1 1 前言 1.1 機器人的 概念 機器人是一個在三維空間中具有較多自由度，并能實現較多擬人動作和功能的機器 ，而工業機器人則是在工業生產上應用的機器人。美國機器人工業協會提出的工業機器人定義為：“機器人是一種可重復編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機”。英國和日本機器人協會也采用了類似的定義。我國的國家標準GB/T12643-90 將工業機器人定義為：“機器人是一種能自動定位控制、可重復編程的、多功能的、多自由度的操作機。能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業”。而將操作機定義為：“具有和人手臂 相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行 其它操作的機械裝置”。 機器人 系統一般 由 操作機、驅動單元、控制裝置和為使機器人進行作業而要求的外部設備組成 。 1.1.1操作機 操作機是機器人完成作業的實體，它具有和人手臂相似的動作功能。通常由下列部分組成： a.末端執行器 又稱手部，是機器人直接執行工作的裝置，并可設置夾持器、工具、傳感器等，是工業機器人直接與工作對象接觸以完成作業的機構。 b. 手腕 是支 承 和調整末端執行器姿態的部件，主要用來確定和改變末端執行器的方位和擴大手臂的動作范圍，一般 有 2 3個回轉 自由度以調整末端執行器的姿態。有些專用機器人可以沒有手腕而直接將末端執行器安裝在手臂的端部。 c. 手臂 它由機器人的動力關節和連接桿件等構成，是用于支承和調整手腕和 末端執行器位置的部件。手臂有時包括肘關節和肩關節，即手臂與手臂間 。 手臂與機座間用關節連接，因而擴大了末端執行器姿態的變化范圍和運動范圍。 d. 機座 有時稱為立柱，是工業機器人機構中相對固定并承受相應的力的基礎部件。可分固定式和移動式兩類。 1.1.2驅動單元 它是由驅動器、檢測單元等組成的部件，是用來為操作機各部件提供動力和運動的裝 置。 1.1.3控制裝置 它是由人對機器人的啟動、停機及示教進行操作的一種裝置，它指揮機器人按規定的要求動作。 1.1.4人工智能系統 2 它由兩部分組成，一部分是感覺系統，另一部分為決策規劃智能系統 。 1.2 題 目 來源 本 題設計的是關節型機器人腕部結構 ，主要是整體方案設計和手腕的結構設計及其零件設計。此課題來源于生產實際 。對于目前手工電弧焊接效率低，操作環境差，而且對操作員技術熟練程度要求高，因此采用機器人技術，實現焊接生產操作的柔性自動化，提高產品質量與勞動生產率、實現生產過程自動化、改善勞動條件 。 1.3 技術要求 根據設計要達到以下要求 a. 工作可靠，結構簡單； b. 裝卸方便，便于維修、調整； c. 盡量使用通用件，以便降低制造成本。 1.4 本 題要解決的主要問題及設計總體思路 本 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，力求手腕部件的結構緊湊，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。 針對上述問題有了以下設計思路 ： a. 腕部機構的驅動裝置采用分離傳動，將 3個驅動器安置在小臂的后端。 b. 提高傳動的剛度，盡量減少機械 傳動系統中由于間隙產生的反轉誤差，對于分離傳動采用傳動軸。 c. 驅動電機 1 經傳動軸驅動一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪帶動手腕在小臂殼體上作偏擺運動。電機 2 經傳動軸驅動 一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪傳動， 實現手腕的上下擺動。電機 3 經傳動軸和兩 對 圓錐齒輪帶動軸回轉，實現手腕上機械接口的回轉運動。 3 2 國內外 研究 現狀 及發展狀況 2.1 研究現狀 從機器人誕生到本世紀 80年代初，機器人技術經歷了一個長期緩慢的發展過程 。到 90年代 ， 隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等的快速發展 ， 機器人技術也得到了飛速發展。 除了工業機器人水平不斷提高之外 ， 各種用于非制造業的先進機器人系統也有了長足的進展 。 下 面 將按工業機器人和先進機器人兩條技術發展路線分述機器人的最新進展情況。 2.1.1工業機器人 工業機器人技術是以機械、電機、電子計算機和自動控制等學科領域的技術為基礎融合而成的一種系統技術。 a. 機器人操作機：通過有限元分析、模態分析及仿真設計等現代設計方法的運用，機器人操作機已實現了優化設計。以德國 KUKA公司為代表的機器人公 司 ， 已將機器人并聯平行四邊形結構改為開鏈結構，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質鋁合金材料的應 用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的 RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統。 