【正文】 三、下橫梁的強(qiáng)度及剛度計(jì)算： 下橫梁的受力情況經(jīng)常隨不同的工藝而變化，一般分以下 4 種情況來核算。） ； K — 截面形狀系數(shù)，見式（ 2— 80）。]＋ KPL/4GA[1－ 2（ D/∏ L） ] 式中： E — 梁的彈性模量（ N/㎝178。－ 4（ L/2－ D/∏ ）178。但無法精確計(jì)算應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力，那里的最大應(yīng)力要大很多。 將當(dāng)量齒輪的有關(guān)參數(shù)代入直齒圓柱齒輪的彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式，考慮螺旋角使接觸線傾斜對彎曲強(qiáng)度有利的影響而引入螺旋角系數(shù) ?Y ，可得到斜齒圓柱齒輪的彎曲疲勞強(qiáng) 34 度計(jì)算校核公式： ? ?Fn SaFatF bm YYYKF ??? ? ? ?? 齒間載荷分配系數(shù) ?FK ?FK = 齒向載荷分配系數(shù) ?FK ?FK = 載荷系數(shù) K= AK VK ?FK ?FK = 1*1** = 齒形系數(shù) aFY ?aFY 校正 系數(shù) aSY aSY = 螺旋角系數(shù) ?Y ??Y 校核齒根彎曲強(qiáng)度 σ F = antbmKF? ?YYY SaFa = ***** 97* = 彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù) minFS minFS = 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 ? ?minFFEFNF SK ?? ? FNK —— 彎曲疲勞壽命系數(shù) FNK = 可得， ? ?F? = *1000/ = 1000 MPa 所以 σ F ? ?F? 35 因此，本次設(shè)計(jì)及滿足了小齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度又滿足了小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)齒輪在齒頂處嚙合時(shí)，處于雙對齒嚙合區(qū)，此時(shí)彎矩的力臂最大，但力并不是最大，因此彎矩不是最大。即 Pca = KP =KLFn K— — 載荷系數(shù) 載荷系數(shù) K包括 ：使用系數(shù) AK ，動(dòng)載系數(shù) VK ，齒間載荷分配系數(shù) ?K 及齒向載荷分布數(shù) ?K ，即 K = AK VK ?K ?K 使用系數(shù) AK 是考慮齒輪嚙合時(shí)外部領(lǐng)接裝置引起的附加動(dòng)載荷影響的系數(shù)。 齒輪的計(jì)算載荷 為了便于分析計(jì)算，通常取沿齒面接觸線單位長度上所受的載荷進(jìn)行計(jì)算。 （ 4）潤滑與防護(hù) 潤滑 :采用脂潤滑 ,使用方便 ,但應(yīng)注意防塵。又滿足了齒面接觸強(qiáng)度，符合本次設(shè)計(jì)的具體要 求。 d. 按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算 (1) 計(jì)算齒輪的分度圓直徑 dt≧ ? ?3 22 11dkTHZE??? ?? (433) =34221*1 11 ? = （ 2） .計(jì)算圓周速度 v= 1000*60dtn? (434) = 1000*60 26**? =（ 3） .齒寬 b=d? *dt=*= (435) (4).計(jì)算齒寬與齒高之比 hb 模數(shù) mt=zdt =(436) 齒高 h==*= (437) hb =（ 5） .計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù) v=,7 級精度，由圖可查得動(dòng)載系數(shù) Kv= 直 齒輪， KH? =KF? =1 由表查得使用系數(shù) KA= 由表查得 7級精度，齒輪懸臂布置時(shí)， KH? = 26 由hb=， KH? =，查得 KF? =；故載荷系數(shù) K=KAKvKH? KH? =*1**1*= (438) （ 6） .按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由公式得： d=dt3KtK== (439) (7).計(jì)算模數(shù) m m=d/z=(4310) 彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 m≧ ? ?3 22 zdKTFYFaYSa ?? ???????? (4311) a. 確定公式內(nèi)各參數(shù)的值 （ 1） .查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 MPaFE 5001?? ；齒條的彎曲疲勞強(qiáng)度極限MPaFE 3802 ?? （ 2） .查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1=；齒條的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN2=； （ 3） .計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=，由公式得： 齒輪的許用應(yīng)力 ? ?F? = S FEKFN 11? = 500* = (4312) 齒條的許用應(yīng)力 ? ?F? = S FEKFN 22? = 380* = (4313) (4).計(jì)算載荷系數(shù) K K=KAKvKF? KF? =**1*= (4314) (5).查取齒形系數(shù) 查得齒輪的齒形系數(shù) YFa= (6).查取應(yīng)力校正系數(shù) 查得 YSa= (7).計(jì)算 ? ?FYFaYSa?= * = (4315) b. 設(shè)計(jì)計(jì)算 27 m≧ ? ?3 22 zdKTFYFaYSa ?? ???????? (4316) =3 2420 10* **4 2 *2*0 1 4 6 = 對比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)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)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù) 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m=2mm,按接觸強(qiáng)度 算得的分度圓直徑 d=，算出齒輪齒數(shù) z=d/m=這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。 g. 材料選擇。 23 圖 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的型號說明 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸，如圖 所示。 m lMM ?慣 N m)； 摩M —— 摩擦所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 (N m） () lv?? （ rad/s） () lMM ?摩 （ N （ 1） .試選載荷系數(shù) Kt= (2).計(jì)算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T= 1010 35 *40*m in/26 * ?r (432) =*104 (3).選齒寬系數(shù) d? = 18 （ 4） .查得材料的彈性影響系數(shù) ZE= 2/1 (5).