多關(guān)節(jié)機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)(已通過(guò)答辯的)

1、摘 要隨著機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的日益廣泛，許多場(chǎng)合要求機(jī)器人具有力控制的能力。此次設(shè)計(jì)是針對(duì)回轉(zhuǎn)殼體內(nèi)自動(dòng)粘貼膠片的任務(wù)，設(shè)計(jì)一個(gè)3DOF平面多關(guān)節(jié)機(jī)械手（包括1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)），配合殼體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)此任務(wù)。在機(jī)械手工作過(guò)程中，通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而來(lái)完成機(jī)械手水平方向的移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1通過(guò)鏈傳動(dòng)來(lái)完成平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2直接在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，這樣機(jī)械手可以伸入口徑較小的回轉(zhuǎn)殼體內(nèi)完成粘貼膠片的任務(wù)。本次設(shè)計(jì)工作首先對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析（包括運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立，運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正問(wèn)題、逆問(wèn)題及其解）。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括機(jī)械手的移動(dòng)關(guān)節(jié)、旋

2、轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)等。其中，重點(diǎn)是對(duì)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（包括工作臺(tái)的設(shè)計(jì)，絲杠的設(shè)計(jì)，直線(xiàn)導(dǎo)軌、伺服電機(jī)和減速器的選取等）。最后對(duì)系統(tǒng)中主要部件的剛度、強(qiáng)度等性能參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算與校核。關(guān)鍵詞：機(jī)械手 多關(guān)節(jié) 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 伺服電機(jī) 直角減速器AbstractWith the increasing application of robot in various industrial fields, it is requested that robot has the ability to control power. According to the contact task of

3、rotary hull, a 3-DOF robot manipulator is designed in order to accomplish sticking of the colloid. The robot manipulator consists of a transfer joint and two revolute joints and robot end-effector. The robot manipulator could realize the contacting task combining with the driving system of rotary hu

4、ll. The concrete processing comprising of driving screw transmission with the servo motor. In this way, robot manipulator could complete movement in horizontal direction, the revolute joint could be able to accomplish revolute motion of two dimension-space through a chain driving, the revolute joint

5、 of end-effector completes directly revolute motion with the servo motor.Firstly, this design has been carried on the kinematics analysis in order to the manipulator, which consists of including the establishment of kinematics equation, the positive solutions of the kinematics equation, the correspo

6、nding inverse solutions. Secondly, the transfer joint, revolute joint and the transmission part are designed. The important part is the design of servo feeding system, which consists of the design of the platform and the screw, the selection of linear guide way, servo motor and reducer, etc. Finally

7、, the corresponding calculations are done considering the system's main guide line such as components stiffness, strength and other performance parameters.Keywords: Robot manipulator Freedom Multi-joint Servo motor Right-angle reducer目 錄摘要 Abstract .目錄 引言 11 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì) 41.1 課題的主要內(nèi)容 41.2 課題的研究方

8、案 41.3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì) 41.3.1 主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì) 41.3.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 42 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 62.1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立 62.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正解 72.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的逆解 83 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 103.1 伺服電機(jī)及減速器的選擇 103.1.1 機(jī)電領(lǐng)域中伺服電機(jī)的選擇原則 103.1.2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器的選擇 103.2 鏈輪的設(shè)計(jì)及鏈條的選擇 113.2.1 滾子鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 113.2.2 鏈輪的設(shè)計(jì) 133.2.3 滾子鏈的靜強(qiáng)度計(jì)算 143.2.4 鏈傳動(dòng)的張緊 153.2.5 鏈傳動(dòng)的潤(rùn)滑 154 軸的設(shè)計(jì)與驗(yàn)算 164.1 軸的

9、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 164.1.1 選擇軸的材料 164.1.2 初步估計(jì)軸徑 174.2 軸的校核 185 軸上零件的選擇與計(jì)算 255.1 鍵的選擇與鍵聯(lián)接強(qiáng)度校核 255.1.1 大臂末端電機(jī)軸上鍵的選擇與校核 255.1.2 軸上矩形花鍵的選擇與校核 265.1.3 小臂電機(jī)軸上鍵的選擇與校核 265.2 滾動(dòng)軸承的驗(yàn)算 265.2.1 確定軸承的承載能力 275.2.2 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷 285.2.3 校核軸承壽命 286 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 296.1 滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 296.1.1 材料的選擇 296.1.2 耐磨性計(jì)算 296.1.3 螺桿的強(qiáng)度計(jì)算 306.1.4 螺桿的穩(wěn)定性計(jì)

10、算 306.2 絲杠副的選擇計(jì)算 316.2.1 螺母的疲勞壽命計(jì)算 326.2.2 螺母螺紋牙的強(qiáng)度計(jì)算 336.2.3 螺母凸緣的強(qiáng)度計(jì)算 346.3 絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 346.4 機(jī)械導(dǎo)軌的選擇 356.5 聯(lián)軸器的選擇與計(jì)算 366.5.1 選擇聯(lián)軸器的類(lèi)型 366.5.2 聯(lián)軸器的主要參數(shù) 376.5.3 聯(lián)軸器的計(jì)算扭矩 37結(jié)論 39致謝 40參考文獻(xiàn) 41引 言隨著社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的操作方式也發(fā)生著革命性的變化，從手工作坊式的勞動(dòng)，逐步演變成自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)方式，人類(lèi)也逐漸無(wú)法完成某些生產(chǎn)過(guò)程，所以為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要出現(xiàn)了特殊的生產(chǎn)工具-機(jī)械手。機(jī)械手也

11、被稱(chēng)為自動(dòng)手，能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱(chēng)為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專(zhuān)用機(jī)械手有

12、23個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過(guò)對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來(lái)完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過(guò)對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。多關(guān)節(jié)機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是:動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近機(jī)座的工件，并能繞過(guò)機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作.雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力

13、量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門(mén)的重視，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門(mén)。例如：(1機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動(dòng)化車(chē)床、組合機(jī)床上使用較為普遍。(2在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來(lái)裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來(lái)組裝零部件。(3可在勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動(dòng)。(4可在危險(xiǎn)場(chǎng)合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等。(5宇宙及海洋的開(kāi)發(fā)。(6軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。機(jī)械手的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中各國(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入。比如說(shuō)日本，戰(zhàn)爭(zhēng)以后開(kāi)始發(fā)展汽車(chē)工業(yè)，那么這時(shí)候由于它人力的缺乏，迫切

