上料机器人手臂结构设计（含CAD图纸和说明书）

资源目录里展示的全都有预览可以查看的噢，，下载就有,,请放心下载，原稿可自行编辑修改=【QQ：11970985 可咨询交流】====================喜欢就充值下载吧。。。资源目录里展示的全都有，，下载后全都有,,请放心下载，原稿可自行编辑修改=【QQ：197216396 可咨询交流】==================== 摘要 因为电机的驱动技术有着结构简单、价格便宜、环保、维修简单等一系列明显优点，在工业生产中得到及其广泛的应用，已经成为机械自动化生产中不可或缺的重要手段之一，在当今备受人们的关注与重视。还有近年来工业机械化和工业自动化的发展，机械手臂已经能做出类似人手臂的一些机械功能，在实际生产中按已有设定的程序抓取物件或操作机械工具运动的自动化机械装置，且是最早出现在工业生产中的机器人，而且也是最早出现的现代化工业机器人，它可代替人工以实现生产的自动化和高效率，还能在对人体有害环境下代替人工进行稳定的操作，因此现今的机械手被广泛应用于机械制造、冶金、轻工业和原子能等相关的工业生产线中。 首先，根据上料机器人的功能需求进行上料机器人手臂的总体结构分析，提出多种总体结构设计方案，并对多中方案进行检查分析，选出最优的设计方案；其次进行最优的设计方案的具体设计，其中包括传动方案的选择，滚珠丝杠的设计，电机的选择，齿轮传动的设计，轴承和轴的设计计算与校核；再次运用CAD绘制二维工程总装图和主要零件图，细致剖析机器人手臂的内部结构，标注机器人手臂的整体尺寸与基本公差配合；最后用Pro/E做出上料机器人臂部的部分零件图和总装配图，并建立上料机械臂的三维实体模型进行运动仿真分析检查干涉情况；并用ANSYS软件建立机械臂重要零部件的有限元模型，然后进行必要的应力分析并校核强度，最后运用UG建立零件的数控加工过程。 关键词：机械臂；设计；仿真；加工 ABSTRACT Because the motor drive technology has a series of significant advantages, such as simple structure, low cost, no pollution, easy maintenance and so on. Now the motor drive get more and more widely used in industrial production, has become an indispensable important means of automation, have been paid much attention by people. Along with the development of the industrial mechanization and automation in recent years, some of the mechanical arm can imitate the manpower and arm action function, it can grab according to a fixed procedure operating tool to moving objects or automatic operation of the device, and it is the first industrial robots,it is also the first modern robot, it can work hard instead of human to realize mechanization and automation of production, operating in a dangerous environment to protect personal safety, thus it is widely used in machinery, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy etc. First of all, according to the functional requirements of the feeding robot arm for the overall structure analysis, put forward a variety of design of overall structure, and inspection on the analysis, choose the best of all. For the specific design of the best design, including the transmission choose, the design of the ball screw, the choice of motor, the design of the gear transmission, bearing and shaft design calculation and checking; The CAD drawing of two-dimensional engineering assembly diagram and main parts diagram, detailed