噴涂機(jī)器人設(shè)計(jì)—機(jī)身系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 37 頁(yè) 共 37 頁(yè)
1 引言
1.1 噴涂機(jī)器人的概述
噴涂機(jī)器人是一種典型的涂裝自動(dòng)化裝備。使用機(jī)器人進(jìn)行噴涂作業(yè)，工件涂均勻，重復(fù)精度好，工作效率高，能使工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來(lái)。噴涂機(jī)器人廣泛應(yīng)用于機(jī)床、汽車(chē)、家電等機(jī)電一體化產(chǎn)品制造領(lǐng)域,可以大大提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量, 能夠降低生產(chǎn)成本、改善勞動(dòng)條件,能迅速適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)需求[1]。因此，噴涂機(jī)器人在制造業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越得到人們的重視。
從1962年美國(guó)研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人至今已經(jīng)走過(guò)了4O多年的歷程。由于噴涂作業(yè)屬于有害作業(yè)，這些作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度大，技術(shù)水平要求高，并且手工噴涂人員會(huì)因技術(shù)、體力等因素造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，因此為了改善勞動(dòng)條件和提高產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)量降低成本，這個(gè)領(lǐng)域中大量地使用了機(jī)器人[2]。
1.2 噴涂機(jī)器人的應(yīng)用
西方發(fā)達(dá)國(guó)家90年代以來(lái)汽車(chē)噴涂中的各噴涂工序普遍實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，隨著科技的發(fā)展，近十年機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已呈現(xiàn)出廣泛使用的趨勢(shì)。由于使用機(jī)器人噴涂均勻性好，重復(fù)精確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工，因此避免了手工噴涂人員因技術(shù)、情緒、體力等因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，使工件噴涂質(zhì)量有了根本性的保障。由于噴涂作業(yè)屬于有害作業(yè)，采用機(jī)器人作業(yè)可大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)由于機(jī)器人在噴涂過(guò)程中流量、扇面、霧化的大小均可隨時(shí)調(diào)整，可大大減少油漆的損耗，提高油漆的利用率。對(duì)于塑料工件需要先期進(jìn)行火焰處理，高溫環(huán)境作業(yè)危險(xiǎn)性大，采用機(jī)器人完成工件的火焰處理不失為一個(gè)好方法[3]。
隨著機(jī)器人與電控技術(shù)的提高，機(jī)器人噴涂以其靈活、噴涂軌跡自由以及涂裝質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，受到各大汽車(chē)廠(chǎng)家的青睞，并被逐漸應(yīng)用于車(chē)身噴涂。機(jī)器人噴涂漆膜性能的提高很大程度上取決于仿真車(chē)身的噴涂軌跡，這也決定了不同的車(chē)型必須對(duì)機(jī)器人噴涂軌跡進(jìn)行仿真，為此研究出了機(jī)器人仿形技術(shù)。
隨著我國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展，針對(duì)建筑涂裝機(jī)器人的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于嵌入式結(jié)構(gòu)的智能測(cè)控系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和電磁兼容性，適合在強(qiáng)干擾環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作[4]。
1.3 噴涂機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)
新一代涂裝機(jī)器人的設(shè)計(jì)貫徹了模塊化結(jié)構(gòu)的原則，機(jī)器人可以配備不同的連接裝置，這樣既能夠以固定方式工作也可以安裝在軌道上工作。軌道可以固定在噴涂室側(cè)壁上，也可以固定在靠近天花板的位置。如果把噴涂機(jī)器人的霧化噴槍改成操作夾具，就成為操作開(kāi)門(mén)的機(jī)器人了，因?yàn)閮煞N機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一樣的。
機(jī)器人噴涂時(shí)的空間占有面積將更進(jìn)一步降低，減小噴漆室的尺寸和通風(fēng)量，進(jìn)而降低生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗?？傊?， 一切以降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境為目的。未來(lái)的機(jī)器人將具有更優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能和加速度性能、更大的工作范圍、更小的占地面積及更加靈活手臂[5]。
噴涂機(jī)器人工作臂的運(yùn)動(dòng)方式可以選擇裝配成兩軸或三軸的。雙軸的機(jī)器人配合高速旋轉(zhuǎn)的噴槍?zhuān)孕D(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的運(yùn)動(dòng)方式工作，這樣能減少一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸，減輕重量、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。
1.4 課題研究意義
縱觀50余年來(lái)噴涂機(jī)器人對(duì)人類(lèi)生活的改變所做出的貢獻(xiàn)，其對(duì)于提高勞動(dòng)效率、減輕工人的作業(yè)危險(xiǎn)、美化人類(lèi)的視覺(jué)等方面均起到了不小的作用。如今噴涂機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，需求也越來(lái)越大，再加上其經(jīng)濟(jì)性也隨著科技的進(jìn)步而愈發(fā)突出，所以對(duì)涂裝機(jī)器人的研究是相當(dāng)有意義的。
利用這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，通過(guò)對(duì)噴涂機(jī)器人的總體尤其是機(jī)身系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以對(duì)大學(xué)四年的所學(xué)各門(mén)課程做一次很好的總結(jié)。
2 噴涂機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該機(jī)器人具有5個(gè)自由度，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作負(fù)載重量2 kg，各部件的運(yùn)動(dòng)范圍為：機(jī)身±110o；下臂前俯30o,后仰10o；上臂俯仰±30o；腕轉(zhuǎn)
±110o；腕擺±110o，工作空間為 2600×1200×900，重復(fù)定位精度±3～±6㎜。
2.1 噴涂機(jī)器人坐標(biāo)系的確定
