１摘要：在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平， 。工業(yè)機器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復(fù)性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本設(shè)計介紹了關(guān)于工業(yè)機器人的一些基本常識和原理，包括工業(yè)機器人的組成、分類、主要技術(shù)性能參數(shù)和工業(yè)機器人的運動分析，并參考通用型工業(yè)六自由度機器人的結(jié)構(gòu)。根據(jù)對工業(yè)六自由度機器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進行三自由度工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。關(guān)鍵在于三軸（臂---）的傳動系統(tǒng)的設(shè)計以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免運動的干涉，在本次設(shè)計中主要負責第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其傳動原理，對第一臂與底座的各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。關(guān)鍵詞：三自由度 機器人 傳動原理 控制２目錄摘要---------------------------------------------------------Ⅰ引言--------------------------------------------------------------------1 第一章 概述-----------------------------------------------------------21.1 工業(yè)機器人的含義及技術(shù)概述 ---------------------------------- 21.2 工業(yè)機器人的組成 ---------------------------------------- 21.3 工業(yè)機器人的現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 ---------------------------3 1.4 設(shè)計的任務(wù)要求-------------------------------------------4第二章 機器人的結(jié)構(gòu)分析-------------------------------------------52.1 總體結(jié)構(gòu)的概述-------------------------------------------------52.2 第一軸（大臂）的結(jié)構(gòu)---------------------------------------6 2.3 傳動方案的確定-------------------------------------------7第三章 設(shè)計計算 ----------------------------------------------------9第四章 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算--------------------------------------114.1 第一軸的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計--------------------------------------------114.2 軸承的選擇--------------------------------------------------26第五章 機器人各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 -----------------------------285.1 轉(zhuǎn)角范圍的控制設(shè)計---------------------------------------------------------------285.2 主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計（第一臂與底座）-------------------------------------29總結(jié) --------------------------------------------------------30致謝 ------------------------------------------------------- 31參考文獻 ---------------------------------------------------32３引言在加速科技進步中，機械制造業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵的作用，其任務(wù)是在工業(yè)生產(chǎn)中迅速將工藝裝備的獨立單元變?yōu)樽詣踊C合體（自動化工段，生產(chǎn)線和自動化車間） ，將來甚至實現(xiàn)自動化工廠。這種自動化生產(chǎn)最重要的特點是具有柔性，它能預(yù)料到，在節(jié)省勞力（或無人）情況下，根據(jù)工藝條件調(diào)整裝配，以適應(yīng)多種產(chǎn)品生產(chǎn)。當代柔性自動化生產(chǎn)的建立和廣泛應(yīng)用，取決于作為科技進步的催化劑的機床制造、機器人技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、儀器制造等技術(shù)的加速發(fā)展。工業(yè)機器人是多品種的經(jīng)常更換產(chǎn)品的生產(chǎn)過程自動化的通用手段。在機械制造中，工業(yè)機器人既有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)組成工藝裝備的基本工序中，也有效地用于輔助操作中。