b. 并聯機器人：采用并聯機構，利用機器人技術，實現高精度測量及加工，這是機器人技術向數控技術的拓展，為將來實現機器人和數控技術一體化奠定了基礎。意大利 COMAU公司，日本 FANUC等公司已開發出了此類產品。 c. 控制系統：控制系統的性能進一步提高，已由過去控制標準的 6軸機器人發展到現在能夠控制 21 軸甚至 27軸，并且實現了軟件伺服和全數字控制 。 人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程 方式仍以示教編程為主，但在某些領域的離線編程已實現實用化。 d. 傳感系統：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統中已得到成功應用，并實現了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業等，大大提高了機器人的作業性能和對環境的適應性。日本 KAWASAKI、 YASKAWA、 FANUC和瑞典 ABB、德國 KUKA、 REIS等公司皆推出了此類產品。 e. 網絡通信功能：日本 YASKAWA和德國 KUKA公司的最新機器人控制器已實現了與 Canbus、 Profibus 總線及一些網絡的聯接，使機 器人由過去的獨立應用向網絡化應用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設備向標準化設備發展。 f. 可靠性：由于微電子技術的快速發展和大規模集成電路的應用，使機器人系統的可靠性有了很大提高。過去機器人系統的可靠性 MTBF一般為幾千小時，而現在已達到 5萬小時， 幾乎 可以滿足任何場合的需求。 2.2.2先進機器人 近年來，人類的活動領域不斷擴大，機器人應用也從制造領域向非制造領域發展。像海洋開發、宇宙探測、采掘、建筑、醫療、農林業、服務、娛樂等行業都提 4 出了自動化和機器人化的要求。這些行業與制造業相比，其主要 特點是工作環境的非結構化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外 感知能力以及局部的自主規劃能力等，是機器人技術的一個重要發展方向。 a. 水下機器人：美國的 AUSS、俄羅斯的 MT-88、法國的 EPAVLARD 等水下機器人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業、管道敷設和檢查、電纜敷設和維護、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機器人（ remote operated vehicle）和無纜水下機器人（ autonomous under water vehicle）兩大類。 b. 空間機器人：空間機器人一直是先進機器人的重要研究領域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機器人。如美國 NASA的空間機器人 Sojanor 等。Sljanor是一輛自主移動車，重量為 11.5kg，尺寸 63048mm，有 6個車輪，它在火星上的成功應用，引起了全球的廣泛關 注。 c. 核工業用機器人：國外的研究主要集中在機構靈巧，動作準確可靠、反應快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動機器人。已完成的典型系統，如美國 ORML基于機器人的放射性儲罐清理系統、反應堆用雙臂操作 器，加拿來大研制成功的輻射監測與故障診斷系統，德國的 C7 靈巧手等 d. 地下機器人：地下機器人主要包括采掘機器人和地下管道檢修機器人兩 大類。主要研究內容為：機械結構、行走系統、傳感器及定位系統、控制系統、通信及遙控技術。目前日、美、德等發達國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機器人，各種采機器人及自動化系統正在研制中。 e. 醫用機器人： 醫用機器人的主要研究內容包括：醫療外科手術的規劃與仿真、機器人輔助外科手術、最小損傷外科、臨場感外科手術等。美國已開展臨場感外科（ telepresence surgery）的研究，用于戰場模擬、手術培訓、解剖教學等。法、英、意、德等國家聯合開展了圖像引導型矯形外科（ telematics）計劃、袖珍機器人（ biomed）計劃以及用于外科手術的機電手術工具等項目的研究，并已取得一些卓有成效的結果。 f. 建筑機器人：日本已研制出 20多種建筑機器人。如高層建筑抹灰機器人、預制件安裝機器人、室內裝修機器人、地面拋光機器人、擦玻璃機器人等，并已實際 應用 。