(1)直角式坐標(biāo)機(jī)器人：
直角坐標(biāo)機(jī)器人概念：工業(yè)應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、運(yùn)動(dòng)自由度間成空間直角關(guān)系、多用途的操作機(jī)。他能夠搬運(yùn)物體、操作工具，以完成各種作業(yè)。關(guān)于機(jī)器人的定義隨著科技的不斷發(fā)展，在不斷的完善，直角坐標(biāo)機(jī)器人作為機(jī)器人的一種，其含義也在不斷的完善中。
直角坐標(biāo)機(jī)器人的特點(diǎn)
a最高達(dá)到三個(gè)線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度之間的空間夾角為直角；
b自動(dòng)控制的，可重復(fù)編程，所有的運(yùn)動(dòng)均按程序運(yùn)行；
c一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、操作工具等組成。
d可以適合于比較大的、四方形的工作空間內(nèi)工作。
e相比其他工業(yè)機(jī)器人，承重能力可以達(dá)到比較高。
f框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)適合于模塊化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
(2)球（極）坐標(biāo)式機(jī)器人：
球坐標(biāo)是一種三維坐標(biāo)。分別有原點(diǎn)、方位角、仰角、距離構(gòu)成。 設(shè)P（x，y，z）為空間內(nèi)一點(diǎn)，則點(diǎn)P也可用這樣三個(gè)有次序的數(shù)r，φ，θ來(lái)確定，其中r為原點(diǎn)O與點(diǎn)P間的距離，θ為有向線(xiàn)段與z軸正向所夾的角，φ為從正z軸來(lái)看自x軸按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)到有向線(xiàn)段的角，這里M為點(diǎn)P在xOy面上的投影。這樣的三個(gè)數(shù)r，φ，θ叫做點(diǎn)P的球面坐標(biāo)
圖2.1 球坐標(biāo)機(jī)器人工作空間
(3)圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人：
圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人。包括上下圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)于包括上下固定板的框架 旋轉(zhuǎn)。絲杠和導(dǎo)桿安裝在上下圓盤(pán)上。第一螺母總成安裝到絲杠。第二螺母安裝 到導(dǎo)桿，第一螺母總成和第二螺母安裝在移動(dòng)件上。軸結(jié)構(gòu)包括：具有縱向空腔的內(nèi)軸，外軸和一中間軸，它們與內(nèi)軸同心并可分開(kāi)地旋轉(zhuǎn)。設(shè)有一對(duì)臂驅(qū)動(dòng)軸的臂支撐框架安裝在軸結(jié)構(gòu)上。設(shè)有第一、第二和第三驅(qū)動(dòng)裝置，相對(duì)于框架旋轉(zhuǎn)臺(tái)，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)絲杠，并相對(duì)于旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)各軸。
(4)關(guān)節(jié)式坐標(biāo)機(jī)器人：
這類(lèi)機(jī)器人由兩個(gè)肩關(guān)節(jié)和一個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)或3個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。這種構(gòu)件動(dòng)作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)上相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵，這類(lèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)反解困難；確定末端件的位姿不直觀，進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算量比較大[6]。
現(xiàn)在噴涂機(jī)器人絕大多數(shù)使用的是關(guān)節(jié)式坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)以上4種形式的機(jī)器人的分析，關(guān)節(jié)式機(jī)器人由于其動(dòng)作的靈活性、工作空間大、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、關(guān)節(jié)部位容易密封防塵的優(yōu)點(diǎn)，所以決定采用這種結(jié)構(gòu)形式。本方案設(shè)計(jì)的噴涂機(jī)器人只需5個(gè)自由度就能滿(mǎn)足要求，分別是：機(jī)身±110o；下臂前俯30o,后仰10o；上臂俯仰±30o；腕轉(zhuǎn)±110o；腕擺±110o。
2.2 工作空間的設(shè)計(jì)
圖2.2是機(jī)器人工作空間的示意圖，圖中，、分別為大臂、小臂的長(zhǎng)度；、分別為大臂的仰俯角度；、分別為小臂的仰俯角度。
根據(jù)工作空間的范圍：長(zhǎng)×寬×高=2600×1200×900，結(jié)合示意圖2.2可以得到以下關(guān)系式：
2(12l1+l2)=2600 （2-1）
l1cosθ1min+l2sin(θ1min+θ2min)+l2sin(θ2min+θ2max)- l1cosθ1max=900 （2-2）
(l1sinθ1max + l2 ) (1+sin(θ1max-θ1min))=1200 （2-3）
圖2.2 噴涂機(jī)器人工作空間示意圖
由于=10°，=30°，=30°，=30°，將數(shù)據(jù)代入上述關(guān)系式可以求解得到：
取整得l1=1100mml2=1200mm
2.3驅(qū)動(dòng)方式的確定
機(jī)器人驅(qū)動(dòng)就是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行裝置。執(zhí)行裝置就是按照電信號(hào)的指令,將來(lái)自電、液壓和氣壓等各種能源轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)等方式的機(jī)械能的裝置。按利用的能源來(lái)分類(lèi),主要可分為電動(dòng)執(zhí)行裝置、液壓執(zhí)行裝置和氣動(dòng)執(zhí)行裝置。
a 直接驅(qū)動(dòng)電機(jī):
優(yōu)點(diǎn):不用齒輪減速器直接驅(qū)動(dòng),因此具有無(wú)間隙、摩擦小、機(jī)械剛度高等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的位置控制和微笑力控制。
缺點(diǎn):因?yàn)闆](méi)有減速機(jī)構(gòu),所以容易受載荷的影響。
種類(lèi)：直流力矩電機(jī) 無(wú)刷直流電機(jī) VR式電機(jī)等
b 液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn):
優(yōu)點(diǎn):(1)容易獲得比較大的扭矩和功率。
(2)功率/重量比大,可以減少執(zhí)行裝置的體積。
(3)剛度高,能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度的位置控制。
(4)通過(guò)流量控制可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。
缺點(diǎn):(1)必須對(duì)油的溫度和污染進(jìn)行控制,穩(wěn)定行較差。
(2)有因漏油而發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)。
