【正文】 （ 2）計算危險截面上工作應(yīng)力 軸主要承受扭矩，其 扭矩 31000T N mm? 其抗彎截面系數(shù)： 33 335 = 4 2 8 73 2 3 2dW m m?? ??? （ ） 抗扭截面系數(shù)： 33 335 = 8 4 1 4 m m1 6 1 6T dW ?? ??? （ ） 截面上的扭剪應(yīng)力： / 3 1 0 0 0 / 8 4 1 4 = 3 .6 8TTW? ?? 扭切應(yīng)力： /2am? ? ??? （ 3）確定軸材料機械性能 彎曲疲勞極限 21 275mm?? ? ，剪切疲勞極限 21 155 /N mm?? ? 碳鋼材料特性系數(shù)： ?? ? ， ????? （ 4）確定綜合影響系數(shù) K? ,K? 軸肩圓角處有效應(yīng)力集中系數(shù) k? ， k? ，根據(jù) / 1 .6 / 3 5 0 .0 4 5rd ??，由插值計算得 ? ? ， ? ? 配合處綜合影響系數(shù) K? ， K? ，根據(jù) d ， b? ，配合 7/ 6Hr，由插值計算得 ? ? , 0 .4 0 .6 2 .4 4KK??? ? ? 尺寸系數(shù) ?? ， ?? ，根據(jù) d ，查得， ?? ? ， ?? ? 。 扭轉(zhuǎn)強度條件為： ? ?639 .5 5 1 0 0 .2TTTTPW d n??? ? ? ? ? 2/N mm （ ） 3PdAn? mm 式中， T? ―軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， 2/N mm ； T ―軸所受的扭矩， Nmm ； TW －軸的抗扭截面模量， 3mm ； n －軸的轉(zhuǎn)速， /minr ； P －軸所傳遞的功率， KW。為了便于安裝并考慮與軸承的配合，取裝配軸承出的軸經(jīng) 35mmDEd ? ? ，由于次軸段選用一對軸承且中間需用套筒隔開，參照軸承的寬度取 35DEl mm? ? 。當(dāng)該軸段截面上有一個 鍵槽時，d 增大 %7~%5 ，兩個鍵槽時， d 增大 %15~%10 。其力學(xué)性能由文獻(xiàn) [15]東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 表 81 查得， 640b? ? MPa， 355s? ? MPa， 1 275?? ? MPa， 1 155?? ? MPa，1[ ] 60?? ? MPa。 只考慮轉(zhuǎn)矩作用的安全系數(shù)，由式 1amS K? ???? ? ??? ? 得： 1 155 1 1 6 . 52 . 3 2 0 . 0 5 5 0 . 1 0 . 0 5 5amS K? ???? ? ??? ? ?? ? ? ? （ ） 故計算安全系數(shù)為： ??? 取 [ ] ?? [ ] ?? ? 所以截面 A – B 是安全的。 （ 2） A – B 截面處疲勞強度安全系數(shù)校核 抗彎曲截面系數(shù)： 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 3 3 3 3W = 9 m m m m? ? ? （ ） 抗扭矩截面系數(shù)： 3 3 3 3TW = 0 .2 d 0 .2 9 m m 1 4 5 .8 m m? ? ? （ ） 轉(zhuǎn)矩 16 mmTN?? 彎曲應(yīng)力幅（按脈動循環(huán)變應(yīng)力計算） :a MW? ? 因為合成轉(zhuǎn)矩 W=0，所以彎曲應(yīng)力幅 aa0MP? ? 彎曲平均應(yīng)力： ma0MP? ? 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅（按脈動循環(huán)變應(yīng)力計算 ） a a a16 0 . 0 5 52 2 1 4 5 . 8TT M P M PW? ? ? ?? （ ） 扭轉(zhuǎn)平均切應(yīng)力： m a ???? 軸肩圓角引起的有效應(yīng)力集中系數(shù) k? 及 k? ，由 / 1 / 9 1rd??，/ 10 / 9 1. 11Dd ??， a640b MP? ? 查文獻(xiàn)[13]附圖 1b、附圖 2b 得： ? ? ， ?? 由 a640b MP? ? ， 9d mm? 按文獻(xiàn) [13]附圖 5查得尺寸系數(shù) ?? ? ， ?? ? ； 由軸精車加工， a640b MP? ? 按文獻(xiàn) [13]附圖 8 查得表面質(zhì)量系數(shù) ?? 。 因此改軸只受旋轉(zhuǎn)方向上的轉(zhuǎn)矩，如圖 3. 6e。軸的結(jié)構(gòu)圖見圖 3. 5。綜合考慮軸與關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，軸承的右側(cè)選用緊固螺母固定軸承根據(jù)緊固螺母的大小取 16BCl mm? ? 。 C 值由文獻(xiàn) [15] 表 83：知 C=100.若取聯(lián)軸器的效率為 1 ?? ，滾動軸承的效率為 2 ? ? （一對），則： 1 1 2 6 0 .9 9 0 .9 9 5 .8 8PP ??? ? ? ? ? ? ?W （ ） 初步估算軸的最小直徑為： 13 3m i n 5 .8 8d 1 0 0 8n 2 0PC? ? ? ?mm （ ） 則 1d 為： 1 m ind d 1 .0 6 8 .5? ? ?