【導(dǎo)讀】它屬于極限作業(yè)機(jī)器人的一種，可以將人從危險的工作中解脫出來，是當(dāng)。前機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。首先介紹了國內(nèi)外爬壁機(jī)器人研究現(xiàn)狀，闡明本課題研究的目的、意義。人的控制系統(tǒng)必須具有操作簡單、安全、可靠、高效、方便等特點(diǎn)。

　　

【正文】 d m m? ? ? 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 ? ?2121 .5 3F F a FKT YYd d m ?????? (1) 計算蝸桿導(dǎo)程角 ? 111 . 6 2a r c ta n a r c ta n 9 0 39。 5 4 20mzd? ?? ? ? (2) 計算蝸輪當(dāng)量齒數(shù) 2vz 22 33 51 5 2 .5 8c o s c o s 9 0 39。 5 4 v zz ?? ? ? (3) 確定齒形系數(shù) FY 根據(jù) 2vz ? , 2 ?? ,查 機(jī)械設(shè)計教材，從文獻(xiàn) [14]中查 得 ? ? . (4) 確定螺旋角系數(shù) Y? 9 . 11 1 0 . 9 3 51 4 0 1 2 0Y? ?? ? ? ? ? (5) 校核彎曲強(qiáng)度 ? ?2121 . 5 3 1 8 7 9 6 . 7 4 2 . 5 5 2 9 . 3 7 M P a 39。 5 6 M P a1632F F a FKT YYd d m ????? ? ? ? ? ? 畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 彎曲強(qiáng)度滿足要求。 驗(yàn)算效率 ( ) t a n / t a n( )rr??? ? ? 已知 r= 9039。54o =；ψ =arctanfv， fv 與相對滑動運(yùn)動 Vs 有關(guān) Vs=從機(jī)械設(shè)計書上查得： fv=， ψ = 解得 η ==86% 大于原估計值，不用重復(fù)計算。 精度等級公差和表面粗糙 度的確定 考慮到所設(shè)計的蝸桿傳動式動力傳動，屬于通用機(jī)械減速器，從GB/T100891988 圓柱蝸桿、渦輪精度中選擇 8 等級精度，側(cè)隙種類為 f，標(biāo)注為 8f GB/100891988。然后由有關(guān)手冊查得要求的公差項目及表面粗糙度，此處從略。 軸的設(shè)計計算 軸的概述 １ 、軸的用途 軸是組成機(jī)器的主要零件之一。一切作回轉(zhuǎn)運(yùn)動的傳動零件，都必須安裝在軸上才能進(jìn)行運(yùn)動及動力的傳遞。因此軸的主要功用是支承回轉(zhuǎn)零件及傳遞運(yùn)動和動力。 ２ 、軸設(shè)計的主要內(nèi)容 軸的設(shè)計包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力計算兩方面的 內(nèi)容。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 軸的工作能力計算指的是軸的強(qiáng)度、剛度和振動穩(wěn)定性等到方面的計算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強(qiáng)度。這時只需對軸進(jìn)行強(qiáng)度計算，以防止斷裂或塑性變形。而對剛度要求高的軸和受力大的細(xì)長軸，還應(yīng)進(jìn)行剛度計算，以防止工作時產(chǎn)生過大的彈性變形。對高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)進(jìn)行振動穩(wěn)定性計算，以防止發(fā)生共振而破 壞。 軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。由于碳鋼比合金鋼價廉，對應(yīng)力集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學(xué)熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，故采用碳鋼制造軸尤為廣泛，其中最長用的是 45 鋼。 軸的設(shè)計及其校核 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。 １ 、擬定軸上零件的裝配方案 擬定軸上零件的裝配方案是進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提，它決定著軸的基本形式。所謂裝配方案，就是預(yù)定出軸上方根零件的裝配方向，順序和相互關(guān)系。 ２ 、軸上零件的定位 為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或周向的相對運(yùn)動，軸上 零件除了有游動或空轉(zhuǎn)的要求者外，都必須進(jìn)行軸向和周向定位，以保證其準(zhǔn)確的工作位置。 (1) 零件的軸向定位 軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、軸端擋圈和圓螺母等來保證的。軸肩分為定位軸肩和非定位軸肩兩類。利用軸肩定位是最方便可靠的方法，但采用軸肩就必然會使軸的直徑加大，而且軸肩處將因截面突變而引起應(yīng)力集中。因此，軸肩位多用于軸向力較大的場合。定位軸肩的高度 h 一般取為 h=（ ～ ）d, d 為與零件相配處的軸的直徑，單位為 mm。流動軸承的定位軸肩高度必須低于軸承內(nèi)圈端面的高度，以便拆卸軸承。非定位 軸肩是為了加工和裝配方便而設(shè)置的，其高度一般取為 1～ 2mm。 (2) 零件的徑向定位 徑向定位的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。常用的徑向定位零件鍵、花鍵、銷、緊定螺釘以及過盈配合等。 軸的強(qiáng)度計算 軸的計算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求，必要時還應(yīng)校核軸的振動穩(wěn)定性。 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計算： 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 : 畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 ? ?395500000. 2TTTPTnW d??? ? ? （ 35） 式中 r? ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力單位為 MPa； T——軸所受的扭矩，單位為 Nm ； TW ——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為 mm3； n——軸的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min； P——軸傳遞的功率，單位為 kW； d——計算截面處軸的直徑，單位為 mm； ? ?T? ——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為 MPa。 由上式可得軸的直徑 d≥ ? ? ? ? 33339 5 5 0 0 0 9 5 5 0 0 0 00 . 2 0 . 2TTP P PAn n n??? ? ?? （ 36） 式中 A= ? ?3 T? , 對于空心軸，則 3 41PdA n ?? ????? （ 37） 式中 1dd?? , 即空心軸的內(nèi)徑 d1與外徑 d 之比，通常取 ? =～ 。 應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)軸截面上開有鍵槽時，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強(qiáng)度的削弱。對于直徑 d＞ 100mm 的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大 3﹪；有兩個鍵槽時，應(yīng)增大 7﹪ .對于直徑 d≤ 100mm 的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大 5%～ 7﹪；有兩個鍵槽時，應(yīng)增大 10%～ 15﹪ .然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。 按彎扭合成強(qiáng)度條件計算 作出軸的計算簡圖（即力學(xué)模型） 在作計算簡圖時，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應(yīng)把空間力分解為圓周力，徑向力和軸向力，然后把它們?nèi)哭D(zhuǎn)化到軸上），并將其分解為水平分力和垂直分力。然后求出各支承處的水平反力和垂直反力。 作出彎矩圖 根據(jù)上述簡圖，分別按水平面和垂直平面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果分別作出平面上彎矩 和垂直面上的彎矩 ； 然后按下式計算總彎矩并作出 M圖； 畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 22HVM M M?? （ 38） 作出扭矩圖 校核軸的強(qiáng)度 已知軸的彎矩和扭矩后，可針對某些危險截面作彎扭合成強(qiáng)度校核計算。按第三強(qiáng)度理論，計算應(yīng)力 22 4??? ??ca （ 39） 對于直徑為 d 圓軸，彎 曲應(yīng)力WM??，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力WTWTr 2???，將 其 代入上式中，則軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為： ? ? ? ?2 22214 2caMTMTW W W??????? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? （ 310） 式中 ca? ——軸的計算應(yīng)力，單位為 MPa； M——軸所承受的彎矩，單位為 Nmm； T——軸所受的扭矩，單位為 Nmm； W——軸的抗彎截面系數(shù)，單位為 mm3； ? ?1?? ——對稱循環(huán)變 應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力。 軸的設(shè)計 軸的設(shè)計 已知：傳遞扭矩為 7122T? Nm ，輸出轉(zhuǎn)速為 =56n r/min 水平面支反力 圓周力 11 2 279249t TF d??N 28488022 1112 ??? dTd TF mt N 徑向力 1 1 1ta n ta n 2 0 1 0 1 5 4 5r t tF F F?? ? ? ?N 畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 6002 ?rF N 初步確定軸的最小 直徑 根據(jù)使用條件，選取軸的材料為 40Cr 鋼，調(diào)質(zhì)處理， 50?T? MPa npT ?? ? ? 336nPAnpd ????, 所以 ?d mm 當(dāng)軸截面上開有鍵槽時，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強(qiáng)度的消弱。