1緒論1.1前言隨著科技的不斷發(fā)展，尤其是進入了信息化時代的二十一世紀，傳統(tǒng)的機械基礎(chǔ)行業(yè)無法應(yīng)對當(dāng)今瞬息萬變的各種問題和困難，因此緊跟不斷創(chuàng)新、不斷進步的時代潮流已成為當(dāng)今世界的主題。于機械這個要追求高效率，低成本，安全，自動化的行業(yè)更是需要創(chuàng)新精神。機械手作為機械行業(yè)主要的一成員也應(yīng)如此。機械手的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)向醫(yī)療、生活、娛樂擴展，還可以用在一些對人體不利的場合[1]。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲倦，不怕危險，抓舉重物的力量遠遠大于人手的特點，因此，機械手已經(jīng)收到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到應(yīng)用。所以，對機械手的要求越來越高，需求量也越來越大。機械手的設(shè)計和控制是近年來國內(nèi)外非?；钴S的研究課題。它的設(shè)計可以分為假肢用機械手和工業(yè)用機械手的設(shè)計。前者的作用是替代肢體傷殘者的殘損部分，除了要考慮機能問題外，還要考慮其仿生性，即其形狀和人類肢體形狀的相似性。而后者的作用在于替代工業(yè)生產(chǎn)中作業(yè)人員，著重于機能的設(shè)計[2]。而在全世界在役的工業(yè)機械手中，大約有一半是用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。焊接機械手具有焊接穩(wěn)定，改善工人勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率等特點，廣泛應(yīng)用于汽車、通用機械、工程機械、兵器工業(yè)和金屬結(jié)構(gòu)等行業(yè)。截止2005年，全世界在役工業(yè)機械手約為91.4萬臺，目前我國應(yīng)用的焊接機械手90%以上是從世界各知名機械手廠家生產(chǎn)的，主要應(yīng)用在汽車制造業(yè)。預(yù)計未來幾年，國內(nèi)企業(yè)對于焊機機械手的需求量將以30%以上的速度增長[3]。1.2國內(nèi)外機械手的研究現(xiàn)狀目前，我國正在有組織、有計劃地開展機械手、尤其是工業(yè)機械手的研究。現(xiàn)在，我國從事機械手研發(fā)的單位有200多加，專業(yè)從事機械手產(chǎn)業(yè)開發(fā)的企業(yè)有50家以上?！熬盼濉逼陂g，國家“863”高技術(shù)計劃已將多家企業(yè)立為機械手產(chǎn)業(yè)化基地。此外，一些科研院所和大學(xué)也均在進行機械手技術(shù)及應(yīng)用項目方面的研發(fā)工作。近幾年，我國工業(yè)機械手及含工業(yè)自動化生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品的年產(chǎn)銷額已突破10億元。我國工業(yè)機械手研究開發(fā)已取得了一定的成績，但總的來看，我國工業(yè)機械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外相比還有一定的距離，無論從數(shù)量上還是技術(shù)上，都有一定的差距。進入新世紀以后，國際競爭日益加劇，對于機器人的需求愈來愈大。因此，我國的機器人研究將會面臨新的機遇。從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，對于焊接機械手的研究主要集中在焊接跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個方面。1.3機械手的發(fā)展趨勢機械手是集機械、電子、控制、計算機、信息等多學(xué)科的交叉綜合，他的發(fā)展和進步依賴并促進相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步。因此機械手的主要發(fā)展方向如下：（一）機械結(jié)構(gòu)向模塊化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化：由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市[4]。(二)機械手控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化：器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)：大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性[4]。(三)機械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機械手還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機械手則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制[5]。(四)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械手中的作用從仿真、預(yù)演向用于過程控制發(fā)展，如使遙控機械手操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機械手[4]。當(dāng)代遙控機械手系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全“自治系統(tǒng)”，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機械手走出實驗室進入實用化階段[5]。2機械手總體設(shè)計方案2.1機械手的設(shè)計任務(wù)如圖2-1所示，機械手應(yīng)能實現(xiàn)五自由度轉(zhuǎn)動焊接。五個自由度分別為腰部回轉(zhuǎn)、大臂擺動、小臂擺動、手腕回轉(zhuǎn)和擺動。圖2-1機械手的設(shè)計2.2機械手形式的選擇常用的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標形式可以分為以下四種：（1）直角坐標型機械手；（2）圓柱坐標型機械手；（3）球坐標型機械手；（4）多關(guān)節(jié)型機械手。考慮到機械手有五個自由度，四個關(guān)節(jié)，故本機械手的設(shè)計為多關(guān)節(jié)型。