【正文】 YYZTYK ? ?? ??? （ 34） 式中 ?K ，其他數(shù)值分別在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查?。? 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 13 ??Y 為重合度系數(shù)， ?faY 為齒形系數(shù)， ?AY? 為應(yīng)力修正系數(shù)，電機(jī)功率 KWT ? ，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)數(shù) min/321 rn ? 傳動(dòng)比： ? ，轉(zhuǎn)矩： mmNT ?? 27000 計(jì)算得出模數(shù) m≧ ，取整數(shù) 7，按照初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸如下 : 齒數(shù)比 u： 取整 大端分度圓直徑 D：小輪： mm 大輪： 分錐 角：小輪： 大輪： 外錐距 Re： 齒寬系數(shù)值 e： 中點(diǎn)錐距 Rm： 中點(diǎn)模數(shù) mm： 內(nèi)錐距 Ri： 小端模數(shù) mi： 中點(diǎn)分度圓直徑 dm：小輪： 大輪： 小端分度圓直徑 di：小輪： 大輪： 頂隙 c： 齒頂高 ha：小輪： 大輪： 齒根高 hf：小輪： 大輪： 小齒輪結(jié)構(gòu)如下圖 所示，其采用雙側(cè)臺(tái)階結(jié)構(gòu)，大齒輪和小齒輪類似；確定齒數(shù) Z，在保證接觸強(qiáng)度的前提下，提高平穩(wěn)性，減小沖擊振蕩，小齒輪齒數(shù)一般取 20~17 ，此課題設(shè)計(jì)選取 202 ?Z ， 401?Z . 圖 Small waist joint gear structure 大臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 大臂擺動(dòng)采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，大臂與軸軸向采用軸肩、雙圓螺母固定，周向采用普 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 14 通平鍵連接，選用圓錐滾子軸承。 按照上述軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟，擬定大臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖 所示。其中設(shè)計(jì)參數(shù)為 功率 kwT ? ，主動(dòng)輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)速 min/32n1 r? ，傳動(dòng)比為 1，轉(zhuǎn)矩 mm18 ?? NT ，根據(jù)公式（ 34）帶入相關(guān)數(shù)據(jù)的模數(shù) ? ，取值為 ，記 C . 齒輪的基本參數(shù)如下表 所示 表 Gear parameters 名稱 公式 數(shù)值 齒數(shù)比 i 20/20/ 12 ?ZZ 1 分錐角 1? )))∑c o s (+) /( u∑a c ta n ( s in ( 045 分錐角 2? 00 4590δ1Σ ? 045 大端面 1d ???mz mm35 大 端面 2d ???mz mm35 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 15 外錐距 R 011 45s in2/35s in2/d ?? 齒寬 B ??? 齒頂高 ah )1(m ????? ? xC 齒根高 fh )1(m ???? x 頂隙 C ??? ?c 為了使得機(jī)械手結(jié)構(gòu)更為緊湊，設(shè)計(jì)將小臂擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)放在大臂空腔內(nèi)，通過(guò)錐齒輪換向來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。按照公式（ 32）得出 d=26mm，該安裝聯(lián)軸器處軸徑最低要求，初選最小軸徑 12mm，根據(jù)轉(zhuǎn)矩和孔徑要求選擇 mikipule 廠家生產(chǎn)的伺服電機(jī)，型號(hào)為 SFC040DA2。小臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)的最終結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。按照公式 (32)，初步最小軸徑 10mm，初步定最小軸徑 12mm，為與聯(lián)軸器連接處直徑， 。聯(lián)軸器與軸配合長(zhǎng)度11mm，最終確定旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖 所示。按照公式（ 33），初步最小軸徑 10mm，初步定最小軸徑 12mm，為與聯(lián)軸器連接處直徑。聯(lián)軸器與軸配合長(zhǎng)度 11mm，最終確定軸系結(jié)構(gòu)如圖 所示。