analyzes the internal structure of the robot arm label the overall size of the robot arm with basic tolerance; Using Pro/E to make feeding robot arm parts of figure and total assembly drawing, and establish the feeding three-dimensional entity model of the robot arm movement simulation analysis to check interference; Using ANSYS software to establish finite element model of typical components, stress analysis and strength checking, using UG to establish the major parts of nc machining process. Keyword：Mechanical arm; Design; Simulation; Processing 目 录 摘要 II Abstract III 1绪论 1 1.1 本论文的学术背景及理论与实际意义 1 1.2 上料机器人手臂的发展现状和未来的发展趋势 2 1.3 本论文研究的主要内容 8 2 上料机械手臂的结构设计 10 2.1 总体方案分析 10 2.2 传动方案的选择 11 2.3 滚珠丝杠的设计 13 2.4 电机的选择 17 2.5 齿轮传动的设计 19 2.6 轴承的选择 25 2.7 俯仰轴的设计 28 3 PRO/E建模和仿真 32 3.1 主要部件建模及其简介 32 3.2 其他主要三维模型的展示 42 3.3 上料机器人手臂的装配模型 45 4结论 66 参考文献 67 5致谢 69 I 第1章 绪论 1 绪论 1.1本论文的学术背景及理论与实际意义 工业机器人是面向工业生产的具有多关节机械手臂且多方向可动的机器装置，它能按事先设定好的程序自动执行设定好的工作，它是靠电机提供动力和程序自我控制能力的相互协调来实现各种机械功能的一种机器装置。它可以受人的控制和指挥，也可以按照程序设定自动平稳工作，现代的机器人还可以按照人工智能技术设定的各项原则来工作。 现代工业机器人是集机械、电子、新型材料、计算机、传感器、人工智能等多技术融为一体的现代化工业生产线中非常重要的自动化机械装备。1962年美国制造出世界上第一台运用于工业生产的机器人以来工业机器人技术和相关产品发展及其迅速，我国也在迎头赶上。现在已经成为柔性制造系统、自动化系统、计算机大规模集成制造系统的自动化运行工具。 工业机器人是一种运行独立，多方向可动，程序可以编程控制，自动化程度很高的可代替人工的操作机械。主要运用在自动化生产线的生产中，还可以用于柔性制造系统中传递和装卸工件或作为夹具。工业机器人以刚性高的材料作为主体通常是手臂部分，与人工相比，可以有更高的工作效率，可以搬运人工不可以搬运的东西或者更重的东西，而且定位精度非常高，它可以根据设定的程序或者外来信号，自动进行操作。运用工业机器人可以非常有效的提高工业产品的质量与生产效率，实现生产过程中最大程度的自动化，改善人力资源需求，减轻工业生产对于人工依赖的一种有效手段。机器人的诞生和发展过程虽然只有30多年的时间，但它已应用到了国民经济领域,工业生产领域,军事技术领域等众多的领域，具有广阔的发展前景，并且显示出其强大的生命力[1] 广泛采用工业机器人，不仅可以提高工业生产的质量与效率，而且对保障人身安全、改善生产环境、减轻劳动强度、节约材料消耗以及降低工业生产成本有着非常重要的意义。 1.2上料机器人手臂的发展现状及未来的发展趋势 （1）世界机器人手臂的设计发展现状和今后的发展趋势。 第一代工业机器人就是现阶段工业中被大量使用的现型工业生产机器人，它主要由手部、关节、臂部、驱动系统和控制系统所组成。第一代工业机器人控制方式比较简单，应用人工编程然后存储在本身系统中，当机器人进行工作时读出这些事先编好的信息，然后向执行机构发出指令，执行机构按指令进行操作。第二代工业机器人就是带有多种传感器的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。第二代工业机器人控制方式比第一代工业机器人要先进并且复杂的多，第二代工业机器人从1980年进入了实用阶段，现在已经开始普及应用。第三代工业机器人就是数字智能化机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能记录和检测工作对象的变化，具有适应各种复杂工作环境的新功能。第三代机器人现在还处于设计研制研制阶段，还没有大量投入工业生产应用当中 。 目前，国外西方发达国家的工业机器人轨迹技术已经较为成熟。欧洲委员会设定了节能目标：到2020年工业机器人一次能源的消耗要比2007年减少20%。美国Meike和Ribickis，研究了ABB机器人获取时间最优轨迹和能量最优轨迹的获取算法，这将使同样的机器人运动目的采用最优化的轨迹，实现时间和能耗的最优。 国外发达国家现在正在研究工业生产中机械臂的模块化设计。想要研制一种新型模块化可任意旋转关节。