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摘要
因為電機的驅動技術有著結構簡單、價格便宜、環(huán)保、維修簡單等一系列明顯優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中得到及其廣泛的應用，已經(jīng)成為機械自動化生產(chǎn)中不可或缺的重要手段之一，在當今備受人們的關注與重視。還有近年來工業(yè)機械化和工業(yè)自動化的發(fā)展，機械手臂已經(jīng)能做出類似人手臂的一些機械功能，在實際生產(chǎn)中按已有設定的程序抓取物件或操作機械工具運動的自動化機械裝置，且是最早出現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中的機器人，而且也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代化工業(yè)機器人，它可代替人工以實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化和高效率，還能在對人體有害環(huán)境下代替人工進行穩(wěn)定的操作，因此現(xiàn)今的機械手被廣泛應用于機械制造、冶金、輕工業(yè)和原子能等相關的工業(yè)生產(chǎn)線中。
首先，根據(jù)上料機器人的功能需求進行上料機器人手臂的總體結構分析，提出多種總體結構設計方案，并對多中方案進行檢查分析，選出最優(yōu)的設計方案；其次進行最優(yōu)的設計方案的具體設計，其中包括傳動方案的選擇，滾珠絲杠的設計，電機的選擇，齒輪傳動的設計，軸承和軸的設計計算與校核；再次運用CAD繪制二維工程總裝圖和主要零件圖，細致剖析機器人手臂的內部結構，標注機器人手臂的整體尺寸與基本公差配合；最后用Pro/E做出上料機器人臂部的部分零件圖和總裝配圖，并建立上料機械臂的三維實體模型進行運動仿真分析檢查干涉情況；并用ANSYS軟件建立機械臂重要零部件的有限元模型，然后進行必要的應力分析并校核強度，最后運用UG建立零件的數(shù)控加工過程。
關鍵詞：機械臂；設計；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 本論文的學術背景及理論與實際意義 1
1.2 上料機器人手臂的發(fā)展現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢 2
1.3 本論文研究的主要內容 8
2 上料機械手臂的結構設計 10
2.1 總體方案分析 10
2.2 傳動方案的選擇 11
2.3 滾珠絲杠的設計 13
2.4 電機的選擇 17
2.5 齒輪傳動的設計 19
2.6 軸承的選擇 25
2.7 俯仰軸的設計 28
3 PRO/E建模和仿真 32
3.1 主要部件建模及其簡介 32
3.2 其他主要三維模型的展示 42
3.3 上料機器人手臂的裝配模型 45
4結論 66
參考文獻 67
5致謝 69
I
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1 緒論
1.1本論文的學術背景及理論與實際意義
工業(yè)機器人是面向工業(yè)生產(chǎn)的具有多關節(jié)機械手臂且多方向可動的機器裝置，它能按事先設定好的程序自動執(zhí)行設定好的工作，它是靠電機提供動力和程序自我控制能力的相互協(xié)調來實現(xiàn)各種機械功能的一種機器裝置。它可以受人的控制和指揮，也可以按照程序設定自動平穩(wěn)工作，現(xiàn)代的機器人還可以按照人工智能技術設定的各項原則來工作。
現(xiàn)代工業(yè)機器人是集機械、電子、新型材料、計算機、傳感器、人工智能等多技術融為一體的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)線中非常重要的自動化機械裝備。1962年美國制造出世界上第一臺運用于工業(yè)生產(chǎn)的機器人以來工業(yè)機器人技術和相關產(chǎn)品發(fā)展及其迅速，我國也在迎頭趕上?，F(xiàn)在已經(jīng)成為柔性制造系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、計算機大規(guī)模集成制造系統(tǒng)的自動化運行工具。
工業(yè)機器人是一種運行獨立，多方向可動，程序可以編程控制，自動化程度很高的可代替人工的操作機械。主要運用在自動化生產(chǎn)線的生產(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，可以搬運人工不可以搬運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)設定的程序或者外來信號，自動進行操作。運用工業(yè)機器人可以非常有效的提高工業(yè)產(chǎn)品的質量與生產(chǎn)效率，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中最大程度的自動化，改善人力資源需求，減輕工業(yè)生產(chǎn)對于人工依賴的一種有效手段。機器人的誕生和發(fā)展過程雖然只有30多年的時間，但它已應用到了國民經(jīng)濟領域,工業(yè)生產(chǎn)領域,軍事技術領域等眾多的領域，具有廣闊的發(fā)展前景，并且顯示出其強大的生命力[1]
廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可以提高工業(yè)生產(chǎn)的質量與效率，而且對保障人身安全、改善生產(chǎn)環(huán)境、減輕勞動強度、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上料機器人手臂的發(fā)展現(xiàn)狀及未來的發(fā)展趨勢
（1）世界機器人手臂的設計發(fā)展現(xiàn)狀和今后的發(fā)展趨勢。
第一代工業(yè)機器人就是現(xiàn)階段工業(yè)中被大量使用的現(xiàn)型工業(yè)生產(chǎn)機器人，它主要由手部、關節(jié)、臂部、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成。第一代工業(yè)機器人控制方式比較簡單，應用人工編程然后存儲在本身系統(tǒng)中，當機器人進行工作時讀出這些事先編好的信息，然后向執(zhí)行機構發(fā)出指令，執(zhí)行機構按指令進行操作。第二代工業(yè)機器人就是帶有多種傳感器的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的能力。第二代工業(yè)機器人控制方式比第一代工業(yè)機器人要先進并且復雜的多，第二代工業(yè)機器人從1980年進入了實用階段，現(xiàn)在已經(jīng)開始普及應用。第三代工業(yè)機器人就是數(shù)字智能化機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識別自動選擇程序進行操作，完成規(guī)定的任務。并且能記錄和檢測工作對象的變化，具有適應各種復雜工作環(huán)境的新功能。第三代機器人現(xiàn)在還處于設計研制研制階段，還沒有大量投入工業(yè)生產(chǎn)應用當中 。
目前，國外西方發(fā)達國家的工業(yè)機器人軌跡技術已經(jīng)較為成熟。歐洲委員會設定了節(jié)能目標：到2020年工業(yè)機器人一次能源的消耗要比2007年減少20%。美國Meike和Ribickis，研究了ABB機器人獲取時間最優(yōu)軌跡和能量最優(yōu)軌跡的獲取算法，這將使同樣的機器人運動目的采用最優(yōu)化的軌跡，實現(xiàn)時間和能耗的最優(yōu)。
國外發(fā)達國家現(xiàn)在正在研究工業(yè)生產(chǎn)中機械臂的模塊化設計。想要研制一種新型模塊化可任意旋轉關節(jié)。為使模塊化關節(jié)結構強度得到保證并且更緊湊，因此設計采用電機、編碼器和制動器軸線平行的布置方式，具有標準通用的機械、電氣接口，可以根據(jù)企業(yè)或者生產(chǎn)線的需求不同組裝成不同構型的機械臂；針對模塊化機械臂運動學不具有通用性的問題，基于構型平面匹配的方法，將空間構形轉換為平面幾何關系，實現(xiàn)對機械臂的模塊化運動學求解；設計了機械臂運動學仿真平臺，能夠快速獲得不同構型機械臂的運動學；結合該模塊化旋轉關節(jié)的特點，構建分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對各種構型機械臂的控制。
由于新型的機械臂模塊化推進了機器人創(chuàng)新技術的速度，使得企業(yè)與企業(yè)之間的相互了解的反應時間大大縮短。作為一條行業(yè)的競爭規(guī)則，管理者不得不去適應產(chǎn)品設計理念快速更替和機器人相關產(chǎn)業(yè)的各種創(chuàng)新發(fā)展，單單只去了解同行業(yè)直接競爭廠商的運營模式和競爭戰(zhàn)略方針是遠遠不夠的，與產(chǎn)品相關的其他模塊的創(chuàng)新設計發(fā)展及其行業(yè)內部容易變化的合作聯(lián)盟關系都有可能隨時導致非常激烈的競爭。模塊是產(chǎn)品知識的提現(xiàn)和載體，對模塊科研成果的應用就是對科學知識的直接有效應用，利用好現(xiàn)階段已經(jīng)有的的經(jīng)過實際生產(chǎn)檢驗的模塊，就可以把產(chǎn)品設計風險與成本降到最低，同時還可以提高所生產(chǎn)產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟性、和設計質量。因為每個模塊功能都具有獨立性和模塊接口的一致性，所以要求其各個模塊設計研究更加的專業(yè)，細致，可靠。我們可以通過不斷的改進與升級機器人自身的性能和精度來提高產(chǎn)品的整體的性能、質量和可靠性，并且不會影響到產(chǎn)品其他需要的各項有用功能。
