垂直多关节机器人臂部和手部设计论文.doc

. 垂直多关节机器人臂部和手部设计摘要:由于关节型机器人具有传动原理简单、结构凑紧、所占空间体积小、相对的工作空间大，还能绕过基座周围的一些障碍物等特点。综合以上几点考虑，以与为了提高生产效率和降低劳动强度，满足特定的工作要求，课题设计的机器人为垂直多关节机器人，采用了直流伺服电机驱动，通过一系列的轴和齿轮传动顺利实现了腕部的旋转与摆动，手爪的自动抓取与放松工件运动。为了使整个机构结构紧凑，合理布置了电动机、轴和齿轮，设计了齿轮和轴的结构，并进行了强度校核计算。由于驱动电机的个数与手臂自由度的个数是紧密联系的，因此减少电机的数量不但能减小机械手臂的重量，而且还会简化整个系统的动力学与运动学的分析。传动中采用了软轴、波纹管联轴器、传动轴和两对齿轮传动。在选材方面,为了使机器人重量较轻,以与腕部能够灵活的运动,故选取轻型材料,我所设计的机器人的材料为铸造铝合金中的铝铜合金。该机器人手臂具有刚性好、传动精度高、重量轻的特点。设计多采用了标准件和常用件，降低了设计和制造的成本。关键词:垂直多关节机器人；伺服电机；齿轮传动；手臂The Design of arm and hands for Vertical multi-joint robot Abstract:As the joint coordinates robot with a simple principle, the structure together tight, has the small space, compared to the work of a large space, can bypass obstacles around the base some characteristics. As the above considerations, and in order to improve production efficiency and reduce labor intensity, to meet specific work requirements, This designed robot is vertical multi-joint robot , using a DC servo motor, Through a series of shafts and gears realizated wrist rotation and swinging, and the movement of Auto-Hand crawls and relax.In order to make the entire structure is compact, rational layout the motor shaft and the gear, design the structure of the gear and shaft, and the strength verification.Due to the number of motor-driven and the number of degrees of freedom of arms are closely linked, thus reducing the number of motor not only reduce the weight of the arm, but also it will simplify the analysis of the whole system dynamics and kinematics. The transmission of the design has used the flexible shaft, bellows couplings, wrist and two pairs of gear drive. In the choice of material, in order to make the robot weight lighter and the wrist can movements Agile. so selection of light materials,I have designed materials of robot is aluminum-copper alloy of cast aluminum alloy . This robots arm has superity of good rigidity, precise transmission and weight lighter. So the designmostly used the standard parts and common parts, reduced the cost of the design and