jī)的有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 24 3.4.3平移運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 25 第四章 機(jī)械手腕部軸及軸承設(shè)計(jì)計(jì)算 28 4.1俯仰運(yùn)動(dòng)中軸的設(shè)計(jì) 28 4.2偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中蝸桿軸的設(shè)計(jì) 29 4.3偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中蝸輪軸的設(shè)計(jì) 32 第五章 機(jī)械手腕部運(yùn)動(dòng)仿真 36 總 結(jié) 40 參考文獻(xiàn) 41 致 謝 42 引 言 在現(xiàn)代社會(huì)中，機(jī)械已經(jīng)完完全全融入到了我們的生活，其已經(jīng)在物理、生物、化工、醫(yī)學(xué)等方面起到了重要的作用，不僅如此，在生產(chǎn)制造業(yè)已經(jīng)成為不可或缺的角色，因此我們的生活因?yàn)橛辛藱C(jī)械而變得越來(lái)越方便。但是如今機(jī)械也存在著或多或少的缺點(diǎn)，尤其在生產(chǎn)制造業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)工廠，由于產(chǎn)品數(shù)量的多，要求加工的精度及準(zhǔn)確性高，這一切都會(huì)使得工廠勞動(dòng)者的工作效率低下，使得生產(chǎn)的產(chǎn)品不能有穩(wěn)定的要求，而且產(chǎn)品生產(chǎn)車(chē)間的各種危險(xiǎn)因素也很多，勞動(dòng)者在高強(qiáng)度工作下，很容易受到危險(xiǎn)，因此在生產(chǎn)制造業(yè)應(yīng)該加大對(duì)機(jī)械手的使用和研發(fā)，使其能夠更加智能更加穩(wěn)定，最后基本代替勞動(dòng)者的日常工作。不僅如此，隨著社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)越來(lái)越依賴(lài)環(huán)境，環(huán)境是我們的家園，保護(hù)環(huán)境是我們應(yīng)該做的，因此在發(fā)展機(jī)械手的同時(shí)，也要不忘往更加環(huán)保的方向發(fā)展，這樣才能在方便我們的同時(shí)，做到保護(hù)家園，我相信在這樣的發(fā)展下，我們的祖國(guó)會(huì)更加繁榮富強(qiáng)。 57 第一章 緒 論 1.1機(jī)器人簡(jiǎn)介 如今機(jī)器人已經(jīng)成為了我們身邊重要的角色，其功能能夠通過(guò)人為編程去完成各種各樣的指定工作，在結(jié)構(gòu)和性能方面，他們自己的人和機(jī)器，特別是反映了人們的智力以及適應(yīng)性能。在產(chǎn)品加工過(guò)程中，通常在許多方面仍然還是要使用到傳統(tǒng)手工的加工控制裝置。與此同時(shí)手工生產(chǎn)花費(fèi)太多時(shí)間，并且勞動(dòng)密集以致生產(chǎn)效率低下，而且由于生產(chǎn)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，需要大量的繼電器裝置，由此會(huì)引發(fā)線路的復(fù)雜性，與此同時(shí)其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性也不是很高。 隨著時(shí)代的發(fā)展，由于人們認(rèn)識(shí)的提高，使得機(jī)械手如今得到了迅猛的發(fā)展，在很多領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要角色，操作技術(shù)人員通過(guò)提前編程好程序，使其能夠在生產(chǎn)線上按時(shí)按位置完成對(duì)工件的運(yùn)輸、裝配、卸載等多種活動(dòng)。因此，機(jī)械手在國(guó)內(nèi)國(guó)外得到了廣泛認(rèn)可，并且更加重視機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展。在近幾年的中國(guó)，工業(yè)生產(chǎn)業(yè)在互聯(lián)網(wǎng)的帶動(dòng)下得到迅速發(fā)展，使得機(jī)器人越來(lái)越靠近人們對(duì)日常生活，并在其中起著發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。 1.2 機(jī)械手簡(jiǎn)介 目前研制的機(jī)械手大致可分為三類(lèi)，即無(wú)指手、無(wú)關(guān)節(jié)手、多關(guān)節(jié)手。其中第一類(lèi)為無(wú)手指結(jié)構(gòu)的機(jī)械手，使用時(shí)需要附加某種特殊工具。例如平板，用后面所述的具有對(duì)向二指的機(jī)械手一般是很難握持的，因此要用真空吸盤(pán)來(lái)搬用。這種型式的機(jī)械手不僅可以用來(lái)搬運(yùn)玻璃板、玻璃棒等易碎物品外，而且還可以操作電焊用的焊槍和油漆用的噴槍。第二類(lèi)為具有手指結(jié)構(gòu)的機(jī)械手，這種機(jī)械手應(yīng)用最為廣泛。一般是二指，能夠互相作對(duì)向動(dòng)作，既具有所謂的夾持手結(jié)構(gòu)。由于工業(yè)機(jī)械手通常所握持的對(duì)象大都是事先知道的，因此對(duì)于這種夾持手配以適應(yīng)工件形狀的指尖。此外，這種工業(yè)機(jī)械手的兩指大都能繞一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，如使兩指在保持平行的狀態(tài)下作開(kāi)閉動(dòng)作時(shí)，要采用縮放儀機(jī)構(gòu)。 這種使手指保持平行的機(jī)械手多用于對(duì)象不明的深海調(diào)查船用操作機(jī)、主從操作機(jī)和人工智能機(jī)器人。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有油缸直接驅(qū)動(dòng)連桿的型式和電動(dòng)機(jī)與齒輪、齒條組合的型式，主從操作系統(tǒng)則采用繩索滑輪的驅(qū)動(dòng)方式。如使機(jī)械手具有三指結(jié)構(gòu)，而三指能做向心開(kāi)閉，就可以在中央位置握牢圓柱形工件，這對(duì)數(shù)控車(chē)床的裝料是很有用的。這種機(jī)械手比兩指結(jié)構(gòu)的要少，最近才介紹了幾種。具有四個(gè)以上的無(wú)關(guān)節(jié)手指的機(jī)械手至今還無(wú)實(shí)例。 第三類(lèi)機(jī)械手的實(shí)例非常少，它具有三關(guān)節(jié)三指結(jié)構(gòu)，三指用電機(jī)和連桿驅(qū)動(dòng)。 機(jī)械手是以某項(xiàng)操作作為目標(biāo)而用機(jī)械代替人手的一種手段。因此，要對(duì)所要求具備功能進(jìn)行詳細(xì)分析，并根據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行最佳的結(jié)構(gòu)和形態(tài)設(shè)計(jì)。 