2.3驅(qū)動方式的選擇驅(qū)動方式可以分為氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動。（1）氣壓驅(qū)動：氣壓驅(qū)動的主要優(yōu)點是氣源放便，驅(qū)動系統(tǒng)具有緩沖作用，易于保養(yǎng)，結(jié)構(gòu)簡單成本低；主要缺點是功率小，定位精度不高，裝置體積大。（2）液壓驅(qū)動：液壓驅(qū)動系統(tǒng)的功率質(zhì)量比大，驅(qū)動平穩(wěn)，系統(tǒng)的固有效率高、響應(yīng)快，同時液壓驅(qū)動調(diào)速比較簡單，能在很大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速；起主要缺點是易漏油，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境，液壓系統(tǒng)需配備壓力源及復(fù)雜的管路系統(tǒng)，而且成本較高。液壓驅(qū)動多用于要求輸出力較大、運動速度較低的場合。（3）電氣驅(qū)動：電氣驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速器機構(gòu)去驅(qū)動負載，以獲得要求的機器人運動。由于具有易于控制，運動精度高，使用方便，成本較低，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境的諸多優(yōu)點，電氣驅(qū)動是最普遍、應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。由于電氣驅(qū)動具有上述優(yōu)點，故本機械手的五處自由度的運動均采用步進電動機驅(qū)動[3]。2.4機械手的主要運動方式和部件根據(jù)設(shè)計任務(wù)，本次機械手具有五個自由度，五大部件。五個部件分別為手部、腕部、大臂、小臂和底座。手部：由于是焊接機械手，手部即為焊槍。焊槍通過焊嘴接口固定在輸出法蘭上。腕部：采用兩個步進電動機來實現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)和擺動。小臂：采用一個步進電動機和諧波齒輪減速器同軸相連的傳動方式。大臂：采用一個步進電動機和諧波齒輪減速器相結(jié)合的傳動。（5）底座：采用步進電動機和齒輪相結(jié)合的傳動方式以實現(xiàn)底座的回轉(zhuǎn)。2.5機械手主要設(shè)計參數(shù)根據(jù)焊接機械手的實際用途和特點提出技術(shù)參數(shù)如表2-1所示。表2-1機械手設(shè)計主要參數(shù)自由度數(shù)目5坐標形式多關(guān)節(jié)型固定的焊槍重量1.5kg機器人本體質(zhì)量約160kg大臂最大可旋轉(zhuǎn)的角度±30°3手部的設(shè)計由于是焊接機械手，因此手部為焊槍。3.1焊槍的選擇焊槍主要分為三類：手槍式、鵝頸式和自動式。鵝頸式焊槍適合于小直徑焊絲，使用靈活方便，特別適合于緊湊部位、難以達到的拐角處和某些受限制區(qū)域的焊接。手槍式焊槍適合于較大直徑焊絲，它對于冷卻效果要求較高，因而常采用內(nèi)部循環(huán)水冷卻。自動焊焊槍的基本構(gòu)造與半自動焊焊槍相同，但其載流容量較大，工作時間較長，有時要采用內(nèi)部循環(huán)水冷卻。對于焊接機械手，由于鵝頸式焊槍具有如上優(yōu)點，故本設(shè)計選用的是鵝頸式焊槍，重為。3.2焊槍安裝方式從簡單方便的角度出發(fā)，選用的設(shè)計方案如圖3-1所示：焊槍通過焊嘴接口固定在法蘭盤上，焊嘴接口與法蘭盤、焊嘴接口與焊槍均通過螺栓固定。這種方式的主要優(yōu)點是簡單，同時又方便焊槍的更換。圖3-1焊槍安裝4腕部的設(shè)計4.1基本要求（1）質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊由于腕部處于整個機械手前端，因此它的重量會對整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)性能有比較大的影響。在設(shè)計時應(yīng)該合理布局，使機構(gòu)機構(gòu)緊湊，減少對系統(tǒng)性能的影響。（2）應(yīng)有足夠的剛度強度腕部是連接手腕和小臂的部件，因此要考慮是否有足夠的剛度強度。4.2腕部的設(shè)計方案腕部處有兩個自由度：腕部回轉(zhuǎn)和擺動。腕部安裝在小臂的左端，控制腕部回轉(zhuǎn)的步進電動機和控制擺動的步進電動機都安裝在小臂的另一端上，通過同步帶傳動來實現(xiàn)動力的傳遞。同步帶傳動是嚙合型的帶傳動，同時具備了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的特點，能夠保證嚴格的傳動比。其工作原理如圖4-1所示：圖4-1腕部結(jié)構(gòu)圖從腕部結(jié)構(gòu)圖可以看出，腕部回轉(zhuǎn)電動機通過同步帶1帶動帶輪1，進而帶動軸1旋轉(zhuǎn)。軸1端部安裝有直齒錐齒輪1，錐齒輪1旋轉(zhuǎn)后帶動錐齒輪2旋轉(zhuǎn)，進而帶動軸2，從而使腕部達到做回轉(zhuǎn)運動的效果。而腕部的擺動電動機也通過同步帶2使帶輪2轉(zhuǎn)動，進而帶動腕部外殼使腕部做上下擺動。4.3同步帶的設(shè)計4.3.1電動機輸出功率的選擇由于步進電動機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用，故其功率是變化的。隨著轉(zhuǎn)速的提高，步進電動機的轉(zhuǎn)矩會急劇下降，兩者的關(guān)系是非線性的。所以對同一臺步進電動機，不同轉(zhuǎn)速下的輸出功率是不同的。故在設(shè)計同步帶時，電動機的輸出功率按估算值來進行計算。初選驅(qū)動同步帶的步進電動機，即控制腕部回轉(zhuǎn)的步進電動機型號為75BYG4501型混合式步進電動機，其步矩角為。預(yù)設(shè)同步帶的傳動比為2.4，小帶輪的轉(zhuǎn)速設(shè)為，則此時對應(yīng)的步進電動機脈沖頻率為：根據(jù)75BYG4501步進電動機的運行矩頻特性曲線，當(dāng)脈沖頻率為時，對應(yīng)的電動機的輸出轉(zhuǎn)矩約為，則此時對應(yīng)的輸出功率約為：4.3.2同步帶各參數(shù)的計算4.3.2.1設(shè)計功率設(shè)計功率的公式為：（4-1）式中—電動機輸出功率，為；—載荷系數(shù)，取2。故。4.3.2.2選定帶型和節(jié)圓根據(jù)和，由《機械設(shè)計手冊》中的梯形齒同步帶選型圖可以確定為L型，節(jié)距為。4.3.2.3小帶輪齒數(shù)的選定小帶輪齒數(shù)可根據(jù)帶型L和小帶輪的轉(zhuǎn)速，由《機械設(shè)計手冊》可查得小帶輪最小齒數(shù)，故取。