毕业设计(论文)-喷漆机器人设计-小臂系统设计.doc

优秀机械毕业设计欢迎下载,学习交流加QQ 197216396 专业机械设计 解君之忧摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，喷漆机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并应用。本文首先简要介绍了喷漆机器人的研究背景、意义和现状。接着，进行总体方案的设计论证，确定了关节型坐标形式，采用步进电机驱动，选择滚珠丝杠、链轮链条和锥齿轮三种传动方式，利用弹簧进行平衡，研究出合理的设计方案。最后，设计小臂系统，通过对小臂系统的受力分析，设计小臂和腕部结构，计算关节转动需要的力矩，选择并设计出符合要求的电机、滚珠丝杠、链轮、锥齿轮和弹簧等，在确定各个零件和部件合理的安装位置后，完全实现小臂俯仰30度、腕摆120度和腕转120度的动作要求。关键词 喷漆机器人 小臂系统 步进电机 本科毕业设计说明书（论文） 第 III 页 共 I 页摘要Title Painting Robot - Forearm Systems Design AbstractIn today's large-scale manufacturing, enterprises in order to improve productivity, attach importance to the degree of automation of the production process, the painting robots as an important member in automated production lines have been gradually recognized and adopted.This paper briefly describes the research background, the meaning and the current situation of the painting robot. Then, the paper gives the overall scheme of design, determines coordinates of the whole joint, uses a stepping motor to drive, selects a ball screw, chain sprockets and bevel gears three kinds of transmission type and use spring to balance so that work out a reasonable design programs. Finally, design and calculation of the arm system, through the stress analysis of the arm system in order to design the structure of forearm and wrist, calculate moment of force of the joint rotation, select and design to meet the requirements of the motor, ball screw, sprocket, cone gears, springs and so on. Determined the installation location of the various parts and components, so as to realize the movement requirements of arm pitch of 30 degrees, wrist swing of 120 degrees and the wrist twirl of 120 degrees.Keywords The painting robots Forearm