某分揀機(jī)器人的底座機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u4777某分揀機(jī)器人的底座機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算案例概述 1266591.1底座的設(shè)計(jì)要求 114881.2底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2323641.3驅(qū)動電機(jī)的選擇 2235241.4齒輪設(shè)計(jì)與校核計(jì)算 5309821.4.1高速級齒輪設(shè)計(jì)與校核 578541.4.2低速級齒輪設(shè)計(jì)與校核 1075501.5軸的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算 14237791.5.1輸入軸的設(shè)計(jì)與校核 1424691.5.2中間軸的設(shè)計(jì)與校核 17100441.5.3輸出軸的設(shè)計(jì)與校核 201.1底座的設(shè)計(jì)要求機(jī)器人的底座主要是用于帶動整個(gè)上部機(jī)器人轉(zhuǎn)動，承受臂部、腕部、執(zhí)行器、工件的重量，同時(shí)在底座內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)二級減速齒輪，使?jié)M足功率要求的電機(jī)降低轉(zhuǎn)速增加轉(zhuǎn)矩。這一部分首先計(jì)算機(jī)器人上各部件的轉(zhuǎn)矩，給電機(jī)的選擇提供參考數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相關(guān)的公式，對機(jī)械手臂的齒輪的尺寸和幾何參數(shù)進(jìn)行確定。機(jī)器人的運(yùn)動并不會帶動機(jī)體運(yùn)動，不需要很高的工藝要求，只要使用鑄鐵就可以滿足要求?；诣T鐵的特點(diǎn)是韌性好，回縮率小，可以滿足該機(jī)械箱體的制作要求，且在成本上具有很大的優(yōu)勢。需要根據(jù)內(nèi)部部件的尺寸來確定箱體的尺寸，對形狀的要求較高，需要通過鑄造的方式來加工箱體。輸出、中間、輸入三根軸承需要垂直放置，這樣對兩級減速傳動有利。由于齒輪式懸空的，所以要用止動墊圈和圓螺母來鎖緊固定。1.2底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖1.1是底座的結(jié)構(gòu)圖。1.11.3驅(qū)動電機(jī)的選擇對軸的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算： 通過solidworks軟件建模分析得底座傳動部件的總質(zhì)量約為50kg,半徑約為：通過solidworks軟件建模分析得大臂部分的總質(zhì)量大約為45kg，大臂部分的質(zhì)心和肩關(guān)節(jié)之間的最大距離大約是：通過solidworks軟件建模分析得小臂部分的總質(zhì)量大約為28kg，小臂部分的質(zhì)心和肩關(guān)節(jié)之間的最大距離大約是：腕部和末端執(zhí)行器的質(zhì)量總共約為25kg，末端執(zhí)行器和底座之間的最大距離約是：輸出軸運(yùn)動的時(shí)候，它的旋轉(zhuǎn)角速度的取值是，在公式（1.5）,（1.4）之中，代入上述數(shù)據(jù)可得：在公式（1.1）,（1.2）之中，代入上述數(shù)據(jù)可得：安全系數(shù)這里取K=1.2,所以功率齒輪傳動比這里取i=9——表示聯(lián)軸器傳動效率——表示齒輪傳動效率——表示軸承傳動效率在公式（1.5）之中，代入上述數(shù)據(jù)可得：對幾組軸承的傳動比進(jìn)行確定：這里取為總傳動比，通過查資料，可知，這里取為高速級傳動比，這里取為低速級傳動比對傳動裝置的動力參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行確定圖1.2是它的傳動示意圖。各軸轉(zhuǎn)速 在公式（1.6）、（1.7）之中，代入上述數(shù)據(jù)可得：，計(jì)算它的轉(zhuǎn)矩 在公式（1.8）之中，代入上述數(shù)據(jù)可得：同樣的可以算出=34.05Nm=35.46Nm選取上海研一重工機(jī)械有限公司180系列伺服電機(jī)。額定轉(zhuǎn)速為2000r/min,功率為2kw，自帶電磁制動器；1.4齒輪設(shè)計(jì)與校核計(jì)算1.4.1高速級齒輪設(shè)計(jì)與校核（1）對齒輪的齒數(shù)、材料、精度和類型進(jìn)行選擇通過已有的條件，本設(shè)計(jì)使用直齒圓柱齒輪。從文獻(xiàn)[27]查表10-1可以知道，小齒輪材料選用硬度為280HBS的45Cr材料,大齒輪材料選用硬度為240HBS的45鋼材質(zhì)，精度都是7級。，（2）計(jì)算齒面的疲勞強(qiáng)度通過有關(guān)公式可得： ——代表載荷系數(shù)——代表輸入軸承受扭矩——代表齒寬系數(shù)——代表重合度系數(shù)——代表彈性影響系數(shù)——代表接觸疲勞許用應(yīng)力對上面的公式之中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行確定這里取為試選載荷系數(shù)，這里取為傳動扭矩從文獻(xiàn)[27]可以查到表10-7，這里取為齒寬系數(shù)；從文獻(xiàn)[27]可以查到表10-5，這里取為彈性影響系數(shù)，從文獻(xiàn)[27]可以查到圖10-21d，這里取為接觸疲勞強(qiáng)度；這里取為接觸疲勞強(qiáng)度。