工業(yè)機器人與傳統(tǒng)自動化手段不同之處，首先在于它在各種生產(chǎn)功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性。在柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中，工業(yè)機器人廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、鍛壓機床、鑄造機械和倉儲設(shè)備上，以完成傳送裝備和其它操作。工業(yè)機器人和基本工藝裝備、輔助手段以及控制裝置一起形成各種不同形式的機器人技術(shù)綜合體—柔性生產(chǎn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)模塊。隨著工業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟的驚人發(fā)展，標志著多品種中、小批量生產(chǎn)最新水平的FMS（柔性制造系統(tǒng)） ，F(xiàn)A（工廠自動化）技術(shù)更加引人注目；作為 FMS、FA 技術(shù)重要組成之一的工業(yè)機器人技術(shù)也將得到迅速發(fā)展。應(yīng)用工業(yè)機器人是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動環(huán)境條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率手段之一。本次設(shè)計是根據(jù)對工業(yè)六自由度機器人的總體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進行三自由度工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。關(guān)鍵在于三軸（臂）的傳動系統(tǒng)的設(shè)計以及整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免運動的干涉。但在本次設(shè)計中出于公司的要求,我主要負責第一臂與底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計,在設(shè)計中 XXX 老師給予了很大的指導和幫助，在此謹致謝意。限于水平，本設(shè)計難免有缺點、錯誤，懇請各位老師批評指正。４第一章概 述1.1 工業(yè)機器人的含義及技術(shù)概述到目前為止，世界各國對“工業(yè)機器人”還沒有做出統(tǒng)一的明確定義。通常所說的“工業(yè)機器人”是一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置。而它與“機械手”有一些區(qū)別：“工業(yè)機器人”多數(shù)指程序可變的獨立的抓取、搬運工件、操縱工具的裝置；“機械手”多數(shù)是指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置。如自動線、自動機的上、下料，加工中心的自動換刀的自動化裝置。工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)社備。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。工業(yè)機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上的代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。1.2 工業(yè)機器人的組成工業(yè)機器人一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成。如圖 1-1所示。目前，具有人工智能系統(tǒng)的工業(yè)機器人即智能機器人還處于研究實驗階段。而應(yīng)用于生產(chǎn)實際的多數(shù)是那些具有執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的工業(yè)機器人。1．執(zhí)行系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成握取工件（或工具）實現(xiàn)所需的各種運動的機械部件，包括：手部、腕部、臂部，還有機身和行走機構(gòu)。2．驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力的裝置。采用的動力源不同，５驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式也不同。驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式有四種：液壓式、氣壓式、電氣式、機械式。3．控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人或機械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動系統(tǒng)，讓執(zhí)行機構(gòu)按照規(guī)定的要求進行工作、并檢測其正確與否。一般常見的為電氣與電子回路控制，計算機控制系統(tǒng)也不斷增多。就其控制方式，可分為分散控制與集中控制兩種類型。若以控制的運動軌跡來分，有兩種：點位控制和連續(xù)軌跡控制。1.3工業(yè)機器人的現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢工業(yè)機器人是一種對生產(chǎn)條件和生產(chǎn)環(huán)境適應(yīng)性和靈活性很強的柔性自動化設(shè)備，它對穩(wěn)定提高產(chǎn)品品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率和改善勞動條件起著十分重要的作用。工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展必將對社會經(jīng)濟和生產(chǎn)力發(fā)展產(chǎn)生更加深遠的影響。所以，國內(nèi)外工業(yè)機器人的發(fā)展十分迅速。