4.3.2.4小帶輪節(jié)圓直徑的計算小帶輪節(jié)圓直徑為：。4.3.2.5大帶輪齒數(shù)的計算大帶輪齒數(shù)為：。4.3.2.6大帶輪節(jié)圓直徑的計算大帶輪節(jié)圓直徑為：。4.3.2.7帶速的計算帶速為：。4.3.2.8初定中心距中心距可根據(jù)實際結(jié)構(gòu)進行選擇，這里取中心距。4.3.2.9帶長及齒數(shù)的計算根據(jù)《機械設(shè)計手冊》可知應(yīng)選用帶長代號為863的L型同步帶。其節(jié)線上的齒數(shù)，節(jié)線長為。4.3.2.10實際中心距的計算（此結(jié)構(gòu)的軸間距可以調(diào)整）實際中心距為：4.3.2.11小帶輪嚙合齒數(shù)的計算4.3.2.12基本額定功率的計算（4-2）式中—同步帶的許用工作拉力（），查《機械設(shè)計手冊》可得；—單位長度的質(zhì)量()，可查得為。故。4.3.2.13所需帶寬的計算（4-3）式中—所選帶型的基準寬度（），根據(jù)《機械設(shè)計手冊》可得為；—小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，查手冊可得為。則有。4.3.2.14帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸綜上所述，傳動選用的同步帶為863L型；小帶輪齒數(shù)，節(jié)圓直徑；大帶輪齒數(shù)，節(jié)圓直徑。4.4直齒錐齒輪的設(shè)計及強度校核4.4.1直齒錐齒輪傳動幾何參數(shù)和尺寸計算由于直齒錐齒輪大端的尺寸大、測量方便。因此，直齒錐齒輪傳動是以大端參數(shù)為標準值的。在強度計算時，則以齒寬中點處的當(dāng)量齒輪作為計算依據(jù)。軸交角設(shè)計為，壓力角一般為，齒頂高系數(shù)，齒數(shù)比設(shè)定為。小齒輪材料為，硬度為；大齒輪材料為45號鋼，硬度為。4.4.1.1小齒輪轉(zhuǎn)矩的計算（4-4）式中P—輸入功率()，參考帶傳動的設(shè)計可知；—小齒輪的轉(zhuǎn)速（），根據(jù)帶傳動的設(shè)計可知。則有。4.4.1.2小齒輪分度圓直徑的初選由于軸交角，壓力角，根據(jù)和傳動比可由《機械設(shè)計手冊》選擇小齒輪的分度圓直徑為。4.4.1.3齒輪齒數(shù)小齒輪齒數(shù)可根據(jù)和由《機械設(shè)計手冊》查得約為16。大齒輪齒數(shù)。4.4.1.4模數(shù)，即為標準值。4.4.1.5分度圓錐角的計算小齒輪的分度圓錐角為：。大齒輪的分度圓錐角為：。4.4.1.6錐距的計算。4.4.1.7齒寬的計算。4.4.1.8大齒輪分度圓直徑的計算。4.4.1.9齒根高的計算（4-5）式中—齒頂高系數(shù)，取1；—頂隙系數(shù)，直齒錐齒輪按GB/T12369—1990的頂隙系數(shù)為0.2。則有。4.4.1.10齒頂高的計算。4.4.1.11齒根圓直徑的計算小齒輪的齒根圓直徑為：。大齒輪的齒根圓直徑為：。4.4.1.12齒頂圓直徑的計算小齒輪齒頂圓直徑為：。大齒輪齒頂圓直徑為：。4.4.1.13齒根角的計算。4.4.1.14頂錐角的計算小齒輪頂錐角為：。大齒輪頂錐角為：。4.4.1.15分度圓齒厚的計算。4.4.1.16當(dāng)量齒數(shù)的計算小齒輪的當(dāng)量齒數(shù)。大齒輪的當(dāng)量齒數(shù)。4.4.2齒根彎曲疲勞強度的校核直齒錐齒輪的彎曲疲勞強度計算式為：（4-6）4.4.2.1確定公式內(nèi)的各計算值4.4.2.1.1式中為載荷系數(shù)，其計算方法為。為使用系數(shù)，查《機械設(shè)計手冊》取1；為動載荷系數(shù)，可按中低一級的精度線及查取，大小齒輪的動載荷系數(shù)均取1.05；為齒間載荷分配系數(shù)，也取1；齒向載荷分配系數(shù)，可按下式計算（4-7）式中—軸承系數(shù)，查手冊取1.5。則有。故。4.4.2.1.2為齒寬，根據(jù)上文可知為。4.4.2.1.3為模數(shù)，為。4.4.2.1.4由《機械設(shè)計手冊》可查得小齒輪彎曲疲勞強度極限為，大齒輪的彎曲疲勞強度極限為。4.4.2.1.5應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的計算（4-8）式中—小齒輪轉(zhuǎn)速（），根據(jù)上文可知為；—齒輪每轉(zhuǎn)一圈，同一齒面嚙合的次數(shù)，取1；—齒輪的工作壽命（），設(shè)工作壽命為15年，每年工作300天，每天工作16個小時，則有。故小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為；大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為。4.4.2.1.6根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)查《機械設(shè)計手冊》取小、大齒輪彎曲疲勞壽命系數(shù)分別為，。4.4.2.1.7彎曲疲勞許用應(yīng)力的計算（4-9）式中—疲勞強度安全系數(shù)，對于彎曲疲勞強度來說，如果一旦發(fā)生斷齒，就會引起嚴重的事故，因此通常取。這里取。則有，。取兩者的較小值。4.4.2.1.8、分別為應(yīng)力校正系數(shù)和齒形系數(shù)，根據(jù)當(dāng)量齒數(shù)由《機械設(shè)計手冊》查得分別為，；，。4.4.2.1.9大、小齒輪的計算小齒輪：。大齒輪：。取兩者的較大值。4.4.2.1.10為錐齒輪傳動的齒寬系數(shù)。通常取，這里取。4.4.2.1.11為圓周力，其計算公式為（4-10）式中—小齒輪的轉(zhuǎn)矩（），根據(jù)上文可知為；—小齒輪的分度圓直徑（），同樣根據(jù)上文可知為。則有。4.4.2.2計算將上述各計算值代入式（4-6），為：，故滿足彎曲疲勞強度要求。4.4.3齒面接觸疲勞強度校核直齒錐齒輪的齒面接觸疲勞強度計算公式為（4-11）式中—彈性影響系數(shù)（），查《機械設(shè)計手冊》取；—載荷系數(shù)，從上文可知為2.3625；—小齒輪的轉(zhuǎn)矩（），為；—小齒輪的分度圓直徑（），為；—齒數(shù)比，為—接觸疲勞的許用應(yīng)力，公式同式（4-9），其中，可查的分別為，。小齒輪的接觸疲勞強度極限可查得為，大齒輪為。則有，，取兩者的較小值。則有，故滿足接觸疲勞強度要求。4.5兩個軸的直徑估算取軸的材料為45號鋼。由于兩個軸（軸1和軸2）均為旋轉(zhuǎn)運動，故其直徑可按扭轉(zhuǎn)強度公式進行估算：（4-12）式中C—為常數(shù)，對于45號鋼，C的范圍為106—118，這里取115；—軸傳遞的功率（kw），根據(jù)上文可知為；—軸的轉(zhuǎn)速（r/min），同樣由上文可知為，?！