(3)液壓油源和進(jìn)油、回油管路等附屬設(shè)備占空間大。
c 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn):
優(yōu)點(diǎn):(1)利用氣缸可以實(shí)現(xiàn)高速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
(2)利用空氣的可壓縮性容易實(shí)現(xiàn)力控制和緩沖控制
(3)無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)和環(huán)境污染。
(4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格低。
缺點(diǎn):(1)由于空氣的可壓縮性,高精度的位置控制和速度控制都比較難,驅(qū)動(dòng)剛性比較差。
(2)雖然撞停等簡(jiǎn)單動(dòng)作速度較高,但在任意位置上停止的動(dòng)作速度很慢。
(3)噪音大。
由于直流電機(jī)換相器經(jīng)常維護(hù),電刷極易磨損,必須經(jīng)常更換,噪音比較大。交流伺服電動(dòng)機(jī)則一般驅(qū)動(dòng)功率較大且價(jià)額昂貴。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。即當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接受到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(即步距角).優(yōu)點(diǎn):控制較容易,維修也較方便,而且控制為數(shù)字化?；诖耍x擇用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為涂裝機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式[7]。
2.4 傳動(dòng)方式的確定
1) 齒輪傳動(dòng):具有響應(yīng)快，扭矩大，剛性好，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)反方向的改變和復(fù)合傳動(dòng)的特點(diǎn),軸間距不大,應(yīng)用腰、腕關(guān)節(jié)。
2) 鏈傳動(dòng):具有速比小，扭矩大，剛度與張緊裝置有關(guān)的特點(diǎn),軸間距大,應(yīng)用腕關(guān)節(jié)。
3) 渦輪傳動(dòng):具有大速比，交錯(cuò)軸，體積小，回差小，響應(yīng)快，剛度好，轉(zhuǎn)矩大，效率低，發(fā)熱大的特點(diǎn),軸間交錯(cuò)不大,應(yīng)用腰關(guān)節(jié)，手爪機(jī)構(gòu)。
4) 齒形帶傳動(dòng):具有速比小，轉(zhuǎn)矩小，剛性差，無(wú)間隙的特點(diǎn),軸間距大,應(yīng)用各關(guān)節(jié)的一級(jí)傳動(dòng)。
5) 鏈傳動(dòng): 具有速比小，扭矩大，剛度與張緊裝置有關(guān)的特點(diǎn),軸間距大, 應(yīng)用腕關(guān)節(jié)。
根據(jù)對(duì)以上各種傳動(dòng)方式的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合等分析，針對(duì)噴涂機(jī)器人，機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)；大臂和小臂的擺動(dòng)采取步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)；腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)一級(jí)鏈傳動(dòng)和一級(jí)錐齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；腕部的擺動(dòng)直接通過(guò)兩級(jí)鏈傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為減輕自重，將小臂電機(jī)裝在大臂伸出板上，同時(shí)將腕部的電機(jī)安裝在大臂的底部以降低重心。
2.5平衡方式的選擇
得到采用彈簧平衡方法，其能夠減小手把手示教負(fù)載，也減小大、小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作負(fù)載。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減小占地面積。
下圖是噴涂機(jī)器人的總體裝配示意圖：
1-機(jī)身 2-小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3-大臂 4-腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī) 5-小臂 6-機(jī)身驅(qū)動(dòng)電機(jī)
圖2.3 噴涂機(jī)器人總體裝配示意圖
3 機(jī)身的設(shè)計(jì)
3.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇
3.1.1步進(jìn)機(jī)選擇的注意事項(xiàng)
1) 一般應(yīng)選用力矩比實(shí)際需要大百分之五十到百分之百的步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不能過(guò)負(fù)載運(yùn)行，即便是瞬間過(guò)載都可能造成失步、停轉(zhuǎn)或不規(guī)則原地來(lái)回作動(dòng)。
2) 上位控制器輸入的脈沖電流必須夠大（一般要>10mA），以確保光電耦合器穩(wěn)定導(dǎo)通，否則會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步；如果輸入脈沖頻率過(guò)高，會(huì)因個(gè)別脈沖接收不到，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步。
3) 啟動(dòng)頻率不應(yīng)太高，應(yīng)在啟動(dòng)程序中設(shè)置加速過(guò)程，即從規(guī)定的啟動(dòng)頻率開(kāi)始，加速到設(shè)定頻率，否則就可能不穩(wěn)定，甚至處于惰態(tài)。
4) 電機(jī)如果未固定好，造成強(qiáng)烈共振，也會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步。
5) 應(yīng)了解步進(jìn)電機(jī)的固有弱點(diǎn)：輸入脈沖頻率過(guò)高，易導(dǎo)致丟步；輸入脈沖頻率過(guò)低，易出現(xiàn)共振；轉(zhuǎn)速偏高時(shí)扭矩降低明顯。
6) 應(yīng)了解最新型步進(jìn)電機(jī)的性能，必要時(shí)選用采用了最新控制技術(shù)的高級(jí)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，高級(jí)系統(tǒng)既可以使步進(jìn)電機(jī)在高速狀態(tài)下減少共振，還能運(yùn)用減少步進(jìn)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的技術(shù)，增加電機(jī)在高速狀態(tài)下的扭矩[8]。
圖3.1傳動(dòng)示意簡(jiǎn)圖
3.1.2 步進(jìn)機(jī)的選擇
M = M+M (3-1)
M為慣性力矩，M為摩擦力矩。
M= (3-2)
令=0.5s, =1.05rad/s[10]
由同組計(jì)算得出：
I大=5.53kg.m2，m=20kg
I小=7.65kg.m2，m=30kg
大臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 小臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
m為大臂質(zhì)量, m小臂質(zhì)量
代入公式（3-2）得：M=26.36N.m
M=0.1 M (3-3)
代入公式（3-1）得：M=29.3N.m