美國卡內基梅隆重大學、麻省理工學院等都在進行管道挖掘和埋設機器人、內墻安裝機器人等型號的研制、并開 展了傳感器、移動技術和系統自動化施工方法等基礎研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。 g. 軍用機器人：近年來，美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機器 人。其特點是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰和后勤支援等任務 ， 在戰場上具有看、嗅和 觸摸 能力，能夠自動跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動搜索、識別和消滅敵方目標的功能。如美國的 Navplab自主導航車、 SSV半自主地面戰車，法國的自主式快速運動 偵察車（ DARDS），德國 MV4爆炸物處理機器人等。目前美國 ORNL正在研制和開發 Abrams 坦克、愛國 者導彈裝電池用機器人等各種用途的軍用機器人。 可以預見，在 21 世紀各種先進的機器人系統將會進入人類生活的各個領域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。 5 2.2 發展趨勢 目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術的研究，并朝著智能化和多樣化方向發展 。 主要研究內容集中在以下 10 個方面： a. 工業機器人操作機結構的優化設計技術：探索新的高強度輕質材料，進一步提高負載 .自重比，同時機構向著模塊化、可重構方向發展。 b. 機器人控制技術：重點研究開放式，模塊化控制系統，人機界面更加友好，語 言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網絡化，以及基于 PC機網絡式控制器已成為研究熱點。編程技術除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。 c. 多傳感系統：為進一步提高機器人的智能和適應性，多種傳感器的使用是其問題解決的關鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩、非正態分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統的實用化。 d. 機器人的結構靈巧，控制系統愈來愈小，二者正朝著一體化方向發展。 e. 機器人遙控及 監控技術，機器人半自主和自主技術，多機器人和操作者之間的協調控制，通過網絡建立大范圍內的機器人遙控系統，在有時延的情況下，建立預先顯示進行遙控等。 f. 虛擬機器人技術：基于多傳感器、多媒體和虛擬現實以及臨場感技術，實現機器人的虛擬遙操作和人機交互。 g. 多智能體（ multi-agent）調控制技術：這是目前機器人研究的一個嶄新領域。主要對多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規劃、群體行為控制等方面進行研究。 h. 微型和微小機器人技術（ micro/miniature robotics） :這是機器人研究的一個新的領域和重點發展方向。過去的研究在該領域幾乎是空白，因此該領域研究的進展將會引起機器人技術的一場革命， 并且對社會進步和人類活動的各個方面產生不可估量的影響，微小型機器人技術的研究主要集中在系統結構、運動方式、控制方法、傳感技術、通信技術以及行走技術等方面。 我國對此進行了深入的研究。 徐衛平和張玉茹發表的六自由度微動機構的運動分析對六自由度微動機構進行了位移分析并為其結構設計提供了計算依據。還有劉辛軍 、 高峰和汪勁松發表的并聯六自由度微動機 器人機構的設計方法研究了微動機器人機構的設計方法，建立了并聯六自由度微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的機構尺寸與各向同性、剛度等性能指標的關系得到了一系列性能圖譜，從各圖譜中可以看出各項性能指標在空間模型設計參數空間中的分布規律，這有助于設計者根據性能指標來設計該微動機器人的機構尺寸，是探討微動機器人機構設計的有效分析工具。 6 3 總體方案 設計 3.1 機械結構類型 的確定 為實現 總體機構 在空間的位置提供的 6 個自由度，可以有不同的運動組合， 根據本課題 可以將其設計成 以下五種 方案 ： 3.1.1 圓柱坐標型 這種運動形式是通過一個轉動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標型比較，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。 3.1.2 直角坐標型 直角坐標型工業機器人，其運動 部分由三個相互垂直的直線移動組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離，可在各坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態的編程計算，定位精度高、結構簡單，但機體所占空間體積大、靈活性較差。 