五軸機械手的大臂和小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u24378五軸機械手的大臂和小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計計算案例 1165671機械手大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計 121021.1設(shè)計要求 1158781.2結(jié)構(gòu)特點 1182071.3齒輪設(shè)計 2322331.4軸強度校核 2118322小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 5323692.1設(shè)計要求 532692.1.1動力參數(shù) 5157432.1.2電動機參數(shù) 10200022.2結(jié)構(gòu)特點 11209782.3傳動選擇 1127552.4軸/軸承的設(shè)計與校核 1490252.4.1傳動軸受力 1486812.4.2強度校核 15232272.5軸承疲勞強度校核 16108362.6鍵、槽的設(shè)計 171機械手大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計1.1設(shè)計要求大臂與底座直接相連，大臂帶動小臂運動，因此大臂有一定的剛強度要求：（1）在保證機構(gòu)質(zhì)量較小的情況下，大臂部分的剛度和強度應(yīng)在標準之內(nèi)。（2）大臂的運轉(zhuǎn)速度較高，因此需要更小的摩擦來緩解運轉(zhuǎn)壓力。（3）大臂帶動小臂運動，系統(tǒng)之間的傳遞需要更高的定位和裝配精度。1.2結(jié)構(gòu)特點為了滿足質(zhì)量輕的要求，大臂的材料選擇為鑄鋁，整體形狀為類似方形，整體具有較強的結(jié)構(gòu)強度和結(jié)構(gòu)剛度。軸材質(zhì)為45#調(diào)質(zhì)鋼。1.3齒輪設(shè)計首先通過大臂的質(zhì)量來計算臂的轉(zhuǎn)動慣量：J2=M2L42+M3L52，其中小臂的質(zhì)量M2為2000g，M3為4000g，小臂長度和大臂長度分別為0.096m和0.1938m，因此可以得出轉(zhuǎn)動慣量為0.158kg.m2。然后，可以根據(jù)臂軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動慣量計算出理論轉(zhuǎn)矩： （2-1）已知轉(zhuǎn)動慣量為0.158kg.m2，角加速度通過角度的變化率計算。已知在0.1s內(nèi)角速度的變化為0-π/3/s，銀角角加速度為：（2-2）假設(shè)剛開始的扭矩和安全指數(shù)分別為15N.m和2，那么齒輪扭矩臨界值為： (2-3)考慮到0.9的傳遞效率，可以得出電動機端額定輸出轉(zhuǎn)矩： (2-4)最終選擇電動機的型號為55BF003，主要轉(zhuǎn)矩為0.678N.m，步距角為1.5°。1.4軸強度校核根據(jù)實際情況分析軸受力和力矩：圖2-1軸受力和力矩情況表2-1各種力和力矩的計算結(jié)果受力形式計算公式周向力徑向力法向力垂直支撐反力1水平支撐反力1水平支撐反力2垂直彎矩水平彎矩F產(chǎn)生彎矩最大合成彎矩MA=+MAF=+41.1=70.1N.mM'A=+MAF=+41.1=61.57N.m危險截面轉(zhuǎn)矩軸徑校核由于鍵的作用，因此需要將軸徑增加為原來的1.05倍，因此：符合設(shè)計要求。彎曲扭轉(zhuǎn)的組合強度是最終強度的要求，因此分別計算出彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩如下：危險截面為鍵槽的中間截面，因此其彎曲應(yīng)力為：扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為：組合應(yīng)力為：查表可知其強度符合設(shè)計需求（60Mpa）。PAGE12小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1設(shè)計要求手腕的設(shè)計要求是:結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,動作靈活,平穩(wěn),定位精度高,材料強度,高剛度,手臂的結(jié)構(gòu)合理,手的關(guān)節(jié),傳感器和執(zhí)行器和設(shè)備的合理配置安裝。2.1.1動力參數(shù)（1）電機參數(shù)小臂部分的阻力主要是克服本身重力和物體的重力做功，另外還要受到抓取物體時的摩擦阻力.表3-1相應(yīng)力和力矩的計算公式[15]力矩類型計算公式手腕旋轉(zhuǎn)=7.7N.m摩擦=0.77N.m啟動加速度N·m載重力矩N·m手臂質(zhì)量kg載重轉(zhuǎn)動慣量=1.5×0.122=0.037kg/m3旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量kg/m3轉(zhuǎn)動角速度=0.79/0.122=6.67r/s表3-2兩級帶輪和一級齒輪傳動效率參數(shù)傳動類型效率彈性聯(lián)軸器滾子鏈滾動軸承（兩個）錐齒輪總體根據(jù)傳動效率和額定轉(zhuǎn)矩可以得出工作轉(zhuǎn)矩:N·m，可以選擇90BYG5200B-SAKRML-0301電機，下表為其參數(shù)：圖3-1技術(shù)數(shù)據(jù)圖3-2電機矩頻特性曲線（2）鏈傳動參數(shù)計算已知電機型號，可以得出相應(yīng)轉(zhuǎn)速（r/min）和轉(zhuǎn)矩（4.5N·m）。