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XX大學(xué)XX學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)
五自由度桁架機(jī)器人與PROE仿真設(shè)計(jì)
作 者:
學(xué) 號(hào)：
學(xué)院(系):
專 業(yè):
題 目:
2014 年 月
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文摘要
機(jī)器人是一種機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)品。采用機(jī)器人是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的一種有效手段。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)裝備。機(jī)器人可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長(zhǎng)期、頻繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)器人是有效的；此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本課題的主要內(nèi)容是采用機(jī)器人代替人來進(jìn)行抓取作業(yè)，機(jī)器人可以代替很多重復(fù)性的體力勞動(dòng)，從而減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。結(jié)合設(shè)計(jì)的各方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過程中學(xué)會(huì)怎樣發(fā)現(xiàn)問題。解決問題.研究問題。并且在設(shè)計(jì)中融入自己的想法和構(gòu)思，提高自己的創(chuàng)新能力。盡力使機(jī)器人使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
關(guān)鍵詞： 機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；步進(jìn)電機(jī)；回轉(zhuǎn)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）外文摘要
Abstract
A robot is a mechanical technology and electronic technology, the combination of high technology products. The robot is to improve product quality and labor productivity, and achieve the production process automation, improve working conditions, reduce the labor intensity of an effective means of. It is a copy of the upper part of the human body functions, in accordance with a predetermined transfer request or the workpiece hold the tools to operate the automation technology and equipment. Industrial production often appears in the heavy work, frequent handling and long-term, monotonous operation, the robot is effective; The main content of this paper is the use of robots to paint, robots can take the place of a lot of repetitive manual work, thereby reducing the labor intensity of workers, improve the production efficiency. Combined with the design of the various aspects of knowledge, in the design process to learn how to find problems. To solve the problem of problem. And in the design into their thoughts and ideas, enhance own innovation ability. Try to make the robot has the advantages of convenient use, simple structure.
Keywords ： Robot； Structure design； Stepper motor； Rotary
目 錄
1 緒 論 1
1.1機(jī)器人的特點(diǎn) 1
1.2機(jī)器人的組成 2
1.2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu) 2
1.2.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 2
1.2.3控制機(jī)構(gòu) 2
1.3 本文研究主要內(nèi)容 3
2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1桁架機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 4
2.1.1自由度 4
2.1.2坐標(biāo)形式的選擇 4
2.1.3規(guī)格參數(shù) 6
2.1.4有效負(fù)載 6
2.1.5運(yùn)動(dòng)特性 6
2.1.6 工作范圍（工作半徑） 7
2.2 桁架機(jī)器人材料的選擇 7
2.3機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 8
2.4桁架機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件 8
2.5 機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì) 9
3 桁架機(jī)器人氣爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 10
3.2結(jié)構(gòu)分析 11
3.3計(jì)算分析 12
3.4電機(jī)計(jì)算 14
3.5齒輪齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
3.6 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 28
3.7小齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 30
3.7.1.齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 30
3.7.2齒輪齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 33
3.8橫梁的強(qiáng)度與剛度的計(jì)算 35
總 結(jié) 46
致 謝 47
參考文獻(xiàn) 48
1 緒 論