1.3 國(guó)內(nèi)機(jī)械手的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究現(xiàn)狀 自從二十世紀(jì)60年代以后，國(guó)內(nèi)掀起了一場(chǎng)經(jīng)濟(jì)改革和技術(shù)進(jìn)步的熱潮，機(jī)械手在我國(guó)的發(fā)展才步入正軌，并且迅速在我國(guó)取得快速發(fā)展，大量應(yīng)用于各種家用電器、汽車(chē)制造業(yè)、船務(wù)制造業(yè)、軍事領(lǐng)域的裝配生產(chǎn)線上，并且在我國(guó)半導(dǎo)體制造業(yè)也取得了極好的成績(jī)。但就目前的情況來(lái)開(kāi)，機(jī)械手在我國(guó)機(jī)床制造加工、鑄造、鍛造、熱處理等多個(gè)方面上并無(wú)法完全滿足我國(guó)工業(yè)發(fā)展的需要。加大機(jī)械手智能化這樣才能使得我國(guó)機(jī)械生產(chǎn)加工業(yè)的工作效率大大提高，產(chǎn)品質(zhì)量也能夠達(dá)到穩(wěn)定準(zhǔn)確的效果。與此同時(shí)，我們?cè)诩哟髮?duì)專(zhuān)用機(jī)械手的開(kāi)發(fā)研制的過(guò)程中，也需要加大對(duì)通用型機(jī)械手的研發(fā)和投入生產(chǎn)制造業(yè)中，通過(guò)對(duì)通用機(jī)械手在工廠制造業(yè)的大量應(yīng)用，這樣才能得到穩(wěn)定發(fā)展。 第二章 總體設(shè)計(jì) 2.1機(jī)械手腕的總體設(shè)計(jì)及其自由度 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)源頭是出于通用機(jī)械手腕部結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)機(jī)械手腕部的設(shè)計(jì)來(lái)加深對(duì)所學(xué)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、理論力學(xué)及材料力學(xué)的知識(shí)鞏固。通過(guò)的各種國(guó)內(nèi)外資料的參考初步確定本次機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)如下圖： 圖1 機(jī)械手腕部運(yùn)動(dòng)介紹 如上圖所示，此機(jī)械手腕為4個(gè)自由度，在滿足4個(gè)自由度的同時(shí)也應(yīng)該使其擁有以下這些要求： （1）機(jī)械手腕部要機(jī)械手臂完成相應(yīng)配合，所以本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕應(yīng)盡可能的緊湊，與此同時(shí)還需要減少整體的重量和體積。并且在機(jī)械手臂后端應(yīng)安裝相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器，使其完成分離傳動(dòng)。 （2）手腕自由度越多，其運(yùn)動(dòng)范圍會(huì)越大，從而使得手腕靈活性增高，但與此同時(shí)手腕部結(jié)構(gòu)會(huì)復(fù)雜。根據(jù)設(shè)計(jì)要求選定本次設(shè)計(jì)機(jī)械手腕部自由度為4個(gè)。 （3）由于結(jié)構(gòu)動(dòng)作的準(zhǔn)確性與傳動(dòng)剛度，反轉(zhuǎn)回差有關(guān)，因此還需使其減小，從而提高整體結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。 （4）為了防止機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)中手腕部某些關(guān)節(jié)由于超額工作而造成的事故，應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)構(gòu)件開(kāi)關(guān)，從而提高整個(gè)機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)的安全性。 2.2 總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容及設(shè)計(jì)原則 根據(jù)所給題目的要求，調(diào)查有關(guān)機(jī)械手方面的資料，并逐步開(kāi)始總體設(shè)計(jì)： 1.初步構(gòu)思相應(yīng)設(shè)計(jì)思路，收集各種有關(guān)機(jī)械手資料，確定設(shè)計(jì)的大體方向。 2.確定相應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)參數(shù)。 3.確定機(jī)械手腕的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。 4.機(jī)械手腕中各種軸的校核。 2.3機(jī)械手腕的特點(diǎn) 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部擁有4個(gè)自由度，分別為繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、x軸的移動(dòng)、繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)以及繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此當(dāng)其與機(jī)械手以及機(jī)械手臂配合時(shí)，能夠完成更多方向的工作要求，擁有更好的適應(yīng)性。 2.4機(jī)械手腕的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.4.1四個(gè)自由度的設(shè)計(jì) （2） （3） （1） （4） 圖2 機(jī)械手腕部自由度介紹 如上圖2所示，此機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)中第一個(gè)自由度為上圖（1）中所表示的滑塊沿絲杠的平行移動(dòng)； 上圖2中（2）為第二個(gè)自由度，提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 上圖2中（3）為第三個(gè)自由度，提供偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 上圖2中（4）為第四個(gè)自由度，提供俯仰運(yùn)動(dòng)。 2.4.2機(jī)械手腕傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)期刊和資料的查詢，初步擬定了下圖3這樣的機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)方案。 圖3 運(yùn)動(dòng)過(guò)程 如上圖所示，電機(jī)5將動(dòng)力輸給齒輪副，然后齒輪帶動(dòng)絲杠，從而完成第一個(gè)自由度； 電機(jī)7將動(dòng)力輸給齒輪副，然后將動(dòng)力傳給包含齒輪6的整個(gè)機(jī)構(gòu)中，從而完成第二個(gè)自由度； 電機(jī)12將動(dòng)力輸給蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，然后所獲動(dòng)力通過(guò)齒輪副使機(jī)構(gòu)完成第三個(gè)自由度； 電機(jī)14將動(dòng)力輸給齒輪副，然后動(dòng)力傳給軸，從而完成第四個(gè)自由度。 