为使模块化关节结构强度得到保证并且更紧凑，因此设计采用电机、编码器和制动器轴线平行的布置方式，具有标准通用的机械、电气接口，可以根据企业或者生产线的需求不同组装成不同构型的机械臂；针对模块化机械臂运动学不具有通用性的问题，基于构型平面匹配的方法，将空间构形转换为平面几何关系，实现对机械臂的模块化运动学求解；设计了机械臂运动学仿真平台，能够快速获得不同构型机械臂的运动学；结合该模块化旋转关节的特点，构建分布式控制系统，实现了对各种构型机械臂的控制。 由于新型的机械臂模块化推进了机器人创新技术的速度，使得企业与企业之间的相互了解的反应时间大大缩短。作为一条行业的竞争规则，管理者不得不去适应产品设计理念快速更替和机器人相关产业的各种创新发展，单单只去了解同行业直接竞争厂商的运营模式和竞争战略方针是远远不够的，与产品相关的其他模块的创新设计发展及其行业内部容易变化的合作联盟关系都有可能随时导致非常激烈的竞争。模块是产品知识的提现和载体，对模块科研成果的应用就是对科学知识的直接有效应用，利用好现阶段已经有的的经过实际生产检验的模块，就可以把产品设计风险与成本降到最低，同时还可以提高所生产产品的稳定性、可靠性、经济性、和设计质量。因为每个模块功能都具有独立性和模块接口的一致性，所以要求其各个模块设计研究更加的专业，细致，可靠。我们可以通过不断的改进与升级机器人自身的性能和精度来提高产品的整体的性能、质量和可靠性，并且不会影响到产品其他需要的各项有用功能。 在当今工业机器人生产中各种传感器的加入和运用变得日益重要，除采用传统的传感器外，还加入了更加先进的视觉、力觉等特殊传感器，而遥控机器人则复杂很多，一般的遥控机器人大体采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器进行环境监测、障碍躲避、声音辨识和方位感应。现在多种传感器的协调匹配技术在工业生产中已经有非常成熟广泛的应用。 系统应用与集成化：支持运用于以人为本的生产系统，在生产系统中机器人可以群体控制、群体智能和多机互联通讯，研发能理解人的思想的“类人机器人”。 安全可靠性：由于有很多的未知因素的存在，如果要实现机器人智能化的安全与可靠，那么必须要求机器人对突发的各种意外情况都具有应变能力，可以做到及时采取必要的预防措施和有效的安全对策，包括硬件系统、软件系统、和人体系统的自我诊断和自我修复。 现阶段工业机器人所能达到的最高阶段是智能化和仿生化相结合，随着材料技术、控制技术、机器人小型化数据化的不断创新发展，实验产品越来越多的被生产并逐步应用于各种生产线和生活中的各个场合。伴随人们的生活水平不断的提高移动互联网、物联网在日常生活中的快速普及和发展，具有较多传感器的精密型工业机器人将会未来的工业生产中越来越多的被运用。 （2）国内机器人手臂的设计发展现状与未来的设计发展趋势。 20世纪70年代初期我国才把工业机器简单的运用到了一些重工业的工业生产线中，经过几十年我科研人员的不断发展与创新，我国的工业机器人取得了巨大的进步。随着我国各项科技水平不断发展和强大，我国的工业机器人技术取得了举世瞩目的成果，并且在全球范围内的工业发展过程中开始扮演着非常重要的作用[5]。当然与西方发达国家相比较，我国的机器人技术还确实存在着一定的差距，所以我们要引进并且充分吸收利用国外先进的机器人技术，使我国的机器人发展迈上新的台阶。 上料工业机器人正向灵活、多功能、经济型稳定型发展。专业化分工是提高产品质量、不断更新换代的一个办法[6]。我国现在机械手臂设计正朝向刚度高、导向性号、重量轻、运动平稳、定位精度高等特点迈进。 中国工业机器人从引进到自己生产发展迅速。我国目前已经可以自主设计生产出大部分工业机器人的关键性元器件。现在国产的各种型号的各种用途的工业机器人已经出现在了我国很多企业的一线生产线上；同时也涌现出一大批高、精、尖的机器人技术的研究人才。一些与机器人技术相关的科研机构和企业也已经掌握了工业机器人的各项重要技术。 未来的我国机器人行业，将重点研究其智能化体系结构，高精度的控制，智能化作业和机械臂模块化设计，构成新型工业机器人的核心技术体系。智能化的结构就是要形成国内机器人的行业标准、国家标准，然后再结合我国新型工业机器人的各项技术，设计研发出与行业息息相关的其他成套的重要装备技术，从而形成我国工业机器人的核心成套装备技术。 1.3本论文研究的主要内容 本论文的主要内容有上料机器人手臂总体方案设计与计算，三维建模与运动仿真，对上料机器人的轴进行有限元分析，用UG对轴进行数控加工分析，具体内容如下： 第1章，绪论。介绍本论文研究的理论意义与国内外上料机械手臂的发展现状与发展趋势，并简要介绍本论文研究的主要内容。 第2章，总体方案设计与计算。柔性制造系统(Flexible Manufacturing System)能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，本课题意在适应新时期制造业的发展要求，在设计前对熟悉工业机器人臂部的结构、功能及工作原理，分析机器人臂部各重要的组成部分。完成柔性制造中工业机器人手臂部位各机构的传动设计。加强对现实生产中工业机器人的理解，设计出臂部的主要传动结构，并确定设计方案。确定能完成机器人臂部的各项要求动作。 根据已经设计出的方案，计算出各个零件的各项详细数据，并各个零件数据进行强度校核，确定臂部部件的强度稳定性和可靠性。 第3章，三维实体图的制作和运动仿真模拟。