隨著人類科技的進(jìn)步，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)器人學(xué)成為近幾十年來迅速發(fā)展的一門綜合學(xué)科。它體現(xiàn)了光機(jī)電一體化技術(shù)的最新成就，機(jī)器人作為其中的佼佼者更是發(fā)揮了不可磨滅的作用。在人類社會(huì)中，凡是有機(jī)械活動(dòng)的地方，都能看到機(jī)器人的身影。機(jī)器人產(chǎn)品的應(yīng)用已經(jīng)由核工業(yè)和軍事科技等高端科學(xué)領(lǐng)域向醫(yī)療、農(nóng)業(yè)甚至是服務(wù)娛樂等民用領(lǐng)域發(fā)展了，并且各式各樣的機(jī)器人正在涌現(xiàn)出來，以驚人的速度延伸到人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人是由于人類期望生產(chǎn)水平的提高，為了提升生產(chǎn)效率而出現(xiàn)的。然而由于機(jī)器人善于完成重復(fù)的，單調(diào)的，精確度要求高的工作，能取代人在惡劣的環(huán)境中完成人類不能或者不愿完成的工作，因此，機(jī)器人的出現(xiàn)又大大解放了人類的生產(chǎn)力。所以說機(jī)器人的發(fā)展是社會(huì)發(fā)展的結(jié)果，也是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。現(xiàn)在，很多發(fā)達(dá)國(guó)家都追逐著機(jī)器人這一發(fā)展趨勢(shì)，積極地進(jìn)行著機(jī)器人的各種開發(fā)和研制的工作，并且其中一些國(guó)家已經(jīng)取代了不錯(cuò)的成果，研制出了許多新型且實(shí)用的機(jī)器人或者是機(jī)器人。例如：日本的跳舞機(jī)器人、犬型機(jī)器人愛寶(AIBO)；英國(guó)研制的履帶式“手推車”及“超級(jí)手推車”排爆機(jī)器人；美國(guó)iRobot公司推出了能避開障礙，自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線吸塵器機(jī)器人Roomba；上海世博會(huì)使用過的福娃機(jī)器人等等。
由于機(jī)器人的迅猛發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入學(xué)校教學(xué)是必然的。三自由度機(jī)器人作為是機(jī)器人的典型產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)及應(yīng)用對(duì)機(jī)電一體化、機(jī)械結(jié)構(gòu)工藝、機(jī)械制造、自動(dòng)化、電子信息等專業(yè)的教學(xué)及研究都有著很重要的意義。
1.1機(jī)器人的特點(diǎn)
1機(jī)器人能進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，降低成本。就本次設(shè)計(jì)的桁架機(jī)器人而言，它能不間斷的搬運(yùn)零件和各種材料的輸送。這樣既提高了生產(chǎn)率又降低了生產(chǎn)成本。
2機(jī)器人能使產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定，減少人工污染。人工生產(chǎn)會(huì)使產(chǎn)品質(zhì)量受工人狀態(tài)起伏而影響。對(duì)于某些高精度產(chǎn)品，人工送取會(huì)產(chǎn)生人工污染。
3機(jī)器人能改善勞動(dòng)條件，避免各種工傷。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，人工操作會(huì)有危險(xiǎn)，機(jī)器人能代替人工作，改善了人們的勞動(dòng)條件。
4機(jī)器人能持久、耐勞，可以把人從繁重的勞動(dòng)中解放出來，人在連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)后，總會(huì)感到疲勞或厭倦，以機(jī)器人代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
5機(jī)器人的靈活性、通用性強(qiáng)。它能通過更換部件來適應(yīng)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)。并通過改變程序和自由度來達(dá)到迅速改變作業(yè)的可能性。這樣機(jī)器人能滿足各種各樣的零件生產(chǎn)，在生產(chǎn)中發(fā)揮重大作用。
1.2機(jī)器人的組成
工業(yè)機(jī)器人是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。
1.2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)
一般機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、緩沖與定位，還有行走機(jī)構(gòu)組成。
1.2.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等形式。不過目前還是以液壓和氣動(dòng)用的最多。
液壓驅(qū)動(dòng)具有體積小、出力大、控制性能好、動(dòng)作平穩(wěn)等特點(diǎn)，它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)具有潤(rùn)滑性能好、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。定位精度高，克實(shí)現(xiàn)任意位置開停。有很多專業(yè)機(jī)器人能直接利用主機(jī)的液壓系統(tǒng)。但缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa，最高可達(dá)1MPa。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。
電動(dòng)由于減速和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜, 很少采用。機(jī)械式用于簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。
1.2.3控制機(jī)構(gòu)
機(jī)器人的控制方式有點(diǎn)動(dòng)和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)是用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。
1.3桁架機(jī)器人
桁架機(jī)器人又叫噴涂機(jī)器人（spray painting robot）， 是可進(jìn)行自動(dòng)抓取或噴涂其他涂料的工業(yè)機(jī)器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集 團(tuán)）發(fā)明。桁架機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動(dòng)的桁架機(jī)器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機(jī)等。多采用5或6自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運(yùn)動(dòng)空間，并可做復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，其腕部一般有2～3個(gè)自由度，可靈活運(yùn)動(dòng)。較先進(jìn)的桁架機(jī)器人腕部采用柔性手腕，既可向各個(gè)方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)作類似人的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。桁架機(jī)器人一般采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有動(dòng)作速度快、防爆性能好等特點(diǎn)，可通過手把手示教或點(diǎn)位示數(shù)來實(shí)現(xiàn)示教。桁架機(jī)器人廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門 。