3.1.3 球坐標型 又稱極坐標型， 它由兩個轉動和一個直線移動所組成，即一個回轉，一個俯仰和一個伸縮運動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結構緊湊、工作空間范圍大的特點，但結構復雜。 3.1.4 關節型 關節型 又稱回轉坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關節都是回轉關節，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節，大臂和小臂間形成肘關節，可使大臂作回轉運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取靠進機座的物體。 3.1.5 平面關節型 采用兩個回轉關節和 一個移動關節；兩個回轉關節控制前后、左右運動，而移動關節則實現上下運動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉體，縱截面高為移動關節的行程長，兩回轉關節轉角的大小決定回轉體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業中，特別適合小規格零件的插接裝配。 對以上五種方案進行比較 ：方案一不能夠完全實現本課題所要求的動作；方案二體積大，靈活性差；方案三結構復雜；方案五無法實現本課題的動作。結合本課題 綜合考慮 決定采用方案四：關節型機器人。此方案 所占空間少，工作空間范圍大，動作靈活，工藝操作精度高。 3.2 工作空間 的確定 7 根據關節型機器人的結構確定工作空間。 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參數。此機器人的工作空間為 1500mm。 圖 3 1 機器人的機座坐標系 3.3 手腕結構的確定 手腕是聯接手臂和末端執行器的部件，處于機器人操作機的最末端，其功能是在手臂和腰部實現了末端執行器在作業空間的三個坐標位置的基礎上，再由手腕來實現末端執行器在作業空間的 三個姿態坐標，即實現三個自由度。 8 圖 3 2 傳動原理圖 考慮到結構，電機將成三角形布置，具體結構見圖。 3.4 基本參數的確定 空間結構和手腕結構的確定 ，那么手腕回轉、手腕擺動、和手腕旋轉三個姿態的自由度也得到了實現。 表 3-1 機器人的主要規格參數 動作范圍 手腕回轉 120 s/30 手腕 擺動 90 s/30 手腕 旋轉 360 s/30 額定載荷 kg4 最大速度 sm/2 9 4 手腕詳細 設計說明 4.1 機器人 驅動 方案的分析和選擇 通常的機器人驅動方式有以下四種 : a. 步進電機 ： 可直接實現數字控制，控制結構簡單，控制性能好， 而且成本低廉 ； 通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制 。 但是由于采用開環控制 ，沒有誤差校正能力，運動精度較差，負載和沖擊震動 過大時會造成“失步”現象。 b. 直流伺服電機 ： 直流伺服電機具有良好的調速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應等特點，并且控制技術成熟。其 安裝維修方便，成本低。 c. 交流伺服電機 ： 交流伺服電機結構簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進電機相比價格要貴一些。隨著可關斷晶閘管 GTO，大功率晶閘管 GTR 和場效應管MOSFET等電力電子器件、脈沖調寬技術 (PWM)和計算機控制技術的發展，使交流伺服電機在調速性能方面可以與直流電機媲美。采用 16位 CPU+32位 DSP 三環 (位置、速度、電流 )全數字控制，增量式碼 盤的反饋可達到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實現很大的啟動功率，提供很高的響應速度。 d. 液壓伺服馬達 ： 液壓伺服馬達具有較大的功率 /體積比，運動比較平穩，定位精度較高，負載能力也比較大，能夠抓住重負載而不產生滑動，從體積、重量及要求的驅動功率這幾項關鍵技術考慮，不 失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，其液壓系統經常出現漏油現象。為避免本系統也出現同類問題，在可能的前提下，本系統 將盡量避免使用該種驅動方式。 本課題的機器人將采用直流 伺服 電動機。因為它具有體積小、轉矩大、輸出力矩和電流成比例、伺 服性能好、反應快速、功率重量比大，穩定性好等優點。 