system Stepping motor目 录1 引言11.1 喷漆机器人研究背景和意义11.2 喷漆机器人组成和特点21.3 喷漆机器人国内、外研究现状32 喷漆机器人总体方案的论证设计52.1 喷漆机器人坐标形式的确定52.2 喷漆机器人驱动方式的选择62.3 喷漆机器人传动方式的选择72.4 喷漆机器人平衡装置的设计92.5 喷漆机器人工作空间的计算103 喷漆机器人小臂系统设计123.1 腕部设计123.2 小臂设计25结束语32致 谢33参 考 文 献34 本科毕业设计说明书（论文） 第 35 页 共 34 页1 引言由于工业化进程的加快，特别是汽车工业的腾飞，出现了机器人自动喷漆这一新兴技术。在发达国家，喷漆机器人已经普遍应用于各种场合的喷涂作业。而长期以来，国内的喷涂工业受限于设备成本较高、专业维护技术落后、劳动数量密集、劳动力价格低廉等因素，喷漆机器人的推广普及较为缓慢1。近些年，随着我国汽车工业的发展，国内企业的环保与安全生产理念不断加强，喷漆机器人在工业生产中的应用及其技术研究开发的重要性已经引起人们的极大重视。工业机器人技术体现的是工业自动化水平发展的趋势。由于传统工业环境的恶劣和劳动量大，工业机器人的出现旨在提高生产效率、减轻劳动力负担，它可以对周围环境进行快速反应和分析判断，最重要的是工业机器人可以长时间保持工作状态，而且动作速度快、抗扰性能强。从总体上说，工业机器人是工业进化产物，它是整个制造业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化生产设备2。1.1 喷漆机器人研究背景和意义在大规模的涂装生产线上，喷涂作业现场存在着大量的尘、雾和有害气体，人工操作有害身体健康，而且喷涂作业劳动强度大、技术要求高。采用喷漆机器人可保障人身安全、提高经济效益和喷漆质量，所以喷漆机器人日益广泛应用于汽车车体、仪表、家电产品、陶瓷和各种塑料制品的喷涂作业。特别是我国汽车制造业的飞速发展推动了喷漆机器人的发展。由于国民生活水平的不断提高，人们对汽车的需求量也在不断增大，同时对其质量、性能、外观等要求也越来越高。出于对市场需求的分析，国外的一些汽车企业便在中国市场扩大原有生产规模，而国内汽车企业也在不断进行科技研发和规模的扩大。在全球化生产大环境下，汽车生产量的增加和新车型的出现是一种必然的发展趋势。在此趋势下，采用自动化汽车生产设备就显得尤为重要。汽车车身涂装是汽车生产过程中必不可少的过程。汽车车身的涂装效果能够在很大程度上影响人们购车的选择。一方面，汽车涂装是汽车外表面颜色、光泽和亮度等方面最直观的体现，另一方面，高质量的涂装可以提高汽车的耐蚀性，延长汽车使用寿命。静电涂装是主要的涂装方式之一。它主要适用于汽车大规模涂装生产流水线上，具有涂层厚度均匀、喷涂效率高、污染少等优势，成为当今汽车车身涂装最主要的方法。自动静电喷涂设备的稳定和精确性能对实现静电喷涂是非常重要的。喷涂机和喷漆机器人是自动静电喷涂设备两个重要组成部分3。在传统工业中，特别是中小规模的汽车涂装企业多数采用自动喷涂机。工业发展前期的生产规模较小，需求量不大，使用自动喷涂机就可以满足汽车喷涂质量的要求，而且经济性高。但是由于我国汽车工业飞速发展，汽车的产量不断增加，质量要求不断提高，传统自动喷涂机已经不能满足人们对汽车表面喷涂工艺和外观质量上的要求，其控制精度低、柔性低、所需油漆量大、轨迹单一化等弊端逐渐显现出来，而喷漆机器人的出现顺应地取代了自动喷涂机，它具有如下显著优点3：（1）可以实现喷漆轨迹多样化，可根据车身内、外表面建立相应的喷涂任务，喷涂轨迹精确性高，涂膜比较均匀，喷涂量得到有效控制，对环境污染小。（2）生产柔性大，适用范围广，可以完成如轿车、旅行车、皮卡等多品种车型的混线生产。（3）操作方便，易于维护，用户可以通过离线编程来缩短在现场的调试时间；同时由于机器人整体采用模块化结构，这样便于元器件的安装与拆卸，使系统易于维护。综上所述，喷漆机器人在汽车喷涂生产线的作用与地位举足轻重。目前，我国匮乏工业机器人相关方面的研究，虽然也有企业进行喷漆机器人的自主研发，但其控制精度不高、控制能力较低。