桁架機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)：（1）柔性大，工作范圍大。（2）提高噴涂質(zhì)量和材料使用率。（3）易于操作和維護(hù)，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。（4）設(shè)備利用率高，桁架機(jī)器人的利用率可達(dá)90%-95%。
1.3 本文研究主要內(nèi)容
通過利用網(wǎng)絡(luò)工具、圖書館的書籍和各類期刊、雜志查閱了解桁架機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)，確定本設(shè)計(jì)符合要求，滿足需要。具體設(shè)計(jì)方法如下：
1、查閱資料、結(jié)合所學(xué)專業(yè)課程，產(chǎn)生桁架機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思路；
2、查閱各類機(jī)械機(jī)構(gòu)手冊(cè)，確定合理的桁架機(jī)器人結(jié)構(gòu)；
3、根據(jù)給定技術(shù)參數(shù)來選擇合適的手部、腕部、臂部等部位；
4、重點(diǎn)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究；
5、通過研究國(guó)內(nèi)外情況，確定本設(shè)計(jì)課題的重點(diǎn)設(shè)計(jì)；
6、完成2D裝配圖的設(shè)計(jì)和繪制，并由此繪制零件圖；
7、編寫設(shè)計(jì)說明書；
8、檢查并完善本設(shè)計(jì)課題。
本設(shè)計(jì)采用的方法是理論設(shè)計(jì)與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方案，所運(yùn)用的資料來源廣泛，內(nèi)容充足。
50
2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)
本文的重要任務(wù)是完成桁架機(jī)器人的設(shè)計(jì)，本章內(nèi)容是圍繞桁架機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)來展開，介紹桁架機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。
2.1桁架機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)確定
表示機(jī)器人特性的基本技術(shù)參數(shù)主要有自由度、坐標(biāo)形式的選擇。
2.1.1自由度
自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，但是一般不包括手部（末端操作器）的開合自由度。自由度表示了機(jī)器人靈活的尺度，在三維空間中描述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)需要六個(gè)自由度。
桁架機(jī)器人的自由度越多，越接近人手的動(dòng)作機(jī)能，其通用性就越好，但是結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，自由度的增加也意味著桁架機(jī)器人整體重量的增加。輕型化與靈活性和抓取能力是一對(duì)矛盾，此外還要考慮到由此帶來的整體結(jié)構(gòu)剛性的降低，在靈活性和輕量化之間必須做出選擇。工業(yè)機(jī)器人基于對(duì)定位精度和重復(fù)定位精度以及結(jié)構(gòu)剛性的考慮，往往體積龐大，負(fù)荷能力與其自重相比往往非常小。一般通用桁架機(jī)器人有5～6個(gè)自由度即可滿足使用要求（其中臂部有3個(gè)自由度，腕部和行走裝置有2～3個(gè)自由度），專用桁架機(jī)器人有5個(gè)自由度即可滿足使用要求。
2.1.2坐標(biāo)形式的選擇
桁架機(jī)器人的坐標(biāo)形式主要可分為：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型另外還有比較復(fù)雜的SCARA型和并聯(lián)型
。
1直角坐標(biāo)型桁架機(jī)器人：這類桁架機(jī)器人就是如圖2-1(a)得直移型，其手部空間位置的改變通過沿三個(gè)互相垂直軸線的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，該形式桁架機(jī)器人具有位置精度高，控制無耦合、簡(jiǎn)單，壁障性好等特點(diǎn)。但結(jié)構(gòu)較龐大，動(dòng)作范圍小，靈活性差，且移動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，而且需架空線路。
2圓柱坐標(biāo)型桁架機(jī)器人：這種桁架機(jī)器人如圖2-1（b）的回轉(zhuǎn)型桁架機(jī)器人，通過兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手部空間位置的改變，手臂的運(yùn)動(dòng)系由垂直立柱平面內(nèi)的伸縮和沿立柱的升降兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)及手臂繞立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合而成。這種桁架機(jī)器人，占地面積小而活動(dòng)范圍較大，結(jié)構(gòu)亦較簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度，因而應(yīng)用范圍較廣泛。機(jī)身采用立柱式，桁架機(jī)器人側(cè)面行走，順利完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。但是結(jié)構(gòu)也比較龐大，兩個(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。
3球坐標(biāo)型機(jī)器人： 這類桁架機(jī)器人如圖2-1（c）的俯仰型桁架機(jī)器人，其手臂沿X方向伸縮，繞Y軸俯仰和繞Z軸回轉(zhuǎn)。這類桁架機(jī)器人具有占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、位置精度尚可等特點(diǎn)，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，但避障性差，存在著平衡問題，位置誤差與臂長(zhǎng)有關(guān)。
4關(guān)節(jié)坐標(biāo)型桁架機(jī)器人：如圖2-1（d）的屈伸型桁架機(jī)器人，主要由立柱、前臂和后臂組成。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由前、后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但是位置精度較低，存在平衡以及控制耦合的問題，故比較復(fù)雜。
圖2. 1機(jī)器人的坐標(biāo)形式[22]
圖2.2 桁架機(jī)器人基本形式示意圖[9]
2.1.3規(guī)格參數(shù)
用途：抓取
1、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)自由度為5個(gè)。
2、運(yùn)動(dòng)范圍為5000X3000X2000mm。
3、最大抓取力為10Kg。
4、交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
2.1.4有效負(fù)載
有效負(fù)載是指機(jī)器人操作臂在工作時(shí)臂端可能搬運(yùn)的物體重量或所能承受的力或力矩，它表示了桁架機(jī)器人的負(fù)載能力。機(jī)器人的載荷不僅僅取決于負(fù)載的質(zhì)量，還與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度和加速度的大小及方向有關(guān)。為了安全起見，有效負(fù)載是指高速運(yùn)行時(shí)的有效負(fù)載。
2.1.5運(yùn)動(dòng)特性
