畢業(yè)設(shè)計（論文）-噴漆機(jī)器人設(shè)計-機(jī)身系統(tǒng)設(shè)計

1、摘要 本文對涂裝機(jī)器人-機(jī)身系統(tǒng)設(shè)計展開了研究，闡述了涂裝機(jī)器人的開展與應(yīng)用，以及其特點(diǎn)和組成，未來開展趨勢。根據(jù)任務(wù)書要求確定了涂裝機(jī)器人的總體方案，尤其是機(jī)身系統(tǒng)的各個部件的設(shè)計計算。電機(jī)的選擇，齒輪的設(shè)計計算以及強(qiáng)度校核，軸的設(shè)計計算和強(qiáng)度校核，軸承的選擇和壽命校核，以及聯(lián)軸器的選擇和校核，鍵的設(shè)計和強(qiáng)度校核。簡述了腰部內(nèi)部電纜安裝方式。最后運(yùn)用CAD等軟件設(shè)計圖紙并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。關(guān)鍵詞 涂裝機(jī)器人 總體設(shè)計 機(jī)身設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計說明書論文外文摘要Title Painting Robot - Airframe Systems Design AbstractThis article on t

2、he painting robot - launched a research body system,described the development and application of coating robot, And its characteristics and composition，F(xiàn)uture trends. According to the mission statement calls for the identification of the painting robots overall program, Airframe Systems Design and c

3、alculation of the various components in particular. Motor choice，Gear design and strength check calculation, Shaft design calculation and strength check，Check bearing and life choices, and the coupling of selection and verification, Key design and strength check. Outlined within the cable installati

4、on waist. Finally, we use software such as CAD design drawings and structural optimization.Keywords Painting robot The overall design Fuselage design目 錄TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc10998 1 引言 PAGEREF _Toc10998 1 HYPERLINK l _Toc26432 1.1 噴漆機(jī)器人的研究及應(yīng)用 PAGEREF _Toc26432 1 HYPERLINK l _Toc12452 1.2 噴漆機(jī)

5、器人開展趨勢 PAGEREF _Toc12452 2 HYPERLINK l _Toc17636 1.3 課題總結(jié) PAGEREF _Toc17636 2 HYPERLINK l _Toc13644 2 噴漆機(jī)器人總體設(shè)計 PAGEREF _Toc13644 3 HYPERLINK l _Toc8520 2.1 噴漆機(jī)器人坐標(biāo)系確實(shí)定 PAGEREF _Toc8520 3 HYPERLINK l _Toc6057 2.2 工作空間設(shè)計 PAGEREF _Toc6057 3 HYPERLINK l _Toc28601 2.3 驅(qū)動方式確實(shí)定 PAGEREF _Toc28601 4 HYPERLI

6、NK l _Toc14180 2.4 傳動方式確實(shí)定 PAGEREF _Toc14180 5 HYPERLINK l _Toc11393 3 機(jī)身設(shè)計 PAGEREF _Toc11393 7 HYPERLINK l _Toc30142 3.1 步進(jìn)電機(jī)選擇 PAGEREF _Toc30142 7 HYPERLINK l _Toc14713 3.2 齒輪設(shè)計與計算 PAGEREF _Toc14713 12 HYPERLINK l _Toc1121 3.3 軸的設(shè)計與計算 PAGEREF _Toc1121 20 HYPERLINK l _Toc17422 3.4 軸承的校核 PAGEREF _To

7、c17422 28 HYPERLINK l _Toc15303 3.5 鍵的選擇和校核 PAGEREF _Toc15303 32 HYPERLINK l _Toc10380 3.6 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計 PAGEREF _Toc10380 33 HYPERLINK l _Toc15839 結(jié)束語 PAGEREF _Toc15839 34 HYPERLINK l _Toc9391 致謝 PAGEREF _Toc9391 35 HYPERLINK l _Toc3799 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc3799 361 引言1.1 噴漆機(jī)器人的研究及應(yīng)用 1.1.1 概述當(dāng)今，為了提高產(chǎn)率，保障產(chǎn)品質(zhì)量