即T輸出=29.3N.m
M電機(jī)=M/ia
傳動(dòng)比為ia=14.65
i1=1.4i2
i1=4.5，i2=3.2
1軸（高速軸）：T1=To?i0?η01=M電機(jī) (3-4)
2軸（中間軸）：T2=T1?i1?η12
3軸（低速軸）：T3=T2?i2?η23=29.3N?m
得出T1=M電機(jī)=2.085N.m，T2=9.27N.m
表3.1下面是一些常州市新月電機(jī)有限公司的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)
圖3.2步進(jìn)電機(jī)外形簡(jiǎn)圖
綜合考慮步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)距和尺寸，選擇步進(jìn)電機(jī)為86BYG3501型號(hào)[11] T=2.5N.m。
即T1=2.5N.m
由（3-4）再次計(jì)算得出：
i1=4.2, i2=3
T2=10.37N.m，T3=30.74N.m>M 滿(mǎn)足條件
3.1.3 各軸轉(zhuǎn)速
n1=nmi0 （3-5）
式中 nm—電動(dòng)機(jī)滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速r/min；i0—電動(dòng)機(jī)軸至1軸的傳動(dòng)比。
高速軸：n1=n2i1=30*4.2=126 r/min
中間軸：n2=n3i2=10*3=30 r/min
低速軸：n3=w×602π=10 r/min
3.1.4 各軸轉(zhuǎn)矩
T1=Td?i0?η01 （3-6）
將參數(shù)代入（3-6）得
高速軸： T1=T0?i0?01=2.5?1?1=2.5N?m
中間軸：T2=T1?i1?12=2.5?4.2?0.988=10.37N?m
低速軸：T3=T2?i2?23=10.37?3?0.988=30.74N?m
3.1.5 制作參數(shù)表
將上述計(jì)算結(jié)果列入表中，供以后設(shè)計(jì)計(jì)算使用
表3.2 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)表
軸
轉(zhuǎn)矩T(N?m)
轉(zhuǎn)速n(r/min)
電動(dòng)機(jī)軸
2.5
126
1軸（高速軸）
2.5
126
2軸（中間軸）
10.37
30
3軸（低速軸）
30.74
10
3.2 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.1高速齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算
a.選擇齒輪的類(lèi)型、材料、精度和齒數(shù)
（1）按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
（2）大小齒輪材料采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度為HBS217-255，可以提高大齒輪
齒面的疲勞
（3）精度選擇7級(jí)精度。
（4）選擇小齒輪齒數(shù)z1=20，則z2=uz1=4.2*20=84
b.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
根據(jù)以下設(shè)計(jì)公式進(jìn)行計(jì)算：
d1t≥2.323KtT1?d?u±1u?ZεZEσH2 （3-7）
（1）確定上式中的各參數(shù)
① 試選載荷系數(shù)Kt=1.3；
② 小齒輪傳遞的扭矩為：T1=2N.m
③ 查設(shè)計(jì)手冊(cè):選齒寬系數(shù)?d=0.6；
彈性影響系數(shù)ZE=189.8 MPa ；
查得大、小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為
σHlim1=730 MPa ，σHlim2=670 MPa
④ 重合度系數(shù) Zε ，端面重合度
εa==1.88-3.32120+184cos00=1.677 （3-8）
Zε=4-εa3=4-1.6773=0.88 （3-9）
⑤ 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N1=60n1jLh=60×126×1×300×10×8=1.8×108 次
N2=1.8×1084.2=0.43×108 次
⑥ 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=1.12，KHN2=1.21；
⑦ 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)S=1，則
σH1=KHN1σHlim1S=1.12×730=817.6MPa
σH2=KHN2σHlim2S=1.21×670=810.7MPa
（2）計(jì)算
① 將σH中的較小的值代入公式（3-7）得
d1t≥2.323KtT1?d?u±1u?ZεZEσH2=2.32×31.3×25000.6?5.23.2?189.8×0.88810.72 = 16.52
② 計(jì)算小齒輪分度圓圓周速度v
v=πd1tn160×1000=π×16.52×12660×1000=0.11ms （3-10）
③ 計(jì)算齒寬b （3-11）
b=?dd1t=0.6×16.52=9.91mm
④ 計(jì)算齒寬和齒高之比b/h （3-12）
模數(shù)mt=d1tz1=16.5220=0.83mm
齒高h(yuǎn)=2.25mt=2.25×0.83=1.87mm （3-13）
bh=9.91/1.87=5.3
⑤ 計(jì)算載荷系數(shù)
查設(shè)計(jì)手冊(cè)，由v=0.11ms，7級(jí)精度得Kv=1.05
KHα=KFα=1 KA=1.25 KHβ=1.25 KFβ=1.17
∴ 載荷系數(shù)K=KAKVKHαKHβ=1×1.05×1.25×1.25=1.64 （3-14）
⑥ 按實(shí)際載荷系數(shù)修正d1t，
d1=d1t3KKt=15.31×31.641.3=16.54mm （3-15）
⑦ 計(jì)算模數(shù) m
m=d1z1=16.5420=0.83 （3-16）
c.按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)公式為
m≥32KT1?dz12YFaYSaYεσF （3-17）
（1）確定設(shè)計(jì)公式中的參數(shù)
① 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得大、小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
σFE1=620 MPa，σFE2=570 MPa；
② 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.915，KFN2=0.96；
③ 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)S=1.4則
σF1=KFN1σFE1S=0.915×6201.4=405.2 MPa
σF2=KFN2σFE2S=0.96×5701.4=390.86MPa
④ 計(jì)算載荷系數(shù)K
K=KAKVKFαKFβ=1×1.05×1×1.17=1.755
⑤ 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得齒形系數(shù)YFa1=2.8，YFa2=2.2；
⑥ 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得應(yīng)力校正系數(shù)YSa1=1.55，YSa2=1.78；
⑦ 計(jì)算重合度系數(shù)Yε=0.25+0.75εα=0.25+0.751.677=0.7；
⑧ 計(jì)算大、小齒輪YFaYSaσF的值
YFa1YSa1σF1=2.8×1.55405.2=0.011
YFa2YSa2σF2=2.2×1.78390.86=0.01
（2）計(jì)算齒輪模數(shù)
設(shè)計(jì)公式（3-17）中代人YFaYSaσF 中的較大值，得
m≥32KT1?dz12YFaYSaYεσF=32×1.755×2.5×1030.6×202×0.011=0.74
