機(jī)械工程畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)范例題目：小型工業(yè)機(jī)器人手腕齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本文針對(duì)小型工業(yè)機(jī)器人手腕的高精度、高扭矩需求，設(shè)計(jì)了一套行星齒輪+平行軸齒輪組合傳動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)比帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)及齒輪傳動(dòng)方案，確定齒輪傳動(dòng)為最優(yōu)選擇；采用模塊化設(shè)計(jì)完成行星架、太陽(yáng)輪、行星輪及平行軸齒輪的參數(shù)計(jì)算與強(qiáng)度校核；利用SolidWorks建立三維模型，通過(guò)ANSYSWorkbench進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析，驗(yàn)證了關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度合理性；最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，傳動(dòng)效率達(dá)95.2%，重復(fù)定位精度±0.02mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)為小型機(jī)器人手腕傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化提供了參考。目錄1.引言2.總體方案設(shè)計(jì)3.詳細(xì)設(shè)計(jì)與計(jì)算4.分析與仿真5.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證6.結(jié)論與展望7.參考文獻(xiàn)8.附錄1引言1.1研究背景小型工業(yè)機(jī)器人（負(fù)載5-10kg）廣泛應(yīng)用于電子裝配、精密檢測(cè)等領(lǐng)域，其手腕關(guān)節(jié)需實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速（≤300rpm）、大扭矩（≥50N·m）、高精度（±0.02mm）的運(yùn)動(dòng)輸出。傳統(tǒng)手腕傳動(dòng)多采用單一平行軸齒輪，存在傳動(dòng)比小、體積大的問(wèn)題，難以滿(mǎn)足緊湊性要求。因此，設(shè)計(jì)一種緊湊、高效、高精度的手腕傳動(dòng)系統(tǒng)具有重要實(shí)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外（如ABB、發(fā)那科）的小型機(jī)器人手腕多采用諧波齒輪+行星齒輪組合傳動(dòng)，精度可達(dá)±0.01mm，但成本較高；國(guó)內(nèi)（如埃夫特、新松）則以平行軸齒輪為主，精度約±0.03mm，難以滿(mǎn)足高端需求。本文提出行星齒輪+平行軸齒輪組合方案，兼顧成本與性能。1.3研究目的與意義本設(shè)計(jì)旨在解決小型機(jī)器人手腕傳動(dòng)的緊湊性與高精度矛盾，通過(guò)優(yōu)化齒輪參數(shù)與結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)：傳動(dòng)比i=20（滿(mǎn)足手腕減速需求）；體積≤φ120mm×100mm；效率≥90%；重復(fù)定位精度≤±0.02mm。2總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)與技術(shù)要求指標(biāo)要求輸入功率0.5kW輸入轉(zhuǎn)速1500rpm輸出扭矩≥50N·m傳動(dòng)比20（誤差≤±1%）重復(fù)定位精度±0.02mm工作壽命≥5000小時(shí)2.2方案對(duì)比與選擇針對(duì)手腕傳動(dòng)需求，對(duì)比三種方案（見(jiàn)表2-1）：帶傳動(dòng)：效率低（≤85%）、易打滑，不滿(mǎn)足精度要求；鏈傳動(dòng)：沖擊大、噪聲高，不適用于精密場(chǎng)合；齒輪傳動(dòng)：效率高（≥95%）、精度高、壽命長(zhǎng)，符合設(shè)計(jì)要求。進(jìn)一步優(yōu)化齒輪傳動(dòng)方案，采用行星齒輪（i1=5）+平行軸齒輪（i2=4）組合，總傳動(dòng)比i=i1×i2=20，結(jié)構(gòu)緊湊（行星齒輪可實(shí)現(xiàn)同軸減速，節(jié)省空間）。表2-1傳動(dòng)方案對(duì)比方案效率精度緊湊性成本帶傳動(dòng)低低中低鏈傳動(dòng)中中中中齒輪傳動(dòng)高高高中3詳細(xì)設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)（第一級(jí)）3.1.1基本參數(shù)確定傳動(dòng)比i1=5（太陽(yáng)輪主動(dòng)，內(nèi)齒圈固定，行星架輸出）；模數(shù)m=2（根據(jù)傳遞功率0.5kW，參考GB/T____選取）；壓力角α=20°（標(biāo)準(zhǔn)值）；太陽(yáng)輪齒數(shù)z1=20，則行星輪齒數(shù)z2=(i1-1)z1/2=(5-1)×20/2=40，內(nèi)齒圈齒數(shù)z3=z1+2z2=20+80=100。3.1.2幾何尺寸計(jì)算太陽(yáng)輪分度圓直徑d1=mz1=2×20=40mm；行星輪分度圓直徑d2=mz2=2×40=80mm；內(nèi)齒圈分度圓直徑d3=mz3=2×100=200mm；中心距a=(d1+d2)/2=(40+80)/2=60mm。3.1.3強(qiáng)度校核（1）接觸強(qiáng)度校核（GB/T____）接觸應(yīng)力公式：\[\sigma_H=Z_HZ_EZ_{\varepsilon}\sqrt{\frac{2K_TT_1}{bd_1^2}\cdot\frac{u+1}{u}}\]其中：Z_H=2.5（節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)）；Z_E=189.8MPa^(1/2)（彈性系數(shù)，鋼-鋼配對(duì)）；Z_ε=1.5（重合度系數(shù)）；K_T=1.2（扭矩載荷系數(shù)）；T1=3.18N·m（太陽(yáng)輪輸入扭矩，T1=9550P/n=9550×0.5/1500）；b=20mm（齒寬）；u=i1=5（齒數(shù)比）。計(jì)算得σ_H=320MPa，小于45鋼調(diào)質(zhì)后的許用接觸應(yīng)力[σ_H]=500MPa，滿(mǎn)足要求。