根據(jù)總體方案中對(duì)結(jié)構(gòu) 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 17 參數(shù)的要求，同時(shí)考慮軸承等零件的定位與固定，各臂與底座的結(jié)構(gòu)模型，三維實(shí)體模型結(jié)構(gòu)圖形如圖 ~ 所示 圖 The 3D model of arm 圖 A 3D figure of small arms 圖 The 3D model of the wrist 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 18 圖 底座三維模型 The 3D model base 圖 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維模型 The 3D model of end effector 重要零件的受力分析與校核計(jì)算 （ 1）腰部回轉(zhuǎn)軸的受力分析與校核 由 Pro/ENGINEER 軟件中分析數(shù)據(jù)得出大臂及以上部件總質(zhì)量為 受力如圖 所示 圖 腰部回轉(zhuǎn)軸受力分析 Stress analysis of rotary shaft waist 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 19 圖 腰部受力彎矩圖 The waist force bending moment diagram 軸的轉(zhuǎn)矩為 ,從而由計(jì)算當(dāng)量彎矩，公式如下： ? ?12222ca )()(4 ?????? ??????? WM ( 34) 其中 WM?? ,WTWT 2t ???； T——軸所受的扭矩， mmN? ； M——軸所受的彎矩， mmN? ； W——軸的抗彎截面系數(shù)， 3mm ； 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 20 ? ——軸的計(jì)算應(yīng)力， MPa. 圖 中加虛線部位為危險(xiǎn)接截面，取 α=，求出該截面的當(dāng)量矩為 mm32209ca ?? N? ，抗彎截面系數(shù) ?W , 51200d3 ? 3mm ，求出 ? ? M P aM P a 1 ??? ??? 。 （ 2）對(duì)圓錐滾子軸承進(jìn)行校核 各項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)果如下： 徑向力 Fr=0 (N) 軸向力 Fa=0 (N) 圓周力 Ft=82 (N) 軸頸直徑 d1=80 (mm) 作用點(diǎn)距離 L=80 (mm) Fr 與軸承 1 距離 L1=40 (mm) Fr 與軸心線距離 La=400 (mm) 轉(zhuǎn)速 n=3000 (r/min) 要求壽命 Lh39。= (N) 軸承壽命 10L =1033868710000 (10^6 轉(zhuǎn) ) 軸承壽命 HL =1343780805 (h) 修正的額定壽命 naL =1033868710000 (h) 最大工作轉(zhuǎn)速 10nmax ? (r/min) 壽命系數(shù) E= 驗(yàn)算結(jié)果 Test=合格 其它關(guān)節(jié)采取與 1）類似方法與步驟進(jìn)行軸和軸承的驗(yàn)算。 Pro/ENGINEER 中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模塊 Mechanism 可以分析與仿真機(jī)械裝配模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)，運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果不但可以以動(dòng)畫形式表現(xiàn)出來(lái)，還可以以參數(shù)的形式輸出，同時(shí)判斷零件之間是否發(fā)生干涉，干涉體積有多大和對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行記錄。 注：本課 題采用的 Pro/ENGINEER 版本為 （ C0000） 機(jī)械手各部件靜態(tài)模型的建立 應(yīng)用 Pro/ENGINEER 基本特征操作，調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，建立各部件的結(jié)構(gòu)模型，考慮到滾動(dòng)軸承在運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)有滾子自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不易加入驅(qū)動(dòng)，故實(shí)體模型中均不加入軸承。 