the production.Key words: Vertical multi-joint robot；servo motor ；transmission of gears ；arm毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名： 日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名： 日 期：学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录1 前言11.1课题来源11.2 技术要求与预期效果11.3 本课题要解决的主要问题与设计总体思路11.4 国外研究现状与发展状况11.4.1 研究现状11.4.2 发展趋势22 总体方案设计42.1 机械结构类型的确定42.2 传动方案的确定42.3 工作空间的确定52.4 手腕结构的确定52.5 驱动装置的选择62.5.1 机器人驱动方案的分析和选择62.5.2 手腕电机的选择72.5.3 传动比的确定与分配83 齿轮的设计93.1齿轮强度的设计与校核93.1.1第一级圆柱齿轮传动设计93.1.2 第二级圆锥齿轮传动设计124 轴的设计154.1 转腕传动轴的选择154.2 摆腕传动轴的设计154.2.1 圆柱齿轮轴的设计154.2.2 轴的强度校核164.2.3 圆锥齿轮轴的设计204.2.4 手腕连接轴的设计214.2.5 大臂小臂连接轴的设计225 轴承的设计235.1 轴承的选择235.2轴承的寿命计算236 其它零部件的选用256.1 键连接的选用256.2 壳体的设计256.3 机器人手臂材料的选择256.4 机器人臂部连接件的选用257 关节型机器人的位姿分析278结论31参考文献32致33附录341 前言1.1课题来源本课题设计的是垂直多关节型机器人臂部与手部的设计，主要是臂部和腕部的结构设计与其零件设计。此课题来源于生产实际，是针对目前手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练程度要求高，因此采用机器人技术，可以实现焊接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程的自动化和改善劳动条件。1.2 技术要求与预期效果根据设计要达到以下要求：a. 最大搬运重量：5kg；b. 最大工作围：850mm；c. 标准周期：0.59sec； d. 重复定位精度：mm；e. 生产纲领：大批大量。此次设计的垂直多关节机器人可以实现大臂小臂的旋转,手腕的旋转与摆动以与手爪的自动抓取与放松工件运动。此装置应用在焊接生产线上将大大提高生产效率和加工质量，降低了工人的劳动强度，能够带来可观的经济效益。1.3 本课题要解决的主要问题与设计总体思路 本课题要解决的问题有以下三个：a. 手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部的结构紧凑，减少重量和体积；b. 提高手腕动作的精确性；c. 三个自由度的实现。 针对上述问题有了以下设计思路：a.对于分离传动采用传动轴。b. 腕部机构的驱动装置采用分离传动，将2个驱动器安置在小臂的后端。c. 驱动电机1经联轴器与传动轴来驱动小臂壳体的回转运动。驱动电机2经传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动来带动手腕作偏摆运动。d.手部的驱动电机安装在手腕部，以此来减轻手部的重量，让手爪能够作灵活的运动，此传动装置采用螺旋传动来带动手爪的抓取与放松工件运动。1.4 国外研究现状与发展状况1.4.1 研究现状自上世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛发展，机器人技术也得到了飞速发展。原本用于生产制造的工业机器人水平不断提高，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人的各种功能被相继开发并得到不断增强，机器人的种类不断增多，机器人的应用领域也从最初的工业控制拓展到各行各业，从军事到民用，从天上到地下，从工业到农业、林、牧、渔，从科研探索到医疗卫生行业，从生产领域到娱乐服务行业，甚至还进入寻常百姓家。工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中。焊接机器人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使焊枪的空间位置和姿态调至任意状态，以满足焊接需要。理论上讲，机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。