在當今工業(yè)機器人生產(chǎn)中各種傳感器的加入和運用變得日益重要，除采用傳統(tǒng)的傳感器外，還加入了更加先進的視覺、力覺等特殊傳感器，而遙控機器人則復雜很多，一般的遙控機器人大體采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器進行環(huán)境監(jiān)測、障礙躲避、聲音辨識和方位感應。現(xiàn)在多種傳感器的協(xié)調匹配技術在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)有非常成熟廣泛的應用。
系統(tǒng)應用與集成化：支持運用于以人為本的生產(chǎn)系統(tǒng)，在生產(chǎn)系統(tǒng)中機器人可以群體控制、群體智能和多機互聯(lián)通訊，研發(fā)能理解人的思想的“類人機器人”。
安全可靠性：由于有很多的未知因素的存在，如果要實現(xiàn)機器人智能化的安全與可靠，那么必須要求機器人對突發(fā)的各種意外情況都具有應變能力，可以做到及時采取必要的預防措施和有效的安全對策，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。
現(xiàn)階段工業(yè)機器人所能達到的最高階段是智能化和仿生化相結合，隨著材料技術、控制技術、機器人小型化數(shù)據(jù)化的不斷創(chuàng)新發(fā)展，實驗產(chǎn)品越來越多的被生產(chǎn)并逐步應用于各種生產(chǎn)線和生活中的各個場合。伴隨人們的生活水平不斷的提高移動互聯(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)機器人將會未來的工業(yè)生產(chǎn)中越來越多的被運用。
（2）國內機器人手臂的設計發(fā)展現(xiàn)狀與未來的設計發(fā)展趨勢。
20世紀70年代初期我國才把工業(yè)機器簡單的運用到了一些重工業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)線中，經(jīng)過幾十年我科研人員的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，我國的工業(yè)機器人取得了巨大的進步。隨著我國各項科技水平不斷發(fā)展和強大，我國的工業(yè)機器人技術取得了舉世矚目的成果，并且在全球范圍內的工業(yè)發(fā)展過程中開始扮演著非常重要的作用[5]。當然與西方發(fā)達國家相比較，我國的機器人技術還確實存在著一定的差距，所以我們要引進并且充分吸收利用國外先進的機器人技術，使我國的機器人發(fā)展邁上新的臺階。
上料工業(yè)機器人正向靈活、多功能、經(jīng)濟型穩(wěn)定型發(fā)展。專業(yè)化分工是提高產(chǎn)品質量、不斷更新?lián)Q代的一個辦法[6]。我國現(xiàn)在機械手臂設計正朝向剛度高、導向性號、重量輕、運動平穩(wěn)、定位精度高等特點邁進。
中國工業(yè)機器人從引進到自己生產(chǎn)發(fā)展迅速。我國目前已經(jīng)可以自主設計生產(chǎn)出大部分工業(yè)機器人的關鍵性元器件?，F(xiàn)在國產(chǎn)的各種型號的各種用途的工業(yè)機器人已經(jīng)出現(xiàn)在了我國很多企業(yè)的一線生產(chǎn)線上；同時也涌現(xiàn)出一大批高、精、尖的機器人技術的研究人才。一些與機器人技術相關的科研機構和企業(yè)也已經(jīng)掌握了工業(yè)機器人的各項重要技術。
未來的我國機器人行業(yè)，將重點研究其智能化體系結構，高精度的控制，智能化作業(yè)和機械臂模塊化設計，構成新型工業(yè)機器人的核心技術體系。智能化的結構就是要形成國內機器人的行業(yè)標準、國家標準，然后再結合我國新型工業(yè)機器人的各項技術，設計研發(fā)出與行業(yè)息息相關的其他成套的重要裝備技術，從而形成我國工業(yè)機器人的核心成套裝備技術。
1.3本論文研究的主要內容
本論文的主要內容有上料機器人手臂總體方案設計與計算，三維建模與運動仿真，對上料機器人的軸進行有限元分析，用UG對軸進行數(shù)控加工分析，具體內容如下：
第1章，緒論。介紹本論文研究的理論意義與國內外上料機械手臂的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，并簡要介紹本論文研究的主要內容。
第2章，總體方案設計與計算。柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing System)能適應加工對象變換的自動化機械制造系統(tǒng)，本課題意在適應新時期制造業(yè)的發(fā)展要求，在設計前對熟悉工業(yè)機器人臂部的結構、功能及工作原理，分析機器人臂部各重要的組成部分。完成柔性制造中工業(yè)機器人手臂部位各機構的傳動設計。加強對現(xiàn)實生產(chǎn)中工業(yè)機器人的理解，設計出臂部的主要傳動結構，并確定設計方案。確定能完成機器人臂部的各項要求動作。
根據(jù)已經(jīng)設計出的方案，計算出各個零件的各項詳細數(shù)據(jù)，并各個零件數(shù)據(jù)進行強度校核，確定臂部部件的強度穩(wěn)定性和可靠性。