（2）彎曲強(qiáng)度校核（GB/T____）彎曲應(yīng)力公式：\[\sigma_F=\frac{2K_TT_1Y_FY_S}{bd_1m}\]其中：Y_F=2.8（齒形系數(shù)，z1=20）；Y_S=1.5（應(yīng)力修正系數(shù)）。計(jì)算得σ_F=45MPa，小于45鋼調(diào)質(zhì)后的許用彎曲應(yīng)力[σ_F]=150MPa，滿(mǎn)足要求。3.2平行軸齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)（第二級(jí)）3.2.1基本參數(shù)確定傳動(dòng)比i2=4（主動(dòng)輪z4=25，從動(dòng)輪z5=100）；模數(shù)m=2.5（根據(jù)輸出扭矩50N·m選?。?；壓力角α=20°；中心距a=(d4+d5)/2=(2.5×25+2.5×100)/2=156.25mm。3.2.2強(qiáng)度校核同理，接觸應(yīng)力σ_H=280MPa≤[σ_H]=500MPa，彎曲應(yīng)力σ_F=38MPa≤[σ_F]=150MPa，滿(mǎn)足要求。3.3軸系設(shè)計(jì)3.3.1行星架軸設(shè)計(jì)材料：40Cr調(diào)質(zhì)（σ_b=785MPa，σ_s=540MPa）；受力分析：行星架承受行星輪的徑向力（F_r=120N）和扭矩（T=15.9N·m）；軸徑計(jì)算：根據(jù)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度公式\[d\geq\sqrt[3]{\frac{9550\times10^3P}{n[\tau_T]}}\]，取[\tau_T]=40MPa，得d≥18mm，取d=20mm。3.3.2軸承選型行星輪軸軸承：選用深溝球軸承6204（內(nèi)徑20mm，外徑47mm，寬度14mm），壽命計(jì)算L_h=____小時(shí)≥5000小時(shí)；平行軸齒輪軸承：選用角接觸球軸承7205（內(nèi)徑25mm，外徑52mm，寬度15mm），承受軸向載荷。3.4箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料：鋁合金6061（減輕重量，提高散熱性）；結(jié)構(gòu)：采用剖分式箱體，便于裝配；密封：輸入軸采用骨架油封，防止?jié)櫥托孤?分析與仿真4.1三維模型建立利用SolidWorks建立行星齒輪、平行軸齒輪、軸系及箱體的三維模型（見(jiàn)圖4-1），確保零部件之間的配合精度（如齒輪嚙合間隙0.1mm，軸承與軸的配合公差H7/k6）。4.2靜力學(xué)有限元分析將行星齒輪模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench，設(shè)置材料屬性（45鋼，彈性模量206GPa，泊松比0.3），施加邊界條件（內(nèi)齒圈固定，太陽(yáng)輪輸入扭矩3.18N·m），進(jìn)行靜力學(xué)分析。結(jié)果顯示：行星輪最大應(yīng)力位于齒根處，數(shù)值為120MPa≤[σ_F]=150MPa；行星架軸最大應(yīng)力位于軸肩處，數(shù)值為80MPa≤[σ_s]=540MPa（見(jiàn)圖4-2）。4.3動(dòng)力學(xué)仿真采用ADAMS軟件對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，輸入轉(zhuǎn)速1500rpm，輸出扭矩50N·m，仿真結(jié)果顯示：傳動(dòng)比誤差≤0.5%（符合設(shè)計(jì)要求）；齒輪嚙合頻率為250Hz（無(wú)共振風(fēng)險(xiǎn)）。5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證5.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)（見(jiàn)圖5-1），主要設(shè)備包括：伺服電機(jī)（輸入功率0.5kW，轉(zhuǎn)速1500rpm）；扭矩傳感器（測(cè)量范圍0-100N·m，精度±0.5%）；激光位移傳感器（測(cè)量重復(fù)定位精度，精度±0.01mm）。5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（1）傳動(dòng)效率測(cè)試通過(guò)扭矩傳感器測(cè)量輸入扭矩T1=3.2N·m，輸出扭矩T2=50.2N·m，計(jì)算效率：\[\eta=\frac{T2\cdotn2}{T1\cdotn1}\times100\%=\frac{50.2\times75}{3.2\times1500}\times100\%=95.2\%\]滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求（≥90%）。（2）重復(fù)定位精度測(cè)試讓機(jī)器人手腕完成10次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，激光位移傳感器測(cè)量末端位置偏差，結(jié)果顯示：最大偏差為0.018mm；平均偏差為0.012mm；重復(fù)定位精度±0.02mm（符合設(shè)計(jì)要求）。6結(jié)論與展望6.1結(jié)論本文設(shè)計(jì)的小型機(jī)器人手腕齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)行星齒輪+平行軸齒輪組合，實(shí)現(xiàn)了：傳動(dòng)比20（誤差0.5%）；體積φ118mm×95mm（滿(mǎn)足緊湊性要求）；傳動(dòng)效率95.2%（高于設(shè)計(jì)目標(biāo)）；重復(fù)定位精度±0.02mm（符合精密裝配需求）。所有指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可為小型工業(yè)機(jī)器人手腕傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化提供參考。6.2展望優(yōu)化齒輪齒形（如修緣），進(jìn)一步降低噪聲；采用陶瓷齒輪，減輕重量并提高壽命；增加溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。7參考文獻(xiàn)[1]濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2019.[2]GB/T____,齒輪基本參數(shù)[S].[3]GB/T____,齒輪承載能力計(jì)算方法[S].[4]王昆,何小柏,汪信遠(yuǎn).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2018.[5]ABBRobotics.SmallIndustrialRobotsTechnicalSpecificat