因为焊接过程中往往需要把以空间直角坐标表示的工件上的焊缝位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态，再通过机器人逆运动学计算转换为对机器人每个关节角度位置的控制，而这一变换过程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何选取最合适的解对机器人焊接过程中运动的平稳性很重要。不同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽一样。       一般来讲，具有6个关节的机器人基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求，其中3个自由度(XYZ)用于控制焊枪端部的空间位置，另外3个自由度(ABC)用于控制焊枪的空间姿态。因此，目前的焊接机器人多数为6关节式的。进入21世纪，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，但制造业依然是世界各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。我国是一个制造业大国，尚处于工业化进程之中，在未来相当长的时期里，制造业仍将在国民经济中占主导地位。在新一轮国际产业结构调整中，我国正逐步成为世界最重要的制造业基地之一。然而目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距，尤其是在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等方面差距更大，这种差距又主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差，成套与系统集成、优化能力差，技术创新和集成创新能力差。这些差距已经成为制约我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。1.4.2 发展趋势工业机器人技术发展与应用水乳交融。在第一代工业机器人普与的基础上，第二代已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重。以应用为龙头拉动工业机器人技术的发展，其重点发展领域与技术特点体现在下述方面：A机械结构    a. 以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的l3(目前世界工业机器人总数约为750000台)，90年代初开发的适用于窄小空间、快节奏、360度全工作空间围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上、下料。   b.应3K(炼钢、炼铁、铸锻)行业和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。如焊接数十米长、l0吨以上大构件的弧焊机器人群；采取蚂蚁啃骨头的协作机构。c. 己普遍采用CAD、CAE等技术用于设计、仿真与制造中。B. 控制技术a. 大多数采用32位CPU，控制轴多达27轴，NC技术和离线编程技术大量采用。b. 协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。 c. 基于PC的开放式结构控制系统由于成本低并具有标准现场网络功能，己成为一股潮流。C. 驱动技术上世纪.80年代发展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。日本23家机器人公司于1998年生产的167种型号机器人产品，其中采用AC伺服驱动的有156种，占93.4。直接驱动技术则广泛用于装配机器人中。新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合，已由日本FANUC 公司开发并用于工业机器人中；在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。D. 智能化的传感器多有应用在上述167种机型中，装有视觉传感器的有94种，占56.3，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留下了多种传感器接口。E. 高速、高精度、多功能化目前所知最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s;高精度机器人的位置重复性为正负0.01mm.有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度达80m/s;而另一种并联机构的NC机器人，其位置重复性达l um。