第3章，三維實體圖的制作和運動仿真模擬。做出上料機器人臂部的機械總裝配圖和重要部分零件的零件圖。并對機器人手臂的運動軌跡和構件進行三維運動仿真。
第4章，總結與展望?？偨Y和闡述了本論文研究的主要課題和內容，并且簡要分析了本篇論文可能存在的一些問題。
36
第2章 上料機器人手臂設計綜述
2上料機械手臂的結構設計
2.1 總體方案分析
該方案主要完成對上料機器人臂部的結構設計。采用研究類似機械設計過程并進行類比推理，方案間比較等方法，根據(jù)工業(yè)機械手臂的實際應用特征及現(xiàn)有的物質、經(jīng)濟技術、人力等條件，以所學的理論知識為基礎，按照工業(yè)機器人手臂工作的一般過程、設計標準，借鑒以往相似設備的成功經(jīng)驗進行初步設計，然后對初步設計方案進行驗算，修正，直至達到安全、經(jīng)濟、實用的目的。其中對于機器人臂部設計中的關鍵問題、難點問題進行重點分析解決，確保整個設計方案的可行性和最佳性。
臂部的旋轉變直線運動（伸縮）可以由齒輪齒條機構、蝸輪蝸桿機構、滾珠絲杠等機構實現(xiàn)。但是齒輪齒條機構安裝加工精度差，傳動時噪聲差。蝸輪和蝸桿的傳動效率都相對偏低，伸縮與延展性能相對較差。與此同時滾珠絲杠摩擦損失非常小，傳動過程中的效率非常高，控制精度高，同時可高速進給，軸向剛度高，在生產(chǎn)過程中穩(wěn)定可靠。因此綜上所訴選擇滾珠絲杠機構機型的傳動效果最佳。
在僅僅存在一個輸入，俯仰與伸縮獨立運動問題的考慮上，可以選擇離合，PLC控制或者滑移齒輪來實現(xiàn)，綜合考慮，因為滑移齒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實現(xiàn)獨立運動。比較經(jīng)濟實惠。
驅動形式是電動或者液壓，因為電動方式控制的精度能夠很高，而且結構緊湊，臂部運動對機器人運動最終精度影響大，故采用電機驅動來實現(xiàn)臂部的回轉運動。
2.2傳動方案的選擇
? 2.2.1傳動方案應滿足的要求
臂部設計一般由提供動力的電機、傳動裝置和用于上料的工作部分組成，傳動裝置在原動機和用于工作的機械臂之間傳遞運動和動力，并且可實現(xiàn)分級和多級運動。在這次的研究課題中，原動機應采用步進電機，用于工作的部分為方形，傳動裝置是由齒輪傳動和滾珠絲杠傳動配合組成。
符合工作條件的傳動方案主要有以下四點具體要求：
（1）機械的功能要求：應滿足或者略大于工作臺的要求功率、轉速和所需的運動形式。
（2）工作條件的要求：例如工作環(huán)境、場地等。
（3）工作性能要求：保證工作可靠、傳動效率高等。
（4）結構工藝性要求；如結構簡單合理、工藝精度高、各個結構尺寸合理、使用維護便利、穩(wěn)定可靠、可持續(xù)工作、和經(jīng)濟合理等。
? 總體傳動方案設計及分析
方案一：
為解決通過一個電機解決機械手臂俯仰與伸縮動作獨立的問題，我們采用滑移齒輪結構，結構簡單，維護便利。簡圖如下圖2.1。
為了將齒輪的轉動改變成直線往復運動，我們采用滾珠絲杠，通過滾珠絲杠的旋轉運動是的在上面的滾珠螺母變成之間運動從而實現(xiàn)了運動形式之間的轉換，進而實現(xiàn)了手臂的伸縮運動。
滾珠絲杠具有以下3個優(yōu)點：（1）.摩擦損失小，傳動效率高。（2）精度高。（3）.可以實現(xiàn)高速進給，軸向剛度高。
俯仰運動通過錐齒輪的傳動，從而將旋轉運動的方向改變，進而實現(xiàn)俯仰運動。
圖2.1 方案一簡圖
方案二：
我們采用集成PLC電路的方式解決通過一個電機解決機械手臂俯仰與伸縮動作獨立的問題。簡圖如下圖2.2。
伸縮運動采用齒輪齒條機構。齒輪齒條機構的特點是：（1）.傳遞動力大，效率高。（2）.壽命長，工作平穩(wěn)，可靠性高。（3）.能保持恒定的傳動比。
圖2.2 方案二簡圖
方案三：
伸縮運動采用蝸輪蝸桿機構，簡圖如下圖2.3
蝸輪蝸桿運動的特點：（1）.可以得到很大的傳動比。（2）.線接觸承載能力提高。（3）.傳動平穩(wěn)，噪聲小。
圖2.3 方案三簡圖
綜合比較，方案一比較合理，因此采用方案一。
2.3滾珠絲杠的設計
? 2.3.1絲杠工作臺的運動要求
俯仰部分質量：m1=20Kg；
工件質量：m2=3-200Kg；
行程長度：l=400mm；
最高運動速度：Vmax=0.08m/s；
每分鐘往復次數(shù)：n=6次/min；
定位精度：±0.3mm/1000mm；
軸向游隙：0.15mm；
反復定位精度：±0.1mm；
期望壽命：3000h；
工作部分與導軌滑動表面的摩擦系數(shù)：μ=0.15；
滾珠絲杠的傳動效率：η=90%。
? 2.3.2滾珠絲杠的計算及校核
根據(jù)滾珠絲杠的運動要求
（1）滾珠絲杠副的選擇：伸縮長度S=400mm，所需的伸縮時間t=5s所以速度V由式（2.1）計算：
（2.1）
解得V=0.08m/s。
初選螺距P=10mm，則螺距由式（2.2）計算：
（2.2）
解得nm=960r/min。
（2）計算載荷：則Fc(w) 由式（2.3）計算
（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）計算額定動載荷的值：由式（2.5）計算