對其應(yīng)力循環(huán)進(jìn)行計(jì)算:——表示輸入軸轉(zhuǎn)速——表示工作時(shí)間本設(shè)計(jì)為雙向轉(zhuǎn)動，所以這里取=2在公式（1.10）之中，代入上述數(shù)據(jù)可得：次從文獻(xiàn)[27]可以查到圖10-25，這里取，為接觸疲勞壽命系數(shù)；對許用應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，這里取S=1為本設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，那么，將代入公式可得525MPa在公式（1.9）之中，代入上述數(shù)據(jù)可得：對小齒輪的圓周速度進(jìn)行計(jì)算m/s 對齒寬b進(jìn)行計(jì)算對齒輪的寬高比進(jìn)行計(jì)算，模數(shù)齒高在公式（1.11）之中，代入上述數(shù)據(jù)可得：對載荷系數(shù)進(jìn)行計(jì)算從文獻(xiàn)[27]可以查到圖10-8，可知從文獻(xiàn)[27]可以查到表10-5，可知從文獻(xiàn)[27]可以查到表10-2，可知從文獻(xiàn)[27]可以查到表10-4，可知在公式（1.12）之中，代入上述數(shù)據(jù)可得：2.13 對實(shí)際載荷系數(shù)進(jìn)行修正對模數(shù)m進(jìn)行計(jì)算：對彎曲強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算——代表疲勞壽命系數(shù)——代表疲勞需用應(yīng)力——代表齒形系數(shù)——代表校正系數(shù)從文獻(xiàn)[27]可以查到圖10-24c這里取為小齒輪疲勞強(qiáng)度極限；這里取為大齒輪強(qiáng)度極限；從文獻(xiàn)[27]可以查到圖10-22，這里取為疲勞壽命系數(shù)，試選這里取S=1.4為疲勞安全系數(shù)，對疲勞許用應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，得：齒形系數(shù)通過查表10-17，可知；應(yīng)力修正系數(shù)查表10-5，可知；這里應(yīng)該選取最大的齒輪數(shù)，在公式（1.14）之中，代入上述數(shù)據(jù)可得：這里m=2，所以，這里取為分度圓直徑測算小齒輪齒數(shù)，取大齒輪齒數(shù)幾何尺寸計(jì)算：分度圓直徑（1.15)在式（1.15）中，代入模數(shù)、齒數(shù)，可得出：；中心距（1.16）在式（1.16）中，代入，，可得出：齒輪寬度（1.17）由式（1.17）可得出：在安裝齒輪的過程中，誤差是無法避免的，因而為確保齒寬和節(jié)省材料，將小齒輪的齒寬略為增大mm，大齒輪不變，所以=57mm，=50mm （3）通過齒根彎曲疲勞強(qiáng)度來進(jìn)行計(jì)算校核將數(shù)據(jù)代入校核公式得：通過計(jì)算校核可知，齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度能夠滿足要求。（4）由齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核在以上校核公司中，代入各項(xiàng)數(shù)據(jù)，可得出：經(jīng)進(jìn)行計(jì)算校核，能夠發(fā)現(xiàn)齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求。1.4.2低速級齒輪設(shè)計(jì)與校核（1）對齒輪類型、材料、齒數(shù)和精度等級進(jìn)行選定（a）結(jié)合已知條件，采用直齒圓柱齒輪。（b）由文獻(xiàn)[27]表10-1查得，小齒輪、大齒輪材料分別為40Cr（調(diào)質(zhì)）、45鋼（調(diào)質(zhì)），兩者硬度分別為280HBS、240HBS；精度等級為7級。，（2）計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度試選載荷系數(shù)：小齒輪傳遞的扭矩為：m由文獻(xiàn)[27]表10-7查得，齒寬系數(shù)為：由文獻(xiàn)[27]表10-5查得，彈性影響系數(shù)為：；由文獻(xiàn)[27]圖10-25d查得，小齒輪、大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限分別為、。