速度和加速度是表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的主要指標(biāo)。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，則其使用效率越高，生產(chǎn)水平越高。但速度越快產(chǎn)生的沖擊和震動(dòng)也越大，因此提高機(jī)器人的加減速速能力，保證機(jī)器人加速過程的平穩(wěn)性是非常重要的。對(duì)于本文中的桁架機(jī)器人，在沒有負(fù)載時(shí)可以適當(dāng)?shù)丶涌炱溥\(yùn)動(dòng)速度;而在其有負(fù)載時(shí)，末端執(zhí)行器(手爪)通常要和物體直接接觸，為了安全起見，務(wù)必要盡量減少手臂的運(yùn)動(dòng)速度?？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。
2.1.6 工作范圍（工作半徑）
工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過程中的操作范圍和運(yùn)動(dòng)的軌跡來確定的,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。
2.2 桁架機(jī)器人材料的選擇
機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的實(shí)際工作情況來進(jìn)行選擇，在滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)要求前提下。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)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料并要求有一定剛度。另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過程中往往會(huì)產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，這必然大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。所以在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、強(qiáng)度、彈性進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的運(yùn)動(dòng)性能。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。機(jī)器人手臂是要受到控制的，必須考慮它的可控性。在選擇手臂材料時(shí)，可控性還要和材料的可加工性、成本、質(zhì)量等性質(zhì)一起考慮。
總之，選擇機(jī)器人手臂的材料時(shí)，要綜合考慮強(qiáng)度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價(jià)格等多方面因素。下面介紹幾種機(jī)器人手臂常用的材料
(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;
(2)鋁、鋁合金及其它輕合金材料：其共同特點(diǎn)是重量輕、彈性模量不大，但是材料密度小，但仍可與鋼材相比;
(3)陶瓷：陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，可加工性不高，一般用于和金屬連接的特殊部位。然而，國(guó)外已經(jīng)設(shè)計(jì)出純陶瓷的桁架機(jī)器人臂了。
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。在衡量了各種因素和結(jié)合工作狀況的條件下，初步選用鋁合金作為機(jī)械臂的構(gòu)件材料。
2.3機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式
根據(jù)主要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)選擇運(yùn)動(dòng)形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。常見的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式有五種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和SCARA型。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)。具體選用哪種形式，必須根據(jù)作業(yè)要求、工作現(xiàn)場(chǎng)、位置以及搬運(yùn)前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較并擇優(yōu)選取。
考慮到桁架機(jī)器人的作業(yè)特點(diǎn)，即要求其動(dòng)作靈活、有較大的工作空間、且要求結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小等特點(diǎn)，故選用關(guān)節(jié)型桁架機(jī)器人。這類桁架機(jī)器人一般由2個(gè)肩關(guān)節(jié)和1個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)或3個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。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。這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線，如圖所示。這種構(gòu)形動(dòng)作靈活、工作空間大、在作業(yè)時(shí)空間內(nèi)手臂的干涉最小、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、關(guān)節(jié)上相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵。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。
2.4桁架機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件
在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，來獲得動(dòng)力。電氣驅(qū)動(dòng)主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)以及最近幾年出現(xiàn)的超聲波電機(jī)和HD電動(dòng)機(jī)【10】等幾種。
步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就進(jìn)行回轉(zhuǎn)一定的角度，脈沖數(shù)與角度數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序。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。在機(jī)器人中位置控制系統(tǒng)中得到了極大的應(yīng)用。主要有永磁式、反應(yīng)式、永磁感應(yīng)子式三種。
直流伺服電機(jī)是用直流電供電的電動(dòng)機(jī)。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。直流伺服電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與普通動(dòng)力用直流電機(jī)相同。特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、可控性好、響應(yīng)迅速、轉(zhuǎn)矩大。一般有永磁式和電磁式，在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機(jī)。.