2.5機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn) 在本次機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)中，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的此機(jī)械手腕主要應(yīng)用于生產(chǎn)制造業(yè)中的產(chǎn)品后期質(zhì)量檢查階段，由于質(zhì)檢階段處于生產(chǎn)制造業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)線的尾端，因此其工作量比較大，為了方便技術(shù)工人維修和質(zhì)量檢查，因此將此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部整體分為4個(gè)主要部分； 由于機(jī)械手腕在生產(chǎn)制造產(chǎn)品時(shí)的工作空間不是很大，因此本次機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)中將應(yīng)用小型步進(jìn)式電機(jī)，并且為步進(jìn)電機(jī)前端設(shè)計(jì)相應(yīng)鑲嵌式的電機(jī)減速箱，該減速箱應(yīng)設(shè)計(jì)的與步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)整體，并且其整體結(jié)構(gòu)要合理，可靠性和穩(wěn)定性都要達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)； 4 3 2 1 由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部在其工作時(shí)，當(dāng)生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)入生產(chǎn)線尾端，此時(shí)機(jī)械手要將其安裝或者卸載下時(shí)都要與相應(yīng)的質(zhì)量檢測(cè)器相配合，由上圖3所示的17就為相應(yīng)的不同形號(hào)的程序編碼器； 圖4 運(yùn)動(dòng)構(gòu)件介紹 又如上圖所表示的，第3部分為蝸輪蝸桿傳動(dòng)，此次機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)蝸輪蝸桿的目的是為了使其在相對(duì)較有限的環(huán)境下能夠提供較為足夠的動(dòng)力； 第1個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)為滑塊沿絲杠的平行移動(dòng)，其對(duì)機(jī)械手腕與機(jī)械手配合后的運(yùn)動(dòng)起了重要作用。 第三章 機(jī)械手腕部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)要求：（1）機(jī)械手腕及產(chǎn)品總重量為10KG （2）手腕俯仰運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速為30r/min （3）齒輪減速比為1:6 （4）手腕偏移運(yùn)動(dòng)總重量5KG （5）手腕偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速20r/min （6）蝸輪蝸桿減速比為1:20 3.1 俯仰運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.1.1俯仰電動(dòng)機(jī)類(lèi)型與結(jié)構(gòu)的選取 根據(jù)本次機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)的動(dòng)力來(lái)源以及其工作條件的等一系列因素，得出電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型為步進(jìn)式電機(jī)。 3.1.2所選電機(jī)的有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 所設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部工作機(jī)所需要的有效功率表達(dá)式為： PW=FWvW/(1000ηw) 式中 PW —— 工作機(jī)所需功率（kW） FW —— 工作及所受阻力（N） vW —— 工作機(jī)的線速度（m/s） 因此求得PW=10000×0.5/(1000×0.96）=5.13kw 查書(shū)得傳動(dòng)效率η=0.95 求電動(dòng)機(jī)功率的表達(dá)式為： Pd=PW/η 因此求得Pd=5.13/0.95=5.26kw 由資料查到步進(jìn)式電機(jī)的常用轉(zhuǎn)速為n=8000r/min 3.1.3步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的確定 根據(jù)下圖表來(lái)選取電機(jī)： 圖5 電機(jī)選擇 由以上求得的電機(jī)功率及其轉(zhuǎn)速選取上圖所示電機(jī)。 3.1.4俯仰運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 1. 選取齒輪的類(lèi)型、精度等級(jí)以及材料和齒數(shù) （1）取壓力角α=20°。 （2）小齒輪選40Cr（調(diào)質(zhì)），齒面硬度為241~286HBS；大齒輪選45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度選取220HBS。[4] （3）由機(jī)械設(shè)計(jì)的表10-6可得，選取7級(jí)精度,其齒面粗糙度Ra≤1.6~3.2μm。 （4）選取小齒輪的齒數(shù)z1=20，選取閉式齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比i=6，由此可得大齒輪的齒數(shù)z2=120。 2. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) （1）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中式（10-11）計(jì)算小齒輪的分度圓的直徑，即為 d1t≥32KHtT1?d*i+1i*(ZHZEZε[σH])2 1)各參數(shù)值如下： 載荷系數(shù)KHt=1.3 試計(jì)算小齒輪的傳遞轉(zhuǎn)矩： Ⅰ軸轉(zhuǎn)速：n1=8000r/min48=166.67r/min Ⅱ軸轉(zhuǎn)速：n2=n1i=166.67r/min6=27.78r/min 輸入軸Ⅰ功率:P1=P0×ηc=5.26×0.99=5.05KW 傳動(dòng)軸Ⅱ功率:P2=P1×η2=5.05×0.96×0.95=4.61KW 小齒輪的傳遞轉(zhuǎn)矩為: T1=9.55×106×p1n0=2.89×105N·mm 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的表10-7選取的齒寬系數(shù)φd=0.8 