8、，企業(yè)的高程度自動化生產(chǎn)要求各類工業(yè)機(jī)器人在自動化生產(chǎn)線上扮演著非常重要的角色。并且，工業(yè)機(jī)器人的種類及技術(shù)水平的提高在很大程度上對促進(jìn)該國工業(yè)自動化有著巨大意義。在制造許多像汽車、家具及家用電器等耐用產(chǎn)品的過程中，油漆或者其他涂料的噴涂是一道非常重要的工序。對一個產(chǎn)品而言，涂料的均勻性對其質(zhì)量有著非常大的影響，自然地，噴涂質(zhì)量高，所以工作穩(wěn)定性好的噴漆機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生1。與人力相比，噴漆機(jī)器人工作穩(wěn)定，效率高，其工作強(qiáng)度及工作環(huán)境的適應(yīng)能力上都有著巨大優(yōu)勢。而機(jī)身的優(yōu)劣更是機(jī)器人能否穩(wěn)定并且高效地工作的決定因素2。本課題設(shè)計的噴漆機(jī)器人機(jī)身是整個機(jī)器人的根底。機(jī)身運(yùn)動的平穩(wěn)性關(guān)系到整個機(jī)器人噴

9、漆工作時的穩(wěn)定性及工作效率。1.1.2 噴漆機(jī)器人的開展應(yīng)用早在1975年,噴漆機(jī)器人已在應(yīng)用。由于能夠代替人在危險惡劣的環(huán)境下進(jìn)行噴涂作業(yè)，所以噴漆機(jī)器人日益廣泛應(yīng)用于汽車車體、儀表、家電產(chǎn)品、陶瓷和各種塑料制品的噴涂作業(yè)35。目前，機(jī)器人開展正走向多樣化、高智能的方向。機(jī)器人的技術(shù)正向具有行走能力、多種感覺能力以及對作業(yè)環(huán)境的自適應(yīng)能力方面開展。美國機(jī)器人技術(shù)的研究水平處于領(lǐng)先地位。而同時日本生產(chǎn)的機(jī)器人在數(shù)量種類方面居世界首位3。我國機(jī)器人技術(shù)起步晚，總的來看，我國制造工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)比國外差相當(dāng)大的水準(zhǔn)，例如：可靠性較低；應(yīng)用領(lǐng)域狹隘；應(yīng)用規(guī)模較小。現(xiàn)在，我國生產(chǎn)噴漆機(jī)器人前都是應(yīng)用戶

10、的請求去專門的設(shè)計，品種和規(guī)格繁冗、零部件通用化程度較低、這樣本錢太高，而且噴涂的質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此產(chǎn)業(yè)化前期迫切需要解決一些關(guān)鍵的技術(shù)，全面地進(jìn)行進(jìn)行產(chǎn)品規(guī)劃，系列化、通用化、?；O(shè)計等610。近年來，國內(nèi)汽車行業(yè)的迅速開展使得機(jī)器人噴漆技術(shù)水準(zhǔn)得到很大提高。中國已研制出的噴漆機(jī)器人中，EP-500S型電動機(jī)的噴涂機(jī)器人已成功應(yīng)用于中、小型電動機(jī)、汽車后橋、照明燈、衛(wèi)生陶瓷和電器開關(guān)的噴涂作業(yè)11。1.2 噴漆機(jī)器人開展趨勢經(jīng)過多年的開展，噴漆機(jī)器人尤其在在汽車產(chǎn)業(yè)中，以其穩(wěn)定效率的噴涂技術(shù)而廣受青睞。當(dāng)下，噴漆機(jī)器人在速度、精度、可靠性、操作和維修方面的水準(zhǔn)不斷提高?？刂葡到y(tǒng)向也在向

11、基于計算機(jī)的開式控制方向開展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；元件高度集成，控制裝置小型化，結(jié)構(gòu)采用模塊化；大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、操作性與可維修性14。隨著噴涂精度，穩(wěn)定性能的要求越來越高，除傳統(tǒng)的位置、速度、等傳感器外，視覺、 聲覺、力覺、觸覺等多種傳感器開始廣泛應(yīng)用于噴漆機(jī)器人中，并且水準(zhǔn)日漸成熟。不僅如此，操作者遠(yuǎn)端作業(yè)要求虛擬技術(shù)在機(jī)器人中的作用不再局限于仿真、預(yù)演，甚至可以用于過程控制，使人產(chǎn)生身臨其境感覺來操縱機(jī)器人15。隨著機(jī)器人智能化水準(zhǔn)的提高，噴漆機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地擴(kuò)大，從汽車制造業(yè)到其他各制造業(yè)，噴漆機(jī)器人在提高產(chǎn)品外表質(zhì)量方面發(fā)揮著重要作用1214。1.3 課題總結(jié)本文論證