由于国内喷漆机器人技术的不成熟，所以一般需从国外引进生产设备，而这些设备成本高、不易维修，一旦出现故障可能会影响流水线的生产，给企业造成资源浪费和财产损失。鉴于对以上情况的考虑，国内应打破国外厂商在这方面的技术垄断，实现自动静电涂装设备的国产化对我国机器人和汽车产业都具有重大意义。1.2 喷漆机器人组成和特点喷漆机器人是一种可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人4。喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，配有自动喷枪、供漆装置、变更颜色装置等喷涂设备。液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。机器人结构多采用5或6自由度关节型，工作空间大，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有23个自由度，可灵活运动5。较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机器人一般采用液压驱动和电机驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点67。以连续轨迹示教（即手把手示教）为主，也可作点位示教。本课题所研究的喷漆机器人主要由执行机构、平衡系统、驱动系统、控制系统以及位置检测机构组成，对于喷枪以及辅助喷漆装置的设计不做详细研究。执行机构由机身系统、大臂系统、小臂系统三部分组成，其中小臂系统中包括腕部结构设计。平衡系统采用弹簧装置构成平行四边形机构。驱动系统由机身、大臂、小臂及其手腕的各部分步进电机来实现5个自由度的运动。控制系统运用开环连续轨迹的控制方式，根据用户的指令对喷漆机器人机构本体进行操作和控制，完成作业的各种动作。大部分喷漆机器人的作业是控制机械手臂末端的位置和姿态，以实现点到点的控制或连续轨迹控制。喷漆机器人整体的运动形式是多关节型。多关节式手臂有较强的越障碍物的功能，动作空间大，非常适合于喷漆作业。与其他种类的工业机器人相比较，喷漆机器人在工作环境和动作要求上有如下的特点：（1）在易爆的环境中作业，存在易燃的液体、气体，如喷涂剂、蒸汽等。（2）采用轨迹控制，喷枪高速运动于设定轨迹，途径各点均为作业点。（3）机身底部配有导轨，喷涂工件搭载于传送带上，移动喷漆9。1.3 喷漆机器人国内、外研究现状国外有着比较成熟的喷漆机器人技术。例如美国的MINHIT公司、德国的HATE公司、美国的FUDGE公司等，在工业发展早期已研发使用工业机器人来服务于喷涂和印刷。由于国外喷漆机器人技术不断创新、喷涂精度不断提高，喷漆机器人在国外得已广泛的使用。国外的喷漆机器人主要从以下方面进行研究10：（1）操作机的设计目前，机器人的操作机构已采用了开链式结构，打破了传统的并联平行四边形结构，机器人的工作空间得到了很大的提升。同时为了提高机器人的操作机性能，机身采用轻质铝合金材料，从而实现优化。（2）控制系统的设计其控制系统主要以示教编程为主要手段，用软件控制以及数字控制方式来提高控制系统的性能，采用图形操作的用户界面，提高人机界面的友好性。（3）操作可靠性的设计传统机器人可靠性能低，由于现代集成电路和微电子技术的发展与成熟，目前的机器人系统可靠性已达到数万小时，总体上可以满足不同场合的需求。在国内，上世纪八九十年代，人们开始着手对喷漆机器人进行研究，应用技术不够成熟，与国外相差甚远。早期的研究主要侧重于在国外研究的基础上进行周边技术的开发。但随着国内汽车制造业以及机械制造业发展需求的不断膨胀，国内不断地加快开发和研究喷漆机器人技术的进程。目前，国内汽车生产业几乎都是运用国外生产的喷漆机器人，虽然在生产线模式上可以照搬国外的生产方式，但是在技术上却有机器人不易维修和升级困难等较难突破的重大技术问题，所以设备的作用发挥受到局限。截至目前，虽然喷漆机器人已经成为国内市场上最多的工业机器人之一，但自主研发生产的喷漆机器人产品使用范围较小，主要是由于国内自主研发和生产的喷漆机器人工作性能低、重复精度不高、工作时间短、寿命低以及喷漆质量未达到理想要求。