S的最小直徑（）。則有軸1：。軸2：。故軸1、軸2的直徑均取。4.6軸承的選擇及校核4.6.1軸承的選擇向心類軸承主要用于承受徑向載荷，推力類軸承主要用于承受軸向載荷。角接觸軸承可以同時承受徑向載荷和軸向載荷的聯(lián)合作用，其軸向載荷能力的大小隨接觸角的增大而增大。深溝球軸承的接觸角為0，但因為球與滾道間存在微小的間隙，可以形成不大的接觸角，故其還可以承受一定的軸向載荷。由于腕部的軸承主要承受的是徑向力的作用，因此選用的軸承類型為向心類軸承。向心類軸承又有深溝球軸承、外球面球軸承、角接觸球軸承、調(diào)心球軸承、調(diào)心滾子軸承、滾針軸承等。選擇幾個常用的軸承，其工作性能如表4-1所示：表4-1常用軸承工作性能比較名稱深溝球軸承外球面球軸承角接觸球軸承調(diào)心球軸承調(diào)心滾子軸承徑向載荷中中中中優(yōu)軸向載荷差差良差中高速性優(yōu)優(yōu)優(yōu)良中高精度性優(yōu)良優(yōu)中中低噪聲性優(yōu)優(yōu)優(yōu)中差剛性中中中差中可否用作游動支撐可不可不可可可使用壽命長長長較短較長價格低較低低較高較長腕部的軸特點是轉(zhuǎn)速低，所受的載荷主要是不大的徑向載荷，結(jié)合表格內(nèi)的因素綜合考慮后選擇的是深溝球軸承。兩個軸處所用的軸承均為6202型深溝球軸承。其基本參數(shù)如下：；徑向基本額定載荷；當(dāng)量動載荷為，其中，，則有。4.6.2軸承的校核這里主要是對軸承壽命進行校核計算。軸承的壽命與所受載荷的大小有關(guān)，載荷越大，在接觸表面引起的接觸應(yīng)力就越大。其校核公式為（4-13）式中—基本額定壽命（h）；—基本額定動載荷（），對于向心軸承為徑向基本額定動載荷，即；—當(dāng)量動載荷（N），根據(jù)上文可知為。粗略地取；—轉(zhuǎn)速（），取小齒輪的轉(zhuǎn)速。—壽命指數(shù)，球軸承取=3。代入公式（4-13）得：，遠遠大于系統(tǒng)的預(yù)定壽命，故所選擇的6202型深溝球軸承符合要求。4.7控制腕部回轉(zhuǎn)的步進電動機的選型初選混合式步進電動機型號為75BYG4501。其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為，靜轉(zhuǎn)矩為。4.7.1步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量的計算4.7.1.1帶輪的轉(zhuǎn)動慣量計算公式為：（4-14）式中—帶輪的節(jié)圓直徑（m），參考同步帶的設(shè)計可知小、大帶輪的節(jié)圓直徑分別為，?！獛л喌膶挾龋╩），同樣參考同步帶的設(shè)計可知為。—材料的密度（），這里用的材料為45號鋼，密度為7850。則小帶輪的轉(zhuǎn)動慣量為：大帶輪的轉(zhuǎn)動慣量為：4.7.1.2軸的轉(zhuǎn)動慣量計算公式同式（4-14）。其中為軸的直徑，根據(jù)上文可知為；為軸的長度，兩軸的長度均為，材料為45號鋼。則有：4.7.1.3直齒錐齒輪的轉(zhuǎn)動慣量近似地可按圓柱體進行計算，計算公式同式（4-14）。其中為齒輪的分度圓直徑，參考直齒錐齒輪的設(shè)計可知小齒輪的分度圓為，大齒輪為；為齒輪齒寬，同樣參考直齒錐齒輪的設(shè)計可知。小齒輪的材料為，大齒輪的材料為45號鋼，兩者的密度均為。則有：小齒輪轉(zhuǎn)動慣量為：大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量為：4.7.1.4焊槍的轉(zhuǎn)動慣量焊槍可以近似看成桿狀物體，焊槍轉(zhuǎn)動時所繞的軸到焊槍端點的距離為，利用平行軸定理[６]，則其轉(zhuǎn)動慣量計算公式為：（4-15）式中—焊槍質(zhì)量（），為；—焊槍長度（），近似為0.21m；—所繞軸到端點的距離（），為。則有。4.7.1.5焊嘴接口和法蘭可近似看成空心圓柱，則其轉(zhuǎn)動慣量的計算公式為：（4-16）式中—法蘭及焊嘴接口的質(zhì)量（），約為；—法蘭及焊接接口的外徑（），約為；—法蘭及焊嘴接口的內(nèi)徑（），約為。則有。4.7.1.6總的轉(zhuǎn)動慣量計算公式為：（4-17）代入各值得：4.7.2步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩的計算加在電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩分快速起動轉(zhuǎn)矩和最大工作負載兩種情況。4.7.2.1快速起動時電動機轉(zhuǎn)軸上的負載轉(zhuǎn)矩由兩部分組成：一是快速起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；另一部分是各部件轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩。由于摩擦轉(zhuǎn)矩遠小于最大加速轉(zhuǎn)矩，故可以忽略不計。則有：（4-18）快速起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩為：（4-19）式中—步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量（），為；—電動機轉(zhuǎn)速（），由上文可知為；—電動機加速所用時間（s），一般在0.3~1s之間選取，這里取?！偟膫鲃有?，取0.9。則.故。4.7.2.2步進電動機轉(zhuǎn)軸所承受的最大工作負載轉(zhuǎn)矩同樣由兩部分組成：一部分是由重力引起的轉(zhuǎn)矩折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的負載轉(zhuǎn)矩；另一部分是各部件的摩擦轉(zhuǎn)矩。由于較小，故忽略不計。則有：（4-20）又因為（4-21）式中—總的傳動效率，取0.9；—總的傳動比；；—生產(chǎn)機械上的負載轉(zhuǎn)矩，其計算公式為：（4-22）式中—焊槍的質(zhì)量（kg），為；—焊槍的質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸的距離（m）。。則有。故。即。經(jīng)上述計算后可知加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的負載轉(zhuǎn)矩為：。4.7.3步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定將上述計算的乘以一個系數(shù)，用的值來確定步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩。其中稱為安全系數(shù)。