12、了總體方案，采用關(guān)節(jié)型坐標(biāo)機(jī)器人方案，驅(qū)動方式為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，利用齒輪傳動實(shí)現(xiàn)機(jī)身的轉(zhuǎn)動，利用滾珠絲杠螺母副配合實(shí)現(xiàn)臂的擺動，而腕部的動作利用鏈輪與錐齒輪傳動，手把手示教方式。確定總體方案后，并進(jìn)行了機(jī)身系統(tǒng)的設(shè)計：利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，為使電機(jī)轉(zhuǎn)矩到達(dá)負(fù)載要求，利用二級齒輪減速傳動使步進(jìn)電機(jī)降低轉(zhuǎn)速提高轉(zhuǎn)矩，并利用一對圓錐齒輪嚙合改變電機(jī)的傳動方向，防止電機(jī)倒置造成上下結(jié)構(gòu)干預(yù)。機(jī)身外殼擬用鑄鐵HT250鑄造，外形及型腔尺寸由內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。2 噴漆機(jī)器人總體設(shè)計 kg，各部件的運(yùn)動范圍為：機(jī)身120；大臂前俯30，后仰10；小臂俯仰30；腕轉(zhuǎn)120；腕擺120，工作空間為 26008001600

13、 mm3，重復(fù)定位精度3mm6 mm。2.1 噴漆機(jī)器人坐標(biāo)系確實(shí)定常見的機(jī)器人坐標(biāo)形式分為以下幾種：1 直角笛卡爾坐標(biāo)型機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)都是移動關(guān)節(jié)直角坐標(biāo)形式結(jié)構(gòu)簡單，剛度高；關(guān)節(jié)之間運(yùn)動相互獨(dú)立，沒有耦合作用。2 圓柱坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)形式又兩個滑動關(guān)節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定位置，再附加一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的姿態(tài)，工作范圍呈圓柱形狀。該形式的機(jī)器人可以繞一個中心軸旋轉(zhuǎn)一個角，工作范圍可以擴(kuò)大，切計算簡單；柱坐標(biāo)移動座可沿柱坐標(biāo)移動導(dǎo)軌上下移動;柱坐標(biāo)移動導(dǎo)軌配合其他機(jī)構(gòu)可以抬高機(jī)器作業(yè)高度。3 球坐標(biāo)型球坐標(biāo)形式即用一個滑動關(guān)節(jié)和兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的位置，再用一個附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)確定

14、部件的姿態(tài)。這種形式的機(jī)器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)，中心支架附近的工作范圍大。4 關(guān)節(jié)型該坐標(biāo)形式三個自由度均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動，構(gòu)成機(jī)器人的回轉(zhuǎn)運(yùn)動、俯仰運(yùn)動和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動。應(yīng)用多關(guān)節(jié)形式：旋轉(zhuǎn)：完成機(jī)身周向運(yùn)動；俯仰：大臂及小臂調(diào)節(jié)噴槍與待噴涂面的夾角，最后利用腕部的平動調(diào)節(jié)最適宜的噴涂角度。使得該形式機(jī)器人動作靈活，符合總體方案要求?；谝陨?，該噴漆機(jī)器人設(shè)計應(yīng)用多關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式。2.2 工作空間設(shè)計圖2.1是機(jī)器人工作空間的示意圖。圖2.1 噴漆機(jī)器人工作空間示意圖圖中， , 分別為大臂、小臂的長度； ,分別為大臂的仰俯角度； ,分別為小臂的仰俯角度。由噴漆機(jī)器人工作空間的示意圖，得到工作空間的范圍：長寬

15、高=28008001600。由此計算： 圓整后得到的大、小臂長度為： 2.3 驅(qū)動方式確實(shí)定常見的驅(qū)動方式按動力元件不同可分為電動驅(qū)動、液動驅(qū)動和氣動驅(qū)動三種。其對應(yīng)的驅(qū)動元件為電動機(jī)、液壓馬達(dá)及液壓缸、氣缸及氣馬達(dá)。1 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動：該驅(qū)動適合中等負(fù)載，尤其適合動作復(fù)雜，運(yùn)動軌跡精度要求高的工業(yè)機(jī)器人。2 液壓驅(qū)動：液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，位置精度高且該傳動較易實(shí)現(xiàn)自動控制。但是，工作性能會受高溫受到影響；存在液壓油泄漏，防爆等問題。3 氣壓驅(qū)動：壓縮空氣粘度小，可以滿足高速要求；并且作為介質(zhì)的空氣對不存在污染；另外，低工作壓力降低制造要求。但是該種工作特性難以在不增大結(jié)構(gòu)