因而开发适合于国内生产实际的高精度的喷漆机器人系统显得非常迫切和必要1113。2 喷漆机器人总体方案的论证设计根据任务书的技术要求，本课题所研究设计的喷漆机器人具有5个自由度，采用步进电机驱动，工作负载重量2.5 kg，各部件的运动范围为：机身±120º；大臂前俯30º，后仰10º；小臂俯仰±30º；腕转±120º；腕摆±120º，工作空间为 2800×800×1600 mm3，喷枪最大工作速度0.8m/s,重复定位精度±3mm±6 mm，采用开环连续轨迹控制的控制方式和手把手CP示教的示教方式。喷漆机器人总体方案论证设计的主要内容有：确定坐标形式、选择驱动方式、选择传动方式、设计平衡装置和计算工作空间。2.1 喷漆机器人坐标形式的确定根据喷漆机器人的运动参数首先确定其运动形式，然后才能确定其结构。常见的坐标形式可根据工业机器人臂部的三个关节不同运动组合形式分为如下几类14：（1）圆柱坐标型圆柱坐标型工业机器人臂部由一个转动副和两个移动副组成，两个移动关节和一个转动关节(PRR)，运动空间为圆柱体。这种工业机器人优点是结构简单、紧凑，定位精度较高，有较强的运动直观性，工作范围较大，因此有较为广泛的应用。（2）直角坐标型直角坐标型工业机器人臂部由三个相互正交的移动副组成,带动腕部分别沿X、Y、Z三个坐标轴的方向作直线移动,三个关节均为移动关节(PPP)，运动空间为立方体。这种工业机器人优点是结构简单，定位精确，易于求解空间轨迹，缺点是惯性大灵活性差，当要求相同工作空间时，相对于其他类型的工业机器人机体所占空间体积庞大。（3）球坐标型球坐标型工业机器人臂部由两个转动副和一个移动副组成，产生沿手臂轴X的直线移动，绕基座轴Y的转动和绕关节轴Z的摆动，两个转动关节和一个移动关节(RRP)运动空间为球体。这种工业机器人优点是结构紧凑，动作灵活，机体所占空间体积小，运动范围大，缺点是结构比较复杂，定位精度不高。 （4）SCARA型SCARA型工业机器人实质上可以作为水平多关节型机器人，广泛用于装配场合，故也被称作装配机器人。这种工业机器人优点是动作灵活、速度快、定位精度高。（5）关节型关节型工业机器人由动力型旋转关节和大、小两臂组成。关节型机器人以臂部各相邻部件的相对角位移为运动坐标，三个关节是转动关节(RRR)，可做机身的回转、大臂的俯仰和小臂的俯仰运动14。这种工业机器人优点是动作灵活，结构紧凑，通用性强，工作范围大，所占空间体积小，并且能在狭窄空间内饶过各种障碍物。目前喷漆机器人主要的应用场合多为汽车涂装生产线，不同的车型和外形尺寸要求喷漆机器人结构紧凑，灵活性强，运动工作空间大，机体占地面积小，能够完成复杂轨迹喷漆，整体结构密封防尘。通过对以上几种工业机器人的坐标形式进行比较，本课题所研究设计的喷漆机器人决定采用关节型坐标形式，如图2.1所示。图2.1 五轴关节型工业机器人示意图2.2 喷漆机器人驱动方式的选择对工业机器人驱动系统的要求，一般有：（1） 驱动系统自身质量较轻，所占用空间小。（2） 反应速度快，输出功率高，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换。（3） 安全性高，噪声小，便于操作和维护。液压驱动、气压驱动和电力驱动是工业机器人主要的三种驱动方式。理论上一个机器人可以只有一种驱动方式，也可以是几种方式的联合，但实际上不采取，因为避免不同能源使结构和控制等复杂化，增加设计难度。液压驱动。液压驱动优点是易于控制系统中压力、流量等参数，无级调速性能好，可实现直线以及旋转运动，易于维修。其缺点在于液体对温度变化极为敏感，易漏油，对环境污染大，还需有单独配油装置，所以一般用在大负载系统中。气压驱动。气压驱动优点是性价比低，结构简单，缓冲性能好。其缺点是系统冲击大，不易实现定位的准确性，传动需借助中间机构来完成。一般负载小、对精度要求不高的场合多采用此方式。电机驱动。步进电机、直流电机和交流电机驱动是其三种主要形式，一般适用于动作繁琐和对运动轨迹有严格控制的工业机器人中。