對于直徑小于 100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大 5%~7%；有兩個鍵槽時，應(yīng)增大10%~15%。然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。應(yīng)當(dāng)注意，這 樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑。 所以 35?d mm 結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)軸的定向要求確定軸的各段直徑和長度 如圖 38： 畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 圖 38 軸尺寸 按彎曲合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 + 按彎扭合成強(qiáng)度條件計算 當(dāng)軸的支承位置和軸所受載荷的大小、方向及作用點(diǎn)等均已確定，支點(diǎn)反力及彎矩可以求得時，可按彎扭合成強(qiáng)度條件對軸進(jìn)行強(qiáng)度計算，具體步驟如下： 1) 作軸的計算簡圖 通常將軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的雙支點(diǎn)梁，其支點(diǎn)位置可根據(jù)軸承類型及組合方式，按圖 39 確定 ；由傳動件傳遞到軸上的載荷，通常簡化為作用于零件輪緣寬度中央的集中應(yīng)力，軸上轉(zhuǎn)矩則假定從傳動件輪轂寬度的中點(diǎn)算起；若各載荷構(gòu)成空間力系，則將其分解到兩個互相垂直的平面內(nèi)。把主軸簡化為圖 39a中受集中力作用的鉸支梁。 已知條件知 1 279249tF ? N， 2 284880tF ? N 由 5641292121 ???? ttHH FFRR N 畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 3 3 32 1 21 5 0 1 0 3 5 1 0 1 1 0 1 0 0H t tR F F? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? 代入數(shù)據(jù) 得： 1 ? N， 2 ? N 由 1 2 1 2 102145V V r rR R F F? ? ? ?N 3 3 32 1 21 5 0 1 0 3 5 1 0 1 1 0 1 0 0V r rR F F? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? 代入數(shù)據(jù)得： 1 ? N， 2 ? N 由以上數(shù)據(jù)畫出主軸在水平面和豎直面的受力簡 圖，如圖 39b、 39d 所示。 2) 作軸的彎矩圖 根據(jù)上述簡圖，分別計算軸上的水平面內(nèi)彎矩 HM 、豎直面內(nèi)彎矩 VM 。 311 35 10 10 15 61 5HHMR ?? ? ? ?Nm 332 1 17 5 1 0 7 1 1 0 1 0 9 6 2 .8 0 4H t HM F R??? ? ? ? ? ? ? ?Nm 311 35 10 28 24 .8 92VVMR ?? ? ? ?Nm 332 1 17 5 1 0 1 1 0 1 0 1 2 6 2 .3 5 7V r VM F R??? ? ? ? ? ? ? ?Nm 由式（ 38）得： 2 2 2 21 1 1 M M? ? ? ? ?Nm 2 2 2 22 2 2 M M? ? ? ? ?Nm 作出水平面內(nèi)的彎矩圖 HM 如圖 39c、豎直面內(nèi)彎矩 VM 如圖 39e，以及合成彎矩圖 M 如圖 39f。 3) 作軸的扭矩圖 7122T? Nm 如圖 39g 畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 圖 39 軸的載荷分析圖 4) 作主軸的相當(dāng)彎矩圖 由已知得到的合成彎矩和扭 矩，根據(jù)第三強(qiáng)度理論計算相當(dāng)彎矩 eqM ，并做出相當(dāng)彎矩圖。 22 )( TMM eq ??? (311) 式中 ? 是考慮彎矩和轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的應(yīng)力的循環(huán)特性不同而引入的修正系數(shù)， 是彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力。當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時，取 ?? ；當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力時，取 ?? ；當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 亦為對稱循環(huán)變應(yīng)力時，則取 1?? 。 由式（ 311）得： ? ? 2211 1 1 3 7 1 . 2eqM M T?? ? ?Nmm ? ? 2222 1 1 8 3 3 . 7eqM M T?? ? ?Nmm 畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 由式（ 311）得： ? ? 22 8 8 .3 4ca MTW ?? ???MPa 軸的材料為 40Cr 鋼，查 文獻(xiàn) [12]得 ? ?1?? =110MPa。 ? ?188 .3 4 M Paca?????， 故軸的強(qiáng)度滿足要求 。 平鍵連接（動連接）校核計算結(jié)果 傳遞的轉(zhuǎn)矩 T =712200 N mm 軸的直徑 d =35 mm 鍵的類型為 A 型