國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：1．工業(yè)機器人的性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作與維修） ，而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91 年的 10.3 萬美元降至 97 年的 6.5 萬美元。2．機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速器、檢測系統(tǒng)三為一體；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問世。3．工業(yè)機器人系統(tǒng)控制向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。4．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。5．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。6．當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。６7．機器人化機械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機器人從 80 年代“七五”計劃科技攻堅開始起步，在國家的支持下，通過“七五” 、 “八五”科技攻堅，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有 130 多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得廣泛應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步比較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線技術(shù)系統(tǒng)與國外比還有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200 臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求， “一客戶，一次重新設(shè)計” ，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。 我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000 米水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種。在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在二十一世紀立于世界先進行列之中。1.4 設(shè)計的任務(wù)要求本次設(shè)計是針對三軸工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 主要設(shè)計要求如下： 第一軸：轉(zhuǎn)動角速度為 90 /s，轉(zhuǎn)角范圍為 0～270? ?底 座：能夠?qū)崿F(xiàn)第一臂轉(zhuǎn)角(0-270 度)轉(zhuǎn)角范圍控制７第二章 機器人的結(jié)構(gòu)分析2.1 總體結(jié)構(gòu)的概述目前，世界上已有許多工業(yè)機器人，其中大部分屬于“示教再現(xiàn)”型。如果將這類機器人稱作第一代，那么，具有一定程度的視覺、觸覺、或某種分析、判斷能力的工業(yè)機器人就屬于第二代了。不少國家正在積極研制具有觀覺、觸覺等功能的工業(yè)機器人，并取得了不少成果，但是，真正將這些成果應(yīng)用于生產(chǎn)實際的還為數(shù)不多。在實際生產(chǎn)（如噴漆、焊接、裝配等）中被廣泛應(yīng)用的工業(yè)機器人，示教再現(xiàn)型還是較多。一般的機器人，它由機器人的機構(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構(gòu)成。機構(gòu)部分有機械手和移動機構(gòu)兩部分組成；傳感器有測量機器人自身位置姿態(tài)和速度、加速度的內(nèi)傳感器和了解外部環(huán)境及作業(yè)對象工作情況的外傳感器；控制器是直接控制機器人運動的裝置，只要不是自主型移動機器人，它通常放在與機器人不同的地方，通過導線連接。在工業(yè)機器人的控制裝置中，有電動機驅(qū)動電路、PTP 運動目標點和 CP 運動軌跡數(shù)據(jù)的記憶裝置和定位控制電路等。信息處理裝置通過信息傳輸裝置與機器人本體相連，多用于智能機器人。如圖 2-1，該機器人具有六自由度，即大臂的回轉(zhuǎn)、臂的左右擺動、臂的上下擺動、手腕的回轉(zhuǎn)、手腕的伸縮和手爪的抓取。當然，圖中沒有表示出控制系統(tǒng)及手爪抓取的那一部分。該六自由度機器人運動的情況說明如下：首先，由電動機 M1 經(jīng)過傳動系統(tǒng)帶動大臂的回轉(zhuǎn)運動，且與大臂相連的所有其它手臂、手腕及機械構(gòu)件也隨大臂一起作回轉(zhuǎn)運動；而后另一手臂由電動機 M2 直接驅(qū)動作左右擺動；還有，第三臂由電動機 M3 直接驅(qū)動作上下擺動；最后，手腕的回轉(zhuǎn)、伸縮及手爪的抓取由其它三個電動機驅(qū)動。８９2.2 第一軸（大臂）的結(jié)構(gòu)大臂的結(jié)構(gòu)圖（圖 2-1）及其傳動原理簡圖（圖 2-1）：圖 2-1１０圖 2-2第一臂，也即大臂，該手臂實現(xiàn)工業(yè)機器人的回轉(zhuǎn)運動，整個系統(tǒng)由伺服電動機驅(qū)動。為了實現(xiàn)傳動的設(shè)計要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計要求，整個減速系統(tǒng)采用了三級斜齒輪傳動，且所有的斜齒輪都裝在一個箱體（減速箱）里面。然而，與一般情況不同的是，第三級斜齒輪直接固定在機座上，從而使其它的（上級的斜齒輪）傳動機構(gòu)繞著它轉(zhuǎn)動，且電動機又固定在大臂上，所以導致大臂帶著電動機、減速箱一起作回轉(zhuǎn)運動。