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能。最近瑞典Neos公司开发出一种高精度、高可靠性的可切割、钻孔、铣削、磨削、装配、搬运的多功能机器人，用于多家著名汽车厂和飞机公司。F. 集成化与系统化1998年ABB公司推出IRbl400系列小机器人，其循环时间只有0.4s，控制器包括软件、高压电、驱动器、用户接口等皆集成于一柜，只有洗衣机变换器那样大小。FANUC公司2000年9月宣称它的控制器为世界最小。工业机器人的应用从单机、单元向系统发展。多达百台以上的机器人群与微机与周边智能设备和操作人员形成一个大群体(多智能体)。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。2 总体方案设计2.1 机械结构类型的确定为实现总体机构在空间位置提供的6个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题的要求现可以将其设计成关节型机器人。关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点是工作空间围大，动作灵活，通用性强、能抓取近距离的物体，工艺操作精度高。2.2 传动方案的确定图2-1是机器人小臂与腕部机械传动系统的简图。机械传动系统共有4个齿轮，为了实现在同一平面改变传递方向90°,有2个齿轮为圆锥齿轮,有利于简化系统运动方程式的结构形式。如果采用蜗轮蜗杆结构,则必然以空间交叉方式变向,就不利于简化系统运动方程式的结构形式。其中有2个齿轮为直齿圆柱齿轮，用于减速。小臂的结构形式是由部铝制的整体铸件骨架与外表面很薄的铝板壳相互胶接而成。关节4电机安装在小臂后面用于带动传动轴与齿轮的旋转来实现手腕的摆动；关节5电机也安装在小臂后面，其后紧跟传动轴用于实现手腕的旋转；关节6电机安装在手腕里，用螺旋传动来实现手爪的夹紧与放松运动，当电机正转时给杠杆施加一个向上的力来实现放松工件运动，相反，电机反转来实现夹紧工件运动。图2-1小臂腕部传动原理图2.3 工作空间的确定工作空间是机器人学中一个重要的研究领域。但在实际应用中，可以简化这一问题，把工作空间看作是机器人操作机正常运行时，手腕参考点（如定位机构的轴线正交，取交点为参考点）在空间的活动围，或者说该点可达位置在空间所占有的体积。根据关节型机器人的结构确定工作空间，工作空间是指机器人正常工作运行时，手腕参考点能在空间活动的最大围，是机器人的主要技术参数。图2-2 机器人的工作空间位置图2.4 手腕结构的确定手腕是操作机的小臂（上臂）和末端执行器（手爪）之间的联接部件。其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端执行器的姿态。故手腕也称作机器人的姿态机构。对一般商用机器人，末杆（即与末端执行器相联接的杆）都有独立驱动的自转功能，若该杆再能在空间取任意方位，那么与之相联的末端执行器就可在空间取任意姿态，即达到完全灵活的境地。对于任一杆件的姿态（即方向），可用两个方位角确定，如图2-3所示。图2-3末杆姿态示意图-大臂-小臂-末杆 在图2-3中末杆Ln的图示姿态可以看作是由处于方向的原始位置先绕在平面转角，然后再向上转角得到的。可见是由两角决定了末杆的方向（姿态）。从理论上讲，如果，则末杆在空间取任意方向。如果末杆的自转角（即）也满足，就说该操作机具有最大的灵活度，即可自任意方向抓取物体并可把抓取的物体在空间摆成任意姿态。为了定量的说明操作机抓取和摆放物体的灵活程度，定义组合灵度（dex)为： (2-1)上式取加的形式但一般不进行加法运算，因为分开更能表示机构的特点。腕结构最重要的评价指标就是dex值。若为三个百分之百，该手腕就是最灵活的手腕。一般说来、的最大值取，而值可取的更大一些，如果拧螺钉，最好无上限。 腕结构是操作机中最为复杂的结构，而且因传动系统互相干扰，更增加了腕结构的设计难度。腕部的结构设计要：重量轻，dex的组合值必须满足工作要求并留有一定的裕量（约5%-10%），传动系统结构简单并有利于小臂对整机的静力平衡。2.5 驱动装置的选择2.5.1 机器人驱动方案的分析和选择通常的机器人驱动方式有以下三种：a. 电动驱动电动驱动器是目前使用最广泛的驱动器。它的能源简单，速度变化围大，效率高，但它们多与减速装置相连，直接驱动比较困难。电动驱动器又分为直流（DC）、交流（AC）伺服电机驱动。后者多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。b. 