14、需要一種機(jī)器人來(lái)進(jìn)行大批量的制造，提高生產(chǎn)效率降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度，這是社會(huì)發(fā)展本身的一個(gè)需求。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展需求的必然結(jié)果，還是人類(lèi)自身發(fā)展的必然結(jié)果。隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)诓粩嗾J(rèn)識(shí)和改造自然的過(guò)程中，需要能夠解放人的一種奴隸。這種奴隸要能夠代替人們?nèi)氖聫?fù)雜和繁重的體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)到世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過(guò)程中的一個(gè)客觀(guān)需要。但另一方面，盡管人們有各種各樣的好的想法，機(jī)器人技術(shù)仍歸功于電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，需要其提供強(qiáng)大的技術(shù)保證。隨著社會(huì)的進(jìn)步，不僅工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)，特種機(jī)器人的用途也越來(lái)越廣

15、泛，機(jī)器人每年收獲的農(nóng)作物達(dá)數(shù)十億噸。有的機(jī)器人可以上山伐木，有的可以擠牛奶，有的則可以擦玻璃、洗汽車(chē)和洗飛機(jī)。機(jī)器人技術(shù)作為20世紀(jì)人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一，自20世紀(jì)60年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷40余年的發(fā)展已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。走向成熟的工業(yè)機(jī)器人及各種用途的特種機(jī)器人的應(yīng)用，昭示著機(jī)器人技術(shù)燦爛的明天。機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。同時(shí)，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，又為機(jī)器人的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物

16、質(zhì)。在這一需求背景下，美國(guó)開(kāi)始研制機(jī)械手的控制系統(tǒng)，在1947年產(chǎn)生了世界上第一臺(tái)主從遙控的機(jī)器人，1948年又開(kāi)發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。在1947年產(chǎn)生了世界上第一臺(tái)主從遙控的機(jī)器人，1947年以后是計(jì)算機(jī)電子技術(shù)發(fā)展比較迅速的時(shí)期，因此各國(guó)已經(jīng)開(kāi)始利用當(dāng)時(shí)的一些現(xiàn)代的技術(shù)，進(jìn)行了機(jī)器人研究。在1962年美國(guó)研制成功PUMA通用示教再現(xiàn)型機(jī)器人，那么這就標(biāo)志著機(jī)器人走向成熟，應(yīng)該說(shuō)第一臺(tái)可用的機(jī)器人在1947年產(chǎn)生，而真正意義的機(jī)器人在1962年產(chǎn)生。相繼不久，在英國(guó)等國(guó)家，也相繼研究出一些機(jī)器人，那么到了20世紀(jì)60年代末，日本人將它的國(guó)民經(jīng)濟(jì)的汽車(chē)工業(yè)與機(jī)器人進(jìn)行結(jié)合，它購(gòu)買(mǎi)了美國(guó)的專(zhuān)利

17、，在日本進(jìn)行了再次開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)機(jī)器人。到20世紀(jì)70年代，日本已經(jīng)將這種示教再現(xiàn)型的機(jī)器人進(jìn)行了工業(yè)化，出現(xiàn)了很多公司，現(xiàn)在的像ABB，MOTOMAN，安川公司，還有很多機(jī)器人公司像OTC等公司。它們都已經(jīng)將機(jī)器人進(jìn)行了工業(yè)化，進(jìn)行了批量生產(chǎn)，而且成功的用于了汽車(chē)工業(yè)，使機(jī)器人正式走向應(yīng)用。在20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)80年代初期，工業(yè)機(jī)器人變成產(chǎn)品以后，得到全世界的普遍應(yīng)用以后，那么很多研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究第二代具有感知功能的機(jī)器人，出現(xiàn)了瑞典的ABB公司，德國(guó)的KUKA機(jī)器人公司和日本的FUNAC公司。它們都在工業(yè)機(jī)器人方面具有很大的作為，同時(shí)我們也看到機(jī)器人的應(yīng)用在不斷拓寬，它已經(jīng)從工業(yè)上的一

18、些應(yīng)用，擴(kuò)展到了服務(wù)行業(yè)，并且擴(kuò)展了它的作業(yè)空間，已經(jīng)在海洋空間和服務(wù)醫(yī)療等行業(yè)的進(jìn)行使用。我們國(guó)家在機(jī)器人的研究，是在20世紀(jì)70年代后期，當(dāng)時(shí)我們?cè)趪?guó)家北京舉辦一個(gè)日本的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品展覽會(huì)，在這個(gè)會(huì)上有兩個(gè)產(chǎn)品，一個(gè)是數(shù)控機(jī)床，一個(gè)是工業(yè)機(jī)器人，這個(gè)時(shí)候，我們國(guó)家的許多學(xué)者，看到了這樣一個(gè)方向，開(kāi)始進(jìn)行了機(jī)器人的研究，但是這時(shí)候研究，基本上還局限于理論的探討階段，那么真正進(jìn)行機(jī)器人研究的時(shí)候，是在七五、八五、九五、十五將近這二十年的發(fā)展。發(fā)展最迅速的時(shí)候，是在1986年我們國(guó)家成立了863計(jì)劃是高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，就將機(jī)器人技術(shù)作為一個(gè)重要的發(fā)展的主題，國(guó)家投入將近幾個(gè)億的資金開(kāi)始進(jìn)行了機(jī)器

19、人研究，使得我們國(guó)家在機(jī)器人這一領(lǐng)域得到很快地、迅速地發(fā)展。目前主要單位像中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所，原機(jī)械部的北京自動(dòng)化所，像哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，清華大學(xué)，還包括中科院北京自動(dòng)化所等等的一些單位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前這幾年來(lái)看，我們國(guó)家在高校里邊，有很多單位從事機(jī)器人研究，很多研究生和博士生都在從事機(jī)器人方面的研究，目前我們國(guó)家比較有代表性的研究，有工業(yè)機(jī)器人，水下機(jī)器人，空間機(jī)器人，核工業(yè)的機(jī)器人，都在國(guó)際上應(yīng)該處于領(lǐng)先水平，總體上我們國(guó)家與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在很大的差距，主要表現(xiàn)在，我們國(guó)家在機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化方面，目前還沒(méi)有固定的成熟的產(chǎn)品，但是在上述