因為在工廠應(yīng)用中，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時，步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)，在計算步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的時候，需要考慮安全系數(shù)，對于開環(huán)系統(tǒng)，一般應(yīng)在2.5~4之間選取[7]。這里取。則最大靜轉(zhuǎn)矩需滿足的要求為：查得初選的75BYG4501型混合式步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩為，故滿足要求。4.7.4步進電動機的性能校核主要是對起動頻率的校核步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：（4-23）式中—步進電動機起動頻率（Hz），為1200Hz；—加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量（），為；—步進電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（），為0.9。則有：故若要保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都要小于。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有[7]。4.7.5同步帶傳遞功率的校核分快速起動和最大工作負載兩種情況分別進行校核。4.7.5.1快速起動時，電動機從靜止到加速至。由于負載轉(zhuǎn)矩，故傳遞的功率為。4.7.5.2最大工作負載轉(zhuǎn)矩為，則傳遞的功率為。可見，兩種情況下同步帶傳遞的負載功率均小于帶的額定功率。因此，選擇的同步帶功率合格。4.8控制腕部擺動的步進電動機的選型初選步進電動機型號為110BYG3501三相混合式步進電動機，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為。4.8.1步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量的計算4.8.1.1帶輪的轉(zhuǎn)動慣量其由上文可得為，。4.8.1.2腕部的轉(zhuǎn)動慣量腕部可近似的看成圓柱體，其總長為，其旋轉(zhuǎn)位置在遠離焊槍方向的處，總重設(shè)為。則根據(jù)圓柱體轉(zhuǎn)動慣量公式和平行軸定理可得腕部的轉(zhuǎn)動慣量計算公式為(4-24)式中—腕部質(zhì)量（），為；—腕部的半徑（m），為0.04m；—腕部的總長（m），為。—繞該處旋轉(zhuǎn)的軸與通過質(zhì)心、并與該軸平行的軸的距離（）。根據(jù)已知條件。則有4.8.1.3旋轉(zhuǎn)連接體的轉(zhuǎn)動慣量可以近似的按空心圓柱體的計算公式進行計算，為(4-25)式中—旋轉(zhuǎn)連接體的外徑（m），為0.08m；—旋轉(zhuǎn)連接體的內(nèi)徑（m），為0.04m；—旋轉(zhuǎn)連接體的質(zhì)量（），取。則有。4.8.1.4總的轉(zhuǎn)動慣量為4.8.2步進電動機轉(zhuǎn)軸上等效負載轉(zhuǎn)矩的計算同樣，分快速起動轉(zhuǎn)矩和最大工作負載轉(zhuǎn)矩兩種情況。4.8.2.1快速空載起動時，最大加速轉(zhuǎn)矩的計算公式轉(zhuǎn)同式（4-19），其中，，，為同步帶傳動的傳動效率，取0.95。則有。由于摩擦轉(zhuǎn)矩不計，故快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩。4.8.2.2步進電動機轉(zhuǎn)軸所承受的最大工作負載轉(zhuǎn)矩從上文可知，腕部的重量為，總長為，旋轉(zhuǎn)位置在遠離焊槍方向處，則其由重力引起的生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩為。則有。由于摩擦引起的轉(zhuǎn)矩過小，故不計。則步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大負載轉(zhuǎn)矩為：故步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩。4.8.3最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇最大靜轉(zhuǎn)矩，110BYG3501型步進電動機其最大靜轉(zhuǎn)矩為，故符合要求。4.8.4步進電動機的性能校核主要是對起動頻率的校核。起動頻率的計算公式同式（4-22），其中步進電動機空載起動頻率為，總轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。代入公式（4-23）得。故若要保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都要小于。5小臂的設(shè)計5.1設(shè)計方案焊接機械手的小臂有一個自由度，采用的是諧波齒輪減速器和步進電機相組合的傳動方式。為了使得結(jié)構(gòu)相對緊湊，故選擇了諧波齒輪減速器直接驅(qū)動小臂的傳動方式。如圖5-1所示，剛輪通過連接體1固定在大臂上，柔輪通過連接體2與小臂相連。當(dāng)步進電動機工作時，剛輪不動，柔輪轉(zhuǎn)動，從而帶動小臂的轉(zhuǎn)動。圖5-1小臂的結(jié)構(gòu)圖5.2諧波齒輪減速器的選擇諧波齒輪減速器包括三個基本構(gòu)件：柔輪、剛輪和波發(fā)生器。其特點如下：（1）結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小。由于諧波齒輪傳動比普通齒輪傳動的零件數(shù)目大大減少，其體積比普通齒輪傳動體積小。（2）傳動比范圍大。（3）承載能力高。由于諧波齒輪傳動同時嚙合齒數(shù)多，即同時承受載荷的齒數(shù)多，在材料的力學(xué)性能和傳動比相同的情況下，齒的強度保持一定時，其承載能力比其他形式的傳動大得多。（4）損耗小，效率高。這是因為齒的相對滑動速度極低。因此，它可在加工粗糙度和潤滑條件差的情況下工作。（5）齒的磨損小且均勻。由于齒的嚙合是面接觸，嚙合齒數(shù)多，齒面比壓小，滑動速度低，所以對于齒的磨損小且均勻。（6）運動平穩(wěn)，無沖擊。由于柔輪與剛輪嚙合時，齒與齒間均勻接觸，同時齒的嚙入和嚙出是隨柔輪的變形逐漸進入和退出剛輪齒間的。（7）可以向密封空間傳遞運動。在小臂出選擇一個小型號的諧波齒輪減速器，選用的的型號為XB40-200B，傳動比。