由計(jì)算結(jié)果可看出，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m略大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，但由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，所以，可取由彎曲強(qiáng)度計(jì)算得的模數(shù)0.74，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=1 mm。因按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=16.54mm，這時(shí)需要修正齒數(shù)
z1=d1m=16.541=16.54，取z1=17
則 z2=uz1=4.2×17=71.4，取z2=72
d. 幾何尺寸計(jì)算
（1）計(jì)算分度圓直徑
d1=mz1=1×17=17mm d1取20
d2=mz2=1×72=72mm
（2）計(jì)算中心距
a=12d1+d2=1220+72=46mm
（3）計(jì)算齒輪寬度
b=?dd1=0.6×20=10.8mm
取 b2=12，b1=b2+5=17mm
e．按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核，根據(jù)式（9-8a）
250N
653MPa=810.7MPa
3.2.2 低速級(jí)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
a.選擇齒輪的類(lèi)型、材料、精度和齒數(shù)
（1）按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
（2）大小齒輪材料采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度差為40HBS可以提高大齒輪齒面的疲勞。
（3）精度選擇7級(jí)精度。
（4）選擇小齒輪齒數(shù)z1=28，則z2=uz1=3×28=84
b.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
根據(jù)以下設(shè)計(jì)公式進(jìn)行計(jì)算：
d1t≥2.323KtT1?d?u±1u?ZεZEσH2
（1）確定上式中的各參數(shù)
① 試選載荷系數(shù)Kt=1.3；
② 小齒輪傳遞的扭矩為： T3=30.74
③ 查設(shè)計(jì)手冊(cè):選齒寬系數(shù)?d=0.6；
彈性影響系數(shù)ZE=189.8 MPa ；
大、小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為
σHlim1=730 MPa ，σHlim2=670 MPa
④ 重合度系數(shù) Zε ，端面重合度
εa=1.88-3.32128+184cos00=1.725
Zε=4-εa3=4-1.7253=0.87
⑤ 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N1=60n1jLh=60×10×1×300×10×8=1.44×107 次
N2=1.44×1073.2=0.45×107 次
⑥ 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=1.28，KHN2=1.38；
⑦ 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)S=1，則
σH1=KHN1σHlim1S=1.28×730=1314MPa
σH2=KHN2σHlim2S=1.38×670=924.6MPa
（2）計(jì)算
① 將σH中的較小的值代入公式（3-1）得
d1t≥2.323KtT1?d?u±1u?ZεZEσH2 =2.32×31.3×30.74×1030.6?42?189.8×0.87924.62 =37.6 mm
② 計(jì)算小齒輪分度圓圓周速度v
v=πd1tn160×1000=π×37.6×1060×1000=0.019 ms
③ 計(jì)算齒寬b
b=?dd1t=0.6×37.6=22.56mm
④ 計(jì)算齒寬和齒高之比b/h
模數(shù)mt=d1tz1=37.628=1.34mm
齒高h(yuǎn)=2.25mt=2.25×1.34=3mm
bh=22.563=7.52
⑤ 計(jì)算載荷系數(shù)
查設(shè)計(jì)手冊(cè)，由v=0.019ms，7級(jí)精度得Kv=1
KHα=KFα=1.1 KA=1.25 KHβ=1.256 KFβ=1.17
∴ 載荷系數(shù)K=KAKVKHαKHβ=1.25×1×1.1×1.256=1.727
⑥ 按實(shí)際載荷系數(shù)修正d1t，
d1=d1t3KKt=37.6×31.7271.3=41.3mm
⑦ 計(jì)算模數(shù) m
m=d1z1=41.328=1.47
c. 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)公式為
m≥32KT1?dz12YFaYSaYεσF
（1）確定設(shè)計(jì)公式中的參數(shù)
① 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得大、小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限σFE1=620 MPa，σFE2=570 MPa；
② 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.98，KFN2=0.99；
③ 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)S=1.4則
σF1=KFN1σFE1S=0.98×6201.4=607.6MPa
σF2=KFN2σFE2S=0.99×5701.4=403 MPa
④ 計(jì)算載荷系數(shù)K
K=KAKVKFαKFβ=1.25×1.1×1×1.17=1.61
⑤ 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得齒形系數(shù)YFa1=2.55，YFa2=2.2；
⑥ 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得應(yīng)力校正系數(shù)YSa1=1.61，YSa2=1.78；
⑦ 計(jì)算重合度系數(shù)Yε=0.25+0.75εα=0.25+0.751.725=0.685；
⑧ 計(jì)算大、小齒輪YFaYSaσF的值
YFa1YSa1σF1=2.55×1.61607.6=0.00676
YFa2YSa2σF2=2.2×1.78403=0.0088
（2）計(jì)算齒輪模數(shù)
設(shè)計(jì)公式中代人YFaYSaσF 中的較大值，得m≥32KT1?dz12YFaYSaYεσF=1.23mm由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m略大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，但由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，所以，可取由彎曲強(qiáng)度計(jì)算得的模數(shù)1.23并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2 mm。因按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=41.3mm這時(shí)需要修正齒數(shù)
z1=d1m=41.32=20.65，取z1=21
則 z2=uz1=3×21=63
d.幾何尺寸計(jì)算
（1）計(jì)算分度圓直徑
d1=mz1=2×21=42 mm
d2=mz2=2×63=126mm
（2）計(jì)算中心距
a=12d1+d2=1242+126=84 mm
（3）計(jì)算齒輪寬度
b=?dd1=0.6×42=25.2mm
取 b2=26，b1=b2+5=31mm
c．按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核.