2.2 傳動方案的確定根據(jù)工業(yè)機器人的總體結(jié)構(gòu)分析可知，工業(yè)機器人的三軸的傳動結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。第一軸采用的是齒輪傳動，第二軸、第三軸則采用的是擺線針輪行星齒輪傳動。當然，參照以上的傳動結(jié)構(gòu)分析，現(xiàn)擬定如下三種傳動方案：方案一：第一軸：齒輪傳動（直齒或斜齒）第二軸、第三軸：擺線針輪行星齒輪傳動方案二：第一軸：蝸桿蝸輪傳動第二軸、第三軸：蝸桿蝸輪傳動方案三：第一軸：蝸桿蝸輪傳動第二軸、第三軸：擺線針輪行星齒輪傳動方案比較論證首先，已知各種傳動的傳動比 u:直齒圓柱齒輪傳動，u≤4；斜齒輪傳動，u≤6；蝸桿蝸輪傳動，5≤u≤70，常用 15≤u≤50；擺線針輪行星齒輪傳動， 11≤u≤87（單級） 。然后估算各軸的傳動比，初選轉(zhuǎn)速為 1500r/min 的原動機，則 u1=1500/15=100,u2=1500/20=75。第一軸傳動的確定：蝸桿蝸輪傳動的特點：1）傳動平穩(wěn)，振動沖擊和噪聲均很小；2）傳動比也較大，結(jié)構(gòu)比較緊湊。而在這里采用此傳動，則需要兩級傳動才能滿足要求，蝸桿蝸輪的傳動是兩軸交錯的，這樣一來也就增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且同時也增加了轉(zhuǎn)１１動時的負荷；3）由于蝸桿蝸輪嚙合輪齒間相對滑動速度大，使得摩擦損耗大，因而傳動效率較低。因此，第一軸采用齒輪傳動。要實現(xiàn)設(shè)計要求，如采用圓柱直齒輪傳動則需要四級傳動，而采用斜齒輪則需要三級就可以，并且知道在相同的條件下，采用斜齒輪傳動比圓柱齒輪傳動，在結(jié)構(gòu)上尺寸要小得多，由此可知，采用斜齒輪傳動。斜齒傳動有如下優(yōu)點：1）嚙合性能好；2）重合度大，傳動平穩(wěn)；3）結(jié)構(gòu)緊湊，并且在總體結(jié)構(gòu)上也是合理的。第二軸傳動的確定：由各傳動系統(tǒng)的傳動比可知，第二軸的傳動應(yīng)該采用擺線針輪行星齒輪傳動。擺線針輪行星齒輪傳動有如下優(yōu)點：1）傳動比大。一級傳動比為11～87，二級傳動比為 121～7569，三級傳動比可達 446571；2）結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。如將擺線針輪行星減速器與同功率的兩級普通圓柱齒輪減速器相比，體積可減小1/2～2/3，重量約減輕 1/2～1/3 以上；3）效率較高。一般效率為 0.92～0.94，最高可達 0.97；4）傳動平穩(wěn)，過載能力較大，承受沖擊和振動的性能較好；5）工作可靠，壽命長。但是這種傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造較困難?？偵纤觯x擇方案一為最佳。第一軸采用三級斜齒輪傳動，第二、第三軸采用擺線針輪行星齒輪傳動。 １２第三章 設(shè)計計算3.1 電動機的選擇第一軸的電動機的選擇根據(jù)設(shè)計方案可知，第二軸、第三軸的所有重量都是第一軸的負荷，所以說，第一軸的轉(zhuǎn)動慣量是很大的，必須計算各零部件的轉(zhuǎn)動慣量，計算出最終動力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動慣量，再根據(jù)動力源軸上的轉(zhuǎn)動慣量進行選擇電動機。下面計算第一軸上的轉(zhuǎn)動慣量：如圖 3-1-1，該軸的轉(zhuǎn)動軸與第二軸的轉(zhuǎn)動軸不同，該轉(zhuǎn)動軸的軸線為 ob 線，則在這種情況下，F(xiàn)G213NMOb圖 3-1-1第三臂的轉(zhuǎn)動慣量：Kgm243.)15cos(.980. 223 ??????mJO第二軸的轉(zhuǎn)動慣量：（3-1-1）2222 )(1?mdcba 235.084)06.1.0.84 ????Kgm27.5兩電動機的轉(zhuǎn)動慣量：Kgm27.4.058.342221 ?????電電電 JJ兩個行星輪系的轉(zhuǎn)動慣量：Kgm215.80221輪輪輪減速箱的轉(zhuǎn)動慣量：１３Kgm2375.04.152??減J第一軸本身的轉(zhuǎn)動慣量：Kgm2.221??m所以，總的轉(zhuǎn)動慣量為：375.0415.87.04.53??總JKgm29.10?而轉(zhuǎn)動角加速度 為：?1/s2854.72????tvV則輸出軸的轉(zhuǎn)矩為 由式（3-1-7）得：MNm1939.150??總J轉(zhuǎn)換到電動機上的轉(zhuǎn)矩為：Nm7.6.8. ??u電根據(jù)要求 ，選 P=3KW，n=1000r/min 的 MGMA 型伺服電機， 為 28.4Nm。電M額 額M第三章 設(shè)計計算１４第四章 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算4.1 第一軸的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計第一軸的傳動方案已確定，采用三級斜齒輪傳動，且電動機的功率為P=3KW，n=1000r/min，則傳動比 u=1000/15=66.67。一 、傳動比的分配：已知斜齒輪的傳動比 u≤6，再根據(jù)傳動減速時前面降得慢，而后面降得快的原則，三級降速的傳動比分配如下： u=2.4 4.87 5.7?二 、各級的傳動設(shè)計第一級斜齒輪的傳動設(shè)計計算：已知電動機的功率 P=3KW，n=1000r/min，傳動比u=2.4，則１．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)1) 按照傳動方案的設(shè)計要求，選用斜齒圓柱齒輪傳動。2) 考慮減速設(shè)計的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查表(常用齒輪材料及其機械特性表)選得大、小齒輪的材料均為 40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。3) 選用精度等級。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選 7 級精度(GB10095-88)。