（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載荷等于或稍大于的原則，選用STK3210-4-R絲杠直徑D0=35mm，導程P=10，滾珠直徑d0=5.556mm，滾道半徑由式（2.6）計算
（2.6）
解得R=2.89。
偏心距由式（2.7）計算
（2.7）
解得R=。
絲杠內徑由式（2.8）計算
（2.8）
解得d1=26.35mm。
（5）穩(wěn)定性驗算
因為由于一端軸向固定的長絲杠在實際生產(chǎn)線工作中時可能會不穩(wěn)定，為確保安全所以在前期設計時應驗算其安全系數(shù)S，看是否合格。如果S的值大于絲杠副傳動結構允許安全系數(shù)[S]，那么說明穩(wěn)定可靠，否則不合格。（見表2-10）。絲杠不會發(fā)生安全風險的最大載荷也叫臨界載荷Fcr按式（2.9）計算：
（2.9）
式中E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼，E=206Mpa； l 為絲杠工作長度（m）L=400mm；為絲杠危險截面的慣性矩；u為長度系數(shù)由式（2.10）
（2.10）
解得Ia=。取， 則
安全系數(shù)由式（2.11）計算：
（2.11）
解得S>[S]，結構安全。
（6）選定螺母類型
查閱現(xiàn)有的書籍資料，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。在實際工程計算中，軸承壽命由式（2.12）表示
（2.12）
（2.13）
其中， C——基本額定動載荷（N ）；
P——當量動載荷（N ）；
——壽命指數(shù) 球軸承；
n——軸承的轉速（r/min）；
由式（2.13）計算
解得C=1200KN，因為Cr>C，所以滿足要求。
2.4電機的選擇
? 2.4.1確定各旋轉件的角速度
角速度由式（2.14）計算：
絲桿= （2.14）
解得絲桿=100.53rad/s。
? 2.4.2確定各旋轉件的轉動慣量
其中絲桿系效直徑取為0.038m。轉動慣量由式（2.15）計算
J = （2.15）
解得J=。
? 2.4.3確定直線傳動件質量
質量由式（2.16）計算
=m1+m2+m3+m4+m5 （2.16）
解得=50Kg。
? 2.4.4轉化到電機軸上當量轉動慣量
當量轉動慣量由式（2.17）計算
J= （2.17）
式中： Wk—各旋轉件的角速度；（rad/s ）,
Jk—各旋轉件的轉動慣量； （Kg?m）,
V—-直線運動件的速度；（m/s）,
W---電機角速度；（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上的扭矩:
扭矩由式（2.18）計算
=J （2.18）
式中：J—電機軸上的當量轉動慣量（Kg?m）；
W—電機的角速度（rad/s）；
T—時間，取t=0.27；
解得M慣 =0.785N?M。
? 2.4.6確定負載扭矩:
扭矩由式（2.19）計算
（2.19）
解得TL=5N?M。
由式（2.20）計算：
（2.20）
解得Tst=10 N?M。
最大靜轉矩由式（2.21）計算
（2.21）
解得Tsmax=11.3 N?M。
根據(jù)動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
電機功率由由式（2.23）計算
（2.23）
解得Pd=1.233KW。
根據(jù)手冊表17-7，選擇Y系列（IP44）三相異步電動機：Y100L-6其額定功率為1.5KW，同步轉速為1000r/min。
2.5齒輪傳動的設計
? 2.5.1錐齒輪的計算及校核
（1）選定所需的齒輪類型、需要的精度等級、材料的種類及所需齒數(shù)
1）通過對比選用標準直齒錐齒輪齒輪傳動，壓力角取20；
2）兩個錐齒輪均選用7級精度；
3）材料為40cr，并都進行調制處理，硬度為280HBS；
4）由于所設計錐齒輪僅實現(xiàn)交叉軸傳動換向，故設計齒數(shù)為Z1=24，大齒輪齒數(shù)為Z2=77。
（2）齒輪接觸疲勞強度計算由式（2.24）
（2.24）
? 確定公式中各個參數(shù)值。
? 試選KHt=1.3，
? 計算小齒輪傳遞轉矩由式（2.25）
（2.25）
解得T1=5.12×104N·mm。
? 選取齒寬系數(shù)ΦR=0.3
? 由文獻[16]圖10-20查得區(qū)域系數(shù)ZH=2.5；
? 由文獻[16]表10-5查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa
? 計算接觸疲勞許用應力[σH]。
由文獻[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[16]式（10-25）計算應力循環(huán)次數(shù)由式（2.26）、（2.27）計算：
（2.26）
解得N1=5.184×109。
N2= N1/u （2.27）
解得N2=1.62×109。
由文獻[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[16]中式（10-14）即由式（2.28），（2.29）計算：
（2.28）