做出上料机器人臂部的机械总装配图和重要部分零件的零件图。并对机器人手臂的运动轨迹和构件进行三维运动仿真。 第4章，总结与展望。总结和阐述了本论文研究的主要课题和内容，并且简要分析了本篇论文可能存在的一些问题。 36 第2章 上料机器人手臂设计综述 2上料机械手臂的结构设计 2.1 总体方案分析 该方案主要完成对上料机器人臂部的结构设计。采用研究类似机械设计过程并进行类比推理，方案间比较等方法，根据工业机械手臂的实际应用特征及现有的物质、经济技术、人力等条件，以所学的理论知识为基础，按照工业机器人手臂工作的一般过程、设计标准，借鉴以往相似设备的成功经验进行初步设计，然后对初步设计方案进行验算，修正，直至达到安全、经济、实用的目的。其中对于机器人臂部设计中的关键问题、难点问题进行重点分析解决，确保整个设计方案的可行性和最佳性。 臂部的旋转变直线运动（伸缩）可以由齿轮齿条机构、蜗轮蜗杆机构、滚珠丝杠等机构实现。但是齿轮齿条机构安装加工精度差，传动时噪声差。蜗轮和蜗杆的传动效率都相对偏低，伸缩与延展性能相对较差。与此同时滚珠丝杠摩擦损失非常小，传动过程中的效率非常高，控制精度高，同时可高速进给，轴向刚度高，在生产过程中稳定可靠。因此综上所诉选择滚珠丝杠机构机型的传动效果最佳。 在仅仅存在一个输入，俯仰与伸缩独立运动问题的考虑上，可以选择离合，PLC控制或者滑移齿轮来实现，综合考虑，因为滑移齿轮不工作的齿轮不啮合，因而空载功率损失较小，所以选择滑移齿轮来实现独立运动。比较经济实惠。 驱动形式是电动或者液压，因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，臂部运动对机器人运动最终精度影响大，故采用电机驱动来实现臂部的回转运动。 2.2传动方案的选择 • 2.2.1传动方案应满足的要求 臂部设计一般由提供动力的电机、传动装置和用于上料的工作部分组成，传动装置在原动机和用于工作的机械臂之间传递运动和动力，并且可实现分级和多级运动。在这次的研究课题中，原动机应采用步进电机，用于工作的部分为方形，传动装置是由齿轮传动和滚珠丝杠传动配合组成。 符合工作条件的传动方案主要有以下四点具体要求： （1）机械的功能要求：应满足或者略大于工作台的要求功率、转速和所需的运动形式。 （2）工作条件的要求：例如工作环境、场地等。 （3）工作性能要求：保证工作可靠、传动效率高等。 （4）结构工艺性要求；如结构简单合理、工艺精度高、各个结构尺寸合理、使用维护便利、稳定可靠、可持续工作、和经济合理等。 • 总体传动方案设计及分析 方案一： 为解决通过一个电机解决机械手臂俯仰与伸缩动作独立的问题，我们采用滑移齿轮结构，结构简单，维护便利。简图如下图2.1。 为了将齿轮的转动改变成直线往复运动，我们采用滚珠丝杠，通过滚珠丝杠的旋转运动是的在上面的滚珠螺母变成之间运动从而实现了运动形式之间的转换，进而实现了手臂的伸缩运动。 滚珠丝杠具有以下3个优点：（1）.摩擦损失小，传动效率高。（2）精度高。（3）.可以实现高速进给，轴向刚度高。 俯仰运动通过锥齿轮的传动，从而将旋转运动的方向改变，进而实现俯仰运动。 图2.1 方案一简图 方案二： 我们采用集成PLC电路的方式解决通过一个电机解决机械手臂俯仰与伸缩动作独立的问题。简图如下图2.2。 伸缩运动采用齿轮齿条机构。齿轮齿条机构的特点是：（1）.传递动力大，效率高。（2）.寿命长，工作平稳，可靠性高。（3）.能保持恒定的传动比。 图2.2 方案二简图 方案三： 伸缩运动采用蜗轮蜗杆机构，简图如下图2.3 蜗轮蜗杆运动的特点：（1）.可以得到很大的传动比。（2）.线接触承载能力提高。（3）.传动平稳，噪声小。 图2.3 方案三简图 综合比较，方案一比较合理，因此采用方案一。 2.3滚珠丝杠的设计 • 2.3.1丝杠工作台的运动要求 俯仰部分质量：m1=20Kg； 工件质量：m2=3-200Kg； 行程长度：l=400mm； 最高运动速度：Vmax=0.08m/s； 每分钟往复次数：n=6次/min； 定位精度：±0.3mm/1000mm； 轴向游隙：0.15mm； 反复定位精度：±0.1mm； 期望寿命：3000h； 工作部分与导轨滑动表面的摩擦系数：μ=0.15； 滚珠丝杠的传动效率：η=90%。 • 2.3.2滚珠丝杠的计算及校核 根据滚珠丝杠的运动要求 （1）滚珠丝杠副的选择：伸缩长度S=400mm，所需的伸缩时间t=5s所以速度V由式（2.1）计算： （2.1） 解得V=0.08m/s。 初选螺距P=10mm，则螺距由式（2.2）计算： （2.2） 解得nm=960r/min。 （2）计算载荷：则Fc(w) 由式（2.3）计算 （2.3） 式中：KF为载荷系数 KH为硬度系数 KA为精度系数 由题中条件，取KF=0.2，取KH=1.0取D级精度，取KA=1.1丝杠的最大工作载荷Fm(丝杠最大的工作载荷): （2.4） 解得Fc=396N。 （3）计算额定动载荷的值：由式（2.5）计算 （2.5） 解得。 （4） 根据选择滚珠丝杠副：按滚珠丝杠副的额定动载荷等于或稍大于的原则，选用STK3210-4-R丝杠直径D0=35mm，导程P=10，滚珠直径d0=5.556mm，滚道半径由式（2.6）计算 （2.6） 解得R=2.89。 偏心距由式（2.7）计算 （2.7） 解得R=。 丝杠内径由式（2.8）计算 （2.8） 解得d1=26.35mm。 （5）稳定性验算 因为由于一端轴向固定的长丝杠在实际生产线工作中时可能会不稳定，为确保安全所以在前期设计时应验算其安全系数S，看是否合格。如果S的值大于丝杠副传动结构允许安全系数[S]，那么说明稳定可靠，否则不合格。（见表2-10）。丝杠不会发生安全风险的最大载荷也叫临界载荷Fcr按式（2.9）计算： （2.9） 式中E为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206Mpa； l 为丝杠工作长度（m）L=400mm；为丝杠危险截面的惯性矩；u为长度系数由式（2.10） （2.10） 解得Ia=。取， 则 安全系数由式（2.11）计算： （2.11） 解得S>[S]，结构安全。 （6）选定螺母类型 查阅现有的书籍资料，轧制滚珠丝杠中，丝杠外径35mm，螺母L=98mm。 （7）丝杠安装轴承的选择 初选为30204，d=20，D=47，T=15.25，Cr=28.2KN，C0r=30.5KN。在实际工程计算中，轴承寿命由式（2.12）表示 （2.12） （2.13） 其中， C——基本额定动载荷（N ）； P——当量动载荷（N ）； ——寿命指数 球轴承； n——轴承的转速（r/min）； 由式（2.13）计算 解得C=1200KN，因为Cr>C，所以满足要求。 2.4电机的选择 • 2.4.1确定各旋转件的角速度 角速度由式（2.14）计算： 丝杆= （2.14） 解得丝杆=100.53rad/s。 • 2.4.2确定各旋转件的转动惯量 其中丝杆系效直径取为0.038m。转动惯量由式（2.15）计算 J = （2.15） 解得J=。 • 2.4.3确定直线传动件质量 质量由式（2.16）计算 =m1+m2+m3+m4+m5 （2.16） 解得=50Kg。 • 2.4.4转化到电机轴上当量转动惯量 当量转动惯量由式（2.17）计算 J= （2.17） 式中： Wk—各旋转件的角速度；（rad/s ）, Jk—各旋转件的转动惯量； （Kg•m）, V—-直线运动件的速度；（m/s）, W---电机角速度；（rad/s）。 解得J=5.1×10 Kg•m。 • 2.4.5确定克服惯性量所需的电机上的扭矩: 扭矩由式（2.18）计算 =J （2.18） 式中：J—电机轴上的当量转动惯量（Kg•m）； W—电机的角速度（rad/s）； T—时间，取t=0.27； 解得M惯 =0.785N•M。 • 2.4.6确定负载扭矩: 扭矩由式（2.19）计算 （2.19） 解得TL=5N•M。 由式（2.20）计算： （2.20） 解得Tst=10 N•M。 最大静转矩由式（2.21）计算 （2.21） 解得Tsmax=11.3 N•M。 根据动力源和工作条件功率由式（2.22） （2.22） 解得Pw=1.135KW。 η1、η2分别为联轴器、圆锥滚子轴承，，η1=0.99，η2=0.93 η=0.9207 电机功率由由式（2.23）计算 （2.23） 解得Pd=1.233KW。 根据手册表17-7，选择Y系列（IP44）三相异步电动机：Y100L-6其额定功率为1.5KW，同步转速为1000r/min。 2.5齿轮传动的设计 • 2.5.1锥齿轮的计算及校核 （1）选定所需的齿轮类型、需要的精度等级、材料的种类及所需齿数 1）通过对比选用标准直齿锥齿轮齿轮传动，压力角取20； 2）两个锥齿轮均选用7级精度； 3）材料为40cr，并都进行调制处理，硬度为280HBS； 4）由于所设计锥齿轮仅实现交叉轴传动换向，故设计齿数为Z1=24，大齿轮齿数为Z2=77。 （2）齿轮接触疲劳强度计算由式（2.24） （2.24） • 确定公式中各个参数值。 • 试选KHt=1.3， • 计算小齿轮传递转矩由式（2.25） （2.25） 解得T1=5.12×104N·mm。 • 选取齿宽系数ΦR=0.3 • 由文献[16]图10-20查得区域系数ZH=2.5； • 由文献[16]表10-5查得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa • 计算接触疲劳许用应力[σH]。 由文献[16]图10-25d查取小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为σHlim1=600MP，σHlim2=550MP 由文献[16]式（10-25）计算应力循环次数由式（2.26）、（2.27）计算： （2.26） 解得N1=5.184×109。 N2= N1/u （2.27） 解得N2=1.62×109。 由文献[16]图10-23查取解除疲劳寿命系数KH1=0.90，KH2=0.95取失效概率为1％，安全系数S=1，由文献[16]中式（10-14）即由式（2.28），（2.29）计算： （2.28） 解得[σH]1=540MP。 （2.29） 解得[σH]2=523MP。 取[σH]1、[σH]2中的偏小值当做该齿轮副的接触疲劳许用应力，即 [σH]1=[σH]2=523MPa 2）试算小齿轮分度圆直径由式（2.30）： （2.30） 将各数据代入式（2.30），可得d1t=68.051mm （2）调整小齿轮分度圆直径 1）计算实际载荷系数前的数据分析与收集 圆周速度v由式（2.31）、（2.32）计算 dm1=d1t（1-0.5）ΦR （2.31） 解得dm1=57.843mm， （2.32） 解得vm=3.634m/s。 