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(jiǎn)單、工作可靠、功率大、過載能力強(qiáng)、無電刷、維修方便，因而交流伺服電機(jī)是今后機(jī)器人用電機(jī)的主流。
低速電機(jī)主要用于系統(tǒng)精度要求高的機(jī)器人。為了提高功率效率比，伺服電機(jī)制成高轉(zhuǎn)速，經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載。由于齒輪傳動(dòng)存在間隙，系統(tǒng)精度不易提高，若對(duì)功率效率比要求不十分嚴(yán)格，而對(duì)于精度有嚴(yán)格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機(jī)，配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測(cè)速發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。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。HD電動(dòng)機(jī)是一種小型大轉(zhuǎn)矩(大推力)的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)可直接與負(fù)載連接，可應(yīng)用在系統(tǒng)定位精度要求高的機(jī)器人產(chǎn)品中。
通過上述對(duì)幾種機(jī)器人常用電機(jī)的分析和比較，綜合考慮本文桁架機(jī)器人臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有較高精度并要求能夠快速啟動(dòng)和制動(dòng)，所以選擇應(yīng)用較為廣泛的步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
2.5 機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)
綜合考慮桁架機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)和作業(yè)環(huán)境，采用了5 個(gè)自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人。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。整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)4 自由度的串行機(jī)構(gòu)，且臂與小臂關(guān)節(jié)的軸線相互平行。這種結(jié)構(gòu)動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，工作空間大，占地面積小，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，關(guān)節(jié)需要的驅(qū)動(dòng)力矩小，能量消耗較少，關(guān)節(jié)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵。桁架機(jī)器人部件組成由、立柱回轉(zhuǎn)部件、臂、小臂、末端執(zhí)行器（噴涂頭）組成。
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。
2) 立柱是手臂的支撐部分，通過安裝在底座上的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，立柱可以在機(jī)座上轉(zhuǎn)動(dòng)。
3) 手臂包括臂和小臂，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，以實(shí)現(xiàn)空間位置的3 個(gè)坐標(biāo)分量的要求，用來支承腕關(guān)節(jié)，并使其在工作空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。為了使末端執(zhí)行器能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂和機(jī)身的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)上具有4 個(gè)自由度。
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)。手部一般是夾持裝置，主要用來夾緊作業(yè)工具。
3 桁架機(jī)器人氣爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核
手爪種類
1.連桿杠桿式手爪
這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。
2.楔塊杠桿式手爪
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。
3.齒輪齒條式手爪
這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。
4.滑槽式手爪
當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。
5.平行杠桿式手爪
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。驅(qū)動(dòng)活塞 往復(fù)移動(dòng)，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工 工件的直徑來調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來設(shè)計(jì)。
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。對(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。
b．有足夠的開閉范圍
工作時(shí)，一個(gè)手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置?？捎瞄_閉角和手指夾緊端長(zhǎng)度表示。于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)
c．力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小
作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小。
d．手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度
因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，夾緊液壓機(jī)械手，根據(jù)工件的形狀，松開時(shí)，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造方便。
液壓缸右腔停止進(jìn)油時(shí)，液壓缸右腔進(jìn)油時(shí)松開工件。
3.2結(jié)構(gòu)分析
機(jī)械手的手部是最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是用來握持工件的部件。常用的手部按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類，本課題采用夾持類手部。夾持類手部又可分夾鉗式、托勾式和彈簧式。本課題選用夾鉗式，它是工業(yè)機(jī)器人最常見的一種手部。手部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可分回轉(zhuǎn)型、平動(dòng)型和平移型。回轉(zhuǎn)型的特點(diǎn)是當(dāng)手爪夾緊和松開物體時(shí)，手指作回轉(zhuǎn)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。平動(dòng)型的特點(diǎn)是手指由平行四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，當(dāng)手爪夾緊和松開物體時(shí)，手指姿態(tài)不變，作平動(dòng)。和回轉(zhuǎn)型手爪一樣，夾持中心隨被夾持物體直徑的大小而變。平移型的特點(diǎn)是當(dāng)手爪夾緊和松開工件時(shí)，手指作平移運(yùn)動(dòng)，并保持夾持中心固定不變，不受工件直徑變化的影響。為便于夾持避免固定中心的麻煩，采用平移型，圖2-1所示的是靠導(dǎo)槽保持手指作平移運(yùn)動(dòng)。手部結(jié)構(gòu)也采用氣壓驅(qū)動(dòng)。
圖2-1 手部裝配圖
3.3計(jì)算分析
因工件運(yùn)動(dòng)速度引起視在重量增加情況下的夾緊力計(jì)算
機(jī)器人手臂停止?fàn)顟B(tài)開始的直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合，所以伴隨有速度和加速度.工件有了加速度，其視在重量就變化。設(shè)機(jī)械手手部縱向中心線上所加的驅(qū)動(dòng)力為P，P＝氣缸有效截面積×使用的氣壓×η.作用在一個(gè)指尖上的夾緊力為Q（方向沿手指的運(yùn)動(dòng)方向）.設(shè)3個(gè)手指以摩擦力3μQ，工件重量為G=mg.夾起工件要計(jì)算的是單個(gè)手指所必須的力Q.
1.垂直上升的情況
如圖2-2所示，工件以加速度a垂直上升，要使工件不掉下，下式必須成立.