4) 選小齒輪齒數(shù) Z1=35，大齒輪齒數(shù) Z2=uZ1=2.4 35=84。?5) 選取螺旋角。初選螺旋角 。??4?２．按齒面接觸強度設(shè)計由設(shè)計計算公式進行計算，即≥ mm （4-2-1）td1321)][(2HEdt ZuTK??????1) 確定公式內(nèi)的各計算值（1）.試選 。6.1?t（2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。43.2?HZ（3）.由標準圓柱齒傳動的端面重合度 圖表，查得 ??， ，則 =801???84.02??? 6.18.0.21?１５（4）.計小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩N411 10865.203950????nPT m?（5）.由下表 3-2-1（圓柱齒輪齒寬系數(shù) ?d 表）裝置狀況 兩支承相對小齒輪作對稱布置 兩支承相對小齒輪作對稱布 小齒輪作懸臂布置?d 0.9～1.4（1.2～1.9） 0.7～1.15（1.1～1.65） 0.4～0.6選取齒寬系數(shù) ?d=0.9；(6).由材料的彈性影響系數(shù) 表，查得 =189.8 ；EZEMPa(7).齒輪接觸疲勞強度圖表，按齒面硬度中間值 52HRC 查得大、小的接觸疲勞強度極限 = = Mpa；1HLim?2li70(8).計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 91 106.4)538(060 ?????hjLnN992 107.42.4?u(9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得 ；8.HNK；87.02?HNK(10).計算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為 1%，安全系 S=1,由下式得[ ] = MPa?1H 2.106786.01lim??SKN[ ] = MPa2 92liH則取[ ]H=([ ] +[ ] )/2=1012 Mpa?1?22).計算(1).試算小齒輪分度圓直徑 ，由計算公式（4-2-1）得td1≥ mmtd1 1548.26)9.078432(.6.90852.134 ????根據(jù)計算的結(jié)果及電動機的輸出軸徑，取 =50 mm；td1第四章 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算１６(2).計算圓周速度m/s618.2065106?????ndt(3).計算齒寬 及摸數(shù)bntmmm459.1td?mm39.1cos0cs1????ztnt?225.ntmh 4.hb(4).計算縱向重合度 ??98.21359.018.318.0?????tgtgzd??（5）計算載荷系數(shù) K已知使用系數(shù) 。A根據(jù) ，7 級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查498.2??得動載荷系數(shù) KV=1.07；由接觸強度計算用的齒向載荷分布系數(shù)( )表，查得?HK=2.728，由彎曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù)( )圖，?H F查得 =2.45。FK由齒向載荷分配系數(shù)( 、 ),查得 = =1.2，HAKFHAKF故載荷系數(shù)=1×1.07×1.2×2.728=3.5??FVA?(6).按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得mm91.64.53031 ???ttKd(7).計算模數(shù) nm= mmn 79.135cos9.64cos1?z?2. 按齒根彎曲強度設(shè)計１７由式 ≥ mm （3-2-2）nm321][cosFSadYzKT??????1) 確定計算參數(shù)(1) 計算載荷系數(shù)1 1.07 1.2 2.45=3.2???FaVAK?(2) 根據(jù)縱向重合度 ，從螺旋角影響系數(shù)圖表查498.2?得 =0.88。?Y(3) 計算當量齒數(shù)31.84cos5331????zv 95.14cos8332???zv(4) 查取齒形系數(shù)由齒形系數(shù) 及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.44； =2.196FaYSaY1Fa2FaY(5) 查取應(yīng)力校正系數(shù)由齒形系數(shù) 應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =1.654； =1.782aFSa1Sa2Sa(6) 由齒輪的彎曲疲勞強度極限圖,查得 680?FE?Mpa。(7) 由彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.86， =0.87；1FNK2FN(8) 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由下式得417.714 MPa?SFENF11][?422.571 MPa KFEF22][(9) 計算大、小齒輪的 并加以比較FSaY][?=1][FSaY097.74.652??第四章 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算１８=2][FSaY?094.571.48296??小齒輪的數(shù)值大。2）設(shè)計計算≥ mmnm 93.07.6.1359.0)4(cos82.3224 ?????對比計算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強度計算的法向模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強度計算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強度及接觸疲勞強度,最后取 =2mm。nm4.幾何尺寸計算1) 計算中心距 a mm64.12cos2)8435(cos2)(1 ???????nmz將中心距圓整為 =122.5 mma2) 按圓整后的中心距修正螺旋角??????? 