液压驱动器液压驱动的主要优点是功率大，结构简单，可省去减速装置，能直接与被驱动的杆件相连，响应快，伺服驱动具有较高的精度，但需要增设液压源，而且易产生液体泄露，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。c. 气动驱动器气动驱动器的能源，结构都比较简单，但与液压驱动器相比，同体积条件下功率较小（因压力低），而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制系统 。通过比较以上三种驱动方式，因此本课题的机器人将采用电动驱动器中的直流伺服电动机与步进电动机。因为直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大与快速响应等特点，并且控制技术成熟。其安装维修方便，成本低。而交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。2.5.2 手腕电机的选择a. 摆腕电机的选择手腕的最大负荷重量初估腕部的重量，最大运动速度V=2m/s，则功率取安全系数为1.2，考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率又因为标准周期T=0.59sec，即；则所需电机的输入转速为；所以选取宽调速永磁直流伺服电动机其技术参数见表2-1。表2-1 SZYX82宽调速永磁直流伺服电机技术参数规格型号额定功率额定转矩额定电压SZYX820.2KW1.35N.M48V最高电流最高转速允许转速差10%转动惯量5.4A1500r/min150292kg.cm.s该电机具有精度高，响应快，调速围宽，加速度大，力矩波动小，线性度好，过载能力强等特点。b. 转腕与腕部电机的选择根据设计要求转腕部分的电机后紧跟输出轴和联轴器，直接带动手腕旋转，故在此应选择转速较低的型号电机，又由于要求手腕的重量较轻，便于灵活的实现运动，因此要求腕部电机较小，故选SH直流伺服电动机型，其安装尺寸为42mm，电机重量仅为0.35Kg，可容许速度围为0 250r/min，详细参数见表2-2。表2-2.SH直流伺服电机技术参数单转轴保持转矩转动惯量额定电流电压线圈电阻PK243A1-SG7.21.2N.M35x10kgm2.4A12V5基本步距角减速比容许转矩容许速度围电机重量0.251:7.20.8N.M0-250r/min0.35kg电枢电阻：Rs=0.5×(Un/In-Pn/In) ×，求得：Pn=13.8W。取P=15W, T=9550P/n。求得n=119.4 r/min 。2.5.3 传动比的确定与分配a. 传动比的确定由电动机的转速可知所需的总传动比为i=10。b. 传动比的分配传动比分配时要充分考虑到各级传动的合理性，以与齿轮的结构尺寸，要做到结构合理。因此摆腕传动比分配为：摆腕总的传动比10，该传动为两级传动，第一级传动为圆柱齿轮传动，传动比2，第二级传动为圆锥齿轮传动，传动比。3 齿轮的设计3.1齿轮强度的设计与校核3.1.1第一级圆柱齿轮传动设计齿轮材料采用45号钢，锻造毛坯，小齿轮调质处理，表面硬度为210HBS；大齿轮正火处理后齿面硬度为180HBS，因载荷平稳，齿轮速度不高，初选齿轮精度等级为7级。取。a. 设计准则先按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b. 按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 (3-1)式中，-载荷系数,取；-齿宽系数，取，；-材料系数，取。小齿轮传递扭矩 (3-2)大小齿轮的接触疲劳强度极根应力为： ；选择材料的接触疲劳极根应力为： ；应力循环次数N由下列公式计算可得 （3-3）则 接触疲劳寿命系数,；弯曲疲劳寿命系数；接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数。许用接触应力和许用弯曲应力：将有关值代入（3-1）得：计算圆周速度:计算载荷系数:动载荷系数Kv=1.0；使用系数；动载荷分布不均匀系数；齿间载荷分配系数，则。修正 ； ；取标准模数。 c. 计算基本尺寸取d. 校核齿根弯曲疲劳强度齿形系数，取，校核两齿轮的弯曲强度（3-4）=3.7MPa<所以齿轮完全达到要求。由于小齿轮分度圆直径较小，考虑到结构，将小齿轮做成齿轮轴。圆柱齿轮的几何参数见表3-1。表3-1圆柱齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高齿顶圆直径齿根圆直径基圆直径齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙3.1.2 第二级圆锥齿轮传动设计齿轮材料采用45号钢，小齿轮调质处理表面硬度为210HBS；大齿轮正火处理后齿面硬度为180HBS，齿轮精度等级为7级。