5.3小臂質(zhì)量的計算如圖5-2所示，初定小臂長為，是由上下前后四塊厚為、材料為45號鋼的薄鋼板以及左右兩塊厚為、直徑為的半圓形端蓋焊接而成。其中上下、前后、左右的薄鋼板分別相同。45號鋼的密度為。圖5-2小臂正視圖為了便于計算,上下前后的四塊鋼板按矩形計算。上鋼板的長為，寬為，則其質(zhì)量為：前鋼板的長為，寬為150mm，則其質(zhì)量為：左右兩塊半圓形端蓋其直徑均為，寬為，則其質(zhì)量為：故小臂的總重為：為了便于計算，則取。5.4小臂步進電動機的選擇初選電動機型號為75BYG4502混合式電動機，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。5.4.1步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量的計算5.4.1.1XB40—200B型諧波齒輪減速器的轉(zhuǎn)動慣量可根據(jù)《機械設(shè)計手冊》得為。5.4.1.2小臂的轉(zhuǎn)動慣量可近似的按長方體的轉(zhuǎn)動慣量計算公式進行計算，另利用平行軸定理，公式為（5-1）式中—小臂的質(zhì)量（），為；—小臂長（），為；—小臂高（），為；—小臂所繞軸與通過質(zhì)心，并與該軸平行的軸的距離，為。則有：。5.4.1.3腕部繞小臂旋轉(zhuǎn)軸的的轉(zhuǎn)動慣量計算公式同式（4-24）。其中，，，為腕部質(zhì)心與小臂旋轉(zhuǎn)軸的最大水平距離，為。則有：。5.4.1.4總的轉(zhuǎn)動慣量為5.4.2步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩的計算5.4.2.1快速起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩的計算公式同式（4-19）。其中，加速時間，電動機轉(zhuǎn)速為則有。由于不計摩擦轉(zhuǎn)矩，故快速起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩為5.4.2.2步進電動機轉(zhuǎn)軸所承受的最大工作負載轉(zhuǎn)矩先計算生產(chǎn)機械上的負載轉(zhuǎn)矩。由兩部分組成：一部分是小臂的重力所引起的負載轉(zhuǎn)矩，另一部分是腕部的負載轉(zhuǎn)矩。計算公式可寫為：（5-2）式中—小臂的質(zhì)量，根據(jù)上文可知為；—手腕及腕部的質(zhì)量，為；—小臂所繞軸與通過質(zhì)心，并與該軸平行的軸的距離，；—腕部所繞軸與通過質(zhì)心，并與該軸平行的軸的距離，根據(jù)上文可知為。則有。再根據(jù)公式（4-21）可計算出折算到步進電動機轉(zhuǎn)軸上的負載轉(zhuǎn)矩。其中，諧波齒輪減速器的傳動效率一般在之間，這里??；傳動比。代入公式（4-20）得：故步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大負載轉(zhuǎn)矩。綜上所述，步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩。5.4.3步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇初選的75BYG4502型混合式步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩為，滿足要求。5.4.4起動頻率的校核起動頻率的計算公式同（4-23），其中空載起動頻率，，步進電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。代入公式（4-23）得故若要保證步進電動機起動時不失步，任何時候的啟動頻率都要小于。6大臂的設(shè)計6.1設(shè)計方案大臂同樣采用的是步進電動機和諧波減速器同軸相連的傳動方式，如圖6-1所示。其中諧波減速器采用的是柔輪不動，剛輪轉(zhuǎn)動帶動大臂運動的方式。諧波減速器的剛輪與機器人大臂用螺栓和銷連接，柔輪同樣通過螺栓和銷固定。這種布置方式可以使結(jié)構(gòu)緊湊，并且關(guān)節(jié)處的旋轉(zhuǎn)角度會比較大。圖5-1大臂結(jié)構(gòu)圖6.2諧波齒輪減速器的選擇由于大臂關(guān)節(jié)處的負載轉(zhuǎn)矩比較大，所以選擇大型號的諧波齒輪減速器，型號為XB80-200B。6.3大臂質(zhì)量的計算初定大臂長為，由前后左后四塊厚為，材料為45號鋼的薄鋼板焊接而成。為了便于計算，四塊薄鋼板均按矩形計算，實際圖紙中大臂有一定的斜度。45號鋼密度為。前后兩塊鋼板相同，其長為，寬為，則其質(zhì)量為。左右兩塊鋼板也相同，其長為，寬為，則其質(zhì)量為。故大臂的總質(zhì)量為。為了方便計算，取。6.4大臂步進電動機的選型初選步進電動機為90BYG4502型混合式步進電動機，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為。6.4.1步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量的計算6.4.1.1XB80-200B型諧波齒輪減速器的轉(zhuǎn)動慣量查表可得為。6.4.1.2大臂的轉(zhuǎn)動慣量可近似地按長方體的轉(zhuǎn)動慣量計算公式進行計算，公式同（5-1），其中大臂質(zhì)量為，大臂高，寬，，則有6.4.1.3小臂的轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)上文可得為。6.4.1.4腕部的轉(zhuǎn)動慣量同樣根據(jù)上文可得為。6.4.1.5總的轉(zhuǎn)動慣量為6.4.2步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩的計算同樣分快速起動轉(zhuǎn)矩和最大工作負載兩種情況。6.4.2.1快速起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩的計算公式同式（4-19），其中，加速時間為，轉(zhuǎn)速與小臂的步進電動機的起動轉(zhuǎn)速相同，為。則有：，故。6.4.2.2步進電動機轉(zhuǎn)軸所承受的最大工作負載轉(zhuǎn)矩由前文可知，大臂的旋轉(zhuǎn)角度范圍為，其生產(chǎn)機械上的負載轉(zhuǎn)矩由三部分組成：大臂的重力所引起的負載轉(zhuǎn)矩、小臂重力引起的負載轉(zhuǎn)矩和腕部的負載轉(zhuǎn)矩，具體公式為：（6-1）式中—大臂的質(zhì)量（），為；—小臂的質(zhì)量（），為；—腕部的質(zhì)量（），為；—大臂質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)軸的水平距離，為；—小臂的質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)軸的水平距離，為；—腕部的質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)軸的水平距離，為；則有再根據(jù)公式（4-22）可計算出折算到步進電動機轉(zhuǎn)軸上的負載轉(zhuǎn)矩。