当量齿宽系数Φd由式（2.33）、（2.34）得： （2.33） Φd=b/dm1 （2.34） 解得Φd=0.592。 2）计算载荷系数KH 由文献[16]表10-2查得使用系数KA=1 根据vm=3.634m/s、7级精度，由文献[16]图10-8查得动载系数KV=1.173 因为直齿锥齿轮精度相对较低，所以取齿间载荷分配系数KHα=1为最佳 由文献[16]表10-4用插值法得7及精度，小齿轮悬臂时，得齿向载荷分布系数；KHβ=1.345，KH由式（2.35）计算 （2.35） 解得KH=1.578。 3）由文献[16]式（10-12），我们知道按实际载荷系数计算出的分度圆直径为， （2.36） 由式（3.36）解得d1=72.592。 相应的齿轮模数m =3.024，取标准模数m =3。 （3）校核齿根弯曲疲劳强度由式（2.37）计算 （2.37） 1）确定公式中的各参数值。 ①试选载荷系数KFt为1.3。 ②计算 分锥角由式（2.38）计算 δ1=arctan（1/u） （2.38） 解得δ1=17.312，δ2=72.688。 可以得到当量齿数由式（2.39）计算 Zv1=Z1/cosδ1 ，Zv2=Z2/cosδ2 （2.39） 解得Zv1=25.14，Zv2=258.76。 由文献[16]图10-17得齿形系数YFa1=2.65，YFa2=2.2；由文献图10-18，查得应力修正系数Ysa1=1.6，YSa1=1.8；由参考文献[16]图10-24c查得小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为σFlim1=500MPa，σFlim2=380MPa；由文献[16]图10-22查得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85，KFN2=0.88；取弯曲疲劳安全系数S=1.7，由文献[16]式（10-14）求[σF]，即由式（2.40）计算 （2.40） 求得[σF]1=257.3MPa，[σF]2=196.5MPa。 代入式可求得=0.0159，=0.0197，因为大齿轮的大于小齿轮，所以取=，即的值为0.0197。 2）试算齿轮模数 将值代入式（2.37）可得mt=1.475mm。 3）调整齿轮模数 ①圆周速度v由式（2.41）计算 （2.41） 其中d1t=mtz1，解得d1t=35.412。 dm1由式（2.42）计算 dm1=d1（1-0.5）ΦR （2.42） 解得dm1=30.010mm；得圆周速度v为1.891m/s。 ②齿宽b由式（2.33）计算： 解得b=17.8mm。 4）计算实际载荷系数KF ①根据v=1.891m/s，7级精度，由文献[16]图10-8，查得动载系数Kv=1..1； ②直齿锥齿轮精度较低，取齿间载荷分配系数KFα=1 ③由文献[16]表10-4，用插值法查得KHβ=1.338，得KFβ=1.26。 则载荷系数KF=KAKVKFαKFβ，解得KF=1.413。 5）由文献[16]式（10-13），可得按实际载荷算得的齿轮模数由式（2.43）计算： （2.43） 根据mn=1.881mm 按照齿根弯曲疲劳强度计算的模数，就近选择标准模数m=2mm，按照接触疲劳强度算得的分度圆直径d1=90.634mm，算出小齿轮齿数Z1=45.32，取Z1=46，则大齿轮齿数Z2=147.2，为了使两齿轮的齿数互质，取Z2=147。 • 2.5.2齿轮参数 • 计算分度圆直径由式（2.44）计算： d=zm （2.44） d1=90mm，d2=294mm。 • 计算分锥角δ1= 17°，δ2=73°。 • 计算齿轮宽度b=46.21mm ，取b1= b2=46mm。 （4） 齿数Z1=46，Z2=147，模数m=2mm，压力角α=20°，变位系数x1=x2=0，分锥角δ1= 17°，δ2=73°，齿宽b1=b2=46mm，小齿轮选用40Cr（调质），大齿轮选用40Cr（调质），大齿轮选用45钢（调质）。齿轮按照7及精度设计。 2.6轴承的选择 • 2.6.1轴承的设计与选用 俯仰轴选用文献[17]角接触球轴承7205C，d=25，D=52，B=15，基本额定动载荷Cr=16.5KN，基本额定静载荷C0r=10.5KN，轴1受到轴向力，周向力，径向力 （1）求两轴承受到的径向载荷Fr1和Fr2 将轴系部件受到的空间作用力分解为垂直面和水平面两个平面力系。其中： Fte为通过另加转矩而平移到指向轴线；由图2.4，图2.5，图2.6推得 Fae也应通过另加弯矩而平移到作用于轴线上。Fre=Fr1，Fae=Fa1，Ft1=Fte。由力分析可知：Ft1=160.3N，Fr1=55.8N，Fa1=17.1N 图2.4 轴承所受轴向力图 图2.5 轴承所受垂直力图 图2.6 轴承所受水平力图 （2.45） 由式（2.45）计算得出：Fr1v=13.6N，Fr2v=42.2N，Fr1H=43.2N，Fr2H=117.1， Fr1=45.3N，Fr2=124.5N （2）求两轴承的计算轴向力Fa1和Fa2 对于70000C型轴承，按文献[16]表13-7，轴承派生轴向力由式（2.46）计算： （2.46） 其中e为文献[16]表13-5中的判断系数，其值由Fa/C0的大小来确定，但现在轴承轴向力Fa未知，故先初取e=0.4，由式（2.46）可估算：Fd1=5.44N，Fd2=16.88N，因为Fd2-Fae=-0.22NFd2，故Fa2=Fd1+Fae；即Fa1=17.1N，Fa2=22.54N。 