729.135.2)843(arcos2)(arcos1mzn?因 值改變不大,故參數(shù) 等不必修正。HZK、、 ???3) 計算大小齒輪的分度圓直徑mm06.729.13cos51????nmzdmm4842?n4) 計算齒輪寬度mm85.60.7291???db?圓整后取 B2=65 mm；B1=70 mm。第二級的傳動條件：電機的功率為 P=4.5KW，n=416.7r/min，傳動比 u=4.87，具體設(shè)計計算如下：１．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)1) 考慮減速設(shè)計的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查表(常用齒輪材料及其機１９械特性表)選得大、小齒輪的材料均為 40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。2) 選用精度等級。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選 7 級精度(GB10095-88)。3) 選小齒輪齒數(shù) Z1=24，大齒輪齒數(shù) Z2=uZ1=4.87 24=117。?4) 選取螺旋角。初選螺旋角 。??4?２．按齒面接觸強度設(shè)計由設(shè)計計算公式（3-2-1）進行計算。1）確定公式內(nèi)的各計算值（1）.試選 。6.1?tK（2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。43.2?HZ（3）.由標準圓柱齒傳動的端面重合度 圖表，查得 ??， ，則 =7801???87.02???? 65.187.0.21?（4）.計小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩N411 69.7.41395???nPT?m?（5）.由表（圓柱齒輪齒寬系數(shù) ?d 表）選取齒寬系數(shù) ?d=0.9；(6).由材料的彈性影響系數(shù) 表，查得 =189.8 ；EZEMPa(7).齒輪接觸疲勞強度圖表，按齒面硬度中間值 52HRC 查得大、小的接觸疲勞強度極限 = = Mpa；1HLim?2li70(8).計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 91 18.)53082(7.4606 ?????hjLnN92 18.u(9).由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得 ；.01HNK；9.02?HNK第四章 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算２０(10).計算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為 1%，安全系 S=1,由下式得[ ] = MPa?1H105378.01lim??SKN[ ] = MPa2 6.299.2liH則取[ ]H=([ ] +[ ] )/2=1017.5 Mpa?1H?22).計算(1).試算小齒輪分度圓直徑 ，由計算公式得td1≥ mmtd1 92.3)5.07843.2(856.19023 24 ????(2).計算圓周速度m/s18.106492.3106????ndt(3).計算齒寬 及摸數(shù)bntmmm3.29.391td?mm1.4coscos1 ????ztnt?2.31.25.ntmh 894.hb(4).計算縱向重合度 ??713.9.08.318.0?????tgtgzd???(5).計算載荷系數(shù) K已知使用系數(shù) 。A根據(jù) ，7 級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查得18.0??動載荷系數(shù) KV=1.05；由接觸強度計算用的齒向載荷分布系數(shù)( )表，查得 =1.41，由彎曲強?HK?HK度計算的齒向載荷分布系數(shù)( )圖，查得 =1.37。?FF２１由齒向載荷分配系數(shù)( 、 ),查得 = =1.2，故載荷系數(shù)HAKFHAKF=1×1.07×1.2×1.41=1.78??FVA?(6).按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得mm13.46.78150331 ???ttKd(7).計算模數(shù) nm= mmn 379.124cos3.cos1?z?3. 按齒根彎曲強度設(shè)計根據(jù)設(shè)計計算公式（3-2-2）來計算：1) 確定計算參數(shù)（1） 計算載荷系數(shù)1 1.07 1.2 1.37=1.726???FaVAK?（2） 根據(jù)縱向重合度 ，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。73.? ?Y（3） 計算當量齒數(shù)27.614cos331????zv08.332zv（4） 取齒形系數(shù)由齒形系數(shù) 及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.158FaYSaY1Fa2FaY（5） 取應(yīng)力校正系數(shù)由齒形系數(shù) 應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =1.596； =1.792aFSa1Sa2Sa（6） 齒輪的彎曲疲勞強度極限圖,查得 680?FE?Mpa。（7） 由彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.87， =0.9；1FNK2FN（8） 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力第四章 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算２２取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由下式得422.571 MPa?SKFENF11][?437.143 MPa FEF22][（9） 計算大、小齒輪的 并加以比較FSaY][?