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的圖10-20可查的區(qū)域系數(shù)ZH=2.5 取彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa αa1=cos-1[z1cosα/(z1+2ha*)]=cos-120cos20020+2×1=31.3220 αa2=cos-1[z2cosα/(z2+2ha*)]=cos-1120cos200120+2×1=22.4400 εα=z1tanα1-tanα+z2tanα2-tanα2π=20tan31.3220-tan200+120tan22.4400-tan2002π =1.714 Zε=4-εα3=0.873 由書(shū)中得取σHlim1=600MPa、σHlim2=500MPa N1=60n1jLh=60×166.67×1×2×300×16=9.6×107 N2=N1i=1.6×107 取KHN1=0.97 ,KHN2=0.99 由式子[σH]=KHNσHlim1S得 [σH]1=KHN1σHlim1S=0.97×6001=582MPa [σH]2=KHN2σHlim2S=0.99×5001=495MPa 取[σH]1和[σH]2兩者中比較小的取為齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力，即為 [σH]1=[σH]2=495MPa 2)計(jì)算小齒輪分度圓直徑： d1t≥32KHtT1?d*i+1i*(ZHZEZε[σ])2 =32×1.3×2.89×1050.8*6+16*2.5×189.8×0.8734952=40.895mm （2）對(duì)小齒輪分度圓直徑進(jìn)行調(diào)改 1）計(jì)算圓周速度v v=πd1tn160×1000=π×40.895×166.6760×1000=0.36m/s 齒寬b b=?dd1t=0.8×40.895mm=32.216mm 2) 計(jì)算齒輪實(shí)際載荷系數(shù)KH 表1 實(shí)際載荷系數(shù)表 項(xiàng)目 依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》 查尋結(jié)果 使用系數(shù)KA 查表10-2 KA=1 動(dòng)載荷系數(shù)KV 根據(jù)v=0.36，查圖10-8 KV=1.02 齒間載荷分配系數(shù)Kα 表10-3 Kα=1 齒向載荷分布系數(shù)Kβ 表10-4 Kβ=1.417 由此求得齒輪圓周力為： Ft1=2T1d1t=2×2.89×105÷40.895N=1.413×104N KAFt1b=1×1.413×104÷32.216=383.9N/mm≥100N/mm 由此KH為： KH=KAKvKHαKHβ=1.45 由式子d1=d1t3KHKHt得： d1=d1t3KHKHt=40.89531.451.3=42.411mm 所以m=d1z1=42.41120=2.12mm 3. 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) （1）模數(shù)式子為： mt≥3（2KFtT1Yεφdz12YFaYSa[σF]） 1）各參數(shù)值如下： 試選取KFt=1.3 由式Y(jié)ε=0.25+0.75εα得： Yε=0.25+0.75εα=0.25+0.751.714=0.687 計(jì)算YFaYSa[σF] 表2 公式系數(shù)表 項(xiàng)目 依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》 查尋結(jié)果 齒形系數(shù)YFa1、YFa2 查圖10-17 YFa1=2.65 查圖10-17 YFa2=2.16 應(yīng)力修正系數(shù)YSa1，YSa2 查圖10-18 YSa1=1.58 查圖10-18 YSa2=1.83 小齒輪齒根彎曲疲勞極限 圖10-24c σFlim1=290MPa 大齒輪齒根彎曲疲勞極限 圖10-24c σFlim2=210MPa. 彎曲疲勞壽命系數(shù) 圖10-22 KFN1=0.97 KFN2=0.99。 取S=1.4,因此由[σF]=KFNσFlimS得： [σF]1=KFN1σFlim1S=0.97×2901.4MPa=200.93MPa [σF]2=KFN2σFlim2S=0.99×2101.4MPa=148.5MPa YFa1YSa1[σF]1=2.65×1.58200.93=0.0208 YFa2YSa2[σF]2=2.16×1.83148.5=0.0266 可以看出大齒輪的YFaYSa[σF]比小齒輪的大[4]，因此取： YFa2YSa2[σF]2=2.16×1.83148.5=0.0266 2）計(jì)算模數(shù) mt≥32KFtT1Yεφdz12YFaYSaσF =32×1.3×2.89×105×0.6870.8×202×0.0266=1.817mm （2）對(duì)齒輪模數(shù)進(jìn)行調(diào)整 1）求實(shí)際載荷系數(shù) 圓周速度v d1=mtz1=1.817×20=36.04mm v=πd1n160×1000=π×36.04×166.6760×1000=0.32m/s 齒寬b b=?dd1t=0.8×36.04mm=28.832mm 寬比高bh h=2ha*+c*mt=2×1+0.25×1.817=4.088mm bh=28.8324.088=7.0528 2）對(duì)實(shí)際載荷系數(shù)KF進(jìn)行計(jì)算 表3 公式系數(shù)表 項(xiàng)目 依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》 查尋結(jié)果 動(dòng)載荷系數(shù)KV 根據(jù)v=0.32，查圖10-8 KV=1.09 齒間載荷分配系數(shù)Kα 表10-3 KFα=1.0 齒向載荷分布系數(shù)Kβ 表10-4 KFβ=1.38 因此得： KF=KAKvKFαKFβ=1.5042 由式m=mt3KFKFt，可得m=mt3KFKFt=1.817×31.50421.3=1.907mm 因此取m=2mm，且d1=43.533mm，所以z1=d1m=43.5332=21.78 因此求得大齒輪齒數(shù)為z2=iz1=6×21.78=130.68 故取z1=22、z2=131 4. 各幾何尺寸的計(jì)算 （1）分度圓直徑 d1=z1m=22×2=44mm d2=z2m=131×2=262mm （2）中心距 a=d1+d22=44+2622mm=153mm （3）齒輪齒寬 b=?dd1=0.8×44mm=35.2mm 由書(shū)中查得齒寬應(yīng)加寬5至10mm，所以取b1=40mm， b=b2=35mm 主要設(shè)計(jì)結(jié)論: 表4 齒輪系數(shù)表 齒輪 齒數(shù) Z 模數(shù) M 分度圓d 齒頂圓da 齒根圓df 齒頂高h(yuǎn)a 齒根高 hf 齒寬 B Z1 22 2 44 46 39 2 3 40 Z2 131 2 262 266 256 2 3 35 3.2 偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.2.1偏轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)類(lèi)型與結(jié)構(gòu)的選取 根據(jù)本次機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)的動(dòng)力來(lái)源以及其工作條件的等一系列因素，得出電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型為步進(jìn)式電機(jī)。 