因此，Fa1/C0=0.0163，Fa2/C0=0.0254。由文献[16]表13-5进行插值计算，得e1=0.401，e2=0.453，再计算： Fd1=e1Fr1，Fd2=e2Fr2，两次计算的Fa/C0相差不大，因此确定e1=0.401，e2=0.453，Fa1=17.1N，Fa2=22.54N。 （3）求轴承当量动载荷和 因为Fa1/Fr1=0.377P1，按轴承2的受力大小，由式（2.48）验算 （2.48） 解得Lh>Lh1，所选轴承满足寿命要求。 2.7俯仰轴的设计 • 2.7.1俯仰轴的设计与校核 （1）求输入轴上的，转速和转矩T1 取轴承，联轴器，闭式齿轮传动7及精度，P1，T1由式（2.49）计算 （2.49） 解得P1=1.26KW，T1=2404N·mm。 （2）求作用在齿轮上的力 因为已知高速级小齿轮的分度圆直径为90mm 齿轮所受的力如图2.7所示； 图2.7 俯仰轴齿轮受力图 轴上受力由式（2.50）计算 （2.50） （3）初步确定轴的最小直径 根据刚性和稳定性选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表,于是d由式（2.51） （2.51） 解得d=24mm。 （4）俯仰轴的设计 1）根据轴需要轴向定位所以要确定所有轴的的各段直径和长度 如图2.8所示： 图2.8 轴尺寸 2）轴上零件的同向定位 齿轮、与轴的同向定位均采用平键连接同时为了确保齿轮与轴的配合共作有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为，角接触球轴承与轴的配合为H7和k6。 3）计算确定出轴上圆角和倒角尺寸 参考文献[16]表15-2，取轴端倒角为，各轴肩处的圆角半径见零件图。 4）求轴的载荷 从轴的结构图加上弯矩和扭矩图可以直观的发现截面B是轴的危险截面。现将计算出的截面上的、及M的直列于下表,如表2.1所示； 表2-1 轴1危险截面应力 载荷 水平面H 垂直面V 力F 　 弯矩M 　 总弯矩 扭矩T 　 5)按弯扭合成应力校核轴的强度 进行轴的强度检验时，一般我们只检验校核轴上所受到的最大弯矩（M）和最大扭矩（T）的截面（即危险截面A）的强度。根据上表中所列出的各项数据，以及轴进行单向旋转时，扭矩切应力应该为脉动循环变应力，取。 轴的计算应力由式（2.52）计算： （2.52） 解得σca=3.79MPa。 文章前面已选定轴的材料为45钢，调质处理，由[1]表51-1查得，因此， 故安全。 （6）结构设计 如图2.9，俯仰轴共七段。各段的直径和长度在前面已列出。 图2.9 轴1结构图 第3章 Pro-E建模和仿真 3.PRO/E建模和仿真 3.1主要部件建模及其简介 3.1.1轴承建模的主要过程 运用Pro/e进行三维建模相对比较简单，所以我们这里只简单大概的介绍一下角接触球轴承的三维建模，如图为上料机器人手臂中的角接触球轴承。如图3.1所示。 图3.1 角接触球轴承 由文献[11]具体的建模步骤如下： （1）创建零件文件。 （2） 当我们选择“旋转”这个工具以后，系统会弹出旋转的控制面板，单击旋转控制面板上的“位置”按钮会弹出一个关于位置的操作面板，在弹出的面板中单击“定义”按钮 ，之后会弹出“草绘”对话框就可以进行草绘操作。 （3）单机选择TOP为设定的基准面，也就是草绘平面，接受系统默认的参照与坐标方向，单击“草绘”按钮进入草绘界面。 （4）进去草绘界面后单击“继续当前部分”按钮，即界面显示的“对勾”按钮，然后在草绘界面中完成截面草图的绘制。接下来单击位于旋转控制面板中的“确定”控制按钮，编辑出来的三维模型效果下图3.2。 图3.2 内外圈 （5）选择操作界面中的“旋转”工具按钮，弹出旋转工具的操作控制面板，单击其中的“位置”按钮，在弹出的位置操作面板中选择“定义”按钮 ，弹出“草绘”对话框界面，然后就可以进行操作了。 （6）选择TOP面为基准的绘图平面，接受系统设定的坐标参照与观察方向，然后选择“草绘”按钮进入草绘界面进行三维建模草绘。 （7）在绘图界面中绘制完成三维建模草图后，然后再选择那个打对勾的按钮，就是“继续当前部分”的控制按钮。然后我们的截面草图就绘制完成了。接着选择旋转控制面板中的的“确定”按钮，做出的模型如下图3.3所示。 图3.3 未阵列的角接触球轴承 （8）选择之前步骤画出的的圆球模型，然后选择pro-E中的“阵列”按钮工具，系统自动弹出阵列控制操作面板。然后单击“阵列方式”下拉菜单在其中找到“轴”的选项，单击内圈中心轴。 （9）打开阵列控制面板找到阵列控制面板中的“阵列数”文本编辑框在其中输入需要的阵列数目为10，然后再找到“角度”文本编辑框，在“角度”文本编辑框中输入需要的阵列角度，然后单击“确定”按钮，做出的模型效果如下图3.4所示。就是角接触球轴承的模型。 图3.4 角接触球轴承的模型 3.1.2齿轮建模的主要过程 （1）首先在 “新建”对话框中找到并选择“零件”按钮，然后找到“名称”文本框，在“名称”文本框中输入该文件的文件名“chilun”，确定并使用公制模板，然后选择 “确定”按钮，就进入了零件三维设计界面。 （2）在FRONT面上建立齿轮的齿顶圆、齿轮的分度圆、齿轮的齿根圆。 ①激活草绘基准曲线命令。选择“插入”菜单、“模型基准”菜单、“草绘”菜单等需要用到的编辑菜单，选择FRONT面作为需要的草绘平面、然后以RIG面为选定的参照面，方向向右，然后进入草绘界面进行草绘画图。 ②绘制草图。以坐标轴的原点为画图圆心，分别绘制直径126,直径120,和直径112的圆作为齿顶圆、分度圆、齿根圆，画出的草绘基准曲线如图3.5所示就是需要的模型。 图3.5 齿顶圆、分度圆、齿根圆草绘曲线 ③退出草绘基准曲线特征。 （3）在FRONT面上建立一条渐开线。 ①激活基准曲线命令。使用“插入”菜单、“模型基准”菜单、“曲线”菜单项，在系统弹出的“曲线选项”浮动菜单中依次选择“从方程”、“完成”两个选项。弹出需要的定义“从方程”曲线的对话框。 ②选取坐标。选取系统默认坐标系“PRT-CSYS-DEF”。 ③确定坐标系类型。在弹出的选项菜单“设置坐标系类型”对话框菜单中选择“圆柱”选项，来说明是使用圆柱坐标系建立的渐开线方程。 ④建立渐开线方程如下。 alpha=20 m=3 z=40 c=0.25 ha=1 db=mzcos(alpha) r=(db/2)/cos(t*50) theta=(180/pi)× tan(t×50)- t×50 z=0 把坐标系类型选择确定后系统会自然弹出定义方程的窗口菜单，然后保存所画的建模并关闭程序，生成的渐开线模型如图3.6所示。 图3.6渐开线 （4）镜像步骤3中建立的渐开线，生成齿槽的另一条渐开线 如果我们要镜像渐开线，那么我们必须先在系统中创建一个需要用到的镜像平面。镜像平面是由经过原渐开线与分度圆与分度圆交点的平面旋转半个齿槽角度形成的，为了生成经过原渐开线与分度圆交点的平面又需要建立经过平面的轴线和交点。其建立步骤如下： ①建立基准轴线。经过RIGHT面和TOP面建立一条基准轴线。 ②建立基点。经过步骤3中生成的渐开线和步骤2中绘制的直径为120的圆建立一个基准点。 ③建立基准平面、经过①、②中生成的基准轴线和基准点建立基准平面。 ④建立镜像用的基准平面。经过①中建立的轴线，并且与③中建立基准平面偏移1.5°。 ⑤镜像渐开线。先选中渐开线，选择其中的“编辑”菜单、和“镜像”菜单项，选择第四步中已经建立的基准平面，完成需要的镜像，如图3.7所示就是镜像渐开线。 图3.7镜像渐开线 （5）建立齿坯。 ①选择“插入”菜单、和“拉伸”菜单，然后再选择FRONT面作为草绘的基准平面、以RIGHT面作为参照平面，方向选择向右，然后进入草绘操作界面。 ②绘制一个直径28的圆，并在中心绘制孔和键槽截面。 ③退出草图截面，输入拉伸特征高度25，并使特征生成于FRONT面的负方向侧。 （6）建立倒角。建立齿轮边缘上1×1的倒角。 （7）建立齿槽切除特征。 分析：如果齿底圆直径小于基圆，基圆以下的齿面轮廓为非渐开线，在制图中使用半径为d/5（d为分度圆直径）的圆弧来生成。本步骤首先在齿底圆和渐开线的基础上生成一部分齿槽，然后绘制圆弧并倒角形成齿槽。 ①选择“插入”和“拉伸”两个系统菜单项，在操控面板上选取去除材料模式。选择FRONT面当做草绘的基准平面、以RIGHT面为作为参照平面，方向选择向右，进入草绘操作界面。 ②绘制齿底圆和渐开线的轮廓。选择“通过边创建图元”按钮，选取齿底圆和两条渐开线，生成模型。 ③绘制基圆到齿底圆部分曲线。首先以渐开线为端点绘制圆弧并将其半径改为12，再加入半径0.5的倒角并修剪草图。 ④返回到拉伸特征操控面板，调整特征生成方向，生成一个齿槽。 （8）阵列齿槽，完成齿轮建立 ①使用选中步骤7中生成的去除材料拉伸特征，并选择“编辑”、“阵列”菜单项，激活阵列特征操控面板。 ②选择阵列方式为“轴”，选取前面建立的中心线，指定在360°角度上生成40个阵列特征，完成阵列。 ③齿轮建立完成，如图3.8所示。 图3.8 齿轮的模型 3.1.3轴建模的主要过程 旋转特征是轴零件建模过程中最常用的特征之一，适用于构建回转类零件。旋转特征是由截面绕回转中心旋转而自然形成的一类主要特征。 旋转特征必须有一条绕其旋转的中心线，此中心线可以是在草绘截面中建立的几何中心线，也可以是基准轴特征；同时截面必须全部位于中心线同一侧；若生成为旋转实体，截面必须是封闭的。 模型建立基本过程：①使用旋转特征生成轴；②使用建立基准平面命令建立“偏移”约束从而建立基准平面；③建立去除材料的拉伸特征，在基准平面上绘制键槽截面，向外拉伸去除材料生成键槽。 （1）使用“文件”菜单和“新建”菜单两个菜单选项，在弹出的“新建”菜单对话框中找到“零件”按钮并选择“零件”按钮，然后在“名称”文本框中输入文件名“zhou”，使用公制模板，进入零件设计界面。 （2）使用旋转特征建立轴的主体的步骤 ①使用工具栏的旋转特征命令，选择草绘的截面为FRONT面，RIGHT面作为需要的参照平面，方向选择向右。 ②绘制截面草图。 ③完成特征。指定旋转角度为360°。生成主体模型。如下图3.9所示。 图3.9 轴基础模型 （3）建立基准平面 ①依次选择“插入”菜单、“模型基准”菜单、“平面”菜单。 ②选定参照及其约束方式。选择FRONT面作为参照平面，其约束方式选择“偏移”，输入平移距离，生成DTM1，如图3.10所示。 图3.10 偏移平面图 （4）使用拉伸特征生成键槽 ①选择工具栏上的拉伸命令。 ②选择去除材料模式 ③绘制截图草图。选择步骤（3）中建立的基准平面作为草绘基准平面，RIGHT面作为参照平面，方向选择向右，绘制我们需要的