解得[σH]1=540MP。
（2.29）
解得[σH]2=523MP。
取[σH]1、[σH]2中的偏小值當做該齒輪副的接觸疲勞許用應力，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）調整小齒輪分度圓直徑
1）計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)分析與收集
圓周速度v由式（2.31）、（2.32）計算
dm1=d1t（1-0.5）ΦR （2.31）
解得dm1=57.843mm，
（2.32）
解得vm=3.634m/s。
當量齒寬系數(shù)Φd由式（2.33）、（2.34）得：
（2.33）
Φd=b/dm1 （2.34）
解得Φd=0.592。
2）計算載荷系數(shù)KH
由文獻[16]表10-2查得使用系數(shù)KA=1
根據(jù)vm=3.634m/s、7級精度，由文獻[16]圖10-8查得動載系數(shù)KV=1.173
因為直齒錐齒輪精度相對較低，所以取齒間載荷分配系數(shù)KHα=1為最佳
由文獻[16]表10-4用插值法得7及精度，小齒輪懸臂時，得齒向載荷分布系數(shù)；KHβ=1.345，KH由式（2.35）計算
（2.35）
解得KH=1.578。
3）由文獻[16]式（10-12），我們知道按實際載荷系數(shù)計算出的分度圓直徑為，
（2.36）
由式（3.36）解得d1=72.592。
相應的齒輪模數(shù)m =3.024，取標準模數(shù)m =3。
（3）校核齒根彎曲疲勞強度由式（2.37）計算
（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計算
分錐角由式（2.38）計算
δ1=arctan（1/u） （2.38）
解得δ1=17.312，δ2=72.688。
可以得到當量齒數(shù)由式（2.39）計算
Zv1=Z1/cosδ1 ，Zv2=Z2/cosδ2 （2.39）
解得Zv1=25.14，Zv2=258.76。
由文獻[16]圖10-17得齒形系數(shù)YFa1=2.65，YFa2=2.2；由文獻圖10-18，查得應力修正系數(shù)Ysa1=1.6，YSa1=1.8；由參考文獻[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[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[16]式（10-14）求[σF]，即由式（2.40）計算
（2.40）
求得[σF]1=257.3MPa，[σF]2=196.5MPa。
代入式可求得=0.0159，=0.0197，因為大齒輪的大于小齒輪，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）調整齒輪模數(shù)
①圓周速度v由式（2.41）計算
（2.41）
其中d1t=mtz1，解得d1t=35.412。
dm1由式（2.42）計算
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）計算： 解得b=17.8mm。
4）計算實際載荷系數(shù)KF
①根據(jù)v=1.891m/s，7級精度，由文獻[16]圖10-8，查得動載系數(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[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[16]式（10-13），可得按實際載荷算得的齒輪模數(shù)由式（2.43）計算：
（2.43）
根據(jù)mn=1.881mm
按照齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，就近選擇標準模數(shù)m=2mm，按照接觸疲勞強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，取Z2=147。
? 2.5.2齒輪參數(shù)
? 計算分度圓直徑由式（2.44）計算：
d=zm （2.44）
d1=90mm，d2=294mm。
? 計算分錐角δ1= 17°，δ2=73°。
? 計算齒輪寬度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（調質），大齒輪選用40Cr（調質），大齒輪選用45鋼（調質）。齒輪按照7及精度設計。
2.6軸承的選擇
? 2.6.1軸承的設計與選用
俯仰軸選用文獻[17]角接觸球軸承7205C，d=25，D=52，B=15，基本額定動載荷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平面力系。其中： Fte為通過另加轉矩而平移到指向軸線；由圖2.4，圖2.5，圖2.6推得 Fae也應通過另加彎矩而平移到作用于軸線上。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）求兩軸承的計算軸向力Fa1和Fa2