20、這些水下、空間、核工業(yè)，一些特殊機(jī)器人方面，我們?nèi)〉昧撕芏嘤刑厣难芯砍删汀＞湍壳皝?lái)看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì)1.1 課題的主要內(nèi)容本次課題的主要內(nèi)容是針對(duì)回轉(zhuǎn)殼體內(nèi)自動(dòng)粘貼膠片的任務(wù)，設(shè)計(jì)一個(gè)3DOF平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手(包括1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并且和殼體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配合起來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)粘貼膠片的的任務(wù)。1.2 課題的研究方案針對(duì)膠片粘貼任務(wù)，可設(shè)計(jì)3DOF平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手。機(jī)械手由移動(dòng)關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。移動(dòng)關(guān)節(jié)安裝在直線(xiàn)導(dǎo)軌上，通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠

21、的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成機(jī)械手前后方向的移動(dòng)。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1的動(dòng)作是通過(guò)鏈傳動(dòng)來(lái)完成的。具體方法是，大臂末端安裝伺服電機(jī)來(lái)帶動(dòng)鏈傳動(dòng)，通過(guò)鏈傳動(dòng)使旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1完成平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。而旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2則直接在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱型內(nèi)空結(jié)構(gòu)，以便與殼體內(nèi)部形狀吻合并且大大減輕機(jī)構(gòu)重量。幾個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的有機(jī)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動(dòng)粘貼膠片的任務(wù)，并通過(guò)減速器使其達(dá)到理想的旋轉(zhuǎn)速度。1.3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)1.3.1 主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)此機(jī)械手針對(duì)回轉(zhuǎn)殼體，實(shí)現(xiàn)在其內(nèi)部的自動(dòng)粘貼膠片工作?；剞D(zhuǎn)殼體的有效長(zhǎng)度為2m，內(nèi)部直徑為350mm，開(kāi)口直徑為300m。膠片在粘貼到殼體前被剪

22、裁成300mm×300mm，然后由工作人員放到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的膠片架上。大臂水平方向的有效行程為1.5m。1.3.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大臂選用10mm厚的方鋼，材質(zhì)：Q235A。中臂，小臂，執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用45鋼。具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖1.1 機(jī)械手大臂圖1.2 機(jī)械手中臂圖1.3 小臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析機(jī)器人操作手通常為開(kāi)鏈空間連桿機(jī)構(gòu)，各桿件間通常用轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副相連接。開(kāi)鏈一端安裝在機(jī)座上，另一端為末端執(zhí)行器。各關(guān)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，關(guān)節(jié)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致連桿的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而確定了末端執(zhí)行器在空間的位置和姿態(tài)。齊次變換是解決機(jī)器人操作手運(yùn)動(dòng)學(xué)的數(shù)學(xué)工具。2.1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立表示機(jī)

23、器人操作手的每個(gè)桿件在空間相對(duì)于基礎(chǔ)坐標(biāo)系位置和姿態(tài)的方程，稱(chēng)為機(jī)器人操作手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。要描述機(jī)器人操作手每個(gè)桿件的空間位姿，需要使用以下直角系。 絕對(duì)坐標(biāo)系，即建立在工作現(xiàn)場(chǎng)地面的坐標(biāo)系。 機(jī)座坐標(biāo)系，即建立在機(jī)器人上的坐標(biāo)系，它是機(jī)器人各活動(dòng)桿件的公共參考坐標(biāo)系。通常在研究問(wèn)題時(shí)，認(rèn)為機(jī)座相對(duì)于工作地面是靜止的，因此又將機(jī)座坐標(biāo)系稱(chēng)為固定坐標(biāo)系或基礎(chǔ)參考系。 桿件坐標(biāo)系即建立在機(jī)器人指定的活動(dòng)桿件上的坐標(biāo)系。它與活動(dòng)桿件相固連，隨桿件一起運(yùn)動(dòng)，因此又稱(chēng)其為活動(dòng)坐標(biāo)系或當(dāng)前坐標(biāo)系。 末端執(zhí)行器坐標(biāo)，即末端桿，因此相應(yīng)坐標(biāo)系均轉(zhuǎn)為桿件坐標(biāo)系。在研究具體問(wèn)題時(shí)，常將機(jī)座看為操作機(jī)的第0號(hào)桿件，

24、即首端桿，而將末端執(zhí)行器視為最后一個(gè)桿，即末端桿，因此相應(yīng)坐標(biāo)系均轉(zhuǎn)為桿件坐標(biāo)系。若一個(gè)機(jī)器人操作手有n個(gè)桿組成，各桿件編號(hào)從機(jī)座到末端執(zhí)行器依次為0，1，2，3，···，n，則可以寫(xiě)出變換方程3：式中：···，n兩桿件的相對(duì)變換矩陣。依據(jù)上述變換方程，即可求出任一桿件相對(duì)機(jī)座坐標(biāo)系的位姿，得到相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。確定相臨兩桿間的變換矩陣是建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的基礎(chǔ)。變換矩陣···，n順序相乘就可得到。因中含有一個(gè)關(guān)節(jié)變量若用廣義坐標(biāo)3則可寫(xiě)成形式，有通常將稱(chēng)為操作手的變換矩陣。顯然它是n個(gè)關(guān)節(jié)變量

25、3;··，n的函數(shù)。將(2.2稱(chēng)為操作手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，它表示末端連桿的位姿與關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系。2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正解正解問(wèn)題是指已知各桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)節(jié)變量，求末端執(zhí)行器的空間位姿，即求。按下關(guān)節(jié)模式確定各桿的A矩陣。所建立的坐標(biāo)系如下圖所示：圖2.1 平面三桿機(jī)械手建立A矩陣所需要的參數(shù)值見(jiàn)下表。表2.1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)參數(shù)表?xiàng)U件號(hào)i關(guān)節(jié)變量iaidicossin100010210010320010=A1=A2=A3=則： = A1 A2 A3=式中 ；。2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的逆解逆解問(wèn)題是指已知滿(mǎn)足某工作要求時(shí)末端執(zhí)行器的空間位姿，就是已知中各元素的值以及各桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)