得
代入數(shù)據(jù)，得
2.水平旋轉(zhuǎn)的情況
機(jī)械手部繞垂直軸以半徑r作水平旋轉(zhuǎn)，工件夾緊面與旋轉(zhuǎn)圓弧切線方向平行，如圖2-3所示。
切線方向：
主法線方向：
副法線方向：
聯(lián)立上式，求解得
代入數(shù)據(jù)，得
后指：
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
代入數(shù)據(jù)，得
圖2-4 工件水平直進(jìn)時(shí)受力分析圖
綜上所述，得
由于考慮到設(shè)計(jì)的機(jī)械手的安全問題，應(yīng)再乘上一個(gè)安全系數(shù)S。
夾緊力Q與壓強(qiáng)的關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，如圖2-5所示。
由設(shè)計(jì)要求得知夾持長(zhǎng)度L＝25mm,根據(jù)圖可知所加的壓強(qiáng)約為0.5MPa.
水平方向運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件的計(jì)算
3.4電機(jī)計(jì)算
（1）選擇步進(jìn)電機(jī)
齒輪齒條工作時(shí)，需要克服摩擦阻力矩、工件負(fù)載阻力矩和啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩。
根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式[15]：
（3.1）
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（3.6）
（3.7）
（3.8）
式中：
—偏轉(zhuǎn)所需力矩（N·m）；
—摩擦阻力矩（N·m）；
—負(fù)載阻力矩（N·m）；
—啟動(dòng)時(shí)慣性阻力矩（N·m）；
—工件負(fù)載對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；
—對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；
—偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；
—質(zhì)量（kg）；
—負(fù)載質(zhì)量（kg）；
—啟動(dòng)時(shí)間（s）；
—部分材料密度（kg/m3）；
—末端的線速度（m/s）。
根據(jù)已知條件：kg，m/s，m，m，m，s，采用的材料假定為鑄鋼，密度kg/m3。
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：
kg
r/s
kg·m2
kg·m2
N·m
N·m
N·m
因?yàn)閭鲃?dòng)是通過齒輪齒條實(shí)現(xiàn)的，所以查取手冊(cè)[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(duì)）；
齒輪齒條傳動(dòng)效率；
計(jì)算得傳動(dòng)的裝置的總效率。
電機(jī)在工作中實(shí)際要求轉(zhuǎn)矩 N·m （3.9）
根據(jù)計(jì)算得出的所需力矩，結(jié)合北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的90系列的五相混合型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線，如圖3.3和圖3.4所示,選擇90BYG5200B-SAKRML-0301型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。
圖3.3 90BYG步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
圖3.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線
3.5齒輪齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算
1. 選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
a. 選直齒圓柱齒輪;
b. 貨叉為一般工作機(jī)械，速度不高，故選用7級(jí)精度（GB/0095-88）;
c. 材料選擇。選擇齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，齒條材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS；
d. 初選齒輪齒數(shù)為Z=20。
2. 按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算
設(shè)計(jì)公式為dt≧2.32 (4-3-1)
a. 確定公式內(nèi)各參數(shù)的值。
（1）.試選載荷系數(shù)Kt=1.2
(2).計(jì)算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
T= (4-3-2)
=1.47*N.mm
(3).選齒寬系數(shù)=0.45
（4）.查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8
(5).按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，齒條的接觸疲勞強(qiáng)度極限
（6）取齒輪接觸疲勞壽命系數(shù)kH=0.90, 齒條接觸疲勞壽命系數(shù)kH=0.95
（7）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1，安全系數(shù)S=1，由公式=求得：齒輪的接觸疲勞許用應(yīng)力=540MPa,齒條的接觸疲勞許用應(yīng)力=522.5Mpa。
b. 按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算
(1) 計(jì)算齒輪的分度圓直徑dt≧2.32 (4-3-3)
=2.32
=36.5mm
（2）.計(jì)算圓周速度v= (4-3-4)
=
=0.05m/s
（3）.齒寬b=*dt=0.45*36.5=16.425mm (4-3-5)
(4).計(jì)算齒寬與齒高之比
模數(shù) mt==36.5/20=1.825mm (4-3-6)
齒高 h=2.25mt=2.25*1.825=4.11mm (4-3-7)
=16.425/4.11=3.996
（5）.計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)v=0.05m/s,7級(jí)精度，由圖可查得動(dòng)載系數(shù)Kv=1.002
直齒輪，KH=KF=1
由表查得使用系數(shù)KA=1.25
由表查得7級(jí)精度，齒輪懸臂布置時(shí)，KH=1.189
由=3.996，KH=1.189，查得KF=1.14；故載荷系數(shù)
K=KAKvKHKH=1.002*1*1.25*1*1.189=1.489 (4-3-8)
（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=dt=36.5=39.222mm (4-3-9)
(7).計(jì)算模數(shù)m m=d/z=39.222/20=1.96mm (4-3-10)
3.按齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算
彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 m≧ (4-3-11)
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；齒條的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
（2）.查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.83；齒條的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN2=0.88；
（3）.計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由公式得：
齒輪的許用應(yīng)力===296.43Mpa (4-3-12)
齒條的許用應(yīng)力===238.86Mpa (4-3-13)
(4).計(jì)算載荷系數(shù)K
K=KAKvKFKF=1.002*1.25*1*1.14=1.428 (4-3-14)
(5).查取齒形系數(shù)
查得齒輪的齒形系數(shù)YFa=2.80
(6).查取應(yīng)力校正系數(shù)
查得YSa=1.55
(7).計(jì)算
==0.01464 (4-3-15)
b. 設(shè)計(jì)計(jì)算
m≧ (4-3-16)
=
=1.51mm
對(duì)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)1.51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=39.222mm，算出齒輪齒數(shù)z=d/m=39.222/2 =20
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)。
4.幾何尺寸的計(jì)算
a.計(jì)算分度圓直徑
d=mz=2*20=40mm (4-3-17)
b．計(jì)算齒輪齒條寬度
b=*d=0.45*40=18mm, (4-3-18)
取齒輪寬度B=17mm,齒條寬度為B=16mm.