16、條件下提供大工作壓力；速度難以控制使得穩(wěn)定性能差；且排氣時會帶來噪音。由精度和輸出功率等綜合考慮，選用電機(jī)驅(qū)動。而在設(shè)計噴漆機(jī)器人選用電動機(jī)的時對其性能一般考量以下幾個方面：機(jī)器人的靈巧、質(zhì)輕要求所選電動機(jī)小而輕；機(jī)器人的可維護(hù)性要求所選電機(jī)在實(shí)際工作中不必維護(hù)直至報廢；除此之外，電機(jī)良好的穩(wěn)定性、響應(yīng)快速、控制方便及可適應(yīng)各種可能工作環(huán)境尤為重要。由于伺服電動機(jī)的電刷易磨損造成火花放電，驅(qū)動功率較大且價額昂貴；相反，步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行步距角與且只與脈沖頻率成正比；并且它結(jié)構(gòu)簡單、精度高、調(diào)速范圍大、工作響應(yīng)靈敏。基于以上，噴漆機(jī)器人驅(qū)動方式選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。2.4 傳動方式確實(shí)定機(jī)器人常用的傳

17、動方式如下所示：直線傳動：齒輪齒條裝置：通常齒條固定不動，當(dāng)齒輪傳動時，齒輪軸連同托板沿齒條方向做直線運(yùn)動，從而將齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成托板的直線運(yùn)動，托板由導(dǎo)軌支承。但是回差較大普通絲杠：該驅(qū)動由一個旋轉(zhuǎn)的精密絲杠驅(qū)動一個螺母沿絲杠軸向移動。但是普通絲杠摩擦力較大，效率低，慣性大，在低速時容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，而且精度低，回差大，機(jī)器人很少應(yīng)用。滾珠絲杠：滾珠絲杠摩擦小，運(yùn)動響應(yīng)速度快，傳動效率高消除低速時產(chǎn)生的爬行現(xiàn)象，假設(shè)在裝配時施加一定預(yù)緊力還可以消除回差。旋轉(zhuǎn)傳動：齒輪鏈結(jié)構(gòu)：齒輪鏈傳動不但可以傳遞運(yùn)動角位移和角速度，而且可以傳遞力和力矩。但是齒隙誤差會帶來系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。皮帶結(jié)構(gòu)：皮帶柔

18、性好，價格廉價。同步齒帶結(jié)構(gòu)：同步齒帶傳動精度高適合動作精度要求高的傳動。根據(jù)對以上各種傳動方式的特點(diǎn)和應(yīng)用場合等分析，針對噴漆機(jī)器人，機(jī)身的轉(zhuǎn)動采用兩級齒輪傳動；大臂和小臂的擺動采取步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)；腕部的轉(zhuǎn)動通過一級鏈傳動和一級錐齒輪傳動來實(shí)現(xiàn)；腕部的擺動直接通過兩級鏈傳動來實(shí)現(xiàn)。為減輕自重，將小臂電機(jī)裝在機(jī)身轉(zhuǎn)盤上，同時將腕部的電機(jī)安裝在大臂的底部以降低重心。大臂電機(jī)安裝在電機(jī)支撐架上，機(jī)身自身驅(qū)動電機(jī)安裝在箱體上，減輕支撐架的負(fù)載，提高運(yùn)行精度?？傮w結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。1小臂體 2手腕 3大臂體 4步進(jìn)電機(jī)大臂用5步進(jìn)電機(jī)小臂用 6步進(jìn)電機(jī)機(jī)身用 7機(jī)身8步進(jìn)電機(jī)手腕俯仰用

19、9步進(jìn)電機(jī)手腕搖擺用 噴漆機(jī)器人的總體裝配示意圖。機(jī)身設(shè)計機(jī)身系統(tǒng)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。1 支撐架的設(shè)計支撐架主要承載大小臂上所有零件的重量，左端設(shè)計大臂平衡彈簧的固定連接孔，右端設(shè)計大臂驅(qū)動電機(jī)支撐架?？紤]機(jī)身回轉(zhuǎn)時的偏心力，合理設(shè)計支撐架與回轉(zhuǎn)軸的連接，采用柱銷式連接，兩邊用螺釘緊固。同時設(shè)計一個支撐圓盤加以固定，使其轉(zhuǎn)動更加平衡。為了減輕自重，選用ZL401材料。2 機(jī)座的設(shè)計機(jī)座在中間軸對應(yīng)的位置處加工一個軸承固定座，其他無特殊要求。機(jī)身系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)計主要是對傳動系統(tǒng)的各部件進(jìn)行設(shè)計計算與校核，其設(shè)計計算主要參照?機(jī)械設(shè)計?14。3.1 步進(jìn)電機(jī)選擇3.1.1 計算輸出軸的轉(zhuǎn)矩 3.1 3.