26、，求關(guān)節(jié)變量。由運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正解可知中各元素的值以及各桿件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。求關(guān)節(jié)變量。由前面可知：=根據(jù)=，= A2 A3=令(2.8(2.9式中兩端矩陣第一行第三列元素與第二行第三列元素分別相等，得當(dāng)工作時(shí)，機(jī)械手末端位姿如下圖：圖2.2 機(jī)械手末端位姿圖因?yàn)榇藭r(shí)，所以式可化簡(jiǎn)為：所以 3 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)3.1 伺服電機(jī)及減速器的選擇3.1.1 機(jī)電領(lǐng)域中伺服電機(jī)的選擇原則現(xiàn)代機(jī)電行業(yè)中經(jīng)常會(huì)碰到一些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，這對(duì)電機(jī)的動(dòng)力荷載有很大影響。伺服驅(qū)動(dòng)裝置是許多機(jī)電系統(tǒng)的核心。因此，伺服電機(jī)的選擇就變得尤為重要。首先要選出滿(mǎn)足給定負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)，然后再?gòu)闹邪磧r(jià)格、重量、體積等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)選擇最適

27、合的電機(jī)2。圖3.1 各種電機(jī)的T-曲線(xiàn)一般伺服電機(jī)選擇考慮的問(wèn)題：(1 電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。(2 電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。3.1.2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器的選擇1.估算各臂重量大臂；中臂；小臂和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（手）。2.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器的選擇 故驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)1選用安川伺服電機(jī)SGMH-13AAA41。 。減速器型號(hào)：PLS142HP 減速比i=64故驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)2選用安川伺服電機(jī)SGMH-05AAA41 。減速器型號(hào)：WPLE60 減速比i=803.2 鏈輪的設(shè)計(jì)及鏈條的選擇3.2.1 滾子鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)1.滾子鏈鏈輪的主要尺寸鏈輪的主要尺寸摘自GB124485傳動(dòng)用短節(jié)距精密滾子鏈和套筒鏈鏈輪齒形和公差

28、，適用于與GB1243.183傳動(dòng)用短節(jié)距精密滾子鏈配用的鏈輪；等效于ISO6061982傳動(dòng)用短節(jié)距精密滾子鏈和鏈輪。鏈輪的基本參數(shù)為：鏈輪的齒數(shù)Z,鏈條的節(jié)距P,滾子外徑dr,排距Pt。2.滾子鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算滾子鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟及計(jì)算式：已知傳動(dòng)功率P=1.3KW,主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速相同，即n1=n2=23.4r/min,大鏈輪軸孔直徑與小鏈輪軸孔直徑相同，既dK1=dK2=40mm2.1 鏈輪齒數(shù)小鏈輪的齒數(shù) Z1=23大鏈輪的齒數(shù) Z2=232.2 實(shí)際傳動(dòng)比ii=Z2/Z12.3 計(jì)算功率PCPC=KAP/KZ/KA工況系數(shù)。查表11-92，KA=1；齒數(shù)系數(shù)：Kz=(Z1

29、/19=(23/192.4 鏈條節(jié)距P按PC，n1，查圖11-52，得鏈節(jié)為16A,即。2.5 查表11-10 2，dKmax=109>dK=40mm,合適。2.6 初定中心距a按要求a0=1300mm，a0p=a0在3050之間，所以合適。2.7 鏈節(jié)數(shù)LP=2×a0/p+(Z1+Z2/2+P/a0(Z2Z1/22=2×1300/25.4+(23+23/2+25.4/1300(23-23/22=102.36+23+0 取LP=125節(jié)。2.8 鏈條長(zhǎng)度L=P×LP2.9 理論中心距a當(dāng)Z1=Z2=Z時(shí)，a=P/2(LP2.10 實(shí)際中心距aa=a-2.11

30、 鏈速VV= Z1 n12.12 有效圓周力Ft2.13 作用于軸上之力FKFK=1.15×KA×Ft=1.15×1×111501=128226N22.14 潤(rùn)滑方式的選擇根據(jù)P及V查圖11102，應(yīng)采用油杯或刷子供油。2.15 鏈條的標(biāo)記鏈 16A1×125圖3.2 鏈條的三維視圖3.2.2 鏈輪的設(shè)計(jì)1.鏈輪的材料鏈輪的材料應(yīng)能保證鏈輪具有足夠的耐磨性和強(qiáng)度。鏈輪的嚙合次數(shù)越多受沖擊也就越嚴(yán)重，故鏈輪采用較好的材料制造。選用鏈輪的材料為20Cr,熱處理為滲碳，淬火，回火。熱處理后的硬度為5060HRC。2.鏈輪基本尺寸的計(jì)算d=P/sin1

31、80oodamin1所以da取整為196。bf11baradf=d-d1dgPcot180oo所以dg取整為159。圖3.3 鏈輪的齒槽形狀3.2.3 滾子鏈的靜強(qiáng)度計(jì)算在低速(V重載鏈傳動(dòng)中，鏈條的靜強(qiáng)度占主要地位。如果仍用額定功率曲線(xiàn)選擇計(jì)算，結(jié)果常不經(jīng)濟(jì)，因?yàn)轭~定功率曲線(xiàn)上各點(diǎn)相應(yīng)的條件性安全系數(shù)n為820，遠(yuǎn)比靜強(qiáng)度安全系數(shù)大。當(dāng)進(jìn)行耐疲勞和耐磨損工作能力計(jì)算時(shí)，若要求的使用壽命過(guò)短，傳動(dòng)功率過(guò)大，也需進(jìn)行鏈條的靜強(qiáng)度驗(yàn)算。鏈條靜強(qiáng)度計(jì)算公式2：式中：Sca鏈的抗拉靜強(qiáng)度的計(jì)算安全系數(shù)；Flim單鏈的極限拉伸載荷，單位為KN；KA工作情況系數(shù)；F1鏈的緊邊工作拉力，單位為KN；鏈的排數(shù)