c.計(jì)算齒頂圓直徑
da=d+2ha*m=40+2*2=44mm (4-3-19)
d.計(jì)算齒根圓直徑
df=d-2(ha+c)m=40-2*1.25*2=35mm (4-3-20)
e.計(jì)算齒輪齒條的節(jié)距
P=m=2 (4-3-21)
f.計(jì)算齒頂高
ha=m=1*2=2 (4-3-22)
g.計(jì)算齒根高
hf=(+)m=(1+0.25)*2=2.5 (4-3-22)
豎直方向運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件的計(jì)算
步進(jìn)電機(jī)的選型
計(jì)算所需的轉(zhuǎn)矩：
（N·m） (3.1)
（N·m） (3.2)
（rad/s） (3.3)
（N·m） (3.4)
(kg·m2) (3.5)
(3.6)
式中：
——臂轉(zhuǎn)動(dòng)所需的轉(zhuǎn)矩（N·m）；
——臂轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性轉(zhuǎn)矩(N·m)；
——摩擦所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩(N·m)；
——臂的長(zhǎng)度（mm），mm；
——臂材料的密度（kg/m3），kg/m3；
——臂的外寬（mm），mm；
——臂的外長(zhǎng)（mm），mm；
——臂的內(nèi)寬（mm），mm；
——臂的內(nèi)高（mm），mm；
——旋轉(zhuǎn)中心的偏移量（mm），mm；
——臂擺動(dòng)的角速度 （rad/s）；
——工作速度（m/s），m/s；
——啟動(dòng)時(shí)間（s），=0.5s；
——電機(jī)安裝位置，mm。
設(shè)臂為實(shí)心時(shí)的質(zhì)量為，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為；用臂材料填充臂空心部分所需的質(zhì)量為，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為。
代入數(shù)據(jù)得：
kg
kg
kg
同理有：kgm2 kgm2 kgm2
rad/s
N·m
N·m
N·m
N
圖3.4是北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司部分110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)。
圖3.4 110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)
所以根據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù)選擇110BYG350DH-SAKRMA型號(hào)的電機(jī)，圖3.5是110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)說明。
圖3.5 110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)說明
110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸，如圖3.6所示。
圖3.6 110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸
110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線，如圖3.7所示。
圖3.7 110BYG350DH型電機(jī)矩頻特性曲線
3. 選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
e. 選直齒圓柱齒輪;
f. 貨叉為一般工作機(jī)械，速度不高，故選用7級(jí)精度（GB/0095-88）;
g. 材料選擇。選擇齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，齒條材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS；
h. 初選齒輪齒數(shù)為Z=20。
4. 按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算
設(shè)計(jì)公式為dt≧2.32 (4-3-1)
c. 確定公式內(nèi)各參數(shù)的值。
（1）.試選載荷系數(shù)Kt=1.2
(2).計(jì)算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
T= (4-3-2)
=1.47*N.mm
(3).選齒寬系數(shù)=0.45
（4）.查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8
(5).按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，齒條的接觸疲勞強(qiáng)度極限
（6）取齒輪接觸疲勞壽命系數(shù)kH=0.90, 齒條接觸疲勞壽命系數(shù)kH=0.95
（7）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1，安全系數(shù)S=1，由公式=求得：齒輪的接觸疲勞許用應(yīng)力=540MPa,齒條的接觸疲勞許用應(yīng)力=522.5Mpa。
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≧2.32 (4-3-3)
=2.32
=36.5mm
（2）.計(jì)算圓周速度v= (4-3-4)
=
=0.05m/s
（3）.齒寬b=*dt=0.45*36.5=16.425mm (4-3-5)
(4).計(jì)算齒寬與齒高之比