1464N
782.87MPa=924.6MPa
3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是確定軸的結(jié)構(gòu)形狀、各部分的直徑長(zhǎng)度等全部尺寸。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足下列基本要求：保證軸及軸上零件有準(zhǔn)確的工作位置，固定可靠；軸上零件的拆裝和調(diào)整方便，軸具有良好的制造工藝性；軸的結(jié)構(gòu)有利于提高軸的強(qiáng)度、減輕應(yīng)力集中等。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟如下：
1)初估軸的直徑
各軸可按承受純扭矩并降低許用應(yīng)力（考慮彎矩的影響）的辦法來(lái)初估各軸的直徑d，其分式寫(xiě)為：
d=A3pn （3-18）
式中：P—軸所傳遞的功率,kw；n—軸的轉(zhuǎn)速，r/min；A為軸的材料及承載情況確定的系數(shù)，可查有關(guān)教材。對(duì)于非外伸軸，初估直徑常作為與傳動(dòng)零件相配合的直徑（A取大值），并圓整為標(biāo)準(zhǔn)值；對(duì)于外伸軸，初估直徑作為外伸軸端直徑（A取小值），并圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，若外伸軸有外接零件（聯(lián)軸器等），d應(yīng)與外接零件孔徑一致（必要時(shí)作適當(dāng)調(diào)整），并滿(mǎn)足鍵的強(qiáng)度要求。
2)擬定軸上零件的轉(zhuǎn)配方案并選擇支承的結(jié)構(gòu)型式
軸上零件的裝配方案及軸支承結(jié)構(gòu)型式的不同，軸的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸也將不同，可通過(guò)分析比較選擇一個(gè)好的方案。
3)在上述1、2步驟的基礎(chǔ)上，考慮對(duì)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，確定軸各段直徑及長(zhǎng)度。
3.3.1 高速軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1)初步確定軸的最小直徑
根據(jù)公式（3-5）初步確定軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查設(shè)計(jì)手冊(cè)，取A=110
P1=T1nw9550ηw=2.5×1269550×0.95×0.98=0.0354KW
dmin= A3pn=11030.0354126=7.2mm
2) 作用在齒輪上的力
Ft=2T1d=2×2.50.02=250N
Fr=Fttg20°=91N
輸入軸的最小直徑是用于安裝聯(lián)軸器。為使所選直徑d1與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需同時(shí)選取聯(lián)軸器型號(hào)。
聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tca=KAT，考慮扭矩變化很小，取KA=1.3，則
Tca=KAT=1.3×2.5=3.25N?m
查設(shè)計(jì)手冊(cè)，選用YL3型凸緣聯(lián)軸器，公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩為25N?m[12]。從動(dòng)端半聯(lián)軸器的孔徑d=14mm，所以選取軸徑d1=14mm；與軸配合的得孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)=27mm，為保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，軸長(zhǎng)L1應(yīng)略短于L，取L1=25mm。
3)擬定軸上零件的裝配方案
圖3.1 高速軸擬定裝配方案
左側(cè)軸承與擋油環(huán)從左側(cè)裝入，右側(cè)軸承、擋油環(huán)及聯(lián)軸器從右側(cè)裝入，齒輪采用齒軸一體設(shè)計(jì)。
下面是軸承上的扭矩和彎矩圖
圖3.2 支承軸結(jié)構(gòu)及受力分析
4 )求軸上支反力及彎矩
表3.3截面3處的彎矩
載荷
水平面H
垂直面V
支反力R
彎矩M
總彎矩
扭矩T
T=2.5N.m
計(jì)算彎矩
5) 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面3處的強(qiáng)度
（3-19）
軸的材料為45鋼，查表11-1，。因此，故安全。
6)疲勞強(qiáng)度的校核
從應(yīng)力集中對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度的影響來(lái)看，截面3處引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重，且所受力矩最大，所以只需校核截面3右側(cè)即可。
抗彎截面模量 W=0.1d3=0.1×203=800 mm
抗扭截面模量 WT=0.2d3=1600 mm
作用與截面3右側(cè)的彎矩M為
M=4.3N.m
作用與截面3上的彎矩M為
T3=2.5N.M
截面3右側(cè)的彎曲應(yīng)力
σb=MW=4.3800=5.375MPa
截面3右側(cè)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
τT= T3WT=2.51600=1.56MPa
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)。查表得σB=640 MPa，σ-1=275MPa，τ-1=155MPa.
截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及設(shè)計(jì)手冊(cè)選取。因查值得
=2.1， =1.7
查圖2-8可得軸的材料的敏感系數(shù)
qσ=0.7 qτ=1.7
所以有效應(yīng)力集中系數(shù)為
kσ=1+qσ(ασ-1)=1.77
kτ=1+qτ(ασ-1)=1.5
查圖2-9得尺寸系數(shù)0.84、0.92
查圖2-11得表面質(zhì)量系數(shù)為 βσ=0.85,βr=0.91
軸按磨削加工，則綜合系數(shù)值為
Kσ=kσεα+1βσ-1=2.28
Kτ=kτετ+1βr-1=1.73
由材料系數(shù)取φσ=0.1 φr=0.05
計(jì)算安全系數(shù)Sca
Sσ= σ-1 Kσσb+Kσσm=22.5
Sτ= τ-1 Kττα+φττm=111.64
Sca=SσSτSσ2+Sτ2=22.1>S=1.5
所以安全
3.3.2 中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1)初步確定軸的最小直徑
根據(jù)公式（3-5）初步確定軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查設(shè)計(jì)手冊(cè)，取A=110 則
dmin= A3pn=11030.03530=11.58mm
輸入軸的最小直徑是用于安裝滾動(dòng)軸承。為使所選直徑d1與滾動(dòng)軸承的孔徑相適應(yīng)，故需同時(shí)選取滾動(dòng)軸承的型號(hào)。根據(jù)計(jì)算的最小直徑，查設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取深溝球軸承6001，d×D×B=12×28×8，故取最小軸徑d1=12mm。
2)求作用在齒輪上的力
Ft1=2T2d1=2×10.370.072=288N
Fr1=Ft1tg20°=104.8N
Ft2=2T2d2=2×10.370.042=493.8N
Fr2=Ft2tg20°=179.7N
3)擬定軸上零件的裝配方案
圖3.3 中間軸擬定裝配方案
圓柱齒輪、套筒、擋油環(huán)和滾動(dòng)軸承從軸的左端裝入，右端滾動(dòng)軸承和擋油環(huán)從右端裝入。
下面是軸承上的扭矩和彎矩圖
圖3.4 支承軸結(jié)構(gòu)及受力分析
4)求軸上支反力及彎矩
表3.4截面3處的彎矩
載荷
水平面H
垂直面V
支反力R
彎矩M
總彎矩
扭矩T
T=10.37N.m
計(jì)算彎矩
5) 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面3處的強(qiáng)度
σca =McaW=26.72195.2×1000=12.17MPa
軸的材料為45鋼，查表11-1，。因此，故安全。
6)疲勞強(qiáng)度的校核
抗彎截面模量 W=0.1d3=0.1×283=2195.2 mm
抗扭截面模量 wT=0.2d3=4390.4 mm
作用與截面3左側(cè)的彎矩M為
M=26.7N.m
作用與截面3上的彎矩M為
T3=0N.M
截面3左側(cè)的彎曲應(yīng)力
σb=MW=26.72195.2=12.17MPa
截面3左側(cè)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
τT= T3WT=O1600=0MPa
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)。查表得σB=640MPa，σ-1=275MPa，τ-1=155MPa.