20、2 3.3 3.4 3.5 3.6慣性力矩 摩擦力矩 輸出軸轉(zhuǎn)動角速度 大臂轉(zhuǎn)動慣量小臂轉(zhuǎn)動慣量機(jī)身自身轉(zhuǎn)動慣量啟動時間 1.6 rad/s 當(dāng)大小臂的位置關(guān)系如圖3.1所示位置時，大小臂處于動作可以到達(dá)的極限位置，此時需要的數(shù)值最大。圖3.1 大小臂處于極限位置由同組成員計算出的大臂質(zhì)量及相關(guān)大臂相對中心線oa的垂直距離得出： =400mm，=30kg，代入式3.5得：m由同組組員算出的小臂質(zhì)量及相關(guān)小臂相對oa線的垂直距離得出：=1000mm，m=20kg，代入式3.5得：mm計算相關(guān)機(jī)身設(shè)計數(shù)值得出：kg代入式3.6得：m代入3.2得到m 帶入3.1得到m= m選擇二級圓柱齒輪減速器i=

21、9 3.7=0.99 聯(lián)軸器傳動效率=0.96 齒輪傳動效率=0.98 軸承傳動效率代入式3.7得到：3.1.2 確定各軸傳動比總傳動比=9 ，根據(jù)推薦的傳動副傳動比合理范圍，?。焊咚偌墏鲃颖?3 ，低速級傳動比=3 3.1.3 傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)由圖3.2，各軸由高速至低速依次設(shè)計為軸輸入軸、軸中間軸、軸輸出軸。圖3.2 傳動示意簡圖各軸轉(zhuǎn)速 3.8 3.9 代入式3.8、式3.9得：45.9r/min，轉(zhuǎn)矩計算 3.10m代入式3.7得：m同理得到：mmm北京和利時電機(jī)電器的一些步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參如表3.1。表3.1 步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品系列及技術(shù)參數(shù)型號相數(shù)步距角(DEG.)電壓(V)電流(A

22、)靜轉(zhuǎn)矩(N.m)空載運(yùn)行頻率(KHZ)2)備注86BYG250AN20.9/1.81101586BYG250BN20.9/1.811041586BYG250CN20.9/1.8110515北京和利時電機(jī)電器86BYG250CN型步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線。圖3.3 運(yùn)行矩頻特性由計算得到所需：m，該電機(jī)可以滿足要求。 北京和利時電機(jī)電器86BYG250CN型步進(jìn)電機(jī)的外型簡圖如圖3.4。圖3.4 步進(jìn)電機(jī)外形簡圖根據(jù)前面計算，選擇北京和利時電機(jī)電器廠的86BYG250CN型步進(jìn)電機(jī)。由電機(jī)輸出軸尺寸選擇TL2型彈性套柱銷聯(lián)軸器，主從動端均選用型軸孔16。 齒輪設(shè)計與計算3.2.1 高速級齒輪

23、設(shè)計與計算1 選定齒輪類型、精度等級、材料與齒數(shù)按條件，選用直齒圓柱齒輪傳動。由資料14下同表10-1小齒輪材料選用45Cr(調(diào)質(zhì))，外表硬度為280HBS,大齒輪材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，外表硬度為240HBS。選擇7級精度，2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算根據(jù)設(shè)計計算公式10-9a試算小齒輪分度圓直徑，即： 3.11載荷系數(shù)輸入軸承受扭矩齒寬系數(shù)重合度系數(shù)彈性影響系數(shù)接觸疲勞許用應(yīng)力確定上式中各參數(shù)：試選載荷系數(shù)=1.3，小齒輪傳遞的扭矩為 m查表10-7，選齒寬系數(shù)=1；查表10-6，得彈性影響系數(shù)，查圖10-21d，查得小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa；大齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa。計算應(yīng)力循環(huán):

24、 3.12輸入軸轉(zhuǎn)速工作時間=10000h雙向轉(zhuǎn)動，取=2代入式3.12得： 108次108次 查圖10-19，得接觸疲勞壽命系數(shù)1.15，1.26；計算接觸疲勞許用應(yīng)力：取平安系數(shù)S=1，那么=690MPa， =693MPa計算設(shè)計公式中代入中較小值，得計算小齒輪分度圓圓周速度0.17m/s計算齒寬b計算齒寬與齒高之比： b/h 3.13模數(shù)齒高代入式3.13得：計算載荷系數(shù) 3.14查圖10-8，由v=0.17m/s，7級精度，得：查表10-4，得：查表10-2，得：查表10-3，得：查圖10-13，得：以上代入式3.14得： 1.95 按實(shí)際載荷系數(shù)修正 24.87mm 3.15計算模數(shù)