按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 MPaH 600lim ?? ，齒條的接觸疲勞強(qiáng)度極限 MPaH 550lim ?? （ 6）取齒輪接觸疲勞壽命系數(shù) kH=, 齒條接觸疲勞壽命系數(shù) kH= （ 7）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1 00 ，安全系數(shù) S=1，由公式 ? ?H? = lim*?SkHN求得：齒輪的接觸疲勞許用應(yīng)力 ? ?H? =540MPa,齒條的接觸疲勞許用應(yīng)力 ? ?H? =。 b. 貨叉為一般工作機(jī)械，速度不高，故選用 7級精度（ GB/009588） 。 m 因?yàn)閭鲃?dòng)是通過齒輪齒條實(shí)現(xiàn)的，所以查取手冊 [15]得： 彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率 ?? ； 滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率 ?? （一對）； 齒輪齒條傳動(dòng)效率 ?? ； 計(jì)算得傳動(dòng)的裝置的總效率 ?a? 。 m2 ? ?22212 23 RRmmlJ ??? ? ?222 ????? ??? kg m2）； J — 對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kg m）； M摩 — 摩擦阻力矩（ N 切線方向： 20Qt mr???? 主法線方向： 2( ) 02n mrQ F m r ???? ? ? 2( ) 02n mrQ R m r ???? ? ? 副法線方向： 2( ) 02b mgQ F m r??? ? ? 2( ) 02b mgQ R m r??? ? ? 聯(lián)立上式，求解得 2 2 2( ) 22r g rQm ?????? 13 代入數(shù)據(jù)，得 ? ? 2 220 . 5 2 . 1 9 . 8 2 0 . 5 3 . 50 . 1 7 . 3 72 0 . 1 5QN? ? ? ? ??? ? 后指： 22c o s( s i n ) ( ) ( ) 022R m a m gQ m a ???? ? ? ? 由于是機(jī)械手部機(jī)構(gòu)， QF=QR,所以結(jié)果 Q必須滿足下式 22( c o s ) 2 s i n2a g aQm ? ? ????? 代入數(shù)據(jù)，得 ? ? 2 20 . 3 9 . 8 c o s 4 5 9 . 8 2 0 . 1 5 0 . 3 9 . 8 s i n 4 50 . 1 3 . 5 52 0 . 1 5QN? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?? 圖 24 工件水平直進(jìn)時(shí)受力分析圖 綜上所述，得 ?最 大 值 由于考慮到設(shè)計(jì)的機(jī)械手的安全問題， Q 應(yīng)再乘上一個(gè)安全系數(shù) S。為便于夾持避免固定中心的麻煩，采用平移型，圖 21所示的是靠導(dǎo)槽保持手指作平移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)被抓物體的直徑大小變化時(shí)，需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。夾持類手部又可分夾鉗式、托勾式和彈簧式。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便?？捎瞄_閉角和手指夾緊端長度表示。 a．有適當(dāng)?shù)膴A緊力 手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。 不 需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多 結(jié)合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。 利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。 4) 腕關(guān)節(jié)是連接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用于調(diào)整末端執(zhí)行器的方向和姿態(tài)。 各部分的功能如下： 1) 底座，是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都安裝在基座上。整個(gè)機(jī)構(gòu)的水平運(yùn)動(dòng)采用來實(shí)現(xiàn)，即整個(gè)機(jī)構(gòu)裝在一個(gè)上。環(huán)形超聲波電動(dòng)機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，使用在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空結(jié)構(gòu)傳遞信息。 . 交流伺服電機(jī)的使用情況與直流伺服電機(jī)相同，但交流伺服電機(jī)與直流伺服電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、功率大、過載能力強(qiáng)、無電刷、維修方便，因而交流伺服 9 電機(jī)是今后機(jī)器人 用電機(jī)的主流。其功能是將輸入的受控電壓 /電流能量轉(zhuǎn)換為電樞軸上的角位移或角速度輸出。步進(jìn)電機(jī)可在很寬的范圍內(nèi)，通過脈沖頻率同步，能夠按照脈沖要求進(jìn)行起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)變速，有較強(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。但是這類桁架機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)的反解比較困難；確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算量比較大。其中，一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰。同一種運(yùn)動(dòng)形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。 從本文設(shè)計(jì)的桁架機(jī)器人的角度來看，在選用材料時(shí)不需要很大的負(fù)載能力，也不需要很高的彈性模 量和抗變形能力，此外還要考慮材料的成本，可加工性等因素。下面介紹幾種機(jī)器人手臂常用的材料 [7]： (l)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等高強(qiáng)度鋼：這類材料強(qiáng)度好，尤其是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增加了很多倍、彈性模量大、抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料 。此外，機(jī)器人手臂選用的材料與一般的結(jié)構(gòu)材料不同。從設(shè)計(jì)的理論出發(fā)，機(jī)器人手臂要進(jìn) 行各種運(yùn)動(dòng)?？偟膩碚f，桁架機(jī)器人的速度在一定范圍內(nèi)要是可調(diào)的，這樣才能滿足在各種不同情況下的使用需要。它反映了機(jī)器人的使用效率和生產(chǎn)水平，桁架機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度越高，則其