其中，，傳動比，則有，故步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩為。綜上所述，步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩。6.4.3步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇初選的90BYG4502型混合式步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩為，故滿足要求。6.4.4起動頻率的校核起動頻率的計算公式同（4-22），其中空載起動頻率，，步進電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。代入公式（4-22）得。故若要保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都要小于。7底座的設(shè)計7.1設(shè)計方案底座處有一個旋轉(zhuǎn)的自由度。如題7-1所示，底座可以分為上、下兩個部分，其中下部分起到固定和支撐的作用；上面部分即為腰座，能帶動大臂作旋轉(zhuǎn)運動。底座上采用階梯軸把諧波齒輪減速器的輸出轉(zhuǎn)矩傳遞到小齒輪上，使用階梯軸的好處是便于零件的裝配和定位。階梯軸的通過螺栓和銷子同諧波齒輪減速器的柔輪相連，下端通過鍵固定在小齒輪輪轂上。圖7-1底座的結(jié)構(gòu)圖當(dāng)步進電動機工作時，諧波齒輪減速器的剛輪不動、柔輪轉(zhuǎn)動，再通過階梯軸帶動小齒輪轉(zhuǎn)動。又因為小齒輪和大齒輪相嚙合，大齒輪安裝在下底座上固定不動，從而實現(xiàn)了小齒輪帶著諧波齒輪減速器、步進電動機和大臂繞著大齒輪的旋轉(zhuǎn)運動。這種布置雖然會使轉(zhuǎn)動慣量加大，但對于潤滑、保修、維護、拆裝比較方便。7.2諧波齒輪減速器的選擇考慮到底座上的轉(zhuǎn)動慣量較大，故選擇和大臂關(guān)節(jié)處同一型號的諧波齒輪減速器，其型號為XB80-200B。7.3齒輪的設(shè)計初選的底座處的步進電動機型號為90BYG5501型，其最大靜轉(zhuǎn)矩為。設(shè)傳動比為，轉(zhuǎn)速。7.3.1選定齒輪的類型、精度等級、材料及齒數(shù)7.3.1.1選定齒輪類型為直齒圓柱齒輪。7.3.1.2由于焊接機械手要求的精度較高，故齒輪的精度等級選為8級。7.3.1.3材料選擇。小齒輪材料為，硬度為；大齒輪為45號鋼，硬度為。7.3.1.4試選小齒輪齒數(shù)為，則大齒輪齒數(shù)為，故取。7.3.2按齒面接觸強度進行設(shè)計計算公式為(7-1)7.3.2.1 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值7.3.2.1.1試選載荷系數(shù)為。7.3.2.1.2小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩為。7.3.2.1.3齒寬系數(shù)可查《機械設(shè)計手冊》為。7.3.2.1.4彈性影響系數(shù)同樣可查《機械設(shè)計手冊》為。7.3.2.1.5按齒面硬度可查的小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的接觸疲勞強度極限。7.3.2.1.6應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的計算公式同式（4-8），其中小齒輪轉(zhuǎn)速，同一齒面嚙合次數(shù)，齒輪的工作壽命參考第四章為。則有：7.3.2.1.7接觸疲勞壽命系數(shù)可查《機械設(shè)計手冊》為；。7.3.2.1.8接觸疲勞許用應(yīng)力的計算公式為（7-2）式中—疲勞強度安全系數(shù)，取1。則有，。7.3.2.2計算7.3.2.2.1小齒輪分度圓直徑的計算將上述各值代入式（7-1）中，其中取較小者。則有。7.3.2.2.2圓周速度的計算。7.3.2.2.3齒寬的計算。7.3.2.2.4齒寬與齒高之比模數(shù)。故齒高。則有。7.3.2.2.5載荷系數(shù)的計算根據(jù)，由《機械設(shè)計手冊》可查得動載荷系數(shù)。由于齒輪類型為直齒輪，故齒間載荷分配系數(shù)。使用系數(shù)可查的為。根據(jù)8級精度以及小齒輪做懸臂布置可查的接觸疲勞強度計算公式中的載荷分布系數(shù)。由，可查的彎曲強度計算公式中的載荷分布系數(shù)。故載荷系數(shù)為。7.3.2.2.6按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑公式為（7-3）代入各值，為。7.3.2.2.7模數(shù)計算。7.3.3按齒根彎曲強度進行設(shè)計齒根彎曲強度的設(shè)計公式為（7-4）7.3.3.1公式內(nèi)各計算值的確定7.3.3.1.1由《機械設(shè)計手冊》可查得小齒輪彎曲疲勞強度極限為；大齒輪的彎曲強度極限為。7.3.3.1.2彎曲疲勞壽命系數(shù)同樣可由手冊查得為,。7.3.3.1.3彎曲疲勞許用應(yīng)力的計算彎曲疲勞安全系數(shù)取，彎曲疲勞許用應(yīng)力由式（7-2）可得為，。7.3.3.1.4載荷系數(shù)的計算。7.3.3.1.5齒形系數(shù)可由手冊查得為，。7.3.3.1.6應(yīng)力校正系數(shù)同樣可查得為，。7.3.3.1.7大、小齒輪的計算，。7.3.3.2設(shè)計計算將上述各值代入式（7-4）中，得?？梢钥闯?，由齒面疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)。由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力。而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，故取彎曲疲勞強度算得的模數(shù)，取標準值為。故可算出小齒輪齒數(shù)為，大齒輪齒數(shù)為。這樣設(shè)計出的齒輪傳動，即滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到了結(jié)構(gòu)緊湊、避免浪費。7.3.4幾何尺寸計算7.3.4.1分度圓直徑的計算，。7.3.4.2中心距的計算。