對于70000C型軸承，按文獻[16]表13-7，軸承派生軸向力由式（2.46）計算：
（2.46）
其中e為文獻[16]表13-5中的判斷系數(shù)，其值由Fa/C0的大小來確定，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，因為Fd2-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[16]表13-5進行插值計算，得e1=0.401，e2=0.453，再計算：
Fd1=e1Fr1，F(xiàn)d2=e2Fr2，兩次計算的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）求軸承當量動載荷和
因為Fa1/Fr1=0.377P1，按軸承2的受力大小，由式（2.48）驗算
（2.48）
解得Lh>Lh1，所選軸承滿足壽命要求。
2.7俯仰軸的設計
? 2.7.1俯仰軸的設計與校核
（1）求輸入軸上的，轉速和轉矩T1
取軸承，聯(lián)軸器，閉式齒輪傳動7及精度，P1，T1由式（2.49）計算
（2.49）
解得P1=1.26KW，T1=2404N·mm。
（2）求作用在齒輪上的力
因為已知高速級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，調質處理。根據(jù)表,于是d由式（2.51）
（2.51）
解得d=24mm。
（4）俯仰軸的設計
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為了確保齒輪與軸的配合共作有良好的對中性，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）計算確定出軸上圓角和倒角尺寸
參考文獻[16]表15-2，取軸端倒角為，各軸肩處的圓角半徑見零件圖。
4）求軸的載荷
從軸的結構圖加上彎矩和扭矩圖可以直觀的發(fā)現(xiàn)截面B是軸的危險截面?，F(xiàn)將計算出的截面上的、及M的直列于下表,如表2.1所示；
表2-1 軸1危險截面應力
載荷
水平面H
垂直面V
力F
彎矩M
總彎矩
扭矩T
5)按彎扭合成應力校核軸的強度
進行軸的強度檢驗時，一般我們只檢驗校核軸上所受到的最大彎矩（M）和最大扭矩（T）的截面（即危險截面A）的強度。根據(jù)上表中所列出的各項數(shù)據(jù)，以及軸進行單向旋轉時，扭矩切應力應該為脈動循環(huán)變應力，取。
軸的計算應力由式（2.52）計算：
（2.52）
解得σca=3.79MPa。
文章前面已選定軸的材料為45鋼，調質處理，由[1]表51-1查得，因此，
故安全。
（6）結構設計
如圖2.9，俯仰軸共七段。各段的直徑和長度在前面已列出。
圖2.9 軸1結構圖
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介
3.1.1軸承建模的主要過程
運用Pro/e進行三維建模相對比較簡單，所以我們這里只簡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[11]具體的建模步驟如下：
（1）創(chuàng)建零件文件。
（2） 當我們選擇“旋轉”這個工具以后，系統(tǒng)會彈出旋轉的控制面板，單擊旋轉控制面板上的“位置”按鈕會彈出一個關于位置的操作面板，在彈出的面板中單擊“定義”按鈕 ，之后會彈出“草繪”對話框就可以進行草繪操作。
（3）單機選擇TOP為設定的基準面，也就是草繪平面，接受系統(tǒng)默認的參照與坐標方向，單擊“草繪”按鈕進入草繪界面。
（4）進去草繪界面后單擊“繼續(xù)當前部分”按鈕，即界面顯示的“對勾”按鈕，然后在草繪界面中完成截面草圖的繪制。接下來單擊位于旋轉控制面板中的“確定”控制按鈕，編輯出來的三維模型效果下圖3.2。
圖3.2 內外圈
（5）選擇操作界面中的“旋轉”工具按鈕，彈出旋轉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”對話框界面，然后就可以進行操作了。
（6）選擇TOP面為基準的繪圖平面，接受系統(tǒng)設定的坐標參照與觀察方向，然后選擇“草繪”按鈕進入草繪界面進行三維建模草繪。
（7）在繪圖界面中繪制完成三維建模草圖后，然后再選擇那個打對勾的按鈕，就是“繼續(xù)當前部分”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，單擊內圈中心軸。
（9）打開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齒輪建模的主要過程
（1）首先在 “新建”對話框中找到并選擇“零件”按鈕，然后找到“名稱”文本框，在“名稱”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，就進入了零件三維設計界面。
（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激活草繪基準曲線命令。選擇“插入”菜單、“模型基準”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，然后進入草繪界面進行草繪畫圖。