=1][FSa098.571.4269??=2][FSaY?.3.8小齒輪的數(shù)值大。2）設(shè)計計算≥ mmnm 257.1098.65.1249.0)4(cos876.123 2?????對比計算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強度計算的法向模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強度及接觸疲勞強度,最后取 =1.5 mmnm4.幾何尺寸計算1) 計算中心距 mm987.104cos25.)7(cos2)(1 ???????nmza將中心距圓整為 =108.52) 按圓整后的中心距修正螺旋角??????? 93.125.082)74(arcos2)(arcos1mzn?因 值改變不大,故參數(shù) 等不必修正。HZK、、 ???2） 大小齒輪的分度圓直徑mm937.6.12cos531????nmzd２３mm063.189.2cos542?????nmzd4) 計算齒輪寬度mm4.7.3601?bd?圓整后取 B2=35 mm；B1=40 mm。第三級的傳動條件：電動機的功率為 P=0.9KW，n=85.565，傳動比 u=5.7，設(shè)計計算如下：１．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)1)考慮減速設(shè)計的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查表(常用齒輪材料及其機械特性表)選得大、小齒輪的材料均為 40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為 48～55HRC。2) 選用精度等級。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故 初選 7 級精度(GB10095-88)。3)選小齒輪齒數(shù) Z1=24，大齒輪齒數(shù) Z2=uZ1=5.7 24=137。?4)選取螺旋角。初選螺旋角 。??4?２．按齒面接觸強度設(shè)計由設(shè)計計算公式（3-2-1）計算：1) 確定公式內(nèi)的各計算值（1）.試選 。6.1?tK（2）.由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。43.2?HZ（3）.由標準圓柱齒傳動的端面重合度 圖表，查得 ??， ，則 =7801???8.02?????6.18.07.21?（4）.計小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩N5121 .356.8903995 ???nPT?m?（5）.由下表（圓柱齒輪齒寬系數(shù) ?d 表）選取齒寬系數(shù) ?d=0.8；（6）.由材料的彈性影響系數(shù) 表，查得 =189.8 ；EZEMPa第四章 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算２４（7）.齒輪接觸疲勞強度圖表，按齒面硬度中間值 52HRC查得大、小的接觸疲勞強度極限 = = Mpa；1HLim?2li70（8）.計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 81 1.3)58(56.806 ?????hjLnN72 104.7.3u（9）.由接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，查得 ； 9.1HNK；.02?HNK（10）.計算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為 1%，安全系 S=1,由下式得[ ] = MPa?1H105379.01lim??SKN[ ] = MPa2 .8.2liH則取[ ]H=([ ] +[ ] )/2=1070.6 Mpa?1H?22).計算(1).試算小齒輪分度圓直徑 ，由計算公式（3-2-1）得td1≥ mmtd1 958.4)6.078432(.56.180323 2????(2).計算圓周速度m/s246.0160.89.4160????ndt(3).計算齒寬 及摸數(shù)bntmmm9.4358.1td?mm2.21coscos1 ????ztnt?9.4.52.ntmh 79.8hb(4).計算縱向重合度 ??２５523.1428.031.318.0?????tgtgzd????(5).計算載荷系數(shù) K已知使用系數(shù) 。A根據(jù) ，7 級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查246.0??得動載荷系數(shù) KV=1.04；由接觸強度計算用的齒向載荷分布系數(shù)( )表，查得 =1.2877，由彎?HK?HK曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù)( )圖，查得 =1.27。?FF由齒向載荷分配系數(shù)( 、 ),查得 = =1.2，故載荷系數(shù)HAKHA=1×1.04×1.2×1.2877=1.61??FVA?(6).按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得mm072.56.1958.4331 ??ttd(7).計算模數(shù) nm= mmn 27.24cos07.cos1??z?3.按齒根彎曲強度設(shè)計由式 ≥ mmnm321][cosFSadYzKT??????1) 確定計算參數(shù)(1)計算載荷系數(shù)1 1.04 1.2 1.27=1.585???FaVAK?(2) 根據(jù)縱向重合度 ，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。523.? ?Y(3)計算當量齒數(shù)27.614cos331????zv9.332zv(4)查取齒形系數(shù)第四章 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算２６由齒形系數(shù) 及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.14FaYSaY1Fa2FaY(5)查取應(yīng)力校正系數(shù)由齒形系數(shù) 應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =1.596； =1.83aFSa1Sa2Sa(6)由齒輪的彎曲疲勞強度極限圖,查得 MPa680?FE?