（ 1+6% ） =8mm 考慮與聯(lián)軸器的配合取直徑值為 9mm。根據(jù)表 83，取 0 100A? 。 第一關(guān)節(jié)軸的設(shè)計 及校核 伺服電機的選擇 腕部旋轉(zhuǎn)由伺服電機 通過減速器帶動軸進行驅(qū)動，設(shè)手爪及物體的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑 R =50mm，手爪及物體的總重量 m = ㎏，則其轉(zhuǎn)動慣量： 2 2 21 m / 2 1 .5 0 .0 5 / 2 0 .0 0 1 9 g mJ R K? ? ? ? ? （ ） 設(shè)機器人手部角速度 ω 1從 0 加速到 120o/s 所需時間 t =，則其角加速度： 11a / /? ? ??? 2（ 180t ） =120 （ 18 0 0. 4 ） =（ ） 負(fù)載啟動慣性矩（靜摩擦力矩忽略不計）： 1 1 1a 0 .0 0 1 9 5 .2 4 0 .0 1T J N m? ? ? ? ? ? 由于總傳動比 i =3。則大帶輪齒數(shù) : 21 3 12 36Z i Z? ? ? ? ? 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 小帶輪的節(jié)圓直徑為： 11/ 19. 414bd P Z m m??? 大帶輪的節(jié)圓直徑為： 22/ 58. 24bd P Z m m??? 則帶長 L 可表示為： 1 2 2 102 c o s 2 1 8 0d d d dLa ? ? ??? ? ?（ + ） （ ） （ ） 5 8 . 2 4 1 9 . 4 1 42 2 0 0 c o s [ a r c s in ]2 2 0 0 ??? ? ? ?? （ + ）（ ） 2 a r c s in??? ?（ ） （ ）1 8 0 2 2 0 0 = mm 由文獻(xiàn) [14]表 728，選擇最接近計算值的標(biāo)準(zhǔn)帶長： pL = ㎜，節(jié)線上齒數(shù) bZ = =40，代號 180。手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體的重心到回轉(zhuǎn)中心的距離 l=80mm，腕部當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑 R=20mm，則腕部俯仰時其轉(zhuǎn)動慣量 J1= 221211m l m12 2 R? （ ） = 22111 . 5 0 . 0 8 0 . 5 0 . 0 21 2 2? ? ? ? ? g mK?? 式中 m1—— 手爪回轉(zhuǎn)裝置及物體總質(zhì)量，約為 ， m2—— 腕部總質(zhì)量，約為 ， 設(shè)機器人腕部俯仰角速度從 ? =0 加速到 ? =600/s 所需時間 t =，則腕部俯仰角加速度： 2a / / ?? ??? 2（ 180t ） =60 （ 180 ） =（ ） 腕部俯仰啟動慣性矩： 2 1 2a 0 .0 0 0 9 5 .2 0 .0 4 7T j N m? ? ? ? ? ? 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩（靜摩擦力矩忽略不計）： 1 1. 5 9. 8 0. 08 1. 17 6M m gl N m? ? ? ? ? ?靜 （ ） 由于 M靜 2T ，故慣性矩忽略不計，則腕部俯仰總轉(zhuǎn)矩： M N m? ? ?靜 同步帶傳動裝置的傳動比 i=3，則步進電機輸出的啟動轉(zhuǎn)矩： 2/outT T i N m?? ? ? ?（ ） =2 76/ （ 5 3 ） = 所以，選擇如下交流伺服電機： 型號： 90SL5A8；最大靜轉(zhuǎn)矩： ? ；質(zhì)量： ㎏。此外，同步帶在運轉(zhuǎn)中也不需要任何潤滑，所以維護保養(yǎng)很方便，運轉(zhuǎn)費用比三角帶、鏈、齒輪要低得多。 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 3）．傳動比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊 同步帶傳動的傳動比一般可達(dá)到 l0 左右，而且在大傳動比情況下，其結(jié)構(gòu)比三角帶傳動緊湊。三種齒形傳遞能力、噪音水平、打滑扭矩的比較如圖 。與鏈傳動和齒輪傳動相比，帶傳動的強度較低和疲勞壽 命較短。因此腕部擺動傳 動方式采用：伺服電機 +同步帶。此次設(shè)計學(xué)用諧波減速器，它傳動功率大比且較平穩(wěn)、噪聲小。臂部用以鏈接腰部和手部，通常有兩個臂桿組成，用以帶動腕部做平面運動。 由于此次設(shè)計難度比較大，而且時間比緊迫，沒有時間進行抓取機構(gòu)的設(shè)計，在此采用市場上可以買到的外購件 電磁氣動式夾持器?？偟目磥砜煞謨纱蟛糠衷O(shè)計：一是六自由度機械手抓取機構(gòu)的設(shè)計，二是六自由度機械手前臂機構(gòu)的設(shè)計。 