截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及查設(shè)計(jì)手冊(cè)選取。因
rd=0.328=0.011, Dd=3028=1.07查值
ασ=2.1
查圖2-8可得軸的材料的敏感系數(shù)
qσ=0.75
所以有效應(yīng)力集中系數(shù)為
kσ=1+qσ(ασ-1)=1.825
查圖2-9得尺寸系數(shù)0.88
查圖2-11得表面質(zhì)量系數(shù)為 βσ=0.85
軸按磨削加工，則綜合系數(shù)值為
Kσ=kσεα+1βσ-1=2.25
由材料系數(shù)取φσ=0.1
計(jì)算安全系數(shù)Sca
Sσ= σ-1 Kσσb+φσσm=9.62>S
所以安全
3.3.3 低速軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1)初步確定軸的最小直徑
根據(jù)公式（3-5）初步確定軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查設(shè)計(jì)手冊(cè)，取A=110 則
dmin= A3pn=11030.035×0.97×0.98810=16.47mm
2)求作用在齒輪上的力
Ft=2T1d=2×30.740.126=487.94N
Fr=Fttg20°=177.6N
輸入軸的最小直徑是用于安裝聯(lián)軸器。為使所選直徑d1與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需同時(shí)選取聯(lián)軸器型號(hào)。
聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tca=KAT，考慮扭矩變化很小，取KA=1.3，則
Tca=KAT=1.3×30.74=40 N?m
3)擬定軸上零件的裝配方案
圖3.5低速軸擬定裝配方案
圓柱齒輪、套筒、擋油環(huán)和滾動(dòng)軸承從軸的左端裝入，右端滾動(dòng)軸承和擋油環(huán)從右端裝入。
下面是軸承上的扭矩和彎矩圖
圖3.6 支承軸結(jié)構(gòu)及受力分析
4)求軸上支反力及彎矩
表3.5截面3處的彎矩
載荷
水平面H
垂直面V
支反力R
彎矩M
總彎矩
扭矩T
T=30.74N.m
計(jì)算彎矩
5)按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面3處的強(qiáng)度
σca =McaW=34.446400×1000=5.38MPa
6)疲勞強(qiáng)度的校核
從應(yīng)力集中對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度的影響來(lái)看，截面3處引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重，且所受力矩最大，所以只需校核截面3左側(cè)即可。
抗彎截面模量 W=0.1d3=0.1×403=6400mm
抗扭截面模量 WT=0.2d3=12800 mm
作用與截面3左側(cè)的彎矩M為
M=13.54N.m
作用與截面3上的彎矩M為
T3=30.74N.M
截面3左側(cè)的彎曲應(yīng)力
σb=MW=13.546400=2.1MPa
截面3左側(cè)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
τT= T3WT=30.7412800=2.4MPa
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)。查表得σB=640MPa，σ-1=275MPa，τ-1=155MPa.
截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及查設(shè)計(jì)手冊(cè)選取。因
rd=140=0.025, Dd=6040=1.5查值得
=2.1， =1.7
查圖2-8可得軸的材料的敏感系數(shù)
qσ=0.75 qτ=0.8
所以有效應(yīng)力集中系數(shù)為
kσ=1+qσ(ασ-1)=1.825
kτ=1+qτ(ασ-1)=1.56
查圖2-9得尺寸系數(shù)0.85、0.75
查圖2-11得表面質(zhì)量系數(shù)為 βσ=0.9,βr=0.94
軸按磨削加工，則綜合系數(shù)值為
Kσ=kσεα+1βσ-1=2.26
Kτ=kτετ+1βr-1=1.9
由材料系數(shù)取φσ=0.1 φτ=0.05
計(jì)算安全系數(shù)Sca
Sσ= σ-1 Kσσb+Kσσm=57.94
Sτ= τ-1 Kττα+φττm=66.24
Sca=SσSτSσ2+Sτ2=43.6>S=1.5
所以安全
3.4 軸承的校核
3.4.1 高速軸的壽命計(jì)算
由圖3.1可知軸上的安裝軸承處直徑為20mm，所以選擇深溝球軸承16004 Cr=6.08KN,Car=3.78KN。
由公式：
Lh=10660n(ftCP)εh
計(jì)算軸承壽命。
n=126r/min C=3780N ε=3
由表3.3 p=RN12+Rv12=301N
查表得，溫度系數(shù)ft=1
代入得Lh=2.6×105，滿(mǎn)足使用要求
3.4.2 中間軸的壽命計(jì)算
由圖3.2可知軸上的安裝軸承處直徑為28mm，所以選擇深溝球軸承16006 Cr=6.08KN,Car=3.78KN[13]。
由公式：
Lh=10660n(ftCP)εh
計(jì)算軸承壽命。
n=30r/min C=3780N ε=3
由表3.4 p=RN12+Rv12=1255N
查表得，溫度系數(shù)ft=1
代入得Lh=1.52×104，滿(mǎn)足使用要求
3.4.3 低速軸的壽命計(jì)算
由圖3.5可知軸上的安裝軸承處直徑為40mm，由于軸要承受軸向和徑向力,所以選擇雙列深溝球軸承Cr=65.5KN,Cor=37.5KN。
由圖3.5看出R有兩部分組成，第一部分為軸上所受的支反力，表3.5已算出:
429N, 89N
經(jīng)計(jì)算，，,
所以
（3-20）
，查表13-5得
，查表13-5得
查表載荷系數(shù)=1.2，軸承當(dāng)量動(dòng)載荷為
（3-21）