25、m：按彎曲強(qiáng)度設(shè)計由公式10-5 3.16彎曲疲勞壽命系數(shù)彎曲疲勞需用應(yīng)力齒形系數(shù)應(yīng)力校正系數(shù)由圖10-20c查得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa；大齒輪彎曲強(qiáng)度極限=380MPa；由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.93，計算載荷系數(shù)=計算彎曲疲勞需用應(yīng)力，取彎曲疲勞平安系數(shù)S=1.4，得：查取齒形系數(shù)，由表10-5得：=2.65；查取應(yīng)力校正系數(shù)，由表10-5查得：=1.58；大齒輪對應(yīng)數(shù)值大，將以上數(shù)值代入得：比照計算結(jié)果，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，所以取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的m=0.86，并取圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m

26、=1，前面計算得=24.87mm,得小齒輪的齒數(shù)：25=75幾何尺寸計算：分度圓直徑 3.17)將模數(shù)、齒數(shù)代入式3.17得：25mm；75mm中心距 3.18將，代入式3.18得： 50mm齒輪寬度 3.19由式3.19得：=25mm；=30mm3.2.2 低速級齒輪設(shè)計與計算1 選定齒輪類型、精度等級、材料與齒數(shù)a 按條件，選用直齒圓柱齒輪傳動。 b由表10-1小齒輪的材料為40Cr調(diào)質(zhì)，硬度為280HBS，大齒輪的材料為45鋼調(diào)質(zhì)，硬度為240HBS。c選擇7級精度，2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算試選載荷系數(shù)：小齒輪傳遞的扭矩為：m查表10-7，選齒寬系數(shù)=1查表10-6，得彈性影響系數(shù)；查圖

27、10-21d，查得小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa；大齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa。計算應(yīng)力循環(huán)系數(shù)108次107次 查圖10-19，得接觸疲勞壽命系數(shù)1.26，1.31；計算接觸疲勞許用應(yīng)力：取平安系數(shù)S=1，那么：=756MPa， 計算設(shè)計公式中代入中較小值，得：計算小齒輪分度圓圓周速度計算齒寬b=計算齒寬與齒高之比b/h模數(shù)1.24mm齒高=2.8mm計算載荷系數(shù)查圖10-8，由v=0.07m/s，7級精度，得：查表10-4，得：查表10-2，得：查表10-3，得：查圖10-13，得：所以載荷系數(shù)1.95按實(shí)際載荷系數(shù)修正34.17mm計算模數(shù)m按彎曲強(qiáng)度設(shè)計由式10-5得：由圖10-20

28、c查得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa；大齒輪彎曲強(qiáng)度極限=380MPa；由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.93，計算彎曲疲勞需用應(yīng)力取彎曲疲勞平安系數(shù)S=1.4，得：計算載荷系數(shù)=查取齒形系數(shù)。由表10-5得：=2.65；查取應(yīng)力校正系數(shù)由表10-5查得：=1.58；大齒輪對應(yīng)數(shù)值大將以上數(shù)值代入得：比照計算結(jié)果，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，所以取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的m=1.21，并取圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=1.5，前面計算得=29.85mm,得小齒輪的齒數(shù)25=75幾何尺寸計算分度圓直徑37.5mm；中心距=75mm

29、齒輪寬度=37.5mm；3.3 軸的設(shè)計與計算3.3.1 輸入軸的設(shè)計與計算1 求輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩m2 初估軸直徑 3.20選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表11-3，取，并將數(shù)據(jù)代入式3.20得： =17mm 3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計輸入軸的最小直徑與先前計算齒輪直徑相差很少，所以做成齒輪軸。軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3.5。圖3.5 輸入軸結(jié)構(gòu)尺寸簡圖4 求軸上支反力與彎矩水平方向： ； 3.21垂直方向： ； 3.22 對錐齒輪： , 3.23 對直齒輪： ， 3.24 將輸入軸參數(shù)代入式3.24得：538.2N,501.6N,代入得：408.6N, 514.8N ,作出輸入軸水平方向及垂直方

30、向的彎矩圖3.6： 圖3.6 輸入軸的受力分析圖 從輸入軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到截面 = 2 * ROMAN II是輸入軸的危險截面，計算結(jié)果如表3.4。表3.4 截面處的彎矩載荷水平面H垂直面V支反力彎矩Nm Nm 總彎矩Nm 扭矩Nm 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 3.25式中：軸的計算應(yīng)力 軸受得彎矩 軸所受的扭矩 軸的抗彎截面系數(shù) 3.26校核軸上承受最大計算彎矩的截面處的強(qiáng)度，取1，將各數(shù)值代入式3.25、3.26得：軸的材料為45鋼，查表11-1，。因此，故平安。3.3.2 中間軸的設(shè)計與計算1 求輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩m2 初估軸直徑選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表11