由于自然形成的預(yù)加載諧波發(fā)生器嚙合齒數(shù)較多以及齒的嚙合比較平穩(wěn)，諧波齒輪傳動的間隙幾乎為零，因此傳動精度高。對于手搖發(fā)電機、風(fēng)力發(fā)電機等需要高增速的設(shè)備有廣闊的應(yīng)用前景。 ； 與相同速比的其它傳動相比，諧波傳動由于運動部件數(shù)量少，而且嚙合齒面的速度很低，因此效率很高，隨速比的不同（ u=60250)，效率約在 65—96%左右（諧波復(fù)波傳動效率較低），齒面的磨損很小。其傳遞的功率范圍可為幾瓦至幾十千瓦。 ； 雙波諧波減速器同時嚙合的齒數(shù)可達(dá) 30%，甚至更多些。 波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，迫使柔輪上的一點不斷的改變位置，這時在柔輪的節(jié)圓的任一點，隨著波發(fā)生器角位移的過程，形成一個上下左右相對稱的和諧波，故稱之為： ―諧波 ‖。同樣道理，嚙出變?yōu)槊撻_，嚙合變?yōu)閲С觯@樣柔輪相對剛輪轉(zhuǎn)動（角位移）了1/4 齒；同理，波發(fā)生器再轉(zhuǎn)動 1/8 周時，重復(fù)上述過程，這時柔輪位移一個齒距。這是嚙合區(qū)，一般有 30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態(tài)，簡稱脫開；在波發(fā)生器長軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區(qū)段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態(tài)，稱之為嚙出。 以上三個構(gòu)件可以任意固定一個，成為減速傳動及增速傳動，或者發(fā)生器、剛輪主動， 柔輪從動 ，成為差動機構(gòu)（即轉(zhuǎn)動的代數(shù)合成）。諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動），它是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種行星齒輪傳動。行星齒輪傳動不僅適用于高轉(zhuǎn)速、大功率，而且在低速大轉(zhuǎn)矩的裝置上也已獲得了應(yīng)用。 （ 4）運動平穩(wěn)、抗沖擊和振動的能力較強 由于采用了數(shù)個 結(jié)構(gòu)相同的行星輪，均與地分布于中心輪的周圍，從而可使行星輪與轉(zhuǎn)臂的慣性力相互平衡。 （ 3）傳動比較大 可以實現(xiàn)運動的合成與分解 只要適當(dāng)選擇行星齒輪傳動類型及配齒方案，便可以用少數(shù)幾個齒輪而獲得很大的傳動比。此外，在結(jié)構(gòu)充分利用內(nèi)齒嚙合承載能力大和內(nèi)齒圈本身的可容體積，從而有利于縮小其外廓尺寸，使其體積小，質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)非常緊湊，且承載能力大。所以，行星齒輪傳動現(xiàn)在 已被人們用來代替普通齒輪傳動，而作為各種機械傳動系統(tǒng)中的減速器、 增速器和變速裝置。 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 減速裝置的對比分析與選擇 減速器的類型主要有：漸開線圓柱齒輪減速器、圓錐圓柱齒輪減速器、圓弧圓柱蝸桿減速器、諧波傳動減速器、擺線針輪減速器、行星齒輪減速器。 ：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率 /體積比，運動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個合適的選擇方案。 ：交流伺服電機結(jié)構(gòu)較簡單，體積較小，運行可靠，使用維修方便，價格比直流伺服電機便宜，但高于步進電機。但步進電機基本上不具有過載能力，功率偏大者，體積較大，并且其空間分辨率較低；功率較小 者，只適于傳動功率不大的關(guān)節(jié)或小型機器人。另外，電動機根據(jù)運行距離及電機的脈沖當(dāng)量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計算機，可達(dá)到非常高的位姿準(zhǔn)確度，這些都是電機驅(qū)動的優(yōu)點。在這里，不對這些電機系統(tǒng)作 一一介紹。故壓縮空氣可以集中供應(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送 ； 5)壓縮空氣的壓縮性 較大，因此使機械手的運動平穩(wěn)性較差，定位精度較低， 而且壓縮空氣排到大氣中時噪聲較大，另外還須考慮潤滑和防銹等 ； 耐壓縮空氣的工作壓力較低，致使機械手結(jié)構(gòu)較大。 液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動的特點有 : 1) 驅(qū)動力和驅(qū)動力矩較大，臂力可達(dá) 100 公斤 ； 2) 速度 反應(yīng)性較好。這 個階段很重要，要時常與指導(dǎo)教師及其他老師共同探討； 4) 理論與實際相結(jié)合，力求設(shè)計滿足經(jīng)濟行和工藝性要求