32、。由下面的公式2得，在允許范圍內(nèi)，所以靜強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。3.2.4 鏈傳動(dòng)的張緊鏈傳動(dòng)的張緊程度可用測(cè)量松邊垂度f(wàn)的大小來(lái)表示，合適的松邊垂度推薦為：0.02a mm。對(duì)重載，經(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)的鏈傳動(dòng)，以及接近垂直的鏈傳動(dòng)，其松邊垂度應(yīng)適當(dāng)減小。本傳動(dòng)裝置采用調(diào)整中心距的方法來(lái)使鏈傳動(dòng)張緊。具體調(diào)整方法是通過(guò)擰緊螺栓來(lái)使鏈子蹦緊。對(duì)于滾子鏈傳動(dòng)，中心距調(diào)整量為2P。3.2.5 鏈傳動(dòng)的潤(rùn)滑1. 潤(rùn)滑方式的選擇根據(jù)鏈條的節(jié)距P和速度V按機(jī)械手冊(cè)2選擇潤(rùn)滑方式。由于鏈速V2m/s，故采用人工定期潤(rùn)滑的方式。每班加油一次，保證銷(xiāo)軸處不干燥。2. 潤(rùn)滑劑的選擇一般情況采用潤(rùn)滑油，按機(jī)械手冊(cè)2進(jìn)行選擇

33、，對(duì)于開(kāi)式、低速傳動(dòng)可在油中添加MoS2、WS2MoSe2、WS e2等添加劑。4 軸的設(shè)計(jì)與驗(yàn)算對(duì)于傳動(dòng)軸，除重載軸外，一般無(wú)須進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，只進(jìn)行剛度計(jì)算。軸在載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，當(dāng)這些變形超過(guò)某個(gè)允許值時(shí)，會(huì)使機(jī)器零部件工作狀況惡化，甚至使機(jī)器無(wú)法正常工作，故對(duì)精密機(jī)器的傳動(dòng)和對(duì)剛度要求高的軸，要進(jìn)行剛度校核，以保證軸的正常工作。軸的剛度分為扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度兩種，前者是用扭轉(zhuǎn)角來(lái)度量，后者是用撓度和偏角來(lái)度量。軸在受載的情況下會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，過(guò)大的彎曲變形也會(huì)影響軸上零件的正常工作，對(duì)于工作要求高的精密機(jī)械如機(jī)床，如安裝齒輪的軸，會(huì)因軸的變形影響齒輪的嚙合狀態(tài)幾工作平穩(wěn)性

34、；軸的偏角會(huì)使?jié)L動(dòng)軸承的內(nèi)外圈互相傾斜，如偏轉(zhuǎn)角超過(guò)滾動(dòng)軸承的允許的轉(zhuǎn)角，就顯著降低滾動(dòng)軸承得壽命；會(huì)使?jié)L動(dòng)軸承所受的壓力集中在軸承的一側(cè)，使軸徑和軸承發(fā)生邊緣接觸，加劇磨損和導(dǎo)致膠合；軸的變形還會(huì)使高速軸回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，影響機(jī)器的正常工作。又如機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)中的軸，過(guò)大的彎曲變形將使運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生爬行，不能均勻進(jìn)給，影響加工質(zhì)量。因此，對(duì)于精密機(jī)器的軸要進(jìn)行彎曲剛度的校核，他用彎曲變形時(shí)所產(chǎn)生的撓度和偏轉(zhuǎn)角來(lái)度量，即驗(yàn)算軸的最大撓度及齒輪處的和軸承處的傾角，是否在允許的范圍之內(nèi)。軸的彎曲變形的精確計(jì)算較復(fù)雜，除受載荷的影響外，軸承以及各種軸上零件剛度，軸的局部削弱等因素對(duì)軸的變形都有影響。

35、因此，在計(jì)算時(shí)都進(jìn)行了不同程度的簡(jiǎn)化1。4.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1.1 選擇軸的材料軸的主要材料是經(jīng)過(guò)軋制或鍛造的優(yōu)質(zhì)中碳鋼和合金鋼。為了提高軸的強(qiáng)度（尤其是疲勞強(qiáng)度）和耐磨性，可對(duì)軸進(jìn)行熱處理或化學(xué)熱處理，以及表面強(qiáng)化處理等。故軸的材料選用45，正火處理。4.1.2 初步估計(jì)軸徑在軸的設(shè)計(jì)時(shí)，必須知道軸的基本直徑，基本直徑可按轉(zhuǎn)矩估算法來(lái)估計(jì)。根據(jù)軸上所受的轉(zhuǎn)矩估算軸徑，至于彎矩對(duì)軸強(qiáng)度的影響，用降低許用剪切力的辦法來(lái)加以考慮估算公式1為：dA×式中 d危險(xiǎn)截面的直徑(mm；T轉(zhuǎn)矩(Nm；許用剪切應(yīng)力(N/mm2；A材料系數(shù)；P軸所傳遞的功率(KW；N軸的轉(zhuǎn)速(r/min。按表18

36、21，取A=110。（因軸端受彎矩，A取平均值）dA×=110×考慮端部有軸單鍵槽，軸徑應(yīng)增大45%，取d33mm軸的結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖4.1 軸的結(jié)構(gòu)圖考慮裝配方便以及軸承的標(biāo)準(zhǔn)，故軸承的軸徑取30，長(zhǎng)度取14。又考慮軸承內(nèi)側(cè)采用軸肩固定，固定中臂的部分取34，長(zhǎng)度取13。軸的中部是花鍵軸，再考慮到裝配情況，所以軸徑稍大一些。取d=36,D=40。長(zhǎng)度取107。右側(cè)軸徑與左側(cè)對(duì)稱(chēng)。4.2 軸的校核軸的計(jì)算通常是在初步完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)后進(jìn)行校核，計(jì)算準(zhǔn)則是滿(mǎn)足強(qiáng)度或剛度，必要時(shí)還應(yīng)校核軸的振動(dòng)穩(wěn)定性。，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩鏈輪的傳動(dòng)效率： =0.97（精度等級(jí)為8級(jí)）軸承的傳動(dòng)效率：

37、則鏈輪軸上的傳動(dòng)效率為：鏈輪軸的轉(zhuǎn)速： KFK=1.15×KA3.因?yàn)殒溳喌姆侄葓A直徑為：d=P/sin180oo圓周力，徑向力及軸向力的方向如下圖所示：圖4.2 軸的載荷分析圖首先作出軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，在確定軸承支點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)從手冊(cè)中查取a值。對(duì)于6206C的深溝球軸承，查得a=44.4mm。，。從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出C是軸的危險(xiǎn)截面。現(xiàn)將計(jì)算出截面C處的，及M值列于下表表4.1 截面C出的彎扭矩計(jì)算載 荷水平面H垂直面V支反力F=4505N，=4505N=2222N，=1066N彎矩M=383805=18842=90940總彎矩扭矩T進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大