31、-3，取，得：25mm3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計中間軸的直徑與小齒輪分度圓直徑相差很少，所以做成錐齒輪軸。軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3.7。圖3.7 中間軸結(jié)構(gòu)尺寸簡圖4 求軸上支反力與彎矩水平方向： ； 3.27垂直方向： ； 3.28 對直齒輪：，將輸入軸參數(shù)代入得：472N,944N,代入得：35.8N,13N,作出中間軸水平方向及垂直方向的彎矩圖： 圖3.8 中間軸的受力分析圖 從軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到截面 = 2 * ROMAN II是軸的危險截面，計算結(jié)果如表3.5。表3.5 截面處的彎矩載荷水平面H垂直面V支反力13N彎矩NmNm總彎矩Nm扭矩Nm5 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度校核軸上承受最大

32、計算彎矩的截面處的強(qiáng)度軸的材料為45鋼，查表11-1，60MPa。因此，故平安。3.3.3 輸出軸的設(shè)計與計算 1 求輸出軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩m2 初估軸直徑選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表11-3，取，得：33mm3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3.9，輸出軸的直徑與齒輪直徑相差很少，所以做成錐齒輪軸。圖3.9 輸出軸結(jié)構(gòu)尺寸簡圖4 求軸上支反力與彎矩水平方向： ； 3.29垂直方向： ； 3.30 對直齒輪：，將輸入軸參數(shù)代入得：886.2N,代入得：1364.4N, 496.6N,174N作出輸出軸水平方向及垂直方向的彎矩圖3.10：圖3.10 輸出軸的受力分析圖 從軸的結(jié)構(gòu)圖和受

33、力情況分析得到軸的危險截面，計算結(jié)果如表3.7。表3.7 截面處的彎矩載荷水平面H垂直面V支反力174N彎矩NmNm總彎矩Nm扭矩Nm5 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度校核軸上承受最大計算彎矩的截面處的強(qiáng)度35MPa軸的材料為45鋼，查表11-1，60MPa。因此，故平安。3.4 軸承的校核3.4.1 輸入軸上軸承壽命計算查閱資料14表13-3得到軸承的預(yù)期壽命為由圖3.5可知軸上安裝軸承處直徑為17mm，考慮其承受齒輪軸和聯(lián)軸器的重量，所以選擇圓錐滾子軸承30203，e=0.35，=1.7， 1， Cr=20.8kN、Cor=21.8kN。求出各力即可算出強(qiáng)度。軸上所受的支反力： 1031.5N

34、 3.31 193.3N， 303.2N 3.32式中：徑向支反力軸向支反力193.3N，193.3N，303.2N ，查表13-5得：0.4， ，查表13-5得：1，0查表13-6載荷系數(shù)=1.2，將以上代入式3.33、3.34，軸承擔(dān)量動載荷為 750.5N 3.33 1237.8N 3.34由公式13-15 3.35式中：軸承所在軸的轉(zhuǎn)速溫度系數(shù)額定動載荷軸承所在軸的傳動功率計算軸承壽命。 =25000N10/3查表13-7，溫度系數(shù)=1代入式3.35得：h，滿足使用要求。3.4.2 中間軸上軸承壽命計算1 由圖3.7可知軸上安裝軸承處直徑為25mm，考慮其承受齒輪軸和聯(lián)軸器的重量，所以

35、選擇圓錐滾子軸承3007105，e=0.37，=1.6， 0.9， Cr=32kN，Cor=37kN。求出各力即可算出強(qiáng)度。軸上所受的支反力：38.1N，11.9N，145.1N， 考慮其軸上零件重量得到，50 N；61.9N，145.1N；61.9N，=145.1N ，查表13-5得0.4，1.6 ，查表13-5得1，0查表13-6載荷系數(shù)=1.2，軸承擔(dān)量動載荷為 137.1N557N計算軸承壽命。 C=28000N 10/3 查表13-7，溫度系數(shù)=1代入得h，滿足使用要求。3.4.3 輸出軸上軸承壽命計算軸承受力如圖3.11所示，軸安裝出直徑為35mm，由于軸向要承受大小臂的重力，所以