（3-22）
由公式
計(jì)算軸承壽命。
10r/min
C=37500N
10/3
查表13-7，溫度系數(shù)=1
代入得Lhh=3.6×106,滿(mǎn)足使用要求
3.5 腰部?jī)?nèi)部電纜安裝方式
機(jī)器人上安裝有電機(jī)等電氣元件。這些電氣元件，一般都隨著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。安裝在機(jī)器人腰部的內(nèi)部電纜，將各運(yùn)動(dòng)的電氣元件與機(jī)器人基座上的固定不動(dòng)的插頭座連接起來(lái)。這樣，連接機(jī)器人與控制柜的外部電纜就不會(huì)隨著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而擺動(dòng)。安裝在機(jī)器人腰部的電纜結(jié)構(gòu)，要保證各個(gè)電路從運(yùn)動(dòng)端到固定端的連接。
目前常用的腰部電纜安裝結(jié)構(gòu)有兩種：
1) 電纜由腰部回轉(zhuǎn)軸穿過(guò)。
當(dāng)腰部左右回轉(zhuǎn)時(shí)，在軸中心穿過(guò)的電纜則擰成麻花型。由于機(jī)器人腰部一般左右回轉(zhuǎn)不超過(guò)±180o，所以通過(guò)軸中心的電纜扭轉(zhuǎn)角度最大不超過(guò)180o。這種電纜安裝結(jié)構(gòu)要求腰部的回轉(zhuǎn)軸有一定的長(zhǎng)度，中心通孔的直徑要足夠大，電纜要柔軟而易彎曲，外皮要堅(jiān)固耐磨。
2）將腰部電纜支撐多圈圓柱型彈簧式。
彈簧式電纜的上端與機(jī)器人內(nèi)部電纜相連，下部與機(jī)器人機(jī)座上下不動(dòng)的外部電纜相連。當(dāng)機(jī)器人腰部作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧被扭轉(zhuǎn)，最大扭矩角度不超過(guò)±180o。彈簧式是將電纜綁在彈簧骨架上制成的。彈簧式電纜要具有一定的彈性，直徑D要盡量小，圈數(shù)不能太少，以保證直徑變化量△D不會(huì)太大。在腰部結(jié)構(gòu)上腰保證彈簧直徑變化所需的活動(dòng)空間[15]。
結(jié) 論
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是對(duì)噴涂機(jī)器人人的一個(gè)簡(jiǎn)單分析與研究,本人設(shè)計(jì)的是機(jī)身部分,在郭老師的指導(dǎo)和同組同學(xué)的幫助,經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的努力,終于基本上完成了本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容。本次設(shè)計(jì)獲得了不少知識(shí)和成果,完成了以下內(nèi)容:
1. 在翻閱大量機(jī)械資料后，不僅對(duì)噴涂機(jī)器人有了一定的認(rèn)識(shí)(噴涂機(jī)器人的發(fā)展歷史、意義、用途),而且也相應(yīng)的了解了一些其他工業(yè)機(jī)器人的知識(shí)。此次設(shè)計(jì)還幫助我對(duì)本專(zhuān)業(yè)進(jìn)行的復(fù)習(xí)與鞏固,學(xué)會(huì)了如何查找書(shū)籍來(lái)幫助自己。
2. 在同組同學(xué)進(jìn)行討論和郭老師指導(dǎo)之后，確定了一個(gè)總體方案,采用了二級(jí)減數(shù)器,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),關(guān)節(jié)式坐標(biāo)。
3. 對(duì)機(jī)身系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)次方案論證，最終確定采用86BYG3501步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、齒輪傳動(dòng)的方案，并繪制了機(jī)身部件圖以相當(dāng)數(shù)量的零件圖，對(duì)畫(huà)圖相關(guān)的知識(shí)有了進(jìn)一步了解。
由于本人學(xué)識(shí)不足、水平有限，加之時(shí)間倉(cāng)促，設(shè)計(jì)中還有很多不足之處，希望老師能夠提出批評(píng)并多提指導(dǎo)意見(jiàn)，以便本人在今后的學(xué)習(xí)中改進(jìn)。
致 謝
在此，首先感謝我的指導(dǎo)老師郭剛老師。郭老師是一個(gè)治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、學(xué)識(shí)淵博的人，為人嚴(yán)肅但又不失和藹可親，郭老師的敬業(yè)精神和寬厚的人品都讓我受益匪淺。在郭老師的悉心指導(dǎo)下，我對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)從一團(tuán)糟到有了初步的認(rèn)識(shí)到明確了任務(wù)目標(biāo)，再到基本工作的組織和完成以及對(duì)工作任務(wù)的檢查和整理。通過(guò)這樣一個(gè)過(guò)程，使我更深一步地了解了噴涂機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)與用途。
其次感謝王璽、蔣明同學(xué)對(duì)我的幫助和指點(diǎn)。沒(méi)有他們的幫助和提供資料對(duì)于我一個(gè)對(duì)機(jī)器人一竅不通的人來(lái)說(shuō)要想在短短的幾個(gè)月的時(shí)間里學(xué)習(xí)到機(jī)器人知識(shí)并完成畢業(yè)論文是幾乎不可能的事情。
?在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意！
最后再次感謝郭老師和我的同組同學(xué)以及其他所有幫助我的同學(xué)和老師!
參 考 文 獻(xiàn)
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