38、彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面）的強(qiáng)度。根據(jù)公式： 式中， 軸的計(jì)算應(yīng)力，單位Mpa；M 軸所受的彎矩，單位；T 軸所受的扭矩，單位；W 軸的抗彎截面系數(shù)，單位； 對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)變力時(shí)軸的許用變應(yīng)力；取折合系數(shù)=0.6（扭轉(zhuǎn)的切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)）1 前面已經(jīng)選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查得=60Mpa，因此，故安全。圖4.3 軸的結(jié)構(gòu)圖由于段右側(cè)和段左側(cè)為危險(xiǎn)截面，因此需要校核這兩個(gè)截面的疲勞強(qiáng)度。段右側(cè)：抗彎截面系數(shù)： 抗扭截面系數(shù)： 左側(cè)的彎矩M為： 截面的扭矩： =923500 截面上的彎曲應(yīng)力： 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力： 軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查得，=155Mpa.截面上由于軸肩

39、形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)，因，查得，=2.1，可得到軸的材料敏感應(yīng)力集中系數(shù)為：=0.82 故有效應(yīng)力集中系數(shù)為：查得尺寸系數(shù) =0.66，扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù) =0.82 軸按磨削加工，得表面質(zhì)量系數(shù)：軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即=1 得綜合系數(shù)值為：而碳鋼的特性系數(shù) =0.10.2，取=0.1；=0.050.1，取=0.05。于是，計(jì)算安全系數(shù)值：故軸在截面右側(cè)的強(qiáng)度是足夠的，因此軸的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。2 截面左側(cè)抗彎截面系數(shù)： 抗扭截面系數(shù)： 右側(cè)的彎矩M為： 截面的扭矩： =923500截面上的彎曲應(yīng)力： 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力： 過(guò)盈配合處的值，取 于是，軸按磨削加工，得表面質(zhì)量系數(shù)：故得綜合系數(shù)：所以軸截

40、面右側(cè)的安全系數(shù)為：故軸在截面右側(cè)的強(qiáng)度是足夠的，因此軸的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。5 軸上零件的選擇與計(jì)算5.1 鍵的選擇與鍵聯(lián)接強(qiáng)度校核鍵是一種標(biāo)準(zhǔn)零件，通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)軸與輪轂之間的周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩，有的還能實(shí)現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向滑動(dòng)的導(dǎo)向。鍵聯(lián)接的主要類(lèi)型有：平鍵聯(lián)接、半圓鍵聯(lián)接、楔鍵聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接。鍵的選擇包括類(lèi)型選擇和尺寸選擇兩個(gè)方面。鍵的類(lèi)型應(yīng)根據(jù)鍵聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用要求和工作條件來(lái)選擇；鍵的尺寸則按符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和強(qiáng)度要求來(lái)取定。鍵的主要尺寸為其截面尺寸(一般以鍵寬b×鍵高h(yuǎn)表示與長(zhǎng)度L。鍵的截面尺寸b×h按軸的直徑d由標(biāo)準(zhǔn)中選定。鍵的長(zhǎng)度L一般可按輪轂的長(zhǎng)度而定

41、，即鍵長(zhǎng)等于或略短于輪轂的長(zhǎng)度；而導(dǎo)向平鍵則按輪轂的長(zhǎng)度及其滑動(dòng)距離而定。一般輪轂的長(zhǎng)度可取為L(zhǎng)=(1.52d，這里d為軸的直徑。所選定的鍵長(zhǎng)亦應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長(zhǎng)度系列。重要的鍵聯(lián)接在選出鍵的類(lèi)型和尺寸后，還應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。5.1.1 大臂末端電機(jī)軸上鍵的選擇與校核電機(jī)軸上鍵的尺寸 L×b×h=45×10×8 l=L-b=45-10=359進(jìn)行校核：P=2T×103/kldPd軸的直徑（m·m）；l鍵的工作長(zhǎng)度；k鍵與輪轂的接觸高度（m·m），平鍵k=h/2；P許用擠壓應(yīng)力（MPa）。查表得P=120150Mpa 。計(jì)算

42、：P=2T×103/kld=4T×103/hld=4×319×103/8×35×32=142.4MPaP所以鍵的選擇合格。5.1.2 軸上矩形花鍵的選擇與校核軸上矩形花鍵的尺寸 N×d×D×B=8×36×40×89進(jìn)行校核：P=2T×103/zhldmPT傳遞轉(zhuǎn)距(N·m；各齒間載荷不均勻系數(shù)，通常=0.70.8，齒數(shù)多時(shí)取偏小值；z花鍵的齒數(shù)；h花鍵側(cè)面的工作高度，矩形花鍵，h=(D-d/2-2C,此處D為花鍵的大徑，d為內(nèi)花鍵的小徑，C為倒角尺寸；dm

43、花鍵的平均直徑，矩形花鍵，dm=D+d/2；l齒的工作長(zhǎng)度（m·m）；P許用擠壓應(yīng)力（MPa）。查表9得P=120200Mpa。計(jì)算：P=2T×103/zhldm=2×89.44×103/0.75×8×1×103×38=7.6MPaP 所以鍵的選擇合格。5.1.3 小臂電機(jī)軸上鍵的選擇與校核電機(jī)軸上鍵的尺寸 L×b×h=25×8×7 l=L-b=25-8=17計(jì)算：所以鍵的選擇合格。5.2 滾動(dòng)軸承的驗(yàn)算旋轉(zhuǎn)著的軸承，內(nèi)外圈滾道及滾動(dòng)體經(jīng)受著迅速變化的接觸應(yīng)力，當(dāng)工作循環(huán)達(dá)到