從而得手腕角速度r/s，進而得出轉(zhuǎn)速r/min，最后計算出傳動比。傳動比分配如下:大臂和小臂的鏈傳動比分別為1和1.35，大臂的錐齒輪傳動比為1.5，總體傳動比為1.0。（3）錐齒輪傳動校核根據(jù)設(shè)計要求，需要設(shè)計一個小齒輪和一個大齒輪，由于小齒輪較小，直接與軸固定，大齒輪齒數(shù)可設(shè)得17～20[15]，并對工作時的齒輪進行靜強度和疲勞強度校核。（a）齒輪參數(shù)根據(jù)傳動比計算公式，可以得出主動輪和從動輪齒數(shù)之比為，取，。然后，以齒面接觸疲勞強度公式計算出分度圓直徑的范圍[16]：（3-1）將具體數(shù)值帶入式3-1，,,MPa，N·m，得出mm。從而可以計算出大端模數(shù)，標準化后。表3-3齒輪具體參數(shù)齒輪參數(shù)計算公式大端分度圓的直徑每節(jié)錐的角度；錐之間的距離中間的分度圓直徑當量齒數(shù)平均模數(shù)齒寬mm將具體數(shù)值帶入上式:mmmmmmmmmmr/min。中間的分度圓周向力N。表3-4齒面疲勞強度校核計算公式載荷/應(yīng)力類型計算公式單位載荷/MPa接觸疲勞應(yīng)力/MPa接觸疲勞極限查閱資料可以得出上述公式的參數(shù)值，，，。因此，MPa。最終可以計算出安全系數(shù)>1，滿足安全要求。表3-5齒根疲勞強度校核載荷/應(yīng)力類型計算公式單位載荷/MPa彎曲應(yīng)力；變位系數(shù)和齒形系數(shù)（查表可得）；；；；；將具體數(shù)值帶入上式，MPaMPa查[16]手冊，疲勞系數(shù)和極限分別為，；，。計算出許用應(yīng)力：MPaMPa因此、，彎曲疲勞強度完全符合設(shè)計需求[17]。2.1.2電動機參數(shù)根據(jù)上述分析可以得出，機械臂第一關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量總值計算公式為（3-2）忽略自身重力轉(zhuǎn)動慣量的影響，并將負載數(shù)值分別帶入上式可得：==第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動慣量計算如下:==然后計算角加速度：rad，從而得出相應(yīng)轉(zhuǎn)矩計算公式：，圓整為。計算電機工作功率：（3-3）工作效率=0.9；系數(shù)取1.5，帶入上式可得：因此可以選擇QZD-08串勵直流電動機作為本設(shè)計電動機表3-6QZD-08串勵直流電動機技術(shù)數(shù)據(jù)功率（W）額定電壓（V）額定電流（A）額定轉(zhuǎn)速（r/min）濾磁方式絕緣等級工作制（min）8002446.21750串勵B602.2結(jié)構(gòu)特點與大臂的設(shè)計要求類似，為了滿足質(zhì)量輕的要求，大臂的材料選擇為鑄鋁，整體形狀為類似方形，整體具有較強的結(jié)構(gòu)強度和結(jié)構(gòu)剛度。軸材質(zhì)為45#調(diào)質(zhì)鋼。2.3傳動選擇（1）設(shè)計錐齒輪傳動與手腕齒輪設(shè)計過程一致，不再贅述[15]。（a）齒輪參數(shù)設(shè)計首先根據(jù)齒輪的齒數(shù)比，假定其中一個齒輪的齒數(shù),另一個齒輪的齒數(shù)為30。然后以通過接觸疲勞強度極限來得出大端分度圓直徑和大端模數(shù)的：（3-4）通過查閱機械手冊可得：,,MPa。齒寬系數(shù)取為0.3。且N·m，,。那么可以得出大端分度圓直徑mm。根據(jù)大端模數(shù)計算公式：，標準化可得。表3-7圓錐齒輪主要的參數(shù)齒輪參數(shù)計算公式大端分度圓的直徑每節(jié)錐的角度；錐之間的距離中間的分度圓直徑當量齒數(shù)平均模數(shù)齒寬mm將已知結(jié)論帶入上表公式當中可得：mmmmmmmmmmr/min。N。表3-8齒面疲勞強度校核計算公式載荷/應(yīng)力類型計算公式單位載荷/MPa接觸疲勞應(yīng)力/MPa接觸疲勞極限查閱資料可以得出上述公式的參數(shù)值，，，。因此，MPa。最終可以計算出安全系數(shù)>1，滿足安全要求。表3-9齒根疲勞強度校核載荷/應(yīng)力類型計算公式彎曲應(yīng)力；變位系數(shù)和齒形系數(shù)（查表可得）；；；；；將具體數(shù)值帶入上式，MPaMPa查[16]手冊，疲勞系數(shù)和極限分別為，；Mpa，Mpa。計算出許用應(yīng)力：MPaMPa因此、，彎曲疲勞強度完全符合設(shè)計需求[17]2.4軸/軸承的設(shè)計與校核圖3-3軸的結(jié)構(gòu)圖2.4.1傳動軸受力根據(jù)實際情況將軸的受力圖簡化為圓盤與一條直線分別代表齒輪和軸，如下圖所示:圖3-4傳動軸的受力分析根據(jù)示意圖，可以計算出：2.4.2強度校核根據(jù)已知軸形狀可知，截面C、D所受應(yīng)力的值最大，是危險截面，以此只需要校核危險截面對應(yīng)的強度是否符合設(shè)計要求，就可以得知整個傳動軸是否符合設(shè)計需求。（1）合成彎矩（2）當量彎矩（3）校核由手冊查材料45的強度參數(shù)，C截面當量彎曲應(yīng)力：（4）扭矩T圖圖3-5軸的強度校核圖根據(jù)計算結(jié)果可知。根據(jù)計算結(jié)論可以知道截面C符合強度要求，D截面的判斷方法和過程與此類似，不再贅述，計算結(jié)果顯示截面D同樣符合設(shè)計要求。2.5軸承疲勞強度校核軸承是套在軸上的傳動裝置，軸承的壽命由軸承所受到的交變載荷等決定，根據(jù)使用要求，至少應(yīng)該保證在三年內(nèi)不需要進行更換。據(jù)此，對軸承的疲勞強度進行校核：表3-10軸承疲勞強度校核參數(shù)的類型和計算方式結(jié)論6014端點