3.2.2所選電機(jī)的有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 所設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部工作機(jī)所需要的有效功率表達(dá)式為： PW=FWvW/(1000ηw) 式中 PW —— 工作機(jī)所需功率（kW） FW —— 工作及所受阻力（N） vW—— 工作機(jī)的線速度（m/s） 因此求得PW=8000×0.5/（1000×0.96）=4.31kw 取傳動(dòng)效率：η=0.85 求電動(dòng)機(jī)功率的表達(dá)式為： Pd=PW/η 因此求得Pd=4.31/0.85=4.71kw 由資料查到步進(jìn)式電機(jī)的常用轉(zhuǎn)速為n=8000r/min 并且在電機(jī)前配置一個(gè)1:24的減速箱 蝸桿軸轉(zhuǎn)速：n3=8000r/min24=333.33r/min 蝸輪軸轉(zhuǎn)速：n4=n3i=16.67r/min 蝸桿軸功率:P3=Pd×ηc=4.71×0.99=4.66KW 蝸輪軸功率:P4=P3×η1=4.66×0.85=3.96KW 蝸輪軸的輸入轉(zhuǎn)矩為： T2=9.55×106×p4n4=1.169×105N·mm 3.2.3步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的確定 選取電機(jī)去下： 圖6 電機(jī)選擇 3.2.4偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 1. 選取齒輪的類(lèi)型、精度等級(jí)以及材料和齒數(shù) （1）選取漸開(kāi)線蝸桿，選取45鋼為其材料，其整體調(diào)質(zhì)并且表面淬火，齒面硬度選取45~55HRC；蝸輪選取鑄錫磷青銅ZCuSn10Pb1，使用金屬模鑄造。[4] （2）選取蝸桿的齒數(shù)z1=2，閉式蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比i=20，由此可得大齒輪的齒數(shù)z2=40。 2. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 由書(shū)中式子得： m2d1≥KT2(480Z2σH)2 （1）計(jì)算蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 T2=9.55×106×p4n4=1.169×105N·mm （2）計(jì)算載荷系數(shù)K 取 Kβ=1， KA=1.15； KV=1.05，則： K=KA×KV×Kβ=1.21 （3）確定彈性影響系數(shù)ZE 查書(shū)得ZE=160MPa （4）計(jì)算許用接觸應(yīng)力σH 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) NL=60×n×j×Lh=60×1×16.67×2×300×16=9.6×106 壽命系數(shù) KNH=8107NL=81079.6×106=1.005 則 σH=KNH×σOH'=1.005×268=269MPa （5）確定m2d1的值 m2d1≥KT2480Z2σH2=1.21×2.269×105×48040×2692=164.3mm3 由于z1=2，因此取m=2.5，所以由此可求d1=28 3. 計(jì)算蝸輪蝸桿的幾何尺寸 （1）計(jì)算中心距 a=12×d1+d2=0.5×28+100=64mm （2）蝸桿 軸向齒距Pa=πm=3.14×2.5=7.85mm 直徑系數(shù)q=d1m=282.5=11.2 齒頂圓直徑da1=d1+2ha*m=28+2×1×2.5=33mm 齒根圓直徑df1=d1-2ha*m+c=28-2×1×2.5+0.2×2.5=22mm 分度圓導(dǎo)程角tanγ=m×z1/d1=0.178，由此得γ=10°12` 蝸桿軸向齒厚Sa=12 πm=12×3.14×2.5=3.925mm （3）蝸輪 蝸輪分度圓直徑d2=mz2=2.5×40=100mm 蝸輪喉圓直徑da2=d2+2ha2=d2+2ha*m=100+2×2.5=105mm 蝸輪齒根圓直徑df2=d2-2mha*+c=100-2×2.5×1.2=94mm 蝸輪咽喉母圓半徑rg2=a-12da2=64-12×105=11.5mm 4. 驗(yàn)算效率η η=(0.95~0.96)×tanγtanγ+φv 由上可知γ=10°12`；φv=tan-1fv，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書(shū)中表11-18查得fv=0.0204 由此可求得η'=0.801，原設(shè)計(jì)合理。 5. 主要結(jié)論 設(shè)計(jì)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)m=8mm， z2=40, d1=28mm， z1=2。蝸桿所采用材料為45鋼，蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10Pb1。 3.2.5偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中偏轉(zhuǎn)齒輪的設(shè)計(jì) 1. 選取齒輪的類(lèi)型、精度等級(jí)以及材料和齒數(shù) （1）取壓力角α=20°。 （2）小齒輪選40Cr（調(diào)質(zhì)），齒面硬度為241~286HBS；大齒輪選45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度選取220HBS。[4] （3）由機(jī)械設(shè)計(jì)的表10-6可得，選取7級(jí)精度,其齒面粗糙度Ra≤1.6~3.2μm。 （4）選取小齒輪的齒數(shù)z1=23，選取閉式齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比i=3，由此可得大齒輪的齒數(shù)z2=69。 2. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) （1）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中式（10-11）計(jì)算小齒輪的分度圓的直徑，即為 d1t≥32KHtT1?d*i+1i*(ZHZEZε[σH])2 1)各參數(shù)值如下： 載荷系數(shù)KHt=1.3 試計(jì)算小齒輪的傳遞轉(zhuǎn)矩： 蝸桿軸轉(zhuǎn)速：n3=8000r/min24=333.33r/min 蝸輪軸轉(zhuǎn)速：n4=n3i=16.67r/min 偏轉(zhuǎn)小齒輪轉(zhuǎn)速：其與蝸輪軸轉(zhuǎn)速相等，即n5=n4 蝸桿軸功率:P3=Pd×ηc=4.71×0.99=4.66KW 蝸輪軸功率:P4=P3×η1=4.66×0.85=3.96KW 偏轉(zhuǎn)小齒輪的傳遞轉(zhuǎn)矩為: T1=9.55×106×p4n5=1.169×105N·mm 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的表10-7選取的齒寬系數(shù)φd=0.4 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的圖10-20可查的區(qū)域系數(shù)ZH=2.5 