44、一定次數(shù)后，接觸表面可能發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕。這是滾動(dòng)軸承的主要失效形式。對(duì)于靜止的、極慢轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承，在很大靜載荷作用下，會(huì)因接觸點(diǎn)處產(chǎn)生的局部應(yīng)力超過(guò)材料的屈服點(diǎn)，導(dǎo)致滾動(dòng)體或內(nèi)、外圈滾道表面產(chǎn)生塑性變形。這是一種靜強(qiáng)度不足的失效。此外，由于使用維護(hù)不當(dāng)或潤(rùn)滑密封不良等，可能引起磨損、膠合、套圈斷裂、保持架破壞等其他形式的失效。由失效分析知，對(duì)于一般轉(zhuǎn)速(的軸承，應(yīng)進(jìn)行防止疲勞點(diǎn)蝕的壽命計(jì)算。5.2.1 確定軸承的承載能力已知軸頸直徑d=30mm。該軸所承受的軸向載荷FA=530N。由上面可知軸承1，2所受的徑向載荷R1=2308N,R2=613N。軸的轉(zhuǎn)速23.4r/min。工作中有中等沖擊，工作

45、溫度125。要軸承的預(yù)期壽命L10h=15000小時(shí)，初選深溝球軸承6206。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)2查得深溝球軸承6206的Cr=15.0KN，C0=10.0KN。圖5.1 軸承的受力分析其中 Ft=3510N，F(xiàn)r=1280N。水平支反力：垂直支反力：右側(cè)軸承受力與左側(cè)相同。所以合成支反力為： N5.2.2 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷由軸承的固定方式知，軸向外載荷F全部由軸承1承受，故A1=FA=530，A2查表9-52，因?yàn)锳1/C0插值確定=0.21。由于 A1/R1=530/1700=0.26>所以 由表9-72，按傳動(dòng)裝置查取。由表9-42，。因軸承不承受力矩載荷，故=1。所以 5.2.3 校核

46、軸承壽命因?yàn)楣剩核暂S承6206滿(mǎn)足要求。6 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算6.1 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)滾珠絲杠是以傳遞運(yùn)動(dòng)為主，并要求較高的運(yùn)動(dòng)精度。主要應(yīng)用于金屬切削機(jī)床進(jìn)給，分度機(jī)構(gòu)的傳導(dǎo)螺旋，摩擦壓力機(jī)，千斤頂?shù)拇├锫菪?。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)又稱(chēng)滾珠絲杠副，它是在絲杠和螺母的螺紋滾道間放置適量的鋼球，當(dāng)絲杠或螺母相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼球沿螺紋滾道滾動(dòng)，這樣，絲杠和螺母之間即為滾動(dòng)摩擦，起傳動(dòng)效率及精度大為提高。為防止鋼球沿滾道滾出，在螺母或絲杠上設(shè)有鋼球返回裝置，使鋼球通過(guò)此返回裝置自動(dòng)返回其入口處，形成循環(huán)路。6.1.1 材料的選擇滾珠絲杠通常選用Q275、45、50、Y40Mn等鋼，對(duì)于重要的傳動(dòng)，要求耐磨性

47、高，需要進(jìn)行熱處理?？蛇x用T12、65Mn、40Cr、40WMn或20CrMnTi等鋼。對(duì)于精密導(dǎo)螺旋，還需要熱處理后有較好的尺寸穩(wěn)定性，可選用9Mn2V、CrWMn、38CrMoAlA。滿(mǎn)足以上要求，故滾珠絲杠選用9Mn2V鋼。6.1.2 耐磨性計(jì)算滾珠絲杠的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動(dòng)速度、螺紋表面粗糙度以及潤(rùn)滑狀態(tài)等因素有關(guān)。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大，螺紋副間越容易形成過(guò)度磨損。因此，滾動(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算，主要是限制螺紋工作面上的壓力P，使其小于材料的許用壓力P1。假設(shè)作用于螺桿的軸向力為F(單位為N，螺紋的承壓面積（指螺紋工作表面投影到垂直與軸向力的平面上的面積）為

48、A(單位為mm，螺紋中徑為d2(單位為mm2,螺紋工作高度為h(單位為mm,螺紋螺距為P(單位為mm,螺紋工作圈數(shù)為u=H/P,則螺紋工作面上的耐磨性條件1為：P=F/A=F/d2令=H/d2，則H=d2。代入中整理后得，d2對(duì)于梯形螺紋和矩形螺紋，則，d2取d2=16mm，則H=2.5×16=40mm。公稱(chēng)直徑d=18mm根據(jù)公式算得螺紋中徑d2后，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)查得D3=d，小徑為，D4=d，大徑為，D1=14mm，螺距為4mm 。u=H/P=40/4=1010所以滿(mǎn)足要求。由于水平傳動(dòng)，所以并無(wú)自鎖要求即無(wú)需檢驗(yàn)。6.1.3 螺桿的強(qiáng)度計(jì)算受力較大的螺桿需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。螺桿工作時(shí)承

49、受軸向壓力（或拉力）F和扭矩T的作用。螺桿危險(xiǎn)截面上既有壓縮（或拉伸）應(yīng)力，又有切應(yīng)力。因此，校核螺桿強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)根據(jù)第四強(qiáng)度理論1求出危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力=1/A=T=Ftan(d2=所以滿(mǎn)足要求。6.1.4 螺桿的穩(wěn)定性計(jì)算對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的受壓螺桿，當(dāng)軸向壓力F大于某一臨界值時(shí)，螺桿就會(huì)突然發(fā)生側(cè)向彎曲而喪失其穩(wěn)定性。因此，在正常情況下，螺桿承受的軸向力F(單位為N必須小于臨界載荷Fcr(單位為N。則螺桿的穩(wěn)定性條件為：Ssc=Fcr/F1。其中：Ssc螺桿穩(wěn)定性的計(jì)算安全系數(shù)；Ss 螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，由于該滾珠絲杠為傳導(dǎo)螺旋，所以Ss=2.54；Fcr螺桿的臨界載荷，單位為N；根據(jù)螺桿的柔