4.2 手腕電機的選擇 4.2.1提腕電機的選擇 手腕的最大負荷重量 kgm 41 ， 初估腕部的重量 kgm 42 ， 最大運動速度 V=2m/s 功率 Wm g VFVp 1602108 取安全系數為 1.2， Wpp 1921602.12.1 考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率 Wp 200額。 選擇 Z型并勵直流電動機 ，技術參數如下 10 表 4-1 Z 型并勵直流電動機技術參數 型 號 額定電壓 （ V） 額定轉矩(N/m) 額定轉速 (r/m) 參考功率 (W) 重量 (kg) Z200/20-400 200 1 2000 400 5.5 4.2.2 擺腕和轉腕電機的選擇 根據設計要求取相同型號的電機 ， 選擇 Z 型并勵直流電動機，型號為 200/20-400。 4.3 傳動比的確定 4.3.1 提腕 總傳動比的確定 先根據下式求角速度 =RV1.02 20 r/s 為角速度 (r/s)， V 為運動速度 （ m/s） ， R 為機械接口到轉動軸的距離 (m)。 再求實際轉速 n 1 9 1 . 1 r / m in 2 2060260 nn 為轉速 (r/min)。 最后求得總傳動比 i 總 nn1.1912000 10.4 取整 i 總 1=10 4.3.2 轉腕和擺腕傳動比的確定 用同樣的方法 ，可 求得 轉腕 總傳動比 i 總 2 20 擺腕 總傳動比 i 總 3 10 4.4 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，以及齒輪的結構尺寸，要做到 結構合理。 a. 提腕 傳動比分配 提腕總的傳動比 i 總 1=10，該傳動為兩級傳動，第一極 傳動 為圓柱齒輪傳動，傳動比 i11=2，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比 i12 5。 b. 轉腕 傳動比分配 轉腕總的傳動比 i 總 2 20，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比 i21 5，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比 i21 4。 c. 擺腕 傳動比分配 擺腕總的傳動比 i 總 3 10，該傳動為兩級傳動，第一極傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比 i31 2，第二極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比 i32 5。 11 4.5 齒輪的設計 13 按照上述傳動比配對各齒輪進行設計 。 4.5.1提腕 部分齒輪 設計 A. 第一極圓柱齒輪傳動 齒輪采用 45 號鋼，鍛造毛坯 ，正火處理后齒面硬度 170190HBS， 齒輪精度等級為 7 極 。 取 40202,20 21 zz 則 。 a. 設計準則 按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 b.按齒面接觸疲勞強度設計 齒面接觸疲勞強度條件的設計表達式 3 12112 uuKTZZZddHEHt （ 4 1） 其中， 8.0d， 2u ， 90.0Z ， aE MPZ 8.189 ， 8.1HZ ， mmNnPT 9550200 2.01055.91055.9 661 選擇材料的接觸疲勞極根應力為： MPaH 580lim1 MPaH 560lim2 選擇材料的接觸疲勞極根應力為： MPaF 230lim1 MPaF 210lim2 應力循環次數 N 由 下列 公式計 算可得 atnN 11 60 （ 4-2） 1683002 0 0 060 91023.4 則 9912 1016.221023.4 uNN 接觸疲勞壽命系數 1.11 NZ, 02.12 NZ 12 彎曲疲勞壽 命系數 121 NN YY接觸疲勞安全系數 1min HS ， 彎曲疲勞安全系數 5.1min FS ,又 0.2STY， 試選3.1tK 。 求許用接觸應力和許用彎曲應力： M P aM P aYSYM P aM P aYSYM P aZSM P aZSNFSTFFNFSTFFNHHHNHHH28015.1221067.30615.122306.59102.115806381.115802m i nl i m221m i nl i m112m i nl i m21m i nl i m11將有關值代入 （ 4 1） 得： mmmmuuTKZZZddtHEHt3.412128.095503.126.5919.08.1898.112323 1221 則 smndv t /32.410006020003.41100060 111 smsmvz /86.0/100 32.420100 11 動載荷系數 0.1Kv ； 使用系數 1AK ； 動載荷分布不均勻系數 02.1K； 齒間載荷分配系數 1Ka ，則 03.10.102.10.101.1 KaK v KKKAH 修正 mmKKddtHt 1.383.1 03.13.41 3311 mmmmzdm 9.120 1.3811 取標準模數 mmm 2 。 