對應(yīng)力循環(huán)系數(shù)進(jìn)行測算次次由文獻(xiàn)[27]圖10-25查得，接觸疲勞壽命系數(shù)，；對接觸疲勞許用應(yīng)力進(jìn)行測算：安全系數(shù)S取值為1，那么：，在設(shè)計(jì)公式中，代入的較小值，得：小齒輪分度圓圓周速度：齒寬b：齒的寬高比b/h：模數(shù)齒高計(jì)算載荷系數(shù)由文獻(xiàn)[27]圖10-8查得，，精度等級為7級，可得出：由文獻(xiàn)[27]表10-5查得：由文獻(xiàn)[27]表10-2查得：由文獻(xiàn)[27]表10-4查得：載荷系數(shù)：以實(shí)際載荷系數(shù)為參照，修正：對模數(shù)m進(jìn)行測算：按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由式（10-5）能夠得出：由文獻(xiàn)[27]圖10-24c查得，小齒輪、大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限分別為、；由文獻(xiàn)[27]圖10-22查得，彎曲疲勞壽命系數(shù)：，對彎曲疲勞需用應(yīng)力進(jìn)行測算彎曲疲勞安全系數(shù)S取值為1.4，可得出：由文獻(xiàn)[27]圖10-17查得，齒形系數(shù)為：；由文獻(xiàn)[27]圖10-18查得，應(yīng)力修正系數(shù)為：；大齒輪對應(yīng)有更大的數(shù)值，取大齒輪數(shù)值，代入以上數(shù)值可得出：取標(biāo)準(zhǔn)值m=5，前文有計(jì)算出分度圓直徑,那么可測算出小齒輪的齒數(shù)，取大齒輪齒數(shù)幾何尺寸計(jì)算分度圓直徑；中心距齒輪寬度在安裝齒輪的過程中，誤差是無法避免的，因此為了保證齒寬和節(jié)省材料，將小齒輪的齒寬略為增大mm，大齒輪不變，所以=86mm，=75mm （3）通過齒根彎曲疲勞強(qiáng)度來進(jìn)行計(jì)算校核將數(shù)據(jù)代入校核公式得：通過計(jì)算校核可知齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度符合要求。（4）由齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核在以上校核公司中，代入各項(xiàng)數(shù)據(jù)，可得出：經(jīng)進(jìn)行計(jì)算校核，能夠發(fā)現(xiàn)齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求。1.5軸的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算1.5.1輸入軸的設(shè)計(jì)與校核（1）計(jì)算輸入軸的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩/minm（2）初估軸直徑（1.20）軸的選材是45號鋼（調(diào)質(zhì)），查表得，得：=32.550mm因?yàn)樵谳S上有鍵槽，所以這段軸的直徑需要增加5%~7%，所以?。?34.00mm。（3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)計(jì)算得出，齒輪直徑與軸最小直徑相近，因而加工軸為齒輪軸，軸的具體結(jié)構(gòu)見圖1.5。圖1.5輸入軸結(jié)構(gòu)尺寸簡圖（4）軸上支反力與彎矩的計(jì)算水平方向：；（1.21）垂直方向：；（1.22）對錐齒輪：,（1.23）對直齒輪：，（1.24）在式（1.24）中，代入輸入軸參數(shù)，可得出：,,在式（1.21）、（1.22）中，代入以上參數(shù)，可得出：,,作出在垂直、水平方向上輸入軸的彎矩圖：圖1.6輸入軸的彎矩圖通過彎矩圖我們可知截面II是危險(xiǎn)截面，因此通過計(jì)算這個(gè)截面計(jì)算校核軸是否符合要求，計(jì)算結(jié)構(gòu)具體見下表1.1。表1.1截面Ⅱ處的彎矩載荷水平面H垂直面V支反力彎矩mm總彎矩m扭矩m（5）使用彎扭合成應(yīng)力，對軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核（1.25）式內(nèi)：——軸的扭矩——軸的計(jì)算應(yīng)力——軸的抗彎截面系數(shù)——軸的彎矩（1.26）對軸危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度是否滿足要求進(jìn)行校核，取1，代入式（1.25）、（1.26），可得出：軸為45鋼，由文獻(xiàn)[27]表11-1可查得，。因此，，安全。1.5.2中間軸的設(shè)計(jì)與校核（1）計(jì)算中間軸的功率、扭矩、轉(zhuǎn)速（2）初估軸直徑軸的選材是45號鋼（調(diào)質(zhì)），查表得，得：48.225mm因?yàn)樵谳S上有鍵槽，所以這段軸的直徑需要增加5%~7%，所以?。?50mm。（3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)計(jì)算得出，齒輪直徑與軸最小直徑相近，因而加工軸為齒輪軸，軸的具體結(jié)構(gòu)見圖1.7。圖1.7中間軸結(jié)構(gòu)尺寸簡圖（4）軸上支反力與彎矩的計(jì)算水平方向：（1.27）垂直方向：；（1.28）對直齒輪：，（1.29）在式（1.29）中，代入中間軸參數(shù)，可得出：,,在式（1.27）、（1.28）中，代入以上參數(shù)，可得：,,作出在垂直、水平方向上中間軸的彎矩圖：圖1.8中間軸的受力分析圖經(jīng)由彎矩圖能夠看出，截面II為危險(xiǎn)截面，因此通過計(jì)算這個(gè)截面計(jì)算校核軸是否符合要求，結(jié)果見表1.2。表1.2