②繪制草圖。以坐標軸的原點為畫圖圓心，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，畫出的草繪基準曲線如圖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
③退出草繪基準曲線特征。
（3）在FRONT面上建立一條漸開線。
①激活基準曲線命令。使用“插入”菜單、“模型基準”菜單、“曲線”菜單項，在系統(tǒng)彈出的“曲線選項”浮動菜單中依次選擇“從方程”、“完成”兩個選項。彈出需要的定義“從方程”曲線的對話框。
②選取坐標。選取系統(tǒng)默認坐標系“PRT-CSYS-DEF”。
③確定坐標系類型。在彈出的選項菜單“設置坐標系類型”對話框菜單中選擇“圓柱”選項，來說明是使用圓柱坐標系建立的漸開線方程。
④建立漸開線方程如下。
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
把坐標系類型選擇確定后系統(tǒng)會自然彈出定義方程的窗口菜單，然后保存所畫的建模并關閉程序，生成的漸開線模型如圖3.6所示。
圖3.6漸開線
（4）鏡像步驟3中建立的漸開線，生成齒槽的另一條漸開線
如果我們要鏡像漸開線，那么我們必須先在系統(tǒng)中創(chuàng)建一個需要用到的鏡像平面。鏡像平面是由經(jīng)過原漸開線與分度圓與分度圓交點的平面旋轉半個齒槽角度形成的，為了生成經(jīng)過原漸開線與分度圓交點的平面又需要建立經(jīng)過平面的軸線和交點。其建立步驟如下：
①建立基準軸線。經(jīng)過RIGHT面和TOP面建立一條基準軸線。
②建立基點。經(jīng)過步驟3中生成的漸開線和步驟2中繪制的直徑為120的圓建立一個基準點。
③建立基準平面、經(jīng)過①、②中生成的基準軸線和基準點建立基準平面。
④建立鏡像用的基準平面。經(jīng)過①中建立的軸線，并且與③中建立基準平面偏移1.5°。
⑤鏡像漸開線。先選中漸開線，選擇其中的“編輯”菜單、和“鏡像”菜單項，選擇第四步中已經(jīng)建立的基準平面，完成需要的鏡像，如圖3.7所示就是鏡像漸開線。
圖3.7鏡像漸開線
（5）建立齒坯。
①選擇“插入”菜單、和“拉伸”菜單，然后再選擇FRONT面作為草繪的基準平面、以RIGHT面作為參照平面，方向選擇向右，然后進入草繪操作界面。
②繪制一個直徑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面的負方向側。
（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線，在制圖中使用半徑為d/5（d為分度圓直徑）的圓弧來生成。本步驟首先在齒底圓和漸開線的基礎上生成一部分齒槽，然后繪制圓弧并倒角形成齒槽。
①選擇“插入”和“拉伸”兩個系統(tǒng)菜單項，在操控面板上選取去除材料模式。選擇FRONT面當做草繪的基準平面、以RIGHT面為作為參照平面，方向選擇向右，進入草繪操作界面。
②繪制齒底圓和漸開線的輪廓。選擇“通過邊創(chuàng)建圖元”按鈕，選取齒底圓和兩條漸開線，生成模型。
③繪制基圓到齒底圓部分曲線。首先以漸開線為端點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，調整特征生成方向，生成一個齒槽。
（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，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，指定在360°角度上生成40個陣列特征，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軸建模的主要過程
旋轉特征是軸零件建模過程中最常用的特征之一，適用于構建回轉類零件。旋轉特征是由截面繞回轉中心旋轉而自然形成的一類主要特征。
旋轉特征必須有一條繞其旋轉的中心線，此中心線可以是在草繪截面中建立的幾何中心線，也可以是基準軸特征；同時截面必須全部位于中心線同一側；若生成為旋轉實體，截面必須是封閉的。
模型建立基本過程：①使用旋轉特征生成軸；②使用建立基準平面命令建立“偏移”約束從而建立基準平面；③建立去除材料的拉伸特征，在基準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”菜單兩個菜單選項，在彈出的“新建”菜單對話框中找到“零件”按鈕并選擇“零件”按鈕，然后在“名稱”文本框中輸入文件名“zhou”，使用公制模板，進入零件設計界面。
（2）使用旋轉特征建立軸的主體的步驟
①使用工具欄的旋轉特征命令，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。指定旋轉角度為360°。生成主體模型。如下圖3.9所示。
圖3.9 軸基礎模型
（3）建立基準平面
①依次選擇“插入”菜單、“模型基準”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