圖 底座三維實(shí)體模型結(jié)構(gòu) A 3D model of structure 圖 The 3D input waist joint model 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 23 圖 腰部輸出關(guān)節(jié)三維實(shí)體模型 The 3D waist joint model output 圖 大臂三維實(shí)體模型 The 3D model of arm 圖 小臂擺動(dòng)三維實(shí)體模型 The 3D model of swing arm 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 24 圖 小臂三維實(shí)體模型 The 3D model of small arms 圖 手腕三維實(shí)體模型 The 3D model of the wrist 圖 末端輸入三維實(shí)體模型 At the end of the input 3D model 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 25 圖 末端執(zhí)行器安裝架及軸系 The end effector mounting frame and shaft 圖 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型 The 3D structure of manipulator model 移動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析 連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系的建立 假定機(jī)器人為若干個(gè)關(guān)節(jié)與連桿組成。連桿的尺寸任意（長(zhǎng)度可以為零），它可以被彎曲或扭曲，空間中任意位置可以實(shí)現(xiàn)。為了方便于設(shè)計(jì)和計(jì)算，我們需要給每個(gè)關(guān)節(jié)指 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 26 定一個(gè)參考坐標(biāo)系，然后，確定從一個(gè)關(guān)節(jié)到下一個(gè)關(guān)節(jié)（一個(gè)坐標(biāo)系到下一個(gè)坐標(biāo)系）來(lái)進(jìn)行變換的步驟。 在根據(jù) DH 表示法確 定一個(gè)一般步驟來(lái)為每個(gè)關(guān)節(jié)指定參考坐標(biāo)系，然后確定如何實(shí)現(xiàn)在任意兩個(gè)相鄰坐標(biāo)系之間相互變換，最后寫出機(jī)器人的總的變換矩陣式子。第一個(gè)關(guān)節(jié)假定為關(guān)節(jié) n，第二個(gè)關(guān)節(jié)記為 n+1，第三個(gè)關(guān)節(jié)記為 n+2。連桿以相同方式表示，連桿 n 位于關(guān)節(jié) n1 與 n+1 之間，連桿 n+1 位于關(guān)節(jié) n 與n+2 之間。此外， DH 表示法根本就不用 y 軸 。如果關(guān)節(jié)是旋轉(zhuǎn)的， z 軸位于按右手規(guī)則旋轉(zhuǎn)的方向。不管在哪一種情況下，關(guān)節(jié) n處的 z 軸（以及該關(guān)節(jié)的本地參考坐標(biāo)系）的下標(biāo)為 n1。以這樣的方式可使我們很快地定義出所有關(guān)節(jié)的 z 軸。對(duì)于滑動(dòng)關(guān)節(jié)，沿 z 軸的連桿長(zhǎng)度 d 就是關(guān)節(jié)變量。在公垂線的方向上定義本地參考坐標(biāo)系的 x 軸。依次，在 nz 與 1?nz 之間的公垂線記為 1?na ，那么 1?nz 的方向?qū)⒀?1?na 。根據(jù)以面介紹的方法可考慮一般特殊情況的坐標(biāo)系。這時(shí)可挑選與前一關(guān)節(jié)的公垂線共線的一條公垂線，這樣做就可以簡(jiǎn)化模型。這時(shí)可將垂直于兩條軸線構(gòu)成的平面的直線定義為 x 軸。這也會(huì)使模型得以簡(jiǎn)化。通常，只有和 D 是關(guān)節(jié)變量。假定現(xiàn)在處于本地坐標(biāo)系中，那么通過(guò)以下四步標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)即可到達(dá)下一個(gè)本地坐標(biāo)系。 （ 2）沿軸平移距離，使其共線（如圖 中（ c）所示）。 （ 3）沿軸平移的距離，使其原點(diǎn)重合（如圖 中（ d）和（ e）所示）。 （ 4）將軸繞軸旋轉(zhuǎn)，使得軸與軸對(duì)準(zhǔn)（ 如圖 中（ f）所示）。至此，我們順利的從一個(gè)坐標(biāo)系變換到了下一個(gè)坐標(biāo)系。如有必要，可以重復(fù)以上步驟，就可以實(shí)現(xiàn)一系列相鄰坐標(biāo)系之間的變換。這里比較好的一點(diǎn)是，在任何兩個(gè)坐標(biāo)系之間的變換均可采用與前面相同的運(yùn)動(dòng)步驟。 2 θ2 d2=300 a2=l2=300 α2=0176。 4 θ4 d4=0 a4=l4=160 α4=90176。 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式推導(dǎo) 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為 T5=A1A2A3A4A5， 其中： 5 , 0 ,0 )θ 5 ) T r a n s ( lR o t ( z 4 ,=A5 4 , 0 ,0 ) ,θ 3 ) T r a n s ( lR o t ( z 3 ,=A4 3 , 0 ,0 )θ 3 ) T r a n s ( lR o t ( z 2 ,=A32 , 0 ,0 ) ,θ 2 ) T r a n s ( lR o t ( z 1 ,=A2 1