50、度1。此處，為螺桿的長(zhǎng)度系數(shù)。表6.1 不同固定方式的長(zhǎng)度系數(shù)端部支撐情況長(zhǎng)度系數(shù)兩端固定一端固定，一端不完全固定一端鉸支，一端不完全固定兩端不完全固定兩端鉸支一端固定，一端自由根據(jù)設(shè)計(jì)可知，長(zhǎng)度系數(shù)為0.50。且臨界載荷Fcr可按歐拉公式計(jì)算，即Fcr=其中：E螺桿材料的拉壓彈性模量，單位為Mpa，E=2.06×105Mpa ；I螺桿危險(xiǎn)截面的慣性矩，I=，單位為mm4。 所以滿(mǎn)足要求穩(wěn)定。6.2 絲杠副的選擇計(jì)算現(xiàn)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)上對(duì)滾珠絲杠副還沒(méi)有統(tǒng)一的分類(lèi)，但各國(guó)一般是按以下原則進(jìn)行分類(lèi)的，普通滾珠絲杠副一般指公稱(chēng)直徑d0=16100mm，導(dǎo)程Ph=420mm，螺旋升角9

51、°。微型滾珠絲杠副指公稱(chēng)直徑d012mm的滾珠絲杠副。對(duì)于導(dǎo)程Ph3mm的滾珠絲杠副稱(chēng)為微型小導(dǎo)程滾珠絲杠副，螺旋升角9°的滾珠絲杠副稱(chēng)為微型大導(dǎo)程滾珠絲杠副。大導(dǎo)程滾珠絲杠副指公稱(chēng)直徑d016mm，螺旋升角17°9°或?qū)С蘢0Phd0的滾珠絲杠副，對(duì)于螺旋升角17°稱(chēng)為超大導(dǎo)程滾珠絲杠副。重型滾珠絲杠副指公稱(chēng)直徑d0125mm的滾珠絲杠副。滾珠絲杠副按用途分為兩類(lèi)：定位滾珠絲杠副（用于控制軸向位移）和傳動(dòng)滾珠絲杠副（用于傳遞動(dòng)力）。本次設(shè)計(jì)主要是為了傳遞軸向位移，應(yīng)選用定位滾珠絲杠副。滾珠絲杠的螺母結(jié)構(gòu)有整體式和組合式。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但磨損增

52、大時(shí)軸向間隙無(wú)法調(diào)整。后者通過(guò)調(diào)整可以補(bǔ)償磨損或消除軸向間隙。本次設(shè)計(jì)采用整體式螺母。具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖6.1 整體式螺母6.2.1 螺母的疲勞壽命計(jì)算滾珠絲杠副的主要失效形式是疲勞點(diǎn)蝕，其疲勞壽命的計(jì)算與滾動(dòng)軸承類(lèi)同。一般按額定動(dòng)負(fù)荷或額定靜負(fù)荷選用滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格。滾珠絲杠副已有專(zhuān)業(yè)工廠(chǎng)生產(chǎn)。必須的額定動(dòng)負(fù)荷2：F軸向載荷；載荷系數(shù)；硬度影響系數(shù)；短行程系數(shù)；計(jì)算載荷；額定動(dòng)載荷；要求的使用壽命；n螺杠的轉(zhuǎn)速。所以 根據(jù)計(jì)算求得的選擇滾珠絲杠副的規(guī)格，該規(guī)格滾珠絲杠的選擇滾珠絲杠副的型號(hào)為：CDM40003。6.2.2 螺母螺紋牙的強(qiáng)度計(jì)算螺紋牙多發(fā)生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料

53、強(qiáng)度低于螺杠，故只需校核螺母螺紋牙的強(qiáng)度。如果將一圈螺紋每圈螺紋沿螺母的螺紋大徑D(單位mm展開(kāi)，則可看作寬度為D的懸臂梁。假設(shè)螺母每圈螺紋所承受的平均壓力為F/n，并作用在以螺紋中徑D2(單位為mm為直徑的圓周上，則螺紋牙危險(xiǎn)截面a-a的剪切強(qiáng)度條件2為：式中b螺紋牙根部的厚度，單位為mm，對(duì)于梯形螺紋，b=0.65P，P為螺距；l彎曲力臂，單位為mm，看參考圖2可知，l=D-D2/2；螺母材料的許用切應(yīng)力，單位為MPa；螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，單位為Mpa；D螺母螺紋的大徑；d1螺杠的小徑。剪切強(qiáng)度條件2為：=F/10450/(3.14×18.5×2.6×8.

54、75=7.90.6(其中，b=0.65P=2.6mm；u=H/P=40/4=10。所以滿(mǎn)足要求。螺紋牙危險(xiǎn)截面a-a的彎曲強(qiáng)度條件2為：=6Fl/=6×10450×(18.514/2/=141075/3436=41.11.01.2所以滿(mǎn)足要求。6.2.3 螺母凸緣的強(qiáng)度計(jì)算在螺旋起重器螺母的設(shè)計(jì)計(jì)算中，除了進(jìn)行耐磨性計(jì)算與螺紋牙的強(qiáng)度計(jì)算外，還要進(jìn)行螺母下端與螺母凸緣的強(qiáng)度計(jì)算。工作時(shí)，在螺母凸緣與底座的接觸面上產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，凸緣根部受到彎曲及剪切作用。螺母下段懸置，承受拉力和螺紋牙上的摩擦力矩作用。(1 凸緣與底座接觸表面的擠壓強(qiáng)度2計(jì)算：=10450×4/(5

55、22-322×3.14=10450×4/(3.14×1680=41800/5275.2=7.92(1.51.7所以滿(mǎn)足條件。(2 凸緣根部的彎曲強(qiáng)度2計(jì)算：=M/W=1/4F(D4-D3/1/6=1.5F(D4-D3/a2=1.5×10450×(52-32/3.14×32×102=31.2所以滿(mǎn)足條件。6.3 絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇大臂的移動(dòng)是通過(guò)絲杠來(lái)傳動(dòng)的。Ta=JrTf =FoP×103/2=2156×4×103/2To=FamaxP(×103/2=2156×4×(×103/2；t系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)(s；nmax電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min；Fo導(dǎo)軌摩擦力(N；P絲杠螺距(mm；i降速比；傳動(dòng)鏈總效率(0.70.8。PL=T把(6.25 (6.26代入(6.24，化簡(jiǎn)得，故選用安川伺服電機(jī)SGMH-20AAA41 。6.4 機(jī)械導(dǎo)軌的選擇在設(shè)計(jì)加工導(dǎo)軌時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下的要求：1、導(dǎo)向精度導(dǎo)軌在空載運(yùn)動(dòng)和切削條件下運(yùn)動(dòng)時(shí)，都應(yīng)具有足夠的導(dǎo)向精度，保證導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確度