步进电机是利用数字控制来完成驱动，控制结构简单，控制性能好。但由于其过载能力弱，启动频率不高，需单独的电源模块、空间分辨能力差，所以一般小型机器人和机器人中传动功率不大的关节多采用此驱动方式。本课题所研究设计的喷漆机器人，工作轨迹较复杂，要求控制性能较高，有较快的响应特性和较高的抗过载能力，并且由于喷涂机器人工作于恶劣环境之中，充满易燃易爆的雾态有机溶剂、气体，因此防爆是要特别考虑的14。综合比较各种驱动方式，步进电动机具有较高的输出角度，步距角只取决于电脉冲频率，并于脉冲频率成正比；位置、速度较容易控制，调速范围大，起、停及正反转控制方便；结构简单，维护方便，可靠性好，使用寿命长等优点。所以，选择采用步进电机作为喷漆机器人的驱动源。为优化结构和减轻自重，将驱动腕部两个自由度运动的电机安装在大臂底部的圆盘，驱动小臂俯仰的步进电机安装在大臂体上，大臂电机安装在底部转盘上，位于大臂右侧，机身自身驱动电机安装在箱体上，减轻支撑架的负载，提高运行精度。2.3 喷漆机器人传动方式的选择工业机器人传动方式的选择包括：选择工业机器人的传动形式；选择驱动源和传动装置与关节部件的连接、驱动方式。常见的传动形式有以下几种：直接连接传动。直接装在关节上，结构紧凑。但需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大。远距离连接传动。经远距离传动装置与关节相连，不需考虑电机自重，平衡性良好。但存在额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大。间接传动。经速比远>1的传动装置与关节相连，经济，对载荷变化不敏感，便于制动设计，方便一些运动转换。但传动精度低、结构不紧凑，引入误差，降低可靠性。直接驱动。不经中间关节或经速比=1的传动装置与关节相连，传动精度高，振动小，传动损耗小，可靠性高，响应快。但控制系统设计困难，对传感元件要求高，成本高。常用的传动方式如下所示15：（1） 带传动带传动是用挠性传动带做中间体而靠摩擦力工作的一种传动。其优点是传动距离远，结构简单，成本低，安装维护方便，带本身具有弹性，因而可以缓和冲击和振动，使传动平稳，且无噪声。缺点是结构不够紧凑，传动速比不精确，带的使用寿命短。（2） 链传动链传动是由两个具有特殊齿形的链轮和一条挠性的闭合链条所组成的。它依靠链和链轮轮齿的啮合而传动。其优点是能保证准确的平均速比，可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力。缺点是铰链易磨损，使链条的节距变大，会造成脱链现象。（3） 齿轮传动齿轮传动是一种啮合传动。齿轮传动分为圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动两种。其优点是传动速比恒定，传动效率高，传动功率范围大，使用寿命长。缺点是当轴间距离较大时，传动装置较庞大，较低精度的齿轮传动易产生较大的振动和噪声。（4） 蜗轮蜗杆传动蜗杆蜗轮传动一般用于在两轴轴线错成90°而彼此既不平行又不相交的情况。其优点是传动平稳，传动速比小，机械装置所占空间小，能够自锁。缺点是易产生热量，齿面易磨损，传动效率较低。（5） 齿轮齿条传动齿轮齿条传动用于直线运动和旋转运动的转换场合。其优点是传动效率高，刚度和精度较。（6） 螺旋传动螺旋传动是将旋转运动转变成直线运动。其优点是传动效率高，精度好，刚度好，无回差，传动速比大。经过对以上多种传动形式和传动方式的比较，结合喷漆机器人的自身特点和应用场合，本课题所设计的喷漆机器人选择间接传动的形式，驱动源步进电机与传动装置的连接分别采用不同的方式来满足五个自由度的运动，即机身的回转采用步进电机驱动、两级齿轮传动；大臂和小臂的俯仰采取步进电机驱动滚珠丝杠来实现；腕部的转动通过两级链传动和一级锥齿轮传动来实现；腕部的摆动直接通过两级链传动来现。如图2.2喷漆机器人总装图所示。 1-小臂 2-手腕 3-大臂 4-大臂电机 5-小臂电机 6-机身电机 7-机身 8-腕部电机 9-腕部电机图2.2 喷漆机器人总体装配示意图2.4 喷漆机器人平衡装置的设计平衡系统的设计是工业机器人设计中一个不可忽视的问题。