取。a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b. 按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度的设计表达式 (3-5)其中， 取，；，；选择材料的接触疲劳极根应力为： ； 选择材料的接触疲劳极根应力为： ； 应力循环次数N由下式计算可得则 接触疲劳寿命系数,；弯曲疲劳寿命系数；接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数,又，试选。许用接触应力和许用弯曲应力：将有关值代入（3-5）得：则 动载荷系数；使用系数；齿向载荷分布不均匀系数；齿间载荷分配系数取，则。修正取标准模数。 c.计算基本尺寸d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数，取。校核两齿轮的弯曲强度（3-6）所以齿轮完全达到要求。由于小齿轮的分度圆直径较小，所以作成齿轮轴。表3-2圆锥齿轮的几何参数名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿顶圆直径齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽4 轴的设计轴的结构决定于受力情况、轴上零件的布置和固定方式、轴承的类型和尺寸、轴的毛坯，制造和装配工艺、以与运输、安装等条件。轴的结构，应使轴受力合理，避免或减轻应力集中，有良好的工艺性，并使轴上零件定位可靠、装配方便。对于要求刚度大的轴，还应该从结构上考虑减少轴的变形。4.1 转腕传动轴的选择转腕的传动轴根据联轴器选：轴径d=20 mm ，根据结构取轴长l=255mm。由于要实现转腕，工作时要求彼此有相对运动的空间传动所以转腕的传动轴采用软轴。软轴通常由钢丝软轴、软管、软轴接头和软管接头等几部分组成。a. 钢丝软轴由几层弹簧钢丝紧绕在一起构成的。每层又由若干根钢丝组成。相邻钢丝层的缠绕方向相反。b. 软管用来保护钢丝软轴，以免与外界的机件接触，并保存润滑剂和防止尘垢侵入；工作时软管还起支撑作用。c. 软轴接头用以连接动力输出轴与工作部件d. 软管接口用以连接传动装置与工作部件的机体，有时也是软轴接头的轴承座。在使用软轴的时候要注意钢丝软轴必须定时涂润滑脂，不得使软轴的弯曲半径小于允许最小半径。4.2 摆腕传动轴的设计4.2.1 圆柱齿轮轴的设计由于主轴传递的功率不大，对其重量和尺寸也无特殊要求，故选常用材料45钢，调质处理。a. 初估轴径， C=106117,取C=106则 （4-1）=5.4mmb. 各段轴径的确定 初估轴径后，就可按照轴上零件的安装顺序从处开始逐段确定轴径，上面计算的是轴段1的直径，由于轴段1上安装联轴器，因此轴段1处直径的确定和联轴器型号同时进行。这次选用的是波纹管连轴器。故取轴径22mm。在轴段2上要安装轴承，其直径应该便于轴承安装，又应该符合轴承径系列，即轴段2处的直径应与轴承型号的选择同时进行。现取角接触球轴承型号为7205，其径25mm。通常一根轴上的两个轴承取一样型号，故取轴段6的直径25mm。轴段3上用轴肩固定轴承，故取30mm。轴段4上作成齿轮轴，尺寸与齿轮一样。根据结构确定轴段5的直径30mm。c. 各轴段长度的确定各轴段长度主要根据轴上零件的毂长或轴上零件配合部分的长度确定。另一些轴段长度，除与轴上零件有关外，还与箱体与轴承盖等零件有关。根据联轴器选取轴段一的长度，此时又要考虑此段轴长不应与大臂和小臂连接处的轴在工作时相互干涉，因此选取此段轴长。根据轴承宽度取 。根据结构 ，。图4-1圆柱齿轮轴的结构设计草图4.2.2轴的强度校核轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准则是满足轴的强度或刚度要求。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载与应力情况，采取相应的方法，并恰当地选取其许用应力，对于用于传递转矩的轴应按扭转强度条件计算，对于只受弯矩的轴（心轴）应按弯曲强度条件计算，两者都具备的按疲劳强度条件进行精确校核等。图4-2轴的受力分析和弯扭矩图a 轴上的转矩T主轴上的传递的功率： （4-2）求作用在齿轮上的力：b 画轴的受力简图 轴的受力如图4-2所示。c 计算轴的支撑反力在水平面上在垂直面上d 画弯矩图 弯矩图如图4-2所示。在水平面上，剖面左侧剖面右侧在垂直面上 合成弯矩，剖面左侧剖面右侧e 画转矩图,见图4-2f. 判断危险截面截面左右的合成弯矩左侧相对右侧大些，扭矩为T，则判断左侧为危险截面，只要左侧满足强度校核就行了。g.轴的弯扭合成强度校核 ，则 。