(7)由彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.88， =0.91；1FNK2FN(8)計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由下式得427.43 MPa?SFENF11][?442.0 MPa KFEF22][(9)計算大、小齒輪的 并加以比較FSaY][?=1][FSa097.43.27569??=2][FSaY?8.小齒輪的數(shù)值大。2）設(shè)計計算≥ mmnm 12.097.6.1248.0)4(cos53.13 2?????對比計算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強度計算的法向模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強度計算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強度及接觸疲勞強度,最后取 =2.5 mmnm4.幾何尺寸計算1) 計算中心距 mm41.2071cos25.)34(cos2)(1 ???????nmza將中心距圓整為 =207 mm2) 按圓整后的中心距修正螺旋角２７??????? 536.1207.)34(arcos2)(arcos1mzn?因 值改變不大,故參數(shù) 等不必修正。HZK、、 ???3) 計算大小齒輪的分度圓直徑mm715.63.1cos241????nmzdmm872?n4) 計算齒輪寬度mm372.4915.6801???db?圓整后取 B2=49 mm；B1=55 mm。4. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計算1）估計擺線輪內(nèi)孔半徑 nr=(0.4～0.5) =40～50mmpr2）擇軸承型號尺寸經(jīng)查表選用 502310E C=105000 N C0=71000 N D1=97 mm d=50mm b=27 mm da=60 mm Da=89.6 mm a=5 mm3）名義徑向載荷 RR= 67108.8.54335.031.1 ????cpCcpPCzrKTzrT=5776.698 N4）當量動載荷 PP= =1.3 5776.698=7509.71 NRfF?—動載荷系數(shù)，一般取 =1.2～1.5。Ff Ff5）軸承相對轉(zhuǎn)速 nn= + =1000+ =1015r/minHun67106）軸承壽命 hL第四章 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算２８h531063106 8.)7.59()( ????PCnLh因為所求得的軸承壽命 ≥15000 h ,所以滿足要求。hL4. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計算1）估計擺線輪內(nèi)孔半徑 =(0.4～0.5) =52～65mmnrnrpr2）擇軸承型號尺寸經(jīng)查表選用 502313 C=114600 N C0=85200 N D1=121.5 mm d=65mm b=33mm da=77mm Da=114.6mm a=7 mm3）名義徑向載荷 RR= 501378.0945.031.1 ????cpCcpPCzrKTzrT=12830.82 N4）當量載荷 PP= =1.3 12830.82=16680.1 NRfF?5）軸承相對轉(zhuǎn)速 nn= + =1000+ =1020r/minHnu5011）承的壽命 hLh5.241).1680(20)(6013131 ???PCnh因為所求得的軸承壽命 ≥15000 h ,所以滿足要求。hL5. 針齒銷彎曲強度計算1）針齒結(jié)構(gòu)尺寸mm1905.420505. ?????????CbLmm52.312c（ ）?cbmm7521921???L２９2) 最大彎矩Nmm 107259013785.0422.11 ???????LzrKTMcpVax3) 許用彎曲應(yīng)力MPa5FP?4) 校核彎曲應(yīng)力MPa72.10.1.033???zpWaxFdM因為 ＞[ ]，所以滿足要求。F?P4.2 軸承的選擇4.2.1 斜齒輪傳動軸上的軸承1.根據(jù)齒輪軸徑值，查滾動軸承樣本或機械設(shè)計手冊得，第二軸上選用圓錐滾子軸承 7204，C=15500N；第三軸上選用圓錐滾子軸承 7205，C=19520N，則校核壽命如下：第二軸的從動齒輪受力大小為：切向力為： N17.9506.7231???dTFt徑向力為： ??729.3cos/0.cos/tgtgnr??N9.7?軸向力為： N.14231.795???ttFa根據(jù) ，則軸承的名義載荷 P 為：6.02.3.29714?era（4-3-1）)(arYXfP??式中， -載荷系數(shù)， -徑向動載荷系數(shù)， -軸向動載荷系數(shù)，所以， f YN15.6742.197.3294.0(51??P則軸承的壽命為：第四章 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算３０h631063106 82.)5.74(.)( ??????PCnLh因為，這里軸承的預(yù)期壽命為 =15000h，而 ，故所選的軸承可滿足壽命要?hL??hL求。第三軸的從動齒輪受力為：切向力為： N75.104937.6.5021???dTFt徑向力為： ??93.2cos/.cos/tgtgnr??N.51?軸向力為： N46.9327.104???ttFa根據(jù) ，則軸承的名義載荷 P 為：6.5.93.5614?eraN34.19).3457.10()( ??????arYXfP則，軸承的壽命為：h531063106 7.)4.92(5.8)( ??PCnLh因為，這里軸承的預(yù)期壽命為 =15000h，而 ，故所選的軸承可滿足壽命要?hL??hL求。