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的表10-5可查的齒輪所選材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa αa1=cos-1[z1cosα/(z1+2ha*)]=cos-123cos20023+2×1=30.1740 αa2=cos-1[z2cosα/(z2+2ha*)]=cos-169cos20069+2×1=24.0490 εα=z1tanα1-tanα+z2tanα2-tanα2π=23tan30.1740-tan200+69tan24.0490-tan2002π =1.7004 Zε=4-εα3=0.875 取 σHlim1=600MPa、σHlim2=550MPa N1=60n1jLh=60×16.67×1×2×300×16=9.6×106 N2=N1i=3.2×106 取KHN1=0.99 ,KHN2=0.97 由式子[σH]=KHNσHlim1S得： [σH]1=KHN1σHlim1S=0.99×6001=593MPa [σH]2=KHN2σHlim2S=0.97×5501=533.5MPa 取[σH]1和[σH]2兩者中比較小的取為齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力[4]，即為 [σH]1=[σH]2=533.5MPa 2)計(jì)算小齒輪分度圓直徑： d1t≥32KHtT1?d*i+1i*(ZHZEZε[σ])2 =32×1.3×2.269×1050.4*3+13*2.5×189.8×0.875533.52=56.25mm 3. 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) （1）模數(shù)式子為： mt≥3（2KFtT1Yεφdz12YFaYSa[σF]） 1）各參數(shù)值如下： 試選取KFt=1.3 由式Y(jié)ε=0.25+0.75εα得： Yε=0.25+0.75εα=0.25+0.751.7004=0.691 計(jì)算YFaYSa[σF] 表5 公式系數(shù)表 項(xiàng)目 依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》 查尋結(jié)果 齒形系數(shù)YFa1、YFa2 查圖10-17 YFa1=2.65 查圖10-17 YFa2=1.95 應(yīng)力修正系數(shù)YSa1，YSa2 查圖10-18 YSa1=1.58 查圖10-18 YSa2=1.76 小齒輪齒根彎曲疲勞極限 圖10-24c σFlim1=290MPa 大齒輪齒根彎曲疲勞極限 圖10-24c σFlim2=210MPa. 彎曲疲勞壽命系數(shù) 圖10-22 KFN1=0.97 KFN2=0.99。 取S=1.4,因此由[σF]=KFNσFlimS得： [σF]1=KFN1σFlim1S=0.97×2901.4MPa=200.92MPa [σF]2=KFN2σFlim2S=0.99×2101.4MPa=148.5MPa YFa1YSa1[σF]1=2.65×1.58200.93=0.0208 YFa2YSa2[σF]2=1.95×1.76148.5=0.0231 可以看出大齒輪的YFaYSa[σF]比小齒輪的大，因此?。? YFa2YSa2[σF]2=1.95×1.76148.5=0.0231 2）計(jì)算模數(shù) mt≥32KFtT1Yεφdz12YFaYSaσF =32×1.3×2.269×105×0.6910.4×232×0.0231=2.78mm 因此取m=3mm，因此偏轉(zhuǎn)齒輪的各尺寸如下： （1）分度圓直徑 d1=z1m=23×3=69mm d2=z2m=69×3=207mm （2）中心距 a=d1+d22=69+2072mm=138mm （3）齒輪齒寬 b=?dd1=0.4×69mm=27.6mm 由書(shū)中查得齒寬應(yīng)加寬5至10mm，所以取b1=35mm， b=b2=27mm 4. 主要結(jié)論 設(shè)計(jì)的此機(jī)構(gòu)取m=3mm， z2=69, d1=69mm， z1=23。小偏轉(zhuǎn)齒輪所采用材料為40Cr；而大偏轉(zhuǎn)齒輪所采用的材料為45鋼。 3.3 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.3.1旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇 根據(jù)本次機(jī)械手腕部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源外加其工作條件的等因素，得出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型仍然選取為步進(jìn)式電機(jī)。 3.3.2選取電機(jī)的相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 所設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的工作機(jī)所需要的有效功率表達(dá)式為： PW=FWvW/(1000ηw) 式中 PW —— 工作機(jī)所需功率（kW） FW —— 工作及所受阻力（N） vW —— 工作機(jī)的線速度（m/s） 因此求得PW=7500×0.51000=3.75kw 取傳動(dòng)效率η=0.95 求電動(dòng)機(jī)功率的表達(dá)式為： Pd=PW/η 求得Pd=3.750.95=3.94kw 由資料查到步進(jìn)式電機(jī)的常用轉(zhuǎn)速為n=8000r/min 并且在電機(jī)前配置一個(gè)1:48的減速箱 Ⅰ軸轉(zhuǎn)速：n1=8000r/min48=166.67r/min Ⅱ軸轉(zhuǎn)速：n2=n1i=166.67r/min8=27.78r/min 輸入軸Ⅰ功率:P1=P0×ηc=3.94×0.99=3.90KW 傳動(dòng)軸Ⅱ功率:P2=P1×η2=3.90×0.96×0.95=3.56KW 小齒輪的傳遞轉(zhuǎn)矩為: T1=9.55×106×p1n0=1.115×105N 因此所選取步進(jìn)電機(jī)與偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)同型號(hào)，參考圖6中步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的確定。 3.3.3旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 1. 選取齒輪的類(lèi)型、精度等級(jí)以及材料和齒數(shù) （1）壓力角取α=20°。 （2）小齒輪選40Cr（調(diào)質(zhì)），齒面硬度為241~286HBS；大齒輪選45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度選取220HBS。 （3）由機(jī)械設(shè)計(jì)的表10-6可得，選取7級(jí)精度,其齒面粗糙度Ra≤1.6~3.2μm。 （4）選取小齒輪的齒數(shù)z1=10，選取閉式齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比i=8，由此可得大齒輪的齒數(shù)z2=80。 2. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) （1）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中式（10-11）計(jì)算小齒輪的分度圓的直徑，即為 d1t≥32KHtT1?d*i+1i*(ZHZEZε[σH])2 1)各參數(shù)值如下： 載荷系數(shù)KHt=1.3 由書(shū)中的表10-7選取的齒寬系數(shù)φd=0.6 由書(shū)中的圖10-20可查的區(qū)域系數(shù)ZH=2.5 由書(shū)中的表10-5可查的齒輪所選材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa[4] αa1=cos-1[z1cosα/(z1+2ha*)]=cos-110cos20010+2×1=38.420 αa2=cos-1[z2cosα/(z2+2ha*)]=cos-180cos20080+2×1=23.540 εα=z1tanα1-tanα+z2tanα2-tanα2π=10tan38.420-tan200+80tan23.540-tan2002π =1.596 Zε=4-εα3=0.895 由書(shū)中取σHlim1=550MPa、σHlim2=500MPa 取KHN1=0.97 ,KHN2=0.99 由式子[σH]=KHNσHlim1S得： [σH]1=KHN1σHlim1S=0.97×5501=533.5MPa [σH]2=KHN2σHlim2S=0.99×5001=495MPa 取[σH]1和[σH]2兩者中比較小的取為齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力[4]，即為 [σH]1=[σH]2=495MPa 2)計(jì)算小齒輪分度圓直徑： d1t≥32KHtT1?d*i+1i*(ZHZEZε[σ])2 =32×1.3×1.115×1050.6*8+18*2.5×189.8×0.8954952=20.164mm 3. 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) （1）模數(shù)式子為： mt≥3（2KFtT1Yεφdz12YFaYSa[σF]） 1）各參數(shù)值如下： 試選取KFt=1.3 由式Y(jié)ε=0.25+0.75εα得 Yε=0.25+0.75εα=0.25+0.751.596=0.719 如下表所示即為查得的各種數(shù)據(jù)： 表6 公式系數(shù)表 項(xiàng)目 依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》 查尋結(jié)果 齒形系數(shù)YFa1、YFa2 圖10-17 YFa1=2.65 圖10-17 YFa2=2.16 應(yīng)力修正系數(shù)YSa1，YSa2 圖10-18 YSa1=1.58 圖10-18 YSa2=1.83 小齒輪齒根彎曲疲勞極限 圖10-24c σFlim1=290MPa 大齒輪齒根彎曲疲勞極限 圖10-24c σFlim2=210MPa. 彎曲疲勞壽命系數(shù) 圖10-22 KFN1=0.98 KFN2=0.99。 試取S=1.4,因此由[σF]=KFNσFlimS得 [σF]1=KFN1σFlim1S=0.98×2901.4MPa=203MPa [σF]2=KFN2σFlim2S=0.99×2101.4MPa=148.5MPa YFa1YSa1[σF]1=2.65×1.58203=0.0206 YFa2YSa2[σF]2=2.16×1.83148.5=0.0266 可以看出大齒輪的YFaYSa[σF]比小齒輪的大，因此取 YFa2YSa2[σF]2=2.16×1.83148.5=0.0266 2）計(jì)算模數(shù) mt≥32KFtT1Yεφdz12YFaYSaσF =32×1.3×1.115×105×0.7190.6×102×0.0266=1.976mm 因此取m=2mm，因此偏轉(zhuǎn)齒輪的各尺寸如下： （1）分度圓直徑 d1=z1m=10×2=20mm d2=z2m=80×2=160mm （2）中心距 a=d1+d22=20+1602mm=90mm （3）齒輪齒寬 b=?dd1=0.6×20mm=12mm 由書(shū)中查得齒寬應(yīng)加寬5至10mm，所以取b1=20mm， b=b2=12mm 4. 主要結(jié)論 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)取m=2mm， z2=80, d1=20mm， z1=10。小齒輪所采用材料為40Cr；而大齒輪所采用的材料為45鋼。 3.4 平移運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.4.1平移運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇 由本次機(jī)械手腕部平移運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的動(dòng)力來(lái)源以及其工作條件的等因素，得出電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型為步進(jìn)式電機(jī)。 3.4.2所選電機(jī)的有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 所設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部工作機(jī)所需要的有效功率表達(dá)式為： PW=FWvW/(1000ηw) 因此求得PW=5000×0.5/(1000×0.96）=2.604kw 取傳動(dòng)效率η=0.95 求電動(dòng)機(jī)功率的表達(dá)式為： Pd=PW/η 因此求得Pd=2.604/0.95=2.74kw 由資料查到步進(jìn)式電機(jī)的常用轉(zhuǎn)速為n=8000r/min 并且在電機(jī)前配置一個(gè)1:48的減速箱 Ⅰ軸轉(zhuǎn)速：n1=8000r/min48=166.67r/min Ⅱ軸轉(zhuǎn)速：n2=n1i=166.67r/min3=47.68r/min 輸入軸Ⅰ功率:P1=P0×ηc=2.74×0.99=2.71KW 傳動(dòng)軸Ⅱ功率:P2=P1×η2=3.90×0.96×0.95=2.47KW 小齒輪的傳遞轉(zhuǎn)矩為: T1=9.55×106×p1n1=1.163×105N 因此所選取步進(jìn)電機(jī)與偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)同型號(hào)，參考圖6中步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的確定。 3.4.3平移運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 1. 選取齒輪的類(lèi)型、精度等級(jí)以及材料和齒數(shù) （1）壓力角取α=20°。 （2）小齒輪選40Cr（調(diào)質(zhì)），齒面硬度為241~286HBS；大齒輪選45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度選取220HBS。 （3）由機(jī)械設(shè)計(jì)的表10-6可得，選取7級(jí)精度,其齒面粗糙度Ra≤1.6~3.2μm。 （4）選取小齒輪的齒數(shù)z1=13，選取閉式齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比i=3，由此可得大齒輪的齒數(shù)z2=39。 2. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) （1）由式（10-11）計(jì)算小齒輪的分度圓的直徑，即為 d1t≥32KHtT1?d*i+1i*(ZHZEZε[σH])2 1)各參數(shù)值如下： 載荷系數(shù)KHt=1.3 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的表10-7選取的齒寬系數(shù)φd=0.6 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的圖10-20可查的區(qū)域系數(shù)ZH=2.5 取ZE=189.8MPa αa1=cos-1[z1cosα/(z1+2ha*)]=cos-113cos20013+2×1=35.410 αa2=cos-1[z2cosα/(z2+2ha*)]=cos-139cos20039+2×1=26.640 εα=z1tanα1-tanα+z2tanα2-tanα2π=13tan35.410-tan200+39tan26.640-tan2002π =1.573 Zε=4-εα3=0.899 由書(shū)中得取σHlim1=550MPa、σHlim2=500MPa 取KHN1=0.96 ,KHN2=0.97 由式子[σH]=KHNσHlim1S得： [σH]1=KHN1σHlim1S=0.96×5501=528MPa [σH]2=KHN2σHlim2S=0.97×5001=485MPa 取[σH]1和[σH]2兩者中比較小的取為齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力，即為： [σH]1=[σH]2=485MPa 2)計(jì)算小齒輪分度圓直徑： d1t≥32KHtT1?d*i+1i*(ZHZEZε[σ])2 =32×1.3×1.163×1050.6*3+13*2.5×189.8×0.8994852=19.95mm 3. 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) （1）模數(shù)式子為： mt≥3（2KFtT1Yεφdz12YFaYSa[σF]） 1）各參數(shù)值如下： 試選取KFt=1.3 由式Y(jié)ε=0.25+0.75εα得： Yε=0.25+0.75εα=0.25+0.751.573=0.726 計(jì)算YFaYSa[σF] 表7 公式系數(shù)表 項(xiàng)目 依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》 查尋結(jié)果 齒形系數(shù)YFa1、YFa2 查圖10-17 YFa1=2.65 查圖10-17 YFa2=2.23 應(yīng)力修正系數(shù)YSa1，YSa2 查圖10-18 YSa1=1.58 查圖10-18 YSa2=1.76 小齒輪齒根彎曲疲勞極限 圖10-24c σFlim1=290MPa 大齒輪齒根彎曲疲勞極限 圖10-24c σFlim2=210MPa. 彎曲疲勞壽命系數(shù) 圖10-22 KFN1=0.97 KFN2=0.99 試取S=1.4,因此由[σF]=KFNσFlimS得： [σF]1=KFN1σFlim1S=0.97×2901.4MPa=200.93MPa [σF]2=KFN2σFlim2S=0.99×2101.4MPa=148.5MPa YFa1YSa1[σF]1=2.65×1.58200.93=0.0208 YFa2YSa2[σF]2=2.23×1.76148.5=0.0264 可以看出大齒輪的YFaYSa[σF]比小齒輪的大，因此取： YFa2YSa2[σF]2=2.23×1.76148.5=0.0264 2）計(jì)算模數(shù) mt≥32KFtT1Yεφdz12YFaYSaσF =32×1.3×2.89×105×0.6870.8×202×0.0266=1.425mm 因此取m=1.5mm，因此偏轉(zhuǎn)齒輪的各尺寸如下： （1）分度圓直徑 d1=z1m=13×1.5=20mm d2=z2m=40×1.5=60mm （2）中心距 a=d1+d22=20+602mm=40mm （3）齒輪齒寬 b=?dd1=0.6×20mm=12mm 由書(shū)中查得齒寬應(yīng)加寬5至10mm，所以取b1=17mm， b=b2=12mm 4. 主要結(jié)論 設(shè)計(jì)的此機(jī)構(gòu)取m=1.5mm， z2=40, d1=20mm， z1=13。小齒輪所采用材料為40Cr；而大齒輪所采用的材料為45鋼。 第四章 機(jī)械手腕部軸及軸承設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1俯仰運(yùn)動(dòng)中軸的設(shè)計(jì) 首先估算軸的直徑。 材料：45鋼，調(diào)制處理。 對(duì)于俯仰運(yùn)動(dòng)的軸，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-3，取與軸類(lèi)材料有關(guān)的系數(shù)A0=112 且由上述分析得： P2=P1×η2=5.05×0.96×0.95=4.61KW n2=n1i=166.67r/min6=27.78r/min. 即求得： d1min=A0×3PN=11234.6127.78=59.54mm 圖7 俯仰軸 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 初定各軸段直徑，由上圖可得，從左到右在第一段處，取其直徑為60mm，因?yàn)樯鲜銮蟮玫闹睆阶钚≈禐?9.54mm，此處是軸與大齒輪配合處，所以由計(jì)算的最小直徑估算取為60mm；又由上述求得此處大齒輪的齒寬為33mm，因此取第一段處長(zhǎng)度為35mm；第一段右端需要制出一個(gè)軸肩，且軸肩的高度h=（2~3）R，因此在第二段處，取其直徑為62mm，并且由設(shè)計(jì)的手臂的寬度198mm，因此設(shè)計(jì)第二段處的長(zhǎng)度為200mm。 軸的受力分析 已知：大齒輪的分度圓直徑d2=262mm 軸傳遞的扭矩 T=9550P2n2=9.55×106×4.6127.78=41.87N?m=1.58×105N?mm 齒輪上的圓周力 Ft=2Td=2×1.58×105262=1206N 齒輪上的徑向力 Fr=Fttanα=1206×tan20°=438N 齒輪上的軸向力 Fa=0N 求得： FAH=Q×200-Fr×35200+35=1206×200-438×35235=86.2N MCHL=FAH×200=17240N?mm MCHR=MCHL+Fa×d2=19542N?mm MBH=Q×35=1206×35=42210N?mm FAV=FBV=Ft2=12062=603N MCV=FAV×35=603×35=21105N?mm MCL=MCHL2+MCV2=172402+211052=17251N?mm MCR=MCHR2+MCV2=195422+211042=19864N?mm MB=MBH2+MBV2=422102+02=42210N?mm 取折合系數(shù)α=0.6，則當(dāng)量應(yīng)力為: σca=MCR2+(αT)2W=198642+(0.6×15800)20.1×353=36.92MPa 由于σ=650MPa,則查書(shū)得[σ-1]W=55MPa，σca<[σ-1]W，故強(qiáng)度滿足要求。 4.2偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中蝸桿軸的