截面左侧h. 轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度 ，弯曲疲劳强度，剪切疲劳极限，等效系数， 。 截面左侧查得，；查得绝对尺寸系数，；轴经磨削加工，表面质量系数 。则弯曲应力 应力幅 平均应力 切应力 安全系数 查许用安全系数，显然，则剖面安全。其它轴用一样方法计算，结果都满足要求。4.2.3 圆锥齿轮轴的设计由于此轴传递的功率不大，对其重量和尺寸也无特殊要求，故选常用材料45钢，调质处理。a. 初估轴径， C=106117,取C=106根据电动机的转速和额定功率可知与圆柱齿轮轴相啮合的大齿轮的转速为则根据公式4-1可得：=6.8mmb. 各段轴径的确定初估轴径后，就可按轴上零件的安装顺序，从dmin处开始逐段确定直径。轴段1为外螺纹部分此段螺纹用于安装挡板与螺栓，以便于对齿轮作轴向固定故取，轴段2安装齿轮，根据齿轮的几何尺寸故取并在此段轴上开设键槽以便于对轴上齿轮作周向固定。轴段3作为轴肩，对轴段2处安装的齿轮作轴向固定，故取轴段4,6处安装轴承，根据要求选用7205型号的轴承，根据轴承型号与轴径的大小同时选择故确定轴段4和轴段6的直径为。轴段5处用于安装套筒以便对轴上安装的轴承进行轴向固定故取。轴段7用作轴肩以此来用于对轴承作轴向固定故取。轴段8处为锥齿轮部分，根据以上的设计计算可知此处轴径。c. 各轴段长度的确定轴段1上装M12的螺栓和挡板，故取。轴段2处装齿轮，其长度与齿轮的宽度一样，故取。轴段3处利用轴肩作轴向固定，取。轴段4与轴段6处装轴承，取，。轴段5处装套筒，其长度为套筒的长度，故取。轴段7处作轴肩，取。轴段8处为锥齿轮部分，其长度。为保证轴承7205圈端面紧靠定位轴肩的端面，根据轴承手册推荐，取轴肩圆角半径为0.6mm。为方便加工，其它轴肩圆角半径均取1mm。图4-3圆锥齿轮轴的结构设计草图4.2.4 手腕连接轴的设计由于此轴传递的功率不大，对其重量和尺寸也无特殊要求，故选常用材料45钢，调质处理。a. 初估轴径，C=106117,取C=106根据电动机的转速和额定功率可知与手腕箱体连接轴的转速为则根据公式4-1可得： 106=11.6mmb. 各段轴径的确定初估轴径后，就可按轴上零件的安装顺序，从dmin处开始逐段确定直径。轴段1为外螺纹部分此段螺纹用于安装挡板与螺栓，以便于作轴向固定故取，取轴段2处，并在此处开设键槽用来传递扭矩其尺寸为。轴段3处安装轴承，根据要求选用7205型号的轴承，并在轴的另一段安装大锥齿轮，也在此处开设键槽用来传递扭矩其尺寸为，根据轴承型号与轴径的大小同时选择故取。轴段4用作轴肩以此来用于对大锥齿轮作轴向固定故取。轴段5处用来安装7205轴承,轴承径与轴径的大小取同一尺寸，故取。c. 各轴段长度的确定轴段1上装M12的螺栓和挡板，故取。轴段2处装键槽，用于传递扭矩，其键槽尺寸为，其长度取。轴段3处装轴承与大锥齿轮，中间用套筒对其轴向固定，对大锥齿轮进行周向固定的键取尺寸为，故取。轴段4处利用轴肩作轴向固定，取。由于轴承应成对使用，所以轴段5处装轴承，其类型代号与轴段3处一样，因此故取。图4-4手腕连接轴的结构设计草图4.2.5 大臂小臂连接轴的设计由于此轴传递的功率不大，对其重量和尺寸也无特殊要求，故选常用材料45钢，调质处理。a. 初估轴径， c=106117,取c=106则根据公式4-1得=14.03mmb. 各段轴径的确定 初估轴径后，就可按轴上零件的安装顺序，从dmin处开始逐段确定直径。轴段1处要安装压板和齿轮用来固定此轴.故。轴段2处与4处安装7208类型轴承,其轴径大小应与轴承径大小一致,故取,。轴段3处取。c.各轴段长度的确定各轴段长度主要根据轴上零件的毂长或轴上零件配合部分的长度确定。另一些轴段长度，除与轴上零件有关外，还与箱体与轴承盖等零件有关。轴段1处要安装压板和齿轮用来固定此轴，因此此段轴的长度应取长些，故取。轴段2的长度与轴承有关,取。轴段3处的选取长度为。轴段4 的长度与轴段2 处一样,取。图4-5大臂小臂连接轴的结构设计草图5 轴承的设计5.1 轴承的选择轴承是支承轴或轴上回转体的部件。根据工作时接触面间的摩擦性质，分为滚动轴承和滑动轴承两大类。滚动轴承依靠元件间的滚动接触来承受载荷，相对于滑动轴承，滚动轴承具有摩擦阻力小，效率高，起动容易，润滑简便等优点。因此我在做本课题设计时所选用的轴承全为滚动轴承。轴承的外圈和滚动体，一般是用轴承铬钢（如GCr GCr15SiMn）制造，热处理后硬度应达到6065HRC。保持架有冲压的和实体的两种结构。冲压保持架一般用低碳钢板冲压制成,它与滚动体间有较大间隙,工作时噪声大；实体保持架常用铜合金，铝合金或酚醛树脂等高分子材料制成，有较好的隔离和定心作用,又因为实体保持架比冲压保持架允许更高的转速。所以本课题选用的保持架为实体的。从受载荷方面来考虑，我所设