平衡系统的作用有：安全；降低因构形变化而导致重力引起关节驱动力矩变化的峰值；降低因运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值；改进动力特性；使运行稳定，降低地面安装要求；借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响14。平衡系统设计的主要途径有：质量平衡技术；弹簧力平衡技术；可控力平衡技术。本课题所研究设计的喷漆机器人大、小臂都需要做前后的俯仰运动，重心位置随大、小臂的动作变化而变化，而且有电机、链轮链条等附加重量。综合考虑，弹簧结构简单，可调性强，质量轻，不会过分加重机器人自身的质量，而且不需要动力源，所以采可调节弹簧装置来进行喷漆机器人整体的平衡。2.5 喷漆机器人工作空间的计算对于喷漆机器人工作空间和喷枪轨迹的计算是相对比较复杂的过程，可参考查阅的研究资料较多，因此在本课题的设计中不作详细的研究。根据已给出的技术要求工作空间为 2800×800×1600mm3， 确定喷漆机器人在长、宽、高三个方向的极限位置，从二维空间工作图中模拟喷枪的轨迹，如图2.3所示，即可通过联立方程组（2.1）求出大、小臂长度的近似值。图2.3 喷漆机器人工作空间示意图图中，、分别为大臂、小臂的长度。列出方程组计算： （2.1）经过计算圆整得出大、小臂长度：为800mm，为1000mm。3 喷漆机器人小臂系统设计本课题所研究设计的喷漆机器人小臂系统的设计包括手腕部分的设计和小臂的设计。3.1 腕部设计腕部能够连接机器人的臂部和手部，支撑并且改变手部的姿态。腕部设计的要求有：结构紧凑、质量轻；动作灵活、平稳，定位精度高；所用材料强度、刚度高；与臂部及手部的连接部位的结构合理，传感器和驱动装置的合理布局及安装等。按自由度分类可将工业机器人手腕分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据工业机器人实际使用的工作性能要求来确定。本课题所研究设计的喷漆机器人手腕具有摆动和转动两个自由度。二自由度的手腕可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR关节实现，或由两个B关节组成BB关节实现，但不能由两个RR关节构成二自由度手腕，因为两个R关节的功能是重复的，实际上只起到单自由度的作用。本次设计要求腕部实现俯仰和偏转，即BB型手腕，如图3.1所示。由于现阶段国内步进电机产品研发生产技术的局限性，无法实现关节的直接驱动，所以为减轻整个小臂的自重，采取腕部步进电机后置远距离间接驱动，将其装在大臂的底部，固定在机身圆盘上，再通过两条链传动，一条链直接带动腕部的摆动，另一条链传动链轮带动锥齿轮轴通过一级锥齿轮的传递带动腕部的转动，虽然在腕摆时会产生手腕的附加转动，但是可以通过控制步进电机来控制干涉。图3.1 型手腕示意图 本课题研究设计的喷漆机器人广泛用于进行汽车车身等喷涂作业，腕部作用于工作空间的最前端，有时需伸入狭窄的空间进行作业，所以为了满足手腕部分结构紧凑、质量轻、动作灵活等要求将其外形和尺寸设计成如图3.2所示。图3.2 手腕外形尺寸示意图3.1.1 手腕偏转驱动计算手腕的偏转是通过后置于大臂底部一侧的步进电机驱动，两级链轮链条传动，再经过锥齿轮啮合传动改变方向来实现偏置的。手腕的驱动力来自步进电机，首先要计算手腕偏转所需要的转矩，再计算电机的输出转矩，确定步进电机的型号，从而计算设计链传动以及锥齿轮传动的传动参数及相关尺寸。（1）选择步进电机手腕偏转时，需要克服摩擦阻力矩、工件负载阻力矩和腕部启动时的惯性力矩。根据转矩的计算公式15： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8）式中： 手腕偏转所需力矩（N·m）；摩擦阻力矩（N·m）；负载阻力矩（N·m）；手腕偏转启动时惯性阻力矩（N·m）；工件负载对手腕回转轴线的转动惯量（kg·m2）；手腕部分对回转轴线的转动惯量（kg·m2）；手腕偏转角速度（rad/s）；手腕质量（kg）；负载质量（kg）；启动时间（s）；手腕部分材料密度（kg/m3）；手腕部分外径和内径（m）；手腕的长度（m）；手腕偏转末端的线速度（m/s）。