7.3.4.3齒輪寬度。故。7.4階梯軸的設(shè)計7.4.1設(shè)計要求軸和裝配在軸上的零件要有準確的工作位置；軸上的零件應(yīng)便于拆裝和調(diào)整；軸應(yīng)具有良好的制造工藝性。7.4.2初步確定階梯軸的最小直徑可先按公式（4-12）來初步估算軸的最小直徑。其中，，。則有：。7.4.3軸上零件的裝配方案 軸為垂直安裝，為了方便計算及做圖，分析時采用軸逆時針旋轉(zhuǎn)進行分析。如圖7-2所示，階梯軸從左往右依次為：諧波齒輪減速器柔輪、油封、兩個滾動軸承、墊片、螺母以及小齒輪。圖7-2軸的結(jié)構(gòu)與裝配7.4.4根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度7.4.4.1為了滿足柔輪的定位要求，軸段的右端應(yīng)制出一軸肩，故取軸段的直徑為。的長度為。7.4.4.2油封的選擇油封的功能是把潤滑油跟外界隔離開來，對內(nèi)分油，對外防塵。這里選用的油封為全膠結(jié)構(gòu)。油封的厚度為。軸段的長度應(yīng)大于油封的厚度，故取。7.4.4.3滾動軸承的選擇由于軸承同時受徑向力和軸向力，故選用雙列圓錐滾子軸承。根據(jù)，初步選擇雙列圓錐滾子軸承的型號為352208E。其基本尺寸為，故。在出需留出以擰緊螺母，故。7.4.4.4在處用了墊片和螺母，以起到支撐雙列圓錐滾子軸承的目的。選用的螺母為六角螺母。故軸段的直徑應(yīng)為。該段的長度應(yīng)考慮扳手空間，取。7.4.4.5安裝小齒輪處的軸段的直徑取為，取。至此。以初步確定了軸的各段直徑和長度。7.4.5軸上零件的周向定位齒輪和軸的周向定位采用平鍵連接。根據(jù)，從《機械設(shè)計手冊》查得平鍵截面鍵寬×鍵高=6mm×6mm，鍵槽用銑刀加工，長度為。7.4.6軸上的載荷7.4.6.1計算簡圖首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計算簡圖。在確定軸承的支點位置時，應(yīng)先查出軸承的a值。對于352208E型雙列圓錐滾子軸承其a值為，則計算簡圖如圖7-3（a）所示。其中，。周向力的計算公式為（7-5）式中—軸的轉(zhuǎn)矩（），根據(jù)齒輪設(shè)計可知為；—小齒輪的分度圓直徑（mm），為。則有。7.4.6.2水平面上的彎矩圖水平面上的受力如圖7-3（b），對B點取矩可得，則。其彎矩圖如圖7-3（b）所示，其中。7.4.6.3垂直面上的彎矩圖受力情況如圖7-3（c）所示，同樣對B點取矩可得，則，其彎矩圖如圖7-3（c）所示，其中。7.4.6.4總彎矩M圖總彎矩圖如圖7-3（d）所示，其中。7.4.6.5扭矩圖扭矩圖如圖7-3（e）所示，其中。圖7-3軸的載荷分析圖7.4.7按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度由于C處是危險截面，故校核C截面的強度。公式為（7-6）式中—抗彎截面系數(shù)（），為；—折合系數(shù)，取0.6；—許用彎應(yīng)力，根據(jù)45號調(diào)質(zhì)鋼由《機械設(shè)計手冊》可查得。則有，故安全。7.5底座步進電動機的選型初選步進電動機的型號為90BYG5501型混合式步進電動機，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為。7.5.1步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量的計算7.5.1.1XB80-200B型諧波齒輪減速器的轉(zhuǎn)動慣量可查得為。7.5.1.2階梯軸的轉(zhuǎn)動慣量公式同式（4-14），其中軸的直徑取，軸的長度為，則有。7.5.1.3小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量計算公式也同式（4-14），其中齒輪分度圓直徑，齒厚為，則有。7.5.1.4腰座處的轉(zhuǎn)動慣量的計算腰座處由三個構(gòu)件組成，自下而上依次為：轉(zhuǎn)臺、支架以及安裝大臂的支座。7.5.1.4.1轉(zhuǎn)臺可近似地看成厚為，直徑為的薄圓盤，其轉(zhuǎn)動慣量的計算公式為同式（4-14），則有。7.5.1.4.2支架可以近似地看成長為，寬為，高為的長方體，由三塊厚為的薄鋼板焊接而成。其質(zhì)量為：其轉(zhuǎn)動慣量的計算公式同式（5-1），其中，。則有：7.5.1.4.3安裝大臂的支座由兩個厚為的圓柱體組成，轉(zhuǎn)動慣量計算公式同（4-16），其中外徑，內(nèi)徑，質(zhì)量為：則有。故腰座的轉(zhuǎn)動慣量為：7.5.1.5大臂對于軸的轉(zhuǎn)動慣量計算公式同式（5-1），其中，，質(zhì)量，則有。7.5.1.6小臂對于軸的轉(zhuǎn)動慣量計算公式同式（5-1），其中，，，則有。7.5.1.7腕部對于軸的轉(zhuǎn)動慣量公式同式（4-24），其中，，。則有：7.5.1.8總的轉(zhuǎn)動慣量計算公式為：代入上述各值，則有7.5.2步進電動機轉(zhuǎn)軸上等效負載轉(zhuǎn)矩的計算由于腰座是垂直的旋轉(zhuǎn)運動，故只計算快速起動轉(zhuǎn)矩即可。公式同（4-19），其中總轉(zhuǎn)動慣量，加速時間，轉(zhuǎn)速，傳動效率取，則有7.5.3最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇最大靜轉(zhuǎn)矩，90BYG5501型步進電動機其最大靜轉(zhuǎn)矩為，故符合要求。7.5.4步進電動機起動頻率的校核起動頻率的計算公式同式（4-22），其中空載起動頻率，轉(zhuǎn)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。代入公式（4-23）得。故若要保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都要小于。8全文總結(jié)和展望通過這段時間的努力，查閱了大量資料，對比了各種不同方案，最后確定了焊接機械手的設(shè)計方案。該設(shè)計方案具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等優(yōu)點。同時運用模塊化的設(shè)計思路，對各個部件分別進行設(shè)計，再進行組裝。這種方法增加了設(shè)計的靈活性，并且方便零部件的更換。這次設(shè)計結(jié)合了大學(xué)四年的成果，運用了多鐘專業(yè)知識，不斷進行分析計算并逐步完善自己的設(shè)計，對自己的四年所學(xué)有了一個梳理和總結(jié)。并且培養(yǎng)了自己的分析及設(shè)計能力，提高了自身素質(zhì)，為以后的工作打下了夯實的基礎(chǔ)。由于自身能力及時間