模數(shù) mt==36.5/20=1.825mm (4-3-6)
齒高 h=2.25mt=2.25*1.825=4.11mm (4-3-7)
=16.425/4.11=3.996
（5）.計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)v=0.05m/s,7級(jí)精度，由圖可查得動(dòng)載系數(shù)Kv=1.002
直齒輪，KH=KF=1
由表查得使用系數(shù)KA=1.25
由表查得7級(jí)精度，齒輪懸臂布置時(shí)，KH=1.189
由=3.996，KH=1.189，查得KF=1.14；故載荷系數(shù)
K=KAKvKHKH=1.002*1*1.25*1*1.189=1.489 (4-3-8)
（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=dt=36.5=39.222mm (4-3-9)
(7).計(jì)算模數(shù)m m=d/z=39.222/20=1.96mm (4-3-10)
3.按齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算
彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 m≧ (4-3-11)
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；齒條的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
（2）.查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.83；齒條的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN2=0.88；
（3）.計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由公式得：
齒輪的許用應(yīng)力===296.43Mpa (4-3-12)
齒條的許用應(yīng)力===238.86Mpa (4-3-13)
(4).計(jì)算載荷系數(shù)K
K=KAKvKFKF=1.002*1.25*1*1.14=1.428 (4-3-14)
(5).查取齒形系數(shù)
查得齒輪的齒形系數(shù)YFa=2.80
(6).查取應(yīng)力校正系數(shù)
查得YSa=1.55
(7).計(jì)算
==0.01464 (4-3-15)
b. 設(shè)計(jì)計(jì)算
m≧ (4-3-16)
=
=1.51mm
對(duì)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)1.51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=39.222mm，算出齒輪齒數(shù)z=d/m=39.222/2 =20
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)。
4.幾何尺寸的計(jì)算
a.計(jì)算分度圓直徑
d=mz=2*20=40mm (4-3-17)
b．計(jì)算齒輪齒條寬度
b=*d=0.45*40=18mm, (4-3-18)
取齒輪寬度B=17mm,齒條寬度為B=16mm.
c.計(jì)算齒頂圓直徑
da=d+2ha*m=40+2*2=44mm (4-3-19)
d.計(jì)算齒根圓直徑
df=d-2(ha+c)m=40-2*1.25*2=35mm (4-3-20)
e.計(jì)算齒輪齒條的節(jié)距
P=m=2 (4-3-21)
f.計(jì)算齒頂高
ha=m=1*2=2 (4-3-22)
g.計(jì)算齒根高
hf=(+)m=(1+0.25)*2=2.5 (4-3-22)
齒條齒部彎曲強(qiáng)度的計(jì)算
齒條牙齒的單齒彎曲應(yīng)力：
式中： ——齒條齒面切向力
b—— 危險(xiǎn)截面處沿齒長(zhǎng)方向齒寬
——齒條計(jì)算齒高
S ——危險(xiǎn)截面齒厚
從上面條件可以計(jì)算出齒條牙齒彎曲應(yīng)力：
=451.16N/mm
上式計(jì)算中只按嚙合的情況計(jì)算的，即所有外力都作用在一個(gè)齒上了，實(shí)際上齒輪齒條的總重合系數(shù)是2.63（理論計(jì)算值），在嚙合過程中至少有2個(gè)齒同時(shí)參加嚙合，因此每個(gè)齒的彎曲應(yīng)力應(yīng)分別降低一倍。
= 182.2N/mm
齒條的材料我選擇是 45剛制造，因此：
抗拉強(qiáng)度 690N/mm (沒有考慮熱處理對(duì)強(qiáng)度的影響)。
齒部彎曲安全系數(shù)
S = / = 3.8
因此，齒條設(shè)計(jì)滿足彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。又滿足了齒面接觸強(qiáng)度，符合本次設(shè)計(jì)的具體要求。
3.6 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇
根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：
（1）選BR直線滾動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)軌,E級(jí)精度.查得,fh=1,ft=1,fc=0.81,fα=1,fw=1.
（2）工作壽命每天8小時(shí)，連續(xù)工作5年，250/年,額定壽命為:
Lh=5×250×8=10000 h,每分鐘往復(fù)次數(shù)nz=8
L=(2lsnz60Lh)/(103)=(2×0.31×8×60×38400)/ (103)=11428Km
計(jì)算四滑塊的載荷,工作臺(tái)及其物重約為4000N
計(jì)算需要的動(dòng)載荷Cα
P=110/4