c.計算 基本 尺寸 13 mmdbmmzzmammmzdmmmzdd 32408.06028040280402402021212211取 mmb 321 mmb 222 d. 校核齒根彎曲疲勞強度 復合齒形系數 1.41 FSY， 8.32 FSY取 7.0Y校核兩齒輪的彎 曲強度 YYmzKTFSdF 132111 2（ 4 3） MP a7.01.42208.0 9 5 5 003.12 32 102.110 FM Pa 21212 97.1011.4 8.302.110 FFSFSFF M PaM PaYY 所以齒輪完全達到要求。 14 表 4 2 齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 d mmmzd 4020211 mmmzd 8040222 齒頂高 ahmmmhaha 221 齒根高 fhmmmchahf 5.22)25.01()( 齒全高 h mmhhhfa 5.45.22 齒頂圓直徑 1admmhddaa 44211 mmhddaa 84222 齒根圓直徑 1fdmmhdd ff 35211 mmhdd ff 75222 基圓直徑 1bdmmdd b 56.37co s11 mmdd b 17.75co s22 齒距 p mmmp 28.6214.3 齒厚 s mmms 14.32/ 齒槽寬 e mmme 14.32/ 中心距 a mmdda 602/)( 21 頂隙 c mmmcc 5.0225.0 由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結構，小齒輪將做成齒輪軸。 B. 第二極圓錐齒輪 傳動 齒輪采用 45號鋼 ， 調質 處理后齒面硬度 180190HBS，齒輪精度等級為 7極。 取100205,20 21 zz 則 a. 設計準則 按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 b. 按齒面接觸疲勞強度設計 齒面接觸疲勞強度的設計表達式 3 2121 )5.01(85.04 uKTZZdRRHEHt （ 4 4） 其中， 8.0d， 5u ， aE MPZ 8.189， 8.1HZ ， mmNnPT 9550200 2.01055.91055.9 661 選擇材料的接觸疲勞極根應力為： 15 MPaH 580lim1 MPaH 560lim2 選擇材料的接觸疲勞極根應力為： MPaF 230lim1 MPaF 210lim2 應力循環次數 N 由 下式 計算可得 atnN 11 60 （ 4-5） 1683002 0 0 060 91023.4 則 9912 10846.051023.4 uNN 接觸疲勞壽命系數 1.11 NZ, 02.12 NZ彎曲疲勞壽命系數 121 NN YY接觸疲勞安全系數 1min HS ， 彎曲 疲勞安全系數 5.1min FS ,又 0.2STY， 試選3.1tK 。 求許用接觸應力和許用彎曲應力： M P aM P aYSYM P aM P aYSYM P aZSM P aZSNFSTFFNFSTFFNHHHNHHH28015.1221067.30615.122306.59102.115806381.115802m i nl i m221m i nl i m112m i nl i m21m i nl i m11將有關值代入 （ 4 4） 得： mmmmuKTZZdRRHEHt3.432)3.05.01(3.085.095503.146.5918.1898.1)5.01(85.0432232121 則 smndv t /53.410006020003.43100060 111 16 smsmvz /96.0/100 53.420100 11 動載荷系數 0.1Kv ； 使用系數 1AK ； 齒向載荷分布不均勻系數 02.1K；齒間載荷分配系數 取 1Ka ，則 03.10.102.10.101.1 KaK v KKKAH 修正 mmKKddtHt 1.393.1 03.13.43 3311 mmmmzdm 95.120 1.3911 取標準模數 mmm 2 。 c.計算 基本 尺寸 mmzzmammmzdmmmzd1202200402200100240202212211d. 校核齒根彎曲疲勞強度 復合齒形系數 1.41 FSY， 8.32 FSY取 7.0Y校核兩齒輪的彎曲強度 232121111)5.01(4umzYKTRRFSF （ 4-6） MP a2322 51220)8.05.01(8.0 1.49 5 5 003.14 121 FMPa 21212 191.4 8.321 FFSFSFF M PaM PaYY 所以齒輪完全達到要求。 