根据已知条件：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定为铸钢，密度kg/m3。将数据代入计算得： kg r/s kg·m2 kg·m2 N·m N·m N·m因为腕部传动是通过两级链轮和一级锥齿轮实现的，所以查取手册15得：弹性联轴器传动效率；滚子链传动效率；滚动轴承传动效率（一对）；锥齿轮传动效率；计算得传动的装置的总效率。电机在工作中实际要求转矩 N·m （3.9）根据计算得出的手腕偏转所需力矩，结合北京和利时电机技术有限公司生产的90系列的五相混合型步进电机的技术数据和矩频特性曲线，如图3.3和图3.4所示,选择90BYG5200B-SAKRML-0301型号的步进电机。图3.3 90BYG步进电机技术数据图3.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步进电机矩频特性曲线（2）设计链传动（a） 计算、分配传动比根据步进电机型号及其对应的矩频特性曲线，所选步进电机工作转矩为4.5 N·m，对应的转速为r/min。由于腕部偏转的角速度r/s，已经通过计算得出，所以腕部末端偏转转速r/min，由此推出总的传动比。已确定的手腕偏转传动方式是通过两级链轮链条传动和一级锥齿轮传动，需将总传动比进行分配。综合考虑链轮的尺寸和手臂内部结构空间，取小臂链传动比，大臂链传动比，锥齿轮传动比，。（b） 计算小臂链传动功率 kW （3.10） （c）选择链轮的齿数为使小臂中的两个链轮结构更加紧凑，考虑到小臂链的传动比较小，而传动距离比较长，选择小链轮齿数，大链轮齿数，、取奇数，链节数为偶数，可使链条和链轮轮齿磨损均匀。（d）选择链条类型根据手册15进行链传动的设计计算： kW （3.11） kW （3.12） mm ， （3.13） mm， （3.14） mm （3.15） mm （3.16） mm （3.17） mm （3.18） m/s （3.19） N （3.20） N （3.21）式中：工况系数； 主动链轮齿数系数； 单排链系数 ；中心距计算系数；设计功率（kW）； 特定条件下单排链条传递功率（kW）； 节距（mm）； 初定中心距（mm）； 链条节数； 链条长度（mm）； 计算中心距（mm）； 实际中心距（mm）； 链条速度（m/s）； 有效圆周力（N）； 作用在轴上的力（水平或倾斜传动）（N）。 经过上述计算，选择链号10B，节距mm的链条。（e）计算链轮主要尺寸根据所选滚子链的型号规格确定一对链轮基本参数： ，mm，mm，mm。链轮主要尺寸： （3.22） （3.23） （3.24） （3.25） （3.26）式中：分度圆直径； 齿顶圆直径； 齿根圆直径； 分度圆弦齿高； 齿侧凸缘直径。 将数据代入计算得：mm mm mm mm mm mm mm mm mm（3）设计锥齿轮传动根据喷漆机器人的工作要求，将腕部最末端的传动设计成标准直齿圆锥齿轮传动，考虑到可能圆锥小齿轮齿根圆到键槽底部的距离，所以将圆锥小齿轮与轴设计成一体，圆锥大齿轮单独设计，材料选用45钢。由于选用的是闭式硬齿面齿轮，齿轮齿面磨损和弯曲疲劳折断是主要的失效形式，因此设计这类齿轮传动时按弯曲疲劳强度进行设计计算，宜选取较小的齿数，可取172015。（a）估算齿轮主要参数及尺寸齿数,：齿数比，所以选择,则。齿宽系数：，取。齿宽系数不宜取过大，避免引起小端齿顶过薄，齿根圆角半径过小，应力集中过大。根据手册16，按齿面接触疲劳强度计算小齿轮大端分度圆直径和大端模数： （3.27） 式中： 齿轮传递的扭矩； 工况系数；动载系数； 齿宽系数； 试验齿轮的接触疲劳极限应力；查手册16得到，,MPa。由于 N·m，,。将数据代入得到小齿轮大端分度圆直径mm。大端模数，根据标准分度圆模数，取。圆锥齿轮主要尺寸计算16：