36、選擇圓錐滾子軸承2007907E，Cr=54.2kN，Cor=kN，e=0.37，1.6，0.9，求出各力大小，即可算出強(qiáng)度。 圖3.11 軸軸承受力結(jié)構(gòu)簡圖圖中R有兩局部組成，第一局部為軸上所受的支反力：1452N， 508.8N第二局部為大臂和小臂工作時產(chǎn)生的偏心力，如圖3.12所示。圖3.12 工作時大、小臂質(zhì)量產(chǎn)生偏心力簡圖 大小臂重力分別為：300N,200N經(jīng)計算得：2400N3852N，1203.8N，909N，1753.9N，909N1753.9N，=909N ，查表13-5得0.4，1.6 ，查表13-5得1，0查表13-6載荷系數(shù)=1.2，軸承擔(dān)量動載荷為5108.2N29

37、49.6N由公式13-10a，因為，所以帶入進(jìn)行校核計算軸承壽命。 =73200N10/3查表13-7，溫度系數(shù)=1代入得h，滿足使用要求。3.5 鍵的選擇和校核3.5.1 鍵的選擇根據(jù)齒輪和軸的參數(shù)，參考?機(jī)械設(shè)計?選擇設(shè)計鍵。電機(jī)輸出軸鍵：；中間軸的鍵：；輸出軸的鍵：。3.5.2 鍵的校核鍵的材料為45鋼，由資料表6-2查得許用擠壓應(yīng)力MPa 根據(jù)公式 3.25得到：鍵：工作長度mm，接觸高度3.3mm，m25.5MPa，平安。鍵：工作長度mm，接觸高度3.8mm，m23.9MPa，平安。3.6 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計3.6.1 機(jī)身箱體材料的選擇由于機(jī)身箱體不參與機(jī)器人動作，制造工藝要求不高，可

38、選用灰口鑄鐵HT250制造。灰口鑄鐵凝固時收縮量小，抗震性好。以此制造箱體可以增強(qiáng)機(jī)身自身的穩(wěn)定性，且較為經(jīng)濟(jì)。3.6.2 機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝由于整個箱體的結(jié)構(gòu)尺寸由內(nèi)部各零件配合情況決定，其形狀較為復(fù)雜，故采用鑄造的方法制造箱體，為了內(nèi)部各零件的配合及方便安裝，在頂部與右側(cè)開蓋。由于是臥式放置電機(jī)，考慮電機(jī)的質(zhì)量，在左側(cè)用托板托住電機(jī)。將電機(jī)的伸出軸用聯(lián)軸器與錐齒輪軸連接，通過與輸入軸的錐齒輪端嚙合滿足改變傳動方向的要求。輸入，中間，輸出三根軸垂直放置并實(shí)現(xiàn)二級減速傳動。由于齒輪懸置，需用圓螺母及止動墊圈定位與放松。底座出于穩(wěn)定的考慮設(shè)計為圓形，可用沉頭螺釘與行走機(jī)構(gòu)連接。結(jié)束語經(jīng)過一

39、段時間，在郭鋼老師的指導(dǎo)及本人和同組同學(xué)的共同努力下，終于完成了畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)。該任務(wù)是關(guān)于噴漆機(jī)器人機(jī)身系統(tǒng)的設(shè)計，由于個人能力與所學(xué)知識的有限，存在許多缺乏的地方，懇請老師給予批評和指正。在噴漆機(jī)器人機(jī)身系統(tǒng)的設(shè)計過程中，完成了以下一系列任務(wù)：通過閱讀有關(guān)噴漆機(jī)器人的資料文獻(xiàn)，對噴漆機(jī)器人的開展史、前景有了一定的認(rèn)識。憑借這些資料，完成了外文資料的翻譯和開題報告任務(wù)。在參考了網(wǎng)上噴漆機(jī)器人的實(shí)體模型及其他噴漆機(jī)器人的設(shè)計方案之后，再與同組同學(xué)的討論，并在老師的指導(dǎo)下確定噴漆機(jī)器人的總體方案，采用關(guān)節(jié)型坐標(biāo)機(jī)器人方案，驅(qū)動方式為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，利用齒輪傳動實(shí)現(xiàn)機(jī)身的轉(zhuǎn)動，利用滾珠絲杠螺母副配合實(shí)現(xiàn)臂的擺動，而腕部的動作利用鏈輪與錐齒輪傳動，手把手示教方式。確定總體方案后，進(jìn)行機(jī)身具體設(shè)計：利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，為使電機(jī)轉(zhuǎn)矩到達(dá)負(fù)載要求，利用二級齒輪減速傳動使步進(jìn)電機(jī)降低轉(zhuǎn)速提高轉(zhuǎn)矩，并利用一對圓錐齒輪嚙合改變電機(jī)的傳動方向，防止電機(jī)倒置造成上下結(jié)構(gòu)干預(yù)。機(jī)身外殼