17 表 4 3 齒輪的幾何尺寸 符號 公式 分度圓直徑 d mmmzd 4020211 mmmzd 200100222 齒頂高 ahmmmhaha 221 齒根高 fhmmmchahf 6.12)2.01()( 齒頂圓直徑 admmhddaa 44co s211 mmhdd aa 202co s222 齒根圓直徑 fdmmhddff 37c o s211 mmhdd ff 1 9 7c o s222 齒頂角 a0 1 9 5 9.0/ta n Rhaa齒根角 f0235.0/ta n Rhff分度圓錐 角 196.02/s in Rmz 頂錐角 a3.10aa 根錐角 f10ff 錐距 R mmmzR 102s in2/ 齒寬 b mmRb 4.20)35.02.0 由于小齒輪的分度圓直徑較小，所以作成齒輪軸。 4.5.2 轉腕 部分齒輪 設計 第一極圓錐齒輪傳動 ： 齒輪采用 45號鋼，調質處理后齒面硬度 180190HBS，齒輪精度等級為 7極。取 100205,20 21 zz 則 。 經計算齒輪滿足要求 表 4 4 齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 d mmmzd 4020211 mmmzd 200100222 齒頂高 ahmmmhaha 221 齒根高 fhmmmchahf 6.12)2.01()( 齒頂圓直徑 admmhddaa 44co s211 mmhdd aa 202co s222 齒根圓直徑 fdmmhddff 37c o s211 mmhdd ff 1 9 7c o s222 齒頂角 a0 1 9 5 9.0/ta n Rhaa齒根角 f0235.0/ta n Rhff分度圓錐角 196.02/s in Rmz 頂錐角 a3.10aa 根錐角 f10ff 錐距 R mmmzR 102s in2/ 齒寬 b mmRb 4.20)35.02.0( 18 第二極圓錐齒輪傳動 ： 齒輪采用 45 號鋼，調質處理后齒面硬度 180190HBS，齒輪精度等級為 7極。取 80204,20 21 zz 則 。 經計算齒輪滿足要求 。 表 4 5 齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直 徑 d mmmzd 4020211 mmmzd 16080222 齒頂高 ahmmmhaha 221 齒根高 fhmmmchahf 6.12)2.01()( 齒頂圓直徑 admmhddaa 44co s211 mmhdd aa 5.161co s222 齒根圓直徑 fdmmhddff 36c o s211 mmhdd ff 158c o s222 齒頂角 a0244.0/tan Rhaa齒根角 f0293.0/ta n Rhff分度圓錐角 196.02/s in Rmz 頂錐角 a3.10aa 根錐角 f10ff 錐距 R mmmzR 82s in2/ 齒寬 b mmRb 4.16)35.02.0( 4.5.3 擺腕 部分齒輪 設計 第一極圓柱齒輪傳動 ： 齒輪采用 45號鋼，調 質處理后齒面硬度 180190HBS，齒輪精度等級為 7極。取 40202,20 21 zz 則 。經計算齒輪滿足要求。 小齒輪作成齒輪軸。 19 表 4 6 齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 d mmmzd 4020211 mmmzd 8040222 齒頂高 ahmmmhaha 221 齒根高 fhmmmchahf 5.22)2.01()( 齒全高 h mmhhhfa 5.45.22 齒頂圓直徑 1admmhddaa 44211 mmhddaa 84222 齒根圓直徑 1fdmmhdd ff 35211 mmhdd ff 75222 基圓直徑 1bdmmdd b 56.37co s11 mmdd b 17.75co s22 齒距 p mmmp 28.6214.3 齒厚 s mmms 14.32/ 齒槽寬 e mmme 14.32/ 中心距 a mmdda 602/)( 21 頂隙 c mmmcc 5.0225.0 第二極 圓錐齒輪傳動 ： 齒輪采用 45號鋼，調質處理后齒面硬度 180190HBS，齒輪精度等級為 7 極。取 100205,20 21 zz 則 。經計算齒輪滿足要求。 小齒輪作成齒輪軸。 表 4 6 齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直 徑 d mmmzd 4020211 mmmzd 200100222 齒頂高 ahmmmhaha 221 齒根高 fhmmmchahf 6.12)2.01()( 齒頂圓直徑 admmhddaa 44co s211 mmhdd aa 202co s222 齒根圓直徑 fdmmhddff 37c o s211 mmhdd ff 1 9 7c o s222 齒頂角 a0 1 9 5 9.0/ta n Rhaa齒根角 f0235.0/ta n Rhff分度圓錐角 196.02/s in Rmz 頂錐角 a3.10aa 根錐角 f10ff 錐距 R mmmzR 102s in2/ 齒寬 b mmRb 4.20)35.02.0( 20 4.6 軸的設計和校核 軸的結構決定于受力情況、軸上零件的布置和固定 方式、軸承的類型和尺寸、軸的毛坯，制造和裝配工藝、以及運輸、安裝等條件。軸的結構，應使軸受力合理，避免或減輕應力集中，有良好的工藝性，并使軸上零件定位可靠、裝配方便。對于要求剛度大的軸，還應該從結構上考慮減少軸的變形。 4.5.1 輸出軸的設計 擺腕的傳動軸 根據連軸器選：軸徑 d=18mm ， 根據結構取軸長 l=135mm。 由于要實現擺腕，工作時要求彼此有相對運動的空間傳動所以提腕和轉腕的傳動軸采用軟軸。軟軸通常由鋼絲軟軸、軟管 、軟軸接頭和軟管接頭等幾部分組成。 a. 鋼絲軟軸由幾層彈簧鋼絲緊繞在一起構成的 。每 層又由若干根鋼絲組成。相鄰鋼絲層的纏繞方向相反。 b. 軟管用來保護鋼絲軟軸，以免與外界的機件接觸，并保存潤滑劑和防止塵垢侵入；工作時軟管還起支撐作用。 c. 軟軸接頭用以連接動力輸出軸及工作部件 d. 軟管接口用以連接傳動裝置及工作部件的機體，有時也是軟軸接頭的軸承座。 在使用軟軸的時候要注意鋼絲軟軸必須定時涂潤滑脂 ，不得使軟軸的彎曲半徑小于允許最小半徑。 4.5.2 傳動軸的設計 軸的材料為 45號鋼，調制處理 a. 初估軸徑， c=106117,取 c=106則 3min nPcd （ 4-7） 3 200002.0106 mm28.2 b. 各段軸徑的確定 初估軸徑后，就可按照軸上零件的安裝順序從 mind 處開始逐段確定軸徑，上面計算的 mind 是軸段 1的直徑，由于軸段 1上安裝 連軸器 ，因此軸段 1直徑的確定和連軸器型號同時進行。這次選用的是波紋管連軸器。故軸段 1直徑 1d 20mm。 右端用軸肩固定，考慮到 在軸段 2上裝套筒，故取軸徑 2d 22mm。 在軸段 3上要安裝軸承，其直徑應該便于軸承安裝，又應該符合軸承內徑 系列， 即軸段 3的直徑應與軸承型號的選擇同時進行。現取角接觸球軸承型號為 7205， 21 其內徑3d 25mm。通常一根軸上的兩個軸承取相同型號，故取軸段 7 的直徑7d25mm。 軸段 4上用軸肩固定軸承，故取 4d 30mm。 軸段 5上作成齒輪軸，尺寸與齒輪相同。 根據結構確定軸段 6的直徑6d 30mm。 c. 各軸段長度的確定 各軸段長度主要根據軸上零件的轂長或軸長零件配合部分的長度確定。另一些軸段長度，除與 軸上零件有關外，還與箱體及軸承蓋等零件有關。 根據 聯軸器 取 mml 241 。 考慮到套筒長度取 mml 212 。 根據軸承寬度取 73 15 lmml 。 根據結構 mml 64 mml 426 。 圖 4 1 軸的結構設計草圖 4.5.3 軸的強度校核 13 軸在初步完成結構設計后，進行校核計算。計算準則是滿足軸的強度或剛度要求。進行軸的強度校核計算時，應根據軸的具體受載及應力情況，采取相應的方法，并恰當地選取其許用應力，對于用于傳遞轉矩的軸應按扭 轉強度條件計算，對于只受彎矩的軸（心軸）應按彎曲強度條件計算，兩者都具備的按疲勞強度條件進行精確校核等。 22 圖 4 2 軸的受力分析和彎扭矩圖 a 軸上的轉矩 T： 主軸上的傳遞的功率： kwPP 25.08.0 2.0 傳nPT 61055.9（ 4-8） 200025.01055.9 6 Nmm1193 求作用在齒輪上的力： )(71.212065.59)(65.5940119322)(40202NtgtgFFNdTFmmzmdtrttb 畫軸的受力簡圖 見圖 4 2 c 計算軸的支撐反力 在水平面上 Nll Fr lF HR 55.147237 7371.213231 23 NFFrF HRHR 16.755.14-2 1 .7 1- 12 在垂直面上 NFFF tVRVR 8 2 5.29212 d 畫彎矩圖 見圖 4 2 在水平面上， aa 剖面左側 mmNlFM HRaH 55.5964155.1411 aa 剖面右側 mmNlFM HRaH 92.2643716.7 22 在垂直 面上 mmNlFMM VRavaV 825.122241825.2911 合成彎矩， aa 剖面左側 mmNMMMa aVaH 57.1360825.122255.596 2222 aa 剖面右側 mmNMMaM aVaH 19.1251825.122292.264 2222 e 畫轉矩圖 見圖 4 2 mmNdFTt 3.131224465.592 f. 判斷危險截面 aa 截面左右的合成彎矩 左側相對右 側大些，扭矩為 T，則判斷左側為危險截面，只要左 側滿足強度校核就行了。 g. 軸的彎扭合成強度校核 許用彎曲應力 M pab 601 = ， Mpab 1000 =， 6.01006001 = bb aa 截面左側 32323 4.818442 )3-44(7050-441.02 )(-1.0 mmd tdbldW 4.818 )11936.0(57.1360)